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KR102730555B1 - 고체 촬상 소자 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 소자 및 전자 기기 Download PDF

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KR102730555B1
KR102730555B1 KR1020237029951A KR20237029951A KR102730555B1 KR 102730555 B1 KR102730555 B1 KR 102730555B1 KR 1020237029951 A KR1020237029951 A KR 1020237029951A KR 20237029951 A KR20237029951 A KR 20237029951A KR 102730555 B1 KR102730555 B1 KR 102730555B1
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charge
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 기술은 광전 변환부의 광전 변환 특성의 열화를 억제할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것이다. 고체 촬상 소자는 반도체 기판의 외측에 형성된 광전 변환부와, 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 유지하는 전하 유지부와, 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 전하 유지부에 접속되고, 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와, 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자를 갖는 화소를 구비한다. 본 기술은 예를 들면, 고체 촬상 소자 등에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 소자 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND ELECTRONIC DEVICE}
본 기술은 고체 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 광전 변환부의 광전 변환 특성의 열화를 억제할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것이다.
근래, 이미지 센서의 특성을 비연속적으로 바꾸는 기술로서 반도체 기판 외에 광전 변환부를 배치하는 구성이 제안되어 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1 내지 3에는 광전 변환부를 반도체 기판 상부에 배치하고, 광전 변환 신호를 반도체 기판에 축적하는 구조가 개시되어 있다. 이와 같은 구조에서는 종래의 반도체 기판 재료로 결정되어 있던 광전 변환 특성을 크게 변경하는 것이 가능해지고, 원적외 용도 등, 종래 Si(실리콘)를 사용한 이미지 센서에서는 실현 곤란하였던 분야에 센서 기술을 적용할 수 있을 가능성을 간직하고 있다.
또한, 현재 이미지 센서에서 널리 사용되어 있는 Red, Blue, Green의 컬러 필터를 평면형상으로 나열한 화소 배열에서는 화소 단위로 특정 파장의 광을 흡수함으로써 색 분리가 실시되어 있다. 그 때문에 예를 들면 Red 화소에서는 Blue와 Green의 파장의 광은 컬러 필터에 흡수되어 손실되어 버린다.
이 해결 방법으로서 예를 들면, 특허 문헌 1에서는 동일 화소 공간에 Red, Blue, Green의 광을 광전 변환하는 광전 변환 영역을 적층한 적층형의 고체 촬상 소자가 제안되어 있다. 이 구조를 이용하면 컬러 필터의 광 흡수에 의한 감도 저하를 억제할 수 있다. 또한 본 구조에서는 보간 처리를 필요로 하지 않기 때문에 위색(僞色)이 발생하지 않는다는 효과도 기대할 수 있다.
반도체 기판 외에 광전 변환부를 배치하는 구조에서는 광전 변환부와 반도체 기판을 전기적으로 접속할 필요가 있다. 광전 변환부와 반도체 기판의 접속에는 금속이 사용되기 때문에 광전 변환부에서 발생한 신호 전하를 전송 게이트에 의해 전하 유지부에 완전 전송할 수는 없다. 이 때문에 이와 같은 구조에서는 일반적으로 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 광전 변환부와 전하 유지부를 직접 접속하는 구성이 채용되어 있다.
그렇지만, 이와 같은 구조의 광전 변환부에서는 광전 변환과 함께 광전 변환부의 감도가 열화된다. 이 광전 변환부의 감도 열화를 개선하려면, 전하 유지부의 용량을 크게 하여 신호 전하에 대한 전압 변동을 작게 하는 수단이 유효하다. 그러나, 전하 유지부의 용량을 크게 하면, 전하 유지부의 신호 증폭률이 저하되기 때문에 고체 촬상 소자의 S/N비가 저하되어 버린다.
그래서 특허 문헌 4에서는 신호 전하량에 응하여 전하 유지부의 용량을 제어하는 방법이 제안되어 있다. 구체적으로는 고S/N비가 요구되는 저조도시는 신호 유지부의 용량을 작게 하고, 대량의 신호 전하를 유지할 필요가 있는 고조도시는 용량 부가부를 이용하여 전하 유지부의 용량을 크게 하도록, 전하 유지부의 용량이 제어된다.
그러나, 이 구성에서는 고S/N비가 요구되는 저조도시에 전하 유지부의 용량을 작게 하기 위해 용량 부가부를 공핍화할 필요가 있다. 그 결과, 전하 유지부에 공핍 영역이 접속되어 버려 암시 리크 특성이 악화한다.
또한, 특허 문헌 5에서는 FD(플로팅 디퓨전)부와 리셋 Tr의 사이에 용량 부가용의 트랜지스터(Tr)를 배치하여 신호 증폭률의 제어를 가능하게 하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2007-329161호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특개2010-278086호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특개2011-138927호 공보 특허 문헌 4 : 일본 특개2013-89869호 공보 특허 문헌 5 : 일본 특개2010-124418호 공보
그렇지만, 특허 문헌 5의 구성에서는 광전 변환부와 신호 증폭부의 사이에 판독 Tr을 배치하고 있기 때문에 광전 변환부와 판독 Tr 사이의 부위의 용량은 제어할 수가 없다. 이 때문에 신호 전하량에 응하여 광전 변환부의 전압이 변동하기 때문에 역시, 광전 변환 효율이 변동하여 버린다.
본 기술은 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것이고, 광전 변환부의 광전 변환 특성의 열화를 억제할 수 있도록 하는 것이다.
본 기술의 제1의 측면의 고체 촬상 소자는 반도체 기판의 외측에 형성된 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 유지하는 전하 유지부와, 상기 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 상기 전하 유지부에 접속되고, 상기 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와, 상기 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자를 갖는 화소를 구비한다.
본 기술의 제2의 측면의 전자 기기는 반도체 기판의 외측에 형성된 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 유지하는 전하 유지부와, 상기 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 상기 전하 유지부에 접속되고, 상기 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와, 상기 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자를 갖는 화소를 구비하는 고체 촬상 소자를 구비한다.
본 기술의 제1 및 제2의 측면에서는 반도체 기판의 외측에 형성된 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전하 유지부에서 유지되고, 상기 전하 유지부의 전위가 리셋 트랜지스터에 의해 리셋된다. 상기 전하 유지부에 접속되는 용량 전환 트랜지스터에 의해 상기 전하 유지부의 용량이 전환되고, 상기 용량 전환 트랜지스터에는 부가용량 소자가 접속되어 있다.
고체 촬상 소자 및 전자 기기는 독립한 장치라도 좋고, 다른 장치에 조립되는 모듈이라도 좋다.
본 기술의 제1 및 제2의 측면에 의하면, 광전 변환부의 광전 변환 특성의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 기술 중에 기재된 어느 하나의 효과라도 좋다.
도 1은 기본 화소의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 2는 기본 화소의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 3은 기본 화소에서 일어나는 문제에 관해 설명하는 도면.
도 4는 기본 화소에서 일어나는 문제에 관해 설명하는 도면.
도 5는 제1의 실시의 형태에서의 화소의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 6은 제1의 실시의 형태에서의 화소의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 7은 제1의 실시의 형태에서의 화소의 구동을 설명하는 도면.
도 8은 제2의 실시의 형태에서의 화소의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 9는 제2의 실시의 형태에서의 화소의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 10은 제2의 실시의 형태에서의 화소의 구동을 설명하는 도면.
도 11은 제1의 실시의 형태와 제2의 실시의 형태의 차이에 관해 설명하는 도면.
도 12는 제1의 실시의 형태와 제2의 실시의 형태의 차이에 관해 설명하는 도면.
도 13은 제3의 실시의 형태에서의 화소의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 14는 제3의 실시의 형태에서의 화소의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 15는 제2의 실시의 형태와 제3의 실시의 형태의 차이에 관해 설명하는 도면.
도 16은 제2의 실시의 형태와 제3의 실시의 형태의 차이에 관해 설명하는 도면.
도 17은 제4의 실시의 형태에서의 화소의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 18은 제4의 실시의 형태에서의 화소의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 19는 제3의 실시의 형태와 제4의 실시의 형태의 차이에 관해 설명하는 도면.
도 20은 제3의 실시의 형태와 제4의 실시의 형태의 차이에 관해 설명하는 도면.
도 21은 제5의 실시의 형태에서의 화소의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 22는 제5의 실시의 형태에서의 화소의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 23은 본 기술이 적용된 고체 촬상 소자의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 24는 본 기술이 적용된 전자 기기로서의 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 기본 화소의 설명
2. 제1의 실시의 형태(리셋 트랜지스터와 용량 전환 트랜지스터가 병렬 접속되는 구성례)
3. 제2의 실시의 형태(리셋 트랜지스터와 용량 전환 트랜지스터가 직렬 접속되는 구성례)
4. 제3의 실시의 형태(신호 전하로서 정공을 이용하는 구성례)
5. 제4의 실시의 형태(부가용량 소자의 게이트부를 전하 유지부에 접속하는 구성례)
6. 제5의 실시의 형태(광전 변환막과 포토 다이오드를 갖는 구성례)
7. 고체 촬상 소자의 개략 구성례
8. 전자 기기에의 적용례
<1. 기본 화소의 설명>
처음에 본 기술의 이해를 용이하게 하기 위해, 본 기술이 적용되는 기본의 구성이 되는 고체 촬상 소자의 화소(이하, 기본 화소라고 한다)에 관해 설명한다.
