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JP2010278143A - Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method - Google Patents

Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method Download PDF

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JP2010278143A
JP2010278143A JP2009127947A JP2009127947A JP2010278143A JP 2010278143 A JP2010278143 A JP 2010278143A JP 2009127947 A JP2009127947 A JP 2009127947A JP 2009127947 A JP2009127947 A JP 2009127947A JP 2010278143 A JP2010278143 A JP 2010278143A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
unit
charge
conversion unit
solid
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Application number
JP2009127947A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Shizukuishi
誠 雫石
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Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】不揮発メモリトランジスタの閾値電圧のばらつき等を抑えて高画質化を図ることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】画素部100を複数有する固体撮像素子10であって、画素部100は、光電変換部3と、光電変換部3で発生した電荷を蓄積可能なフローティングゲートFG1,FG2をそれぞれ含む不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2とを有し、光電変換部3のリセット後に光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1,FG2に蓄積し、次いで、露光期間中に光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1に蓄積する制御部40と、フローティングゲートFG1に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、フローティングゲートFG2に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す読み出し回路20とを備える。
【選択図】図5
Provided is a solid-state imaging device capable of improving image quality by suppressing variations in threshold voltage of a nonvolatile memory transistor.
A solid-state imaging device 10 having a plurality of pixel units 100, wherein the pixel unit 100 includes a photoelectric conversion unit 3 and floating gates FG1 and FG2 capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit 3, respectively. The charge generated in the photoelectric conversion unit 3 after resetting the photoelectric conversion unit 3 is accumulated in the floating gates FG1 and FG2 and then generated in the photoelectric conversion unit 3 during the exposure period. The difference between the control unit 40 that stores the signal in the floating gate FG1, the first signal corresponding to the charge stored in the floating gate FG1 and the second signal corresponding to the charge stored in the floating gate FG2 is an imaging signal. And a readout circuit 20 that reads out as.
[Selection] Figure 5

Description

本発明は、固体撮像素子、撮像装置、撮像方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method.

光電変換によって発生した電荷をフローティングゲート等の電荷蓄積領域を有する不揮発性MOSメモリトランジスタによって記録し、該電荷によるメモリトランジスタの閾値電圧の変化を撮像信号として読み出す固体撮像素子が提案されている(特許文献1、2参照)。   A solid-state imaging device has been proposed in which charges generated by photoelectric conversion are recorded by a nonvolatile MOS memory transistor having a charge accumulation region such as a floating gate, and a change in threshold voltage of the memory transistor due to the charges is read as an imaging signal (patent) References 1 and 2).

このような固体撮像素子では、メモリトランジスタのトンネル酸化膜の厚みが製造工程によってばらつくと、閾値電圧の上昇が大きいメモリトランジスタと閾値電圧の上昇が小さいメモリトランジスタとが存在することになる。このような閾値電圧のばらつきは、読み出し時に画像データの明るさのむらとなって現れるため、できるだけ小さくすることが好ましい。   In such a solid-state imaging device, when the thickness of the tunnel oxide film of the memory transistor varies depending on the manufacturing process, there are a memory transistor having a large increase in threshold voltage and a memory transistor having a small increase in threshold voltage. Such a variation in threshold voltage appears as uneven brightness of image data at the time of reading, and is preferably as small as possible.

特許文献2には、不揮発性MOSメモリトランジスタを有する固体撮像素子において、上述した閾値電圧のばらつきを減少させる方法が開示されている。この方法では、まず、全ての画素のメモリトランジスタに弱い書き込み条件でダミー情報を書き込む。次に、各画素に書き込んだダミー情報を読み出してメモリに記憶する。次に、メモリに記憶された画素のダミー情報に応じた電圧で、該画素のメモリトランジスタのチャネル領域を予備充電する。この状態で、露光を開始するものである。   Patent Document 2 discloses a method for reducing the above-described variation in threshold voltage in a solid-state imaging device having a nonvolatile MOS memory transistor. In this method, first, dummy information is written into the memory transistors of all the pixels under a weak write condition. Next, the dummy information written in each pixel is read and stored in the memory. Next, the channel region of the memory transistor of the pixel is precharged with a voltage corresponding to the dummy information of the pixel stored in the memory. In this state, exposure is started.

特開2002−280537号公報JP 2002-280537 A 特開2001−85660号公報JP 2001-85660 A

特許文献2に記載の方法では、露光開始までの間の駆動ステップが複雑化し、撮像、信号処理速度の低下が懸念される。また、ダミー情報を記憶しておくための外部メモリが必要となるため、例えば全画素を同時に露光するグローバルシャッタを実現しようとした場合には、全画素のダミー情報を記憶できるだけの大容量メモリが必要となる。   In the method described in Patent Document 2, the driving steps until the start of exposure are complicated, and there is a concern that imaging and signal processing speeds are reduced. Further, since an external memory for storing dummy information is necessary, for example, when a global shutter that exposes all pixels simultaneously is realized, a large-capacity memory that can store dummy information for all pixels is provided. Necessary.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、駆動を複雑にすることなく、高画質化を図ることが可能な小型の固体撮像素子、これを備えた撮像装置、及びこの固体撮像素子を用いた撮像方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a compact solid-state imaging device capable of achieving high image quality without complicating driving, an imaging apparatus including the same, and the solid-state imaging device An object of the present invention is to provide an imaging method using the.

本発明の固体撮像素子は、画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部のリセット後に、前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の各々に同時に蓄積し、次いで、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する書き込み手段と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出し手段とを備える。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a first charge storage unit. A charge storage unit, and after resetting the photoelectric conversion unit, the charge generated in the photoelectric conversion unit is simultaneously stored in each of the first charge storage unit and the second charge storage unit, Writing means for accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period in the first charge accumulation unit; a first signal corresponding to the charges accumulated in the first charge accumulation unit; Signal readout means for reading out a difference from the second signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit as an imaging signal;

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。   The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.

本発明の撮像方法は、画素部を複数有する固体撮像素子を用いた撮像方法であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部のリセット後に、前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の各々に同時に蓄積し、次いで、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する書き込みステップと、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出しステップとを備える。   The imaging method of the present invention is an imaging method using a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit and a first charge capable of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit. A storage unit and a second charge storage unit, and after resetting the photoelectric conversion unit, charge generated in the photoelectric conversion unit is simultaneously applied to each of the first charge storage unit and the second charge storage unit; A writing step for accumulating, and then accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period in the first charge accumulating unit, and a first corresponding to the electric charge accumulated in the first charge accumulating unit A signal reading step of reading a difference between the signal and the second signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit as an imaging signal.

本発明によれば、駆動を複雑にすることなく、高画質化を図ることが可能な小型の固体撮像素子、これを備えた撮像装置、及びこの固体撮像素子を用いた撮像方法を提供することができる。   According to the present invention, there are provided a small solid-state imaging device capable of achieving high image quality without complicating driving, an imaging apparatus including the same, and an imaging method using the solid-state imaging device. Can do.

本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention. 図1に示す固体撮像素子の画素部の等価回路図1 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. 図2に示す画素部の平面レイアウト例を示す平面模式図FIG. 2 is a schematic plan view showing a planar layout example of the pixel portion shown in FIG. 図3に示す画素部のA−A’線断面模式図A-A 'line cross-sectional schematic view of the pixel portion shown in FIG. 図3に示す画素部のB−B’線断面模式図B-B 'line cross-sectional schematic diagram of the pixel portion shown in FIG. 図1に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャートTiming chart for explaining a method of driving the solid-state imaging device shown in FIG. 図1に示す固体撮像素子の撮像動作中の不揮発性メモリトランジスタの閾値電圧の分布の変化を示した図The figure which showed the change of distribution of the threshold voltage of a non-volatile memory transistor during the imaging operation of the solid-state image sensor shown in FIG. 図1に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示す等価回路図1 is an equivalent circuit diagram showing a first modification of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. 図1に示した固体撮像素子の画素部の第二の変形例を示す等価回路図The equivalent circuit diagram which shows the 2nd modification of the pixel part of the solid-state image sensor shown in FIG. 図9に示した等価回路図の平面レイアウト例を示した図The figure which showed the example of a plane layout of the equivalent circuit diagram shown in FIG.

以下、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置、携帯電話機や電子内視鏡等に内蔵される撮像ユニットに搭載して用いられるものである。   Hereinafter, a solid-state imaging device for describing an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This solid-state imaging device is used by being mounted on an imaging unit built in an imaging device such as a digital camera or a digital video camera, a mobile phone, an electronic endoscope, or the like.

図1は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図1(a)は固体撮像素子の全体を示した図であり、図1(b)は(a)の固体撮像素子の読み出し回路の構成例を示した図である。図1に示す固体撮像素子10は、画素部100と、読み出し回路20と、出力回路(トランジスタ30、信号線70、水平シフトレジスタ50、出力部60)と、制御部40と、統括制御部80とを備える。   FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a diagram illustrating the entire solid-state imaging device, and FIG. 1B is a diagram illustrating a configuration example of a readout circuit of the solid-state imaging device in FIG. 1 includes a pixel unit 100, a readout circuit 20, an output circuit (a transistor 30, a signal line 70, a horizontal shift register 50, an output unit 60), a control unit 40, and an overall control unit 80. With.

画素部100は、複数設けられ、半導体基板Kの列方向とこれに直交する行方向に二次元状(この例では正方格子状)に配列されている。   A plurality of the pixel portions 100 are provided, and are arranged in a two-dimensional shape (in this example, a square lattice shape) in the column direction of the semiconductor substrate K and the row direction orthogonal thereto.

読み出し回路20は、列方向に並ぶ画素部100からなる画素部列毎に設けられ、各画素部100から撮像信号を読み出すためのものである。   The readout circuit 20 is provided for each pixel unit column including the pixel units 100 arranged in the column direction, and is used for reading out an imaging signal from each pixel unit 100.

出力回路は、読み出し回路20で読み出された1画素部行分の撮像信号を出力するための回路である。   The output circuit is a circuit for outputting an imaging signal for one pixel unit row read by the readout circuit 20.

制御部40は、各画素部100を制御するものである。   The control unit 40 controls each pixel unit 100.

統括制御部80は、固体撮像素子10全体を統括制御するものである。固体撮像素子10は、それを搭載する撮像装置のシステム制御部からの制御により、統括制御部80が各部を制御することで動作する。   The overall control unit 80 performs overall control of the entire solid-state imaging device 10. The solid-state imaging device 10 operates by the overall control unit 80 controlling each unit under the control of the system control unit of the imaging apparatus on which the solid-state imaging device 10 is mounted.

図2は、図1に示した固体撮像素子における画素部の等価回路を示した図である。図2に示すように、画素部100は、光電変換部3と、不揮発性メモリトランジスタMT1と、不揮発性メモリトランジスタMT2と、リセットトランジスタRTとを備える。   FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the pixel portion in the solid-state imaging device shown in FIG. As shown in FIG. 2, the pixel unit 100 includes a photoelectric conversion unit 3, a nonvolatile memory transistor MT1, a nonvolatile memory transistor MT2, and a reset transistor RT.

