KR101277990B1 - Optical sensor and solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
고체 촬상 장치는 1 차원 또는 2 차원 배열로 저장된 복수의 화소들을 포함하고, 이 복수의 화소 각각은, 빛을 수신하고 광전하를 생성하는 광 다이오드, 이 광 다이오드에 연결되고, 저장 동작 동안에, 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트, 저장 동작 동안에 오버플로우 게이트에 의해 전송되는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 소자를 포함한다.The solid-state imaging device includes a plurality of pixels stored in a one-dimensional or two-dimensional array, each of which is connected to a photodiode which receives light and generates photocharges, and during the storage operation, the photodiode An overflow gate for transferring photocharges that overflow the diode, and a storage capacitor element for storing the photocharges transferred by the overflow gate during the storage operation.
고체 촬상 장치, 광 다이오드 Solid-state imaging device, photodiode
Description
도 1 은 특허 문헌 1 에 해당하는 등가 회로도.1 is an equivalent circuit diagram corresponding to
도 2 는 특허 문헌 2 에 해당하는 등가 회로도.2 is an equivalent circuit diagram corresponding to
도 3 은 특허 문헌 3 에 해당하는 등가 회로도.3 is an equivalent circuit diagram corresponding to
도 4 는 특허 문헌 4 에 해당하는 등가 회로도.4 is an equivalent circuit diagram corresponding to
도 5 는 비특허 문헌 3 에 해당하는 등가 회로도.5 is an equivalent circuit diagram corresponding to
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 등가 회로도.6 is an equivalent circuit diagram of pixels of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
도 7 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 개략 평면도.7 is a schematic plan view of a pixel of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
도 8a 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소에서 광 다이오드 (PD1), 오버플로우 게이트 (LO4), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 영역을 나타내는 개략 단면도.8A is a schematic cross-sectional view showing regions of a photodiode PD1, an overflow gate LO4, and a storage capacitor CS5 in a pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
도 8b 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소에서 광 다이오드 (PD1), 전송 트랜지스터 (T2), 부유 영역 (FD3), 저장 트랜지스터 (S7), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 영역을 나타내는 개략 단면도.8B shows regions of the photodiode PD1, the transfer transistor T2, the floating region FD3, the storage transistor S7, and the storage capacitor CS5 in the pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. Schematic cross section showing.
도 9 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 타이밍도.9 is a drive timing diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
도 10 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 블록도.10 is a block diagram of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
도 11 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 등가 회로도.11 is an equivalent circuit diagram of pixels of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
도 12 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 개략 평면도.12 is a schematic plan view of a pixel of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
도 13 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 타이밍도.13 is a drive timing diagram of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
도 14 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 등가 회로도로서, 제 1 실시형태의 등가 회로도에 대응됨.Fig. 14 is an equivalent circuit diagram of a pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, which corresponds to the equivalent circuit diagram of the first embodiment.
도 15 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 개략 평면도로서, 제 1 실시형태의 평면도에 대응됨.15 is a schematic plan view of a pixel of a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention, corresponding to the plan view of the first embodiment.
도 16 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 등가 회로도로서, 제 2 실시형태의 등가 회로도에 대응됨.Fig. 16 is an equivalent circuit diagram of a pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, which corresponds to the equivalent circuit diagram of the second embodiment.
도 17 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 개략 평면도로서, 제 2 실시형태의 평면도에 대응됨.Fig. 17 is a schematic plan view of the pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, which corresponds to the plan view of the second embodiment.
도 18 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.18 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.
도 19 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.19 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 20 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.20 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 21 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.21 is a sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 22 는 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 2 개 화소의 등 가 회로도.Fig. 22 is an equivalent circuit diagram of two pixels of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.
도 23 은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 2 개 화소의 개략 평면도.23 is a schematic plan view of two pixels of a solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention.
도 24 는 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 타이밍도.24 is a drive timing diagram of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.
도 25 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 4 개 화소의 등가 회로도.Fig. 25 is an equivalent circuit diagram of four pixels of the solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
도 26 은 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 4 개 화소의 개략 평면도.Fig. 26 is a schematic plan view of four pixels of a solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
도 27 은 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 타이밍도.27 is a drive timing diagram of the solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
도 28 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.Fig. 28 is a sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 29 는 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.29 is a sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention.
도 30 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.30 is a sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention.
도 31 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.Fig. 31 is a sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 32 는 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.32 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention.
도 33 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.Fig. 33 is a sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 34 는 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.34 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 35 는 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.35 is a sectional view of a pixel of the solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 36 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.36 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention.
도 37 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.Fig. 37 is a sectional view of a pixel of the solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 38 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.38 is a sectional view of a pixel of the solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 39 는 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.Fig. 39 is a sectional view of a pixel of the solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
도 40 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.40 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention.
도 41 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 단면도.Fig. 41 is a sectional view of a pixel of the solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
본 발명은 광학 센서 및 고체 촬상 장치에 관한 것이며, 특히, CMOS 또는 CCD 센서의 1 차원 또는 2 차원의 고체 촬상 장치, 및 상술한 고체 촬상 장치에 대한 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical sensor and a solid-state imaging device, and more particularly, to a one-dimensional or two-dimensional solid-state imaging device of a CMOS or CCD sensor, and a driving method for the above-mentioned solid-state imaging device.
CMOS (상보성 금속-산화막 반도체) 화상 센서, 및 CCD (전하 결합 소자) 화상 센서와 같은 화상 센서는 그 특성이 향상되어 왔으며, 디지털 카메라, 카메라를 갖는 셀룰러 폰, 스캐너 등에서 광범위한 응용분야를 찾을 수 있다.Image sensors such as CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) image sensors and CCD (charge coupled device) image sensors have been enhanced in their properties and find wide application in digital cameras, cellular phones with cameras, scanners, and the like. .
그러나, 화상 센서의 더 나은 특성 향상이 요구된다. 그 중 하나는 동작 범위를 확장하는 것이다. 종래 사용된 화상 센서의 동작 범위는 예를 들어, 3 내지 4 디지트 (60 내지 80 dB) 단위에 머무르고 있고, 따라서, 기대되는 것은 육안 또는 은-할로겐화물의 필름과 견줄만한, 적어도 5 내지 6 디지트 (100 내지 120 dB) 의 동작 범위를 갖는 양질의 화상 센서의 구현이다.However, further improvement of the characteristics of the image sensor is required. One of them is to extend the operating range. The operating range of a conventionally used image sensor is, for example, staying in units of 3 to 4 digits (60 to 80 dB), so that the expected is at least 5 to 6 digits, comparable to the visual or silver-halide film. It is an implementation of a good quality image sensor with an operating range of (100 to 120 dB).
상술한 화상 센서의 화질을 높이는 기술로서, 예를 들어, S. Inoue 등의 "IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001, pp. 16-19" (이하, "비특허 문헌 1" 이라 함) 는, 고 감도 및 고 S/N 비를 달성할 목적으로, 각 화소의 광 다이오드에 인접하는 부유 영역에서 발생하는 노이즈 신호 및 광학 신호에 부가되는 노이즈 신호를 판독하고, 그들 사이의 차를 취함으로써 노이즈를 저감시키는 기술을 설명한다. 그러나, 이 방법에 의해서도, 성취할 수 있는 동작 범위는 최고 80 dB 의 상태에 있다. 더 넓은 동작 범위의 실현이 요구된다.As a technique for improving the image quality of the image sensor described above, for example, S. Inoue et al., "IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001, pp. 16-19" (hereinafter referred to as "
또한, 예를 들어, 도 1 에 도시된 바와 같이, 일본출원공개번호 (JP-A) 제 2003-134396 호 (이하, "특허 문헌 1" ) 는, 고 감도 및 저 휘도측 상에 위치한 작은 커패시터 (C1) 를 갖는 부유 영역 뿐만 아니라 저 감도 및 고 휘도측 상에 위치한 큰 커패시터 (C2) 를 갖는 부유 영역을 광 다이오드 (PD) 에 연결시키고, 저-휘도측 출력 (OUT1) 및 고-저도측 출력 (OUT2) 각각에 출력함으로써 동작 범위를 확장시키는 기술을 개시한다.For example, as shown in Fig. 1, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-134396 (hereinafter referred to as "
또한, 도 2 에 도시된 바와 같이, 일본출원공개번호 (JP-A) 제 2000-165754 호 (이하, "특허 문헌 2") 는, 부유 확산 (FD) 영역에 커패시터 (CS) 를 가변적이게 함으로써, 동작 범위를 확장하는 기술을 개시한다. 또한, 화상을 고 휘도측에 해당하는 짧은 노출 시간 주기를 갖는 화상 및 저 휘도측에 해당하는 긴 노출 시간 주기를 갖는 화상을 포함하는 적어도 2 개의 다른 노출 시간 주기를 갖는 화상으로 분할함으로써, 동작 범위를 확장하는 또 다른 개시된 기술이 있다. In addition, as shown in Fig. 2, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-165754 (hereinafter referred to as "
또한, 도 3 에 도시된 바와 같이, 일본출원공개번호 (JP-A) 제 2002-77737 호 (이하, "특허 문헌 3"), 및 Y. Muramatsu 등의 IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 1, pp. 16-19 (이하, "비특허 문헌 2") 는, 광 다이오드 (PD) 와 커패시터 (C) 사이에 트랜지스터 스위치 (T) 를 구비하고, 광 다이오드 (PD) 와 커패시터 (C) 양쪽에 광학 신호 전하를 저장하기 위해 제 1 노출 주기에 스위치 (T) 를 턴온하고, 제 1 노출 주기에 저장된 전하에 더하여 광 다이오드 (PD) 에 광학 전하를 저장하기 위해 제 2 노출 주기에 그 스위치 (T) 를 턴오프함으로써, 동작 범위를 확장하는 기술을 개시한다. 여기서, 이러한 문헌들은 그 안에, 포화값을 넘어 광 조사를 제공할 때, 과도한 전하는 리셋 트랜지스터 (R) 를 통해 방전된다는 점을 개시한다. In addition, as shown in Fig. 3, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-77737 (hereinafter referred to as "
또한, 도 4 에 도시된 바와 같이, 일본출원공개평 (JP-A) 제 5-90556 호 (이하, "특허 문헌 4") 는, 종래 것보다 큰 커패시터를 이용함으로써, 광 다이오드 (PD) 로서 고-휘도로 이미지화하는 것을 어드레싱하는 것을 가능하게 하는 기술을 개시한다. In addition, as shown in Fig. 4, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-90556 (hereinafter referred to as "
게다가, 도 5 에 도시된 바와 같이, The Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 57, 2003 (이하, "비특허 문헌 3") 은, MOS 트랜지스터들의 결합에 의해 구성되는 대수 변환 회로에 의해 신호를 대수적으로 변환하는 동안에, 광 다이오드 (PD) 로부터 광학 전류 신호를 저장하고 출력함으로써, 동작 범위를 확장하는 기술을 개시한다.In addition, as shown in FIG. 5, the Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 57, 2003 (hereinafter referred to as “
상술한 특허 문헌 1, 2, 3 및 비특허 문헌 2 에 설명한 방법에서, 또는 둘 이상의 다른 노출 시간 주기로 이미지화하는 방법에서, 저 휘도측상의 이미지화 및 고 휘도측상의 이미지화는 서로 다른 시간에서 수행된다. 이것은 적어도 두 이미지화하는 화상 시간들 사이에서 시간 지연 (time lag) 이 발생하여, 동화상의 질 이 손상되기 때문에, 문제를 발생시킨다.In the method described in
또한, 상술한 특허 문헌 4 및 3 에 설명한 방법에서는, 고-휘도측에 해당하는 이미지화에 의해 넓은 동작 범위가 성취될 수 있으나, 저-휘도측상의 화상까지 관계되어, 저 감도 및 저 S/N 비가 바람직하지 않은 결과로 나타나고, 따라서 화상 질이 손상된다.Further, in the above-described methods described in
상술한 바와 같이, CMOS 화상 센서와 같은 화상 센서에서, 고 감도 및 고 S/N 비를 유지하면서, 넓은 동작 범위를 성취하는 것은 어렵다. 앞서 언급한 것은 화소들이 2 차원 배열로 배열된 화상 센서 뿐만 아니라, 화소들이 1 차원 배열로 배령된 선형 센서 및 복수의 화소가 없는 광학 센서에도 적용된다.As described above, in an image sensor such as a CMOS image sensor, it is difficult to achieve a wide operating range while maintaining high sensitivity and high S / N ratio. The foregoing applies not only to an image sensor in which pixels are arranged in a two-dimensional array, but also to a linear sensor in which pixels are arranged in a one-dimensional array and an optical sensor without a plurality of pixels.
(요약)(summary)
따라서, 본 발명의 목적은 고-감도 및 고 S/N 비를 유지하면서, 동작 범위를 확장할 수 있는 고체 촬상 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device capable of extending the operating range while maintaining high sensitivity and high S / N ratio.
본 발명의 고체 촬상 장치에 따르면, 빛을 수신하고, 광전하를 생성 및 저장하는 광 다이오드에 의해 저-휘도 이미지화에서 고-감도 및 고 S/N 비를 유지하고, 오버플로우 게이트를 통해 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 저장 커패시터에 저장함으로써 고-휘도 화상을 수행함으로써, 넓은 동작 범위가 성취될 수 있다.According to the solid-state imaging device of the present invention, a high-sensitivity and high S / N ratio is maintained in low-luminance imaging by a photodiode that receives light and generates and stores photocharges, and the photodiode through an overflow gate By performing a high-brightness image by storing photocharges overflowing the storage capacitor in a storage capacitor, a wide operating range can be achieved.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 광학 센서가 제공된다. 광학 센서는 빛을 수신하고 광전하를 생성하는 광 다이오드, 광 다이오드에 연결되고, 저장 동작 동안에 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트, 및 저장 동작 동안에 오버플로우 게이트를 통해 전송되는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 소자를 포함한다.According to a first aspect of the invention, an optical sensor is provided. The optical sensor is connected to a photodiode that receives light and generates photocharges, an overflow gate that transmits a photocharge that overflows the photodiode during the storage operation, and an overflow gate during the storage operation. Storage capacitor elements for storing photocharges.
광학 센서는 광 다이오드와 부유 영역에 연결되는 전송 트랜지스터를 더 포함하고, 전송 트랜지스터는 광 다이오드로부터 부유 영역으로 광전하를 전송한다.The optical sensor further includes a photodiode and a transfer transistor coupled to the floating region, wherein the transfer transistor transfers photocharge from the photodiode to the floating region.
오버플로우 게이트는 접합 트랜지스터로 구성된다. 이 경우, 접합 트랜지스터의 게이트를 형성하는 반도체 영역은 광 다이오드의 표면 영역을 형성하는 반도체 영역 및 광 다이오드와 오버플로우 게이트가 형성되는 웰 영역에 연결된다.The overflow gate is composed of a junction transistor. In this case, the semiconductor region forming the gate of the junction transistor is connected to the semiconductor region forming the surface region of the photodiode and the well region in which the overflow gate is formed with the photodiode.
오버플로우 게이트는 오버플로우 게이트가 형성된 기판의 소정 깊이에 형성된다. 이 경우, 오버플로우 게이트는 오버플로우 게이트의 채널과 동일한 전도 타입의 반도체 층을 갖고, 반도체 층은 배리어를 감소시켜 오버플로우 게이트를 통해 펀칭한다.The overflow gate is formed at a predetermined depth of the substrate on which the overflow gate is formed. In this case, the overflow gate has a semiconductor layer of the same conductivity type as the channel of the overflow gate, and the semiconductor layer reduces the barrier and punches through the overflow gate.
저장 커패시터 소자는, 광학 센서가 형성된 반도체 기판의 표면층 부분에 형성되는 하부 전극으로서 기능하는 반도체 영역, 반도체 영역 상에 형성되는 커패시터 절연 필름 및 커패시터 절연 필름 상에 형성되는 상부 전극을 포함한다.The storage capacitor element includes a semiconductor region which functions as a lower electrode formed on the surface layer portion of the semiconductor substrate on which the optical sensor is formed, a capacitor insulating film formed on the semiconductor region, and an upper electrode formed on the capacitor insulating film.
저장 커패시터 소자는, 광학 센서가 형성된 기판 상에 형성되는 하부 전극, 하부 전극 상에 형성되는 커패시터 절연 필름, 커패시터 절연 필름 상에 형성되는 상부 전극 포함한다.The storage capacitor device includes a lower electrode formed on a substrate on which an optical sensor is formed, a capacitor insulating film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the capacitor insulating film.
저장 커패시터 소자는, 광학 센서가 형성된 반도체 기판에 형성된 트렌치의 내부 벽에 형성되는 하부 전극으로서 기능하는 반도체 영역, 트렌치의 내부 벽 상에 형성되는 커패시터 절연 필름, 및 커패시터 절연 필름상에 형성되고, 트렌치를 임베딩하는 상부 전극을 포함한다.The storage capacitor element is formed on the semiconductor region, which functions as a lower electrode formed on the inner wall of the trench formed in the semiconductor substrate on which the optical sensor is formed, the capacitor insulating film formed on the inner wall of the trench, and the capacitor insulating film, and the trench It includes an upper electrode for embedding.
또한, 1 차원 또는 2 차원 배열로 배열되는 복수의 화소를 포함하고, 각각의 화소는 상술한 광학 센서를 갖는 고체 촬상 장치가 제공된다.Further, there is provided a solid-state imaging device including a plurality of pixels arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, each pixel having the above-described optical sensor.
오버플로우 게이트는 MOS 트랜지스터 또는 접합 트랜지스터로 구성될 수도 있다.The overflow gate may be composed of a MOS transistor or a junction transistor.
또한, 복수의 화소 블록을 포함하는 또다른 고체 촬상 장치가 제공된다. 이 장치에서, 복수의 화소 블록 각각은 복수의 화소와 단일 부유 영역을 포함한다. 복수의 화소 각각은, 빛을 수신하고 광전하를 생성하는 광 다이오드, 광 다이오드에 연결되고, 저장 동작 동안에 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트, 저장 동작 동안에 오버플로우 게이트를 통해 전송된 광전하를 저장하는 저장 커패시터 소자, 및 광 다이오드와 단일 부유 영역 사이에 연결되는 전송 트랜지스터를 포함한다.In addition, another solid-state imaging device including a plurality of pixel blocks is provided. In this apparatus, each of the plurality of pixel blocks includes a plurality of pixels and a single floating region. Each of the plurality of pixels includes a photodiode that receives light and generates photocharges, an overflow gate that is connected to the photodiode and transmits a photocharge that overflows the photodiode during the storage operation, and an overflow gate during the storage operation. A storage capacitor element for storing the transferred photocharges, and a transfer transistor coupled between the photodiode and the single floating region.
전송 트랜지스터는, 전송 트랜지스터가 형성된 기판의 표면 또는 표면의 근처로부터 소정의 깊이까지 형성되는 전송 트랜지스터의 채널과 동일한 전도 타입의 반도체 층을 갖는 매복 채널 트랜지스터이다.The transfer transistor is an ambush channel transistor having a semiconductor layer of the same conductivity type as the channel of the transfer transistor formed from the surface or the vicinity of the surface of the substrate on which the transfer transistor is formed to a predetermined depth.
