JPH0793411B2 - Charge amplification semiconductor device - Google Patents
Charge amplification semiconductor deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電荷増幅用半導体装置に関するもので、例えば
フォトダイオードや接合型電荷転送素子とモノリシック
に集積された半導体装置に使用される。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device for charge amplification, and is used, for example, in a semiconductor device monolithically integrated with a photodiode or a junction type charge transfer element.
フォトダイオードの出力増幅部として、あるいは接合型
電荷転送素子の出力部として、第4図のような電荷増幅
回路が用いられる。図示の通り、入力電荷はpチャネル
接合型FET(p−FET)Q1のゲートQ1に入力され、ここ
で、電圧変換されて増幅される。また、p−FETQ1のゲ
ートG1に接続された節点Tにはnチャネル接合型FET
(n−FET)Q2のドレインD2が接続されており、このn
−FETQ2のゲートG2には周期的にパルスが与えられる。
従って、n−FETQ2はONになっているときに、節点Tの
入力電荷をリセットすることになる。A charge amplification circuit as shown in FIG. 4 is used as an output amplification section of a photodiode or as an output section of a junction type charge transfer element. As shown in the figure, the input charge is input to the gate Q 1 of the p-channel junction type FET (p-FET) Q 1 , where it is voltage-converted and amplified. In addition, an n-channel junction type FET is provided at the node T connected to the gate G 1 of the p-FET Q 1.
The drain D 2 of (n-FET) Q 2 is connected, and this n
Periodically pulse is applied to the gate G 2 of -FETQ 2.
Therefore, when the n-FET Q 2 is ON, the input charge at the node T is reset.
電荷増幅用のp−FETQ1は、例えば第5図のように半導
体基板上で実現される。同図(a)はその平面図であ
り、同図(b)はA−A線断面図である。図示の通り、
p型基板10にはp型アイソレーソョン領域11に囲まれた
n型島領域12が形成され、このn型島領域12にはp型ソ
ース領域21、p型ドレイン領域31およびn型ゲート領域
41が形成されている。n型ゲート領域41の直下にはn+型
埋込層60が形成され、このn+型埋込層60はオーミックコ
ンタクト用のn+型領域61に接続されている。そして、p
型領域51がチャネルとして機能するようになっている。The p-FET Q 1 for charge amplification is realized on a semiconductor substrate as shown in FIG. 5, for example. The figure (a) is the top view, and the figure (b) is the sectional view on the AA line. As shown,
An n-type island region 12 surrounded by a p-type isolation region 11 is formed on the p-type substrate 10. In the n-type island region 12, a p-type source region 21, a p-type drain region 31 and an n-type gate region are formed.
41 is formed. directly below the n-type gate region 41 n + -type buried layer 60 is formed, the n + -type buried layer 60 is connected to the n + -type region 61 for ohmic contact. And p
The mold region 51 functions as a channel.
一方、リセット用のn−FETQ2は、例えば第6図のよう
に半導体基板上で実現される。同図(a)はその平面図
であり、同図(b)はA−A線断面図である。図示の通
り、p型アイソレーソョン領域11に囲まれたn型島領域
12にはn+型ソース領域22、n+型ドレイン領域32およびp
型ゲート領域42が形成されている。そして、p型ゲート
領域42の直下のn型島領域12がチャネルとして機能す
る。On the other hand, the reset n-FET Q 2 is realized on a semiconductor substrate as shown in FIG. 6, for example. The figure (a) is the top view, and the figure (b) is the sectional view on the AA line. As shown, n-type island region surrounded by p-type isolation region 11
12 includes n + type source region 22, n + type drain region 32 and p
A mold gate region 42 is formed. The n-type island region 12 immediately below the p-type gate region 42 functions as a channel.
このような電荷増幅回路は、例えば第7図のように接合
型電荷転送素子(J−CCD)と組み合せて用いられる。
すなわち、n型島領域12にはn−FETQ2を構成するn+型
ソース領域22、n+型ドレイン領域32およびp型ゲート領
域42の他に、p型領域91,92が形成されている。p型領
域91は接合型電荷転送素子の出力ゲートOGとして働き、
p型領域92は転送ゲートとして働き転送クロックφが与
えられる。そして、p−FETQ1のゲートG1とn−FETG2の
ソースS2との間の接続は、Alなどによる配線93によって
実現されている。Such a charge amplification circuit is used in combination with a junction type charge transfer device (J-CCD) as shown in FIG. 7, for example.
