JPH09199703A - 光電変換装置と半導体集積回路 - Google Patents
光電変換装置と半導体集積回路Info
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- JPH09199703A JPH09199703A JP8007328A JP732896A JPH09199703A JP H09199703 A JPH09199703 A JP H09199703A JP 8007328 A JP8007328 A JP 8007328A JP 732896 A JP732896 A JP 732896A JP H09199703 A JPH09199703 A JP H09199703A
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Abstract
OSトランジスタの閾値Vthのバラツキ、増幅ゲインの
低下、電源電圧VDDの変動等の基板バイアス効果を低減
することを課題とする。 【解決手段】 画素電荷読み出し用にアンプ用MOSト
ランジスタを設け、又は反転アンプのMOSトランジス
タと当該MOSトランジスタの負荷用MOSトランジス
タを備えた光電変換装置において、アンプ用又は前記負
荷用MOSトランジスタのウェル濃度を他の周辺回路の
ウェル濃度よりも低くしたことを特徴とする。更にp/
n型基板上に、フォトゲートと、転送用n/p型MOS
トランジスタと、ソースホロワ型のアンプ用n/p型M
OSトランジスタ等を各画素に備えた半導体集積回路に
おいて、前記アンプ用MOSトランジスタのウェル濃度
を周辺回路のウェル濃度よりも小さくしたことを特徴と
する。
Description
し、特にCMOSプロセスコンパチブルセンサにおける
基板バイアス効果の悪影響を減縮した光電変換装置に関
する。
S型があり、CCD型では読み取った光電変換の電荷を
順次転送して画像信号とする一方、MOS型はMOSト
ランジスタのゲートに光電変換の電荷を蓄積し、その電
位変化を外部へ電荷増幅して走査タイミングに従って出
力する。この後者の一つに光電変換部を含めて全てCM
OSプロセスで達成するCMOSプロセスコンパチブル
センサ(以下、CMOSセンサと称する。) このCM0Sセンサは、大きく分ければ、(1)ソース
ホロワ読み出し型、(2)反転アンプ読み出し型、とが
あり、これらのCMOSセンサにおいて、高ゲインでの
読み出しと電源電圧やプロセス変動による素子特性のバ
ラツキをおさえることが常に課題とされている。
エリアセンサとして配置された各画素に設けられたMO
Sトランジスタによって光電変換された電荷を増幅する
ために、MOSトランジスタの閾値Vthのバラツキ、増
幅ゲインの低下、電源電圧VDDの変動等の基板バイアス
効果による悪影響を受けることが多い。
には、画素毎に基板バイアスをフローティングにすれば
ある程度は救われるが、各画素ピッチ毎にウェルを独立
させるのは現実的に困難であり、このような基板バイア
ス効果をなくすことができなかった。
電変換装置及びこれを含む半導体集積回路において、光
電変換素子に悪影響を与えるMOSトランジスタの閾値
Vthのバラツキ、増幅ゲインの低下、電源電圧VDDの変
動等の基板バイアス効果を削減することを課題とする。
ために成されたもので、画素中にソースホロワ回路のM
OSアンプが設けられている光電変換装置において、前
記MOSアンプのウェル濃度を周辺回路のウェル濃度よ
りも低くしたことを特徴とする。また、画素中に反転ア
ンプのMOSアンプが設けられている光電変換装置にお
いて、負荷MOSのウェル濃度を周辺回路のウェル濃度
よりも小さくしたことを特徴とする。
としては、上述のようにMOSトランジスタの閾値Vt
h、増幅ゲイン、電源電圧VDD等があり、以下、MOS
FETの閾値電圧について考察する。基板バイアスVBS
による閾値電圧の変動電圧ΔVTは不純物濃度のルート
に比例し且つ基板バイアスVBSのルートに比例し、MO
SFETの伝達コンダクタンスは当該閾値電圧VTの負
電圧に比例し、ドレイン電流は当該閾値電圧VTの負電
圧の二乗に比例する。従って、不純物濃度NAは閾値電
圧VTの変動の二乗に比例し、不純物濃度NAが小さけれ
ば、閾値電圧VTの変動が小さく、また伝達コンダクタ