<기본 화소의 등가 회로>
도 1은 기본 화소의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 1에 도시되는 기본 화소(1)는 광전 변환부(11), 전하 유지부(12), 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(출력 트랜지스터)(14), 및 선택 트랜지스터(15)를 갖는다.
광전 변환부(11)는 수광한 광량에 응한 전하(신호 전하)를 생성하고, 또한, 축적한다. 광전 변환부(11)의 일방은 접지됨과 함께, 타방은 전하 유지부(12), 리셋 트랜지스터(13)의 소스 및 증폭 트랜지스터(14)의 게이트에 접속되어 있다. 도 1의 구성에서는 신호 전하는 전자가 된다.
전하 유지부(12)는 광전 변환부(11)로부터 판독된 전하를 유지한다. 전하 유지부(12)는 도 2에서도 후술하지만, 광전 변환부(11)의 일단, 리셋 트랜지스터(13)의 소스 및 증폭 트랜지스터(14)의 게이트와 접속되어 있기 때문에 실제로는 이들 전체에서 전하가 유지된다.
리셋 트랜지스터(13)는 게이트에 공급되는 리셋 신호(RST)에 의해 온 된 때, 전하 유지부(12)에 축적되어 있는 전하가 드레인(전원 전압(VDD))에 배출됨으로써, 전하 유지부(12)의 전위를 리셋한다.
증폭 트랜지스터(14)의 게이트는 전하 유지부(12)와 접속되고, 드레인은 전원 전압(VDD)에 소스는 선택 트랜지스터(15)의 드레인에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(14)는 전하 유지부(12)의 전위에 응한 화소 신호를 출력한다. 즉, 증폭 트랜지스터(14)는 기본 화소(1)로부터 출력되는 화소 신호를 전송하는 열신호선(16)을 통하여 접속되어 있는 정전류원으로서의 부하 MOS(부도시)와 소스 폴로워 회로를 구성하고, 전하 유지부(12)에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 증폭 트랜지스터(14)로부터 선택 트랜지스터(15)를 통하여 도시하지 않은 AD 변환부에 출력된다. 부하 MOS는 예를 들면, 2차원 배열된 복수의 기본 화소(1)에 대해, 열 단위로 마련된 AD 변환부 내에 마련되어 있다.
선택 트랜지스터(15)의 드레인은 증폭 트랜지스터(14)의 소스와 접속되고, 소스는 열방향(수직 방향)으로 나열하는 각 기본 화소(1)의 화소 신호를 전송하는 열신호선(16)과 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(15)는 게이트에 공급되는 선택 신호(SEL)에 의해 기본 화소(1)가 선택된 때 온 되어 기본 화소(1)의 화소 신호를, 열신호선(16)을 통하여 AD 변환부에 출력한다.
<기본 화소의 단면 구조>
도 2는 기본 화소의 단면 구조를 도시하는 도면이다.
기본 화소(1)에서는 P형 반도체 기판(P-Well)(21)의 일방의 계면(도면 중, 상측의 면)에 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14), 및 선택 트랜지스터(15)가 형성되어 있다.
구체적으로는 리셋 트랜지스터(13)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(13GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(22 및 23)으로 구성되고, 증폭 트랜지스터(14)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(14GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(23 및 24)으로 구성되고, 선택 트랜지스터(15)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(15GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(24 및 25)으로 구성되어 있다. 게이트부(13GT, 14GT 및 15GT)는 예를 들면, 폴리실리콘으로 형성된다.
n형 확산층(22)은 리셋 트랜지스터(13)의 소스와 전하 유지부(12)를 겸용하고, 후술하는 광전 변환부(11)의 하부 전극(29B)과, 증폭 트랜지스터(14)의 게이트부(14GT)에 금속 배선(26)으로 접속되어 있다. 따라서 금속 배선(26)으로 접속되어 있는 광전 변환부(11)의 하부 전극(29B), n형 확산층(22), 및 증폭 트랜지스터(14)의 게이트부(14GT)의 전체가 전하가 유지되는 전하 유지부(12)가 된다. 금속 배선(26)은 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 재료로 형성된다.
n형 확산층(23)은 리셋 트랜지스터(13)의 드레인과, 증폭 트랜지스터(14)의 드레인을 겸용하고, n형 확산층(23)에는 전원 전압(VDD)이 인가되어 있다.
n형 확산층(24)은 증폭 트랜지스터(14)의 소스와, 선택 트랜지스터(15)의 드레인을 겸용한다. n형 확산층(25)은 선택 트랜지스터(15)의 소스로서 기능하고, 열신호선(16)과 접속되어 있다.
P형 반도체 기판(21)의 각 화소 트랜지스터(리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14), 및 선택 트랜지스터(15))의 상측에는 절연층(27)을 통하여 광전 변환부(11)가 형성되어 있다.
광전 변환부(11)는 광전 변환막(28)을 상부 전극(29A)과 하부 전극(29B)으로 끼워 넣는 구조에 의해 형성되어 있다. 광전 변환막(28)으로서는 예를 들면, 유기 광전 변환막이나, CIGS(Cu, In, Ga, Se 화합물), CIS(Cu, In, Se 화합물), 칼코파이라이트 구조 반도체, GaAs 등의 화합물 반도체 등을 채용할 수 있다. 상부 전극(29A)은 예를 들면, 산화인듐주석(ITO)막, 산화인듐아연막 등의 투명성의 전극막으로 형성된다. 하부 전극(29B)은 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 전극막으로 형성된다. 상부 전극(29A)은 전 화소 공통으로 전면에 형성되어 있음에 대해, 하부 전극(29B)은 화소 단위로 형성되어 있다. 상부 전극(29A)은 GND(그라운드)에 접속되어 있다.
상부 전극(29A)의 상측에는 보호막(절연막)(30)을 통하여 컬러 필터(31)와 온 칩 렌즈(32)가 형성되어 있다. 컬러 필터(31)는 예를 들면, Red, Green, 또는 Blue가 화소 단위로 베이어 배열로 배열되어 있다. 따라서 광전 변환막(28)은 컬러 필터(31)를 투과하여 온 Red, Green, 또는 Blue의 어느 하나의 광을 광전 변환한다.
기본 화소(1)는 이상과 같은 단면 구조에 의해 형성되어 있다.
<기본 화소의 문제>
도 3 및 도 4를 참조하여 기본 화소(1)에서 일어나는 문제에 관해 설명한다.
도 3은 기본 화소(1)의 전하 유지에 관한, 광전 변환부(11), 전하 유지부(12), 및 리셋 트랜지스터(13)의 부분의 동작을, 전류(전자)의 흐름을 수류(水流), 트랜지스터의 게이트를 수문(水門)에 비유하여 도시한 도면이다. 도 3에서는 트랜지스터의 게이트의 온 오프는 그레이의 수문의 상하로 표시된다. 그레이의 수문이 상하함으로써, 해칭(사선)으로 표시되는 수류(전류)가 제어된다. 도면 중, 종방향의 높이는 전압을 나타내고, 그레이의 수문이나 해칭의 높이가 낮을 수록 전압은 높다.
도 3의 A는 광전 변환부(11)가 수광을 행하기 전의 상태를 도시하고 있다.
수광 전에는 리셋 트랜지스터(13)가 온 됨에 의해, 전하 유지부(12)의 전위가 VDD로 리셋된다. 그리고, 광전 변환부(11)의 상부 전극(29A)은 GND(그라운드)에 접속되어 있기 때문에 광전 변환부(11)의 상부 전극(29A)과 하부 전극(29B)의 전위차는 VDD로 되어 있다.
수광 기간에서 광전 변환에 의해 신호 전하가 생성, 축적되면, 도 3의 B에 도시되는 바와 같이 광전 변환 신호를 유지하는 전하 유지부(12)의 전압이 변화하고, 광전 변환부(11)에 인가되는 전압이 감소한다. 그 결과, 광전 변환막(28)에는 생성한 신호를 취출하기 위한 충분한 전압이 인가되지 않게 되고, 광전 변환부(11)의 감도가 열화되어 버린다.
이 감도 열화의 문제를 개선하려면, 전하 유지부(12)의 용량을 크게 하여 신호 전하에 대한 전압 변동을 작게 하는 수단이 유효하다. 그러나, 전하 유지부(12)의 용량을 크게 하면, 전하 유지부(12)의 신호 증폭률이 저하되기 때문에 고체 촬상 소자의 S/N비가 저하되어 버린다.
그래서 배경 기술에 기재된 특허 문헌 4에서 개시되어 있는 바와 같이 고체 촬상 소자의 S/N비의 저하에 대책 방법으로서 신호 전하량에 응하여 전하 유지부(12)의 용량을 제어하는 방법이 있다. 즉, 고(高)S/N비가 요구되는 저조도시는 전하 유지부(12)의 용량을 작게 하고, 대량의 신호 전하를 유지할 필요가 있는 고조도시는 전하 유지부(12)의 용량을 크게 하도록, 전하 유지부(12)의 용량을 제어하는 방법이다. 이와 같은 용량 제어는 예를 들면 전하 유지부(12)에 용량 부가용의 소자를 부속함으로써 가능해진다. 그러나, 이 구성에서는 고S/N비가 요구되는 저조도시에 전하 유지부(12)의 용량을 작게 하기 위해, 용량 부가부를 공핍화할 필요가 있다. 그 결과, 전하 유지부(12)에 공핍 영역이 접속되어 버려, 암시 리크 특성이 악화한다는 문제가 있다.
또한 예를 들면, 배경 기술에 기재된 특허 문헌 5에서는 FD부와 리셋 Tr의 사이에 용량 부가용의 트랜지스터(Tr)를 배치하여 신호 증폭률의 제어를 가능하게 하고 있다.
