JPH0758308A - Solid state image pickup element - Google Patents
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Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ラインセンサあるいは
エリアセンサの如き固体撮像素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device such as a line sensor or an area sensor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図２は、フレーム転送方式のＣＣＤ固体
撮像素子の概略を示す平面図である。受光部１は、垂直
方向に連続し、互いに平行に配列される複数のシフトレ
ジスタからなり、これらのシフトレジスタの各ビットが
電極の作用によって電位的に区画されて受光画素が構成
される。従って、受光部１には、複数の受光画素がマト
リクス配置されることになる。蓄積部２は、受光部１の
各シフトレジスタに連続する複数のシフトレジスタから
なり、各受光画素に蓄積された１画面分の情報電荷を受
光部１のシフトレジスタから受けて一時的に蓄積する。
水平転送部３は、各ビットが蓄積部２のシフトレジスタ
の出力端に対応付けられる通常単一のシフトレジスタか
らなり、蓄積部２に蓄積される１画面分の情報電荷を１
水平ライン単位で受けて順次出力する。この水平転送部
３の出力側には、電荷量を電圧値に変換する出力部４が
設けられ、水平転送部３を転送される情報電荷が映像信
号に変換されて出力される。以上の各部は、シリコン基
板上に多結晶シリコン電極を配置して形成され、光を受
けると光電変換によって電荷を発生するため、被写体映
像を受ける受光部１以外の領域は、アルミニウム等の遮
光膜５により被われる。2. Description of the Related Art FIG. 2 is a plan view schematically showing a frame transfer type CCD solid-state image pickup device. The light receiving unit 1 is composed of a plurality of shift registers which are continuous in the vertical direction and are arranged in parallel with each other, and each bit of these shift registers is electrically divided by the action of the electrodes to form a light receiving pixel. Therefore, the light receiving unit 1 has a plurality of light receiving pixels arranged in a matrix. The storage unit 2 is composed of a plurality of shift registers that are continuous with the respective shift registers of the light receiving unit 1, and receives the information charges for one screen accumulated in each light receiving pixel from the shift register of the light receiving unit 1 and temporarily stores the information charges. .
The horizontal transfer unit 3 is usually composed of a single shift register in which each bit is associated with the output terminal of the shift register of the storage unit 2 and stores one screen of information charges stored in the storage unit 2 by one.
Receives in units of horizontal lines and outputs sequentially. An output unit 4 for converting the amount of charge into a voltage value is provided on the output side of the horizontal transfer unit 3, and the information charge transferred through the horizontal transfer unit 3 is converted into a video signal and output. Each of the above parts is formed by arranging a polycrystalline silicon electrode on a silicon substrate and generates a charge by photoelectric conversion when receiving light. Therefore, a region other than the light receiving part 1 for receiving a subject image is provided with a light shielding film such as aluminum. Covered by 5.
【０００３】図３は、水平転送部の一部及び出力部の構
成を示す断面図である。シリコン基板１０の表面に、多
結晶シリコンからなる２層構造の転送電極１１が絶縁膜
１２を介して互いに平行に配列され、水平転送部が構成
される。各転送電極１２には、例えば２相の転送クロッ
クが印加され、転送電極１２の下のチャネル領域のポテ
ンシャルの制御によって情報電荷が出力部側に転送され
る。また、転送電極１２の出力側のシリコン基板１０
に、電気的に独立したフローティングディフュージョン
１３が設けられると共に、このフローティングディフュ
ージョン１３に隣接してリセットドレイン１４が設けら
れ、これらフローティングディフュージョン１３及びリ
セットドレイン１４の間に絶縁膜１２を介してリセット
電極１５が配置されて出力部が構成される。リセット電
極１５には、転送クロックに同期したリセットクロック
が印加され、フローティングディフュージョン１３に蓄
積される情報電荷を所定の周期でリセットドレイン１４
へ排出させる。また、フローティングディフュージョン
１３には、出力アンプにつながるアルミニウム配線１６
が接続され、蓄積される電荷量に従って変化する電位の
検出が成される。そして、アルミニウム配線１６上に絶
縁膜１７を介してアルミニウム膜１８が形成され、水平
転送部及び出力部が遮光される。FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a part of the horizontal transfer section and the output section. On the surface of the silicon substrate 10, transfer electrodes 11 having a two-layer structure made of polycrystalline silicon are arranged in parallel with each other via an insulating film 12 to form a horizontal transfer portion. For example, a two-phase transfer clock is applied to each transfer electrode 12, and the information charges are transferred to the output side by controlling the potential of the channel region below the transfer electrode 12. Also, the silicon substrate 10 on the output side of the transfer electrode 12
Is provided with an electrically independent floating diffusion 13, a reset drain 14 is provided adjacent to the floating diffusion 13, and a reset electrode 15 is provided between the floating diffusion 13 and the reset drain 14 via an insulating film 12. Are arranged to form an output unit. A reset clock synchronized with the transfer clock is applied to the reset electrode 15, and information charges accumulated in the floating diffusion 13 are reset in a predetermined cycle.
