JPH1041493A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 増幅型の固体撮像素子において、特に移動物
体の高速度撮像、即ち電子シャッタによる静止画撮像で
像の歪みのない撮像を可能にする。 【解決手段】 光電変換によって発生した信号電荷を蓄
積し、この信号電荷によって変調された表面チャネルＭ
ＯＳトランジスタの電流を信号として読み出す固体撮像
素子であって、受光部３３と、ゲート直下に信号電荷蓄
積部を有した読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジ
スタ３４と、受光部３３と読み出し用の表面チャネルＭ
ＯＳトランジスタ３４の信号電荷蓄積部に転送するため
の転送ゲート部３５とからなる単位画素３２を備えて成
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子、特
に増幅型固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子の高解像度化の要求
に従って、画素毎に光信号電荷を増幅する増幅型固体撮
像素子が開発されている。従来の増幅型固体撮像素子
は、画素毎に光信号を増幅するための例えば表面チャネ
ル型の画素ＭＯＳトランジスタを備え、画素に光電変換
された信号電荷を蓄積し、この電荷を画素トランジスタ
の電流変調として信号を読み出すものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図７は、先に提案した
増幅型固体撮像素子の例を示す。この増幅型固体撮像素
子１は、第１導電型例えばｐ型シリコン半導体基板２上
に第２導電型即ちｎ型の半導体領域、即ちオーバーフロ
ーバリア領域３及びｐ型の半導体ウエル領域４が形成さ
れ、このｐ型半導体ウエル領域４上にＳｉＯ₂ 等による
ゲート絶縁膜５を介して光を透過しうるリング状のゲー
ト電極６が形成され、そのリング状のゲート電極６の内
側及び外側に対応するｐ型半導体ウエル領域４にゲート
電極６をマスクとするセルファラインにて夫々ｎ型のソ
ース領域７及びドレイン領域８が形成され、ここに１画
素となるＭＯＳ型トランジスタ（いわゆる受光部と読出
用トランジスタを兼ねた画素ＭＯＳトランジスタ）９が
構成され、この画素ＭＯＳトランジスタ９が図８に示す
ように、複数個マトリック状に配列されて成る。

【０００４】そして、各列に対応する画素ＭＯＳトラン
ジスタ９のソース領域７が共通の垂直信号線１１に接続
され、ドレイン領域８が電源線に接続され、各行に対応
する画素ＭＯＳトランジスタ９のゲート電極６が共通の
ライン選択線１３に接続される。

【０００５】この画素ＭＯＳトランジスタ９では、図７
に示すように、リング状のゲート電極６を透過した光が
電子・正孔を発生し、このうちの正孔ｈが信号電荷とし
てリング状のゲート電極６下のｐ型半導体ウエル領域４
（即ち信号電荷蓄積部）に蓄積される。ライン選択線１
３を通してリング状のゲート電極６に高い電圧が印加さ
れ、画素ＭＯＳトランジスタがオンすると、表面チャネ
ルにチャネル電流Ｉｄが流れ、このチャネル電流Ｉｄが
信号電荷ｈにより変調されるので、このチャネル電流Ｉ
ｄを信号線１１を通して出力し、その変調量を信号出力
とする。

【０００６】上述の増幅型固体撮像素子１は、画素の選
択方式としてＸＹアドレス型の構成をとっており、図８
に示すように、ライン選択線１３を垂直走査回路１５で
順次選択し、選択された画素ＭＯＳトランジスタ９の信
号を垂直信号線１１に読み出し、さらに、水平走査回路
１７で順次水平スイッチ１６をオンすることによって、
順次信号を水平出力線１８を通して読み出す方式がとら
れている。

【０００７】このような方式にあっては、画面の上下で
１フィールド内でみて、撮像（受光）時刻にずれが存在
している。つまり、画面の上下で先に選択されるライン
と最後に選択されるラインでは略１フィールド分に近い
時間差が生じている。このような撮像方式においては、
例えそれぞれの画素の受光期間を短くしても比較的高速
移動物体の撮像で上下で受光時刻がずれる故に、物体の
像が変形するという欠点がある。

【０００８】例えば、図９の跳ねるボール２０，２１を
撮像カメラ２３を用いて電子シャッタで撮像すると、上
記方式の場合は、画面の上から下に向かう垂直スキャン
において、画面の上部と下部でスキャン時刻（いわゆる
撮像時刻）が異なるために、時間差分だけ被写体のボー
ル２０，２１は移動し、撮像画面２６としては、図１０
Ｂに示すように像２０Ａ，２１Ａにゆがみが発生する。