도 4는 특허 문헌 5에서 개시되어 있는 화소의 전하 유지 부분의 구성을, 도 3과 마찬가지로 물의 흐름으로 모방한 도면이다.
특허 문헌 5에서 개시되어 있는 화소의 구성에서는 도 4의 A에 도시되는 바와 같이 광전 변환부(11)와 신호 증폭부(41)의 사이에 판독 Tr(TG)(42)를 배치하고 있기 때문에 광전 변환부(11)와 판독 Tr(42) 사이의 부위의 용량은 제어할 수가 없다. 이 때문에 도 4의 B에 도시되는 바와 같이 광전 변환에 의해 신호 전하가 생성, 축적되면, 광전 변환부(11)에 인가되는 전압이 감소한다. 따라서 특허 문헌 5에서 개시되어 있는 화소의 구성에서는 신호 전하량에 응하여 광전 변환부(11)의 전압이 변동하여 광전 변환 특성(광전 변환 효율)이 변동하여 버리는 문제의 대책으로는 되지 않는다.
그래서 이하에서는 기본 화소(1)와 비교하여 광전 변환 특성(광전 변환 효율)의 열화를 억제하고, 화질 열화를 억제하도록 한 화소 구성에 관해 설명한다.
또한, 이하에서 설명하는 각 실시의 형태에서 상술한 기본 화소(1)의 구성과 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 적절히 생략한다.
<2. 제1의 실시의 형태>
도 5 내지 도 7을 참조하여 본 기술을 적용한 화소의 제1의 실시의 형태에 관해 설명한다.
도 5는 제1의 실시의 형태에서의 화소(51A)의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 5에 도시되는 화소(51A)는 광전 변환부(11), 전하 유지부(12), 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14), 선택 트랜지스터(15), 용량 전환 트랜지스터(61) 및 부가용량 소자(62)를 갖는다.
즉, 화소(51A)는 도 1에 도시한 기본 화소(1)의 구성에 대해, 용량 전환 트랜지스터(61) 및 부가용량 소자(62)가 새롭게 마련되어 있다. 용량 전환 트랜지스터(61)의 소스는 전하 유지부(12)에 접속되어 있고, 드레인은 부가용량 소자(62)의 일단과 접속되어 있다. 접속 노드(63)는 용량 전환 트랜지스터(61)와 부가용량 소자(62)의 접속점을 나타낸다. 부가용량 소자(62)의 타단은 전원 전압(VDD)에 접속되어 있다.
용량 전환 트랜지스터(61)는 게이트에 공급되는 전환 제어 신호(CapSEL)에 따라, 부가용량 소자(62)를 전하 유지부(12)에 접속하거나, 전하 유지부(12)로부터 분리하거나함으로써, 전하 유지부(12)의 용량을 전환한다.
도 6은 화소(51A)의 단면 구조를 도시하는 도면이다.
도 6에 도시되는 화소(51A)의 단면 구조에서는 용량 전환 트랜지스터(61)의 추가에 대응하여 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT)와 n형 확산층(71)이 새롭게 추가되어 있다. 또한, 부가용량 소자(62)의 추가에 대응하여 부가용량 소자(62)의 게이트부(62GT)가 새롭게 추가되어 있다. 부가용량 소자(62)는 n형 확산층(71)과 게이트부(62GT)로 이루어지는 MOS 커패시터로 구성되어 있다.
또한, 도 2에서 리셋 트랜지스터(13)의 소스로서 기능하는 n형 확산층(22)이 제1의 실시의 형태에서는 용량 전환 트랜지스터(61)의 소스도 겸용한다. n형 확산층(71)은 용량 전환 트랜지스터(61)의 드레인과, 부가용량 소자(62)의 일단을 겸용한다.
<제1의 구동>
다음에 도 7을 참조하여 제1의 실시의 형태에서의 화소(51A)의 구동(제1의 구동)에 관해 설명한다.
화소(51A)는 처음에 신호 축적 전의 상태의 신호 레벨(리셋 신호 레벨)을 검출하고 나서 신호 전하를 축적하고, 그 후, 축적된 신호 전하를 판독하고, 축적 전의 리셋 신호 레벨과, 축적 후의 신호 레벨(축적 신호 레벨)의 차분을 구하는 CDS(Correlated Double Sampling : 상관 2중 샘플링) 처리를 행한다. CDS 처리에 의하면, 화소 고유의 고정 패턴 노이즈, 예를 들면, kTC 노이즈나 증폭 트랜지스터(14)의 임계치 편차를 제거할 수 있다.
도 7은 화소(51A)가 행하는 CDS 처리에 대응한, 선택 트랜지스터(15), 리셋 트랜지스터(13) 및 용량 전환 트랜지스터(61)의 각 게이트에 공급되는 신호의 타이밍 차트를 도시하고 있다.
도 7의 A는 신호 전하가 많은 경우에 대응하여 전하 유지부(12)의 용량을 증대시키는 경우(이하, 고용량 선택시라고 한다)의 구동을 도시하고, 도 7의 B는 신호 전하가 적은 경우에 대응하여 전하 유지부(12)의 용량을 적게 하여 게인을 높이는 경우(이하, 저용량 선택시라고 한다)의 구동을 도시하고 있다. 화소(51A)는 후술하는 제어 회로(405)나 신호 처리 회로(406)(도 24) 등으로부터의 제어에 의해, 도 7의 A의 고용량 설정이나, 또는 도 7의 B의 저용량 설정의 어느 것이 선택되어 구동된다.
고용량 선택시에서는 각 화소(51A)의 구동이 시작되기 전에 Hi(High)의 전환 제어 신호(CapSEL)가 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT)에 공급되어 용량 전환 트랜지스터(61)가 온 상태가 된다. 고용량 선택시는 용량 전환 트랜지스터(61)는 항상 온 상태로 설정된다.
그리고, 선택 트랜지스터(15)가 오프, 리셋 트랜지스터(13)가 오프의 상태인 시각(t1)에서 선택 신호(SEL)가 Hi로 되어 선택 트랜지스터(15)가 온 된다.
계속해서 선택 트랜지스터(15)가 온 기간 중의 시각(t2)에서 리셋 트랜지스터(13)가 온 되고, 시각(t3)에서 오프 됨으로써, 전하 유지부(12)의 전압이 초기 상태의 전원 전압(VDD으로 리셋된다. 또한, 용량 전환 트랜지스터(61)가 온 상태로 되어 있기 때문에 전하 유지부(12)와 용량 전환 트랜지스터(61)를 통하여 접속되어 있는 부가용량 소자(62)도 동시에 리셋된다.
그 후, 시각(t4)에서 선택 트랜지스터(15)가 오프 된 후, 신호 전하의 축적이 시작된다.
신호 전하의 축적 완료 후, 시각(t5)에서 선택 트랜지스터(15)가 온 됨으로써, 전하 유지부(12)에 축적된 신호 전하가 열신호선(16)을 통하여 AD 변환부 내의 메모리 등에 출력된다.
축적된 신호 전하의 판독 종료 후, 시각(t6)에서 선택 트랜지스터(15)가 오프 된다.
한편, 저용량 선택시에서는 각 화소(51A)의 구동이 시작되기 전에 Lo(Low)의 전환 제어 신호(CapSEL)가 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT)에 공급되고, 용량 전환 트랜지스터(61)가 오프 상태가 된다. 저용량 선택시는 용량 전환 트랜지스터(61)는 항상 오프 상태로 설정된다. 용량 전환 트랜지스터(61) 이외의 구동은 고용량 선택시와 같다.
즉, 선택 트랜지스터(15)가 오프, 리셋 트랜지스터(13)가 오프의 상태인 시각(t11)에서 선택 신호(SEL)가 Hi로 되고, 선택 트랜지스터(15)가 온 된다.
계속해서 선택 트랜지스터(15)가 온 기간 중의 시각(t12)에서 리셋 트랜지스터(13)가 온 되고, 시각(t13)에서 오프 됨으로써, 전하 유지부(12)의 전압이 초기 상태로 리셋된다. 용량 전환 트랜지스터(61)는 오프 상태로 되어 있기 때문에 부가용량 소자(62)는 전하 유지부(12)로부터 분리되어 있다.
그 후, 시각(t14)에서 선택 트랜지스터(15)가 오프 된 후, 신호 전하의 축적이 시작된다.
신호 전하의 축적 완료 후, 시각(t15)에서 선택 트랜지스터(15)가 온 됨으로써, 전하 유지부(12)에 축적된 신호 전하가 열신호선(16)을 통하여 AD 변환부 내의 메모리 등에 출력된다.
축적된 신호 전하의 판독 종료 후, 시각(t16)에서 선택 트랜지스터(15)가 오프 된다.
<제1의 실시의 형태의 효과>
상술한 제1의 실시의 형태에서는 광전 변환부(11)에 접속되는 전하 유지부(12)의 용량을 신호 전하량에 응하여 제어함으로써, 전하 유지부(12)의 전압 진폭을 제어할 수 있다. 즉, 신호 전하가 많은 경우에는 용량 전환 트랜지스터(61)를 온 하여 전하 유지부(12)의 용량을 늘림으로써, 전하 유지부(12)의 전압 상승량이 억제되고, 광전 변환부(11)의 인가 전압 감소량이 억제된다. 이에 의해 광전 변환부(11)의 광전 변환 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 제1의 실시의 형태에서는 부가용량 소자(62)와 전하 유지부(12)의 사이에 스위치가 되는 용량 전환 트랜지스터(61)가 삽입되어 있다. 이에 의해, 전하 유지부(12)를 저용량으로 사용하는 경우에 부가용량 소자(62)에서 발생한 리크 전류가 전하 유지부(12)에 혼입되는 현상을 막을 수 있다.
