JPH11274459A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH11274459A
JPH11274459A JP10071975A JP7197598A JPH11274459A JP H11274459 A JPH11274459 A JP H11274459A JP 10071975 A JP10071975 A JP 10071975A JP 7197598 A JP7197598 A JP 7197598A JP H11274459 A JPH11274459 A JP H11274459A
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JP
Japan
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read
photoelectric conversion
transistor
conversion unit
signal
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Pending
Application number
JP10071975A
Other languages
English (en)
Inventor
Ikuko Inoue
郁子 井上
Hidetoshi Nozaki
秀俊 野崎
Hisanori Ihara
久典 井原
Tetsuya Yamaguchi
鉄也 山口
Hiroshi Yamashita
浩史 山下
Akira Makabe
晃 眞壁
Eiko Nomachi
映子 野町
Mikiko Hori
幹子 堀
Nobuo Nakamura
信男 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】基板界面に発生するリーク電流を低減すること
によって、白傷や固定パターンノイズ及びランダムノイ
ズを低減する。 【解決手段】半導体基板上に形成された光電変換部と、
この光電変換部による光電変換によって蓄積された信号
電荷により変調される増幅トランジスタと、光電変換部
からこの増幅トランジスタからの信号電流を読み出す読
み出しトランジスタとを具備し、読み出しトランジスタ
の閾値を、光電変換部からの信号電荷の読み出しが可能
な範囲で高く設定することによって、読み出しトランジ
スタのゲート電圧と半導体基板の反転電位の差、すなわ
ち、読み出し電位Φを小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】例えばMOS型固体撮像装置における各
々の画素は、半導体基板上に形成されて光電変換を行な
う光電変換部と、この光電変換部による光電変換によっ
て蓄積された信号電荷により変調される増幅トランジス
タと、この増幅トランジスタからの信号電流を読み出す
読み出しトランジスタと、読み出すべきラインを選択す
る選択トランジスタと、光電変換により蓄積された信号
電荷をリセットするリセットトランジスタとを具備す
る。
【0003】図4(A)は従来の光電変換部及び読み出
しトランジスタの簡略化された断面図であり、図4
(B)は読み出しトランジスタの動作時のポテンシャル
図である。
【0004】図4(A)において、30は光電変換層、
31は読み出しゲート、32は信号読み出しドレインで
ある。光電変換層30で光から電子に変換、蓄積された
信号は、読み出しゲート31に信号読み出し電圧(例え
ば3.3V)を印加して読み出しゲート31をONする
ことにより、信号読み出しドレイン32へと転送され
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のMOS型固体撮像装置においては、半導体の製
造工程途中において半導体基板界面に多くのダメージが
加えられる、このダメージにより光電変換層30に光信
号以外のリーク電流が発生することがある。このリーク
電流は読み出しゲート電圧に依存するとともに、画素ご
とに異なるため、画像欠陥や固定パターンノイズなどの
画像むらが発生するという問題があった。
【0006】本発明の固体撮像装置はこのような課題に
着目してなされたものであり、その目的とするところ
は、読み出しゲート電圧を小さくすることで基板界面に
発生するリーク電流を低減して、白傷や固定パターンノ
イズ及びランダムノイズを低減することが可能な固体撮
像装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、第1の発明に係る固体撮像装置は、半導体基板
上に形成された光電変換部と、この光電変換部による光
電変換によって蓄積された信号電荷により変調される増
幅トランジスタと、前記光電変換部からこの増幅トラン
ジスタからの信号電流を読み出す読み出しトランジスタ
とを具備し、前記読み出しトランジスタの閾値を、前記
光電変換部からの信号電荷の読み出しが可能な範囲で高
く設定することによって、前記読み出しトランジスタの
ゲート電圧と半導体基板の反転電位の差を小さくする。
【0008】また、第2の発明に係る固体撮像装置は、
半導体基板上に形成された光電変換部と、この光電変換
部による光電変換によって蓄積された信号電荷により変
調される増幅トランジスタと、前記光電変換部からこの
増幅トランジスタからの信号電流を読み出す読み出しト
ランジスタとを具備し、前記読み出しトランジスタのゲ
ート電圧を、前記光電変換部からの信号電荷の読み出し
が可能な範囲で低く設定することによって、前記読み出
しトランジスタのゲート電圧と半導体基板の反転電位の
差を小さくする。
【0009】また、第3の発明に係る固体撮像装置は、
第2の発明に係る固体撮像装置において、前記読み出し
トランジスタのゲート電圧は、前記光電変換部から信号
電荷を読み出すときにのみ低くされる。
【0010】また、第4の発明に係る固体撮像装置は、