To discharge. In addition, the floating diffusion 13 has aluminum wiring 16 connected to the output amplifier.
Are connected, and a potential that changes according to the amount of accumulated charge is detected. Then, the aluminum film 18 is formed on the aluminum wiring 16 via the insulating film 17, and the horizontal transfer section and the output section are shielded from light.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】以上の出力部において
は、フローティングディフュージョン１３の容量を利用
して電荷量が電圧値に変換されるため、フローティング
ディフュージョン１３の容量の低減による出力感度の向
上が課題となる。即ち、フローティングディフュージョ
ン１３の容量を小さくすれば、蓄積される情報電荷の微
少な量の変化に対しても大きな電位変動が生じるため、
フローティングディフュージョン１３の容量が可能な限
り小さく設定される。しかしながら、出力部がアルミニ
ウム膜１８で被われる場合、このアルミニウム膜１８と
アルミニウム配線１６との間に形成される容量のために
フローティングディフュージョン１３の容量が大きくな
り、出力感度が低下するという問題が生じる。In the above output section, since the charge amount is converted into a voltage value by utilizing the capacitance of the floating diffusion 13, the improvement of the output sensitivity by reducing the capacitance of the floating diffusion 13 is a problem. Becomes That is, if the capacitance of the floating diffusion 13 is reduced, a large potential fluctuation occurs even with a slight change in the amount of stored information charges.
The capacity of the floating diffusion 13 is set as small as possible. However, when the output portion is covered with the aluminum film 18, the capacitance of the floating diffusion 13 increases due to the capacitance formed between the aluminum film 18 and the aluminum wiring 16, which causes a problem that the output sensitivity decreases. .
【０００５】このため、出力部上にはアルミニウム膜を
形成せず、光学系の設定によって出力部に光が当らない
ようにするといった対策が図られる場合がある。ところ
が、ラインセンサ等のように受光部と出力部との距離が
短くなると、出力部に光を当てないように光学系を設定
することが困難となるため、出力部を何らかの手段で遮
光する必要が生じる。Therefore, there is a case where a measure is taken such that an aluminum film is not formed on the output section and light is prevented from hitting the output section by setting the optical system. However, if the distance between the light receiving part and the output part is shortened as in a line sensor, it becomes difficult to set the optical system so that the output part is not exposed to light. Therefore, it is necessary to shield the output part by some means. Occurs.
【０００６】そこで本発明は、出力部を被う遮光膜を形
成しながら、出力部の容量の増大を低減し、出力感度の
低下を防止することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to reduce the increase in the capacitance of the output portion and prevent the output sensitivity from decreasing while forming the light-shielding film covering the output portion.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたもので、その特徴とするところ
は、半導体基板上に複数の受光画素が配列され、各受光
画素に蓄積される情報電荷を時系列的に転送出力して映
像信号を得る固体撮像素子であって、上記半導体基板の
表面領域に形成され、上記受光画素から読み出されて転
送される情報電荷を出力側で受ける電気的に独立した不
純物領域と、この不純物領域が受け取る情報電荷を一定
の周期で排出し、不純物領域の電位を所定の電位に初期
設定するリセット手段と、上記不純物領域に電気的に接
続され、不純物領域の電位の変動を映像信号として出力
する出力手段と、少なくとも上記不純物領域を被い、上
記出力手段の出力に従う電位が印加される導電性遮光膜
と、を備えることにある。The present invention has been made to solve the above problems, and is characterized in that a plurality of light receiving pixels are arranged on a semiconductor substrate and each light receiving pixel is arranged in each light receiving pixel. A solid-state imaging device for obtaining a video signal by time-sequentially transferring and outputting accumulated information charges, and outputting information charges formed in a surface region of the semiconductor substrate and read and transferred from the light receiving pixels. Electrically independent impurity regions received on the side, resetting means for discharging the information charges received by the impurity regions at a constant cycle, and initializing the potential of the impurity regions to a predetermined potential, and electrically connecting the impurity regions electrically. Output means connected to each other for outputting the variation of the potential of the impurity region as a video signal, and a conductive light-shielding film which covers at least the impurity region and to which a potential according to the output of the output device is applied. A.
