KR100251688B1 - Amplification type solid state image pick-up device - Google Patents

Amplification type solid state image pick-up device Download PDF

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KR100251688B1
KR100251688B1 KR1019960081403A KR19960081403A KR100251688B1 KR 100251688 B1 KR100251688 B1 KR 100251688B1 KR 1019960081403 A KR1019960081403 A KR 1019960081403A KR 19960081403 A KR19960081403 A KR 19960081403A KR 100251688 B1 KR100251688 B1 KR 100251688B1
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KR1019960081403A
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Inventor
히데치카 가와조에
Original Assignee
마찌다 가쯔히꼬
샤프 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 증폭형 고체촬상소자는 소스영역의 주위에 광전변환영역으로서 제1게이트영역이 형성되며, 그 게이트영역의 외측으로 인접하게 제2게이트영역이 형성되며, 상기 제1게이트영역에 축적된 신호전하를 제2게이트영역을 통해 배출하는 증폭형 고체촬상소자에 있어서, 소스영역의 중심이 화소의 중심에서 변위하여 위치한다.In the amplifying solid-state image pickup device of the present invention, a first gate region is formed around the source region as a photoelectric conversion region, and a second gate region is formed adjacent to the outside of the gate region, and accumulated in the first gate region. In an amplifying solid-state image pickup device for discharging signal charges through the second gate area, the center of the source area is displaced from the center of the pixel.

Description

증폭형 고체촬상장치Amplified solid state imaging device

도1a는 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 일예를(수평 및 수직 방향 사이의 관계가 역전된, 즉 90˚ 회전된 상태로) 나타낸 개략평면도.Fig. 1A is a schematic plan view showing one example of the amplified solid-state image pickup device of the present invention (in a state in which the relationship between the horizontal and vertical directions is reversed, i.e., rotated 90 degrees).

도1b는 도1a에 나타낸 증폭형 고체촬상소자의 B-B선의 확대단면도.Fig. 1B is an enlarged cross-sectional view of line B-B of the amplifying solid-state image pickup device shown in Fig. 1A.

도2는 도1a 및 도1b에 나타낸 증폭형 고체촬상소자에서, 신호전하 축적동작시의 제1게이트영역하의 깊이방향의 포텐셜 분포도.Fig. 2 is a potential distribution diagram in the depth direction under a first gate area during signal charge accumulation operation in the amplifying solid-state image pickup device shown in Figs. 1A and 1B.

도3a 및 3b는 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 우수한 효과를 설명하기 위한 포텐셜 분포도로서, 도3a는 도1a 및 도1b에 나타낸 증폭형 고체촬상소자에서 독출시의 제1게이트영역하의 깊이방향의 포텐셜 분포도.3A and 3B are potential distribution diagrams for explaining the excellent effect of the amplified solid-state image pickup device of the present invention, and FIG. 3A is a depth direction under the first gate area during reading in the amplified solid-state image pickup device shown in FIGS. 1A and 1B. Potential distribution of.

도3b는 종래의 증폭형 고체촬상소자에서 독출시의 제1게이트영역하의 포텐셜 분포도.Fig. 3B is a potential distribution diagram under the first gate area at the time of reading in the conventional amplifying solid-state image pickup device.

도4a는 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 다른 실시예를(수평 및 수직 방향 사이의 관계가 역전된, 즉 90˚ 회전된 상태로) 나타낸 개략 평면도.Fig. 4A is a schematic plan view showing another embodiment of the amplified solid-state image pickup device of the present invention (with the relationship between the horizontal and vertical directions reversed, i.e., rotated 90 degrees).

도4b는 도4a에 나타낸 증폭형 고체촬상소자의 B-B선의 확대단면도.4B is an enlarged cross-sectional view of the B-B line of the amplifying solid-state image pickup device shown in FIG. 4A.

도5는 도4a 및 도4b에 나타낸 증폭형 고체촬상소자에서 신호전하 축적동작시의 제1게이트영역하의 깊이방향의 포텐셜 분포도.Fig. 5 is a potential distribution diagram in a depth direction under a first gate area during signal charge accumulation operation in the amplifying solid-state image pickup device shown in Figs. 4A and 4B.

도6a는 CMD형 화소를(수평 및 수직 방향 사이의 관계가 역전된, 즉 90˚ 회전된 상태로) 나타낸 개략 평면도.Fig. 6A is a schematic plan view showing a CMD type pixel (with the relationship between the horizontal and vertical directions reversed, i.e., rotated 90 degrees).

도6b는 도6a의 CMD형 화소의 B-B선의 확대단면도.Fig. 6B is an enlarged cross-sectional view of the B-B line of the CMD type pixel of Fig. 6A.

도7은 CMD형 화소의 게이트영역하의 깊이 방향의 포텐셜 분포도.Fig. 7 is a potential distribution diagram in a depth direction under a gate region of a CMD type pixel.

도8a 및 8b는 TGMIS형 증폭형 고체촬상소자를 설명하기 위한 개략도로서, 도8a는 복수화소의 개략 평면도.8A and 8B are schematic views for explaining the TGMIS type amplifying solid-state image pickup device, and Fig. 8A is a schematic plan view of a plurality of pixels.

도8b는 도8a의 TGMIS형 증폭형 고체촬상소자의 B-B선의 확대단면도.Fig. 8B is an enlarged cross-sectional view of the B-B line of the TGMIS type amplifying solid-state image pickup device of Fig. 8A.

도9는 TGMIS형 증폭형 고체촬상소자에서 신호전하 축적동작시의 제1게이트영역하의 깊이방향의 포텐셜 분포도.Fig. 9 is a potential distribution diagram in a depth direction under a first gate area during a signal charge accumulation operation in a TGMIS type amplifying solid-state image pickup device.

도10은 BDMIS형 증폭형 고체촬상소자를 나타낸 개략단면도.10 is a schematic cross-sectional view showing a BDMIS type amplifying solid-state image pickup device.

도11은 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 또 다른 예를 나타낸 개략단면도.Fig. 11 is a schematic sectional view showing still another example of the amplifying solid-state image pickup device of the present invention.

도12는 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 또 다른 예를 나타낸 개략단면도; 및12 is a schematic sectional view showing another example of an amplifying solid-state image pickup device of the present invention; And

도13은 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 또 다른 예를 나타낸 개략단면도이다.Fig. 13 is a schematic sectional view showing still another example of the amplifying solid-state image pickup device of the present invention.

[발명의 목적][Purpose of invention]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술][Technical field to which the invention belongs and the prior art in that field]

본 발명은 증폭형 고체촬상소자에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 구동전압이 낮고 화소특성이 우수한 증폭형 고체촬상소자에 관한 것이다.The present invention relates to an amplifying solid-state image pickup device. More specifically, the present invention relates to an amplifying solid-state image pickup device having a low driving voltage and excellent pixel characteristics.

고체촬상장치로서는 현재 전하결합소자(CCD)형의 것이 주류를 이루고 있으며, 여러 분야에 광범위하게 이용되고 있다. CCD형 고체촬상장치에서는 포토다이오드 또는 MOS(metal oxide semiconductor)다이오드에 의해 입사광을 광전변환하고, 축적된 신호전하를 CCD 전송 채널을 통해 고감도의 전하검출부로 도입하여 전압신호로 변환한다. 이 때문에, CCD 고체촬상소자는 S/N비가 높고, 출력전압이 높은 장점을 갖는다.As the solid state imaging device, a charge coupled device (CCD) type is the mainstream, and is widely used in various fields. In a CCD solid-state imaging device, incident light is photoelectrically converted by a photodiode or a metal oxide semiconductor (MOS) diode, and the accumulated signal charge is introduced into a high sensitivity charge detector through a CCD transmission channel and converted into a voltage signal. For this reason, the CCD solid state image pickup device has advantages of high S / N ratio and high output voltage.

그러나, 고체촬상장치의 소형화 및 다화소화가 진행되어, 화소사이즈가 작아지고 있으며, 따라서 CCD로의 전송가능전하량이 더 작아지게 된다. 이 때문에, 다이나믹레인지의 저하가 심각한 문제로 되고 있다. 또한, CCD는 클럭신호의 수개의 에지에 의해 구동되기 때문에, 부하용량이 커지고 구동전압도 높다. 따라서, 다화소에 의해 소비전력이 급격하게 증가되는 문제도 있다.However, miniaturization and multiplexing of the solid state imaging device have progressed, and the pixel size has become smaller, and therefore the amount of charges that can be transferred to the CCD becomes smaller. For this reason, the fall of dynamic range becomes a serious problem. In addition, since the CCD is driven by several edges of the clock signal, the load capacity is large and the driving voltage is high. Therefore, there is also a problem in that power consumption is rapidly increased by the multi-pixel.

이러한 문제에 대처하기 위해, 각 화소에서 발생하는 신호전하를 독출하지 않고, 화소내에서 신호전하를 증폭한 후에 주사회로에 의해 독출하는 증폭형 고체촬상장치가 제안되었다. 이 증폭형 고체촬상장치에서는, 독출에 의한 신호량의 제한이 없게 되어, 다이나믹레인지가 CCD에 비해 유리하게 된다. 또한, 상기 증폭형 고체촬상장치는 신호독출 화소를 포함한 해당 화소의 수평/수직 주사라인에 대해 구동됨으로써, 구동전압이 낮고 소비전력은 CCD보다 작게 된다.In order to cope with such a problem, an amplifying solid-state imaging device has been proposed in which a signal charge is amplified in a pixel without being read out and then read by a scanning circuit after amplifying the signal charge in the pixel. In this amplifying solid-state imaging device, there is no restriction on the amount of signals due to reading, and the dynamic range is advantageous over the CCD. Further, the amplifying solid-state imaging device is driven with respect to the horizontal / vertical scanning line of the pixel including the signal reading pixel, so that the driving voltage is lower and the power consumption is smaller than that of the CCD.

일반적으로, 화소내에서의 증폭에는, 트랜지스터가 이용된다. 증폭형 고체촬상장치는, 증폭에 이용되는 트랜지스터의 종류에 의해, SIT(silicon intensifier target)형, 바이폴라형, MOS형 등으로 구분된다. 신호 독출 주사회로는 통상 MOS형의 구조가 간단하여 제조가 용이하므로, MOS형이 바람직하므로, 화소내에서의 증폭용 트랜지스터도 MOS형으로 하여, 주사회로와 트랜지스터 양자를 모노릭으로 형성하기 때문에, MOS형의 증폭형 고체촬상장치 전체의 구성이 매우 바람직하게 된다.In general, a transistor is used for amplification in the pixel. The amplifying solid-state imaging device is classified into a silicon intensifier target (SIT) type, a bipolar type, a MOS type, and the like by the types of transistors used for amplification. Since the signal read scan circuit has a simple structure of the MOS type and is easy to manufacture, the MOS type is preferable. Therefore, since the amplifying transistor in the pixel is also the MOS type, both the scan circuit and the transistor are formed monolithically. The configuration of the entire MOS amplifying solid-state imaging device is very desirable.

