JPH09275204A

JPH09275204A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH09275204A
Application number: JP8082637A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Watabe; 知行渡部; Nobuaki Miyagawa; 宣明宮川; Takeshi Nakamura; 毅中村
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】高感度でかつ固定パターン雑音の小さい固体撮像素子を
提供する。【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、複数
個の画素を具備し、各画素毎に少なくとも１個のホトダ
イオードと、少なくとも１個の３端子増幅素子と、前記
３端子増幅素子の出力端子に接続され、所定時間ずつ接
続をおこなうように構成されたスイッチング素子と、前
記スイッチング素子の出力端子に接続された CCD素子と
を具備してなり、前記ホトダイオードの一端を、前記３
端子増幅素子の第１端子に接続するとともに、前記３端
子増幅素子の第２端子を所定の電位に接続し、前記３端
子増幅素子の第３端子から取り出された出力信号電流
を、前記スイッチング素子を介して電荷量として前記 C
CD素子に入力し、順次転送することにより、前記信号電
荷に応じた画像出力信号を取り出すようにしたことにあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

【０００２】本発明は、固体撮像素子に係り、特に高感
度の固体撮像素子の構造に関する。

【従来の技術】従来種々の固体撮像素子が開発されてお
り、近年では高感度の固体撮像素子の検討も行われてい
る。例えば、現在多用されている標準的な CCD型固体撮
像素子を、図６に示す。この図では、説明の簡略化のた
めに、１つのイメージセルすなわち１画素と、その周辺
を示している。この図６において、１イメージセルは、
基本的にホトダイオード（PD）１と、トランスファーゲ
ート(TTRNS）63と呼ばれるスイッチング用のMOSFETとで
構成されている。このような固体撮像素子では、ホトダ
イオード(PD)１で生成された光電荷は、 MOSFETのトラン
スファーゲート６３の開閉により垂直CCD５に導かれ、
垂直CCD５と水平CCD６を順次転送せしめられて、水平CC
D６の出力端７で、転送された電荷に応じた出力信号が
出力される。ここでは、トランスファゲート６３のゲー
トパルスΦＹのタイミングを適宜調整し、ホトダイオー
ド１に蓄積された光電荷が所望の周期で垂直 CCD５に導
かれるように構成される。

【０００３】この時ホトダイオード１の受光光量が大き
すぎる場合、過剰な電荷が垂直 CCDに流入して垂直 CCD
の周囲に拡散し、画像に悪影響を及ぼすことがある。こ
の問題を防ぐため、図６に示すように、オーバーフロー
ゲート(TOFG)６４と呼ばれるMOSトランジスタを設ける
ことも多い。この場合は、あるしきい値以上の余分な
電荷を、外部に排出させるように、電位VOFGを調整して
制御する。したがってここでは、ホトダイオード１と、
トランスファゲート６３と、オーバーフローゲート６４
と垂直CCD５の１画素分のパケットでイメージセル８を
構成している。この固体撮像素子は、各ホトダイオード
からの出力信号を、配線で外部に導くことはしない。

【０００４】ここでは、ホトダイオードの生成電荷をそ
のまま忠実に、CCDを用いて縦方向と横方向とに転送
し、出力端まで運ぶ。出力端で届いた電荷量に応じた信
号に変換し、増幅する。このとき CCDの電荷の転送効率
は非常に高い。したがってチップ上の出力端に近い位置
にあるイメージセルからの信号でも、遠い位置にあるイ
メージセルからの信号でも、ほとんど劣化を生じること
なく転送がなされる。したがって、チップの場所による
不均一性に起因して生じる固定パターン雑音が小さいと
いう特徴がある。

【０００５】しかしながら、この固体撮像素子には増幅
作用がないため、微細な信号を読み取るのは不十分であ
るという問題がある。

【０００６】そこで、増幅型固体撮像素子が提案されて
いる。これは、図７にそのイメージセルと周辺回路を示
すように、画素を構成するイメージセルは、ホトダイオ
ード(PD)１と、増幅トランジスタ(TA)２とスイッチング
トランジスタ (TSW)３とリセットトランジスタ（TRES）
４とで構成されている（テレビジョン学会誌、４１巻、
１１号、１９８７年、第１０７５ページ乃至第１０８２
頁）。

