JP4499819B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
更に、本発明は、一画素当たりの画素面積を縮小できる光センサ及び/又は固体撮像装置を提供することである。
本発明の第2の態様によれば、予め定められたフローティングディフュージョンに共通に接続された複数の画素からなる画素ブロックを備え、前記画素ブロックの前記各画素は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子を含み、前記画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されたことを特徴とする固体撮像装置が得られる。
本発明の第3の態様によれば、第2の態様において、前記各画素は、更に、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間に接続され、前記光電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタを備えていることを特徴とする固体撮像装置が得られる。
本発明の第4の態様によれば、前記各画素は、更に、前記フローティング領域に接続され前記蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタを含むことを特徴とする第2又は第3の態様に係る固体撮像装置が得られる。
本発明の第5の態様によれば、前記各画素は、前記フローティング領域と前記蓄積容量素子との間に設けられたトランジスタを更に含むことを特徴とする第3又は第4の態様に係る固体撮像装置が得られる。
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図1に、また、概略平面図を図2に示す。
本実施形態は、第1実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図6は本実施形態の一画素の等価回路図、また、図7はその概略平面図である。
本実施形態は、第1および第2実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素のオーバーフローゲートを変形した形態である。図9、図10は本実施形態の、第1実施形態に対応した、一画素の等価回路図、概略平面図である。また、図11、図12は本実施形態の、第2実施形態に対応した、一画素の等価回路図、概略平面図である。
本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の第3実施形態の固体撮像装置において、電荷の蓄積時にフォトダイオードからあふれる電荷をフローティングディフュージョンへとよりスムーズに移動させることができる構造とした固体撮像装置である。
本実施形態は、第1実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図17は本実施形態の二画素の等価回路図、また、図18はその概略平面図である。
本実施形態は、第1実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図20は本実施形態の画素の等価回路図、また、図21はその概略平面図である。
本実施形態は、上記の第1から第6の実施形態において、フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積するための蓄積容量の形態の変形例を示す。
本発明の固体撮像装置において、画素を2次元アレイに並べた、画素数横640×縦480、画素サイズ7.5μm角、フローティングディフュージョン容量CFD=4fF、蓄積容量CCS=60fFをもつ固体撮像素子を2層ポリシリコン3層メタル配線を持つ半導体製造方法で作成した。各蓄積容量はポリシリコン−シリコン酸化膜−シリコン容量とポリシリコン−シリコン窒化膜−ポリシリコン容量の並列容量で構成した。信号S1、S1+S2の飽和信号電圧はそれぞれ500mV、1000mV、ノイズ除去後にS1、S1+S2に残留する残留ノイズ電圧は等しく0.09mVであった。S1からS1+S2への切り替え電圧はS1の飽和電圧よりも低く設定し400mVとした。
本発明の固体撮像装置において、横3.5μm、縦7μmの大きさの基本画素ブロックにフォトダイオードと蓄積容量は2つずつ設けられた画素ブロックを画素数横640×縦240の2次元アレイに並べた固体固体撮像装置を作成した。実効画素数は横640×縦480である。各画素ブロックのフローティングディフュージョン容量はCFD=3.4fF、蓄積容量はトレンチ型蓄積容量構造を適用してCCS=100fFとした。信号S1、S1+S2の飽和信号電圧はそれぞれ500mV、1000mV、ノイズ除去後にS1、S1+S2に残留する残留ノイズ電圧は等しく0.09mVであった。S1からS1+S2への切り替え電圧はS1の飽和電圧よりも低く設定し400mVとした。
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,LO オーバーフローゲート
5 蓄積容量
6 リセットトランジスタ
7 蓄積トランジスタ
8 増幅トランジスタ
9 選択トランジスタ
10 オーバーフローゲートの駆動ライン
11 転送トランジスタの駆動ライン
12 蓄積トランジスタの駆動ライン
13 リセットトランジスタの駆動ライン
14 選択トランジスタの駆動ライン
15 画素出力ライン
20 n型半導体基板
21 p型ウェル
22,23,24,25 素子分離絶縁膜
26,27,28,29,79,93 p+型分離領域
30 n型半導体領域
31,41,50 p+型半導体領域
32,33,34,61,61a,70,73,76,92,95 n+型半導体領域
35,37,39 ゲート絶縁膜
36,38,40 ゲート電極
42,42a,64,68,71,74,77,80 蓄積容量絶縁膜
43,65,69,72,75,78,81 蓄積容量上部電極
44 層間絶縁膜
45,46,66 配線
51,52,53 n型半導体領域
60,60a p+型半導体領域またはn+型半導体領域
62 素子分離絶縁膜
63,67 蓄積容量下部電極
90 p型半導体基板
91 p型エピタキシャル層
91a 第1p型エピタキシャル層
91b 第2p型エピタキシャル層
94 p型半導体層
96 低濃度半導体層
100,101,102,103 画素アレイ
104 行シフトレジスタ
105,HSR 列シフトレジスタ
106 信号およびノイズホールド部
107 出力回路
Claims (16)
- 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティング領域と、
蓄積容量素子と、
前記フローティング領域と前記蓄積容量素子の間に接続された蓄積トランジスタと、
前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部と、の間に接続されたオーバーフローゲートとを有し、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を前記蓄積容量素子に転送して前記蓄積容量素子に蓄積させ、
前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間においてオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記フローティング領域に転送して前記フローティング領域に蓄積させ、
前記蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
前記混合前に前記フローティング領域に蓄積されていた電荷を読み出すとともに、前記混合後に混合された電荷を読み出す固体撮像装置であって、
前記フォトダイオードと、前記転送トランジスタと、前記蓄積容量素子と、前記蓄積トランジスタと、前記オーバーフローゲートとが一画素に含まれ、
前記画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されており、
二つまたはそれ以上の前記画素からなる画素ブロックに共通に前記フローティング領域が各一つ設けられている
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記フローティング領域に接続され、
前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フォトダイオードに蓄積され前記フローティング領域に転送された電荷を電圧信号に増幅変換し、
次に、前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域に転送された電荷と前記フォトダイオードから溢れ前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷とを混合した電荷を電圧信号に増幅変換する、