복수의 화소를 포함하고, 각각의 화소가 상술한 광학 센서를 갖는 고체 촬상 장치는, 부유 영역에 연결되며 저장 커패시터 소자 및 부유 영역의 신호 전하를 방전하는 리셋 트랜지스터, 부유 영역과 저장 커패시터 소자 사이에 구비되는 트랜지스터, 부유 영역에서 또는 부유 영역과 저장 커패시터 소자 양쪽에서 신호 전하를 전압으로 판독하는 증폭 트랜지스터, 및 증폭 트랜지스터에 연결되며 화소를 선택하는 선택 트랜지스터를 더 포함한다.A solid-state imaging device comprising a plurality of pixels, each pixel having the above-described optical sensor, is connected between a floating region and between a storage transistor element and a reset transistor for discharging signal charges of the floating region, between the floating region and the storage capacitor element. The transistor further includes a transistor provided, an amplifying transistor reading a signal charge as a voltage in the floating region or both the floating region and the storage capacitor element, and a selection transistor connected to the amplifying transistor and selecting a pixel.
고체 촬상 장치는, 저장 커패시터 소자에 연결되며 저장 커패시터 소자 및 부유 영역에서 신호 전하를 방전하는 리셋 트랜지스터, 부유 영역과 저장 커패시터 소자 사이에 구비되는 트랜지스터, 부유 영역에서 또는 부유 영역과 저장 커패시터 소자 양쪽에서 신호 전하를 전압으로 판독하는 증폭 트랜지스터, 및 증폭 트랜지스터에 연결되며 화소를 선택하는 선택 트랜지스터를 더 포함한다.The solid-state imaging device is connected to a storage capacitor element and reset transistor for discharging signal charge in the storage capacitor element and the floating region, a transistor provided between the floating region and the storage capacitor element, in the floating region or in both the floating region and the storage capacitor element. An amplifying transistor for reading the signal charge into a voltage, and a selection transistor connected to the amplifying transistor and selecting a pixel.
복수의 화소를 포함하고, 각각의 화소가 상술한 광학 센서를 갖는 고체 촬상 장치는, 부유 영역에 또는 부유 영역과 저장 커패시터 소자 양쪽에 전송되는 광전하로부터 획득되는 전압 신호와 부유 영역 또는 부유 영역과 저장 커패시터 소자 양쪽의 리셋 레벨에서의 전압 신호 사이의 차를 취하는 노이즈 제거 수단을 더 포함한다. A solid-state imaging device comprising a plurality of pixels, each pixel having the above-described optical sensor, includes a voltage signal and a floating region or floating region obtained from photocharges transmitted to the floating region or to both the floating region and the storage capacitor element. And noise removing means for taking the difference between the voltage signals at the reset levels on both sides of the storage capacitor elements.
고체 촬상 장치는 부유 영역과 저장 커패시터 소자의 리셋 레벨에서의 전압 신호를 저장하는 저장 수단을 더 포함한다.The solid-state imaging device further includes storage means for storing the voltage signal at the reset level of the floating region and the storage capacitor element.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광 다이오드 및 저장 커패시터 소자를 포함하는 광학 센서로부터 신호를 출력하는 방법이 제공된다. 그 방법은 광 다이오드의 포화 전에, 광 다이오드에 의해 생성되는 제 1 광전하를 광 다이오드로 저장하는 단계, 포화 후에 광 다이오드에 의해 생성되는 제 2 광전하를 저장 커패시터 소자로 저장하는 단계, 및 제 1 및 제 2 광전하에 기초하여 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
오버플로우 게이트는 광 다이오드와 저장 커패시터 사이에 연결된 MOS 트랜지스터로 구성되고, MOS 트랜지스터의 게이트 전극은 저장 동작을 결정하는 신호를 수신한다.According to another aspect of the invention, a method is provided for outputting a signal from an optical sensor comprising a photodiode and a storage capacitor element. The method includes storing the first photocharge generated by the photodiode before the saturation of the photodiode with the photodiode, storing the second photocharge generated by the photodiode with the storage capacitor element after saturation, and Outputting a signal based on the first and second photocharges.
The overflow gate consists of a MOS transistor coupled between the photodiode and the storage capacitor, the gate electrode of the MOS transistor receiving a signal that determines the storage operation.
(바람직한 실시형태)(Preferred embodiment)
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 첨부하는 도면을 참조하여 설명한다. 이들 도면 전체에서, 동일 도면 부호는 동일하거나 등가의 부분을 나타낸다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, it demonstrates with reference to the drawing which attaches the solid-state imaging device which concerns on embodiment of this invention. In all of these figures, like reference numerals designate like or equivalent parts.
제 1 실시형태First Embodiment
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따르는 고체 촬상 장치의 화소의 등가 회로도이고, 도 7 은 그것의 개략 평면도이다.6 is an equivalent circuit diagram of a pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a schematic plan view thereof.
각 화소는, 빛을 수신하여, 광전하를 생성하고 저장하는 광 다이오드 (PD1), 광 다이오드 (PD1) 에 인접하여 구비되고, 광전하를 전송하는 전송 트랜지스터 (T2), 전송 트랜지스터 (T2) 를 통해 광 다이오드 (PD1) 에 연결된 부유 영역 (부유 영역) (FD3), 광 다이오드 (PD1) 에 인접하여 구비되고, 저장 동작 동안에 광 다이오드 (PD1) 를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트 (LO4), 저장 동작 동안에 오버플로우 게이트 (LO4) 를 통해 광 다이오드 (PD1) 를 오버플로우하는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 (CS5), 부유 영역 (FD3) 에 연결되고, 저장 커패시터 (CS5) 및 부유 영역 (FD3) 의 신호 전하를 방전하는 리셋 트랜지스터 (R6), 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CS5) 사이에 제공되는 저장 트랜지스터 (S7), 부유 영역 (FD3) 또는 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CS5) 양쪽의 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터 (SF8), 및 증폭 트랜지스터 (SF8) 에 연결하고 화소 또는 화소 블록을 선택하는 선택 트랜지스터 (X9) 를 포함한다. Each pixel includes a photodiode PD1 that receives light, generates and stores photocharges, and is adjacent to the photodiode PD1, and includes a transfer transistor T2 and a transfer transistor T2 that transmit photoelectric charges. Floating region (floating region) FD3 connected to the photodiode PD1 via, an overflow gate which is provided adjacent to the photodiode PD1 and transmits a photocharge which overflows the photodiode PD1 during a storage operation ( LO4), connected to storage capacitor CS5, floating region FD3, which stores photocharges that overflow photodiode PD1 through overflow gate LO4, during storage operation, and to storage capacitor CS5 and floating Storage with reset transistor R6, floating region FD3 and storage capacitor CS5, floating region FD3 or floating region FD3, which are provided between reset transistor R6, floating region FD3 and storage capacitor CS5, which discharge the signal charge of region FD3 Capacitor CS5 includes an amplifying transistor SF8 for reading both signal charges as a voltage, and a selection transistor X9 connected to the amplifying transistor SF8 and selecting a pixel or a pixel block.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 각각이 상술한 배치를 갖는 복수의 화소는 2 차원 또는 1 차원 배열로 저장된다. 각 화소에서, 구동선 (ΦLO 10, ΦT 11, ΦS 12, 및 ΦR 13) 은, 각각 오버플로우 게이트 (LO4), 전송 트랜지스터 (T2), 저장 트랜지스터 (S7), 및 리셋 트랜지스터 (R6) 의 게이트 전극들에 연결된다. 또한, 로우 시프트 레지스터에 의해 구동되는 화소 선택선 (ΦX 14) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 게이트 전극에 연결된다. 또한, 출력선 (OUT ; 15) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 출력측 소스에 연결되고, 컬럼 시프트 레지스터에 의해 제어되어, 출력을 생성한다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the plurality of pixels each having the above-described arrangement is stored in a two-dimensional or one-dimensional array. In each pixel, the driving lines Φ LO 10, Φ T 11,
부유 영역 (FD3) 의 전압이 화소의 선택 동작 또는 비선택 동작을 수행할 수 있도록 하기 위한 적당한 값으로 고정될 수 있는 한, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성은 제한되지 않는다. 따라서, 선택 트랜지스터 (X9) 및 구동선 (ΦX ; 14) 은 생략될 수도 있다.The configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment is not limited as long as the voltage of the floating region FD3 can be fixed to an appropriate value for allowing the pixel selection operation or the non-selection operation to be performed. Therefore, the selection transistor X9 and the drive line Φ X ; 14 may be omitted.
도 8a 는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 광 다이오드 (PD1), 오버플로우 게이트 (LO4), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 영역을 나타내는 개략 단면도이고, 도 8b 는 화소의 광 다이오드 (PD1), 전송 트랜지스터 (T2), 부유 영역 (FD3), 저장 트랜지스터 (S7), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 영역을 나타내는 개략 단면도이다.FIG. 8A is a schematic cross-sectional view showing regions of the photodiode PD1, the overflow gate LO4, and the storage capacitor CS5 of the pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 8B is a photodiode PD1 of the pixel. ), A schematic cross-sectional view showing regions of the transfer transistor T2, the floating region FD3, the storage transistor S7, and the storage capacitor CS5.
예를 들어, n 형 실리콘 반도체 기판 (n-sub ; 20) 상에, p 형 웰 (p-well ; 21) 이 형성되고, 개별 화소들과 저장 커패시터 (CS) 영역을 분리시키는 소자 분리 절연 필름 (22, 23, 24, 및 25) 이 LOCOS 방법 등에 의해 형성된다. 또한, p+ 형 분리 영역 (26, 27, 28, 및 29) 이 화소를 분리시키는 소자 분리 절연 필름 아래의 p 형 웰 (21) 에 형성된다. n 형 반도체 영역 (30) 은 p 형 웰 (21) 에 형성되고, 그 표면층에, p + 형 반도체 영역 (31) 이 형성된다. pn 접합에 의해, 전하 전달 내장형 광 다이오드 (PD) 가 구성된다. 적당한 바이어스를 pn 접합에 인가함으로써 만들어지는 공핍층에 빛 (LT) 이 진입할 때, 광전하는 광전 효과에 의해 생성된다.For example, on the n-type silicon semiconductor substrate (n-sub; 20), a p-type well (p-well) 21 is formed, and an element isolation insulating film separating the individual pixels and the storage capacitor (CS) region. (22, 23, 24, and 25) are formed by the LOCOS method or the like. In addition, p +
n 형 반도체 영역 (30) 의 끝 부분에, p+ 형 반도체 영역 (31) 을 막기 위한 영역이 형성되고, 이 영역과 소정 거리만큼 떨어진 영역에, n+ 형 반도체 영역 (32) 이 p 형 웰 (21) 의 표면층에 형성된다.At the end of the n-
또한, n 형 반도체 영역 (30) 의 끝 부분에, p+ 형 반도체 영역 (31) 을 막기 위해 형성된 또 다른 영역이 존재하고, 그 다른 영역과 소정 거리만큼 떨어진 영역에, 부유 영역 (FD) 으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (33) 이 p 형 웰 (21) 의 표면층에 형성된다. 또한, n+ 형 반도체 영역 (34) 은 상술한 다른 영역과 소정 거리만큼 떨어진 영역에 형성된다.Further, at the end of the n-
여기서, n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (32) 과 관련된 영역에, 폴리 실리콘 등으로 구성되는 게이트 전극 (36) 이 실리콘 산화물 등으로 구성된 게이트 절연 필름 (35) 을 통해 p 형 웰 (21) 의 표면 상부에 형성되고, 소스/드레인으로서, n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (32) 를 갖고, p 형 웰의 표면층에 영역을 형성하는 채널을 갖는 오버플로우 게이트 (LO) 가 구비된다.Here, in the region associated with the n-
또한, n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (33) 과 관련된 영역에, 폴리 실리콘 등으로 구성되는 게이트 전극 (38) 이 실리콘 산화물 등으로 구성된 게이트 절연 필름 (37) 을 통해 p 형 웰 (21) 의 표면 상부에 형성되고, 소스/드레 인으로서, n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (33) 을 갖고, p 형 웰의 표면층에 영역을 형성하는 채널을 갖는 전송 트랜지스터 (T) 가 구비된다.Further, in the region associated with the n-
또한, n+ 형 반도체 영역 (33) 및 n+ 형 반도체 영역 (34) 과 관련된 영역에, 폴리 실리콘 등으로 구성되는 게이트 전극 (40) 이 실리콘 산화물 등으로 구성된 게이트 절연 필름 (39) 을 통해 p 형 웰 (21) 의 표면 상부에 형성되고, 소스/드레인으로서, n+ 형 반도체 영역 (33) 및 n+ 형 반도체 영역 (34) 을 갖고, p 형 웰의 표면층에 영역을 형성하는 채널을 갖는 저장 트랜지스터 (S) 가 구비된다.Further, in the region associated with the n +
또한, 소자 분리 절연 필름 (22 및 23) 에 의해 분리되는 영역에서, 하부 전극으로서 기능하는 p+ 형 반도체 영역 (41) 이 p 형 웰의 표면층에 형성되고, 이 층의 상부에, 폴리 실리콘 등으로 구성되는 상부 전극 (43) 이 실리콘 산화물 등으로 구성되는 커패시터 절연 필름 (42) 을 거쳐 형성된다. 이들은 저장 커패시터 (CS) 를 구성한다.Further, in the region separated by the element
실리콘 산화물 등으로 구성되는 절연 필름 (44) 은 오버플로우 게이트 (LO), 전송 트랜지스터 (T), 저장 트랜지스터 (S), 및 저장 커패시터 (CS) 를 덮기 위해 형성된다. n+ 형 반도체 영역 (34) 를 거쳐 n+ 형 반도체 영역 (32) 및 n+ 형 반도체 영역 (33) 으로부터 상부 전극 (43) 까지 확장하는 개구부가 구비된다. 또한, n+ 형 반도체 영역 (32) 과 상부 전극 (43) 을 접속하는 배선 (45), 및 n+ 형 반도체 영역 (33) 에 접속하는 배선 (46) 이 구비된다.An insulating
구동선 (ΦT) 은 전송 트랜지스터 (T) 의 게이트 전극 (38) 에 접속되고, 구 동선 (ΦS) 은 저장 트랜지스터 (S) 의 게이트 전극 (40) 에 접속된다.The drive line Φ T is connected to the
구동선 (ΦLO) 은 오버플로우 게이트 (LO) 의 게이트 전극 (36) 에 접속된다. 구동선 (ΦLO) 은 구동 펄스 신호의 인가가 이루어질 수도 있고, 대신에 p 형 웰 (21) 의 경우에서와 같이 0 전위에 접속될 수도 있다. 광 다이오드 (PD) 의 포화값을 넘는 여분의 전하들이 오버플로우 게이트 (LO) 를 통해 저장 커패시터 (CS) 로 효율적으로 흐르는 것이 허락되도록, 오버플로우 게이트 (LO) 의 문턱 전압은 전송 트랜지스터 (T) 의 문턱 전압보다 낮은 값으로 설정된다. 오버플로우 게이트 (LO) 및 전송 트랜지스터 (T) 의 문턱 전압이 동일하게 될 때, 그 전위를 0 전위보다 높은 값으로 설정하는 것은 광 다이오드 (PD) 의 포화값을 넘는 여분의 전하들이 오버플로우 게이트 (LO) 를 통해 저장 커패시터 (CS) 로 효율적으로 흐르는 것을 가능하게 한다.The drive line Φ LO is connected to the
다른 구성 요소, 즉 리셋 트랜지스터 (R), 증폭 트랜지스터 (SF), 선택 트랜지스터 (X), 구동선 (ΦR, 및 ΦX), 및 출력선 (OUT) 에 관해, 그 구성이 도 6 의 등가 회로도에 도시된 구성이 되도록, 이들은, 도 8a 및 도 8b 에 도시된 반도체 기판 (20) 상의 도시되지 않은 영역에, 배선 (46) 이 증폭 트랜지스터 (SF ; 미도시) 에 접속되는 방식으로 구성된다. With respect to other components, that is, the reset transistor R, the amplifying transistor SF, the selection transistor X, the driving lines Φ R and Φ X , and the output line OUT, the configuration is equivalent to that of FIG. 6. In order to have the configuration shown in the circuit diagram, they are configured in such a manner that the
부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 는 각각 상대적으로 깊은 전위를 갖는 커패시터 (CFD 및 CCS) 를 구성하는 반면, 광 다이오드 (PD) 는 상대적으로 얕은 전위를 갖는 커패시터 (CPD) 를 구성한다.Floating region FD and storage capacitor CS constitute capacitors C FD and C CS , each having a relatively deep potential, while photodiode PD has a capacitor C PD having a relatively shallow potential. Configure.
여기서, 도 6, 7, 8a, 8b 에 도시된 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법을 설명한다. 도 9 는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 타이밍도이다.Here, the driving method of the solid-state imaging device according to the present embodiment shown in Figs. 6, 7, 8A, and 8B will be described. 9 is a drive timing diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
저장 개시 이전에, 먼저 저장 트랜지스터 (S) 는 온으로 설정되고, 전송 트랜지스터 (T) 및 리셋 트랜지스터 (R) 는 오프로 설정된다. 이 시점에서, 광 다이오드 (PD) 는 완전히 공핍 상태에 있다. 다음으로, 리셋 트랜지스터 (R) 는 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 를 리셋하기 위해 온으로 스위칭된다 (시간 : t1). 그 후, 리셋 트랜지스터 (R) 가 오프로 스위칭된 직후에 캡쳐되는 (FD + CS) 의 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N2) 로서 판독된다 (시간 : t2). 여기서, 노이즈 신호 (N2) 는 고정된 패턴 노이즈 성분으로서, 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압의 변화를 포함한다. 저장 주기 (시간 : t3) 동안에, 저장 트랜지스터 (S), 전송 트랜지스터 (T), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 가 오프로 스위칭된 상태에서, 포화 이전의 광전하는 광 다이오드에 의해 저장되고, 포화가 초과된 때의 초과된 광전하는 오버플로우 게이트 (LO) 를 통해 저장 커패시터 (CS) 에 저장된다. 이 동작은 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 버려짐 없이 효율적으로 사용되게 한다. 이 방법에서, 포화 이전과 이후의 주기 모두에서, 저장 동작은, 동일한 저장 주기에서 각 화소의 동일한 광 다이오드 (PD) 에 의해 빛을 수신함으로써 수행된다.Before the start of storage, the storage transistor S is first set to on, and the transfer transistor T and the reset transistor R are set to off. At this point, the photodiode PD is completely depleted. Next, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD and the storage capacitor CS (time: t1). Then, the reset noise of (FD + CS) captured immediately after the reset transistor R is switched off is read out as the noise signal N2 (time: t 2 ). Here, the noise signal N2 is a fixed pattern noise component and includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF. During the storage period (time: t 3 ), in the state where the storage transistor S, the transfer transistor T, the reset transistor R, and the select transistor X are switched off, the photoelectrodes before saturation are transferred to the photodiode. And the excess photocharge when saturation is exceeded is stored in the storage capacitor CS through the overflow gate LO. This operation allows the charge that overflows the photodiode PD to be used efficiently without wasting. In this method, in both the period before and after saturation, the storage operation is performed by receiving light by the same photodiode PD of each pixel in the same storage period.
