JPH1098175A - Mos-type solid-state image pickup device and driving method thereof - Google Patents

Mos-type solid-state image pickup device and driving method thereof

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JPH1098175A
JPH1098175A JP8247872A JP24787296A JPH1098175A JP H1098175 A JPH1098175 A JP H1098175A JP 8247872 A JP8247872 A JP 8247872A JP 24787296 A JP24787296 A JP 24787296A JP H1098175 A JPH1098175 A JP H1098175A
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浩史 山下
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誠之 松長
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道夫 佐々木
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圭司 馬渕
Ryohei Miyagawa
良平 宮川
Yoshinori Iida
義典 飯田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a fine unit cell, without reducing the dynamic range by providing a second conductivity type second conductive region having a concn. different from that of a first conductivity type, and insufficient for depleting the interface of a semiconductor substrate. SOLUTION: The unit cell of an MOS-type solid-state image pickup device has a p-type diffusion region 81 over the entire surface of an n-type diffusion layer forming a photodiode. This region 81 has a concn. higher than that of an n-type diffusion region, and its potential is fixed to a reference. The concn. of the region 81 is not sufficient to deplete the interface of a semiconductor substrate. The region 81 is formed on the entire surface of the n-type diffusion layer forming the photodiode, thereby lowering the potential of the n-type diffusion layer. Thus all or almost of charged remain when reset are stored in a detection part, resulting in a substantially small capacity of the photodiode and reduced thermal noise generated at resetting.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、MOS型固体撮像
装置及びその駆動方法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a MOS type solid-state imaging device and a driving method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、MOS型固体撮像装置の一つとし
て、増幅型固体撮像装置が種々提案されている。この種
のMOS型固体撮像装置は、各画素内で信号電荷による
信号電圧を増幅するものであり、画素が微細化されたと
きの問題点であった感度を向上させることができる。
2. Description of the Related Art In recent years, various amplification type solid-state imaging devices have been proposed as one of MOS type solid-state imaging devices. This type of MOS solid-state imaging device amplifies a signal voltage due to a signal charge in each pixel, and can improve sensitivity, which is a problem when pixels are miniaturized.

【0003】図18は、このようなMOS型固体撮像装
置の概要を示す回路構成図である。同図に示すように、
このMOS型固体撮像装置の単位セルは、フォトダイオ
ード1(1−1−1〜1−2−2)、フォトダイオード
1(1−1−1〜1−2−2)の信号を増幅する増幅ト
ランジスタ2(2−1−1〜2−2−2)、信号を読み
出すラインを選択する垂直選択トランジスタ3(3−1
−1〜3−2−2)、信号電荷をリセットするリセット
トランジスタ4(4−1−1〜4−2−2)から構成さ
れている。
FIG. 18 is a circuit diagram showing an outline of such a MOS type solid-state imaging device. As shown in the figure,
The unit cell of this MOS type solid-state imaging device includes an amplifier that amplifies signals of the photodiode 1 (1-1-1 to 1-2-2) and the photodiode 1 (1-1-1 to 1-2-2). Transistor 2 (2-1-1 to 2-2-2), vertical select transistor 3 (3-1) for selecting a line from which a signal is read out.
-1 to 3-2-2) and reset transistors 4 (4-1-1 to 4-2-2) for resetting signal charges.

【0004】ここでは、2×2個の単位セルが二次元上
に配列されている図を示しているが、実際には、これよ
り多くの単位セルが配列される。
[0006] Here, a diagram in which 2 × 2 unit cells are arranged two-dimensionally is shown, but actually more unit cells are arranged.

【0005】垂直シフトレジスタ5から水平方向に配線
されている水平アドレス線6(6−1,6−2)は垂直
選択トランジスタ3(3−1−1〜3−2−2)のゲー
トに結線され、信号を読みだすラインを決定する。
The horizontal address lines 6 (6-1, 6-2) wired in the horizontal direction from the vertical shift register 5 are connected to the gates of the vertical selection transistors 3 (3-1-1 to 3-2-2). To determine the line from which the signal is read.

【0006】リセット線7(7−1,7−2)は、リセ
ットトランジスタ4(4−1−1〜4−2−2)のゲー
トに結線されている。増幅トランジスタ2(2−1−1
〜2−2−2)のソースは垂直信号線8(8−1,8−
2)に結線される。
The reset line 7 (7-1, 7-2) is connected to the gate of the reset transistor 4 (4-1-1 to 4-2-2). Amplification transistor 2 (2-1-1)
To 2-2-2) are the vertical signal lines 8 (8-1, 8-).
Connected to 2).

【0007】この垂直信号線8(8−1,8−2)の一
端には、負荷トランジスタ9(9−1,9−2)が接続
されており、他端には1ライン(1行)分の信号を取り
込む信号取り込みトランジスタ10(10−1,10−
2)を介して、1ライン(1行)分の信号を蓄積する増
幅信号蓄積容量11(11−1,11−2)に結線され
るとともに、水平シフトレジスタ13から供給される選
択パルスにより選択される水平選択トランジスタ12
(12−1,12−2)を介して水平信号線15に結線
されている。
A load transistor 9 (9-1, 9-2) is connected to one end of the vertical signal line 8 (8-1, 8-2), and one line (one row) is connected to the other end. Signal capturing transistor 10 (10-1, 10-
2), is connected to an amplified signal storage capacitor 11 (11-1, 11-2) for storing one line (one row) of signals, and is selected by a selection pulse supplied from the horizontal shift register 13. Horizontal selection transistor 12
It is connected to the horizontal signal line 15 via (12-1, 12-2).

【0008】以下、図19のタイミングチャート参照し
て、このMOS型固体撮像装置の動作について説明す
る。水平アドレス線6−1をハイレベルにするアドレス
パルス21−1を印加すると、このラインの選択トラン
ジスタ3−1−1,3−1−2のみONになり、この行
の増幅トランジスタ2−1−1,2−1−2と負荷トラ
ンジスタ9−1,9−2でソースホロア回路が構成され
る。
Hereinafter, the operation of the MOS type solid-state imaging device will be described with reference to a timing chart of FIG. When an address pulse 21-1 for setting the horizontal address line 6-1 to a high level is applied, only the selection transistors 3-1-1 and 3-1-2 of this line are turned on, and the amplification transistors 2-1 of this row are turned on. A source-follower circuit is constituted by 1, 1-2-1 and the load transistors 9-1 and 9-2.

【0009】これにより、増幅トランジスタ2−1−
1,2−1−2のゲート電圧、すなわちフォトダイオー
ド1−1−1,1−1−2の電圧とほぼ同等の電圧が垂
直信号線8−1,8−2に現れる。
As a result, the amplification transistor 2-1
Gate voltages of 1, 1-2-2, that is, voltages substantially equal to the voltages of the photodiodes 1-1-1, 1-1-2 appear on the vertical signal lines 8-1, 8-2.

【0010】このとき、信号取り込みトランジスタ10
−1,10−2の共通ゲート14に信号取り込みパルス
を印加し、増幅信号蓄積容量11−1,11−2に垂直
信号線8−1,8−2に現れた電圧とその容量の積の増
幅された信号電荷を蓄積する。
At this time, the signal capturing transistor 10
A signal capture pulse is applied to the common gates 14-1 and 10-2, and the voltages appearing on the vertical signal lines 8-1 and 8-2 and the products of the capacitances are applied to the amplified signal storage capacitors 11-1 and 11-2. The amplified signal charge is stored.

【0011】増幅信号蓄積容量11−1,11−2に信
号が蓄積された後、リセットトランジスタ4−1−,4
−1−2にリセットパルス22−1を印加して、フォト
ダイオード1−1−1,1−1−2に蓄積された信号電
荷をリセットする。
After the signals are stored in the amplified signal storage capacitors 11-1 and 11-2, the reset transistors 4-1 and 4-1 are reset.
A reset pulse 22-1 is applied to -1-2 to reset the signal charges accumulated in the photodiodes 1-1-1 and 1-1-2.

【0012】つぎに、水平シフトレジスタ13から水平
選択パルス23−1,23−2を水平選択トランジスタ
12−1,12−2に順次印加し、水平信号線15から
1行分の出力信号24−1,24−2を順次取り出す。
Next, horizontal selection pulses 23-1 and 23-2 are sequentially applied from the horizontal shift register 13 to the horizontal selection transistors 12-1 and 12-2, and one row of output signals 24- Take out 1,4-2-2 sequentially.

【0013】この動作を次のライン次のラインと順次続
けることにより、2次元状に配置されたフォトダイオー
ドのすべての信号を読み出すことができる。図20は、
このようなMOS型固体撮像装置の単位セルのレイアウ
トを示す図である。また、図21は、単位セルの断面を
示す断面図である。
By continuing this operation sequentially with the next line, all signals of the photodiodes arranged two-dimensionally can be read. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a layout of a unit cell of such a MOS solid-state imaging device. FIG. 21 is a cross-sectional view showing a cross section of the unit cell.

【0014】同図において、31は増幅トランジスタの
制御電極である増幅ゲート、32はリセットゲート、3
3は検出部、34は光電変換部であるフォトダイオー
ド、35は増幅ゲートと検出部を接続する電極、36は
リセットドレインである。
In FIG. 1, reference numeral 31 denotes an amplification gate which is a control electrode of an amplification transistor; 32, a reset gate;
Reference numeral 3 denotes a detection unit, reference numeral 34 denotes a photodiode serving as a photoelectric conversion unit, reference numeral 35 denotes an electrode connecting the amplification gate and the detection unit, and reference numeral 36 denotes a reset drain.

【0015】また、37はp型基板、38はフォトダイ
オードを形成するn型拡散層、39は検出部を形成する
n型拡散層、40はアドレスゲートである。図22は、
図20の矢線A−A′の電位分布を示す図である。
Reference numeral 37 denotes a p-type substrate; 38, an n-type diffusion layer forming a photodiode; 39, an n-type diffusion layer forming a detector; and 40, an address gate. FIG.
FIG. 21 is a diagram showing a potential distribution along arrow AA ′ in FIG. 20.

