JP2011061520A - Mos type image sensor, method of driving the same, and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】不完全転送型イメージセンサであってもリセットノイズを正確に除去可能にする。
【解決手段】イメージセンサ100は、半導体基板1内に形成された蓄積ダイオードSDと、SDの電位をリセットするトランジスタRSTrと、SDと電気的に接続されたゲート電極WCG及びWCGの電位に応じて基板1から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートFGを含むトランジスタWTと、FGに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化するトランジスタRTとを含む画素部21を有し、SDの電位をリセットし、該リセット後のSDの電位に応じた電荷をFGに注入し、その後、RTの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いてリセット後に開始した露光が終了した後のSDの電位に応じた電荷をFGに注入し、その後、RTの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出す駆動制御回路4と、第一の信号と第二の信号の差分を出力する差分回路8とを備える。
【選択図】図3Reset noise can be accurately removed even with an incomplete transfer type image sensor.
An image sensor 100 includes a storage diode SD formed in a semiconductor substrate 1, a transistor RSTr for resetting the potential of SD, and gate electrodes WCG and WCG electrically connected to SD. The pixel portion 21 includes a transistor WT including a floating gate FG for storing charge injected from the substrate 1 and a transistor RT whose threshold voltage changes according to the charge stored in the FG, and resets the SD potential. After the reset, the electric charge corresponding to the SD potential is injected into the FG, and then the first signal corresponding to the RT threshold voltage is read and held, and then the exposure started after the reset is completed. A charge corresponding to the SD potential is injected into the FG, and then the drive control circuit 4 for reading out the second signal corresponding to the RT threshold voltage, and the first signal When and a differential circuit 8 for outputting a difference of the second signal.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、MOS型イメージセンサ、MOS型イメージセンサの駆動方法、撮像装置に関する。 The present invention relates to a MOS image sensor, a method for driving a MOS image sensor, and an imaging apparatus.
3トランジスタ方式のCMOSイメージセンサ、及び、無機又は有機の光電変換層を基板上に積層し、該基板内に設けた蓄積ダイオードに該光電変換層で発生した電荷を蓄積する方式の積層型イメージセンサでは、露光開始時に、フォトダイオードや蓄積ダイオードに蓄積された不要電荷をMOSトランジスタのスイッチを用いてリセット電圧にリセットする必要がある。このMOSトランジスタのスイッチにより、容量に蓄積された電荷をリセットする際、スイッチの持つ熱雑音がスイッチをOFFした瞬間に容量にそのまま保持される。このリセットによって生じ保持されるノイズをリセットノイズ又はkTCノイズと称する。 A three-transistor CMOS image sensor and a laminated image sensor in which an inorganic or organic photoelectric conversion layer is stacked on a substrate, and charges generated in the photoelectric conversion layer are stored in a storage diode provided in the substrate Then, at the start of exposure, it is necessary to reset unnecessary charges stored in the photodiode or storage diode to a reset voltage using a switch of a MOS transistor. When the charge accumulated in the capacitor is reset by the switch of the MOS transistor, the thermal noise of the switch is held in the capacitor as it is when the switch is turned off. Noise generated and held by this reset is referred to as reset noise or kTC noise.
このリセットノイズを除去する方法として、フローティングディフュージョンをリセットした後に、フローティングディフュージョンの電位に応じたリセットノイズを読み出し、露光終了後、完全空乏化された埋め込みフォトダイオードからフローティングディフュージョンに電荷を完全転送し、転送した後のフローティングディフュージョンの電位に応じた信号を読み出し、この信号からリセットノイズを減算するCDS(二重相関サンプリング)法が知られている(非特許文献1参照)。 As a method of removing this reset noise, after resetting the floating diffusion, the reset noise corresponding to the potential of the floating diffusion is read, and after the exposure is completed, the charge is completely transferred from the fully depleted embedded photodiode to the floating diffusion, A CDS (double correlation sampling) method is known in which a signal corresponding to the potential of the floating diffusion after the transfer is read and reset noise is subtracted from this signal (see Non-Patent Document 1).
しかし、フォトダイオードが埋め込み型でない場合には、フォトダイオードからフローティングディフュージョンにリセットノイズを完全転送することができず、転送残りが発生するため、リセットノイズを完璧に除去することができない。特に、積層型イメージセンサでは、基板内に設ける蓄積ダイオードと、光電変換層を挟む一対の電極の一方とを導電体で電気的に接続する必要があり、蓄積ダイオードをシリコン基板内に埋め込んで完全空乏化することができない。このため、積層型イメージセンサは不完全転送型イメージセンサとなる。 However, when the photodiode is not a buried type, the reset noise cannot be completely transferred from the photodiode to the floating diffusion, and a transfer residue occurs, so that the reset noise cannot be removed completely. In particular, in a stacked image sensor, it is necessary to electrically connect a storage diode provided in a substrate and one of a pair of electrodes sandwiching a photoelectric conversion layer with a conductor, and the storage diode is completely embedded in a silicon substrate. Cannot be depleted. For this reason, the laminated image sensor becomes an incomplete transfer type image sensor.
このように、不完全転送型イメージセンサでは、CDS処理を行ってもリセットノイズ(kTCノイズ)を除去することができず、埋め込みフォトダイオードを用いた完全転送型イメージセンサに比べ、ノイズ性能で劣っていた。 As described above, the incomplete transfer type image sensor cannot remove the reset noise (kTC noise) even if the CDS processing is performed, and is inferior in noise performance as compared with the complete transfer type image sensor using the embedded photodiode. It was.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、不完全転送型イメージセンサであってもリセットノイズを正確に除去可能にすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to make it possible to accurately remove reset noise even in an incomplete transfer type image sensor.
本発明のMOS型イメージセンサは、複数の画素部を有するMOS型イメージセンサであって、前記画素部は、半導体基板内に形成され入射光に応じて発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部と電気的に接続されたゲート電極及び前記ゲート電極の電位に応じて前記半導体基板から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートを含む書き込みトランジスタと、前記フローティングゲートと電気的に接続されたフローティングゲートを有し前記フローティングゲートに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化する読み出しトランジスタとを含み、前記リセットトランジスタをオンして前記電荷蓄積部の電位をリセットし、該リセット終了後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いて、前記リセット終了後に開始した露光が終了した後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出す制御部と、前記第一の信号と前記第二の信号の差分を撮像信号として出力する信号出力部とを備える。 The MOS type image sensor of the present invention is a MOS type image sensor having a plurality of pixel units, and the pixel unit is formed in a semiconductor substrate and stores a charge generated according to incident light; and A reset transistor for resetting a potential of the charge storage unit; a gate electrode electrically connected to the charge storage unit; and a floating gate for storing charge injected from the semiconductor substrate in accordance with the potential of the gate electrode A write transistor; and a read transistor having a floating gate electrically connected to the floating gate and having a threshold voltage that changes according to the charge accumulated in the floating gate, and turning on the reset transistor to turn the charge on The potential of the storage unit is reset, and the charge storage unit after the reset is completed. The charge corresponding to the position is injected into the floating gate of the write transistor, and then the first signal corresponding to the threshold voltage of the read transistor is read and held, and then the exposure started after the reset is completed. A control unit that injects a charge corresponding to the potential of the charge storage unit after being injected into the floating gate of the write transistor, and then reads a second signal corresponding to a threshold voltage of the read transistor; And a signal output unit that outputs a difference between the signal and the second signal as an imaging signal.
