JPH05136396A - 信号電荷検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ソ―スホロワ回路のドライブトランジスタの
ゲ―トに結合する寄生容量を低減することができ、信号
出力を大きく取ることが可能な信号電荷検出器を提供す
ること。 【構成】 信号電荷転送部とリセットドレイン１４との
間に設けられ、信号電荷転送部からの信号電荷を一時的
に蓄積する浮遊拡散層１３と、この浮遊拡散層13に信号
線２０を介してゲートが接続された信号電位設定用トラ
ンジスタ２５と、このトランジスタ２５のソースに接続
され、該トランジスタ２５の信号出力を低インピーダン
ス化する出力回路２１〜２４とを備えた信号電荷検出器
であって、信号電位設定用トランジスタ２５のドレイン
端子に所定のパルス電圧２６を印加して、出力回路２１
〜２４の入出力端子の電位をリセットすることを特徴と
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ型撮像素子等に
使用される信号電荷検出器に係わり、特にフローティン
グ・ディフュージョン型の信号電荷検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、被写体を撮像して画像信号を得る
ものとして、ＣＣＤ型の固体撮像素子が用いられてい
る。この種の固体撮像素子においてＣＣＤの最終段から
信号電荷を出力するには、図８に示すような電位の井戸
１の中に信号電荷２を注入し、注入前の電位レベルＶ1
と注入後の電位レベルＶ2 との差ΔＶｓを検出して出力
する。このとき、電位レベルＶ3 ，Ｖ4 は、電位の井戸
１を形成するためのバリアレベルである。従って、ΔＶ
ｓが大きいほど検出感度が高くなるわけであるが、電位
の井戸１には周辺のゲ―ト電極等との寄生容量３があ
り、この容量３が電位の井戸１自身の容量よりも非常に
大きいため、ΔＶｓが大きくとれなかった。

【０００３】図９は、最近のＣＣＤ型固体撮像素子に広
く使用されている信号電荷検出器の一例で、フロ―ティ
ング・ディフュ―ジョン型検出部とソ―スホロワ型電子
回路から構成されている。

【０００４】フロ―ティング・ディフュ―ジョン型検出
部は、ｎ型半導体基板１０上にｐ型ウェル１１，ｎ型埋
込みチャネル１２，浮遊拡散層（フロ―ティング・ディ
フュ―ジョン部）１３及びドレイン１４を形成し、さら
にこれらの上に絶縁膜１５を介してゲ―ト電極１６，１
７を形成して構成される。浮遊拡散層１３が図８に示し
た電位の井戸１に相当し、ゲ―ト電極１６，１７によっ
て同じく図８の電位レベルＶ3 ，Ｖ4 に相当するバリア
レベルが形成される。

【０００５】ソ―スホロワ型電子回路は、ドライブトラ
ンジスタ２１及びロ―ドトランジスタ２２を直列接続し
てなる１段目のソ―スホロワ回路と、ドライブトランジ
スタ２３及びロ―ドトランジスタ２４を直列接続してな
る２段目ソ―スホロワ回路、とからなる。また、浮遊拡
散層１３と１段目のソ―スホロワ回路のドライブトラン
ジスタ２１のゲ―トは信号線２０で接続されている。

【０００６】上記の構成においては、ドライブトランジ
スタ２１のゲ―ト・ドレイン間の寄生容量Ｃ1 ，ゲ―ト
の寄生容量Ｃ2 及びゲ―ト・ソ―ス間の寄生容量Ｃ3 が
浮遊拡散層１３に結合しており、これが信号出力ΔＶｓ
を大きく取れない要因となっていた。

【０００７】これら、寄生容量の中で一番大きなもの
は、ゲ―ト寄生容量Ｃ2であるが、ドライブトランジス
タ２１のゲ―トサイズはドレイン電流をある一定量以上
流すために、小さくすることができないので、トランジ
スタのサイズを小さくすることで、前記寄生容量を小さ
くすることは不可能であった。

