JP4533004B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、アナログ−デジタル変換部が画素部に及ぼす攪乱を抑制する固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor, and more particularly, to a solid-state image sensor that suppresses disturbance caused by an analog-digital conversion unit on a pixel unit.
従来、画像信号を電気信号に変換する固体撮像素子として、CCD(Charge Coupled Device)が知られている。このCCDはフォトダイオードアレイを有し、各フォトダイオードに蓄積された電荷にパルス電圧を印加して電気信号として読み出すようになっている。また、近年フォトダイオードとMOSトランジスタとを1チップ化したCMOSエリアセンサが固体撮像素子として用いられている。 Conventionally, a CCD (Charge Coupled Device) is known as a solid-state imaging device that converts an image signal into an electrical signal. This CCD has a photodiode array, and a pulse voltage is applied to the electric charge accumulated in each photodiode to read it out as an electric signal. In recent years, a CMOS area sensor in which a photodiode and a MOS transistor are integrated on a single chip is used as a solid-state imaging device.
CMOSエリアセンサはCCDと比較して、消費電力が小さい、駆動電力が低い、高速化可能などの利点を有しており、今後の需要拡大が予想される。 Compared with a CCD, a CMOS area sensor has advantages such as low power consumption, low driving power, and high speed, and future demand is expected to increase.
近年においては、このCMOSセンサを利用し、アナログ−デジタル変換回路をチップ内に内蔵する例(特許文献1)や列ごとのAD変換機を用いて高速化を行う例が提案されている。(特許文献2及び非特許文献1)
これらの方法では各列又は各画素に電圧比較器とデジタルメモリとを設け、さらにデジタルメモリはセンサで共通のカウンタに接続されているランプ型A/D変換アーキテクチャが主に用いられる。
In recent years, an example in which an analog-digital conversion circuit is built in a chip using this CMOS sensor (Patent Document 1) and an example in which the speed is increased by using an AD converter for each column have been proposed. (
In these methods, a voltage comparator and a digital memory are provided in each column or each pixel, and a digital A / D conversion architecture in which the digital memory is connected to a common counter by a sensor is mainly used.
アーキテクチャにおいては、各AD変換器内の電圧比較器の一端には画素からの信号、もう一端には三角波を印加し、各列の比較器が反転した時のカウンタの値を各列のデジタルメモリに保持することでAD変換を行う。 In the architecture, a signal from a pixel is applied to one end of a voltage comparator in each AD converter, a triangular wave is applied to the other end, and the counter value when the comparator in each column is inverted is used as a digital memory in each column. To perform AD conversion.
さらに、非特許文献2においては、0.35μmのルールを用いて3層メタル、2層Polのプロセスを用いて形成し、センサのデジタル部及びアナログ部は3.3V供給で行っている例が開示されている。
しかしながら、上記の従来技術では、基本的には単一電源で光電変換部及びデジタル回路部を含む全ての回路を駆動しているため、それぞれの最適化がなされず光電変換部に最適な構成では消費電力の増加、高速化への制約という問題が生じる。一方、光電変換部以外の最適化においては、低電圧化になるため光電変換部即ちフォトダイオード性能の低下することも考えられる。 However, in the above prior art, since all circuits including the photoelectric conversion unit and the digital circuit unit are basically driven by a single power source, the respective configurations are not optimized and the configuration optimal for the photoelectric conversion unit is not achieved. There are problems such as an increase in power consumption and restrictions on speeding up. On the other hand, in the optimization other than the photoelectric conversion unit, it is conceivable that the performance of the photoelectric conversion unit, that is, the photodiode is lowered because the voltage is lowered.
また、上記のどの従来技術においてもデジタル回路部とセンサ部のウェルに関する記載はなく、それぞれのウェルを分離する特殊なプロセスを用いているようには思えない。特に、フォトダイオードのウェル層に関しては精度良いプロセスが必要になる。 In addition, in any of the above prior arts, there is no description regarding the wells of the digital circuit part and the sensor part, and it does not seem to use a special process for separating the wells. In particular, an accurate process is required for the well layer of the photodiode.
また、従来技術では、フォトダイオードのウェル層はイオン注入を行った後に熱拡散を行うことにより形成されていたため、図10に示すように、基板深さ方向の濃度分布は徐々に低くなっていた。 In the prior art, since the well layer of the photodiode is formed by performing thermal diffusion after ion implantation, the concentration distribution in the substrate depth direction has gradually decreased as shown in FIG. .