本発明のMOS型イメージセンサの駆動方法は、複数の画素部を有するMOS型イメージセンサの駆動方法であって、前記画素部は、半導体基板内に形成され入射光に応じて発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部と電気的に接続されたゲート電極及び前記ゲート電極の電位に応じて前記半導体基板から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートを含む書き込みトランジスタと、前記フローティングゲートと電気的に接続されたフローティングゲートを有し前記フローティングゲートに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化する読み出しトランジスタとを含み、前記電荷蓄積部の電位をリセットし、該リセット終了後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いて、前記リセット終了後に開始した露光が終了した後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出すステップと、前記第一の信号と前記第二の信号の差分を撮像信号として出力するステップとを備える。 The MOS image sensor driving method according to the present invention is a MOS image sensor driving method having a plurality of pixel portions, and the pixel portions are formed in a semiconductor substrate and accumulate charges generated according to incident light. A charge storage unit that performs electrical storage, a gate electrode that is electrically connected to the charge storage unit, a write transistor that includes a floating gate that stores charges injected from the semiconductor substrate in accordance with a potential of the gate electrode, and the floating gate And a readout transistor that has a floating gate electrically connected to the threshold voltage and changes in accordance with the charge accumulated in the floating gate, resets the potential of the charge accumulation portion, and Charge corresponding to the potential of the charge storage portion is injected into the floating gate of the write transistor. Thereafter, the first signal corresponding to the threshold voltage of the readout transistor is read out and held, and then the electric charge corresponding to the electric potential of the electric charge storage unit after the exposure started after the end of the reset is completed. Injecting into the floating gate of the writing transistor and then reading out a second signal corresponding to the threshold voltage of the reading transistor; and outputting a difference between the first signal and the second signal as an imaging signal With.
本発明の撮像装置は、前記MOS型イメージセンサを備える。 The imaging device of the present invention includes the MOS image sensor.
本発明によれば、不完全転送型イメージセンサであってもリセットノイズを正確に除去することができる。 According to the present invention, reset noise can be accurately removed even with an incomplete transfer type image sensor.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態を説明するためのMOS型イメージセンサの概略構成を示す図である。MOS型イメージセンサ100は、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡及びカメラ付携帯電話機等に搭載される撮像モジュール、等に用いられる。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a MOS type image sensor for explaining an embodiment of the present invention. The
図1に示すMOS型イメージセンサ100は、半導体基板1に形成された画素アレイ2、垂直駆動走査回路3、駆動制御回路4、列信号処理回路5、信号線6、水平駆動走査回路7、及び差分回路8を備える。
A
画素アレイ2は、詳細は後述するが、二次元状に配列された複数の画素部を含む。後述する例では、複数の画素部が、行方向に並ぶ複数の画素部からなる画素部行を行方向に直交する垂直方向に複数並べた配置、又は、列方向に並ぶ複数の画素部からなる画素部列を行方向に複数並べた配置となっている。
Although described in detail later, the
垂直駆動走査回路3は、画素アレイ2に含まれる複数の画素部の駆動を行うものであり、複数の画素部行を1つずつ選択して駆動することが可能になっている。
The vertical
駆動制御回路4は、垂直駆動走査回路3、列信号処理回路5、水平駆動走査回路7、及び差分回路8を統括制御する。
The
列信号処理回路5は、複数の画素部列の各々に対応して設けられた読み出し回路を含んで構成されている。列信号処理回路5の詳細は後述する。
The column
水平駆動走査回路7は、列信号処理回路5に含まれる複数の読み出し回路の各々に接続されたスイッチと、このスイッチをオンオフ制御する制御回路とで構成されている。このスイッチがオンされることにより、読み出し回路で読み出された信号が信号線6に出力される。
The horizontal
差分回路8は、信号線6を介して入力される2つの信号の差分を求め、その差分を撮像信号としてMOS型イメージセンサ100外部に出力する。
The difference circuit 8 calculates a difference between two signals input via the
図2は、図1に示す画素アレイの概略構成を示す平面模式図である。図2に示すように、画素アレイ2は、複数の画素部21(図中pixelと表記)と、容量22と、読み出し制御線RLと、書き込み制御線WLと、リセット制御線RSTと、リセット電源線Vrstと、信号線BLとを含む。複数の画素部21は、上述したように、半導体基板1上の行方向Xと列方向Yに二次元状(図2の例では正方格子状)に配列されている。容量22は、各画素部列に対応して設けられている。
FIG. 2 is a schematic plan view showing a schematic configuration of the pixel array shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
画素部21は、光を受光してその受光量に応じた電荷を発生すると共に、この発生した電荷に応じた信号を出力するものである。
The
読み出し制御線RLと、書き込み制御線WLと、リセット制御線RSTと、リセット電源線Vrstとは、それぞれ、1つの画素部行に対して1つ設けられている。読み出し制御線RL、書き込み制御線WL、及びリセット制御線RSTは、それぞれ、対応する画素部行の各画素部21と垂直駆動走査回路3とに接続されている。リセット電源線Vrstは、対応する画素部行の各画素部21と図示しない電源とに接続されている。
One read control line RL, one write control line WL, one reset control line RST, and one reset power supply line Vrst are provided for one pixel portion row. The read control line RL, the write control line WL, and the reset control line RST are respectively connected to each
信号線BLは、1つの画素部列に対して1つ設けられている。信号線BLは、それに対応する画素部列の各画素部21と、その画素部列に対応する容量22と、その画素部列に対応する列信号処理回路5内の読み出し回路とに接続されている。
One signal line BL is provided for one pixel portion column. The signal line BL is connected to each