ンスの変動も小さく、さらにドレイン電流の変動も小さ
くなる。こうして、本発明による基板バイアス効果によ
る悪影響を少なくするために、基板の不純物濃度を小さ
くすることが適切な手段であることが明らかである。
おいて、負荷MOSトランジスタとアンプ用MOSトラ
ンジスタとのウェル濃度を1×1015cm-3以下とした
ことを特徴とする。さらに、負荷MOSトランジスタと
アンプ用MOSトランジスタとのウェル濃度を1×10
14cm-3から1×1015cm-3の範囲としたことを特徴
とする。通常のウェル濃度が1×1016cm-3であるの
で、濃度を低くすることで基板バイアス効果の悪弊を削
減できる。
電変換装置の回路図である。図において、1はソースホ
ロワ型のアンプ用MOSトランジスタ、2はアンプ用M
OSトランジスタ1の出力を取り出すスイッチ用MOS
トランジスタ、3はアンプ用MOSトランジスタ1の負
荷となる負荷用MOSトランジスタである。従って、ア
ンプ用MOSトランジスタ1と負荷用MOSトランジス
タとでソースホロワ回路を形成し、電子又は正孔によっ
てPN接合部であるフォトゲート6に蓄積された光電荷
を増幅する。また、4はアンプ用MOSトランジスタ1
のゲートをリセットするリセットMOSトランジスタ、
5はフォトゲート6の光電荷を転送する転送MOSトラ
ンジスタである。こうして、光電変換素子30は、フォ
トゲート6と、転送MOSトランジスタ5、リセットM
OSトランジスタ4、スイッチ用MOSトランジスタ
2、アンプ用MOSトランジスタ1とで1画素を構成す
る。図においては2×2画素の例を示すが、光電変換素
子30を縦横に複数並べ配置してエリアセンサとするこ
ともできるし、1列に複数個並べ配置してラインセンサ
とすることも可能であり、この配置に限定されることは
ない。
ズ電荷読み出しスイッチMOSトランジスタ、9は光信
号読み出しスイッチMOSトランジスタ、10はノイズ
電荷蓄積用キャパシタ、11は光信号蓄積用キャパシ
タ、19は水平走査回路22からのタイミングパルス信
号によって時系列的にオンされる光信号読み出しスイッ
チMOSトランジスタ、21は同様に時系列的にオンさ
れるノイズ成分読み出しスイッチMOSトランジスタで
ある。かかる構成により、各列毎に蓄積されたノイズ成
分及び信号成分をキャパシタ10,11に蓄積して、水
平走査回路22の走査パルスによって、それぞれ時系列
的に画像信号と及びノイズ成分として読み出す。この
後、画像信号からノイズ成分の差を取れば、画像信号に
含まれるノイズ成分を除去して、光電変換素子の暗電流
の影響のない画像信号を得ることができる。
図を図2に示す。図において、39はPー層基板(P型
ウェル)であって、38はSiO2等の酸化層、33は
電源VDDが接続されたMOSトランジスタ4のソースと
なるn+層、34はMOSトランジスタ4のドレインで
あり転送MOSトランジスタ5のドレイン・ソースとな
るn+層、35はキャパシタ31の一方の透明電極で制
御パルスφPGが印加される。36は転送MOSトランジ
スタ5のゲートであり制御パルスφTXが印加される。3
7はリセットMOSトランジスタ4のゲートでありリセ
ットパルスφRが印加される。
セットパルスφRに正のリセットパルスを印加して、M
OSトランジスタ4をオンし、アンプMOSトランジス
タ1をオンし、スイッチパルスφSを印加してスイッチ
MOSトランジスタ2をオンして負荷パルスφLに正パ
ルスを加えて、負荷MOSトランジスタ3をオンし、ノ
イズ転送パルスφTNを印加してノイズ転送MOSトラン
ジスタ8をオンしてキャパシタCTN10にノイズ成分と
して蓄積する。また同時に垂直出力線7の電荷の残留分
を電源ラインにリセットする。
力し光子hν量に応じて正孔と電子とが分離し、正孔は
pー層基板側に引き寄せられ、残った電子がフォトゲー
ト6として透明電極35下に蓄積される。所定時間の蓄
積が終了した時点で制御パルスφPGが加えられ、蓄積さ
れた電子が隣接した転送MOSトランジスタ5のゲート
下に移行し、転送パルスφTXの印加でアンプMOSトラ
ンジスタ1のゲート電圧がアンプMOSトランジスタ1
の閾値電圧よりも高ければアンプMOSトランジスタ1
がソースホロワとして動作し、スイッチMOSトランジ
スタ2、負荷MOSトランジスタ3がオンして信号転送
