(57)【要約】【課題】別体の昇圧用チップ素子等を用いることなく動作に必要なバイアス電圧を供給することができるＭＯＳ型固体撮像素子を用いた固体撮像装置を提供する。【解決手段】ＭＯＳ型固体撮像素子が構成された半導体基板上に昇圧回路を一体に構成し、この昇圧回路を、入力電圧を該入力電圧よりも高い電圧に変換するチャージポンプ回路１１と、このチャージポンプ回路１１から入力される電圧ＶＣＰを平滑化され安定化された電圧ＯＵＴに変換して出力するＬＤＯ回路１２と、を含んで構成した固体撮像装置。【選択図】  図１
2004241491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
上記半導体基板上に構成されたＭＯＳ型固体撮像素子と、
上記半導体基板上に構成された、入力電圧を該入力電圧よりも高い電圧に変換するチャージポンプ回路を含む昇圧回路と、
を具備したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
上記昇圧回路は、上記チャージポンプ回路から入力される電圧を平滑化され安定化された電圧に変換して出力する平滑安定化回路をさらに含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
上記平滑安定化回路は、当該平滑安定化回路からの出力電圧を、上記チャージポンプ回路から出力される電圧よりも低い所望の電圧に可変することができるように構成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
上記ＭＯＳ型固体撮像素子は、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇圧回路を内蔵した固体撮像装置に関する。
【従来の技術】
半導体イメージセンサは、従来より各種の方式のものが提案されていて、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）が広く用いられているが、その消費電力の低さからＭＯＳ型固体撮像素子であるＣＭＯＳイメージセンサも多く用いられるようになってきている。
さらに近年では、ＭＯＳ型固体撮像素子の中でも、特に閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子が、ＣＣＤの高性能画質とＣＭＯＳの低消費電力とを兼ね備えたものとして注目されている。この閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子は、画質の劣化を抑制し、高密度化および低コスト化を図ることができる特徴を備えており、具体的な技術としては、例えば特開平１１−１９５７７８号公報の明細書に開示されたものが挙げられる。
こうした優れた特徴を備える閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子は、例えば携帯電話等を始めとした、低消費電力でありながらより一層の高画質が求められる種々の画像入力装置に利用されることが期待されている。
画像入力装置の一例としての携帯電話は、撮像素子に対して２．８Ｖまたは２．５Ｖの電圧を供給するように構成されているのが一般的であるが、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子はバイアス電圧として例えば３．３Ｖが必要であるために、従来は、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子とは別体の昇圧用チップ素子を用いて３．３Ｖの電圧を生成するように図られていた。
この閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子の例に限らず、一般的なＭＯＳ型固体撮像素子においても、外部から供給される電圧と内部のバイアス電圧とが異なることがあり、同様にして、別体の昇圧用チップ素子を用いて必要な電圧を生成するようにしていた。
【特許文献１】
特開平１１−１９５７７８号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、別体の昇圧用チップ素子を用いると、部品点数が増加して製造コストや消費電力が増すとともに、基板等に実装する際の実装面積も大きくなってしまうために、可能な限りの小型化や低消費電力化が要求される携帯電話等の機器に採用するには、未だ改良の余地を残しているといえる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、別体の昇圧用チップ素子等を用いることなく動作に必要なバイアス電圧を供給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している。