【０００８】一方、浮遊拡散層１３は、信号線２０でド
ライブトランジスタ２１と電気的に接続されているが、
この信号線２０とコンタクトを取るために、高濃度の不
純物を注入しなければならない。このため、浮遊拡散層
１３を完全に空乏化するのは不可能であった。図１０に
フローティング・ディフュージョン型検出部における電
位分布図を示す。信号電荷はゲ―ト１６を通り、浮遊拡
散層１３に転送され、信号電荷量に対応した電位変化が
検出される。このとき、リセットゲ―ト１７はオフして
いる。検出された電荷は、ゲ―ト１７をオンしてドレイ
ン１４へ排出することによりリセットされるが、浮遊拡
散層１３は完全空乏化していないため、ゲ―ト１７下の
チャネルの抵抗を介して熱雑音が発生し、浮遊拡散層１
３の電位が幅ΔＶn だけ変動することにより、出力信号
の雑音が大きくなるという欠点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、固体
撮像素子の信号電荷検出器においては、ソ―スホロワ回
路のドライブトランジスタのゲ―トに結合する寄生容量
が大きいため、信号出力を大きく取れない問題があっ
た。また、浮遊拡散層において熱雑音が発生するため、
出力信号の雑音が大きくなるという問題があった。

【００１０】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、ソ―スホロワ回路のド
ライブトランジスタのゲ―トに結合する寄生容量を低減
することができ、信号出力を大きく取ることが可能な信
号電荷検出器を提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、浮遊拡散層に
おける熱雑音の発生を防止することができ、出力信号の
ＳＮ比向上をはかり得る信号電荷検出器を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、次のような構成を採用している。

【００１３】即ち、本発明（請求項１）は、信号電荷転
送部とリセットドレインとの間に設けられ、信号電荷転
送部からの信号電荷を一時的に蓄積する浮遊拡散層と、
この浮遊拡散層にゲートが電気的に接続された信号電位
設定用トランジスタと、この信号電位設定用トランジス
タのソースに接続され、該トランジスタの信号出力を低
インピーダンス化する出力回路とを備えた信号電荷検出
器であって、信号電位設定用トランジスタのドレイン端
子に所定のパルスを印加して、出力回路の入出力端子の
電位をリセットすることを特徴としている。

【００１４】また、本発明（請求項２）は、信号電荷転
送部とリセットドレインとの間に設けられ、信号電荷転
送部からの信号電荷を一時的に蓄積するフローティング
・ディフュージョン部と、このフローティング・ディフ
ュージョン部に電気的に接続され、浮遊拡散層に蓄積さ
れた信号電荷を信号電圧として出力する出力回路とを備
えた信号電荷検出器において、フローティング・ディフ
ュージョン部を、信号電荷の蓄積に供される第１導電型
の浮遊拡散層と、この浮遊拡散層と出力回路を電気的に
コンタクトを取るために該浮遊拡散層上の全面に設けら
れた第２導電型の浮遊拡散層とから構成するようにした
ものである。また、本発明（請求項２）の望ましい実施
態様としては、次の (1)〜(3) が挙げられる。 (1) 第２導電型の浮遊拡散層の電位をリセットするリセ
ットトランジスタを設けること。 (2) リセットトランジスタをオンするタイミングを、固
体撮像素子の水平走査期間の整数倍としたこと。 (3) リセットトランジスタをオンするタイミングが、固
体撮像素子の垂直走査期間の整数倍としたこと。

【００１５】

【作用】本発明（請求項１）においては、浮遊拡散層か
らの出力信号電圧は信号電位設定用トランジスタを介し
て、出力回路としてのソ―スホロワ回路のドライブトラ
ンジスタに入力している。信号電位設定用トランジスタ
に流れるドレイン電流は非常に小さくすることができる
ので、トランジスタゲ―トサイズを小さくすることが可
能である。従って、ソースホロワ回路のドライブトラン
ジスタのゲートサイズを小さくすることなく、浮遊拡散
層に結合する寄生容量を小さくすることが可能であり、
大きな信号出力を取り出すことができる。また、信号電
位設定用トランジスタを用いて出力回路の入出力端子の
電位をリセットすることにより、連続して転送される信
号電荷を検出することが可能となる。