パルスφTSの印加によって、キャパシタCTS11に光電
変換電荷が蓄積される。その後、キャパシタCTS11の
電荷からキャパシタCTN10のノイズ電荷の差を取っ
て、純粋な信号を出力する。
回路用アンプMOSトランジスタ1とスイッチMOSト
ランジスタ部分の断面図である。図3において、12は
p型シリコン基板、13はp+埋め込み層、14はp型
エピタキシャル層、15はp型ウェル、16はソースド
レインn+層、17はポリシリコンゲート、18はゲー
ト酸化膜である。動作状態では、p型シリコン基板1
2、p+埋め込み層13、p型エピタキシャル層14、
p型ウェル15はGND電位が印加され、アンプMOS
トランジスタ1のn+層ドレインには電源電圧VDDが印
加される。この図3において、p型エピタキシャル層1
4の不純物濃度として、1×1015cmー3以下とするこ
とで、より好ましくは1×1014cm-3から1×1015
cm-3の範囲とすることで、基板バイアス効果を減少で
きることが分かった。その際、スイッチMOSトランジ
スタ2のp型ウェル15は1×1016cmー3以上であれ
ば、ソースドレイン耐圧及びリーク電流が所定以上とな
り、望ましい。
して不純物濃度の薄いp-層をエピタキシャル成長させ
て、即ちウェル濃度を下げたその中にアンプMOSトラ
ンジスタ1を形成しているので、各画素毎の閾値バラツ
キが少なくなり、また伝達コンダクタンスのバラツキも
小さくなり、さらに電源電圧の変動があったとしてもド
レイン電流の変動が小さくなり、結果として基板バイア
ス効果が小さくなる。この際、エピタキシャル成長させ
た不純物濃度の薄いp-層の濃度としては1×1015c
mー3以下が、好ましくは1×1014cm-3から1×10
15cm-3の範囲が望ましいことがわかった。また、リセ
ットMOSトランジスタ4、スイッチMOSトランジス
タ2は1×1016cmー3以上のp型ウェル中に形成させ
ることにより、MOSトランジスタのソース・ドレイン
耐圧、リーク電流を抑えることが望ましいことも判明し
た。ただし、画素のレイアウトの関係で、スイッチMO
Sトランジスタ2をエピタキシャル層中に形成してもよ
い。こうして、例えばソースホロワ回路の効率を通常の
不純物濃度の中で形成した場合には0.6乃至0.85
程度のものが0.85乃至0.9程度に向上する。
における構成の断面図を示す。図4の構成は図3に示し
たnMOSに対してpMOSトランジスタの例を示して
いる。図4において、42はn型シリコン基板、43は
n+埋め込み層、44はn型エピタキシャル層、45は
n型ウェル、46はソースドレインp+層、47はポリ
シリコンゲート、48はゲート酸化膜である。動作状態
では、n型シリコン基板42、n+埋め込み層43、n
型エピタキシャル層44、n型ウェル45は電源電位が
印加され、アンプMOSトランジスタ51のp+層ドレ
インには電源電圧VSSが印加され、不純物濃度の低いn
型エピタキシャル層に形成されたp型のソースホロワ回
路として高い伝達コンダクタンスによって電圧ゲインを
向上できる。この図3において、p型エピタキシャル層
44の不純物濃度として1×1015cmー3以下であり、
またスイッチMOSトランジスタ52のn型ウェル45
は1×1016cmー3以上であれば、ソースドレイン耐圧
及びリーク電流が所定以上となり、望ましい。
密集する場合に用いられるn型のAMI(Amplifier M
OS Image)センサの回路図を示す。図において、61
はソースホロワ回路を構成するn型アンプMOSトラン
ジスタ、62はスイッチMOSトランジスタ、63は光
電変換用のフォトゲート、64はアンプMOSトランジ
スタ61のゲート電荷とフォトゲートの電荷をリセット
するリセットMOSトランジスタを示している。ここ
で、n型アンプMOSトランジスタ61はp型基板及び
不純物濃度の低いp型エピタキシャル層上に形成され
る。これにより、他の画素素子と共にラインセンサやエ
リアセンサが構成された場合に、各アンプMOSトラン
ジスタの閾値電圧の変動、各アンプMOSトランジスタ
の伝達コンダクタンスの変動、ドレイン電流の変動を小
さくできることから、各画素出力のバラツキが少なく、
均一な画素出力を得ることができる。
は、上記第3の実施形態に対するp型のAMI(Amplif
ier MOS Image)センサの回路図を示す。図5に対応