【0016】同図において、t=1の状態においては、
フォトダイオード34に信号電荷が蓄積していく様子を
示しており、t=2の状態においてはリセット時の様子
を、t=3の状態においてはリセット後の様子を示して
いる。
In the same figure, when t = 1,
A state in which signal charges are accumulated in the photodiode 34 is shown, and a state at the time of reset is shown in a state of t = 2, and a state after reset is shown in a state of t = 3.

【0017】図18に示した構造の増幅型固体撮像装置
においては、各単位セルにおけるフォトダイオードの電
荷を行毎に順番に読み出していることから、各行のフォ
トダイオードでの信号蓄積タイミングが異なるという問
題がある。特に、画面において水平方向に被写体が移動
している場合など、その被写体の形が歪んで再生される
という大きな問題があった。
In the amplification type solid-state imaging device having the structure shown in FIG. 18, since the charges of the photodiodes in each unit cell are sequentially read out for each row, the signal accumulation timings of the photodiodes in each row are different. There's a problem. In particular, there is a serious problem that the shape of the subject is distorted and reproduced when the subject moves in the horizontal direction on the screen.

【0018】このような問題を解決するために、図23
に示すような構成のMOS型固体撮像装置がある。な
お、図18と同一部分には同一符号を付して説明する。
このMOS型固体撮像装置と図18に示したMOS型固
体撮像装置と異なる点は、基本セルの構造にある。
To solve such a problem, FIG.
There is a MOS type solid-state imaging device having a configuration as shown in FIG. Note that the same parts as those in FIG.
The MOS solid-state imaging device differs from the MOS solid-state imaging device shown in FIG. 18 in the structure of the basic cell.

【0019】すなわち、このMOS型固体撮像装置の単
位セルは、垂直選択トランジスタの代わりに、アドレス
容量53(53−1−1〜53−3−3)を水平アドレ
ス線6(6−1〜6−3)と増幅トランジスタ2(2−
1−1〜2−3−3)のゲートとの間に接続する。
That is, in the unit cell of this MOS type solid-state imaging device, the address capacitors 53 (53-1-1 to 53-3-3) are connected to the horizontal address lines 6 (6-1 to 6) instead of the vertical selection transistors. -3) and the amplification transistor 2 (2-
1-1 to 2-3-3).

【0020】また、フォトダイオード1(1−1−1〜
1−3−3)の出力側と増幅トランジスタ2(2−1−
1〜2−3−3)のゲートとの間に、転送トランジスタ
54(54−1−1〜54−3−3)を接続する。
The photodiode 1 (1-1-1 to 1-1-1)
1-3-3) and the amplifying transistor 2 (2-1-2-1).
The transfer transistors 54 (54-1-1 to 54-3-3) are connected between the gates of the transfer transistors 1 to 2-3-3).

【0021】上記転送トランジスタ54のゲートは、転
送信号線52(52−1〜52−3)に接続されてい
る。上記転送トランジスタ54は、転送信号線52(5
2−1〜52−3)からパルス信号が入力されると、フ
ォトダイオード1(1−1−1〜1−3−3)に蓄積さ
れた電荷をアドレス容量53(53−1−1〜53−3
−3)と検出部55(55−1−1〜55−3−3)と
に蓄積する。
The gate of the transfer transistor 54 is connected to the transfer signal line 52 (52-1 to 52-3). The transfer transistor 54 is connected to the transfer signal line 52 (5
When a pulse signal is input from 2-1 to 52-3), the charges accumulated in the photodiode 1 (1-1-1 to 1-3-3) are transferred to the address capacitors 53 (53-1-1 to 53-3). -3
-3) and the detection unit 55 (55-1-1 to 55-3-3).

【0022】検出部55(55−1−1〜55−3−
3)は、転送トランジスタ54(54−1−1〜54−
3−3)を介してアドレス容量53に転送されるフォト
トランジスタ1(1−1−1〜1−3−3)の電荷を電
圧として検出する部分である。
The detector 55 (55-1-1 to 55-3-)
3) is a transfer transistor 54 (54-1-1 through 54-).
This is a part for detecting the charge of the phototransistor 1 (1-1-1 to 1-3-3) transferred to the address capacitor 53 via 3-3) as a voltage.

【0023】次に、このようなMOS型固体撮像装置の
動作について、図24のタイミングチャートを参照して
説明する。なお、雑音低減回路の動作については説明を
省略する。
Next, the operation of such a MOS type solid-state imaging device will be described with reference to the timing chart of FIG. The description of the operation of the noise reduction circuit is omitted.

【0024】また、図24においては、垂直帰線期間
(V−BLK)の最終期間と、最初の2水平期間のみを
図示している。図24のタイミングチャートは、3×3
画素を仮定しているが、実際には、水平の画素数分だけ
水平選択レジスタがあるものとする。
FIG. 24 shows only the last period of the vertical blanking period (V-BLK) and the first two horizontal periods. The timing chart of FIG.
Although pixels are assumed, there are actually horizontal selection registers for the number of horizontal pixels.

【0025】まず、垂直帰線期間V−BLK内におい
て、全ての転送信号線52(52−1〜52−3)に転
送パルス41(41−1〜41−3)を付加して、全画
素同時にフォトダイオード1の信号電荷を検出部55
(55−1−1〜55−3−3)に読みだし、アドレス
容量53(53−1−1〜53−3−3)に蓄積する。
First, in the vertical blanking period V-BLK, transfer pulses 41 (41-1 to 41-3) are added to all transfer signal lines 52 (52-1 to 52-3), and all the pixels are transferred. At the same time, the signal charges of the photodiode 1 are detected by the detection unit 55.
(53-1-1 to 55-3-3) and store them in the address capacity 53 (53-1-1 to 53-3-3).

【0026】これにより、各画素の撮像タイミングに時
間差が発生するのを防止することができる。この全ての
転送信号線に対して同時に転送パルスを付加する方法
は、転送信号線を互いに接続して1本の転送信号線にす
ることにより実現してもよいし、各転送信号線52(5
2−1〜52−3)に対して同時にパルス信号を付加し
ても良い。
As a result, it is possible to prevent a time difference from occurring in the imaging timing of each pixel. The method of simultaneously adding transfer pulses to all the transfer signal lines may be realized by connecting the transfer signal lines to each other to form one transfer signal line, or may be realized by each transfer signal line 52 (5
A pulse signal may be added simultaneously to 2-1 to 52-3).

【0027】次に、1番目の水平帰線期間(H−BL
K)内で、第1行目の水平アドレス線6−1を介して、
アドレスパルス42−1をアドレス容量53−1−1、
53−1−2、53−1−3に印加する。
Next, the first horizontal blanking period (H-BL
K) through the horizontal address line 6-1 in the first row,
The address pulse 42-1 is converted to an address capacity 53-1-1,
53-1-2 and 53-1-3.

【0028】アドレス容量53(53−1−1〜53−
1−3)に、アドレスパルスが印加されることにより、
増幅トランジスタ2−1−1〜2−1−3のチャネルの
電位が他のラインに比較して上昇し、負荷トランジスタ
9(9−1〜9−3)と増幅トランジスタ2(2−1−
1〜2−1−3)によりソースフォロア回路が構成され
る。
The address capacity 53 (53-1-1 to 53-
By applying an address pulse to 1-3),
The potentials of the channels of the amplification transistors 2-1-1 to 2-1-3 increase as compared with the other lines, and the load transistors 9 (9-1 to 9-3) and the amplification transistor 2 (2-1-2-1).
1-2-1-3) constitute a source follower circuit.

【0029】従って、フォトダイオード1(1−1−1
〜1−1−3)の信号電荷が検出部55(55−1−1
〜55−1−3)でインピーダンス変換された信号電圧
にほぼ等しい電圧がクランプ容量60(60−1〜60
−3)の端に現れる。
Therefore, the photodiode 1 (1-1-1)
To 1-1-3) is detected by the detection unit 55 (55-1-1).
To 55-1-3), a voltage substantially equal to the signal voltage subjected to impedance conversion is applied to the clamp capacitor 60 (60-1 to 60-1).
-3) appears at the end.

【0030】次に、信号の「0」レベルをサンプルする
ために、第1行目のリセット線7−1にリセットパルス
43−1を加えて、リセットトランジスタ4(4−1−
1〜4−1−3)をONにして、リセットゲートを開
き、検出部55(55−1−1〜55−1−3)の信号
電荷をドレインに掃き出す。
Next, in order to sample the "0" level of the signal, a reset pulse 43-1 is applied to the reset line 7-1 of the first row to reset the reset transistor 4 (4-1-4-1).
1-4-1-3) is turned on, the reset gate is opened, and the signal charges of the detection unit 55 (55-1-1 to 55-1-3) are swept out to the drain.

【0031】次に、リセットをOFFにして、サンプル
ホールド回路でリセットレベルをサンプルする。次に、
水平有効間に入り、水平シフトレジスタ13によって水
平選択パルス46(46−1〜46−3)を水平選択ト
ランジスタ18(18−1〜18−3)に順に印加し、
1ライン分のフォトダイオード1−1−1〜1−1−3
の出力信号を水平信号線64に順次出力する。
Next, the reset is turned off and the reset level is sampled by the sample and hold circuit. next,
During the horizontal effective period, the horizontal shift register 13 applies the horizontal selection pulse 46 (46-1 to 46-3) to the horizontal selection transistor 18 (18-1 to 18-3) in order.
Photodiodes 1-1-1 to 1-1-3 for one line
Are sequentially output to the horizontal signal line 64.

