JP5518226B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディジタル撮像システム等に用いられる固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置としてはそのＳＮ比の良さからＣＣＤが多く使われてきた。一方、消費電力の少なさや使い勝手の良さを長所とするいわゆる増幅型固体撮像装置の開発も行われてきた。増幅型固体撮像装置とは、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を画素に備わったトランジスタの制御電極に導き、信号電荷量に応じた出力を前記トランジスタの主電極から増幅して出力するものである。特にトランジスタとしてＭＯＳトランジスタを使ったいわゆるＣＭＯＳセンサはＣＭＯＳプロセスとのマッチングが良く、駆動回路、信号処理回路をオンチップ化できることから、開発に力が注がれている。

図４はＣＭＯＳセンサ画素の典型的な例を示す回路図である。１は単位画素、２は入射光によって発生した信号電荷を蓄積するためのフォトダイオード、３は信号電荷量に応じた増幅信号出力を出す増幅手段としての増幅用ＭＯＳトランジスタ、４は信号電荷を受けＭＯＳトランジスタ３のゲート電極に接続するフローティングディフュージョン部、５はフォトダイオード２に蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン部４に転送するための転送手段としてのＭＯＳトランジスタ、６はフローティングディフュージョン部４をリセットするためのＭＯＳトランジスタ、７は出力画素を選択するためのＭＯＳトランジスタである。

また、８はＭＯＳトランジスタ５のゲートにパルスを印加し、電荷転送動作を制御するための制御線、９はＭＯＳトランジスタ６のゲートにパルスを印加しリセット動作を制御するための制御線、１０はＭＯＳトランジスタ７のゲートにパルスを印加し選択動作を制御するための制御線、１１は電源配線であって、増幅用ＭＯＳトランジスタ３のドレインおよびリセット用ＭＯＳトランジスタ６のドレインに接続され、それらに電源電位を供給している。１２は選択された画素の増幅信号が出力される出力線、１３は定電流源として動作し、増幅用ＭＯＳトランジスタ３とソースフォロワを形成するＭＯＳトランジスタ、１４はＭＯＳトランジスタ１３が定電流動作するような電位をＭＯＳトランジスタ１３のゲート電極に供給する配線である。

上記の画素１を二次元的マトリックス状に配列したものは二次元固体撮像装置の画素領域を形成するが、そのマトリックス構成において出力線１２は各列の画素の共通線、制御線８、９、１０はそれぞれ各行の画素の共通線となっており、制御線１０によって選択された行の画素のみが出力線１２に信号出力される。

次に画素の動作を簡単に説明する。制御線１０によって選択用ＭＯＳトランジスタがＯＮ状態となる行の画素について、まず制御線９にパルスが印加され、フローティングディフュージョン部４がリセットされる。増幅用ＭＯＳトランジスタ３と定電流用ＭＯＳトランジスタ１３とでソースフォロワが形成されるから、リセット電位に応じた出力電位が出力線１２にあらわれる。次に制御線８にパルスを印加することによってフォトダイオード２に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン部４に転送されると、この信号電荷量に応じた電圧分だけフローティングディフュージョン部４の電位が変化し、その電位変化分が出力線１２にもあらわれる。出力線１２にあらわれるリセット電位は、増幅用ＭＯＳトランジスタ３のしきい電圧値ばらつきおよびフローティングディフュージョン部４をリセットするときのリセット雑音などの雑音がのっているので、信号電荷量に対応した電位変化分が雑音を含まない信号である。

二次元ＣＭＯＳセンサでは、この雑音を取り除き、信号のみを取り出すための読み出し回路が、出力線１２に接続されている。この読み出し回路には、クランプ回路によって上記雑音を除くもの、雑音と雑音＋純粋信号とを別々に保持してそれぞれ水平走査の読み出し時に最終段の差動アンプに導くことによって雑音を除くもの、などいくつかの構成が提案されているが、本発明とは直接の関係がないので詳しい説明は省略する。