저장이 완료된 후 (시간 : T4), 선택 트랜지스터 (X) 는 온으로 스위칭된다. 그 후, 리셋 트랜지스터는 부유 영역 (FD) 을 리셋하기 위해, 온으로 스위칭되고 (시간 : T5), 리셋 직후에 캡쳐되는 FD 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N1) 로서 판독된다 (시간 : T6). 여기서, 노이즈 신호 (N1) 는 고정된 패턴 노이즈 성분으로서, 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압의 변화를 포함한다.After the storage is completed (time: T 4 ), the select transistor X is switched on. Thereafter, the reset transistor is switched on to reset the floating region FD (time: T 5 ), and the FD reset noise captured immediately after the reset is read as the noise signal N1 (time: T 6 ). . Here, the noise signal N1 is a fixed pattern noise component and includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF.
다음으로, 전송 트랜지스터 (T) 가 온으로 스위칭되어, 광 다이오드 (PD) 에 저장된 광학 신호를 부유 영역 (FD) 으로 완전히 전송하고 (시간 : T7), 그 신호는 (S1 + N1) 으로 판독된다. 그 후, 저장 트랜지스터 (S) 역시 온으로 스위칭 되어, 광 다이오드 (PD) 에 저장된 광전하를 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 로 완전히 전송한다 (시간 : T8). 광 다이오드 (PD), 부유 영역 (FD), 및 저장 커패시터 (CS) 에 저장된 전하는 혼합되고, 그 신호는 (S1 + S2 + N1) 으로 판독된다.Next, the transfer transistor T is switched on to completely transmit the optical signal stored in the photodiode PD to the floating region FD (time: T 7 ), and the signal is read out as (S1 + N1). do. Thereafter, the storage transistor S is also switched on to completely transfer the photocharge stored in the photodiode PD to the floating region FD and the storage capacitor CS (time: T 8 ). Charges stored in the photodiode PD, the floating region FD, and the storage capacitor CS are mixed, and the signal is read as (S1 + S2 + N1).
도 10 은 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 블록도이다. 2 차원으로 배열된 화소 배열 (100 - 103) 의 주변상에는, 로우 시프트 레지스터 (VSR ; 104), 컬럼 시프트 레지스터 (HSR ; 105), 신호/노이즈 유지부 (106), 및 출력 회로 (107) 가 구비된다. 여기서, 간단히, (2 화소 × 2 화소) 의 화소 배열의 예를 설명하지만, 화소의 수는 제한되지 않는다.10 is a block diagram of a solid-state imaging device according to the present embodiment. On the periphery of the pixel arrays 100-103 arranged in two dimensions, a low shift register (VSR) 104, a column shift register (HSR) 105, a signal /
각 화소로부터 점 순차적으로 판독되는 신호들은, 노이즈 신호 (N1), 및 (FD 에서 전하/전압 변환에 이용되는, 포화 이전의 광학 신호) + (노이즈 신호) 즉, (S1 + N1); 노이즈 신호 (N2), 및 (FD 및 CS 에서 전하/전압 변환에 이용되는, 포화 이전 및 이후의 추가적인 광학 신호) + (노이즈 신호) 즉, (S1 + S2 + N2) 이다. 감산 회로에 의해, 포화 이전의 신호에 대한 노이즈 제거 동작 [(S1 + N1) - N1] 이 수행된다. 이것은 랜덤 노이즈 성분과 고정된 패턴 노이즈 성분 양쪽 을 제거한다. 즉, 과포화측 상의 노이즈 (N2) 가 저장의 시작 직후에 판독되고, 따라서, 랜덤 노이즈 성분과 고정된 패턴 노이즈 성분 양쪽이 제거될 때, 노이즈 (N2) 는 프레임 메모리에 한번 저장되고, 그에 따라, 노이즈 제거 동작 [(S1 + N1) - N1] 이 감산 회로에 의해 수행된다. 따라서, 노이즈가 각각 제거된 포화 이전의 신호 (S1) 및 과포화측 신호 (S1 + S2) 가 획득될 수 있다. 감산 회로 및 프레임 메모리 각각은 화상 센서 칩 상에 형성되거나, 단독의 칩으로서 형성될 수 있다.The signals sequentially read out from each pixel include noise signal N1, and (an optical signal before saturation, used for charge / voltage conversion in FD) + (noise signal), that is, (S1 + N1); Noise signal N2, and (an additional optical signal before and after saturation, used for charge / voltage conversion in FD and CS) + (noise signal), ie, (S1 + S2 + N2). By the subtraction circuit, the noise removing operation [(S1 + N1)-N1] is performed on the signal before saturation. This removes both random noise components and fixed pattern noise components. That is, the noise N2 on the super saturation side is read immediately after the start of storage, and therefore, when both the random noise component and the fixed pattern noise component are removed, the noise N2 is stored once in the frame memory, and accordingly, The noise removing operation [(S1 + N1)-N1] is performed by the subtraction circuit. Thus, the signal S1 before saturation and the supersaturated side signal S1 + S2, each of which noise is removed, can be obtained. Each of the subtraction circuit and the frame memory may be formed on the image sensor chip or may be formed as a single chip.
부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 의 용량을 각각 CFD 및 CCS 로 하면, 동작 범위의 확장비는 (CFD + CCS)/CFD 로 표현될 수 있다. 그러나, 실제로, 부유 영역 (FD) 을 리셋하는 경우와 비교하면, (FD + CS) 를 리셋하는 경우에는, 리셋 트랜지스터 (R) 에서 클록 피드 스루 (clock feed-through) 는 적은 영향을 갖고, 동작 범위가 상술한 비보다 큰 확장비로 증가되도록, 과포화측 신호 (S2) 의 포화 전압은 포화 전의 신호 (S1) 보다 높아진다. 광 다이오드의 고 개구수를 유지하면서, 화소 사이즈의 증가 없이 동작 범위를 효율적으로 넓히기 위해, 고 영역 효율을 갖는 큰 저장 용량이 형성될 수 있는 것이 바람직하다. If the capacitances of the floating region FD and the storage capacitor CS are C FD and C CS , respectively, the expansion ratio of the operating range can be expressed as (C FD + C CS ) / C FD . In practice, however, compared with the case of resetting the floating region FD, in the case of resetting (FD + CS), the clock feed-through in the reset transistor R has a small effect and operates. The saturation voltage of the super saturation side signal S2 becomes higher than the signal S1 before saturation so that the range is increased with an expansion ratio larger than the above-described ratio. In order to efficiently widen the operating range without increasing the pixel size while maintaining the high numerical aperture of the photodiode, it is desirable that a large storage capacity having high area efficiency can be formed.
넓은 동적 범위 신호의 설계는 각각이 노이즈가 제거된, 포화 전의 신호 (S1) 와 과포화측의 신호 (S1 + S2) 어느 쪽이든 선택함으로써 성취될 수 있다. S1 과 (S1 + S2) 사이의 선택은 미리 설정된 S1/(S1 + S2) 스위칭 기준 전압 및 S1 의 신호 출력 전압을 비교한 후, 신호 S1 과 (S1 + S2) 중의 한쪽을 선택함으로써, 성취될 수 있다. 그 스위칭 기준 전압이 포화 이전 신호 (S1) 의 포화 전압의 변화에 의해 영향을 받는 것을 막기 위해, 그 스위칭 기준 전압을 S1 의 포화 전압보다 낮게 설정하고, 동시에, 스위칭 지점에서, 과포화측 신호 (S1 + S2) 의 고 S/N 비를 유지하기 위해 고 전압으로 설정한다. 여기서, 과포화측 신호 (S1 + S2) 의 이득을 비 (CFD + CCS)/CFD 로 곱하는 것은 이 이득이 포화되기 이전에 신호 (S1) 의 이득에 일치되도록 한다. 따라서, 저 휘도로부터 고 휘도까지 선형인 신호들의 선택적인 결합에 의해 확대된 동작 범위를 갖는 화상 신호를 획득하는 것이 가능하다.The design of the wide dynamic range signal can be achieved by selecting either the signal S1 before saturation and the signal S1 + S2 on the supersaturated side, each of which noise is removed. The selection between S1 and (S1 + S2) is accomplished by comparing the preset S1 / (S1 + S2) switching reference voltage and the signal output voltage of S1 and then selecting one of the signals S1 and (S1 + S2). Can be. In order to prevent the switching reference voltage from being affected by the change in the saturation voltage of the pre-saturation signal S1, the switching reference voltage is set lower than the saturation voltage of S1, and at the same time, at the switching point, the supersaturated side signal S1 Set to high voltage to maintain the high S / N ratio of + S2). Here, multiplying the gain of the supersaturated side signal S1 + S2 by the ratio (C FD + C CS ) / C FD ensures that the gain of the signal S1 is matched before this gain is saturated. Thus, it is possible to obtain an image signal having an extended operating range by selective combining of signals linear from low luminance to high luminance.
본 고체 촬상 장치에서, 포화 전의 신호 전하와 과포화측의 신호 전하가 과포화측 신호 (S1 + S2) 로 혼합되기 때문에, 신호 (S1 + S2) 는 포화 전의 신호 (S1) 의 PD 포화 근처에서 신호 전하를 최소로 포함하는 것이 상술한 동작으로부터 명백하다. 이것은 과포화측 상의 낮은 암전류 및 리셋 노이즈와 같은 노이즈 성분의 허용 능력을 증가시킨다. 과포화측 (S1 + S2) 신호에 대한 노이즈 허용 능력의 증대를 이용하여, 후속 필드에서 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 의 리셋 직후의 전위를 N2' 으로 판독하고, 고정된 패턴 노이즈 성분을 제거하기 위해 앞선 필드에서의 (S1 + S2 + N2) 에 대한 차이 (즉, (S1 + S2 + N2) - N2') 를 취함으로써, 포화 전의 신호와 과포화측 신호 사이의 선택 스위칭 지점의 주변에서조차 충분한 S/N 비가 보장될 수 있다.In this solid-state imaging device, since the signal charge before saturation and the signal charge on the supersaturation side are mixed into the supersaturation side signal S1 + S2, the signal S1 + S2 is the signal charge near the PD saturation of the signal S1 before saturation. It is apparent from the above-described operation to include at least. This increases the tolerance of noise components such as low dark current and reset noise on the supersaturated side. By using the increase in noise tolerance for the supersaturated side (S1 + S2) signal, the potential immediately after the reset of the floating region FD and the storage capacitor CS in the subsequent field is read as N2 'and a fixed pattern noise component By taking the difference for (S1 + S2 + N2) in the preceding field (i.e. (S1 + S2 + N2)-N2 ') in order to eliminate, the periphery of the selective switching point between the signal before saturation and the supersaturated signal Even in a sufficient S / N ratio can be guaranteed.
포화 전의 신호 (S1 + N1) 및 노이즈 신호 (N1) 의 판독 동작은 부유 영역 (FD) 리셋 노이즈의 제거를 포함하고, 소스 폴로어 (source follower) 증폭기의 문턱 전압에 있어서의 변화의 보정이 수행되어, 저 휘도 영역에서, 고 S/N 비 (저 노이즈) 특성이 잔상의 발생 없이 실행될 수 있다. 동일한 저장 주기에, 오버플로우 게이트 (LO) 를 통해 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하를 저장 커패시터 (CS) 에 저장한 후에, 과포화측 상의 동작에서, 저 휘도 측 상의 신호 판독이 수행된다. 판독 완료 후에, 시간 t8 에서, 부유 영역 (FD) 에 남아있는 포화 전의 신호 전하는 과포화 신호 전하로 혼합되고, 그 혼합된 전하가 판독된다. 또한, 시간 t8 에서, 저장 트랜지스터 (S) 의 온 스위칭 시에, 부유 영역 (FD) 은 큰 용량을 갖는 저장 커패시터 (CS) 에 연결되고, (FD + CS) 의 전위는 양의 방향으로 나간다. 따라서, 광 다이오드 (PD) 의 광전하는, 광 다이오드 (PD) 가 포화 상태에 있음에도 불구하고, 고 효율로 (FD + CS) 로 완전히 전송되어, PD 포화의 주변에서 조차 잔상이 발생하지 않는다.The read operation of the signal S1 + N1 and the noise signal N1 before saturation includes the elimination of the floating region FD reset noise, and the correction of the change in the threshold voltage of the source follower amplifier is performed. Thus, in the low luminance region, the high S / N ratio (low noise) characteristic can be executed without the occurrence of afterimages. In the same storage period, after storing the charges overflowing the photodiode PD through the overflow gate LO in the storage capacitor CS, in the operation on the super saturation side, signal reading on the low luminance side is performed. After completion of reading, at time t 8 , the signal charge before saturation remaining in the floating region FD is mixed with the supersaturated signal charge, and the mixed charge is read out. Further, at time t 8 , upon switching on the storage transistor S, the floating region FD is connected to the storage capacitor CS having a large capacity, and the potential of (FD + CS) goes out in the positive direction. . Thus, the photocharge of the photodiode PD is transmitted completely to (FD + CS) with high efficiency even though the photodiode PD is in a saturation state, so that afterimages do not occur even around the PD saturation.
또한, 저장 커패시터 (CS) 가 포화될 때 조차, 리셋 트랜지스터 (R) 및 저장 트랜지스터 (S) 의 문턱 전압들을 조정함으로써, 과잉 전하는 효율적으로 전력 공 급기 (VDD) 로 방전될 수 있어, p 형 실리콘 반도체 기판이 사용될 때에도 화면 반점 (blooming) 은 억제될 수 있다. 여기서, 리셋 트랜지스터 (R) 및 저장 트랜지스터 (S) 의 낮은 측 전위는 0 전위보다 높은 값으로 설정된다.In addition, even when the storage capacitor CS is saturated, by adjusting the threshold voltages of the reset transistor R and the storage transistor S, the excess charge can be efficiently discharged to the power supply VDD, so that the p-type silicon Screening can be suppressed even when a semiconductor substrate is used. Here, the low side potentials of the reset transistor R and the storage transistor S are set to a value higher than the zero potential.
이러한 방법으로, 광 다이오드 (PD) 가 포화되지 않은 저 휘도 화상에서, 노이즈를 제거함으로써 획득된 포화 전의 전하 신호 (S1) 에 의해 고 감도 및 고 S/N 비가 유지될 수 있다. 또한, 광 다이오드 (PD) 가 포화되는 고 휘도 화상에서, 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 광전하는 저장 커패시터 (CS) 에 저장됨으로써 캡쳐되며, 고 S/N 비가 유지될 수 있고, 이로 인해 역시 노이즈를 제거함으로써 획득된 신호 즉, 포화 전의 신호와 과포화 전하 신호의 합 (S1 + S2) 에 의해 고 휘도 측 상의 넓은 동작 범위를 실현할 수 있다.In this way, in a low luminance image in which the photodiode PD is not saturated, high sensitivity and high S / N ratio can be maintained by the charge signal S1 before saturation obtained by removing noise. In addition, in a high luminance image in which the photodiode PD is saturated, photoelectric charges overflowing the photodiode PD are captured by being stored in the storage capacitor CS, and a high S / N ratio can be maintained, thereby A wide operating range on the high luminance side can be realized by a signal obtained by removing noise, that is, a sum (S1 + S2) of a signal before saturation and a supersaturated charge signal.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 저 휘도 측의 감도를 감소시키지 않고, 고 휘도 측의 감도를 증가시키고, 이로 인해 넓은 범위를 성취할 수 있으며, 게다가, 일반적으로 사용된 범위를 초과하는 전력 공급 전압을 사용하지 않는다. 이것은 본 고체 촬상 장치가 미래의 화상 센서의 소형화를 이루는 것을 가능하게 한다. 또한, 구성요소의 부가가 최소로 감소되기 때문에, 증가된 화소 사이즈를 초래할 가능성이 없다.As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment can increase the sensitivity on the high luminance side without reducing the sensitivity on the low luminance side, thereby achieving a wide range, and in addition, the range generally used Do not use power supply voltage exceeding. This enables the present solid-state imaging device to achieve miniaturization of future image sensors. In addition, since the addition of components is reduced to a minimum, there is no possibility of causing an increased pixel size.
또한, 넓은 동작 범위를 실행하는 종래의 화상 센서와 다르게, 저장 주기를 고 휘도 측과 저 휘도 측 사이에서 분할하지 않고, 즉, 프레임을 스트래들 (straddling) 하지 않고, 본 실시형태는 동일한 저장 주기에서 광전하를 저장한다. 이것은 동화상의 이미지화에서조차, 화질의 저하를 막는다.Also, unlike conventional image sensors that implement a wide operating range, the storage cycle is not divided between the high luminance side and the low luminance side, i.e., without straddling the frame, the present embodiment provides the same storage. Store the photocharge in the cycle. This prevents the deterioration of image quality even in the imaging of moving images.
또한, 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류에 관해서는, 본 실시형태에 따른 화상 센서에서, (S1 + S2) 의 최소 신호는 광 다이오드 (PD) 로부터 포화된 전하가 되어, 화상 센서는 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류의 전하량 보다 큰 전하량을 다루게 된다. 이것은 FD 누설에 손상되지 않는 화상 센서를 제작하는데 이점을 제공한다.Regarding the leakage current from the floating region FD, in the image sensor according to the present embodiment, the minimum signal of (S1 + S2) becomes the saturated charge from the photodiode PD, and the image sensor is the floating region. The charge amount larger than the charge amount of the leakage current from (FD) is dealt with. This provides an advantage in fabricating an image sensor that is not damaged by FD leakage.
제 2 실시형태Second Embodiment
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서의 화소의 회로 구성이 변경된 것이다. 도 11 은 본 실시형태의 일 화소의 등가 회로도이고, 도 12 는 그것의 개략 평면도이다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the circuit configuration of the pixel in the solid-state imaging device according to the first embodiment is changed. FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of one pixel of the present embodiment, and FIG. 12 is a schematic plan view thereof.
