JP2004015532A

JP2004015532A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2004015532A
Application number: JP2002167532A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Endo; 遠藤　康行; Yoshikazu Nitta; 新田　嘉一; Masatoshi Kimura; 木村　雅俊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】光電変換部の空乏化電圧のマージンが小さくなり、歩留まりが低下した。
【解決手段】固体撮像素子は、光電変換部（１）、光電変換部での蓄積電荷を転送する転送トランジスタ（２）、転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部（３）、該フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すための増幅用トランジスタ（６）を有する画素からなる。その光電変換部（１）及びフローティングディフュージョン部（３）の他端は画素部のＰウェルに接続されるが、そのＰウェルにＧＮＤ電位より低い電位ａを供給する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体撮像素子においては、電源電圧をセンサ内部において共通とした構造、あるいはセンサ部、Ｉ／０部とロジック部とを別電源とする構成になっている。後者の構成は、例えばＰａｎａｓｏｎｉｃ社　１／７型　ＣＭ０Ｓイメージセンサ（型名：ＭＮ３９９８０）の資料に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者の固体撮像素子においては、後でも詳しく述べるが、特に固体撮像素子の画素ピッチが小さくなり、光電変換された信号電荷量が小さく、かつ電源電圧が低くなるに従って、空乏化電圧のマージンが小さくなり、歩留まり低下が発生するという課題があった。また、後者の固体撮像素子においては、センサ部全体の電源電圧を高くすれば、消費電力の増加が生じるという課題があった。
【０００４】
この発明は、歩留まり低下を抑え、かつ、消費電力の増加をも抑制できる固体撮像素子を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、光信号を電気信号に変換する光電変換部、光電変換部に蓄積された信号電荷を転送するための転送トランジスタ、転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部、該フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すための増幅用トランジスタを少なくとも有する画素セルを、行方向、列方向もしくは行および列方向に複数並べた固体撮像素子において、画素アレイを形成するウェルに対し、該ウェルがＰウェルの時はＧＮＤ電位より降圧した電位を供給し、前記ウェルがＮウェルの時は、電源電位より昇圧した電位を供給することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、光電変換部の空乏化電位の実測値と空乏化電位の設計値である基準電位との差分を、上記降圧の大きさとする。
【０００７】
請求項３の発明は、ウェルに供給する電位を降圧もしくは昇圧させる回路、空乏化電位の設計値に基づく基準電位を出力する基準電位発生部、および光電変換部の空乏化電位を実測して出力する空乏化電位発生部を内蔵する。
【０００８】
請求項４の発明は、当該固体撮像素子のリセット時、光電変換部の空乏化電位と、基準電位との差分を降圧量もしくは昇圧量としてフィードバックされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１に、本発明の実施形態である画素の基本回路構成を示す。図１において、１は、光信号を電荷に変換して蓄積するフォトダイオードであり、２は、転送トランジスタであり、フォトダイオード１で得られた信号電荷をフローティングディフュージョン部３に転送する。フローティングディフュージョン部３は、転送された電荷を充電する。
【００１０】