【００１６】また、本発明（請求項２）においては、フ
ロ―ティング・ディフュ―ジョン部を、信号電荷を蓄
積，転送するための第１導電型の浮遊拡散層と、出力回
路と電気的に接続するための第２導電型の浮遊拡散層と
から構成しているので、第２導電型の浮遊拡散層の不純
物濃度を高くしておけば、第１導電型の浮遊拡散層の不
純物濃度は低くすることができる。従って、第１導電型
の浮遊拡散層の完全空乏化が可能となり、信号電荷を完
全にドレインに排出でき、フローティング・ディフュー
ジョン部における熱雑音をなくすことが可能となる。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例に係わる信号
電荷検出器を示す概略構成図である。検出部１００は、
ｎ型半導体基板１０上にｐ型ウェル１１，ｎ型埋込みチ
ャネル１２，浮遊拡散層（ＦＤ部）１３及びドレイン１
４を形成し、さらにこれらの上に絶縁膜１５を介してゲ
―ト電極１６，１７を形成して構成される。浮遊拡散層
１３は信号電位設定用トランジスタ２５のゲートに接続
され、その出力端子（ソース）はソ―スホロワ型電子回
路２００に接続される。

【００１８】ソ―スホロワ型電子回路２００は、２段の
ソ―スホロワ回路から構成されている。１段目のソ―ス
ホロワ回路は、ゲ―トに信号電位設定用トランジスタ２
５の電気信号を入力するドライブトランジスタ２１と、
ゲ―ト・ソ―スを接続した出力用のロ―ドトランジスタ
２２とを直列接続して構成される。同様に、２段目のソ
―スホロワ回路は、１段目のソ―スホロワ回路の出力を
ゲ―トに入力するドライブトランジスタ２３と、出力用
のロ―ドトランジスタ２４とを直列接続して構成され
る。ドライブトランジスタ２１，２３のドレインはドレ
イン電源ＶDDに接続され、ロ―ドトランジスタ２２，２
４のソ―スはグランドレベルＧＮＤに接続されている。

【００１９】また、ドライブトランジスタ２１の電位を
リセットするために、信号電位設定用トランジスタ２５
のドレイン端子には、パルス信号電圧２６が印加され
る。図２（ａ）（ｂ）は、ドライブトランジスタ２１の
ゲ―ト電位２７，信号電位設定用トランジスタ２５のチ
ャネル電位２８及びドレイン電位２９を概略的に示した
ものである。

【００２０】図２（ａ）の電位関係は、ドレイン電位２
９をチャネル電位２８より高くすることで、ドライブト
ランジスタ２１のゲ―ト電位２７をチャネル電位２８に
規定している状態を示している。なお、チャネル電位２
８は、浮遊拡散層１３から信号電位設定用トランジスタ
２５に入力される信号電圧により決まるので、この動作
により信号の読み出しを行うことになる。

【００２１】図２（ｂ）はドレイン電位２９をチャネル
電位２８より低くすることで、ドライブトランジスタ２
１のゲ―ト電位２７をドレイン電位２９にリセットして
いる状態を示している。この動作により、各信号毎にド
ライブトランジスタ２１のゲ―ト電位をリセットするこ
とが可能になる。

【００２２】このように本実施例によれば、浮遊拡散層
１３の信号出力をゲ―トサイズの小さい信号電位設定用
トランジスタ２５に入力し、信号検出を行うことで、浮
遊拡散層１３に結合する寄生容量を小さくし、大きな信
号出力を得ることができる。また、ドライブトランジス
タ２１のゲ―ト電位２７は、信号電位設定トランジスタ
２５のドレインにパルス電圧２６を印加することでリセ
ットすることが可能であり、連続した信号パケットの電
荷検出が可能となる。

【００２３】図３は、本発明の第２の実施例に係わる信
号電荷検出器を示す概略構成図である。なお、図１と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略す
る。この実施例は、信号検出部１０１をフロ―ティング
ゲ―ト型検出器とした例である。即ち、図１の浮遊拡散
層１３の代わりに、信号電位検出電極１８及び制御電極
１９を配置し、信号検出電極１８と信号電位設定用トラ
ンジスタ２５が接続されている。

【００２４】このような構成であっても、信号検出電極
１８に結合する寄生容量を小さくすることができるの
で、第１の実施例と同様に大きな信号出力を取り出すこ
とが可能である。