図3は、図2に示す画素部21と図1に示す列信号処理回路5及び垂直駆動走査回路3の内部構成を示す図である。画素部21は、蓄積ダイオードSDと、画素電極221と、光電変換層222と、対向電極223と、リセットトランジスタRSTrと、書き込みトランジスタWTと、読み出しトランジスタRTとを含む。
FIG. 3 is a diagram showing an internal configuration of the
画素電極221は、半導体基板1上方に設けられた電極であり、画素部21毎に分離されている。光電変換層222は、画素電極221上に形成されており、受光した光に応じて電荷を発生する有機又は無機の光電変換材料を含む層を少なくとも含む。光電変換層222は、全ての画素部21で共通の一枚構成になっている。対向電極223は、光電変換層222上に形成された透明電極である。対向電極223は、全ての画素部21で共通の一枚構成になっている。光電変換層222及び対向電極223は、画素部21毎に分離してあっても良い。
The
蓄積ダイオードSDは、光電変換層222で発生した電荷(電子又は正孔)を蓄積するものであり、半導体基板1内に形成されたn型不純物層又はp型不純物層で構成され、画素電極221と電気的に接続されている。対向電極223にはバイアス電圧が印加可能となっており、このバイアス電圧によって画素電極221と対向電極223間に電界を加えることができるようになっている。この電界により、光電変換層222で発生した電荷対の一方は画素電極221に移動し、もう一方は対向電極223に移動する。
The storage diode SD stores charges (electrons or holes) generated in the
なお、画素電極221の代わりに、対向電極223を蓄積ダイオードSDと電気的に接続しても良い。この場合、対向電極223は画素部21毎に分離しておき、画素電極221にバイアス電圧を印加できるようにしておけば良い。
Note that the
リセットトランジスタRSTrは、蓄積ダイオードSDに蓄積された電荷を排出して、蓄積ダイオードSDの電位を所定の電位にリセットするものである。リセットトランジスタRSTrのゲート電極RGにはリセット制御線RSTが接続されている。リセットトランジスタRSTrのドレイン領域には、リセット電源線Vrstが接続されている。蓄積ダイオードSDに正孔を蓄積する場合、リセットトランジスタRSTrオン時のリセット制御線RSTの電圧はローレベル(グランド0V)になり、蓄積ダイオードSDの電位はリセット終了後から上昇する。また、蓄積ダイオードSDに電子を蓄積する場合、リセットトランジスタRSTrオン時のリセット制御線RSTの電圧はハイレベル(プラス数ボルト)になり、蓄積ダイオードSDの電位はリセット終了後から降下する。 The reset transistor RSTr discharges the charge accumulated in the storage diode SD and resets the potential of the storage diode SD to a predetermined potential. A reset control line RST is connected to the gate electrode RG of the reset transistor RSTr. A reset power supply line Vrst is connected to the drain region of the reset transistor RSTr. When holes are accumulated in the storage diode SD, the voltage of the reset control line RST when the reset transistor RSTr is on becomes low level (ground 0 V), and the potential of the storage diode SD rises after the reset is completed. When electrons are stored in the storage diode SD, the voltage of the reset control line RST when the reset transistor RSTr is turned on is at a high level (plus several volts), and the potential of the storage diode SD drops after the reset ends.
書き込みトランジスタWTは、蓄積ダイオードSDと電気的に接続されたゲート電極である書き込みコントロールゲートWCGと、書き込みコントロールゲートWCGの電位に応じて半導体基板1から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートFGとを有するMOSトランジスタである。書き込みコントロールゲートWCGのドレイン領域には書き込み制御線WLが接続されている。
The write transistor WT includes a write control gate WCG that is a gate electrode electrically connected to the storage diode SD, and a floating gate FG that accumulates charges injected from the
読み出しトランジスタRTは、書き込みトランジスタWTのフローティングゲートFGと電気的に接続されたフローティングゲートFGと、読み出し制御線RLに接続されたゲート電極である読み出しコントロールゲートRCGとを有するMOSトランジスタである。読み出しトランジスタRTのソース領域は、書き込みトランジスタWTのソース領域と共通化されている。読み出しトランジスタRTのフローティングゲートFGは、書き込みトランジスタWTのフローティングゲートFGと一体化されていても良いし、書き込みトランジスタWTのフローティングゲートFGとは別にして、2つのフローティングゲートを配線で接続してあっても良い。読み出しトランジスタRTのドレイン領域は信号線BLに接続されている。 The read transistor RT is a MOS transistor having a floating gate FG electrically connected to the floating gate FG of the write transistor WT and a read control gate RCG that is a gate electrode connected to the read control line RL. The source region of the read transistor RT is shared with the source region of the write transistor WT. The floating gate FG of the read transistor RT may be integrated with the floating gate FG of the write transistor WT, or two floating gates may be connected by wiring separately from the floating gate FG of the write transistor WT. May be. The drain region of the read transistor RT is connected to the signal line BL.
列信号処理回路5は、画素部列毎に設けられた読み出し回路50と、読み出し制御部51と、DA変換器52と、カウンタ53と、プリチャージ回路54とを備える。
The column
読み出し回路50は、トランジスタ55,56と、センスアンプ57と、ラッチ回路58a,58bとを備える。
The
トランジスタ55は、信号線BLとセンスアンプ57の間に設けられ、信号線BLとセンスアンプ57との接続制御を行う。トランジスタ56は、信号線BLとプリチャージ回路54との間に設けられ、プリチャージ回路54から供給する電圧の信号線BLへの供給制御を行う。
The transistor 55 is provided between the signal line BL and the
センスアンプ57は、信号線BLの電圧を監視し、この電圧が変化したときに検出信号をラッチ回路58a又はラッチ回路58bに出力する。例えば、信号線BLの電圧が降下したことを検出しセンスアンプ出力を反転させる。
The
ラッチ回路58a,58bは、検出信号が入力された時点でのカウンタ53のカウント値を保持する。
The
カウンタ53は、N−bitカウンタ(例えばN=8〜12)であり、駆動制御回路4の指示により、カウント値を初期値にリセットして、カウントを開始する。DA変換器52は、カウンタ53のカウント値(N個の1、0の組み合わせ)をアナログ信号に変換して、漸増又は漸減するランプ波形電圧を各画素部行の読み出し制御線RLにスイッチ3aを介して供給する。
The
読み出し制御部51は、トランジスタ55,56のオンオフを制御する。また、読み出し制御部51は、スイッチ3aのオンオフ制御も行い、任意の画素部行の読み出し制御線RLにランプ波形電圧を供給する制御を行う。
The read control unit 51 controls on / off of the
プリチャージ回路54は、信号線BLに所定の電圧を供給して、信号線BLに接続された容量22をプリチャージする。
The
容量22がプリチャージされた状態で読み出しコントロールゲートRCGの電圧が読み出しトランジスタRTの閾値電圧を越えると読み出しトランジスタRTが導通し、このとき、プリチャージされていた信号線BLの電位が降下する。これがセンスアンプ57によって検出されて反転信号が出力される。ラッチ回路58a又はラッチ回路58bは、この反転信号を受けた時点におけるランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持(ラッチ)する。これにより、デジタル値(1,0の組み合わせ)として、読み出しトランジスタRTの閾値電圧に対応した信号を読み出して保持することができる。