その結果、基板深さ方向のポテンシャルバリアを持っていない構造となり、P型ウェル内で吸収された光の一部は基板方向に損失してしまうため光電変換信号としては寄与しない。特に、画素サイズが小さくなるにつれ、必要とする感度が得られなかった。 As a result, the structure does not have a potential barrier in the substrate depth direction, and a part of the light absorbed in the P-type well is lost in the substrate direction and thus does not contribute as a photoelectric conversion signal. In particular, the required sensitivity could not be obtained as the pixel size was reduced.
そこで、本発明は、高速動作可能なCMOSセンサにおいて、低消費電力とともに高速応答を達成し及びフォトダイオードの感度をはじめとする諸特性を向上させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to achieve a high-speed response with low power consumption and improve various characteristics including sensitivity of a photodiode in a CMOS sensor capable of high-speed operation.
本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に形成された光電変換部を含む画素部と、当該光電変換部で光電変換された電気信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部と、前記光電変換部を駆動する回路部とを備え、前記画素部が形成されたウェル内に前記アナログ−デジタル変換部が形成され、前記回路部は、前記画素部および前記アナログ−デジタル変換部が形成された前記ウェル内には形成されず、前記ウェルから電気的に分離されていることを特徴とする。The solid-state imaging device of the present invention includes a pixel unit including a photoelectric conversion unit formed on a semiconductor substrate, an analog-digital conversion unit that performs analog-digital conversion on an electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit. A circuit unit for driving the conversion unit, the analog-digital conversion unit is formed in a well in which the pixel unit is formed, and the circuit unit is formed with the pixel unit and the analog-digital conversion unit It is not formed in the well, but is electrically isolated from the well.
本発明によれば、フォトダイオードの特性と回路特性の最適化を個別に行え、高速で動作するAD変換部のノイズの抑制された高性能の撮像素子が得られる。 According to the present invention, it is possible to individually optimize the characteristics of the photodiode and the circuit characteristics, and to obtain a high-performance imaging device in which noise of the AD conversion unit operating at high speed is suppressed.
また、フォトダイオード部のウェル層を複数層とし、最深部のウェル濃度をそれより上部のウェル濃度よりも高くすることによって、両者の間にポテンシャルバリアが形成され、入射した光キャリアをフォトダイオード側に効率よく導くことが出来る構造となり、感度を向上させることが可能となる。 In addition, by forming a plurality of well layers in the photodiode portion and making the well concentration in the deepest portion higher than the well concentration in the uppermost portion, a potential barrier is formed between them, and incident light carriers are transferred to the photodiode side. Therefore, the sensitivity can be improved.
このようなフォトダイオード構成により、高感度のフォトダイオードが形成できるとともに、他の回路、特にデジタル回路とは分離して最適化を行うことができる。 With such a photodiode configuration, a highly sensitive photodiode can be formed, and optimization can be performed separately from other circuits, particularly digital circuits.
さらに、光電変換部の電源電圧とデジタル信号部の少なくとも一部分の電源電圧をそれぞれ最適な値に個別に設定することで、低消費電力化及び高速化がフォトダイオード構成と実現可能となる。 Further, by individually setting the power supply voltage of the photoelectric conversion unit and the power supply voltage of at least a part of the digital signal unit to optimum values, low power consumption and high speed can be realized with the photodiode configuration.
また、列ごとに接続された複数のアナログ−デジタル変換器を内蔵することで、高速化が可能となり、特にアナログ−デジタル変換器に、Multi-Slope integrating AD Converterを使用することで、さらに高速化が可能で、その高速化によるノイズ等の擾乱を排除したうえで、高速化及び低消費電力化がはかれる。 In addition, multiple analog-to-digital converters connected to each column can be built in, and the speed can be increased. In particular, the use of Multi-Slope integrating AD Converter in the analog-to-digital converter further increases the speed. It is possible to achieve high speed and low power consumption after eliminating disturbances such as noise due to the high speed.
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態としてのCMOSセンサを示す平面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a plan view showing a CMOS sensor as a first embodiment of the present invention.