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による固体撮像装置は、半導体基板と、上記半導体基板上に構成されたＭＯＳ型固体撮像素子と、上記半導体基板上に構成された入力電圧を該入力電圧よりも高い電圧に変換するチャージポンプ回路を含む昇圧回路と、を具備したものである。
本発明のこのような構成によれば、別体の昇圧用チップ素子等を用いることなく動作に必要な高いバイアス電圧を得ることが可能となる。
また、本発明による固体撮像装置は、上記昇圧回路が、上記チャージポンプ回路から入力される電圧を平滑化され安定化された電圧に変換して出力する平滑安定化回路をさらに含んで構成されたものである。
このような構成によれば、平滑化され安定化された電圧を供給することが可能となる。
さらに、本発明による固体撮像装置は、上記平滑安定化回路が、当該平滑安定化回路からの出力電圧を、上記チャージポンプ回路から出力される電圧よりも低い所望の電圧に可変することができるように構成されたものである。
このような構成によれば、必要に応じて所望の電圧を得ることが可能となり、種々のバイアス電圧に対応することが可能となる。
そして、本発明による固体撮像装置は、上記ＭＯＳ型固体撮像素子が、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子である。
このような構成によれば、特に閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子において、別体の昇圧用チップ素子等を用いることなく動作に必要な高いバイアス電圧を得ることが可能となる。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。◎
図１から図３は本発明の一実施形態を示したものであり、図１は昇圧回路の構成例を示す回路図、図２はチャージポンプ回路を動作させるために印加する信号を示すタイミングチャート、図３はイメージセンサＬＳＩの構成を示すブロック図である。
図３に示すように、このイメージセンサＬＳＩ１は、ＭＯＳ型固体撮像素子であるセンサセルアレイ２と、垂直シフトレジスタ３と、水平シフトレジスタ４と、タイミングジェネレータ５と、出力アンプ６と、バイアス回路７と、昇圧回路８と、を半導体基板９上に一体に構成することにより、１つのセンサチップとして構成されている。
センサセルアレイ２は、この実施形態においては閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子、すなわち、例えば特開平１１−１９５７７８号公報に記載されたような、フォトダイオードと光信号検出用絶縁ゲート型電界効果型ＭＯＳトランジスタとを含むセンサセルが、アレイ状（例えば６４０×４８０のセンサセル、オプティカルブラック領域を含めると例えば７１２×５００のセンサセル）に配列されたものとして構成されている。
センサセルについて、さらに詳述すると、フォトダイオードは、不純物拡散領域とウエル領域とを含んで構成され、光が入射すると、該入射光に応じたホール（正孔）がウエル領域内に発生する。このウエル領域は、光信号検出用ＭＯＳトランジスタと共有されていて、光信号検出用ＭＯＳトランジスタのゲート領域を構成している。フォトダイオードの不純物拡散領域と、光信号検出用ＭＯＳトランジスタのドレイン拡散領域とは、ウエル領域の表層に一体的に形成されている。上記ドレイン拡散領域は、リング状のゲート電極の外周部を取り囲むように形成されている。このリング状のゲート電極の中心部にはソース拡散領域が形成されている。ゲート電極下のウエル領域内であって、ソース拡散領域の周辺部には、ソース拡散領域を取り囲むようにキャリアポケットが形成されている。このようなセンサのさらに詳細な構造については、上記特開平１１−１９５７７８号公報に記載されている。
なお、ここでは閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子が性能的に優れているために一例として挙げているが、センサセルアレイ２の構成はこれに限るものではなく、一般的なＭＯＳ型固体撮像素子であれば構わない。
