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JP2008186894A - Solid-state image sensor - Google Patents

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JP2008186894A
JP2008186894A JP2007017591A JP2007017591A JP2008186894A JP 2008186894 A JP2008186894 A JP 2008186894A JP 2007017591 A JP2007017591 A JP 2007017591A JP 2007017591 A JP2007017591 A JP 2007017591A JP 2008186894 A JP2008186894 A JP 2008186894A
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JP
Japan
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transistor
pixel
solid
gate length
state imaging
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Pending
Application number
JP2007017591A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuyuki Endo
康行 遠藤
Takahiro Muroshima
孝廣 室島
Ryohei Miyagawa
良平 宮川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2007017591A priority Critical patent/JP2008186894A/en
Publication of JP2008186894A publication Critical patent/JP2008186894A/en
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  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

【課題】HDムービーや一眼レフDSC等の用途に用いられる大きな画素サイズの固体撮像素子において、出力信号のS/N比を向上させ、高画質の画像を得ることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】本発明における固体撮像素子の画素構成は以下のとおりである。同一活性領域上に、フォトダイオード10、フローティングディフュージョン20、転送トランジスタ100、リセットトランジスタ110および増幅用のソースフォロワトランジスタ120が構成されており、水平方向に隣接したフォトダイオード10の間にリセットトランジスタ110とソースフォロアトランジスタ120が配置されている。このとき、ソースフォロワトランジスタ120のゲート長が転送トランジスタ100のゲート長よりも長くなるように構成される。
【選択図】図2
Provided is a solid-state imaging device capable of improving the S / N ratio of an output signal and obtaining a high-quality image in a solid-state imaging device having a large pixel size used for applications such as HD movies and single-lens reflex DSCs. To do.
A pixel configuration of a solid-state imaging device according to the present invention is as follows. A photodiode 10, a floating diffusion 20, a transfer transistor 100, a reset transistor 110, and an amplifying source follower transistor 120 are formed on the same active region. Between the photodiode 10 adjacent in the horizontal direction, A source follower transistor 120 is disposed. At this time, the gate length of the source follower transistor 120 is configured to be longer than the gate length of the transfer transistor 100.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、画素内に増幅トランジスタを有するMOS型固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a MOS type solid-state imaging device having an amplification transistor in a pixel.

近年、携帯電話、デジタルスチルカメラやムービーカメラの画像情報取得手段として、MOS型固体撮像素子が用いられてきている。携帯電話用カメラなどの用途においては、カメラモジュールの小型化かつ高画素化の要望が強く、微細シリコンプロセスを用いた画素サイズ縮小が進められて来ており、画素サイズは2.0μm以下まで微細化されている。   In recent years, MOS solid-state imaging devices have been used as image information acquisition means for mobile phones, digital still cameras, and movie cameras. In applications such as mobile phone cameras, there is a strong demand for smaller and higher pixel camera modules, and pixel size reduction using a fine silicon process has been promoted. Pixel sizes are as fine as 2.0 μm or less. It has become.

このような微細画素を有する固体撮像素子の画素回路構成及びセルレイアウトの一例を図6、図7に示す(特許文献1参照)。図6(a)、(b)はいわゆる3トランジスタ構成の画素であり、図7(a)、(b)は3トランジスタ構成の画素に行選択トランジスタが追加された4トランジスタ構成の画素である。図6(b)、図7(b)に示すように、同一活性領域上に、フォトダイオード10、フローティングディフュージョン20、転送トランジスタ100、リセットトランジスタ110および増幅用のソースフォロワトランジスタ120が構成されており、水平方向に隣接したフォトダイオード10の間にリセットトランジスタ110とソースフォロアトランジスタ120が配置されている。また、図7(b)においては、ソースフォロアトランジスタ120に隣接して行選択トランジスタ130が設けられている。なお、画素内のトランジスタはすべてMOSトランジスタで構成されている。   Examples of a pixel circuit configuration and a cell layout of a solid-state imaging device having such fine pixels are shown in FIGS. 6 and 7 (see Patent Document 1). 6A and 6B are so-called three-transistor pixels, and FIGS. 7A and 7B are four-transistor pixels in which row selection transistors are added to the three-transistor pixels. As shown in FIGS. 6B and 7B, a photodiode 10, a floating diffusion 20, a transfer transistor 100, a reset transistor 110, and a source follower transistor 120 for amplification are configured on the same active region. A reset transistor 110 and a source follower transistor 120 are arranged between the photodiodes 10 adjacent in the horizontal direction. In FIG. 7B, a row selection transistor 130 is provided adjacent to the source follower transistor 120. All the transistors in the pixel are composed of MOS transistors.