して、ソースホロワ回路を構成するp型アンプMOSト
ランジスタ、スイッチMOSトランジスタ、光電変換用
のフォトゲート、アンプMOSトランジスタのゲート電
荷とフォトゲートの電荷をリセットするリセットMOS
トランジスタが備えられている。ここで、p型アンプM
OSトランジスタはn型基板及び不純物濃度の低いn型
エピタキシャル層上に形成される。これにより、他の画
素素子と共にラインセンサやエリアセンサが構成された
場合に、各アンプMOSトランジスタの閾値電圧の変
動、各アンプMOSトランジスタの伝達コンダクタンス
の変動、ドレイン電流の変動を小さくできることから、
各画素出力のバラツキが少なく、均一な画素出力を得る
ことができる。
の一例を示す。この光電変換センサはカメラのAFセン
サに用いられ、各画素の出力レベルが異なればフォーカ
スズレとして自動フォーカスサーボが動作せず、カメラ
の重要な機能を達成する貴重なデバイスである。図6に
おいて、71はMOSトランジスタによる反転アンプで
行なうp型アンプMOSトランジスタ、72はスイッチ
MOSトランジスタ、75は光電変換用のフォトゲー
ト、74はアンプMOSトランジスタ71のゲート電荷
とフォトゲート75の電荷をリセットするリセットMO
Sトランジスタを示している。ここで、p型負荷MOS
トランジスタ73に基板バイアス効果が発生するため、
負荷MOSトランジスタ73のウェル濃度を下げてお
く。アンプMOSトランジスタ71の反転アンプのゲイ
ンは、アンプMOSトランジスタ71と負荷MOSトラ
ンジスタ73のW/L(ゲート幅/ゲート長)の比によ
って決まるため、アンプMOSトランジスタ71と負荷
MOSトランジスタ73のペア性を考慮して、アンプM
OSトランジスタ71のウェル濃度も負荷MOSトラン
ジスタ73のウェル濃度と同様に低いウェル濃度にして
おくことが好ましい。
71、p型負荷MOSトランジスタ73はn型基板及び
不純物濃度の低いn型エピタキシャル層上に形成され
る。またスイッチMOSトランジスタ72のウェル濃度
を下げておいてもよい。動作的には、n型シリコン基板
上の、n+埋め込み層、n型エピタキシャル層、n型ウ
ェルは電源電位が印加され、アンプMOSトランジスタ
のp+層ドレインには電源電圧VSSが印加される。アン
プMOSトランジスタのp+層ソース・ドレインは、不
純物濃度の低いn型エピタキシャル層上に形成され、負
荷MOSトランジスタ73が閾値電圧以上で導通してそ
の負荷として動作し、p型の反転アンプ回路として、さ
らに高い伝達コンダクタンスによって、高い電圧ゲイン
でもって出力される。
は、電圧ゲインをマイナス1とすることで抑制できる。
センサにおいて、負荷MOSトランジスタ73のウェル
濃度を下げ、基板バイアス効果を低減させることによ
り、電源電圧VDDの変動、ウェル濃度や酸化膜等のプロ
セスパラメータ変動に対する特性変化を小さくすること
ができる。
て、n型の反転アンプの例を示す。この光電変換センサ
もカメラのAFセンサに用いられる。p型シリコン基板
上にp+埋め込み層、p型エピタキシャル層、p型ウェ
ルが形成され、p型エピタキシャル層上にn型反転アン
プのMOSトランジスタ、スイッチMOSトランジス
タ、光電変換用のフォトゲート、リセットMOSトラン
ジスタ及びn型負荷MOSトランジスタが形成される。
動作的には、p型シリコン基板、p+埋め込み層、p型
エピタキシャル層、p型ウェルはGND電位が印加さ
れ、アンプMOSトランジスタのn+層ソースには電源
電圧VDDが印加される。
板バイアス効果が発生するため、負荷MOSトランジス
タのウェル濃度を下げておく。また、反転アンプのゲイ
ンは、アンプMOSトランジスタと負荷MOSトランジ
スタのW/L(ゲート幅/ゲート長)の比によって決ま
るため、アンプMOSトランジスタと負荷MOSトラン
ジスタのペア性を考慮して、アンプMOSトランジスタ
のウェル濃度も負荷MOSトランジスタのウェル濃度と
同様に低いウェル濃度にしておくことが好ましい。ま
た、スイッチMOSトランジスタ72のウェル濃度を下
げておいてもよい。
センサにおいて、負荷MOSトランジスタのウェル濃度
を下げ、基板バイアス効果を低減させることにより、電
源電圧VDDの変動、ウェル濃度や酸化膜等のプロセスパ
ラメータ変動に対する特性変化を小さくすることができ