따라서 광전 변환 특성(광전 변환 효율)의 열화를 억제하고, 고체 촬상 소자의 화질 열화를 억제할 수 있다.
<3. 제2의 실시의 형태>
다음에 도 8 내지 도 12를 참조하여 본 기술을 적용한 화소의 제2의 실시의 형태에 관해 설명한다.
도 8은 제2의 실시의 형태에서의 화소(51B)의 등가 회로를 도시하고, 도 9는 제2의 실시의 형태에서의 화소(51B)의 단면 구조를 도시하고 있다.
상술한 제1의 실시의 형태에서는 리셋 트랜지스터(13)와 용량 전환 트랜지스터(61)가 병렬로 접속되는 구성이었다. 이에 대해, 제2의 실시의 형태는 도 8에 도시되는 바와 같이 용량 전환 트랜지스터(61)가 리셋 트랜지스터(13)와 전하 유지부(12)의 사이에 삽입되고, 리셋 트랜지스터(13)와 용량 전환 트랜지스터(61)가 직렬로 접속되는 구성으로 되어 있는 점이 제1의 실시의 형태와 다르다.
보다 상세하게는 용량 전환 트랜지스터(61)의 소스가 전하 유지부(12)에 접속되고, 드레인이 리셋 트랜지스터(13)의 소스와 부가용량 소자(62)의 일단에 접속되어 있다. 접속 노드(64)는 리셋 트랜지스터(13), 용량 전환 트랜지스터(61) 및 부가용량 소자(62)의 접속점이다.
도 9에 도시되는 화소(51B)의 단면 구조에서는 리셋 트랜지스터(13)의 소스와 용량 전환 트랜지스터(61)의 드레인을 겸용하는 n형 확산층(72)이 새롭게 추가되어 있다. 이 n형 확산층(72)은 부가용량 소자(62)의 일방인 n형 확산층(71)과, 기판 내에서 접속되거나, 절연층(27) 내에 마련된 금속 배선(73)으로 접속되어 있다. 이에 의해, 부가용량 소자(62)의 n형 확산층(71)이 용량 전환 트랜지스터(61)를 통하여 전하 유지부(12)와 접속되는 구성으로 되어 있다.
<제2의 구동>
다음에 도 10의 타이밍 차트를 참조하여 제2의 실시의 형태에서의 화소(51B)의 구동(제2의 구동)에 관해 설명한다.
도 10의 A에 도시되는 고용량 선택시의 구동은 제1의 실시의 형태에서의 고용량 선택시의 구동과 같기 때문에 그 설명은 생략한다.
한편, 저용량 선택시에서는 리셋 트랜지스터(13)를 항상 온 상태로 하고, 그 대신에 용량 전환 트랜지스터(61)가 리셋 트랜지스터(13)로서의 동작을 행한다.
구체적으로는 시각(t31)에서 선택 트랜지스터(15)가 온 된 후, 용량 전환 트랜지스터(61)가 시각(t32)에서 온 되고, 시각(t33)에서 오프 된다. 이에 의해, 전하 유지부(12)의 전압이 초기 상태로 리셋된다.
그 후, 시각(t34)에서 선택 트랜지스터(15)가 오프 된 후, 신호 전하의 축적이 시작된다.
신호 전하의 축적 완료 후, 시각(t35)에서 선택 트랜지스터(15)가 온 됨으로써, 전하 유지부(12)에 축적된 신호 전하가 열신호선(16)을 통하여 AD 변환부 내의 메모리 등에 출력된다.
축적된 신호 전하의 판독 종료 후, 시각(t36)에서 선택 트랜지스터(15)가 오프 된다.
<제2의 실시의 형태의 효과>
도 11 및 도 12를 참조하여 제1의 실시의 형태와 제2의 실시의 형태의 차이에 관해 설명한다.
제1의 실시의 형태의 화소(51A)에서는 저용량 선택시에 용량 전환 트랜지스터(61)와 부가용량 소자(62)와의 접속 노드(63)(도 5)가 플로팅 노드가 된다.
도 11은 제1의 실시의 형태의 화소(51A)에서의 저용량 선택시의 상태를 도시하고 있다.
통상, 이 접속 노드(63)와 전하 유지부(12)와의 사이에는 기생 용량이 존재하는데, 리셋 신호 레벨 판독시와 신호 전하 축적 후의 축적 신호 레벨 판독시에 접속 노드(63)의 전위가 변동한다면 커플링에 의해 전하 유지부(12)의 전위가 변동하고, 신호 전하의 노이즈로 되는 것이 우려된다. 또한, 이 접속 노드(63)는 용량 전환 트랜지스터(61)를 통하여 전하 유지부(12)와 접속되어 있기 때문에 신호 전하 축적 기간 중에 발생한 리크 전류가 전하 유지부(12)에 혼입되는 것도 우려된다.
이에 대해, 도 12는 제2의 실시의 형태의 화소(51B)에서의 저용량 선택시의 상태를 도시하고 있다.
화소(51B)에서는 상술한 바와 같이 용량 전환 트랜지스터(61)가 리셋 트랜지스터(13)와 전하 유지부(12)의 사이에 삽입되고, 저용량 선택시에는 리셋 트랜지스터(13)가 항상 온으로 제어된다. 이에 의해, 저용량 선택시에서는 도 12에 도시되는 바와 같이 용량 전환 트랜지스터(61)와 부가용량 소자(62)의 접속 노드(64)(도 8)의 전위가 전원 전압(VDD)으로 고정되어 커플링에 의한 전하 유지부(12)의 전위 변동을 억제할 수 있다. 또한, 이 접속 노드(64)에서 발생한 리크 전류는 리셋 트랜지스터(13)의 드레인에 전부 배출되는 구성으로 되기 때문에 전하 유지부(12)에의 리크 전류의 혼입도 억제할 수 있다.
따라서 제2의 실시의 형태의 화소(51B)의 구조에 의하면, 제1의 실시의 형태에서 발생하는 바와 같은 저용량 선택시의 커플링에 의한 전하 유지부(12)의 전위 변동이나, 전하 유지부(12)에의 리크 전류의 혼입을 억제할 수 있다. 이에 의해, 제2의 실시의 형태에 의하면, 상술한 제1의 실시의 형태에서의 효과에 더하여 고체 촬상 소자의 화질 열화를 더욱 억제할 수 있다.
<4. 제3의 실시의 형태>
다음에 도 13 내지 도 16을 참조하여 본 기술을 적용한 화소의 제3의 실시의 형태에 관해 설명한다.
도 13은 제3의 실시의 형태에서의 화소(51C)의 등가 회로를 도시하고, 도 14는 제3의 실시의 형태에서의 화소(51C)의 단면 구조를 도시하고 있다.
상술한 제1 및 제2의 실시의 형태가 신호 전하로서 전자를 이용하는 구성이었음에 대해, 제3의 실시의 형태는 신호 전하로서 정공을 이용하는 구성으로 되어 있는 점이 제1 및 제2의 실시의 형태와 다르다.
신호 전하를 정공으로 하였기 때문에 광전 변환부(11)의 일단인 상부 전극(29A)측에 전원 전압(VDD)이 인가된다. 또한, 리셋 트랜지스터(13)가 전원 전압(VDD)이 아니라, GND에 접속되어 있다.
제2의 실시의 형태의 도 9에서는 P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(23)이 리셋 트랜지스터(13)와 증폭 트랜지스터(14)에서 공유되어 있다. 그러나, 제3의 실시의 형태에서는 도 14에 도시되는 바와 같이 리셋 트랜지스터(13)용의 n형 확산층(23A)과, 증폭 트랜지스터(14)용의 n형 확산층(23B)이 제각기 형성되어 있다. 그리고, 리셋 트랜지스터(13)용의 n형 확산층(23A)은 GND에 접속되고, 증폭 트랜지스터(14)용의 n형 확산층(23B)은 전원 전압(VDD)에 접속되어 있다.
제3의 실시의 형태에서의 그 밖의 구성은 상술한 제2의 실시의 형태와 마찬가지이고, 화소의 구동 방법도, 도 10을 참조하여 설명한 제2의 구동과 마찬가지이기 때문에 그들의 설명은 생략한다.
<제3의 실시의 형태의 효과>
도 15 및 도 16을 참조하여 제2의 실시의 형태와 제3의 실시의 형태의 차이에 관해 설명한다.
도 15는 제2의 실시의 형태의 고용량 선택시의 상태를 도시하고 있다.
고용량 선택시에서는 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT) 아래의 전위는 신호 전하량에 의해 변화한다. 전하 유지부(12)가 전원 전압(VDD)으로 리셋된 경우, 리셋 직후는 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT) 아래는 전자가 적고, 도 15의 A에 도시되는 바와 같이 약반전 상태로 되어 있다. 그리고, 전하 축적에 수반하여 도 15의 B에 도시되는 바와 같이 반전 상태로 변화하여 간다. 그 결과, 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT) 아래의 용량이 변동하고, 신호 전하에 응하여 QV 변환 효율이 변화하여 버린다. 이 현상은 고체 촬상 소자의 리니어리티 성능을 열화시킨다. 또한, 여기서는 제2의 실시의 형태를 이용하여 설명하였지만, 제1의 실시의 형태에서 같은 현상이 발생한다.