【０００８】[0008]
【作用】本発明によれば、不純物領域を被う遮光膜に、
この不純物領域の電位の変動と同一位相の信号を印加す
ることにより、不純物領域に接続される導電線とこれに
対向する遮光膜との間に形成される容量が減少するた
め、不純物領域の容量の増大を抑圧することができる。According to the present invention, the light-shielding film that covers the impurity region,
By applying a signal having the same phase as the fluctuation of the potential of the impurity region, the capacitance formed between the conductive line connected to the impurity region and the light-shielding film facing the conductive line is reduced. Can be suppressed.
【０００９】[0009]
【実施例】図１は、本発明の固体撮像素子の出力部の構
成図で、断面図と回路図との組み合わせにより示す。シ
リコン基板２０上に複数の転送電極２１が絶縁膜２２を
介して多層配置され、水平転送部が構成される。この水
平転送部については、図３と同一構造を有しており、各
転送電極１２に印加される転送クロックに従い、転送電
極２１の下に形成されるチャネル領域内を情報電荷が転
送される。この水平転送部の出力側のシリコン基板２０
の表面領域には、転送電極２１に隣接してフローティン
グディフュージョン２３が形成され、水平転送部から転
送出力される情報電荷を一時的に蓄積する。さらにフロ
ーティングディフュージョン２３から一定の距離を置い
たシリコン基板２０の表面領域には、所定の電位に固定
されるリセットドレイン２４が形成される。これらフロ
ーティングディフュージョン２３及びリセットドレイン
２４は、共にＮ型の不純物イオンをシリコン基板２０の
表面領域に高濃度に注入して形成される。フローティン
グディフュージョン２３とリセットドレイン２４との間
の領域には、リセットクロックを受けるリセット電極２
５が配置され、これによりリセットトランジスタが構成
される。このリセットトランジスタは、リセットクロッ
クに応答してフローティングディフュージョン２３とリ
セットドレイン２４との間を導通してフローティングデ
ィフュージョン２３に蓄積される情報電荷をリセットド
レイン２４へ排出する。フローティングディフュージョ
ン２３には、アルミニウム配線２６が接続され、このア
ルミニウム配線２６を介して、フローティングディフュ
ージョン２３と出力アンプ２７の入力につながるゲート
電極２８とが電気的に接続される。そして、絶縁膜２９
を介してアルミニウム膜３０が形成され、フローティン
グディフュージョン２３、リセットドレイン２４、リセ
ット電極２５及びアルミニウム配線２６が形成される出
力部が遮光される。このアルミニウム膜３０は、バッフ
ァアンプ３１の出力につながる拡散層３２に電気的に接
続される。1 is a block diagram of an output portion of a solid-state image pickup device of the present invention, which is shown by a combination of a sectional view and a circuit diagram. A plurality of transfer electrodes 21 are arranged in multiple layers on the silicon substrate 20 with the insulating film 22 interposed therebetween to form a horizontal transfer unit. This horizontal transfer portion has the same structure as that of FIG. 3, and information charges are transferred in the channel region formed under the transfer electrode 21 in accordance with the transfer clock applied to each transfer electrode 12. The silicon substrate 20 on the output side of this horizontal transfer unit
A floating diffusion 23 is formed adjacent to the transfer electrode 21 in the surface area of, and temporarily stores information charges transferred and output from the horizontal transfer unit. Further, a reset drain 24 fixed at a predetermined potential is formed in the surface region of the silicon substrate 20 which is spaced a certain distance from the floating diffusion 23. Both the floating diffusion 23 and the reset drain 24 are formed by implanting N-type impurity ions into the surface region of the silicon substrate 20 at a high concentration. A reset electrode 2 for receiving a reset clock is provided in a region between the floating diffusion 23 and the reset drain 24.