次に画素のフォトダイオード、転送用ＭＯＳトランジスタ、フローティングディフュージョンの部分の断面構造を図５に示す。同図において１５はＮ型の半導体基板、１６はＰ型のウエル、１７はウエル１６中に形成されたＮ型の半導体領域であり、１６と１７とでフォトダイオードが形成され、領域１７には信号電荷が蓄積される。１８はウエル１６中に形成され、フローティングディフュージョンとなるＮ型の半導体領域、１９は転送用ＭＯＳトランジスタ５のゲート電極であり、領域１７、領域１８は上記転送用ＭＯＳトランジスタのソース領域、ドレイン領域となる。２０は領域１８と接続する配線であり、増幅用ＭＯＳトランジスタ３のゲートと接続している。領域１７に蓄積される信号電荷は転送動作時にはすべてフローティングディフュージョン１８に転送され、転送直後には領域１７は完全に空乏化するよう、領域１７におけるＮ型の不純物濃度が設定されている。よってフォトダイオードにおける信号電荷の蓄積開始は信号電荷転送直後となり、信号電荷の蓄積終了時は、ふたたびその画素が属する行が選択されてフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送されることとなる。

しかしながら上記従来例においては、読み出しのための行を順次選択する。画素のフォトダイオードの蓄積開始、終了のタイミングは信号電荷転送時で決まるため、行毎にフォトダイオードの蓄積開始、終了のタイミングがずれることになる。二次元固体撮像装置においては、１画面すなわち１フィールドの信号は全行の画素信号によって形成されるので、行毎の蓄積タイミングがずれると、高速度で動く被写体の形状がゆがんでとらえられるという問題があった。

そこで本発明は、信号蓄積動作の開始、終了タイミングを全画素同時に可能とすることにより、動く被写体でもゆがみのない画像を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、フォトダイオードと、フローティングディフュージョンと、前記フォトダイオードの信号電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する転送手段と、前記フローティングディフュージョンに転送された信号電荷に基づいて信号を増幅して出力するための増幅手段とを備えた単位画素を複数配列して構成される固体撮像装置において、前記信号電荷を保持するように前記転送手段の転送ゲートの下のチャネルの一部に設けられた第１導電型の第１の半導体領域を有する信号電荷保持領域と、前記信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョンとの間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部とを備えており、前記信号電荷が前記信号電荷保持領域に保持されている状態において、前記ポテンシャル障壁部は完全空乏化していることを特徴とする。

以下の発明を実施するための形態の欄には、上記の発明のほか、入射した光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、該信号電荷を転送するための転送手段と、該信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段とを備えた単位画素を複数配列して構成される固体撮像装置において、前記転送手段の転送ゲートの下のチャネルの一部に設けられた前記信号電荷を保持する信号電荷保持領域と、該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部とを備えていることを特徴とする発明が記載されている。

信号増幅を行うアクティブ画素型のＣＭＯＳセンサの画素構成において、信号電荷転送用のゲート下のチャネル部の一部にフォトダイオードで蓄積した信号電荷を保持するためのポテンシャルの低い信号電荷保持領域を設け、フローティングディフュージョン領域と前記保持領域との間に、ポテンシャル障壁を提供し完全空乏化する半導体領域からなるポテンシャル障壁部を設ける。そして、信号電荷保持領域は転送ゲート電位制御によってフォトダイオードからの信号電荷転送、信号電荷保持、フローティングディフュージョン領域への信号電荷転送という動作をおこなうことが可能となる。上記構成において、フォトダイオードから前記電荷保持領域への信号電荷転送は全画素同時におこない、前記電荷保持領域からフローティングディフュージョン部への電荷転送は従来どおり線順次におこなえば、フォトダイオードの蓄積タイミングは全画素について同じとなるので、高速で動く被写体を撮像してもゆがみのない像を得ることができる。

また前記保持領域への光入射をさえぎるための遮光手段を設けることも好ましいものである。

以上説明したように、本発明によれば、信号蓄積動作の開始、終了タイミングを全画素同時とする動作が可能なため、動く被写体でもゆがみのない画像を得ることができる。またフローティングディフュージョン部の寄生容量が小さいため高い感度を得ることができる。

さらに、第１のウエル中にフォトダイオード、第２のウエル中に信号電荷保持領域を形成し、第１のウエルを第２のウエルよりも、不純物濃度が低く、かつ深さが深く形成すれば、上記効果に加えて、感度がさらに高く、偽信号発生の小さいセンサを実現することができる。