【０００７】ここでは、ホトダイオード１の上端は所定
の電位Ｖｐに接続され、他端は増幅トランジスタ２のゲ
ートに接続される。ホトダイオード１の受光量に応じ
て、光電荷によりホトダイオード１の両端電圧が変化す
る。このため増幅トランジスタ２のゲート電位が変化す
る。その結果増幅トランジスタ２のソース・ドレイン間
の抵抗が変化する。そこで、増幅トランジスタ２のドレ
イン電流をスイッチングトランジスタ３を介して読み出
し、出力電流として検出する。ここで読み出しはＸＹマ
トリックス状のスキャナー回路７１によって実行する。

【０００８】一方、リセットトランジスタ４は、ホトダ
イオード１に蓄積された電荷を定期的に排出し、増幅ト
ランジスタ２のゲート電位を定期的にリセットするもの
である。

【０００９】この撮像素子ではホトダイオードの電荷を
取り出さないので出力電流を読み出しても、ホトダイオ
ード１の電荷は失われない。したがって、一度の受光で
形成した画像を、画像情報を損なうことなく何度でも読
み出すことができるという特徴を有する。またこの構造
では、増幅トランジスタ２で増幅した信号を外部回路で
読み出すため、高感度であるという特徴がある。

【００１０】また、増幅型固体撮像素子の他の形態とし
て、ホトダイオードをチップ上に積層形成したアモルフ
ァスシリコン層で形成する例も報告されている（アイ・
イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・エレク
トロン・デバイセズ、４２巻、８号、（１９９５年、８
月）第１４２５ページから第１４３２ページ（IEEE TRA
NSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,Vol.42,No.8 August 1
995) pp.1４２５-１４３２)。かかる構成によれば、ホ
トダイオードをチップ上に積層して形成するため、１画
素の占有面積の低減を図ることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記 CCD型固体撮像素
子では、ホトダイオードで発生した微弱な光生成電荷を
そのままCCDで転送する。すなわち生成電荷の増倍も信
号の増幅もCCDの出力端迄行わない。従って、微小光量
に対応する微小電荷を転送するとき、 CCD素子内に発生
する雑音電荷の影響で、Ｓ／Ｎ比が劣化するという問題
がある。このため高感度化には限界があった。

