JP4555620B2

JP4555620B2 - CMOS image sensor

Info

Publication number: JP4555620B2
Application number: JP2004191070A
Authority: JP
Inventors: 哲郎塩浦; 俊彦近江
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP2006013299A

Description

本発明は、半導体基板に形成されたフォトダイオード及びＭＯＳトランジスタにより構成されるCＭＯＳイメージセンサに関するものである。 The present invention relates to a CMOS image sensor including a photodiode and a MOS transistor formed on a semiconductor substrate.

光電変換された信号電荷をＭＯＳトランジスタによって読み出すCＭＯＳイメージセンサでは、一般的に光電変換素子として半導体のPN接合からなるPN接合フォトダイオードを用い、前記PN接合フォトダイオードで蓄積した信号電荷をリセットする回路、及び前記信号電荷を転送し前記信号電荷を増幅する回路をＭＯＳトランジスタにより構成する。 In a CMOS image sensor that reads out photoelectrically converted signal charges by a MOS transistor, a circuit that generally uses a PN junction photodiode made of a semiconductor PN junction as a photoelectric conversion element and resets the signal charge accumulated in the PN junction photodiode. And a circuit for transferring the signal charge and amplifying the signal charge is constituted by a MOS transistor.

図３は、従来のCＭＯＳイメージセンサの画素部の等価回路図である（特許文献１参照。）。図３において、ＰＮ接合を用いたフォトダイオード１のカソードに、フォトダイオード１を適当な電圧にリセットするためのリセット用ＮＭＯＳトランジスタ３と、フォトダイオード１で蓄積された光電荷を増幅するための増幅用ＭＯＳトランジスタ４が結線されている。リセット用ＮＭＯＳトランジスタ３をオンし、フォトダイオード１が十分にリセット電圧となるリセット動作と、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ３をオフし、一定期間中フォトダイオード１にて光信号から変換された信号電荷を蓄積させる蓄積動作と、フォトダイオード１のカソードに蓄積された信号電荷を増幅用ＮＭＯＳトランジスタ４を介して、増幅して読み出す読み出し動作で、連続的に光情報を読み取ることが出来る構成になっている。 FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of a conventional CMOS image sensor (see Patent Document 1). In FIG. 3, a reset NMOS transistor 3 for resetting the photodiode 1 to an appropriate voltage at the cathode of the photodiode 1 using a PN junction, and amplification for amplifying the photocharge accumulated in the photodiode 1 The MOS transistor 4 is connected. The reset NMOS transistor 3 is turned on to reset the photodiode 1 to a sufficient reset voltage, and the reset NMOS transistor 3 is turned off, and the signal charge converted from the optical signal is accumulated in the photodiode 1 for a certain period. The optical information can be read continuously by the accumulating operation to be performed and the read operation of amplifying and reading the signal charge accumulated at the cathode of the photodiode 1 through the amplifying NMOS transistor 4.

特許文献１においては、リセット電圧を下げ、ＰＮ接合フォトダイオードの逆バイアス電圧を下げることによって、リーク電流を減らす構成が提案されている。
特開２０００−２４４８１８号公報 In Patent Document 1, a configuration is proposed in which the leakage current is reduced by lowering the reset voltage and lowering the reverse bias voltage of the PN junction photodiode.
JP 2000-244818 A

