(57)【要約】【課題】光電効果で発生した電子/正孔対の両方を利用することにより、高集積度で、高解像度の固体撮像装置を提供すること。【解決手段】第１導電型の半導体基板１１と、この半導体基板１１内の表面領域に設けられた第２導電型の正孔蓄積/転送領域１３と、この正孔蓄積/転送領域１３内に設けられた、第１導電型の受光領域１２と、この受光領域１２に対して所定の間隔をおいて前記正孔蓄積/転送領域１３内の表面領域に設けられた、第１導電型の電子転送領域１４と、前記半導体基板１１表面に形成されたゲート酸化膜１５と、このゲート酸化膜１５上の、前記受光領域１２および前記正孔蓄積/転送領域１３間に対応する位置に形成された第１の転送ゲート電極１６と、前記電子転送領域に接続された電子検出回路１７と、前記正孔蓄積/転送領域に蓄積された正孔を取り出す手段１３−１、２１と、この手段により取り出された正孔が供給される正孔検出回路１８と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、この半導体基板内の表面領域に設けられた第２導電型の正孔蓄積/転送領域と、この正孔蓄積/転送領域内に設けられた、第１導電型の受光領域と、この受光領域に対して所定の間隔をおいて前記正孔蓄積/転送領域内の表面領域に設けられた、第１導電型の電子転送領域と、前記半導体基板表面に形成されたゲート酸化膜と、このゲート酸化膜上の、前記受光領域および前記正孔蓄積/転送領域間に対応する位置に形成された第１の転送ゲート電極と、前記電子転送領域に接続された電子検出回路と、を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
更に、前記正孔蓄積/転送領域に蓄積された正孔を取り出す手段と、この手段により取り出された正孔が供給される正孔検出回路と、を備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電子検出回路は第１導電型のＭＯＳトランジスタにより構成され、前記正孔検出回路は第２導電型のＭＯＳトランジスタにより構成され、前記正孔取り出し手段は、前記正孔蓄積/転送領域に接続された導体であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記正孔取り出し手段は、前記正孔蓄積/転送領域に対して所定の間隔をおいて前記半導体基板内の表面領域に形成された、第２導電型の正孔転送領域と、この正孔転送領域および前記正孔蓄積/転送領域間の前記半導体基板の表面領域に形成された、第２導電型のチャンネル領域と、前記ゲート酸化膜上の、前記正孔転送領域および前記正孔蓄積/転送領域間に対応する位置に形成された第２の転送ゲート電極とにより構成されていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記電子検出回路および正孔検出回路は第１導電型のＭＯＳトランジスタにより構成され、前記第１の転送ゲートおよび第２の転送ゲート電極のうちの、一方を高レベル電位,他方を低レベル電位にリセットして基準信号電位とすることにより、蓄積電荷に対応する信号を読み出すようにしたことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に高集積度で、高解像度の固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年固体撮像装置では高解像度化/多画素化が進み、それに伴って、1画素の面積か小さくなっている。これは実際に光電効果に寄与する受光部が小さくなる事から、同じ明るさの環境下でも、1画素当りから得られる出力が小さくなる事を意味する。ノイズが大きく改善しない場合、出力が小さくなれば相対的にノイズが大きくなり、画質の劣化の原因となる、従来の固体撮像装置では、光電効果で発生した電子/正孔対の内、電子のみを出力として使用しており、入射光によって発生した正孔の電荷は利用されていなかった。
【特許文献１】特開２０００−２６９６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、光電効果で発生した電子/正孔対の両方を利用することにより、高集積度で、高解像度の固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板内の表面領域に設けられた第２導電型の正孔蓄積/転送領域と、この正孔蓄積/転送領域内に設けられた、第１導電型の受光領域と、この受光領域に対して所定の間隔をおいて前記正孔蓄積/転送領域内の表面領域に設けられた、第１導電型の電子転送領域と、前記半導体基板表面に形成されたゲート酸化膜と、このゲート酸化膜上の、前記受光領域および前記正孔蓄積/転送領域間に対応する位置に形成された第１の転送ゲート電極と、前記電子転送領域に接続された電子検出回路と、前記正孔蓄積/転送領域に蓄積された正孔を取り出す手段と、この手段により取り出された正孔が供給される正孔検出回路と、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
