KR20060051971A - 고체촬상장치 - Google Patents

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KR20060051971A
KR20060051971A KR1020050092361A KR20050092361A KR20060051971A KR 20060051971 A KR20060051971 A KR 20060051971A KR 1020050092361 A KR1020050092361 A KR 1020050092361A KR 20050092361 A KR20050092361 A KR 20050092361A KR 20060051971 A KR20060051971 A KR 20060051971A
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데츠로 구메사와
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

본 발명은,
Figure 112005055757312-PAT00001
특성을 얻어서 다이내믹 레인지의 확대를 도모한 고체촬상소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 고체촬상소자는, 세로형 오버플로 기능을 가지고, 노출개시에서 노출종료의 사이에 반도체기판의 전위를 높은 전위에서 낮은 전위로 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

고체촬상장치{Solid state imaging device}
도 1은, 본 발명에 관한 고체촬상소자의 한 실시형태를 나타내는 개략구성도이다.
도 2는, 본 발명에 관한 CCD형 고체촬상소자의 한 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 서브스트레이트 기판의 Vsub 전압과 축적시간(T)과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 취급전하량(Qs)과 축적시간(T)과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 취급전하량(Qs)과 광량과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 설명에 제공하는 오버플로 배리어의 변화와 취급전하량의 변화를 나타내는 포텐셜 분포도이다.
도 7은, 본 발명에 관한 CMOS형 고체촬상소자의 다른 실시의 형태를 나타내는 단면도이다.
*부호의 설명
1. 고체촬상소자 2. 단위화소셀
3. 포토센서부 4. 독출부
5. 수직전하전송부 6. 수평전하전송부
7. 화소분리부 10. 출력회로
11. n형 반도체기판 13. p형 제 1의 웰 영역
14. 포토다이오드 15. 전하축적영역
16. 게이트절연막 17. 수직전송전극
18. 층간절연막 19. 차광막
22. 독출영역 23. p형 제 2의 웰 영역
24. n형의 전하전송영역 25. p형의 화소분리영역
26. 개구 30. 기판전압 가변제어수단
41. CMOS 고체촬상장치 43. 서브스트레이트
44. 기판전압 가변제어수단 52. p형 제 1의 웰 영역
53. 포토다이오드 54. 전하독출 트랜지스터
55. 리셋 트랜지스터 56. 앰프 트랜지스터
57, 58, 59. n + 소스ㆍ드레인영역 61. n형의 반도체영역
62. p형 반도체영역 63. p형 제 2의 웰 영역
74. 게이트전극 75. 접속도체
76. 전원배선 77. 다층의 배선
78. 층간절연막
본 발명은, 다이내믹 레인지의 확대를 용이하게 하는 고체촬상소자에 관한 것이다.
전자디바이스의 하나인 고체촬상소자로서는, 전하전송형인 CCD 고체촬상소자(이른바 CCD 이미지센서)와, X-Y 어드레스를 지정하여 독출하는 CMOS 고체촬상소자(이른바 CMOS 이미지센서)가 대표적이다. 이러한 어느 쪽의 고체촬상소자도 2차원으로 배치된 포토다이오드에 입사한 빛을 광전변환하고, 그 중 한쪽의 전하(예를 들면 전자)를 신호전하로 하는 점에서 유사하다.
