JPS6058782A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は光電荷信号増幅作用を有する靜電銹導トランジ
スタを感光部に用いて信号読出しを行なう固体撮像装置
釦関する。

発明の背景技術 従来固体撮像装置とじ℃はＣＯＤ等の電荷転送素子を用
いるものや、ＭＯＳトラノンスタを用いるものなどが広
く用いられている。しかし、これらの固体撮像装置は電
荷転送時に電荷の洩れがあること、光検出感度が低いこ
と、集積度が上がらないことなどの問題がある。このよ
うな問題を一挙に解決するものとして、静電誘導トラン
ジスタ（８ｔａｔｉｅ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｔｒａｎ
ｓｉｓｔｏｒの頭文字をとってＢＩＴと呼ばれ℃いる）
を用いたものが新たに提案されている。例えば特開昭５
５−１５２２９号公報には、マトリックス状圧配列した
ＳＩＴのソースを行導線に接続し、ドレイ／を列導線に
接続し、ゲートをクリア導線に接続した固体撮像装置が
示されている。また、このような固体撮像装置をさらに
発展させたものとして、ゲートにコンデンサを接続した
ものが考えられている。第１図ＡおよびＢはこのような
ＳＩＴの構造を示す断面図および平面図である。

第１図ＡおよびＢに示すように、Ｐ型基板１上にＳＩＴ
のソースを構成するｎ＋型埋込層２を形成すると共にｎ
−型エピタキシャル層３を成長させ、このエピタキシャ
ル層３の表面に熱拡散法等によりｎ十Ｆレイノ領域４お
よびＰ＋ゲート領域５を形成する。１ニレイン領域４の
拡散深さは、これとソース領域２との間に形成するチャ
歯ネル領域の開閉を確実に行なうために、ゲート領域５
の拡散深さよりも浅くする。ドレイン領域４にはドレイ
ン電極６を接合して設け、ｒ〜ト領域５には絶縁層７′
ｆＸ−介してゲート電極８ｙ！−設けろことによりすな
わちＭＩＳ構造とすることによりゲートコンデンサを形
成する１、また、隣接するＳＩＴは、それらの間にエピ
タキシャル層８を分離するように絶縁層９を設けて相互
に電気的に分離する。

このような構成においては、光入力のない定常状態にお
いてゲート領域５をソース領域２に対して逆バイアスに
設定すれば、チャヌネル領域は空乏化されるから、ソー
スドレイン間が順方向にバイアスされてもソースドレイ
ン間には電流が流れない。このような状態で、光入力に
よって正孔−電子対が発生すると、電子はソース領域２
またはドレイン領域４に向かい蓄積またははき出され、
正孔はゲート領域５に蓄積されてＭＩＳ構造によるゲー
トコンデンサを充電し、ゲート電位’ｌ　ｌＶａだけ変
化させる。ここで、ゲートコンデンサの容量と、エピタ
キシャル層８に対する空乏層容量との和をＣＧ、元入力
によって発生され一ゲート領域５に蓄積された電荷量シ
でＱＬとすると、ｌＶａ　＝ＱＬ／ＣＧ　となる。成る
蓄積時間が経過した後、ダート電極８にゲート続出しパ
ルスφＧを与えろと、ゲート電位はφＧにｌＶａが加わ
ったものとなり、ゲート領域５とドレイン領域４との間
の電位は低下して空乏層が減少し、ソース−ドレイ７・
間に光入力に対応したドレイン電流が流れろ。このドレ
イン電流はＳＩＴの増幅作用のためｌｖＧが増幅度倍さ
れたものとなり、大きなものとなる。また、ＳＩＴのソ
ースとドレインとを入れ替え℃も同様の動作をするもの
である。