図３に示す回路では、上記リセット動作においてＰＮ接合フォトダイオード１を逆バイアスにリセットすることが必要である。従って、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ３をオフした信号電荷の蓄積動作中は、フォトダイオード１に加えて、フォトダイオード１に接続されたリセット用ＮＭＯＳトランジスタ３のドレインである不純物領域も、逆バイアスとなる。逆バイアスにおける半導体のPN接合には、少数キャリアの拡散電流及び欠陥等による生成電流による逆方向リーク電流が存在するため、フォトダイオード１に蓄積される電荷は、光電変換された信号電荷にフォトダイオード１の逆方向リーク電流と、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ３のドレイン部におけるリーク電流による電荷が加算されたものとなる。前記のリーク電流による電荷は、ノイズ成分となるので画像読み取り性能を低下させる問題がある。
また、特許文献１の方法では、逆バイアス電圧が下がることによりフォトダイオードに生じる寄生容量値が大きくなり、イメージセンサとしての感度が低下するという問題がある。 In the circuit shown in FIG. 3, it is necessary to reset the PN junction photodiode 1 to the reverse bias in the reset operation. Therefore, during the signal charge accumulation operation with the reset NMOS transistor 3 turned off, the impurity region which is the drain of the reset NMOS transistor 3 connected to the photodiode 1 is also reverse-biased in addition to the photodiode 1. Since a reverse leakage current due to a minority carrier diffusion current and a current generated by a defect or the like exists in a PN junction of a semiconductor in reverse bias, the charge accumulated in the photodiode 1 is converted into a photoelectrically converted signal charge. 1 and the charge due to the leak current in the drain portion of the reset NMOS transistor 3 are added. The charge due to the leakage current becomes a noise component, which causes a problem of degrading image reading performance.
Further, the method of Patent Document 1 has a problem that the parasitic capacitance value generated in the photodiode increases due to the decrease of the reverse bias voltage, and the sensitivity as the image sensor decreases.

本発明は、前記課題を解決するために、第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物を導入して形成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷をリセットするために、前記半導体基板に形成されたセット用ＭＯＳトランジスタを有するCＭＯＳイメージセンサにおいて、前記リセット用ＭＯＳトランジスタを第1の導電型とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a photodiode formed by introducing a second conductivity type impurity into a first conductivity type semiconductor substrate, and is connected to the photodiode and accumulated in the photodiode. In order to reset the signal charge, in the CMOS image sensor having a set MOS transistor formed on the semiconductor substrate, the reset MOS transistor is of a first conductivity type.

また、前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷をリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積される信号電荷を転送する転送用ＭＯＳトランジスタを有するCＭＯＳイメージセンサにおいて、前記リセット用ＭＯＳトランジスタと前記転送用MOSトランジスタの少なくとも一方のトランジスタの導電型を第1の導電型とする。 And a reset MOS transistor connected to the photodiode and resetting the signal charge stored in the photodiode, and a transfer MOS transistor for transferring the signal charge stored in the photodiode. In the CMOS image sensor, a conductivity type of at least one of the reset MOS transistor and the transfer MOS transistor is a first conductivity type.

本発明により、フォトダイオード１のPN接合リーク電流と、リセット用ＭＯＳトランジスタのPN接合リーク電流を相殺させることが可能となり、特別な製造工程や、リーク成分を除去するような回路を付加することなく、受光素子のリーク電流を大幅に低減することが出来る。本発明を適用することにより、イメージスキャナ、ファクシミリ等の画像入力システムの高画質化を図ることが出来る。
また、受光素子のリーク電流が低減することによりフォトダイオード１の逆バイアス電圧を上げることが可能となるため、フォトダイオード１の寄生容量値を小さくしてイメージセンサの感度を向上することが可能となる。 According to the present invention, it becomes possible to cancel the PN junction leakage current of the photodiode 1 and the PN junction leakage current of the reset MOS transistor without adding a special manufacturing process or a circuit for removing the leakage component. The leakage current of the light receiving element can be greatly reduced. By applying the present invention, the image quality of an image input system such as an image scanner or a facsimile can be improved.
Further, since the reverse bias voltage of the photodiode 1 can be increased by reducing the leakage current of the light receiving element, it is possible to improve the sensitivity of the image sensor by reducing the parasitic capacitance value of the photodiode 1. Become.

