(57)【要約】      （修正有）【課題】信号出力のリニアリティを確保して、固定パターンノイズの発生を抑制する事ができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】変調トランジスタは、環状ゲート６と、前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域７と、前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域８と、前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケット１０と、を含み、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離とは異なる。【選択図】      図１
2006253177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合う領域に配置された変調トランジスタであって、前記光発生電荷の電荷量に応じた信号を生成する前記変調トランジスタと、
を含む固体撮像装置において、
前記変調トランジスタは、
環状ゲートと、
前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、
前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケットと、を含み、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離とは異なる、固体撮像装置。
【請求項２】
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離よりも短い請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記環状ゲートの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記環状ゲートの外縁辺と内縁辺との距離とは異なる長さに形成される請求項１又は請求項２のいずれか一方に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
入射光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合う領域に配置された変調トランジスタであって、前記光発生電荷の電荷量に応じた信号を生成する前記変調トランジスタと、
を含む固体撮像装置において、
前記変調トランジスタは、
環状ゲートと、
前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、
前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケットと、を含み、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離と異なる、固体撮像装置。
【請求項５】
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離よりも短い請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
入射光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合う領域に配置された変調トランジスタであって、前記光発生電荷の電荷量に応じた信号を生成する前記変調トランジスタと、
を含む固体撮像装置において、
前記変調トランジスタは、
環状ゲートと、
前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、
前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケットと、を含み、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離と異なり、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離と異なる、固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高画質特性及び低消費電力特性を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、デジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置として、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサ（以下、ＣＣＤセンサという）と、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサという）と、がある。
【０００３】
さらに、近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置（以下、基板変調型センサという）が提案されている。基板変調型センサについては、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