【0032】このようにして第1行目のフォトダイオー
ド1(1−1−1〜1−1−3)の出力電圧をサンプリ
ングした後、次の水平帰線期間内に、同様に第2のライ
ンの水平アドレス線6−2にアドレスパルス41−2を
印加して第2のラインのフォトダイオード(1−2−1
〜1−2−3)の信号電荷を読みだし、出力信号を水平
信号線15に順次出力する。
After the output voltages of the photodiodes 1 (1-1-1 to 1-1-3) in the first row are sampled in this manner, the second voltage is similarly set in the next horizontal flyback period. An address pulse 41-2 is applied to the horizontal address line 6-2 of the line to apply a photodiode (1-2-1) of the second line.
11-2-3) are read out, and output signals are sequentially output to the horizontal signal line 15.

【0033】以上述べたような動作を各ラインについて
順次繰り返すことにより、2次元配列された全てのフォ
トダイオードの信号を読み出すことができる。図25
は、図23に示したMOS型固体撮像装置の単位セルの
詳細な構成を示す図である。
By repeating the above-described operation sequentially for each line, the signals of all the two-dimensionally arranged photodiodes can be read. FIG.
FIG. 24 is a diagram showing a detailed configuration of a unit cell of the MOS solid-state imaging device shown in FIG. 23.

【0034】同図に示すように、フォトサイオード1−
1−1にはオーバフローコントロールゲート71が設け
られており、フォトダイオードの信号が飽和したとき
に、このオーバフローコントロールゲート71を介して
信号を排出していた。
As shown in FIG.
1-1 is provided with an overflow control gate 71, and when the signal of the photodiode is saturated, the signal is discharged through the overflow control gate 71.

【0035】[0035]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図18
及び図23に示したようなMOS型固体撮像装置におい
ては、リセットトランジスタによって、検出部及びこの
検出部につながるフォトダイオードをリセットする際
に、これらの部分に残存する電荷に熱雑音が重畳する。
However, FIG.
In a MOS solid-state imaging device as shown in FIG. 23, when resetting a detection unit and a photodiode connected to the detection unit by a reset transistor, thermal noise is superimposed on electric charges remaining in these portions.

【0036】このときの熱雑音電荷の自乗平均はQn2
は、残存する電荷が蓄積されている領域の容量をC、こ
のときの温度をT、ボルツマン定数をkとして、 Qn2 〓 kTC …(1) で表され、蓄積容量に比例する。しかしながら、図18
及び図23に示したようなMOS型固体撮像装置におい
ては、光電効率を高くするために単位セル内の光電変換
部であるフォトダイオードの面積を大きくしている。
The root mean square of the thermal noise charge at this time is Qn2
Is expressed as Qn2〓kTC (1), where C is the capacity of the region where the remaining charge is stored, T is the temperature at this time, and k is the Boltzmann constant, and is proportional to the storage capacity. However, FIG.
In a MOS solid-state imaging device as shown in FIG. 23, the area of a photodiode serving as a photoelectric conversion unit in a unit cell is increased in order to increase photoelectric efficiency.

【0037】このため、電荷の蓄積容量が大きくなるの
でリセット時の熱雑音が大きくなり、再生画面の画質が
劣化してしまうという問題があった。また、フォトダイ
オード及び検出部の空乏層で発生するリーク電流、特
に、半導体基板界面の空乏層で発生するリーク電流は蓄
積期間中に信号電荷とともに蓄積されるため、それが雑
音として信号に重畳して再生画面の画質が劣化してしま
うという問題があった。
For this reason, there has been a problem that since the charge storage capacity is increased, thermal noise at the time of reset is increased, and the image quality of the reproduced screen is deteriorated. In addition, the leak current generated in the depletion layer of the photodiode and the detection unit, particularly the leak current generated in the depletion layer at the interface of the semiconductor substrate, is accumulated together with the signal charge during the accumulation period, and is superimposed on the signal as noise. Therefore, there is a problem that the image quality of the reproduction screen is deteriorated.

【0038】また、図23に示したMOS型固体撮像装
置においては、1単位セルのなかに増幅、リセット、ア
ドレス、転送の4つの手段を設ける必要がある。しかし
ながら、このように1つの単位セルの中に4つの手段を
設けると、単位セルの微細化を行なったときに、開口率
が低減して単位セル内のフォトダイオードの感度を劣化
させてしまうという問題があった。
In the MOS type solid-state imaging device shown in FIG. 23, it is necessary to provide four means of amplification, reset, address and transfer in one unit cell. However, when the four means are provided in one unit cell, when the unit cell is miniaturized, the aperture ratio is reduced and the sensitivity of the photodiode in the unit cell is deteriorated. There was a problem.

【0039】さらに、図23に示すようなMOS型固体
撮像装置において、高精細度の画面を提供しようとする
場合、当然画素を微細化して多画素化することが必要で
ある。しかしながら、画素を微細化するとフォトダイオ
ードの飽和信号量は減少する。この状態で、例えば、強
い光が入射するとフォトダイオードが速やかに飽和し、
飽和した信号は、図25に示したオーバフローコントロ
ールゲート71などの電荷排出手段を介して排出されて
しまう。すなわち、従来のMOS型固体撮像装置におい
て、画素の微細化を試みると、ダイナミックレンジが低
下してしまうという問題があった。
Further, in the case of providing a high-definition screen in the MOS type solid-state imaging device as shown in FIG. 23, it is naturally necessary to increase the number of pixels by miniaturizing the pixels. However, when pixels are miniaturized, the saturation signal amount of the photodiode decreases. In this state, for example, when strong light enters, the photodiode quickly saturates,
The saturated signal is discharged via charge discharging means such as the overflow control gate 71 shown in FIG. That is, in the conventional MOS-type solid-state imaging device, there is a problem that the dynamic range is reduced when the pixel size is reduced.

【0040】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、リーク電流による雑音によって発生する再生画
面の画質の劣化を防止することができるMOS型固体撮
像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a MOS-type solid-state imaging device capable of preventing the deterioration of image quality of a reproduced screen caused by noise due to a leak current, and a driving method thereof. With the goal.

【0041】また、本発明は、開口率を低減することな
く単位セルの微細化を実現することができるMOS型固
体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とす
る。さらに、本発明は、ダイナミックレンジを低下させ
ることなく単位セルの微細化を実現することのできるM
OS型固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを
目的とする。
Another object of the present invention is to provide a MOS solid-state imaging device capable of realizing miniaturization of a unit cell without reducing the aperture ratio, and a driving method thereof. Further, the present invention provides an M-type memory cell capable of realizing miniaturization of a unit cell without lowering the dynamic range.
An object of the present invention is to provide an OS-type solid-state imaging device and a driving method thereof.

【0042】[0042]

【課題を解決するための手段】従って、まず、上記目的
を達成するために第1の発明は、半導体基板上に複数の
単位セルが形成されたMOS型固体撮像装置において、
前記単位セルは、前記半導体基板上の一部に形成され、
光を電荷に変換する第1の導電型の光電変換領域と、前
記光電変換領域にて変換された電荷を蓄積し、且つ前記
半導体基板上の一部に形成された前記第1の導電型の電
荷蓄積領域と、前記光電変換領域の表面の少なくとも一
部に形成され、前記半導体基板の界面を空乏化させない
濃度の前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第2
導電型領域とを具備したことを特徴とする。
Accordingly, to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a MOS-type solid-state imaging device having a plurality of unit cells formed on a semiconductor substrate.
The unit cell is formed on a part of the semiconductor substrate,
A first conductivity type photoelectric conversion region that converts light into electric charge, and stores the electric charge converted in the photoelectric conversion region, and the first conductivity type formed on a part of the semiconductor substrate. A second region of a second conductivity type, which is formed on at least a part of the surface of the charge conversion region and the surface of the photoelectric conversion region and has a concentration that does not deplete the interface of the semiconductor substrate and is different from the first conductivity type;
And a conductive type region.

【0043】また、第2の発明は、半導体基板上の一部
に形成され、光を電荷に変換する第1の導電型の光電変
換領域と、前記光電変換領域にて変換された電荷を蓄積
し、且つ前記半導体基板上の一部に形成された前記第1
の導電型の電荷蓄積領域と、前記光電変換領域の表面の
少なくとも一部に形成され、前記半導体基板の界面を空
乏化させない濃度の前記第1の導電型とは異なる第2の
導電型の第2導電型領域と、前記電荷蓄積領域に蓄積さ
れた電荷に対応する電圧を出力する電圧出力手段と、前
記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を排出する電荷排出手
段とを具備した単位セルを複数備えたMOS型固体撮像
装置の駆動方法において、前記電荷蓄積領域を第1の電
位にすることにより前記光電変換領域にて変換された電
荷の一部を前記電荷蓄積領域に蓄積し、前記電圧出力手
段によって電荷蓄積領域に蓄積された電荷に対応する電
圧を出力し、前記電荷蓄積領域を前記第1の電位よりも
高い第2の電位にすることにより前記光電変換領域に残
存する電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積し、前記電荷排出
手段により前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を排出す
ることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a photoelectric conversion region of a first conductivity type formed on a portion of a semiconductor substrate for converting light into electric charge, and storing the electric charge converted in the photoelectric conversion region. And the first substrate formed on a part of the semiconductor substrate.
A charge accumulation region of a second conductivity type, which is formed on at least a part of a surface of the photoelectric conversion region and has a concentration that does not deplete an interface of the semiconductor substrate and a second conductivity type different from the first conductivity type. A plurality of unit cells each including a two-conductivity type region, voltage output means for outputting a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage region, and charge discharging means for discharging the charge stored in the charge storage region are provided. In the method for driving a MOS solid-state imaging device, the charge storage region is set to a first potential to store a part of the charge converted in the photoelectric conversion region in the charge storage region, and the voltage output Means for outputting a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage region, and setting the charge storage region to a second potential higher than the first potential to reduce the charge remaining in the photoelectric conversion region. Accumulated in the load storage region, characterized by discharging the charges accumulated in the charge storage region by said charge drain means.