画素エリア100は、光電変換部とトランジスタで形成されたCMOSセンサで構成された複数の画素101で構成されており、本実施の形態では、3×3の例を用いて説明するが、この数に特に限定することはなく、例えば、ライン状に並んでいるものも同様に含める。
The
垂直方向の走査回路105からの信号により、各画素からのアナログ出力が例えばCDS(相関2重サンプリング)などの回路部102に入力される。
An analog output from each pixel is input to a
ついで、走査回路104の信号により順次取り出された信号がAD変換器103を通して最終的にデジタル出力として取り出される。100は画素部、102、104及び105は周辺回路部、103をAD変換部とする。
Next, the signals sequentially extracted by the signal of the
図2は、図1の模式的な断面を示す模式断面図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a schematic cross section of FIG.
基板106は本実施の形態ではN基板である。画素部107即ちフォトダイオード部はP型のウェル107で、感度を向上させるため深いウェルとして形成する。その中に、N基板と電気的に分離されたNウェル領域108が存在する。
The
周辺回路部102のNウェル110はN基板をウェルとするか、もしくはさらにN型イオンを注入するなどして作成する。電気的にはNウェル108とNウェル110は完全に分離されている。
The
AD変換部のPウェル109はCMOSエリアセンサの画素部内に形成しているが、ウェル構成を変え表面濃度のみを変えて、しきい値などの特性を変えても構わない。
Although the
この構成では、フォトダイオードを形成する大きなウェルの中に、AD変換部を作成し、そのウェルを独立に形成されている構成であり、画素部とAD変換部、さらには周辺回路部のMOSトランジスタの構成を別々に形成、最適化することができる。さらに、画素部やCDSなど周辺回路部に影響を及ぼす高速動作AD変換部での擾乱を抑制することができた。 In this configuration, an AD conversion unit is created in a large well that forms a photodiode, and the well is formed independently. The pixel unit, the AD conversion unit, and the peripheral circuit unit MOS transistor These configurations can be formed and optimized separately. Furthermore, disturbance in the high-speed operation AD conversion unit that affects the peripheral circuit unit such as the pixel unit and the CDS can be suppressed.
さらに、個別最適化の中で電源電圧を変えることも可能である。例えば、フォトダイオード部及びそれを駆動する周辺回路部を5vで駆動させる。すなわち、Nウェル110及び基板106を5vに固定し、一方、高周波駆動が必要なAD変換部又はそのデジタル回路部分のみは1.6V系で動作させる、すなわちNウェル108を1.6vにすることができる。こうすることで、AD変換部は高速化及び低消費電力化が達成できた。
Furthermore, it is also possible to change the power supply voltage during individual optimization. For example, the photodiode section and the peripheral circuit section that drives the photodiode section are driven with 5v. That is, the N well 110 and the
画素部のフォトダイオードは5v動作が可能であり、感度の高い低ノイズの固体撮像素子が形成できる。さらに、付け加えると感度を上げるための深いPウェルの中にAD変換部のPウェルが存在するため、低抵抗Pウェルが形成でき、安定なグラウンドレベルが達成できるという利点もあり、低ノイズに貢献できる。 The photodiode in the pixel portion can operate at 5v, and a highly sensitive and low noise solid-state imaging device can be formed. In addition, since the P well of the AD conversion section exists in the deep P well for increasing sensitivity, there is an advantage that a low resistance P well can be formed and a stable ground level can be achieved, contributing to low noise. it can.
また、周辺回路部のPウェルも分離されていることから、この電圧を一部負電位を用いることも可能で、フォトダイオードの読み出し電圧の自由度があがりノイズを抑制することが可能となる。 Further, since the P well of the peripheral circuit section is also separated, it is possible to use a part of this voltage as a negative potential, thereby increasing the degree of freedom of the readout voltage of the photodiode and suppressing noise.
図3は、本実施の形態の作製方法を説明するための断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view for describing the manufacturing method of this embodiment.