第２図Ａは上述した５ＩＴｙｒマトリツクス状に配列し
て構成した固体撮像装置の回路構成を示すものであり、
第２図Ｂは同じくその動作を説明するための信号波形図
である。各５ＩＴＩＯ−１，１０−２・・・・・・は上
述したように／−マリオフ型のｎいヤネルＳＩＴで、光
入力に対する出力ビデオ信号をＸＹアドレス万式で読み
出すようにし℃いる。各両案を構成するＳＩＴのソース
は共通のリセット線１１に接続してバイアス電圧ｖ８を
印加し、Ｘ方向に配列された一行のＳＩＴ群のゲートは
、行ライン１２−１．１２−２・・・・・を介して垂直
選択シフトレジスタ１３に接続する。また、Ｙ方向に配
列された一列のＳＩＴ群のドレインは列ライン１４−１
．１４−２・・・・・・に接続し、これらの列ラインは
それぞれ水平選択シフトレジスタ１５によって選択駆動
される水平選択トランジスタ１６−１．１６−２・・・
・・・を介してビデオライン１７に共通に接続する。こ
のビデオライン１７には負荷抵抗１８を経て電圧Ｖ。を
印加する。

今、リセット線１１へのバイアス電圧ｖ８ヲ適切に、例
えば零ポルトに設定して、１つのＳＩＴ画素の出力が読
出される場合について考え℃みる。

例、ｔば、垂直選択シフトレジスタ１８から行ライン１
２−１に行選択ペルスφＧｌ　’供給している期間に、
水平選択シフトレジスタ１５から水平選択トランジスタ
１６−１に読出しパルス−ＤＩを印加すると、５ＩＴＩ
Ｏ−１が選択され、この５ＩＴ１０−１には負荷抵抗１
８、ビデオライン１７−水平選択トランジスタ１６−１
および列ライノ１４−１％ｒ経てドレイン電流が流れ、
出力端子１９に出力電圧Ｖ。ｕｔが発生する。上述した
ようにこのドレイン電流はグ〜ト電圧の関数であり、こ
のゲート電圧は元入力の関数となるから、暗時の出力電
圧からの増加分Δｖｏｕｔは光入力に対応した電圧とな
る。しかも、この電圧Δｖｏｕｔ　ｉｔ　８　Ｉ　Ｔの
増幅作用によりｌｖＧが増幅度倍された大きなものとな
る。次に、水平選択トランジスタエ５から水平選択トラ
ンジスタ１６−２に読出しパルス−Ｄ２　’与えて５Ｉ
ＴＩＯ−２の読出しを行ない、−付会の読出しが終了し
たら、垂直選択シフトレジスタ１３から次の行に行選択
パルスφＧ２　’与えて、その行のＳＩＴを順次忙読出
丁。

しかしながら、上述した固体撮像装置忙おいては、入射
光の強度が高いとＱＬが非常に大きくなってΔｖＧが高
くなり、始めに設定した逆バイアス（ｉ　ＶＧＶｃ対し
、　ＶＧ　十ΔＶｃ　（Ａ　ＶＧ）　０１がＳＩＴの設
定ソース電位ｖ８に対するピンチオフ電圧Ｖｐを上まわ
ると、そのＳＩＴが選択され℃いなくてもこれが不所、
＠に導通し℃他の選択し℃いる行ラインから流れ出た信
号電流と共に同一の列ライノン経て電流が流れ、画素間
の信号干渉を起す不具合がある。このため、か〜る固体
撮像装置は鷹九量圧制限があり、実用上問題であった。

発明の目的 本発明の目的は、上述した不具合を解決し、入射光の強
度が高くても画素間の信号干渉を起すことなく、各画集
信号を有効忙読出し得ろよう適切に構成した固体撮像装
置を提供し、五つとするものである。

発明の概要 本発明の固体撮像装置は、入射光を受光する感光用トラ
２１ジスタ及び感光用トランジスタの光電変換比カケ選
択的に読出す読出し用トランジスタを具え、的記感光用
トランジスタを静電誘導トランジスタで形成し、前記感
光用及び読出［−用トランジスタの主電流通路を直列に
接続してなる一画素子Ｙ複数の行導線及び列導線で構成
されるマトリックスの各交点に設け、前記行導線及び列
導線に感光用トランジスタと読出し用トランジスタを接
続し７たものである。