【０００９】之に対して、ＣＣＤ固体撮像素子のカメラ
では、１画面が同時刻で撮像されるため、移動物体に対
して比較的高速度の電子シャッタで撮像すれば撮像画面
２５としては、図１０Ａに示すように、像２０Ａ，２１
Ａのゆがみが発生しない。

【００１０】本発明、上述の点に鑑み、移動物体の高速
度撮像、即ち電子シャッタによる静止画撮像において像
の歪みない撮像を可能にし、且つ通常のＸＹスキャン型
撮像素子と同様にフォーカルプレーンモードの動画撮像
に対応できるようにした増幅型の固体撮像素子を提供す
るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像素
子は、受光部と、ゲート直下に信号電荷蓄積部を有した
読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタと、受光
部の信号電荷を読み出し用の表面チャネルＭＯＳトラン
ジスタの信号電荷蓄積部に転送するための転送ゲート部
とからなる単位画素を備えた構成とする。

【００１２】この構成においては、複数配列された単位
画素の各受光部で同時に受光され、受光後、各受光部で
の信号電荷が転送ゲート部を介して同時に夫々対応する
読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタの信号電
荷蓄積部に転送される。それ以後、読み出し用の表面チ
ャネルＭＯＳトランジスタが順次オンすることによって
信号電荷によって変調された電流を信号として読み出す
ようになされる。これにより、同時刻で１画面が撮像さ
れるので、静止画撮像モード、例えば電子シャッタによ
る移動物体の高速度撮像において像歪みのない撮像が可
能となる。

【００１３】動画撮像モードにおいては、転送ゲート部
を開状態に保つことによって、受光部で光電変換された
信号電荷が読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジス
タの信号電荷蓄積部に直接蓄積され、通常と同様のフォ
ーカルプレーンモードの動画撮像を行える。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明に係る固体撮像素子は、光
電変換によって発生した信号電荷を蓄積し、この信号電
荷によって変調された表面チャネルＭＯＳトランジスタ
の電流を信号として読み出す固体撮像素子であって、受
光部と、ゲート直下に信号電荷蓄積部を有した読み出し
用の表面チャネルＭＯＳトランジスタと、受光部の信号
電荷を読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタの
信号電荷蓄積部に転送するための転送ゲート部とからな
る単位画素を備えた構成とする。

【００１５】本発明は、上記固体撮像素子において、静
止画像モードでは各受光部において１フレーム（又は１
フィールド）同時受光後、各受光部の信号電荷を転送電
極部を介して各読み出し用の表面チャネルＭＯＳトラン
ジスタの信号電荷蓄積部に同時に転送し、読み出し用の
表面チャネルＭＯＳトランジスタを順次ライン毎にオン
して信号電荷によって変調された電流を信号として読み
出すようにした構成とする。

【００１６】本発明は、上記固体撮像素子において、動
画撮像モードでは、転送ゲート部を開状態に保ち、受光
部で光電変換された信号電荷を読み出し用の表面チャネ
ルＭＯＳトランジスタの信号電荷蓄積部に直接蓄積する
ようにした構成とする。

【００１７】本発明は、上記固体撮像素子において、読
み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタの信号電荷
蓄積部下の半導体基板に高濃度領域が設けられ、信号電
荷を半導体基板側に排出するための信号電荷蓄積部のリ
セット電圧が、受光部のリセット電圧よりも低振幅に設
定された構成とする。

【００１８】以下、図面を参照して本発明の実施例を説
明する。

【００１９】図１〜図３は、本発明に係る増幅型固体撮
像素子の一例を示す。但し、図１は、増幅型固体撮像素
子における単位画素の平面図、図２はそのＡ−Ａ線上の
断面図、図３はそのＢ−Ｂ線上の断面図を示す。本例に
係る増幅型固体撮像素子３１は、図１〜図３に示すよう
な単位画素３２を複数個マトリックス状に配列して構成
される。この単位画素３２は、入射光により光電変換を
行い光電変換によって信号電荷を発生させる受光部３３
と、之に隣接してゲート直下に信号電荷を蓄積する信号
電荷蓄積部を有する読み出し用の表面チャネルＭＯＳト
ランジスタ３４と、この受光部３３と表面チャネルＭＯ
Ｓトランジスタ３４間にあって受光部３３で光電変換し
て得られた信号電荷を表面チャネルＭＯＳトランジスタ
３４の信号電荷蓄積部に転送するための転送ゲート部３
５とから構成される。