도 16은 제3의 실시의 형태의 고용량 선택시의 상태를 도시하고 있다.
제3의 실시의 형태에서는 전하 유지부(12)의 리셋 전위가 GND로 되어 있다. 또한, 신호 전하는 정공이다. 그 때문에 제3의 실시의 형태에서는 도 16의 A에 도시되는 바와 같이 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT) 아래를 강반전 상태에서 사용하고, 도 16의 B에 도시되는 바와 같이 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT) 아래는 서서히 반전 상태로 변화하여 간다. 이에 의해, 신호 전하 축적시의 용량 전환 트랜지스터(61)의 게이트부(61GT)의 공핍화를 억제할 수 있고, 용량 변동에 의한 리니어리티 무너짐을 억제할 수 있다.
또한 전하 유지부(12)를, P형 반도체 기판(P-Well)(21)과 같은 GND 전위로 리셋함으로써, 전하 유지부(12)와 P형 반도체 기판(21)의 암시 전위차가 억제되고, 암시 노이즈를 억제할 수 있다.
따라서 제3의 실시의 형태의 화소(51C)의 구조에 의하면, 상술한 제1 및 제2의 실시의 형태에서의 효과에 더하여 용량 변동에 의한 리니어리티 무너짐을 억제할 수 있고, 전하 유지부(12)의 암시 노이즈를 억제할 수 있기 때문에 더욱 고체 촬상 소자의 화질 열화를 억제할 수 있다.
<5. 제4의 실시의 형태>
도 17 내지 도 20을 참조하여 본 기술을 적용한 화소의 제4의 실시의 형태에 관해 설명한다.
도 17은 제4의 실시의 형태에서의 화소(51D)의 등가 회로를 도시하고, 도 18은 제4의 실시의 형태에서의 화소(51D)의 단면 구조를 도시하고 있다.
도 17에 도시되는 화소(51D)의 등가 회로는 부가용량 소자(62)의 리셋 트랜지스터(13)측인 접속 노드(64)와 반대측의 노드가 전원 전압(VDD)이 아니고, GND에 접속되어 있는 점이 상술한 제3의 실시의 형태와 다르다.
도 18에 도시되는 화소(51D)의 단면 구조에서는 MOS 커패시터인 부가용량 소자(62)의 게이트부(62GT)가 절연층(27) 내에 마련된 금속 배선(81)에 의해, 용량 전환 트랜지스터(61)의 n형 확산층(72)과 접속되어 있고, 부가용량 소자(62)의 게이트부(62GT)는 용량 전환 트랜지스터(61)를 통하여 전하 유지부(12)와 접속되는 구성으로 되어 있다. 부가용량 소자(62)의 n형 확산층(71)은 GND에 접속되어 있다. 그 밖의 점은 상술한 제3의 실시의 형태와 마찬가지이다.
<제4의 실시의 형태의 효과>
도 19 및 도 20을 참조하여 제3의 실시의 형태와 제4의 실시의 형태의 차이에 관해 설명한다.
도 19는 제3의 실시의 형태의 고용량 선택시의 상태를 도시하고 있다.
전하 유지부(12)의 포화 전하량은 고용량 선택시의 전하 유지부(12)의 용량과, 전하 유지부(12)의 사용 가능한 전압 범위에서 결정된다. 포화 전하량을 개선하려면, 전하 유지부(12)에 큰 용량을 부가할 필요가 있다.
제3의 실시의 형태의 화소(51C)에서는 부가용량 소자(62)를 MOS 커패시터로 구성하고, 도 14에 도시한 바와 같이 부가용량 소자(62)의 P형 반도체 기판(21)측 노드인 n형 확산층(71)이 전하 유지부(12)와 접속되어 있다.
부가용량 소자(62)의 P형 반도체 기판(21)측 노드는 pn 접합을 갖고 있고, 리크 전류가 발생한다. 따라서 이와 같은 구성에서 포화 전하량을 증대시키기 위해, 부가용량 소자(62)를 대면적화하면, 전하 유지부(12)에 유입하는 리크 전류가 증대할 우려가 있다.
또한, 리크 전류가 증대할 우려는 제3의 실시의 형태뿐만 아니라, 제1 및 제2의 실시의 형태에서도 마찬가지로 존재한다. 단, 제3의 실시의 형태에서는 상술한 리크 전류의 증대가 고용량 선택시의 명시(明時)일 때에 발생함에 대해, 제1 및 제2의 실시의 형태에서는 신호 전하가 전자이기 때문에 암시인 경우에 발생하게 된다.
이에 대해, 도 20은 제4의 실시의 형태의 고용량 선택시의 상태를 도시하고 있다.
제4의 실시의 형태의 화소(51D)에서는 MOS 커패시터로 구성되는 부가용량 소자(62)의 게이트부(62GT)측이 전하 유지부(12)와 접속되어 있다. 따라서 가령, pn 접합으로 되어 있는 MOS 커패시터의 n형 확산층(71)에 리크 전류가 발생한 경우라도, 그 리크 전류는 GND에 흐르기 때문에 부가용량 소자(62)를 대면적화한 때의 전하 유지부(12)의 리크 전류를 억제할 수 있다.
또한, 제4의 실시의 형태의 화소(51D)에서는 암시의 부가용량 소자(62)의 게이트부(62GT)가 GND 전위가 된다. 그 때문에 부가용량 소자(62)의 P형 반도체 기판(21)측의 n형 확산층(71)은 GND 전위로 하였다. 이에 의해, 부가용량 소자(62)의 게이트부(62GT) 아래의 공핍화가 억제되고, 부가용량 소자(62)의 용량의 저하가 억제된다. 결과로서 신호 전하량에 대한 QV 변환 효율의 변동을 억제할 수 있다.
따라서 제4의 실시의 형태의 화소(51D)의 구조에 의하면, 상술한 제1 내지 제3의 실시의 형태에서의 효과에 더하여 용량을 증대시킨 때의 전하 유지부(12)의 리크 전류가 억제되고, 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지 확대와 노이즈 억제를 양립시킬 수 있다. 그 결과, 더욱 고체 촬상 소자의 화질 열화를 억제할 수 있다.
<6. 제5의 실시의 형태>
도 21 내지 도 22를 참조하여 본 기술을 적용한 화소의 제5의 실시의 형태에 관해 설명한다.
도 21은 제5의 실시의 형태에서의 화소(51E)의 등가 회로를 도시하고, 도 22는 제5의 실시의 형태에서의 화소(51E)의 단면 구조를 도시하고 있다.
화소(51E)의 등가 회로는 도 21에 도시되는 바와 같이 제1의 파장 광인 Green광용의 화소 회로(101G)와, 제2의 파장 광인 Red광 및 제3의 파장 광인 Blue광용의 화소 회로(101RB)로 구성된다.
Green광용의 화소 회로(101G)는 도 17에 도시한 제4의 실시의 형태의 화소(51D)와 같은 구성을 갖고 있다.
즉, 화소 회로(101G)는 광전 변환부(111G), 전하 유지부(112G), 리셋 트랜지스터(113G), 증폭 트랜지스터(114G), 선택 트랜지스터(115G), 용량 전환 트랜지스터(161G) 및 부가용량 소자(162G)를 갖는다.
화소 회로(101G)의 광전 변환부(111G), 전하 유지부(112G), 리셋 트랜지스터(113G), 증폭 트랜지스터(114G), 선택 트랜지스터(115G), 용량 전환 트랜지스터(161G) 및 부가용량 소자(162G)는 각각, 도 17에 도시한 화소(51D)의 광전 변환부(11), 전하 유지부(12), 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14), 선택 트랜지스터(15), 용량 전환 트랜지스터(61) 및 부가용량 소자(62)에 대응한다.
한편, Red광 및 Blue광용의 화소 회로(101RB)는 광전 변환부와 전송 트랜지스터에 관해서는 Red광과 Blue광에 관해 각각 가지며, 그 이외에 관해서는 Red광과 Blue광에서 공유하는 구성으로 되어 있다.
보다 구체적으로는 화소 회로(101RB)는 광전 변환부(111R), 광전 변환부(111B), 전송 트랜지스터(191R), 전송 트랜지스터(191B), 전하 유지부(112RB), 리셋 트랜지스터(113RB), 증폭 트랜지스터(114RB), 선택 트랜지스터(115RB) 및 용량 전환 트랜지스터(161RB) 및 부가용량 소자(162RB)를 갖는다.
광전 변환부(111R)는 Red광을 수광하여 광전 변환하여 얻어진 전하를 축적한다. 광전 변환부(111B)는 Blue광을 수광하여 광전 변환하여 얻어진 전하를 축적한다.
전송 트랜지스터(191R)는 게이트에 공급되는 전송 신호(TG(R))에 의해 온 된 때, 광전 변환부(111R)에서 생성된 신호 전하를, FD부인 전하 유지부(112RB)에 전송한다. 전송 트랜지스터(191B)는 게이트에 공급된 전송 신호(TG(B))에 의해 온 된 때, 광전 변환부(111B)에서 생성된 신호 전하를, FD부인 전하 유지부(112RB)에 전송한다.
전하 유지부(112RB)는 광전 변환부(111R 또는 111B)으로부터 전송된 신호 전하를 유지한다.
리셋 트랜지스터(113RB)는 게이트에 공급되는 리셋 신호(RST(RB))에 의해 온 된 때, 전하 유지부(112RB) 및 부가용량 소자(162RB)의 전위를 리셋한다.