一方、HD(High Definision(高精細))ムービー向けや一眼レフDSC(Digital Still Camera(デジタルスチルカメラ))向け等の用途においては、一般に光学インチサイズと画素数の製品仕様から画素サイズが決まる場合が多く、例えば、1000万画素クラスのDSC向け固体撮像素子の場合、一般的には画素サイズは5μm程度になる。また、撮像特性面での要求も高く、S/N比向上のため、フォトダイオードに代表される光電変換素子の面積を大きく取って感度、飽和等の基本特性を上げる必要がある。さらに、これらの用途向け固体撮像素子においては、携帯向け用途に対し比較的大きな画素サイズであっても、微細加工プロセスをベースとしたトランジスタ設計とする場合が多い。
特開平10−150182号公報
On the other hand, for HD (High Definition) movies and single-lens reflex DSC (Digital Still Camera), the pixel size is generally determined by the product specifications of optical inch size and number of pixels. For example, in the case of a solid-state image sensor for DSC of 10 million pixel class, the pixel size is generally about 5 μm. Further, there is a high demand in terms of imaging characteristics, and in order to improve the S / N ratio, it is necessary to increase the basic characteristics such as sensitivity and saturation by increasing the area of a photoelectric conversion element typified by a photodiode. Further, in these solid-state imaging devices for these applications, transistor design based on a microfabrication process is often used even if the pixel size is relatively large for portable applications.
JP-A-10-150182

一般に、特許文献1に示したような固体撮像素子においては、ソースフォロワトランジスタのゲート長はデザインルールで許容される最小ゲートサイズよりも長いほうが好ましい。トランジスタのゲート長が短くなると短チャネル効果によって実効ゲート長がばらつき、それに対応してトランジスタのゲインがばらつく。このゲインばらつきによって感度がばらつき、ノイズの原因となるためである。   In general, in the solid-state imaging device as shown in Patent Document 1, it is preferable that the gate length of the source follower transistor is longer than the minimum gate size allowed by the design rule. When the gate length of the transistor is shortened, the effective gate length varies due to the short channel effect, and the gain of the transistor varies accordingly. This is because the gain variation causes sensitivity variations and causes noise.

しかし、従来の固体撮像素子の構成では、ソースフォロワトランジスタのゲート長は転送トランジスタのゲート長よりも短くなるように設定されるのが一般的であった。その理由として以下の点が挙げられる。   However, in the configuration of the conventional solid-state imaging device, the gate length of the source follower transistor is generally set to be shorter than the gate length of the transfer transistor. The reason is as follows.

第1に転送トランジスタのデバイス構造に起因する。転送トランジスタは、フォトダイオードに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンに転送する機能をもち、一般のトランジスタにおけるソースとドレインが、転送トランジスタにおいてはそれぞれフォトダイオードとフローティングディフュージョンに対応する。しかし、長波長側での感度向上のため、フォトダイオードはシリコン基板の深い部分(〜3μm)まで形成する必要があり、基板深部でフォトダイオードとフローティングディフュージョンとがパンチスルーしやすくなる。これを防止するため、転送トランジスタのゲート長は、デザインルールで許容される最小ゲートサイズより十分大きくとる必要がある。2〜3μm程度の画素サイズにおいては、一般に転送トランジスタのゲート長は0.6〜0.7μm程度である。   First, it results from the device structure of the transfer transistor. The transfer transistor has a function of transferring charges accumulated in the photodiode to the floating diffusion, and a source and a drain in a general transistor correspond to the photodiode and the floating diffusion in the transfer transistor, respectively. However, in order to improve the sensitivity on the long wavelength side, it is necessary to form the photodiode up to a deep portion (˜3 μm) of the silicon substrate, and the photodiode and the floating diffusion are likely to punch through deep in the substrate. In order to prevent this, the gate length of the transfer transistor needs to be sufficiently larger than the minimum gate size allowed by the design rule. When the pixel size is about 2 to 3 μm, the gate length of the transfer transistor is generally about 0.6 to 0.7 μm.