イメージセンサは、センサセルをマトリクス状に配列し、初期化、蓄積、読み出しの３つの状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。特許文献１によって開示されたイメージセンサは、各単位画素が、蓄積を行うための受光ダイオードと、読み出しを行うためのトランジスタとを有している。
【０００５】
特許文献１のイメージセンサは、基板上において、各単位画素毎に、受光ダイオードと光信号検出用ＭＯＳトランジスタとが隣接配置されている。このトランジスタのゲート電極はリング状に形成されており、ゲート電極の中央の開口部分に、ソース領域が形成されている。ゲート電極の周辺にはドレイン領域が形成されている。
【０００６】
受光ダイオードの開口領域から入射した光によって発生した電荷（光発生電荷）は、ゲート電極下方のＰ型のウェル領域に転送されて、この部分に形成されたキャリアポケットに蓄積される。キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によってトランジスタの閾値電圧が変化する。これにより、入射光に対応した信号（画素信号）を、トランジスタのソース領域から取り出すことができるようになっている。
【０００７】
なお、特許文献１の装置では、同一列に配列された単位画素の出力は、共通のソース線を介して取り出されるようになっている。トランジスタのゲートに印加する電圧をライン毎に制御することで、共通のソース線に接続された各単位画素のうち所定のラインの単位画素からの選択的な読み出しを可能にしている。即ち、読み出しを行う単位画素（選択画素）のトランジスタには比較的高いゲート電圧を印加し、他の読み出しを行わない単位画素（非選択画素）のトランジスタには比較的低いゲート電圧を印加する。高いゲート電圧を印加したトランジスタの出力の方が低いゲート電圧を印加したトランジスタの出力よりも高く、ソース線から選択画素の出力を得ることができる。
【特許文献１】特開２００２−５７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、キャリアポケットは比較的高い濃度で形成されて、正孔のポテンシャルを基準にすると、そのポテンシャルは初期化時に十分に低い値となる。これにより、受光ダイオードにおいて発生した光発生電荷がキャリアポケットに蓄積されるようになっている。ところが、キャリアポケットのポテンシャルは、ドレインやゲート等の周辺電位の影響を受ける。キャリアポケットの濃度が一定であるものとすると、周辺からの距離に比例してホールを基準としたポテンシャルは低下する。
【０００９】
即ち、装置各部位のポテンシャルは、周辺電位、周辺からの距離、濃度に従うものとなる。特許文献１の装置では、受光ダイオードと光信号検出用ＭＯＳトランジスタとが隣接配置されており、キャリアポケットは光信号検出用ＭＯＳトランジスタの形成領域の下側に形成される。そして、光信号検出用ＭＯＳトランジスタの周辺にはドレイン領域が形成される。このように、特許文献１の装置では、キャリアポケットは平面形状が円形に形成されて平面的には濃度が均一であるのに対し、周辺からの距離及び周辺の電位が径方向には異なることから、キャリアポケットの平面的なポテンシャル分布は部分毎に異なってしまう。
【００１０】
このように、各部のポテンシャルは、周辺構造、周辺電位、周辺からの距離及び濃度の３次元効果によって決定され、特許文献１の装置では、キャリアポケット内において平面的には不均一なポテンシャル分布が生じてしまう。
【００１１】
キャリアポケットは、光発生電荷が蓄積されることでポテンシャルが高くなり、これにより表面チャネル電位を変化させてチャネル電流を流れやすくする。ところが、例えば、低照度の場合のように、光発生電荷の発生量が比較的少ない場合には、キャリアポケットのポテンシャルが低い部分のみに、光発生電荷が蓄積されやすくなる。
【００１２】
即ち、低照度時には、キャリアポケットの一部の領域のみに光発生電荷が蓄積されて閾値変調が行われるが、キャリアポケットの大部分の領域については、光発生電荷が蓄積されず閾値変調は行われない。
【００１３】
このため、光発生電荷の発生量が比較的少ない状態では、信号出力の立上りが鈍く、リニアリティも悪い。このような画素が１次元又は２次元に配列されて画面が構成される場合には、例えば低照度時には、画素毎に出力にばらつきが生じやすく、固定パターンノイズが現れてしまうという問題点があった。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、光発生電荷の発生量が少ない場合でも信号出力のリニアリティを確保することができ、固定パターンノイズの発生を抑制することができる固体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】
【００１５】
本発明に係る固体撮像装置は、
入射光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合う領域に配置された変調トランジスタであって、前記光発生電荷の電荷量に応じた信号を生成する前記変調トランジスタと、
を含む固体撮像装置において、
前記変調トランジスタは、
環状ゲートと、
前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、
前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケットと、を含み、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離とは異なる。
【００１６】