【００２０】即ち、図２〜図３に示すように、第１導電
型例えばｐ型のシリコン半導体基板３７上にオーバーフ
ローバリア領域となる第２導電型、即ちｎ型の半導体領
域３８が形成され、このｎ型半導体領域３８の単位画素
を構成する一部上にｐ型半導体領域３９が形成されると
共に、ｐ型半導体領域３９の表面に高濃度のｎ型半導体
領域４０が形成され、ここにｎ⁺ 半導体領域４０、ｐ型
半導体領域３９及びｎ型半導体領域３８にて受光部（い
わゆるフォトダイオードセンサ）３３が形成される。

【００２１】ここで、ｎ⁺ 半導体領域４０は、ＳｉＯ₂
膜５０とＳｉとの界面からの暗電流発生を防ぐためのい
わゆるバーチャルゲートに相当する。またｐ型半導体領
域３９は光電変換によって発生した信号電荷（本例では
正孔ｈ）が蓄積される領域に相当する。

【００２２】この受光部３３の１側に隣接するように、
ｎ型半導体領域３８の単位画素を構成する他部上にｐ型
半導体領域４１が形成され、このｐ型半導体領域４１の
表面にゲート絶縁膜４２を介して例えば多結晶シリコン
層からなるリング状のゲート電極４４が形成されると共
に、リング状のゲート電極４４の内側及び外側に対応す
るｐ型半導体領域４１にｎ型のソース領域４５及びドレ
イン領域４６が形成され、ここに、ゲート直下のｐ型半
導体領域４１を信号電荷蓄積部４１Ａとする読み出し用
のＭＯＳトランジスタ３４が形成される。この読み出し
用のＭＯＳトランジスタ３４下に対応するｐ型半導体基
板３７のｎ型半導体領域３８に接する部分に、低電圧リ
セットを可能にするための基板３７より高濃度のｐ⁺ 半
導体領域５５が形成される。

【００２３】さらに、受光部３３と、読み出し用の表面
チャネルＭＯＳトランジスタ３４との間のｎ型半導体領
域３８上にゲート絶縁膜４２を介して例えば多結晶シリ
コン層からなる転送ゲート電極４７が形成されて転送ゲ
ート部３５が構成される。この転送ゲート電極４７はマ
トリックス配列された各単位画素における転送ゲート部
３５に共通に形成される。

【００２４】また、読み出し用の表面チャネルＭＯＳト
ランジスタ３４のドレイン領域４６が単位画素を取り囲
み、且つ受光部３３のｎ⁺ 半導体領域４０に接続される
ように形成される。本例では各隣接する単位画素間の領
域が共通のドレイン領域４６にて形成される。このドレ
イン領域４６は単位画素間を分離するチャネルストップ
領域を兼ねる。

【００２５】さらに、本例では受光部３３のｎ⁺ 半導体
領域４０の一部、即ち、読み出し用の表面チャネルＭＯ
Ｓトランジスタ３４のソース領域４５と対向する側の中
央部分が転送ゲート電極４７下を延長してゲート電極４
４を挟んでソース領域４５と対向する位置まで形成され
る。従って転送ゲート部３５は、このｎ⁺ 半導体領域４
０の延長部４０Ａの両側に２分された形で形成される。

【００２６】そして、マトリックス状に配列された各列
に対応する単位画素の読み出し用の表面チャネルＭＯＳ
トランジスタ３４のソース領域４５が共通の垂直信号線
５２に接続され、そのドレイン領域４６が電源線（図示
せず）に接続され、各行に対応する単位画素３１の読み
出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタ３４のゲート
電極４４が共通のライン選択線（図示せず）に接続され
る。

【００２７】各ライン選択線は垂直走査回路に接続さ
れ、この垂直走査回路によってＭＯＳトランジスタ３４
のゲートが駆動されるようになされる。各垂直信号線５
２は水平走査回路によって駆動される水平スイッチ（例
えばＭＯＳトランジスタ）を介して水平出力線に接続さ
れる。

【００２８】単位画素３１においては、受光部３３を除
いて転送ゲート部３５及び読み出し用の表面チャネルＭ
ＯＳトランジスタ３４が遮光膜で遮光される。

【００２９】次に、上述の構成の増幅型固体撮像素子３
１の動作を説明する。静止画撮像モードにおいては、各
単位画素３２の受光部３３で１フレーム（又は１フィー
ルド）期間同時に受光される。この受光部３３では入射
光により光電変換が行われ、光電変換によって発生した
信号電荷（本例では正孔ｈ）が受光部３３のｐ型半導体
領域３９に蓄積される。