光電変換部3は半導体基板K内に形成されている。不揮発性メモリトランジスタMT1は、半導体基板K上方に形成された電荷蓄積領域であるフローティングゲートFG1及びゲート電極であるコントロールゲートCG1を含むMOSトランジスタ構造となっている。不揮発性メモリトランジスタMT2は、半導体基板K上方に形成された電荷蓄積領域であるフローティングゲートFG2及びゲート電極であるコントロールゲートCG2を含むMOSトランジスタ構造となっている。リセットトランジスタRTは、光電変換部3の電荷をリセットするためのものである。不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2は、それぞれ、光電変換部3で発生した電荷を蓄積可能な電荷蓄積部として機能する。   The photoelectric conversion unit 3 is formed in the semiconductor substrate K. The nonvolatile memory transistor MT1 has a MOS transistor structure including a floating gate FG1 which is a charge storage region formed above the semiconductor substrate K and a control gate CG1 which is a gate electrode. The nonvolatile memory transistor MT2 has a MOS transistor structure including a floating gate FG2 which is a charge storage region formed above the semiconductor substrate K and a control gate CG2 which is a gate electrode. The reset transistor RT is for resetting the electric charge of the photoelectric conversion unit 3. Each of the nonvolatile memory transistor MT1 and the nonvolatile memory transistor MT2 functions as a charge accumulation unit capable of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit 3.

不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2の各々の出力(ドレイン領域D1,D2)は、画素部列毎に設けられた出力信号線である列信号線12に共通接続されており、この列信号線12には読み出し回路20が接続されている。不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のソース領域Sは、画素部列毎に設けられたソース線SLに共通接続されている。   The outputs (drain regions D1, D2) of the nonvolatile memory transistor MT1 and the nonvolatile memory transistor MT2 are commonly connected to a column signal line 12 which is an output signal line provided for each pixel unit column. A readout circuit 20 is connected to the signal line 12. The source regions S of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 are commonly connected to a source line SL provided for each pixel unit column.

リセットトランジスタRTは、リセットドレインRDと、ソース領域として機能する光電変換部3と、ゲート電極であるリセットゲートRGとを備えたMOS構造となっている。リセットドレインRDには、リセット電圧を供給するためのリセット電源線Vccが接続されている。   The reset transistor RT has a MOS structure including a reset drain RD, a photoelectric conversion unit 3 that functions as a source region, and a reset gate RG that is a gate electrode. A reset power supply line Vcc for supplying a reset voltage is connected to the reset drain RD.

不揮発性メモリトランジスタMT1のコントロールゲートCG1には、行方向に並ぶ画素部からなるライン毎に設けられたゲート制御線CGL1が接続されている。各ラインのゲート制御線CGL1は制御部40に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。   The control gate CG1 of the nonvolatile memory transistor MT1 is connected to a gate control line CGL1 provided for each line composed of pixel portions arranged in the row direction. The gate control line CGL1 of each line is connected to the control unit 40, and a voltage can be applied independently for each line.

不揮発性メモリトランジスタMT2のコントロールゲートCG2には、ライン毎に設けられたゲート制御線CGL2が接続されている。各ラインのゲート制御線CGL2は制御部40に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。   A gate control line CGL2 provided for each line is connected to the control gate CG2 of the nonvolatile memory transistor MT2. The gate control line CGL2 of each line is connected to the control unit 40 so that a voltage can be applied independently for each line.

リセットトランジスタRTのリセットゲートRGには、ライン毎に設けられたリセット制御線RLが接続されている。各ラインのリセット制御線RLは制御部40に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。制御部40からリセット制御線RLを介してリセットパルスが印加されることで、リセットトランジスタRTがオンし、光電変換部3に蓄積されている電荷がリセットトランジスタRTのドレインRDへと排出される構成となっている。   A reset control line RL provided for each line is connected to the reset gate RG of the reset transistor RT. The reset control line RL of each line is connected to the control unit 40 so that a voltage can be applied independently for each line. A configuration in which a reset pulse is applied from the control unit 40 via a reset control line RL, whereby the reset transistor RT is turned on, and the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 3 is discharged to the drain RD of the reset transistor RT It has become.

読み出し回路20は、不揮発性メモリトランジスタMT1のフローティングゲートFG1に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、不揮発性メモリトランジスタMT2のフローティングゲートFG2に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出し手段である。   The read circuit 20 includes a first signal corresponding to the charge accumulated in the floating gate FG1 of the nonvolatile memory transistor MT1, and a second signal corresponding to the charge accumulated in the floating gate FG2 of the nonvolatile memory transistor MT2. Is a signal readout means for reading out the difference between them as an imaging signal.

読み出し回路20は、図1(b)に示すように、読み出し制御部20aと、センスアンプ20bと、プリチャージ回路20cと、ランプアップ回路20dと、トランジスタ20e,20fと、カウント方向切替部20gとを備えた構成となっている。   As shown in FIG. 1B, the read circuit 20 includes a read control unit 20a, a sense amplifier 20b, a precharge circuit 20c, a ramp-up circuit 20d, transistors 20e and 20f, and a count direction switching unit 20g. It is the composition provided with.

読み出し制御部20aは、トランジスタ20e,20fのオンオフを制御する。プリチャージ回路20cは、列信号線12に所定の電圧を供給して、列信号線12をプリチャージするための回路である。センスアンプ20bは、列信号線12の電圧を監視し、この電圧が変化したことを検出し、ランプアップ回路20dにその旨を通知する。例えば、プリチャージ回路20cによってプリチャージされたドレイン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 read control unit 20a controls on / off of the transistors 20e and 20f. The precharge circuit 20 c is a circuit for supplying a predetermined voltage to the column signal line 12 to precharge the column signal line 12. The sense amplifier 20b monitors the voltage of the column signal line 12, detects that this voltage has changed, and notifies the ramp-up circuit 20d accordingly. For example, it detects that the drain voltage precharged by the precharge circuit 20c has dropped, and inverts the sense amplifier output.

ランプアップ回路20dは、N−bitカウンタ(例えばN=8〜12)を内蔵しており、制御部40を介して画素部100のコントロールゲートCG1,CG2に漸増または漸減するランプ波形電圧を供給すると共に、ランプ波形電圧の値に対応するカウント値(N個の1、0の組み合わせ)を出力する。   The ramp-up circuit 20d includes an N-bit counter (for example, N = 8 to 12), and supplies a ramp waveform voltage that gradually increases or decreases to the control gates CG1 and CG2 of the pixel unit 100 via the control unit 40. At the same time, a count value (a combination of N 1, 0) corresponding to the value of the ramp waveform voltage is output.

カウント方向切替部20gは、ランプアップ回路20dに内蔵されるカウンタによるカウント方向をアップカウントとダウンカウントとのいずれかに設定する制御を行う。   The count direction switching unit 20g performs control to set the count direction by the counter built in the ramp-up circuit 20d to either up-count or down-count.

列信号線12がプリチャージされた状態でコントロールゲートCG1の電圧が不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧を越えると不揮発性メモリトランジスタMT1が導通し、このとき、プリチャージされていた列信号線12の電位が降下する。これがセンスアンプ20bによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路20d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)として不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧を信号として読み出すことができる。   When the voltage of the control gate CG1 exceeds the threshold voltage of the nonvolatile memory transistor MT1 in a state where the column signal line 12 is precharged, the nonvolatile memory transistor MT1 becomes conductive, and at this time, the column signal line 12 of the precharged column signal line 12 is turned on. The potential drops. This is detected by the sense amplifier 20b and an inverted signal is output. The ramp-up circuit 20d holds (latches) a count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage at the time when the inverted signal is received. Thereby, the threshold voltage of the nonvolatile memory transistor MT1 can be read as a signal as a digital value (combination of 1 and 0).

列信号線12がプリチャージされた状態でコントロールゲートCG2の電圧が不揮発性メモリトランジスタMT2の閾値電圧を越えると不揮発性メモリトランジスタMT2が導通し、このとき、プリチャージされていた列信号線12の電位が降下する。これがセンスアンプ20bによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路20d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する。これにより、デジタル値として不揮発性メモリトランジスタMT2の閾値電圧を信号として読み出すことができる。   When the voltage of the control gate CG2 exceeds the threshold voltage of the nonvolatile memory transistor MT2 in a state where the column signal line 12 is precharged, the nonvolatile memory transistor MT2 becomes conductive, and at this time, the column signal line 12 of the precharged column signal line 12 is turned on. The potential drops. This is detected by the sense amplifier 20b and an inverted signal is output. The ramp-up circuit 20d holds a count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage when the inverted signal is received. Thereby, the threshold voltage of the nonvolatile memory transistor MT2 can be read as a signal as a digital value.

読み出し回路20では、不揮発性メモリトランジスタMT1からの信号の読み出しと、不揮発性メモリトランジスタMT2からの信号の読み出しとを連続して行い、それぞれの信号読み出し時のNbitカウンタのカウント方向を逆にすることで、この2つの信号の差分をとった信号を、撮像信号として読み出すことを可能にしている。   In the readout circuit 20, the signal readout from the nonvolatile memory transistor MT1 and the signal readout from the nonvolatile memory transistor MT2 are continuously performed, and the count direction of the Nbit counter at the time of each signal readout is reversed. Thus, a signal obtained by taking the difference between the two signals can be read out as an imaging signal.

水平シフトレジスタ50により1つの水平選択トランジスタ30が選択されると、その水平選択トランジスタ30に接続されたランプアップ回路20dで保持されているカウンタ値が信号線70に出力され、これが撮像信号として出力部60から出力される。   When one horizontal selection transistor 30 is selected by the horizontal shift register 50, the counter value held in the ramp-up circuit 20d connected to the horizontal selection transistor 30 is output to the signal line 70, and this is output as an imaging signal. Output from the unit 60.

なお、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の閾値電圧を信号として読み出す方法としては上述したものに限らない。例えば、コントロールゲートCG1とドレイン領域D1に一定の電圧を印加した場合の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電流と、コントロールゲートCG2とドレイン領域D2に一定の電圧を印加した場合の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電流とを信号として読み出しても良い。   Note that the method of reading the threshold voltages of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 as a signal is not limited to the above. For example, the drain current of the nonvolatile memory transistor MT1 when a constant voltage is applied to the control gate CG1 and the drain region D1, and the nonvolatile memory transistor MT2 when a constant voltage is applied to the control gate CG2 and the drain region D2. The drain current may be read out as a signal.

制御部40は、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2を制御し、光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1,FG2に注入して蓄積させる駆動を行う。不揮発性メモリトランジスタMT1(MT2)では、コントロールゲートCG1(CG2)に書き込みパルスが印加されることで、ファウラ−ノルドハイム(F−N)トンネル電流を用いて電荷を注入するFNトンネル注入、ダイレクトトンネル注入等により、光電変換部3で発生した電荷がフローティングゲートFG1(FG2)に注入されて蓄積されるようになっている。   The control unit 40 controls the non-volatile memory transistors MT1 and MT2, and performs driving for injecting and accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit 3 into the floating gates FG1 and FG2. In the nonvolatile memory transistor MT1 (MT2), when a write pulse is applied to the control gate CG1 (CG2), FN tunnel injection and direct tunnel injection in which charges are injected using a Fowler-Nordheim (FN) tunnel current. For example, charges generated in the photoelectric conversion unit 3 are injected into the floating gate FG1 (FG2) and accumulated.