第2には、ソースフォロワトランジスタのゲート長増加に伴う変換ゲインの低下と、当該変換ゲイン低下に伴うノイズ低減効果の抑圧である。フォトダイオードに蓄積された信号電荷は、フローティングディフュージョンのトータル容量Ctotalの逆数に応じたゲインで変調されてソースフォロワトランジスタから信号として出力される。ここで、フローティングディフュージョンに運ばれた電子1個に対してソースフォロワトランジスタから出力される電圧信号を「変換ゲイン」と定義する。   The second is a reduction in conversion gain accompanying an increase in the gate length of the source follower transistor, and a suppression of a noise reduction effect accompanying the reduction in conversion gain. The signal charge accumulated in the photodiode is modulated with a gain corresponding to the reciprocal of the total capacitance Ctotal of the floating diffusion and output as a signal from the source follower transistor. Here, a voltage signal output from the source follower transistor for one electron carried to the floating diffusion is defined as “conversion gain”.

フローティングディフュージョンには自身の拡散容量CS以外に種々の容量が寄生している。ソースフォロワトランジスタが動作しているときのフローティングディフュージョンのトータル容量Ctotalは、
Ctotal=CS+CL+CG+(1−α)×CSF (式1)
で表される。
The floating diffusion has various capacitances in addition to its own diffusion capacitance CS. The total capacitance Ctotal of the floating diffusion when the source follower transistor is operating is
Ctotal = CS + CL + CG + (1-α) × CSF (Formula 1)
It is represented by

ここで、CLは、フローティングディフュージョンとソースフォロアトランジスタを電気的に接続する配線を含むフローティングディフュージョンと等電位の領域と、画素を構成する配線間との寄生容量の総和、CGは転送トランジスタと転送トランジスタとの間のゲート−ソースオーバーラップ容量、CSFはソースフォロワトランジスタのゲート容量、αはソースフォロワトランジスタの変調度である。αは、一般に0.7〜0.8程度の値となる。   Here, CL is the sum of the parasitic capacitances between the floating diffusion including the wiring for electrically connecting the floating diffusion and the source follower transistor, and the equipotential region between the wiring constituting the pixel, and CG is the transfer transistor and the transfer transistor. , CSF is the gate capacitance of the source follower transistor, and α is the modulation degree of the source follower transistor. α generally has a value of about 0.7 to 0.8.

(式1)からわかるように、ソースフォロワトランジスタのゲート長が長くなりゲート容量CSFが大きくなるとCtotalが増加し、変換ゲインは低下する。一方、上述のとおり、ソースフォロワトランジスタのゲート長が長くなると、ノイズは低減する。2〜3μm程度の画素サイズのセルでこれらについて見積もりを行うと、後述するように、例えばゲート長を0.6μmから1.0μmに長くしても、ノイズは15%程度しか低減せず、一方、変換ゲインは10%程度低下することがわかった。これでは、ソースフォロワトランジスタのゲート長を長くすることによる画素部で発生するノイズ低減効果は低い。また、変換ゲインが10%低下するため、後段回路で発生するノイズをフローティングディフュージョンの入力で換算すると10%増加する。従って、トータルでのノイズ低減効果は低く、ソースフォロワトランジスタのゲート長を長くするメリットは小さい。   As can be seen from (Equation 1), when the gate length of the source follower transistor is increased and the gate capacitance CSF is increased, Ctotal is increased and the conversion gain is decreased. On the other hand, as described above, when the gate length of the source follower transistor is increased, noise is reduced. When these are estimated in a cell having a pixel size of about 2 to 3 μm, as will be described later, for example, even if the gate length is increased from 0.6 μm to 1.0 μm, the noise is reduced only by about 15%. It was found that the conversion gain is reduced by about 10%. In this case, the effect of reducing the noise generated in the pixel portion by increasing the gate length of the source follower transistor is low. Further, since the conversion gain is reduced by 10%, the noise generated in the subsequent circuit is increased by 10% when converted by the input of the floating diffusion. Therefore, the total noise reduction effect is low, and the merit of increasing the gate length of the source follower transistor is small.

第3には、セル面積とトランジスタサイズとの関係がある。所定の感度を確保するためフォトダイオードの面積を一定以上にする必要があるが、2μm程度の画素サイズでは、ソースフォロワトランジスタのゲート長を長くしてトランジスタサイズを大きくする面積的余裕はない。   Third, there is a relationship between cell area and transistor size. In order to ensure a predetermined sensitivity, it is necessary to make the area of the photodiode equal to or larger than a certain level. However, with a pixel size of about 2 μm, there is no area margin to increase the transistor size by increasing the gate length of the source follower transistor.

以上のことから、ソースフォロワトランジスタのゲート長は転送トランジスタのゲート長よりも短くなるように設定されてきた。なお、転送トランジスタのゲート長は画素内の他のトランジスタのそれよりも長くなるように設計するのが一般的である。   From the above, the gate length of the source follower transistor has been set to be shorter than the gate length of the transfer transistor. In general, the gate length of the transfer transistor is designed to be longer than that of the other transistors in the pixel.