ここで200が画素部、201がデジタル部、202が周辺回路部である。
Here,
まず、N型基板106に深いPウェル領域107をBのイオンを注入し高温長時間の熱処理をし形成する。B濃度はおよそ4E16/cm3である。
First, a deep
ついで、通常のLOCOS分離法又はリセスLOCOS法などを用いてフィールド酸化膜5を形成する。そして、フィールド酸化膜5下にN型チャンネルストップ層6を形成後、浅い領域のPウェル111、Nウェル108及び110を順次形成する。この形成方法は、特に限定しないが一般的なレトログレードウェルを用いた。
Next, the
さらに、850度でゲート酸化膜工程を行い、しきい値調整のためのチャネルドープを各MOSトランジスタに関して行った。ポリシリコン電極7を形成した後、イオン注入により、フォトダイオードN型電荷蓄積領域8及びP型表面層9、N型高濃度層10及びP型高濃度層を形成し、フォトダイオード、周辺回路部のnMOSトランジスタ、pMOSトランジスタ、さらにAD変換部のnMOSトランジスタ、pMOSトランジスタ、拡散容量及び拡散抵抗等を形成する。
Further , a gate oxide film process was performed at 850 degrees, and channel doping for threshold adjustment was performed for each MOS transistor. After forming the polysilicon electrode 7, the photodiode N-type
絶縁膜を形成後コンタクトホールを開け、その後メタル工程となる。その以降の製造方法は従来のCMOSエリアセンサと同様であるので省略する。 After forming the insulating film, a contact hole is opened, and then a metal process is performed. Since the subsequent manufacturing method is the same as that of the conventional CMOS area sensor, the description thereof is omitted.
以上のように、それぞれのトランジスタ形成領域を別々に形成でき、特に、高速動作するAD変換部のNウェルが周辺回路部のNウェルと分離されているために、ADで生じる電源のふられなどのノイズの周辺回路部であるアナログ回路部への影響を抑制することができた。 As described above, each transistor formation region can be formed separately. Particularly, since the N well of the AD conversion unit that operates at high speed is separated from the N well of the peripheral circuit unit, the power supply generated by AD, etc. The influence of the noise on the analog circuit part, which is a peripheral circuit part, can be suppressed.
さらに、それぞれの最適なトランジスタ特性をもつトランジスタを形成できる。すなわち、フォトダイオード部及び周辺回路部は5v系以上の特性をもつように設計し高感度、低ノイズ及び高飽和量が可能となった。 Furthermore, transistors having respective optimum transistor characteristics can be formed. That is, the photodiode part and the peripheral circuit part are designed to have a characteristic of 5v or higher, and high sensitivity, low noise, and a high saturation amount are possible.
一方、AD変換部のデジタル部は3.3v系であり高速化及び低消費電力化が達成できた。総合的に感度の高い良質なフォトダイオードを持った、低消費電力及び高速化が達成され、高性能の固体撮像素子が形成できた。 On the other hand, the digital part of the AD conversion part is a 3.3v system, and high speed and low power consumption can be achieved. Low power consumption and high speed with a high-quality photodiode with high sensitivity were achieved, and a high-performance solid-state imaging device could be formed.
[第2の実施の形態]
高感度フォトダイオードの構成について述べる。
[Second Embodiment]
The configuration of the high sensitivity photodiode will be described.
図4は、転送MOSトランジスタ部2を示したものである。3はN型シリコン基板、4は複数層からなるP型ウェルであり、本実施形態では、4A〜4Dの4層構造としてある。
FIG. 4 shows the transfer
また、ウェル層4A〜4Dの各層間には、N型半導体層4E〜4Gが挟まれている。7は転送MOSトランジスタのゲート電極、8はフォトダイオードのN型電荷蓄積領域、9はフォトダイオードを埋め込み構造とするための表面P型領域、5は素子分離のためのフィールド酸化膜、10はフローティングディフュージョンとなるN型高濃度領域である。
N-
11はゲート電極とメタル第一層を絶縁するシリコン酸化膜、12はコンタクトプラグ、13はメタル第一層、14はメタル第一層13とメタル第二層15を絶縁する層間絶縁膜、15はメタル第二層、16はメタル第二層15とメタル第三層17を絶縁する層間絶縁膜、17はメタル第三層、18はパッシベーション膜である。
11 is a silicon oxide film that insulates the gate electrode and the metal first layer, 12 is a contact plug, 13 is a metal first layer, 14 is an interlayer insulating film that insulates the metal
さらに、パッシベーション膜18の上層に不図示のカラーフィルター層、感度向上のためのマイクロレンズを形成する。本実施の形態では配線層は3層形成したが、センサの仕様によっては、光学特性を確保する上で、配線層を1層、あるいは2層としてもよい。
Further, a color filter layer (not shown) and a microlens for improving sensitivity are formed on the
上記の複数層P型ウェル4が4A〜4Dの4層は以下のような機能を果たす。
The four
図5は、本実施の形態のフォトダイオード部の深さ方向へのP型ウェル層濃度分布を示すグラフであり、図10は、比較例としての従来技術の一般的なP型ウェル層濃度分布を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the P-type well layer concentration distribution in the depth direction of the photodiode portion of the present embodiment, and FIG. 10 is a general P-type well layer concentration distribution of the prior art as a comparative example. It is a graph which shows.