光電効果で発生した電子/正孔対の両方を利用することにより、高集積度で、高解像度の固体撮像装置構造が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０００７】
(実施形態1)
図１は固体撮像装置の１画素に対応する受光部と光電変換された画像情報の読み出し回路の構成を示す平面図である。また、図２は図１の破線Ａ−Ａ´に沿った断面図である。
【０００８】
これらの図に示されるように、例えばＮ型のＳｉ半導体基板１１の表面から一定の深さの部分には、Ｎ型の半導体領域からなる受光部１２が形成されている。この受光部１２は、その平面形状が、ほぼ正方形の隣接する２つの角部が除去された形状を有している。この受光部１２の周囲には、その一部が半導体基板１１の表面に達するＰ型の半導体領域からなり、正孔を蓄積/転送する正孔蓄積/転送領域１３が形成されている。この正孔蓄積/転送領域１３は、その平面形状が、図１に示されるように、ほぼ正方形であるが、１つの角部が拡大されている。この拡大された正孔蓄積/転送領域１３内には、受光部１２から僅かに離間されて、電子を転送する電子転送領域１４が形成されている。この電子転送領域１４はその一部が半導体基板１１の表面に達するＮ型の半導体領域からなっている。そして、この電子転送領域１４は、その平面形状が図１に示されるようにほぼ三角形であり、その一辺が、受光部１２の除去された角部に対して一定の間隔を置いて対向するように配置されている。
【０００９】
これらの各領域が形成された半導体基板１１の表面には、ＳｉＯ２からなるゲート酸化膜１５が形成される。このゲート酸化膜１５上には、受光部１２と電子転送領域１４の間の部分に、その平面形状が、ほぼ長方形の転送ゲート（ＴＧ）電極１６が配置される。この転送ゲート電極１６にはゲート制御線ＴＧｎが接続されている。このゲート制御線ＴＧｎは、図示しないが、転送ゲート電極１６をおよび半導体基板１１の表面を覆う絶縁膜上に多層配線されている。
【００１０】
電子転送領域１４には電子取り出し端子１４−１が設けられ、この端子は電子を検知するＮ−ｃｈトランジスタにより構成される電子検出回路１７の入力端子に接続されている。また、正孔蓄積/転送領域１３には正孔取り出し端子１３−１が設けられ、この端子は正孔を検知するＰ−ｃｈトランジスタにより構成される正孔検出回路１８の入力端子に接続されている。電子検出回路１７および正孔検出回路１８の出力端子Ｓ１、Ｓ２はそれぞれＡ／Ｄコンバータ１９の入力端子に接続され、出力側にはデジタル出力信号が取り出される。電子検出回路１７および正孔検出回路１８の出力端子ｓ１、ｓ２には、また、信号読み出し用の信号線Ｓが接続されている。
【００１１】
なお、図１および図２には、１画素分の回路装置（セル）のみ示されているが、実際の装置においては、複数個の画素に対応するセルがライン状あるいはマトリクス状に配列され、ゲート制御線ＴＧｎ、信号線ＳおよびＡ／Ｄコンバータ１９は、それらのセルに共通に利用される。
【００１２】
次にこのように構成された固体撮像装置の動作について図３および図４を用いて説明する。受光部１２に被写体からの入射光Ｌが入射すると、これによって電子/正孔対が発生し、正孔については従来装置では主に基板に排出され、信号出力には寄与していなかったが、本実施形態においては、受光部１２を取り囲む正孔蓄積/転送領域１３内に蓄積される。この実施形態における固体撮像装置は、入射光Ｌが入射する前後の定常状態においては、ゲート制御線ＴＧｎの電位はグランドレベル、すなわち、Ｌｏｗレベルとする。この状態において正孔蓄積/転送領域１３内に蓄積された正孔は、正孔取り出し端子１３−１を介して外部に取り出され、正孔検出回路１８に供給される。正孔検出回路１８は、供給された正孔を検出し、その量に応じた正のアナログ電位出力をその出力端子ｓ2に発生する。
【００１３】
他方、入射光Ｌの入射により受光部１２に発生した電子/正孔対の内の電子は、転送ゲートTGを所定の正電位、すなわちＨｉｇｈレベルとすることにより、受光部１２と電子転送領域１４間の正孔蓄積/転送領域１３の表面領域に形成されたNチャネル、電子取り出し端子１４−１を介して外部に取り出される。電子取り出し端子１４−１を介して外部に取り出された電子は、電子検出回路１７の入力端子に供給される。電子検出回路１７は、供給された電子を検出し、その量に応じた正のアナログ電位出力をその出力端子ｓ１に発生する。
【００１４】