しかし、上述したように、HDムービーや一眼レフDSC等の用途において一層の高画質の画像が要求されてきており、ノイズを低減してS/N比を向上する必要性がより高くなっている。   However, as described above, higher quality images have been required for applications such as HD movies and single-lens reflex DSCs, and the need to reduce noise and improve the S / N ratio is increasing. .

そこで、本発明は、大きな画素サイズの固体撮像素子において、出力信号のS/N比を向上させ、高画質の画像を得ることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to improve the S / N ratio of an output signal and obtain a high-quality image in a solid-state imaging device having a large pixel size.

上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、入射光を電荷に変換する光電変換素子と、光電変換素子に蓄積した電荷を転送するための転送トランジスタと、転送された電荷を保持するための浮遊拡散容量を含む電荷保持手段と、ゲート電極が前記電荷保持手段と電気的に接続された増幅トランジスタと、前記光電変換素子と電荷保持手段とをリセットするためのリセットトランジスタを少なくとも有する画素が複数配置された受光部と、前記画素からの信号を外部に出力するための信号処理回路と、前記画素および前記信号処理回路を駆動するための駆動回路を含む固体撮像素子において、前記増幅トランジスタのゲート長が、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート長と比べて最も長いことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a solid-state imaging device of the present invention holds a transferred charge, a photoelectric conversion element that converts incident light into charges, a transfer transistor that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion elements, and the like. A pixel having at least a charge holding unit including a floating diffusion capacitor, an amplification transistor having a gate electrode electrically connected to the charge holding unit, and a reset transistor for resetting the photoelectric conversion element and the charge holding unit In the solid-state imaging device, the amplification transistor includes: a plurality of light receiving portions arranged; a signal processing circuit for outputting a signal from the pixel to the outside; and a driving circuit for driving the pixel and the signal processing circuit Is longer than the gate lengths of the other transistors constituting the pixel.

読み出し行を選択するための選択用トランジスタが画素内に設けられていることが好ましい。   A selection transistor for selecting a readout row is preferably provided in the pixel.

前記増幅トランジスタのゲート絶縁膜の厚みが、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート絶縁膜の厚みと比較して最も薄いことが好ましい。   It is preferable that the thickness of the gate insulating film of the amplification transistor is the smallest as compared with the thickness of the gate insulating film of another transistor constituting the pixel.

本発明によれば、ソースフォロワトランジスタのゲート長を転送トランジスタのゲート長よりも長く設定することで、ソースフォロワトランジスタに起因した1/fノイズを低減することができ、高画質の画像が得られる。   According to the present invention, by setting the gate length of the source follower transistor to be longer than the gate length of the transfer transistor, 1 / f noise caused by the source follower transistor can be reduced, and a high-quality image can be obtained. .

(実施の形態)
図1は本実施の形態における固体撮像素子の構成概略図である。画素セルが行列状に配列された受光部1は垂直シフトレジスタ2により行単位でリセット、電荷蓄積、読み出しが行われる。行単位で読み出された信号は列アンプ3で増幅され、ノイズキャンセル回路4でアンプのオフセットばらつきをキャンセルした値を保持する。ノイズキャンセル回路4に保持された1行分の画素信号は水平シフトレジスタ6により選択され、マルチプレクサ5、出力アンプ7を経由して順次出力される。また、垂直シフトレジスタ2、ノイズキャンセル回路4、マルチプレクサ5及び出力アンプ7を動作させるための信号がタイミングジェネレータ8により供給される。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device according to the present embodiment. The light receiving unit 1 in which the pixel cells are arranged in a matrix is reset, stored, and read out in units of rows by the vertical shift register 2. The signal read in units of rows is amplified by the column amplifier 3, and a value obtained by canceling the offset variation of the amplifier is held by the noise cancellation circuit 4. The pixel signals for one row held in the noise cancellation circuit 4 are selected by the horizontal shift register 6 and sequentially output via the multiplexer 5 and the output amplifier 7. Signals for operating the vertical shift register 2, the noise cancellation circuit 4, the multiplexer 5 and the output amplifier 7 are supplied from the timing generator 8.

図2に本実施の形態における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す。なお、本実施形態では画素サイズは5〜6μm程度である。なお、画素内の回路構成は図6(a)に示したのと同様である。   FIG. 2 shows a pixel cell layout of the solid-state imaging device in the present embodiment. In the present embodiment, the pixel size is about 5 to 6 μm. Note that the circuit configuration in the pixel is the same as that shown in FIG.