本発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、入射した光に応じた光発生電荷を発生する。光電変換素子には変調トランジスタが隣接配置されており、変調トランジスタを構成する環状のゲートの中央開口には、ソース領域が形成される。このソース領域と光電変換素子との間には、キャリアポケットが形成される。光電変換素子からの光発生電荷は、キャリアポケットに保持される。こうして、変調トランジスタの閾値が変化して、変調トランジスタから入射光量に応じた出力が得られる。また、キャリアポケットの外縁辺から環状ゲートの外縁辺までの距離は、環状ゲートと光電変換素子とが隣り合う領域とそれ以外の領域とで異なる。これにより、環状ゲートと光電変換素子とが隣り合う領域とそれ以外の領域とでは、例えば、環状ゲートの外縁辺に隣接するドレイン領域によるポテンシャルへの影響が異なる。また、例えば、環状ゲートと光電変換素子とが隣り合う領域とそれ以外の領域とでは、ドレイン電圧によるポテンシャルの影響も変化する。これらの理由から、例えば、環状ゲートと光電変換素子とが隣り合う領域のキャリアポケットのポテンシャルに対するドレイン領域の影響を大きくすることができ、キャリアポケットのポテンシャルを調整して、キャリアポケット全域において一様なポテンシャルを得ることを可能にする。これにより、出力のリニアリティが確保される。
【００１７】
また、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離よりも短い。
【００１８】
本発明の実施の形態によれば、環状ゲートと光電変換素子形成領域とが隣り合う領域においては、他の領域よりもキャリアポケットのポテンシャルに対するドレイン領域の影響が大きくなり、キャリアポケット全域において一様なポテンシャルを得ることを可能にする。
【００１９】
また、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記環状ゲートの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記環状ゲートの外縁辺と内縁辺との距離とは異なる長さに形成される。
【００２０】
本発明の実施の形態によれば、キャリアポケットの外縁辺から環状ゲートの外縁辺までの距離を、環状ゲートと光電変換素子形成領域とが隣り合う領域においてそれ以外の領域における距離と異ならせることができる。
【００２１】
本発明に係る固体撮像装置は、
入射光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合う領域に配置された変調トランジスタであって、前記光発生電荷の電荷量に応じた信号を生成する前記変調トランジスタと、
を含む固体撮像装置において、
前記変調トランジスタは、
環状ゲートと、
前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、
前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケットと、を含み、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離と異なる。
【００２２】
本発明の実施の形態によれば、環状ゲートと光電変換素子形成領域とが隣り合う領域とそれ以外の領域とで、総電荷量を異ならせてポテンシャルを制御することができる。これにより、キャリアポケット全域において一様なポテンシャルを得ることを可能にして、出力のリニアリティを確保する。
【００２３】
また、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離よりも短い。
【００２４】
本発明の実施の形態によれば、環状ゲートと光電変換素子形成領域とが隣り合う領域ではそれ以外の領域よりもキャリアポケットのポテンシャルが低くなる傾向となる。これにより、キャリアポケット全域において一様なポテンシャルを得ることを可能にする。
【００２５】
本発明に係る固体撮像装置は、
入射光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合う領域に配置された変調トランジスタであって、前記光発生電荷の電荷量に応じた信号を生成する前記変調トランジスタと、
を含む固体撮像装置において、
前記変調トランジスタは、
環状ゲートと、
前記環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、
前記環状ゲートの外側に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記光電変換素子との間に位置する前記環状ゲートの下方に形成されたキャリアポケットであって、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる前記キャリアポケットと、を含み、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺から前記環状ゲートの外縁辺までの距離と異なり、
前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離は、前記環状ゲートと前記光電変換素子とが隣り合う領域以外の領域における前記キャリアポケットの外縁辺と内縁辺との距離と異なる。
【００２６】