【００１２】また、前述した２種類の従来の増幅型固体
撮像素子は、電流検出素子であるため、出力電流を、ト
ランジスタによるマトリックス状のスキャナー回路の配
線層を介して、出力端迄導いている。このとき、チップ
上で出力端に近い位置にあるイメージセルからの出力
と、出力端から遠い位置にあるイメージセルからの出力
とで、配線長に大きな差が生じる。このように、出力端
から遠い位置にあるイメージセルの配線が長くなり、そ
の寄生抵抗や寄生容量が非常に大きい。従って、特に微
小光量の際に、出力端から遠い位置にあるイメージセル
からの出力が劣化しやすく、これにより、固定パターン
雑音が無視できないという問題があった。本発明は、前
記実情に鑑みてなされたもので、高感度でかつ固定パタ
ーン雑音の小さい固体撮像素子を提供することを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで本発明の特徴は、
基板上に複数個の画素を具備してなる固体撮像素子にお
いて、各画素毎に少なくとも１個のホトダイオードと、
少なくとも１個の３端子増幅素子と、前記３端子増幅素
子の出力端子に接続され、所定時間ずつ接続をおこなう
ように構成されたスイッチング素子と、前記スイッチン
グ素子の出力端子に接続された CCD素子とを具備してな
り、前記ホトダイオードの一端が、前記３端子増幅素子
の第１端子に接続されるとともに、前記３端子増幅素子
の第２端子が所定の電位に接続せしめられ、前記３端子
増幅素子の第３端子から取り出された出力信号電流が、
前記スイッチング素子を介して電荷量として前記 CCD素
子に入力せしめられ、この電荷量を順次転送することに
より、前記信号電荷に応じた画像出力信号が出力される
ようにしたことにある。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、ホトダイオードに入射する
光量の差に起因する増幅トランジスタのオン抵抗の違い
を、ドレイン電流によって検出するのではなく、ドレイ
ン電流とスイッチングトランジスタのオン時間の積とで
決まる電荷量を作り、これを CCDで転送する。すなわち
第１に増幅トランジスタで信号を増幅するため高感度で
ある。第２に信号から電荷を生成してこれを伝達効率の
よい CCDで転送するため、転送による劣化がほとんど皆
無である。このため、ばらつきがなく、高感度で高精度
の読み取り出力を得ることができる。また、配線長さの
差に起因する出力信号のばらつきは、撮像素子のよう
な、アナログ回路では深刻であり、画質の向上を阻む大
きな問題になっているのに対し、本発明の固体撮像素子
では、CCD を用いて電荷の転送をおこなうため、セルの
チップ上での位置による配線長の差に起因する信号出力
の劣化を小さくすることができる。すなわち、固定パタ
ーン雑音の小さい撮像素子を得ることが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、図面を参
照しつつ詳細に説明する。図１に、本発明の第１の実施
例の固体撮像素子に用いられる１イメージセルとその周
辺回路図を示す。この固体撮像素子素は、増幅トランジ
スタで増幅された出力電流を、そのまま、マトリックス
配線で駆動回路に読み出すのではなく、所定時間毎に読
み出すことにより電荷量として取り出しこれを CCD出力
として取り出すようにしたことを特徴とするものであ
る。図２は、図１のイメージセルを用いた本発明の第１
の実施例の固体撮像素子の回路構成図である。すなわ
ち、図１において画素を構成するイメージセルは、ホト
ダイオード（PD）１と、増幅トランジスタ（TA）２とス
イッチングトランジスタ（TSW）３とリセットトランジ
スタ（TRES）４と、垂直 CCD５の１画素分のパケットと
で構成される。増幅トランジスタ２からの出力信号電流
を、このスイッチングトランジスタ３のオンオフによ
り、所定時間だけ垂直CCD５に導くことにより、対応す
る電荷が垂直CCD５に導かれる。そしてこの電荷は、更
に水平 CCD６に導かれて、所定のタイミングで、出力端
子７から取り出されるようになっている。すなわち、こ
の素子では、増幅トランジスタ２の出力信号電流を、ス
イッチングトランジスタ３のゲート電位を制御して、所
定時間毎に蓄積することにより、電荷量として垂直 CCD
５、および水平CCD６に導き、順次転送して、出力端子
７から、出力信号電流として取り出す。

【００１６】ここでも図７に示した従来例のイメージセ
ルと同様、ホトダイオード１の上端は所定の電位Ｖｐに
接続され、他端は、増幅トランジスタ２のゲートに接続
される。そして、ホトダイオード１の受光量に応じて、
光電荷によりホトダイオード１の両端電圧が変化する。
これにより、増幅トランジスタ２のゲート電位が変化す
る。その結果増幅トランジスタ２のソース・ドレイン間
の抵抗が変化する。増幅トランジスタ２のドレインは所
定の電位VDに接続されており、ソースはスイッチングト
ランジスタ３のドレインに接続されている。そして、ス
イッチングトランジスタ３のゲート端子に読みだしタイ
ミング回路（図示せず）から所望のスイッチングパルス
（電位ΦＹ）を印加し、スイッチングトランジスタ３の
オンオフを制御する。これにより増幅トランジスタ２の
ドレイン電流を、所定時間だけ垂直CCD５に導く。