That is, in the n-type island region 12, p-type regions 91 and 92 are formed in addition to the n + -type source region 22, the n + -type drain region 32, and the p-type gate region 42 that form the n-FET Q 2 . . The p-type region 91 functions as the output gate OG of the junction type charge transfer device,
The p-type region 92 functions as a transfer gate and is supplied with the transfer clock φ. The connection between the source S 2 of the gate G 1 and n-FETG 2 of p-FETs Q 1 is realized by a wiring 93 due to Al.
しかしながら、このような従来技術では、第4図に点線
で示した寄生(flowting diffusion)容量Cfdが大きく
なるという問題があった。これを、第8図により説明す
る。同図中に点線で示した寄生容量のうち、CLはAl配線
93により生じるもの、C1〜C3はn−FETQ2が形成される
n型島領域12において生じるもの、CgsおよびCgdはp−
FETQ1のゲート・ソース間およびゲート・ドレイン間に
おいて生じるもの、Csubはp−FETQ1とp型基板10との
間で生じるものである。However, such a conventional technique has a problem that the floating diffusion capacitance C fd shown by the dotted line in FIG. 4 increases. This will be described with reference to FIG. Of the parasitic capacitance shown by the dotted line in the figure, C L is the Al wiring
93, C 1 to C 3 are generated in the n-type island region 12 where the n-FET Q 2 is formed, and C gs and C gd are p−
That between the gate and source of the FETs Q 1 and occurs in between the gate and the drain, C sub is intended to occur between the p-FETs Q 1 and p-type substrate 10.
これら寄生容量の生成により第4図の寄生容量Cfdが増
大すると、電荷増幅回路の電荷電圧変換利得が低くな
り、また周期的なリセットに伴なうKTCノイズも大きく
なってしまう。具体的には、第7図の構成において、n
−FETQ2のn+型ソース領域22の信号電荷の変化(Δq)
に対してp−FETQ1は電荷増幅素子として働くので、出
力Voutの電圧変化ΔVは ΔV=K・Δq/CT となる。すると、このKは定数であるので、n−FETQ2
のn+型ソース領域22につながる全容量CTが寄生容量CL,C
sub等によって増加すれば、それだけ利得は低下するこ
とになる。When the parasitic capacitance C fd in FIG. 4 increases due to the generation of these parasitic capacitances, the charge-voltage conversion gain of the charge amplification circuit becomes low, and the KTC noise accompanying the periodic reset also becomes large. Specifically, in the configuration of FIG. 7, n
-Change in signal charge of n + type source region 22 of FETQ 2 (Δq)
On the other hand, since the p-FET Q 1 functions as a charge amplification element, the voltage change ΔV of the output V out is ΔV = K · Δq / C T. Then, since this K is a constant, n-FETQ 2
The total capacitance C T connected to the n + type source region 22 is the parasitic capacitance C L , C
The more subs increase, the lower the gain.
そこで本発明は、電荷電圧変換利得の増大と、S/N比の
改善を同時に達成できる電荷増幅用半導体装置を提供す
ることを目的とする。Therefore, it is an object of the present invention to provide a charge amplification semiconductor device that can simultaneously achieve an increase in charge-voltage conversion gain and an improvement in S / N ratio.
本発明に係る電荷増幅用半導体装置は、入力電荷を電圧
に変換する電荷増幅用のpチャネル接合型FETと、入力
電荷をリセットするリセット用のnチャネル接合型FET
が、アイソレーソョン領域に囲まれた同一の島領域に形
成されていることを特徴とする。ここで島領域には入力
電荷を供給するフォトダイオードや接合型電荷転送素子
がモノリシックに集積されていてもよい。A semiconductor device for charge amplification according to the present invention includes a p-channel junction type FET for charge amplification that converts input charges into a voltage, and an n-channel junction type FET for resetting that resets input charges.
Are formed in the same island region surrounded by the isolation region. Here, a photodiode for supplying an input charge or a junction type charge transfer element may be monolithically integrated in the island region.