４は、リセットトランジスタであり、フローティングディフュージョン部３のリセット時には、このリセットトランジスタ４のみがスイッチオンし、フォトダイオード１のリセット時には、転送トランジスタ２も同時にスイッチオンする。５は、前記リセットトランジスタ４にリセット電圧を供給するためのリセット電圧供給ラインである。
【００１１】
６は、前記フローティングディフュージョン部３での信号電位を増幅して外部の列共通信号読出し線７に読み出すための増幅用トランジスタである。８は、前記増幅用トランジスタ６をスイッチＯＮするためのスイッチトランジスタである。
【００１２】
本実施の形態では、上記の画素部がＰウェル内に形成され、その画素部に含まれるトランジスタがＮＭＯＳトランジスタにより構成されているものとする。その場合、フォトダイオード１およびフローティングディフュージョン部３の他端は、画素部のＰウェルに接続されており、その画素部Ｐウェルには従来はＧＮＤ電位（０Ｖ）が供給されていたが、本発明では、画素部Ｐウェルに、ＧＮＤ電位よりも低い電位ａを供給している。
【００１３】
以上のように構成された画素が行方向あるいは列方向にアレイ状に配列されることにより、固体撮像素子が得られる。前記画素部Ｐウェルに供給する電位ａを発生する回路を図２に示す。
【００１４】
図２において、１０は、ＧＮＤ電位が供給される端子、１１は電源電位が供給される端子、１２は、上記フォトダイオード１が完全に空乏化した時の電位（空乏化電位）の設計値を基準電位１４として出力する基準電位発生回路、１３は、実際の画素での空乏化電位１５を出力する空乏化電位発生回路である。１６は、差分回路であり、前記基準電位１４および空乏化電位１５からその差分１７を出力する。１８は、ＧＮＤ電位から前記差分１７の値だけ降下させる降圧回路であり、１９は画素部Ｐウェル以外のＧＮＤラインにＧＮＤ電位を供給するための端子、２０は、前記降圧電位ａを画素部Ｐウェルに供給するための端子である。
【００１５】
図３は、上記基準電位発生回路１２の構成例であり、端子１１に供給される電源電位を、抵抗Ｒ１、Ｒ２で分割し、その分割した電圧をバッファアンプＡＭＰを通じて端子２１に前記基準電位１４として出力している。
【００１６】
実際の画素における空乏化電位１５の決定法を図４に示している。ランプ波形発生回路３１により、図５（Ａ）のように、微小電位差を有する電圧Ａ、Ｂを作成し、代表として選出した画素のＰウェル３２内のソース３３、ドレイン３４間にそれぞれ印加し、その時の電流を電流計３５により電流をモニタする。
【００１７】
図５（Ｂ）に示すように、時間ｔを過ぎると、これまで流れていた電流がカットオフされて０になる。その時の電圧Ａを前記空乏化電位１５とする。空乏化電位発生回路１３では、図３に示したような回路を用いて空乏化電位１５を出力する。３６は、Ｐ型キャップ層、３７はＮ型蓄積層である。
【００１８】
図６は、画素内の各素子の電位を示した図である。本発明は、図２の回路を用いてＰウェルに供給する電位をＧＮＤ電位より降圧するものであるが、最初に、画素部のＰウェル電位をＧＮＤ電位としていた従来の場合の動作を図６（Ａ）を用いて説明する。
【００１９】
この図６（Ａ）において、ａは、画素部Ｐウェルの電位でＧＮＤ電位（０）に等しい。フォトダイオード１の電位は、電荷が減少するにつれて電位が図中、下方向に移動（電位の座標が下向きのため電位は上昇）し、完全に空乏化すると、空乏化電位ｂとなる。フローティングディフュージョン３はリセット時にリセット電位ｃとなり、電荷の充電量に応じて電位が図中、上方向に移動（電位は低下）する。
【００２０】
画素部Ｐウェルの電位ａと、フォトダイオード１の空乏化時の電位ｂとの差電圧Ｖａｂを“空乏化電圧”、フォトダイオード１の空乏化時の電位ｂと、フローティングディフュージョン部３のリセット時の電位ｃとの差電圧Ｖｂｃを“フローティングディフュージョンの飽和電圧”と定義する。
【００２１】
今、転送トランジスタ２およびリセットトランジスタ４のゲートがオン（スイッチングオン）することにより、転送トランジスタ２およびリセットトランジスタ９の電位が押し下げられ（電位は上昇）、これにより、フォトトランジスタ１はリセットされて空乏化時の電位ｂとなり、またフローティングディフュージョン部３も予備的にリセットされる。
【００２２】