5 are arranged to form a reset transistor. The reset transistor conducts between the floating diffusion 23 and the reset drain 24 in response to the reset clock, and discharges information charges accumulated in the floating diffusion 23 to the reset drain 24. An aluminum wiring 26 is connected to the floating diffusion 23, and the floating diffusion 23 and the gate electrode 28 connected to the input of the output amplifier 27 are electrically connected via the aluminum wiring 26. Then, the insulating film 29
The aluminum film 30 is formed through the shield, and the output portion where the floating diffusion 23, the reset drain 24, the reset electrode 25 and the aluminum wiring 26 are formed is shielded from light. The aluminum film 30 is electrically connected to the diffusion layer 32 connected to the output of the buffer amplifier 31.
【００１０】出力アンプ２７は、２段のソースホロワ回
路３３、３４からなり、１段目のソースホロワ回路３３
の入力にフローティングディフュージョン２３の電位変
動を受け、２段目のソースホロワ回路３４の出力から映
像信号を得るように構成される。各ソースホロワ回路３
３、３４は、電源接地間に２つのＭＯＳトランジスタが
直列に接続され、それぞれ電源側のＭＯＳトランジスタ
のゲートを入力とすると共に両ＭＯＳトランジスタの接
続点を出力とし、接地側のＭＯＳトランジスタのゲート
に与えられる制御電圧ＶG1に応じて利得が設定される。The output amplifier 27 comprises two stages of source follower circuits 33 and 34, and a first stage source follower circuit 33.
Of the floating diffusion 23 at its input, and a video signal is obtained from the output of the second source follower circuit 34. Each source follower circuit 3
Two MOS transistors are connected in series between the power supply grounds 3 and 34. The gates of the MOS transistors on the power supply side are input and the connection point of both MOS transistors is output, and the gates of the MOS transistors on the ground side are connected. The gain is set according to the applied control voltage V G1 .
【００１１】バッファアンプ３１は、出力アンプと同様
に、１段のソースフォロワ回路３５からなり、入力に出
力アンプ２７から出力される映像信号を受け、出力を拡
散層３２からアルミニウム膜３０に印加する。このソー
スフォロワ回路３５は、電源接地間に２つのＭＯＳトラ
ンジスタが直列に接続され、電源側のＭＯＳトランジス
タのゲートを入力とし、そのＭＯＳトランジスタのドレ
インを出力とすると共に、接地側のＭＯＳトランジスタ
のゲートに印加される制御電圧ＶG2によって利得が設定
される。このバッファアンプ３１の出力は、映像信号と
同一、即ち、フローティングディフュージョン２３に生
じる電位の変動と同一の位相であるため、フローティン
グディフュージョン２３の電位変動を受けるアルミニウ
ム配線２６とバッファアンプ３１の出力を受けるアルミ
ニウム膜３０との間の電位差は殆どなくなる。従って、
アルミニウム配線２６とアルミニウム膜３０とが絶縁膜
２９を挟んで対向しているとしても、その間の実質的な
容量は十分に小さくなり、フローティングディフュージ
ョン２３の容量の増大が抑圧される。Like the output amplifier, the buffer amplifier 31 comprises a one-stage source follower circuit 35, receives the video signal output from the output amplifier 27 at its input, and applies the output from the diffusion layer 32 to the aluminum film 30. . In this source follower circuit 35, two MOS transistors are connected in series between the power supply grounds, the gate of the MOS transistor on the power supply side is input, the drain of the MOS transistor is output, and the gate of the MOS transistor on the ground side is provided. The gain is set by the control voltage V G2 applied to the. Since the output of the buffer amplifier 31 is the same as the video signal, that is, the same phase as the fluctuation of the potential generated in the floating diffusion 23, the output of the aluminum wiring 26 and the buffer amplifier 31 which receive the potential fluctuation of the floating diffusion 23 are received. The potential difference with the aluminum film 30 almost disappears. Therefore,
Even if the aluminum wiring 26 and the aluminum film 30 face each other with the insulating film 29 in between, the substantial capacitance therebetween is sufficiently small, and the increase in the capacitance of the floating diffusion 23 is suppressed.