각 화소는, 빛을 수신하여, 광전하를 생성하고 저장하는 광 다이오드 (PD1), 광 다이오드 (PD1) 에 인접하여 구비되고, 광전하를 전송하는 전송 트랜지스터 (T2), 전송 트랜지스터 (T2) 를 통해 광 다이오드 (PD1) 에 연결된 부유 영역 (FD3), 광 다이오드 (PD1) 에 인접하여 구비되고, 저장 동작 동안에 광 다이오드 (PD1) 를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트 (LO4), 저장 동작 동안에 오버플로우 게이트 (LO4) 를 통해 광 다이오드 (PD1) 를 오버플로우하는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 (CS5), 저장 커패시터 (CS5) 에 연결되고, 저장 커패시터 (CS5) 및 부유 영역 (FD3) 의 신호 전하를 방전하는, 리셋 트랜지스터 (R6), 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CS5) 사이에 제공되는 저장 트랜지스터 (S7), 부유 영역 (FD3) 또는 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CS5) 양쪽의 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터 (SF8), 및 증폭 트랜지스터 (SF8) 에 연결하고 화소 또는 화소 블록을 선택하는 선택 트랜지스터 (X9) 를 포함한다. Each pixel includes a photodiode PD1 that receives light, generates and stores photocharges, and is adjacent to the photodiode PD1, and includes a transfer transistor T2 and a transfer transistor T2 that transmit photoelectric charges. Floating region FD3 connected to the photodiode PD1 through, adjacent to the photodiode PD1, an overflow gate LO4 for transmitting photocharges that overflow the photodiode PD1 during a storage operation, storage It is connected to a storage capacitor CS5, a storage capacitor CS5, which stores photocharges overflowing the photodiode PD1 through an overflow gate LO4 during operation, and is a storage capacitor CS5 and a floating region FD3. The storage transistor S7, the floating region FD3 or the floating region FD3 and the storage capacitor CS5 provided between the reset transistor R6, the floating region FD3 and the storage capacitor CS5, which discharges the signal charge of the ) Amount An amplifying transistor SF8 for reading the signal charge of the side as a voltage, and a selection transistor X9 connected to the amplifying transistor SF8 and selecting a pixel or a pixel block.
상술한 제 1 실시형태의 경우와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 각각이 상술한 배치를 갖는 복수의 화소는 2 차원 또는 1 차원 배열로 저장된다. 각 화소에서, 구동선 (ΦLO 10, ΦT 11, ΦS 12, 및 ΦR 13) 은, 각각 오버플로우 게이트 (LO4), 전송 트랜지스터 (T2), 저장 트랜지스터 (S7), 및 리셋 트랜지스터 (R6) 의 게이트 전극들에 접속된다. 또한, 로우 시프트 레지스터에 의해 구동되는 화소 선택선 (ΦX 14) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 게이트 전극에 접속된다. 또한, 출력선 (OUT ; 15) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 출력측 소스에 접속되고, 컬럼 시프트 레지스터에 의해 제어되어, 출력을 생성한다.As in the case of the first embodiment described above, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of pixels each having the above-described arrangement are stored in a two-dimensional or one-dimensional array. At each pixel, the driving line (
상술한 제 1 실시형태의 경우에서와 같이, 부유 영역 (FD3) 의 전압이 화소의 선택 동작 또는 비선택 동작을 수행할 수 있도록 하기 위한 적당한 값으로 고정될 수 있는 한, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성은 제한되지 않는다. 따라서, 선택 트랜지스터 (X9) 및 구동선 (ΦX ; 14) 은 생략될 수도 있다.As in the case of the first embodiment described above, as long as the voltage of the floating region FD3 can be fixed to an appropriate value to enable the selection operation or the non-selection operation of the pixel, the solid according to the present embodiment. The configuration of the imaging device is not limited. Therefore, the selection transistor X9 and the drive line Φ X ; 14 may be omitted.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 화소의 광 다이오드 (PD1), 오버플로우 게이트 (LO4), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 영역을 나타내는 개략 단면도는 제 1 실시형태에서 도시된 도 8a 와 동일하고, 따라서, 중복을 피하기 위해 설명을 생략한다. 또한, 화소의 광 다이오드 (PD1), 전송 트랜지스터 (T2), 부유 영역 (FD3), 저장 트랜지스터 (S7), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 영역을 나타내는 본 고체 촬상 장치의 개략 단면도는 도 8b 와 동일하고, 따라서, 마찬가지로 설명을 생략한다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, schematic cross-sectional views showing regions of the photodiode PD1, the overflow gate LO4, and the storage capacitor CS5 of the pixel are the same as in FIG. 8A shown in the first embodiment and Therefore, description is omitted to avoid duplication. Moreover, the schematic sectional drawing of this solid-state imaging device which shows the area | region of the photodiode PD1, the transfer transistor T2, the floating region FD3, the storage transistor S7, and the storage capacitor CS5 of a pixel is the same as FIG. 8B. Therefore, description is similarly omitted.
여기서, 도 11, 및 도 12 에 도시된 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법을 설명한다. 도 13 은 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 타이밍도이다.Here, the driving method of the solid-state imaging device according to the present embodiment shown in FIGS. 11 and 12 will be described. 13 is a drive timing diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
저장 이전에, 먼저 저장 트랜지스터 (S) 는 온으로 설정되고, 전송 트랜지스터 (T) 및 리셋 트랜지스터 (R) 는 오프로 설정된다. 이 시점에, 광 다이오드 (PD) 는 완전히 공핍 상태에 있다. Prior to storage, the storage transistor S is first set on, and the transfer transistor T and the reset transistor R are set off. At this point, the photodiode PD is in a completely depleted state.
다음으로, 리셋 트랜지스터 (R) 는, 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 를 리셋하기 위해 온으로 스위칭된다 (시간 : t1'). 그 후, 리셋 트랜지스터 (R) 가 오프로 스위칭된 직후에 캡쳐되는 (부유 영역 (FD) + 저장 커패시터 (CS)) 의 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N2) 로서 판독된다 (시간 : t2'). 여기서, 노이즈 신호 (N2) 는 고정된 패턴 노이즈 성분으로서, 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압의 변화를 포함한다. 저장 주기 (시간 : t3') 동안에, 저장 트랜지스터 (S), 전송 트랜지스터 (T), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 가 오프로 스위칭된 상태에서, 포화 이전의 광전하는 광 다이오드 (PD) 에 의해 저장되고, 포화가 초과된 때의 초과된 광전하는 오버플로우 게이트 (LO) 를 통해 저장 커패시터 (CS) 에 저장된다. 이 동작은 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 버려짐 없이 효율적으로 사용되게 한다. 이 방법에서, 포화 이전과 이후의 주기 모두에서, 저장 동작은, 동일한 저장 주기에서 각 화소의 동일한 광 다이오드 (PD) 에 의해 빛을 수신함으로써 수행된다.Next, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD and the storage capacitor CS (time: t 1 '). Then, the reset noise of the capture region (floating region FD + storage capacitor CS) captured immediately after the reset transistor R is switched off is read out as the noise signal N2 (time: t 2 ′). Here, the noise signal N2 is a fixed pattern noise component and includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF. During the storage period (time: t 3 '), the photodiode before saturation is in the state where the storage transistor S, the transfer transistor T, the reset transistor R, and the select transistor X are switched off. Stored by PD and stored in storage capacitor CS via overflow gate LO when excess saturation is exceeded. This operation allows the charge that overflows the photodiode PD to be used efficiently without wasting. In this method, in both the period before and after saturation, the storage operation is performed by receiving light by the same photodiode PD of each pixel in the same storage period.
저장이 완료된 후 (시간 : T4'), 선택 트랜지스터 (X) 는 온으로 스위칭되고, 그 후, 광 다이오드 (PD) 에 저장된 노이즈 신호가 판독된다. 여기서, 노이즈 신호 (N1) 는 고정된 패턴 노이즈 성분으로서, 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압의 변화를 포함한다. 다음으로, 전송 트랜지스터 (T) 가 온으로 스위칭되어, 광 다이오드 (PD) 에 저장된 광학 신호를 부유 영역 (FD) 으로 완전히 전송하고 (시간 : T5'), 그 신호는 (S1 + N1) 으로 판독된다. 그 후, 저장 트랜지스터 (S) 역시 온으로 스위칭되어 (시간 : T6'), 광 다이오드 (PD) 에 저장된 신호 전하가 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 로 완전히 전송된다. 여기서, 광 다이오드 (PD), 부유 영역 (FD), 및 저장 커패시터 (CS) 에 저장된 전하는 혼합되고, 그 신호는 (S1 + S2 + N2) 로 판독된다.After the storage is completed (time: T 4 ′), the selection transistor X is switched on, and then the noise signal stored in the photodiode PD is read out. Here, the noise signal N1 is a fixed pattern noise component and includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF. Next, the transfer transistor T is switched on to completely transmit the optical signal stored in the photodiode PD to the floating region FD (time: T 5 '), and the signal is transferred to (S1 + N1). Is read. Thereafter, the storage transistor S is also switched on (time: T 6 ′) so that the signal charge stored in the photodiode PD is completely transferred to the floating region FD and the storage capacitor CS. Here, the charges stored in the photodiode PD, the floating region FD, and the storage capacitor CS are mixed, and the signal is read as (S1 + S2 + N2).
제 1 실시형태에서, 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 에 저장된 노이즈 신호 (N2) 의 일부는 부유 영역 (FD) 의 리셋 동작 동안에 시간 t6 에서 버려졌다. 이 시간에 버려진 신호의 양은 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 에 저장된 노이즈 신호보다 CFD/(CFD + CCS) 배 크다. 반대로, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서는, 노이즈 신호의 일부가 버려질 가능성이 없다. In the first embodiment, part of the noise signal N2 stored in the floating region FD and the storage capacitor CS was discarded at time t 6 during the reset operation of the floating region FD. The amount of discarded signal at this time is C FD / (C FD + C CS ) times greater than the noise signal stored in the floating region FD and the storage capacitor CS. In contrast, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, there is no possibility that a part of the noise signal is discarded.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 블록도는 제 1 실시형태에서 도시된 도 10 과 동일하고, 따라서, 중복을 피하기 위해 설명을 생략한다. 본 실시형태에서, 각 화소로부터 점 순차적으로 판독되는 신호들, 동작 범위의 확장비, 및 넓은 동작 범위 신호의 설계는 상술한 제 1 실시형태에서와 동일하다.The block diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment is the same as that of FIG. 10 shown in the first embodiment, and therefore, description is omitted to avoid duplication. In this embodiment, the signals read out sequentially from each pixel, the expansion ratio of the operating range, and the design of the wide operating range signal are the same as in the above-described first embodiment.
제 1 실시형태의 경우에서와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 저 휘도 측의 감도를 감소시키지 않고, 고 휘도 측의 감도를 증가시켜, 넓은 범위를 성취할 수 있으며, 게다가, 일반적으로 사용되는 범위를 초과하는 전력 공급 전압을 사용하지 않는다. 이것은 본 고체 촬상 장치가 미래의 화상 센서의 소형화를 이루는 것을 가능하게 한다. 또한, 구성요소의 부가가 최소로 감소되기 때문에, 화소 사이즈의 증가를 초래할 가능성이 없다.As in the case of the first embodiment, the solid-state imaging device according to the present embodiment can achieve a wide range by increasing the sensitivity on the high luminance side without reducing the sensitivity on the low luminance side, and in addition, in general Do not use a power supply voltage that exceeds the range used. This enables the present solid-state imaging device to achieve miniaturization of future image sensors. In addition, since the addition of the component is reduced to a minimum, there is no possibility of causing an increase in the pixel size.
또한, 넓은 동작 범위를 실현하는 종래의 화상 센서와 다르게, 저장 주기를 고 휘도 측과 저 휘도 측 사이에서 분할하지 않고, 즉, 프레임을 스트래들 (straddling) 하지 않고, 본 실시형태는 동일한 저장 주기에서 광전하를 저장한다. 이것은 동화상의 이미지화에서 조차, 화질의 저하를 막는다.Also, unlike conventional image sensors that realize a wide operating range, the storage cycle is not divided between the high luminance side and the low luminance side, that is, without straddling the frame, the present embodiment stores the same Store the photocharge in the cycle. This prevents the deterioration of image quality even in the imaging of moving images.
또한, 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류에 관해서는, 본 실시형태에 따른 화상 센서에서, 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CS) 의 용량, 즉 (CFD + CCS) 에 의해 판독되는 최소 신호는 (과포화된 전하) + (광 다이오드 (PD) 로부터 포화된 전하) 가 되어, 화상 센서는 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류의 전하량보다 큰 전하량을 다루게 된다. 이것은 FD 누설에 손상되지 않는 화상 센서를 제작하는데 이점을 제공한다.In addition, the leakage current from the floating area FD is read by the capacitance of the floating area FD and the storage capacitor CS, that is, (C FD + C CS ) in the image sensor according to the present embodiment. The minimum signal becomes (supersaturated charge) + (charge saturated from photodiode PD) so that the image sensor handles an amount of charge that is greater than the amount of leakage current from the floating region FD. This provides an advantage in fabricating an image sensor that is not damaged by FD leakage.
제 3 실시형태Third Embodiment
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서의 화소의 오버플로우 게이트가 변경된 것이다. 도 14 및 도 15 각각은 본 실시형태의 화소의 등가 회로도 및 개략 단면도이고, 이들 도는 제 1 실시형태의 각각의 도에 해당한다. 또한, 도 16 및 도 17 각각은, 본 실시형태의 화소의 등가 회로도 및 개략 단면도이고, 이들은 제 2 실시형태의 각각의 도에 해당한다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the overflow gate of the pixel in the solid-state imaging devices according to the first and second embodiments of the present invention is changed. 14 and 15 are equivalent circuit diagrams and schematic cross-sectional views of the pixels of this embodiment, respectively, and these diagrams correspond to respective diagrams of the first embodiment. 16 and 17 are equivalent circuit diagrams and schematic cross-sectional views of the pixels of the present embodiment, and these correspond to the respective views of the second embodiment.
각 화소는, 빛을 수신하여, 광전하를 생성하고 저장하는 광 다이오드 (PD1), 광 다이오드 (PD1) 에 인접하여 구비되고, 광전하를 전송하는 전송 트랜지스터 (T2), 전송 트랜지스터 (T2) 를 통해 광 다이오드 (PD1) 에 연결된 부유 영역 (FD3), 광 다이오드 (PD1) 에 인접하여 구비되고, 저장 동작 동안에 광 다이오드 (PD1) 를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트 (LO4'), 저장 동작 동안에 오버플로우 게이트 (LO4') 를 통해 광 다이오드 (PD1) 를 오버플로우하는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 (CS5), 저장 커패시터 (CS5) 에 연결되고, 부유 영역 (FD3 ; 도 14) 또는 저장 커패시터 (CS5 ; 도 16) 의 신호 전하를 방전하는 리셋 트랜지스터 (R6), 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CS5) 사이에 제공되는 저장 트랜지스터 (S7), 부유 영역 (FD3) 또는 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CS5) 양쪽의 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터 (SF8), 및 증폭 트랜지스터 (SF8) 에 연결하고 화소 또는 화소 블록을 선택하는 선택 트랜지스터 (X9) 를 포함한다. Each pixel includes a photodiode PD1 that receives light, generates and stores photocharges, and is adjacent to the photodiode PD1, and includes a transfer transistor T2 and a transfer transistor T2 that transmit photoelectric charges. Floating region FD3 connected to photodiode PD1 via, overflow gate LO4 'provided adjacent to photodiode PD1 and transmitting photocharges that overflow photodiode PD1 during a storage operation, Connected to a storage capacitor CS5, a storage capacitor CS5, which stores photocharges overflowing the photodiode PD1 through an overflow gate LO4 ', during the storage operation, and floating region FD3 (FIG. 14) or A reset transistor R6 for discharging the signal charge of the storage capacitor CS5 (FIG. 16), a storage transistor S7, a floating region FD3, or a floating region provided between the floating region FD3 and the storage capacitor CS5 ( FD3) and save An amplifying transistor SF8 for reading the signal charges on both sides of the capacitor CS5 as a voltage, and a selection transistor X9 connected to the amplifying transistor SF8 and selecting a pixel or a pixel block.
상술한 제 1 및 제 2 실시형태의 경우와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 각각이 상술한 배치를 갖는 복수의 화소는 2 차원 또는 1 차원 배열로 저장된다. 각 화소에서, 구동선 (ΦT 11, ΦS 12, 및 ΦR 13) 은, 각각 전송 트랜지스터 (T2), 저장 트랜지스터 (S7), 및 리셋 트랜지스터 (R6) 의 게이트 전극들에 접속된다. 또한, 로우 시프트 레지스터에 의해 구동되는 화소 선택선 (ΦX 14) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 게이트 전극에 접속된다. 또한, 출력선 (OUT ; 15) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 출력측 소스에 접속되고, 컬럼 시프트 레지스터에 의해 제어되어, 출력을 생성한다.As in the case of the first and second embodiments described above, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of pixels each having the above-described arrangement are stored in a two-dimensional or one-dimensional array. In each pixel, the driving lines Φ T 11,
상술한 제 1 실시형태의 경우에서와 같이, 부유 영역 (FD3) 의 전압이 화소의 선택 동작 또는 비선택 동작을 수행할 수 있도록 하기 위한 적당한 값으로 고정될 수 있는 한, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성은 제한되지 않는다. 따라서, 선택 트랜지스터 (X9) 및 구동선 (ΦX ; 14) 은 생략될 수도 있다.As in the case of the first embodiment described above, as long as the voltage of the floating region FD3 can be fixed to an appropriate value to enable the selection operation or the non-selection operation of the pixel, the solid according to the present embodiment. The configuration of the imaging device is not limited. Therefore, the selection transistor X9 and the drive line Φ X ; 14 may be omitted.
도 18 은 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 화소의 광 다이오드 (PD1), 오버플로우 게이트 (LO4), 및 저장 커패시터 (CS5) 의 개략 단면도이다. 여기서, n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (32) 와 관련된 영역에서, p+ 반도체 영역 (50) 은 p 형 웰 (21) 의 표면 상부에 형성되고, 소스/드레인으로서 n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (32) 를 갖고, 게이트로서 p+ 반도체 영역 (50) 을 갖는 접합 트랜지스터형 오버플로우 게이트 (LO) 가 형성된다. 다른 구성들은 상술한 제 1 실시형태에서와 동일하다. 여기서, p+ 반도체 영역 (50) 은 p+ 반도체 영역 (31) 및 p 형 웰 (21) 에 전기적으로 접속된다.18 is a schematic cross-sectional view of a photodiode PD1, an overflow gate LO4, and a storage capacitor CS5 of a pixel in the solid-state imaging device according to the third embodiment. Here, in the region associated with the n-
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법은 제 1 및 제 2 실시형태에서와 동일하다. 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 블록도는 제 1 실시형태에서 도시한 도 10 과 동일하고, 따라서, 중복을 피하기 위해 설명을 생략한다. 본 실시형태에서, 각 화소로부터 점 순차적으로 판독되는 신호들, 동작 범위의 확장비, 및 넓은 동작 범위 신호의 설계는 상술한 제 1 실시형태에서와 동일하다.The driving method of the solid-state imaging device according to the present embodiment is the same as in the first and second embodiments. The block diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment is the same as that in FIG. 10 shown in the first embodiment, and therefore, description is omitted to avoid duplication. In this embodiment, the signals read out sequentially from each pixel, the expansion ratio of the operating range, and the design of the wide operating range signal are the same as in the above-described first embodiment.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 제 1 및 제 2 실시형태에서의 효과와 유사한 효과를 발휘하고, 또한, p+ 반도체 영역 (50) 이 p+ 반도체 영역 (31) 및 p 형 웰 (21) 에 전기적으로 접속되기 때문에, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 제 1 및 제 2 실시형태와 비교하여, 구동 신호의 배선 수가 감소되고, 고 밀도 화소가 성취된다.The solid-state imaging device according to the present embodiment exhibits an effect similar to that in the first and second embodiments, and the p +
제 4 실시형태Fourth Embodiment
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 상술한 제 3 실시형태에서보다 전하 저장 동안에 광 다이오드를 오버플로우하는 전하를 더욱 부드럽게 이동시킬 수 있도록 구성되는 것이다.The solid-state imaging device according to the present embodiment is configured to more smoothly move the charges overflowing the photodiode during charge storage than in the above-described third embodiment.