【００１７】リセットトランジスタ４のドレインは所定
の電位VDに接続されており、一方リセットトランジスタ
４のソースは、増幅トランジスタ２のゲートとホトダイ
オードVDの接続点に接続されている。そしてリセットト
ランジスタ４のゲートにはリセットパルス（ΦＲ）を印
加し、リセットトランジスタのオンオフを制御する。こ
れにより、ホトダイオード１の電位すなわち増幅トラン
ジスタのゲート電位を所望のタイミングで電位VDにリセ
ットする。そして各列毎にリセットパルス（ΦＲ：ΦＲ
１、ΦＲ２、・・・）とスイッチングパルス（ΦＹ：
ΦＹ１、ΦＹ２、・・・）とを与えるように構成されて
いる。

【００１８】図３に、このイメージセルの断面構造図を
示す。このイメージセルは、ｐ型シリコン基板３１内に
４個のｎ型拡散層３２(32a,32b,32c,32d）を形成し、こ
の周りをチャンネルストッパーとしてのｐ＋拡散層３３
で囲み、このｎ型拡散層３２とこのｐ型シリコン基板３
１の上層にゲート絶縁膜としての酸化シリコン膜３４を
介して形成されたポリシリコンゲート３５とによって、
ホトダイオード１と、リセットトランジスタ４と増幅ト
ランジスタ２とスイッチングトランジスタ３とを形成し
たものである。製造に際してはまず、ｐ型シリコン基板
３１表面にｐ⁺拡散層３３を形成し、このｐ⁺拡散層３
３で囲まれた領域内にｎ型拡散層３２を形成する。そし
て表面酸化により酸化シリコン膜３４を形成し、この上
層に多結晶シリコン膜を形成してこれをフォトリソグラ
フィによりパターニングしてポリシリコンゲート３５を
形成する。そしてさらに酸化シリコン膜を形成しこれを
パターニングした後、この上層にアルミニウムやモリブ
デン、クロムなどの金属配線電極３６を形成しこれをピ
クセル電極とする。このピクセル電極は遮光膜としての
働きもし、受光部を規定する。またこの金属配線電極を
各トランジスタおよびホトダイオードの間の接続にも使
用する。更に、スイッチングトランジスタの右側のｎ型
拡散層３２は垂直CCD５を構成しており、紙面に垂直な
方向に垂直CCDが形成されている。ここでｎ型拡散層３
２の内左端のもの、ｎ型拡散層３２ａは、ｐ型シリコン
基板３１との間でホトダイオード１を構成する。そして
更にこのｎ型拡散層３２ａと右隣のｎ型拡散層３２ｂと
の間でリセットトランジスタ４を構成する。さらにま
た、このｎ型拡散層３２ｂと右隣のｎ型拡散層３２ｃと
の間で増幅トランジスタ２を構成する。さらに、このｎ
型拡散層３２ｃと右隣のｎ型拡散層３２ｄとの間でスイ
ッチングトランジスタ３を構成する。次に、この固体撮
像素子の動作について説明する。図１において、まず、
リセットパルスΦＲによってリセットトランジスタ４が
オンし、増幅トランジスタ２のゲート電位はVD（通常は
正の高電位）にリセットされる。このとき増幅トランジ
スタ２はゲートとドレインがともにVDに接続され、増幅
トランジスタはオンし、増幅トランジスタのソース・ド
レイン間抵抗すなわちオン抵抗は小さい。次に、ホトダ
イオード１の受光により光電荷が次第に蓄積し、増幅ト
ランジスタ２のゲート電位が次第に低下する。このため
増幅トランジスタのオン抵抗は、受光光量に応じて大き
くなる。所望のスイッチングパルスΦＹがオンし、所定
の間オンする。このとき増幅トランジスタのオン抵抗に
応じて流れる電流と、パルスΦＹのオン時間の積に相当
する電荷量が垂直CCD５に蓄積される。