本発明の実施の形態によれば、環状ゲートと光電変換素子形成領域とが隣り合う領域とそれ以外の領域とで、例えば、ドレイン領域によるポテンシャルへの影響やドレイン電圧によるポテンシャルの影響が変化する。更に、環状ゲートと光電変換素子形成領域とが隣り合う領域とそれ以外の領域とで、総電荷量を異ならせてポテンシャルを制御することができる。これにより、キャリアポケット全域において一様なポテンシャルを得ることを可能にして、出力のリニアリティを確保する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面を模式的に示す説明図である。
【００２９】
＜センサセルの平面形状＞
本実施の形態の固体撮像装置は、複数のセンサセルが基板平面上に２次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイを有している。図１はセンサセルアレイ中の１つのセンサセルのみを示している。各センサセルは相互に同一構成である。各センサセルは、フォトダイオード及び変調トランジスタを有している。フォトダイオードは、入射光に応じて光発生電荷を発生する。変調トランジスタは、フォトダイオードによって発生した光発生電荷を蓄積するキャリアポケットを含み、キャリアポケットに蓄積された光発生電荷に基づく出力を出力する。図１の各センサセルをマトリクス状に配列することで１画面の画像信号が得られる。
【００３０】
センサセル１は、夫々フォトダイオード形成領域において、入射光に応じて光発生電荷を発生させるフォトダイオードＰＤが形成されている。また、センサセル１は、このフォトダイオード形成領域に隣接して、光発生電荷に応じた画素信号を出力するための変調トランジスタＴＭの形成領域（変調トランジスタ形成領域）が設けられる。
【００３１】
フォトダイオード形成領域において、入射光に応じた光発生電荷が発生する。フォトダイオード形成領域に隣接して、変調トランジスタＴＭを構成する環状のリングゲート６が形成されている。リングゲート６の平面形状は例えば８角形である。なお、リングゲート６の平面形状は特に限定されるものではなく、四角形状等の任意の多角形状又は円形状でもよい。リングゲート６は中央が開口しており、この開口部分６ｄの下方にソース領域７が設けられる。ソース領域７は図示しないコンタクト部を介して図示しないソース線（データ線）に接続される。
【００３２】
なお、フォトダイオード形成領域及び変調トランジスタＴＭのリングゲート６の外側の領域はドレイン領域８であり、ドレイン領域８はコンタクト部８ａを介して図示しないドレイン配線に接続される。なお、基板表面においては、フォトダイオード形成領域上にも、ドレイン領域８が形成されている。
【００３３】
リングゲート６の下方（基板内）には、光発生電荷が蓄積されるキャリアポケット１０（斜線部）が形成されている。キャリアポケット１０はリングゲート６に沿った形状に形成されており、図１の例では、平面形状は中央が開口した８角形状である。
【００３４】
＜センサセルの断面形状＞
次に、センサセル１の断面構造を説明する。図２の例は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。
【００３５】
各セルは、フォトダイオード形成領域と変調トランジスタ形成領域とを有している。Ｐ型基板１ａの全域にＮ型ウェル２１，２１’が形成されている。フォトダイオード形成領域のＮ型ウェル２１上には、Ｐ型の収集ウェル４が形成されている。収集ウェル４上の基板表面側には、ピニング層としても機能するＮ型の不純物層３２が形成されている。Ｎ型ウェル２１は基板の比較的深い位置まで形成されている。
【００３６】
一方、変調トランジスタＴＭ形成領域においては、Ｎ型ウェル２１’は基板１ａの比較的浅い位置までに制限される。Ｎ型ウェル２１’上には、Ｐ型の変調用ウェル５が形成されている。変調用ウェル５内には、キャリアポケット１０が形成されている。キャリアポケット１０は、Ｐ+拡散による比較的濃い濃度の不純物層である。基板表面の変調トランジスタ形成領域には、酸化膜３１を介して環状のリングゲート６が形成されている。
【００３７】
リングゲート６の中央開口部の基板表面にはＮ+不純物層が形成されてソース領域７を構成する。また、リングゲート６の周囲の基板表面にはＮ型不純物層が形成されてドレイン領域８を構成する。
【００３８】
リングゲート６下の基板表面にはチャネルを構成するＮ型の不純物層２７が形成され、Ｎ型不純物層２７はソース領域７とドレイン領域８とに電気的に接続される。変調トランジスタＴＭとしては、例えば、ＮチャネルディプレッションＭＯＳトランジスタが用いられる。
【００３９】
ドレイン領域８、ウェル２１、ウェル２１’及び不純物層３２がドレイン電圧の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードの開口領域下方においては、不純物層３２と収集ウェル４との境界面、ウェル２１と収集ウェル４の境界面から空乏層が収集ウェル４の全体およびその周囲に広がる。空乏領域において、開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、上述したように、発生した光発生電荷は収集ウェル４に収集され、更に変調用ウェル５に転送されてキャリアポケット１０に保持される。これにより、変調トランジスタＴＭのソース電位は、変調用ウェル５に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードＰＤへの入射光に応じたものとなる。
【００４０】
