(57)【要約】【課題】感度とダイナミックレンジの両立、信頼性の向上、及び画質の向上を可能とする固体撮像素子を提供する。【解決手段】複数の画素部１００を有する固体撮像素子１０であって、画素部１００が、光電変換部３と、光電変換部３で発生した電荷をその電荷量に応じた電圧に変換する電圧変換手段（浮遊拡散層：ＦＤ５）と、ＦＤ５の出力に接続される制御ゲートＣＧ及び制御ゲートＣＧ下方に設けられるフローティングゲートＦＧを有し且つ上記電圧に応じて閾値電圧が変化するトランジスタ１６とを含み、トランジスタ１６の閾値電圧の変化を、光電変換部３で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出し回路２０を備える。【選択図】図２
2010171869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素部を有する固体撮像素子であって、
前記画素部が、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷をその電荷量に応じた電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の出力に接続されるゲート電極及び前記ゲート電極下方に設けられ前記ゲート電極に印加される電圧に応じて蓄積される電荷量が変わる電荷蓄積部を有するトランジスタとを含み、
前記電荷蓄積部の電荷蓄積量の変化による前記トランジスタの閾値電圧の変化を、前記光電変換部で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出し部を備える固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記電圧変換手段が、前記光電変換部で発生した電荷が転送される浮遊拡散層を含む固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部がフォトダイオードであり、
前記画素部が、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊拡散層に転送するための電荷転送トランジスタを含む固体撮像素子。
【請求項４】
請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
前記画素部が、前記浮遊拡散層を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタを含む固体撮像素子。
【請求項５】
請求項４記載の固体撮像素子であって、
前記所定の電位が、前記固体撮像素子に供給される電源電圧よりも大きい固体撮像素子。
【請求項６】
請求項４又は５記載の固体撮像素子であって、
前記電圧変換手段が、前記浮遊拡散層と前記ゲート電極との間に接続されたソースフォロワアンプを含む固体撮像素子。
【請求項７】
請求項６記載の固体撮像素子であって、
前記ソースフォロワアンプに供給される電圧が、前記固体撮像素子に供給される電源電圧よりも大きい固体撮像素子。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記所定の電位と前記ソースフォロワアンプに供給される電圧が同一レベルであり、
前記電源電圧を昇圧して前記ソースフォロワアンプに供給される電圧を生成する電圧生成手段を備える固体撮像素子。
【請求項９】
請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
前記電圧変換手段が、前記浮遊拡散層と前記ゲート電極との間に接続されたソースフォロワアンプを含む固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記トランジスタが、ダイレクトトンネリングを用いたトンネルエレクトロン注入、又は、バンド−バンド間トンネリングによって発生するホットエレクトロンを用いたホットエレクトロン注入によって前記電荷蓄積部に電荷を蓄積するものである固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項１０記載の固体撮像素子であって、
前記トランジスタの前記電荷蓄積部と半導体基板の間に設けられたゲート絶縁膜を備え、
前記ゲート絶縁膜の厚みが１〜５ｎｍとなっている固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記トランジスタがフローティングゲート構造である固体撮像素子。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記トランジスタがＭＯＮＯＳ構造又はＭＮＯＳ構造である固体撮像素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記トランジスタの前記ゲート電極には、前記電圧変換手段の出力と、前記撮像信号を読み出す際に必要な読み出し電圧を供給する電圧供給手段とが接続されている固体撮像素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
【請求項１６】
固体撮像素子の画素部内の光電変換部で発生した電荷を、前記画素部内の電圧変換手段にて、その電荷量に応じた電圧に変換する変換ステップと、
前記画素部内のゲート電極及び前記ゲート電極下方に設けられ前記ゲート電極に印加される電圧に応じて蓄積される電荷量が変わる電荷蓄積部を有するトランジスタの前記ゲート電極を前記電圧によって制御する制御ステップと、