発明の実施例 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。第３図Ａ及びＢは本発明の固体撮像装置に用いる
固体撮像素子の一実施例の構成を示す断面図及び平面図
である。１本実施例では感光用トランジスタ２１をＳＩ
Ｔ構造とし、ＭＯ８４１！造の読出し用トランジスタ２
２（以下、読出し用ＭＯ８Ｔｒと称す）として構成し同
一基板に形成する。即ら、感光用５ＩＴ２１のソース領
域となるｎ子基板２３上にｎ−エピタキシャルＮ２４を
成長させ、該エピタキシャル層２４の表面に、感光用５
ＩＴ２１を構成するＰ＋ゲート領域２５及びｎ＋ドレイ
ン領域２６を形成する。更に、続出し用ＭＯ８Ｔｒ２２
　を構成するＰ−ウェル２９の十 領域内にｎ　ソース領域２７．　ｎ＋ドレイン領域２８
′％！熱拡散及びイオン注入法で形成する。前記エピタ
キシャル層２４及びこれ釦形成したＰ−ウェル２９の表
面には感光用５ＩＴ２１と読出し用ＭＯ８Ｔｒ２２　と
を分離するためにＰ＋チャ林ネルストッパー３０％−形
成する。

前記感光用８ＩＴ２１及び読出し用ＭＯ８Ｔｒ２２０表
面には酸化物からなる絶縁層３１−１〜３１−３を形成
し夫々忙ゲート電極３２とドレイ／電極３３を多結晶シ
リコン又は高融点金属シリサイドで形成でる。前記ゲー
ト電極３２及びドレイン電極３３は按述する信号読出し
７万式釦対応して列導線又は行導線のいづれか釦接続す
る。

前記感光用５ＩＴ２１のれ＋ドレイン領域２６に読出し
用ＭＯ８Ｔｒ２２のソース領域２７を表面でｋｌ又は多
結晶シリコン層３４で配線することにより、前記感光用
５ＩＴ２１及び読出し用ＭＯ８Ｔｒ２２　の主電流通路
を直列忙接続する。

前記配線をす、配線材に、ｒ、るＰ＋ダート領域２５へ
の透過光損失を出来るだけ減少更に抑えるためにＰ＋ダ
ート領域２５上では線巾を最小にする。前記ｐ”ｙ−上
領域２５の表面には、酸化物からなる絶縁層３１−４を
形成しＰ＋ダート領域２５の上部にＡｔ又は多結晶シリ
コン層で形成したダート電極３５を設ける。

＠接する各画素子間は前記ｎ子基板２３からエピタキシ
ャル層２４に亘って酸化物等の絶縁層３１−５を設けて
電気的に相互に分離する。前記絶縁層３１−５の代りＫ
ｎ十拡敬層を用いても良いが、その場合はＰ＋ｙ−上領
域２５とｎ＋拡散層の間で光電荷のリークが起きない様
にＰ＋　ｙ　−上領域２５との間に所定の間隔を設けろ
。