＜装置全体の回路構成＞
図３はセンサセル１をマトリクス状に配置して構成したセンサセルアレイを用いた固体撮像装置全体の回路構成を等価回路によって示す回路ブロック図である。
【００４１】
図３に示すように、図１のセンサセル１をマトリクス状に配置してセンサセルアレイ６２が構成される。本実施の形態における固体撮像装置６１は、センサセルアレイ６２とセンサセルアレイ６２中の各センサセル１を駆動する回路６３〜６５とを有している。センサセルアレイ６２は、例えば、６４０×４８０のセル１と、オプティカルブラック（ＯＢ）のための領域（ＯＢ領域）を含む。ＯＢ領域を含めると、センサセルアレイ６２は例えば７１２×５００のセル１で構成される。
【００４２】
図１のフォトダイオード形成領域に構成されるフォトダイオードは、図３におけるフォトダイオードＰＤに相当する。また、センサセル１の変調トランジスタ形成領域に構成される変調トランジスタは、図３において変調トランジスタＴＭで示している。
【００４３】
上述したように、各センサセル１は、光電変換を行うフォトダイオードＰＤと、光信号を検出して読み出すための変調トランジスタＴＭとを含む。フォトダイオードＰＤは入射光に応じた電荷（光発生電荷）を生じさせ、生じた電荷は収集ウェル４（図３では接続点ＰＤＷに相当）を介して変調トランジスタＴＭの閾値変調用の変調用ウェル５（図３では接続点ＴＭＷに相当）内のキャリアポケット１０に転送されて保持される。
【００４４】
変調トランジスタＴＭは、キャリアポケット１０に光発生電荷が保持されることでバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット１０内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタＴＭのソース電圧は、キャリアポケット１０内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードＰＤの入射光の明るさに対応したものとなる。
【００４５】
このように各セル１は、変調トランジスタＴＭのリングゲート６、ソース領域７及びドレイン領域８に駆動信号が印加されることで、蓄積、転送、読み出し及びクリア等の動作を呈する。セル１の各部には図３に示すように、垂直駆動走査回路６３、ドレイン駆動回路６４及び水平駆動走査回路６５から信号が供給されるようになっている。垂直駆動走査回路６３は、各行のゲート線６７に走査信号を供給し、ドレイン駆動回路６４は各列のドレイン領域８にドレイン電圧を印加する。また、水平駆動走査回路６５は、各ソース線６６に接続されたスイッチ６８に駆動信号を供給する。
【００４６】
各セル１は、センサセルアレイ６２に水平方向に配列された複数のソース線６６と垂直方向に配列された複数のゲート線６７との交点に対応して設けられている。水平方向に配列された各ラインの各セル１は、変調トランジスタＴＭのリングゲート６が共通のゲート線６７に接続され、垂直方向に配列された各列の各セル１は、変調トランジスタＴＭのソース領域７が共通のソース線６６に接続される。
【００４７】
複数のゲート線６７の１つにオン信号（選択ゲート電圧）を供給することで、オン信号が供給されたゲート線６７に共通接続された各セルが同時に選択されて、これらの選択されたセルの各ソース領域７から各ソース線６６を介して画素信号が出力される。垂直駆動走査回路６３は１フレーム期間においてゲート線６７にオン信号を順次シフトさせながら供給する。オン信号が供給されたラインの各セルからの画素信号が１ライン分同時に各ソース線６６から読み出されて各スイッチ６８に供給される。１ライン分の画素信号は水平駆動走査回路６５によって、スイッチ６８から画素毎に順次出力（ライン出力）される。
【００４８】
各ソース線６６に接続されたスイッチ６８は、共通の定電流源（負荷回路）６９を介して映像信号出力端子７０に接続されている。各センサセル１の変調トランジスタＴＭのソース領域７は定電流源６９に接続されることになり、センサセル１のソースフォロワ回路が構成される。
【００４９】
＜特徴的な構成＞
本実施の形態においては、リングゲート６の外縁辺と内縁辺との距離（ゲート長）は、リングゲート６、フォトダイオード形成領域同士が隣り合う領域とそれ以外の領域とで異なる長さに形成されている。これにより、本実施の形態においては、キャリアポケット１０の外縁辺からリングゲート６の外縁辺までの距離は、リングゲート６とフォトダイオード形成領域とが隣り合う領域においてそれ以外の部分よりも短くなっている。即ち、図１において、ｄ２＞ｄ１である。本実施の形態においては、この構成によって固定パターンノイズの発生を防止するようになっている。
【００５０】
次に、図４及び図５を参照して、固定パターンノイズの発生原因の１つを説明する。
【００５１】
図４は図１及び図２の固体撮像装置のリングゲート６に代えて、外縁辺と内縁辺との距離（ゲート長）がいずれの位置においても同一なリングゲート１６を採用した例を示している。図４の例では、キャリアポケット１０の外縁辺からリングゲート１６の外縁辺までの距離は、いずれの径方向においても同一である。
【００５２】
図５は図４のＢ−Ｂ’線の位置におけるポテンシャルの変化を示している。Ｂ−Ｂ’線の両端は、ドレイン領域８に相当し、同一ポテンシャルである。光発生電荷の蓄積期間においては、フォトダイオード形成領域の収集ウェル４が空乏化することによって、Ｂ’位置近傍において、ドレイン領域８からＰ型の収集ウェル４に向かってポテンシャルが低下する（図５参照）。一方、変調トランジスタ形成領域側（Ｂ位置）においては、ドレイン領域８の近傍にキャリアポケット１０が配置されるので、キャリアポケット１０縁辺部におけるポテンシャルの低下は比較的小さい（図５参照）。