MOS형 트랜지스터를 채용하는 증폭형 고체촬상장치중에, 화소내에 단일의 MOS 트랜지스터만을 포함하는 장치가 화소밀도를 높인다는 점에서 바람직하다. 이러한 타입으로는 CMD(charge modulation device)형, FGA(floating gate amplifier)형 및 BCMD(bulk charge modulation device)형의 화소가 보고되어 있다.Among amplifying solid-state imaging devices employing MOS transistors, a device including only a single MOS transistor in a pixel is preferable in terms of increasing pixel density. As such a type, pixels of a charge modulation device (CMD) type, a floating gate amplifier (FGA) type, and a bulk charge modulation device (BCMD) type have been reported.

도6a 및 6b는 CMD형 화소를 나타낸다. 이 화소는 1986년 텔레비젼 협회 국제 협회록 p57에 나카무라등의 "게이트 축적형 MOS 광트랜지스터 이미지 센서"에서 개시되었다. 이하, 상기 화소의 일반적인 구조를 설명한다.6A and 6B show CMD type pixels. This pixel was described in Nakamura et al. "Gate accumulation MOS phototransistor image sensor" in the International Association of Television Association p57 in 1986. Hereinafter, the general structure of the pixel will be described.

도6b에 도시된 바와같이, p형 반도체기판(15)상에 n형 웰층(16)이 매립 채널로서 형성되며, n형 웰층(16)상에 절연막(예컨대, 산화막;도시안됨)을 통해 게이트전극(17)이 형성된다. n형 웰층(16)에는 게이트전극(17)에 의해 분리된 고농도 n층(n+층)으로 된 소스(18) 및 드레인(19)이 형성된다.As shown in Fig. 6B, an n-type well layer 16 is formed as a buried channel on the p-type semiconductor substrate 15, and a gate is formed on the n-type well layer 16 through an insulating film (e.g., an oxide film; not shown). The electrode 17 is formed. The n-type well layer 16 is formed with a source 18 and a drain 19 having a high concentration n layer (n + layer) separated by the gate electrode 17.

상기한 CMD형 화소를 2차원 이미지센서에 응용하는 경우는, 도6a에 도시된 바와같이, (수평 및 수직 방향 사이의 관계가 역전된, 즉 90˚ 회전된 상태로) 게이트전극(17)의 수평행이 공통으로, VG(i), VG(i+1),…,로 표기된 클럭라인에 접속된다. 또한, 소스(18)의 각 수직행은 공통으로, 신호선 VS(i), VS(i+1),…,에 접속된다. 한편, 드레인(19)에는 각 화소의 주변에서 주변부에 전압(VD)이 인가된다.When the above-described CMD type pixel is applied to a two-dimensional image sensor, as shown in Fig. 6A, the gate electrode 17 (with the relationship between the horizontal and vertical directions reversed, i.e., rotated by 90 degrees), Horizontal rows are common, VG (i), VG (i + 1),... It is connected to the clock line marked with,. In addition, each vertical row of the source 18 has a common signal line VS (i), VS (i + 1),... Is connected to. On the other hand, the drain 19 is applied with a voltage VD around the periphery of each pixel.

다음, 도7을 참조하여 CMD형 화소의 동작을 설명한다. 먼저, 신호축적시 게이트전극(17)으로 인가되는 게이트전압을 낮추어 VL로 하고, 광전변환에 의해 발생된 신호전하(정공)를 반도체/절연막 사이의 계면에 축적한다. 전자는 이 기간에 드레인(19)을 통해 유출한다. 다음에, 신호독출시는, 게이트전압을 중간전압 VM으로 증가시킨다. 이에 따라, 신호전하의 양에 대응하여 드레인(19)/소스(18)간의 전류가 변화하기 때문에, 그의 값을 출력신호로서 독출한다. 이때 동일신호선상의 다른 화소의 전류는 게이트전극(17)이 VL레벨이므로 검출되지 않는다.Next, the operation of the CMD type pixel will be described with reference to FIG. First, the gate voltage applied to the gate electrode 17 during signal accumulation is lowered to VL, and signal charges (holes) generated by photoelectric conversion are accumulated at the interface between the semiconductor and the insulating film. Electrons flow out through the drain 19 in this period. Next, at the time of signal reading, the gate voltage is increased to the intermediate voltage VM. As a result, since the current between the drain 19 and the source 18 changes in correspondence with the amount of signal charge, the value thereof is read out as an output signal. At this time, the current of another pixel on the same signal line is not detected because the gate electrode 17 is at the VL level.

화소 리세팅시, 신호전하를 클리어하고, 다음 신호축적에 대비한다. 게이트전압을 높혀서 VH로 함에 의해, 도7에 도시된 바와 같이, 깊이 방향으로 단조롭게 줄어드는(감소하는) 포텐셜 구배가 얻어진다. 그 결과, 반도체/절연막계면에 축적된 신호전하는 도6b에 파선으로 나타낸 바와같이, 그의 바로 아래의 반도체기판(15)으로 배출된다.During pixel reset, the signal charge is cleared and prepared for the next signal accumulation. By raising the gate voltage to VH, as shown in Fig. 7, a potential gradient monotonously decreasing (reducing) in the depth direction is obtained. As a result, signal charges accumulated in the semiconductor / insulating film interface are discharged to the semiconductor substrate 15 directly below it, as indicated by broken lines in FIG. 6B.

CMD형 화소에서는, 구동전압이 낮은 증폭형 고체촬상장치를 실현하기 어려운 문제점이 있다. 그 이유는 CMD형 화소에서는, 신호전하의 축적밀도를 높이기 위해, 매립 채널의 농도를 높이지 않으면 안되기 때문이며, 매립 채널의 농도를 높이면, 리세트 동작시의 게이트전압이 매우 높아지게 된다.In the CMD type pixel, there is a problem that it is difficult to realize an amplifying solid-state imaging device having a low driving voltage. The reason for this is that in the CMD type pixel, the concentration of the buried channel must be increased in order to increase the accumulation density of the signal charges. When the buried channel concentration is increased, the gate voltage during the reset operation becomes very high.

이상의 문제점을 해결하는 증폭형 고체촬상장치로서, 예컨대, 본 출원인이 일본국 특허출원 제94-303953호에서 제안했던 TGMIS(Twin Gate MOS Image Sensor)형 증폭형 고체촬상장치가 있다. 이 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치는 반도체기판상에 형성된 MOS형 트랜지스터의 게이트영역으로 입사되는 광을 광전변환하고, 그 게이트영역에 축적된 신호전하에 따라 변화하는 MOS 트랜지스터의 포텐셜변화를 상기 장치에서 출력하는 구조를 채용하고 있다.As an amplifying solid-state imaging device which solves the above problems, for example, there is a TGMIS (Twin Gate MOS Image Sensor) type amplifying solid-state imaging device proposed by the applicant in Japanese Patent Application No. 94-303953. This TGMIS amplification type solid-state image pickup device photoelectrically converts light incident on a gate region of a MOS transistor formed on a semiconductor substrate, and changes the potential change of the MOS transistor in the apparatus according to the signal charge accumulated in the gate region. The structure which outputs is adopted.

도8a 및 8b를 참조하여, TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에 대해 설명한다. 도8b에 도시된 바와같이, p형 반도체기판(20) 표면 또는 그 근처에 n형 웰층(23)이 형성되며, 그 웰층(23) 상에는 게이트절연막(예컨대, 산화막)을 통해 제1게이트전극(21)이 형성된다. 제1게이트전극(21)은 광전변환영역으로 작용하는 제1게이트영역을 구성한다. 웰층(23)내에는 소스(소스영역)(24)와 드레인(드레인영역)(25)이 형성된다. 제1게이트전극(21)이 MOS 트랜지스터를 구성한다. 소스(24) 및 드레인(25)은 고농도 n층(n+층)으로 된다.Referring to Figs. 8A and 8B, a TGMIS type amplifying solid-state imaging device will be described. As shown in FIG. 8B, an n-type well layer 23 is formed on or near the p-type semiconductor substrate 20, and the first gate electrode (eg, an oxide film) is formed on the well layer 23. 21) is formed. The first gate electrode 21 constitutes a first gate region serving as a photoelectric conversion region. In the well layer 23, a source (source region) 24 and a drain (drain region) 25 are formed. The first gate electrode 21 constitutes a MOS transistor. The source 24 and the drain 25 are of high concentration n layers (n + layers).

본 명세서에서는 각 내용에 의해 필요로 하는 바에 따라 "소스"와 "소스영역", 및 "드레인"과 "드레인영역"의 용어를 사용한다.In this specification, the terms "source" and "source area", and "drain" and "drain area" are used as required by the contents.

또한, 반도체기판(20)상에는, 제1게이트전극(21)에 인접하게 제2게이트전극(22)이 절연막을 통해 형성된다. 제2게이트전극은 제2게이트영역을 구성한다. 도8a에 도시된 바와같이(수평 및 수직 방향 사이의 관계가 역전된, 즉 90˚ 회전된 상태로), 광전변환영역으로서 작용하는 제1게이트영역은 소스(24)를 중심으로 그의 주위에 형성된다. 제1게이트전극(21)의 수평행은 공통으로, VA(i), VA(i+1),…,로 표기한 클럭 라인에 접속된다. 제2게이트전극(22)의 수평행은 공통으로, VB(i), VB(i+1),…,로 표기한 클럭라인에 접속된다. 소스(24)의 각 수직행은 공통으로 VS(j), VS(j+1),…,로 표기한 신호라인에 접속된다. 드레인(25)에는 각 화소의 주변에서 주변부에 드레인전압(VD)이 인가된다.In addition, on the semiconductor substrate 20, a second gate electrode 22 is formed through the insulating film adjacent to the first gate electrode 21. The second gate electrode constitutes a second gate region. As shown in Fig. 8A (with the relationship between the horizontal and vertical directions reversed, i.e. rotated 90 degrees), a first gate region serving as a photoelectric conversion region is formed around the source 24 around it. do. The horizontal rows of the first gate electrode 21 are common to VA (i), VA (i + 1),... It is connected to the clock line marked with,. The horizontal rows of the second gate electrodes 22 are commonly VB (i), VB (i + 1),... It is connected to the clock line marked with,. Each vertical row of the source 24 has a common VS (j), VS (j + 1),... It is connected to the signal line marked with,. A drain voltage VD is applied to the drain 25 in the periphery of each pixel.