前記制御ステップによる前記トランジスタの閾値電圧の変化を、前記光電変換部で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出しステップとを備える固体撮像素子の信号読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、撮像装置、及び固体撮像素子の信号読み出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、全てのフォトダイオード（ＰＤ）で発生した電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送した後、ＦＤの電位変化に応じた電圧信号をライン毎にタイミングをずらして読み出すことで、グローバルシャッタを実現するＣＭＯＳ型の固体撮像素子が提案されている。
【０００３】
しかし、この固体撮像素子は、電圧信号の読み出しをライン毎にタイミングをずらして行うため、電圧信号が読み出されるまでの待機期間がライン毎に異なる。その結果、ＦＤに周辺から混入するノイズ等がライン毎にばらつくことになり、画質が劣化してしまう。
【０００４】
また、ＦＤに蓄積することのできる電荷量Ｑは、ＦＤの容量Ｃと、ＦＤに供給される電源電圧Ｖとの積で決まる。通常、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子は単一の電源を用いて全ての回路に電源を供給しているため、上記電源電圧Ｖは一定であり、感度を高くするには容量Ｃを小さくする必要がある。しかし、容量Ｃを小さくすると、ＦＤがすぐ飽和してしまうため、ダイナミックレンジを広くすることができない。逆に、ダイナミックレンジの拡大を優先すると、容量Ｃを大きくしなければならず、感度を高くすることができない。つまり、特許文献１記載の固体撮像素子では、感度とダイナミックレンジを両立させることが難しい。
【０００５】
また、特許文献１記載の固体撮像素子は単一電源で動作しているため、ソースフォロワ出力が電源電圧の値を超えてしまうと、絶縁破壊やパンチスルー等が発生して回路が正常に動作しなくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２２１８２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度とダイナミックレンジの両立、信頼性の向上、及び画質の向上を可能とする固体撮像素子、固体撮像素子の信号読み出し方法、この固体撮像素子を備えた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、複数の画素部を有する固体撮像素子であって、前記画素部が、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷をその電荷量に応じた電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の出力に接続されるゲート電極及び前記ゲート電極下方に設けられ前記ゲート電極に印加される電圧に応じて蓄積される電荷量が変わる電荷蓄積部を有するトランジスタとを含み、前記電荷蓄積部の電荷蓄積量の変化による前記トランジスタの閾値電圧の変化を、前記光電変換部で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出し部を備える。
【０００９】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。
【００１０】
本発明の固体撮像素子の信号読み出し方法は、固体撮像素子の画素部内の光電変換部で発生した電荷を、前記画素部内の電圧変換手段にて、その電荷量に応じた電圧に変換する変換ステップと、前記画素部内のゲート電極及び前記ゲート電極下方に設けられ前記ゲート電極に印加される電圧に応じて蓄積される電荷量が変わる電荷蓄積部を有するトランジスタの前記ゲート電極を前記電圧によって制御する制御ステップと、前記制御ステップによる前記トランジスタの閾値電圧の変化を、前記光電変換部で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出しステップとを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、感度とダイナミックレンジの両立、信頼性の向上、及び画質の向上を可能とする固体撮像素子、固体撮像素子の信号読み出し方法、この固体撮像素子を備えた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図
【図２】図１に示す画素部の概略構成を示す断面模式図
【図３】図２に示す画素部の等価回路図
【図４】図１に示す固体撮像素子による静止画撮像時の動作を示したタイミングチャート
【図５】図１に示す固体撮像素子の第一の変形例の概略構成を示す平面模式図
【図６】図５に示す画素部の概略構成を示す回路図
【図７】図５に示す固体撮像素子による静止画撮像時の動作を示したタイミングチャート
【図８】第二の変形例の固体撮像素子の画素部の概略構成を示す断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子内視鏡等の撮像装置に搭載して用いられるものである。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図２は、図１に示す画素部の概略構成を示す断面模式図である。図３は、図２に示す画素部の等価回路図である。
【００１５】
固体撮像素子１０は、同一平面上の行方向とこれに直交する列方向にアレイ状（ここでは正方格子状）に配列された複数の画素部１００を備える。
【００１６】