이러한 CCD형 혹은 CMOS형의 고체촬상소자를 사용한 카메라에서는, 통상 렌즈의 조리개 등을 이용함으로써 광량(光量)을 표준설정레벨로 설정한다. 예를 들면, 풍경과 하늘에 떠 있는 구름이 함께 찍히도록 하는 경우나, 또는, 예를 들면 실내에서 촬영하는 경우에 실내의 장식물과 창 밖의 풍경을 함께 찍고 싶은 경우에 있어서 말할 수 있는 것이지만, 이러한 고체촬상소자는, 강한 빛에 대해서 포화특성을 가지고 있기 때문에, 실제로 카메라로 찍은 화상이라고 하는 것은 매우 밋밋한 깊이가 없는 화상이 되어 버린다. 또한, 최근의 고체촬상소자는, 고해상도화(예를 들면 200만 화소)의 요구가 강한 셀사이즈가 미세화되어 오고 있고(예를 들면 3미크론각), 최대 취급전하량(Qs)도 상당히 작아져서 전자수 6,000개 ~ 10,000개로 되고 있다. 또한, 표준설정상태에 있어서의 광(光) 숏 노이즈의 영향이나, 고정패턴 노이즈, 암전류(暗電流)의 영향을 억제하기 위해서는, 설정레벨을 높이지 않으면 안 되는 상황이 되고, 점점 촬상된 화상에 깊이가 없는 것으로 되고 있다.
이러한 것을 해결하는 수단으로서, 프레임 트랜스퍼 방식의 CCD 고체촬상소 자(특허문헌 1 참조)에서는, 축적전하량을 컨트롤하고, 오버플로 전하를 주변의 채널 스톱(이 경우, N영역을 설치하지 않음)과 재결합시키고 있는, 그러나 실제 이 프레임 트랜스퍼 타입은 블루밍 현상을 발생해 버린다.
인터 트랜스퍼 방식의 CCD 고체촬상소자(비특허문헌 2 참조)에 있어서는, 가로형 오버플로 드레인 구조를 가지고, 그 오버플로 컨트롤 전극을 제어함으로써, 더욱, CMOS 고체촬상소자(비특허문헌 1 참조)에서는, 리셋 전압을 제어함으로써, 각각의 고체촬상소자의 Qs를 수광기간중에 변화시키고, 광량과 출력의 관계를 종래의 리니아의 관계로부터
Figure 112005055757312-PAT00002
특성을 가지게 하여, 유사적으로 Qs를 증가시키고 있다.
한편, 화소의 셀사이즈의 미세화를 촉진시키기 위해서, 신호전하의 일소(一掃)(sweeping out)를 기판측으로 행하도록 한 세로형 오버플로 구조의 CCD 고체촬상소자가 알려져 있다. 이 세로형 오버플로 구조의 CCD 고체촬상소자에서는, 수광기간중, 기판에 일정한 기판전압이 인가되며, 전자셔터를 행할 때에 기판전위를 바꿔서 신호전하를 기판측으로 일소(一掃)하도록 하고 있다(특허문헌 3 참조).
또한,
Figure 112005055757312-PAT00003
보정은, TV신호처리의 리니어 커브를 굽히는 것으로 행해지고 있지만, 그러나, 세로형 오버플로 구조에서는
Figure 112005055757312-PAT00004
보정이 실시되고 있지 않았다.
[특허문헌 1] US3953733(RCA ; 1975년)
[특허문헌 2] 특허소54-51318호 공보
[특허문헌 3] 특개평2-40956호 공보
[비특허문헌 1] IEEE Vol.33, PP2081(MIT ; 1998년 12월)
그런데, 상술하는 세로형 오버플로 구조의 고체촬상소자에 있어서도, 광량과 출력전하량과의 관계에
Figure 112005055757312-PAT00005
특성을 가지게 하여 다이내믹 레인지의 확대를 도모하는, 즉, 다이내믹 레인지의 확대를 도모하는 것은, 현상황의 3 미크론각 정도의 축적전하량을 유사적으로 하든지 크게 보이게 하는 것이 요망된다.
본 발명은, 상술한 점에 감안하여,
Figure 112005055757312-PAT00006
특성을 얻어 다이내믹 레인지의 확대를 도모한 고체촬상소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 고체촬상소자는, 세로형 오버플로 기능을 가지고, 노출개시에서 노출종료의 사이에 반도체기판의 전위를 높은 전위에서 낮은 전위로 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체기판 전위의 단계적인 변화에서, 포화전하량을 단계적으로 커지도록 제어하는 것이 바람직하다. 상기 반도체기판의 전위는, 수평블랭킹 기간에 제어되는 것이 바람직하다.