また、制御部40は、各画素部100の光電変換部3で発生して蓄積された電荷を外部に排出して光電変換部3を空の状態にするリセット駆動と、フローティングゲートFG1,FG2に蓄積された電荷を半導体基板に排出して消去する電荷消去駆動も行う。   Further, the control unit 40 resets the electric charge generated and accumulated in the photoelectric conversion unit 3 of each pixel unit 100 to the outside to make the photoelectric conversion unit 3 in an empty state, and the floating gates FG1 and FG2 Charge erasure driving is also performed in which the accumulated charges are discharged to the semiconductor substrate and erased.

図3は、図1に示した固体撮像素子の画素部の平面レイアウト例を示す平面模式図である。図4は、図3に示す画素部のA−A’線断面模式図である。図5は、図3に示す画素部のB−B’線断面模式図である。   FIG. 3 is a schematic plan view showing a planar layout example of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along line A-A ′ of the pixel portion shown in FIG. 3. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line B-B ′ of the pixel portion shown in FIG. 3.

図4に示すように、光電変換部3は、N型シリコン基板1上のPウェル層2内に形成されたN型不純物領域であり、このN型不純物領域とPウェル層2とのPN接合により、光電変換機能を実現している。この光電変換部3は、その表面に完全空乏化や暗電流抑制のためにP型不純物層5が形成された、所謂埋め込み型フォトダイオードとなっている。なお、N型シリコン基板1とPウェル層2とにより上記半導体基板Kが構成されている。   As shown in FIG. 4, the photoelectric conversion unit 3 is an N-type impurity region formed in the P-well layer 2 on the N-type silicon substrate 1, and a PN junction between the N-type impurity region and the P-well layer 2. Thus, the photoelectric conversion function is realized. The photoelectric conversion unit 3 is a so-called embedded photodiode in which a P-type impurity layer 5 is formed on the surface for complete depletion and dark current suppression. The N-type silicon substrate 1 and the P well layer 2 constitute the semiconductor substrate K.

隣接する画素部100同士は、pウェル層2内に形成された素子分離層4によって分離されている。素子分離法には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法、STI(Shallow Trench Isolation)法、及び高濃度不純物イオン注入による方法等が適用できる。   Adjacent pixel portions 100 are separated from each other by an element isolation layer 4 formed in the p well layer 2. As the element isolation method, a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method, an STI (Shallow Trench Isolation) method, a method using high-concentration impurity ion implantation, and the like can be applied.

不揮発性メモリトランジスタMT1のソース領域Sは、光電変換部3の列方向隣に離間して設けられたN型不純物領域である。また、不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン領域D1は、ソース領域Sの行方向隣に離間して設けられたN型不純物領域である。ソース領域Sとドレイン領域D1との間にはP型不純物領域であるチャネル領域6aが形成されている。フローティングゲートFG1は、ソース領域Sとドレイン領域D1との間の半導体基板上方に絶縁膜7を介して設けられており、フローティングゲートFG1の上方に絶縁膜14を介してコントロールゲートCG1が設けられている。なお、チャネル領域6aは、コントロールゲートCG1に印加される電圧に応じてキャリアが流れる領域である。ここでは、ソース領域Sとドレイン領域D1とで挟まれた領域にP型不純物を注入してチャネル領域6aを形成しているが、ここをpウェル層2のままとしても良い。   The source region S of the nonvolatile memory transistor MT1 is an N-type impurity region that is provided adjacent to the photoelectric conversion unit 3 in the column direction. In addition, the drain region D1 of the nonvolatile memory transistor MT1 is an N-type impurity region that is provided adjacent to the source region S in the row direction. A channel region 6a, which is a P-type impurity region, is formed between the source region S and the drain region D1. The floating gate FG1 is provided above the semiconductor substrate between the source region S and the drain region D1 via the insulating film 7, and the control gate CG1 is provided above the floating gate FG1 via the insulating film 14. Yes. The channel region 6a is a region where carriers flow according to the voltage applied to the control gate CG1. Here, a P-type impurity is implanted into a region sandwiched between the source region S and the drain region D1 to form the channel region 6a. However, the channel region 6a may be left as it is.

不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン領域D2は、ソース領域Sの行方向隣に離間して設けられたN型不純物領域である。ソース領域Sとドレイン領域D2との間にはP型不純物領域であるチャネル領域6bが形成されている。フローティングゲートFG2は、ソース領域Sとドレイン領域D2との間の半導体基板上方に絶縁膜7を介して設けられており、フローティングゲートFG2の上方に絶縁膜14を介してコントロールゲートCG2が設けられている。なお、チャネル領域6bは、コントロールゲートCG2に印加される電圧に応じてキャリアが流れる領域である。ここでは、ソース領域Sとドレイン領域D2とで挟まれた領域にP型不純物を注入してチャネル領域6bを形成しているが、ここをpウェル層2のままとしても良い。   The drain region D2 of the nonvolatile memory transistor MT1 is an N-type impurity region that is provided adjacent to the source region S in the row direction. A channel region 6b which is a P-type impurity region is formed between the source region S and the drain region D2. The floating gate FG2 is provided above the semiconductor substrate between the source region S and the drain region D2 via the insulating film 7, and the control gate CG2 is provided above the floating gate FG2 via the insulating film 14. Yes. The channel region 6b is a region where carriers flow according to the voltage applied to the control gate CG2. Here, a P-type impurity is implanted into a region sandwiched between the source region S and the drain region D2 to form the channel region 6b. However, the p well layer 2 may be left as it is.

コントロールゲートCG1,CG2を構成する導電性材料は、例えばポリシリコンを用いることができる。リン(P)、砒素(As)、ボロン(B)を高濃度にドープしたドープドポリシコンでも良い。あるいは、チタン(Ti)やタングステン(W)等の各種金属とシリコンを組み合わせたシリサイド(Silicide)やサリサイド(Self-alingn Silicide)でも良い。フローティングゲートFG1,FG2を構成する導電性材料は、コントロールゲートCG1,CG2と同じものを用いることができる。   For example, polysilicon can be used as the conductive material forming the control gates CG1 and CG2. A doped polysilicon that is highly doped with phosphorus (P), arsenic (As), and boron (B) may be used. Alternatively, silicide (Silicide) or salicide (Self-alingn Silicide) in which various metals such as titanium (Ti) and tungsten (W) are combined with silicon may be used. The same conductive material as that of the control gates CG1 and CG2 can be used as the conductive material constituting the floating gates FG1 and FG2.

図3のレイアウト例では、ソース領域Sとドレイン領域D1,D2が行方向に並べて配置されており、これらの間を、フローティングゲートFG1,FG2及びコントロールゲートCG1,CG2が列方向に延びるように細長く形成されている。コントロールゲートCG1は、行方向に延びるアルミ配線であるゲート制御線CGL1の下方まで延びており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部11によりゲート制御線CGL1と接続されている。   In the layout example of FIG. 3, the source region S and the drain regions D1, D2 are arranged side by side in the row direction, and the gap between them is elongated so that the floating gates FG1, FG2 and the control gates CG1, CG2 extend in the column direction. Is formed. The control gate CG1 extends below the gate control line CGL1, which is an aluminum wiring extending in the row direction. Here, the control gate CG1 is connected to the gate control line CGL1 by a contact portion 11 formed of aluminum or the like.

コントロールゲートCG2は、行方向に延びるアルミ配線であるゲート制御線CGL2の下方まで延びており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部16によりゲート制御線CGL2と接続されている。   The control gate CG2 extends below the gate control line CGL2, which is an aluminum wiring extending in the row direction. Here, the control gate CG2 is connected to the gate control line CGL2 by a contact portion 16 formed of aluminum or the like.

ドレイン領域D1,D2上方には、列方向に延びるアルミ配線である列信号線12の一部が延びてきており、この一部とドレイン領域D1とがアルミニウム等で形成されたコンタクト部9により電気的に接続され、この一部とドレイン領域D2とがアルミニウム等で形成されたコンタクト部10aにより電気的に接続されている。   Above the drain regions D1 and D2, a part of the column signal line 12 which is an aluminum wiring extending in the column direction extends, and this part and the drain region D1 are electrically connected by a contact portion 9 formed of aluminum or the like. A part of the drain region D2 and the drain region D2 are electrically connected by a contact portion 10a formed of aluminum or the like.

ソース領域S上にはアルミニウム等で形成されたコンタクト部8aが形成され、コンタクト部8aには配線8が接続されている。配線8は、列方向に延びるアルミ配線であるリセット電源線Vccの下を通過してソース線SLの下まで延びている。配線8とソース線SLはアルミニウム等で形成されたコンタクト部8bにより電気的に接続されている。ソース線SLは、列方向に並ぶ画素部100からなる列毎に設けられており、所定の電位(例えば接地電位)に接続されている。   A contact portion 8a made of aluminum or the like is formed on the source region S, and a wiring 8 is connected to the contact portion 8a. The wiring 8 passes under the reset power supply line Vcc, which is an aluminum wiring extending in the column direction, and extends below the source line SL. The wiring 8 and the source line SL are electrically connected by a contact portion 8b made of aluminum or the like. The source line SL is provided for each column including the pixel portions 100 arranged in the column direction, and is connected to a predetermined potential (for example, ground potential).

リセットトランジスタRTは、ソース領域として機能する光電変換部3と、光電変換部3の列方向隣に離間して設けられたN型不純物領域であるドレイン領域RDと、光電変換部3とドレイン領域RDとの間の半導体基板上方に絶縁膜7を介して設けられたリセットゲートRGとを備えたMOSトランジスタ構造となっている。   The reset transistor RT includes a photoelectric conversion unit 3 that functions as a source region, a drain region RD that is an N-type impurity region that is provided adjacent to the photoelectric conversion unit 3 in the column direction, a photoelectric conversion unit 3 and a drain region RD. And a reset gate RG provided via an insulating film 7 above the semiconductor substrate.

図3のレイアウト例では、リセットゲートRGは、行方向に延びるアルミ配線であるリセット制御線RLの下に配置されており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部RGaによりリセット制御線RLと接続されている。   In the layout example of FIG. 3, the reset gate RG is arranged below the reset control line RL that is an aluminum wiring extending in the row direction. Here, the reset control line RL and the reset control line RL are formed by a contact portion RGa formed of aluminum or the like. It is connected.

ドレイン領域RD上方には、リセット電源線Vccの一部が延びてきており、この一部とドレイン領域RDとがアルミニウム等で形成されたコンタクト部RDaにより電気的に接続されている。リセット電源線Vccは、列方向に並ぶ画素部100からなる列毎に設けられており、所定の電源電圧に接続されている。   A part of the reset power supply line Vcc extends above the drain region RD, and this part and the drain region RD are electrically connected by a contact portion RDa formed of aluminum or the like. The reset power supply line Vcc is provided for each column including the pixel units 100 arranged in the column direction, and is connected to a predetermined power supply voltage.

なお、リセットトランジスタRTや不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の配置は、図3に示したものに限らず、スペースに応じて適当に配置すれば良い。   The arrangement of the reset transistor RT and the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 is not limited to that shown in FIG. 3, and may be appropriately arranged according to the space.

各種配線の位置関係は、ゲート制御線CGL1,CGL2、リセット制御線RL、及び配線8よりも、ソース線SL、リセット電源線Vcc、及び列信号線12の方が上層に形成されたものとなっている。   The positional relationship between the various wirings is that the source line SL, the reset power supply line Vcc, and the column signal line 12 are formed in an upper layer than the gate control lines CGL1, CGL2, the reset control line RL, and the wiring 8. ing.