When the voltage of the read control gate RCG exceeds the threshold voltage of the read transistor RT while the
図4は、図3に示した画素部21の断面構造例を示す断面模式図である。図4では、半導体基板1をp型シリコン基板とし、蓄積ダイオードSDをn型不純物層で構成している。また、リセットトランジスタRSTr、書き込みトランジスタWT、及び読み出しトランジスタRTを、それぞれnチャネルトランジスタとしている。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a cross-sectional structure of the
p型シリコン基板1には、n型不純物層211,212,213,214と、蓄積ダイオードSDと、素子分離層215とが形成されている。
On the p-
蓄積ダイオードSDは、p型シリコン基板1内に形成されたn型不純物層で形成されている。n型不純物層211は、蓄積ダイオードSDの左に少し離間して形成され、リセットトランジスタRSTrのドレインとして機能する。n型不純物層212は、蓄積ダイオードSDの右に素子分離領域215を挟んで形成されており、書き込みトランジスタWTのドレインとして機能する。n型不純物層213は、n型不純物層212の右に離間して設けられており、書き込みトランジスタWT及び読み出しトランジスタRTのソースとして機能する。n型不純物層214は、n型不純物層213の右に離間して設けられており、読み出しトランジスタRTのドレインとして機能する。
The storage diode SD is formed of an n-type impurity layer formed in the p-
n型不純物層211と蓄積ダイオードSDの間のp型シリコン基板1上には、絶縁膜219を介してリセットトランジスタRSTrのゲート電極RGが形成されている。n型不純物層212とn型不純物層214の間のp型シリコン基板1上には、絶縁膜219を介してフローティングゲートFGが形成されている。
On the p-
n型不純物層212とn型不純物層213の間の上方にあるフローティングゲートFG上には、絶縁膜220を介して書き込みトランジスタWTの書き込みコントロールゲートWCGが形成されている。n型不純物層213とn型不純物層214の間の上方にあるフローティングゲートFG上には、絶縁膜220を介して読み出しトランジスタRTの読み出しコントロールゲートRCGが形成されている。
On the floating gate FG located between the n-
p型シリコン基板1上方には、画素電極221、光電変換層222、及び対向電極223がこの順で積層されており、蓄積ダイオードSDと画素電極221とが電気的に接続されている。
Above the p-
図4に示した構造例では、蓄積ダイオードSDに電子を蓄積し、蓄積ダイオードSDの電位に応じてドレイン領域であるn型不純物層212からフローティングゲートFGに電子を注入する方式と、蓄積ダイオードSDに正孔を蓄積し、蓄積ダイオードSDの電位に応じてドレイン領域であるn型不純物層212からフローティングゲートFGに電子を注入する方式とのいずれかを採用することができる。
In the structure example shown in FIG. 4, a method of storing electrons in the storage diode SD and injecting electrons into the floating gate FG from the n-
なお、図4に示した構造例において、p型シリコン基板1をn型シリコン基板とし、n型不純物層211,212,213,214と、蓄積ダイオードSDとをそれぞれp型不純物層にした構成としてもよい。この構成の場合、蓄積ダイオードSDに電子を蓄積し、蓄積ダイオードSDの電位に応じてドレイン領域であるp型不純物層212からフローティングゲートFGに正孔を注入する方式と、蓄積ダイオードSDに正孔を蓄積し、蓄積ダイオードSDの電位に応じてドレイン領域であるp型不純物層212からフローティングゲートFGに正孔を注入する方式とのいずれかを採用することができる。
In the structure example shown in FIG. 4, the p-
なお、書込みトランジスタWTは、FNトンネリング電子注入、チャネルホットエレクトロン注入、又は特開平9−8153号公報及び米国特許第5687118号明細書に開示されているようなバンド−バンド間トンネリングによって発生するホットエレクトロンをフローティングゲートFGに注入することができるように、ドレイン領域212、ソース領域213、及びp型シリコン基板1の各々に供給する電圧を決めておけばよい。
Note that the write transistor WT includes hot electrons generated by FN tunneling electron injection, channel hot electron injection, or band-to-band tunneling as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-8153 and US Pat. No. 5,687,118. The voltage supplied to each of the
次に、図4に示した構造例におけるフローティングゲートFGへの電子の注入動作と、フローティングゲートFGに注入した電子に応じた信号(読み出しトランジスタRTの閾値電圧に対応する信号)の読み出し動作と、フローティングゲートFGの電子の消去動作の具体例について説明する。 Next, an operation of injecting electrons into the floating gate FG in the structural example shown in FIG. 4, a read operation of a signal corresponding to the electrons injected into the floating gate FG (a signal corresponding to the threshold voltage of the read transistor RT), A specific example of the electron erasing operation of the floating gate FG will be described.
1)FGへの書込み
蓄積ダイオードSDに接続される書き込みコントロールゲートWCGの電位に応じてフローティングゲートFGにドレイン領域212から電子を注入し、注入された電子量に応じて書込みトランジスタWTの閾値電圧を変化させるには、書き込みトランジスタWTのドレイン領域212に接続された書き込み制御線WLの電圧をH(プラス数ボルト)にする。但し、読み出しトランジスタRTのドレイン領域214に接続された信号線BLは0ボルトとする。
1) Write to FG Electrons are injected from the
2)FGからの読出し
フローティングゲートFGに注入された電子により変化した読み出しトランジスタRTの閾値電圧は、読み出しコントロールゲートRCGに接続された読み出し制御線RLに電圧が漸増する正のランプ信号を入力し、読み出しトランジスタRTのドレイン領域214に接続された信号線BLからドレイン信号が流れ始めたときの読み出しコントロールゲートRCGの電圧値で検知する。
2) Reading from FG A positive ramp signal whose voltage gradually increases is input to the read control line RL connected to the read control gate RCG as the threshold voltage of the read transistor RT changed by the electrons injected into the floating gate FG. This is detected by the voltage value of the read control gate RCG when the drain signal starts to flow from the signal line BL connected to the
3)FG内の電荷消去
書き込み制御線WLの電圧及び読み出し制御線RLの電圧を−H(マイナス数ボルト)にすることで、フローティングゲートFG内の電子をp型シリコン基板1に掃き出す。
3) Charge erase in FG By setting the voltage of the write control line WL and the voltage of the read control line RL to −H (minus several volts), the electrons in the floating gate FG are swept out to the p-
以上の動作をまとめたものが下記表である。シリコン基板1をn型とし、リセットトランジスタRSTr、書き込みトランジスタWT、及び読み出しトランジスタRTをpチャネルトランジスタとし、蓄積ダイオードSDをp型不純物層にしてここで電子を蓄積させる構成の場合は、表1において、各電圧の極性を反対にすればよい。
The following table summarizes the above operations. In the case where the
次に、以上のように構成されたMOS型イメージセンサ100の動作を説明する。以下では、MOS型イメージセンサ100の画素部21が図4に示した構造であり、かつ、蓄積ダイオードSDに正孔を蓄積し、フローティングゲートFGに電子を注入する方式を採用したときの動作について説明する。
Next, the operation of the
以下の説明は、MOS型イメージセンサ100を、画素部行単位で露光及び信号読み出しを順次行う、いわゆるローリングシャッタ方式で駆動した場合の動作である。n行目の画素部行に注目して、図5を参照して撮像動作を説明する。図5は、図1に示すMOS型イメージセンサのローリングシャッタモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。