이와같이 구성된 장치에서의 리세트 동작에 대해 설명한다. 본 명세서에서, "리세트 동작"은 신호전하를 배출하는 것을 의미한다. 이러한 구성의 장치에서는, 제1게이트영역의 반도체/절연막계면에 광전변환에 의해 발생된 신호전하(정공)가 축적된다. 이 신호전하를, 제2게이트영역을 통해 반도체기판(20)으로 유출함에 의해, 축적된 신호전하를 제거한다. 이와같이 하여, 리세트 동작이 실행된다. 상기 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에 의하면, 제2게이트전극(22) 바로 아래의 반도체기판(20) 표면 또는 그 근처에 리세트 채널이 형성되며, 제2게이트전극(22)에 소정의 전압을 인가하여 포텐셜배리어를 약간 작아지게 함으로써, 신호전하가 간단하게 리세트된다. 이 때문에, 리세트동작시의 게이트전압을 낮아지게 할 수 있다. 따라서, TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에 의하면, 상기 CMD형 화소가 갖는 문제점을 해결할 수 있다.The reset operation in the apparatus configured as described above will be described. As used herein, "reset operation" means discharging signal charge. In the apparatus having such a configuration, signal charges (holes) generated by photoelectric conversion are accumulated in the semiconductor / insulating film interface of the first gate region. The signal charges flow out to the semiconductor substrate 20 through the second gate region, thereby removing the accumulated signal charges. In this way, the reset operation is executed. According to the TGMIS type amplifying solid-state imaging device, a reset channel is formed on or near the surface of the semiconductor substrate 20 directly below the second gate electrode 22, and a predetermined voltage is applied to the second gate electrode 22. By applying the potential barrier slightly smaller, the signal charge is simply reset. For this reason, the gate voltage at the time of the reset operation can be reduced. Therefore, according to the TGMIS type amplifying solid-state imaging device, the problem of the CMD type pixel can be solved.

그러나, 상기한 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에서는, 이하의 문제점이 존재한다. TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에서는 도8a에 나타낸 바와같이, 소스영역(24)은 평면도에서는 정방형으로 형성되며, 도8b에 나타낸 바와 같이, 그의 중심은 화소의 중심(7)에 일치한다. 제1게이트전극(21)하의 광전변환영역의 일단부에 드레인(25)의 일단부가 인접 배치된다. 이 때문에, 소스영역(24)과 해당화소의 드레인(25) 사이의 간격, 소스영역(24)과 인접한 화소측(즉, 제2게이트전극(22)에 인접한)의 드레인(25) 사이의 간격차에 의해, 도9에 나타낸 바와같이, 제1게이트영역의 반도체 표면의 포텐셜이 화소내에서 불균일하다.However, the following problems exist in the TGMIS type amplifying solid-state imaging device. In the TGMIS type amplifying solid-state imaging device, as shown in Fig. 8A, the source region 24 is formed in a square in plan view, and as shown in Fig. 8B, its center coincides with the center 7 of the pixel. One end of the drain 25 is disposed adjacent to one end of the photoelectric conversion region under the first gate electrode 21. For this reason, an interval between the source region 24 and the drain 25 of the pixel, and an interval between the source region 24 and the drain 25 of the pixel side adjacent to the pixel side (that is, adjacent to the second gate electrode 22). Due to the difference, as shown in Fig. 9, the potential of the semiconductor surface of the first gate region is nonuniform in the pixel.

도9에 대해 이하 상세하게 설명한다. 도9는 신호전하의 축적동작시에, 신호전하가 축적되지 않은 상태에서의 깊이방향의 포텐셜분포도(26', 27')이다. 도9에 도시된 바와같이, 소스(24)와 제2게이트전극(22) 사이의 제1게이트전극(21)하의 포텐셜분포(26), 및 소스(24)와 드레인(25) 사이의 제1게이트전극(21)하의 포텐셜분포(27')는 다르다. 예컨대, 상기 증폭형 고체촬상장치에서, 신호전하의 축적시에는, 제1게이트전극(21)에 낮은 게이트전압 VA(L)=-3.0V을 인가하고, 제2게이트전극(22)에 중간전압 VB(M)=1.0V을 인가한다. 이 경우에는, 신호전하가 축적되지 않을 때, 소스(24)와 제2게이트전극(22) 사이의 제1게이트전극(21)하의 표면포텐셜은 드레인(25)과 소스(24) 사이의 제1게이트전극(21)하의 표면포텐셜에 비해 0.2V 더 낮게 된다.9 will be described in detail below. Fig. 9 is a potential distribution diagram 26 ', 27' in the depth direction in the state where no signal charge is accumulated in the signal charge accumulation operation. As shown in FIG. 9, the potential distribution 26 under the first gate electrode 21 between the source 24 and the second gate electrode 22 and the first between the source 24 and the drain 25. The potential distribution 27 'under the gate electrode 21 is different. For example, in the amplifying solid-state image pickup device, when signal charges are accumulated, a low gate voltage VA (L) =-3.0V is applied to the first gate electrode 21 and an intermediate voltage is applied to the second gate electrode 22. Apply VB (M) = 1.0V. In this case, when no signal charge is accumulated, the surface potential under the first gate electrode 21 between the source 24 and the second gate electrode 22 is the first between the drain 25 and the source 24. 0.2V lower than the surface potential under the gate electrode 21.

광조사에 의해, 신호전하(정공)가 생성되는 경우, 신호전하는 포텐셜이 낮은 우치에 집결되는 경향을 가지므로, 상기한 바와같이 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에서, 신호전하는 소스(24)와 제2게이트전극(22) 사이의 제1게이트전극(21)하에 축적되기 쉽다. 그러나, 신호전하량에 대응하는 신호량을 소스(24)의 전위로서 검출하는 경우에는, 제1게이트전극(21)하의 포텐셜의 극대치가 검출된다. 따라서, 이 장치에서는, 드레인(25)과 소스(24) 사이의 제1게이트전극(21)하의 포텐셜 극대치가 검출된다.When signal charges (holes) are generated by light irradiation, the signal charges tend to be collected at low potentials. Thus, in the TGMIS type amplifying solid-state imaging device, as described above, the signal charges are made with the source 24. It is easy to accumulate under the first gate electrode 21 between the two gate electrodes 22. However, when the signal amount corresponding to the signal charge amount is detected as the potential of the source 24, the maximum value of the potential under the first gate electrode 21 is detected. Therefore, in this apparatus, the potential maximum under the first gate electrode 21 between the drain 25 and the source 24 is detected.

이와같이 제1게이트전극(21)하의 포텐셜분포가 균일하지 않은 경우에, 다음의 문제가 있다. 화소중에 축적된 신호전하량이 작아지면, 드레인(25)과 소스(24) 사이의 제1게이트전극(21)하에서, 화소전체에 축적된 신호전하량을 적절하게 반영한 반도체중의 포텐셜의 변화를 얻을 수 없으므로써, 신호전하량에 대한 감도가 낮게 된다. 따라서, 상기 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치에서는 신호전하에 대응하는 센서출력(소스전위)을 얻기가 곤란하며, 이 때문에 검출정확도가 불충분하게 된다.In this way, when the potential distribution under the first gate electrode 21 is not uniform, there is the following problem. When the amount of signal charge accumulated in the pixel is small, under the first gate electrode 21 between the drain 25 and the source 24, it is possible to obtain a change in potential in the semiconductor that properly reflects the amount of signal charge accumulated in the entire pixel. Therefore, the sensitivity to the signal charge amount becomes low. Therefore, in the TGMIS type amplifying solid-state imaging device, it is difficult to obtain a sensor output (source potential) corresponding to the signal charge, which causes insufficient detection accuracy.

또한, 이와같은 증폭형 고체촬상장치에서도, 다화소화 및 소형화에 대한 요구가 증가하게 되어, 화소사이즈를 작게 할 필요가 있다. 그러나, 화소사이즈가 작아지면, 드레인(25)이 광전변환영역에 더욱 접근하게 된다. 이 때문에, 드레인전압의 영향이 강하게 되어 제1게이트전극(21)하의 포텐셜치가 높아지게 된다. 따라서, 소형의 증폭형 고체촬상장치에서는 포텐셜치가 드레인전압에 더 근접하게 되어, 다이나믹레인지가 저하하게 되는 문제가 발생된다.In addition, even in such an amplifying solid-state imaging device, the demand for multiplexing and miniaturization increases, and it is necessary to reduce the pixel size. However, when the pixel size is reduced, the drain 25 is closer to the photoelectric conversion region. For this reason, the influence of the drain voltage is increased, and the potential value under the first gate electrode 21 is increased. Therefore, in the compact amplification solid-state imaging device, the potential value becomes closer to the drain voltage, resulting in a problem that the dynamic range is lowered.

본 발명의 증폭형 고체촬상장치는, 소스영역, 상기 소스영역을 둘러싸며 광전변환영역으로 작용하는 제1게이트영역, 및 상기 소스영역과 대향하는 측상에 제1게이트영역과 인접하게 형성된 제2게이트영역을 포함하며, 상기 제1게이트영역에 축적된 신호전하를 제2게이트영역을 통해 배출하며; 상기 소스영역의 중심이 화소의 중심에서 변위된다.The amplifying solid-state imaging device of the present invention includes a source region, a first gate region surrounding the source region and serving as a photoelectric conversion region, and a second gate formed adjacent to the first gate region on a side opposite the source region. A region, the signal charges accumulated in the first gate region through the second gate region; The center of the source region is displaced from the center of the pixel.

본 발명의 일실시예에서, 제1게이트영역이 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 형성된 트랜지스터의 일부이며, 상기 트랜지스터가 광전변환에 의해 발생된 신호전하의 축적량에 따라 전기신호의 변화를 출력하며; 상기 제2게이트영역은 반도체기판의 표면에 형성되며; 상기 제2게이트영역에서의 신호전하의 리세트가 반도체기판의 내부에서 행해진다.In one embodiment of the present invention, the first gate region is a portion of a transistor formed on or near the surface of the semiconductor substrate, and the transistor outputs a change in the electrical signal in accordance with the accumulation amount of the signal charge generated by the photoelectric conversion; The second gate region is formed on a surface of the semiconductor substrate; The reset of the signal charges in the second gate area is performed inside the semiconductor substrate.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1게이트영역이 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 형성된 트랜지스터의 일부이며, 상기 트랜지스터가 광전변환에 의해 발생된 신호전하의 축적량에 따라 전기신호의 변화를 출력하며; 상기 제2게이트영역은 반도체기판의 표면에 형성되며; 상기 리세트 드레인은 제2게이트영역에 인접한 단부의 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 제공되며; 신호전하의 리세트가 제2게이트영역을 통해 리세트드레인에서 행해지며; 상기 전기신호의 변화는 소스영역과 반도체기판 사이로 흐르는 전류에서 발생하는 변화에 따라 트랜지스터에 의해 출력되며, 상기 반도체기판이 드레인으로서 작용한다.In another embodiment of the present invention, the first gate region is a portion of a transistor formed on or near the surface of the semiconductor substrate, and the transistor outputs a change in the electrical signal in accordance with the accumulation amount of the signal charge generated by the photoelectric conversion; The second gate region is formed on a surface of the semiconductor substrate; The reset drain is provided on or near the surface of the semiconductor substrate at an end adjacent to the second gate region; Reset of the signal charges is performed in the reset drain via the second gate region; The change in the electrical signal is output by the transistor in accordance with the change generated in the current flowing between the source region and the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate acts as a drain.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1게이트영역이 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 형성된 트랜지스터의 일부이며, 상기 트랜지스터가 광전변환에 의해 발생된 신호전하의 축적량에 따라 전기신호의 변화를 출력하며; 상기 제2게이트영역은 반도체기판의 표면에 형성되며; 상기 리세트 드레인은 제2게이트영역내의 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 제공된다.In another embodiment of the present invention, the first gate region is a part of a transistor formed on or near the surface of the semiconductor substrate, and the transistor outputs a change in the electrical signal in accordance with the accumulation amount of the signal charge generated by the photoelectric conversion. ; The second gate region is formed on a surface of the semiconductor substrate; The reset drain is provided on or near the surface of the semiconductor substrate in the second gate region.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1게이트영역에 인접한 부분 반대측의 제2게이트영역측의 반도체기판 표면 및 그 근방부에 전계저지부가 형성된다.In another embodiment of the present invention, the field blocking portion is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate on the side of the second gate region opposite to the portion adjacent to the first gate region.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 소스영역의 중심위치가 화소의 중심에서 제2게이트영역을 향해 변위되어 있다.In another embodiment of the present invention, the center position of the source region is displaced from the center of the pixel toward the second gate region.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 소스영역은 화소의 중심 및 제2게이트영역에 인접한 소스영역의 중심 사이의 거리가 화소의 중심 및 소스영역의 대향 단부 사이의 거리보다 더 길게 되어 있는 형상을 가진다.In another embodiment of the present invention, the source region is shaped such that the distance between the center of the pixel and the center of the source region adjacent to the second gate region is longer than the distance between the center of the pixel and the opposite end of the source region. Have