画素部１００は、Ｎ型シリコン基板１とこの上に形成されたＰウェル層２からなる半導体基板内に形成されたＮ型不純物層３を備える。Ｎ型不純物層３はＰウェル層２内に形成され、このＮ型不純物層３とＰウェル層２とのＰＮ接合により、光電変換部として機能するフォトダイオード（ＰＤ）が形成される。以下では、Ｎ型不純物層３のことを光電変換部３と言う。光電変換部３は、その表面に完全空乏化や暗電流抑制のためにＰ型不純物層４が形成された、所謂埋め込み型フォトダイオードとなっている。
【００１７】
光電変換部３の右隣には少し離間して高濃度のＮ型不純物からなる浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）５が形成されている。光電変換部３とＦＤ５との間の半導体基板上方には、ゲート絶縁膜１１を介して転送ゲートＴＧが形成されている。転送ゲートＴＧは電荷転送線ＴＸを介して制御部４０に接続されている。光電変換部３とＦＤ５と転送ゲートＴＧとにより、光電変換部３で発生した電荷をＦＤ５に転送するための電荷転送トランジスタ１４が構成されている。
【００１８】
ＦＤ５の右隣には少し離間して高濃度のＮ型不純物からなるドレイン領域６が形成されている。ドレイン領域６は電圧供給線を介して電圧供給部８０と接続されている。ＦＤ５とドレイン領域６との間の半導体基板上方には、ゲート絶縁膜１１を介してリセットゲートＲＧが形成されている。リセットゲートＲＧはリセット線ＲＳＴを介して制御部４０に接続されている。ＦＤ５とリセットゲートＲＧとドレイン領域６とにより、ＦＤ５の電位を所定のリセット電位Ｖｐｐにリセットするためのリセットトランジスタ１５が構成されている。
【００１９】
ＦＤ５は、リセットトランジスタ１５によりリセットされて電位がＶｐｐになった状態で光電変換部３から電荷を転送すると、その電位Ｖｐｐが転送された電荷量に応じて変動し、この電位変動量が電圧として出力されるものとなっている。つまり、光電変換部３で発生した電荷をその電荷量に応じた電圧に変換する電圧変換手段として機能する。
【００２０】
ドレイン領域６の右隣には素子分離領域９を挟んで高濃度のＮ型不純物からなるソース領域７が形成され、ソース領域７の右隣には少し離間して高濃度のＮ型不純物からなるドレイン領域８が形成されている。ソース領域７とドレイン領域８との間の半導体基板上方には、ゲート絶縁膜１１を介してゲート電極である制御ゲートＣＧが形成されている。また、制御ゲートＣＧとゲート絶縁膜１１との間には電荷蓄積部として機能するフローティングゲートＦＧが形成され、フローティングゲートＦＧと制御ゲートＣＧとは絶縁膜１３によって絶縁されている。ソース領域７と制御ゲートＣＧとフローティングゲートＦＧとドレイン領域８とにより、ＦＤ５で変換された電圧に応じて閾値電圧が変化するトランジスタ１６が構成されている。
【００２１】
制御ゲートＣＧはＦＤ５に直接接続されており、ＦＤ５から電圧が印加されると、この電圧のレベルに応じてフローティングゲートＦＧに電荷が注入され、フローティングゲートＦＧに注入された電荷量に応じてトランジスタ１６の閾値電圧が変化するようになっている。なお、トランジスタ１６は、フローティングゲートＦＧを有するＭＯＳ構造であるフローティングゲート構造に限らず、フローティングゲートＦＧの代わりに窒化膜を設け、この窒化膜に電荷を蓄積することのできるＭＯＮＯＳ構造や、絶縁膜１３とフローティングゲートＦＧの代わりに窒化膜を設け、ゲート絶縁膜１１と窒化膜とのトラップ準位に電荷を蓄積することのできるＭＮＯＳ構造等を採用することもできる。ＭＯＮＯＳ構造やＭＮＯＳ構造を採用した場合には、フローティングゲート構造よりも製造プロセスを簡略化することができる。
【００２２】
トランジスタ１６のソース領域７はソースラインＳＬを介して、図示しない固定又は可変の電位に接続される。
【００２３】
制御ゲートＣＧは読み出し回路２０にも接続されている。ドレイン領域８は列信号線１２を介して読み出し回路２０に接続されている。
【００２４】
このように、画素部１００には、光電変換部３と、ＦＤ５と、電荷転送トランジスタ１４と、リセットトランジスタ１５と、トランジスタ１６とが含まれており、隣接する画素部１００同士の構成要素は、素子分離領域９によって互いに分離されている。
【００２５】
固体撮像素子１０は、更に、電荷転送トランジスタ１４とリセットトランジスタ１５の制御を行う制御部４０と、トランジスタ１６の閾値電圧を検出する読み出し回路２０と、読み出し回路２０で検出された１ライン分の閾値電圧を撮像信号として信号線７０に順次読み出す制御を行う水平シフトレジスタ５０と、信号線７０に接続された出力アンプ６０と、各画素部１００のＦＤ５に電圧Ｖｐｐを供給する電圧供給部８０とを備える。
【００２６】
読み出し回路２０は、列方向に並ぶ複数の画素部１００で構成される各列に対応して設けられており、対応する列の各画素部１００のドレイン領域８に列信号線１２を介して接続されている。又、読み出し回路２０は対応する列の各画素部１００の制御ゲートＣＧにも接続されている。
【００２７】
読み出し回路２０は、図１（ｂ）に示すように、読み出し制御部２０ａと、センスアンプ２０ｂと、プリチャージ回路２０ｃと、ランプアップ回路２０ｄと、トランジスタ２０ｅ，２０ｆとを備えた構成となっている。
【００２８】
読み出し制御部２０ａは、画素部１００から撮像信号を読み出す際、トランジスタ２０ｆをオンしてプリチャージ回路２０ｃから画素部１００のドレイン領域８に列信号線１２を介してドレイン電圧を供給する（プリチャージ）。次に、トランジスタ２０ｅをオンして画素部１００のドレイン領域８とセンスアンプ２０ｂを導通させる。
【００２９】