第2又は第3の発明に係る固体撮像装置において、前記
固体撮像装置を駆動するための電源をさらに有し、この
電源と、前記読み出しトランジスタのゲート間にはブリ
ーダ回路が設けられている。
【0011】
【発明の実施の形態】まず、本発明の実施の形態の概略
を説明する。基板界面の発生電流であるリーク電流を低
減するための方法が従来より種々提案されているが、本
実施形態では、読み出し時に基板にかかるゲート電圧を
小さくすることに着目した。すなわち、MOS型固体撮
像装置に用いられている単一電源をそのまま採用しつ
つ、読み出しトランジスタのゲート電圧と基板の反転電
位差を、光電変換層からの信号電荷の読み出しが可能な
範囲でできる限り小さくするようにする。これにより、
基板界面の発生電流であるリーク電流が低減されて、白
傷や固定パターンノイズおよびランダムノイズの低減が
可能になる。
【0012】以下に、図面を参照して本発明の実施の形
態を説明する。図1は本発明が適用される増幅型MOS
センサと呼ばれる固体撮像素子の回路図の一例である。
この固体撮像装置は、フォトダイオード1−1−1、1
−1−2、〜、1−3−3)と、フォトダイオード1−
1−1、1−1−2、〜、1−3−3からの信号を読み
出す増幅トランジスタ2−1−1、2−1−2、〜、2
−3−3と、信号を読み出すラインを選択する垂直選択
トランジスタ3−1−1、3−1−2、〜、3−3−3
と、信号電荷をリセットするためのリセットトランジス
タ4−1−1、4−1−2、〜、4−3−3とからなる
3×3の単位セルが二次元状に配列されている。実際に
はこれより多くの単位セルが配列される。垂直シフトレ
ジスタ5から水平方向に配線されている水平アドレス線
6−1、6−2、6−3は垂直選択トランジスタ3−1
−1、3−1−2、〜、3−3−3のゲートに結線され
ることで信号を読み出すラインを決めている。
【0013】また、リセット線7−1、7ー2、7−3
はリセットトランジスタ4−1−1、4−1−2、〜、
4−3−3のゲートに結線されている。増幅トランジス
タ2−1−1、2−1−2、〜、2−3−3のソースは
垂直信号線8−1、8−2、8−3に結線され、その一
端及び他端には負荷トランジスタ9−1、9−2、9−
3が設けられている。他端の負荷トランジスタ9−1、
9−2、9−3のソースは水平信号線11に接続され、
ゲートは図示せぬ水平選択トランジスタを介して水平シ
フトレジスタ10に接続されている。
【0014】図2(A)は本発明の第1実施形態を説明
するための光電変換部及び読み出しトランジスタの簡略
化された断面図であり、図2(B)は読み出しトランジ
スタの動作時のポテンシャル図である。ここでは、図1
の1つのセルを例に説明する。
【0015】図2(A)の断面図において、20は図1
のフォトダイオード1−1−1に対応する光電変換層、
21は読み出しゲート、22は信号読み出しドレインで
ある。このドレイン22は前記した増幅トランジスタ2
−1−1のゲートおよびリセットトランジスタ4−1−
1のソースに接続されている。
【0016】本発明の第1実施形態では、図2(B)に
示すように、ゲート電圧がHレベルになる読み出しトラ
ンジスタの閾値が、図4(B)に示す従来の閾値と比較
して高くなるようにすることによって、読み出しトラン
ジスタのゲート電圧と半導体基板の反転電位の差を小さ
くする、すなわち、読み出し電位Φを、図4(B)に示
す従来の読み出し電位Φと比較して小さく(例えばΦ=
2.5V)なるようにする。但し、光電変換層20の信
号電荷が読み出せるように、読み出しトランジスタの閾
値は、読み出しゲート電位がHレベルのときに光電変換
層20の電位レベルよりも下方にあることが必要であ
る。かつ、読み出された信号の最大信号量がデバイス特
性を満たしている必要がある。
【0017】このようにして、基板界面にかかる実質的
な電圧を降下させることが可能となり、基板界面の発生
電流を低減し、これに伴う、白傷や固定パターンノイズ
およびランダムノイズを低減することができる。
【0018】ここで、読み出しトランジスタの閾値を高
くする方法としては、読み出しトランジスタの読み出し
ゲートを形成する前に、トランジスタがN−MOSであ
って、閾値制御に例えばボロンの不純物拡散層を形成す
る場合はその不純物量を増やすことにより閾値を高くす
ることができる。また、閾値制御に例えばリンや砒素な
どの不純物拡散層を形成する場合はその不純物量を減ら
すことによって、所望の閾値を得ることができる。この
ようなプロセス上の方法を用いることにより回路をさら
に追加することなしに閾値を高くすることができる。
【0019】図3(A)は本発明の第2実施形態を説明
するための光電変換部及び読み出しトランジスタの簡略
化された断面図であり、図3(B)は読み出しトランジ
スタの動作時のポテンシャル図である。第2実施形態の
特徴とするところは、読み出しトランジスタの読み出し
ゲート電圧を実効的に下げる(Hレベルを上方に移動さ
せる)ことで信号読み出し電位Φを小さく(例えばΦ=
2.5V)して上記した第1実施形態と同じ効果を得る
ものである。但し、光電変換層20の信号電荷が読み出
せるように、読み出しトランジスタの閾値は、読み出し
ゲート電位がHレベルのときに光電変換層20の電位レ
ベルよりも下方にあることが必要である。かつ、読み出
された信号の最大信号量がデバイス特性を満たしている
必要があることは第1実施形態と同様である。
【0020】ここで、読み出しゲート電圧を下げるため
には例えばブリーダ回路などの抵抗を電源と読み出しゲ
ートとの間に挿入することが考えられる。この場合、読
み出し時のみに電源パルスをONにすることで、蓄積さ
れた信号電荷を読み出しトランジスタのゲート電圧を読
み出すときにだけ降圧するようにする。
【0021】このように、読み出し時のみに読み出しゲ
ート電圧を降圧し、リセット時や電荷注入排出時には読