따라서, 본 발명은 이하의 이점을 제공한다 : (1) 신호전하에 대응하는 센서출력을 얻을 수 있고, 검출정확도가 우수한 증폭형 고체촬상소자를 제공하며, (2) 다이나믹레인지가 우수하고, 따라서 다화소화 및 소형화에 적합한 증폭형 고체촬상소자를 제공하며, (3) 구동전압이 낮고, 화소특성이 우수한 증폭형 고체촬상소자를 제공한다.Accordingly, the present invention provides the following advantages: (1) providing an amplifying solid-state image pickup device capable of obtaining a sensor output corresponding to a signal charge and having an excellent detection accuracy, and (2) having a good dynamic range and thus Provided are an amplifying solid-state image pickup device suitable for multiplexing and miniaturization, and (3) providing an amplifying solid-state image pickup device with low driving voltage and excellent pixel characteristics.

[발명의 구성 및 작용][Configuration and Function of Invention]

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

도1a는 본 발명의 실시예 1의 증폭형 고체촬상소자의 바람직한 일예의 개략평면도(수평방향 및 수직방향 사이의 관계가 역전, 즉 90˚ 만큼 회전되어 있음)이고, 도1b도는 도1a의 B-B선의 확대 단면도이다.Fig. 1A is a schematic plan view of a preferred example of the amplifying solid-state image pickup device of Embodiment 1 of the present invention (the relationship between the horizontal direction and the vertical direction is reversed, i.e., rotated by 90 °), and Fig. 1B is the BB of Fig. It is an enlarged cross-sectional view of the line.

도1b에 도시된 바와같이, p형 반도체기판(1) 상에는 게이트절연막(도시안됨)을 통해 제1게이트전극(게이트영역)(2) 및 제2게이트전극(게이트영역)(3)이 형성되어 있다. 제2게이트전극(3)의 일단부는 제1게이트전극(2)에 인접해 있다. 제1게이트전극(2)하의 반도체기판(1) 표면측에는 n형 웰층(4)이 형성되며, 그 웰층(4)내에는 소스(소스영역)(5) 및 드레인(드레인영역)(6)이 형성되고, 제1게이트전극(2), 소스 및 드레인 MOS형 트랜지스터를 구성하며, n+확산층으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1B, a first gate electrode (gate region) 2 and a second gate electrode (gate region) 3 are formed on the p-type semiconductor substrate 1 through a gate insulating film (not shown). have. One end of the second gate electrode 3 is adjacent to the first gate electrode 2. An n-type well layer 4 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 1 under the first gate electrode 2, and a source (source region) 5 and a drain (drain region) 6 are formed in the well layer 4. And a first gate electrode 2, a source and a drain MOS transistor, and an n + diffusion layer.

도1a에 도시된 바와같이, 광전변환영역으로 되는 제1게이트영역은 소스(5) 주위에 형성된다. 제1게이트전극(2)의 각 수평행은 공통으로, VA(i), VA(i+1),…,로 표기한 클럭라인에 접속된다. 제2게이트전극(3)의 수평행은 공통으로, VB(i), VB(i+1),…,로 표기한 클럭라인에 접속된다. 소스(5)의 수직행은 공통으로, VS(j), VS(j+1),…,로 표기한 신호라인 VS(j)에 접속된다. 각 화소의 주변의 각 드레인(6)에는 드레인전압(VD)이 인가된다.As shown in FIG. 1A, a first gate region serving as a photoelectric conversion region is formed around the source 5. Each horizontal row of the first gate electrode 2 has a common VA (i), VA (i + 1),... It is connected to the clock line marked with,. The horizontal rows of the second gate electrodes 3 are common to VB (i), VB (i + 1),... It is connected to the clock line marked with,. The vertical rows of the source 5 are commonly VS (j), VS (j + 1),... It is connected to the signal line VS (j) denoted by,. A drain voltage VD is applied to each drain 6 around each pixel.

반도체기판(1)의 재질은 Si이며, 기판농도 등의 조건은 다음과 같다.The material of the semiconductor substrate 1 is Si, and the conditions such as the substrate concentration are as follows.

기판농도 : 1×1015cm-3 Substrate Concentration: 1 × 10 15 cm -3

웰층농도 : 3×1015cm-3 Well layer concentration: 3 × 10 15 cm -3

웰층두께 : 1.5㎛Well layer thickness: 1.5㎛

게이트절연막두께 : 80nmGate insulating film thickness: 80nm

게이트전극 및 게이트전극의 재료는 특히 한정되지는 않지만, 증폭형 고체촬상장치에 통상 이용되는 게이트전극 구성 및/또는 게이트전극의 재료가 채용된다.The material of the gate electrode and the gate electrode is not particularly limited, but a gate electrode configuration and / or a material of the gate electrode which is usually used in an amplifying solid-state imaging device is employed.

도1b에 도시된 바와같이, 소스영역(5)의 수직중심(8)은 화소의 중심(즉, 제1게이트전극(2)의 중심위치)(7)에서 제2게이트전극(3)의 방향으로만큼 변위된 위치에 위치한다. 이에 대해, 종래의 증폭형 고체촬상장치(예컨대, 상기한 바와같이 본원 출원인이 먼저 제안한 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치)에 사용되는 증폭형 고체촬상소자에서는, 소스영역(5)의 수직중심은, 화소의 중심위치(7)에 일치한다.As shown in FIG. 1B, the vertical center 8 of the source region 5 is the direction of the second gate electrode 3 from the center of the pixel (ie, the center position of the first gate electrode 2) 7. to Position is displaced by. In contrast, in the amplified solid-state imaging device used in a conventional amplified solid-state imaging device (for example, the TGMIS amplified solid-state imaging device first proposed by the present applicant as described above), the vertical center of the source region 5 is Coincides with the center position 7 of the pixel.

변위량()은 소자의 용도, 화소의 크기, 인가전압 등에 따라 변화한다. 예컨대, 본 실시예에서는, 소스영역의 수직중심(8)이 화소의 중심위치(7)와 일치하는 경우에는, 소스영역(5)과 제2게이트전극(3)의 단부 및 드레인영역(6)의 단부와의 거리가 1.5㎛이고, 이 경우(상기한 다른 조건들에 따른 경우)의 변위량()은 0.4㎛이다.Displacement ( ) Varies depending on the use of the device, the size of the pixel, the applied voltage, and the like. For example, in the present embodiment, when the vertical center 8 of the source region coincides with the center position 7 of the pixel, the ends and the drain region 6 of the source region 5 and the second gate electrode 3 are arranged. The distance from the end of is 1.5 μm, and in this case (in accordance with the other conditions described above), the displacement amount ( ) Is 0.4 μm.

이러한 구성의 증폭형 고체촬상소자에 대해서는, 제1게이트전극(2)을 통해 광(hυ)이 입사하면, 광전변환에 의해 전자-정공쌍들이 발생된다. 전자는 드레인(6)으로 유출하고, 정공은 웰층(4)의 반도체/절연막계면에 축적되어 신호전하로 된다. 이때, 드레인(6)에는, 소정의 일정전압(본 실시예에서는 5V)이 인가된다.In the amplified solid-state image pickup device having such a configuration, when light hυ is incident through the first gate electrode 2, electron-hole pairs are generated by photoelectric conversion. Electrons flow out to the drain 6, and holes accumulate in the semiconductor / insulation film interface of the well layer 4, and become signal charges. At this time, a predetermined constant voltage (5 V in this embodiment) is applied to the drain 6.

신호전하가 축적되면, 축적된 신호전하량에 대응하여 웰층(4)의 포텐셜이 변화한다. 본 발명의 증폭형 고체촬상소자에서는, 상기 변화량을 소스(5)의 전위변화로서 독출하고, 출력신호화 한다. 한편, 신호전하의 배출(즉, 리세트 동작)은 제2게이트전극(3)하의 포텐셜배리어를 낮게함에 의해 도1b의 파선의 화살표로 나타낸 경로를 따라 반도체기판(1)으로 신호전하를 보냄으로써 달성된다.When signal charges are accumulated, the potential of the well layer 4 changes in correspondence with the accumulated signal charges. In the amplifying solid-state image pickup device of the present invention, the change amount is read as a potential change of the source 5, and output signal is converted. On the other hand, the discharge of the signal charges (i.e., the reset operation) sends the signal charges to the semiconductor substrate 1 along the path indicated by the broken arrow in Fig. 1B by lowering the potential barrier under the second gate electrode 3. Is achieved.

이하, 도2를 참조하여, 소스영역(5)의 중심(8)이 화소의 중심위치(7)에서만큼 변위된 위치에 위치함에 의한 효과에 대해 설명한다. 간단화를 위해, 신호전하 축적동안에, 제1게이트전극(2)에 비교적 낮은 게이트전압(VA(L)=-3.0V)을 인가하고, 제2게이트전극(3)에 중간의 전압(VB(M)=1.0V)을 인가하는 경우에 대해 설명한다.2, the center 8 of the source region 5 is located at the center position 7 of the pixel. The effect by being located at the displaced position by this will be described. For simplicity, a relatively low gate voltage (VA (L) =-3.0 V) is applied to the first gate electrode 2 during signal charge accumulation, and an intermediate voltage VB ( A case of applying M) = 1.0 V) will be described.