도 19 는 오버플로우 게이트 (LO) 가, 전송 트랜지스터를 구성하는 기판 표면의 표면 또는 주변으로부터 소정의 깊이까지 형성되는 전송 트랜지스터의 채널과 동일한 전도성의 반도체 층을 갖는 매복 채널 트랜지스터인, 고체 촬상 장치의 예시적인 단면도이다. 도 19 는 광 다이오드 (PD), 오버플로우 게이트 (LO), 및 저장 커패시터 (CS) 의 영역을 나타낸다.19 is a solid-state imaging device in which the overflow gate LO is an ambush channel transistor having a semiconductor layer of the same conductivity as the channel of the transfer transistor formed from a surface or periphery of the substrate surface constituting the transfer transistor to a predetermined depth. Exemplary cross-sectional view. 19 shows the region of the photodiode PD, the overflow gate LO, and the storage capacitor CS.
여기서, n 형 반도체 영역 (51) 은 n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (32) 을, 오버플로우 게이트 (LO) 의 p+ 반도체 영역 하부의 기판 표면의 표면 또는 표면 주번으로부터 소정의 깊이까지 오버랩하도록 형성된다. n 형 반도체 영역 (51) 은 n 형 영역이고, 이는 n 형 반도체 영역 (30) 및 n+ 형 반도체 영역 (32) 보다 불순물의 유효 농도가 더 낮다.Here, the n-
상술한 구성은 광 다이오드 (PD) 와 저장 커패시터 (CS) 사이의 전위 배리어를 낮추는데 기여한다. 이는 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 전하 저장 동안에 저장 커패시터 (CS) 로 부드럽게 이동할 수 있도록 한다. The above configuration contributes to lowering the potential barrier between the photodiode PD and the storage capacitor CS. This allows the charge that overflows the photodiode PD to smoothly move to the storage capacitor CS during charge storage.
도 20 및 도 21 에 도시된 고체 촬상 장치는 기판의 소정 깊이에서 오버플로우 게이트 (LO) 의 게이트 아래 부분과 평행하게 형성되는 반도체 층을 갖도록 구성되고, 배리어를 감소시켜 광 다이오드 (PD) 와 저장 커패시터 (CS) 사이를 관통할 수 있도록 한다.The solid-state imaging device shown in FIGS. 20 and 21 is configured to have a semiconductor layer formed in parallel with a portion below the gate of the overflow gate LO at a predetermined depth of the substrate, and reduce the barrier to store with the photodiode PD. Allow it to penetrate between the capacitors (CS).
도 20 은 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 예시적인 단면도이고, 광 다이오드 (PD), 오버플로우 게이트 (LO), 및 저장 커패시터 (CS) 의 영역을 나타낸다. 여기서, 오버플로우 게이트 (LO) 의 게이트 전극 (50) 아래의 소정 깊이의 영역에서, n 형 반도체 영역 (52) 이 n 형 반도체 영역 (30) 과 접속되도록 형성된다.20 is an exemplary sectional view of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and shows regions of the photodiode PD, the overflow gate LO, and the storage capacitor CS. Here, in the region of the predetermined depth under the
상술한 구성은 배리어를 낮추어 오버플로우 게이트 (LO) 에서 관통할 수 있도록 기여한다. n 형 반도체 영역 (52) 으로부터 n+ 형 반도체 영역 (32) 까지 의 비스듬한 방향의 관통 루트는 광 다이오드 (PD) 로부터 저장 커패시터 (CS) 까지의 오버플로우 경로를 구성하고, 이에 의해 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 관통되고 이에 따라 전하 저장 동안에 저장 커패시터 (CS) 로 부드럽게 이동할 수 있게 된다. The above configuration contributes to lowering the barrier so that it can penetrate through the overflow gate LO. A through route in an oblique direction from the n-
도 21 은 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 예시적인 단면도이다. 도 20 에 도시되는 고체 촬상 장치의 경우와 같이, 오버플로우 게이트 (LO) 의 게이트 전극 (50) 하부의 소정 깊이의 영역에서, n 형 반도체 영역 (53) 이 형성되어 n 형 반도체 영역 (30) 과 접속된다. 또한, 본 실시형태에서, n 형 반도체 영역 (53) 은 n+ 형 반도체 영역 (32) 하부로 연장된다.21 is an exemplary cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the present embodiment. As in the case of the solid-state imaging device shown in FIG. 20, in the region of a predetermined depth under the
상술한 구성은 배리어를 낮춰 오버플로우 게이트 (LO) 에서의 관통에 기여한다. n 형 반도체 영역 (53) 으로부터 n+ 형 반도체 영역 (32) 까지의 실질적으로 수직 방향인 관통 루트는 광 다이오드 (PD) 로부터 저장 커패시터 (CS) 까지의 오버플로우 경로를 구성하고, 이에 의해 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 관통되고 이에 따라 전하 저장 동안에 저장 커패시터 (CS) 로 부드럽게 이동할 수 있게 된다. The above configuration lowers the barrier and contributes to penetration in the overflow gate LO. The substantially perpendicular through route from the n-
제 5 실시형태Fifth Embodiment
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서의 회로 구성이 변형된 것이다. 도 22 는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서의 2 개의 화소의 등가 회로도이고, 도 23 은 이의 개략 평면도이다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the circuit configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment is modified. 22 is an equivalent circuit diagram of two pixels in the solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 23 is a schematic plan view thereof.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 기본 유닛으로서 2 개의 화소, "a" 및 "b" 로 구성되는 화소 블록을 갖고, 각각의 화소 블록은 2 개의 다이오드 및 2 개의 저장 커패시터를 포함한다. 각각의 화소 블록은, 광을 수신하고 광전하를 생성 및 저장하는 광 다이오드 (PDa1 및 PDa1'); 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1') 에 각각 인접하게 구비되고, 광전하를 전송하는 전송 트랜지스터 (Ta2 및 Tb2'); 각각이 전송 트랜지스터 (Ta2 및 Tb2') 를 통해 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1') 와 연결되는 하나의 부유 영역 (FD3); 각각이 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1') 에 인접하게 구비되고 저장 동작 동안에 개개의 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1') 를 오버플로우하는 광전하를 전송하는 오버플로우 게이트 (LOa4 및 LOb4'); 저장 동작 동안에 개개의 오버플로우 게이트 (LOa4 및 LOb4') 를 통하여, 각각 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1') 를 오버플로우하는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5'); 각각이 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5') 에 연결되고 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5') 및 부유 영역 (FD3) 의 신호 전하를 방전하는 리셋 트랜지스터 (R6); 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5') 사이에 제공되는 저장 트랜지스터 (Sa7 및 Sb7'); 부유 영역 (FD3) 의 신호 전하, 또는 부유 영역 (FD3) 및 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5') 의 각각의 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터 (SF8); 및 화소 또는 화소 블록을 선택하기 위한, 증폭 트랜지스터 (SF8) 에 연결되는 선택 트랜지스터 (X9) 를 포함한다. 이 방식에서, 기본 유닛으로서의 화소 블록은 2 개의 광 다이오드, 2 개의 저장 커패시터, 부유 영역 (FD), 증폭 트랜지스터 (SF), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 를 포함하도록 구성된다.The solid-state imaging device according to the present embodiment has a pixel block composed of two pixels, "a" and "b" as a basic unit, each pixel block including two diodes and two storage capacitors. Each pixel block includes photodiodes PDa1 and PDa1 'that receive light and generate and store photocharges; Transmission transistors Ta2 and Tb2 'which are provided adjacent to the photodiodes PDa1 and PDb1', respectively, and transfer photocharges; One floating region FD3, each of which is connected to the photodiodes PDa1 and PDb1 'through the transfer transistors Ta2 and Tb2'; Overflow gates LOa4 and LOb4 ', each provided adjacent to the photodiodes PDa1 and PDb1' and transmitting photocharges that overflow the individual photodiodes PDa1 and PDb1 'during a storage operation; Storage capacitors CSa5 and CSb5 'that store photocharges that overflow photodiodes PDa1 and PDb1', respectively, through respective overflow gates LOa4 and LOb4 'during a storage operation; A reset transistor R6 each connected to the storage capacitors CSa5 and CSb5 'and discharging the signal charges of the storage capacitors CSa5 and CSb5' and the floating region FD3; Storage transistors Sa7 and Sb7 'provided between floating region FD3 and storage capacitors CSa5 and CSb5'; An amplifying transistor SF8 for reading the signal charge of the floating region FD3 or the signal charge of each of the floating region FD3 and the storage capacitors CSa5 and CSb5 'as a voltage; And a selection transistor X9 connected to the amplifying transistor SF8 for selecting the pixel or pixel block. In this manner, the pixel block as the base unit is configured to include two photodiodes, two storage capacitors, a floating region FD, an amplifying transistor SF, a reset transistor R, and a selection transistor X.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 상술한 배열을 갖는 복수의 화소는 2 차원 또는 1 차원 배열에 저장된다. 각각의 화소 블록에서, 구동선 (ФLOa, ФLOb, ФTa, ФTb, ФSa, ФSb, 및 ФR) 은 각각 오버플로우 게이트 (LOa4 및 LOb4'), 전송 트랜지스터 (Ta2 및 Tb2'), 저장 트랜지스터 (Sa7 및 Sb7'), 및 리셋 트랜지스터 (R6) 의 게이트 전극에 접속된다. 또한 로우 시프트 레지스터에 의해 구동되는 화소 선택 라인 (ФX) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 게이트 전극에 접속된다. 또한, 출력선 (OUT15) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 출력 측 소스에 접속되고, 컬럼 시프트 레지스터에 의해 제어되어 출력을 생성한다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of pixels having the above-described arrangement are stored in a two-dimensional or one-dimensional array. In each pixel block, the driving lines Ф LOa , Ф LOb , Ф Ta , Ф Tb , Ф Sa , Ф Sb , and Ф R are respectively overflow gates LOa4 and LOb4 ', transfer transistors Ta2 and Tb2'. ), The storage transistors Sa7 and Sb7 ', and the gate electrode of the reset transistor R6. Further, the pixel select line Ф X driven by the low shift register is connected to the gate electrode of the select transistor X9. The output line OUT15 is also connected to the output side source of the selection transistor X9 and controlled by the column shift register to generate an output.
상술한 제 1 실시형태의 경우와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성은, 부유 영역 (FD3) 의 전압이 화소의 선택 동작 또는 비선택 동작을 수행할 수 있도록 하는 적절한 값으로 고정될 수 있는 만큼, 제한되지 않는다. 따라서, 선택 트랜지스터 (X9) 및 구동선 (ФX) 이 생략될 수도 있다. As in the case of the first embodiment described above, the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment can be fixed to an appropriate value such that the voltage of the floating region FD3 can perform the selection operation or the non-selection operation of the pixel. As much as possible, it is not limited. Therefore, the selection transistor X9 and the driving line Ф X may be omitted.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 화소 블록의 화소, "a" 및 "b" 의 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1'), 오버플로우 게이트 (LOa4 및 LOb4'), 및 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5') 의 영역을 나타내는 개략 단면도는 제 1 실시형태에서 도시되는 도 8a 와 유사하고, 따라서 중복을 피하기 위해 설명을 생략한다. 또한, 화소의 광 다이오드 (PDa1 및 PDb1'), 전송 트랜지스터 (Ta2 및 Tb2'), 부유 영역 (FD3), 저장 트랜지스터 (Sa7 및 Sb7'), 및 저장 커패시터 (CSa5 및 CSb5') 의 영역을 나타내는 본 고체 촬상 장치의 개략 단면도는, 제 1 실시형태에서 도시되는 도 8b 와 유사하고, 따라서 이 또한 설명을 생략한다. In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the pixels of the pixel block, photodiodes PDa1 and PDb1 'of "a" and "b", overflow gates LOa4 and LOb4', and storage capacitors CSa5 and CSb5 '. The schematic cross sectional view showing the area | region of () is similar to FIG. 8A shown by 1st Embodiment, and abbreviate | omits description in order to avoid duplication. Further, the regions of the photodiodes PDa1 and PDb1 ', the transfer transistors Ta2 and Tb2', the floating regions FD3, the storage transistors Sa7 and Sb7 ', and the storage capacitors CSa5 and CSb5' of the pixel are shown. The schematic sectional drawing of this solid-state imaging device is similar to FIG. 8B shown by 1st Embodiment, Therefore this description is abbreviate | omitted.
여기서, 도 22 및 도 23 에 도시되는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 대한 동작 방법을 설명한다. 도 24 는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 대한 구동 타이밍도이다. 각각의 화소 블록에서, 화소 "a" 및 "b" 가 판독될 때, 판독은 동일한 부유 영역 (FD), 증폭 트랜지스터 (SF), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 를 사용하여 수행된다.Here, an operation method for the solid-state imaging device according to the present embodiment shown in FIGS. 22 and 23 will be described. 24 is a drive timing diagram for the solid-state imaging device according to the present embodiment. In each pixel block, when pixels " a " and " b " are read, reading is performed using the same floating region FD, amplifying transistor SF, reset transistor R, and selection transistor X. do.
먼저, 저장 개시 이전에, 화소 "a" 의 저장 트랜지스터 (Sa) 가 on 으로 설정되고, 전송 트랜지스터 (Ta) 및 리셋 트랜지스터 (R) 이 off 로 설정된다. 이 때, 화소 "a" 의 광 다이오드 (PDa) 는 완전히 공핍 상태이다. 다음으로, 리셋 트랜지스터 (R) 가 on 으로 스위칭되어 화소 "a" 의 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSa) 를 리셋한다 (시간 : t1). 그 후, 리셋 트랜지스터 (R) 가 off 로 스위칭된 직후 캡쳐되는 (FD + CSa) 의 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N2) 로 판독된다. 여기서, 노이즈 신호 (N2) 는 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압에서의 변화를 고정된 패턴 노이즈 성분으로서 포함한다. 저장 주기 (시간 : t3) 동안, 포화 이전의 광전하는 광 다이오드 (PDa) 에 의해 저장되고, 포화가 초과될 때의 초과 광전하는 오버플로우 게이트 (LOa) 를 통해 저장 커패시터 (CSa) 에 저장된다. 이 동작은 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 버려지는 것 없이 효율적으로 사용될 수 있도록 한다. 이 방식에서, 포화 전과 후의 모든 주기에서, 저장 동작은 동일한 저장 주기에서 각각의 화소에 대한 동일한 광 다이오드 (PD) 에 의해 빛을 수신함으로써 수행된다. First, before the start of storage, the storage transistor Sa of the pixel "a" is set on, and the transfer transistor Ta and reset transistor R are set off. At this time, the photodiode PDa of the pixel "a" is completely depleted. Next, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD and the storage capacitor CSa of the pixel "a" (time: t 1 ). Thereafter, the reset noise of (FD + CSa) captured immediately after the reset transistor R is switched off is read into the noise signal N2. Here, the noise signal N2 includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF as a fixed pattern noise component. During the storage period (time: t 3 ), the photocharges before saturation are stored by the photodiode PDa, and the excess photocharges when the saturation is exceeded are stored in the storage capacitor CSa via the overflow gate LOa. . This operation allows the charge overflowing the photodiode PD to be used efficiently without being discarded. In this way, in all periods before and after saturation, the storage operation is performed by receiving light by the same photodiode PD for each pixel in the same storage period.
저장이 완료된 후 (시간 : t4) 에, 선택 트랜지스터 (X) 가 on 으로 스위칭된다. 그 후, 리셋 트랜지스터 (R) 는 on 으로 스위칭되어, 부유 영역 (FD) 을 리셋하고 (t: t5), 리셋 직후에 캡쳐되는 FD 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N1) 로 판독된다. 여기서, 노이즈 신호 (N1) 는 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압의 변화를 고정된 패턴 노이즈 성분으로서 포함한다. 다음으로, 전송 트랜지스터 (Ta) 가 on 으로 스위칭되어, 광 다이오드 (PDa) 에 저장되는 광학 신호를 부유 영역 (FD) 으로 완전히 전송하고 (시간 : t7), 신호는 (S1 + N1) 으로 판독된다. 그 후, 저장 트랜지스터 (Sa) 도 on 으로 스위칭되고 (시간 : t8), 광 다이오드 (PDa) 에 저장되는 광전하를 부유 영역 (PD) 및 저장 커패시터 (CSa) 로 완전히 전송하며; 광 다이오드 (PDa), 부유 영역 (FD), 및 저장 커패시터 (CSa) 의 전하가 혼합되고; 신호는 (S1 + S2 + N1) 으로 판독된다. 또한 화소 "b" 에서도, 저장 개시 이전에, 저장 트랜지스터 (Sb) 가 on 으로 설정되고, 전송 트랜지스터 (Tb) 및 리셋 트랜지스터 (R) 가 off 로 설정된다. 다음으로, 리셋 트랜지스터 (R) 가 on 으로 스위칭되어 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSb) 를 리셋하고, 리셋 트랜지스터 (R) 가 off 로 스위칭된 직후에 캡쳐되는 (FD + CSb) 의 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N2) 로 판독된다. 여기서, 노이즈 신호 (N2) 는 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압에서의 변화를 고정된 패턴 노이즈 성분으로서 포함한다.After the storage is completed (time: t 4 ), the selection transistor X is switched on. Thereafter, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD (t: t 5 ), and the FD reset noise captured immediately after the reset is read out as the noise signal N1. Here, the noise signal N1 includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF as a fixed pattern noise component. Next, the transfer transistor Ta is switched on to completely transmit the optical signal stored in the photodiode PDa to the floating region FD (time: t 7 ), and the signal is read as (S1 + N1). do. Thereafter, the storage transistor Sa is also switched on (time: t 8 ) and completely transfers the photocharge stored in the photodiode PDa to the floating region PD and the storage capacitor CSa; Charges of the photodiode PDa, the floating region FD, and the storage capacitor CSa are mixed; The signal is read as (S1 + S2 + N1). Also in the pixel "b", before the start of storage, the storage transistor Sb is set to on, and the transfer transistor Tb and reset transistor R are set to off. Next, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD and the storage capacitor CSb, and the reset noise of (FD + CSb) captured immediately after the reset transistor R is switched off. Is read into the noise signal N2. Here, the noise signal N2 includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF as a fixed pattern noise component.
저장 주기 (시간 ; t9) 동안, 포화 이전의 광전하는 광 다이오드 (PDb) 에 의해 저장되고, 포화가 초과될 때의 초과 광전하는 오버플로우 게이트 (LOb) 를 통해 저장 커패시터 (CSb) 에 저장된다. During the storage period (time; t 9 ), the photocharges before saturation are stored by the photodiode PDb, and the excess photocharges when the saturation is exceeded are stored in the storage capacitor CSb via the overflow gate LOb. .