み出しゲート電圧を電源電圧通りにする。これによっ
て、リセット時にはストレージノード(ドレイン)の電
位を高く設定でき、信号排出時には光電変換層30に信
号が残ってしまうという問題を解消しつつ、読み出し時
に発生する暗時むらや白傷を低減することができる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、読み出しゲート電圧が
実質的に小さくなるようにしたので、基板界面に発生す
るリーク電流が低減され、白傷や固定パターンノイズ及
びランダムノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される増幅型MOSセンサと呼ば
れる固体撮像素子の回路図の一例である。
【図2】(A)は本発明の第1実施形態を説明するため
の光電変換部及び読み出しトランジスタの簡略化された
断面図であり、(B)は読み出しトランジスタの動作時
のポテンシャル図である。
【図3】(A)は本発明の第2実施形態を説明するため
の光電変換部及び読み出しトランジスタの簡略化された
断面図であり、(B)は読み出しトランジスタの動作時
のポテンシャル図である。
【図4】(A)は従来の光電変換部及び読み出しトラン
ジスタの簡略化された断面図であり、(B)は読み出し
トランジスタの動作時のポテンシャル図である。
【符号の説明】
1−1−1、1−1−2、1−3−3…フォトダイオー
ド 2−1−1、2−1−2、2−3−3…増幅トランジス
タ 3−1−1、3−1−2、3−3−3…垂直選択トラン
ジスタ、 4−1−1、4−1−2、4−3−3…リセットトラン
ジスタ、 5…垂直シフトレジスタ、 6−1、6−2、6−3…水平アドレス線、 7−1、7−2、7−3…リセット線、 8−1、8−2、8−3…垂直信号線、 9−1、9−2、9−3…負荷トランジスタ、 11…水平信号線、 10…水平シフトレジスタ、 20、30…光電変換層、 21、31…読み出しゲート、 22、32…信号読み出しドレイン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 鉄也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 山下 浩史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 眞壁 晃 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝多摩川工場内 (72)発明者 野町 映子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝多摩川工場内 (72)発明者 堀 幹子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝多摩川工場内 (72)発明者 中村 信男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成された光電変換部
    と、 この光電変換部による光電変換によって蓄積された信号
    電荷により変調される増幅トランジスタと、 前記光電変換部からこの増幅トランジスタからの信号電
    流を読み出す読み出しトランジスタと、を具備し、 前記読み出しトランジスタの閾値を、前記光電変換部か
    らの信号電荷の読み出しが可能な範囲で高く設定するこ
    とによって、前記読み出しトランジスタのゲート電圧と
    半導体基板の反転電位の差を小さくしたことを特徴とす
    る固体撮像装置。
  2. 【請求項2】 半導体基板上に形成された光電変換部
    と、 この光電変換部による光電変換によって蓄積された信号
    電荷により変調される増幅トランジスタと、 前記光電変換部からこの増幅トランジスタからの信号電
    流を読み出す読み出しトランジスタと、を具備し、 前記読み出しトランジスタのゲート電圧を、前記光電変
    換手段からの信号電荷の読み出しが可能な範囲で低く設
    定することによって、前記読み出しトランジスタのゲー
    ト電圧と半導体基板の反転電位の差を小さくしたことを
    特徴とする固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 前記読み出しトランジスタのゲート電圧
    は、前記光電変換部から信号電荷を読み出すときにのみ
    低くされることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装
    置。
  4. 【請求項4】 前記固体撮像装置を駆動するための電源
    をさらに有し、この電源と、前記読み出しトランジスタ
    のゲート間にはブリーダ回路が設けられていることを特
    徴とする請求項3記載の固体撮像装置。
JP10071975A 1998-03-20 1998-03-20 固体撮像装置 Pending JPH11274459A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1524697A2 (en) 2003-10-16 2005-04-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state imaging device and method of manufacturing the same
EP1852914A1 (en) * 2005-02-25 2007-11-07 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state image pickup device and method for driving the same

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