【0044】さらに、第3の発明は、半導体基板上に複
数の単位セルが形成されたMOS型固体撮像装置におい
て、前記単位セルは、光を電荷に変換する光電変換手段
と、前記光電変換手段から出力された電荷を保持する電
荷保持手段と、前記光電変換手段にて変換された電荷を
パンチスルー効果によって前記電荷保持手段に転送する
アドレス手段とを具備したことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the MOS type solid-state imaging device having a plurality of unit cells formed on a semiconductor substrate, the unit cells include a photoelectric conversion unit for converting light into a charge, and a photoelectric conversion unit. And an addressing means for transferring the charge converted by the photoelectric conversion means to the charge holding means by a punch-through effect.

【0045】さらに、第4の発明は、光を電荷に変換す
る光電変換手段と、前記光電変換手段から転送された電
荷を保持する電荷保持手段と、前記光電変換手段にて変
換された電荷をパンチスルー効果によって前記電荷保持
手段に転送するアドレス手段と、前記アドレス手段によ
って前記電荷保持手段に転送された電荷に対応する電圧
を出力する電圧出力手段と、前記電荷保持手段に保持さ
れた電荷をリセットするリセット手段とを具備した単位
セルを複数備えたMOS型固体撮像装置において、前記
リセット手段により前記電荷保持手段に保持された電荷
をリセットし、前記アドレス手段により前記光電変換手
段にて変換された電荷をパンチスルー効果によって前記
電荷保持手段に転送し、前記電圧出力手段により前記電
荷保持手段に保持された電荷に対応する電圧を出力する
ことを特徴とする。
Further, the fourth invention is a photoelectric conversion device for converting light into electric charge, a charge holding device for holding the electric charge transferred from the photoelectric conversion device, and a charge conversion device for converting the electric charge converted by the photoelectric conversion device. Addressing means for transferring to the charge holding means by a punch-through effect, voltage output means for outputting a voltage corresponding to the charge transferred to the charge holding means by the addressing means, and charge held by the charge holding means In a MOS-type solid-state imaging device including a plurality of unit cells each including a reset unit for resetting, the reset unit resets a charge held in the charge holding unit, and converts the charge by the photoelectric conversion unit by the address unit. Transferred to the charge holding means by a punch-through effect, and held in the charge holding means by the voltage output means. And outputs a voltage corresponding to the charges.

【0046】さらに、第5の発明は、複数の単位セルを
備えたMOS型固体撮像装置において、前記単位セル
は、光を電荷に変換する光電変換手段と、前記光電変換
手段から転送された電荷を保持する電荷保持手段と、前
記光電変換手段によって変換された電荷が所定の電荷量
以下である場合には、前記光電変換手段によって変換さ
れた電荷の全てを前記電荷保持手段に転送し、前記光電
変換手段によって変換された電荷が所定の電荷量以上で
ある場合には、前記光電変換手段によって変換された電
荷の一部を前記電荷保持手段に転送する転送ゲートと、
前記電荷保持手段に転送された電荷に対応する電圧を出
力する電圧出力手段とを具備したことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the MOS type solid-state imaging device having a plurality of unit cells, the unit cells are a photoelectric conversion means for converting light into electric charges, and a charge transferred from the photoelectric conversion means. When the charge converted by the photoelectric conversion means is equal to or less than a predetermined charge amount, all of the charges converted by the photoelectric conversion means are transferred to the charge holding means, When the charge converted by the photoelectric conversion unit is equal to or more than a predetermined charge amount, a transfer gate that transfers a part of the charge converted by the photoelectric conversion unit to the charge holding unit,
Voltage output means for outputting a voltage corresponding to the charge transferred to the charge holding means.

【0047】次に、各発明の作用について説明する。第
1の発明は、光を電荷に変換する光電変換領域と光電変
換領域にて変換された電荷を蓄積する第1の導電型の電
荷検出領域との少なくとも一部に、半導体基板の界面を
空乏化させない濃度の前記第1の導電型とは異なる第2
の導電型の第2導電型領域を形成しているので、前記光
電変換領域の電位を低くすることができ、リセット時に
残存する電荷の全て或いは大部分は検出部に蓄積され
る。その結果、実質的にフォトダイオードの容量が小さ
くなり、リセット時に発生する熱雑音を小さくすること
ができる。
Next, the operation of each invention will be described. According to a first aspect of the present invention, an interface of a semiconductor substrate is depleted in at least a part of a photoelectric conversion region that converts light into charges and a first conductivity type charge detection region that stores charges converted by the photoelectric conversion region. A second concentration different from the first conductivity type at a concentration that does not
Is formed, the potential of the photoelectric conversion region can be lowered, and all or most of the remaining charge at the time of resetting is accumulated in the detection unit. As a result, the capacitance of the photodiode is substantially reduced, and the thermal noise generated at the time of resetting can be reduced.

【0048】第2の発明は、まず、電荷蓄積領域を第1
の電位にすることにより光電変換領域にて変換された電
荷の一部を前記電荷蓄積領域に蓄積し、電圧出力手段に
よって電荷蓄積領域に蓄積された電荷に対応する電圧を
出力する。
According to a second aspect of the present invention, first, the charge storage region is set to the first position.
A part of the electric charge converted in the photoelectric conversion region is accumulated in the electric charge accumulation region by setting the electric potential to the potential, and a voltage corresponding to the electric charge accumulated in the electric charge accumulation region is output by the voltage output means.

【0049】次に、電荷蓄積領域を前記第1の電位より
も高い第2の電位にすることにより光電変換領域に残存
する電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積し、電荷排出手段に
より電荷蓄積領域に蓄積された電荷を排出する。その結
果、実質的にフォトダイオードの容量が小さくなり、リ
セット時に発生する熱雑音を小さくすることができる。
Next, the charge remaining in the photoelectric conversion region is stored in the charge storage region by setting the charge storage region to the second potential higher than the first potential, and the charge discharging device stores the charge in the charge storage region. Drain the accumulated charge. As a result, the capacitance of the photodiode is substantially reduced, and the thermal noise generated at the time of resetting can be reduced.

【0050】第3の発明は、アドレス手段が光電変換手
段にて変換された電荷をパンチスルー効果によって電荷
保持手段に転送するので、転送ゲートを設ける必要がな
く、その結果、単位セルの微細化を実現することができ
る。
According to the third aspect of the present invention, since the address means transfers the charge converted by the photoelectric conversion means to the charge holding means by a punch-through effect, there is no need to provide a transfer gate. As a result, the unit cell can be miniaturized. Can be realized.

【0051】第4の発明は、まず、リセット手段により
電荷保持手段に保持された電荷をリセットする。次に、
アドレス手段により光電変換手段にて変換された電荷を
パンチスルー効果によって電荷保持手段に転送し、電圧
出力手段により電荷保持手段に保持された電荷に対応す
る電圧を出力するので、パンチスルー効果によって電荷
を電荷保持手段に転送する単位セルを駆動することがで
きる。
According to the fourth aspect of the invention, first, the electric charge held in the electric charge holding means is reset by the reset means. next,
The charge converted by the photoelectric conversion means by the address means is transferred to the charge holding means by a punch-through effect, and the voltage output means outputs a voltage corresponding to the charge held by the charge holding means. To the charge holding means.

【0052】第5の発明は、転送ゲートにより、光電変
換手段によって変換された電荷が所定の電荷量以下であ
る場合には、光電変換手段によって変換された電荷の全
てを前記電荷保持手段に転送し、光電変換手段によって
変換された電荷が所定の電荷量以上である場合には、光
電変換手段によって変換された電荷の一部を電荷保持手
段に転送し、電圧出力手段により、電荷保持手段に転送
された電荷に対応する電圧を出力するので、MOS型固
体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができ
る。
According to a fifth aspect of the present invention, when the charge converted by the photoelectric conversion means is equal to or less than a predetermined charge amount by the transfer gate, all of the charge converted by the photoelectric conversion means is transferred to the charge holding means. When the charge converted by the photoelectric conversion means is equal to or more than a predetermined charge amount, a part of the charge converted by the photoelectric conversion means is transferred to the charge holding means, and the voltage output means transfers the charge to the charge holding means. Since a voltage corresponding to the transferred charges is output, the dynamic range of the MOS solid-state imaging device can be expanded.

【0053】[0053]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。 <第1の実施の形態>図1は、本発明の第1の実施の形
態にかかるMOS型固体撮像装置の単位セルのレイアウ
トを示す図であり、図2は、同第1の実施の形態におけ
るMOS型固体撮像装置の単位セルの断面を示す断面図
である。なお、図20及び図21と同一部分には、同一
符号を付して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. <First Embodiment> FIG. 1 is a diagram showing a layout of a unit cell of a MOS type solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section of a unit cell of the MOS solid-state imaging device in FIG. 20 and FIG. 21 will be described with the same reference numerals.

【0054】同図において、31は増幅トランジスタの
制御電極である増幅ゲート、32はリセットゲート、3
3は検出部、34は光電変換部であるフォトダイオー
ド、35は増幅ゲートと検出部を接続する電極、36は
リセットドレインである。
In the figure, reference numeral 31 denotes an amplification gate which is a control electrode of an amplification transistor; 32, a reset gate;
Reference numeral 3 denotes a detection unit, reference numeral 34 denotes a photodiode serving as a photoelectric conversion unit, reference numeral 35 denotes an electrode connecting the amplification gate and the detection unit, and reference numeral 36 denotes a reset drain.

【0055】また、37はp型基板、38はフォトダイ
オードを形成するn型拡散層、39は検出部を形成する
n型拡散層、40はアドレスゲートである。本実施の形
態のMOS型固体撮像装置の単位セルは、フォトダイオ
ードを形成するn型拡散層38の表面の全てにp型拡散
領域81を設けている。このp型拡散領域の濃度は、n
型拡散領域の濃度よりも高く、かつその電位は基準電位
(アース電位)に固定されている。また、p型拡散領域
81の濃度は、半導体基板の界面を空乏化させない程度
の濃度になっている。
Reference numeral 37 denotes a p-type substrate; 38, an n-type diffusion layer forming a photodiode; 39, an n-type diffusion layer forming a detecting portion; and 40, an address gate. In the unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the present embodiment, a p-type diffusion region 81 is provided on the entire surface of an n-type diffusion layer 38 forming a photodiode. The concentration of this p-type diffusion region is n
It is higher than the concentration of the mold diffusion region, and its potential is fixed to a reference potential (earth potential). Further, the concentration of the p-type diffusion region 81 is such that the interface of the semiconductor substrate is not depleted.