본 발명의 고체촬상소자에서는, 수광중에 단계적으로 반도체기판의 전위를 높은 전위에서 낮은 전위로 바꾸는 것으로 오버플로 컨트롤 게이트영역의 포텐셜 배리어가 단계적으로 높아지는 방향으로 변조하고, 시간적으로 포화전하량, 즉 최대 취급전하량을 컨트롤할 수 있다.
기판전위의 단계적인 변화에서 포화전하량을 단계적으로 커지도록 변화시킴 으로써, 광량과 출력전하량과의 관계에
Figure 112005055757312-PAT00007
특성을 가지게 할 수 있다.
기판전위를 수평블랭킹 기간에 제어(이른바 전환하는)함으로써, 기판전위의 전환에 의한 노이즈를 억제할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.
도 1은, 본 발명에 관한 고체촬상소자의 한 실시의 형태를 나타내는 구성도이다. 일례로서 세로형 오버플로 드레인(OFD : Overflow Drain)구조의 CCD 고체촬상소자를 이용하여 설명한다.
본 실시형태에 관한 세로형 OFD 구조의 CCD 고체촬상소자(1)는, 인터라인 트랜스퍼 방식으로 구성되어 화소로 되는 수광부, 즉 포토센서부(3)와 포토센서부(3)로부터의 신호전하를 독출하기 위한 독출부(이른바 독출게이트부)(4)와, 이 독출부(4)에 의해서 독출된 신호전하를 수직방향으로 전송하는 CCD 구성에 의한 수직전하전송부(이른바 수직전송 레지스터부)(5)와, 이 수직전하전송부(5)에 의해서 전송된 전하를, 수평라인마다, 출력회로(10)에 순차적으로 전송하는 수평전하전송부(이른바 수평전송 레지스터부)(6)를 가지고 이루어진다. 각 포토센서부(3)는, 화소분리부(7)에 의해 분리되어 있다.
도 2에, 단위화소의 단면구조를 나타낸다.
본 실시형태에 관한 CCD형 고체촬상소자는, 제 1도전형. 본 예에서는, N형의 반도체기판(이하, 서브스트레이트라고 한다)(11)에 제 2도전형, 즉 p형의 제 1웰 영역(13)이 형성되며, 이 p형 제 1의 웰 영역(13)에 n형 반도체영역(14)과 그 표면의 P형 전하축적영역(이른바 p + 어큐뮬레이션 영역)(15)에 의해 형성된 포토 센서부(3), 즉 포토다이오드(PD)가 매트릭스형으로 배열되며, 각각 포토센서부(3)의 각 화소가 형성되어 이루어진다.
또한, p형 제 1의 웰 영역(13)에는, 각 수직라인상에 배열된 포토다이오드(14)와 소요 거리를 사이에 두어, p형 제 2의 웰 영역(23)이 형성되며, 이 p형 제 2의 웰 영역(23) 상에 n형의 전하전송영역(이른바 전송채널영역)(24)이 형성되며, 또한, 게다가 예를 들면 SiO2 등에 의한 게이트절연막(16)을 통해 수직전송전극(17)이 형성되어 수직전하전송부(5)가 구성된다.
이 수직전하전송부(5)와, 대응하는 포토다이오드(14)와의 사이에, P형의 신호전하의 독출영역(22)이 형성되어, 독출부(4)가 구성된다. 서로 이웃하는, 다른 수직전송부간에는, p형의 화소분리영역(이른바 채널스톱영역)(25)에 의한 화소분리부(7)가 형성된다. 1개의 포토센서부(3)와 독출부(4)와 수직전하전송부(5)와 화소분리부(7)가 형성된다. 1개의 포토센서부(3)와 독출부(4)와 수직전하전송부(5)와 화소분리부(7)에 의해서, 단위화소셀(2)이 구성된다.