저장이 완료된 후에 (시간; t10), 선택 트랜지스터 (X) 가 on 으로 스위칭된다. 그 후, 리셋 트랜지스터 (R) 가 on 으로 스위칭되어, 부유 영역 (FD) 을 리셋하고 (t: t11), 리셋 직후에 캡쳐되는 FD 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N1) 으로 판독된다 (시간 : t12).After the storage is completed (time; t 10 ), the select transistor X is switched on. Thereafter, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD (t: t 11 ), and the FD reset noise captured immediately after the reset is read out as the noise signal N1 (time: t 12 ).
다음으로, 전송 트랜지스터 (Tb) 는 on 으로 스위칭되어, 광 다이오드 (PDb) 에 저장되는 광학 신호를 부유 영역 (FD) 으로 전송하고 (시간: t13), 신호는 (S1 + N1) 으로 판독된다. 그 후, 저장 트랜지스터 (Sb) 는 on 으로 변환되고 (시간 : t14), 광 다이오드 (PDb) 에 저장되는 광전하를 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSb) 로 완전히 전송한다. 광 다이오드 (PDb), 부유 영역 (FD), 및 저장 커패시터 (CSb) 에 저장되는 전하는 혼합되고, 신호는 (S1 + S2 + N2) 로 판독된다.Next, the transfer transistor Tb is switched on to transmit the optical signal stored in the photodiode PDb to the floating region FD (time: t 13 ), and the signal is read out as (S1 + N1). . Thereafter, the storage transistor Sb is turned on (time: t 14 ) and completely transfers the photocharge stored in the photodiode PDb to the floating region FD and the storage capacitor CSb. Charges stored in the photodiode PDb, the floating region FD, and the storage capacitor CSb are mixed, and the signal is read as (S1 + S2 + N2).
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 부유 영역 (FD), 증폭 트랜지스터 (SF), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 가 2 화소 당 1 그룹의 비율로 제공되기 때문에, 화소당 화소 영역이 감소될 수 있다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, since the floating region FD, the amplifying transistor SF, the reset transistor R, and the selection transistor X are provided at a ratio of one group per two pixels, pixels per pixel The area can be reduced.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 블록도는 2 화소당 하나의 비율로 제 공되는 출력선을 제외하고 제 1 실시형태에서 도시된 도 10 과 동일하다. 본 실시형태에서의 각 화소로부터 점 순차적으로 판독되는 신호, 동작 범위의 확장비, 및 넓은 동작 범위 신호의 설계는 제 1 실시형태에서 설명되는 것과 동일하다.The block diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment is the same as that of Fig. 10 shown in the first embodiment except for the output line provided at one ratio per two pixels. The design of the signal read out sequentially from each pixel in the present embodiment, the expansion ratio of the operating range, and the wide operating range signal are the same as those described in the first embodiment.
상술한 동작에서, 화소 블록에 제공되는 화소가 순차적으로 구동되고 모든 화소로부터 획득되는 신호가 사용되는 경우를 설명한다. 그러나, 드문 (thinning-out) 동작으로서, 화소 블록으로부터의 임의의 화소를 선택하여 선택되는 화소로부터 획득되는 신호를 사용할 수도 있다. 다른 방법으로, 평균적인 동작으로서, 화소 블록의 화소 신호들을 혼합하고 더하여 그 신호를 사용할 수도 있다.In the above operation, the case where the pixels provided to the pixel blocks are sequentially driven and signals obtained from all the pixels are used will be described. However, as a thinning-out operation, a signal obtained from a pixel selected by selecting an arbitrary pixel from the pixel block may be used. Alternatively, as an average operation, pixel signals of the pixel block may be mixed and added to use the signal.
제 1 실시형태의 경우와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 저 휘도에서의 감도를 감소시키지 않고 고 휘도에서의 감도를 증가시켜 넓은 영역을 성취하며, 또한 통상 사용되는 영역을 초과하는 전력 공급기 전압을 사용하지 않을 것이다. 이는 본 고체 촬상 장치가 미래의 화상 센서의 소형화를 이루는 것을 가능하게 한다. 또한, 구성요소의 부가가 최소로 감소되기 때문에, 화소 사이즈의 증가를 초래할 가능성이 없다. As in the case of the first embodiment, the solid-state imaging device according to the present embodiment increases the sensitivity at high brightness without reducing the sensitivity at low brightness to achieve a wide area, and also exceeds the area usually used. The supply voltage will not be used. This enables the present solid-state imaging device to be miniaturized in the future image sensor. In addition, since the addition of the component is reduced to a minimum, there is no possibility of causing an increase in the pixel size.
또한, 넓은 동작 범위를 실현하는 종래의 화상 센서와 다르게, 저장 주기를 고 휘도 측과 저 휘도 측 사이에서 분할하지 않고, 즉, 프레임을 스트래들 (straddling) 하지 않고, 본 실시형태는 동일한 저장 주기에서 광전하를 저장한다. 이것은 동화상의 이미지화에서 조차, 화질의 저하를 막는다.Also, unlike conventional image sensors that realize a wide operating range, the storage cycle is not divided between the high luminance side and the low luminance side, that is, without straddling the frame, the present embodiment stores the same Store the photocharge in the cycle. This prevents the deterioration of image quality even in the imaging of moving images.
또한, 본 실시형태에 따른 화상 센서에서, 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류를 고려하여, (S1 + S2) 의 최소 신호가 광 다이오드 (PD) 로부터 포화된 전하가 되고, 화상 센서가 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류의 전하량 보다 큰 전하 양을 다룰 수 있도록 한다. 이는 FD 누설에 둔감한 화상 센서를 제조하는 이점을 제공한다.In addition, in the image sensor according to the present embodiment, in consideration of the leakage current from the floating region FD, the minimum signal of (S1 + S2) becomes the electric charge saturated from the photodiode PD, and the image sensor is the floating region. The charge amount larger than the charge amount of the leakage current from (FD) can be handled. This provides the advantage of manufacturing image sensors that are insensitive to FD leakage.
제 6 실시형태Sixth Embodiment
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서의 회로 구성을 변형한 것이다. 도 25 는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서 4 개 화소의 등가 회로도이고, 도 26 은 이의 개략 평면도이다. The solid-state imaging device according to the present embodiment is a modification of the circuit configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment. 25 is an equivalent circuit diagram of four pixels in the solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 26 is a schematic plan view thereof.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 기본 유닛으로서 4 개의 화소 "a", "b", "c", 및 "d" 로 구성되는 화소 블록을 갖는다. 각각의 화소 블록은, 광을 수신하고 광전하를 생성 및 저장하는 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'"); 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'") 에 각각 인접하게 제공되고 광전하를 전송하는 전송 트랜지스터 (Ta2, Tb2', Tc2", 및 Td2'"); 각각 전송 트랜지스터 (Ta2, Tb2', Tc2", 및 Td2'") 를 통해 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'") 에 연결되는 하나의 부유 영역 (FD3); 저장 동작 동안에 개개의 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'") 를 오버플로우하는 광전하를 전송하고, 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'") 에 인접하게 제공되는 오버플로우 게이트 (LOa4, LOb4', LOc4", 및 LOd4'"); 저장 동작 동안에 각각 개개의 오버플로우 게이트 (LOa4, LOb4', LOc4", 및 LOd4'") 를 통해 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'") 를 오버플로우하는 광전하를 저장하는 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'"); 각각의 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'") 에 연결되고, 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'") 및 부유 영역 (FD3) 의 신호 전하를 방전하는 리셋 트랜지스터 (R6); 부유 영역 (FD3) 과 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'") 사이에 제공되는 저장 트랜지스터 (Sa7, Sb7', Sc7", 및 Sd7"); 부유 영역 (FD3) 의 신호 전하, 또는 부유 영역 (FD3) 및 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'") 의 각 신호 전하를 전압으로 판독하는 증폭 트랜지스터; 및 증폭 트랜지스터 (SF8) 에 연결되고, 화소 또는 화소 블록을 선택하는 선택 트랜지스터 (X9) 를 포함한다. 이 방식에서, 기본 유닛으로서의 화소 블록은 4 개의 광 다이오드, 4 개의 저장 커패시터, 부유 영역 (FD), 증폭 트랜지스터 (SF), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 를 포함하도록 구성된다.The solid-state imaging device according to this embodiment has a pixel block composed of four pixels "a", "b", "c", and "d" as a basic unit. Each pixel block includes photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1 ", and PDd1'" that receive light and generate and store photocharges; Transfer transistors Ta2, Tb2 ', Tc2 ", and Td2'", which are provided adjacent to the photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1 ", and PDd1'", respectively, and transfer photocharges; One floating region FD3 connected to the photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1 ", and PDd1'" through transfer transistors Ta2, Tb2 ', Tc2 ", and Td2'", respectively; Transmit photocharges that overflow individual photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1 ", and PDd1'" during the storage operation, and are adjacent to the photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1 ", and PDd1'". Provided overflow gates (LOa4, LOb4 ', LOc4 ", and LOd4'"); To store photocharges that overflow the photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1 ", and PDd1'" through respective overflow gates LOa4, LOb4 ', LOc4 ", and LOd4'" during the storage operation. Storage capacitors CSa5, CSb5 ', CSc5 ", and CSd5'"; It is connected to the respective storage capacitors CSa5, CSb5 ', CSc5 ", and CSd5'", and discharges the signal charges of the storage capacitors CSa5, CSb5 ', CSc5 ", and CSd5'" and the floating region FD3. Reset transistor R6; Storage transistors Sa7, Sb7 ', Sc7 ", and Sd7" provided between floating region FD3 and storage capacitors CSa5, CSb5', CSc5 ", and CSd5 '"; An amplifying transistor for reading the signal charge of the floating region FD3 or each of the signal charges of the floating region FD3 and the storage capacitors CSa5, CSb5 ', CSc5 ", and CSd5'" as a voltage; And a selection transistor X9 connected to the amplifying transistor SF8 and selecting a pixel or a pixel block. In this manner, the pixel block as the base unit is configured to include four photodiodes, four storage capacitors, floating region FD, amplifying transistor SF, reset transistor R, and selection transistor X.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 상술한 배열을 갖는 복수의 화소는 2 차원 또는 1 차원 배열에 저장된다. 각각의 화소 블록에서, 구동선 (ФLOa, ФLOb, ФLOc, ФLOd, ФTa, ФTb, ФTc, ФTd, ФSa, ФSb, ФSc, ФSd, 및 ФR) 은 각각 오버플로우 게이트 (LOa4, LOb4', LOc4", 및 LOd4'"), 전송 트랜지스터 (Ta2, Tb2', Tc2", 및 Td2'"), 저장 트랜지스터 (Sa7, Sb7', Sc7", 및 Sd7'"), 및 리셋 트랜지스터 (R6) 의 게이트 전극에 접속된다. 또한, 로우 시프트 레지스터에 의해 구동되는 화소 선택 라인 (ФX) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 게이트 전극에 접속된다. 또한, 출력선 (OUT15) 은 선택 트랜지스터 (X9) 의 출력 측 소스에 접속되고, 컬럼 시프트 레지스터에 의해 제어되어 출력을 생성한다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of pixels having the above-described arrangement are stored in a two-dimensional or one-dimensional array. In each pixel block, the driving lines Ф LOa , Ф LOb , Ф LOc , Ф LOd , Ф Ta , Ф Tb , Ф Tc , Ф Td , Ф Sa , Ф Sb , Ф Sc , Ф Sd , and Ф R ) Overflow gates (LOa4, LOb4 ', LOc4 ", and LOd4'"), transfer transistors Ta2, Tb2 ', Tc2 ", and Td2'", storage transistors Sa7, Sb7 ', Sc7 ", and Sd7', respectively. ") And the gate electrode of reset transistor R6. Further, the pixel select line Ф X driven by the low shift register is connected to the gate electrode of the select transistor X9. The output line OUT15 is also connected to the output side source of the selection transistor X9 and controlled by the column shift register to generate an output.
상술한 제 1 실시형태의 경우와 같이, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성은, 부유 영역 (FD3) 의 전압이 화소의 선택 동작 또는 비선택 동작을 수행할 수 있도록 하는 적절한 값으로 고정될 수 있는 만큼, 제한되지 않는다. 따라서, 선택 트랜지스터 (X9) 및 구동선 (ФX) 이 생략될 수도 있다.As in the case of the first embodiment described above, the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment can be fixed to an appropriate value such that the voltage of the floating region FD3 can perform the selection operation or the non-selection operation of the pixel. As much as possible, it is not limited. Therefore, the selection transistor X9 and the driving line Ф X may be omitted.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 화소 블록의 화소 "a" 및 "b" 에서의 광 다이오드 (PDa1, Pdb1', PDc1", 및 PDd1'"), 오버플로우 게이트 (LOa4, LOb4', LOc4" 및 LOd4'"), 및 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'") 는 제 1 실시형태에서 도시되는 도 8a 와 유사하고, 따라서, 중복을 피하기 위해 이는 설명을 생략한다. 또한, 화소의 광 다이오드 (PDa1, PDb1', PDc1", 및 PDd1'"), 전송 트랜지스터 (Ta2, Tb2', Tc2", Td2'"), 부유 영역 (FD3), 저장 트랜지스터 (Sa7, Sb7', Sc7", 및 Sd7'") 및 저장 커패시터 (CSa5, CSb5', CSc5", 및 CSd5'") 의 영역에 해당하는 본 고체 촬상 장치의 개략 단면도는, 제 1 실시형태에서 도시되는 도 8b 와 유사하고, 따라서 이 또한 설명을 생략한다.In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the photodiodes PDa1, Pdb1 ', PDc1, and PDd1' "in the pixels" a "and" b "of the pixel block, overflow gates LOa4, LOb4 ', and LOc4. &Quot; and LOd4 '", and storage capacitors CSa5, CSb5', CSc5 ", and CSd5 '" are similar to FIG. 8A shown in the first embodiment, and therefore, description thereof is omitted to avoid duplication. Further, the photodiodes PDa1, PDb1 ', PDc1', and PDd1 '"of the pixel, the transfer transistors Ta2, Tb2', Tc2", Td2 '", the floating region FD3, and the storage transistors Sa7, Sb7' , Sc7 ", and Sd7 '") and the schematic sectional drawing of this solid-state imaging device corresponding to the area | region of the storage capacitors CSa5, CSb5', CSc5 ", and CSd5 '" are shown with FIG. 8B shown by 1st Embodiment. Similar, and therefore, the description is omitted.
여기서, 도 25 및 도 26 에 도시되는 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 대한 동작 방법을 설명한다. 도 27 은 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 대한 구동 타이밍도이다. 각각의 화소 블록에서, 화소 "a", "b", "c", 및 "d" 가 판독될 때, 판독은 동일한 부유 영역 (FD), 증폭 트랜지스터 (SF), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 를 사용함으로써 수행된다.Here, an operation method for the solid-state imaging device according to the present embodiment shown in FIGS. 25 and 26 will be described. 27 is a drive timing diagram for the solid-state imaging device according to the present embodiment. In each pixel block, when pixels "a ", " b ", " c ", and " d " are read out, the readout is the same floating region FD, amplifying transistor SF, reset transistor R, and This is done by using the select transistor X.
먼저, 저장 개시 이전에, 화소 "a" 의 저장 트랜지스터 (Sa) 가 on 으로 설정되고, 전송 트랜지스터 (Ta) 및 리셋 트랜지스터 (R) 가 off 로 설정된다. 이 때, 화소 "a" 의 광 다이오드 (PDa) 는 완전히 공핍 상태에 있다.First, before the start of storage, the storage transistor Sa of the pixel "a" is set on, and the transfer transistor Ta and the reset transistor R are set off. At this time, the photodiode PDa of the pixel "a" is in a completely depleted state.
다음으로, 리셋 트랜지스터 (R) 가 on 으로 스위칭되어, 화소 "a" 의 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSa) 를 리셋한다 (시간 : t1). 이 때, 리셋 트랜지스터 (R) 이 off 로 스위칭된 직후 캡쳐되는 (FD + CSa) 의 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N2) 로 판독된다 (시간 : t2). 여기서, 노이즈 신호 (N2) 는 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압에서의 변화를, 고정 패턴 노이즈 성분으로서 포함한다.Next, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD and the storage capacitor CSa of the pixel "a" (time: t 1 ). At this time, the reset noise of (FD + CSa) captured immediately after the reset transistor R is switched off is read out by the noise signal N2 (time: t 2 ). Here, the noise signal N2 includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF as a fixed pattern noise component.
저장 주기 동안 (시간 : t3), 포화 이전의 광전하는 광 다이오드 (PDa) 에 의해 저장되고, 포화가 초과될 때의 초과 광전하는, 오버플로우 게이트 (LOa) 를 통해 저장 커패시터 (CSa) 에 저장된다. 이 동작은 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 전하가 버려지는 것 없이 효율적으로 사용될 수 있도록 한다. 이 방식에서, 포화 전과 후의 모든 기간에서 저장 동작은 동일한 저장 주기에서 각각의 화소에 대한 동일한 광 다이오드 (PD) 에 의해 빛을 수신함으로써 수행된다.During the storage period (time: t 3 ), the photoelectric charge before saturation is stored by the photodiode PDa and the excess photoelectricity when the saturation is exceeded is stored in the storage capacitor CSa via the overflow gate LOa do. This operation allows the charge overflowing the photodiode PD to be used efficiently without being discarded. In this manner, the storage operation in all periods before and after saturation is performed by receiving light by the same photodiode PD for each pixel in the same storage period.
저장이 완료된 후 (시간 : t4) 에, 선택 트랜지스터 (X) 는 on 으로 스위칭된다. 그 후, 리셋 트랜지스터 (R) 이 on 으로 스위칭되어, 확산 영역 (FD) 을 리셋하고 (t : ts), 리셋 직후에 캡쳐되는 FD 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N1) 로 판독된다 (시간: t6). 여기서, 노이즈 신호 (N1) 는 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압에서의 변화를, 고정 패턴 노이즈 성분로 포함한다.After the storage is completed (time: t 4 ), the select transistor X is switched on. Thereafter, the reset transistor R is switched on to reset the diffusion region FD (t: t s ), and the FD reset noise captured immediately after the reset is read out as the noise signal N1 (time: t 6 ). Here, the noise signal N1 includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF as a fixed pattern noise component.