垂直シフトレジスタ３は、いわゆるワードラインである読み出しラインを指定するための回路である。水平シフトレジスタ４は、垂直シフトレジスタ３により指定された読み出しラインの内のカラムを順番に指定するための回路である。タイミングジェネレータ５は、各回路へ各種の制御信号をタイミングを合わせて供給するための回路である。出力アンプ６は、読み出されたセンサ信号を増幅して出力するための回路である。バイアス回路７は、イメージセンサＬＳＩ１内で必要とされる各種電圧を生成するための電圧生成回路である。昇圧回路８は、外部から供給される例えば２．８Ｖの電圧を例えば３．３Ｖに昇圧して、センサセルアレイ２、垂直シフトレジスタ３、水平シフトレジスタ４、出力アンプ６、バイアス回路７などの昇圧された電圧が必要な各回路に供給するものである。半導体基板９は、上述したような各回路を半導体プロセスにより形成するための基板である。
なお、タイミングジェネレータ５は、外部から供給される電圧（上記例では２．８Ｖ）で動作可能となっている。
図１を参照して、昇圧回路８の一構成例について説明する。この昇圧回路８は、外部からの入力電圧ＶＤＤを該入力電圧ＶＤＤよりも高い電圧ＶＣＰに変換するチャージポンプ回路１１と、このチャージポンプ回路１１により変換された電圧ＶＣＰを入力して平滑化および安定化された出力電圧ＯＵＴを生成する平滑安定化回路であるＬＤＯ（低ドロップアウト）回路１２と、を有して構成されている。
チャージポンプ回路１１は、ここでは外部からの入力電圧ＶＤＤを２倍の電圧ＶＣＰに変換するものとして構成されていて、４つのトランジスタＴ１〜Ｔ４と、２つのコンデンサＣｆ，Ｃｂと、を有して構成されている。
４つのトランジスタＴ１〜Ｔ４は、この順に直列に接続されていて、これらの内のトランジスタＴ１〜Ｔ３はＰ型ＭＯＳＦＥＴとして構成され、トランジスタＴ４はＮ型ＭＯＳＦＥＴとして構成されている。さらに、このトランジスタＴ４の一端は接地されている。外部からの入力電圧ＶＤＤは、これらの内のトランジスタＴ２とトランジスタＴ３との間に接続されている。
また、コンデンサＣｆは、トランジスタＴ１とトランジスタＴ２との間に一端が接続され、トランジスタＴ３とトランジスタＴ４との間に他端が接続されている。コンデンサＣｂは、一端が、トランジスタＴ１の一端となるＶＣＰ側に接続され、他端が、接地されている。
ＬＤＯ回路１２は、比較器ＣＰと、トランジスタＴ５と、２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２と、コンデンサＣｏｕｔ  と、を有して構成されている。
コンデンサＣｏｕｔ  は、一端がＯＵＴ側に接続され、他端が接地されている。２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２は、直列に接続されていて、抵抗Ｒ１の一端がＯＵＴ側に接続され、抵抗Ｒ２の一端が接地されている。
比較器ＣＰは、非反転入力端子が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間に接続されるとともに、反転入力端子が参照用電圧Ｖｒｅｆ  に接続されていて、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との分圧として与えられるコンデンサＣｏｕｔ  の電圧を比較するためのものである。具体的には、非反転入力が参照用電圧Ｖｒｅｆ  よりも高い場合にはハイレベルの信号を出力し、低い場合にはローレベルの信号を出力する。
トランジスタＴ５は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴとして構成されていて、ゲートが比較器ＣＰの出力側に接続され、ソースとドレインがＶＣＰ側とＯＵＴ側に接続されている。トランジスタＴ５は、比較器ＣＰによる比較結果に応じてスイッチとして機能するものであり、比較器ＣＰがハイレベルの信号を出力する場合にはオフし、ローレベルの信号を出力する場合にはオンする。つまり、コンデンサＣｏｕｔ  の電圧が所定値以上であるときにはオフしているが、所定値以下に低下するとＶＣＰ側に接続するように動作する。
図２を参照して、チャージポンプ回路１１の動作について説明する。トランジスタＴ１，Ｔ３のゲートにはφＡに示す波形の電圧が加えられ、トランジスタＴ２のゲートにはφＢに示す波形の電圧が加えられて、これらは上述したようにＰ型ＭＯＳＦＥＴであるために、ハイレベルでオフし、ローレベルでオンするように動作する。