【００３０】受光後、転送ゲート部３５のゲート電極４
７に駆動パルスが印加され、転送ゲート部３５がオンす
ることによって受光部３３に蓄積されていた信号電荷が
転送ゲート部３５を通して読み出し用の表面チャネルＭ
ＯＳトランジスタ３４のゲート直下のｐ型半導体領域４
１即ち信号電荷蓄積部４１Ａに転送され、蓄積される。
この蓄積された信号電荷の量に応じて読み出し用の表面
チャネルＭＯＳトランジスタ３４の表面チャネルの電位
が変調する。

【００３１】そして、垂直走査回路によって順次ライン
選択線を通じてライン毎の読み出し用の表面チャネルＭ
ＯＳトランジスタ３４が選択され、即ち、そのゲートが
オンされることにより、信号電荷に応じたチャネル電流
がドレイン−ソース間を流れ、結果として電流増幅され
た信号が垂直信号線５２に出力される。その後、水平走
査回路によって各垂直信号線５２に接続された水平スイ
ッチが駆動されて１ラインの信号が水平出力線を通して
順次出力回路より出力される。

【００３２】このように、各受光部３３において同時に
受光した後、その信号電荷を夫々対応する読み出し用の
表面チャネルＭＯＳトランジスタ３４へ同時に転送する
ことにより、ＣＣＤ固体撮像素子と同様の同時撮像モー
ドとなり、例えば移動物体の高速度撮像（即ち電子シャ
ッタ動作による静止画撮像）において、像の歪みがない
撮像が可能となる。

【００３３】動画撮像モードにおいては、転送ゲート部
３５を開状態（即ちオン状態）に保ち、受光部３３にお
いて光電変換された信号電荷を読み出し用の表面チャネ
ルＭＯＳトランジスタ３４の信号電荷蓄積部４１Ａに直
接蓄積する。そして、前述と同様に垂直走査回路によっ
てライン選択線を通してライン毎の読み出し用の表面チ
ャネルＭＯＳトランジスタ３４が選択され、垂直信号線
５２上に信号が出力され、この信号を水平走査回路によ
って順次読み出すようになされる。即ち、通常のＸＹス
キャン型撮像素子と同様のフォーカルプレーンモードの
動画撮像に対応する。

【００３４】一方、受光部３３における電荷（正孔）の
リセットと、読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジ
スタ３４に蓄積された信号電荷（正孔）のリセットは、
基板３７に電圧Ｖ_sub （いわゆる基板電圧）を印加して
行うが、読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタ
３４下のｐ型半導体基板３７にｐ⁺ 半導体領域５５が設
けられていることによって、受光部３３の電荷をリセッ
トするときの基板電圧よりも読み出し用の表面チャネル
ＭＯＳトランジスタ３４に蓄積された信号電荷をリセッ
トするときの基板電圧の方が低振幅とすることができ
る。即ち、受光部３３の電荷をリセットするときの基板
電圧により低い基板電圧で読み出し用の表面チャネルＭ
ＯＳトランジスタ３４の信号電荷のリセットが行える。

【００３５】これによって、信号読み出し直後に、選択
された当ラインのＭＯＳトランジスタのみ信号電荷のリ
セットを行い、引き続き当ラインの暗電流成分の読み出
しを可能にする。これは、その後画素信号と暗電流成分
の信号との差分を得てノイズ成分のない真の信号を得る
場合に適用される。

【００３６】上述の実施例による増幅型固体撮像素子３
１によれば、動画撮像時はフォーカルプレーン撮像モー
ドとすることができる。静止画撮像時は１フレーム（又
は１フィールド）同時撮像モードとなるので、移動物体
の高速度撮像、即ち、電子シャッタによる静止画撮像に
おいて像の歪みがない撮像が可能となる。

【００３７】また、スミア特性においては、ＣＣＤ型固
体撮像素子に対して原理的優位性を保持できる。受光部
３３においては、シリコン表面が常に空乏化しないよう
にｎ⁺ 半導体領域４０を有することによって、受光部３
３での暗電流を低く維持することができる。

【００３８】また、このｎ⁺ 半導体領域４０に読み出し
用の表面チャネルＭＯＳトランジスタ３４側に延長する
延長部４０Ａが設けられることによって、この延長部４
０Ａもドレイン領域として作用し、読み出し用の表面チ
ャネルＭＯＳトランジスタ３４の動作時、その本来のコ
の字状のドレイン領域４６と中央のソース領域４５間に
流れるチャネル電流に加えて、ｎ⁺ 半導体領域４０の延
長部４０Ａと中央のソース領域４５間にもチャネル電流
が流れ、感度の向上が図れる。