電子検出回路１７の出力端子ｓ１および正孔検出回路１８の出力端子ｓ２に発生した正のアナログ電位出力はともにＡ／Ｄコンバータ１９の入力端子に供給されることにより加算され、その出力端子にデジタル変換された信号出力が得られる。この出力は信号線Ｓに読み出される。
【００１５】
このように、Ａ／Ｄコンバータ１９の出力端には、固体撮像装置の出力信号として、電子検出回路１７の出力と正孔検出回路１８の出力とが加算された信号が出力されるため、電子単独の場合の出力と比較して最大2倍の出力が得られる。
【００１６】
(実施形態2)
図５は本発明の固体撮像装置の第２の実施形態を示す平面図であり、１画素に対応する受光部と光電変換された画像情報の読み出し回路の構成を示すである。また、図６は図５の破線Ｂ−Ｂ´に沿った断面図である。これらの図において、図１および図２に対応する構成部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００１７】
この実施の形態においては、半導体基板１１内の正孔蓄積/転送領域１３から僅かに離れた部分に、その一部が半導体基板１１の表面に達するＰ型の半導体領域からなり、正孔を転送する正孔転送領域２１が形成されている。この正孔蓄積/転送領域１３および正孔転送領域２１の間の半導体基板１１の表面部分には、Ｐチャンネル領域２２が形成されている。また、正孔蓄積/転送領域１３および正孔転送領域２１の間の位置に対応する、ゲート酸化膜１５上には第２の転送ゲート電極ＴＧ２が設けられている。ここで、受光部１２と電子転送領域１４の間に設けられた第１の転送ゲート電極Ｔ１は、図１および図２における転送ゲート（ＴＧ）電極１６に対応している。正孔転送領域２１の平面形状は、図５に示されるように、ほぼ三角形であり、その一辺が、受光部１２の除去された角部に対して一定の間隔を置いて対向するように配置されている。また、第２の転送ゲート電極ＴＧ２の平面形状は、第１の転送ゲート電極Ｔ１と同様に、ほぼ長方形となっている。
【００１８】
第１の転送ゲート電極Ｔ１には第１のゲート制御線ＴＧｎが接続されている。この第１のゲート制御線ＴＧｎは図１又は図２に示したゲート制御線ＴＧｎに対応している。これに対して、第２の転送ゲート電極ＴＧ２には、第２のゲート制御線ＴＧｎ´が接続されている。この第２のゲート制御線ＴＧｎ´は、図示しないが、第１のゲート制御線ＴＧｎと同様に、第１の転送ゲート電極Ｔ１、第２の転送ゲート電極ＴＧ２および半導体基板１１の表面を覆う絶縁膜上に多層配線されている。第１のゲート制御線ＴＧｎと第２のゲート制御線ＴＧｎ´には、互いに極性が反転した制御電圧が印加される。
【００１９】
前述したように、電子転送領域１４には電子取り出し端子１４−１が設けられ、この端子１４−１には第１の信号線Ｓ１が接続される。この端子１４−１はまた、電子を検知するＮ−ｃｈトランジスタにより構成される電子検出回路１７の入力端子に接続されている。また、正孔転送領域２１には正孔取り出し端子２１−１が設けられ、この端子には第２の信号線Ｓ２が接続される。この端子２１−１はまた、正孔を検知するＮ−ｃｈトランジスタにより構成される正孔検出回路２３の入力端子に接続されている。電子検出回路１７および正孔検出回路２３の出力端子ｓ１、ｓ２はそれぞれ第１のＡ／Ｄコンバータ２４および第２のＡ／Ｄコンバータ２５の入力端子に接続され、出力側にはデジタル出力信号が取り出される。第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５の出力信号は差分回路２６の入力端子に供給され、その出力端に固体撮像装置の出力信号２７が得られる。
【００２０】
次にこのように構成された固体撮像装置の動作について図７乃至図９を用いて説明する。受光部１２に被写体からの入射光Ｌが入射すると、これによって電子/正孔対が発生し、正孔については従来装置では主に基板に排出され、信号出力には寄与していなかったが、本実施形態においては、受光部１２を取り囲む正孔蓄積/転送領域１３内に蓄積される。この電荷蓄積時には、第１のゲート制御線ＴＧｎはＬｏｗレベル、第２のゲート制御線ＴＧｎ´にはＨｉｇｈレベルの電圧が与えられる。これによって、第２の転送ゲート電極ＴＧ２にHighレベルの電位を印加して、第２の転送ゲート電極ＴＧ２直下のＰチャンネル２２を反転させ、正孔蓄積/転送領域１３から正孔転送領域２１への正孔の移動を阻止する。この状態においては、第１の転送ゲート電極Ｔ１にはＬｏｗレベルの電位が与えられているため、第１の転送ゲート電極Ｔ１の直下のＮ型半導体基板１１には反転は生じない。したがって、正孔蓄積/転送領域１３内に発生した電子も電子転送領域１４には移動しない。
【００２１】