수직전송전극(17)은, 예를 들면 다결정(多結晶)실리콘으로 형성되는 동시에 화소분리영역(5)으로부터 독출영역(22)에 걸쳐서 형성된다. 또한, 이 수직전송전극(17)상을 포함하여 전면적으로 SiO2 등의 층간절연막(18)을 통해 차광막(19)이 형성된다. 그리고, 이 차광막(19)의 포토센서부(3) 상에 개구(26)가 형성되어, 이러한 개구(26)를 통해 포토센서부(3)에서 수광을 행하고, 이 수광량에 따른 신호전하가 포토다이오드(14)에 의해서 발생한다.
n형 서브스트레이트(12)의 이면 측에는 저(低)저항화 하기 위해, n형의 높은 불순물 농도영역(11a)이 형성된다. 본 예의 포토센서부(3)는, p + 어큐뮬레이션 영역(15)과 n형 반도체영역(14)과, p형 제 1의 웰 영역(13)과 n형 서브스트레이트(11)의 npnp 구조에 의해, HAD(Hole Accumulated Diode)센서를 구성하고 있다.
그리고, p형 제 1의 웰 영역(13)이, 오버플로 컨트롤 게이트영역이 되며, n형 서브스트레이트(11)가 오버플로 드레인영역으로 되어, 세로형 오버플로 구조의 CCD 고체촬상소자를 구성한다. 즉, 서브스트레이트(11)에 소요 기판전압(Vsub)이 인가되어, 포토센서부(3)에서 오버플로한 전하는, 서브스트레이트(11) 측에 판독된다.
이 CCD 고체촬상소자에서는, 각 포토센서부(3)에서 광전변환되어 축적된 신호전하가 독출부(4)를 통해 각각 대응하는 수직전하전송부(5)에 독출되며, 수직전하전송부(5) 내를 전송하여 수평라인마다 수평전하전송부(6)에 전송되며, 또한 수평전하전송부(6) 내를 한 방향으로 전송하여, 출력회로(10)를 통해 전압변환되어 출력된다. 수광기간에 있어서, 포토센서부(3)에서 오버플로한 전하는, 오버플로 컨트롤 영역인 p형 제 1의 웰 영역(13)을 통해 기판전압(Vsub)이 인가되어 있는 n형 서브스트레이트(11)에서 일소(一掃)된다. 한편, 전자셔터는, 기판전압(Vsub)을 수광기간에서의 기판전압(Vsub)보다 높은 기판전압(Vsub + △V)으로서 전자셔터 기간중의 전하가 모두 n형 서브스트레이트(11)에 일소된다.
그리고, 본 실시의 형태는, 세로형 오버플로 구조에 있어서, 특히, n형 서브스트레이트(11)에 인가하는 기판전압(Vsub)을 수강(受講)기간, 즉 노광개시에서 노 광종료까지의 사이에 높은 전위에서 낮은 전위로 단계적으로 변화제어하는 기판전압 가변제어수단(30)을 설치한다. 이 기판전압 가변제어수단(30)에 의해, 수광기간에서의 오버컨트롤 게이트영역인 p형 제 1의 웰 영역(13)의 포텐셜 배리어의 높이를 단계적으로 낮은 상태에서 높은 상태로 변조하고, 포토센서부(3)에서의 최대 취급 전하량을 단계적으로 증가시키도록 구성한다.
이러한 본 실시의 형태에 대해서, 더욱 상세하게 기술한다.
세로형 오버플로 구조의 고체촬상소자는, 원래 셔터전압을 내릴 목적으로 고려된 구조이다. 즉, 셔터전압을 내릴 수 있다고 하는 것은, 기판전압(Vsub)에 대해서, 센서부에 축적되는 전하량의 컨트롤은 하기 쉽다고 하는 것을 나타내고 있다.