【００３９】図４〜図６は、本発明の他の実施例を示
す。この例は、前述の図１〜図３で示す受光部３３のｎ
⁺ 半導体領域４０の延長部４０Ａを省略し、ｎ⁺ 半導体
領域４０が転送ゲート部３５下に延長されないような単
に四角形状として構成した場合である。他の構成は図１
〜図３と同様であるので複数説明を省略する。この例で
はチャネル電流がコ字状のドレイン領域４６とソース領
域４５間に流れるので、図１の例に比べて感度は下がる
も、その他の作用効果は図１の場合と同様に奏し得る。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、動画撮像時はフォーカ
ルプレーン撮像を可能にし、静止画撮像時は同時撮像を
可能にする。即ち、通常のＸＹスキャン型固体撮像素子
と同様にフォーカルプレーンモードの動画撮像に対応す
る。

【００４１】また、ＣＣＤエリア撮像素子と同様の同時
刻撮像モードを有し、移動物体の高速度撮像、即ち電子
シャッタ駆動による静止画撮像において、像の歪みのな
い撮像が可能となる。

【００４２】スミア特性においては、ＣＣＤ型撮像素子
に対する増幅型撮像素子の原理的優位性を保持できる。

【００４３】さらに、信号読み出し直後に、選択された
当ラインのみ信号電荷のリセットを行うことができるの
で、引き続き当ラインの暗電流成分の読み出しを可能に
し、画素信号と暗電流成分との差分によって真の信号を
得るようにすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の要部（画素部）の
一例を示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線上の断面図である。

【図４】本発明に係る固体撮像素子の要部（画素部）の
他の例を示す平面図である。

【図５】図４のＣ−Ｃ線上の断面図である。

【図６】図４のＤ−Ｄ線上の断面図である。

【図７】比較例の増幅型固体撮像素子の画素部を示す断
面図である。

【図８】図７の増幅型固体撮像素子の回路構成図であ
る。

【図９】移動物体の撮像の説明図である。

【図１０】Ａ ＣＣＤ型固体撮像カメラで撮像したとき
の画像を示す説明図である。 Ｂ 図８の増幅型固体撮像カメラで撮像したときの画像
を示す説明図である。

【符号の説明】

３１ 増幅型固体撮像素子、３２ 単位画素、３３ 受
光部、３４ 読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジ
スタ、３５ 転送ゲート部、４４ ゲート電極、４５
ソース領域、４６ ドレイン領域、４７ 転送ゲート電
極、５５ ｐ⁺半導体領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換によって発生した信号電荷を蓄
   積し、該信号電荷によって変調された表面チャネルＭＯ
   Ｓトランジスタの電流を信号として読み出す固体撮像素
   子であって、 受光部と、 ゲート直下に信号電荷蓄積部を有した読み出し用の表面
   チャネルＭＯＳトランジスタと、 前記受光部の信号電荷を前記読み出し用の表面チャネル
   ＭＯＳトランジスタの信号電荷蓄積部に転送するための
   転送ゲート部とからなる単位画素を備えて成ることを特
   徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 静止画像モードでは、各前記受光部にお
   いて同時受光後、 前記各受光部の信号電荷を前記転送ゲート部を介して各
   前記読み出し用の表面チャネルＭＯＳトランジスタの信
   号電荷蓄積部に同時に転送し、 該読み出し用の表面チャネルトランジスタを順次ライン
   毎にオンして信号電荷によって変調された電流を信号と
   して読み出すことを特徴とする請求項１に記載の固体撮
   像素子。
3. 【請求項３】 動画撮像モードでは、前記転送ゲート部
   を開状態に保ち、 前記受光部で光電変換された信号電荷を前記読み出し用
   の表面チャネルＭＯＳトランジスタの信号電荷蓄積部に
   直接蓄積することを特徴とする請求項１に記載の固体撮
   像素子。
4. 【請求項４】 前記読み出し用の表面チャネルＭＯＳト
   ランジスタの信号電荷蓄積部下の半導体基板に高濃度領
   域が設けられ、 信号電荷を前記半導体基板側に排出するための前記信号
   電荷蓄積部のリセット電圧が、前記受光部のリセット電
   圧よりも低振幅に設定されて成ることを特徴とする請求
   項１に記載の固体撮像素子。