【００５３】
キャリアポケット１０は平面的には均一な濃度で形成され、また、径方向のいずれの位置においても均一な幅で形成されており、キャリアポケット１０の縁辺部におけるポテンシャルに従ってポテンシャルが変化する。
【００５４】
こうして、図５に示すように、この場合には、キャリアポケット１０は、フォトダイオード形成領域側において他の部分よりもポテンシャルが低い領域が発生する。そうすると、上述したように、特に低照度時におけるリニアリティが悪化し、また、センサセル毎のばらつきも大きくなって、固定パターンノイズが発生する。
【００５５】
そこで、本実施の形態においては、リングゲート６の外縁辺とキャリアポケット１０の外縁辺との距離をフォトダイオード形成領域側とその他の部分とで変えることにより、キャリアポケット１０のポテンシャル分布を均一にするようになっている。
【００５６】
図１において、リングゲート６の外縁辺とキャリアポケット１０の外縁辺との距離は、リングゲート６とフォトダイオード形成領域とが隣り合う領域において、その他の領域よりも狭くなっている。これにより、リングゲート６とフォトダイオード形成領域とが隣り合う領域においては、キャリアポケット１０の外縁辺とリングゲート６の外周に形成されるドレイン領域８との距離が、他の部分よりも短くなる。従って、キャリアポケット１０のポテンシャルに対するドレイン領域８の影響が大きくなる。
【００５７】
即ち、一方導電型のキャリアポケット１０は、他方導電型のドレイン領域８によって、フォトダイオード形成領域側のキャリアポケット１０の部分（以下、キャリアポケット１０ａという）のポテンシャルは持ち上げられ、結果的にフォトダイオード形成領域側以外のキャリアポケット１０の部分（以下、キャリアポケット１０ｂという）のポテンシャルと同等のポテンシャル分布に変化する。
【００５８】
＜作用＞
次に、このように構成された実施の形態の作用について図６を参照して説明する。図６は図２のＢ−Ｂ’線の位置におけるホールを基準としたポテンシャルを示す説明図である。
【００５９】
変調トランジスタＴＭのリングゲート６に低いゲート電圧を印加し、ドレイン領域８にトランジスタの動作に必要な例えば約０〜２Ｖの電圧（ＶＤＤ）を印加する。これにより、収集ウェル４およびその周囲が空乏化する。
【００６０】
この場合には、図６のＢ’近傍に示すように、収集ウェル４のポテンシャルは、空乏化によって低下する。収集ウェル４内におけるポテンシャルの変化は小さく、収集ウェル４のポテンシャルは、キャリアポケット１０ａの外縁辺まで殆ど変化しない。一方、キャリアポケット１０ｂ側においては、ドレイン領域８のポテンシャルは、キャリアポケット１０ｂの外縁辺まで殆ど変化しない。
【００６１】
フォトダイオード形成領域２に入射した光が、空乏化領域に入射することで、電子−正孔対（光発生電荷）が生じる。Ｐ型の収集ウェル４はＰ型不純物が導入されてポテンシャルが低くなっており、空乏層内に発生した光発生電荷は収集ウェル４に収集される。更に、光発生電荷は収集ウェル４から変調トランジスタ形成領域内の変調用ウェル５に転送されて、キャリアポケット１０に蓄積される。
【００６２】
トランジスタ形成領域には、高濃度不純物層であるキャリアポケット１０が形成されている。収集ウェル４から変調用ウェル５側に転送された光発生電荷は、キャリアポケット１０に蓄積される。
【００６３】
本実施の形態においては、リングゲート６のフォトダイオード形成領域側の部分（以下、リングゲート６ａという）の外縁辺とキャリアポケット１０ａの外縁辺との距離ｄ１は、リングゲート６のフォトダイオード形成領域側以外の部分（以下、リングゲート６ｂという）の外縁辺とキャリアポケット１０ｂの外縁辺との距離ｄ２よりも小さくなっている。即ち、キャリアポケット１０ａの外縁辺は、リングゲート６ａの外縁辺近傍の不純物層３２との距離が、他の部分よりも短くなる。これにより、キャリアポケット１０ａの外縁辺近傍のポテンシャルに対するドレイン領域８の影響が大きくなり、図６に示すように、キャリアポケット１０ａのポテンシャルが持ち上げられる。
【００６４】
なお、ドレイン領域８の影響は、キャリアポケット１０ａだけでなく、リングゲート６ａの外縁辺近傍部分の収集ウェル４にも働くので、収集ウェル４とキャリアポケット１０ａとの境界近傍におけるポテンシャルが若干高くなっている。
【００６５】
また、ドレイン領域８からキャリアポケット１０ａまでの距離が短くなっているので、キャリアポケット１０ａのポテンシャルは、ドレイン電圧の影響も受けやすくなる。また、基板表面の不純物層３２は、リングゲート６をマスクとしたイオン注入によって形成されている。本実施の形態においては、リングゲート６ａの幅をリングゲート６ｂに比べて狭くしており、図２では図示を省略したが、不純物層３２によって、リングゲート６ａの外縁辺近傍における収集ウェル４が侵食され、キャリアポケット１０ａの外縁辺近傍のポテンシャルが上がりやすくなっている。
【００６６】
更に、本実施の形態においては、リングゲート６ａの幅をリングゲート６ｂに比べて狭くしており、基板深さが深いＮ型ウェル２１をキャリアポケット１０ａの外縁辺近傍まで広げることも可能である。この場合には、キャリアポケット１０ａがこのＮ型ウェル２１の影響を受けやすくなり、ポテンシャルを一層高くすることができる。