증폭 트랜지스터(114RB)의 게이트는 전하 유지부(112RB)와 접속되고, 드레인은 전원 전압(VDD)에 소스는 선택 트랜지스터(115RB)의 드레인에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(114RB)는 전하 유지부(112RB)의 전위에 응한 화소 신호를 출력한다.
선택 트랜지스터(115RB)의 드레인은 증폭 트랜지스터(114RB)의 소스와 접속되고, 선택 트랜지스터(115RB)의 소스는 열신호선(16)과 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(115RB)는 게이트에 공급되는 선택 신호(SEL(RB))에 의해 화소 회로(101RB)가 선택된 때 온 되고, 화소(51E)에서 수광한 Red광 또는 Blue광에 대응하는 화소 신호를, 열신호선(16)을 통하여 AD 변환부에 출력한다.
용량 전환 트랜지스터(161RB)의 드레인은 리셋 트랜지스터(113RB)의 소스와 부가용량 소자(162RB)의 일단에 접속되고, 용량 전환 트랜지스터(161RB)의 소스는 전하 유지부(112RB)와 접속되어 있다. 부가용량 소자(162RB)의 리셋 트랜지스터(113RB)와 접속되지 않은 측의 타단에는 전원 전압(VDD)이 인가되어 있다.
도 22는 제5의 실시의 형태에서의 화소(51E)의 단면 구조를 도시하고 있다.
화소(51E)는 P형 반도체 기판(21)의 광입사면측에 보호막(절연막)(201)을 통하여 광전 변환부(111G)가 형성되어 있다. 광전 변환부(111G)는 광전 변환막(202)을 상부 전극(203A)과 하부 전극(203B)으로 끼워 넣는 구조로 형성되어 있다. 광전 변환막(202)의 재료로는 Green광을 광전 변환하고, Red광과 Blue광을 투과하는 재료가 사용된다. Green의 파장광으로 광전 변환하는 유기 광전 변환막으로서는 예를 들면 로다민계 색소, 메로시아닌계 색소, 퀴나크리돈 등을 포함하는 유기 광전 변환 재료를 사용할 수 있다. 상부 전극(203A)과 하부 전극(203B)의 각각은 예를 들면, 산화인듐주석(ITO)막, 산화인듐아연막 등의 투명성의 전극막으로 형성된다.
또한, 예를 들면, 광전 변환막(202)을, Red의 파장광으로 광전 변환하는 유기 광전 변환막으로 하는 경우에는 프탈로시아닌계 색소를 포함하는 유기 광전 변환 재료를 사용할 수 있다. 또한 예를 들면, 광전 변환막(202)을, Blue의 파장광으로 광전 변환하는 유기 광전 변환막으로 하는 경우에는 쿠마린계 색소, 트리스-8-히드록시퀴놀린Al(Alq3), 메로시아닌계 색소 등을 포함하는 유기 광전 변환 재료를 사용할 수 있다. 광전 변환부(111G)의 상측에는 온 칩 렌즈(32)가 형성되어 있다.
P형 반도체 기판(21)의 내부에는 2개의 n형 반도체 영역(204 및 205)이 깊이 방향으로 적층되고 형성되어 있고, 2개의 PN 접합에 의한 포토 다이오드(PD1 및 PD2)가 형성되어 있다. 광흡수 계수의 차이에 의해, 포토 다이오드(PD1)는 Blue광을 광전 변환하고, 포토 다이오드(PD2)는 Red광을 광전 변환한다. 2개의 n형 반도체 영역(204 및 205)의 일부는 P형 반도체 기판(21)의 하측의 계면까지 도달하도록 형성되어 있다.
광전 변환부(111G) 등이 형성된 측과는 반대측이 되는 P형 반도체 기판(21)의 하측의 면에 화소(51E)의 복수의 화소 트랜지스터가 형성되어 있다.
구체적으로는 Green광용의 리셋 트랜지스터(113G)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(113GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(223A 및 272)으로 구성되고, 증폭 트랜지스터(114G)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(114GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(223B 및 224)으로 구성되어 있다.
또한, 선택 트랜지스터(115G)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(115GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(224 및 225)으로 구성되어 있다. n형 확산층(224)은 증폭 트랜지스터(114G)와 선택 트랜지스터(115G)에서 공유되어 있다.
용량 전환 트랜지스터(161G)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(161GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(272 및 222)으로 구성되고, MOS 커패시터로 구성되는 부가용량 소자(162G)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(162GT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(271)으로 구성되어 있다.
MOS 커패시터의 부가용량 소자(162G)의 게이트부(162GT)가 절연층(237) 내에 마련된 금속 배선(281)에 의해, 용량 전환 트랜지스터(161G)의 n형 확산층(272)과 접속되어 있고, 부가용량 소자(62)의 n형 확산층(271)은 GND에 접속되어 있다.
Green광을 수광하여 생성되는 신호 전하는 정공으로 되고, 광전 변환막(202)의 상부 전극(203A)에는 전원 전압(VDD)이 인가된다. 광전 변환막(202)의 하부 전극(203B)은 금속의 접속 도체(227)에 의해, 용량 전환 트랜지스터(161G)의 소스/드레인의 일방인 n형 확산층(222) 및 증폭 트랜지스터(114G)의 게이트부(114GT)와 접속되어 있고, 이들 전체가 전하 유지부(112G)가 된다. 또한, 접속 도체(227)는 P형 반도체 기판(21) 내에서는 SiO2 또는 SiN 등의 절연막(228)으로 덮여 절연되어 있다.
또한, Blue광용의 전송 트랜지스터(191B)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(191BGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 반도체 영역(204) 및 n형 확산층(231)으로 구성되고, Red광용의 전송 트랜지스터(191R)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(191RGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 반도체 영역(205) 및 n형 확산층(231)으로 구성되어 있다.
또한, 리셋 트랜지스터(113RB)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(113RBGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(234 및 235)으로 구성되고, 증폭 트랜지스터(114RB)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(114RBGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(235 및 236)으로 구성되어 있다. n형 확산층(235)에는 전원 전압(VDD)이 인가되고, 리셋 트랜지스터(113RB)와 증폭 트랜지스터(114RB)에서 공유되어 있다.
또한, 선택 트랜지스터(115RB)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(115RBGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(236 및 225)으로 구성되어 있다. n형 확산층(225)은 선택 트랜지스터(115G)와 선택 트랜지스터(115RB)에서 공유되어 있다.
용량 전환 트랜지스터(161RB)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(161RBGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(233 및 234)으로 구성되고, MOS 커패시터로 구성되는 부가용량 소자(162RB)가 P형 반도체 기판(21)상의 게이트부(162RBGT)와, P형 반도체 기판(21) 내의 n형 확산층(232)으로 구성되어 있다.
MOS 커패시터의 부가용량 소자(162RB)의 게이트부(162RBGT)가 절연층(237) 내에 마련된 금속 배선(282)에 의해, 용량 전환 트랜지스터(161RB)의 n형 확산층(234)과 접속되어 있고, 부가용량 소자(162RB)의 n형 확산층(232)이 전원 전압(VDD)에 접속되어 있다.
Blue광용의 전송 트랜지스터(191B)와 Red광용의 전송 트랜지스터(191R)에서 공유되는 n형 확산층(231)은 FD부이고, 용량 전환 트랜지스터(161RB)의 일방의 n형 확산층(233)과 증폭 트랜지스터(114RB)의 게이트부(114RBGT)의 양방에 접속되어 있고, 이들 전체가 전하 유지부(112RB)가 된다.
P형 반도체 기판(21)의 화소 트랜지스터가 형성된 면은 절연막(237)으로 덮여 있다.
또한, 도 22에서는 도시의 제약 상, 복수의 화소 트랜지스터의 소스 또는 드레인으로서 공유되는 복수의 n형 확산층을 금속 배선으로 접속하여 나타내고 있지만, 물론, 1개의 n형 확산층으로 형성하여도 좋다.
제5의 실시의 형태의 화소(51E)의 구조에 의하면, Green광용의 화소 회로(101G)는 도 17에 도시한 제4의 실시의 형태의 화소(51D)와 같은 구성이기 때문에 Green광의 신호를 유지하는 전하 유지부(112G)에 관해서는 상술한 제4의 실시의 형태와 같은 효과를 갖는다.
즉, 광전 변환부(111G)에 접속된 전하 유지부(112G)의 용량을 신호 전하량에 응하여 제어함으로써, 전하 유지부(112G)의 전압 진폭을 제어할 수 있다. 즉, 신호 전하가 많은 경우에는 전하 유지부(112G)의 용량을 늘림으로써, 전하 유지부(112G)의 전압 상승량이 억제되고, 광전 변환부(111G)의 인가 전압 감소량이 억제된다. 이에 의해 광전 변환부(111G)의 광전 변환 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 부가용량 소자(162G)와 전하 유지부(112G)의 사이에 스위치가 되는 용량 전환 트랜지스터(161G)가 삽입되어 있다. 이에 의해, 전하 유지부(112G)를 저용량으로 사용하는 경우에 부가용량 소자(162G)에서 발생한 리크 전류가 전하 유지부(112G)에 혼입되는 현상을 막을 수 있다.
따라서 광전 변환 특성(광전 변환 효율)의 열화를 억제하고, 고체 촬상 소자의 화질 열화를 억제할 수 있다.
또한, 도 12를 참조하여 설명한 바와 같이 저용량 선택시에는 리셋 트랜지스터(13)가 항상 온으로 제어되기 때문에 저용량 선택시에 커플링에 의한 전하 유지부(112G)의 전위 변동이나, 전하 유지부(112G)에의 리크 전류의 혼입을 억제할 수 있다.