소스(5)를 화소의 중앙(7)부근에 설치하는 경우(즉, 소스(5)의 중심(8)이 화소의 중심(7)과 일치하는 경우 : 예컨대 본 출원인이 먼저 제안한 도8a 및 도8b의 증폭형 고체촬상소자의 경우)에는 상기한 바와같이, 신호전하가 존재하지 않을 때, 소스(5)와 제2게이트전극(3) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜은 드레인(6)과 소스(5) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜에 비해 0.2V 낮게 된다. 환언하면, 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜이 불균일하게 된다. 이 때문에, 상기한 바와같이, 화소전체에 축적되는 신호전하량을 적절하게 반영한 반도체 포텐셜의 변동을 얻을 수 없고, 신호전하량에 대한 감도가 낮게 된다.When the source 5 is installed near the center 7 of the pixel (ie, when the center 8 of the source 5 coincides with the center 7 of the pixel: for example, FIGS. 8A and FIG. In the case of the 8b amplified solid-state image pickup device) as described above, when no signal charge is present, the semiconductor surface potential under the first gate electrode 2 between the source 5 and the second gate electrode 3 is The voltage is 0.2V lower than that of the semiconductor surface potential under the first gate electrode 2 between the drain 6 and the source 5. In other words, the semiconductor surface potential under the first gate electrode 2 becomes nonuniform. For this reason, as described above, variations in the semiconductor potential that properly reflect the amount of signal charges accumulated in the entire pixel cannot be obtained, and the sensitivity to the amount of signal charges is low.

이에 대해, 본 실시예와 같이, 화소중의 소스(5)의 중심(8)이 화소의 중심(7)에서 제2게이트전극(3)의 방향으로만큼 변위되어 있는 경우에는, 신호전하가 축적되지 않을 때, 소스(5)와 제2게이트전극(3) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면의 포텐셜은 제2게이트전극(3)에 인접한 드레인(6)의 일정 인가전압(5.0V)의 영향에 의해, 0.1V 만큼 깊게 된다. 즉, 제2게이트전극(3)에 인접한 드레인(6)에 소스(5)가 접근하는 만큼 그 영향을 받기 때문에, 포텐셜이 0.1V 더 깊게 된다.On the other hand, as in the present embodiment, the center 8 of the source 5 in the pixel is in the direction of the second gate electrode 3 from the center 7 of the pixel. In the case where the signal charge is displaced by, the potential of the semiconductor surface under the first gate electrode 2 between the source 5 and the second gate electrode 3 is reduced to the second gate electrode 3 when no signal charge is accumulated. Due to the influence of the constant applied voltage (5.0V) of the adjacent drain 6, it becomes as deep as 0.1V. That is, since the source 5 is affected as the source 5 approaches the drain 6 adjacent to the second gate electrode 3, the potential becomes 0.1V deeper.

한편, 드레인(6)과 소스(5) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체의 포텐셜은 소스(5) 및 드레인(6) 사이의 거리증가로 인해 그의 영향이 약해지므로, 종래보다 0.1V 만큼 얕아지게 된다.On the other hand, the potential of the semiconductor under the first gate electrode 2 between the drain 6 and the source 5 is less affected by the increase in the distance between the source 5 and the drain 6, 0.1V than conventional As shallow as possible.

따라서, 소스영역(5)의 중심(8)이 제2게이트영역(3) 방향으로만큼(즉, 소자의 용도, 화소크기, 인가전압에 따른 최적 변위량으로) 변위도어 위치함에 의해, 소스(5)와 제2게이트전극(3) 사이의 제1게이트전극(2)하의 포텐셜분포(26), 및 소스(5)와 드레인(6) 사이의 제1게이트전극(2)하의 포텐셜분포(27)의 차가(도2에 도시된 바와같이) 도9에 나타낸 종래의 장치에 비해 작아지게 된다. 즉, 전체적인 포텐셜분포(26)가 깊게되는 반면에 전체적인 포텐셜분포(27)는 얕게 된다. 이 때문에, 도9에 나타낸 종래의 장치에 존재하는 반도체표면 포텐셜의 차가 해소된다. 그 결과, 도2에 기호(◎)로 나타낸 바와같이, 소스(5)와 제2게이트전극(3) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜과, 소스(5)와 드레인(6) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜이 일치한다. 이 때문에, 본 실시예에 의하면, 화소전체에 축적된 신호전하량에 대응하는 센서출력을 얻을 수 있어서, 검출정확도가 우수한 소자가 얻어진다.Therefore, the center 8 of the source region 5 is directed toward the second gate region 3. The potential distribution under the first gate electrode 2 between the source 5 and the second gate electrode 3 by positioning the displacement door as much as (ie, with the optimum displacement according to the use of the device, the pixel size, and the applied voltage). 26, and the difference between the potential distribution 27 under the first gate electrode 2 between the source 5 and the drain 6 (as shown in FIG. 2) becomes smaller compared to the conventional apparatus shown in FIG. do. In other words, the overall potential distribution 26 becomes deep while the overall potential distribution 27 becomes shallow. For this reason, the difference of the semiconductor surface potential which exists in the conventional apparatus shown in FIG. 9 is eliminated. As a result, as shown by the symbol? In FIG. 2, the semiconductor surface potential under the first gate electrode 2 between the source 5 and the second gate electrode 3, and the source 5 and drain 6 The surface potential of the semiconductor under the first gate electrode 2 in between coincides with each other. For this reason, according to this embodiment, the sensor output corresponding to the amount of signal charge accumulated in the whole pixel can be obtained, and the device excellent in the detection accuracy is obtained.

소스(5)의 수직중심(8)이를 초과하여, 즉 최적 변위량(본 실시예에서는 0.4㎛)을 초과하여 제2게이트전극(3)에 더 가깝게 위치하면, 소스(5)와 제2게이트전극(3) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜이 더 깊게되고, 소스(5)와 드레인(6) 사이의 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜이 더욱 앝게 됨으로써, 표면 포텐셜의 차가 발생되어 진다. 따라서, 소자의 용도, 화소의 사이즈 등에 대응하는 최적량()만큼 소스(5)의 수직중심(8)을 화소 중심(8)에서 변위하여 위치시키는 것이 중요하다.The vertical center of the source (5) (8) In excess of the optimum displacement (0.4 μm in this embodiment) and closer to the second gate electrode 3, the first gate electrode between the source 5 and the second gate electrode 3. As the semiconductor surface potential under 2) becomes deeper and the semiconductor surface potential under the first gate electrode 2 between the source 5 and the drain 6 becomes thinner, a difference in surface potential is generated. Therefore, the optimum amount corresponding to the use of the device, the size of the pixel, and the like ( It is important to displace the vertical center 8 of the source 5 from the pixel center 8 by.

다음, 도3a와 도3b를 비교함으로써, 독출동작시의 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 이점을 설명한다. 도3a는 본 발명의 도1a 및 1b에 도시된 증폭형 고체촬상소자에서, 독출시의 제1게이트 영역하의 깊이 방향의 포텐셜 분포도이고, 도3b는 종래의 증폭형 고체촬상소자(본 출원인이 먼저 제안했던 것)에서, 독출시의 제1게이트 영역하의 깊이 방향의 포텐셜 분포도이다. 도3a에서, 부호 30은 소스(5)와 제2게이트전극(3) 사이의 제1게이트전극(2)하의 포텐셜분포를, 부호(31)은 소스(5)와 드레인(6) 사이의 제1게이트전극(2)하의 포텐셜분포를 나타낸다. 도3b에서, 포텐셜 분포(30', 31')는 각각 도3a의 포텐셜 분포(30, 31)에 대응한다.Next, by comparing FIG. 3A and FIG. 3B, the advantages of the amplifying solid-state imaging device of the present invention in the read operation will be described. Fig. 3A is a potential distribution diagram in the depth direction under the first gate area at the time of reading in the amplified solid-state image pickup device shown in Figs. 1A and 1B of the present invention, and Fig. 3B is a conventional amplification type solid-state image pickup device. In the depth direction under the first gate region at the time of reading. In Fig. 3A, reference numeral 30 denotes a potential distribution under the first gate electrode 2 between the source 5 and the second gate electrode 3, and reference numeral 31 denotes a potential distribution between the source 5 and the drain 6; The potential distribution under one gate electrode 2 is shown. In FIG. 3B, the potential distributions 30 'and 31' respectively correspond to the potential distributions 30 and 31 in FIG. 3A.

본 실시예에서는, 독출동작시에, 제1게이트전극(2)에 중간 전압 VA(M)=0.0V를 인가하고, 제2게이트전극(3)에 높은 전압 VB(H)=5.0V를 인가한다. 제1게이트전극(2)하의 반도체의 포텐셜의 가장 깊은 지점의 값(즉, 최대치)이 소스전압으로서 검출된다.In this embodiment, in the read operation, the intermediate voltage VA (M) = 0.0V is applied to the first gate electrode 2 and the high voltage VB (H) = 5.0V is applied to the second gate electrode 3. do. The value (ie, the maximum value) of the deepest point of the potential of the semiconductor under the first gate electrode 2 is detected as the source voltage.

증폭형 고체촬상소자의 저구동전압화, 저소비전력화 등을 위해, 드레인(6)에 인가하는 전압을 감소시키는 것이 바람직한 경우에는, 검출가능한 소스전위가 드레인전압을 초과할 수 없으므로, 독출된 제1게이트전극(2)하의 포텐셜을 감소시켜, 독출될 수 있는 전압의 진폭으로서 규정되는 다이나믹 레인지를 넓게 해야 한다. 도3a와 도3b의 포텐셜 분포를 비교함에 의해 명백해지는 바와같이, 소스영역(5)의 중심(8)을 화소의 중심(7)에서 제2게이트전극(3) 방향으로만큼 변위시킴에 의해(본 실시예에서는 0.4㎛ 변위됨에 의해), 제1게이트영역하의 반도체 포텐셜분포의 가장 깊은 지점의 값(최대치)을 작게 할 수 있다. 이 때문에, 드레인(6)에 5.0V의 전압이 인가되는 경우, 본 발명의 증폭형 고체촬상소자에 의하면, 도3b의 도시된 종래의 소자에 비해 다이나믹 레인지를 0.1V 향상시킬 수 있다.When it is desirable to reduce the voltage applied to the drain 6 for the purpose of lowering the driving voltage, lowering the power consumption, and the like of the amplifying solid-state image pickup device, the detectable source potential cannot exceed the drain voltage. The potential under the electrode 2 must be reduced to widen the dynamic range defined as the amplitude of the voltage that can be read out. As apparent by comparing the potential distributions of FIGS. 3A and 3B, the center 8 of the source region 5 is moved from the center 7 of the pixel to the second gate electrode 3. By displacing by this (by displacing 0.4 mu m in this embodiment), the value (maximum value) of the deepest point of the semiconductor potential distribution under the first gate region can be reduced. For this reason, when a voltage of 5.0 V is applied to the drain 6, the amplifying solid-state image pickup device of the present invention can improve the dynamic range by 0.1 V as compared with the conventional device shown in Fig. 3B.

