JP3097186B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置に関し、出
力部としてフローティングディフュージョン(Floating
Diffusion)型電荷検出増幅器を具備する固体撮像装置に
関する。
【０００２】
【技術的背景】固体撮像装置の一例として、例えばイン
ターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像装置の概略構成を
図７に示す。同図において、水平及び垂直方向にて画素
単位で２次元的に配列されて入射光量に応じた信号電荷
を蓄積する複数個のフォトセンサ１と、これらフォトセ
ンサ１の垂直列毎に配されかつ垂直ブランキング期間の
一部にて読出しゲート部２を介して瞬時に読み出された
信号電荷を垂直方向に転送する垂直シフトレジスタ３と
によって撮像部４が構成されている。この撮像部４にお
いて、フォトセンサ部１は例えばフォトダイオードから
なり、垂直シフトレジスタ３はＣＣＤ(Charge Coupled
Device) によって構成される。
【０００３】垂直シフトレジスタ３に移された信号電荷
は、水平ブランキング期間の一部にて１走査線に相当す
る部分ずつ順に水平シフトレジスタ５へ転送される。１
走査線分の信号電荷は、ＣＣＤによって構成された水平
シフトレジスタ５により、テレビジョン信号の水平走査
期間に合わせて順次フローティングディフュージョン
（ＦＤ）６に転送される。フローティングディフュージ
ョン６には信号電荷検出用ソースフォロワアンプ７が接
続されており、このソースフォロワアンプ７は転送され
てきた信号電荷を検出して電気信号に変換する。ソース
フォロワアンプ７は例えば２段構成となっており、ドラ
イブ側ＭＯＳトランジスタ８及び負荷側ＭＯＳトランジ
スタ９からなっている。
【０００４】
【従来の技術】図８に、従来の信号電荷検出用ソースフ
ォロワアンプ７の断面構造を示す。同図において、ソー
スフォロワアンプ７を構成するドライブ側ＭＯＳトラン
ジスタ８及び負荷側ＭＯＳトランジスタ９は、ＣＣＤ固
体撮像装置の基板となる例えばＮ型基板１１上にＰウェ
ル（Ｐ型領域）１２を介して形成されている。Ｐウェル
１２はドライブ側ＭＯＳトランジスタ８及び負荷側ＭＯ
Ｓトランジスタ９を含む活性領域と基板１１の裏面側と
を絶縁分離するためのものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の信号電荷検出用ソースフォロワアンプ７では、活性
領域と基板１１の裏面側を絶縁分離するＰウェル１２を
ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８と負荷側ＭＯＳトラン
ジスタ９で区別することなく同一の構造で形成していた
ので、ドライブ側及び負荷側のＭＯＳトランジスタ８，
９の各Ｉ‐Ｖ特性がほぼ同一の特性となることから、そ
れぞれ最適なＩ‐Ｖ特性を得ることができなかった。こ
のため、負荷側ＭＯＳトランジスタ９のＩ‐Ｖ特性を犠
牲にし、短チャネル効果（ドレインコンダクタンスが
大）が残っている状態でソースフォロワアンプ７を形成
していた。
【０００６】その結果、以下に述べるような問題が生じ
ていた。先ず、信号電荷検出用ソースフォロワアンプ７
の小信号時のＡＣ利得Ｇの算出式を次式に示す。
【数１】 Ｇ＝ｇm ／（ｇm ＋ｇs ＋ｇb ＋ｇsl） …… ここに、ｇm ，ｇs 及びｇb はドライブ側ＭＯＳトラン
ジスタ８の相互コンダクタンス、ドレインコンダクタン
ス及びバックゲート相互コンダクタンスであり、ｇslは
負荷側ＭＯＳトランジスタ９のドレインコンダクタンス
である。
【０００７】上記算出式において、先述したように負
荷側ＭＯＳトランジスタ９のＩ‐Ｖ特性を犠牲にしてい
ることで、このＩ‐Ｖ特性を最適化できず、図９（Ａ）
に示すように、理想的な特性（Ｂ）に比して負荷側ＭＯ
Ｓトランジスタ９のドレインコンダクタンスｇslが大き