【0056】したがって、p型領域が基板表面に形成さ
れている部分でのn型領域の一部分は空乏化する。その
結果、リセット電位を空乏化電位よりも高く設定するこ
とができる。
Therefore, a portion of the n-type region where the p-type region is formed on the substrate surface is depleted. As a result, the reset potential can be set higher than the depletion potential.

【0057】図3は、図1の矢線A−A′の電位分布を
示す図である。同図において、t=1の状態において
は、フォトダイオード34に信号電荷が蓄積していく様
子を示している。また、t=2の状態においては、リセ
ット時の様子を示している。
FIG. 3 is a diagram showing the potential distribution along the line AA 'in FIG. FIG. 3 shows that signal charges are accumulated in the photodiode 34 when t = 1. Also, in the state of t = 2, the state at the time of reset is shown.

【0058】このとき、フォトダイオード34の表面に
形成されるp型拡散領域81により、フォトダイオード
34を形成するn型拡散層38の空乏化電位をリセット
電位よりも低くしているので、フォトダイオードに残存
電荷はなく、大部分の電荷は検出部39に蓄積される。
これにより、フォトダイオード34の容量は無視するこ
とができ、熱雑音は格段に小さくなる。t=3の状態に
おいてはリセット後の様子を示している。
At this time, the depletion potential of the n-type diffusion layer 38 forming the photodiode 34 is made lower than the reset potential by the p-type diffusion region 81 formed on the surface of the photodiode 34. Has no residual charge, and most of the charge is stored in the detection unit 39.
As a result, the capacitance of the photodiode 34 can be neglected, and the thermal noise is significantly reduced. In the state of t = 3, the state after reset is shown.

【0059】図4は、単位セルの他のレイアウトを示す
図である。同図に示すように、図1に示した単位セルと
の違いは、フォトダイオード34の一部にp型拡散領域
81を形成したものである。図5は、図4の矢線A−
A′のリセット時の電位分布を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing another layout of the unit cell. As shown in the drawing, the difference from the unit cell shown in FIG. 1 is that a p-type diffusion region 81 is formed in a part of the photodiode 34. FIG. 5 is a sectional view taken along line A- in FIG.
It is a figure which shows the electric potential distribution at the time of reset of A '.

【0060】同図に示すように、このような構成の単位
セルにおいては、リセット時には、フォトダイオード3
4の一部の電位のみが高くなり、この電位が高い部分と
検出部に電荷が蓄積される。このような構成の単位セル
においても、フォトダイオードの容量を小さくすること
ができるので、熱雑音によって発生する再生画面の画質
の劣化を防止することができる。
As shown in the drawing, in the unit cell having such a configuration, the photodiode 3
Only a part of the potential of 4 becomes high, and the electric charge is accumulated in the portion where this potential is high and in the detection unit. Even in the unit cell having such a configuration, the capacity of the photodiode can be reduced, so that it is possible to prevent deterioration in image quality of a reproduced screen caused by thermal noise.

【0061】図6は、他の単位セルのレイアウトを示す
図である。同図に示すように、図1に示した単位セルと
の違いは、フォトダイオード34の領域全部と検出部の
一部の基板表面にp型拡散領域81を形成したものであ
る。図7は、図6の矢線A−A′のリセット時の電位分
布を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a layout of another unit cell. As shown in the figure, the difference from the unit cell shown in FIG. 1 is that a p-type diffusion region 81 is formed on the entire substrate surface of the photodiode 34 and a part of the substrate surface of the detection unit. FIG. 7 is a diagram showing a potential distribution at the time of resetting of the arrow line AA 'in FIG.

【0062】同図に示すように、このような構成の単位
セルにおいては、リセット時には、検出部の一部の電位
のみが高くなり、この検出部に電荷が蓄積される。この
ような構成の単位セルにおいても、フォトダイオードの
容量を無視することができるので熱雑音によって発生す
る再生画面の画質の劣化を防止することができる。
As shown in the figure, in the unit cell having such a configuration, at the time of resetting, only a part of the potential of the detecting section becomes high, and electric charges are accumulated in this detecting section. Even in the unit cell having such a configuration, the capacity of the photodiode can be neglected, so that it is possible to prevent the deterioration of the image quality of the reproduced screen caused by the thermal noise.

【0063】図8は、他の単位セルのレイアウトを示す
図である。図9は、図8の矢線A−A′のリセット時の
電位分布を示す図である。図8及び図9に示すように、
図1に示した単位セルとの違いは、リセットゲート32
と検出部35との間にフォトダイオード34を配置し、
このフォトダイオード34の表面にp型拡散領域81を
形成したものである。
FIG. 8 is a diagram showing a layout of another unit cell. FIG. 9 is a diagram showing a potential distribution at the time of reset of the arrow line AA 'in FIG. As shown in FIGS. 8 and 9,
The difference from the unit cell shown in FIG.
A photodiode 34 is arranged between the detection unit 35 and
The p-type diffusion region 81 is formed on the surface of the photodiode.

【0064】図9においては、信号電荷蓄積期間中(t
=1)の電位と、リセット時(t=2)の電位を示して
いる。このような構成の単位セルにおいても、フォトダ
イオードの容量を無視することができるので熱雑音によ
って発生する再生画面の画質の劣化を防止することがで
きる。
In FIG. 9, during the signal charge accumulation period (t
= 1) and the potential at the time of reset (t = 2). Even in the unit cell having such a configuration, the capacity of the photodiode can be neglected, so that it is possible to prevent the deterioration of the image quality of the reproduced screen caused by the thermal noise.

【0065】図10は、このような単位セルの回路構成
を示す図である。同図に示すように、この単位セルは、
n型拡散領域の表面にp型拡散層の形成されたフォトダ
イオード94、フォトダイオード94の検出信号を増幅
する増幅トランジスタ93、信号を読み出すラインを選
択するアドレス容量95、検出部93に蓄積された信号
電荷をリセットするリセットトランジスタ96からな
る。
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of such a unit cell. As shown in FIG.
A photodiode 94 having a p-type diffusion layer formed on the surface of the n-type diffusion region, an amplification transistor 93 for amplifying a detection signal of the photodiode 94, an address capacitor 95 for selecting a line from which a signal is read, and a detection unit 93 The reset transistor 96 resets signal charges.

【0066】同図において、1単位セルのみを示してい
るが、実際にはこれよりも多数の単位セルが二次元状に
配置されている。次に、このようなフォトダイオードを
形成するn型拡散領域の表面にp型拡散層の形成された
フォトダイオード94を有する単位セルの動作につい
て、図11のタイミングチャート及び図12の電位分布
図を参照し説明する。
In the figure, only one unit cell is shown, but actually more unit cells are arranged two-dimensionally. Next, regarding the operation of the unit cell having the photodiode 94 in which the p-type diffusion layer is formed on the surface of the n-type diffusion region forming such a photodiode, the timing chart of FIG. 11 and the potential distribution diagram of FIG. Reference and description will be given.

【0067】まず、図11において、t=1において
は、図12(a)に示すように、フォトダイオード94
に信号電荷が蓄積されている。次に、垂直シフトレジス
タからアドレス線97に、第1の電位を有するアドレス
パルスが印加されると、図12(b)に示すようにフォ
トダイオード94に蓄積された一部の電荷が検出部に蓄
積され(t=2)、この検出部93に蓄積された電荷に
対応する電圧が増幅トランジスタ92を介して信号線9
1に出力される。
First, in FIG. 11, at t = 1, as shown in FIG.
Signal charges are stored in the memory. Next, when an address pulse having a first potential is applied to the address line 97 from the vertical shift register, a part of the electric charge accumulated in the photodiode 94 is applied to the detection unit as shown in FIG. The voltage corresponding to the stored charge (t = 2) and the charge stored in the detection unit 93 is applied to the signal line 9 via the amplification transistor 92.
1 is output.

【0068】次に、前記第1の電位よりも高い第2の電
位がアドレス線97に印加され、フォトダイオード94
に蓄積された全ての残存電荷が検出部に蓄積される。そ
して、アドレス線97に第2の電位が印加されている状
態で、リセット線98にリセットパルスが印加される
と、図12(c)に示すように、検出部に蓄積されてい
た電荷がリセットトランジスタ96を介して、ドレイン
線に排出される。
Next, a second potential higher than the first potential is applied to the address line 97 and the photodiode 94
Is stored in the detection unit. Then, when a reset pulse is applied to the reset line 98 in a state where the second potential is applied to the address line 97, as shown in FIG. 12C, the charges accumulated in the detection unit are reset. It is discharged to the drain line via the transistor 96.

【0069】従って、本実施の形態のMOS型固体撮像
装置によれば、フォトダイオードを形成するn型拡散層
38の表面の全てにp型拡散領域81を形成することに
より、n型拡散層38の電位を低くすることがきるの
で、リセット時に残存する電荷の全て或いは大部分は検
出部に蓄積され、その結果、実質的にフォトダイオード
の容量が小さくなり、リセット時に発生する熱雑音を小
さくすることができる。
Therefore, according to the MOS type solid-state imaging device of the present embodiment, the p-type diffusion region 81 is formed on the entire surface of the n-type diffusion layer 38 forming the photodiode, so that the n-type diffusion layer 38 is formed. Can be lowered, all or most of the charge remaining at the time of resetting is accumulated in the detection unit, and as a result, the capacitance of the photodiode is substantially reduced, and the thermal noise generated at the time of resetting is reduced. be able to.