図2から明らかなように、従来のレイアウトと異なる点は、ソースフォロワトランジスタ120のゲート長が転送トランジスタ100のゲート長よりも長いことである。このようなレイアウトにすることで、ソースフォロワトランジスタ120に起因した1/fノイズを低減することができ、高画質の画像が得られる。この効果について以下に詳しく説明する。   As apparent from FIG. 2, the difference from the conventional layout is that the gate length of the source follower transistor 120 is longer than the gate length of the transfer transistor 100. With such a layout, 1 / f noise due to the source follower transistor 120 can be reduced, and a high-quality image can be obtained. This effect will be described in detail below.

まず、ソースフォロワトランジスタのゲート長変化に対する変換ゲインとノイズ変化について見積もってみた。図3にトランジスタのゲート長と1/fノイズ振幅との相関を示す。ノイズ振幅は各ゲート長での実測値をゲート長0.35μmでの実測値で規格化した値である。また、トランジスタは0.3μmルールの製造プロセスを用いて形成したもので評価した。図5からわかるように、ゲート長が0.6μmの場合を境に、ゲート長に対する1/fノイズの変化の度合いが変化することがわかった。ゲート長が0.6μm以下ではゲート長が長くなるにつれて1/fノイズが大幅に低減するのに対し、ゲート長が0.6μmを超えると、ノイズ低減の割合が小さくなり飽和する傾向が見られた。この場合、ゲート長が0.6μmのトランジスタにおける1/fノイズの振幅を1とすると、ゲート長が1.0μmのトランジスタにおける1/fノイズの振幅は0.77となる。   First, we estimated the conversion gain and noise change with respect to the gate length change of the source follower transistor. FIG. 3 shows the correlation between the gate length of the transistor and the 1 / f noise amplitude. The noise amplitude is a value obtained by normalizing an actual measurement value at each gate length with an actual measurement value at a gate length of 0.35 μm. In addition, the transistor was evaluated using a 0.3 μm rule manufacturing process. As can be seen from FIG. 5, it was found that the degree of change of 1 / f noise with respect to the gate length changes at the boundary of the gate length of 0.6 μm. When the gate length is 0.6 μm or less, 1 / f noise is significantly reduced as the gate length is increased. However, when the gate length exceeds 0.6 μm, the noise reduction rate decreases and tends to saturate. It was. In this case, if the amplitude of 1 / f noise in a transistor having a gate length of 0.6 μm is 1, the amplitude of 1 / f noise in a transistor having a gate length of 1.0 μm is 0.77.

次に、フローティングディフュージョン20のトータル容量Ctotalについて、従来の画素セル構成で見積もりを行った。   Next, the total capacity Ctotal of the floating diffusion 20 was estimated using the conventional pixel cell configuration.

図6(a)に示した構成で画素サイズを2.8μmとし、容量見積もりを行うと、
(CL+CG+CS):CSF〜3:3.3 (ゲート長:0.6μm) (式2)
(CL+CG+CS):CSF〜3:2 (ゲート長:1.0μm) (式3)
となった。さらに、α=0.7とすると、ゲート長が0.6μmの場合のCtotalとゲート長が1.0μmの場合のCtotalとの比は、
Ctotal(L=0.6)/Ctotal(L=1.0)
=(3+(1−0.7)×3.3)/(3+(1−0.7)×2)
=3.99/3.6〜1.1 (式4)
となった。
When the pixel size is 2.8 μm and the capacity is estimated with the configuration shown in FIG.
(CL + CG + CS): CSF-3: 3.3 (Gate length: 0.6 μm) (Formula 2)
(CL + CG + CS): CSF to 3: 2 (Gate length: 1.0 μm) (Formula 3)
It became. Further, if α = 0.7, the ratio of Ctotal when the gate length is 0.6 μm and Ctotal when the gate length is 1.0 μm is:
Ctotal (L = 0.6) / Ctotal (L = 1.0)
= (3+ (1-0.7) × 3.3) / (3+ (1-0.7) × 2)
= 3.99 / 3.6-1.1 (Formula 4)
It became.

これらの値からゲート長を長くした場合の変換ゲインの低下とノイズ低減効果を見積もる。   From these values, the reduction of the conversion gain and the noise reduction effect when the gate length is increased are estimated.

まず、(式2)から明らかなように、ゲート長を0.6μmから1.0μmにした場合、変換ゲインは約10%低下する。一方、ノイズ低減効果は以下のようになる。   First, as is clear from (Equation 2), when the gate length is changed from 0.6 μm to 1.0 μm, the conversion gain decreases by about 10%. On the other hand, the noise reduction effect is as follows.