い故、利得Ｇが低下してしまうという問題があった。ま
た、ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８においても、負荷
側ＭＯＳトランジスタ９の動作をある程度保つために
は、Ｐウェル１２を基板表面より十分深く形成すること
ができず、ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８のバックゲ
ート相互コンダクタンスｇb が大きくなるため、これも
利得Ｇの低下の一因となっていた。
【０００８】本発明は、上述した点に鑑みて為されたも
のであり、ドライブ側及び負荷側のＭＯＳトランジスタ
の各Ｉ‐Ｖ特性の最適化を可能とし、ソースフォロワア
ンプの小信号時のＡＣ利得を最大化することにより、感
度の向上を可能とした固体撮像装置を提供することを目
的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、第１導電型の基板の表面側に形成されたドライブ
側ＭＯＳトランジスタ及び負荷側ＭＯＳトランジスタか
らなるフローティングディフュージョン型電荷検出増幅
器を出力部として具備する固体撮像装置であって、基板
表面に対して深く形成され、ドライブ側ＭＯＳトランジ
スタを含む活性領域と基板裏面側とを絶縁分離する第２
導電型の第１ウェルと、基板表面に対して浅く形成され
かつ接地電位が与えられ、負荷側ＭＯＳトランジスタを
含む活性領域と基板裏面側とを絶縁分離する第２導電型
の第２ウェルとを備えた構成となっている。
【００１０】
【作用】本発明による固体撮像装置において、負荷側Ｍ
ＯＳトランジスタ部分の第２ウェルのニュートラル領域
が基板表面に対して浅く形成されたことで、負荷側ＭＯ
Ｓトランジスタのドレイン／ソース領域からのチャネル
変調を受けにくくなり、短チャネル効果が抑制される。
これにより、負荷側ＭＯＳトランジスタのドレインコン
ダクタンスｇslが小さくなる。また、ドライブ側ＭＯＳ
トランジスタ部分の第１ウェルが基板表面に対して深く
形成されかつ電位的に空乏化されたことで、ＭＯＳトラ
ンジスタのバックゲートが基板深部にまで延びた空乏層
端によって形成されるため、ＭＯＳトランジスタのチャ
ネル部分への影響が極めて小さくなる。これにより、ド
ライブ側ＭＯＳトランジスタのバックゲート相互コンダ
クタンスｇb が小さくなる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明に係る信号電荷検出用ソー
スフォロワアンプの一実施例の構造を示す断面図であ
る。図において、ＣＣＤ固体撮像装置の基板となる例え
ばＮ型基板１１の表面側には、Ｎ+ 型ドレイン領域１
３、Ｎ+ 型ソース領域１４及びチャネル領域の上方に配
されたゲート電極１５によってドライブ側ＭＯＳトラン
ジスタ８が形成され、またドライブ側ＭＯＳトランジス
タ８に隣接して、Ｎ+ 型ドレイン領域１６、Ｎ+ 型ソー
ス領域１７及びチャネル領域の上方に配されたゲート電
極１８によって負荷側ＭＯＳトランジスタ９が形成され
ている。
【００１２】各ＭＯＳトランジスタ８，９とＮ型基板１
１の間には、活性領域と基板裏面側とを絶縁分離するた
めのＰウェル（Ｐ型領域）が配されることになるが、こ
のＰウェルはドライブ側ＭＯＳトランジスタ８部分と負
荷側ＭＯＳトランジスタ９部分で独立に形成される。す
なわち、ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８のＰウェル１
９は基板表面に対して深く形成され、しかも電位的に空
乏化される一方、負荷側ＭＯＳトランジスタ９のＰウェ
ル２０は基板表面に対して浅く形成され、しかも接地電
位が与えられて電位的にニュートラル化された状態でソ
ースフォロワアンプ７を構成している。
【００１３】ここで、本発明に係るＩ‐Ｖ特性と従来例
のそれを対比する。なお、ＭＯＳトランジスタのＩ‐Ｖ
特性は、図２に示すＩ‐Ｖ特性測定用接続回路によって