【００６７】
こうして、図６に示すように、結果的に、キャリアポケット１０ａ，１０ｂのポテンシャルは、水平面内では略均一となる。これにより、収集ウェル４から転送されたホールは、キャリアポケット１０の全域において、一様に蓄積される。キャリアポケット１０に蓄積された光発生電荷によって、変調トランジスタＴＭの閾値電圧が変化する。この状態で、選択画素のリングゲート６に例えば約２〜４Ｖのゲート電圧（選択ゲート電圧）を印加し、ドレイン領域８に例えば約２〜４Ｖの電圧ＶＤＤを印加する。更に、変調トランジスタＴＭのソース領域７に定電流源６９によって一定の電流を流す。これにより、変調トランジスタＴＭはソースフォロワ回路を形成し、光発生電荷による変調トランジスタＴＭの閾値電圧の変動に追随してソース電位が変化して、出力電圧が変化する。即ち、入射光に応じた出力が得られる。
【００６８】
この場合において、キャリアポケット１０の全域において一様に光発生電荷が蓄積されるので、表面チャネルはいずれの位置においても同様に電流が流れやすくなって均一にチャネル電流が流れる。従って、低照度時であっても、入射光量に応じたリニアリティに優れた出力（ソース電位）を得ることができる。これにより、低照度時のように光発生電荷の発生量が少ない場合でも、固定パターンノイズの発生を防止することができる。
【００６９】
初期化時には、キャリアポケット１０、収集ウェル４及び変調用ウェル５内に残留する電荷は排出される。例えば、変調トランジスタＴＭのドレイン領域８及びリングゲート６に５Ｖ以上の正電圧を印加する。変調用ウェル５下方のＮ型ウェル２１’の厚さは薄く、リングゲート６に印加した電圧は変調用ウェル５及びその隣接領域にのみ作用する。即ち、変調用ウェル５に急激なポテンシャル変化が生じ、光発生電荷を基板１ａ側に掃き出すような強い電界が主として変調用ウェル５に印加されて、残留した光発生電荷は、比較的低いリセット電圧でより確実に基板１ａに排出される。
【００７０】
初期化後において、非選択画素のリングゲート６には、比較的低い電圧値の非選択ゲート電圧を印加すると共に、選択画素のリングゲート６には比較的高い電圧値の選択ゲート電圧を印加する。そして、共通接続されたソース線６６から、選択画素の初期化後の信号出力を得る。
【００７１】
このように、本実施の形態においては、キャリアポケットの外縁辺からリングゲートの外縁辺までの距離は、フォトダイオード形成領域側においてそれ以外の部分よりも短くなっている。これにより、キャリアポケットのポテンシャル分布を平面的には略一様にすることができ、リニアリティに優れた出力を得ることができる。従って、本実施の形態を採用することで、固定パターンノイズが生じない高画質の画像を得ることができる。
【００７２】
［第２の実施の形態］
図７及び図８は本発明の第２の実施の形態に係り、図７は第２の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図であり、図８は図７のセンサセルの断面形状を模式的に示す説明図である。図８は図７のＡ−Ａ’線の断面を示している。図７及び図８において、図１、図２及び図４と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００７３】
本実施の形態においては、センサセル１１は、リングゲート１６の平面形状が、図４と同様であり、径方向のいずれの位置においても、外縁辺と内縁辺との距離（ゲート長）は均一に構成される。本実施の形態においては、キャリアポケット１０に代えてキャリアポケット２０（斜線部）を採用している。
【００７４】
キャリアポケット２０は、フォトダイオード形成領域側のリングゲート１６の部分（以下、リングゲート１６ａという）の下方に形成される部分（以下、キャリアポケット２０ａという）と、リングゲート１６の他の部分（以下、リングゲート１６ｂという）の下方に形成される部分（以下、キャリアポケット２０ｂという）とで、相互に異なる幅に形成される。即ち、図７に示すように、キャリアポケット２０ａの幅ｄ３とキャリアポケット２０ｂの幅ｄ４とは、ｄ３＜ｄ４の関係に設定される。
【００７５】
キャリアポケット２０は、基板表面側から図示しないマスクを介して不純物を注入することによって形成される。イオン注入時の単位面積あたりのドーズ量及び注入エネルギーが、キャリアポケット２０の全域で同一であるものとすると、キャリアポケット２０ａとキャリアポケット２０ｂとでは総電荷量が相互に異なる。即ち、図８のＢ−Ｂ’線に直交する方向の単位距離当たりでは、キャリアポケット２０ａの方がキャリアポケット２０ｂよりも面積が小さく、総電荷量も少ない。従って、キャリアポケット２０ａ側のポテンシャルはキャリアポケット２０ｂに比べてホールを基準にすると高くなる傾向となる。
【００７６】
上述した３次元効果のうちの他の要因によって、図５に示すように、キャリアポケット２０ａのポテンシャルはキャリアポケット２０ｂに比べて下がる傾向となる。こうして、本実施の形態では、結果的に、キャリアポケット２０ａのポテンシャルとキャリアポケット２０ｂのポテンシャルとを、図６と同様に、略一致させることができる。
【００７７】
他の作用効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
［第３の実施の形態］