画素部100は、例えばタングステン等で構成された遮光膜Wによって、光電変換部3の一部以外の領域に光が入射しない構造になっている。図4及び図5に示したように、半導体基板上方(ソース線SL、リセット電源線Vcc、及び列信号線12よりも上)には光電変換部3の一部の上方に開口WHが形成された遮光膜Wが形成されている。   The pixel unit 100 has a structure in which light does not enter a region other than a part of the photoelectric conversion unit 3 by a light shielding film W made of, for example, tungsten. As shown in FIGS. 4 and 5, an opening WH is formed above a part of the photoelectric conversion unit 3 above the semiconductor substrate (above the source line SL, the reset power supply line Vcc, and the column signal line 12). A light shielding film W is formed.

固体撮像素子10では、フローティングゲートFG1,FG2への電荷注入効率向上を目的として、図4及び図5に示したように、光電変換部3が、遮光膜Wの開口WHの下方だけでなく、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のチャネル領域6a,6bの下まで延在している。   In the solid-state imaging device 10, for the purpose of improving the efficiency of charge injection into the floating gates FG1 and FG2, as shown in FIGS. 4 and 5, the photoelectric conversion unit 3 is not only below the opening WH of the light shielding film W, The nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 extend below the channel regions 6a and 6b.

図4,5に示すように、光電変換部3は、開口WH下方に形成された本体部3aと、そこからチャネル領域6a(6b)の下まで延びる延在部3bとで構成されている。なお、図4では本体部3aと延在部3bとに境界線(破線)を記してあるが、これは説明のためであり、実際にはこのような境界は存在しない。   As shown in FIGS. 4 and 5, the photoelectric conversion unit 3 includes a main body 3a formed below the opening WH and an extending portion 3b extending from the main body 3a to below the channel region 6a (6b). In FIG. 4, a boundary line (broken line) is shown on the main body 3a and the extension 3b. However, this is for explanation, and such a boundary does not actually exist.

本体部3aは、光を受光するために開口WHの下方に形成した部分である。延在部3bは、pウェル層2内部で不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のチャネル領域6a,6bの下まで本体部3aから延在させた部分である。延在部3bは、平面視においては、本体部3aのソース領域Sとドレイン領域D1,D2の間の領域に対向する位置から、該領域に向かって列方向に延びて形成されている。即ち、平面視において不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2やリセットトランジスタRTの形成される領域においては、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のチャネル領域6a,6bの下にのみ光電変換部3が存在するように、光電変換部3を形成した構成となっている。なお、チャネル領域6a,6bの下のみだけでなく、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の全体の下まで光電変換部3が存在するように延在部3bを形成した構成としても良い。   The main body 3a is a portion formed below the opening WH in order to receive light. The extending portion 3b is a portion extending from the main body portion 3a to the bottom of the channel regions 6a and 6b of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 inside the p well layer 2. The extension 3b is formed to extend in the column direction from the position facing the region between the source region S and the drain regions D1 and D2 of the main body 3a in plan view. That is, in the plan view, in the region where the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 and the reset transistor RT are formed, the photoelectric conversion unit 3 exists only under the channel regions 6a and 6b of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2. The photoelectric conversion unit 3 is formed. Note that the extending portion 3b may be formed so that the photoelectric conversion portion 3 exists not only under the channel regions 6a and 6b but also under the entire nonvolatile memory transistors MT1 and MT2.

チャネル領域6a(6b)は、コントロールゲートCG1(CG2)及びフローティングゲートFG1(FG2)の直下にある。このため、このチャネル領域6a(6b)の下(好ましくはチャネル領域6a(6b)と平面視で重なる範囲の全て)まで光電変換部3を延在させることで、光電変換部3の電荷をFNトンネル注入或いはダイレクトトンネル注入によってフローティングゲートFG1(FG2)に注入する場合に、コントロールゲートCG1(CG2)に印加した電圧(CG電圧)によってほぼ垂直方向に光電変換部3からフローティングゲートFG1(FG2)に電界を加えることができる。これにより、光電変換部3の電荷がコントロールゲートCG1(CG2)の方向に向かって加速されやすくなる。この結果、低いCG電圧でトンネリングを起こさせることができる。   The channel region 6a (6b) is immediately below the control gate CG1 (CG2) and the floating gate FG1 (FG2). For this reason, by extending the photoelectric conversion unit 3 under the channel region 6a (6b) (preferably the entire range overlapping the channel region 6a (6b) in plan view), the charge of the photoelectric conversion unit 3 is reduced to FN. When injecting into the floating gate FG1 (FG2) by tunnel injection or direct tunnel injection, the voltage (CG voltage) applied to the control gate CG1 (CG2) causes the photoelectric conversion unit 3 to move to the floating gate FG1 (FG2) in a substantially vertical direction. An electric field can be applied. Thereby, the electric charge of the photoelectric conversion unit 3 is easily accelerated toward the control gate CG1 (CG2). As a result, tunneling can be caused with a low CG voltage.

固体撮像素子10では、チャネル領域6a(6b)を確保しつつ、このチャネル領域6a(6b)の下に光電変換部3を延在させているため、光電変換部3とコントロールゲートCG1(CG2)との重なり部分の大きさには制限がなくなり、電界方向をほぼ垂直にすることができる。この結果、効率的にトンネル電流を発生させることができる。   In the solid-state imaging device 10, since the photoelectric conversion unit 3 extends under the channel region 6a (6b) while securing the channel region 6a (6b), the photoelectric conversion unit 3 and the control gate CG1 (CG2). There is no restriction on the size of the overlapping portion, and the electric field direction can be made almost vertical. As a result, a tunnel current can be generated efficiently.

光電変換部3は、イオン注入の際のマスクパターンの制御によって基板表面に平行な方向の長さを制御することでき、イオン注入エネルギの制御によって基板表面に垂直な方向の長さを制御することできる。このようにすることで、本体部3aと延在部3bからなる光電変換部3を形成することが可能である。   The photoelectric conversion unit 3 can control the length in the direction parallel to the substrate surface by controlling the mask pattern during ion implantation, and can control the length in the direction perpendicular to the substrate surface by controlling ion implantation energy. it can. By doing in this way, it is possible to form the photoelectric conversion part 3 which consists of the main-body part 3a and the extension part 3b.

次に、以上のように構成された固体撮像素子10の駆動方法を説明する。   Next, a method for driving the solid-state imaging device 10 configured as described above will be described.

図6は、図1に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図6では、任意のラインの画素部100内の各部に供給される電圧変化を時間と共に示してある。   FIG. 6 is a timing chart for explaining a method of driving the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 6, the voltage change supplied to each part in the pixel part 100 of an arbitrary line is shown with time.

固体撮像素子10では、撮影指示を受けると、これをスタートトリガとして、制御部40が、全ての画素部100のリセットトランジスタRTのリセットゲートRGにリセットパルスを供給すると共に、全ての画素部100のコントロールゲートCG1,CG2にリセットパルスと逆極性の電圧を供給する。これにより、光電変換部3に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタRTのドレインRDに排出されると共に、フローティングゲートFG1,FG2に蓄積されていた電荷も、光電変換部3を介してドレインRDに排出されて、フローティングゲートFG1,FG2は空の状態となる。リセットパルスの印加が終了すると、光電変換部3にはリセット動作によるリセットノイズ電荷が蓄積された状態となる。   In the solid-state imaging device 10, when an imaging instruction is received, the control unit 40 supplies a reset pulse to the reset gates RG of the reset transistors RT of all the pixel units 100 using this as a start trigger. A voltage having a polarity opposite to that of the reset pulse is supplied to the control gates CG1 and CG2. Thereby, unnecessary charges accumulated in the photoelectric conversion unit 3 are discharged to the drain RD of the reset transistor RT, and charges accumulated in the floating gates FG1 and FG2 are also transferred to the drain RD via the photoelectric conversion unit 3. As a result, the floating gates FG1, FG2 become empty. When the application of the reset pulse is finished, the photoelectric conversion unit 3 is in a state where reset noise charges due to the reset operation are accumulated.

リセットパルスの印加が終了すると、制御部40は、全ての画素部100のコントロールゲートCG1,CG2に書き込みパルス(例えば7Vの電圧)を同時に印加して、光電変換部3に蓄積されているリセットノイズ電荷をフローティングゲートFG1,FG2に注入する。   When the application of the reset pulse is completed, the control unit 40 applies a write pulse (for example, a voltage of 7 V) to the control gates CG1 and CG2 of all the pixel units 100 at the same time, thereby reset noise accumulated in the photoelectric conversion unit 3. Charge is injected into floating gates FG1 and FG2.

全ての画素部100のコントロールゲートCG1,CG2への書き込みパルスの印加が終了すると、全ての画素部100で露光期間(電荷蓄積期間)が開始される。   When the application of the write pulse to the control gates CG1 and CG2 of all the pixel units 100 is completed, the exposure period (charge accumulation period) is started in all the pixel units 100.

露光期間の終了直前、制御部40は、全ての画素部100のコントロールゲートCG1に書き込み電圧(例えば7V)を供給して、露光期間開始から現時点までに光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1に注入する。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部3には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部3で発生した電荷もフローティングゲートFG1に注入される。光電変換部3に蓄積された電荷は、本体部3aから延在部3bに移動し、この延在部3bからチャネル領域6aを介してフローティングゲートFG1へと注入される。   Immediately before the end of the exposure period, the control unit 40 supplies a write voltage (for example, 7 V) to the control gates CG1 of all the pixel units 100, and charges generated in the photoelectric conversion unit 3 from the start of the exposure period to the present time are floating gates. Inject into FG1. Even during the application of the write voltage, light is incident on the photoelectric conversion unit 3, so that charges generated in the photoelectric conversion unit 3 in response to the light are also injected into the floating gate FG 1. The charge accumulated in the photoelectric conversion unit 3 moves from the main body 3a to the extension 3b, and is injected from the extension 3b into the floating gate FG1 through the channel region 6a.

コントロールゲートCG1への書き込み電圧の印加が終了すると露光期間が終了する。そして、露光期間終了後、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして列信号線12をプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12とセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG2へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。   When the application of the write voltage to the control gate CG1 is finished, the exposure period is finished. Then, after the exposure period ends, the read control unit 20a turns on the transistor 20f to precharge the column signal line 12. Next, the read control unit 20a turns on the transistor 20e to conduct the column signal line 12 and the sense amplifier 20b. In this state, the ramp-up circuit 20d starts applying a ramp waveform voltage (Vth read voltage) to the control gate CG2 of each pixel unit 100 in the first line via the control unit 40.

ランプ波形電圧の印加後、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。読み出し回路20のN−bitカウンタは、カウント方向切替部20gの制御により、例えばカウント値“0”を初期値として、初期値からダウンカウントし、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電位が降下した時点でのカウント値(以下、第一のカウント値という)を保持する。   When the drain potential of the nonvolatile memory transistor MT2 of each pixel unit 100 on the first line drops after the ramp waveform voltage is applied, a count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage at that time is held in each readout circuit 20. Is done. The N-bit counter of the readout circuit 20 counts down from the initial value, for example, with the count value “0” as an initial value under the control of the count direction switching unit 20g, and the non-volatile memory transistor of each pixel unit 100 in the first line The count value at the time when the drain potential of MT2 drops (hereinafter referred to as the first count value) is held.

