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JP4192305B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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JP4192305B2 - Solid-state image sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関するものであり、さらに詳しくは、入射光に応じた信号を出力する増幅部と増幅部を制御する制御部を備えた画素を多数配列した増幅型固体撮像素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、入射光に応じて各画素で発生した信号を画素内部で増幅してから出力する増幅型固体撮像素子が提案されている。
図19は、従来の固体撮像素子の主な構成を示す回路図である。
従来の固体撮像素子は、2次元マトリクス状に配置された複数の画素Px1−1〜Px3−4と、各画素Px1−1〜Px3−4を行毎に駆動する垂直走査回路7と、各画素Px1−1〜Px3−4が列毎に接続された垂直信号線22a〜22dと、水平信号線27と、水平走査回路8から構成されている。
【0003】
各画素は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積するフォトダイオード1と、ソースフォロワ動作により上記電荷に応じた信号をソース(S)から出力する接合型電界効果トランジスタ(以下、JFETという)2と、上記電荷をフォトダイオード1からJFET2に転送する転送ゲート3と、JFET2を制御する制御領域4と制御ゲート5から構成されている。
【0004】
各JFET2のソース(S)は、各列毎に垂直信号線22a〜22dに接続され、各JFET2のドレイン(D)は、全画素共通にドレイン電源VDに接続されている。
転送ゲート3は、各行毎に転送ゲート配線20a〜20cに接続され、垂直走査回路7から送出されるパルスφTG1〜φTG3により行毎に駆動される。
【0005】
制御領域4は、各行毎に制御領域配線24a〜24cに接続され、垂直走査回路7から送出されるパルスφRD1〜φRD3により行毎に駆動される。
制御ゲート5は、制御ゲート配線21a〜21cによって行毎に接続され、さらにこれらの配線を接続することによってすべて共通に接続され、駆動パルスφRGにより駆動される。
【0006】
垂直信号線22a〜22dには、JFET2の負荷となる定電流源26a〜26dと、垂直信号線を一定の電圧(VRV)に固定するためのリセットトランジスタTRV1〜TRV4と、JFET2の動作帯域を制限するための垂直負荷容量Cv1〜Cv4と、列バッファアンプ29a〜29dと、クランプ容量Cc1〜Cc4と、クランプトランジスタTC1〜TC4が接続されている。垂直信号線22a〜22dは、列選択トランジスタTH1〜TH4を介して水平信号線27に接続されている。
【0007】
水平信号線27には、出力バッファアンプ28とリセットトランジスタTRHが接続されている。
図20は、図19に示す回路図の動作を説明するためのパルスタイミングチャートである。この図を参照しながら、従来の固体撮像素子の動作について説明する。なお、後述するように各画素を構成する転送ゲート3及び制御ゲート5はPチャネル型(図22,図23参照)であるため、これらに印加されるパルスがローレベルの時に導通(オン)状態となり、これらのパルスがハイレベルの時に遮断(オフ)状態となる。
【0008】
図20において、t11〜t15までの期間は、第1行目の画素の読み出し動作に対応しており、以下t21〜t25及びt31〜t35の期間は、それぞれ第2行目、第3行目に対応している。
まず、期間t11においてφRGをローレベルにして、すべての画素の制御ゲート5を導通(オン)状態にする。また、駆動パルスφRD1をハイレベル、(φRD2,φRD3はローレベルのまま)にして、制御領域4から制御ゲート5を介して、第1行目の画素のJFET2のゲート領域にハイレベルの電圧を、2行目以後のJFET2のゲート領域にローレベルの電圧を供給する。つまり、第1行目のJFET2には、その制御領域4を介してハイレベルの電圧をゲート領域に供給してこのJFET2を動作(選択)状態にする。また、2行目以後のJFET2には、その制御領域4を介してローレベルの電圧をゲート領域に供給してこのJFET2を非動作(非選択)状態とする。
【0009】
期間t11の終わりにおいて、駆動パルスφRGをハイレベルとし、すべての画素の制御ゲート5を遮断(オフ)状態とすると、第1行目のJFET2は動作(選択)状態、2行目以後のJFET2は非動作(非選択)状態を保持したままフローティング状態となる。つまり、期間t11では、行選択動作とJFET2の初期化動作が行われる。
【0010】
期間t12においては、駆動パルスφRVをローレベルにして、リセットトランジスタTRV1〜TRV4を遮断(オフ)状態とし、第1行目のJFET2がソースフォロワ動作を行う。従って、JFET2のゲート領域の初期化直後の電位に対応した出力(暗時出力)電圧が、JFET2のソース(S)から垂直信号線22a〜22d、列バッファアンプ29a〜29dを介してクランプ容量Cc1〜Cc4の一端(垂直信号線22a〜22d側、以後入力端とする)に印加される。また、駆動パルスφCはハイレベルでクランプトランジスタTC1〜TC4は導通(オン)状態となっており、クランプ容量Cc1〜Cc4の他端(水平信号線27側、以後出力端とする)は接地電位である。
【0011】
期間t12の終わりにおいて、駆動パルスφCをローレベルとしてクランプトランジスタTC1〜TC4を遮断(オフ)状態とすると、上記出力(暗時出力)電圧がクランプ容量Cc1〜Cc4に保持されたまま、クランプ容量Cc1〜Cc4の出力端がフローティング状態となる。つまり、暗時出力電圧のクランプ動作が行われる。
【0012】
期間t13においては、駆動パルスφTG1をローレベル(駆動パルスφTG2、φTG3はハイレベルのまま)にして第1行目の画素の転送ゲート3を導通(オン)状態とし、第1行目のフォトダイオード1で生成・蓄積された信号電荷をJFET2のゲート領域に転送する。なお、信号電荷を転送した後のJFET2のゲート領域の電位は、信号電荷量/ゲート容量の分だけ変化(この場合は上昇)する。
【0013】
期間t13の終わりで、駆動パルスφTG1をハイレベルにして転送ゲート3を遮断(オフ)状態にすると、第1行目のフォトダイオード1は、光電変換による次の信号電荷蓄積動作に入る。図20においてtLIはフォトダイオード1の電荷蓄積時間を示している。
期間t14においては、期間t12と同様に、駆動パルスφRVをローレベルにして、リセットトランジスタTRV1〜TRV4を遮断(オフ)状態とし、第1行目のJFET2がソースフォロワ動作を行う。今度は、JFET2のゲート領域へ信号電荷を転送した後の電位に対応した出力(信号出力)電圧が、JFET2のソース(S)から垂直信号線22a〜22d、列バッファアンプ29a〜29dを介してクランプ容量Cc1〜Cc4の入力端に印加される。
【0014】
この時クランプ容量Cc1〜Cc4の出力端の電圧は、期間t14における信号電荷転送後のJFET2のソースフォロワ動作による出力(信号出力)電圧から、期間t12における電荷転送前(ゲート領域初期化後)のJFET2のソースフォロワ動作による出力(暗時出力)電圧を差し引いた電圧となる。
期間t14におけるJFET2のソースフォロワ動作の出力(信号出力)電圧には光信号成分とノイズ成分が含まれており、期間t12におけるJFET2のソースフォロワ動作の出力(暗時出力)電圧にはノイズ成分のみが含まれている。従って、両者を減算(いわゆる相関二重サンプリング処理)したクランプ容量Cc1〜Cc4の出力端の電圧は、光信号成分のみに応じた出力電圧となる。
【0015】
両者に含まれるノイズ成分としては、各JFET2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイズ、制御領域4から制御ゲート5を介してJFET2のゲート領域を初期化した時に発生するリセットノイズ、JFET2と定電流源(26a〜26d)によるソースフォロワ動作時に発生する1/fノイズ、列バッファアンプ29a〜29dのオフセット電圧のばらつきによる固定パターンノイズがある。
【0016】
即ち、期間t14におけるクランプ容量Cc1〜Cc4の出力端の電圧は、上記ノイズ成分を除去した光信号成分のみの映像信号となり、S/N比が向上する。
期間t15においては、水平走査回路8から駆動パルスφH1〜φH4を順次出力することで、クランプ容量Cc1〜Cc4の出力端に現れている光信号成分のみに応じた出力電圧を水平信号線27に転送し、出力バッファアンプ28を経て、出力端子35から映像信号が出力される。また、駆動パルスφRHを順次出力することで、水平信号線27がリセットされる。
【0017】
期間t11〜期間t15に対する第1行目の読み出し動作は、期間t21〜t25及び期間t31〜期間t35において、それぞれ第2行目、第3行目に対して繰り返し、同様に行われる。
次に、図面を参照しながら従来の固体撮像素子の画素構造を説明する。図21は、従来の固体撮像素子の画素平面図であり、図22は図21のXa−Xb線に沿った断面図、図23は図21のYa−Yb線に沿った断面図、図24は図21のYc−Yd線に沿った断面図である。
【0018】
従来の固体撮像素子の画素は、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、制御領域4、制御ゲート5から構成されている。
フォトダイオード1は、図23,図24に示すように、P型半導体基板10上に形成されたN型ウエル領域11、P型電荷蓄積領域12、高濃度のN型半導体領域13によって構成される。これにより、NPNP型の縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダイオードが形成されている。即ち、埋め込み型のフォトダイオード(N,P,N)と縦型オーバーフロードレイン構造(P,N,P)の合わさった構造が形成されている。この構造により、暗電流、残像、リセットノイズ、ブルーミング、及びスミアが抑圧される。
【0019】
JFET2はNチャネル型であり、図22,図23に示すように、N型ソース領域14、P型ゲート領域15、N型ドレイン領域16、N型チャネル領域17から構成されている。N型ソース領域14は、列毎に垂直信号線22(図19の垂直信号線22a〜22dに対応する)に接続されている(図21,図22参照)。N型ドレイン領域16は、画素の周囲を囲うように網の目状に連続して形成され、画素領域(画素がマトリクス状に複数配置された領域)の周囲において全画素共通にドレイン電源VDに接続されている(図19参照)。
【0020】
転送ゲート3は、図23に示すように、フォトダイオード1とJFET2の境界領域上に絶縁膜33を介して形成されている。そして、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12とJFET2のP型ゲート領域15をソースまたはドレイン領域とし、転送ゲート3をゲート電極とするPチャネルMOSトランジスタが構成されている。転送ゲート3は、図21に示すように、転送ゲート配線20(図19の転送ゲート配線20a〜20cに対応する)に接続されている。
【0021】
P型制御領域4は、図21,図22に示すように、N型ウエル領域11中に形成され、制御領域配線24(図19の制御領域配線24a〜24cに対応する)に接続されている。この制御領域配線24はフォトダイオード1以外の領域を遮光する遮光膜を兼用している。
制御ゲート5は、図22に示すように、JFET2とP型制御領域4の境界領域上に絶縁膜33を介して形成されている。そして、JFET2のP型ゲート領域15とP型制御領域4をソースまたはドレイン領域とし、制御ゲート5をゲート電極とするPチャネルMOSトランジスタが構成されている。制御ゲート5は、図21に示すように、制御ゲート配線21(図19の制御ゲート配線21a〜21cに対応する)に接続されている。
【0022】
以上説明したように、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、制御領域4、制御ゲート5を備えた画素をマトリクス状に配置した、図19〜図24に示す従来の固体撮像素子は、縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダイオード1を採用しているため、暗電流、残像、リセットノイズ、及びブルーミング、スミアが抑圧され、また、垂直負荷容量Cv1〜Cv4を負荷としたJFET2の狭帯域ソースフォロワ動作によって、増幅動作時のノイズが抑圧される。また、信号電荷転送前と転送後における各ソースフォロワ動作の出力電圧を、クランプ容量Cc1〜Cc4を介して減算処理(相関二重サンプリング処理)することによって、JFET2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイズ、JFET2のゲート領域を初期化した時に発生するリセットノイズ、ソースフォロワ動作時の1/fノイズ、列バッファアンプ29a〜29dのオフセット電圧のばらつきによる固定パターンノイズが抑圧される。従って、高感度で低ノイズの(S/N比が高い)映像信号が得られる。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体撮像素子は、上記したような優れた作用効果を有するものの、製造歩留まりが低いという問題点があった。
また、従来の固体撮像素子は、オプティカルブラック(光学的黒部:遮光されたフォトダイオード1を備えた複数の画素部)を形成する場合、さらに遮光膜を追加形成せねばならず、製造工程数が増加してしまった。このため、製造工程数の増大に伴う製造コストの上昇、及び、歩留まりの更なる低下という問題点もあった。
【0024】
本発明は、上記課題を鑑みて成されたものであり、製造歩留まりの高い固体撮像素子を提供することを目的とする。
さらに、本発明の別の目的は製造工程数を増加させずにオプティカルブラック(光学的黒部)を形成できる固体撮像素子を提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の製造歩留まりを低下させる原因が制御領域に電圧を供給する配線(制御領域配線)間の短絡に有ることを突き止めた。図21、図22に示すように、各画素の制御領域4は、制御領域配線24(図19の制御領域配線24a〜24c)によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路7に接続されている。そして垂直走査回路7から送出されるパルスφRD1〜φRD3によって行毎に駆動(図19参照)される。この制御領域配線24は、フォトダイオード1以外の領域を遮光する遮光膜を兼用しており、その他の配線間隔に比べて比較的狭い間隔で行方向に互いに平行に形成されている。
【0026】
このため、制御領域配線24の形成工程(配線金属膜の堆積工程、及び、フォトリソ・エッチング工程)において、配線間隔と同等以上の大きさを有するパーティクルが付着すると、このパーティクルを介して隣り合う2本の配線が短絡し、製造歩留まりが低下していたのである。請求項1に記載の固体撮像素子は、入射光に応じた信号を出力する増幅部と前記増幅部を制御する制御領域と前記増幅部と前記制御領域との電気的な接続状態を制御する制御ゲートを備えた画素を多数配列した固体撮像素子であって、前記制御ゲートをゲート電極とし、且つ、前記制御領域をソースまたはドレインの一方とするMOS型トランジスタが構成され、前記増幅部は、電界効果型トランジスタであり、そのゲートは、前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方と接続され、前記MOS型トランジスタのソース及びドレインは、前記電界効果型トランジスタのソース及びドレインとは反対の導電型であり、前記各制御領域は共通に電源に接続され、前記制御ゲートは行毎にパルス電圧により駆動され、前記パルス電圧により前記制御ゲートが導通状態にされた行では、前記制御領域から前記電界効果型トランジスタに一定の電圧が供給されて前記電界効果型トランジスタが非動作状態となり、前記パルス電圧により前記制御ゲートが遮断状態にされた行では、前記電界効果型トランジスタと前記制御領域が電気的に遮断されるとともに、前記制御ゲートと前記電界効果型トランジスタの容量結合により前記電界効果型トランジスタが動作状態となることを特徴とする。
