JPH0247912B2 - - Google Patents

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JPH0247912B2
JPH0247912B2 JP58139756A JP13975683A JPH0247912B2 JP H0247912 B2 JPH0247912 B2 JP H0247912B2 JP 58139756 A JP58139756 A JP 58139756A JP 13975683 A JP13975683 A JP 13975683A JP H0247912 B2 JPH0247912 B2 JP H0247912B2
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JP
Japan
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photoelectric conversion
transistor
amplification transistor
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conversion section
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Tadashi Hirao
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14681Bipolar transistor imagers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、固体(半導体)撮像装置の構成の
改良に関する。
従来、半導体撮像装置(Semiconductor
Image Sensor、以下「SIS」と略称する)は、
MOS型、CCD型に限られていた。現在、市販さ
れているMOS型SISの1絵素となる基本セル(以
下、「セル」と略称する)の等価回路図およびこ
れに接続される読出用のトランジスタ回路を第1
図に示す。第1図に示すように、フオトダイオー
ドPDとMOSスイツチングトランジスタTRsとか
らセル構成される。フオトダイオードPDに光が
当たることにより変換されて生じた電荷はTRs
オンすることで、配線容量Cvに蓄えられ、次い
で、読出用MOSトランジスタTR0がオンして容
量CHへ移つて、その電圧がビデオ出力となる。
そのとき、容量Cvが容量CHの1/100以下と小さい
ため、信号電流は、第2図に示すビデオ出力の出
力電流のタイムチヤートのように、クロツクノイ
ズに重畳した微小電流となり、ビデオ出力のダイ
ナミツクレンジが大きく制限されるため、フオト
ダイオードPDの面積を大きくして、光電変換電
流を十分にとる必要がある。
第3図はMOS型SISの1つのセルと、これの両
側に隣接するセルの一部とを示す断面図である。
図において、n-型基板1上には、フオトダイオ
ードPDのアノードの働きをもするp型ウエル2
が形成される。n+層3はp型ウエル2の表面部
に選択的に形成されフオトダイオードPDのカソ
ードとなるとともにMOSスイツチングトランジ
スタTRsのソースとなる。n+層4はp型ウエル2
内にn+層3との間にチヤネル形成領域を設ける
ように形成され、MOSスイツチングトランジス
タTRsのドレインとなる。また、酸化膜5がn+
層3,4上を含めてp型ウエル2上に形成され
る。また、多結晶シリコンからなるゲート電極6
が酸化膜5のMOSスイツチングトランジスタ
TRsのチヤネル形成領域上の部分であるゲート酸
化膜上に設けられる。また、層間絶縁膜7がゲー
ト電極6上を含めて酸化膜5上に形成される。さ
らに、ドレイン電極8が酸化膜5および層間絶縁
膜7に形成された開口部を通じてn+層4に接着
される。ゲート電極6はインタレース回路(図示
せず)に接続され、ドレイン電極8は読出用
MOSトランジスタTR0に接続される。フオトダ
イオードPD部分のn+層3、p型ウエル2、n-
基板1によつて形成されるトランジスタTRP第1
図において点線で示すトランジスタ)は過飽和の
光による過剰電流を吸収するものである。
上述のようなMOS型SISを高感度とするために
は、フオトダイオードPDのカソードとなるn+
散層3の面積を大きくすることが考えられる。し
かしながら、SISへの光の入射面積がレンズ等の
光学系で決まつているため、画素数(セル)を一
定としたときのセル面積は自ずと制限され、カソ
ード面積を自由に大きくすることは不可能であ
る。そこで、フオトダイオードPDから読取つた