The following description is an operation when the
n行目の画素部行において、前のフレームの露光信号の読み出しが終了すると、垂直駆動走査回路3が、n行目の画素部行の書き込み制御線WLの電圧と読み出し制御線RLの電圧を、ミドルレベル(フローティング状態)からローレベル(マイナス数ボルト)にする。これにより、フローティングゲートFGに蓄積されていた電子が半導体基板1に掃きだされ、フローティングゲートFG内の電子が消去される。
When the reading of the exposure signal of the previous frame is completed in the nth pixel portion row, the vertical
次に、垂直駆動走査回路3は、n行目の画素部行のリセット制御線RSTの電圧をローレベルからハイレベルにする。これにより、リセットトランジスタRSTrがオンし、蓄積ダイオードSDの電位が所定のリセット電圧にリセットされる。このリセット電圧は例えばグランド(0V)である。
Next, the vertical
次に、垂直駆動走査回路3は、n行目の画素部行のリセット制御線RSTの電圧をハイレベルからローレベルに戻し、リセットトランジスタRSTrをオフにする。リセットトランジスタRSTrがオフになると、n行目の画素部行の各画素部21の露光が開始される。
Next, the vertical
リセットトランジスタRSTrをオフにした直後、垂直駆動走査回路3は、n行目の画素部行の書き込み制御線WLの電圧をミドルレベルからハイレベル(プラス数ボルト)にする。これにより、リセットトランジスタRSTrのオフ直後の蓄積ダイオードSDの電位に応じて、ドレイン領域212からフローティングゲートFGに電子が注入される。このときフローティングゲートFGに注入される電子には、リセットトランジスタRSTrのリセット動作により発生したリセットノイズ(kTCノイズ)に対応する電子が重畳されている。
Immediately after turning off the reset transistor RSTr, the vertical
次に、読み出し制御回路51が、n行目の画素部行のスイッチ3aをオンにすると共に、トランジスタ55,56をオンして、信号線BLとセンスアンプ57を導通し、信号線BLの電位をプリチャージ(プラス数ボルト)する。また、スイッチ3aのオンと同時に、駆動制御回路4がカウンタ53のカウント値をリセットしてカウントをスタートさせる。これにより、n行目の画素部行の各画素部21の読み出しコントロールゲートRCGにランプ波形電圧の供給が開始される。
Next, the read control circuit 51 turns on the
ランプ波形電圧がある値を超えた瞬間、読み出しトランジスタRTのドレイン信号が流れ、信号線BLの容量22に蓄積された電荷がディスチャージし、信号線BLの電位がローレベル(ほぼゼロボルト)に戻る。その時のデジタルカウント値がラッチ回路58aにラッチ(保持)される。この時のラッチ値が、リセットトランジスタRSTrのリセット直後に蓄積ダイオードSDに存在していた正孔(以下、リセットノイズ電荷とも言う)に比例した信号(以下、リセットノイズ信号)となる。n行目の画素部行の各画素部21からリセットノイズ信号が読み出され、ラッチ回路58aにラッチされると、読み出し制御回路51は、トランジスタ55,56とn行目の画素部行のスイッチ3aをオフにする。
As soon as the ramp waveform voltage exceeds a certain value, the drain signal of the read transistor RT flows, the charge accumulated in the
次に、垂直駆動走査回路3は、n行目の画素部行の書き込み制御線WLの電圧をミドルレベルからハイレベルにする。これにより、露光期間中に蓄積ダイオードSDに蓄積された正孔による蓄積ダイオードSDの電位に応じて、ドレイン領域212からフローティングゲートFGに電子が注入される。なお、書き込み制御線WLの電圧がハイレベルになっている期間も、光電変換層222には光が入射しているため、この期間に光電変換層222で発生した電荷も蓄積ダイオードSDに蓄積され、蓄積ダイオードSDの電位は若干変化する。
Next, the vertical
次に、垂直駆動走査回路3は、書き込み制御線WLの電圧をローレベルに戻す。これにより、n行目の画素部行の露光期間を終了する。書き込み制御線WLの電圧をローレベルに戻した時点で、フローティングゲートFGには、露光期間中に蓄積ダイオードSDに蓄積された正孔の量に対応する量の電子が注入される。
Next, the vertical
次に、読み出し制御回路51が、n行目の画素部行のスイッチ3aをオンにすると共に、トランジスタ55,56をオンして、信号線BLとセンスアンプ57を導通し、信号線BLの電位をプリチャージする。また、スイッチ3aのオンと同時に、駆動制御回路4がカウンタ53のカウント値をリセットしてカウントをスタートさせる。これにより、n行目の画素部行の各画素部21の読み出しコントロールゲートRCGにランプ波形電圧の供給が開始される。
Next, the read control circuit 51 turns on the
ランプ波形電圧がある値を超えた瞬間、読み出しトランジスタRTのドレイン信号が流れ、信号線BLの容量22に蓄積された電荷がディスチャージし、信号線BLの電位がローレベルに戻る。その時のデジタルカウント値がラッチ回路58bにラッチ(保持)される。この時のラッチ値が、露光期間中に蓄積ダイオードSDに蓄積された正孔(以下、露光電荷とも言う)に比例した信号(以下、露光信号という)となる。
As soon as the ramp waveform voltage exceeds a certain value, the drain signal of the read transistor RT flows, the charge accumulated in the
n行目の画素部行の各画素部21から露光信号が読み出されてラッチ回路58bにラッチされると、読み出し制御回路51は、トランジスタ55,56とn行目の画素部行のスイッチ3aをオフにする。
When an exposure signal is read out from each
次に、水平駆動走査回路7の制御により、1つの画素部列に対応するラッチ回路58a,58bが選択されると、このラッチ回路58a,58bからリセットノイズ信号と露光信号が信号線6に読み出され、それぞれ差分回路8に入力される。差分回路8では、入力された露光信号からリセットノイズ信号を減算して、リセットノイズのない撮像信号を出力する。
Next, when the
以上のように、MOS型イメージセンサ100によれば、リセット後に蓄積ダイオードSDに存在するリセットノイズ電荷を物理的に転送することなく、そのリセットノイズ電荷の量に対応するリセットノイズ信号を読み出して保持することができる。また、露光終了後に蓄積ダイオードSDに存在する露光電荷を物理的に転送することなく、その露光電荷の量に対応する露光信号を読み出すことができる。この露光信号にはリセットノイズ信号も含まれているため、露光信号とリセットノイズ信号の差分を求めることで、リセットノイズを完璧に除去した撮像信号を得ることができる。この構成によれば、蓄積ダイオードSDに蓄積された電荷を別の場所に転送する必要がないため、不完全転送型のイメージセンサであっても、リセットノイズを正確に除去することができる。
As described above, according to the
MOS型イメージセンサ100は、画素電極221と半導体基板1内の蓄積ダイオードSDとを電気的に接続する必要があるため、蓄積ダイオードSDを半導体基板1内部に埋め込む構造を採用することができない。このため、蓄積ダイオードSDから他の場所に電荷を完全転送することができず、従来方式ではリセットノイズを除去することができない。MOS型イメージセンサ100によれば、蓄積ダイオードSDの電荷を他の場所に転送することなく信号を読み出すことができるため、蓄積ダイオードSDが埋め込み型でなくとも、リセットノイズを完全に除去することができる。このように、蓄積ダイオードSDと書き込みコントロールゲートWCGとを接続し、蓄積ダイオードSDの電位に応じてフローティングゲートFGに電荷を書き込む方式を採用することは、積層型イメージセンサにおいて特に有効となる。
Since the
また、MOS型イメージセンサ100によれば、リセットノイズ電荷に対応する電荷と露光電荷に対応する電荷とを同じフローティングゲートFGに蓄積しているため、読み出しトランジスタRTの閾値電圧に製造ばらつきがあった場合でも、このばらつきの影響を排除することができる。
Further, according to the MOS
また、フローティングゲートFGは、情報保持期間の差及び温度変動による記憶情報の変動がないため、一定光量化で撮像を行った場合、先に読み出された画素部行と、後に読み出された画素部行とで撮像信号にレベル差が生じなくなり、シェーディング等の撮影画像の劣化を防ぐことができる。 In addition, since the floating gate FG does not change the stored information due to the difference in the information holding period and the temperature change, when imaging is performed with a constant light amount, the pixel unit row read out first and the pixel read out later A level difference does not occur in the image pickup signal between the pixel portion rows, and it is possible to prevent deterioration of the captured image such as shading.