第４図Ａは本発明の固体撮像装置の要部の一例の構成を
示す回路図であり、同図８は同じくその動作を説明する
ための信号波形図である。本実施例では第３図Ａ及びＢ
に示した固体撮像素子を同一基板に複数個マトリックス
状に形成したものを用いる。第４図Ａにおいて、感光用
５ＩＴ４０−１゜４０−２．・・・・・・は／−マリオ
ン型又は／−マリオフ型のいづれでも良いが一読出し用
ＭＯ６Ｔｒ４１−１　、　４１−２．−−−・・・はｎ
チャンネルＭＯ８Ｔｒを用いる。水平方向に配列された
一群の感光用５ＩＴ４０−１．４０−２．・・・・・・
のゲートは暮秋容量な介して行導線（ワードｆＪｉ）４
２−１．　４２−２．・・・・・・に接続し、更に１１
記各行導線４２−１゜４２−２．・・・・・・を垂直選
択シフトレジスタ４３に接続する。一方、垂直方向に配
列された一群の読出し用ＭＯ８Ｔｒ　４１−１　、４２
−２．　・−−−−−ノ’ｔ’−トは列導線（ビット導
線）４４−１．４４−２゜・・・・・・に接続し、更に
前記各列導線４４−１．４４−２．・・・・・・を水平
選択シフトレジスタ４５に接続する。又、読出し用ＭＯ
８Ｔｒ　４１−１．　４１−２、・・・・・・のドレイ
ンは信号読出し＃４６−１．４６−２．・・・・・・に
接続し、前記行導＠４４−１．４４−２．・・・・・・
に接続した行導線選択スイッチ４７−１．４７−２．　
・・・・・を介してビテ第４線４８に接続する。このビ
デオ線４８には負荷抵抗４９を経てビデオ電源５０を接
続しビデオ電圧（Ｖｏ）ｙ／印加する。前記選択スイッ
チ４７−１．４７−２゜・・・・・・はｎチャノネルＭ
Ｏ８Ｔｒ　とし、夫々のダートは行導線４２−１．４２
−２．・・・・・・に接続し、垂直選択シフトレジスタ
４３からの駆動パルスで開閉されろ。また、前記選択ス
イッチ４７−１゜４７−２．・・・・・・のしきい値電
圧は、前記感光用ＢＩＴ４０−１．４０−２．・・・・
・・のゲート印加電圧よりも小さくなるように設定する
。斯様に１−て前記ビデオ導線４８には負荷抵抗４９を
介してビデオ電圧（Ｖｏ　）を印加して垂直選択シフト
レジスタ４５を第２図において説明したと同様に第４図
Ｂに示す信号波形図により制御し℃出力端子５１から時
系列的な画素情報を得るようにする。

かかる構成において、成る列導線が選択された場合、そ
の列導線に接続された１つの画素子の出力が読出される
状態について、第４図Ｂを参照しつつ説明する。前記垂
直選択シフトレジスタ４３から行導線４２−１に行選択
パルス−ｖｌが供給されている期間に、水平選択シフト
レジスタ４５から読出しパルスφＩ（１’＆列導線４２
−１に印加する。斯様な印加により感光用５ＩＴ４０−
１゜読出し用ＦｖｉＯＳ　Ｔｒ　４１−１　及び行導線
の選択スイッチ４７−１が同時に選択され、感光用５Ｉ
Ｔ４０−　Ｉ　ＶＣ＠記ビテオ電蝕５０より負荷抵抗４
９゜選択スイッチ４７−１．　ビデオ導線４８を経てド
レイン電流が流れ、この電流Ｈに応じて出力電圧Ｖｏｕ
ｔが出力端子５１より出力する。前記ドレイン電流はダ
ート電圧の関数であり、史に該ゲート電圧は元入力の関
数であるから、暗時の出力電圧からの増加分ΔＶｏｕｔ
　は光入力に対応した電圧となることは前述した事と同
様である。

次に、前記水平選択シフトレジスタ４５から列１４ｉ４
４−２に読出しパルスφＨ２を与えて感光用５ＩＴ４０
−２．読出し用ＭＯＢ　Ｔｒ　４１−２゜を選択する。

斯様にして、−桁分の読出しが終了した後−重置選択シ
フトレジスタ４３から次の行導線４２−２に行選択パル
スφｖ２を与えてその行導線を順次読出す。

第５図は、本発明の同体撮像装置に用いる固体撮像素子
の他の実施例を示す回路図である。尚、前述の固体撮像
素子の構成を示す回路図に用いた部材と同様の機能を具
えた部材は同一の符号を付してその説明は省く。本実施
例では水平方向に配列された一群の感光用８ＩＴ６０−
１．６０〜２゜・・・・・・と読出し用ＭＯ８Ｔｒ　６
１−１．　６１−２゜・・・・・・の夫々のゲートを行
導線６２−１．　６２−２゜・・・・・・に接続し、更
に垂直選択シフトレジスタ４３に接続する。前記読出し
用ＭＯ８Ｔｒ　６１−１゜６１−２．・・・・・・の夫
々のドレインを列導線６３−１゜６．３−２．・・・・
・・忙接続し、ｎチャノネルＭＯ８Ｔｒである選択スイ
ッチ４７−１．４７−２．　・・・・・・を介してビデ
オ導線４８に接続し、更に前記読出し用ＭＯ８Ｔｒのゲ
ートを水平選択シフトレジスタ４５に接続する。