る。
体集積回路によれば、光電変換素子の出力に用いるMO
Sトランジスタのソース・ドレインを形成するウェル部
の不純物濃度を他の周辺回路の不純物濃度を薄くしたこ
とにより、光電変換電荷の読み出しに悪影響を与えるM
OSトランジスタの閾値Vthのバラツキ、増幅ゲインの
低下、電源電圧VDDの変動等の基板バイアス効果を低減
することができる。
ある。
要部の断面図である。
要部の断面図である。
回路図である。
回路図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 画素電荷読み出し用にアンプ用MOSト
ランジスタを備えたCMOSプロセスコンパチブルセン
サの光電変換装置において、前記アンプ用MOSトラン
ジスタのウェル濃度を他の周辺回路のウェル濃度よりも
低くしたことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項2】 画素電荷読み出し用に反転アンプ用MO
Sトランジスタが設けられ当該MOSトランジスタの負
荷用MOSトランジスタを備えた光電変換装置におい
て、 前記負荷用MOSトランジスタのウェル濃度を周辺回路
のウェル濃度よりも小さくしたことを特徴とする光電変
換装置。 - 【請求項3】 p型基板上に、フォトゲートと、転送用
n型MOSトランジスタと、リセット用MOSトランジ
スタと、ソースホロワ型のアンプ用MOSトランジスタ
と、スイッチ用MOSトランジスタを各画素に備えられ
た半導体集積回路において、 前記アンプ用MOSトランジスタのウェル濃度を周辺回
路のウェル濃度よりも小さくしたことを特徴とする半導
体集積回路。 - 【請求項4】 請求項3に記載の半導体集積回路におい
て、前記p型基板はp型シリコン基板、p+埋め込み
層、p型エピタキシャル層が順次積層されていることを
特徴とする半導体集積回路。 - 【請求項5】 請求項3に記載の半導体集積回路におい
て、前記フォトゲートにて光電変換された電荷信号は前
記転送用n型MOSトランジスタを介して前記アンプ用
MOSトランジスタにて負荷MOSトランジスタを負荷
とするソースホロワ型のアンプで増幅されて、出力され
ることを特徴とする半導体集積回路。 - 【請求項6】 請求項5に記載の半導体集積回路におい
て、前記負荷MOSトランジスタのウェル濃度を前記ア
ンプ用MOSトランジスタのウェル濃度と同様に周辺回
路のウェル濃度よりも薄くしたことを特徴とする半導体
集積回路。 - 【請求項7】 n型基板上に、フォトゲートと、転送用
p型MOSトランジスタと、リセット用MOSトランジ
スタと、ソースホロワ型のアンプ用MOSトランジスタ
と、スイッチ用MOSトランジスタを各画素に備えられ
た半導体集積回路において、 前記アンプ用MOSトランジスタのウェル濃度を周辺回
路のウェル濃度よりも小さくしたことを特徴とする半導
体集積回路。 - 【請求項8】 請求項7に記載の半導体集積回路におい
て、前記n型基板はn型シリコン基板、n+埋め込み
層、n型エピタキシャル層が順次積層されていることを
特徴とする半導体集積回路。 - 【請求項9】 請求項7に記載の半導体集積回路におい
て、前記フォトゲートにて光電変換された電荷信号は前
記転送用p型MOSトランジスタを介して前記アンプ用
MOSトランジスタにて負荷MOSトランジスタを負荷
とするソースホロワ型のアンプで増幅されて、出力され
ることを特徴とする半導体集積回路。 - 【請求項10】 請求項9に記載の半導体集積回路にお
いて、前記負荷MOSトランジスタのウェル濃度を前記
アンプ用MOSトランジスタのウェル濃度と同様に周辺
回路のウェル濃度よりも低くしたことを特徴とする半導
体集積回路。 - 【請求項11】 請求項10に記載の半導体集積回路に
おいて、前記負荷MOSトランジスタと前記アンプ用M
OSトランジスタとのウェル濃度を1×10 15cm-3以
下としたことを特徴とする半導体集積回路。 - 【請求項12】 請求項10に記載の半導体集積回路に
おいて、前記負荷MOSトランジスタと前記アンプ用M
OSトランジスタとのウェル濃度を1×10 14cm-3か
ら1×1015cm-3としたことを特徴とする半導体集積
回路。
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