まず、変換ゲインが10%低下するため、ゲート長を長くした場合、ソースフォロワトランジスタの入力換算でのノイズ低減効果は、0.77/0.9〜0.86、すなわち14%程度となる。一方、出力信号が10%程度低下するのであるから、後段回路において発生するノイズは、ソースフォロワトランジスタの入力換算で10%程度増加する。   First, since the conversion gain is reduced by 10%, when the gate length is increased, the noise reduction effect in terms of input of the source follower transistor is 0.77 / 0.9 to 0.86, that is, about 14%. On the other hand, since the output signal decreases by about 10%, the noise generated in the subsequent circuit increases by about 10% in terms of the input of the source follower transistor.

一方、本実施の形態において画素サイズを5.6μmとすると、(CL+CG+CS)は2.5倍程度増加する。寄生配線長、フローティングディフュージョン20の面積、フローティングディフュージョン20と転送トランジスタとのオーバーラップが増加するためである。よって、容量見積もりは、
(CL+CG+CS):CSF〜7.5:3.3(ゲート長:0.6μm)(式5)
(CL+CG+CS):CSF〜7.5:2 (ゲート長:1.0μm)(式6)
となり、ゲート長が0.6μmの場合のCtotalとゲート長が1.0μmの場合のCtotalとの比は、
Ctotal(L=0.6)/Ctotal(L=1.0)
=(7.5+(1−0.7)×3.3)/(7.5+(1−0.7)×2)
=8.49/8.1〜1.05 (式7)
となった。
On the other hand, if the pixel size is 5.6 μm in the present embodiment, (CL + CG + CS) increases about 2.5 times. This is because the parasitic wiring length, the area of the floating diffusion 20, and the overlap between the floating diffusion 20 and the transfer transistor increase. So the capacity estimate is
(CL + CG + CS): CSF to 7.5: 3.3 (gate length: 0.6 μm) (Formula 5)
(CL + CG + CS): CSF to 7.5: 2 (Gate length: 1.0 μm) (Formula 6)
The ratio between Ctotal when the gate length is 0.6 μm and Ctotal when the gate length is 1.0 μm is
Ctotal (L = 0.6) / Ctotal (L = 1.0)
= (7.5+ (1-0.7) × 3.3) / (7.5+ (1-0.7) × 2)
= 8.49 / 8.1 to 1.05 (Formula 7)
It became.

従って、本実施の形態において、ゲート長を0.6μmから1.0μmにした場合、変換ゲインは約5%低下する。一方、ノイズ低減効果は以下のようになる。   Therefore, in this embodiment, when the gate length is changed from 0.6 μm to 1.0 μm, the conversion gain is reduced by about 5%. On the other hand, the noise reduction effect is as follows.

まず、変換ゲインが5%程度低下するため、ゲート長を長くした場合、ソースフォロワトランジスタの入力換算でのノイズ低減効果は、0.77/0.95〜0.81、すなわち19%程度となる。0.77/0.95〜0.81、すなわち19%程度のノイズ低減となる。一方、出力信号が5%程度低下するのであるから、後段回路において発生するノイズは、ソースフォロワトランジスタの入力換算で5%程度増加する。   First, since the conversion gain is reduced by about 5%, when the gate length is increased, the noise reduction effect in terms of input of the source follower transistor is 0.77 / 0.95 to 0.81, that is, about 19%. . The noise is reduced to 0.77 / 0.95 to 0.81, that is, about 19%. On the other hand, since the output signal decreases by about 5%, the noise generated in the subsequent circuit increases by about 5% in terms of the input of the source follower transistor.

ここで、ソースフォロワトランジスタのゲート長を0.6μmとした際の、画素部で発生するノイズ電子数と、後段回路で発生するノイズ電子数とをそれぞれA,Bと定義する。AとBは独立のため、画素ピッチ2.8μmと5.6μmで発生するノイズ量はそれぞれ以下で示される。   Here, when the gate length of the source follower transistor is 0.6 μm, the number of noise electrons generated in the pixel portion and the number of noise electrons generated in the subsequent circuit are defined as A and B, respectively. Since A and B are independent, the amounts of noise generated at pixel pitches of 2.8 μm and 5.6 μm are shown below.