【0027】
請求項1は、増幅部に電界効果型トランジスタを配置したものであるが、この構成により、各画素の制御領域は共通に接続されるので、制御領域を接続する配線が互いに短絡する問題が解消され、それに伴い製造歩留まりが向上する。また、制御領域を接続する配線は、画素全体の遮光膜として使用することが可能となり、製造工程数を増加させずにオプティカルブラック(光学的黒部)を形成できる。
【0028】
さらに、請求項1の構成によって容量結合を利用して行選択することが可能となり、駆動パルス(撮像素子への入力パルス)を減少させ、これに伴い撮像素子の垂直走査回路を簡略することが可能となる。
請求項2に記載の固体撮像素子は、入射光に応じた信号を出力する増幅部と前記増幅部を制御する制御領域と前記増幅部と前記制御領域との電気的な接続状態を制御する制御ゲートを備えた画素を多数配列した固体撮像素子であって、前記制御ゲートをゲート電極とし、且つ、前記制御領域をソースまたはドレインの一方とするMOS型トランジスタが構成され、前記増幅部は接合型電界効果トランジスタであり、そのゲートは前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方と接続され、前記接合型電界効果トランジスタのゲートは、前記MOS型トランジスタのソース及びドレインと同一の導電型であり、前記各制御領域は共通に電源に接続され、前記制御ゲートは行毎にパルス電圧により駆動され、前記パルス電圧により前記制御ゲートが導通状態にされた行では、前記制御領域から前記接合型電界効果トランジスタに一定の電圧が供給されて前記接合型電界効果トランジスタが非動作状態となり、前記パルス電圧により前記制御ゲートが遮断状態にされた行では、前記接合型電界効果トランジスタと前記制御領域が電気的に遮断されるとともに、前記制御ゲートと前記接合型電界効果トランジスタの容量結合により前記接合型電界効果トランジスタが動作状態となることを特徴とする。
請求項2は、増幅部に接合型電界効果型トランジスタを配置したものであるが、この構成により、各画素の制御領域は共通に接続されるので、制御領域を接続する配線が互いに短絡する問題が解消され、それに伴い製造歩留まりが向上する。また、制御領域を接続する配線は、画素全体の遮光膜として使用することが可能となり、製造工程数を増加させずにオプティカルブラック(光学的黒部)を形成できる。
さらに、請求項2の構成によって容量結合を利用して行選択することが可能となり、駆動パルス(撮像素子への入力パルス)を減少させ、これに伴い撮像素子の垂直走査回路を簡略することが可能となる。
【0029】
請求項3に記載の固体撮像素子は、請求項2に記載された固体撮像素子において、前記接合型電界効果トランジスタのゲートと前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方は、同一の半導体領域であることを特徴とする。
【0030】
この構成により、接合型電界効果トランジスタのゲートに接続される配線や拡散領域が縮小される。このため、これらの配線や拡散領域に起因する寄生容量が小さくなり、出力信号が増大する。さらに、より微細化が可能となるので開口率が向上する。
請求項4に記載の固体撮像素子は、入射光に応じた信号を出力する増幅部と前記増幅部を制御する制御領域と前記増幅部と前記制御領域との電気的な接続状態を制御する制御ゲートを備えた画素を多数配列した固体撮像素子であって、前記制御ゲートをゲート電極とし、且つ、前記制御領域をソースまたはドレインの一方とするMOS型トランジスタが構成され、前記増幅部はバイポーラトランジスタであり、そのベースは前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方と接続され、前記バイポーラトランジスタのベースは、前記MOS型トランジスタのソース及びドレインと同一の導電型であり、前記各制御領域は共通に電源に接続され、前記制御ゲートは行毎にパルス電圧により駆動され、前記パルス電圧により前記制御ゲートが導通状態にされた行では、前記制御領域から前記バイポーラトランジスタに一定の電圧が供給されて前記バイポーラトランジスタが非動作状態となり、前記パルス電圧により前記制御ゲートが遮断状態にされた行では、前記バイポーラトランジスタと前記制御領域が電気的に遮断されるとともに、前記制御ゲートと前記バイポーラトランジスタの容量結合により前記バイポーラトランジスタが動作状態となることを特徴とする。
【0031】
この請求項は、増幅部にバイポーラトランジスタを配置させたものであるが、この構成により、各画素の制御領域は共通に接続されるので、制御領域を接続する配線が互いに短絡する問題が解消され、それに伴い製造歩留まりが向上する。また、制御領域を接続する配線は、画素全体の遮光膜として使用することが可能となり、製造工程数を増加させずにオプティカルブラック(光学的黒部)を形成できる。
さらに、請求項4の構成によって容量結合を利用して行選択することが可能となり、駆動パルス(撮像素子への入力パルス)を減少させ、これに伴い撮像素子の垂直走査回路を簡略することが可能となる。
請求項5に記載の固体撮像素子は、請求項4に記載された固体撮像素子において、前記バイポーラトランジスタのベースと前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方は、同一の半導体領域であることを特徴とする。この構成により、バイポーラトランジスタのベースに接続される配線や拡散領域が縮小される。このため、これらの配線や拡散領域に起因する寄生容量が小さくなり、出力信号が増大する。さらに、より微細化が可能となるので開口率が向上する。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、重複する説明は省略する。
〔実施形態1〕
図1は、本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。実施形態1の固体撮像素子は、2次元マトリクス状に配置された複数の画素Px1−1〜Px3−4と、各画素Px1−1〜Px3−4を行毎に駆動する垂直走査回路7と、各画素Px1−1〜Px3−4が列毎に接続された垂直信号線22a〜22dと、水平信号線27と、水平走査回路8から構成されている。
【0033】
各画素、例えばPx1−1は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積するフォトダイオード1と、ソースフォロワ動作により上記電荷に応じた信号をソース(S)から出力するNチャネル型の接合型電界効果トランジスタ(以下、JFETという)2と、上記電荷をフォトダイオード1からJFET2に転送する転送ゲート3と、JFET2を制御する制御領域4と制御ゲート5から構成されている。
【0034】
各JFET2のソース(S)は、各列毎に垂直信号線22a〜22dに接続され、各JFET2のドレイン(D)は、全画素共通にドレイン電源VDに接続されている。
転送ゲート3は、各行毎に転送ゲート配線20a〜20cに接続され、垂直走査回路7から送出されるパルスφTG1〜φTG3により行毎に駆動される。
【0035】
制御領域4は、制御領域配線24a〜24cによって行ごとに接続され、さらにこれらの配線を接続することによってすべて共通に接続され、電源(電圧VG)に接続されている。
制御ゲート5は、各行毎に制御ゲート配線21a〜21cに接続され、垂直走査回路7から送出されるパルスφRG1〜φRG3により行毎に駆動される。
【0036】
垂直信号線22a〜22dには、JFET2の負荷となる定電流源26a〜26dと、垂直信号線を一定の電圧(VRV)に固定するためのリセットトランジスタTRV1〜TRV4と、JFET2の動作帯域を制限するための垂直負荷容量Cv1〜Cv4と、列バッファアンプ29a〜29dと、クランプ容量Cc1〜Cc4と、クランプトランジスタTC1〜TC4が接続されている。垂直信号線22a〜22dは、列選択トランジスタTH1〜TH4を介して水平信号線27に接続されている。
【0037】
水平信号線27には、出力バッファアンプ28と水平信号線27を一定の電圧(ここではGND)にリセットするリセットトランジスタTRHが接続されている。
図2は、実施形態1に係る固体撮像素子の動作を説明するパルスタイミングチャートである。本図を参照しながら、図1に示す実施形態1の固体撮像素子の動作について説明する。なお、後述するように各画素を構成する転送ゲート3及び制御ゲート5は、Pチャネル型(図5,図6参照)である。よって、φTG1〜φTG3及びφRG1〜φRG3は、これらのパルスがローレベルのときに対応する転送ゲート3または制御ゲート5が導通(オン)状態となり、これらのパルスがハイレベルの時遮断(オフ)状態となる。その他のゲートはNチャネル型であり、対応するパルスがハイレベルのとき導通(オン)状態となり、ローレベルのとき遮断(オフ)状態となる。
【0038】
図2において、t11〜t15までの期間は、第1行目の画素の読み出し動作に対応しており、以下t21〜t25及びt31〜t35の期間は、それぞれ第2行目、第3行目に対応している。
まず、期間t11では、φRG1〜φRG3がローレベルであり、すべての画素の制御ゲート5は導通(オン)状態である。従って、すべての画素のJFET2のゲート領域は、制御領域4より制御ゲート5を介して電圧VGが印加されることにより初期化される。
【0039】
期間t11の終わりにおいて、駆動パルスφRG1をハイレベル(駆動パルスφRG2,φRG3はローレベルのまま)とし、第1行目の制御ゲート5を遮断(オフ)状態にする。この動作を行うと、制御ゲート5とJFET2のゲート領域との容量結合により、第1行目のJFET2のゲート領域の電位が上昇してVG+ΔVGとなる(変化量をΔVGとする)。第1行目のJFET2は、ゲート領域がフローティング状態となると共に、ゲート電圧(正確にはゲート・ソース間電圧)が他の行より上昇することにより動作(選択)状態となる。
【0040】
一方、2行目以後の制御ゲート5は導通(オン)状態であり、JFET2のゲート領域は電圧VGが印加されたままである。従って、2行目以後のJFET2のゲート電圧(正確にはゲート・ソース間電圧)は、第1行目のゲート電圧より低い。このため、2行目以降のJFET2は、非動作(非選択)状態のままである。
【0041】
ここで、期間t11の行選択動作をさらに詳しく説明する。
図3は、実施形態1に係る固体撮像素子の行選択動作の説明図であり、(a)は画素の等価回路図、(b)は制御ゲート5に与える電圧とJFET2のゲート電圧の変化を示す電位図である。図3(a)の等価回路図に示すように、実施形態1の固体撮像素子の画素は、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、制御領域4、制御ゲート5から構成され、制御領域4には一定の電圧(VG)が印加されている。そして、JFET2のゲート領域(G)と、隣接する4つの領域(後述の図4〜図7参照)、即ち、ソース領域(S)、ドレイン領域(D)、転送ゲート3、制御ゲート5との間には、それぞれ、CGS,CGD,CG(TG),CG(RG)という容量がある。
【0042】
また、図3(b)に示すように、Pチャネル型の制御ゲート5が、導通(オン)状態から遮断(オフ)状態に、つまり、駆動パルスφRGがローレベル(VRGL)からハイレベル(VRGH)に変化する過程において、JFET2のゲート領域(G)は、電気的にフローティング状態になると同時に、容量結合によってゲート電圧がΔVGだけ上昇し、VG+ΔVGとなる。この電圧の変化量ΔVGは、図3には式(1)として示したが、駆動パルスφRGの振幅(詳しくは、図3(b)のVRGH−VTの値)と容量比CG(RG)/CG(total)の積で決まる。なお、VTは制御ゲート5のしきい値電圧であり、CG(total)は、上記4つの容量成分の合計容量(式(2))である。
【0043】
このように、ΔVGの値は、図3の式(1)に従って適切に選択することが可能である。このようにすれば、Pチャネル型の制御ゲート5が導通状態から遮断状態に変化すると、Nチャネル型のJFET2は、非動作状態から動作状態に変化する。
一方、Pチャネル型の制御ゲート5が、導通(オン)状態を継続した場合、つまり、駆動パルスφRGがローレベル(VRGL)のままであれば、JFET2のゲート領域(G)の電圧はVGから変化しない。よって、JFET2は、非選択状態のままである。
【0044】
従って、φRGパルスの振幅と容量比CG(RG)/CG(total)(画素構造や動作点によって変化する)を適切に選択し、容量結合によるJFET2のゲート電圧の変化量ΔVGを適当な値に設定することで行選択動作を行うことができる。
図2のタイミングチャートの期間t11では、これを利用して、JFET2の行選択動作を行っている。つまり、第1行目のJFET2はゲート領域がフローティング状態となると共にゲート電圧がVG+ΔVGとなり、2行目以後のJFET2はゲート電圧が電源電圧VGに固定される。列方向に配列された各JFET2のソース領域(S)は垂直信号線22a〜22bによって共通に接続されているため、ゲート・ソース間の電圧の大きな第1行目のJFET2は動作(選択)状態となり、ゲート・ソース間の電圧の小さな2行目以降のJFET2は非動作(非選択)状態となる。なお、本実施形態では、VRGH−VTを7V、ΔVGを0.7Vとした。
【0045】
なお期間t11では、駆動パルスφRVをハイレベルにしてリセットトランジスタTRV1〜TRV4を導通(オン)状態とする。これにより、垂直信号線22a〜22dの電圧は一定の値(VRV)に固定される。これは、上記の行選択動作を確実に行うため、即ち、行選択動作を補助するためである。しかし、ΔVGが大きくてJFETの行選択動作が容易であるなら、必ずしも必要でない。ΔVGが大きい場合とは、式(1)から理解されるように、VRGH−VTが大きいとき、又は、CG(RG)/CG(total)が大きいときである。
【0046】
図2に戻って説明する。期間t12においては、駆動パルスφRVをローレベルにして、リセットトランジスタTRV1〜TRV4を遮断(オフ)状態とし、第1行目のJFET2がソースフォロワ動作を行う。従って、JFET2のゲート領域の初期化直後の電位に対応した出力(暗時出力)電圧が、JFET2のソース(S)から垂直信号線22a〜22d、列バッファアンプ29a〜29dを介してクランプ容量Cc1〜Cc4の一端(垂直信号線22a〜22d側、以後入力端とする)に印加される。また、駆動パルスφCはハイレベルでクランプトランジスタTC1〜TC4は導通(オン)状態となっており、クランプ容量Cc1〜Cc4のもう一方の端(水平信号線27側、以後出力端とする)は接地電位である。
【0047】
期間t12の終わりにおいて、駆動パルスφCをローレベルとしてクランプトランジスタTC1〜TC4を遮断(オフ)状態とすると、上記出力(暗時出力)電圧がクランプ容量Cc1〜Cc4に保持されたまま、クランプ容量Cc1〜Cc4の出力端がフローティング状態となる。つまり、暗時出力電圧のクランプ動作が行われる。
【0048】
期間t13においては、駆動パルスφTG1をローレベル(駆動パルスφTG2、φTG3はハイレベルのまま)にして第1行目の画素の転送ゲート3を導通(オン)状態とし、第1行目のフォトダイオード1で生成・蓄積された信号電荷をJFET2のゲート領域に転送する。なお、信号電荷を転送した後のJFET2のゲート領域の電位は、信号電荷量/ゲート容量の分だけ変化(この場合は上昇)する。
【0049】
期間t13の終わりで、駆動パルスφTG1をハイレベルにして転送ゲート3を遮断(オフ)状態にすると、第1行目のフォトダイオード1は、光電変換による次の信号電荷蓄積動作に入る。図2においてtLIはフォトダイオード1の電荷蓄積時間を示している。
なお期間t13においても期間t11と同様に駆動パルスφRVをハイレベルにしてリセットトランジスタTRV1〜TRV4を導通(オン)状態とする。これは、上記の転送動作を確実に行うため、即ち、転送動作を補助するためである。これによって、信号電荷はフォトダイオード1からJFET2に完全転送され易くなる。しかし、フォトダイオード1の面積や不純物濃度などの条件により、リセットトランジスタTRV1〜TRV4を用いなくとも完全転送されるときには、これらのトランジスタは不要である。従って、期間t11並びに期間t13におけるφRVとそれに伴うリセットトランジスタTRV1〜TRV4の動作が共に必要ない場合、実施形態1の固体撮像素子は、回路図(図1)及びタイミングチャート(図2)に示された、駆動パルスφRV、リセットトランジスタTRV1〜TRV4、並びに電源(VRV)を削除しても良い。