センスアンプ２０ｂは、画素部１００のドレイン領域８の電圧を監視し、この電圧が変化したことを検出し、ランプアップ回路２０ｄにその旨を通知する。例えば、プリチャージ回路２０ｃによってプリチャージされたドレイン電圧が降下したことを検出しセンスアンプ出力を反転させる。
【００３０】
ランプアップ回路２０ｄは、Ｎ−ｂｉｔカウンタ（例えばＮ＝１０〜１２）を内蔵しており、画素部１００の制御ゲートＣＧに読み出し電圧（例えば漸増または漸減するランプ波形電圧）を供給すると共に、読み出し電圧の値に対応するカウント値（Ｎ個の１、０の組み合わせ）を出力する。
【００３１】
制御ゲートＣＧの電圧がトランジスタ１６の閾値電圧を越えるとトランジスタ１６が導通し、このとき、プリチャージされていた列信号線１２の電位が降下する。これがセンスアンプ２０ｂによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路２０ｄは、この反転信号を受けた時点における読み出し電圧の値に対応するカウント値を保持（ラッチ）する。これにより、デジタル値（１，０の組み合わせ）として閾値電圧の変化を撮像信号として読み出すことができる。
【００３２】
水平シフトレジスタ５０により１つの水平選択トランジスタ３０が選択されると、その水平選択トランジスタ３０に接続されたランプアップ回路２０ｄで保持されているカウンタ値が信号線７０に出力され、これが撮像信号として出力アンプ６０から出力される。
【００３３】
なお、読み出し回路２０によるトランジスタ１６の閾値電圧の変化を読み出す方法としては上述したものに限らない。例えば、制御ゲートＣＧとドレイン領域８に一定の電圧を印加した場合のトランジスタ１６のドレイン電流を撮像信号として読み出しても良い。
【００３４】
制御部４０は、行方向に並ぶ複数の画素部１００からなる各行の各画素部１００の転送ゲートＴＧとリセットゲートＲＧに、それぞれ電荷転送線ＴＸとリセット線ＲＳＴを介して接続されており、転送ゲートＴＧとリセットゲートＲＧへの印加電圧を制御することで電荷転送トランジスタ１４とリセットトランジスタ１５のオンオフ制御を行う。
【００３５】
電圧供給部８０は、各画素部１００のドレイン領域６に電圧供給線を介して接続されており、ドレイン領域６に電圧Ｖｐｐを供給する。固体撮像素子１０には電圧Ｖｐｐよりも小さい電源電圧Ｖｃｃを固体撮像素子１０の各部に供給する電源のみが搭載されており、電圧供給部８０は、この電源から供給される電源電圧Ｖｃｃを昇圧して電圧Ｖｐｐを生成するチャージポンプ回路等によって構成されている。
【００３６】
以下、固体撮像素子１０による撮像動作について説明する。
【００３７】
図４は、図１に示す固体撮像素子による静止画撮像時の動作を示したタイミングチャートである。図４に示す“ＲＳＴ”は、リセット線ＲＳＴに供給される信号を示し、“ＴＸ”は、電荷転送線ＴＸに供給される信号を示し、“ＦＤＯｕｔｐｕｔ”は、ＦＤ５の出力レベルを示し、“Ｖｔｈ”は、トランジスタ１６の閾値電圧を示し、“ＲＥＡＤ電圧”は、ランプアップ回路２０ｄから制御ゲートＣＧに印加される読み出し電圧を示し、“ＢａｃｋＢｉａｓ”は、フローティングゲートＦＧ内の電荷を消去するために半導体基板に印加する電圧を示し、“ドレイン電圧”は、ドレイン領域８の電位を示し、“Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ”は、読み出し回路２０から出力される撮像信号を示している。
【００３８】
静止画撮像モード時に行われる動画撮像中に、静止画撮像のための撮像条件の設定指示（シャッターボタンの半押し）がなされると、固体撮像素子１０から出力されてくる撮像信号に基づいて撮像装置内でＡＥ，ＡＦが行われ撮像条件の設定が行われる。次に、シャッターボタンが全押しされてシャッタートリガが立ち上がると、上記設定した撮像条件で静止画撮像が開始される。
【００３９】
具体的に、制御部４０は、上記設定した撮像条件に基づく露光期間の開始前までは、半導体基板に高電圧を印加して、光電変換部３で発生した電荷を基板側に掃き出す電子シャッタ動作を行う。シャッタートリガが立ち上がって露光期間の開始タイミングになると、制御部４０は、半導体基板への高電圧の印加を停止して、露光を開始（光電変換部３への電荷の蓄積を開始）する。
【００４０】
露光期間の終了直前になると、制御部４０は、全ての画素部１００のリセットゲートＲＧにハイレベルのパルスを供給してリセットトランジスタ１５をオンし、全ての画素部１００のＦＤ５の電位をＶｐｐにリセットする。
【００４１】
リセットが完了し、露光期間が終了すると、制御部４０は、全ての画素部１００の転送ゲートＴＧにハイレベルのパルスを供給して電荷転送トランジスタ１４をオンし、光電変換部３で発生した電荷をＦＤ５に転送する。このとき、電荷は完全転送される。
【００４２】
光電変換部３からＦＤ５に電荷が転送されると、ＦＤ５の電位が、転送された電荷量に応じてＶｐｐからΔＶ減少する。トランジスタ１６の閾値電圧は、ＦＤ５の電位がＶｐｐのときの値をＶｔｈ１とすると、ＦＤ５の電位減少分に対応して小さくなり、Ｖｔｈ２（＜Ｖｔｈ１）となる。なお、ＦＤ５の電位変動量がトランジスタ１６の閾値電圧の変動量に対応するように、トランジスタ１６の駆動条件は予め決められている。
【００４３】
電荷転送終了後、トランジスタ２０ｆがオンになって各画素部１００のドレイン領域８にドレイン電圧が印加されて、ドレイン領域８がプリチャージされる。
【００４４】