なお、蓄積ダイオードSDにて電子を蓄積し、この蓄積ダイオードSDの電位に応じてフローティングゲートFGに電子を注入する方式を採用した場合には、蓄積ダイオードSDの電位は、リセット後が最も高く、その後、降下する方向に変化する。この場合、リセットノイズ電荷に対応する電荷をフローティングゲートFGに書き込んだ時点で、フローティングゲートFGには電子が大量に注入されてしまうため、その後に、フローティングゲートFG内の電子を一旦消去しない限りは、露光電荷に対応する電荷をフローティングゲートFGに書き込むことができない。このため、図5に示すタイミングチャートにおいて、リセットノイズ信号を読み出してから露光電荷に対応する電荷の書き込みを行うまでの間に、フローティングゲートFG内の電荷を消去する駆動を行う必要がある。 In addition, when the method of storing electrons in the storage diode SD and injecting electrons into the floating gate FG according to the potential of the storage diode SD is adopted, the potential of the storage diode SD is the highest after reset, After that, the direction changes. In this case, since a large amount of electrons are injected into the floating gate FG when the charge corresponding to the reset noise charge is written in the floating gate FG, the electrons in the floating gate FG are not erased after that. The charge corresponding to the exposure charge cannot be written to the floating gate FG. Therefore, in the timing chart shown in FIG. 5, it is necessary to drive to erase the charge in the floating gate FG between the time when the reset noise signal is read and the time when the charge corresponding to the exposure charge is written.
一方、蓄積ダイオードSDにて正孔を蓄積し、この蓄積ダイオードSDの電位に応じてフローティングゲートFGに電子を注入する方式を採用した場合には、蓄積ダイオードSDの電位が、リセット後が最も低く、その後、上昇する方向に変化する。このため、フローティングゲートFG内の電荷を消去しなくとも、リセットノイズ電荷に対応する電荷と露光電荷に対応する電荷とをフローティングゲートFGに連続して書き込むことが可能になる。この結果、フローティングゲートFGの消去に要する電力や時間を削減することができるという効果が得られる。このような効果は、蓄積ダイオードSDにて電子を蓄積し、この蓄積ダイオードSDの電位に応じてフローティングゲートFGに正孔を注入する方式を採用した場合でも同様に得ることができる。 On the other hand, in a case where holes are accumulated in the storage diode SD and electrons are injected into the floating gate FG according to the potential of the storage diode SD, the potential of the storage diode SD is lowest after reset. Then, change in the direction of rising. Therefore, it is possible to continuously write the charge corresponding to the reset noise charge and the charge corresponding to the exposure charge to the floating gate FG without erasing the charge in the floating gate FG. As a result, it is possible to reduce the power and time required for erasing the floating gate FG. Such an effect can be obtained in the same manner even when a method of storing electrons in the storage diode SD and injecting holes into the floating gate FG according to the potential of the storage diode SD is adopted.
なお、これまではMOS型イメージセンサ100が積層型である場合を例にしたが、MOS型イメージセンサ100は積層型でなくてもよい。例えば、図4に示した画素部断面構造において、画素電極221、光電変換層222、及び対向電極223を削除し、蓄積ダイオードSDをPN接合フォトダイオードとし、このPN接合フォトダイオードを書き込みコントロールゲートWCGと電気的に接続した構成にしてもよい。この場合も、不完全転送型イメージセンサとなるが、フォトダイオードの電荷は他の場所に転送しないため、リセットノイズを正確に除去することができる。
Heretofore, the case where the MOS
以上説明したように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示されたMOS型イメージセンサは、複数の画素部を有するMOS型イメージセンサであって、前記画素部は、半導体基板内に形成され入射光に応じて発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部と電気的に接続されたゲート電極及び前記ゲート電極の電位に応じて前記半導体基板から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートを含む書き込みトランジスタと、前記フローティングゲートと電気的に接続されたフローティングゲートを有し前記フローティングゲートに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化する読み出しトランジスタとを含み、前記リセットトランジスタをオンして前記電荷蓄積部の電位をリセットし、該リセット終了後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いて、前記リセット終了後に開始した露光が終了した後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出す制御部と、前記第一の信号と前記第二の信号の差分を撮像信号として出力する信号出力部とを備える。 The disclosed MOS type image sensor is a MOS type image sensor having a plurality of pixel units, and the pixel units are formed in a semiconductor substrate and store a charge generated according to incident light; and A reset transistor for resetting a potential of the charge storage unit; a gate electrode electrically connected to the charge storage unit; and a floating gate for storing charge injected from the semiconductor substrate in accordance with the potential of the gate electrode A write transistor; and a read transistor having a floating gate electrically connected to the floating gate and having a threshold voltage that changes according to the charge accumulated in the floating gate, and turning on the reset transistor to turn the charge on Reset the potential of the storage unit, and the charge storage unit after the reset Charge corresponding to the potential is injected into the floating gate of the write transistor, and then the first signal corresponding to the threshold voltage of the read transistor is read and held, and then the exposure started after the reset is completed. A control unit that injects a charge corresponding to the potential of the charge storage unit after being injected into the floating gate of the write transistor, and then reads a second signal corresponding to a threshold voltage of the read transistor; And a signal output unit that outputs a difference between the signal and the second signal as an imaging signal.