여기에서, n형 서브스트레이트(11), p형 웰 영역(13) 구조의 CCD 고체촬상소자(1)를 예로 들면, 고체촬상소자(1)의 취급전하량(이하, 축적전하량이라고 칭한다) Qs=500mV, 서브스트레이트기판(11)의 기판전압(이하, Vsub 전압이라고 칭한다) Vsub=7V에서, 셔터시는 Vsub=12V(Qs=0)정도이므로, 그 사이를 선형이라고 가정하면 △Qs/△Vsub=100mV, 즉 Vsub 전압은, 1V 변화시키면 취급전하량(Qs)을 100mV 변화시킬 수 있게 된다.
다음에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 이 CCD 고체촬상소자의 Vsub 전압을 1프레임 기간(Tfr) 사이에, 기판전압(Vsub)을 예를 들면, Vs1, Vs2, Vsfr의 3단계로 변화시키는 경우를 고려한다. 기판전압(Vsub)을 변화시키는 시간은, T1, T2이며, 통상, 시점(T2)에서 시점(Tfr)까지의 사이는 축적전하량(Qs)(CCD 고체촬상소자 의 통상 값 Qs3)을 나타내는 Vsub값 = Vsfr이라고 한다. 또한, 기판전압(Vsub)의 값 전환 포인트는, 전환시의 노이즈를 방지하기 때문에, 수평블랭킹에 있는 것이 바람직하다. 축적시간 개시에서 축적시간(T1)까지의 기판전압(Vsub) 값을 Vs1으로 하고, 또한 시점(T1)에서 (T2)까지의 기판전압(Vsub) 값을 Vs2로 하면, 이 CCD 고체촬상소자의 축적전하량(Qs)도, 도 4에 나타내는 바와 같이 Qs1, Qs2, Qs3으로 축적시간의 경과와 함께 변화한다. 여기에서, 복사체가 1프레임 동안, 정지하고 있는 경우의 고체촬상소자에 들어오는 여러가지 종류의 광량을 고려한다. 1프레임 동안, 정지라고 생각하면 여러가지 광량은, 축적시간에 비례하는 것이 되며, 광량이 강한 것일수록 기울기가 큰 것으로서 생각된다. 또한, 광량의 크기는 발생하는 전하량에 비례하므로, 이 광량을 전하발생의 세기(强)라고 생각된다. 도 4에서는 3종류의 세기의 광량(a, b, c)을 고려하고 있다. 우선, 광량(a)은, 전하량의 제한을 받고 있지 않으므로 Tfr 시간 후에 축적전하량(Qst1)으로 된다. 다음에, 광량(b)은, T1 시간 경과 전에 축적전하량(Qs1)의 포화점에 달하고(불감지대를 통과한다), 그 후 T1 시간 후로부터 Tfr 시간까지는 Qs 변화를 받지않고 축적전하량(Qs2t)까지 도달한다. 또한, 광량(c)은, T1 시간 경과 전에 포화점(Qs1)에 도달하고, T1 시간에서 T2 시간 경과 전에 포화점(Qs2)에 도달, Tfr 시간이 지났을 때에 정확히 최대 취급전하량(Qs3) 지점에 도달하는 광량이다.
이와 같이 고려하면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 광량 제로에서 광량(a)까지, 광량(a)에서 광량(b)까지, 광량(c)보다 클 때, 각각의 광량(a, b, c)에 대해서 광량과 취급전하량의 그래프를 형성할 수 있다.
점선(도 5 참조)은, 이 설명의 예와 같이 축적시간 내에 Qs의 제한시간을 설치하지 않고, Vsub 전압의 변조를 행하지 않았던 통상 동작의 광량과 축적전하량(Qs)의 특성이다.