【0070】また、p型拡散層は、半導体基板が空乏化
しない程度の濃度であるため、基板界面で発生する暗電
流が抑圧され、S/N比が向上する。さらに、フォトダ
イオードを形成するn型拡散層38の表面の全てにp型
拡散領域81を形成することにより、信号読みだし時及
びリセット時にフォトダイオードに残存する電荷が少な
く、その結果、信号の直線性が保証される。
Further, since the p-type diffusion layer has such a concentration that the semiconductor substrate is not depleted, the dark current generated at the substrate interface is suppressed, and the S / N ratio is improved. Further, by forming the p-type diffusion region 81 on the entire surface of the n-type diffusion layer 38 forming the photodiode, the charge remaining in the photodiode at the time of signal reading and resetting is small, and as a result, the signal straight line Is guaranteed.

【0071】なお、上述の動作説明においては、フォト
ダイオードを形成するn型拡散領域の全てにp型拡散領
域を形成した場合について説明したが、図4に示したよ
うにフォトダイオードを形成する領域の一部にp型拡散
領域を形成した場合、図6に示したようにフォトダイオ
ード及び検出部の一部にp型拡散領域を形成した場合、
図8に示したように、リセットゲートと検出部との間に
フォトダイオードを配置し、このフォトダイオードの表
面にp型拡散領域81を形成した場合にも同様の効果が
得られることはいうまでもない。 <第2の実施の形態>次に、本発明の第2の実施の形態
に係るMOS型固体撮像装置について説明する。
In the above description of the operation, the case where the p-type diffusion region is formed in all of the n-type diffusion regions forming the photodiode has been described. However, as shown in FIG. In the case where a p-type diffusion region is formed in a part of the photodiode, and as shown in FIG.
As shown in FIG. 8, it is needless to say that a similar effect can be obtained also when a photodiode is arranged between the reset gate and the detection unit and a p-type diffusion region 81 is formed on the surface of the photodiode. Nor. <Second Embodiment> Next, a MOS type solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described.

【0072】図13(a)及び図13(b)は、本実施
の形態のMOS型固体撮像装置の単位セルのフォトダイ
オードと検出部との断面を示す図である。同図におい
て、101はフォトダイオードを形成するn型拡散層、
102は、フォトダイオード101の表面の全てに形成
されるp型拡散領域、103は、検出部を形成するn型
拡散層、104はp型基板、105はフォトダイオード
101に蓄積された信号を読み出すためのアドレス容量
である。
FIGS. 13 (a) and 13 (b) are cross-sectional views of a photodiode and a detector of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the present embodiment. In the figure, 101 is an n-type diffusion layer forming a photodiode,
Reference numeral 102 denotes a p-type diffusion region formed on the entire surface of the photodiode 101; 103, an n-type diffusion layer forming a detection unit; 104, a p-type substrate; 105, a signal stored in the photodiode 101; Address capacity for

【0073】フォトダイオードは、フローティングであ
るが、フォトダイオード101の表面にp型拡散領域を
形成するBPD構造とすることによって、界面が0
[v]に固定される。
Although the photodiode is floating, it has a BPD structure in which a p-type diffusion region is formed on the surface of the photodiode 101, so that the interface becomes zero.
Fixed to [v].

【0074】本実施の形態のMOS型個体撮像装置にお
いては、フォトダイオード101と検出部103とが合
わさって短チャネルMOS型トランジスタに該当する。
すなわち、フォトダイオード101がソースに該当し、
検出部103がドレインに該当する。また、このとき、
フォトダイオード101と検出部103との間が転送ゲ
ート106に該当することになる。この転送ゲート10
6には、所定のバイアス電圧が加わっているが、そのバ
イアス電圧の大きさは、フォトダイオード101に蓄積
された電荷を検出部103に転送することができるよう
な大きさの電圧ではない。
In the MOS-type solid-state imaging device according to the present embodiment, the photodiode 101 and the detection unit 103 correspond to a short-channel MOS-type transistor.
That is, the photodiode 101 corresponds to the source,
The detecting unit 103 corresponds to the drain. At this time,
The area between the photodiode 101 and the detection unit 103 corresponds to the transfer gate 106. This transfer gate 10
6, a predetermined bias voltage is applied, but the magnitude of the bias voltage is not a voltage large enough to transfer the charges accumulated in the photodiode 101 to the detection unit 103.

【0075】図13(a)は、アドレス容量105に小
さな電圧を加えた場合の様子を示す半導体基板の断面図
であり、図13(b)は、アドレス容量105に大きな
電圧を加えた場合の様子を示す半導体基板の断面図であ
る。
FIG. 13A is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing a case where a small voltage is applied to the address capacitor 105, and FIG. 13B is a diagram showing a case where a large voltage is applied to the address capacitor 105. It is sectional drawing of the semiconductor substrate which shows a situation.

【0076】また、図14は、このような電圧をアドレ
ス容量105に加えた場合のフォトダイオード101、
検出部103の電位分布を示す図である。図13(a)
及び図14に示すように、アドレス容量105に加えら
れる電圧が小さい場合には、フォトダイオードに蓄積さ
れた電荷は、検出部103に到達されることはない。
FIG. 14 shows the photodiode 101 and the photodiode 101 when such a voltage is applied to the address capacitor 105.
FIG. 3 is a diagram illustrating a potential distribution of a detection unit 103. FIG. 13 (a)
As shown in FIG. 14, when the voltage applied to the address capacitor 105 is small, the electric charge accumulated in the photodiode does not reach the detection unit 103.

【0077】しかしながら、図13(b)及び図14に
示すように、アドレス容量105に加えられる電圧が大
きい場合には、2次元効果により検出部103(ドレイ
ンに相当)下の空乏層がフォトダイオード101端(ソ
ース端)にまで到達する。また、この時、フォトダイオ
ード101の端の電位障壁は、ドレイン電圧によって変
調を受け、その障壁の高さが低下する。これをドレイン
有機障壁低下現象(DIBI; Drain-Induced Barrier lower
ing)という。
However, as shown in FIGS. 13B and 14, when the voltage applied to the address capacitor 105 is large, the depletion layer below the detection unit 103 (corresponding to the drain) is formed by the two-dimensional effect. It reaches the 101 end (source end). At this time, the potential barrier at the end of the photodiode 101 is modulated by the drain voltage, and the height of the barrier decreases. This is called the drain organic barrier lowering phenomenon (DIBI; Drain-Induced Barrier lower).
ing).

【0078】このドレイン有機障壁低下現象により、フ
ォトダイオード101の信号電荷が検出部103へと完
全転送される。すなわち、本実施の形態のMOS型固体
撮像装置の単位セルにおいては、アドレス容量に大きな
電圧を印加させることにより、フォトダイオード101
(ソース)から検出部(ドレイン)にパンチスルー効果
によって信号電荷の転送を行なう。
The signal charge of the photodiode 101 is completely transferred to the detection unit 103 due to the drain organic barrier lowering phenomenon. That is, in the unit cell of the MOS type solid-state imaging device according to the present embodiment, by applying a large voltage to the address capacitance, the photodiode 101
The signal charge is transferred from the (source) to the detection unit (drain) by a punch-through effect.

【0079】なお、検出部に蓄積された電荷をリセット
トランジスタを介してドレイン線に排出する動作、検出
部に蓄積された電荷を増幅トランジスタを介して信号線
に出力する動作については、上述の第1の実施の形態に
おいて述べた動作と同様である。
The operation of discharging the electric charge accumulated in the detecting section to the drain line via the reset transistor and the operation of outputting the electric charge accumulated in the detecting section to the signal line via the amplifying transistor are described above. The operation is the same as that described in the first embodiment.

【0080】また、上述の説明においては、ゲート10
6に所定のバイアス電圧を加える場合について説明した
が、このゲート106はなくてもよい。従って、本実施
の形態のMOS型固体撮像装置によれば、パンチスルー
効果によって、フォトダイオード101に蓄積された電
荷を検出部103に転送するので、転送ゲートを設ける
必要がなく、その結果、開口率を低減することなく単位
セルの微細化を実現することができる。 <第3の実施の形態>次に、本発明の第3の実施の形態
に係るMOS型固体撮像装置について説明する。本実施
の形態のMOS型固体撮像装置の単位セルは、図23に
示すような転送トランジスタを有する構成のものとす
る。
In the above description, the gate 10
Although the case where a predetermined bias voltage is applied to 6 has been described, the gate 106 may be omitted. Therefore, according to the MOS-type solid-state imaging device of the present embodiment, the charge accumulated in the photodiode 101 is transferred to the detection unit 103 by the punch-through effect, so that there is no need to provide a transfer gate. The miniaturization of the unit cell can be realized without reducing the rate. <Third Embodiment> Next, a MOS type solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention will be described. The unit cell of the MOS type solid-state imaging device according to the present embodiment has a configuration including a transfer transistor as shown in FIG.

【0081】図15(a)及び図15(b)は、本実施
の形態のMOS型固体撮像装置の単位セルのフォトダイ
オード(PD)、転送ゲート(TG)、検出部、リセッ
トゲート(RS)、リセットドレイン(RD)の電位分
布図である。
FIGS. 15A and 15B show a photodiode (PD), a transfer gate (TG), a detector, and a reset gate (RS) of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 4 is a potential distribution diagram of a reset drain (RD).

【0082】図15(a)は、低照度の信号電荷を蓄積
した場合の電位分布を示しており、図15(b)は、転
送ゲートをオンにした後の電位分布を示す図である。図
15(b)に示すように、低照度の場合には、信号電荷
は検出部へ完全転送される。ここで、フォトダイオード
の容量をCp、検出部容量(転送ゲート容量を含む)を
Cdとすると、低照度ではCdで電荷−電圧変換が行な
われることになる。
FIG. 15A shows the potential distribution when signal charges of low illuminance are accumulated, and FIG. 15B shows the potential distribution after the transfer gate is turned on. As shown in FIG. 15B, in the case of low illuminance, the signal charge is completely transferred to the detection unit. Here, assuming that the capacitance of the photodiode is Cp and the capacitance of the detection unit (including the transfer gate capacitance) is Cd, the charge-voltage conversion is performed at Cd at low illuminance.