測定される。先ず、ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８と
負荷側ＭＯＳトランジスタ９が同一構造のＰウェル１２
を有している従来型ソースフォロワアンプ（図８）にお
いては、図３〜図５の各（Ａ）に示すような特性が得ら
れ、先の算出式におけるドライブ側ＭＯＳトランジス
タ８のバックゲート相互コンダクタンスｇb 及び負荷側
ＭＯＳトランジスタ９のドレインコンダクタンスｇslが
大きいため、ソースフォロワアンプ７のＡＣ利得Ｇが低
いことがわかる。
【００１４】一方、負荷側ＭＯＳトランジスタ９のＰウ
ェル２０が基板表面に対して浅く形成されかつ電位的に
ニュートラル状態にあり、又ドライブ側ＭＯＳトランジ
スタ８のＰウェル１９が基板表面に対して深く形成さ
れ、しかも電位的に空乏化状態にある本例によるソース
フォロワアンプ７においては、図３〜図５の各（Ｂ）に
示すような特性が得られ、ドライブ側ＭＯＳトランジス
タ８のバックゲート相互コンダクタンスｇb 及び負荷側
ＭＯＳトランジスタ９のドレインコンダクタンスｇslが
小さく、先の算出式からソースフォロワアンプのＡＣ
利得Ｇが高いことがわかる。なお、図３はドライブ側Ｍ
ＯＳトランジスタ８のＩｄ‐Ｖｄ特性を、図４はドライ
ブ側ＭＯＳトランジスタ８のＩｄ‐Ｖｇ特性を、図５は
負荷側ＭＯＳトランジスタ９のＩｄ‐Ｖｄ特性をそれぞ
れ示している。
【００１５】ところで、本例によるソースフォロワアン
プ７において、ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８のバッ
クゲート相互コンダクタンスｇb が小さくなるのは、図
８の従来例ではドライブ側ＭＯＳトランジスタ８のバッ
クゲートが比較的基板表面に対して浅いＰウェル１２の
ニュートラル領域で形成されているのに対し、本例では
ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８のバックゲートが基板
深部にまで延びた空乏層端２１によって形成されている
ため、ＭＯＳトランジスタ８のチャネル部分への影響が
極めて小さくなるためである。
【００１６】また、本発明に係るソースフォロワアンプ
において、負荷側ＭＯＳトランジスタ９のドレインコン
ダクタンスｇslが小さくなるのは、図８の負荷側ＭＯＳ
トランジスタ９部分のＰウェル１２のニュートラル領域
に対し、図１の負荷側ＭＯＳトランジスタ９部分のＰウ
ェル２０のニュートラル領域が極めて浅く形成されてい
るため、ドレイン領域１６／ソース領域１７からのチャ
ネル変調を受けにくくなり、短チャネル効果が抑制され
るためである。
【００１７】図６は、本発明に係る信号電荷検出用ソー
スフォロワアンプの他の実施例の構造を示す断面図であ
り、図中図１と同等部分には同一符号を付して示してあ
る。本実施例では、ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８に
用いた深いＰウェル１９において、負荷側ＭＯＳトラン
ジスタ９の浅いＰウェル２０と同様に、ニュートラル領
域を形成した構成となっており、それ以外の基本的な構
成は図１のそれと全く同じである。
【００１８】このように、ドライブ側ＭＯＳトランジス
タ８部分のこのニュートラル領域を基板表面に対して十
分に深い位置に形成することにより、先の算出式中の
ドライブ側ＭＯＳトランジスタ８のバックゲート相互コ
ンダクタンスｇb を十分に小さくすることができるた
め、図１の実施例の場合と同様に、ソースフォロワアン
プ７のＡＣ利得Ｇを向上できることになる。
【００１９】また、この構造によれば、ドライブ側でも
負荷側でもＰウェル１９，２０がニュートラル領域を有
していることから、半導体プロセスの変動に対して動作
のバラツキが少なくなるという利点がある。さらには、
基板排出型電子シャッター時に、基板電圧の変化に対す
るソースフォロワアンプ７の動作点の変動が無くなるた