本発明によれば、電荷増幅用のpチャネル接合型FETと
リセット用のnチャネル接合型FETは同一の島領域に形
成したため、配線に伴なう寄生容量をなくすことがで
き、かつ基板とゲート領域の間の寄生容量も少なくでき
る。According to the present invention, since the p-channel junction type FET for charge amplification and the n-channel junction type FET for reset are formed in the same island region, it is possible to eliminate the parasitic capacitance due to the wiring, and to reduce the substrate and the gate. The parasitic capacitance between the regions can also be reduced.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明す
る。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
第1図は第1実施例に係る電荷増幅素子の要部を示し、
同図(a)は平面図、同図(b)はそのA−A線断面図
である。図示の通り、p型アイソレーソョン領域11で囲
まれた単一のn型島領域12には、電荷増幅用のp−FETQ
1構成するp型ソース領域21,p型ドレイン領域31,n型ゲ
ート領域41,チャネルとしてのp型領域51およびn+型埋
込層60が形成されると共に、リセット用のn−FETQ2構
成するn+型ドレイン領域32およびp型ゲート領域42が形
成されている。このため、p−FETQ1のゲートG1とn−F
ETQ2のソースS2をつなぐAl等の配線が不要なので、第8
図にCLで示した配線容量が全くなくなっている。また、
p−FETQ1およびn−FETQ2は同一のn型島領域12に形成
されているので、p型基板10との間の寄生容量(第8図
中のC1とCsub)が同一になり、合計の容量値を低減でき
る。このため、第4図にCfdとして示した容量が低減さ
れるので、高い電荷電圧変換利得とS/N比の改善を同時
に達成できる。FIG. 1 shows the main part of the charge amplification device according to the first embodiment,
The figure (a) is a top view and the figure (b) is the sectional view on the AA line. As shown in the figure, the single n-type island region 12 surrounded by the p-type isolation region 11 has a p-FET Q for charge amplification.
1 p-type source region 21, p-type drain region 31, n-type gate region 41, p-type region 51 as a channel, and n + -type buried layer 60 are formed, and an n-FET Q 2 structure for resetting is formed. An n + type drain region 32 and a p type gate region 42 are formed. Therefore, the gate G 1 and n−F of p-FET Q 1
Since wiring such as Al connecting the source S 2 of ETQ 2 is not required,
Is totally gone wiring capacitance indicated by C L in FIG. Also,
Since the p-FETQ 1 and the n-FETQ 2 are formed in the same n-type island region 12, the parasitic capacitance (C 1 and C sub in FIG. 8) with the p-type substrate 10 becomes the same. , The total capacity value can be reduced. Therefore, the capacitance shown as C fd in FIG. 4 is reduced, so that a high charge-voltage conversion gain and an improvement in S / N ratio can be achieved at the same time.
第2図は第2実施例に係る接合型電荷転送素子の出力部
を示し、同図(a)は平面図、同図(b)はA1−A1線断
面図、同図(c)はA2−A2線断面図である。この実施例
においても、電荷増幅用のp−FETQ1リセット用のn−F
ETQ2が同一のn型島領域12に形成されている。そして、
このn型島領域12には出力ゲートOGとして働くp型領域
91と、転送クロックφが与えられるp型領域92も形成さ
れている。従って、第1実施例と同様に、容量低減によ
る利得増大とS/N比の改善が可能になっている。FIG. 2 shows an output part of the junction type charge transfer device according to the second embodiment. FIG. 2 (a) is a plan view, FIG. 2 (b) is a sectional view taken along line A 1 -A 1 , FIG. 2 (c). FIG. 3 is a sectional view taken along line A 2 -A 2 . Also in this embodiment, p-FET Q 1 for charge amplification and n-F for resetting
ETQ 2 is formed in the same n-type island region 12. And
In this n-type island region 12, a p-type region that functions as an output gate OG
91 and a p-type region 92 to which the transfer clock φ is applied are also formed. Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to increase the gain and improve the S / N ratio by reducing the capacitance.
第3図(a),(b)は第2実施例に係る接合型電荷転
送素子の出力部の一部を変更した素子の平面図である。
同図(a)は第2図の構造において、p−FETQ1の向き
を90゜だけ変えたもので、同図(b)はp−FETQ1のp
型ドレイン領域31をp型アイソレーソョン領域11と共通
したものである。これらの素子においても、電荷増幅用
のp−FETQ1とリセット用のn−FETQ2は同一の型島領域
12に形成されるので、寄生容量を小さくできる。FIGS. 3 (a) and 3 (b) are plan views of the junction type charge transfer device according to the second embodiment in which a part of the output part is changed.
In the structure of FIG. (A) is a second view, which has changed the direction of the p-FETs Q 1 by 90 °, FIG. (B) is of p-FETs Q 1 p
The type drain region 31 is common to the p-type isolation region 11. Also in these devices, the p-FET Q 1 for charge amplification and the n-FET Q 2 for reset have the same type island region.
Since it is formed of 12, the parasitic capacitance can be reduced.
以上、詳細に説明した通り本発明では、電荷増幅用のp
チャネル接合型FETとリセット用のnチャネル接合型FET
は同一の島領域に形成したため、配線に伴なう寄生容量
(CL)をなくすことができ、かつ基板とゲート領域の間
の寄生容量(C1,Csub)も少なくできる。このため、電
荷電圧変換利得の増大とS/Nの改善を同時に達成できる
電荷増幅用半導体装置を提供できる。As described above in detail, in the present invention, p for charge amplification is used.