本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明実施例１のCＭＯＳイメージセンサの一画素を示す回路図である。Ｐ導電型の半導体基板であるアノードが接地されたフォトダイオード１のカソードが、リセット用ＰＭＯＳトランジスタ３のドレイン、及び増幅用ＭＯＳトランジスタ４のゲートに接続されている。実施例１の構成によれば、フォトダイオード１のＰＮ接合逆方向リーク電流と、リセット用ＰＭＯＳトランジスタ３のドレイン部のＰＮ接合逆方向リーク電流は、矢印の向きとなる。この時、信号電荷が蓄積されるフォトダイオード１のカソードにおいては、電流が相反する向きとなり、お互い相殺されリーク電流によるノイズ成分を低減することが可能となる。 FIG. 1 is a circuit diagram showing one pixel of the CMOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. The cathode of the photodiode 1 whose anode, which is a P conductive type semiconductor substrate, is connected to the drain of the resetting PMOS transistor 3 and the gate of the amplifying MOS transistor 4. According to the configuration of the first embodiment, the PN junction reverse leakage current of the photodiode 1 and the PN junction reverse leakage current of the drain portion of the reset PMOS transistor 3 are in the directions of the arrows. At this time, in the cathode of the photodiode 1 in which the signal charge is accumulated, the currents are in opposite directions and are canceled out to reduce noise components due to the leakage current.

ここで、リセット用ＰＭＯＳトランジスタ３のドレインの面積をフォトダイオード１のリーク電流に合せて調整すれば、リーク電流によるノイズ成分を更に除去することも可能である。 Here, if the area of the drain of the reset PMOS transistor 3 is adjusted in accordance with the leakage current of the photodiode 1, it is possible to further remove noise components due to the leakage current.

図２は、本発明実施例２のCＭＯＳイメージセンサの一画素を示す回路図である。Ｐ導電型の半導体基板であるアノードが接地されたフォトダイオード１のカソードが、リセット用ＰＭＯＳトランジスタ３のドレイン、及び転送用ＰＭＯＳトランジスタ２のソース接続されている。本実施例２の構成によれば、フォトダイオード１のＰＮ接合逆方向リーク電流と、リセット用ＰＭＯＳトランジスタ３のドレイン、及び転送用ＰＭＯＳトランジスタ２のソースのＰＮ接合逆方向リーク電流は、矢印の向きとなる。この時、信号電荷が蓄積されるフォトダイオード１のカソードにおいては、電流が相反する向きとなり、お互い相殺されリーク電流によるノイズ成分を低減することが可能となる。 FIG. 2 is a circuit diagram showing one pixel of the CMOS image sensor according to the second embodiment of the present invention. The cathode of the photodiode 1 whose anode, which is a P conductive type semiconductor substrate, is connected to the drain of the reset PMOS transistor 3 and the source of the transfer PMOS transistor 2. According to the configuration of the second embodiment, the PN junction reverse leakage current of the photodiode 1 and the PN junction reverse leakage current of the drain of the reset PMOS transistor 3 and the source of the transfer PMOS transistor 2 are in the direction of the arrows. It becomes. At this time, in the cathode of the photodiode 1 in which the signal charge is accumulated, the currents are in opposite directions and are canceled out to reduce noise components due to the leakage current.

ここで、リセット用ＰＭＯＳトランジスタ３のドレイン、及び転送用ＰＭＯＳトランジスタ２のソースの面積をフォトダイオード１のリーク電流に合せて調整すれば、リーク電流によるノイズ成分を更に除去することも可能である。 Here, if the areas of the drain of the reset PMOS transistor 3 and the source of the transfer PMOS transistor 2 are adjusted in accordance with the leak current of the photodiode 1, it is possible to further remove noise components due to the leak current.

以上、本実施例ではＰ導電型の半導体基板を用いて実施例を説明したが、Ｎ導電型の半導体基板を用い、フォトダイオード１のアノードに接続されたリセット用NMOSトランジスタもしくは転送用ＮＭＯＳトランジスタを用いても、同様な効果が得られる。 As described above, the embodiment has been described using the P-conductivity type semiconductor substrate. However, the reset NMOS transistor or the transfer NMOS transistor connected to the anode of the photodiode 1 using the N-conductivity type semiconductor substrate. Even if it uses, the same effect is acquired.