次に、ランプアップ回路20dがコントロールゲートCG1へのランプ波形電圧の印加を停止し、トランジスタ20fをオフする。この状態で、読み出し制御部20aがトランジスタ20fを再びオンして、列信号線12をプリチャージする。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG1へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。   Next, the ramp-up circuit 20d stops applying the ramp waveform voltage to the control gate CG1 and turns off the transistor 20f. In this state, the read control unit 20a turns on the transistor 20f again to precharge the column signal line 12. In this state, the ramp-up circuit 20d starts applying a ramp waveform voltage (Vth readout voltage) to the control gate CG1 of each pixel unit 100 in the first line via the control unit 40.

ランプ波形電圧の印加後、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。読み出し回路20のN−bitカウンタは、カウント方向切替部20gの制御により、先に保持された第一のカウント値を初期値として、該初期値からアップカウントし、1ライン目の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電位が降下した時点でのカウント値を保持する。そして、このカウント値が撮像信号として出力アンプ60から出力される。   When the drain potential of the nonvolatile memory transistor MT1 of each pixel unit 100 in the first line drops after the ramp waveform voltage is applied, a count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage at that time is held in each readout circuit 20. Is done. The N-bit counter of the reading circuit 20 counts up from the initial value using the previously held first count value as an initial value under the control of the count direction switching unit 20g, and the nonvolatile memory transistor in the first line The count value at the time when the drain potential of MT1 drops is held. The count value is output from the output amplifier 60 as an imaging signal.

第一のカウント値はマイナスとなっているため、このアップカウントにより、リセットノイズ電荷と露光期間中に光電変換部3で発生した電荷とを併せた電荷に応じた信号から、リセットノイズ電荷に応じた信号を減算した信号、つまり、露光期間中に光電変換部3で発生した電荷に応じた信号のみを撮像信号として読み出すことができる。なお、アップカウントとダウンカウントを組み合わせる方法の例については、特開2007−60080号公報にも開示されている。   Since the first count value is negative, the up-count makes it possible to respond to the reset noise charge from a signal corresponding to the charge obtained by combining the reset noise charge and the charge generated in the photoelectric conversion unit 3 during the exposure period. Only a signal obtained by subtracting the obtained signal, that is, a signal corresponding to the charge generated in the photoelectric conversion unit 3 during the exposure period can be read out as an imaging signal. An example of a method for combining up-counting and down-counting is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-60080.

2ライン目以降の画素部100についても同様の駆動が行われ、全ラインから撮像信号が出力される。その後、制御部40が、全ての画素部100のコントロールゲートCG1,CG2に負極性の消去電圧を印加し、半導体基板に正極性の電圧を印加する。これによりフローティングゲートFG1,FG2に蓄積されていた電荷は、半導体基板に引き抜かれて消去される。   The same driving is performed for the pixel units 100 in the second and subsequent lines, and imaging signals are output from all lines. Thereafter, the control unit 40 applies a negative erase voltage to the control gates CG1 and CG2 of all the pixel units 100, and applies a positive voltage to the semiconductor substrate. As a result, the charges accumulated in the floating gates FG1 and FG2 are extracted by the semiconductor substrate and erased.

図7は、撮像動作中の不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の閾値電圧の分布の変化を示した図である。図7に示すように、フローティングゲートFG1,FG2の電荷を消去した直後と、電荷を消去してからリセットノイズ電荷を注入した後とでは、リセットノイズ電荷を注入した後の方が閾値電圧の分布幅は狭くなる。このように閾値電圧のばらつきを抑制した状態で、露光期間中に光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1に注入することができるため、露光期間中に発生した電荷による不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧の変化のばらつきも小さいものとなり、画像のむらを抑えることができる。また、フローティングゲートFG1とフローティングゲートFG2のいずれにも、リセットノイズ電荷が同じ量だけ注入されており、光電変換部3のリセット完了後にフローティングゲートFG1に蓄積された電荷に応じた信号から、光電変換部3のリセット完了後にフローティングゲートFG2に蓄積された電荷に応じた信号を減算する処理が読み出し回路20により行われるため、リセットノイズを除去した撮像信号を得ることができる。このように、固体撮像素子10によれば、閾値電圧のばらつきに起因する画質劣化と、フローティングゲート中の電荷消去時又はフォトダイオードリセット時に発生するノイズを抑制することができる。   FIG. 7 is a diagram showing changes in the threshold voltage distribution of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 during the imaging operation. As shown in FIG. 7, the threshold voltage distribution is immediately after erasing the charges of the floating gates FG1 and FG2 and after injecting the reset noise charge after erasing the charge. The width becomes narrower. As described above, since the charge generated in the photoelectric conversion unit 3 during the exposure period can be injected into the floating gate FG1 in a state where the variation in the threshold voltage is suppressed, the nonvolatile memory transistor MT1 due to the charge generated during the exposure period. The variation in the threshold voltage change is small, and the unevenness of the image can be suppressed. The same amount of reset noise charge is injected into both the floating gate FG1 and the floating gate FG2, and photoelectric conversion is performed from a signal corresponding to the charge accumulated in the floating gate FG1 after the reset of the photoelectric conversion unit 3 is completed. Since the readout circuit 20 performs a process of subtracting a signal corresponding to the charge accumulated in the floating gate FG2 after the reset of the unit 3 is completed, an imaging signal from which reset noise has been removed can be obtained. As described above, according to the solid-state imaging device 10, it is possible to suppress image quality degradation caused by variations in threshold voltage and noise generated at the time of charge erasing in the floating gate or resetting the photodiode.

また、固体撮像素子10によれば、光電変換部3の電荷をリセットした後に、フローティングゲートFG1とフローティングゲートFG2にリセットノイズ電荷を注入する処理を追加するだけでよいため、駆動ステップが複雑となることはなく、撮像、信号処理速度の向上を図ることができる。   In addition, according to the solid-state imaging device 10, it is only necessary to add a process of injecting a reset noise charge to the floating gate FG 1 and the floating gate FG 2 after resetting the charge of the photoelectric conversion unit 3, so that the driving step becomes complicated. In other words, the imaging and signal processing speed can be improved.

また、固体撮像素子10によれば、不揮発性メモリトランジスタMT1のチャネル領域6aと不揮発性メモリトランジスタMT2のチャネル領域6bの下に光電変換部3が存在することになるため、遮光膜開口WHから入った光に応じて光電変換部3で発生した電荷を、光電変換部3のチャネル領域6a,6bとの重なり部分から該チャネル領域6a,6bを介してフローティングゲートFG1,FG2へと効率的に注入することができ、感度向上を図ることができる。   Further, according to the solid-state imaging device 10, since the photoelectric conversion unit 3 exists under the channel region 6a of the nonvolatile memory transistor MT1 and the channel region 6b of the nonvolatile memory transistor MT2, it enters from the light shielding film opening WH. The charges generated in the photoelectric conversion unit 3 in response to the received light are efficiently injected from the overlapping portions of the photoelectric conversion unit 3 with the channel regions 6a and 6b into the floating gates FG1 and FG2 through the channel regions 6a and 6b. Therefore, the sensitivity can be improved.

なお、制御部40は、露光期間中に光電変換部3で発生した電荷の蓄積先を、不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2とで一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。露光期間中に光電変換部3で発生した電荷の蓄積先を、不揮発性メモリトランジスタMT2にした場合には、不揮発性メモリトランジスタMT1からの信号をダウンカウントによって先に読み出し、その後、不揮発性メモリトランジスタMT2からの信号をアップカウントによって読み出して撮像信号を出力するようにすれば良い。   Note that the control unit 40 preferably switches the storage destination of the charges generated in the photoelectric conversion unit 3 during the exposure period alternately between the nonvolatile memory transistor MT1 and the nonvolatile memory transistor MT2 at regular intervals. . When the storage destination of the charge generated in the photoelectric conversion unit 3 during the exposure period is the nonvolatile memory transistor MT2, the signal from the nonvolatile memory transistor MT1 is read first by down-counting, and then the nonvolatile memory transistor What is necessary is just to read the signal from MT2 by up-counting and to output an imaging signal.

また、以上の説明では、リセットノイズ電荷のみが蓄積されたフローティングゲートFG2からの信号の読み出しを先に行うものとしたが、フローティングゲートFG1からの信号の読み出しの後に、フローティングゲートFG2からの信号の読み出しを行うものとしても良い。また、フローティングゲートFG2からの信号の読み出し時にカウント方向をダウンカウントとし、フローティングゲートFG1からの信号の読み出し時にカウント方向をアップカウントとしたが、これは逆であっても良い。いずれであっても、フローティングゲートFG1に蓄積された電荷に応じた信号とフローティングゲートFG2に蓄積された電荷に応じた信号との差分を撮像信号として読み出すことが可能である。   In the above description, the signal is read from the floating gate FG2 in which only reset noise charges are accumulated. However, after the signal is read from the floating gate FG1, the signal from the floating gate FG2 is read. Reading may be performed. In addition, the count direction is down-counted when reading the signal from the floating gate FG2, and the count direction is up-counted when reading the signal from the floating gate FG1, but this may be reversed. In any case, the difference between the signal corresponding to the charge accumulated in the floating gate FG1 and the signal corresponding to the charge accumulated in the floating gate FG2 can be read as an imaging signal.

また、固体撮像素子10では、リセットノイズを効果的になくすため、不揮発性メモリトランジスタMT1のチャネル長及びチャネル幅と、不揮発性メモリトランジスタMT2のチャネル長及びチャネル幅は同一となるように設計しておくことが好ましい。   In the solid-state imaging device 10, in order to effectively eliminate reset noise, the channel length and the channel width of the nonvolatile memory transistor MT1 are designed to be the same as the channel length and the channel width of the nonvolatile memory transistor MT2. It is preferable to keep it.

また、以上の説明では、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2としてフローティングゲートFG1,FG2を有するMOSトランジスタを例にしたが、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2にはMOS構造以外の構造も採用することができる。例えば、フローティングゲートFG1,FG2を窒化膜にし、コントロールゲートCG1,CG2を該窒化膜上に直接形成したMNOS型のトランジスタ構造や、フローティングゲートFG1,FG2を窒化膜にしたMONOS型のトランジスタ構造であっても良い。いずれの場合も、窒化膜が電荷を蓄積する電荷蓄積領域として機能する。   In the above description, the MOS transistors having the floating gates FG1 and FG2 are taken as examples of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2. However, the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 can adopt a structure other than the MOS structure. . For example, there are a MNOS type transistor structure in which the floating gates FG1 and FG2 are nitride films and the control gates CG1 and CG2 are formed directly on the nitride film, and a MONOS type transistor structure in which the floating gates FG1 and FG2 are nitride films. May be. In either case, the nitride film functions as a charge storage region for storing charges.

また、以上の説明では、取り扱い電荷(信号として取り出す電荷)が電子の場合を想定しているが、取り扱い電荷が正孔の場合でも考え方は一緒である。取り扱い電荷が正孔の場合には、図面においてN型領域とP型領域を入れ替え、各部に印加する電圧の極性を逆にすれば良い。   In the above description, it is assumed that the handling charge (charge taken out as a signal) is an electron, but the idea is the same even when the handling charge is a hole. In the case where the charge handled is a hole, the N-type region and the P-type region are exchanged in the drawing, and the polarity of the voltage applied to each part is reversed.