本発明の第１の実施形態を説明するための画素の断面構造図である。 本発明の第２の実施形態を説明するための画素の断面構造図である。 本発明の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した例を示すブロック図である。 従来の画素の回路図である。 従来の画素の断面構造図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の特徴を最も良く表す画素の一部の断面図であってフォトダイオード、転送手段としての電荷転送ＭＯＳトランジスタ、増幅手段（不図示）の入力ノードに接続されるフローティングディフュージョンの部分の構造を示すものであり、図４と同一の部材には同一の番号を付して説明を省略する。図１において２１は転送ゲート１９の直下のチャネル部に形成された信号電荷保持部となるＮ型の半導体領域、２２は前記電荷保持領域２１とフローティングディフュージョン領域１８との間に形成され、フローティングディフュージョン領域１８の電位がＰ型ウエル１６に対して十分逆バイアスされる時には完全に空乏化されるようにその不純物濃度が制御されたＮ型半導体領域、２３は電荷保持領域２１への光入射をさえぎるように形成された遮光層である。

また（ａ）（ｂ）（ｃ）は、領域１７から電荷転送チャネル部、領域２１、領域２２を経てフローティングディフュージョン領域１８にいたる部分の電子に対するポテンシャルが、ゲート電極１９の電位によってどのように変わるかを示したものである。なお電子は負電荷を帯びているため、電位が低いほど、電子に対するポテンシャルが高くなっている。

次に本実施の形態の動作を説明する。ひとつの画素の動作は、（１）フォトダイオードでの信号電荷蓄積、（２）フォトダイオードに蓄積された信号電荷を電荷保持領域２１に転送、（３）電荷保持領域２１における信号電荷の保持、（４）電荷保持領域２１からフローティングディフュージョン領域１８への信号電荷転送、を基本としている。

上記（１）の動作は従来と同じであるから説明を省く。

（２）フォトダイオードに蓄積された信号電荷を電荷保持領域２１に転送、という動作時のポテンシャルは図１（ａ）に示されており、この時、転送ゲート電極１９には高い電位ＶＨが印加されている。領域１７と領域２１とを隔てる転送ゲート下のチャネル電位は、領域１７の電位よりも十分高くなるようにＶＨの値が決められ、フォトダイオードに蓄積していた信号電荷は電荷保持領域２１に転送される。この時、フローティングディフュージョン領域１８の電位は領域２２が完全に空乏化するよう高い電位に設定されており、電荷保持領域２１に転送された電荷は、領域２２におけるポテンシャル障壁のために、フローティングディフュージョン領域１８へ流れ出すことはない。

（３）電荷保持領域２１における信号電荷の保持、という動作に移る。この動作においては転送ゲート電極１９の電位はＶＨよりも低いＶＭに設定され、その時のポテンシャルが図１（ｂ）に示されている。この時、領域１７と領域２１とを隔てる転送ゲート下のチャネル電位は領域１７の電位よりも低く、しかし電荷保持領域２１の電位は領域２２の電位よりも高くなるようにＶＭの値が決められる。電荷保持領域２１における信号電荷は、その両端に存在するポテンシャル障壁によって孤立し、また遮光層２３のために、光励起によって発生する電子が領域２１に入り込むこともおさえられているため、信号電荷の保持動作ができる。

（４）電荷保持領域２１からフローティングディフュージョン領域１８への信号電荷転送、という動作に移る。この動作においては転送ゲート電極１９の電位はＶＭよりもさらに低いＶＬに設定され、その時のポテンシャルが図１（ｃ）に示されている。この時、電荷保持領域２１の電位は領域２２の電位よりも低くなるようにＶＬの値が決められる。この状態では電荷保持領域２１とフローティングディフュージョン領域１８との間のポテンシャル障壁はなく、電荷保持領域２１の信号電荷はフローティングディフュージョン領域１８へと転送される。

上記の構成、動作を持つ画素によって二次元センサが形成されるならば、「フ
ォトダイオードに蓄積された信号電荷を電荷保持領域２１に転送する」という動作は全画素同時に行うことができ、したがって信号蓄積動作の開始、終了タイミングは全画素同時となるため、ゆがみのない画像を得ることができる。また、図１からわかるように、フローティングディフュージョン領域１８は転送ゲート１９と接していないので、フローティングディフュージョン部４の全寄生容量は、従来構成のように転送ゲートとの容量を含まない。その分従来よりもフローティングディフュージョン部の全寄生容量が小さくでき、電荷変換係数が大きくしたがって感度が高くなるという効果がある。
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態を表す画素の一部の断面図であってフォトダイオード、転送手段としての電荷転送ＭＯＳトランジスタ、増幅手段（不図示）の入力ノードに接続されるフローティングディフュージョンの部分の構造を示すものであり、図１と同一の部材には同一の番号を付して説明を省略する。図２において、２４は第１のＰ型ウエル、２５は第２のＰ型ウエルであり、２４中にはフォトダイオード１７が形成され、２５中には電荷保持領域２１が形成される。