この構成により、リセット後に電荷蓄積部に存在するリセットノイズ電荷を物理的に転送することなく、そのリセットノイズ電荷の量に対応する第一の信号を読み出して保持することができる。また、露光終了後に電荷蓄積部に存在する電荷を物理的に転送することなく、その電荷の量に対応する第二の信号を読み出すことができる。この第二の信号には、リセットノイズ電荷に対応する第一の信号も含まれているため、第一の信号と第二の信号の差分を求めることで、リセットノイズを完璧に除去することができる。この構成によれば、電荷蓄積部に蓄積された電荷を別の場所に転送する必要がないため、不完全転送型のイメージセンサであっても、リセットノイズを正確に除去することができる。 With this configuration, it is possible to read and hold the first signal corresponding to the amount of the reset noise charge without physically transferring the reset noise charge present in the charge storage unit after reset. Further, the second signal corresponding to the amount of the charge can be read out without physically transferring the charge existing in the charge storage portion after the exposure is completed. Since the second signal also includes the first signal corresponding to the reset noise charge, the reset noise can be completely removed by obtaining the difference between the first signal and the second signal. it can. According to this configuration, it is not necessary to transfer the charge accumulated in the charge accumulation unit to another location, and therefore reset noise can be accurately removed even with an incomplete transfer type image sensor.
開示されたMOS型イメージセンサは、前記電荷蓄積部が、前記半導体基板内に形成されたフォトダイオードである。 In the disclosed MOS image sensor, the charge storage unit is a photodiode formed in the semiconductor substrate.
開示されたMOS型イメージセンサは、前記画素部が、前記半導体基板上方に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に配置され、入射光に応じて電荷を発生する光電変換層と、前記半導体基板内に形成され前記一対の電極の一方と電気的に接続された前記電荷蓄積部とを含む。 In the disclosed MOS type image sensor, the pixel portion is disposed between a pair of electrodes provided above the semiconductor substrate, and a photoelectric conversion layer that generates charges in response to incident light, and is disposed between the pair of electrodes. And the charge storage portion formed in the semiconductor substrate and electrically connected to one of the pair of electrodes.
開示されたMOS型イメージセンサは、前記電荷蓄積部が正孔を蓄積するものであり、前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがnチャネルトランジスタである。 In the disclosed MOS type image sensor, the charge storage unit stores holes, and the writing transistor and the reading transistor are n-channel transistors.
開示されたMOS型イメージセンサは、前記電荷蓄積部が電子を蓄積するものであり、前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがpチャネルトランジスタである。 In the disclosed MOS type image sensor, the charge storage unit stores electrons, and the write transistor and the read transistor are p-channel transistors.
開示されたMOS型イメージセンサの駆動方法は、複数の画素部を有するMOS型イメージセンサの駆動方法であって、前記画素部は、半導体基板内に形成され入射光に応じて発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部と電気的に接続されたゲート電極及び前記ゲート電極の電位に応じて前記半導体基板から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートを含む書き込みトランジスタと、前記フローティングゲートと電気的に接続されたフローティングゲートを有し前記フローティングゲートに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化する読み出しトランジスタとを含み、前記電荷蓄積部の電位をリセットし、該リセット終了後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いて、前記リセット終了後に開始した露光が終了した後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出すステップと、前記第一の信号と前記第二の信号の差分を撮像信号として出力するステップとを備える。 The disclosed MOS image sensor driving method is a MOS image sensor driving method having a plurality of pixel portions, and the pixel portions are formed in a semiconductor substrate and accumulate charges generated according to incident light. A charge storage unit that performs electrical storage, a gate electrode that is electrically connected to the charge storage unit, a write transistor that includes a floating gate that stores charges injected from the semiconductor substrate in accordance with a potential of the gate electrode, and the floating gate And a readout transistor that has a floating gate electrically connected to the threshold voltage and changes in accordance with the charge accumulated in the floating gate, resets the potential of the charge accumulation portion, and Charge corresponding to the potential of the charge storage portion is applied to the floating gate of the write transistor. Then, a first signal corresponding to the threshold voltage of the readout transistor is read out and held, and subsequently, a charge corresponding to the potential of the charge storage unit after the exposure started after the end of the reset is completed. Injecting into the floating gate of the write transistor and then reading out a second signal corresponding to the threshold voltage of the read transistor, and outputting the difference between the first signal and the second signal as an imaging signal Steps.
開示されたMOS型イメージセンサの駆動方法は、前記電荷蓄積部が、前記半導体基板内に形成されたフォトダイオードである。 In the disclosed MOS image sensor driving method, the charge storage unit is a photodiode formed in the semiconductor substrate.
開示されたMOS型イメージセンサの駆動方法は、前記画素部が、前記半導体基板上方に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に配置され、入射光に応じて電荷を発生する光電変換層と、前記半導体基板内に形成され前記一対の電極の一方と電気的に接続された前記電荷蓄積部とを含む。 In the disclosed MOS type image sensor driving method, the pixel portion is arranged between a pair of electrodes provided above the semiconductor substrate and the pair of electrodes, and generates a charge in response to incident light. A conversion layer; and the charge storage portion formed in the semiconductor substrate and electrically connected to one of the pair of electrodes.
開示されたMOS型イメージセンサの駆動方法は、前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがnチャネルトランジスタであり、前記電荷蓄積部に正孔を蓄積させ、前記電荷蓄積部の電位に応じて前記フローティングゲートに電子を注入する。 According to the disclosed MOS image sensor driving method, the writing transistor and the reading transistor are n-channel transistors, and holes are accumulated in the charge accumulation unit, and the floating gate is applied to the floating gate in accordance with the potential of the charge accumulation unit. Inject electrons.
開示されたMOS型イメージセンサの駆動方法は、前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがpチャネルトランジスタであり、前記電荷蓄積部に電子を蓄積させ、前記電荷蓄積部の電位に応じて前記フローティングゲートに正孔を注入する。 In the disclosed MOS image sensor driving method, the writing transistor and the reading transistor are p-channel transistors, electrons are stored in the charge storage unit, and the floating gate is positively connected according to the potential of the charge storage unit. Inject holes.
開示された撮像装置は、前記MOS型イメージセンサを備える。 The disclosed imaging device includes the MOS image sensor.