【００１９】このようにして順次垂直CCD５、水平CCD６
を介して出力端子７に信号電荷が読み出されていく。図
２の回路構成図において、ΦＲｉ（ｉ＝１、２・・・）
は，ｉ行目のリセットパルスを表す。ΦＹｉ（ｉ＝１、
２・・・）は，ｉ行目のスイッチングパルスを表す。ま
ず、リセットパルスΦＲ１がオンして第１行目の各画素
のリセットトランジスタをオンさせ、ホトダイオードを
リセットする。次に所定の受光時間を経過した後、スイ
ッチングパルスΦＹ１がオンし、第１行目の各画素電流
を垂直 CCD５に導く。次にリセットパルスΦＲ２がオン
して第２行目の各画素のリセットトランジスタをオンさ
せ、第２行目のホトダイオードをリセットする。次に所
定の受光時間を経過した後、スイッチングパルスΦＹ２
がオンし、第２行目の各画素電流を垂直CCD５に導く。
同様にして、順次パルスのオン状態となる行位置をずら
していけば、１行毎に順次電荷を転送することができ
る。

【００２０】また別の転送方法として、各行のリセット
パルスΦＲｉ（ｉ＝１、２・・・）をいっせいに同時タ
イミングでオンする。これにより、各行のホトダイオー
ドをいっせいにリセットすることができる。次に受光時
間の経過後、各行のスィッチングパルスΦＹｉ（ｉ＝
１、２・・・）をいっせいに同時タイミングで、所定の
時間だけオンする。これにより、各行の画素の信号をい
っせいに垂直 CCD５の各パケットに送り出すことができ
る。このようにして１タイミングで垂直CCD５の各パケ
ットへ、電荷の蓄積を行うことができる。

【００２１】かかる構成によれば、ホトダイオードに入
射する光量の差に起因する増幅トランジスタのオン抵抗
の違いをドレイン電流によって検出するのではなく、ド
レイン電流とスィッチングパルスΦＹのオン時間の積と
で決まる電荷量を作り、これを CCDで転送する。増幅ト
ランジスタを用いるため、高感度の出力が得られ、また
CCDを用いるため、ばらつきがなく高精度の読み取り出
力を得ることができる。さらに、 CCDを用いて電荷の転
送をおこなうため、セルのチップ上での位置に起因する
信号出力の劣化をなくすことができ、このため固定パタ
ーン雑音を小さくすることができる。また、この素子は
画像をそこなうことなく何度でも読みだしをおこなうこ
とができ、信頼性の高い非破壊型の固体撮像素子を得る
ことが可能となる。

【００２２】次に、本発明の第２の実施例としてイメー
ジセルを積層構造で形成した例について説明する。この
イメージセルは図４に示すように、左端のｎ型拡散層３
２ａをホトダイオードとして用いるのではなく、リセッ
トトランジスタのソースとしてのみ用い、ホトダイオー
ドは、セル領域表面にポリイミド膜からなる絶縁膜４１
を介して形成されたアモルファスシリコン層４２内に形
成し、セル領域表面全体を受光領域として用いるように
したものである。ホトダイオードは、ポリイミド膜４１
上に形成されたピクセル電極３６と、最上層の酸化イン
ジウム錫層からなる透明電極４３とでアモルファスシリ
コン層４２を挟むことによって形成されるサンドイッチ
構造素子で構成されている。この素子では、ピクセル電
極３６は画素毎に絶縁分離された個別電極を構成し、光
電変換層としてのアモルファスシリコン層４２と透明電
極４３は画素毎に分離されることなく、一体的に形成さ
れている。アモルファスシリコン層４２は高抵抗である
ため、画素間の光電荷の移動は無視できる程度である。
ここでピクセル電極は多結晶シリコンで形成された増幅
トランジスタ２のゲート電極に接続される一方でリセッ
トトランジスタ４のソースであるｎ型拡散層３２ａに接
続されている。他の部分は図３に示した第１の実施例の
イメージセルと同様に形成されている。この構造では、
受光部を積層構造で構成しているため、セル面積を大幅
に低減することができるとともに、配線構造も簡略化さ
れる。