【００１２】以上の実施例においては、出力アンプ２７
を２段のソースホロワ回路、バッファアンプ３１を１段
のソースホロワ回路で構成した場合を例示したが、出力
アンプ２７を１段のソースホロワ回路で構成すること、
あるいは、バッファアンプ３１を２段のソースホロワ回
路で構成することも可能である。また、このような出力
部の構成は、エリアセンサに限らずラインセンサにも採
用可能である。In the above embodiment, the output amplifier 27
Has been illustrated as a case where the two-stage source follower circuit and the buffer amplifier 31 are configured by one stage source follower circuit. However, the output amplifier 27 is configured by one stage source follower circuit.
Alternatively, the buffer amplifier 31 can be configured by a two-stage source follower circuit. Further, such a configuration of the output unit can be adopted not only in the area sensor but also in the line sensor.
【００１３】[0013]
【発明の効果】本発明によれば、出力部を遮光膜で被っ
た場合でも、出力部のフローティングディフュージョン
の容量の増大を抑圧することができ、出力感度の劣化を
防止することができる。従って、光学系の設定が容易
で、出力特性の優れた固体撮像素子を実現できる。According to the present invention, even when the output portion is covered with the light-shielding film, it is possible to suppress an increase in the capacitance of the floating diffusion of the output portion and prevent the deterioration of the output sensitivity. Therefore, it is possible to realize a solid-state image pickup device in which the setting of the optical system is easy and the output characteristics are excellent.
【図１】本発明の固体撮像素子の出力部の構成図であ
る。FIG. 1 is a configuration diagram of an output unit of a solid-state image sensor according to the present invention.
【図２】フレーム転送方式のエリアセンサの模式的平面
図である。FIG. 2 is a schematic plan view of a frame transfer type area sensor.
【図３】従来の固体撮像素子の出力部の構成を示す断面
図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of an output section of a conventional solid-state image sensor.
１ 撮像部 ２ 蓄積部 ３ 水平転送部 ４ 出力部 １０、２０ シリコン基板 １１、２１ 転送電極 １２、１７、２２、２９ 絶縁膜 １３、２３ フローティングディフュージョン １４、２４ リセットドレイン １５、２５ リセットゲート １６、２６ アルミニウム配線 １８、３０ アルミニウム膜 ２７ 出力アンプ ２８ ゲート電極 ３１ バッファ回路 ３２ 拡散層 ３３、３４、３５ ソースホロワ回路 1 Imaging Section 2 Storage Section 3 Horizontal Transfer Section 4 Output Section 10, 20 Silicon Substrate 11, 21 Transfer Electrode 12, 17, 22, 29 Insulating Film 13, 23 Floating Diffusion 14, 24 Reset Drain 15, 25 Reset Gate 16, 26 Aluminum wiring 18, 30 Aluminum film 27 Output amplifier 28 Gate electrode 31 Buffer circuit 32 Diffusion layer 33, 34, 35 Source follower circuit
Claims (2)
れ、各受光画素に蓄積される情報電荷を時系列的に転送
出力して映像信号を得る固体撮像素子であって、上記半
導体基板の表面領域に形成され、上記受光画素から読み
出されて転送される情報電荷を出力側で受ける電気的に
独立した不純物領域と、この不純物領域が受け取る情報
電荷を一定の周期で排出し、不純物領域の電位を所定の
電位に初期設定するリセット手段と、上記不純物領域に
電気的に接続され、不純物領域の電位の変動を映像信号
として出力する出力手段と、少なくとも上記不純物領域
を被い、上記出力手段の出力に従う電位が印加される導
電性遮光膜と、を備えることを特徴とする固体撮像素
子。1. A solid-state imaging device, comprising a plurality of light-receiving pixels arranged on a semiconductor substrate, wherein information charges accumulated in each light-receiving pixel are transferred and output in time series to obtain a video signal. An electrically isolated impurity region which is formed in the surface region and receives the information charges read and transferred from the light receiving pixels on the output side, and the information charges received by the impurity regions are discharged in a constant cycle to form the impurity regions. Resetting means for initializing the potential of a predetermined potential to a predetermined potential, output means electrically connected to the impurity region for outputting a fluctuation of the potential of the impurity region as a video signal, and at least covering the impurity region and outputting the output. And a conductive light-shielding film to which a potential according to the output of the means is applied.
して上記導電性遮光膜に印加されることを特徴とする請
求項１記載の固体撮像素子。2. The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the output of the output means is applied to the conductive light-shielding film via a buffer circuit.
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| JP (1) | JPH0758308A (en) |
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