2.8μm画素:((0.86×A)2+(1.1×B)20.5 (式8)
5.6μm画素:((0.81×A)2+(1.05×B)20.5 (式9)
仮にA=Bとすると、2.8μm画素の場合、ノイズは1.40A、5.6μm画素の場合は1.33Aとなる。ソースフォロワトランジスタのゲート長が0.6μmの場合のノイズ量は√2Aになるので、2.8μm画素のノイズ改善量は約1%にとどまるのに対し、5.6μm画素においては約6%となり、ノイズは大幅に改善される。
2.8 μm pixel: ((0.86 × A) 2 + (1.1 × B) 2 ) 0.5 (Formula 8)
5.6 μm pixel: ((0.81 × A) 2 + (1.05 × B) 2 ) 0.5 (Formula 9)
If A = B, the noise is 1.40 A for a 2.8 μm pixel and 1.33 A for a 5.6 μm pixel. When the gate length of the source follower transistor is 0.6 μm, the amount of noise is √2A. Therefore, the amount of noise improvement of the 2.8 μm pixel is only about 1%, whereas that of the 5.6 μm pixel is about 6%. The noise is greatly improved.

また、本実施の形態では、画素サイズを大きくしているため、フォトダイオード10の間の空き領域に余裕があり、ソースフォロワトランジスタ120のゲート長を転送トランジスタ100のゲート長より長くすることが可能である。   Further, in this embodiment, since the pixel size is increased, there is room in the space between the photodiodes 10, and the gate length of the source follower transistor 120 can be made longer than the gate length of the transfer transistor 100. It is.

以上のように、本実施の形態によれば、ソースフォロワトランジスタ120のゲート長を、転送トランジスタ100のゲート長よりも長くして、ソースフォロワトランジスタ120起因の1/fノイズを低減し、高画質の画像を得ることが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the gate length of the source follower transistor 120 is made longer than the gate length of the transfer transistor 100 to reduce 1 / f noise caused by the source follower transistor 120, and to achieve high image quality. Images can be obtained.

(実施の形態の第1変形例)
図4に本実施の形態の第1変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す。なお、画素内の回路構成は図7(a)に示したのと同様である。図2に示したレイアウトとの違いは、ソースフォロワトランジスタ120に隣接して行選択トランジスタ130が配置されている点であり、上述した本発明の効果は第1の実施の形態の場合と同様である。
(First Modification of Embodiment)
FIG. 4 shows a pixel cell layout of the solid-state imaging device in the first modification of the present embodiment. The circuit configuration in the pixel is the same as that shown in FIG. The difference from the layout shown in FIG. 2 is that a row selection transistor 130 is arranged adjacent to the source follower transistor 120. The above-described effect of the present invention is the same as that of the first embodiment. is there.

(実施の形態の第2変形例)
図5に本実施の形態の第2変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す。なお、画素内の回路構成は図7(a)に示したのと同様である。図4に示したレイアウトとの違いは、転送トランジスタ100がフォトダイオードの角部に配置され、かつフォトダイオード10の辺に対して斜めに配置されている点である。このようにすることで転送トランジスタ100のサイズを小さくでき、セル面積を縮小できるとともに、フローティングディフュージョン20とのオーバーラップを小さくでき、Ctotalの低減、すなわち変換ゲインの増大が図れる。また、上述した本発明の効果は第1の実施の形態の場合と同様である。
(Second Modification of Embodiment)
FIG. 5 shows a pixel cell layout of the solid-state imaging device in the second modification of the present embodiment. The circuit configuration in the pixel is the same as that shown in FIG. The difference from the layout shown in FIG. 4 is that the transfer transistor 100 is arranged at the corner of the photodiode and is arranged obliquely with respect to the side of the photodiode 10. By doing so, the size of the transfer transistor 100 can be reduced, the cell area can be reduced, the overlap with the floating diffusion 20 can be reduced, and Ctotal can be reduced, that is, the conversion gain can be increased. The effects of the present invention described above are the same as in the case of the first embodiment.

なお、変形例も含めて、第1の実施の形態において、ソースフォロワトランジスタ120のゲート絶縁膜の厚みを画素内の他のトランジスタのゲート絶縁膜の厚みに対して最も薄くすることでさらにノイズが低減できる。ソースフォロワトランジスタ120に起因する1/fノイズはゲート容量に反比例するからである。   In addition, in the first embodiment including the modification example, noise is further increased by making the thickness of the gate insulating film of the source follower transistor 120 the smallest with respect to the thickness of the gate insulating film of other transistors in the pixel. Can be reduced. This is because the 1 / f noise caused by the source follower transistor 120 is inversely proportional to the gate capacitance.