이 특성에 대해서, 본 실시형태의 고체촬상소자는, 수평블랭킹 기간중에 기판전압(Vsub)을 변조함으로써, 즉, 서브스트레이트의 기판전압(Vsub)을, 축적전하량(Qs1t)에 상당하는 높은 전압(Vs1), 축적전하량(Qs2t)에 상당하는 중간의 전위(Vs2), 또한, 축적전하량(Qs3t)에 상당하는 낮은 전위(Vs3)로 단계적으로 제어함으로써, 실선의 특성이 나타나는 바와 같은
Figure 112005055757312-PAT00008
특성(광량 1축적전하량에 비직선성을 가지게 한다)을 실현할 수 있다. 또한, 예를 들면 표준설정 레벨로서 A점을 선택했을 때에 포화전하량까지의 다이내믹 레이지로서 통상 사용상태이면 3배(B 참조)였던 것이, 본 실시의 형태에 나타내는 고체촬상소자에서는 6배 이상(C 참조)이 되어 있는 것을 알 수 있다.
도 6은, 기판전압(Vsub)을 변화시켰을 때의 p형 제 1의 웰 영역(13)의 포텐셜 배리어의 높이 변화 및 수광부(3)에서의 취급전하량의 변화를 나타낸다.
다음에, 도 1에 나타내는 본 실시형태에 관한 CCD형 고체촬상소자(1)의 각 영역의 불순물농도의 1 예를 나타낸다.
n형 서브스트레이트(11)의 불순물농도는, 1015㎝-3 오더로, 예를 들면 0.2 ×1015㎝-3 이상 5.0 ×1015㎝-3 이하로 한다. n + 서브스트레이트(11a)의 불순물농도는, 1017㎝-3 오더로, 예를 들면, 1×1017㎝-3 이상 1 ×1018㎝-3 이하로 한다. 오버플로 컨트롤러 영역이 되는 p형 제 1의 웰 영역(13)의 불순물농도는, 1015㎝-3 오더로, 예를 들면, 0.2×1015㎝-3 이상 2.0×1015㎝-3 이하로 한다. 수광부가 되는 n형 반도체영역(14)의 불순물농도는, 1016㎝-3 오더로, 예를 들면 0.2 ×1016㎝-3 이상 2.0 ×1016㎝-3 이하로 한다. 어큐뮬레이션이 되는 p + + 영역(15)의 불순물농도는, 1018㎝-3 오더로, 예를 들면 0.2 ×1018㎝-3 이상 6.0 ×1018㎝-3 이하로 한다. n형 끼워넣기 채널(24)의 불순물농도는, 1017㎝- 3오더로 예를 들면 0.2 ×1017㎝-3 이상 2.0 ×1017㎝-3 이하로 한다. n형 끼워넣기 채널(24)을 둘러싸는 바와 같은 p형 제 2의 웰 영역(23)의 불순물농도는, 1016㎝-3 오더로, 예를 들면 0.2 ×1016㎝-3 이상 5.0 ×1016㎝-3 이하로 한다.
본 발명에 관한 CCD형 고체촬상소자(1)에 의하면, 세로형 오버플로 기능을 가지는 구조에 있어서, 서브스트레이트(11)의 기판전압(Vsub)을 수광기간중에, 기판전압 가변제어수단(30)에 의해서, 높은 전압에서 낮은 전압으로 단계적으로 컨트롤러 하여 오버플로 컨트롤 게이트영역인 제 1의 p형 웰 영역(13)의 포텐셜 배리어의 높이를 변화시키고, 축적전하량(Qs)의 변조를 실시하고, 상기와 같은
Figure 112005055757312-PAT00009
특성을 얻음으로써, 최대 축적전하량(Qs)에 대한 광량을 종래 구조보다 많게 할 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 확장할 수 있다.