次に、制御部４０は、１行目の各画素部１００に読み出し電圧の供給を開始する。読み出し電圧の供給開始後、１行目の各画素部１００のトランジスタ１６のチャネル領域が導通すると、図４に示したようにドレイン領域８の電位が下降する。読み出し回路２０では、この電位が下降したときの読み出し電圧の値に対応するカウンタ値が保持される。そして、水平シフトレジスタ５０の制御により、蓄積されたカウンタ値が、１行目の各画素部１００から得られた撮像信号として順次出力される。なお、撮像信号を読み出す際は、読み出し時に閾値電圧が変化しない（ディスターブを起こさない）トランジスタ１６の駆動条件下で読み出しを行う。
【００４５】
２行目以降についても上述した動作（ドレイン領域８のプリチャージ、該当行の各画素部１００への読み出し電圧の供給、撮像信号の出力）が行われて、静止画撮像が完了する。全ての行から撮像信号を読み出した後は、例えば制御部４０により全ての画素部１００の制御ゲートＣＧに負電圧を印加すると共に、半導体基板に正電圧を印加することで、フローティングゲートＦＧ内の電荷を半導体基板内に引き抜く。これにより、トランジスタ１６の閾値電圧をリセットすることができ、次の露光期間終了後も、撮像信号の読み出しを問題なく行うことができる。
【００４６】
以上のように、図１に示した固体撮像素子１０によれば、ＦＤ５の出力がトランジスタ１６の制御ゲートＣＧに接続されているため、ＦＤ５のリセット電位が電源電圧より高くても、絶縁破壊やパンチスルーの発生を抑制することができる。ＦＤ５のリセット電位を、固体撮像素子１０の電源電圧よりも高い値にすることができるため、その分、ＦＤ５の容量を小さくすることができる。つまり、ＦＤ５の飽和を一定にしながら容量を小さくすることができるため、ダイナミックレンジと感度の両立を図ることができる。また、トランジスタ１６のフローティングゲートＦＧには周囲からの不要な電荷が混入しにくいため、撮像信号の読み出しまでの待機期間に発生するノイズを抑制することができ、画質向上を図ることができる。
【００４７】
また、図１に示した固体撮像素子１０によれば、撮像信号を、トランジスタ１６の閾値電圧の変化として読み出すので、撮像信号の最大値を固体撮像素子１０の電源電圧と同等かそれ以上に拡大することができ、撮像信号のＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【００４８】
また、図１に示した固体撮像素子１０によれば、光電変換部３で発生した電荷をＦＤ５に完全転送することができるため、光電変換部３で発生した電荷から撮像信号への変換効率を向上させることができ、感度低下を防ぐことができる。
【００４９】
また、図１に示した固体撮像素子１０によれば、１つの画素部１００あたり３つのトランジスタを設けるだけでグローバルシャッタを実現することができる。このため、従来よりもトランジスタ数を減らすことができ、微細化が容易となる。また、トランジスタ１６を遮光することができるため、読み出し時に入射光の有無を考慮する必要がなく、メカニカルシャッタが不要となる。また、従来、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサにおいて開発されてきた埋め込みフォトダイオードやフローティングディフュージョンアンプ等に大きな変更を加えることなく上記構成を実現することができるため、高感度、高画質、且つ低ノイズのグローバルシャッタ機能を有するＣＭＯＳイメージセンサを容易に実現することができる。
【００５０】
なお、フローティングゲートＦＧに電荷を注入する方法としては、チャンネルホットエレクトロン（ＣＨＥ）やバンド−バンド間トンネリングによって発生したホットエレクトロン（バンド−バンド間トンネル電流誘起ホットエレクトロン）等を用いてフローティングゲートＦＧに電荷を注入するホットエレクトロン注入と、ファウラ−ノルドハイム（Ｆ−Ｎ）トンネリングやダイレクトトンネリング等を用いてフローティングゲートＦＧに電荷を注入するトンネルエレクトロン注入とがある。固体撮像素子１０では、これらの注入方法が採用できるように、トランジスタ１６の各部とｐウェル層２への電圧制御を行えば良い。
【００５１】
固体撮像素子１０において好適な注入方法は、ダイレクトトンネリングを用いたトンネルエレクトロン注入と、バンド−バンド間トンネリングによって発生したホットエレクトロンを用いたホットエレクトロン注入（この詳細については特開平９−８１５３号公報及び米国特許第５６８７１１８号明細書参照）である。固体撮像素子１０では、ＦＤ５の出力が制御ゲートＣＧに接続されているため、ＦＤ５に供給する電圧を、固体撮像素子１０の電源電圧よりも高くすることができる。しかし、これでも、ＦＤ５の耐圧等を考えると、Ｖｐｐの値は電源電圧の２倍程度にまでしか上げられない。ＦＮトンネリングでは、電源電圧の３〜５倍程度の電圧を制御ゲートＣＧに印加する必要があるため、固体撮像素子１０の構成では電荷注入速度が遅くなってしまう。また、ＣＨＥを用いたホットエレクトロン注入は注入効率が低い。
【００５２】
ＵＳＢメモリ等に使用されているフラッシュメモリでは、データの長時間保持が必要であるため、ダイレクトトンネリングやバンド−バンド間トンネリングは採用されておらず、ＦＮトンネリングを採用するのが一般的である。一方、固体撮像素子１０ではフローティングゲートＦＧに電荷を長時間蓄積しておく必要がないため、ダイレクトトンネリングやバンド−バンド間トンネリングを採用することができる。ダイレクトトンネリングやバンド−バンド間トンネリングは、電荷の注入速度が速いため、撮像動作の高速化を図ることができるという利点もある。こういった理由から、固体撮像素子１０においては、ダイレクトトンネリングを用いたトンネルエレクトロン注入、又は、バンド−バンド間トンネリングによって発生したホットエレクトロンを用いたホットエレクトロン注入を採用することが好ましい。
【００５３】