光電変換信号を増幅して感度を向上させる方法が
考えられる。しかしながら、この場合読出用クロ
ツクのクロツクノイズや固定パターンノイズも増
幅されてしまい、結局感度を上げることができな
い。
それゆえに、この発明の主たる目的は、上述の
ような種々の問題を生じることなく感度を向上す
ることができる固体撮像装置を提供することであ
る。
この発明は、要約すれば、光電変換部と信号読
出手段との間に増幅用トランジスタを介挿し、光
電変換部から読出される光電変換信号をこの増幅
用トランジスタで増幅した後信号読出手段に与え
るようにしたものである。そして、この発明で
は、増幅用トランジスタとして、縦型構造のpnp
トランジスタを用いている。
この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は、図面を参照して行なう以下の詳細な説明か
ら一層明らかとなろう。
第4図はこの発明の一実施例の等価回路図であ
る。図において、この実施例は以下の点を除いて
第1図の回路と同様である。すなわち、この実施
例の特徴は、フオトダイオードPDとMOSスイツ
チングトランジスタTRsとの間に増幅用トランジ
スタTRAを設けたことである。この増幅用トラ
ンジスタTRAのベース31はフオトダイオード
PDのカソード3に接続される。また、増幅用ト
ランジスタTRAのコレクタはフオトダイオード
PDのアノード2とともに接地される。さらに、
増幅用トランジスタTRAのエミツタ21はMOS
スイツチングトランジスタTRsのソース41に接
続される。なお、MOSスイツチングトランジス
タTRsのゲート6は第1図の回路と同様に図示し
ないインタレース回路へ接続される。また、その
ドレイン4は読出用MOSトランジスタTR0(第4
図では図示していない)に接続される。
第5図は第4図の等価回路で表わされるこの発
明の一実施例の固体撮像装置の断面図である。図
中第3図と同様の部分には同じ参照番号を付して
いる。前述のように、この実施例の特徴は、フオ
トダイオードPDとMOSスイツチングトランジス
タTRsとの間に増幅用トランジスタTRAを設けた
ことである。この増幅用トランジスタTRAを形
成するために、フオトダイオードPDのアノード
となるp層2内に低濃度のn層31が形成され
る。このn層31はフオトダイオードPDのカソ
ード3となるn+層3に平面的に一部が接続する
ように形成される。また、このn層31内に高濃
度のp+層21が形成される。これらn+層21、
n層31およびn層2でいわゆる縦型構造(バー
チカル構造)のpnpトランジスタ(増幅用トラン
ジスタTRA)が構成される。そして、p+層21
はこのpnpトランジスタのエミツタとなり、n層
31はベースとなり、p層2はコレクタとなる。
さらに、p+層21とMOSスイツチングトランジ
スタTRsのソースとなるn+層41とが低抵抗金属
81で配線される。
上述のような構成において、フオトトランジス
タPDのカソード3に光信号が入ると、ホール/
電子のペアが発生し、空乏層内に光信号に比例し
て電子が蓄積される。この光電変換信号としての
蓄積電荷が増幅用トランジスタTRAのベース3
1に注入される。このとき、発生したホールはラ
イフタイム、移動度の差から電子のように注入さ
れず途中でトラツプされる。MOSスイツチング
トランジスタTRsがオンすれば、増幅用トランジ
スタTRAもオンする。今、増幅用トランジスタ
TRAの電流増幅率をβとすれば、増幅用トラン
ジスタTRAはそのベース31に注入された電荷
のβ倍の電流をMOSスイツチングトランジスタ
TRsから吸込む。したがつて、MOSスイツチン
グトランジスタTRsのドレイン電極8にはフオト
ダイオードPDに蓄積された電荷のβ倍の光電変
換信号が流れることになる。
以上のように上述の実施例ではフオトダイオー
ドPDから読出される光電変換信号がMOSスイツ
チングトランジタTRsに与えられる前に増幅用ト
ランジスタTRAで増幅するようにしたので、光
電変換信号のみを増幅することができる。したが
つて、S/N比を下げずに感度を向上することが
できる。
また、上述の実施例では、増幅用トランジスタ
TRAとしてpnpトランジスタを使用しているの
で、フオトダイオードPDの電荷蓄積効果を増す
ことができる。もし、増幅用トランジスタTRA
としてnpnトランジスタを使用すると、ベース
(p層)へ注入された電荷によつてエミツタ(n
層)とのバリア(0.6〜0.8V)以上になつたとき、
MOSスイツチングトランジスタTRsのオンオフ
に関係なく注入電荷が漏れ出してしまう。すなわ
ち、フオトダイオードPDで光電変換された電荷
が或る量以上になると漏れ出してそれ以上電荷を