【0050】
期間t14においては、期間t12と同様に、駆動パルスφRVをローレベルにして、リセットトランジスタTRV1〜TRV4を遮断(オフ)状態とし、第1行目のJFET2がソースフォロワ動作を行う。今度は、JFET2のゲート領域へ信号電荷を転送した後の電位に対応した出力(信号出力)電圧が、JFET2のソース(S)から垂直信号線22a〜22d、列バッファアンプ29a〜29dを介してクランプ容量Cc1〜Cc4の入力端に印加される。
【0051】
この時クランプ容量Cc1〜Cc4の出力端の電圧は、期間t14における信号電荷転送後のJFET2のソースフォロワ動作による出力(信号出力)電圧から、期間t12における電荷転送前(ゲート領域初期化後)のJFET2のソースフォロワ動作による出力(暗時出力)電圧を差し引いた電圧となる。
期間t14におけるJFET2のソースフォロワ動作の出力(信号出力)電圧には光信号成分とノイズ成分が含まれており、期間t12におけるJFET2のソースフォロワ動作の出力(暗時出力)電圧にはノイズ成分のみが含まれている。従って、両者を減算(いわゆる相関二重サンプリング処理)したクランプ容量Cc1〜Cc4の出力端の電圧は、光信号成分のみに応じた出力電圧となる。
【0052】
両者に含まれるノイズ成分としては、各JFET2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイズ、制御領域4から制御ゲート5を介してJFET2のゲート領域を初期化した時に発生するリセットノイズ、JFET2と定電流源(26a〜26d)によるソースフォロワ動作時に発生する1/fノイズ、列バッファアンプ29a〜29dのオフセット電圧のばらつきによる固定パターンノイズがある。
【0053】
即ち、期間t14におけるクランプ容量Cc1〜Cc4の出力端の電圧は、上記ノイズ成分を除去した光信号成分のみの映像信号となり、S/N比が向上する。
期間t15においては、水平走査回路8から駆動パルスφH1〜φH4を順次出力することで、クランプ容量Cc1〜Cc4の出力端に現れている光信号成分のみに応じた出力電圧を水平信号線27に転送し、出力バッファアンプ28を経て、出力端子35から映像信号が出力される。また、駆動パルスφRHを順次出力することで、水平信号線27がリセットされる。なお、期間t14におけるソースフォロワ動作は期間t15においても継続する。
【0054】
また、期間t11〜期間t14は、水平帰線期間に行われる。
期間t11〜期間t15に対する第1行目の読み出し動作は、期間t21〜t25及び期間t31〜期間t35において、それぞれ第2行目、第3行目に対して繰り返し、同様に行われる。
以上、実施形態1の固体撮像素子の行選択動作は、次のようにまとめることができる。
1.各画素のJFET2のソースは、列毎に同一の定電流源に接続され、ソースフォロワ動作する。JFET2のソース電圧は、列毎に同一となる。
2.一方、各行のうち、JFET2のゲート・ソース間電圧が大きな行が選択され、当該行のJFET2から信号が出力される。
3.また、制御ゲート5は、各行ごとに接続されて動作する。制御ゲート5がオンした行は、JFET2のゲート電圧がVGとなる。また、制御ゲート5がオフした行は、容量結合によりJFET2のゲート電圧がVG+ΔVGとなる。
4.従って、JFET2にソースフォロワ動作させているとき、制御ゲート5をオフした行から信号が出力される。即ち、行選択することが可能となる。
【0055】
このように本発明は、歩留まりが向上するばかりでなく、容量結合を巧みに利用して行選択することが可能となる。このため、駆動パルス(撮像素子への入力パルス)が減少し、撮像素子の垂直走査回路が簡単になる。また、駆動のタイミングが簡単になり、動作速度が向上する。また、選択画素と非選択画素のゲート電圧またはベース電圧の差を従来よりも小さく設定できるため、転送特性(残像特性)や飽和電荷量(オーバーフロー特性)が向上する。さらには、制御ゲート5のパルス電圧(φRG)のローレベル側の電圧値が上昇し、全体として素子の駆動電圧を減少させることが可能となる。
【0056】
次に、実施形態1に係る固体撮像素子の画素構造を説明する。図4は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素平面図であり、図5はそのX1−X2線に沿った断面図、図6はそのY1−Y2線に沿った断面図、図7はそのY3−Y4線に沿った断面図である。
実施形態1の固体撮像素子の画素は、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、制御領域4、制御ゲート5から構成されている。
【0057】
フォトダイオード1は、図6,図7に示すように、P型半導体基板10上に形成されたN型ウエル領域11、P型電荷蓄積領域12、高濃度のN型半導体領域13によって構成される。これにより、NPNP型の縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダイオードが形成される。即ち、埋め込み型のフォトダイオード(N,P,N)と縦型オーバーフロードレイン構造(P,N,P)の合わさった構造が形成されている。この構造により、暗電流、残像、リセットノイズ、ブルーミング、及びスミアが抑圧される。
【0058】
JFET2はNチャネル型であり、図5,図6に示すように、N型ソース領域14、P型ゲート領域15、N型ドレイン領域16、N型チャネル領域17から構成されている。N型ソース領域14は、列毎に垂直信号線22(図1の垂直信号線22a〜22dに対応する)に接続されている(図4,図5参照)。N型ドレイン領域16は、画素の周囲を囲うように網の目状に連続して形成され、画素領域(画素がマトリクス状に複数配置された領域)の周囲において全画素共通にドレイン電源VDに接続されている(図1参照)。
転送ゲート3は、図6に示すように、フォトダイオード1とJFET2の境界領域上に絶縁膜33を介して形成されている。そして、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12とJFET2のP型ゲート領域15をソースまたはドレイン領域とし、転送ゲート3をゲート電極とするPチャネルMOSトランジスタが構成されている。転送ゲート3は、図4に示すように、転送ゲート配線20(図1の転送ゲート配線20a〜20cに対応する)に接続されている。
【0059】
P型制御領域4は、図4,図5に示すように、N型ウエル領域11中に形成され、制御領域配線24(図1の制御領域配線24a〜24cに対応する)に接続されている。制御領域配線24の間隔は、従来と同様である。しかし、図1からも明らかであるように、本発明の各制御領域配線は、すべて共通に接続される。このため、例え制御領域配線間にパーティクルが付着しても、すべての制御領域配線には同一の電圧が印加されるので不良にはならない。従って、歩留まりが向上する。
【0060】
また、この制御領域配線24はフォトダイオード1以外の領域を遮光する遮光膜を兼用している。
制御ゲート5は、図5に示すように、JFET2とP型制御領域4の境界領域上に絶縁膜33を介して形成されている。そして、制御ゲート5をゲート電極とし、P型制御領域4をソースまたはドレイン領域の一方とし、更に、JFET2のP型ゲート領域15をソースまたはドレイン領域の他方とするPチャネルMOSトランジスタが構成されている。制御ゲート5は、図4に示すように、制御ゲート配線21(図1の制御ゲート配線21a〜21cに対応する)に接続されている。また、図1から明らかであるが、制御ゲートは、行毎に接続されて行毎に駆動する。このため、前記した行選択の動作が可能となる。
【0061】
上記PチャネルMOSトランジスタのソース・ドレイン(即ち、制御領域4・JFET2のゲート領域15)は、P型の半導体領域である。一方、JFET2のソース・ドレインは、これとは反対導電型である(即ち、N型の半導体領域)。また、JFET2のゲートは、上記PチャネルMOSトランジスタのソース・ドレインと同一の導電型(P型半導体領域)である。このように、各半導体領域の導電型を選択すれば、制御ゲートをオフすることによりJFET2のゲート電圧がΔVGだけ増大する。このため、前記した行選択の動作が可能となる。
【0062】
また、JFET2のP型ゲート領域15と、上記PチャネルMOSトランジスタのソースまたはドレイン領域の他方は、同一半導体領域である。このようにすれば、不要な配線や拡散領域を削除することが可能である。このため、寄生容量が小さくなり出力信号が増大するばかりでなく、より微細化が可能となる。
最後に、図8を参照しながら、オプティカルブラック(光学的黒部)の構造について説明する。
【0063】
図8は、実施形態1の固体撮像素子の撮像部を構成する画素とオプティカルブラック(光学的黒部)を構成する画素の境界領域を示す部分的な平面図である。そして、図8の右端に示すように、オプティカルブラックの画素(OB部の画素)は、制御領域配線24によって遮光されている。つまり、実施形態1の固体撮像素子は、各画素の制御領域4が共通に接続されるため、新たに遮光膜を追加しなくても、制御領域配線24によって、フォトダイオード1を含む画素全体を遮光することができる。
【0064】
以上説明したように、実施形態1の固体撮像素子は、縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダイオード1を採用しているため、暗電流、残像、リセットノイズ、及びブルーミング、スミアが抑圧され、また、垂直負荷容量Cv1〜Cv4を負荷としたJFET2の狭帯域ソースフォロワ動作によって、増幅動作時のノイズが抑圧される。また、信号電荷転送前と転送後における各ソースフォロワ動作の出力電圧を、クランプ容量Cc1〜Cc4を介して減算処理(相関二重サンプリング処理)することによって、JFET2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイズ、JFET2のゲート領域を初期化した時に発生するリセットノイズ、ソースフォロワ動作時の1/fノイズ、列バッファアンプ29a〜29dのオフセット電圧のばらつきによる固定パターンノイズが抑圧される。従って、従来の固体撮像素子(図19〜図24)と同様、高感度で低ノイズの(S/N比が高い)映像信号が得られる。
【0065】
また、実施形態1の固体撮像素子は、各画素の制御領域4が共通に接続されるため、制御領域配線24が互いに短絡することによる過電流等の問題が解消し、製造歩留まりが向上する。
また、実施形態1の固体撮像素子は、制御領域配線24によってフォトダイオード1を含む画素全体を遮光することが可能であり、製造工程数を増加させずにオプティカルブラック(光学的黒部)を形成できる。
【0066】
なお、ここでは、各垂直信号線22a〜22bにはソースフォロワ回路の負荷として定電流源を用いた。しかし、本発明はこれに限るものではない。例えば、ソースフォロワ回路の負荷として抵抗を使用しても良い。
また、ここでは、ソースフォロワ動作により電圧信号を取り出す構成について説明したが、本発明はこれに限らない。JFET2のソース電流やドレイン電流を信号として取り出す構成としても良い。より具体的には、垂直信号線を(列選択トランジスタを介して)電流電圧変換回路等に接続してJFET2のソース電流を取り出す構成や、JFET2のソースを接地又は電流源に接続しJFET2のドレインを垂直信号線に接続してドレイン電流を取り出す構成などがある。
【0067】
さらに、各半導体領域の導電型と駆動パルスの極性を逆転させても構わない。
〔実施形態2〕
図9は、本発明の実施形態2に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。
実施形態2の固体撮像素子と、実施形態1の固体撮像素子の相違点は画素構造にあり、制御領域4が共通に接続されることや容量結合を利用して行選択することなどは、実施形態1と同様である。先ず、図を参照して、実施形態2の固体撮像素子の画素構造について説明する。
【0068】
図10は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素平面図であり、図11はそのX3−X4線に沿った断面図、図12はそのY5−Y6線に沿った断面図、図13はそのY7−Y8線に沿った断面図である。
各画素は、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、制御領域4、1画素当たり2つの制御ゲート5、1画素当たり2つのオーバーフロー制御領域9から構成されている。
【0069】
上記フォトダイオード1、JFET2、制御領域4、オーバーフロー制御領域9は、高濃度のN型半導体基板100上のN型半導体層101中に形成される。転送ゲート3、制御ゲート5は、N型半導体層101上に絶縁膜33を介して形成される。
フォトダイオード1は、図12,図13に示すように、高濃度のN型半導体基板100上に形成されたN型半導体層101、P型電荷蓄積領域12、高濃度のN型半導体領域13によって構成される。よって、本実施形態の各画素にはNPN型の埋込フォトダイオードが形成されている。
【0070】
JFET2は、図11,図12に示すようにNチャネル型で、N型ソース領域14、P型ゲート領域15、N型ドレイン領域16、N型チャネル領域17が高濃度のN型半導体基板100上のN型半導体層101中に形成されている。従って、画素領域(画素がマトリクス状に複数配置された領域)の周囲にコンタクトを設けて半導体基板100を経由してJFET2のドレイン領域16にドレイン電圧VD(図9参照)を供給することが可能である。
【0071】
制御ゲート5は、図10、図11に示すように、1画素当たり2つの割合で形成されている。従って、制御ゲート5をゲート電極とし、P型制御領域4をソースまたはドレイン領域の一方とし、更に、JFET2のP型ゲート領域15をソースまたはドレイン領域の他方とするPチャネルMOSトランジスタが構成される。各制御ゲート5は、制御ゲート配線21(図9の制御ゲート配線21a〜21cに対応する)によって行方向に直列に接続され、行毎に駆動される。
【0072】
また、JFET2のP型ゲート領域15の両側に制御ゲート5が形成されるため、P型ゲート領域15と制御ゲート5との間の容量CG(RG)(図3参照)が増加する。一方、制御ゲート5の追加に伴いJFET2のN型ドレイン領域16の形状が変わり、P型ゲート領域15とN型ドレイン領域16の接触面積が減少し、容量CGD(図3参照)が減少する。つまり、実施形態2の固体撮像素子のJFET2は、容量比CG(RG)/CG(total)が増加する。
【0073】
この容量比が増加すると、図3式(1)よりΔVGが増大する。このため、選択行と非選択行の駆動が容易となり、確実に所望の行を選択することが可能となる。また、ΔVGを一定とするなら、上記の容量比が増加するとVRGH−VTの値を小さくすることができる。このため、VTを一定値とすればVRGHの値を低く設定することが可能となるので、消費電力を低減することが可能となる。
【0074】
なお、本実施形態では、VRGH−VTを5V、ΔVGを1Vにすることができた。
オーバーフロー制御領域9は、図10、図13に示すように、フォトダイオード1と制御領域4の境界領域に1画素当たり2つの割合で形成され、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷を制御領域4に排出するオーバーフロー動作を制御する。つまり、NPN型の埋込フォトダイオード1、オーバーフロー制御領域9、制御領域4によって、横型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダイオードが形成されている。従って、制御領域4はオーバーフロードレインとしての機能も併せ持っている。
【0075】
本実施形態の固体撮像素子は、上記画素をマトリクス状に配置したものである。行方向に配置された画素のJFET2のゲート領域と制御領域4は、1画素当たり2つの制御ゲート5を介して直列に接続されている。従って、図9からも分かるように、ある画素において、制御領域4と制御領域配線24a〜24c(図10,図11の制御領域配線24に対応)との接続が不完全となる解放モードの不良が発生しても、他の画素の制御領域4から上記画素のJFET2が制御可能である。
【0076】
その他の構成は、図1〜図8に示す実施形態1の固体撮像素子と同一である。