ダイレクトトンネリングを用いたトンネルエレクトロン注入と、バンド−バンド間トンネリングによって発生したホットエレクトロンを用いたホットエレクトロン注入を採用する場合は、図２に示した制御ゲートＣＧ下方のゲート絶縁膜１１の厚みを、１〜５ｎｍ程度と薄くすれば良い。バンド−バンド間トンネリングによって発生したホットエレクトロンを用いたホットエレクトロン注入を採用する場合には、更に、図２に示したＮ型とＰ型を逆にすれば良い。ゲート絶縁膜１１の厚みが薄くなることで、低電圧駆動が可能になるメリットもある。
【００５４】
以下、図１に示した固体撮像素子１０の変形例を説明する。
【００５５】
（第一の変形例）
図５は、図１に示す固体撮像素子の第一の変形例の概略構成を示す平面模式図である。図６は、図５に示す画素部の概略構成を示す回路図である。図５において図１と同じ構成には同じ符号を付し、図６において図３と同じ構成には同じ符号を付してある。
【００５６】
図５に示す固体撮像素子１０は、図１に示す画素部１００にソースフォロワアンプ１７を追加した構成となっている。
【００５７】
ソースフォロワアンプ１７は、ＦＤ５で変換された電圧を更に増幅して制御ゲートＣＧに出力するものであり、ＦＤ５にそのゲートが接続される出力トランジスタ１７ａと、入力が出力トランジスタ１７ａの出力に接続され、出力がトランジスタ１６の制御ゲートＣＧに接続された行選択トランジスタ１７ｂとを備える。
【００５８】
出力トランジスタ１７ａはＦＤ５で変換された電圧を増幅して出力する。出力トランジスタ１７ａのソースには電圧供給部８０から電圧供給線を介して電圧Ｖｐｐが供給されている。
【００５９】
行選択トランジスタ１７ｂのゲート電極は、行選択線ＳＥＬＥＣＴを介して制御部４０に接続されており、制御部４０から供給される行選択信号によりオンオフが制御される。
【００６０】
以上のように構成された固体撮像素子１０の動作を説明する。
【００６１】
図７は、図５に示す固体撮像素子による静止画撮像時の動作を示したタイミングチャートである。図７に示す“ＳＥＬＥＣＴ”は、行選択線ＳＥＬＥＣＴに供給される信号を示し、“ＲＳＴ”は、リセット線ＲＳＴに供給される信号を示し、“ＴＸ”は、電荷転送線ＴＸに供給される信号を示し、“ＳＦＯｕｔｐｕｔ”は、ソースフォロワアンプ１７の出力レベルを示し、“Ｖｔｈ”は、トランジスタ１６の閾値電圧を示し、“ＲＥＡＤ電圧”は、ランプアップ回路２０ｄから制御ゲートＣＧに印加される読み出し電圧を示し、“ＢａｃｋＢｉａｓ”は、フローティングゲートＦＧ内の電荷を消去するために半導体基板に印加する電圧を示し、“ドレイン電圧”は、ドレイン領域８の電位を示し、“Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ”は、読み出し回路２０から出力される撮像信号を示している。
【００６２】
静止画撮像モード時に行われる動画撮像中に、静止画撮像のための撮像条件の設定指示（シャッターボタンの半押し）がなされると、固体撮像素子１０から出力されてくる撮像信号に基づいて撮像装置内でＡＥ，ＡＦが行われ撮像条件の設定が行われる。次に、シャッターボタンが全押しされてシャッタートリガが立ち上がると、上記設定した撮像条件で静止画撮像が開始される。
【００６３】
具体的に、制御部４０は、上記設定した撮像条件に基づく露光期間の開始前までは、半導体基板に高電圧を印加して、光電変換部３で発生した電荷を基板側に掃き出す電子シャッタ動作を行う。シャッタートリガが立ち上がって露光期間の開始タイミングになると、制御部４０は、半導体基板への高電圧の印加を停止して、露光を開始（光電変換部３への電荷の蓄積を開始）する。
【００６４】
露光期間の終了直前になると、制御部４０は、全ての画素部１００の行選択トランジスタ１７ｂに供給する信号をハイレベルにして行選択トランジスタ１７ｂをオンにすると共に、全ての画素部１００のリセットゲートＲＧにハイレベルのパルスを供給してリセットトランジスタ１５をオンし、全ての画素部１００のＦＤ５の電位をＶｐｐにリセットする。
【００６５】
リセットが完了し、露光期間が終了すると、制御部４０は、全ての画素部１００の転送ゲートＴＧにハイレベルのパルスを供給して電荷転送トランジスタ１４をオンし、光電変換部３で発生した電荷をＦＤ５に転送する。
【００６６】
光電変換部３からＦＤ５に電荷が転送されると、ＦＤ５の電位が、転送された電荷量に応じてＶｐｐからΔＶ減少する。出力トランジスタ１７ａでは、この減少分ΔＶが増幅されて電圧として出力される。トランジスタ１６の閾値電圧は、ＦＤ５の電位がＶｐｐのときの値をＶｔｈ１とすると、ＦＤ５の電位減少分に対応して大きくなり、Ｖｔｈ３（＞Ｖｔｈ１）となる。なお、ＦＤ５の電位変動量がトランジスタ１６の閾値電圧の変動量に対応するように、トランジスタ１６の駆動条件は予め決められている。
【００６７】
電荷が転送されて、トランジスタ１６の閾値電圧が変化するまでに必要な時間が経過後、行選択トランジスタ１７ｂに供給する信号がローレベルになって行選択トランジスタ１７ｂがオフされる。その後、トランジスタ２０ｆがオンになって各画素部１００のドレイン領域８にドレイン電圧が印加されて、ドレイン領域８がプリチャージされる。
【００６８】
次に、制御部４０は、１行目の各画素部１００に読み出し電圧の供給を開始する。読み出し電圧の供給開始後、１行目の各画素部１００のトランジスタ１６のチャネル領域が導通すると、図７に示したようにドレイン領域８の電位が下降する。読み出し回路２０では、この電位が下降したときの読み出し電圧の値に対応するカウンタ値が保持される。そして、水平シフトレジスタ５０の制御により、蓄積されたカウンタ値が、１行目の各画素部１００から得られた撮像信号として順次出力される。なお、撮像信号を読み出す際は、読み出し時に閾値電圧が変化しない（ディスターブを起こさない）トランジスタ１６の駆動条件下で読み出しを行う。