Channel junction type FET and n channel junction type FET for reset
Since formed in the same island region, it is possible to eliminate the accompanying parasitic capacitance (C L) to the wiring, and a parasitic capacitance between the substrate and the gate region (C 1, C sub) can be reduced. Therefore, it is possible to provide a charge amplification semiconductor device that can simultaneously achieve an increase in charge-voltage conversion gain and an improvement in S / N.
第1図は、本発明の第1実施例に係る電荷増幅素子の構
成を示す図、第2図は、第2実施例に係る接合型電荷転
送素子の出力部の構成を示す図、第3図は、第2実施例
の一部を変更した構成を示す図、第4図は、一般的な電
荷増幅回路の回路図、第5図は、電荷増幅用のpチャネ
ル接合型FETの構成を示す図、第6図は、リセット用の
nチャネル接合型FETの構成を示す図、第7図は、従来
の接合型電荷転送素子の出力部の構成を示す図、第8図
は、寄生容量の発生を示す図である。 Q1……電荷増幅用pチャネル接合型FET(p−FET)、Q2
……リセット用nチャネル接合型FET(n−FET)、10…
…p型基板、11……p型アイソレーソョン領域、12……
n型島領域、21……p型ソース領域、22……n+型ソース
領域、31……p型ドレイン領域、32……n+型ドレイン領
域、41……n型ゲート領域、51……p型チャネル領域、
60……n+型埋込層、61……n型チャネル領域、93……配
線。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a charge amplification device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an output part of a junction type charge transfer device according to a second embodiment, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a partially modified configuration of the second embodiment, FIG. 4 is a circuit diagram of a general charge amplification circuit, and FIG. 5 is a configuration of a p-channel junction type FET for charge amplification. FIG. 6 is a diagram showing the configuration of an n-channel junction type FET for resetting, FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the output part of a conventional junction type charge transfer device, and FIG. 8 is a parasitic capacitance. FIG. Q 1 ... p-channel junction FET (p-FET) for charge amplification, Q 2
... Reset n-channel junction FET (n-FET), 10 ...
… P-type substrate, 11 …… P-type isolation area, 12 ……
n-type island region, 21 ... p-type source region, 22 ... n + type source region, 31 ... p-type drain region, 32 ... n + type drain region, 41 ... n-type gate region, 51 ... p-type channel region,
60 …… n + type buried layer, 61 …… n type channel region, 93 …… wiring.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/339 21/8232 27/146 29/762 29/812 7514−4M H01L 27/06 F 7376−4M 27/14 A 9056−4M 29/76 301 C (56)参考文献 特開 昭62−296467(JP,A) 特開 昭60−247956(JP,A) 特開 昭61−267358(JP,A) 特開 昭60−223161(JP,A)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H01L 21/339 21/8232 27/146 29/762 29/812 7514-4M H01L 27/06 F 7376 -4M 27/14 A 9056 -4M 29/76 301 C (56) Reference JP 62-296467 (JP, A) JP 60-247956 (JP, A) JP 61-267358 (JP, A) JP-A-60-223161 (JP, A)
Claims (3)
に変換する電荷増幅用のpチャネル接合型FETと、前記
入力電荷をリセットするリセット用のnチャネル接合型
FETとを備える電荷増幅用半導体装置において、 前記pチャネル接合型FETと前記nチャネル接合型FET
は、前記基板の材料あるいは前記基板の材料と略同等の
導電性を有する材料からなるアイソレーソョン領域に囲
まれた同一の島領域に形成されていることを特徴とする
電荷増幅用半導体装置。1. A p-channel junction type FET for charge amplification, which is formed on the same substrate, for converting an input charge into a voltage, and an n-channel junction type FET for resetting the input charge.
A charge amplification semiconductor device including a FET, comprising: the p-channel junction type FET and the n-channel junction type FET
Is formed in the same island region surrounded by an isolation region made of a material of the substrate or a material having substantially the same conductivity as the material of the substrate.
ォトダイオードがモノリシックに集積されている請求項
1記載の電荷増幅用半導体装置。2. A semiconductor device for charge amplification according to claim 1, wherein photodiodes for supplying the input charges are monolithically integrated in the island region.
合型電荷転送素子がモノリシックに集積されている請求
項1記載の電荷増幅用半導体装置。3. The charge amplifying semiconductor device according to claim 1, wherein junction type charge transfer elements for supplying the input charges are monolithically integrated in the island regions.
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| JP64000740A JPH0793411B2 (en) | 1989-01-05 | 1989-01-05 | Charge amplification semiconductor device |
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