【００２３】次に、本発明の第３の実施例について説明
する。この固体撮像素子は図５に示すように、第１の実
施例における隣接ラインのリセットパルスとスイッチン
グパルスとを共通化し、第１のラインのスイッチングパ
ルスΦＹを、次のラインのリセットパルスΦＲと共用す
るようにしたことを特徴とする。

【００２４】まずスイッチングパルスΦＹ０がオンして
第１行目の各画素のリセットトランジスタをオンさせ、
ホトダイオードをリセットする。

【００２５】次に所定の受光時間を経過した後、スイッ
チングパルスΦＹ１がオンし、第１行目の各画素電流を
垂直 CCD５に導く。この時同時にΦＹ１により、第２行
目の各画素のリセットトランジスタをオンさせ、第２行
目のホトダイオード１をリセットする。

【００２６】次に所定の受光時間の経過後、スイッチン
グパルスΦＹ２がオンし、第２行目の画素電流を垂直 C
CD５に導く。同様にして、順次スイッチングパルスのオ
ンする位置をずらしていくようにすれば、１行毎に順々
に電荷を転送することができる。

【００２７】また別の転送方法として、偶数行目のパル
ス（ΦＹ０、ΦＹ２、ΦＹ４、・・・）を同時のタイミ
ングでオンし、所定の受光時間の経過の後、奇数行目の
パルス（ΦＹ１、ΦＹ３、ΦＹ５、・・・）を同時のタ
イミングでオンする。そして更に所定の受光時間の後、
再び偶数行目のパルスをオンする。以下この操作を順次
繰り返すことにより、偶数行目の各画素の信号と、奇数
行目の各画素の信号を夫々同時に垂直 CCD５に送り出す
ことができる。このようにして２タイミングで垂直CCD
の各パケットへ、電荷の蓄積をおこなうことができる。

【００２８】かかる構成によれば、スイッチングとリセ
ットのパルスの配線数を半分に減らすことができるた
め、チップ面積を更に縮小することが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、高感度でかつ信号出力のばらつきがなく固定パター
ン雑音が小さく、高精度の固体撮像素子を提供すること
が可能となる。また、この素子は画像をそこなうことな
く何度でも読みだしをおこなうことができ、信頼性の高
い非破壊型の固体撮像素子を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の固体撮像素子の１イメー
ジセルと周辺回路図を示す説明図

【図２】同固体撮像素子の回路説明図

【図３】同固体撮像素子の１イメージセルの断面構造を
示す図

【図４】本発明の第２実施例の固体撮像素子の１イメー
ジセルの断面構造を示す図

【図５】本発明の第３実施例の固体撮像素子の１イメー
ジセルの回路説明図

【図６】従来例の固体撮像素子を示す図

【図７】他の従来例の固体撮像素子を示す図

【符号の説明】

１ホトダイオード２増幅トランジスタ３スイッチングトランジスタ４リセットトランジスタ５垂直CCD ６水平CCD ７出力端子８イメージセル３１ｐ型シリコン基板３２ｎ型拡散層３３ｐ⁺層３４酸化シリコン膜３５ポリシリコンゲート３６ピクセル電極４１ポリイミド膜４２アモルファスシリコン層４３透明電極６３トランスファゲート６４オーバーフローゲート７１スキャナー回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に複数個の画素を具備してなる固
体撮像素子において、各画素毎に少なくとも１個のホトダイオードと、少なく
とも１個の３端子増幅素子と、前記３端子増幅素子の出
力端子に接続され、所定時間ずつ接続をおこなうように
構成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子
の出力端子に接続されたCCD素子とを具備してなり、前記ホトダイオードの一端が、前記３端子増幅素子の第
１端子に接続されるとともに、前記３端子増幅素子の第
２端子が所定の電位に接続せしめられ、前記３端子増幅素子の第３端子から取り出された出力信
号電流が、前記スイッチング素子を介して電荷量として
前記 CCD素子に入力せしめられ、この電荷量を順次転送
することにより、前記信号電荷に応じた画像出力信号が
出力されるようにしたことを特徴とする固体撮像素子。