다음으로, 전송 트랜지스터 (Ta) 가 on 되어, 광 다이오드 (PDa) 에 저장되는 광학 신호를 부유 영역 (FD) 으로 완전히 전송하고 (시간: t7), 신호는 (S1 + N1) 으로 판독된다. 그 후, 저장 트랜지스터 (Sa) 는 on 으로 스위칭되어 (시간: t8), 광 다이오드 (PDa) 에 저장되는 광전하를 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSa) 로 완전히 전송하고; 광 다이오드 (PDa), 부유 영역 (FD), 및 저장 커패시터 (CSa) 의 전하들이 혼합되며; 신호는 (S1 + S2 + N2) 로 판독된다. 또한 화소 "b" 에서, 저장 개시 이전에, 저장 트랜지스터 (Sb) 가 on 으로 설정되고, 전송 트랜지스터 (Tb) 및 리셋 트랜지스터 (R) 가 off 로 설정된다. 다음으로, 리셋 트랜지스터 (R) 가 on 으로 스위칭되어, 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSb) 를 리셋하고, 리셋 트랜지스터 (R) 이 off 로 스위칭된 직후 캡쳐되는 (FD + CSb) 의 리셋 노이즈가 노이즈 신호 (N2) 로 판독된다. 여기서, 노이즈 신호 (N2) 는 증폭 트랜지스터 (SF) 의 문턱 전압에서의 변화를 고정 패턴 노이즈 성분으로서 포함한다.Next, the transfer transistor Ta is turned on to completely transmit the optical signal stored in the photodiode PDa to the floating region FD (time: t 7 ), and the signal is read out as (S1 + N1). Thereafter, the storage transistor Sa is switched on (time: t 8 ) to completely transfer the photocharges stored in the photodiode PDa to the floating region FD and the storage capacitor CSa; The charges of the photodiode PDa, floating region FD, and storage capacitor CSa are mixed; The signal is read as (S1 + S2 + N2). Also in the pixel "b", before the start of storage, the storage transistor Sb is set on, and the transfer transistor Tb and reset transistor R are set off. Next, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD and the storage capacitor CSb, and the reset noise of (FD + CSb) captured immediately after the reset transistor R is switched off. Is read into the noise signal N2. Here, the noise signal N2 includes a change in the threshold voltage of the amplifying transistor SF as a fixed pattern noise component.
저장 주기 (시간: t9) 동안, 포화 이전의 광전하는 광 다이오드 (PDb) 에 저장되고, 포화가 초과될 때의 초과 광전하는 오버플로우 게이트 (LOb) 를 통해 저장 커패시터 (CSb) 에 저장된다. 저장이 완료된 후 (시간: t10) 에, 선택 트랜지스터 (X) 가 on 으로 스위칭된다. 이 때, 리셋 트랜지스터 (R) 가 on 으로 스위칭되어 부유 영역 (FD) 을 리셋하고 (t : t11), 리셋 직후에 갭쳐되는 FD 리셋 노이즈는 노이즈 신호 (N1) 로 판독된다 (시간: t12). 다음으로, 전송 트랜지스터 (Tb) 가 on 되어 광 다이오드 (PDb) 에 저장되는 광학 신호를 부유 영역 (FD) 로 완전히 전송하고 (시간 : t13), 신호는 (S1 + N1) 으로 판독된다. 이 때, 저장 트랜지스터 (Sb) 도 on 되어 (시간 : t14), 광 다이오드 (PDb) 에 저장되는 광전하를 부유 영역 (FD) 및 저장 커패시터 (CSb) 로 완전히 전송한다. 광 다이오드 (PDb), 부유 영역 (FD), 및 저장 커패시터 (CSb) 에 저장되는 전하는 혼합되고, 신호는 (S1 + S2 + N2) 로 판독된다. 이하여, 화소 "c" 및 "d" 에 대하여, 동일한 동작이 반복된다.During the storage period (time: t 9 ), photocharges before saturation are stored in the photodiode PDb, and excess photocharges when saturation is exceeded are stored in the storage capacitor CSb via the overflow gate LOb. After the storage is completed (time: t 10 ), the selection transistor X is switched on. At this time, the reset transistor R is switched on to reset the floating region FD (t: t 11 ), and the FD reset noise that is captured immediately after the reset is read out as the noise signal N1 (time: t 12 ). Next, the transfer transistor Tb is turned on to completely transmit the optical signal stored in the photodiode PDb to the floating region FD (time: t 13 ), and the signal is read out as (S1 + N1). At this time, the storage transistor Sb is also turned on (time: t 14 ) to completely transfer the photocharges stored in the photodiode PDb to the floating region FD and the storage capacitor CSb. Charges stored in the photodiode PDb, the floating region FD, and the storage capacitor CSb are mixed, and the signal is read as (S1 + S2 + N2). In the following, the same operation is repeated for the pixels "c" and "d".
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서, 부유 영역 (FD), 증폭 트랜지스터 (SF), 리셋 트랜지스터 (R), 및 선택 트랜지스터 (X) 가 4 개의 화소 당 1 그룹의 비율로 제공되기 때문에, 화소 당 화소 영역이 감소할 수 있다. In the solid-state imaging device according to the present embodiment, since the floating region FD, the amplifying transistor SF, the reset transistor R, and the selection transistor X are provided at a ratio of one group per four pixels, per pixel The pixel area can be reduced.
상술한 동작에서, 화소 블록에 제공되는 화소가 순차적으로 구동되고 모든 화소로부터의 신호가 사용되는 경우를 설명한다. 그러나, 드문 동작으로서, 화소 블록으로부터의 임의의 화소를 선택하여 선택된 화소로부터 획득되는 신호를 사용할 수도 있다. 다른 방법으로, 평균적인 동작으로서, 화소 블록의 화소 신호를 혼합하고 더하여 그 신호를 사용할 수도 있다.In the above operation, the case where the pixels provided to the pixel blocks are sequentially driven and signals from all the pixels are used will be described. However, as a rare operation, a signal obtained from the selected pixel may be used by selecting an arbitrary pixel from the pixel block. Alternatively, as an average operation, the pixel signals of the pixel block may be mixed and added to use the signals.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 블록도는 출력선이 4 화소 당 하나의 비율로 제공되는 것을 제외하고 제 1 실시형태에서 도시되는 도 10 과 동일하다. 본 실시형태에서 각각의 화소로부터 점 순차적으로 판독되는 신호, 동작 범위의 확장비, 및 넓은 동작 범위 신호의 합성은 제 1 실시형태에서 설명된 바와 동일하다.The block diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment is the same as that in Fig. 10 shown in the first embodiment except that the output lines are provided at one ratio per four pixels. In this embodiment, the synthesis of the signal read out sequentially from each pixel, the expansion ratio of the operating range, and the wide operating range signal are the same as described in the first embodiment.
제 1 실시형태의 경우에 따라, 본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 저 휘도측에서의 감도를 감소시키지 않고 고 휘도에서의 감도를 증가시켜 넓은 영역을 성취하고, 통상 사용되는 영역을 초과하는 전력 공급기 전압을 사용하지 않는다. 이는 본 고체 촬상 장치가 미래의 화상 센서의 최소화를 어드레스할 수 있도록 한다. 또한, 소자의 추가가 감소되어 최소화되기 때문에, 화소 크기의 증가가 초래될 가능성이 없다. According to the case of the first embodiment, the solid-state imaging device according to the present embodiment increases the sensitivity at the high luminance without reducing the sensitivity at the low luminance side to achieve a wide area, and the power supply voltage exceeding the region normally used. Do not use This allows the solid-state imaging device to address the minimization of future image sensors. In addition, since the addition of elements is reduced and minimized, there is no possibility of causing an increase in the pixel size.
또한, 넓은 동작 범위를 실현하는 종래의 화상 센서와 다르게, 저장 주기를 고 휘도 측과 저 휘도 측 사이에서 분할하지 않고, 즉, 프레임을 스트래들 (straddling) 하지 않고, 본 실시형태는 동일한 저장 주기에서 광전하를 저장한다. 이것은 동화상의 이미지화에서 조차, 화질의 저하를 막는다.Also, unlike conventional image sensors that realize a wide operating range, the storage cycle is not divided between the high luminance side and the low luminance side, that is, without straddling the frame, the present embodiment stores the same Store the photocharge in the cycle. This prevents the deterioration of image quality even in the imaging of moving images.
또한, 본 실시형태에 따른 화상 센서에서, 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류를 고려하여, (S1 + S2) 의 최소 신호가 광 다이오드 (PD) 로부터 포화된 전하가 되고, 화상 센서가 부유 영역 (FD) 으로부터의 누설 전류보다 큰 전하 양을 다룰 수 있도록 한다. 이는 FD 누설에 둔감한 화상 센서를 제조하는 이점을 제공한다. In addition, in the image sensor according to the present embodiment, in consideration of the leakage current from the floating region FD, the minimum signal of (S1 + S2) becomes the electric charge saturated from the photodiode PD, and the image sensor is the floating region. The amount of charge greater than the leakage current from (FD) can be handled. This provides the advantage of manufacturing image sensors that are insensitive to FD leakage.
제 7 실시형태Seventh Embodiment
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 상술한 제 1 내지 제 6 실시형태에서 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 저장하기 위한 저장 커패시터가 변형된 예이다.The solid-state imaging device according to the present embodiment is an example in which the storage capacitor for storing the photocharges overflowing the photodiode in the first to sixth embodiments described above is modified.
저장 커패시터로서 접합 저장 커패시터를 사용하는 것을 시도할 때, 제곱 ㎛ 당 가능한 정전 커패시터는 조건의 고려하에서 3 내지 3 fF/㎛2 정도이고, 즉, 영역의 효율성이 그리 크지 않고, 이에 따라 동작 범위를 넓히기 어렵다.When attempting to use a junction storage capacitor as a storage capacitor, possible electrostatic capacitors per square μm are on the order of 3 to 3 fF / μm 2 , under consideration of conditions, ie the efficiency of the area is not so great and thus the operating range is It is difficult to widen.
한편, 평면 저장 커패시터의 경우에, 절연 필름 전기장이 3 내지 4 MV/cm 또는 그 이하로 설정될 때, 최대 인가 전압은 2.5 내지 3 V 로 설정되고, 커패시터 절연 필름의 두께는 커패시터 절연 필름의 절연 필름 누설 전류를 억제하기 위해 7 nm 정도로 설정하고, 정전 커패시턴스는 비유전율 εr=3.9 에 대해 4.8 fF/㎛2 가 되며, 정전 커패시턴스는 εr=7.9 에 대해 9.9 fF/㎛2 가 되며, 정전 커패시턴스는 εr=20 에 대해 25 fF/㎛2 가 되고, 정전 커패시턴스는 εr=50 에 대해 63 fF/㎛2 이 된다.On the other hand, in the case of planar storage capacitors, when the insulation film electric field is set to 3 to 4 MV / cm or less, the maximum applied voltage is set to 2.5 to 3 V, and the thickness of the capacitor insulation film is the insulation of the capacitor insulation film. In order to suppress the film leakage current, it is set to about 7 nm, the electrostatic capacitance is 4.8 fF / μm 2 for the relative dielectric constant ε r = 3.9, and the electrostatic capacitance is 9.9 fF / μm 2 for the ε r = 7.9, The capacitance becomes 25 fF / μm 2 for ε r = 20 and the electrostatic capacitance becomes 63 fF / μm 2 for ε r = 50.
실리콘 산화물 (εr: 3.9) 에 더하여, 실리콘 질화물 (εr: 7.9), Ta2O5 (εr: 약 20 내지 30), HfO2 (εr: 약 30), ZrO2 (εr: 약 30), 및 La2O3 (εr: 약 40 내지 50) 와 같은, 이른바 높은 k 물질의 사용은 더 큰 정전 커패시턴스가 구현될 수 있도록 하고, 이에 의해 상대적으로 간단한 구조를 갖는 평면 저장 커패시터의 경우에도 100 내지 200 dB 만큼 넓은 동작 범위를 갖는 화상 센서가 실현될 수 있다.In addition to silicon oxide (ε r : 3.9), silicon nitride (ε r : 7.9), Ta 2 O 5 (ε r : about 20 to 30), HfO 2 The use of so-called high k materials, such as (ε r : about 30), ZrO 2 (ε r : about 30), and La 2 O 3 (ε r : about 40-50), allows greater electrostatic capacitance to be realized. In this way, even in the case of planar storage capacitors having a relatively simple structure, an image sensor having an operating range as wide as 100 to 200 dB can be realized.
또한, 스택 타입 또는 트랜치 타입과 같은, 커패시터가 점유 영역을 억제함에 의해 기여하는 영역을 확장하는 기능이 있는, 구조의 애플리케이션은 120 dB 만큼 넓은 동작 범위가 성취될 수 있도록 하고, 상술한 높은 k 물질을 조합하여 이용함으로서 140 dB 및 160 dB 만큼 넓은 동작 범위가 스택 타입 및 트랜치 타입에 의해 각각 획득될 수 있다. In addition, the application of the structure, which has the ability to expand the area contributed by the capacitor to suppress the occupied area, such as the stack type or the trench type, allows the operating range as wide as 120 dB to be achieved and the high k material described above. By using, the operating ranges as much as 140 dB and 160 dB can be obtained by stack type and trench type, respectively.
이하에, 본 실시형태가 적용될 수 있는 저장 커패시터의 예가 도시된다. 도 28 은 제 1 실시형태에서와 유사한 평면 MOS 저장 커패시터의 단면도이다. 예를 들면, 이 저장 커패시터 (CS) 는 하부 전극으로 기능하고, 기판 (20) 상에 형성되는 p 형 웰의 표면층에 형성되는, n+ 형 반도체 영역 (60); n+ 형 반도체 영역 (60) 상에 형성되는, 실리콘 산화물로 이루어지는 커패시터 절연 필름 (42); 및 커패시터 절연 필름 (42) 상에 형성되는, 폴리실리콘 등으로 이루어지는 상부 전극 (43) 을 포함하도록 구성된다.In the following, an example of a storage capacitor to which the present embodiment can be applied is shown. Fig. 28 is a sectional view of a planar MOS storage capacitor similar to that in the first embodiment. For example, this storage capacitor CS serves as a lower electrode and is formed on the surface layer of the p-type well formed on the
도 29 는 평면 MOS 및 접합 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 예를 들면, 이 저장 커패시터는 하부 전극으로 기능하고, n 형 반도체 기판 (20) 상에 형성되는 p 형 웰의 표면층에 형성되는, n+ 형 반도체 영역 (61) 이 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (32) 과 함께 통합적으로 형성되고; 상부 전극 (43) 이 n+ 형 반도체 영역 (61) 에 제공되는, 실리콘 산화물로 이루어지는 커패시터 절연 필름 (42) 을 통해 형성되도록 구성된다. 여기서, 전력 공급기 전압 (VDD) 또는 그라운드 (GND) 는 상부 전극 (43) 에 인가된다.29 is a sectional view illustrating the planar MOS and the junction storage capacitor. For example, this storage capacitor functions as a lower electrode, and the n +
도 30 (단면도) 에 도시되는 저장 커패시터는 도 28 에 도시되는 것과 유사 한 평면 MOS 저장 커패시터이다. 그러나, 이 저장 커패시터에서, 커패시터 절연 필름 (42a) 은 도 28 에서와 달리, 실리콘 질화물 또는 Ta2O5 와 같은 높은 k 물질로 구성되고, 커패시턴스는 도 28 에서보다 크게 제조된다. The storage capacitor shown in FIG. 30 (sectional view) is a planar MOS storage capacitor similar to that shown in FIG. However, in this storage capacitor, the
도 31 (단면도) 에 도시되는 저장 커패시터는 도 29 에 도시되는 것과 유사한 평면 MOS 및 접합 저장 커패시터이다. 그러나, 이 저장 커패시터에서, 커패시터 절연 필름 (42a) 은 도 29 에서와 달리, 실리콘 질화물 또는 Ta2O5 와 같은 높은 k 물질로 구성되고, 커패시턴스는 도 29 에서보다 크게 제조된다.The storage capacitor shown in FIG. 31 (sectional view) is a planar MOS and junction storage capacitor similar to that shown in FIG. However, in this storage capacitor, the
도 32 는 스택 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 예를 들면, 이 저장 커패시터 (CS) 는 n 형 반도체 기판 (20) 위에 구비되는 소자 분리 절연 필름 (62) 상에 형성되는 하부 전극 (63); 하부 전극 (63) 상에 형성되는 커패시터 절연 필름 (64); 및 커패시터 절연 필름 (64) 상에 형성되는 상부 전극 (65) 을 포함하도록 구성된다. 여기서, 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (32), 및 하부 전극 (63) 이 배선 (45) 에 의해 접속된다. 이 경우에서, 전력 공급기 전압 (VDD) 또는 그라운드 (GND) 는 상부 전극 (65) 에 인가된다.32 is a cross-sectional view illustrating a stack storage capacitor. For example, the storage capacitor CS includes a
도 33 은 스택 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 예를 들면, 이 저장 커패시터 (CS) 는 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (32) 과 접속되도록 형성되는 하부 전극 (67); 하부 전극 (67) 의 내부 벽에 형성되는 커패시터 절연 필름 (68); 및 하부 전극 (67) 의 내부에 내장되도록 커패 시터 절연 필름 (68) 을 통해 형성되는 상부 전극 (69) 을 포함하도록 구성된다. 여기서, 전력 공급기 전압 (VDD) 또는 그라운드 (GND) 가 상부 전극 (69) 에 인가된다. 하부 전극 (67) 및 하부 전극 (67) 의 내부에 내장되도록 형성되는 상부 전극 (69) 의 구조는 정전 커패시턴스에 기여하는 표면 영역에서 통상의 스택 타입보다 더 클 수 있다. 33 is a sectional view illustrating the stack storage capacitor. For example, this storage capacitor CS includes a
도 34 는 평면 타입 및 스택 타입을 조합함으로써 획득되는 합성 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 이 예에 따르면, 높은 영역 효율성을 갖는 더 큰 커패시턴스가 형성될 수 있다. 34 is a sectional view illustrating a synthetic storage capacitor obtained by combining the planar type and the stack type. According to this example, larger capacitances with high area efficiency can be formed.