め、信号処理回路への悪影響を回避できるという利点も
挙げられる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ドライブ側ＭＯＳトランジスタ部分のＰウェルを基板表
面に対して深く形成するとともに、負荷側ＭＯＳトラン
ジスタ部分のＰウェルを基板表面に対して浅く形成しか
つ接地電位を与えて電位的にニュートラル化したことに
より、基板ニュートラル領域からのドライブ側ＭＯＳト
ランジスタのチャネル部分への影響が極めて小さくな
り、ＭＯＳトランジスタのバックゲート相互コンダクタ
ンスｇbが小さくなる一方、負荷側ＭＯＳトランジスタ
のドレイン／ソース領域からのチャネル変調を受けにく
くなって短チャネル効果が抑制され、ＭＯＳトランジス
タのドレインコンダクタンスｇS1が小さくなるため、ド
ライブ側及び負荷側のＭＯＳトランジスタの各Ｉ-Ｖ特
性の最適化が可能となり、ソースフォロワアンプの小信
号時のＡＣ利得を最大化でき、感度向上が図れる効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る信号電荷検出用ソースフォロワア
ンプの一実施例の構造を示す断面図である。
【図２】ＭＯＳトランジスタのＩ‐Ｖ特性測定のための
接続回路図である。
【図３】ドライブ側ＭＯＳトランジスタのＩｄ‐Ｖｄ特
性を示す特性図であり、（Ａ）は従来例による特性、
（Ｂ）は本発明による特性をそれぞれ示している。
【図４】ドライブ側ＭＯＳトランジスタのＩｄ‐Ｖｇ特
性を示す特性図であり、（Ａ）は従来例による特性、
（Ｂ）は本発明による特性をそれぞれ示している。
【図５】負荷側ＭＯＳトランジスタのＩｄ‐Ｖｄ特性を
示す特性図であり、（Ａ）は従来例による特性、（Ｂ）
は本発明による特性をそれぞれ示している。
【図６】本発明に係る信号電荷検出用ソースフォロワア
ンプの他の実施例の構造を示す断面図である。
【図７】インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像装置
の概略構成図である。
【図８】信号電荷検出用ソースフォロワアンプの従来構
造を示す断面図である。
【図９】負荷側ＭＯＳトランジスタのＩ‐Ｖ特性を示す
特性図であり、（Ａ）は従来例による特性、（Ｂ）は理
想的な特性をそれぞれ示している。
【符号の説明】
１ フォトセンサ ３ 垂直シフトレジスタ ４ 撮像部 ５ 水平シフトレジスタ ６ フローティングディフュージョン（ＦＤ） ７ ソースフォロワアンプ ８ ドライブ側ＭＯＳトランジスタ ９ 負荷側ＭＯＳトランジスタ １１ Ｎ型基板 １２，１９，２０ Ｐウェル １３，１６ Ｎ+ ドレイン領域 １４，１７ Ｎ+ ソース領域 １５，１８ ゲート電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１導電型の基板の表面側に形成された
    ドライブ側ＭＯＳトランジスタ及び負荷側ＭＯＳトラン
    ジスタからなるフローティングディフュージョン型電荷
    検出増幅器を出力部として具備する固体撮像装置であっ
    て、前記基板の表面に対して深く形成され、 前記ドライブ側
    ＭＯＳトランジスタを含む活性領域と前記基板の裏面側
    とを絶縁分離する第２導電型の第１ウェルと、前記基板の表面に対して浅く形成されかつ接地電位が与
    えられ、 前記負荷側ＭＯＳトランジスタを含む活性領域
    と前記基板の裏面側とを絶縁分離する第２導電型の第２
    ウェルとを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 前記第１ウェルに接地電位が与えられて
    いることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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