또한, 도 16을 참조하여 설명한 바와 같이 전하 유지부(112G)를, P형 반도체 기판(21)과 같은 GND 전위로 리셋하고, 용량 전환 트랜지스터(161G)의 게이트부(161GT) 아래를 강반전 상태에서 사용함으로써, 용량 변동에 의한 리니어리티 무너짐을 억제할 수 있고, 전하 유지부(112G)의 암시 노이즈를 억제할 수 있다.
또한, 부가용량 소자(162G)의 n형 확산층(271)에 리크 전류가 발생한 경우라도, 그 리크 전류는 GND에 흐르기 때문에 용량을 증대시킨 때의 전하 유지부(112G)의 리크 전류가 억제되고, 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지 확대와 노이즈 억제를 양립시킬 수 있다.
이상의 효과에 의해, 더욱 고체 촬상 소자의 화질 열화를 억제할 수 있다.
또한, 제5의 실시의 형태의 화소(51E)의 구조에 의하면, Green광용의 전하 유지부(112G)와는 별개로, Red광 및 Blue광을 광전 변환한 신호를 유지하는 전하 유지부(112RB)를 가지며, 용량 전환 트랜지스터(161RB)와 부가용량 소자(162RB)를 이용하여 Green 신호와는 독립적으로 전하 유지부(112RB)의 용량을 제어할 수 있다.
이에 의해, 피사체의 색에 의해, R, G, B의 게인을 다르도록 제어할 수 있다. 예를 들면, 녹색의 피사체를 촬상한 경우에는 Green광용의 전하 유지부(112G)의 용량치를 크게 함으로써 Green 신호의 증폭률을 억제하고, 또한 Red와 Blue의 신호를 판독하는 경우에는 Red광 및 Blue광용의 전하 유지부(112RB)의 용량치를 작게 함으로써 신호 증폭률을 높게 설정하는 것이 가능하다. 이에 의해, 다양한 피사체에 대해서도, 광전 변환부(111G)의 감도 열화를 억제하면서 촬상 신호의 S/N비의 개선을 실현할 수 있다.
또한, 도 22에 도시한 화소 구조는 P형 반도체 기판(21)의 외측에 1색의 광을 광전 변환하는 광전 변환부(광전 변환부(111G))를 형성하고, P형 반도체 기판(21) 내에 2색의 광을 광전 변환하는 광전 변환부(2개의 PN 접합에 의한 포토 다이오드(PD1 및 PD2))를 형성하는 구성으로 되어 있다.
그러나, P형 반도체 기판(21)의 외측에 2색의 광을 광전 변환하는 광전 변환부를 형성하고, P형 반도체 기판(21) 내에 1색의 광을 광전 변환하는 광전 변환부(하나의 PN 접합에 의한 포토 다이오드(PD))를 형성하는 구성으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 예를 들면, 광전 변환막(202)이 Green광을 광전 변환하는 광전 변환막과, Blue광을 광전 변환하는 광전 변환막의 2층이 된다. 또는 또한, 광전 변환막(202)을 상부 전극(203A)과 하부 전극(203B)으로 끼워 넣는 구조가 적층되어 형성되는 구성으로 하여도 좋다.
<7. 고체 촬상 소자의 개략 구성례>
상술한 화소(51A) 내지 화소(51E)는 도 23에 도시하는 고체 촬상 소자의 화소로서 채용할 수 있다. 즉, 도 23은 본 기술이 적용된 고체 촬상 소자의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 23의 고체 촬상 소자(301)는 반도체로서 예를 들면 실리콘(Si)을 사용한 반도체 기판(312)에 화소(302)가 행렬형상으로 2차원 배열된 화소 어레이부(303)와, 그 주변의 주변 회로부를 갖고서 구성된다. 주변 회로부에는 수직 구동 회로(304), 칼럼 신호 처리 회로(305), 수평 구동 회로(306), 출력 회로(307), 제어 회로(308) 등이 포함된다.
화소(302)로서는 상술한 화소(51A) 내지 화소(51E)의 어느 하나의 구성이 채용된다.
제어 회로(308)는 입력 클록과, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한 고체 촬상 소자(301)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 즉, 제어 회로(308)는 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클록에 의거하여 수직 구동 회로(304), 칼럼 신호 처리 회로(305) 및 수평 구동 회로(306) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 제어 회로(308)는 생성한 클록 신호나 제어 신호를, 수직 구동 회로(304), 칼럼 신호 처리 회로(305) 및 수평 구동 회로(306) 등에 출력한다.
수직 구동 회로(304)는 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 소정의 화소 구동 배선(310)을 선택하고, 선택된 화소 구동 배선(310)에 화소(302)를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 행 단위로 화소(302)를 구동한다. 즉, 수직 구동 회로(304)는 화소 어레이부(303)의 각 화소(302)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사하고, 각 화소(302)의 광전 변환부에서 수광량에 응하여 생성된 신호 전하에 의거한 화소 신호를, 수직 신호선(309)을 통하여 칼럼 신호 처리 회로(305)에 공급시킨다.
상술한 리셋 신호(RST, RST(G), 및 RST(RB)), 선택 신호(SEL, SEL(B), 및 SEL(RB)), 전환 제어 신호(CapSEL, CapSEL(G), 및 CapSEL(RB)) 및, 전송 신호(TG(R) 및 TG(B)) 등은 화소 구동 배선(310)을 통하여 수직 구동 회로(304)에 의해 제어된다.
칼럼 신호 처리 회로(305)는 예를 들면, 화소(302)의 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(302)로부터 출력되는 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 예를 들면, 칼럼 신호 처리 회로(305)는 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS 및 AD 변환 등의 신호 처리를 행한다.
수평 구동 회로(306)는 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(305)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(305)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(311)에 출력시킨다.
출력 회로(307)는 칼럼 신호 처리 회로(305)의 각각으로부터 수평 신호선(311)을 통하여 순차적으로 공급되는 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다. 출력 회로(307)는 예를 들면, 버퍼링만 하는 경우도 있고, 흑레벨 조정, 열편차 보정, 각종 디지털 신호 처리 등이 행하여지는 경우도 있다. 입출력 단자(313)는 외부와 신호의 교환을 한다.
이상과 같이 구성되는 고체 촬상 소자(301)는 CDS 처리와 AD 변환 처리를 행하는 칼럼 신호 처리 회로(5)가 화소열마다 배치된 칼럼 AD 방식이라고 불리는 CMOS 이미지 센서이다.
고체 촬상 소자(301)의 화소(302)로서 상술한 화소(51A) 내지 화소(51E)의 어느 하나의 구성이 채용되기 때문에 고체 촬상 소자(301)는 광전 변환 특성(광전 변환 효율)의 열화를 억제하고, 고체 촬상 소자의 화질 열화를 억제할 수 있다.
<8. 전자 기기에의 적용례>
본 기술은 고체 촬상 소자에의 적용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 기술은 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치나, 화상 판독부에 고체 촬상 소자를 이용하는 복사기 등, 화상 취입부(광전 변환부)에 고체 촬상 소자를 이용하는 전자 기기 전반에 대해 적용 가능하다. 고체 촬상 소자는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 팩키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
도 24는 본 기술이 적용된 전자 기기로서의, 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 24에 도시되는 촬상 장치(401)는 광학계(402), 셔터 장치(403), 고체 촬상 소자(404), 제어 회로(405), 신호 처리 회로(406), 모니터(407), 및 메모리(408)를 구비하여 구성되고, 정지화상 및 동화상을 촬상 가능하다.
광학계(402)는 1장 또는 복수장의 렌즈를 갖고서 구성되고, 피사체로부터의 광(입사광)을 고체 촬상 소자(404)에 유도하고, 고체 촬상 소자(404)의 수광면에 결상시킨다.
셔터 장치(403)는 광학계(402) 및 고체 촬상 소자(404)의 사이에 배치되고, 제어 회로(405)의 제어에 따라, 고체 촬상 소자(404)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다.
고체 촬상 소자(404)는 상술한 고체 촬상 소자(301), 즉, 광전 변환 특성의 열화를 억제하고, 화질 열화를 억제시킨 고체 촬상 소자에 의해 구성된다. 고체 촬상 소자(404)는 광학계(402) 및 셔터 장치(403)를 통하여 수광면에 결상된 광에 응하여 일정 기간, 신호 전하를 축적한다. 고체 촬상 소자(404)에 축적된 신호 전하는 제어 회로(405)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 따라 전송된다. 고체 촬상 소자(404)는 그 단체(單體)로 원칩으로서 구성되어도 좋고, 광학계(402) 내지 신호 처리 회로(406) 등과 함께 팩키징되는 카메라 모듈의 일부로서 구성되어도 좋다.
제어 회로(405)는 예를 들면, CPU(Central Processing Unit) 등에 의해 구성되고, 고체 촬상 소자(404)의 전송 동작 및 셔터 장치(403)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 출력하고, 고체 촬상 소자(404) 및 셔터 장치(403)를 구동한다.
촬상 장치(401)에서는 유저(조작자)가 도시하지 않은 조작부에서 지시함에 의해, 고용량 설정이나 또는 저용량 설정의 동작을 선택할 수 있다. 제어 회로(405)는 유저에 의해 지정된 설정 정보에 의거하여 고용량 설정 또는 저용량 설정의 어느 하나를 고체 촬상 소자(404)에 지시한다.