以下、図1に示した固体撮像素子10の変形例について説明する。   Hereinafter, modifications of the solid-state imaging device 10 illustrated in FIG. 1 will be described.

(第一の変形例)
図8は、図1に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示した等価回路図である。図8において図2と同じ構成には同一符号を付してある。図8に示した固体撮像素子と図2に示した固体撮像素子との違いは、列方向に並ぶ画素部からなる列毎に、読み出し回路20を1つではなく2つ設けた点である。図8に示した固体撮像素子では、不揮発性メモリトランジスタMT1の出力(ドレイン領域D1)と、不揮発性メモリトランジスタMT2の出力(ドレイン領域D2)とに、それぞれ別の列信号線12a,12bが接続され、列信号線12a,12bのそれぞれに、読み出し回路20が接続された構成となっている。
(First modification)
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing a first modification of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 8, the same components as those in FIG. The difference between the solid-state imaging device shown in FIG. 8 and the solid-state imaging device shown in FIG. 2 is that two readout circuits 20 are provided for each column composed of pixel portions arranged in the column direction. In the solid-state imaging device shown in FIG. 8, separate column signal lines 12a and 12b are connected to the output (drain region D1) of the nonvolatile memory transistor MT1 and the output (drain region D2) of the nonvolatile memory transistor MT2, respectively. The readout circuit 20 is connected to each of the column signal lines 12a and 12b.

図8に示した読み出し回路20は、図1(b)に示した構成からカウント方向切替部20gを削除した構成であり、ランプアップ回路20dに内蔵されるN−bitカウンタは、例えば初期値を“0”としたアップカウントを行って、列信号線12a,12bの電位が変化したときのランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持するものとなっている。   The readout circuit 20 shown in FIG. 8 has a configuration in which the count direction switching unit 20g is deleted from the configuration shown in FIG. 1B, and the N-bit counter built in the ramp-up circuit 20d has, for example, an initial value. The count up corresponding to “0” is performed, and the count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage when the potential of the column signal lines 12a and 12b changes is held.

図8に示した固体撮像素子では、さらに、列毎に差分回路21が設けられている。差分回路21は、対応する列の2つの読み出し回路20に接続され、2つの読み出し回路20から読み出された2つの撮像信号の差分を演算するものである。演算して得られた撮像信号は、水平シフトレジスタ50の制御により、選択トランジスタ30、信号線70を介して出力部60から出力される。   In the solid-state imaging device shown in FIG. 8, a difference circuit 21 is further provided for each column. The difference circuit 21 is connected to the two readout circuits 20 in the corresponding column, and calculates the difference between the two imaging signals read from the two readout circuits 20. The imaging signal obtained by the calculation is output from the output unit 60 via the selection transistor 30 and the signal line 70 under the control of the horizontal shift register 50.

以上のように構成された固体撮像素子の撮像動作を説明する。露光期間で発生した電荷がフローティングゲートFG1に蓄積されるまでの動作は図6で説明したのと同じである。   An imaging operation of the solid-state imaging device configured as described above will be described. The operation until the charge generated in the exposure period is accumulated in the floating gate FG1 is the same as that described with reference to FIG.

フローティングゲートFG1への電荷注入終了後、列信号線12aに接続された読み出し回路20により信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして、列信号線12aをプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12aとセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG1へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。そして、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。   After the completion of the charge injection to the floating gate FG1, the signal is read by the read circuit 20 connected to the column signal line 12a. First, the read control unit 20a turns on the transistor 20f to precharge the column signal line 12a. Next, the read control unit 20a turns on the transistor 20e to make the column signal line 12a and the sense amplifier 20b conductive. In this state, the ramp-up circuit 20d starts applying a ramp waveform voltage (Vth readout voltage) to the control gate CG1 of each pixel unit 100 in the first line via the control unit 40. A count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage at the time when the drain potential of the nonvolatile memory transistor MT1 of each pixel unit 100 in the first line drops is held in each readout circuit 20.

次に、列信号線12bに接続された読み出し回路20により信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして、列信号線12bをプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12bとセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG2へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。そして、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。   Next, signals are read out by the readout circuit 20 connected to the column signal line 12b. First, the read control unit 20a turns on the transistor 20f to precharge the column signal line 12b. Next, the read control unit 20a turns on the transistor 20e to make the column signal line 12b and the sense amplifier 20b conductive. In this state, the ramp-up circuit 20d starts applying a ramp waveform voltage (Vth read voltage) to the control gate CG2 of each pixel unit 100 in the first line via the control unit 40. A count value corresponding to the value of the ramp waveform voltage at the time when the drain potential of the nonvolatile memory transistor MT2 of each pixel unit 100 in the first line drops is held in each readout circuit 20.

次に、差分回路21により、列信号線12aに接続された読み出し回路20で保持されたカウント値から、列信号線12bに接続された読み出し回路20で保持されたカウント値が減算され、これが撮像信号として出力される。   Next, the difference circuit 21 subtracts the count value held by the read circuit 20 connected to the column signal line 12b from the count value held by the read circuit 20 connected to the column signal line 12a. Output as a signal.

2ライン目以降の画素部100についても同様の駆動が行われて全ラインから撮像信号が出力される。全ラインから撮像信号が出力された後、制御部40は、全ての画素部100のコントロールゲートCG1,CG2に負極性の消去電圧を印加し、半導体基板に正極性の電圧を印加する。これによりフローティングゲートFG1,FG2に蓄積されていた電荷は、半導体基板に引き抜かれて消去される。   The same driving is performed for the pixel units 100 in the second and subsequent lines, and imaging signals are output from all the lines. After the imaging signals are output from all the lines, the control unit 40 applies a negative erasing voltage to the control gates CG1 and CG2 of all the pixel units 100, and applies a positive voltage to the semiconductor substrate. As a result, the charges accumulated in the floating gates FG1 and FG2 are extracted by the semiconductor substrate and erased.

以上のように、図8に示した構成であっても、閾値電圧のばらつきと、フローティングゲート中の電荷消去時又はフォトダイオードリセット時に発生するノイズを抑制して画質向上を図ることができる。図2に示した構成は、不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2とで読み出し回路20を共通化した構成であるため、図8に示した構成よりも回路規模を縮小できる利点がある。   As described above, even with the configuration shown in FIG. 8, image quality can be improved by suppressing variations in threshold voltage and noise generated during charge erasing or resetting the photodiode in the floating gate. The configuration illustrated in FIG. 2 is a configuration in which the read circuit 20 is shared by the nonvolatile memory transistor MT1 and the nonvolatile memory transistor MT2, and thus has an advantage that the circuit scale can be reduced as compared with the configuration illustrated in FIG.

(第二の変形例)
図9は、図1に示した固体撮像素子の画素部の第二の変形例を示した等価回路図である。この変形例では、図2に示した不揮発性メモリトランジスタMT1を、フローティングゲートFG1への電荷の書き込み用の書き込みトランジスタWT1と、フローティングゲートFG1に蓄積された電荷に応じた不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧を検出するための読み出しトランジスタRT1との2つで構成し、それぞれでフローティングゲートFG1を共有した特許文献1に記載のような構成となっている。不揮発性メモリトランジスタMT2も同様に、書き込みトランジスタWT2と読み出しトランジスタRT2とで構成され、それぞれのトランジスタでフローティングゲートFG2を共有した構造となっている。
(Second modification)
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing a second modification of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. In this modification, the nonvolatile memory transistor MT1 shown in FIG. 2 is replaced with a write transistor WT1 for writing charges into the floating gate FG1 and a threshold value of the nonvolatile memory transistor MT1 according to the charges accumulated in the floating gate FG1. The read transistor RT1 for detecting the voltage is composed of two transistors, and each has a configuration as described in Patent Document 1 in which the floating gate FG1 is shared. Similarly, the nonvolatile memory transistor MT2 includes a write transistor WT2 and a read transistor RT2, and has a structure in which the floating gate FG2 is shared by the transistors.

また、図9では、光電変換部3と書き込みトランジスタWT1,WT2のソース領域とが接続された構成としている。また、読み出しトランジスタRT1,RT2のドレイン領域が列信号線12に共通接続され、列信号線12に図1(b)に示した読み出し回路20が接続された構成となっている。書き込みトランジスタWT1のゲート電極(書き込みコントロールゲート)はWCG1で示し、書き込みトランジスタWT2のゲート電極(書き込みコントロールゲート)はWCG2で示し、読み出しトランジスタRT1のゲート電極(読み出しコントロールゲート)はRCG1で示し、読み出しトランジスタRT2のゲート電極(読み出しコントロールゲート)はRCG2で示してある。書き込みコントロールゲートWCG1には配線wcg1が接続され、書き込みコントロールゲートWCG2には配線wcg2が接続され、読み出しコントロールゲートRCG1には配線rcg1が接続され、読み出しコントロールゲートRCG2には配線rcg2が接続されている。配線wcg1,wcg2,rcg1,rcg2は、それぞれ行方向に並ぶ画素部100のライン毎に設けられ、制御部40によって電圧を印加できるようになっている。   In FIG. 9, the photoelectric conversion unit 3 and the source regions of the write transistors WT1 and WT2 are connected. Further, the drain regions of the read transistors RT1 and RT2 are commonly connected to the column signal line 12, and the read circuit 20 shown in FIG. 1B is connected to the column signal line 12. The gate electrode (write control gate) of the write transistor WT1 is indicated by WCG1, the gate electrode (write control gate) of the write transistor WT2 is indicated by WCG2, the gate electrode (read control gate) of the read transistor RT1 is indicated by RCG1, and the read transistor The gate electrode (read control gate) of RT2 is indicated by RCG2. A wiring wcg1 is connected to the write control gate WCG1, a wiring wcg2 is connected to the write control gate WCG2, a wiring rcg1 is connected to the read control gate RCG1, and a wiring rcg2 is connected to the read control gate RCG2. The wirings wcg1, wcg2, rcg1, and rcg2 are provided for each line of the pixel unit 100 arranged in the row direction, respectively, and a voltage can be applied by the control unit 40.

図10は、図9に示した等価回路図の平面レイアウト例を示した図である。図10では、行方向に隣接する2つの画素部100を図示している。各ラインは、図10に示した2つの画素部100のパターンが、行方向に複数配列されたものとなっている。図10に示す2つの画素部はリセットトランジスタRTのドレイン32を境に左右対称となっているため、以下では左側の画素部100についてのみ説明する。   FIG. 10 is a diagram showing a planar layout example of the equivalent circuit diagram shown in FIG. FIG. 10 illustrates two pixel units 100 adjacent in the row direction. In each line, a plurality of patterns of the two pixel portions 100 shown in FIG. 10 are arranged in the row direction. Since the two pixel portions shown in FIG. 10 are symmetrical with respect to the drain 32 of the reset transistor RT, only the left pixel portion 100 will be described below.