構造部の浅い部分に位置する4B〜4Dでは、光キャリアを画素内のフォトダイオードに導く繋ぎ部分を形成し、さらに最も深い部分の4Aで、分光感度を決めるポテンシャルピークを形成する。
In 4B to 4D located in the shallow part of the structure part, a connecting part that guides the optical carrier to the photodiode in the pixel is formed, and the
ここで、最深部のウェル層である4Aの濃度を4Bの5倍以上とすることで、両者の間には十分なポテンシャルバリアが形成され、入射した光により発生したキャリアを基板方向に損失することなく効率よくフォトダイオードに導くことができるため、感度の向上が可能となる。また、4D及び4Cの拡散層の濃度や深さを制御することにより、N型電荷蓄積領域8で保持できる飽和電荷数を制御することもできる。
Here, by setting the concentration of 4A, which is the deepest well layer, to be 5 times or more that of 4B, a sufficient potential barrier is formed between them, and carriers generated by incident light are lost in the substrate direction. Therefore, it is possible to efficiently lead to the photodiode without any problem, so that the sensitivity can be improved. The number of saturated charges that can be held in the N-type
本実施の形態では、複数層からなるP型ウェル層4は3層の繋ぎウェル層と最深部ウェル層の4層構成であるが、繋ぎウェル層数は必要とする感度に応じてウェル深さを設定するものであるため、その層数の上限は特に設定されない。また、少なくとも一層の繋ぎウェルを形成すれば、感度向上の効果は得られる。
In the present embodiment, the P-
複数のP型拡散層に挟まれたN型領域は存在しなくても問題はない。また、P型拡散層を上下に離して配設した場合に二つのP型拡散層が接していなく、結果として、P型拡散層の間にN型層が存在しても問題ない。ただし、この場合は、二つのP型拡散層に挟まれているN型領域が空乏化していることが必要である。 There is no problem even if there is no N-type region sandwiched between a plurality of P-type diffusion layers. In addition, when the P-type diffusion layers are arranged apart from each other, the two P-type diffusion layers are not in contact with each other. As a result, there is no problem even if an N-type layer exists between the P-type diffusion layers. However, in this case, it is necessary that the N-type region sandwiched between the two P-type diffusion layers is depleted.
フォトダイオード部の製造工程を説明する。Pウェル作成までの工程は実施例1と同様な工程を経ている。その後、複数層からなるP型ウェル層4は、高エネルギーイオン注入装置を用いて、本実施形態では4回のP型不純物(ボロン等)を深い層より順次注入し、その後、ドライブインのような高温の熱処理を行わないことによって形成する。この後の熱処理は最高でも950℃程度である。このP型ウェル層4は熱拡散を行わないため、それぞれのウェル層の濃度を制御することが容易となる。
A manufacturing process of the photodiode portion will be described. The process up to the preparation of the P well is the same as that of the first embodiment. Thereafter, the P-
上層部にある4B〜4Dを低濃度にすることによって、この箇所のポテンシャルを低く出来るため、感度を向上するとともに最深層4Aとのポテンシャル差を形成しやすくなる。ついで、フォトレジストでパターニングした後にこのP型ウェル内にリンをイオン注入しNウェルを形成し以降の製造方法は第1の実施の形態の場合と同様であるので、省略する。
By reducing the concentration of 4B to 4D in the upper layer portion, the potential at this position can be lowered, so that the sensitivity is improved and a potential difference with the
以上のように、フォトダイオード部のウェル層を複数層とし、最深ウェル層の濃度をその上部のウェル層の濃度より高くすることによって、ウェル層で吸収された光キャリアを基板方向に損失することなく効率よくフォトダイオードに導くことができ、第1の実施の形態の場合と比較しても感度向上が可能となった。 As described above, the photocarrier absorbed in the well layer is lost in the direction of the substrate by making the well portion of the photodiode portion into a plurality of layers and making the concentration of the deepest well layer higher than the concentration of the well layer above it. Therefore, it is possible to efficiently lead to the photodiode, and the sensitivity can be improved as compared with the case of the first embodiment.