[실시예 2]Example 2

도4a는 본 발명의 중자의 다른 바람직한 실시예의 개략 평면도(수평 및 수직 방향 사이의 관계가 역전된, 즉 90˚ 회전된 상태)이고, 도4b는 도4a의 선 B-B의 확대 단면도이다. 간단화를 위해, 실시예 1에 대응하는 부분은 동일 부호로 나타내며, 그에 대한 설명은 생략한다.Fig. 4A is a schematic plan view of another preferred embodiment of the core of the present invention (state in which the relationship between the horizontal and vertical directions is reversed, i.e. rotated by 90 °), and Fig. 4B is an enlarged sectional view of the line B-B in Fig. 4A. For the sake of simplicity, parts corresponding to the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

본 실시예의 증폭형 고체촬상소자에서는, 도4a에 도시된 바와같이, 화소중의 소스영역(5)이 장방형(정방형에 대해 반대)으로 형성되며, 화소중심(7)에서 소스영역(5)의 제2게이트영역(3)측의 단부까지의 거리가 화소중심(7)에서 소스영역(5)의 반대측의 단부까지의 거리보다 길게 되어 있다. 이에 의해, 제1게이트전극하의 반도체표면의 포텐셜을 균일하게 하고 있다.In the amplifying solid-state image pickup device of this embodiment, as shown in Fig. 4A, the source region 5 in the pixel is formed in a rectangle (as opposed to a square), and the source region 5 in the pixel center 7 is formed. The distance to the end portion on the side of the second gate region 3 is longer than the distance from the pixel center 7 to the end portion on the opposite side of the source region 5. As a result, the potential of the semiconductor surface under the first gate electrode is made uniform.

구체적으로, 본 실시예에서는, 소스영역(5)과 제2게이트영역(3) 사이의 제1게이트영역(2)의 폭을 종래 1.5㎛이던 것을 0.8㎛로 짧게 하고, 그 대신, 소스영역(5)의 제2게이트영역(3)측의 단부를 길게하여, 소스영역(5)의 형상을 상기한 정방형(도8a 참조)에서 장방형으로 변경하였다.Specifically, in the present embodiment, the width of the first gate region 2 between the source region 5 and the second gate region 3 is shortened to 0.8 µm from 1.5 µm, and instead, the source region ( The end portion at the side of the second gate region 3 in 5) was elongated to change the shape of the source region 5 from the above-described square (see Fig. 8A) to a rectangle.

본 실시예의 소자에 의하면, 소스영역(5)의 제2게이트영역(3)측이 길게 되어 있으므로, 소스영역(5)의 제2게이트영역측은, 제2게이트영역(3)에 인접한 드레인(6)의 영향을 받게 된다. 이 때문에, 도5에 도시된 바와같이, 소스영역과 제2게이트영역(3) 사이의 제1게이트영역(2)하의 반도체표면의 포텐셜분포(28)가 깊게 됨으로써, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 소스영역(5) 중심이 화소중심(7)과 일치하는 경우에 존재하는 표면 포텐셜의 차가 해소된다. 따라서, 도5에 도시된 바와같이, 표면 포텐셜을 제1게이트영역에서 균일화할 수 있다(도5의 부호 29는 소스영역과 드레인영역 사이의 제1게이트영역하의 반도체표면 포텐셜분포이다). 이 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 화소전체에 축적된 신호전하량에 대응하는 센서출력을 얻을 수 있어, 검출정도가 우수한 소자가 얻어진다.According to the device of this embodiment, since the second gate region 3 side of the source region 5 is long, the second gate region side of the source region 5 has a drain 6 adjacent to the second gate region 3. ) Will be affected. For this reason, as shown in Fig. 5, the potential distribution 28 of the semiconductor surface under the first gate region 2 between the source region and the second gate region 3 is deepened, similarly to the first embodiment, The difference in surface potential that exists when the center of the source region 5 coincides with the pixel center 7 is eliminated. Thus, as shown in Fig. 5, the surface potential can be made uniform in the first gate region (indicated by reference numeral 29 in Fig. 5 is the semiconductor surface potential distribution under the first gate region between the source region and the drain region). For this reason, similarly to the first embodiment, the sensor output corresponding to the amount of signal charge accumulated in the entire pixel can be obtained, thereby obtaining an element having excellent detection accuracy.

소스영역(5)의 형상은 장방형으로 한정되지 않고, 소자의 용도, 화소크기 등에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 즉, 제1게이트전극(2)하의 반도체표면 포텐셜이 균일하게 되도록, 화소중심(7)에서 소스영역(5)의 제2게이트영역(3)측의 단부까지의 거리가, 화소중심(7)에서 소스영역(5)의 반대측의 단부까지의 거리보다 길게하면 된다. 따라서, 화소중심(7)을 형상중심으로 하는 정방형 이외의 임의의 형상이라도 본 실시예에 광범위하게 선택될 수 있다.The shape of the source region 5 is not limited to rectangular, and may be appropriately changed according to the use of the device, the pixel size, and the like. That is, the distance from the pixel center 7 to the end portion of the second gate region 3 side of the source region 5 is the pixel center 7 so that the semiconductor surface potential under the first gate electrode 2 is uniform. It may be longer than the distance from the end of the source region 5 to the opposite side. Therefore, any shape other than square having the pixel center 7 as the shape center can be widely selected in this embodiment.

[실시예 3]Example 3

본 발명은 상기 실시예 1 및 2에 기술된 TGMIS형 증폭형 고체촬상소자(도1a, 1b 및 도4a,(4b)는 물론이고, 다른 구조의 증폭형 고체촬상소자에도 적용가능하다. 이에 대해, 본 실시예 및 후술하는 실시예 4 및 5에서 상세하게 설명한다.The present invention is applicable not only to the TGMIS amplified solid-state image pickup devices (Figs. 1A, 1B and 4A, 4B) described in Examples 1 and 2, but also to the amplified solid-state image pickup devices having other structures. This embodiment and the following Examples 4 and 5 will be described in detail.

본 실시예에서는, 본 출원인이 일본국 특허출원 제95-51641호에서 먼저 제안했던 BDMIS(Bulk Drain MOS Image Sensor)형 고체촬상장치로에 본 발명을 적용한 것에 대해 설명한다.This embodiment describes the application of the present invention to a BDMIS (Bulk Drain MOS Image Sensor) type solid state imaging device which was first proposed in Japanese Patent Application No. 95-51641.

도10은 BDMIS형 고체촬상장치의 일예를 나타낸 개략 평면도이다. 그 소자에서는, 입사광에 의해 발생된 신호전하(본 실시예에서는 전자)가 제1게이트전극(VA)의 하측에 축적되고, 그 축적상황에 의해 제1게이트전극(VA)하의 포텐셜이 변화한다. 그 결과, 소스(VS) 및 드레인(VD) 사이를 흐르는 전류(본 실시예에서는 정공)가 변화하고, 그 전류변화를 외부에 신호로서 출력한다.Fig. 10 is a schematic plan view showing an example of a BDMIS type solid state imaging device. In the device, signal charges generated by incident light (electrons in this embodiment) are accumulated below the first gate electrode VA, and the potential under the first gate electrode VA changes depending on the accumulation situation. As a result, the current (holes in this embodiment) flowing between the source VS and the drain VD changes, and the current change is output to the outside as a signal.

TGMIS형 소자와 비교하면, BDMIS형 소자의 특징은, (a) 반도체기판(100)이 드레인(VD)으로서 작용하고; (b) 신호전하를 반도체기판(100) 표면에서, 제2게이트전극(VB)을 통해 리세트드레인(VR)으로 배출하는 것이다.Compared with the TGMIS type element, the BDMIS type element is characterized by (a) the semiconductor substrate 100 acting as a drain VD; (b) The signal charges are discharged from the surface of the semiconductor substrate 100 to the reset drain VR through the second gate electrode VB.

도10에서는 신호전하가 전자인 경우의 예를 나타내고 있지만, 신호전하가 정공인 경우는 반도체층(104)의 도전성 및 p+층(100)을 역극성으로 하면 된다.10 shows an example in which the signal charge is electrons, but when the signal charge is holes, the conductivity of the semiconductor layer 104 and the p + layer 100 may be reversed.

도11은 BDMIS형 고체촬상소자에 본 발명을 적용한 일예의 개략 단면도이다. 편의상, 1화소부분의 단면만을 나타낸다. 이 소자에서는, 소스영역의 중심이 화소의 중심(즉, 제1게이트전극(VA)의 중심)에서 좌측으로, 신호 리세트게이트인 제2게이트전극(VB)의 방향으로,만큼 변위되어 위치한다. 환언하면, 제1게이트전극(VA)하의 포텐셜이 화소의 신호전하축적부분에서 균일하게 되도록 소스영역(5)이 변위되어 위치한다.Fig. 11 is a schematic sectional view of an example in which the present invention is applied to a BDMIS type solid state image pickup device. For convenience, only the cross section of one pixel portion is shown. In this element, the center of the source region is from the center of the pixel (ie, the center of the first gate electrode VA) to the left and in the direction of the second gate electrode VB which is a signal reset gate. Displaced by In other words, the source region 5 is displaced so that the potential under the first gate electrode VA is uniform in the signal charge accumulation portion of the pixel.

변위량()은 소자의 용도, 화소의 크기, 인가전압 등에 따라 변환된다. 예컨대, 본 실시예에서는, 제1게이트전극(VA)의 중심과 단부와의 거리는 1.5㎛이며, 이 경우의(상기한 다른 조건들에 따른) 적절한 변위량()은 0.2㎛이다.Displacement ( Is converted according to the use of the device, the size of the pixel, the applied voltage, and the like. For example, in this embodiment, the distance between the center and the end of the first gate electrode VA is 1.5 占 퐉, and the appropriate displacement amount (in accordance with the other conditions described above) in this case ( ) Is 0.2 μm.

상기 BDMIS형 고체촬상소자에서는, 신호독출은 제 3 게이트전극(VC)을 통해(드레인으로서 작용하는) 반도체기판(100)으로 전류를 흐르게 함에 의해 행해진다. 도11에서 명백한 바와같이, 본 실시예는 독출전류가 반도체기판(100) 표면을 따라 일방향으로만 흐르며, 최종적으로 기판(100)측으로 흐르는 타입의 BDMIS형 고체촬상소자에 적용하면 효과적이다.In the BDMIS type solid state image pickup device, signal reading is performed by flowing a current through the third gate electrode VC to the semiconductor substrate 100 (acting as a drain). As is apparent from Fig. 11, this embodiment is effective when applied to a BDMIS type solid state image pickup device of the type in which the read current flows only in one direction along the surface of the semiconductor substrate 100 and finally flows to the substrate 100 side.

또는, 실시예 2와 마찬가지로, 소스영역의 형상을 변화시킴에 의해, 제1게이트전극(VA)하의 포텐셜을 화소의 신호전하축적부분에서 균일하게 할 수 있다는 후술하는 실시예 4 및 5에서도, 마찬가지이다.Alternatively, similarly to Embodiment 2, the same applies to Embodiments 4 and 5 described later, in which the potential under the first gate electrode VA can be made uniform in the signal charge accumulation portion of the pixel by changing the shape of the source region. to be.