도 7은, 본 발명에 관한 고체촬상소자를 CMOS 고체촬상소자에 적용한 경우의 다른 실시의 형태를 나타내고, 동일한 도면은, 특히 수광부 주변의 중요부를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태에 관한 CMOS형 고체촬상소자(41)는, 예를 들면 이면 측에 높은 불순물농도영역(43a)을 가지는 제 1도전형, 본 예에서는 n형의 서브스트레이트(43)에, 제 2도전형인 p형 제 1의 웰 영역(52)을 형성하고, 이 제 1의 p형 웰 영역(52)의 표면 측에 각 화소를 구획하기 위한 화소분리영역(65)을 형성하고, 각 구획영역에 포토다이오드(53)와 제 2의 p형 웰 영역(63) 내에 형성한 복수의 MOS 트랜지스터, 즉 전하독출 트랜지스터(54), 리셋 트랜지스터(55), 앰프 트랜지스터(56) 및 수직선택 트랜지스터(도시하지 않음)의 4개의 MOS 트랜지스터를 형성하여 단위화소(60)가 구성된다. 그리고, 이 화소(60)가 다수개, 2차원 매트릭스형으로 배열된다.
포토다이오드(53)는, p형 제 1웰 영역(52)의 표면으로부터 소요 깊이에 걸쳐서 이온 주입에 의해 형성한 제 2도전형인 n형 반도체영역(61)[n + 영역(61a), n영역(61b)]과, 이 n형 반도체영역(61)의 표면에 형성한 높은 불순물농도의 p형 반도체영역(p++영역)(62)에 의해 형성된다.
각 MOS트랜지스터(54, 55, 56)는, 다음과 같이 하여 구성된다. p형 반도체기판(52)의 표면에는, 포토다이오드(53)에 인접하도록, p형 제 2의 웰 영역(63)에 의해서 둘러싸인 높은 불순물농도의 n형 반도체영역, 즉 n + 소스ㆍ드레인영역(57, 58, 59)이 이온 주입에 의해 형성된다.
전하독출 트랜지스터(54)는, n + 소스ㆍ드레인영역(57)과, 포토다이오드(53)의 표면 측의 높은 불순물농도의 n + 영역(61a)과, 양 영역(57 및 61a) 사이의 p형 제 1의 웰 영역(52) 상에 게이트절연막(71)을 통해 형성한 게이트전극(72)에 의해 구성된다.
리셋트랜지스터(55)는, n + 소스ㆍ드레인영역(57 및 58)과, 양 영역(57 및 58) 사이의 p형 제 1의 웰 영역(52) 상에 게이트절연막(71)을 통해 형성한 게이트전극(72)에 의해 구성된다. 여기에서, n + 소스ㆍ드레인영역(57)은, 플로팅ㆍ디퓨젼(FD)이라고 불리고 있다.
앰프트랜지스터(56)는, n형 소스ㆍ드레인영역(58 및 59)과, 양 영역(58 및 59) 사이의 기판(52) 상에 게이트절연막(71)을 통해 형성한 게이트전극(74)에 의해 구성된다.
수직선택 트랜지스터는, 도시하지 않더라도 동일하게, 쌍의 소스ㆍ드레인영역과, 그 사이의 p형 제 1의 웰 영역(52) 상에 게이트절연막을 통해 형성한 게이트전극에 의해 구성된다.
상술한 각 MOS트랜지스터의 회로배선은, 설명을 생략한다. 또한, 각 화소의 리셋 트랜지스터(55)와 앰프트랜지스터(56)를 접속하는 n형 소스ㆍ드레인영역(58)은 접속도체(75)를 통해 전원배선(76)에 접속된다. 또한, p형 제 1의 웰 영역(52) 상에는, 층간절연막(78)을 통해 전원배선(76)을 포함한 다층의 배선(77)이 형성된다.
본 실시형태의 CMOS 고체촬상소자(41)에 있어서는, 제 1의 p형 웰 영역(52) 을 오버플로 컨트롤 게이트영역으로 하고, n형 서브스트레이트(11)에 기판전압(Vsub)을 인가하여 세로형 오버플로 구조로 형성한다. 그리고, 이 CMOS 고체촬상소자(41)에 있어서, 상술과 동일하게 포화전하량을 컨트롤하기 위해, 수광기간중에 기판전압(Vsub)을 높은 전압에서 낮은 전압으로 단계적으로 제어하는 기판전압 가변제어수단(44)을 접속하여 구성된다. 이 기판전위를 변조하는 방법은, 상술한 CCD 고체촬상소자의 경우와 동일하므로 중복설명은 생략한다.