本発明の実施例１の回路図である。It is a circuit diagram of Example 1 of the present invention. 本発明の実施例２の回路図である。It is a circuit diagram of Example 2 of the present invention. 従来技術のＣＭＯＳイメージセンサの画素部の回路図である。It is a circuit diagram of the pixel part of the CMOS image sensor of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

１フォトダイオード
２転送用ＭＯＳトランジスタ
３リセット用ＭＯＳトランジスタ
４増幅用ＭＯＳトランジスタ 1 Photodiode 2 Transfer MOS transistor 3 Reset MOS transistor 4 Amplification MOS transistor

Claims

第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物を導入して形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの第２導電型の前記不純物が導入された領域にドレインが接続された、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷をリセットする、導電型が第１導電型であるリセット用ＭＯＳトランジスタと、
を有し、
前記リセット用ＭＯＳトランジスタの前記ドレインの面積は、前記ドレインのＰＮ接合で発生するＰＮ接合逆方向リーク電流が前記フォトダイオードのＰＮ接合逆方向リーク電流を相殺する大きさであるＣＭＯＳイメージセンサ。 A photodiode formed by introducing a second conductivity type impurity into a first conductivity type semiconductor substrate ;
A reset MOS transistor having a conductivity type of the first conductivity type , wherein a drain is connected to the region of the photodiode where the impurity of the second conductivity type is introduced, the signal charge accumulated in the photodiode is reset; ,
Have
The area of the drain of the reset MOS transistor is a CMOS image sensor in which a PN junction reverse leakage current generated at a PN junction of the drain cancels out a PN junction reverse leakage current of the photodiode .

第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物を導入して形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの第２導電型の前記不純物が導入された領域にドレインが接続された、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷をリセットする、導電型が第１導電型であるリセット用ＭＯＳトランジスタと、
前記領域と前記ドレインとにソースが接続された、前記フォトダイオードに蓄積される信号電荷を転送する、導電型が第１導電型である転送用ＭＯＳトランジスタと、
を有し、
前記リセット用ＭＯＳトランジスタの前記ドレインおよび前記転送用ＭＯＳトランジスタの前記ソースの面積は、前記ドレインおよび前記ソースのＰＮ接合で発生するＰＮ接合逆方向リーク電流が前記フォトダイオードのＰＮ接合逆方向リーク電流を相殺する大きさであるＣＭＯＳイメージセンサ。 A photodiode formed by introducing a second conductivity type impurity into a first conductivity type semiconductor substrate;
A reset MOS transistor having a conductivity type of the first conductivity type, wherein a drain is connected to the region of the photodiode where the impurity of the second conductivity type is introduced, the signal charge accumulated in the photodiode is reset; ,
A transfer MOS transistor having a conductivity type of a first conductivity type, the source of which is connected to the region and the drain and transferring a signal charge accumulated in the photodiode;
Have
The area of the drain of the reset MOS transistor and the source of the transfer MOS transistor is that the PN junction reverse leakage current generated at the PN junction of the drain and the source is the PN junction reverse leakage current of the photodiode. A CMOS image sensor with a size that cancels .

前記第１導電型はＰ型であり、前記第２導電型はＮ型であり、前記領域はカソードである請求項１または２に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。 3. The CMOS image sensor according to claim 1, wherein the first conductivity type is P-type, the second conductivity type is N-type, and the region is a cathode.

前記第１導電型はＮ型であり、前記第２導電型はＰ型であり、前記領域はアノードである請求項１または２に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。 The CMOS image sensor according to claim 1, wherein the first conductivity type is an N type, the second conductivity type is a P type, and the region is an anode.