100 MOS型イメージセンサ
4 駆動制御回路
8 差分回路
21 画素部
SD 蓄積ダイオード
RSTr リセットトランジスタ
WT 書き込みトランジスタWT
RT 読み出しトランジスタRT
WCG 書き込みコントロールゲート
RCG 読み出しコントロールゲート
100 MOS
RT Read transistor RT
WCG Write control gate RCG Read control gate
Claims (11)
前記画素部は、半導体基板内に形成され入射光に応じて発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部と電気的に接続されたゲート電極及び前記ゲート電極の電位に応じて前記半導体基板から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートを含む書き込みトランジスタと、前記フローティングゲートと電気的に接続されたフローティングゲートを有し前記フローティングゲートに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化する読み出しトランジスタとを含み、
前記リセットトランジスタをオンして前記電荷蓄積部の電位をリセットし、該リセット終了後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いて、前記リセット終了後に開始した露光が終了した後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出す制御部と、
前記第一の信号と前記第二の信号の差分を撮像信号として出力する信号出力部とを備えるMOS型イメージセンサ。 A MOS type image sensor having a plurality of pixel portions,
The pixel unit is electrically connected to the charge storage unit that is formed in the semiconductor substrate and stores a charge generated according to incident light, a reset transistor that resets the potential of the charge storage unit, and the charge storage unit. A write transistor including a gate electrode and a floating gate for accumulating charges injected from the semiconductor substrate in accordance with a potential of the gate electrode, and a floating gate electrically connected to the floating gate. A read transistor whose threshold voltage changes according to the accumulated charge,
The reset transistor is turned on to reset the potential of the charge storage unit, and a charge corresponding to the potential of the charge storage unit after completion of the reset is injected into the floating gate of the write transistor. A first signal corresponding to the threshold voltage is read out and held, and then a charge corresponding to the potential of the charge storage unit after the exposure started after the reset is finished is injected into the floating gate of the write transistor. And then, a control unit that reads a second signal corresponding to the threshold voltage of the read transistor;
A MOS type image sensor comprising: a signal output unit that outputs a difference between the first signal and the second signal as an imaging signal.
前記電荷蓄積部が、前記半導体基板内に形成されたフォトダイオードであるMOS型イメージセンサ。 The MOS image sensor according to claim 1,
A MOS type image sensor in which the charge storage portion is a photodiode formed in the semiconductor substrate.
前記画素部が、前記半導体基板上方に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に配置され、入射光に応じて電荷を発生する光電変換層と、前記半導体基板内に形成され前記一対の電極の一方と電気的に接続された前記電荷蓄積部とを含むMOS型イメージセンサ。 The MOS image sensor according to claim 1,
The pixel portion is formed between the pair of electrodes provided above the semiconductor substrate, the photoelectric conversion layer disposed between the pair of electrodes and generating charges in response to incident light, and the semiconductor portion formed in the semiconductor substrate. A MOS type image sensor including the charge storage unit electrically connected to one of a pair of electrodes.
前記電荷蓄積部が正孔を蓄積するものであり、
前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがnチャネルトランジスタであるMOS型イメージセンサ。 The MOS type image sensor according to claim 1,
The charge storage section stores holes;
A MOS type image sensor in which the writing transistor and the reading transistor are n-channel transistors.
前記電荷蓄積部が電子を蓄積するものであり、
前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがpチャネルトランジスタであるMOS型イメージセンサ。 The MOS type image sensor according to claim 1,
The charge storage unit stores electrons;
A MOS type image sensor in which the writing transistor and the reading transistor are p-channel transistors.
前記画素部は、半導体基板内に形成され入射光に応じて発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部と電気的に接続されたゲート電極及び前記ゲート電極の電位に応じて前記半導体基板から注入される電荷を蓄積するフローティングゲートを含む書き込みトランジスタと、前記フローティングゲートと電気的に接続されたフローティングゲートを有し前記フローティングゲートに蓄積される電荷に応じて閾値電圧が変化する読み出しトランジスタとを含み、
前記電荷蓄積部の電位をリセットし、該リセット終了後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第一の信号を読み出して保持し、続いて、前記リセット終了後に開始した露光が終了した後の前記電荷蓄積部の電位に応じた電荷を前記書き込みトランジスタの前記フローティングゲートに注入し、その後、前記読み出しトランジスタの閾値電圧に対応する第二の信号を読み出すステップと、
前記第一の信号と前記第二の信号の差分を撮像信号として出力するステップとを備えるMOS型イメージセンサの駆動方法。 A method of driving a MOS image sensor having a plurality of pixel portions,
The pixel unit includes a charge storage unit that is formed in a semiconductor substrate and stores a charge generated according to incident light, a gate electrode electrically connected to the charge storage unit, and a potential of the gate electrode. A read transistor having a floating gate for storing a charge injected from a semiconductor substrate, and a floating gate electrically connected to the floating gate, wherein a threshold voltage changes in accordance with the charge stored in the floating gate Including a transistor,
The potential of the charge storage unit is reset, and a charge corresponding to the potential of the charge storage unit after completion of the reset is injected into the floating gate of the write transistor, and then the first corresponding to the threshold voltage of the read transistor Is then injected into the floating gate of the write transistor after the exposure started after the reset is completed, and then the read transistor is injected. Reading a second signal corresponding to the threshold voltage of
A method for driving a MOS image sensor, comprising: outputting a difference between the first signal and the second signal as an imaging signal.
前記電荷蓄積部が、前記半導体基板内に形成されたフォトダイオードであるMOS型イメージセンサの駆動方法。 A MOS image sensor driving method according to claim 6,
A method for driving a MOS type image sensor, wherein the charge storage unit is a photodiode formed in the semiconductor substrate.
前記画素部が、前記半導体基板上方に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に配置され、入射光に応じて電荷を発生する光電変換層と、前記半導体基板内に形成され前記一対の電極の一方と電気的に接続された前記電荷蓄積部とを含むMOS型イメージセンサの駆動方法。 A MOS image sensor driving method according to claim 6,
The pixel portion is formed between the pair of electrodes provided above the semiconductor substrate, the photoelectric conversion layer disposed between the pair of electrodes and generating charges in response to incident light, and the semiconductor portion formed in the semiconductor substrate. A method for driving a MOS image sensor, comprising: the charge storage portion electrically connected to one of a pair of electrodes.
前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがnチャネルトランジスタであり、
前記電荷蓄積部に正孔を蓄積させ、
前記フローティングゲートに電子を注入するMOS型イメージセンサの駆動方法。 A method for driving a MOS type image sensor according to any one of claims 6 to 8,
The write transistor and the read transistor are n-channel transistors;
Accumulating holes in the charge storage part,
A method for driving a MOS image sensor in which electrons are injected into the floating gate.
前記書き込みトランジスタ及び前記読み出しトランジスタがpチャネルトランジスタであり、
前記電荷蓄積部に電子を蓄積させ、
前記フローティングゲートに正孔を注入するMOS型イメージセンサの駆動方法。 A method for driving a MOS type image sensor according to any one of claims 6 to 8,
The write transistor and the read transistor are p-channel transistors;
Accumulate electrons in the charge accumulation part,
A method for driving a MOS type image sensor in which holes are injected into the floating gate.
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WO2012160802A1 (en) * | 2011-05-24 | 2012-11-29 | パナソニック株式会社 | Solid-state image capture device |
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2009
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