【００２５】図４は、本発明の第３の実施例に係わる信
号電荷検出器を示す概略構成図である。なお、図１と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略す
る。検出部１０２は、ｎ型半導体基板１０上にｐ型ウェ
ル１１，ｎ型埋込みチャネル１２，第１導電型の浮遊拡
散層１３（ｎ型），第２導電型の浮遊拡散層１９（ｐ
型）及びドレイン１４を形成し、さらにこれらの上に絶
縁膜１５を介してゲ―ト電極１６，１７を形成して構成
される。なお、浮遊拡散層１９は浮遊拡散層１３上の全
面に形成されている。また、ソ―スホロワ型電子回路２
００は、図１と同様に２段のソ―スホロワ回路から構成
されている。

【００２６】ここで、フローティング・ディフュージョ
ン部は、出力回路２００と電気的に接続するための高濃
度のｐ型半導体領域１９と、信号電荷を蓄積，転送する
ため低濃度のｎ型半導体領域１３から構成されている。
この構成によりフローティング・ディフュージョン部
は、出力回路２００との電気的接続とと浮遊拡散層１３
の完全空乏化を同時に実現できる。

【００２７】図５に、検出部１０２における電位分布を
示す。信号電荷はゲ―ト１６下を通って浮遊拡散層１３
に転送され検出される。この後、ゲ―ト１７をオンする
ことで信号電荷はドレイン１４へ排出される。このと
き、浮遊拡散層１３は完全空乏化しているので、信号電
荷を全てドレイン１４へ排出することが可能で、熱雑音
は発生しない。

【００２８】このように、フローティング・ディフュー
ジョン部の出力回路と電気的に接続する部分と、信号電
荷を検出する部分とを分けて、信号電荷の完全転送を実
現することで、従来のフローティング・ディフュージョ
ン部で発生していた熱雑音をなくすことが可能となる。

【００２９】ところで、ｐ型半導体領域１９には、暗電
流により正孔が蓄積していくため電位変動が起るので、
ある周期でリセットする必要がある。このリセットをリ
セットトランジスタ３５により行い、リセットパルスが
パルス発生器３７より印加されたとき、ドレイン電圧３
６にリセットされる。しかし、このリセット動作を行な
うと、ｐ型半導体領域１９は完全空乏化していないため
に、前述したものと同じ熱雑音が発生する。

【００３０】しかし、固体撮像素子の信号処理において
は、オプティカルブラックと呼ばれる黒レベル設定画素
が各水平１ライン毎にあり、その黒レベルを基準にして
各画素の信号レベルを検出している。従って、ｐ型半導
体領域１９の電位のリセットを固体撮像素子の水平走査
期間の整数倍或いは垂直走査期間の整数倍で行えば、黒
レベルを基準としたクランプ処理により、ｐ型半導体領
域１９の熱雑音は取り除くことが可能となり、信号検出
時の低雑音化が可能となる。

【００３１】図６に、図４に示した信号検出器の平面パ
タ―ン図を示す。ｎ型ＣＣＤ埋込みチャネル１２を転送
されてきた電荷は、出力ゲ―ト１６下を通り、第１導電
型の浮遊拡散層１３に入り、その電位を変動させる。変
動した電位は第２導電型の浮遊拡散層であるｐ型半導体
領域１９に伝わり、さらに信号線２０に伝わって、ＭＯ
Ｓトランジスタ２１〜２４で構成されるソ―スホロワ型
出力回路から出力される。

【００３２】検出された電荷は、リセットゲ―ト１７を
ＯＮすることでリセットドレイン１４へ排出される。な
お、ｐ型半導体領域１９をｐウェル１１と分離するため
に、ｎ型チャネル１２より薄い不純物濃度のｎウェル５
０が形成されている。また、信号線２０は、ｐ型チャネ
ルのリセットトランジスタ３５に接続され、パルス発生
器３７より発生したパルス電圧をゲ―トに印加すること
により、ｐ半導体領域１９の電位がドレイン電圧３６に
リセットされる。

【００３３】なお、図６の構成では、リセットトランジ
スタ３５の寄生容量が浮遊拡散層13にカップリングし、
検出感度を下げることになる。そこで、図７に示すよう
に、リセットトランジスタ３５を、浮遊拡散層１３に隣
接して形成することにより、寄生容量を小さくし、検出
感度をより大きくすることも可能である。