さらに、このフォトダイオードのウェルを利用し、その内部にNウェルを形成することにより、簡易なプロセスでAD変換部で使用するNウェルを分離して形成することができ、ノイズの削減や電源分離が可能となり、第1の実施の形態と同様に高品質の固体撮像素子が形成できた。 Furthermore, by utilizing the well of this photodiode and forming an N well therein, it is possible to separate and form the N well used in the AD conversion section by a simple process, reducing noise and separating power. As a result, a high-quality solid-state imaging device could be formed as in the first embodiment.
[第3の実施の形態]
以下、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態では、図1の103の部分であるAD変換部が高速動作を行なう上で必要な部分に、Coなどを用いたシリサイドプロセスを用いて、配線抵抗及びコンタクト抵抗を低減し、さらなる高速化を可能にした。図1でいう100、102、104及び105はシリサイド化していない。
[Third Embodiment]
The third embodiment will be described below. In the present embodiment, a silicide process using Co or the like is used for a part necessary for the
これは、金属汚染をフォトダイオードに持ち込まないためであり、暗電流その他のフォトダイオードの特性は第1の実施の形態と変わらない。AD変換部含めたデジタル回路部は、約20%の高速化が可能となり、高性能の固体撮像素子を実現できた。 This is because metal contamination is not brought into the photodiode, and dark current and other characteristics of the photodiode are not different from those of the first embodiment. The digital circuit section including the AD conversion section can be increased in speed by about 20%, and a high-performance solid-state image sensor can be realized.
[第4の実施の形態]
以下、第4の実施の形態について説明する。本実施の形態では、図1の103の部分であるAD変換部の高速動作必要な部分のゲート酸化膜を他の部分よりも薄膜化し、さらなる高速化を可能にした。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a fourth embodiment will be described. In the present embodiment, the gate oxide film at the portion requiring the high speed operation of the
図1でいう103以外の素子のゲート酸化膜は薄膜化していない。これは高い電圧での駆動を可能にすることであり、暗電流その他のフォトダイオードの特性は、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と変わらない。AD変換部を含めたデジタル回路部は、およそ20%の高速化が可能となり、高性能の固体撮像素子を実現できた。この技術は第3の実施の形態と組み合わせてもさらに効果があることはいうまでもなく、プロセスの複雑さと性能のトレードオフとなる。 The gate oxide film of elements other than 103 in FIG. 1 is not thinned. This is to enable driving with a high voltage, and the characteristics of the dark current and other photodiodes are the same as those in the first and second embodiments. The digital circuit unit including the AD conversion unit can be increased in speed by about 20%, and a high-performance solid-state imaging device can be realized. Needless to say, this technique is more effective when combined with the third embodiment, which is a tradeoff between process complexity and performance.
[第5の実施の形態]
図6は、本発明の第5の実施の形態を示すブロック図である。画素エリア100は光電変換部とトランジスタで形成されたCMOSセンサ画素101で構成されている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 6 is a block diagram showing a fifth embodiment of the present invention. The
本実施の形態は3×3の例で記述するが、この数に特に限定することはなく例えばラインに並んでいるものも同様に含める。垂直方向の走査回路105からの信号により各画素からのアナログ出力が例えばCDS(相関2重サンプリング)等の回路部102に入力される。
Although this embodiment is described with a 3 × 3 example, the number is not particularly limited, and for example, those arranged in a line are also included. An analog output from each pixel is input to a
ついで、112で示される列ごとのAD変換器により各列のアナログ信号がデジタル信号に変換される。ついで、走査回路118の信号により順次信号が取り出される。
Next, the analog signal of each column is converted into a digital signal by the AD converter for each column indicated by 112. Subsequently, signals are sequentially taken out by signals from the
列ごとの信号をデジタル信号に変換してしまうために高速動作が可能となる一方、高速な動作を行う回路が第1の実施の形態と比較すると数多く、しかも102のアナログ回路部に隣接して存在するために高速動作で生じるノイズにおける擾乱が大きな課題となり、本実施の形態の構成が必要となる。
Since a signal for each column is converted into a digital signal, high-speed operation is possible. On the other hand, there are many circuits that perform high-speed operation as compared with the first embodiment, and adjacent to the
さらには、より高速化及び低消費電力化のためには電源電圧を分離することがより好ましく、本実施の形態では104や112で示すAD変換部の一部を低電圧化し、低消費電力化及び低ノイズ化を実現した。 Furthermore, it is more preferable to separate the power supply voltage for higher speed and lower power consumption. In this embodiment, a part of the AD conversion unit indicated by 104 or 112 is lowered to reduce power consumption. And low noise was realized.