[실시예 4]Example 4

도12는 본 발명의 증폭형 고체촬상소자의 또 다른 예를 나타낸 개략단면도이다. 본 실시예에서는, 본 출원인이 일본국 특허 출원 제 96-19199호에서 먼저 제안했던 표면 리세트 타입의 TGMIS형 고체촬상소자에 본 발명을 적용한 경우에 대해 설명한다.12 is a schematic sectional view showing still another example of the amplifying solid-state image pickup device of the present invention. In this embodiment, the present application will be described in the case where the present invention is applied to a TGMIS type solid-state image pickup device of the surface reset type first proposed in Japanese Patent Application No. 96-19199.

도12에 도시된 바와같이, 본 실시예의 소자와 일본국 특허 출원 제94-303953호에서 먼저 제안했던 TGMIS형 고체촬상소자의 다른 점은, 리세트드레인(VR)이 기판(100) 표면 또는 그 근처에 설치되어 있는 것이다. 상기 소자에서는, 제1게이트전극(VA)의 하측에 축적된 신호전하를, 제1게이트전극(VA)에 인접한 제2게이트전극(VB)의 하측의 기판(100) 표면 또는 그 근처에 리세트 드레인(VR)을 설치하고, 제2게이트전극(VB)을 통해 신호전하를 리세트 드레인(VR)에 배출한다.As shown in Fig. 12, the difference between the element of the present embodiment and the TGMIS type solid-state image pickup device first proposed in Japanese Patent Application No. 94-303953 is that the reset drain VR is formed on the surface of the substrate 100 or the same. It is installed nearby. In the device, the signal charge accumulated on the lower side of the first gate electrode VA is reset on or near the surface of the substrate 100 on the lower side of the second gate electrode VB adjacent to the first gate electrode VA. A drain VR is provided, and signal charges are discharged to the reset drain VR through the second gate electrode VB.

이 소자에서는, 소스영역(VS)의 중심이 신호전하 축적부분의 중심(제1게이트전극(VA)의 중심)에서만큼, 제2게이트전극(VB)측으로 변위되어 위치한다. 이 때문에, 제1게이트전극(VA)의 포텐셜이 화소의 신호전하 축적부분에서 균일하게 된다. 본 실시예에서는, 제1게이트전극(VA)의 중심과 단부와의 거리가 1.5㎛이고, 이 경우의 상기한 다른 조건들에 따른 적절한 변위량()은 0.4㎛로 된다. 상기한 바와같이, 변위량()은 소자의 용도, 화소의 크기, 인가전압 등에 따라 적절하게 변화된다.In this element, the center of the source region VS is at the center of the signal charge storage portion (the center of the first gate electrode VA). As a result, it is displaced toward the second gate electrode VB. For this reason, the potential of the first gate electrode VA becomes uniform at the signal charge accumulation portion of the pixel. In this embodiment, the distance between the center and the end of the first gate electrode VA is 1.5 占 퐉, and the appropriate displacement amount according to the other conditions described above in this case ( ) Is 0.4 µm. As described above, the displacement amount ( ) Is appropriately changed depending on the use of the device, the size of the pixel, the applied voltage, and the like.

[실시예 5]Example 5

도13은 본 발명의 증폭형 고체찰상소자의 또 다른 예를 나타낸 개략단면도이다. 본 실시예에서는, 본 출원인이 일본국 특허출원 제 96-19200호에서 먼저 제안했던 기판표면 또는 그 근처에 전계저지수단이 설치된 TGMIS형 고체촬상소자에 본 발명을 적용시킨 경우에 대해 설명한다.Fig. 13 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the amplifying solid-state scratching device of the present invention. In this embodiment, the present application will be described in the case where the present invention is applied to a TGMIS type solid state image pickup device in which an electric field blocking means is provided on or near the substrate surface, which was first proposed in Japanese Patent Application No. 96-19200.

도13에 도시된 바와같이, 본 실시예의 소자와 일본국 특허 출원 제 94-303953호에서 먼저 제안했던 TGMIS형 고체촬상소자의 다른 점은 상기 제2게이트영역의, 상기 제1게이트영역에 인접한 부분의 반대측의 상기 반도체기판(100) 표면 또는 그의 근방부에 전계저지수단(105)(예컨대, 트렌치구조)이 설치되어 있는 점이다.As shown in Fig. 13, the difference between the device of this embodiment and the TGMIS type solid-state imaging device first proposed in Japanese Patent Application No. 94-303953 is that part of the second gate area adjacent to the first gate area. The field blocking means 105 (for example, a trench structure) is provided on the surface of or near the semiconductor substrate 100 on the opposite side.

이러한 전계저지수단(105)을 설치함에 의해, 기판(100)표면에서 깊이방향을 따라 포텐셜 분포의 중간에 신호의 리세트 동작을 방해하는 리지가 발생됨을 방지하는 기능이 제공된다. 따라서, 전계저지수단(105)이 기판(100)측에 신호전하를 배출할 수 있다.By providing the electric field blocking means 105, a function is provided to prevent the occurrence of a ridge that interferes with the reset operation of the signal in the middle of the potential distribution along the depth direction on the surface of the substrate 100. Therefore, the electric field blocking means 105 can discharge the signal charges to the substrate 100 side.

이 소자에서는, 소스영역(VS)의 중심이 신호전하 축적부분의 중심(제1게이트전극(VA)의 중심)에서만큼 제2게이트전극(VB)측으로 변위되어 위치하고, 따라서 제1게이트전극(VA)하의 포텐셜이 화소의 신호전하 축적부분에서 균일하게 된다.In this element, the center of the source region VS is at the center of the signal charge storage portion (the center of the first gate electrode VA). As a result, it is displaced toward the second gate electrode VB, so that the potential under the first gate electrode VA becomes uniform in the signal charge accumulation portion of the pixel.

전술한 바와같이, 종래의 TGMIS형 증폭형 고체촬상소자에서는, 소스영역이 화소의 중앙부근에 설치된다(즉, 소스영역의 중심이 화소의 중심에 일치하거나, 거의 일치하게 설치된다). 제1게이트영역하의 소스영역과 제2게이트영역 사이의 부분은 드레인과 소스영역 사이의 제1게이트전극의 부분에 비해, 드레인에서 더 멀리 분리되어 있으므로, 드레인에 인가되는 전압에 의한 영향이 비교적 작다. 그 결과, 소스영역과 제2게이트영역 사이의 제1게이트영역하의 반도체표면의 포텐셜이 낮게 되어, 신호전하(정공)를 축적하게 된다. 즉, 제1게이트전극하의 반도체표면의 포텐셜이 불균일하게 된다. 이 때문에, 화소전체에 축적되어 있는 신호전하량을 적절하게 반영하는 반도체의 포텐셜의 변동을 얻을 수 없고, 신호전하량에 대한 감도가 낮게 된다.As described above, in the conventional TGMIS type amplifying solid-state image pickup device, the source region is provided near the center of the pixel (that is, the center of the source region coincides with or almost coincides with the center of the pixel). Since the portion between the source region and the second gate region under the first gate region is further separated from the drain than the portion of the first gate electrode between the drain and the source region, the influence of the voltage applied to the drain is relatively small. . As a result, the potential of the semiconductor surface under the first gate region between the source region and the second gate region becomes low, thereby accumulating signal charges (holes). In other words, the potential of the semiconductor surface under the first gate electrode becomes uneven. For this reason, fluctuations in the potential of the semiconductor which properly reflect the amount of signal charge accumulated in the entire pixel cannot be obtained, and the sensitivity to the amount of signal charge becomes low.

이에 대해, 본 발명의 증폭형 고체촬상소자에 의하면, 소스영역의 중심(8)을 화소의 중심(7)에서만큼 변위시킴에 의해, 제1게이트영역하의 반도체표면의 포텐셜을 균일하게 할 수 있다. 이는 이하의 메카니즘에 의해 이루어진다 : 소스영역의 일부(일단부)를 제2게이트영역에 근접되게 하여, 소스영역과 제2게이트영역 사이의 제1게이트영역하의 반도체표면의 포텐셜이 인접한 화소의 드레인에 인가되는 전압의 영향(제2게이트영역에 대한 근접도에 따른 영향)으로 인해 깊어지게 됨으로써 상기 불균일을 해소하는 방향으로 표면포텐셜이 변화한다.In contrast, according to the amplifying solid-state imaging device of the present invention, the center 8 of the source region is moved from the center 7 of the pixel. By displacing as much as possible, the potential of the semiconductor surface under the first gate region can be made uniform. This is accomplished by the following mechanism: a portion (one end) of the source region is brought close to the second gate region, so that the potential of the semiconductor surface under the first gate region between the source region and the second gate region is in the drain of the adjacent pixel. The surface potential is changed in a direction to solve the nonuniformity by being deepened by the influence of the applied voltage (influence according to the proximity to the second gate region).

이 때문에, 소스영역과 제2게이트영역의 거리를 최적화함에 의해, 소스영역과 제2게이트영역 사이의 제1게이트영역(제1게이트전극)하의 표면 포텐셜 및 드레인영역과 소스영역 사이의 제1게이트영역하의 표면 포텐셜을 동일하게 할 수 있다. 따라서, 제1게이트영역하의 반도체표면의 포텐셜을 균일하게 할 수 있다.Thus, by optimizing the distance between the source region and the second gate region, the surface potential under the first gate region (first gate electrode) between the source region and the second gate region and the first gate between the drain region and the source region The surface potential under an area can be made the same. Therefore, the potential of the semiconductor surface under the first gate region can be made uniform.

[발명의 효과][Effects of the Invention]

본 발명에 의하면, 소스영역을 화소의 중심에서 변위시키기 위한 두가지 수단으로서, 예컨대 (i) 소스영역의 중심위치를 화소의 중심에서 제2게이트영역의 방향으로 변위시키는 것; 및/또는 (ii) 소스영역을 화소중심에서 소스영역의 제2게이트영역측의 단부까지의 거리가 화소중심에서 소스영역의 반대측의 단부까지의 거리보다 긴 형상을 가지도록 형성함에 의해 실시된다.According to the present invention, there are two means for displacing the source region at the center of the pixel, for example: (i) displacing the center position of the source region in the direction of the second gate region from the center of the pixel; And / or (ii) the source region is formed such that the distance from the pixel center to the end portion of the second gate region side of the source region has a shape longer than the distance from the pixel center to the end portion on the opposite side of the source region.

그 결과, 신호전하가 화소중의 제1게이트영역하에 균일하게 축적됨으로써, 화소전체에 축적된 신호전하량을 반영한 반도체의 포텐셜의 변동을 얻을 수 있다. 따라서, 축적신호전하량(예컨대, 정공)에 대한 센서출력의 감도를 향상시킬 수 있고, 검출정확도가 우수한 소자가 얻어진다.As a result, signal charges are uniformly accumulated under the first gate region in the pixel, whereby the potential of the semiconductor reflecting the amount of signal charge accumulated in the entire pixel can be obtained. Therefore, the sensitivity of the sensor output with respect to the accumulated signal charge amount (for example, holes) can be improved, and an element having excellent detection accuracy can be obtained.