【００３４】このように本実施例によれば、フローティ
ング・ディフュージョン部を信号電荷を蓄積，転送する
ための第１導電型の浮遊拡散層と、出力回路と電気的に
接続するための第２導電型の浮遊拡散層で形成している
ので、第１導電型の浮遊拡散層の不純物濃度を低くして
完全空乏化が可能となり、フローティング・ディフュー
ジョン部における雑音をなくすことができる。このた
め、出力信号のＳＮ比の向上をはかることができる。ま
た、本実施例では、第１導電型の浮遊拡散層１３上の一
部ではなく全面を第２導電型の浮遊拡散層１９としてい
るので、浮遊拡散層１９の形成によって電位ポケットが
発生する等の不都合を未然に防止することができる。な
お、本発明は上述した各実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１）
によれば、浮遊拡散層と出力回路との間に信号電位設定
用トランジスタを設けることにより、浮遊拡散層に結合
する寄生容量を小さくすることができ、信号出力を大き
く取ることが可能な信号電荷検出器を実現することが可
能となる。

【００３６】また、本発明（請求項２）によれば、フロ
ーティング・ディフュージョン部を第１導電型の浮遊拡
散層とその上の第２導電型の浮遊拡散層の２層に形成し
ているので、従来装置でフローティング・ディフュージ
ョン部に発生していた熱雑音をなくすことができ、Ｓ／
Ｎの良い信号出力を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる信号電荷検出器
を示す概略構成図、

【図２】第１の実施例における電位関係を示す模式図、

【図３】本発明の第２の実施例に係わる信号電荷検出器
を示す概略構成図、

【図４】本発明の第３の実施例に係わる信号電荷検出器
を示す概略構成図、

【図５】第３の実施例における電位関係を示す模式図、

【図６】第３の実施例の平面パタ―ン図を示す図、

【図７】第３の実施例の平面パタ―ン図を示す図、

【図８】電荷検出の動作原理を説明するための模式図、

【図９】従来の信号電荷検出器を示す概略構成図、

【図１０】従来の信号電荷検出器における電位関係を示
す模式図。

【符号の説明】

１０…ｎ型半導体基板、 １１…ｐ型ウェル、 １２…ｎ型埋込みチャネル、 １３…第１導電型の浮遊拡散層（ｎ型）、 １９…第２導電型の浮遊拡散層（ｐ型）、 １４…ドレイン、 １５…ゲ―ト絶縁膜、 １６，１７…ゲ―ト電極、 １８…熱雑音電圧、 ２０…信号線、 ２１，２３…ドライブトランジスタ、 ２２，２４…ロ―ドトランジスタ、 ２５…信号電位設定用トランジスタ、 ２６，３６…信号電圧（ドレイン電圧）、 ２７，３７…パルス発生回路、 ３５…リセットトランジスタ、 ５０…ｎ型ウェル、 １００，１０２…フロ―ティング・ディフュ―ジョン型
検出部、 １０１…フロ―ティング・ゲ―ト型検出部、 ２００…ソ―スホロワ型電子回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】信号電荷転送部とリセットドレインとの間
   に設けられ、信号電荷転送部からの信号電荷を一時的に
   蓄積する浮遊拡散層と、この浮遊拡散層にゲートが電気
   的に接続された信号電位設定用トランジスタと、この信
   号電位設定用トランジスタのソースに接続され、該トラ
   ンジスタの信号出力を低インピーダンス化する出力回路
   とを具備してなり、 前記信号電位設定用トランジスタのドレイン端子に所定
   のパルスを印加して、前記出力回路の入出力端子の電位
   をリセットすることを特徴とする信号電荷検出器。
2. 【請求項２】信号電荷転送部とリセットドレインとの間
   に設けられ、信号電荷転送部からの信号電荷を一時的に
   蓄積する第１導電型の浮遊拡散層と、この第１導電型の
   浮遊拡散層上の全面に設けられた第２導電型の浮遊拡散
   層と、この第２導電型の浮遊拡散層と電気的に接続さ
   れ、前記第１導電型の浮遊拡散層に蓄積された信号電荷
   を信号電圧として出力する出力回路とを具備してなるこ
   とを特徴とする信号電荷検出器。