図7はAD変換器の一例を示す回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of an AD converter.
図7に示すように、AD変換器の内部は比較器113や記憶部114、転送スイッチ115、読み出しスイッチ116及びカウンタ117、走査回路118で構成されている。基本的にはデジタル信号に変化したあとの回路ブロックに関して低電圧化を行うことが好ましく、図6の例では114、115、116、117及び118を低電圧化することが好ましいが、特に限定することはない。たとえば画素からのアナログ出力のダイナミックレンジが小さければ113及び102をも含んで低電圧化しても効果があり特に限定されないことはいうまでもない。
As shown in FIG. 7, the AD converter includes a
[第6の実施の形態]
図8は、本発明の第6の実施の形態を示す回路図である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 8 is a circuit diagram showing a sixth embodiment of the present invention.
第6の実施の形態では、列ごとのAD変換器にMulti-Slope integrating AD Converterを用いている。113の比較器以降は基本的に第5の実施の形態と同様な回路であるので省略する。119が積分器で出力信号に依存して電圧の積分値を出力する回路である。120は2種類の基準電圧で121は比較器への基準電圧である。123はその後のカウンタや走査回路その他の回路である。
In the sixth embodiment, a Multi-Slope integrating AD Converter is used as the AD converter for each column. Since the
図9は、本実施の形態の動作を示すタイミングチャートである。スイッチ122により画素からの出力値を一定期間(入力電圧積分期間)積分し比較器に入力する。
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the present embodiment. The
次に、積分器への入力を画素から基準電圧1に変更し、画素からの出力の上位ビット判定を行う。これは比較用参照電圧(基準電圧3)を超えたところで記憶することで実現する。
Next, the input to the integrator is changed from the pixel to the
ついで、下位ビットの判定のため積分器への入力を基準電圧2に変更し積分を行う。こうすることで例えば12ビットのAD変換を行う場合に212ステップではなく、上位ビットで26ステップ及び下位ビットで26ステップ、合計27ステップで変換が終了し高速化が可能である。
Next, the integration is performed by changing the input to the integrator to the
このとき、第5の実施の形態と同様に画素領域及びCDS領域と隣接して高速デジタル動作を行うために、この擾乱を防ぐためにウェルの分離はノイズに対して非常に効果的である。 At this time, since the high-speed digital operation is performed adjacent to the pixel region and the CDS region as in the fifth embodiment, well separation is very effective against noise in order to prevent this disturbance.
特に、本実施の形態においては積分器などのノイズに敏感なアナログ回路を固体撮像素子に使用していることもあり、本発明の構成が非常に有効である。 In particular, in the present embodiment, an analog circuit sensitive to noise such as an integrator is used for the solid-state imaging device, and the configuration of the present invention is very effective.
また、低電圧化及び低消費電力化において、電源電圧を変更することは効果的であり、さらにフォトダイオード構成は個別に最適化できることから第2の実施の形態で述べたフォトダイオード構成と合わせて実施することで性能が格段に飛躍する。 Further, in reducing the voltage and power consumption, it is effective to change the power supply voltage, and further, the photodiode configuration can be individually optimized, so that it is combined with the photodiode configuration described in the second embodiment. Implementation will make a dramatic leap in performance.
100 画素部
101 画素
102 周辺回路部
103 アナログ−デジタル変換部
104 走査回路
105 走査回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記画素部が形成されたウェル内に前記アナログ−デジタル変換部が形成され、前記回路部は、前記画素部および前記アナログ−デジタル変換部が形成された前記ウェル内には形成されず、前記ウェルから電気的に分離されていることを特徴とする固体撮像素子。 A circuit for driving the digital conversion unit, the photoelectric conversion unit, - a pixel unit including a photoelectric conversion portion formed on a semiconductor substrate, an electrical signal photoelectrically converted analog by the photoelectric conversion unit - an analog to digital conversion In a solid-state imaging device comprising:
Wherein the pixel portion web in Le formed analog - digital conversion unit is formed, the circuit section, said pixel section and said analog - not formed in said well-digital conversion unit is formed, the A solid-state imaging device characterized by being electrically separated from a well .
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