従って、実施形態2の固体撮像素子は、実施形態1の固体撮像素子と同様に製造歩留まりが向上し、また、製造工程数を増加させずにオプティカルブラックを形成できる。
また、実施形態2の固体撮像素子は、制御領域4への接続が不完全となる解放モードの不良が発生してもJFET2が制御可能なため、製造歩留まりがさらに向上する。
【0077】
また、JFET2のゲート領域15の両側に制御ゲート5が形成されているため、容量比CG(RG)/CG(total)が増加することに伴い、所望の行を選択することがより容易となる。
また、高濃度(低抵抗)のN型半導体基板100を経由して、JFET2のN型ドレイン領域16にドレイン電圧VDを供給することが可能なため、ドレイン電圧の画素毎の揺らぎが減少して、固定パターンノイズが減少する。
【0078】
また、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12と、反対導電型のN型半導体基板100を使用しているため、フォトダイオード1深部で発生した信号電荷(この場合は正孔)もフォトダイオード1に蓄積されるため、感度が向上する。
〔実施形態3〕
図14は、本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。
実施形態3の固体撮像素子は、各画素の増幅部にバイポーラトランジスタ50を有している。また、実施形態1、2の固体撮像素子と同様に、制御領域4は各行毎に接続されて各行毎にパルス電圧にて駆動され、制御ゲート5はすべて共通に接続される。
【0079】
図15は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素平面図であり、図16はそのX5−X6線に沿った断面図、図17はそのY9−Y10線に沿った断面図、図18はそのY11−Y12線に沿った断面図である。バイポーラトランジスタ50はNPN型であり、N型エミッタ領域52、P型ベース領域53、及び,高濃度のN型半導体基板100、N型半導体層101,N型半導体領域54をコレクタ領域として構成されている。
【0080】
図3に示した動作説明図(実施形態1の行選択動作)は、JFET2をバイポーラトランジスタ50に、ゲート容量CGS,CGD,CG(TG),CG(RG)をベース容量CBE,CBC,CB(TG),CB(RG)に、ゲート電圧VGをベース電圧VBに、ドレイン電圧VDをコレクタ電圧VCに置き換えることによって、本実施形態の固体撮像素子の行選択動作を同様に説明することができる。
【0081】
制御ゲート5は、図15、図16に示すように、1画素当たり2つの割合で形成されている。従って、制御ゲート5をゲート電極とし、P型制御領域4をソースまたはドレイン領域の一方とし、更に、バイポーラトランジスタ50のP型ベース領域53をソースまたはドレイン領域の他方とするPチャネルMOSトランジスタが構成される。各制御ゲート5は、制御ゲート配線21(図14の制御ゲート配線21a〜21cに対応する)によって行方向に直列に接続され、行毎に駆動される。
【0082】
上記PチャネルMOSトランジスタのソース・ドレイン(即ち、制御領域4・バイポーラトランジスタ50のベース領域53)は、P型の半導体領域である。一方、バイポーラトランジスタ50のエミッタ領域52及びコレクタ領域54は、これとは反対導電型である(N型の半導体領域)。また、バイポーラトランジスタ50のベース領域53は、上記PチャネルMOSトランジスタのソース・ドレインと同一の導電型(P型半導体領域)である。このように、各半導体領域の導電型を選択すれば、制御ゲートをオフすることによりバイポーラトランジスタ50のベース電圧がΔVBだけ増大する。このため、前記した行選択の動作が可能となる。
【0083】
また、バイポーラトランジスタ50のP型ベース領域53と、上記PチャネルMOSトランジスタのソースまたはドレイン領域の他方は、同一半導体領域である。このようにすれば、不要な配線や拡散領域を削除することが可能である。このため、寄生容量が小さくなり出力信号が増大するばかりでなく、より微細化が可能となる。
【0084】
その他の構成は、実施形態2の固体撮像素子と同一である。従って、実施形態3の固体撮像素子は、実施形態2の固体撮像素子と同様の特徴がある。
また、実施形態3の固体撮像素子は、増幅部にバイポーラトランジスタ50を採用しているため、構造が簡単になり集積度が向上する。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明による固体撮像素子では、各画素の制御領域が共通に接続されているため、制御領域を接続する配線が互いに短絡することによる過電流等の問題が解消し、製造歩留まりが向上するという効果がある。
また、本発明による固体撮像素子では、制御領域を接続する配線で画素全体を遮光することが可能なため、製造工程数を増加させずにオプティカルブラックを形成できるという効果もある。
【0086】
また、本発明による固体撮像素子では、高濃度(低抵抗)の半導体基板を経由してドレイン電圧を供給することが可能なため、固定パターンノイズが減少するという効果もある。
また、本発明による固体撮像素子では、フォトダイオードと反対導電型の半導体基板を採用しているため、感度が向上するという効果もある。
【0087】
また、本発明では容量結合を利用して行選択することが可能となり、駆動パルス(撮像素子への入力パルス)を減少させ、これに伴い固体撮像素子の垂直走査回路が簡略化されるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。
【図2】実施形態1に係る固体撮像素子の動作を説明するパルスタイミングチャートである。
【図3】実施形態1に係る固体撮像素子の行選択動作の説明図であり、(a)は画素の等価回路図、(b)は制御ゲート5に与える電圧とJFET2のゲート電圧の変化を示す電位図である。
【図4】本発明の実施形態1による固体撮像素子の画素の概略構成を示す平面図である。
【図5】図4のX1−X2線に沿った断面図である。
【図6】図4のY1−Y2線に沿った断面図である。
【図7】図4のY3−Y4線に沿った断面図である。
【図8】実施形態1の固体撮像素子の撮像部を構成する画素とオプティカルブラック(光学的黒部)を構成する画素の境界領域を示す部分的な平面図である。
【図9】本発明の実施形態2に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。
【図10】実施形態2に係る固体撮像素子の画素平面図である。
【図11】図10のX3−X4線に沿った断面図である。
【図12】図10のY5−Y6線に沿った断面図である。
【図13】図10のY7−Y8線に沿った断面図である。
【図14】本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。
【図15】実施形態3に係る固体撮像素子の画素平面図である。
【図16】図15のX5−X6線に沿った断面図である。
【図17】図15のY9−Y10線に沿った断面図である。
【図18】図15のY11−Y12線に沿った断面図である。
【図19】従来の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。
【図20】図19に示す回路図のパルスタイミングチャートである。
【図21】従来の固体撮像素子の画素の概略構成を示す平面図である。
【図22】図21のXa−Xb線に沿った断面図である。
【図23】図21のYa−Yb線に沿った断面図である。
【図24】図21のYc−Yd線に沿った断面図である。
【符号の説明】
1 フォトダイオード
2 JFET
3 転送ゲート
4 制御領域
5 制御ゲート
7 垂直走査回路
8 水平走査回路
9 オーバーフロー制御領域
10 P型半導体基板
11 N型ウエル領域
12 P型電荷蓄積領域
13 高濃度のN型半導体領域
14 N型ソース領域
15 P型ゲート領域
16 N型ドレイン領域
17 N型チャネル領域
20,20a〜20c 転送ゲート配線
21,21a〜21c 制御ゲート配線
22,22a〜22d 垂直信号線
24,24a〜24c 制御領域配線
26a〜26d 定電流源
27 水平信号線
28 出力バッファアンプ
29a〜29d 列バッファアンプ
33 絶縁膜
35 出力端子
50 バイポーラトランジスタ
52 N型エミッタ領域
53 P型ベース領域
54 N型半導体領域
100 高濃度のN型半導体基板
101 N型半導体層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state image pickup device, and more particularly to an amplification type solid-state image pickup device in which a large number of pixels each having an amplification unit that outputs a signal corresponding to incident light and a control unit that controls the amplification unit are arranged. It is.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an amplification type solid-state imaging device that amplifies a signal generated in each pixel in response to incident light and outputs the amplified signal has been proposed.
FIG. 19 is a circuit diagram showing a main configuration of a conventional solid-state imaging device.
The conventional solid-state imaging device includes a plurality of pixels Px1-1 to Px3-4 arranged in a two-dimensional matrix, a vertical scanning circuit 7 that drives each pixel Px1-1 to Px3-4 for each row, and each pixel. Px1-1 to Px3-4 are composed of vertical signal lines 22a to 22d, a horizontal signal line 27, and a horizontal scanning circuit 8 connected to each column.
[0003]
Each pixel generates and stores a charge corresponding to incident light, and a junction field effect transistor (hereinafter referred to as JFET) that outputs a signal corresponding to the charge from a source (S) by a source follower operation. 2, a transfer gate 3 for transferring the charge from the photodiode 1 to the JFET 2, a control region 4 for controlling the JFET 2, and a control gate 5.
[0004]
The source (S) of each JFET 2 is connected to the vertical signal lines 22a to 22d for each column, and the drain (D) of each JFET 2 is connected to the drain power supply VD in common for all pixels.
The transfer gate 3 is connected to the transfer gate lines 20a to 20c for each row and is driven for each row by pulses φTG1 to φTG3 sent from the vertical scanning circuit 7.
[0005]
The control region 4 is connected to the control region wirings 24a to 24c for each row, and is driven for each row by pulses φRD1 to φRD3 sent from the vertical scanning circuit 7.
The control gates 5 are connected to each row by the control gate lines 21a to 21c, and are connected in common by connecting these lines, and are driven by the drive pulse φRG.
[0006]
For the vertical signal lines 22a to 22d, constant current sources 26a to 26d serving as loads of the JFET 2, reset transistors TRV1 to TRV4 for fixing the vertical signal line to a constant voltage (VRV), and an operating band of the JFET 2 are limited. Are connected to vertical load capacitors Cv1 to Cv4, column buffer amplifiers 29a to 29d, clamp capacitors Cc1 to Cc4, and clamp transistors TC1 to TC4. The vertical signal lines 22a to 22d are connected to the horizontal signal line 27 via column selection transistors TH1 to TH4.
[0007]
An output buffer amplifier 28 and a reset transistor TRH are connected to the horizontal signal line 27.
FIG. 20 is a pulse timing chart for explaining the operation of the circuit diagram shown in FIG. The operation of the conventional solid-state image sensor will be described with reference to this figure. As will be described later, since the transfer gate 3 and the control gate 5 constituting each pixel are P-channel type (see FIGS. 22 and 23), they are in a conductive (ON) state when a pulse applied to them is at a low level. Thus, when these pulses are at high level, they are cut off (off).
[0008]
In FIG. 20, the period from t11 to t15 corresponds to the readout operation of the pixels in the first row, and the periods from t21 to t25 and t31 to t35 are respectively shown in the second row and the third row. It corresponds.