【0083】光発生した信号電荷Qsmall の電圧Ssmal
l への変換は、検出部容量Cdにより、Ssmall =Qsm
all /Cdで表わされる。図16(a)は、高輝度の信
号電荷を蓄積した場合の電位分布を示しており、図16
(b)は、転送ゲートをオンにした後の電位分布を示す
図である。
The voltage Ssmal of the light-generated signal charge Qsmall
The conversion to l is performed by Ssmall = Qsm by the detection unit capacitance Cd.
all / Cd. FIG. 16A shows a potential distribution when a high-luminance signal charge is accumulated.
(B) is a diagram showing a potential distribution after the transfer gate is turned on.

【0084】この状態においては、多量の信号電荷が蓄
積されているため、フォトダイオードから検出部への信
号電荷の転送の途中で、検出部の電位とフォトダイオー
ドの電位とが平衡状態になり、これ以上の信号電荷を検
出部へと転送することができなくなる。
In this state, since a large amount of signal charges are accumulated, during the transfer of the signal charges from the photodiode to the detection unit, the potential of the detection unit and the potential of the photodiode are in an equilibrium state. No more signal charges can be transferred to the detector.

【0085】つまり、フォトダイオードに残留している
信号電荷の分だけ、信号を圧縮したことになる。圧縮す
る比率は、フォトダイオード容量Cpと検出部容量Cd
とを並列に接続した場合の容量をC(=Cp+Cd)と
すると、Q=CVで表される電位変化を増幅トランジス
タのゲートへ伝達する。
That is, the signal is compressed by an amount corresponding to the signal charge remaining in the photodiode. The compression ratio is determined by the photodiode capacitance Cp and the detection unit capacitance Cd.
If the capacitance when C and C are connected in parallel is C (= Cp + Cd), a potential change represented by Q = CV is transmitted to the gate of the amplification transistor.

【0086】なお、高輝度の信号を転送した後にフォト
ダイオードに残留した信号電荷は、信号サンプル後にド
レインから検出部経由でフォトダイオードへとバイアス
電荷を注入し、転送ゲートとリセットトランジスタとで
スライスリセットを行なうことで、フォトダイオードに
残存電荷を残さずにリセットを行なうことができる。
The signal charge remaining in the photodiode after transferring the high-brightness signal is injected into the photodiode from the drain via the detection unit after signal sampling, and is slice-reset by the transfer gate and the reset transistor. Is performed, the reset can be performed without leaving the residual charge in the photodiode.

【0087】図17は、このような信号電荷の転送を行
なった場合の光電変換特性を示す図である。同図に示す
ように、低照度側では検出部容量Cdで電荷−電圧変換
を行ない、高輝度側ではフォトダイオード容量Cpと検
出部容量Cdとの和で(Cp+Cd)で電圧変換を行な
うので、高輝度側で信号が圧縮されている。これによ
り、センサーのダイナミックレンジを拡大することがで
きる。
FIG. 17 is a diagram showing the photoelectric conversion characteristics when such signal charges are transferred. As shown in the drawing, on the low illuminance side, charge-voltage conversion is performed by the detection unit capacitance Cd, and on the high luminance side, voltage conversion is performed by (Cp + Cd) by the sum of the photodiode capacitance Cp and the detection unit capacitance Cd. The signal is compressed on the high luminance side. Thereby, the dynamic range of the sensor can be expanded.

【0088】高輝度と低照度との切り替え点(Knee
点)は、フォトダイオードの空乏電位によって規定され
るが、さらに、検出部をリセットするときのリセットゲ
ート電圧でも同様に規定することができる。
The switching point between high luminance and low illuminance (Knee
Point) is defined by the depletion potential of the photodiode, but can also be similarly defined by the reset gate voltage when resetting the detection unit.

【0089】従って、本実施の形態のMOS型固体撮像
装置によれば、低照度側では検出部容量Cdで電荷−電
圧変換を行ない、高輝度側ではフォトダイオード容量C
pと検出部容量Cdとの和で(Cp+Cd)で電圧変換
を行なうので、MOS型固体撮像装置のダイナミックレ
ンジを拡大することができる。
Therefore, according to the MOS type solid-state imaging device of the present embodiment, the charge-voltage conversion is performed by the detection unit capacitance Cd on the low illuminance side, and the photodiode capacitance Cd on the high luminance side.
Since the voltage conversion is performed by (Cp + Cd) by the sum of p and the detection unit capacitance Cd, the dynamic range of the MOS solid-state imaging device can be expanded.

【0090】また、低照度の場合には、フォトダイオー
ドの電荷を検出部に完全転送するので、ランダム雑音が
発生することがない。なお、高輝度の場合には、フォト
ダイオードから検出部への信号電荷の転送の末期には弱
反転モードになり、チャネルの雑音により、ランダム雑
音が発生するが、このようなランダム雑音は、高輝度の
場合には問題にならない。
In the case of low illuminance, the charge of the photodiode is completely transferred to the detection unit, so that random noise does not occur. In the case of high luminance, the mode is set to the weak inversion mode at the end of the transfer of the signal charge from the photodiode to the detection unit, and random noise is generated due to channel noise. There is no problem with luminance.

【0091】[0091]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
リーク電流による雑音によって発生する再生画面の画質
の劣化を防止することができる。また、本発明によれ
ば、開口率を低減することなく単位セルの微細化を実現
することができる。さらに、本発明によれば、ダイナミ
ックレンジを低下させることなく単位セルの微細化を実
現することができる。
As described above in detail, according to the present invention,
It is possible to prevent the deterioration of the image quality of the reproduced screen caused by the noise due to the leak current. Further, according to the present invention, miniaturization of a unit cell can be realized without reducing the aperture ratio. Furthermore, according to the present invention, miniaturization of a unit cell can be realized without lowering the dynamic range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態にかかるMOS型固
体撮像装置の単位セルのレイアウトを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a layout of a unit cell of a MOS solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの断面を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a section of a unit cell of the MOS type solid-state imaging device according to the first embodiment;

【図3】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment;

【図4】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの他のレイアウトを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing another layout of the unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment;

【図5】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図6】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの他のレイアウトを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing another layout of the unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment;

【図7】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図8】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの他のレイアウトを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing another layout of the unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図9】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮像
装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図10】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮
像装置の単位セルの回路構成を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図11】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮
像装置の単位セルの動作を説明するためのタイミングチ
ャートである。
FIG. 11 is a timing chart for explaining an operation of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図12】同第1の実施の形態におけるMOS型固体撮
像装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the first embodiment.

【図13】本発明の第2の実施の形態にかかるMOS型
固体撮像装置の単位セルの断面図である。
FIG. 13 is a sectional view of a unit cell of a MOS solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.

【図14】同第2の実施の形態におけるMOS型固体撮
像装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the second embodiment.

【図15】本発明の第3の実施の形態におけるMOS型
固体撮像装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of a MOS solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.

【図16】同第3の実施の形態におけるMOS型固体撮
像装置の単位セルの電位分布を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing a potential distribution of a unit cell of the MOS solid-state imaging device according to the third embodiment.

【図17】同第3の実施の形態におけるMOS型固体撮
像装置の光電変換特性を示す図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating a photoelectric conversion characteristic of the MOS solid-state imaging device according to the third embodiment.

【図18】従来のMOS型固体撮像装置の回路構成を示
す図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating a circuit configuration of a conventional MOS-type solid-state imaging device.

【図19】従来のMOS型固体撮像装置の動作を示すタ
イミングチャートである。
FIG. 19 is a timing chart showing the operation of a conventional MOS solid-state imaging device.

【図20】従来のMOS型固体撮像装置の単位セルの平
面構造を示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a planar structure of a unit cell of a conventional MOS solid-state imaging device.

【図21】従来のMOS型固体撮像装置の単位セルの断
面構造を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing a cross-sectional structure of a unit cell of a conventional MOS solid-state imaging device.

【図22】従来のMOS型固体撮像装置の電位分布を示
す図である。
FIG. 22 is a diagram showing a potential distribution of a conventional MOS solid-state imaging device.

【図23】従来のMOS型固体撮像装置の回路構成を示
す図である。
FIG. 23 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional MOS-type solid-state imaging device.

【図24】従来のMOS型固体撮像装置の動作を示すタ
イミングチャートである。
FIG. 24 is a timing chart showing the operation of a conventional MOS solid-state imaging device.