【００６９】
２行目以降についても上述した動作（ドレイン領域８のプリチャージ、該当行の各画素部１００への読み出し電圧の供給、撮像信号の出力）が行われて、静止画撮像が完了する。全ての行から撮像信号を読み出した後は、例えば制御部４０により全ての画素部１００の制御ゲートＣＧに負電圧を印加すると共に、半導体基板に正電圧を印加することで、フローティングゲートＦＧ内の電荷を半導体基板内に引き抜く。これにより、トランジスタ１６の閾値電圧をリセットすることができ、次の露光期間終了後も、撮像信号の読み出しを問題なく行うことができる。
【００７０】
以上のように、図５に示す固体撮像素子１０によれば、ＦＤ５を制御ゲートＣＧに直接接続するのではなく、ソースフォロワアンプ１７を介して接続することで、出力インピーダンスを高くすることができ、広帯域かつ広い動作電圧範囲で良好な入出力の直線性を保つことができる。
【００７１】
また、図５に示す固体撮像素子１０によれば、ＦＤ５に電荷を転送してその電荷量をトランジスタ１６の閾値電圧の変化として記録した後は、行選択トランジスタ１７ｂをオフにしてトランジスタ１６とＦＤ５とを完全に分離することができる。このため、撮像信号の読み出し待機期間中、ＦＤ５に周囲からノイズが混入したとしても、このノイズによるトランジスタ１６の閾値変動の発生は起こらず、ノイズを低減することができる。
【００７２】
また、図５に示す固体撮像素子１０は、従来のＣＭＯＳイメージセンサのフローティングディフュージョンアンプをそのまま利用することができるため、低コストで製造することができる。
【００７３】
（第二の変形例）
図１や図５に示す固体撮像素子１０は、フローティングゲートＦＧへの電荷注入処理と、撮像信号の読み出し処理とを１つのトランジスタ１６で実現しているが、これを２つのトランジスタによって実現することも可能である。この場合の例を、図８を参照して説明する。
【００７４】
図８は、第二の変形例の固体撮像素子の画素部の概略構成を示す断面模式図である。図８において図２と同じ構成には同一符号を付してある。図８に示す固体撮像素子の画素部は、図２に示す画素部１００のトランジスタ１６を、書き込みトランジスタ１６ａと読み出しトランジスタ１６ｂに変更した構成となっている。
【００７５】
書き込みトランジスタ１６ａは、ドレイン領域６の右隣に素子分離領域９を挟んで形成された高濃度のＮ型不純物からなるドレイン領域７’と、その右隣に少し離間して形成された高濃度のＮ型不純物からなるソース領域８’と、この間の半導体基板上方にゲート絶縁膜１１を介して設けられた書き込み制御ゲートＷＣＧと、書き込み制御ゲートＷＣＧとゲート絶縁膜１１との間に絶縁膜１９を介して設けられたフローティングゲートＦＧとを有するＭＯＳトランジスタとなっている。書き込み制御ゲートＷＣＧにはＦＤ５が接続されている。ドレイン領域７’はドレインラインＤｒａｉｎを介して固定又は可変の電位に接続されている。
【００７６】
読み出しトランジスタ１６ｂは、ソース領域８’と、その右隣に少し離間して形成された高濃度のＮ型不純物からなるドレイン領域１８と、この間の半導体基板上方にゲート絶縁膜１１を介して設けられた読み出し制御ゲートＲＣＧと、読み出し制御ゲートＲＣＧとゲート絶縁膜１１との間に絶縁膜１９を介して設けられたフローティングゲートＦＧとを有するＭＯＳトランジスタとなっている。読み出し制御ゲートＲＣＧには読み出し回路２０のランプアップ回路２０ｄが接続され、ドレイン領域１８には列信号線１２を介して読み出し回路２０が接続されている。ソース領域８’はソースラインＳＬを介して固定又は可変の電位に接続されている。
【００７７】
フローティングゲートＦＧは、書き込みトランジスタ１６ａと読み出しトランジスタ１６ｂとで共通の一枚構成となっているが、書き込みトランジスタ１６ａと読み出しトランジスタ１６ｂとで別々にフローティングゲートＦＧを設け、これらを配線で接続した構成としても良い。
【００７８】
このように構成された画素部では、光電変換部３からＦＤ５に電荷が転送されると、ＦＤ５で変換された電圧が書き込み制御ゲートＷＣＧに印加され、この電圧に応じて、フローティングゲートＦＧに電荷が注入され、書き込みトランジスタ１６ａの閾値電圧が変化する。書き込みトランジスタ１６ａのフローティングゲートＦＧは、読み出しトランジスタ１６ｂと共通であるため、読み出しトランジスタ１６ｂの閾値電圧も、上記電圧に応じて変化する。
【００７９】
読み出しトランジスタ１６ｂの閾値電圧が変化した後は、ドレイン領域１８をプリチャージして読み出し制御ゲートＲＣＧに読み出し電圧を印加し、ドレイン領域１８の電圧が下降したときの読み出し電圧の値に対応するカウンタ値を撮像信号として出力する。
【００８０】
このように、書き込みトランジスタ１６ａと読み出しトランジスタ１６ｂとを用いて撮像信号の読み出しを行うことも可能である。
【００８１】
なお、以上の説明では、取り扱い電荷（撮像信号として取り出す電荷）が電子の場合を想定しているが、取り扱い電荷が正孔の場合でも考え方は一緒である。取り扱い電荷が正孔の場合には、図面においてＮ領域とＰ領域を入れ替え、各部に印加する電圧の極性を逆にすれば良い。
【００８２】
以上説明したように、本明細書には次の事項が開示されている。