蓄積できなくなる。
また、上述の実施例では、増幅用トランジスタ
TRAを縦型構造としたので、高い電流増幅率β
を有するトランジスタを容易にかつ精度良く実現
できる。周知のように、横型構造のトランジスタ
では、電流増幅率βを大きくすることが難しく
(βは2〜5程度)、かつ写真製版精度によつてベ
ース幅が変化しβが大きくばらつく。
さらに、集積密度について言えば、増幅用トラ
ンジスタTRAを形成するスペースが必要になる
が、電流増幅率βをたとえば10程度にすればフオ
トダイオードPDのn+層3を従来の1/5に縮小して
も感度は約2倍になるので、感度を犠性にせずに
かえつて集積密度を上げることができる。たとえ
ば、MOS型SISのセルが従来3000μm2で開口率30
%のフオトトランジスタではカソードとなるn+
層は約100μm2であつた。このようなセルにβ=
10の増幅用トランジスタを形成すれば、フオトダ
イオードのn+層としては10μm2でよく、残りの
90μm2に増幅用トランジスタを入れることは縦型
構造とすることで容易に行なえる。
また、従来通り過飽和の光に対しては第4図の
点線で示すトランジスタTRPによつて過剰電流が
吸収され、ブルーミングを押えることができる。
なお、以上説明した実施例では、MOS型SISに
ついて説明したが、MOSスイツチングトランジ
スタTRsの代わりにCCD(Charge Coupled
Device)を使用したCCD型SISについても本願発
明を適用できることはもちろんである。
以上のように、この発明によれば、光電変換部
から導出される光電変換信号を直接受けて増幅す
る増幅トランジスタを設けるようにしたので、
S/N比を下げることなく光電変換信号を増幅で
き、感度を向上することができる。また、感度の
向上に応じて、光電変換部を縮小することがで
き、集積度を上げることができる。また、この発
明では、増幅用トランジスタとして縦型構造の
pnpトランジスタを用いているので、光電変換部
の電化蓄積効果を増すことができるとともに、高
い電流増幅率を有するトランジスタを小さな面積
に容易にかつ精度良く作り込むことができる。そ
の結果、さらに集積度を上げることができる。さ
らに、光電変換部と増幅用トランジスタとが隣接
して形成され、外部配線を用いずに光電変換部と
増幅用トランジスタとが不純物拡散層を介して直
接接続されるので、一層の集積度の向上が図れる
とともに、外部配線の浮遊容量に起因するノイズ
等の問題がなく、ノイズに強い固体撮像装置を得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のMOS型SISの等価回路図であ
る。第2図は第1図の回路の出力電流のタイムチ
ヤートである。第3図は第1図の等価回路で表わ
される固体撮像素子の断面図である。第4図はこ
の発明の一実施例の等価回路図である。第5図は
第4図の等価回路で示される固体撮像素子の断面
図である。 図において、1はn-基板、2はpウエル、3,
4および41はn+層、5および7は酸化膜、6
はポリシリコン膜、8および81は低抵抗配線、
21はP+層、31はN層ベース、PDはフオトダ
イオード、TRAは増幅用トランジスタ、TRs
MOSスイツチングトランジスタ、TR0は読出用
MOSトランジスタを示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 入射した光に応じて電荷が蓄積される光電変
    換部と、該光電変換部に蓄積された電荷を光電変
    換信号として読出す信号読出手段とを含む固体撮
    像装置において、 前記光電変換部と前記信号読出手段との間に介
    挿され、前記光電変換部から前記信号読出手段に
    読出される光電変換信号を増幅する増幅用トラン
    ジスタを備え、 前記光電変換部としてn+−pダイオードを用
    い、 前記増幅用トランジスタとして縦型構造のpnp
    トランジスタを用い、 前記増幅用トランジスタのベース拡散層の一部
    が前記n+−pダイオードのn+拡散層と重なり合
    つて形成され、前記増幅用トランジスタのコレク
    タ領域と前記n+−pダイオードのアノード領域
    は同一のp型不純物領域を共用し、前記増幅用ト
    ランジスタのエミツタが前記信号読出手段に接続
    されていることを特徴とする、固体撮像装置。
JP58139756A 1983-07-28 1983-07-28 固体撮像装置 Granted JPS6030282A (ja)

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