また、トランジスタＴ４のゲートにはφＢ（バー）に示すようなφＢの反転電圧が加えられて、これは上述したようにＮ型ＭＯＳＦＥＴであるために、ハイレベルでオンし、ローレベルでオフするように動作する。
倍圧動作を行う場合には、まず、φＡをハイレベルにして、トランジスタＴ１，Ｔ３をオフし、その後にφＢをローレベル、φＢ（バー）をハイレベルにして、トランジスタＴ２，Ｔ４をオンする。これにより、コンデンサＣｆの一端はＶＤＤに接続され、他端は接地されるために、コンデンサＣｆにはＶＤＤの電圧の電荷が蓄積される。
次に、φＢをハイレベル、φＢ（バー）をローレベルにして、トランジスタＴ２，Ｔ４をオフすることにより、コンデンサＣｆを一旦オープンにしてから、φＡをローレベルにして、トランジスタＴ１，Ｔ３をオンする。これにより、コンデンサＣｆの下端がＶＤＤに接続されるために、上端側の電位は２×ＶＤＤとなる。このときにはコンデンサＣｆの上端はコンデンサＣｂに接続されているために、コンデンサＣｂには２×ＶＤＤの電圧の電荷が蓄積される。
このようなトランジスタＴ１〜Ｔ４のオン／オフを繰り返して行うことにより、コンデンサＣｂに蓄積された電圧ＶＣＰ（つまり２×ＶＤＤの電圧）の電荷が、ＬＤＯ回路１２に出力されるようになっている。
次に、ＬＤＯ回路１２は、コンデンサＣｏｕｔ  に蓄積された電荷の電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧して比較器ＣＰに入力し、参照用電圧Ｖｒｅｆ  よりも低下している場合にはトランジスタＴ５をオンにしてコンデンサＣｂからコンデンサＣｏｕｔ  にチャージし、一方、分圧が参照用電圧Ｖｒｅｆ  に達している場合にはトランジスタＴ５をオフするように動作することによって、昇圧された電圧ＶＣＰを入力し平滑化され安定化された一定の出力電圧ＯＵＴを生成して出力するようになっている。
なお、図１に示した昇圧回路の構成は一例を示したものであり、この構成に限らず、必要な機能を満たす回路であれば、種々の構成のものを採用することが可能である。例えば、チャージポンプ回路１１は、上述では入力電圧ＶＤＤの２倍の電圧をＶＣＰとして出力するようになっているが、もちろん、３倍、もしくはそれ以上の電圧を出力するようにしても構わない。さらに、例えば、ＬＤＯ回路１２において、参照用電圧Ｖｒｅｆ  を変更すること、抵抗Ｒ１を可変抵抗とすること、抵抗Ｒ２を可変抵抗とすること、の内の少なくとも１つを行うことにより、出力電圧ＯＵＴをチャージポンプ回路１１から出力される電圧ＶＣＰよりも低い所望の電圧に可変することができるようにしても構わない。
このような実施形態によれば、別体の昇圧用チップ素子等を用いることなく動作に必要なバイアス電圧を供給することができる固体撮像装置となるために、固体撮像装置を搭載する機器を小型化、低消費電力化するとともにコストを削減することが可能となる。また、ＬＤＯ回路を用いることにより、平滑化され安定化された出力を得ることができる。そして、ＬＤＯ回路からの出力を可変とすることにより、必要に応じて所望の電圧を得ることが可能となり、種々のバイアス電圧に対応することが可能となる。こうして、固体撮像装置に昇圧回路を内蔵することにより、客先や市場の要求に応じた電位を内部に供給することが可能となる。
尚、上記実施の形態は、固体撮像素子として閾値電圧変調方式のＭＯＳ型イメージセンサを例に説明したが、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型イメージセンサに限定されるものではなく、他の方式のイメージセンサについても適応可能であることは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における昇圧回路の構成例を示す回路図。
【図２】上記実施形態において、チャージポンプ回路を動作させるために印加する信号を示すタイミングチャート。
【図３】上記実施形態のイメージセンサＬＳＩの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…イメージセンサＬＳＩ、  ２…センサセルアレイ、  ８…昇圧回路、  ９…半導体基板、  １１…チャージポンプ回路、  １２…ＬＤＯ回路
【図１】
2004241491.tif 000003
【図２】
2004241491.tif 000004
【図３】
2004241491.tif 000005