【図25】従来のMOS型固体撮像装置の単位セルの詳
細な構成を示す図である。
FIG. 25 is a diagram showing a detailed configuration of a unit cell of a conventional MOS solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1−1−1,1−1−2,〜,1−2−2…フォトダイ
オード、 2−1−1,2−1−2,〜,2−2−2…増幅トラン
ジスタ、 3−1−1,3−1−2,〜,3−2−2…垂直選択ト
ランジスタ、 4−1−1,4−1−2,〜,4−2−2…リセットト
ランジスタ、 5…垂直シフトレジスタ、 6−1,6−2…水平アドレス線、 7−1,7−2…リセット線、 8−1,8−2…垂直信号線、 9−1,9−2…負荷トランジスタ、 10−1,10−2…信号取り込みトランジスタ、 11−1,11−2…増幅信号蓄積容量、 12−1,12−2…水平選択トランジスタ、 13…水平シフトレジスタ、 14…信号取り込みトランジスタの共通ゲート、 15…水平信号線、 21−1、21−2…アドレスパルス、 22−1,22−2…リセットパルス、 23−1,23−2…水平選択パルス、 24−1,24−2…出力信号、 31…増幅トランジスタの制御電極である増幅ゲート、 32…リセットゲート、 33…検出部、 34…フォトダイオード、 35…電極、 36…リセットドレイン、 37…p型基板、 39…n型拡散層、 40…アドレスゲート、 41…転送パルス、 42…アドレスパルス、 43…リセットパルス、 44…クランプパルス、 45…サンプルホールドパルス、 46…水平選択パルス、 51…電源線、 52…転送信号線、 53…アドレス容量、 54…転送トランジスタ、 55…検出部、 60…クランプ容量、 61…クランプトランジスタ、 62…サンプルホールドトランジスタ、 63…サンプルホールド容量、 64…水平信号線、 65…クランプノード、 66…クランプ電源、 67…水平選択トランジスタ、 71…オーバフローコントロールゲート、 81…p型拡散領域、 91…信号線、 92…増幅トランジスタ、 93…検出部、 94…フォトダイオード、 95…アドレス容量、 96…リセットトランジスタ、 97…アドレス線、 98…リセット線、 101…n型拡散層、 102…n型拡散層、 103…n型拡散層、 104…p型基板、 105…アドレス容量、 106…転送ゲート。
1-1-1, 1-1-2, ..., 1-2-2 ... photodiode, 2-1-1, 1-2-1, ..., 2-2-2 ... amplification transistor, 3-1 1, 3-1-2, ..., 3-2-2 ... vertical selection transistor 4-1-1, 4-1-2, ..., 4-2-2 ... reset transistor, 5 ... vertical shift register, 6 -1, 6-2: horizontal address line, 7-1, 7-2: reset line, 8-1, 8-2: vertical signal line, 9-1, 9-2: load transistor, 10-1, 10 -2: Signal capture transistor, 11-1, 11-2: Amplified signal storage capacity, 12-1, 12-2: Horizontal selection transistor, 13: Horizontal shift register, 14: Common gate of signal capture transistor, 15: Horizontal Signal lines, 21-1, 21-2 ... address pulses, 22-1, 22-2 ... Reset pulse, 23-1, 23-2 ... horizontal selection pulse, 24-1, 24-2 ... output signal, 31 ... amplification gate which is a control electrode of an amplification transistor, 32 ... reset gate, 33 ... detection unit, 34 ... Photodiodes, 35 electrodes, 36 reset drains, 37 p-type substrates, 39 n-type diffusion layers, 40 address gates, 41 transfer pulses, 42 address pulses, 43 reset pulses, 44 clamp pulses, 45: sample hold pulse, 46: horizontal selection pulse, 51: power supply line, 52: transfer signal line, 53: address capacity, 54: transfer transistor, 55: detector, 60: clamp capacity, 61: clamp transistor, 62 ... Sample-and-hold transistor, 63: sample-and-hold capacitance, 64: horizontal signal line, 65 ... Lamp node 66 Clamp power supply 67 Horizontal selection transistor 71 Overflow control gate 81 P-type diffusion region 91 Signal line 92 Amplification transistor 93 Detection unit 94 Photodiode 95 Address 96: reset transistor, 97: address line, 98: reset line, 101: n-type diffusion layer, 102: n-type diffusion layer, 103: n-type diffusion layer, 104: p-type substrate, 105: address capacitance, 106 ... Transfer gate.

フロントページの続き (72)発明者 馬渕 圭司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 宮川 良平 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 飯田 義典 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内Continuing from the front page (72) Inventor Keiji Mabuchi 1 Toshiba R & D Center, Komukai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Ryohei Miyakawa 1 Kotomu-Toshiba-cho, Koyuki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa In the Toshiba R & D Center (72) Inventor Yoshinori Iida 1 in Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture In-Toshiba R & D Center

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に複数の単位セルが形成さ
れたMOS型固体撮像装置において、 前記単位セルは、 前記半導体基板上の一部に形成され、光を電荷に変換す
る第1の導電型の光電変換領域と、 前記光電変換領域の表面の少なくとも一部に形成され、
前記半導体基板の界面を空乏化させない濃度の前記第1
の導電型とは異なる第2の導電型の第2導電型領域とを
具備したことを特徴とするMOS型固体撮像装置。
1. A MOS-type solid-state imaging device in which a plurality of unit cells are formed on a semiconductor substrate, wherein the unit cells are formed on a part of the semiconductor substrate and convert first light into electric charges. Type photoelectric conversion region, formed on at least a part of the surface of the photoelectric conversion region,
A concentration of the first not depleting the interface of the semiconductor substrate;
And a second conductivity type region having a second conductivity type different from the first conductivity type.
【請求項2】 半導体基板上の一部に形成され、光を電
荷に変換する第1の導電型の光電変換領域と、 前記光電変換領域にて変換された電荷を蓄積し、且つ前
記半導体基板上の一部に形成された前記第1の導電型の
電荷蓄積領域と、 前記光電変換領域の表面の少なくとも一部に形成され、
前記半導体基板の界面を空乏化させない濃度の前記第1
の導電型とは異なる第2の導電型の第2導電型領域と、 前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷に対応する電圧を出
力する電圧出力手段と、 前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を排出する電荷排出
手段とを具備した単位セルを複数備えたMOS型固体撮
像装置の駆動方法において、 前記電荷蓄積領域を第1の電位にすることにより前記光
電変換領域にて変換された電荷の一部を前記電荷蓄積領
域に蓄積し、前記電圧出力手段によって電荷蓄積領域に
蓄積された電荷に対応する電圧を出力し、 前記電荷蓄積領域を前記第1の電位よりも高い第2の電
位にすることにより前記光電変換領域に残存する電荷を
前記電荷蓄積領域に蓄積し、 前記電荷排出手段により前記電荷蓄積領域に蓄積された
電荷を排出することを特徴とするMOS型固体撮像装置
の駆動方法。
2. A first conductivity type photoelectric conversion region formed on a part of a semiconductor substrate to convert light into electric charge; and storing the electric charge converted in the photoelectric conversion region; An upper part of the first conductivity type charge accumulation region, and at least a part of the surface of the photoelectric conversion region,
A concentration of the first not depleting the interface of the semiconductor substrate;
A second conductivity type region of a second conductivity type different from the conductivity type of: a voltage output unit that outputs a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage region; In a method for driving a MOS solid-state imaging device including a plurality of unit cells each including a charge discharging unit for discharging, one of the charges converted in the photoelectric conversion region by setting the charge storage region to a first potential. Storing a portion in the charge storage region, outputting a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage region by the voltage output unit, and setting the charge storage region to a second potential higher than the first potential The charge remaining in the photoelectric conversion region is stored in the charge storage region, and the charge discharging device discharges the charge stored in the charge storage region. Driving method.
【請求項3】 半導体基板上に複数の単位セルが形成さ
れたMOS型固体撮像装置において、 前記単位セルは、 光を電荷に変換する光電変換手段と、 前記光電変換手段から出力された電荷を保持する電荷保
持手段と、 前記光電変換手段にて変換された電荷をパンチスルー効
果によって前記電荷保持手段に転送するアドレス手段と
を具備したことを特徴とするMOS型固体撮像装置。
3. A MOS-type solid-state imaging device in which a plurality of unit cells are formed on a semiconductor substrate, wherein the unit cell includes a photoelectric conversion unit that converts light into a charge, and a charge output from the photoelectric conversion unit. A MOS-type solid-state imaging device comprising: a charge holding means for holding; and an address means for transferring the charge converted by the photoelectric conversion means to the charge holding means by a punch-through effect.
【請求項4】 光を電荷に変換する光電変換手段と、 前記光電変換手段から転送された電荷を保持する電荷保
持手段と、 前記光電変換手段にて変換された電荷をパンチスルー効
果によって前記電荷保持手段に転送するアドレス手段
と、 前記アドレス手段によって前記電荷保持手段に転送され
た電荷に対応する電圧を出力する電圧出力手段と、 前記電荷保持手段に保持された電荷をリセットするリセ
ット手段とを具備した単位セルを複数備えたMOS型固
体撮像装置において、 前記リセット手段により前記電荷保持手段に保持された
電荷をリセットし、 前記アドレス手段により前記光電変換手段にて変換され
た電荷をパンチスルー効果によって前記電荷保持手段に
転送し、 前記電圧出力手段により前記電荷保持手段に保持された
電荷に対応する電圧を出力することを特徴とするMOS
型固体撮像装置の駆動方法。
4. A photoelectric conversion unit for converting light into charges, a charge holding unit for holding charges transferred from the photoelectric conversion unit, and a charge converted by the photoelectric conversion unit by a punch-through effect. Address means for transferring to the holding means, voltage output means for outputting a voltage corresponding to the charge transferred to the charge holding means by the address means, and reset means for resetting the charge held in the charge holding means. In a MOS type solid-state imaging device having a plurality of unit cells, the reset means resets the charge held in the charge holding means, and the address means converts the charge converted by the photoelectric conversion means into a punch-through effect. Corresponding to the charge held by the charge holding means by the voltage output means. MOS characterized by outputting that voltage
For driving a solid-state imaging device.
【請求項5】 複数の単位セルを備えたMOS型固体撮
像装置において、 前記単位セルは、 光を電荷に変換する光電変換手段と、 前記光電変換手段から転送された電荷を保持する電荷保
持手段と、 前記光電変換手段によって変換された電荷が所定の電荷
量以下である場合には、前記光電変換手段によって変換
された電荷の全てを前記電荷保持手段に転送し、前記光
電変換手段によって変換された電荷が前記所定の電荷量
以上である場合には、前記光電変換手段によって変換さ
れた電荷の一部を前記電荷保持手段に転送する転送ゲー
トと、 前記電荷保持手段に転送された電荷に対応する電圧を出
力する電圧出力手段とを具備したことを特徴とするMO
S型固体撮像装置。
5. A MOS-type solid-state imaging device having a plurality of unit cells, wherein the unit cells are photoelectric conversion means for converting light into charges, and charge holding means for holding charges transferred from the photoelectric conversion means. When the charge converted by the photoelectric conversion unit is equal to or less than a predetermined charge amount, all of the charge converted by the photoelectric conversion unit is transferred to the charge holding unit, and converted by the photoelectric conversion unit. A transfer gate that transfers a part of the charge converted by the photoelectric conversion unit to the charge holding unit, when the charge transferred is equal to or more than the predetermined charge amount, and corresponds to the charge transferred to the charge holding unit. And a voltage output means for outputting a voltage to
S-type solid-state imaging device.
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