First, in a period t11, φRG is set to a low level, and the control gates 5 of all the pixels are turned on (on). Further, the drive pulse φRD1 is set to a high level (φRD2 and φRD3 remain at a low level), and a high level voltage is applied from the control region 4 to the gate region of the JFET 2 of the pixel in the first row via the control gate 5. A low level voltage is supplied to the gate region of JFET 2 in the second and subsequent rows. That is, the JFET 2 in the first row is supplied with a high-level voltage to the gate region via the control region 4 to put the JFET 2 into an operating (selected) state. Further, the JFET 2 in the second and subsequent rows is supplied with a low level voltage to the gate region via the control region 4 so that the JFET 2 is in a non-operating (non-selected) state.
[0009]
At the end of the period t11, when the drive pulse φRG is set to the high level and the control gates 5 of all the pixels are turned off (off), the JFET 2 in the first row is in the operating (selected) state, and the JFETs 2 in the second row and thereafter are The floating state is maintained while maintaining the non-operating (non-selected) state. That is, in the period t11, the row selection operation and the JFET 2 initialization operation are performed.
[0010]
In the period t12, the drive pulse φRV is set to the low level, the reset transistors TRV1 to TRV4 are cut off (off), and the JFET 2 in the first row performs the source follower operation. Accordingly, the output (dark output) voltage corresponding to the potential immediately after the initialization of the gate region of JFET 2 is clamped capacitor Cc 1 from the source (S) of JFET 2 through vertical signal lines 22 a to 22 d and column buffer amplifiers 29 a to 29 d. ˜Cc4 is applied to one end (vertical signal lines 22a to 22d side, hereinafter referred to as an input end). Further, the drive pulse φC is at a high level, and the clamp transistors TC1 to TC4 are in a conductive (ON) state, and the other ends of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 (the horizontal signal line 27 side, hereinafter referred to as an output end) are at the ground potential. is there.
[0011]
At the end of the period t12, when the drive pulse φC is set to the low level and the clamp transistors TC1 to TC4 are cut off (off), the output (dark output) voltage is held in the clamp capacitors Cc1 to Cc4, and the clamp capacitor Cc1 The output terminal of .about.Cc4 is in a floating state. That is, the dark output voltage is clamped.
[0012]
In the period t13, the driving pulse φTG1 is set to the low level (the driving pulses φTG2 and φTG3 remain at the high level), and the transfer gates 3 of the pixels in the first row are turned on, and the photodiodes in the first row are set. The signal charge generated and stored in 1 is transferred to the gate region of JFET 2. Note that the potential of the gate region of JFET 2 after the transfer of the signal charge changes (in this case, increases) by the amount of the signal charge / gate capacitance.
[0013]
At the end of the period t13, when the drive pulse φTG1 is set to the high level to turn off the transfer gate 3, the photodiode 1 in the first row enters the next signal charge accumulation operation by photoelectric conversion. In FIG. 20, tLI indicates the charge accumulation time of the photodiode 1.
In the period t14, similarly to the period t12, the drive pulse φRV is set to the low level to turn off the reset transistors TRV1 to TRV4, and the JFET 2 in the first row performs the source follower operation. This time, the output (signal output) voltage corresponding to the potential after transferring the signal charge to the gate region of JFET 2 is supplied from the source (S) of JFET 2 through vertical signal lines 22a to 22d and column buffer amplifiers 29a to 29d. Applied to the input ends of the clamp capacitors Cc1 to Cc4.
[0014]
At this time, the voltage at the output terminal of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 is from the output (signal output) voltage by the source follower operation of the JFET 2 after the signal charge transfer in the period t14, before the charge transfer in the period t12 (after the gate region initialization). This is a voltage obtained by subtracting the output (dark output) voltage by the source follower operation of JFET2.
The output (signal output) voltage of the source follower operation of JFET2 in the period t14 includes an optical signal component and a noise component, and only the noise component is included in the output (dark output) voltage of the source follower operation of JFET2 in the period t12. It is included. Accordingly, the voltage at the output terminal of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 obtained by subtracting both (so-called correlated double sampling processing) is an output voltage corresponding to only the optical signal component.
[0015]
Noise components included in both of them include fixed pattern noise due to variations in threshold voltage of each JFET 2, reset noise generated when the gate region of JFET 2 is initialized from the control region 4 through the control gate 5, and constant JFET 2. There are 1 / f noise generated during source follower operation by the current sources (26a to 26d) and fixed pattern noise due to variations in offset voltages of the column buffer amplifiers 29a to 29d.
[0016]
That is, the voltage at the output end of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 in the period t14 becomes a video signal only of the optical signal component from which the noise component is removed, and the S / N ratio is improved.
In the period t15, the horizontal scanning circuit 8 sequentially outputs the drive pulses φH1 to φH4, thereby transferring the output voltage corresponding to only the optical signal component appearing at the output terminals of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 to the horizontal signal line 27. Then, the video signal is output from the output terminal 35 through the output buffer amplifier 28. Further, the horizontal signal line 27 is reset by sequentially outputting the drive pulse φRH.
[0017]
The reading operation of the first row for the periods t11 to t15 is repeated in the same manner for the second row and the third row in the periods t21 to t25 and the periods t31 to t35, respectively.
Next, a pixel structure of a conventional solid-state image sensor will be described with reference to the drawings. 21 is a pixel plan view of a conventional solid-state imaging device, FIG. 22 is a sectional view taken along line Xa-Xb in FIG. 21, FIG. 23 is a sectional view taken along line Ya-Yb in FIG. FIG. 22 is a sectional view taken along line Yc-Yd in FIG. 21.
[0018]
A pixel of a conventional solid-state imaging device includes a photodiode 1, JFET 2, transfer gate 3, control region 4, and control gate 5.
As shown in FIGS. 23 and 24, the photodiode 1 includes an N-type well region 11, a P-type charge accumulation region 12, and a high-concentration N-type semiconductor region 13 formed on a P-type semiconductor substrate 10. . As a result, a buried photodiode is formed with an NPNP vertical overflow drain structure. That is, a structure in which the embedded photodiode (N, P, N) and the vertical overflow drain structure (P, N, P) are combined is formed. With this structure, dark current, afterimage, reset noise, blooming, and smear are suppressed.
[0019]
The JFET 2 is an N-channel type, and includes an N-type source region 14, a P-type gate region 15, an N-type drain region 16, and an N-type channel region 17, as shown in FIGS. The N-type source region 14 is connected to the vertical signal line 22 (corresponding to the vertical signal lines 22a to 22d in FIG. 19) for each column (see FIGS. 21 and 22). The N-type drain region 16 is continuously formed in a mesh shape so as to surround the periphery of the pixel, and the drain power supply VD is shared by all the pixels around the pixel region (a region where a plurality of pixels are arranged in a matrix). They are connected (see FIG. 19).
[0020]
As shown in FIG. 23, the transfer gate 3 is formed on the boundary region between the photodiode 1 and the JFET 2 via an insulating film 33. A P-channel MOS transistor is configured in which the P-type charge storage region 12 of the photodiode 1 and the P-type gate region 15 of the JFET 2 are used as source or drain regions and the transfer gate 3 is used as a gate electrode. As shown in FIG. 21, the transfer gate 3 is connected to a transfer gate line 20 (corresponding to the transfer gate lines 20a to 20c in FIG. 19).
[0021]
As shown in FIGS. 21 and 22, the P-type control region 4 is formed in the N-type well region 11 and connected to the control region wiring 24 (corresponding to the control region wirings 24a to 24c in FIG. 19). . The control region wiring 24 also serves as a light shielding film that shields a region other than the photodiode 1.
As shown in FIG. 22, the control gate 5 is formed on the boundary region between the JFET 2 and the P-type control region 4 via an insulating film 33. A P-channel MOS transistor is configured in which the P-type gate region 15 and the P-type control region 4 of the JFET 2 are used as source or drain regions, and the control gate 5 is used as a gate electrode. As shown in FIG. 21, the control gate 5 is connected to a control gate line 21 (corresponding to the control gate lines 21a to 21c in FIG. 19).
[0022]
As described above, the conventional solid-state imaging device shown in FIGS. 19 to 24 in which the pixels including the photodiode 1, JFET 2, transfer gate 3, control region 4, and control gate 5 are arranged in a matrix form is a vertical type. Since the buried photodiode 1 is employed in the overflow drain structure, dark current, afterimage, reset noise, blooming and smear are suppressed, and the narrow band of the JFET 2 using the vertical load capacitors Cv1 to Cv4 as loads. Noise during the amplification operation is suppressed by the source follower operation. Further, the output voltage of each source follower operation before and after the signal charge transfer is subtracted through the clamp capacitors Cc1 to Cc4 (correlated double sampling process), so that the fixed voltage due to variations in the threshold voltage of JFET2 is fixed. Pattern noise, reset noise generated when the gate region of JFET 2 is initialized, 1 / f noise during source follower operation, and fixed pattern noise due to variations in offset voltages of the column buffer amplifiers 29a to 29d are suppressed. Therefore, a video signal with high sensitivity and low noise (high S / N ratio) can be obtained.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the conventional solid-state imaging device has the above-described excellent operational effects, there is a problem that the manufacturing yield is low.
Further, in the case of forming an optical black (optical black portion: a plurality of pixel portions including light-shielded photodiodes 1), the conventional solid-state imaging device has to additionally form a light-shielding film, and the number of manufacturing steps is increased. It has increased. For this reason, there also existed a problem of the raise of the manufacturing cost accompanying the increase in the number of manufacturing processes, and the further fall of a yield.
[0024]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a high manufacturing yield.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of forming an optical black (optical black portion) without increasing the number of manufacturing steps.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has found that the cause of reducing the manufacturing yield is a short circuit between wirings (control region wirings) for supplying a voltage to the control region. As shown in FIGS. 21 and 22, the control region 4 of each pixel is connected in common in the row direction by a control region wiring 24 (control region wirings 24 a to 24 c in FIG. 19) and connected to the vertical scanning circuit 7. Yes. Then, it is driven for each row by pulses φRD1 to φRD3 sent from the vertical scanning circuit 7 (see FIG. 19). The control region wiring 24 also serves as a light shielding film that shields a region other than the photodiode 1 and is formed in parallel to each other in the row direction at a relatively narrow interval compared to other wiring intervals.
[0026]
    For this reason, when particles having a size equal to or larger than the wiring interval adhere in the formation process of the control region wiring 24 (wiring metal film deposition process and photolithography etching process), the two adjacent via the particles. The wiring of the book was short-circuited and the manufacturing yield was reduced. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an amplification unit that outputs a signal according to incident light, a control region that controls the amplification unit, and a control that controls an electrical connection state between the amplification unit and the control region. A solid-state imaging device in which a number of pixels each having a gate are arranged,A MOS type transistor having the control gate as a gate electrode and the control region as one of a source and a drain is configured, the amplifying unit is a field effect transistor, and the gate is the source of the MOS transistor. Or the other of the drain and the source and drain of the MOS transistor have a conductivity type opposite to the source and drain of the field effect transistor,Each control region is commonly connected to a power source, the control gate is driven by a pulse voltage for each row, and in the row in which the control gate is turned on by the pulse voltage, the control regionField effect transistorA constant voltage is supplied to theField effect transistorIn a row in which the control gate is cut off by the pulse voltage,Field effect transistorAnd the control region is electrically disconnected, the control gate and theField effect transistorDue to capacitive coupling ofField effect transistorIs in an operating state.
[0027]
  In the first aspect of the present invention, a field effect transistor is arranged in the amplifying unit.With this configuration, since the control regions of the pixels are connected in common, the problem that the wirings connecting the control regions are short-circuited with each other is solved, and the manufacturing yield is improved accordingly. Further, the wiring connecting the control regions can be used as a light shielding film for the entire pixel, and an optical black (optical black portion) can be formed without increasing the number of manufacturing steps.
[0028]
  Furthermore, the configuration of claim 1 makes it possible to select a row using capacitive coupling, thereby reducing drive pulses (input pulses to the image sensor) and simplifying the vertical scanning circuit of the image sensor accordingly. It becomes possible.
  The solid-state imaging device according to claim 2,Solid-state imaging in which a large number of pixels each having an amplifying unit that outputs a signal according to incident light, a control region that controls the amplifying unit, and a control gate that controls an electrical connection state between the amplifying unit and the control region are arranged A MOS type transistor having the control gate as a gate electrode and the control region as one of a source and a drain, the amplifying unit being a junction field effect transistor, the gate being the MOS Connected to the other of the source or drain of the type transistor, the gate of the junction field effect transistor has the same conductivity type as the source and drain of the MOS type transistor, and each control region is commonly connected to a power source, The control gate is driven by a pulse voltage for each row, and the control gate is turned on by the pulse voltage. In the row in which a constant voltage is supplied from the control region to the junction field effect transistor, the junction field effect transistor becomes inactive, and the control gate is cut off by the pulse voltage, the junction type The field effect transistor and the control region are electrically cut off, and the junction field effect transistor is activated by capacitive coupling between the control gate and the junction field effect transistor.It is characterized by that.
  According to the second aspect of the present invention, a junction field effect transistor is disposed in the amplifying unit. With this configuration, the control region of each pixel is connected in common, so that the wirings connecting the control region are short-circuited to each other. Is eliminated and the production yield is improved accordingly. Further, the wiring connecting the control regions can be used as a light shielding film for the entire pixel, and an optical black (optical black portion) can be formed without increasing the number of manufacturing steps.
  Furthermore, the configuration according to claim 2 makes it possible to select a row using capacitive coupling, thereby reducing drive pulses (input pulses to the image sensor) and simplifying the vertical scanning circuit of the image sensor accordingly. It becomes possible.
[0029]
  A solid-state imaging device according to a third aspect is the second aspect.2 is characterized in that the other of the gate of the junction field effect transistor and the source or drain of the MOS transistor is the same semiconductor region.
[0030]
  With this configuration, the wiring connected to the gate of the junction field effect transistor and the diffusion region are reduced. For this reason, the parasitic capacitance resulting from these wirings and diffusion regions is reduced, and the output signal is increased. Further, since the size can be further reduced, the aperture ratio is improved.