또한, 제어 회로(405)는 촬상된 화상의 피사체의 밝기를 신호 처리 회로(406)로부터 취득하고, 취득된 밝기에 응하여 다음 프레임의 촬상을 고용량 설정이나 또는 저용량 설정의 어느 것으로 행하는지를 (자동으로) 선택하고, 고체 촬상 소자(404)에 지시할 수도 있다. 고체 촬상 소자(404)는 제어 회로(405)로부터의 지시에 의거하여 각 화소(302)(화소(51))의 용량 전환 트랜지스터(61, 161G, 또는 161RB)를 제어한다.
신호 처리 회로(406)는 예를 들면, DSP(Digital Signal Processor) 등에 의해 구성되고, 고체 촬상 소자(404)로부터 출력된 화소 신호에 대해 각종의 신호 처리를 시행한다. 신호 처리 회로(406)가 신호 처리를 시행함에 의해 얻어진 화상(화상 데이터)은 모니터(407)에 공급되어 표시되거나, 메모리(408)에 공급되어 기억(기록)되거나 한다.
상술한 바와 같이 고체 촬상 소자(404)로서 상술한 각 실시의 형태에 관한 화소(51)의 구조를 갖는 고체 촬상 소자를 이용함으로써, 광전 변환 특성의 열화를 억제하고, 화질 열화를 억제할 수 있다. 따라서 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라, 나아가서는 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치(401)에서도, 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있다.
본 기술의 실시의 형태는 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.
예를 들면, 반도체 기판의 P형 및 N형의 각 반도체 영역은 반대의 도전형의 반도체 영역으로 구성할 수도 있다.
또한, 본 기술은 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 소자에의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 소자나, 광의의 의미로서 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 소자(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
상술한 복수의 실시의 형태의 전부 또는 일부를 적절히 조합시킨 형태를 채용할 수 있다. 예를 들면, 상술한 제5의 실시의 형태는 Green광용의 화소 회로(101G)를, 도 17에 도시한 제4의 실시의 형태의 화소(51D)와 같은 구성으로 하였지만, 그 대신에 제1 내지 제3의 실시의 형태의 화소(51A 내지 51C)의 어느 하나의 구성으로 하는 것도 가능하다.
또한, 본 기술은 고체 촬상 소자로 한하지 않고, 다른 반도체 집적 회로를 갖는 반도체 장치 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고 한정되는 것이 아니고, 본 명세서에 기재된 것 이외의 효과가 있어도 좋다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 반도체 기판의 외측에 형성된 광전 변환부와,
상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 유지하는 전하 유지부와,
상기 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와,
상기 전하 유지부에 접속되고, 상기 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와,
상기 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자를 갖는 화소를 구비하는
고체 촬상 소자.
(2) 상기 용량 전환 트랜지스터가 상기 리셋 트랜지스터와 상기 전하 유지부의 사이에 접속되어 있는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3) 상기 용량 전환 트랜지스터에 의해, 상기 전하 유지부의 용량이 저용량으로 전환된 경우, 상기 리셋 트랜지스터는 항상 온 하도록 제어되는 상기 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4) 상기 리셋 트랜지스터는 상기 전하 유지부의 전위를 상기 반도체 기판과 동전위로 리셋하는 상기 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(5) 상기 리셋 트랜지스터는 상기 전하 유지부의 전위를 GND로 리셋하는 상기 (4)에 기재된 고체 촬상 소자.
(6) 상기 부가용량 소자는 MOS 커패시터로 구성되는 상기 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(7) 상기 MOS 커패시터의 게이트부가 상기 전하 유지부에 접속되는 구성인 상기 (6)에 기재된 고체 촬상 소자.
(8) 상기 MOS 커패시터의 상기 반도체 기판 내의 확산층이 상기 전하 유지부에 접속되는 구성인 상기 (6)에 기재된 고체 촬상 소자.
(9) 상기 리셋 트랜지스터는 상기 전하 유지부의 전위를 전원 전압으로 리셋하는 상기 (1) 내지 (3), (6), 또는 (8)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(10) 상기 용량 전환 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터는 직렬로 접속되어 있는 상기 (1) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(11) 상기 용량 전환 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터는 병렬로 접속되어 있는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(12) 상기 광전 변환부는 광전 변환막의 상하를 전극으로 끼워 넣는 구조에 의해 형성되어 있는 상기 (1) 내지 (11)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(13) 상기 화소는 상기 광전 변환부의 상방 또는 하방에 다른 광전 변환부를 또한 갖는 상기 (1) 내지 (12)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(14) 상기 다른 광전 변환부는 상기 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드인 상기 (13)에 기재된 고체 촬상 소자.
(15) 상기 광전 변환부에서 생성된 상기 신호 전하는 정공인 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(16) 상기 광전 변환부에서 생성된 상기 신호 전하는 전자인 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(17) 반도체 기판의 외측에 형성된 광전 변환부와,
상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 유지하는 전하 유지부와,
상기 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와,
상기 전하 유지부에 접속되고, 상기 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와,
상기 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자를 갖는 화소를 구비하는 고체 촬상 소자를 구비하는 전자 기기.
(18) 상기 용량 전환 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 회로를 또한 구비하는 상기 (17)에 기재된 전자 기기.
(19) 상기 제어 회로는 상기 고체 촬상 소자로 촬상된 화상에 의거하여 상기 용량 전환 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 상기 (18)에 기재된 전자 기기.
(20) 상기 제어 회로는 유저에 의해 지정된 설정 정보에 의거하여 상기 용량 전환 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 상기 (18) 또는 (19)에 기재된 전자 기기.
11 : 광전 변환부 12 : 전하 유지부
13 : 리셋 트랜지스터 21 : P형 반도체 기판
28 : 광전 변환막 29A : 상부 전극
29B : 하부 전극 51(51A 내지 51E) : 화소
61 : 용량 전환 트랜지스터 62 : 부가용량 소자
101G, 101RB : 화소 회로 111B, 111G, 111R : 광전 변환부
112G, 112RB : 전하 유지부 113G, 113RB : 리셋 트랜지스터
161G, 161RB : 용량 전환 트랜지스터 162G, 162RB : 부가용량 소자
301 : 고체 촬상 소자 302 : 화소
401 : 촬상 장치 404 : 고체 촬상 소자
405 : 제어 회로 406 : 신호 처리 회로

Claims (20)

  1. 반도체 기판의 외측에 형성되고, 상부 전극, 하부 전극, 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 마련된 광전 변환막을 구비한 광전 변환부와,
    상기 반도체 기판에 마련되고, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 축적하도록 구성된 전하 유지부와,
    상기 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와,
    상기 전하 유지부에 접속되고, 상기 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와,
    상기 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자와,
    상기 반도체 기판에 마련된 포토 다이오드를 갖고,
    상기 용량 전환 트랜지스터는, 상기 포토 다이오드와 평면시에서 겹치는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  2. 제1항에 있어서
    상기 용량 전환 트랜지스터가 상기 리셋 트랜지스터와 상기 전하 유지부의 사이에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  3. 제2항에 있어서
    상기 용량 전환 트랜지스터에 의해, 상기 전하 유지부의 용량이 저용량으로 전환된 경우, 상기 리셋 트랜지스터는 항상 온 하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  4. 제2항에 있어서
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 전하 유지부의 전위를 상기 반도체 기판과 동전위로 리셋하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  5. 제4항에 있어서
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 전하 유지부의 전위를 GND로 리셋하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  6. 제1항에 있어서
    상기 부가용량 소자는 MOS 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  7. 제6항에 있어서
    상기 MOS 커패시터의 게이트부가 상기 전하 유지부에 접속되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  8. 제6항에 있어서
    상기 MOS 커패시터의 상기 반도체 기판 내의 확산층이 상기 전하 유지부에 접속되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  9. 제1항에 있어서
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 전하 유지부의 전위를 전원 전압으로 리셋하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  10. 제1항에 있어서
    상기 용량 전환 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터는 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  11. 제1항에 있어서
    상기 용량 전환 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터는 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  12. 제1항에 있어서
    상기 광전 변환부는 광전 변환막의 상하를 전극으로 끼워 넣는 구조에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  13. 제1항에 있어서
    화소는 상기 광전 변환부의 상방 또는 하방에 다른 광전 변환부를 또한 갖는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  14. 제13항에 있어서
    상기 다른 광전 변환부는 상기 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  15. 제1항에 있어서
    상기 광전 변환부에서 생성된 상기 신호 전하는 정공인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  16. 제1항에 있어서
    상기 광전 변환부에서 생성된 상기 신호 전하는 전자인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  17. 반도체 기판의 외측에 형성되고, 상부 전극, 하부 전극, 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 마련된 광전 변환막을 구비한 광전 변환부와,
    상기 반도체 기판에 마련되고, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하를 축적하도록 구성된 전하 유지부와,
    상기 전하 유지부의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터와,
    상기 전하 유지부에 접속되고, 상기 전하 유지부의 용량을 전환하는 용량 전환 트랜지스터와,
    상기 용량 전환 트랜지스터에 접속된 부가용량 소자와,
    상기 반도체 기판에 마련된 포토 다이오드를 갖고,
    상기 용량 전환 트랜지스터는, 상기 포토 다이오드와 평면시에서 겹치는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  18. 제17항에 있어서
    상기 용량 전환 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 회로를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  19. 제18항에 있어서
    상기 제어 회로는 광검출 소자로 촬상된 화상에 의거하여 상기 용량 전환 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  20. 제18항에 있어서
    상기 제어 회로는 유저에 의해 지정된 설정 정보에 의거하여 상기 용량 전환 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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