次に、リセットトランジスタ４および転送トランジスタ２の両方をスイッチオフした後に、フォトダイオード１での光電変換が開始される。生じた電荷は、リセットトランジスタ４をスイッチオンしてフローティングディフュージョン部３をリセットした直後、リセットトランジスタ４をスイッチオフした後、転送トランジスタ２のスイッチオンにより、フローティングディフュージョン部３に転送される。これにより、フローティングディフュージョン部３の電位は図中、上方向に移動（電位は低下）する。
【００２３】
このフローティングディフュージョン部３の信号レベル（充電電圧）が増幅用トランジスタ５を通じて外部に読み出される。
【００２４】
ここで、フォトダイオード１の飽和電荷量は、フォトダイオード１の容量と空乏化電圧Ｖａｂの積で定義されるが、ショットノイズを低減するためには、飽和電荷量は少なくとも１Ｅ４個の電荷蓄積量が必要である。フォトダイオード１の容量は物性定数で決まるため、飽和電荷量を所望の値確保するために、空乏化電圧Ｖａｂを大きくとることが望ましい。
【００２５】
フォトダイオード１からフローティングディフュージョン部３への電荷の転送終了時に、フローティングディフュージョン３の電位が、フォトダイオード１の空乏化時の電位ｂより上側にある（電位ｂより低い）と、電荷の転送終了後、電荷が全て転送されずに一部がフォトダイオード１に残存してしまう。その場合には、読出し信号にノイズが含まれたり、出力信号が非線形性になる要因となる。
【００２６】
従って、フォトダイオード１の飽和電荷がフローティングディフュージョン部３に転送された時のフローティングディフュージョン３の電位を、電位ｂより下側（電位ｂ以上）する必要がある。
【００２７】
画素ピッチの縮小の要求に伴いセンサのプロセスは微細化の傾向にあり、それに伴い電源電圧が低くなり、画素部のＰウェル電位ａと空乏化電位ｂとの差は１ないし２Ｖ程度しか確保できなくなってきている。このような背景から、上記フォトダイオード１およびフローティングディフュージョン３に求められる条件を満たすためには、電位ｂを精度良く制御することが重要となるが、プロセスマージンを考慮すると歩留まりを確保しながら作成することは非常に困難であった。
【００２８】
本発明では、上述したように図２の回路を用いてＰウェルに供給する電位ａをＧＮＤ電位より降圧しており、その場合の動作を図６（Ｂ）を用いて説明する。
【００２９】
図６（Ｂ）でわかるように、Ｐウェルの電位ａはＧＮＤ電位（０Ｖ）よりも低くなっている。この場合、図６（Ａ）と比較して、空乏化電圧Ｖａｂは変わることなく、フローテイングディフュージョン３の飽和電圧Ｖｂｃが大きくなっている。
【００３０】
そのため、フォトダイオード１の飽和電荷がフローティングディフュージョン部３に転送された時のフローティングディフュージョン３の電位を、電位ｂより下側（電位ｂ以上）にできるため、電荷の転送後にフォトダイオード１に電荷が残存することはなく、読出し信号にノイズが含まれたり、出力信号が非線形性になることはない。
【００３１】
フォトダイオード１が完全空乏化した時の電位である空乏化電位Ｖａｂのプロセス設定値を、プロセス変動に対するマージンを考慮して設定しておくことにより、プロセス変動が生じても飽和電荷量を確保することが可能となり、フローティングディフュージョン３の飽和電圧Ｖｂｃも確保することが出来る。
【００３２】
また本実施の形態では、空乏化電圧の設計値である基準電圧を発生する基準電圧発生回路１２、実際のプロセス状態を反映した空乏化電位を出力する空乏化電位発生回路１３をチップ内部に持ち、その差分を降圧量として降圧回路１８に与える構成としている。そのためハードウェア規模を小さくできると共に次に記す効果が得られる。
【００３３】
即ち、単に画素部Ｐウェル電位を低くすると、画素部トランジスタの基板バイアス効果により、しきい値電圧が大きくなり、動作速度あるいは信号振幅のマージンが無くなり逆に歩留まりを下げる結果となる。しかし本実施形態では降圧量の必要量を、チップ内部で求め降圧量に反映させることにより、しきい値電圧が大きくなることによる歩留まり低下の懸念もなくなる。また、降圧量を必要最小限にすることにより、消費電力の増加も抑えることが可能となる。
【００３４】
実施の形態２
図４で示したような空乏化電位１５を決定する手段をチップ内部に持たせ、チップリセット時に、降圧量の設定動作を、チップ内部で自動的に発生させる制御方式とする。これにより、例えば携帯電話に搭載した時、電池切れによる電圧低下、あるいは環境温度の変化等が起こってもその都度最適な降圧量の設定が可能となる効果がある。