  Claim 4The solid-state imaging device described inSolid-state imaging in which a large number of pixels each having an amplifying unit that outputs a signal according to incident light, a control region that controls the amplifying unit, and a control gate that controls an electrical connection state between the amplifying unit and the control region are arranged A MOS transistor having a control gate as a gate electrode and a control region as one of a source and a drain; the amplifying unit is a bipolar transistor; and a base of the MOS transistor Connected to the other of the source and drain, the base of the bipolar transistor has the same conductivity type as the source and drain of the MOS transistor, the control regions are connected to a power supply in common, and the control gate is connected to each row In a row that is driven by a pulse voltage and the control gate is rendered conductive by the pulse voltage, In a row in which a constant voltage is supplied from the control region to the bipolar transistor so that the bipolar transistor is in an inoperative state and the control gate is cut off by the pulse voltage, the bipolar transistor and the control region are electrically connected to each other. In addition to being shut off, the bipolar transistor is activated by capacitive coupling between the control gate and the bipolar transistor.It is characterized by that.
[0031]
  This claimIn the amplification sectionA bipolar transistor is placed.However, since the control regions of the respective pixels are connected in common with this configuration, the problem that the wirings connecting the control regions are short-circuited with each other is solved, and the manufacturing yield is improved accordingly. Further, the wiring connecting the control regions can be used as a light shielding film for the entire pixel, and an optical black (optical black portion) can be formed without increasing the number of manufacturing steps.
  Furthermore, according to the configuration of the fourth aspect, it is possible to select a row by using capacitive coupling, and it is possible to reduce drive pulses (input pulses to the image sensor) and to simplify the vertical scanning circuit of the image sensor. It becomes possible.
  Claim 5The solid-state imaging device described inClaim 42 is characterized in that the other of the base of the bipolar transistor and the source or drain of the MOS transistor is the same semiconductor region. With this configuration, the wiring and diffusion region connected to the base of the bipolar transistor are reduced. For this reason, the parasitic capacitance resulting from these wirings and diffusion regions is reduced, and the output signal is increased. Further, since the size can be further reduced, the aperture ratio is improved.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol shows the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
Embodiment 1
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. The solid-state imaging device of Embodiment 1 includes a plurality of pixels Px1-1 to Px3-4 arranged in a two-dimensional matrix, a vertical scanning circuit 7 that drives each pixel Px1-1 to Px3-4 for each row, Each pixel Px1-1 to Px3-4 includes vertical signal lines 22a to 22d, a horizontal signal line 27, and a horizontal scanning circuit 8 connected to each column.
[0033]
Each pixel, for example, Px1-1 includes a photodiode 1 that generates and accumulates charges according to incident light, and an N-channel junction type that outputs a signal according to the charges from the source (S) by a source follower operation. A field effect transistor (hereinafter referred to as JFET) 2, a transfer gate 3 for transferring the charge from the photodiode 1 to the JFET 2, a control region 4 for controlling the JFET 2, and a control gate 5.
[0034]
The source (S) of each JFET 2 is connected to the vertical signal lines 22a to 22d for each column, and the drain (D) of each JFET 2 is connected to the drain power supply VD in common for all pixels.
The transfer gate 3 is connected to the transfer gate lines 20a to 20c for each row and is driven for each row by pulses φTG1 to φTG3 sent from the vertical scanning circuit 7.
[0035]
The control region 4 is connected to each row by control region wirings 24a to 24c, and is further connected in common by connecting these wirings, and is connected to a power source (voltage VG).
The control gate 5 is connected to the control gate lines 21 a to 21 c for each row, and is driven for each row by pulses φRG 1 to φRG 3 sent from the vertical scanning circuit 7.
[0036]
For the vertical signal lines 22a to 22d, constant current sources 26a to 26d serving as loads of the JFET 2, reset transistors TRV1 to TRV4 for fixing the vertical signal line to a constant voltage (VRV), and an operation band of the JFET 2 are limited. Are connected to vertical load capacitors Cv1 to Cv4, column buffer amplifiers 29a to 29d, clamp capacitors Cc1 to Cc4, and clamp transistors TC1 to TC4. The vertical signal lines 22a to 22d are connected to the horizontal signal line 27 via column selection transistors TH1 to TH4.
[0037]
The horizontal signal line 27 is connected to a reset transistor TRH that resets the output buffer amplifier 28 and the horizontal signal line 27 to a constant voltage (here, GND).
FIG. 2 is a pulse timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment. The operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. As will be described later, the transfer gate 3 and the control gate 5 constituting each pixel are P-channel type (see FIGS. 5 and 6). Therefore, φTG1 to φTG3 and φRG1 to φRG3 are in a conductive (on) state when the corresponding transfer gate 3 or control gate 5 is at a low level, and are cut off (off) when these pulses are at a high level. It becomes. The other gates are N-channel type, and are turned on (on) when the corresponding pulse is at a high level, and turned off (off) when the corresponding pulse is at a low level.
[0038]
In FIG. 2, the period from t11 to t15 corresponds to the reading operation of the pixels in the first row, and the periods from t21 to t25 and t31 to t35 are respectively shown in the second row and the third row. It corresponds.
First, in the period t11, φRG1 to φRG3 are at a low level, and the control gates 5 of all the pixels are in a conductive (ON) state. Therefore, the gate regions of the JFETs 2 of all the pixels are initialized by applying the voltage VG from the control region 4 through the control gate 5.
[0039]
At the end of the period t11, the drive pulse φRG1 is set to the high level (the drive pulses φRG2 and φRG3 remain at the low level), and the control gate 5 in the first row is turned off (off). When this operation is performed, the potential of the gate region of the JFET 2 in the first row rises to VG + ΔVG due to capacitive coupling between the control gate 5 and the gate region of the JFET 2 (the amount of change is ΔVG). The JFET 2 in the first row becomes an operation (selection) state when the gate region is in a floating state and the gate voltage (exactly, the gate-source voltage) is increased from other rows.
[0040]
On the other hand, the control gates 5 in the second and subsequent rows are in a conductive (ON) state, and the voltage region VG is still applied to the gate region of the JFET 2. Therefore, the gate voltage (more precisely, the gate-source voltage) of the JFET 2 in the second and subsequent rows is lower than the gate voltage in the first row. For this reason, the JFETs 2 on and after the second row remain in a non-operating (non-selected) state.
[0041]
Here, the row selection operation in the period t11 will be described in more detail.
3A and 3B are explanatory diagrams of the row selection operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment, where FIG. 3A is an equivalent circuit diagram of the pixel, and FIG. 3B is a graph illustrating changes in the voltage applied to the control gate 5 and the gate voltage of the JFET 2. FIG. As shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 3A, the pixel of the solid-state imaging device of Embodiment 1 includes a photodiode 1, a JFET 2, a transfer gate 3, a control region 4, and a control gate 5. A constant voltage (VG) is applied. The gate region (G) of the JFET 2 and four adjacent regions (see FIGS. 4 to 7 described later), that is, the source region (S), the drain region (D), the transfer gate 3, and the control gate 5 There are capacities CGS, CGD, CG (TG), and CG (RG), respectively.
[0042]
Further, as shown in FIG. 3B, the P-channel control gate 5 is changed from the conductive (ON) state to the cutoff (OFF) state, that is, the drive pulse φRG is changed from the low level (VRGL) to the high level (VRGH). In the process of changing to (), the gate region (G) of JFET 2 is in an electrically floating state, and at the same time, the gate voltage rises by ΔVG due to capacitive coupling and becomes VG + ΔVG. Although this voltage change amount ΔVG is shown in FIG. 3 as equation (1), the amplitude of the drive pulse φRG (specifically, the value of VRGH−VT in FIG. 3B) and the capacitance ratio CG (RG) / Determined by the product of CG (total). Note that VT is the threshold voltage of the control gate 5, and CG (total) is the total capacity (formula (2)) of the four capacity components.
[0043]
Thus, the value of ΔVG can be appropriately selected according to the equation (1) in FIG. In this way, when the P-channel control gate 5 changes from the conductive state to the cut-off state, the N-channel JFET 2 changes from the non-operating state to the operating state.
On the other hand, if the P-channel control gate 5 continues to be in a conductive (on) state, that is, if the drive pulse φRG remains at the low level (VRGL), the voltage of the gate region (G) of JFET 2 is from VG. It does not change. Therefore, JFET2 remains in a non-selected state.
[0044]
Therefore, the amplitude of the φRG pulse and the capacitance ratio CG (RG) / CG (total) (which changes depending on the pixel structure and operating point) are appropriately selected, and the change amount ΔVG of the gate voltage of JFET 2 due to capacitive coupling is set to an appropriate value. A row selection operation can be performed by setting.
In the period t11 of the timing chart of FIG. 2, the row selection operation of JFET 2 is performed using this. That is, the gate region of the JFET 2 in the first row is in a floating state and the gate voltage is VG + ΔVG, and the gate voltage of the JFET 2 in the second row and thereafter is fixed to the power supply voltage VG. Since the source regions (S) of the respective JFETs 2 arranged in the column direction are commonly connected by the vertical signal lines 22a to 22b, the JFET 2 in the first row having a large gate-source voltage is in an operating (selected) state. Thus, the JFETs 2 in the second and subsequent rows having a small gate-source voltage are in a non-operating (non-selected) state. In this embodiment, VRGH-VT is 7V and ΔVG is 0.7V.
[0045]
Note that in the period t11, the drive pulse φRV is set to the high level, and the reset transistors TRV1 to TRV4 are turned on. Thereby, the voltages of the vertical signal lines 22a to 22d are fixed to a constant value (VRV). This is to ensure the above-described row selection operation, that is, to assist the row selection operation. However, this is not always necessary if ΔVG is large and the JFET row selection operation is easy. The case where ΔVG is large is when VRGH−VT is large or when CG (RG) / CG (total) is large, as can be understood from the equation (1).
[0046]
Returning to FIG. In the period t12, the drive pulse φRV is set to the low level, the reset transistors TRV1 to TRV4 are cut off (off), and the JFET 2 in the first row performs the source follower operation. Accordingly, the output (dark output) voltage corresponding to the potential immediately after the initialization of the gate region of JFET 2 is clamped capacitor Cc 1 from the source (S) of JFET 2 through vertical signal lines 22 a to 22 d and column buffer amplifiers 29 a to 29 d. ˜Cc4 is applied to one end (vertical signal lines 22a to 22d side, hereinafter referred to as an input end). Further, the drive pulse φC is at a high level, and the clamp transistors TC1 to TC4 are in a conductive (ON) state, and the other ends of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 (on the horizontal signal line 27 side, hereinafter referred to as output ends) are grounded. Potential.
[0047]
At the end of the period t12, when the drive pulse φC is set to the low level and the clamp transistors TC1 to TC4 are cut off (off), the output (dark output) voltage is held in the clamp capacitors Cc1 to Cc4, and the clamp capacitor Cc1 The output terminal of .about.Cc4 is in a floating state. That is, the dark output voltage is clamped.
[0048]
In the period t13, the driving pulse φTG1 is set to the low level (the driving pulses φTG2 and φTG3 remain at the high level), and the transfer gates 3 of the pixels in the first row are turned on, and the photodiodes in the first row are set. The signal charge generated and stored in 1 is transferred to the gate region of JFET 2. Note that the potential of the gate region of JFET 2 after the transfer of the signal charge changes (in this case, increases) by the amount of the signal charge / gate capacitance.
[0049]
At the end of the period t13, when the drive pulse φTG1 is set to the high level to turn off the transfer gate 3, the photodiode 1 in the first row enters the next signal charge accumulation operation by photoelectric conversion. In FIG. 2, tLI indicates the charge accumulation time of the photodiode 1.
Note that in the period t13, similarly to the period t11, the drive pulse φRV is set to the high level so that the reset transistors TRV1 to TRV4 are turned on. This is to perform the above transfer operation with certainty, that is, to assist the transfer operation. This facilitates complete transfer of the signal charge from the photodiode 1 to the JFET 2. However, these transistors are unnecessary when complete transfer is performed without using the reset transistors TRV1 to TRV4 due to conditions such as the area of the photodiode 1 and the impurity concentration. Accordingly, when both φRV and the associated operations of the reset transistors TRV1 to TRV4 are not required in the period t11 and the period t13, the solid-state imaging device of the first embodiment is shown in the circuit diagram (FIG. 1) and the timing chart (FIG. 2). The drive pulse φRV, the reset transistors TRV1 to TRV4, and the power supply (VRV) may be deleted.
[0050]
In the period t14, similarly to the period t12, the drive pulse φRV is set to the low level to turn off the reset transistors TRV1 to TRV4, and the JFET 2 in the first row performs the source follower operation. This time, the output (signal output) voltage corresponding to the potential after transferring the signal charge to the gate region of JFET 2 is supplied from the source (S) of JFET 2 through vertical signal lines 22a to 22d and column buffer amplifiers 29a to 29d. Applied to the input ends of the clamp capacitors Cc1 to Cc4.
[0051]
At this time, the voltage at the output terminal of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 is from the output (signal output) voltage by the source follower operation of the JFET 2 after the signal charge transfer in the period t14, before the charge transfer in the period t12 (after the gate region initialization). This is a voltage obtained by subtracting the output (dark output) voltage by the source follower operation of JFET2.
The output (signal output) voltage of the source follower operation of JFET2 in the period t14 includes an optical signal component and a noise component, and only the noise component is included in the output (dark output) voltage of the source follower operation of JFET2 in the period t12. It is included. Accordingly, the voltage at the output terminal of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 obtained by subtracting both (so-called correlated double sampling processing) is an output voltage corresponding to only the optical signal component.
[0052]
Noise components included in both of them include fixed pattern noise due to variations in threshold voltage of each JFET 2, reset noise generated when the gate region of JFET 2 is initialized from the control region 4 through the control gate 5, and constant JFET 2. There are 1 / f noise generated during source follower operation by the current sources (26a to 26d) and fixed pattern noise due to variations in offset voltages of the column buffer amplifiers 29a to 29d.