斯様にして前記ビデオ線４８には負荷抵抗４９を介して
ビデオ電源よりビデオ電圧（ｖｏ）％ｒ印加して、垂直
選択シフトレジスタ４３．水平選択シフトレジスタ４５
を第２図において説明したと同様に第４図Ｂに示す信号
波形図忙より制御して出力端子５１から時系列的な画素
情報を得るようにする。

Δト 舟ろ構成においては、選択された画素子以外の感光用Ｓ
ＩＴにビデオ電圧Ｖｏが印加される事はなく感光用ＳＩ
Ｔのゲート電位が光電荷蓄積によってピンチオフレベル
以上に達してもドレイン電流は流れない。従って、列画
素間の信号干渉は往じず、又、感光用ＳＩＴのダート電
位が更に上昇し、そのソース電位（接地）に対して順フ
ｉ向にバイアスされてダート領域に蓄積された一定以上
の正孔がソースを通し−て掃き出さねでも感光用ＳＩＴ
のオフ動作に結びつくことはない。

第６図（才、本発明の固体撮像装置に用いる固体撮像素
子の他の実施例な示す回路図である３、尚、前述の紀５
図において示した固体撮像素子の構成の回路図に用いた
部材と同様の機能を具えた部材は同一の符号を付してそ
の説明は省く。

前述の実施例においては、全ての感光用ＳＩＴのソース
（又はドレイ／〕を接地し、負荷抵抗４９はビデオ電源
５０のビデオ電圧（Ｖｏ　）によってバイアスしている
が、本実施例ではバイアスの印加を逆にし、即ち、感光
用ＳＩＴのソース（又はドレイン艷にビデオ電圧（Ｖｏ
　）を印加し負荷抵抗４９を接地するソースフォｐア読
出し方式にしたものである。本例では水平方向に配列さ
れた一群の感光用５ＩＴ６０−１．６０−２．・・・・
・・と続出し用ＭＯＢ　Ｔｒ６１−１．　６１−２．−
−−−−・の夫々のゲートを行導綜６２−１．６２−２
．・・・・・・に接続し、更に垂直選択シフトレジスタ
４３に接続する。前記続出し用ＭＯＢ　Ｔｒ　６１−１
．　６１−２、・・・・・・の夫々のドレイ／を列導線
６３−１．６３−２．・・・・・・に接続し、ｎチャノ
ネルＭＯ８Ｔｒ　である選択スイッチ４７−１．　４７
−２．・・・・・・を介してビデオ導線４８に接続し、
更に前記読出し用ＭＯ８Ｔｒのｙ−トな水平選択シフト
レジスタ４５に接続する。−万、前記感光用５ＩＴ６０
−１゜６０−２．　・・・・・・の夫々のドレインな副
列導線７゜−１，７０−２，・・・・・・を介し℃ビデ
オ電源５ｏに接続する。

斯様にして前記ビデオ導線４８には負荷抵抗４９を介し
てビデオ電圧（Ｖｏ　）を印加して垂直選択シフトレジ
スタ４３．水平選択ソフトレジスタ４５を第２図におい
て説明したと同様に第４図Ｂに示す信号波形図により制
御して出力端子５１から時系列的な画素情報を得るよう
にする。

斯様な実施例においては、出力電圧ＶｏｕｔからＳＩＴ
のドレインに負帰遠が存在し、このため出力電圧（Ｖｏ
ｕｔ　）が増大するに従って、ＳＩＴのドレイン電流が
流れに（くなる。換言丁れば、露光量が太ぎ（なるにつ
れ、出力電圧は飽和する傾向を示す。その結果、本実施
例は前述の実施例に比較して出力電圧は小さくなるが、
露光量の測定範囲が広がると云う特長を有するものであ
る。