【００３５】
実施の形態３
上述した各実施の形態において、ＰウェルをＮウェルに、ＮＭＯＳトランジスタをＰＭＯＳトランジスタに、ＧＮＤを電源電位とし、そして、降圧回路１８に替えた昇圧回路を用い、Ｎウェルに供給する電源電位を昇圧すると、Ｎウェル内に形成された画素構成においても上述のものと同じ実施の形態を実現できる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、固体撮像素子の画素アレイを形成するウェルに対してのみ降圧した電位を供給するようにしたので、フローティングディフュージョンの飽和振幅を拡大することが可能となり、このため、光電変換部の飽和電荷量を確保しながら、フローティングディフュージョン部の飽和電圧を大きく取ることが出来、プロセスマージンが拡大する効果がある。また、画素アレイのＰウェル電位を降圧（Ｎウェルでは昇圧）することにより、前述の効果を確保しつつ消費電力の増大を最小限に抑制できる。
【００３７】
請求項２の発明は、光電変換部の空乏化電位の実測値と空乏化電位の設計値である基準電位との差分を上記降圧（Ｎウェルでは昇圧）の大きさとして、降圧量を最小限に抑えたので、この降圧に伴い、画素を構成するトランジスタのしきい値電圧が上昇して、動作速度やダイナミックレンジなどの回路マージンが小さくなる課題を最小限にとどめることができ、また、消費電力の増大も抑えることができる。
【００３８】
請求項３の発明は、Ｐウェルに供給する電位を降圧（Ｎウエルでは昇圧）させる回路、空乏化電位の設計値に基づく基準電位を出力する基準電位発生部、および光電変換部の空乏化電位を実測して出力する空乏化電位発生部を内蔵したので、ハードウェア規模を小さく出来る効果がある。
【００３９】
請求項４の発明は、当該固体撮像素子のリセット時、光電変換部の空乏化電位と、基準電位との差分を降圧量（Ｎウェルでは昇圧量）としてフィードバックさせたので、固体撮像素子起動時毎にフイードバック制御を自動的に動作させることにより、例えば携帯電話に搭載した時、電池切れによる電圧低下、あるいは環境温度の変化等が起こってもその都度最適な降圧量の設定が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示した画素の回路図
【図２】図１の回路のＰウェル部に供給する電位を作成する回路図
【図３】図２中の基準電位発生回路の具体的な構成図
【図４】図２中の空乏化電位発生回路で発生する空乏化電位を決定するための手法を示した図
【図５】図４での空乏化電位を決定する時の動作を示した図
【図６】画素内の各素子の電位を示した図
【符号の説明】
１　フォトダイオード、２　転送トランジスタ、３　フローティングディフュージョン、４　リセットトランジスタ、６　増幅用トランジスタ、１２　基準電位発生回路、１３　空乏化電位発生回路、１８　降圧回路

Claims

光信号を電気信号に変換する光電変換部、光電変換部に蓄積された信号電荷を転送するための転送トランジスタ、転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部、該フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すための増幅用トランジスタを少なくとも有する画素セルを、行方向、列方向もしくは行および列方向に複数並べた固体撮像素子において、
画素アレイを形成するウェルに対し、該ウェルがＰウェルの時はＧＮＤ電位より降圧した電位を供給し、前記ウェルがＮウェルの時は、電源電位より昇圧した電位を供給することを特徴とする固体撮像素子。
光電変換部の空乏化電位の実測値と空乏化電位の設計値である基準電位との差分を、上記降圧もしくは昇圧の大きさとした請求項１記載の固体撮像素子。
ウェルに供給する電位を降圧もしくは昇圧させる回路、空乏化電位の設計値に基づく基準電位を出力する基準電位発生部、および光電変換部の空乏化電位を実測して出力する空乏化電位発生部を内蔵する請求項１または２に記載の固体撮像素子。
当該固体撮像素子のリセット時、光電変換部の空乏化電位と、基準電位との差分を降圧量もしくは昇圧量としてフィードバックされる請求項３記載の固体撮像素子。