[0053]
That is, the voltage at the output end of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 in the period t14 becomes a video signal only of the optical signal component from which the noise component is removed, and the S / N ratio is improved.
In the period t15, the horizontal scanning circuit 8 sequentially outputs the drive pulses φH1 to φH4, thereby transferring the output voltage corresponding to only the optical signal component appearing at the output terminals of the clamp capacitors Cc1 to Cc4 to the horizontal signal line 27. Then, the video signal is output from the output terminal 35 through the output buffer amplifier 28. Further, the horizontal signal line 27 is reset by sequentially outputting the drive pulse φRH. Note that the source follower operation in the period t14 continues also in the period t15.
[0054]
In addition, the period t11 to the period t14 are performed during the horizontal blanking period.
The reading operation of the first row for the periods t11 to t15 is repeated in the same manner for the second row and the third row in the periods t21 to t25 and the periods t31 to t35, respectively.
As described above, the row selection operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment can be summarized as follows.
1. The source of the JFET 2 of each pixel is connected to the same constant current source for each column and operates as a source follower. The source voltage of JFET 2 is the same for each column.
2. On the other hand, of each row, a row having a large gate-source voltage of JFET 2 is selected, and a signal is output from JFET 2 of the row.
3. The control gate 5 is connected to each row and operates. In the row where the control gate 5 is turned on, the gate voltage of the JFET 2 becomes VG. In the row where the control gate 5 is turned off, the gate voltage of the JFET 2 becomes VG + ΔVG due to capacitive coupling.
4). Therefore, when the JFET 2 is operated as a source follower, a signal is output from the row in which the control gate 5 is turned off. That is, it becomes possible to select a row.
[0055]
As described above, according to the present invention, not only the yield is improved, but also row selection can be made by skillfully using capacitive coupling. For this reason, drive pulses (input pulses to the image sensor) are reduced, and the vertical scanning circuit of the image sensor is simplified. In addition, the drive timing is simplified and the operation speed is improved. In addition, since the difference between the gate voltage or the base voltage between the selected pixel and the non-selected pixel can be set smaller than the conventional one, transfer characteristics (afterimage characteristics) and saturation charge amount (overflow characteristics) are improved. Further, the voltage value on the low level side of the pulse voltage (φRG) of the control gate 5 increases, and the drive voltage of the element can be decreased as a whole.
[0056]
Next, the pixel structure of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described. 4 is a pixel plan view of the solid-state imaging device according to the present embodiment, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line X1-X2, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line Y1-Y2, and FIG. It is sectional drawing along the Y3-Y4 line.
A pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment includes a photodiode 1, JFET 2, transfer gate 3, control region 4, and control gate 5.
[0057]
As shown in FIGS. 6 and 7, the photodiode 1 includes an N-type well region 11, a P-type charge storage region 12, and a high concentration N-type semiconductor region 13 formed on a P-type semiconductor substrate 10. . As a result, a buried photodiode is formed with an NPNP vertical overflow drain structure. That is, a structure in which the embedded photodiode (N, P, N) and the vertical overflow drain structure (P, N, P) are combined is formed. With this structure, dark current, afterimage, reset noise, blooming, and smear are suppressed.
[0058]
JFET 2 is an N-channel type, and is composed of an N-type source region 14, a P-type gate region 15, an N-type drain region 16, and an N-type channel region 17, as shown in FIGS. The N-type source region 14 is connected to the vertical signal line 22 (corresponding to the vertical signal lines 22a to 22d in FIG. 1) for each column (see FIGS. 4 and 5). The N-type drain region 16 is continuously formed in a mesh shape so as to surround the periphery of the pixel, and the drain power supply VD is shared by all the pixels around the pixel region (a region where a plurality of pixels are arranged in a matrix). Connected (see FIG. 1).
As shown in FIG. 6, the transfer gate 3 is formed on the boundary region between the photodiode 1 and the JFET 2 via an insulating film 33. A P-channel MOS transistor is configured in which the P-type charge storage region 12 of the photodiode 1 and the P-type gate region 15 of the JFET 2 are used as source or drain regions and the transfer gate 3 is used as a gate electrode. As shown in FIG. 4, the transfer gate 3 is connected to a transfer gate line 20 (corresponding to the transfer gate lines 20a to 20c in FIG. 1).
[0059]
4 and 5, the P-type control region 4 is formed in the N-type well region 11, and is connected to the control region wiring 24 (corresponding to the control region wirings 24a to 24c in FIG. 1). . The interval between the control region wirings 24 is the same as that of the conventional art. However, as is apparent from FIG. 1, all the control area wirings of the present invention are connected in common. For this reason, even if particles adhere between the control area wirings, since the same voltage is applied to all the control area wirings, it does not become defective. Therefore, the yield is improved.
[0060]
The control region wiring 24 also serves as a light shielding film that shields the region other than the photodiode 1.
As shown in FIG. 5, the control gate 5 is formed on the boundary region between the JFET 2 and the P-type control region 4 via an insulating film 33. Then, a P-channel MOS transistor is configured in which the control gate 5 is a gate electrode, the P-type control region 4 is one of the source and drain regions, and the P-type gate region 15 of the JFET 2 is the other of the source and drain regions. Yes. As shown in FIG. 4, the control gate 5 is connected to a control gate line 21 (corresponding to the control gate lines 21a to 21c in FIG. 1). As is apparent from FIG. 1, the control gate is connected to each row and driven for each row. Therefore, the row selection operation described above can be performed.
[0061]
The source and drain of the P-channel MOS transistor (that is, the control region 4 and the gate region 15 of JFET 2) are P-type semiconductor regions. On the other hand, the source / drain of JFET 2 has the opposite conductivity type (that is, N-type semiconductor region). The gate of JFET 2 has the same conductivity type (P-type semiconductor region) as the source / drain of the P-channel MOS transistor. Thus, if the conductivity type of each semiconductor region is selected, the gate voltage of JFET 2 increases by ΔVG by turning off the control gate. Therefore, the row selection operation described above can be performed.
[0062]
The P-type gate region 15 of JFET 2 and the other of the source or drain region of the P-channel MOS transistor are the same semiconductor region. In this way, unnecessary wiring and diffusion regions can be deleted. For this reason, not only the parasitic capacitance is reduced and the output signal is increased, but also miniaturization is possible.
Finally, the structure of optical black (optical black portion) will be described with reference to FIG.
[0063]
FIG. 8 is a partial plan view showing a boundary region between pixels constituting the imaging unit of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 and pixels constituting the optical black (optical black part). As shown at the right end of FIG. 8, the optical black pixels (the pixels in the OB portion) are shielded from light by the control region wiring 24. That is, in the solid-state imaging device of the first embodiment, since the control region 4 of each pixel is connected in common, the entire pixel including the photodiode 1 can be formed by the control region wiring 24 without adding a new light shielding film. Can be shielded from light.
[0064]
As described above, since the solid-state imaging device according to the first embodiment employs the buried photodiode 1 with a vertical overflow drain structure, dark current, afterimage, reset noise, blooming, and smear are suppressed. In addition, the noise during the amplification operation is suppressed by the narrow band source follower operation of JFET 2 using the vertical load capacitors Cv1 to Cv4 as loads. Further, the output voltage of each source follower operation before and after the signal charge transfer is subtracted through the clamp capacitors Cc1 to Cc4 (correlated double sampling process), so that the fixed voltage due to variations in the threshold voltage of JFET2 is fixed. Pattern noise, reset noise generated when the gate region of JFET 2 is initialized, 1 / f noise during source follower operation, and fixed pattern noise due to variations in offset voltages of the column buffer amplifiers 29a to 29d are suppressed. Therefore, a high-sensitivity and low-noise (high S / N ratio) video signal can be obtained as in the conventional solid-state imaging device (FIGS. 19 to 24).
[0065]
In the solid-state imaging device according to the first embodiment, since the control regions 4 of the pixels are connected in common, problems such as overcurrent due to short-circuiting of the control region wirings 24 are solved, and the manufacturing yield is improved.
In addition, the solid-state imaging device of the first embodiment can shield the entire pixel including the photodiode 1 by the control region wiring 24, and can form an optical black (optical black portion) without increasing the number of manufacturing steps. .
[0066]
Here, a constant current source is used as the load of the source follower circuit for each of the vertical signal lines 22a to 22b. However, the present invention is not limited to this. For example, a resistor may be used as a load of the source follower circuit.
In addition, here, the configuration in which the voltage signal is extracted by the source follower operation has been described, but the present invention is not limited to this. A configuration may be adopted in which the source current or drain current of JFET 2 is taken out as a signal. More specifically, a configuration in which a vertical signal line is connected to a current-voltage conversion circuit or the like (via a column selection transistor) to extract the source current of JFET 2, or the source of JFET 2 is connected to ground or a current source and the drain of JFET 2 is connected. There is a configuration in which the drain current is taken out by connecting to the vertical signal line.
[0067]
Furthermore, the conductivity type of each semiconductor region and the polarity of the drive pulse may be reversed.
[Embodiment 2]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
The difference between the solid-state imaging device of the second embodiment and the solid-state imaging device of the first embodiment is in the pixel structure, and the control region 4 is connected in common or the row selection using capacitive coupling is performed. This is the same as the first embodiment. First, the pixel structure of the solid-state imaging device according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
[0068]
10 is a pixel plan view of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line X3-X4, FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line Y5-Y6, and FIG. It is sectional drawing along the Y7-Y8 line.
Each pixel includes a photodiode 1, JFET 2, transfer gate 3, control region 4, two control gates 5 per pixel, and two overflow control regions 9 per pixel.
[0069]
The photodiode 1, JFET 2, control region 4, and overflow control region 9 are formed in the N-type semiconductor layer 101 on the high-concentration N-type semiconductor substrate 100. The transfer gate 3 and the control gate 5 are formed on the N-type semiconductor layer 101 with an insulating film 33 interposed therebetween.
As shown in FIGS. 12 and 13, the photodiode 1 includes an N-type semiconductor layer 101, a P-type charge accumulation region 12, and a high-concentration N-type semiconductor region 13 formed on a high-concentration N-type semiconductor substrate 100. Composed. Therefore, an NPN embedded photodiode is formed in each pixel of this embodiment.
[0070]
JFET 2 is an N-channel type as shown in FIGS. 11 and 12, and N-type source region 14, P-type gate region 15, N-type drain region 16, and N-type channel region 17 are on high concentration N-type semiconductor substrate 100. Are formed in the N-type semiconductor layer 101. Accordingly, it is possible to provide a contact around the pixel region (a region where a plurality of pixels are arranged in a matrix) and supply the drain voltage VD (see FIG. 9) to the drain region 16 of the JFET 2 via the semiconductor substrate 100. It is.
[0071]
As shown in FIGS. 10 and 11, the control gate 5 is formed at a rate of two per pixel. Therefore, a P-channel MOS transistor is formed in which the control gate 5 is a gate electrode, the P-type control region 4 is one of the source and drain regions, and the P-type gate region 15 of the JFET 2 is the other of the source and drain regions. . Each control gate 5 is connected in series in the row direction by a control gate line 21 (corresponding to the control gate lines 21a to 21c in FIG. 9), and is driven for each row.
[0072]
Further, since the control gate 5 is formed on both sides of the P-type gate region 15 of the JFET 2, the capacitance CG (RG) (see FIG. 3) between the P-type gate region 15 and the control gate 5 increases. On the other hand, with the addition of the control gate 5, the shape of the N-type drain region 16 of the JFET 2 changes, the contact area between the P-type gate region 15 and the N-type drain region 16 decreases, and the capacitance CGD (see FIG. 3) decreases. That is, the capacitance ratio CG (RG) / CG (total) increases in the JFET 2 of the solid-state imaging device of the second embodiment.
[0073]
When this capacity ratio increases, ΔVG increases from equation (1) in FIG. For this reason, it becomes easy to drive the selected row and the non-selected row, and it is possible to reliably select a desired row. Further, if ΔVG is made constant, the value of VRGH−VT can be reduced as the capacitance ratio increases. For this reason, if VT is set to a constant value, the value of VRGH can be set low, so that power consumption can be reduced.
[0074]
In the present embodiment, VRGH-VT can be set to 5V, and ΔVG can be set to 1V.
As shown in FIGS. 10 and 13, the overflow control region 9 is formed at a ratio of two per pixel in the boundary region between the photodiode 1 and the control region 4, and charges generated excessively by the photodiode 1 are controlled in the control region. The overflow operation discharged to 4 is controlled. That is, the NPN type buried photodiode 1, the overflow control region 9, and the control region 4 form a buried type photodiode with a lateral overflow drain structure. Therefore, the control region 4 also has a function as an overflow drain.
[0075]
The solid-state imaging device of the present embodiment has the above pixels arranged in a matrix. The gate region of the JFET 2 and the control region 4 of the pixels arranged in the row direction are connected in series via two control gates 5 per pixel. Accordingly, as can be seen from FIG. 9, in a certain pixel, the release mode failure in which the connection between the control region 4 and the control region wirings 24a to 24c (corresponding to the control region wiring 24 in FIGS. 10 and 11) is incomplete. Even if this occurs, the JFET 2 of the pixel can be controlled from the control region 4 of the other pixel.
[0076]
Other configurations are the same as those of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIGS.
Therefore, the solid-state imaging device of Embodiment 2 can improve the manufacturing yield similarly to the solid-state imaging device of Embodiment 1, and can form optical black without increasing the number of manufacturing steps.
In the solid-state imaging device according to the second embodiment, since the JFET 2 can be controlled even when a failure in the release mode in which the connection to the control region 4 is incomplete occurs, the manufacturing yield is further improved.
[0077]
In addition, since the control gates 5 are formed on both sides of the gate region 15 of the JFET 2, it becomes easier to select a desired row as the capacitance ratio CG (RG) / CG (total) increases. .