次に信号読み出し時においては、第１のゲート制御線ＴＧｎはＨｉｇｈレベル、第２のゲート制御線ＴＧｎ´にはＬｏｗレベルの電圧が与えられる。これによって、第１の転送ゲート電極Ｔ１にはＨｉｇｈレベルの電位が与えられるため、第１の転送ゲート電極Ｔ１の直下のＰ型正孔蓄積/転送領域１３は反転し、Ｎチャンネルが形成される。したがって、正孔蓄積/転送領域１３内に発生した電子は電子転送領域１４に転送され、電子取り出し端子１４−１を介して外部に取り出される。取り出された電子は、Ｎ−ｃｈトランジスタにより構成される電子検出回路１７の入力端子に供給され、取り出された電子の量に応じたアナログ信号に変換される。
【００２２】
この信号読み出し時においては、また、第２の転送ゲート電極ＴＧ２にＬｏｗレベル電位が印加され、第２の転送ゲート電極ＴＧ２直下のＰチャンネル領域２２を反転させることはないため、正孔蓄積/転送領域１３から正孔転送領域２１への正孔が転送される。正孔転送領域２１へ移動した正孔は、正孔取り出し端子２１−１を介して取り出され、Ｎ−ｃｈトランジスタにより構成される正孔検出回路２３の入力端子に供給される。
【００２３】
ここで、電子が電子転送領域１４に転送され、正孔が転送領域２１へ転送される前に、第１の信号線Ｓ１をHighレベル電位にリセットし、第２の信号線S２をLowレベル電位にリセットして、第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５それぞれの出力を基準信号電位として保持する。電荷を読み出すと、第１のＡ／Ｄコンバータ２４（ADC1）の出力は基準信号電位より高くなり、第２のＡ／Ｄコンバータ２５（ADC2）の出力は基準信号電位より低くなり、それぞれの基準信号電位との差が第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５の出力電位となる。第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５の出力信号は差分回路２６の入力端子に供給され、その出力端に固体撮像装置の出力信号２７が得られる。
【００２４】
図９は入射光量に対する第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５の出力電位を示すグラフである。図からわかるように、第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５の出力電位であるADC1とADC2はともに入射光量に比例して増加するが、それらの極性は互いに逆の極性となる。このためADC1とADC2の出力の差分を取れば、電子単独の出力の場合と比較して振幅は最大2倍となる。
【００２５】
この実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、固体撮像装置の出力信号として、電子検出回路１７の出力と正孔検出回路２３の出力とが加算された信号が出力されるため、電子単独の場合の出力と比較して最大2倍の出力が得られる。
【００２６】
また、この実施形態によれば、電子検出回路１７および正孔検出回路２３はいずれもＮチャンネルトランジスタにより構成することができるため、受光部１２を中心とする画素形成領域内の装置分離領域を減らすことができ、これによって固体撮像装置の面積をより小さくできる。
【００２７】
なお、この実施形態においては、電子検出回路１７および正孔検出回路２３をＮチャンネルトランジスタにより構成したが、これらをＰチャンネルトランジスタで構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例にかかる固体撮像装置の１画素に対応する受光部と光電変換された画像情報の読み出し回路の構成を示す平面図である。
【図２】図１の破線Ａ−Ａ´に沿った断面図である。
【図３】図１に示す固体撮像装置の動作を説明するための断面図である。
【図４】同じく図１に示す固体撮像装置の動作を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の１画素に対応する受光部と光電変換された画像情報の読み出し回路の構成を示す平面図である。
【図６】図５の破線Ｂ−Ｂ´に沿った断面図である。
【図７】図５に示す固体撮像装置の動作を説明するための断面図である。
【図８】同じく図５に示す固体撮像装置の動作を説明するための断面図である。
【図９】図９は図５に示す固体撮像装置の入射光量に対する第１および第２のＡ／Ｄコンバータ２４、２５の出力電位を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１１…半導体基板
１２…受光部
１３…正孔蓄積/転送領域
１４…電子転送領域
１５…ゲート酸化膜
１６…転送ゲート電極
１７…電子検出回路
１８…正孔検出回路
１９…Ａ／Ｄコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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