画素部100のPウェル層には、光電変換部3が形成され、その左隣には少し離間して読み出しトランジスタRT1のドレイン34と、読み出しトランジスタRT1,RT2で共通化されたソース33と、読み出しトランジスタRT2のドレイン35とが列方向に並べて形成されている。また、光電変換部3の右隣には少し離間してリセットトランジスタRTのドレイン32が形成されている。   The photoelectric conversion unit 3 is formed in the P well layer of the pixel unit 100, and the drain 34 of the readout transistor RT1, the source 33 shared by the readout transistors RT1 and RT2, and the readout are slightly spaced to the left of the photoelectric conversion unit 3. The drains 35 of the transistors RT2 are formed side by side in the column direction. Further, a drain 32 of the reset transistor RT is formed slightly adjacent to the right side of the photoelectric conversion unit 3.

Pウェル層上には図示しない絶縁膜が形成されており、この上にフローティングゲートFG1とフローティングゲートFG2が形成されている。フローティングゲートFG1は、光電変換部3の上辺から左辺に沿ってドレイン34とソース33との間の上方まで延びて形成されている。フローティングゲートFG2は、光電変換部3の下辺から左辺に沿ってドレイン35とソース33との間の上方まで延びて形成されている。   An insulating film (not shown) is formed on the P well layer, and a floating gate FG1 and a floating gate FG2 are formed thereon. The floating gate FG1 extends from the upper side of the photoelectric conversion unit 3 to the upper side between the drain 34 and the source 33 along the left side. The floating gate FG2 is formed to extend from the lower side of the photoelectric conversion unit 3 to the upper part between the drain 35 and the source 33 along the left side.

フローティングゲートFG1,FG2の上には絶縁膜が設けられ、この上層に書き込みコントロールゲートWCG1,WCG2、読み出しコントロールゲートRCG1,RCG2、リセットゲートRGが形成されている。   An insulating film is provided on the floating gates FG1 and FG2, and write control gates WCG1 and WCG2, read control gates RCG1 and RCG2, and a reset gate RG are formed thereon.

書き込みコントロールゲートWCG1はフローティングゲートFG1と重なるように形成されている。読み出しコントロールゲートRCG1は、ドレイン34とソース33との間の上方のフローティングゲートFG1と重なるように形成されている。   The write control gate WCG1 is formed so as to overlap the floating gate FG1. The read control gate RCG1 is formed so as to overlap with the floating gate FG1 above between the drain 34 and the source 33.

書き込みコントロールゲートWCG2はフローティングゲートFG2と重なるように形成されている。読み出しコントロールゲートRCG2は、ドレイン35とソース33との間の上方のフローティングゲートFG2と重なるように形成されている。   The write control gate WCG2 is formed so as to overlap the floating gate FG2. The read control gate RCG2 is formed to overlap the upper floating gate FG2 between the drain 35 and the source 33.

リセットゲートRGは、光電変換部3とドレイン32との間の上方に形成されている。なお、図10のレイアウト例では、リセットトランジスタRTのドレイン32が隣接する2つの画素部100で共通化されており、リセットゲートRGは、隣の画素部100の光電変換部3とドレイン32との間の上方にも延びて形成されている。   The reset gate RG is formed above the photoelectric conversion unit 3 and the drain 32. In the layout example of FIG. 10, the drain 32 of the reset transistor RT is shared by two adjacent pixel units 100, and the reset gate RG is connected to the photoelectric conversion unit 3 and the drain 32 of the adjacent pixel unit 100. It is also formed to extend above the gap.

書き込みコントロールゲートWCG1,WCG2、読み出しコントロールゲートRCG1,RCG2、リセットゲートRGの上層には絶縁膜を介して、行方向に延びるグローバル配線(読み出し制御線rcg1、書き込み制御線wcg1、書き込み制御線wcg2、読み出し制御線rcg2、及びリセット線RL)が形成されている。   Global wiring (read control line rcg1, write control line wcg1, write control line wcg2, read) extending in the row direction via an insulating film above the write control gates WCG1, WCG2, read control gates RCG1, RCG2, and reset gate RG. A control line rcg2 and a reset line RL) are formed.

読み出し制御線rcg1と書き込み制御線wcg1は、画素部100のラインの上側部に行方向に延びて形成されている。書き込み制御線wcg2と読み出し制御線rcg2とリセット線RLは、画素部100のラインの下側部に行方向に延びて形成されている。   The read control line rcg1 and the write control line wcg1 are formed on the upper side of the line of the pixel unit 100 so as to extend in the row direction. The write control line wcg2, the read control line rcg2, and the reset line RL are formed to extend in the row direction on the lower side of the line of the pixel portion 100.

読み出しコントロールゲートRCG1は、読み出し制御線rcg1下方まで延びており、ここでコンタクトビア38を介して読み出し制御線rcg1と電気的に接続されている。書き込みコントロールゲートWCG1は、書き込み制御線wcg1下方まで延びており、ここでコンタクトビア37を介して書き込み制御線wcg1と電気的に接続されている。   The read control gate RCG1 extends below the read control line rcg1, and is electrically connected to the read control line rcg1 through the contact via 38 here. The write control gate WCG1 extends below the write control line wcg1, and is electrically connected to the write control line wcg1 through the contact via 37 here.

読み出しコントロールゲートRCG2は、読み出し制御線rcg2下方まで延びており、ここでコンタクトビア39を介して読み出し制御線rcg2と電気的に接続されている。書き込みコントロールゲートWCG2は、書き込み制御線wcg2下方まで延びており、ここでコンタクトビア36を介して書き込み制御線wcg2と電気的に接続されている。   The read control gate RCG2 extends below the read control line rcg2, and is electrically connected to the read control line rcg2 through the contact via 39 here. The write control gate WCG2 extends below the write control line wcg2, and is electrically connected to the write control line wcg2 through the contact via 36 here.

リセットゲートRGは、リセット線RL下方まで延びており、ここでコンタクトビアRGaを介してリセット線RLと電気的に接続されている。   The reset gate RG extends below the reset line RL, and is electrically connected to the reset line RL through the contact via RGa.

読み出し制御線rcg1、書き込み制御線wcg1、書き込み制御線wcg2、読み出し制御線rcg2、及びリセット線RL上には絶縁膜が形成され、この上層に、列方向に延びるグローバル配線(列信号線12、ソース線SL、リセットドレイン線Vcc)が形成されている。   An insulating film is formed on the read control line rcg1, the write control line wcg1, the write control line wcg2, the read control line rcg2, and the reset line RL, and a global wiring extending in the column direction (column signal line 12, source) Line SL, reset drain line Vcc) are formed.

列信号線12とソース線SLは画素部100の列毎に設けられ、リセットドレイン線Vccは2列に1つ設けられている。   The column signal line 12 and the source line SL are provided for each column of the pixel portion 100, and one reset drain line Vcc is provided for every two columns.

列信号線12は、ドレイン34の上方まで延びており、ここでコンタクトビア34aを介してドレイン34と電気的に接続されている。列信号線12は、ドレイン35の上方にも延びており、ここでコンタクトビア35aを介してドレイン35と電気的に接続されている。   The column signal line 12 extends to above the drain 34 and is electrically connected to the drain 34 through a contact via 34a. The column signal line 12 also extends above the drain 35 and is electrically connected to the drain 35 through a contact via 35a.

ソース線SLは、ソース33の上方まで延びており、ここでコンタクトビア33aを介してソース33と電気的に接続されている。   The source line SL extends to above the source 33 and is electrically connected to the source 33 through a contact via 33a.

リセットドレイン線Vccは、ドレイン32の上方を通過するように形成されており、ドレイン32の上方でコンタクトビア32aを介してドレイン32と電気的に接続されている。   The reset drain line Vcc is formed so as to pass above the drain 32, and is electrically connected to the drain 32 via the contact via 32a above the drain 32.

なお、図10のレイアウト例では、書き込みトランジスタWT1,WT2のドレインを省略し、書き込みトランジスタWT1,WT2を、それぞれ、ソース(ドレインと兼用)が光電変換部3に接続された2端子構成のMOSトランジスタとしている。2端子デバイスとしては、抵抗、コイル、コンデンサ、ダイオード等があり、スイッチングや信号増幅のようなアクティブ(能動)デバイスでは存在しない。   In the layout example of FIG. 10, the drains of the write transistors WT1 and WT2 are omitted, and the write transistors WT1 and WT2 are each a two-terminal MOS transistor in which the source (also used as the drain) is connected to the photoelectric conversion unit 3. It is said. As the two-terminal device, there are a resistor, a coil, a capacitor, a diode and the like, but there is no active device such as switching or signal amplification.

一般的な固体撮像素子における画素選択、リセット、信号記録、及び読み出し等を行うためのアクティブデバイスであるトランジスタは2端子では機能しないことは常識として理解され、だれも試みることすらしていない。   It is understood as common sense that a transistor, which is an active device for performing pixel selection, reset, signal recording, readout, and the like in a general solid-state imaging device, does not function with two terminals, and no one has tried.

図10の固体撮像素子の構造は、書き込みトランジスタWT1と読み出しトランジスタRT1とでフローティングゲートFG1を共有した構造をとっているため、書き込みトランジスタWT1は専ら書き込み(フローティングゲートFG1への電荷注入及び記録)という単一動作及び一方向のみの電荷移動しか求められておらず、信号読み出し時には、上記共有FG構造によって、隣接する読み出しトランジスタRT1側においても信号の読み出しを行えるので、書き込みトランジスタWT1が2端子構造であっても動作上は何ら問題がないことが分かった。これは、書き込みトランジスタWT2についても同様である。   The structure of the solid-state imaging device in FIG. 10 has a structure in which the write transistor WT1 and the read transistor RT1 share the floating gate FG1, and therefore the write transistor WT1 is exclusively written (charge injection and recording to the floating gate FG1). Only single operation and charge transfer in only one direction are required, and at the time of signal reading, the signal can be read also on the adjacent reading transistor RT1 side by the shared FG structure, so that the writing transistor WT1 has a two-terminal structure. It turns out that there is no problem in operation even if it exists. The same applies to the write transistor WT2.

図10に示した固体撮像素子では、画素部100内に複数の読み出し部を形成する必要があるため、設計自由度は低下してしまう。そこで、書き込みトランジスタWT1,WT2を、光電変換部11に接続されたソースと書き込みコントロールゲートとの2端子構造とすることで、構成の簡略化を図ることが有効となる。これに加えて、図10の例では、読み出しトランジスタRT1と読み出しトランジスタRT2のソースも共通化し、更に、隣接する2つの画素部100のリセットトランジスタRTも共通化している。このため、画素部100のサイズやチップサイズを小さくすることができ、多画素化や小型化等が実現可能となる。   In the solid-state imaging device shown in FIG. 10, since it is necessary to form a plurality of readout units in the pixel unit 100, the degree of freedom in design is reduced. Therefore, it is effective to simplify the configuration by providing the write transistors WT1 and WT2 with a two-terminal structure including a source connected to the photoelectric conversion unit 11 and a write control gate. In addition, in the example of FIG. 10, the sources of the readout transistor RT1 and the readout transistor RT2 are also shared, and the reset transistors RT of the two adjacent pixel units 100 are also shared. For this reason, it is possible to reduce the size and chip size of the pixel unit 100, and it is possible to realize a large number of pixels and miniaturization.