以上述べた本発明の構造では、蓄積容量が感光用ＳＩＴ
ので−トに直列に設けられているため該ゲートに一垂直
選択７７トンジスタからの読出しパルスよりも高い電圧
のリセットパルスの電圧ｖ８を印加することにより一行
導線毎にリセットできる。前記リセット後のゲート電位
は、蓄積容量がゲートの接合容量よりも充分に太きけれ
ば−ｖｓとなるから、リセットパルスの電圧ＶｓＶピン
チオフ電位よりも大きくとればノーマリオン型の感光用
ＳＩＴであってもチャネルをパルス印加の期間はピッチ
オフした状態に保つことができ／−マリオフ型と同等に
取り扱５ことができる。

尚、本発明は上述した実施例にのみ限定されるものでは
なく、幾多の変形又は変更が可能である。

例えば、第４図Ｂで示した波形図において、行選択パル
スφＶと行選択パルスφＨの駆動タイξ７／グを入れ替
えてもよい。また、感光用ＳＩＴはドレインの代りにソ
ースを読出し用ＭＯ８Ｔｒ　のソースと接続し、ドレイ
ンを接地しても良い事は云うまでもない。更に、感光用
Ｓ　Ｉ　’Ｉ’は全ての領域の４電タイプを逆にしてＰ
チャネルとして用いてもよい。但し、この場合は読出し
用ＭＯ８ＴｒはＰ−ＭＯＳを用いる。

発明の効果 以上述べたように本発明によれば、入射光の強度が高（
ても両案間の信号干渉を起すことな（、各画素信号な存
効に読出すことがで赦るから、露光量が制限されること
はない。

【図面の簡単な説明】

酊１図ＡおよびＢは従来の固体撮像装置の固体撮像素子
の断面図および平面図−酊２図ＡおよびＢは従来の５Ｉ
Ｔｙｌ？マトリツクス状に配列して構成した固体撮像装
置の回路構成を示す図およびその動作を説明するための
信号波形図、第３図ＡおよびＢは本発明の固体撮像装置
に用いろ固体撮像Ａ賃“ の信号波形図、第５図誇ヤ第６図は本発明の固体撮像装
置の更に他の例の要部を示す回路図である。 ２１．４０−１．４０−２．・・・、ｆｉＯ−１，６０
−２，・・・・・・感光用ＳＩＴ、２２．４１−１．４
１−２．・・、６１−１．６１−２・・・・・・読出【
７用ＭＯ８Ｔｒ、２３・・・・・　ｎ子基板、２４・・
・・・・エピタキシャル層、２５・・・・・・Ｐ＋ゲー
ト領域、２６．２８・・・・・・ｎ＋ドレイ／領域、２
７・・・・・・　ｎ＋ソース領域、２９・・・・・・Ｐ
−ウェル、４２−１．４２−２．・・・・・・行＃ｉ！
。 ４３・・・・・・垂１α選択シフトレジスタ、４４−１
．４４−２．・・・・・・列線、４５・・・・・・水平
選択シフトレジスタ、４６・・・・・・信号読出し４線
、４７−１．４７−２、・・・・・・選択スイッチ、４
Ｂ・・・・・ビデオ導線、４９・・・・・・負荷抵抗、
５０・・・・・・ビデオ電源、５１・・・・・・出力端
子を示す。 第５＠ 第６図 ５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、入射光を受光する感光用トランジスタと、この感光
   用トランジスタの光電変換出力を選択的に読出す読出し
   用トランジスタとを有し、それらの主電流通路を直列に
   接続して成る固体撮像素子を、複数の行導線および列導
   線で構成されるマトリックスの各交点にそれぞれ設け、
   これら行導線および列導線に前記固体撮像素子の感光用
   トランジスタと読出し用トラ〉・ジスタを接続し、前記
   行導線を感光用トランジスタのリセット導線として共用
   したことを特徴とする固体撮像装置。