保持動作中、電荷保持領域２１に、フォトダイオード付近で入射光によって発生した電荷が入ってくると、それは偽信号となる。よって電荷保持領域が形成されるＰ型ウエル２５は不純物濃度が高い構成にすると、電子に対する高いポテンシャル障壁が形成されて偽信号を抑制することができる。

一方、Ｐ型ウエル２４は、入射光によって発生した電荷をできるだけフォトダイオード１７に集めたいのであるから、深くまた不純物濃度が低い構成にするのが良い。このように第２の実施の形態ではフォトダイオードと電荷保持領域という別々の目的を持つ部位の特性に応じて異なる構成の２つのＰ型ウエルが形成されている。これによって、信号蓄積動作の開始、終了タイミングが全画素同時にでき、なおかつ感度が高くまた電荷保持領域における偽信号発生の小さいセンサ画素が実現できる。

なお上記第１および第２の実施の形態において、フォトダイオード１７、およびポテンシャル障壁領域２２のように完全空乏化する領域は、埋め込み型すなわちウエルと同じ導電型の表面層を持つ構成のダイオードであってもよい。また、電荷保持領域２１はバルクチャネル型、すなわち保持動作時には電荷保持領域が界面から少し離れた半導体バルク中に形成されるものであってもよい。
（第３の実施の形態）
次に上記第１及び第２の実施の形態の固体撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。

図３は本発明による固体撮像素子を「スチルビデオカメラ」に適用した例を示すブロック図である。１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１０６は固体撮像素子１０４から撮像信号処理回路１０５を介して出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行うと共にデータを圧縮する信号処理部である。また、１０８は固体撮像素子１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。

バリア１０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像素子１０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを制御する。

次に、固体撮像素子１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ−Ｄ変換され、信号処理部１０７を通り全体制御・演算１０９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

１：画素
２：フォトダイオード
３：増幅用ＭＯＳトランジスタ
４：フローティングディフージョン部
５：信号電荷用ＭＯＳトランジスタ
６：リセット用ＭＯＳトランジスタ
７：選択用ＭＯＳトランジスタ
８：ゲート制御線
９：ゲート制御線
１０：ゲート制御線
１１：電源線
１２：画素出力線
１３：定電流供給用ＭＯＳトランジスタ
１４：ゲート制御線
１５：半導体基板
１６：半導体ウエル
１７：フォトダイオード領域
１８：フローティングディフージョン領域
１９：転送ゲート
２０：配線
２１：電荷保持領域
２２：完全空乏領域
２３：遮光層
２４：第１のウエル
２５：第２のウエル

Claims (10)

1. フォトダイオードと、フローティングディフュージョンと、前記フォトダイオードの信号電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する転送手段と、前記フローティングディフュージョンに転送された信号電荷に基づいて信号を増幅して出力するための増幅手段とを備えた単位画素を複数配列して構成される固体撮像装置において、
   前記信号電荷を保持するように前記転送手段の転送ゲートの下のチャネルの一部に設けられた第１導電型の第１の半導体領域を有する信号電荷保持領域と、
   前記信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョンとの間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部とを備えており、
   前記信号電荷が前記信号電荷保持領域に保持されている状態において、前記ポテンシャル障壁部は完全空乏化していることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ポテンシャル障壁部は、前記第１導電型の第２の半導体領域により構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記信号電荷保持領域の上部に遮光層が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第１のウエルおよび第２のウエルが配され、前記第１のウエル中に前記フォトダイオードを構成する前記第１導電型の第３の半導体領域が配され、前記第２のウエル中に前記信号電荷保持領域を構成する前記第１の半導体領域が配されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２のウエルは、前記第１のウエルよりも、不純物濃度が高いことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記第１のウエルは、前記第２のウエルよりも深い位置まで配されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の固体撮像装置。
7. 前記フォトダイオードは埋め込み型であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 全画素で、前記フォトダイオードからの信号電荷の転送を同時に行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 全画素で、信号電荷蓄積期間の開始と終了とを同時に行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 被写体からの光を結像する結像光学系と、
    この結像された像を光電変換する請求項１乃至９のいずれかに記載の固体撮像装置と、
    この固体撮像装置からの出力信号をディジタル変換して処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。

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