이 CMOS 고체촬상소자(41)는, 다층배선(77)의 표면 측으로부터 빛이 포토다이오드(53)에 입사하고, 이 포토다이오드(53)에 있어서 광전변환하여 수광량에 따른 신호전하가 축적되는, 표면조사형으로 구성된다.
또한, 이 CMOS 고체촬상소자(41)에 있어서의 서브스트레이트(43), 높은 불순물영역(43a), 오버플로 컨트롤 게이트영역으로 되는 제 1의 p형 웰 영역(52)의 불순물농도는, 상술의 CDD 고체촬상소자(1)에 있어서의 대응하는 영역과 동일한 농도로 할 수 있다. 단, 플로팅 디퓨젼(FD)으로 되는 n형 영역(24)의 불순물농도는, 1019㎝-3 오더로 한다.
본 실시형태에 관한 CMOS 고체촬상소자(41)에 의하면, n형 서브스트레이트(43), 제 1의 p형 웰 영역(52)을 가진 세로형 오버플로 구조로서, 기판전압 가변제어수단(44)에 의해 수광기간중에, n형 서브스트레이트(43)의 기판전위(Vsub)를 단계적으로 높은 전위에서 낮은 전위로 변화시킴으로써, 포화전하량까지의 축적시간을 종래보다 길게 할 수 있고, 축적전하량(Qs)에 대한 광량을 종래 구조보다 많게 할 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 확장할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 CMOS 고체촬상소자(41)에서는 기판전압(Vsub)을 필요한 높은 전압으로 설정함으로써, 전자셔터기능을 가지게 하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 고체촬상소자에 의하면, n형 서브스트레이트, p형 웰 영역을 가지는 세로형 오버플로 기능에 있어서, 서브스트레이트의 기판전압(Vsub)을 수광기간중에 기판전압 가변제어수단에 의해서 컨트롤하여 축적전하량(Qs)의 변조를 실시하고, 상기와 같은
Figure 112005055757312-PAT00010
특성을 얻음으로써, 측적전하량(Qs)에 대한 광량을 종래 구조보다 많게 할 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 확장할 수 있다. 또한, Vsub 전압의 제어(전환)포인트는, 수평블랭킹 중에 둠으로써, 화상으로의 노이즈의 영향을 억제할 수 있다.
이 구조는, 상술한 본 실시형태의 고체촬상소자 이외의 다른 고체촬상소자에도 채용할 수 있다.
본 발명의 고체촬상소자에 의하면, 세로형 오버플로 기능을 가진 고체촬상소자에 있어서, 고체촬상소자의 노광개시에서 노광종료까지 단계적으로 반도체기판의 전위를 높은 전위에서 낮은 전위로 바꾸는 것으로 시간적으로 포화전하량을 컨트롤할 수 있고, 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다.
기판전위의 단계적인 변화에서 포화전화량을 단계적으로 커지도록 컨트롤하는 것에 의해, 고체촬상소자의 광량-출력전하량에 비직선성(非直線性), 즉
Figure 112005055757312-PAT00011
특성을 가지게 하고, 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다. 또한, 기판전위를 수평블랭킹 기간에 제어함으로써, 기판전위 전환시의 화면에 생기는 노이즈를 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 세로형 오버플로 기능을 가지고,
    노출개시로부터 노출종료 사이에 반도체기판의 전위를 높은 전위에서 낮은 전위로 단계적으로 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체기판 전위의 단계적인 변화에서,
    포화전하량을 단계적으로 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체기판의 전위는, 수평블랭킹 기간에 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
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