도 35 는 트랜치 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 이 저장 커패시터 (CS) 는 n- 형 반도체 기판 (20) 상의 p 형 웰 (21) 을 통해 절단되어 n 형 반도체 기판 (20) 에 이르도록 형성되는 트랜치 (TC); 하부 전극으로 기능하고, 트랜치 (TC) 의 내부 벽 상에 형성되는 n+ 형 반도체 영역 (70); TC 의 내부 벽을 코팅하도록 형성되는 커패시터 절연 필름 (71); 및 커패시터 절연 필름 (71) 을 통해 트랜치 (TC) 에 내장되도록 형성되는 상부 전극 (71) 을 포함하도록 구성된다. 여기서 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (32), 및 상부 전극 (72) 이 배선 (45) 에 의해 접속된다.35 is a sectional view illustrating the trench storage capacitor. The storage capacitor CS includes a trench TC formed to be cut through the p-type well 21 on the n-
도 36 은 접합을 갖는 트랜치 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 이 저장 커패시터 (CS) 는 트랜치 (TC) 가 n 형 반도체 기판 (20) 상의 p 형 웰 (21) 내부에 형성되고; 트랜치 (TC) 의 내부 벽에서, 하부 전극으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (73) 이 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영 역 (32) 과 함께 통합적으로 형성되며; 커패시터 절연 필름 (74) 이 TC 의 내부 벽을 코팅하도록 형성되고; 상부 전극 (75) 이 커패시터 절연 필름 (74) 을 통해 트렌치 (TC) 에 내장되게 형성되도록 구성된다.36 is a sectional view illustrating the trench storage capacitor with a junction. This storage capacitor CS has a trench TC formed in the p-type well 21 on the n-
도 37 은 트랜치 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 이 저장 커패시터 (CS) 는 n 형 반도체 기판 (20) 상의 p 형 웰 (21) 을 통해 절단되어 n- 형 반도체 기판 (20) 에 이르도록 형성되는 트랜치 (TC); 하부 전극으로 서비스하고, 트렌치 (TC) 의 깊이 측정보다 더 깊은 영역에서 트랜치 (TC) 의 내부 벽 상에 형성되는 n+ 형 반도체 영역 (76); TC 의 내부 벽을 코팅하도록 형성되는 커패시터 절연 필름 (77); 및 커패시터 절연 필름 (77) 을 통해 트랜치 (TC) 에 내장되도록 형성되는 상부 전극 (78) 을 포함하도록 구성된다. 여기서 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (32), 및 상부 전극 (78) 이 배선 (45) 에 의해 접속된다.37 is a sectional view illustrating the trench storage capacitor. The storage capacitor CS includes a trench TC formed to be cut through the p-type well 21 on the n-
도 38 은 트랜치 저장 커패시터를 도시하는 단면도이다. 이 저장 커패시터 (CS) 는 n- 형 반도체 기판 (20) 상의 p 형 웰 (21) 을 통해 절단되어 n 형 반도체 기판 (20) 에 이르도록 형성되는 트랜치 (TC); 하부 전극으로 기능하고, 트랜치 (TC) 의 내부 벽 상에 형성되는 p+ 형 반도체 영역 (79); TC 의 내부 벽을 코팅하도록 형성되는 커패시터 절연 필름 (80); 및 커패시터 절연 필름 (80) 을 통해 트랜치 (TC) 에 내장되도록 형성되는 상부 전극 (81) 을 포함하도록 구성된다. 여기서 저장 트랜지스터의 소스/드레인으로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (32), 및 상부 전극 (81) 이 배선 (45) 에 의해 접속된다.38 is a sectional view illustrating the trench storage capacitor. The storage capacitor CS includes a trench TC formed to be cut through the p-type well 21 on the n-
도 39 는 내장된 저장 커패시터를 갖는 접합 커패시터를 사용하는 CMOS 센서를 도시하는 단면도이다. 예를 들면, p 형 적층층 (91) 이 p 형 실리콘 반도체 (p-sub; 90) 상에 형성되고, n+ 형 반도체 영역 (92) 은 p 형 실리콘 반도체 (90) 및 p 형 적층층 (91) 을 가로질러 형성된다. 즉, 함께 결합된 n 형 (제 1 도전형) 반도체 영역 및 p 형 (제 2 도전형) 반도체 영역 이 고체 촬상 장치를 구성하는 반도체 기판 내부에 내장되어, 접합 커패시터를 이용하여 내장된 저장 커패시터를 형성한다. 또한, p+ 형 분리 영역 (93) 은 p 형 실리콘 반도체 (p-sub; 90) 및 p 형 적층층 (91) 에 형성된다. p 형 실리콘 반도체 층 (94) 은 p 형 적층층 (91) 상에 형성된다. 상술한 실시형태의 경우와 같이, p 형 실리콘 반도체 층 (94) 에 대하여, 광 다이오드 (PD), 오버플로우 게이트 (LO), 전송 트랜지스터 (T), 부유 영역 (FD), 및 저장 트랜지스터 (S) 가 제공된다. 예를 들면, 저장 커패시터 (SC) 로 기능하는 n+ 형 반도체 영역 (92) 이 형성 영역, 예를 들면, 상술한 광 다이오드 (PD), 오버플로우 게이트 (LO), 전송 트렌지스터 (T), 부유 영역 (FD), 및 저장 트렌지스터 (S) 에 걸쳐서 광범위하게 형성된다. 또한, n+ 형 반도체 영역 (32) 이, p 형 반도체 층 (94) 에서 수직으로 연장되는 n+ 형 반도체 영역 (95) 에 의해, 저장 커패시터를 구성하는 n+ 형 반도체 영역 (92) 에 접속된다. 39 is a cross-sectional view illustrating a CMOS sensor using a junction capacitor having an embedded storage capacitor. For example, the p-type laminated
도 40 은 절연 필름 커패시터 및 접합 커패시터를 사용하는 내장된 저장 커패시터를 갖는 CMOS 센서를 도시하는 단면도이다. 이 센서는 도 39 의 것과 유사한 구조를 갖는다. 그러나, 이 센서에서, 제 1 p 형 적층층 (91a) 및 제 2 p 형 적층층 (91b) 은 절연 필름 (90a) 을 통해 p 형 실리콘 반도체 층 (90; p-sub) 에 형성되고, 이에 의해 반도체 층이 절연 필름을 통해 반도체 기판에 형성되도록 SOI (semiconductor on insulator) 기판이 구성된다. 여기서, n+ 형 반도체 영역 (92) 은 절연 필름 (90a) 으로 테두리를 두르는 영역까지, 제 1 p 형 적층층 (91a) 및 제 2 p 형 적층층 (91b) 을 가로질러 형성되고, 저장 커패시터가 절연 필름으로 서로 대면하는 반도체 기판과 반도체 층 사이의 절연 커패시터를 사용하여 형성된다. 또한, 도 39 의 저장 커패시터의 경우와 같이, 접합 커패시터가 제 1 p 형 적층층 (91a) 및 제 2 p 형 적층층 (91b) 사이에 형성된다. 다른 구조는 도 39 에 도시되는 CMOS 센서에서와 동일하다.40 is a cross-sectional view illustrating a CMOS sensor with an embedded storage capacitor using an insulating film capacitor and a junction capacitor. This sensor has a structure similar to that of FIG. However, in this sensor, the first p-type laminated
도 41 은 내장된 저장 커패시터를 갖는 절연 필름 커패시터 및 접합 커패시터를 사용하는 CMOS 센서를 도시하는 단면도이다. 이 센서는 도 40 에서와 유사한 구조를 갖는다. 그러나, 이 센서에서, 저 농도 반도체 층 (i 층; 96) 이 광 다이오드 (PD) 를 구성하는 n 형 반도체 영역 (30) 과 저장 커패시터를 구성하는 n+ 형 반도체 영역 (92) 사이에 형성된다. 이 구조는 광 다이오드 (PD) 로부터 저장 커패시터 (CS) 까지의 오버플로우 경로를 구성하는, n 형 반도체 영역 (30) 과 n+ 형 반도체 영역 (92) 사이의 전위 배리어를 낮추는데 기여한다. 이는 광 다이오드 (PD) 를 오버플로투하는 전하가 관통하고, 이에 의해 전하 저장 동안에 저장 커패시터 (CS) 로 전하를 부드럽게 이동시킬 수 있도록 한다.FIG. 41 is a cross-sectional view illustrating a CMOS sensor using an insulating film capacitor and a junction capacitor with embedded storage capacitors. FIG. This sensor has a structure similar to that in FIG. However, in this sensor, a low concentration semiconductor layer (i layer) 96 is formed between the n-
앞선 다양한 저장 커패시터는 상술한 제 1 내지 제 7 실시형태 중의 임의의 하나에 적용가능하다. 상술한 바와 같이, 이 형상을 갖는 저장 커패시터들 중 의 임의의 하나를 사용하여 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 저장함으로써, 동작 범위의 확장이 고 휘도측에서 성취될 수 있다.The foregoing various storage capacitors are applicable to any one of the first to seventh embodiments described above. As described above, by storing photocharges overflowing the photodiode using any one of the storage capacitors having this shape, an extension of the operating range can be achieved on the high luminance side.
실시예Example 1 One
본 발명에 따른 고체 촬상 장치에서, 고체 촬상 장치 소자는 2 개의 폴리실리콘 층 및 3 개의 금속 배선층을 갖는 반도체의 제조 방법에 의해 제조된다. 여기서, 고체 촬상 장치 소자는, 화소 수 : 640 (행) × 480 (열), 7.5 ㎛ 제곱의 화소 크기, 부유 영역 커패시턴스 CFD = 4fF, 저장 커패시턴스 CCS = 60 fF 의 조건으로 2 차원으로 배열되는 화소를 갖는다. 각각의 저장 커패시터는 병렬 커패시터, 즉, 폴리실리콘-실리콘 산화물 필름-실리콘 커패시터, 및 폴리실리콘-실리콘 질화물 필름-폴리실리콘 커패시터에 의해 구성된다. 신호 (S1) 및 (S1 + S2) 에 대한 포화 전압은 각각 500 mV 및 1000 mV 이다. 노이즈 제거 후에 S1 및 (S1 + S2) 에 남아있는, 잔여 노이즈 전압은 0.09 mV 의 값과 동일하다. S1 으로부터 (S1 + S2) 까지의 스위칭 전압은 400 mV 로 설정되고, 이는 신호 (S1) 에 대한 포화 전압보다 낮다.In the solid-state imaging device according to the present invention, the solid-state imaging device element is manufactured by the method of manufacturing a semiconductor having two polysilicon layers and three metal wiring layers. Here, the solid-state imaging device elements are arranged in two dimensions on the condition of the number of pixels: 640 (rows) x 480 (columns), a pixel size of 7.5 µm squares, floating area capacitance C FD = 4fF, and storage capacitance C CS = 60 fF. Has a pixel. Each storage capacitor is constituted by a parallel capacitor, that is, a polysilicon-silicon oxide film-silicon capacitor, and a polysilicon-silicon nitride film-polysilicon capacitor. The saturation voltages for signals S1 and S1 + S2 are 500 mV and 1000 mV, respectively. The residual noise voltage remaining in S1 and (S1 + S2) after noise removal is equal to the value of 0.09 mV. The switching voltage from S1 to (S1 + S2) is set at 400 mV, which is lower than the saturation voltage for signal S1.
각각의 스위칭 지점에서 신호 (S1 + S2) 대 잔여 노이즈의 S/N 비는 40 dB 보다 크고, 이에 의해 높은 영상 품질을 갖는 고체 촬상 장치가 구현될 수 있다. 100 dB 의 동작 범위가 획득된다. 또한, 고 휘도의 빛으로 조사하는 동안, 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 초과 광전하가 오버플로우 게이트 (LO) 에 의해 저장 커패시터로 효율적으로 전송되어, 강화된 높은 저항 및 손상된 저항을 야기하 는 초과 광전하의 인접한 화소로의 누설이 억압될 수 있도록 할 수 있다. The S / N ratio of signal S1 + S2 to residual noise at each switching point is greater than 40 dB, whereby a solid-state imaging device with high image quality can be realized. An operating range of 100 dB is obtained. In addition, during irradiation with high brightness light, excess photocharge that overflows the photodiode PD is efficiently transferred by the overflow gate LO to the storage capacitor, resulting in enhanced high and damaged resistances. May allow leakage of excess photocharge to adjacent pixels to be suppressed.
이 실시예 1 에서, 동작 범위의 확장은 높은 S/N 비를 유지하는 동안 고 휘도측에서 성취될 수 있다. In this
실시예Example 2 2
본 발명에 따른 고체 촬상 장치에서, 고체 촬상 장치는 2 차원 배열 (화소 수 : 640 (행) × 240 (열)) 로 화소 블록을 배열함으로써 제조된다. 여기서, 각각의 화소 블록은 7 ㎛ (길이) × 3.5 ㎛ (너비) 의 크기를 갖는 기본 화소 블록에서 광 다이오드 및 저장 커패시터를 2 × 2 로 배열함으로써 구성된다. 효율적인 화소 수는 640 (행) × 240 (열) 이다. 각각의 화소 블록에서, 부유 영역 커패시턴스 (CFD) 는 3.4 fF 로 설정되고, 저장 커패시턴스 (CCS) 는 트랜치 저장 커패시터 구조를 적용함으로써 100 fF 으로 설정된다. 신호 (S1) 및 (S1 + S2) 에 대한 포화 전압은 각각 500 mV 및 1000 mV 이다. 노이즈 제거 후에 S1 및 (S1 + S2) 에 남아있는 잔여 노이즈 전압은 0.09 mV 의 값과 동일하다. S1 으로부터 (S1 + S2) 로의 스위칭 전압은 400 mV 로 설정되고, 이는 신호 (S1) 에 대한 포화 전압보다 낮다.In the solid-state imaging device according to the present invention, the solid-state imaging device is manufactured by arranging pixel blocks in a two-dimensional array (number of pixels: 640 (rows) x 240 (columns)). Here, each pixel block is constructed by arranging photodiodes and storage capacitors in 2x2 in a basic pixelblock having a size of 7 mu m (length) x 3.5 mu m (width). The effective number of pixels is 640 (rows) x 240 (columns). In each pixel block, the floating region capacitance C FD is set to 3.4 fF, and the storage capacitance C CS is set to 100 fF by applying the trench storage capacitor structure. The saturation voltages for signals S1 and S1 + S2 are 500 mV and 1000 mV, respectively. The residual noise voltage remaining in S1 and (S1 + S2) after noise removal is equal to a value of 0.09 mV. The switching voltage from S1 to (S1 + S2) is set to 400 mV, which is lower than the saturation voltage for signal S1.
각각의 스위칭 지점에서 신호 (S1 + S2) 대 잔여 노이즈의 (S/N) 비는 40 dB 보다 높고, 이에 의해 높은 영상 품질을 갖는 고체 촬상 장치가 구현될 수 있다. 110 dB 의 동작 범위가 획득된다. 또한, 고 휘도의 빛으로 조사하는 동안, 광 다이오드 (PD) 를 오버플로우하는 초과 광전하가 오버플로우 게이트 (LO) 에 의해 저장 커패시터로 효율적으로 전송되어, 강화된 번짐 (blooming) 저항 및 손상된 저항을 야기하는 초과 광전하의 인접한 화소로의 누설이 억압될 수 있도록 할 수 있다.The ratio (S / N) of signal (S1 + S2) to residual noise at each switching point is higher than 40 dB, whereby a solid-state imaging device with high image quality can be realized. An operating range of 110 dB is obtained. In addition, while irradiating with light of high brightness, excess photocharge that overflows the photodiode PD is efficiently transferred by the overflow gate LO to the storage capacitor, thereby providing an enhanced blowing resistance and a damaged resistance. It is possible to suppress leakage of the excess photocharges into adjacent pixels, which causes them.
이 실시예 2 에서, 동작 범위의 확장은 높은 S/N 비를 유지하는 동안 고 휘도측에서 성취될 수 있다. In this
본 발명이 상술한 실시형태에 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 본 발명은, 각각의 고체 촬상 장치의 화소를 개별적으로 구성함으로써 획득될 수 있는 광학 센서 또는 각각의 고체 촬상 장치의 화소가 선형으로 배열되는 라인 센서에 적용되어, 넓은 동작 범위 및 높은 S/N 이 새롭게 획득가능하며, 본 실시형태에서의 고체 촬상 장치로의 적용에 한정되지 않는다.It will be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the present invention is applied to an optical sensor that can be obtained by individually configuring the pixels of each solid-state imaging device, or to a line sensor in which the pixels of each solid-state imaging device are linearly arranged, so that a wide operating range and high S / N is newly obtainable and is not limited to the application to the solid-state imaging device in this embodiment.
또한, 저항 커패시터 등의 형태는 특별히 한정되지 않는다. DRAM (동적 랜덤 액세스 메모리) 등의 메모리 저장 커패시터의 커패시턴스를 증가시키기 위해, 지금까지 개발된 다양한 방법들이 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 고체 촬상 장치의 구성은, 광 다이오드 및 광 다이오드를 오버플로우하는 광전하를 저장하는 저장 커패시터가 오버플로우 게이트를 통해 접속되는 한, 제한되지 않는다. 또한 본 발명에 따른 고체 촬상 장치는 CMOS 화상 센서에 추가하여 CCD 에도 적용가능하다. 또한, 본 발명의 정신 및 그 범위를 벗어남이 없이 다양한 변화 및 변형이 본 발명에서 이루어질 수 있다. In addition, the form of a resistance capacitor etc. is not specifically limited. To increase the capacitance of memory storage capacitors, such as DRAM (dynamic random access memory), various methods developed so far may be used. The configuration of the solid-state imaging device according to the present invention is not limited as long as the photodiode and the storage capacitor storing the photocharges overflowing the photodiode are connected through the overflow gate. The solid-state imaging device according to the present invention is also applicable to CCDs in addition to CMOS image sensors. In addition, various changes and modifications may be made in the present invention without departing from the spirit and scope thereof.
본 발명에 따른 고체 촬상 장치는 디지털 카메라, 카메라 폰, 모니터 카메라, 내장 카메라, 스캐너 등에 사용되어, 넓은 동작 범위를 요구하는 화상 센서에 적용될 수 있다.The solid-state imaging device according to the present invention is used in digital cameras, camera phones, monitor cameras, built-in cameras, scanners, and the like, and can be applied to image sensors requiring a wide operating range.
본 발명에 따른 고체 촬상 장치에 대한 동작 방법은 넓은 동작 범위를 요구하는 화상 센서에 대한 것에 적용될 수 있다.The operation method for the solid-state imaging device according to the present invention can be applied to that for an image sensor requiring a wide operating range.
본 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 저 휘도 측의 감도를 감소시키지 않고, 고 휘도 측의 감도를 증가시키고, 이로 인해 넓은 범위를 성취할 수 있으며, 게다가, 일반적으로 사용된 범위를 초과하는 전력 공급 전압을 사용하지 않는다. 이것은 본 고체 촬상 장치가 미래의 화상 센서의 소형화를 이루는 것을 가능하게 한다. 또한, 구성요소의 부가가 최소로 감소되기 때문에, 증가된 화소 사이즈를 초래할 가능성이 없다.The solid-state imaging device according to the present embodiment can increase the sensitivity on the high luminance side without reducing the sensitivity on the low luminance side, thereby achieving a wide range, and in addition, supplying power in excess of the range generally used. Do not use voltage. This enables the present solid-state imaging device to achieve miniaturization of future image sensors. In addition, since the addition of components is reduced to a minimum, there is no possibility of causing an increased pixel size.
또한, 넓은 동작 범위를 실행하는 종래의 화상 센서와 다르게, 저장 주기를 고 휘도 측과 저 휘도 측 사이에서 분할하지 않고, 즉, 프레임을 스트래들 (straddling) 하지 않고, 본 실시형태는 동일한 저장 주기에서 광전하를 저장한다. 이것은 동화상의 이미지화에서 조차, 화질의 저하를 막는다.Also, unlike conventional image sensors that implement a wide operating range, the storage cycle is not divided between the high luminance side and the low luminance side, i.e., without straddling the frame, the present embodiment provides the same storage. Store the photocharge in the cycle. This prevents the deterioration of image quality even in the imaging of moving images.
또한, 부유 영역으로부터의 누설 전류에 관해서는, 본 실시형태에 따른 화상 센서에서, (S1 + S2) 의 최소 신호는 광 다이오드로부터 포화된 전하가 되어, 화상 센서는 부유 영역으로부터의 누설 전류의 전하량보다 큰 전하량을 다루게 된다. 이것은 FD 누설에 손상되지 않는 화상 센서를 제작하는데 이점을 제공한다.Regarding the leakage current from the floating region, in the image sensor according to the present embodiment, the minimum signal of (S1 + S2) becomes the saturated charge from the photodiode, and the image sensor is the amount of charge of the leakage current from the floating region. To deal with larger amounts of charge. This provides an advantage in fabricating an image sensor that is not damaged by FD leakage.
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