また、図1に示した素子内の回路ブロック構成や画素内の回路構成等は、本発明の効果を奏する範囲内で自由に改変可能である。   In addition, the circuit block configuration in the element and the circuit configuration in the pixel shown in FIG. 1 can be freely modified within the scope of the effects of the present invention.

なお、本実施の形態では5.6μmの画素サイズを有する固体撮像装置を例にとって説明したが、画素内に転送トランジスタのゲート長を大きくする面積的余裕があれば、さらに小さな画素サイズにも本発明は適用可能である。   In this embodiment, a solid-state imaging device having a pixel size of 5.6 μm has been described as an example. However, if there is an area margin for increasing the gate length of the transfer transistor in the pixel, the pixel size can be reduced to a smaller pixel size. The invention is applicable.

本発明に係る固体撮像素子は、高画質の画像を得ることができ、HDムービーや一眼レフDSC等の用途に用いられる上で有用である。   The solid-state imaging device according to the present invention can obtain a high-quality image and is useful for use in applications such as HD movies and single-lens reflex DSCs.

本発明の第1の実施の形態における固体撮像素子の構成概略図1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す図The figure which shows the pixel cell layout of the solid-state image sensor in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における固体撮像素子のトランジスタのゲート長と1/fノイズ振幅との相関を示す図The figure which shows the correlation with the gate length of the transistor of the solid-state image sensor in the 1st Embodiment of this invention, and 1 / f noise amplitude 本発明の実施の形態の第1変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す図The figure which shows the pixel cell layout of the solid-state image sensor in the 1st modification of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の第2変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す図The figure which shows the pixel cell layout of the solid-state image sensor in the 2nd modification of embodiment of this invention. 従来の固体撮像素子の画素回路構成及びセルレイアウトの一例であり、(a)、(b)は3トランジスタ構成の画素に関する図It is an example of the pixel circuit structure and cell layout of the conventional solid-state image sensor, (a), (b) is a figure regarding the pixel of 3 transistor structure. (a)、(b)は4トランジスタ構成の画素に関する図(A), (b) is a diagram regarding a pixel having a four-transistor configuration

符号の説明Explanation of symbols

1 受光部
2 垂直シフトレジスタ
3 列アンプ
4 ノイズキャンセル回路
5 マルチプレクサ
6 水平シフトレジスタ
7 出力アンプ
8 タイミングジェネレータ
10 フォトダイオード
20 フローティングディフュージョン
100 転送トランジスタ
110 リセットトランジスタ
120 ソースフォロワトランジスタ
130 行選択トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light-receiving part 2 Vertical shift register 3 Column amplifier 4 Noise cancellation circuit 5 Multiplexer 6 Horizontal shift register 7 Output amplifier 8 Timing generator 10 Photodiode 20 Floating diffusion 100 Transfer transistor 110 Reset transistor 120 Source follower transistor 130 Row selection transistor

Claims (3)

入射光を電荷に変換する光電変換素子と、光電変換素子に蓄積した電荷を転送するための転送トランジスタと、転送された電荷を保持するための浮遊拡散容量を含む電荷保持手段と、ゲート電極が前記電荷保持手段と電気的に接続された増幅トランジスタと、前記光電変換素子と電荷保持手段とをリセットするためのリセットトランジスタを少なくとも有する画素が複数配置された受光部と、
前記画素からの信号を外部に出力するための信号処理回路と、
前記画素および前記信号処理回路を駆動するための駆動回路を含む固体撮像素子において、
前記増幅トランジスタのゲート長が、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート長と比べて最も長いことを特徴とする固体撮像素子。
A photoelectric conversion element for converting incident light into electric charge, a transfer transistor for transferring electric charge accumulated in the photoelectric conversion element, charge holding means including a floating diffusion capacitor for holding the transferred electric charge, and a gate electrode An amplifying transistor electrically connected to the charge holding unit; a light receiving unit in which a plurality of pixels having at least a reset transistor for resetting the photoelectric conversion element and the charge holding unit are arranged;
A signal processing circuit for outputting a signal from the pixel to the outside;
In a solid-state imaging device including a driving circuit for driving the pixel and the signal processing circuit,
A solid-state imaging device, wherein the gate length of the amplification transistor is the longest compared to gate lengths of other transistors constituting the pixel.
読み出し行を選択するための選択用トランジスタが前記画素内に設けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a selection transistor for selecting a readout row is provided in the pixel. 前記増幅トランジスタのゲート絶縁膜の厚みが、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート絶縁膜の厚みと比較して最も薄いことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子。 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a thickness of the gate insulating film of the amplification transistor is the smallest compared with a thickness of a gate insulating film of another transistor constituting the pixel.
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