開示された固体撮像素子は、複数の画素部を有する固体撮像素子であって、前記画素部が、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷をその電荷量に応じた電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の出力に接続されるゲート電極及び前記ゲート電極下方に設けられ前記ゲート電極に印加される電圧に応じて蓄積される電荷量が変わる電荷蓄積部を有するトランジスタとを含み、前記電荷蓄積部の電荷蓄積量の変化による前記トランジスタの閾値電圧の変化を、前記光電変換部で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出し部を備える。
【００８３】
この構成によれば、電圧変換手段（例えば浮遊拡散層）がトランジスタのゲート電極に接続されているため、浮遊拡散層のリセット電位が電源電圧より高くても、絶縁破壊やパンチスルーの発生を抑制することができる。浮遊拡散層のリセット電位を電源電圧よりも高くすることができるため、その分、浮遊拡散層の容量を小さくすることができる。このように、飽和を一定にしながら浮遊拡散層の容量を小さくすることができるため、ダイナミックレンジと感度の両立を図ることができる。また、トランジスタの電荷蓄積部には周囲からの不要な電荷が蓄積されにくいため、撮像信号の読み出しまでの待機期間に発生するノイズを抑制することができ、画質向上を図ることができる。
【００８４】
開示された固体撮像素子は、前記電圧変換手段が、前記光電変換部で発生した電荷が転送される浮遊拡散層を含む。
【００８５】
開示された固体撮像素子は、前記光電変換部がフォトダイオードであり、前記画素部が、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊拡散層に転送するための電荷転送トランジスタを含む。
【００８６】
この構成により、フォトダイオードで発生した電荷を浮遊拡散層に完全転送することが可能であるため、光電変換部で発生した電荷から撮像信号への変換効率を向上させることができる。
【００８７】
開示された固体撮像素子は、前記画素部が、前記浮遊拡散層を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタを含む。
【００８８】
開示された固体撮像素子は、前記所定の電位が、前記固体撮像素子に供給される電源電圧よりも大きい。
【００８９】
この構成により、トランジスタのゲート電極に印加される電圧の幅を大きくすることができるため、撮像信号の出力スイング幅を大きくすることができる。
【００９０】
開示された固体撮像素子は、前記電圧変換手段が、前記浮遊拡散層と前記ゲート電極との間に接続されたソースフォロワアンプを含む。
【００９１】
この構成により、出力インピーダンスを高くすることができる。
【００９２】
開示された固体撮像素子は、前記ソースフォロワアンプに供給される電圧が、前記固体撮像素子に供給される電源電圧よりも大きい。
【００９３】
開示された固体撮像素子は、前記所定の電位と前記ソースフォロワアンプに供給される電圧が同一レベルであり、前記電源電圧を昇圧して前記ソースフォロワアンプに供給される電圧を生成する電圧生成手段を備える。
【００９４】
開示された固体撮像素子は、前記電圧変換手段が、前記浮遊拡散層と前記ゲート電極との間に接続されたソースフォロワアンプを含む。
【００９５】
この構成により、出力インピーダンスを高くすることができる。
【００９６】
開示された固体撮像素子は、前記トランジスタが、ダイレクトトンネリングを用いたトンネルエレクトロン注入、又は、バンド−バンド間トンネリングによって発生するホットエレクトロンを用いたホットエレクトロン注入によって前記電荷蓄積部に電荷を蓄積するものである。
【００９７】
開示された固体撮像素子は、前記トランジスタの前記電荷蓄積部と半導体基板の間に設けられたゲート絶縁膜を備え、前記ゲート絶縁膜の厚みが１〜５ｎｍとなっている。
【００９８】
開示された固体撮像素子は、前記トランジスタがフローティングゲート構造である。
【００９９】
開示された固体撮像素子は、前記トランジスタがＭＯＮＯＳ構造又はＭＮＯＳ構造である。
【０１００】
開示された固体撮像素子は、前記トランジスタの前記ゲート電極には、前記電圧変換手段の出力と、前記撮像信号を読み出す際に必要な読み出し電圧を供給する電圧供給手段とが接続されている。
【０１０１】
開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。
【０１０２】
開示された固体撮像素子の信号読み出し方法は、固体撮像素子の画素部内の光電変換部で発生した電荷を、前記画素部内の電圧変換手段にて、その電荷量に応じた電圧に変換する変換ステップと、前記画素部内のゲート電極及び前記ゲート電極下方に設けられ前記ゲート電極に印加される電圧に応じて蓄積される電荷量が変わる電荷蓄積部を有するトランジスタの前記ゲート電極を前記電圧によって制御する制御ステップと、前記制御ステップによる前記トランジスタの閾値電圧の変化を、前記光電変換部で発生した電荷に応じた撮像信号として読み出す読み出しステップとを備える。
【符号の説明】
【０１０３】
３  光電変換部
５  浮遊拡散層（ＦＤ）
１０  固体撮像素子
１６  トランジスタ
１００  画素部
ＣＧ  制御ゲート
ＦＧ  フローティングゲート
【図１】
2010171869.tif 000003
【図２】
2010171869.tif 000004
【図３】
2010171869.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010171869.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010171869.tif 000009
【図８】
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