増幅トランジスタを
さらに有する、請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フローティング領域の電荷を排出し、
前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の電荷を排出するリセットトランジスタを
さらに有する、請求項1又は2記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フローティング領域の電荷を排出して、前記フローティング領域のノイズ電荷を読み出し、
前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の電荷を排出して前記フローティング領域および前記蓄積容量素子のノイズ電荷を読み出すことを特徴とする、
請求項3に記載の固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティング領域と、
蓄積容量素子と、
前記フローティング領域と前記蓄積容量素子の間に接続された蓄積トランジスタと、
前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部と、の間に接続されたオーバーフローゲートとを有し、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記蓄積容量素子に転送して前記蓄積容量素子に蓄積させ、
前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間においてオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記フローティング領域に転送して前記フローティング領域に蓄積させ、
前記蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
前記混合前に前記フローティング領域に蓄積されていた電荷を読み出すとともに、前記混合後に混合された電荷を読み出す固体撮像装置であって、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子との間のポテンシャル障壁を下げる構成を備えている
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項5において、前記オーバーフローゲートは、接合型トランジスタによって構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項6において、前記接合型トランジスタのゲートは、前記フォトダイオードの接地された領域と接続されており、前記接合型トランジスタのソースは、前記フォトダイオードのカソードに接続されており、前記接合型トランジスタのドレインは、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項6において、前記接合型トランジスタのゲートは、駆動ラインに接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項5において、前記オーバーフローゲートは、接合型トランジスタと、前記フォトダイオードの接地された領域に接続された半導体領域を含むことを特徴とする固体撮像装置。
- 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティング領域と、
蓄積容量素子と、
前記フローティング領域と前記蓄積容量素子の間に接続された蓄積トランジスタと、
前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部と、の間に接続されたオーバーフローゲートとを有し、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記蓄積容量素子に転送して前記蓄積容量素子に蓄積させ、
前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間においてオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記フローティング領域に転送して前記フローティング領域に蓄積させ、
前記蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
前記混合前に前記フローティング領域に蓄積されていた電荷を読み出すとともに、前記混合後に混合された電荷を読み出す固体撮像装置であって、
前記オーバーフローゲートは、電界効果トランジスタから構成され、その閾値電圧は前記転送トランジスタの閾値電圧より低い値に設定されている
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティング領域と、
蓄積容量素子と、
前記フローティング領域と前記蓄積容量素子の間に接続された蓄積トランジスタと、
前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部と、の間に接続されたオーバーフローゲートとを有し、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記蓄積容量素子に転送して前記蓄積容量素子に蓄積させ、
前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間においてオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記フローティング領域に転送して前記フローティング領域に蓄積させ、
前記蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
前記混合前に前記フローティング領域に蓄積されていた電荷を読み出すとともに、前記混合後に混合された電荷を読み出す固体撮像装置であって、
前記オーバーフローゲートは、電界効果トランジスタから構成され、その閾値電圧は前記転送トランジスタの閾値電圧と同一に設定され、かつそのゲート電圧は前記転送トランジスタのゲート電圧と異なる電位に設定される
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記フローティング領域に接続され、
前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フォトダイオードに蓄積され前記フローティング領域に転送された電荷を電圧信号に増幅変換し、
次に、前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域に転送された電荷と前記フォトダイオードから溢れ前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷とを混合した電荷を電圧信号に増幅変換する、
増幅トランジスタを
さらに有する、請求項5〜11のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 - 少なくとも前記フォトダイオードと、前記転送トランジスタと、前記蓄積容量素子と、前記蓄積トランジスタと、前記オーバーフローゲートとが一画素に含まれ、
前記画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されたことを特徴とする、
請求項12に記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フローティング領域の電荷を排出し、
前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の電荷を排出するリセットトランジスタを
さらに有する、請求項13に記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フローティング領域の電荷を排出して、前記フローティング領域のノイズ電荷を読み出し、
前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の電荷を排出して前記フローティング領域および前記蓄積容量素子のノイズ電荷を読み出す
ことを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置。 - 請求項14において、前記増幅トランジスタに接続して設けられ前記画素を選択するための選択トランジスタを含むことを特徴とする固体撮像装置。
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