図９及び図１０は本発明の第３の実施の形態に係り、図９は第３の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図であり、図１０は図９のセンサセルの断面形状を模式的に示す説明図である。図１０は図９のＡ−Ａ’線の断面を示している。図９及び図１０において、図１、図２、図７及び図８と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００７９】
本実施の形態は、第１及び第２の実施の形態を組み合わせた例を示している。図９のセンサセル２１は、リングゲート６’が、図１及び図２のリングゲート６と同様に、外縁辺と内縁辺との距離（ゲート長）が、リングゲート６’とフォトダイオード形成領域とが隣り合う領域とそれ以外の領域とで異なる長さに形成されている。これにより、本実施の形態においては、キャリアポケット２０の外縁辺からリングゲート６’の外縁辺までの距離は、リングゲート６’とフォトダイオード形成領域とが隣り合う領域においてそれ以外の領域よりも短くなっている。即ち、図９において、ｄ２＞ｄ５である。
【００８０】
また、本実施の形態においては、キャリアポケット２０の構成は、図７と同様である。即ち、キャリアポケット２０は、フォトダイオード形成領域側のリングゲート６’の部分（以下、リングゲート６ａ’という）の下方に形成される部分（キャリアポケット２０ａ）と、リングゲート６’の他の部分（以下、リングゲート６ｂ’という）の下方に形成される部分（キャリアポケット２０ｂ）とで、相互に異なる幅に形成される。即ち、図９に示すように、キャリアポケット２０ａの幅ｄ３とキャリアポケット２０ｂの幅ｄ４とは、ｄ３＜ｄ４の関係に設定される。
【００８１】
このような構成によれば、キャリアポケット２０ａのポテンシャルは、例えば、不純物層３２（ドレイン領域８）の影響によって高くなる傾向となる。また、キャリアポケット２０ａは、図１０のＢ−Ｂ’線に直交する方向の単位距離当たりでは、面積がキャリアポケット２０ｂよりも小さく、総電荷量も少ない。従って、キャリアポケット２０ａ側のポテンシャルはキャリアポケット２０ｂに比べてホールを基準にすると高くなる傾向となる。
【００８２】
これらの作用によって、本実施の形態では、結果的に、キャリアポケット２０ａのポテンシャルとキャリアポケット２０ｂのポテンシャルとを、図６と同様に、略一致させることができる。
【００８３】
他の作用効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００８４】
なお、第３の実施の形態においては、リングゲート６ａ’の外縁辺とキャリアポケット２０ａの外縁辺までの距離ｄ５とリングゲート６ｂ’の外縁辺とキャリアポケット２０ｂの外縁辺までの距離ｄ２との関係をｄ２＞ｄ５とし、キャリアポケット２０ａの外縁辺と内縁辺との間の幅ｄ３とキャリアポケット２０ｂの外縁辺と内縁辺との間の幅ｄ４との関係をｄ４＞ｄ３とした。しかし、必ずしもこの関係を常に成立させる必要はなく、３次元効果を与える他の種々の要因、或いは、ｄ２〜ｄ５の値の設定等によっては、ｄ２＜ｄ５又はｄ４＜ｄ３の関係を成立させることもあり得る。
【００８５】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。例えば、上記実施の形態においては、リングゲート及びキャリアポケットのフォトダイオード形成領域に対向する辺のみについて、距離の関係を変更する例を説明したが、この辺に隣接する辺についても、変更を加えるようにしてもよい。
【００８６】
更に、第２及び第３の実施の形態においては、キャリアポケットの内縁辺とリングゲートの内縁辺との距離が、径方向の一部で変化してもよいものとして説明したが、この距離を全域で一定にするように、キャリアポケットの幅を変更するように設定することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ'線に沿った断面を模式的に示す説明図。
【図３】センサセル１をマトリクス状に配置して構成したセンサセルアレイを用いた固体撮像装置全体の回路構成を等価回路によって示す回路ブロック図。
【図４】固定パターンノイズの発生原因を説明するための説明図。
【図５】固定パターンノイズの発生原因を説明するための説明図。
【図６】第１の実施の形態の作用を説明するための説明図。
【図７】第２の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図。
【図８】図７のセンサセルの断面形状を模式的に示す説明図。
【図９】第３の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図。
【図１０】図９のセンサセルの断面形状を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
【００８８】
４…収集ウェル、５…変調用ウェル、８…ドレイン領域、ＰＤ…フォトダイオード形成領域、ＴＭ…変調トランジスタ形成領域、６…リングゲート、１０…キャリアポケット。
【図１】
2006253177.tif 000003
【図２】
2006253177.tif 000004
【図３】
2006253177.tif 000005
【図４】
2006253177.tif 000006
【図５】
2006253177.tif 000007
【図６】
2006253177.tif 000008
【図７】
2006253177.tif 000009
【図８】
2006253177.tif 000010
【図９】
2006253177.tif 000011
【図１０】
2006253177.tif 000012