한편, 소스영역의 일부(일단부)를 드레인영역에서 멀게하면, 소스영역과 드레인영역 사이의 제1게이트영역하의 반도체중에서, 드레인에 인가되는 전압의 영향이 약해짐으로써, 기판 깊이 방향의 포텐셜의 극대치가 작아지게 된다. 이 때문에, 소스 전위로서 검출된 MOS 트랜지스터의 포텐셜이 작아지게 된다. 이로써, 소스전위에서 검출될 수 있는 레인지가 드레인에 인가되는 전압이상으로 될 수 없다. 드레인에 일정한 저전압만이 인가되어, 검출될 수 있는 전압이 상기 일정한 저전압으로 제한되는 경우, 본 발명에 따라 소스영역의 중심을 화소의 중심에서 변위시킴에 의해, 즉 소스영역의 일부(일단부)를 드레인영역에서 멀리 배치함에 의해, 기판중의 포텐셜 극대치를 작게함으로써, 독출될 수 있는 전압의 진폭으로 정의되는 다이나믹레인지를 더욱 향상시킬 수 있다.On the other hand, when a part (one end) of the source region is far from the drain region, the influence of the voltage applied to the drain in the semiconductor under the first gate region between the source region and the drain region is weakened, so that the potential of the potential in the substrate depth direction is reduced. The maximum value becomes small. For this reason, the potential of the MOS transistor detected as the source potential becomes small. Thus, the range that can be detected at the source potential cannot be higher than the voltage applied to the drain. When only a constant low voltage is applied to the drain and the detectable voltage is limited to the constant low voltage, according to the present invention, by displacing the center of the source region from the center of the pixel, that is, part of the source region (one end) By disposing the at the drain region far away, the dynamic maximum defined by the amplitude of the voltage that can be read out can be further improved by reducing the potential maximum in the substrate.

이상과 같은 이점을 갖는 본 발명의 증폭형 고체촬상소자를 증폭형 고체촬상장치에 응용하면, 구동전압이 낮아지고 소비전력이 작아지며, 소자특성이 우수한 증폭형 고체촬상장치를 실현할 수 있게 된다.Application of the amplifying solid-state imaging device of the present invention having the above advantages to an amplifying solid-state imaging device makes it possible to realize an amplifying solid-state imaging device with low driving voltage, low power consumption, and excellent device characteristics.

본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 당업자들에게 여러가지 다른 개조가 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 이상 설명된 내용에 제한되는 것이 아니고, 더 넓게 해석되어야 한다.Various other modifications may be made to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the appended claims should not be limited to the above description, but should be construed broadly.

Claims (15)

소스영역, 상기 소스영역을 둘러싸며 광전변환영역으로 작용하는 제1게이트영역 및 상기 소스영역과 대향하는 측상에 제1게이트영역과 인접하게 형성된 제2게이트영역을 포함하며, 상기 제1게이트영역에 축적된 신호전하를 제2게이트영역을 통해 배출하며 ; 상기 소스영역의 중심이 화소의 중심에서 변위되는 증폭형 고체촬상소자.A source region, a first gate region surrounding the source region and serving as a photoelectric conversion region, and a second gate region formed adjacent to the first gate region on a side facing the source region, wherein the second gate region is formed on the first gate region. Discharge the accumulated signal charges through the second gate area; An amplifying solid-state image pickup device in which the center of the source region is displaced from the center of the pixel. 제1항에 있어서, 상기 제1게이트영역이 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 형성된 트랜지스터의 일부이며, 상기 트랜지스터가 광전변환에 의해 발생된 신호전하의 축적량에 따라 전기신호의 변화를 출력하며 ; 상기 제2게이트영역은 반도체기판의 표면에 형성되며 ; 상기 제2게이트영역에서의 신호전하의 리세트가 반도체기판의 내부에서 행해지는 증폭형 고체촬상소자.The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate region is a part of a transistor formed on or near the surface of the semiconductor substrate, and the transistor outputs a change in an electrical signal in accordance with the accumulation amount of signal charge generated by photoelectric conversion; The second gate region is formed on a surface of the semiconductor substrate; An amplifying solid-state image pickup device in which the reset of the signal charges in the second gate area is performed inside the semiconductor substrate. 제1항에 있어서, 상기 제1게이트영역이 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 형성된 트랜지스터의 일부이며, 상기 트랜지스터가 광전변환에 의해 발생된 신호전하의 축적량에 따라 전기신호의 변화를 출력하며 ; 상기 제2게이트영역은 반도체기판의 표면에 형성되며 ; 상기 리세트 드레인은 제2게이트영역에 인접한 단부의 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 제공되며 ; 신호전하의 리세트가 제2게이트영역을 통해 리세트드레인에서 행해지며 ; 상기 전기신호의 변화는 소스영역과 반도체기판 사이로 흐르는 전류에서 발생하는 변화에 따라 트랜지스터에 의해 출력되며, 상기 반도체기판이 드레인으로서 작용하는 증폭형 고체촬상소자.The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate region is a part of a transistor formed on or near the surface of the semiconductor substrate, and the transistor outputs a change in an electrical signal in accordance with the accumulation amount of signal charge generated by photoelectric conversion; The second gate region is formed on a surface of the semiconductor substrate; The reset drain is provided on or near the surface of the semiconductor substrate at an end adjacent to the second gate region; Reset of the signal charge is performed in the reset drain via the second gate region; And the change of the electrical signal is output by the transistor in accordance with the change generated in the current flowing between the source region and the semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate acts as a drain. 제1항에 있어서, 제1게이트영역이 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 형성된 트랜지스터의 일부이며, 상기 트랜지스터가 광전변환에 의해 발생된 신호전하의 축적량에 따라 전기신호의 변화를 출력하며 ; 상기 제2게이트영역은 반도체기판의 표면에 형성되며 ; 상기 리세트 드레인은 제2게이트영역내의 반도체기판의 표면 또는 그 근방에 제공되는 증폭형 고체촬상소자.The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate region is part of a transistor formed on or near the surface of the semiconductor substrate, and the transistor outputs a change in the electrical signal in accordance with the accumulation amount of the signal charge generated by the photoelectric conversion; The second gate region is formed on a surface of the semiconductor substrate; And the reset drain is provided on or near the surface of the semiconductor substrate in the second gate region. 제1항에 있어서, 상기 제1게이트영역에 인접한 부분 반대측의 제2게이트영역측의 반도체기판 표면 및 그 근방부에 전계저지부가 형성되는 증폭형 고체촬상소자.2. An amplifying solid-state image pickup device according to claim 1, wherein an electric field blocking portion is formed in and near the surface of the semiconductor substrate on the side of the second gate region opposite to the portion adjacent to the first gate region. 제1항에 있어서, 상기 소스영역의 중심위치가 화소의 중심에서 제2게이트 영역을 향해 변위되어 있는 증폭형 고체촬상소자.The amplifying solid state image pickup device according to claim 1, wherein the center position of the source region is displaced from the center of the pixel toward the second gate region. 제1항에 있어서, 상기 소스영역의 중심위치가 화소의 중심에서 제2게이트 영역을 향해 변위되어 있는 증폭형 고체촬상소자.The amplifying solid state image pickup device according to claim 1, wherein the center position of the source region is displaced from the center of the pixel toward the second gate region. 제3항에 있어서, 상기 소스영역의 중심위치가 화소의 중심에서 제2게이트영역을 향해 변위되어 있는 증폭형 고체촬상소자.4. The amplifying solid-state image pickup device according to claim 3, wherein the center position of the source region is displaced from the center of the pixel toward the second gate region. 제4항에 있어서, 상기 소스영역의 중심위치가 화소의 중심에서 제2게이트영역을 향해 변위되어 있는 증폭형 고체촬상소자.The amplifying solid-state image pickup device according to claim 4, wherein the center position of the source region is shifted from the center of the pixel toward the second gate region. 제5항에 있어서, 상기 소스영역의 중심위치가 화소의 중심에서 제2게이트영역을 향해 변위되어 있는 증폭형 고체촬상소자.6. The amplifying solid state image pickup device according to claim 5, wherein the center position of the source region is displaced from the center of the pixel toward the second gate region. 제1항에 있어서, 상기 소스영역은 화소의 중심 및 제2게이트영역에 인접한 소스영역의 중심 사이의 거리가 화소의 중심 및 소스영역의 대향단부 사이의 거리보다 더 길게 되어 있는 형상을 가지는 증폭형 고체촬상소자.The amplification type of claim 1, wherein the source region has a shape in which a distance between a center of a pixel and a center of a source region adjacent to the second gate region is longer than a distance between a center of the pixel and an opposite end of the source region. Solid state imaging device. 제2항에 있어서, 상기 소스영역은 화소의 중심 및 제2게이트영역에 인접한 소스영역의 중심 사이의 거리가 화소의 중심 및 소스영역의 대향단부 사이의 거리보다 더 길게 되어 있는 형상을 가지는 증폭형 고체촬상소자.The amplification type of claim 2, wherein the source region has a shape in which a distance between a center of a pixel and a center of a source region adjacent to the second gate region is longer than a distance between a center of the pixel and an opposite end of the source region. Solid state imaging device. 제3항에 있어서, 상기 소스영역은 화소의 중심 및 제2게이트영역에 인접한 소스영역의 중심 사이의 거리가 화소의 중심 및 소스영역의 대향단부 사이의 거리보다 더 길게 되어 있는 형상을 가지는 증폭형 고체촬상소자.The amplification type of claim 3, wherein the source region has a shape in which a distance between a center of a pixel and a center of a source region adjacent to the second gate region is longer than a distance between a center of the pixel and an opposite end of the source region. Solid state imaging device. 제4항에 있어서, 상기 소스영역은 화소의 중심 및 제2게이트영역에 인접한 소스영역의 중심 사이의 거리가 화소의 중심 및 소스영역의 대향단부 사이의 거리보다 더 길게 되어 있는 형상을 가지는 증폭형 고체촬상소자.The amplification type of claim 4, wherein the source region has a shape in which a distance between the center of the pixel and the center of the source region adjacent to the second gate region is longer than the distance between the center of the pixel and the opposite end of the source region. Solid state imaging device. 제5항에 있어서, 상기 소스영역은 화소의 중심 및 제2게이트영역에 인접한 소스영역의 중심 사이의 거리가 화소의 중심 및 소스영역의 대향단부 사이의 거리보다 더 길게 되어 있는 형상을 가지는 증폭형 고체촬상소자.The amplification type of claim 5, wherein the source region has a shape in which a distance between the center of the pixel and the center of the source region adjacent to the second gate region is longer than the distance between the center of the pixel and the opposite end of the source region. Solid state imaging device.
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