Further, since the drain voltage VD can be supplied to the N-type drain region 16 of the JFET 2 via the high-concentration (low-resistance) N-type semiconductor substrate 100, the fluctuation of the drain voltage for each pixel is reduced. , Fixed pattern noise is reduced.
[0078]
Further, since the P-type charge accumulation region 12 of the photodiode 1 and the N-type semiconductor substrate 100 of the opposite conductivity type are used, signal charges (holes in this case) generated in the deep part of the photodiode 1 are also reflected in the photodiode 1. Therefore, the sensitivity is improved.
[Embodiment 3]
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
The solid-state imaging device according to the third embodiment includes a bipolar transistor 50 in the amplification unit of each pixel. Similarly to the solid-state imaging devices of the first and second embodiments, the control region 4 is connected to each row and driven by a pulse voltage for each row, and all the control gates 5 are connected in common.
[0079]
15 is a pixel plan view of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line X5-X6, FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line Y9-Y10, and FIG. It is sectional drawing along the Y11-Y12 line. The bipolar transistor 50 is an NPN type, and includes an N-type emitter region 52, a P-type base region 53, a high-concentration N-type semiconductor substrate 100, an N-type semiconductor layer 101, and an N-type semiconductor region 54 as collector regions. Yes.
[0080]
In the operation explanatory diagram shown in FIG. 3 (row selection operation in the first embodiment), the JFET 2 is used as the bipolar transistor 50, the gate capacitors CGS, CGD, CG (TG), and CG (RG) as the base capacitors CBE, CBC, CB ( By replacing the gate voltage VG with the base voltage VB and the drain voltage VD with the collector voltage VC in TG) and CB (RG), the row selection operation of the solid-state imaging device of this embodiment can be similarly described.
[0081]
As shown in FIGS. 15 and 16, the control gate 5 is formed at a rate of two per pixel. Therefore, a P-channel MOS transistor having the control gate 5 as the gate electrode, the P-type control region 4 as one of the source and drain regions, and the P-type base region 53 of the bipolar transistor 50 as the other of the source and drain regions is constituted. Is done. Each control gate 5 is connected in series in the row direction by a control gate line 21 (corresponding to the control gate lines 21a to 21c in FIG. 14), and is driven for each row.
[0082]
The source / drain of the P-channel MOS transistor (that is, the control region 4 and the base region 53 of the bipolar transistor 50) is a P-type semiconductor region. On the other hand, the emitter region 52 and the collector region 54 of the bipolar transistor 50 are of the opposite conductivity type (N-type semiconductor region). The base region 53 of the bipolar transistor 50 has the same conductivity type (P-type semiconductor region) as the source / drain of the P-channel MOS transistor. Thus, if the conductivity type of each semiconductor region is selected, the base voltage of the bipolar transistor 50 increases by ΔVB by turning off the control gate. Therefore, the row selection operation described above can be performed.
[0083]
The P-type base region 53 of the bipolar transistor 50 and the other of the source or drain region of the P-channel MOS transistor are the same semiconductor region. In this way, unnecessary wiring and diffusion regions can be deleted. For this reason, not only the parasitic capacitance is reduced and the output signal is increased, but also miniaturization is possible.
[0084]
Other configurations are the same as those of the solid-state imaging device of the second embodiment. Therefore, the solid-state image sensor of Embodiment 3 has the same characteristics as the solid-state image sensor of Embodiment 2.
Further, since the solid-state imaging device of the third embodiment employs the bipolar transistor 50 in the amplifying unit, the structure is simplified and the degree of integration is improved.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, in the solid-state imaging device according to the present invention, since the control regions of each pixel are connected in common, problems such as overcurrent due to short-circuiting of wirings connecting the control regions are solved, and the manufacturing yield is increased. Has the effect of improving.
Further, in the solid-state imaging device according to the present invention, since the entire pixel can be shielded by the wiring connecting the control regions, there is an effect that the optical black can be formed without increasing the number of manufacturing steps.
[0086]
In addition, the solid-state imaging device according to the present invention has an effect that fixed pattern noise is reduced because a drain voltage can be supplied via a semiconductor substrate having a high concentration (low resistance).
In addition, the solid-state imaging device according to the present invention employs a semiconductor substrate having a conductivity type opposite to that of the photodiode, and thus has an effect of improving sensitivity.
[0087]
Further, in the present invention, it becomes possible to select a row by using capacitive coupling, and the drive pulse (input pulse to the image sensor) is reduced, and the vertical scanning circuit of the solid-state image sensor is simplified accordingly. There is also.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging element according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a pulse timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
3A and 3B are explanatory diagrams of a row selection operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment, in which FIG. 3A is an equivalent circuit diagram of a pixel, and FIG. FIG.
FIG. 4 is a plan view illustrating a schematic configuration of a pixel of the solid-state imaging element according to the first embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view taken along line X1-X2 of FIG.
6 is a cross-sectional view taken along line Y1-Y2 of FIG.
7 is a cross-sectional view taken along line Y3-Y4 of FIG.
FIG. 8 is a partial plan view showing a boundary region between pixels constituting an imaging unit of the solid-state imaging element according to Embodiment 1 and pixels constituting an optical black (optical black part).
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging element according to Embodiment 2 of the present invention.
10 is a pixel plan view of a solid-state imaging device according to Embodiment 2. FIG.
11 is a cross-sectional view taken along line X3-X4 of FIG.
12 is a sectional view taken along line Y5-Y6 of FIG.
13 is a cross-sectional view taken along line Y7-Y8 of FIG.
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging element according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 15 is a pixel plan view of a solid-state imaging element according to a third embodiment.
16 is a cross-sectional view taken along line X5-X6 of FIG.
17 is a cross-sectional view taken along line Y9-Y10 of FIG.
18 is a cross-sectional view taken along line Y11-Y12 in FIG.
FIG. 19 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a conventional solid-state image sensor.
20 is a pulse timing chart of the circuit diagram shown in FIG.
FIG. 21 is a plan view showing a schematic configuration of a pixel of a conventional solid-state image sensor.
22 is a cross-sectional view taken along line Xa-Xb in FIG.
23 is a cross-sectional view taken along the line Ya-Yb in FIG.
24 is a cross-sectional view taken along line Yc-Yd of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Photodiode
2 JFET
3 Transfer gate
4 Control area
5 Control gate
7 Vertical scanning circuit
8 Horizontal scanning circuit
9 Overflow control area
10 P-type semiconductor substrate
11 N-type well region
12 P-type charge storage region
13 High-concentration N-type semiconductor region
14 N-type source region
15 P-type gate region
16 N-type drain region
17 N-type channel region
20, 20a-20c Transfer gate wiring
21, 21a to 21c Control gate wiring
22, 22a-22d Vertical signal line
24, 24a-24c Control area wiring
26a-26d constant current source
27 Horizontal signal line
28 Output buffer amplifier
29a-29d column buffer amplifier
33 Insulating film
35 Output terminal
50 Bipolar transistor
52 N-type emitter region
53 P-type base region
54 N-type semiconductor region
100 High-concentration N-type semiconductor substrate
101 N-type semiconductor layer

Claims (5)

入射光に応じた信号を出力する増幅部と前記増幅部を制御する制御領域と前記増幅部と前記制御領域との電気的な接続状態を制御する制御ゲートを備えた画素を多数配列した固体撮像素子であって、
前記制御ゲートをゲート電極とし、且つ、前記制御領域をソースまたはドレインの一方とするMOS型トランジスタが構成され、
前記増幅部は、電界効果型トランジスタであり、そのゲートは、前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方と接続され、
前記MOS型トランジスタのソース及びドレインは、前記電界効果型トランジスタのソース及びドレインとは反対の導電型であり、
前記各制御領域は共通に電源に接続され、
前記制御ゲートは行毎にパルス電圧により駆動され、
前記パルス電圧により前記制御ゲートが導通状態にされた行では、前記制御領域から前記電界効果型トランジスタに一定の電圧が供給されて前記電界効果型トランジスタが非動作状態となり、
前記パルス電圧により前記制御ゲートが遮断状態にされた行では、前記電界効果型トランジスタと前記制御領域が電気的に遮断されるとともに、前記制御ゲートと前記電界効果型トランジスタの容量結合により前記電界効果型トランジスタが動作状態となることを特徴とする固体撮像素子。
Solid-state imaging in which a large number of pixels each having an amplifying unit that outputs a signal corresponding to incident light, a control region that controls the amplifying unit, and a control gate that controls an electrical connection state between the amplifying unit and the control region are arranged An element,
A MOS transistor having the control gate as a gate electrode and the control region as one of a source and a drain is configured;
The amplifying unit is a field effect transistor, and a gate thereof is connected to the other of the source and the drain of the MOS transistor,
The source and drain of the MOS transistor have a conductivity type opposite to the source and drain of the field effect transistor,
Each control region is commonly connected to a power source,
The control gate is driven by a pulse voltage for each row,
In a row in which the control gate is turned on by the pulse voltage, a constant voltage is supplied from the control region to the field effect transistor , and the field effect transistor becomes inoperative.
Wherein a pulse line said control gate is in the blocked state by the voltage, the with the control region and the field effect transistor are electrically disconnected, the field effect due to capacitive coupling of the field-effect transistor and the control gate A solid-state imaging device, wherein a type transistor is in an operating state.
入射光に応じた信号を出力する増幅部と前記増幅部を制御する制御領域と前記増幅部と前記制御領域との電気的な接続状態を制御する制御ゲートを備えた画素を多数配列した固体撮像素子であって、
前記制御ゲートをゲート電極とし、且つ、前記制御領域をソースまたはドレインの一方とするMOS型トランジスタが構成され、
前記増幅部は接合型電界効果トランジスタであり、そのゲートは前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方と接続され、
前記接合型電界効果トランジスタのゲートは、前記MOS型トランジスタのソース及びドレインと同一の導電型であり、
前記各制御領域は共通に電源に接続され、
前記制御ゲートは行毎にパルス電圧により駆動され、
前記パルス電圧により前記制御ゲートが導通状態にされた行では、前記制御領域から前記接合型電界効果トランジスタに一定の電圧が供給されて前記接合型電界効果トランジスタが非動作状態となり、
前記パルス電圧により前記制御ゲートが遮断状態にされた行では、前記接合型電界効果トランジスタと前記制御領域が電気的に遮断されるとともに、前記制御ゲートと前記接合型電界効果トランジスタの容量結合により前記接合型電界効果トランジスタが動作状態となることを特徴とする固体撮像素子。
Solid-state imaging in which a large number of pixels each having an amplifying unit that outputs a signal corresponding to incident light, a control region that controls the amplifying unit, and a control gate that controls an electrical connection state between the amplifying unit and the control region are arranged An element,
A MOS transistor having the control gate as a gate electrode and the control region as one of a source and a drain is configured;
The amplifying part is a junction field effect transistor, the gate of which is connected to the other of the source and drain of the MOS transistor,
The gate of the junction field effect transistor has the same conductivity type as the source and drain of the MOS transistor,
Each control region is commonly connected to a power source,
The control gate is driven by a pulse voltage for each row,
In a row in which the control gate is made conductive by the pulse voltage, a constant voltage is supplied from the control region to the junction field effect transistor , so that the junction field effect transistor becomes non-operational.
In the row in which the control gate is cut off by the pulse voltage, the junction field effect transistor and the control region are electrically cut off, and the control gate and the junction field effect transistor are capacitively coupled. A solid-state imaging device, wherein a junction field effect transistor is in an operating state.
前記接合型電界効果トランジスタのゲートと前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方は、同一の半導体領域であることを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 3. The solid-state imaging device according to claim 2 , wherein the other of the gate of the junction field effect transistor and the source or drain of the MOS transistor is the same semiconductor region. 入射光に応じた信号を出力する増幅部と前記増幅部を制御する制御領域と前記増幅部と前記制御領域との電気的な接続状態を制御する制御ゲートを備えた画素を多数配列した固体撮像素子であって、
前記制御ゲートをゲート電極とし、且つ、前記制御領域をソースまたはドレインの一方とするMOS型トランジスタが構成され、
前記増幅部はバイポーラトランジスタであり、そのベースは前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方と接続され、
前記バイポーラトランジスタのベースは、前記MOS型トランジスタのソース及びドレインと同一の導電型であり、
前記各制御領域は共通に電源に接続され、
前記制御ゲートは行毎にパルス電圧により駆動され、
前記パルス電圧により前記制御ゲートが導通状態にされた行では、前記制御領域から前記バイポーラトランジスタに一定の電圧が供給されて前記バイポーラトランジスタが非動作状態となり、
前記パルス電圧により前記制御ゲートが遮断状態にされた行では、前記バイポーラトランジスタと前記制御領域が電気的に遮断されるとともに、前記制御ゲートと前記バイポーラトランジスタの容量結合により前記バイポーラトランジスタが動作状態となることを特徴とする固体撮像素子。
Solid-state imaging in which a large number of pixels each having an amplifying unit that outputs a signal corresponding to incident light, a control region that controls the amplifying unit, and a control gate that controls an electrical connection state between the amplifying unit and the control region are arranged An element,
A MOS transistor having the control gate as a gate electrode and the control region as one of a source and a drain is configured;
The amplifying unit is a bipolar transistor, and its base is connected to the other of the source and drain of the MOS transistor,
The base of the bipolar transistor has the same conductivity type as the source and drain of the MOS transistor,
Each control region is commonly connected to a power source,
The control gate is driven by a pulse voltage for each row,
In a row in which the control gate is made conductive by the pulse voltage, a constant voltage is supplied from the control region to the bipolar transistor , and the bipolar transistor becomes inoperative.
In the row in which the control gate is cut off by the pulse voltage, the bipolar transistor and the control region are electrically cut off, and the bipolar transistor is in an operating state by capacitive coupling of the control gate and the bipolar transistor. A solid-state imaging device.
前記バイポーラトランジスタのベースと前記MOS型トランジスタのソースまたはドレインの他方は、同一の半導体領域であることを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。5. The solid-state imaging device according to claim 4 , wherein the other of the base of the bipolar transistor and the source or drain of the MOS transistor is the same semiconductor region.
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