図9に示した固体撮像素子の撮像動作は、図1に示したものと同様である。具体的には、光電変換部3をリセットした後に、書き込みコントロールゲートWCG1,WCG2に書き込み電圧を印加してリセットノイズ電荷をフローティングゲートFG1,FG2に蓄積する。次いで、露光期間中に発生した電荷をフローティングゲートFG1に蓄積する。電荷の蓄積が終了すると、読み出し回路20が、読み出しトランジスタRT2の閾値電圧を信号として読み出し、その後、読み出しトランジスタRT1の閾値電圧を信号として読み出すことで、撮像信号が出力される。   The imaging operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 9 is the same as that shown in FIG. Specifically, after resetting the photoelectric conversion unit 3, a write voltage is applied to the write control gates WCG1 and WCG2 to accumulate reset noise charges in the floating gates FG1 and FG2. Next, charges generated during the exposure period are accumulated in the floating gate FG1. When the charge accumulation is completed, the readout circuit 20 reads out the threshold voltage of the readout transistor RT2 as a signal, and then reads out the threshold voltage of the readout transistor RT1 as a signal, thereby outputting an imaging signal.

このように、図9に示した共有FG構造であっても、閾値電圧のばらつきと、フローティングゲート中の電荷消去時又はフォトダイオードリセット時に発生するノイズを抑制して高画質撮像を可能にすることができる。なお、図10に示した構成においても、書き込みトランジスタWT1のフローティングゲートFG1及びチャネル領域と書き込みトランジスタWT2のフローティングゲートFG2及びチャネル領域を遮光膜によって遮光し、光電変換部3を、書き込みトランジスタWT1のチャネル領域と書き込みトランジスタWT2のチャネル領域の下まで延在させた構成とすることで、電荷注入効率を向上させることができる。   As described above, even in the shared FG structure shown in FIG. 9, high-quality imaging can be performed by suppressing variations in threshold voltage and noise generated at the time of charge erasing or resetting the photodiode in the floating gate. Can do. In the configuration shown in FIG. 10 as well, the floating gate FG1 and channel region of the write transistor WT1 and the floating gate FG2 and channel region of the write transistor WT2 are shielded by the light shielding film, and the photoelectric conversion unit 3 is connected to the channel of the write transistor WT1. The charge injection efficiency can be improved by extending the region and the channel region of the write transistor WT2.

以上のように、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.

開示された固体撮像素子は、画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部のリセット後に、前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の各々に同時に蓄積し、次いで、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する書き込み手段と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出し手段とを備える。   The disclosed solid-state imaging device is a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a first charge storage unit. A charge storage unit, and after resetting the photoelectric conversion unit, the charge generated in the photoelectric conversion unit is simultaneously stored in each of the first charge storage unit and the second charge storage unit, Writing means for accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period in the first charge accumulation unit; a first signal corresponding to the charges accumulated in the first charge accumulation unit; Signal readout means for reading out a difference from the second signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit as an imaging signal;

この構成により、ノイズを抑制した撮像信号を得ることができ、高画質化を図ることができる。   With this configuration, it is possible to obtain an imaging signal in which noise is suppressed, and to improve image quality.

開示された固体撮像素子は、前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である。   In the disclosed solid-state imaging device, the first charge accumulation unit is a first transistor including a first charge accumulation region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed, and the second transistor The charge storage portion is a second transistor including a second charge storage region formed above the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion portion is formed, and the first charge storage region and the second charge storage region Each of the regions is a region where the electric charge is accumulated by the writing unit.

この構成により、光電変換部のリセット後に第一の電荷蓄積領域及び第二の電荷蓄積領域の各々に光電変換部の電荷が蓄積されるため、各画素部のトランジスタの閾値電圧のバラツキの正規分布を狭くすることができる。このように正規分布を狭くした状態で第一の信号と第二の信号の差分が撮像信号として出力されるため、閾値電圧のばらつきと、フローティングゲート中の電荷消去時又はフォトダイオードリセット時に発生するノイズを抑制した撮像信号を得ることができ、高画質化を図ることができる。   With this configuration, after the photoelectric conversion unit is reset, the charge of the photoelectric conversion unit is stored in each of the first charge storage region and the second charge storage region. Can be narrowed. Since the difference between the first signal and the second signal is output as an imaging signal in a state where the normal distribution is narrowed in this way, variations in threshold voltage occur during charge erasure in the floating gate or when the photodiode is reset An imaging signal in which noise is suppressed can be obtained, and high image quality can be achieved.

開示された固体撮像素子は、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである。   In the disclosed solid-state imaging device, each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.

この構成により、ノイズを更に抑えることが可能となる。   With this configuration, noise can be further suppressed.

開示された固体撮像素子は、前記半導体基板上方に設けられ、前記光電変換部の一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、前記第一のトランジスタの前記第一の電荷蓄積領域及びチャネル領域と前記第二のトランジスタの前記第二の電荷蓄積領域及びチャネル領域が前記遮光膜によって覆われており、前記光電変換部が、前記第一のトランジスタのチャネル領域と前記第二のトランジスタのチャネル領域の下まで延在している。   The disclosed solid-state imaging device includes a light-shielding film provided above the semiconductor substrate and having an opening formed above a part of the photoelectric conversion unit, the first charge accumulation region of the first transistor, and The channel region, the second charge storage region and the channel region of the second transistor are covered with the light shielding film, and the photoelectric conversion unit is connected to the channel region of the first transistor and the second transistor. Extends below the channel region.

この構成により、第一のトランジスタと第二のトランジスタのチャネル領域の下に光電変換部が存在することになるため、遮光膜開口から入った光に応じて光電変換部で発生した電荷を、光電変換部のチャネル領域との重なり部分から該チャネル領域を介して電荷蓄積部へと効率的に注入することができる。   With this configuration, since the photoelectric conversion unit exists under the channel regions of the first transistor and the second transistor, the charge generated in the photoelectric conversion unit according to the light entering from the light shielding film opening is converted into the photoelectric conversion unit. It is possible to efficiently inject into the charge accumulating portion through the channel region from the overlapping portion of the conversion portion with the channel region.

開示された固体撮像素子は、前記第一のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅と前記第二のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅とが同一となっている。   In the disclosed solid-state imaging device, the channel length and channel width of the first transistor and the channel length and channel width of the second transistor are the same.

この構成により、更なる高画質化を図ることができる。   With this configuration, higher image quality can be achieved.

開示された固体撮像素子は、前記信号読み出し手段が、前記第一のトランジスタと前記第二のトランジスタとに共通接続された出力信号線に接続された1つの回路で構成されている。   In the disclosed solid-state imaging device, the signal reading unit is configured by one circuit connected to an output signal line commonly connected to the first transistor and the second transistor.

開示された固体撮像素子は、前記書き込み手段が、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷の蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える。   In the disclosed solid-state imaging device, the writing unit is configured to store the charge generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period between the first charge storage unit and the second charge storage unit for a predetermined period. Switch alternately every time.

この構成により、固体撮像素子の長寿命化が期待できる。   With this configuration, the lifetime of the solid-state imaging device can be expected to be extended.

開示された撮像装置は前記固体撮像素子を備える。   The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.

この構成により、回路規模を小さくすることができる。   With this configuration, the circuit scale can be reduced.

開示された撮像方法は、画素部を複数有する固体撮像素子を用いた撮像方法であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部のリセット後に、前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の各々に同時に蓄積し、次いで、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する書き込みステップと、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出しステップとを備える。   The disclosed imaging method is an imaging method using a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit and a first charge capable of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit. A storage unit and a second charge storage unit, and after resetting the photoelectric conversion unit, charge generated in the photoelectric conversion unit is simultaneously applied to each of the first charge storage unit and the second charge storage unit; A writing step for accumulating, and then accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period in the first charge accumulating unit, and a first corresponding to the electric charge accumulated in the first charge accumulating unit A signal readout step of reading out a difference between the signal and the second signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit as an imaging signal.

開示された撮像方法は、前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である。   In the disclosed imaging method, the first charge storage unit is a first transistor including a first charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed, and the second transistor The charge storage unit is a second transistor including a second charge storage region formed above the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed, and the first charge storage region and the second charge storage region Are regions where the charge is accumulated by the writing means.

開示された撮像方法は、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである。   In the disclosed imaging method, each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.

開示された撮像方法は、前記書き込みステップでは、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷の蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える。   According to the disclosed imaging method, in the writing step, a storage destination of charges generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period is set at regular intervals between the first charge storage unit and the second charge storage unit. Switch alternately.

3 光電変換部
10 固体撮像素子
20 読み出し回路
40 制御部
100 画素部
RT リセットトランジスタ
WT1,WT2 不揮発性メモリトランジスタ
FG1,FG2 フローティングゲート
3 photoelectric conversion unit 10 solid-state imaging device 20 readout circuit 40 control unit 100 pixel unit RT reset transistor WT1, WT2 nonvolatile memory transistors FG1, FG2 floating gate

Claims (12)

画素部を複数有する固体撮像素子であって、
前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、
前記光電変換部のリセット後に、前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の各々に同時に蓄積し、次いで、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する書き込み手段と、
前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出し手段とを備える固体撮像素子。
A solid-state imaging device having a plurality of pixel portions,
The pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a second charge storage unit,
After resetting the photoelectric conversion unit, charges generated in the photoelectric conversion unit are simultaneously stored in each of the first charge storage unit and the second charge storage unit, and then in the photoelectric conversion unit during an exposure period. Writing means for accumulating the generated charges in the first charge accumulating unit;
Signal readout for reading out the difference between the first signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit and the second signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit as an imaging signal A solid-state imaging device.
請求項1記載の固体撮像素子であって、
前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、
前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1,
The first charge storage unit is a first transistor including a first charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
The second charge storage unit is a second transistor including a second charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
A solid-state imaging device, wherein each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a region where the charge is accumulated by the writing unit.
請求項2記載の固体撮像素子であって、
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2,
A solid-state imaging device in which each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.
請求項2又は3記載の固体撮像素子であって、
前記半導体基板上方に設けられ、前記光電変換部の一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、
前記第一のトランジスタの前記第一の電荷蓄積領域及びチャネル領域と前記第二のトランジスタの前記第二の電荷蓄積領域及びチャネル領域が前記遮光膜によって覆われており、
前記光電変換部が、前記第一のトランジスタのチャネル領域と前記第二のトランジスタのチャネル領域の下まで延在している固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2 or 3,
A light-shielding film provided above the semiconductor substrate and having an opening formed above a portion of the photoelectric conversion unit;
The first charge storage region and channel region of the first transistor and the second charge storage region and channel region of the second transistor are covered by the light shielding film;
The solid-state imaging device in which the photoelectric conversion unit extends below a channel region of the first transistor and a channel region of the second transistor.
請求項2〜4のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記第一のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅と前記第二のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅とが同一となっている固体撮像素子。
The solid-state image sensor according to any one of claims 2 to 4,
A solid-state imaging device in which a channel length and a channel width of the first transistor are the same as a channel length and a channel width of the second transistor.
請求項2〜5のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記信号読み出し手段が、前記第一のトランジスタと前記第二のトランジスタとに共通接続された出力信号線に接続された1つの回路で構成されている固体撮像素子。
The solid-state image sensor according to any one of claims 2 to 5,
A solid-state imaging device, wherein the signal reading unit is configured by one circuit connected to an output signal line commonly connected to the first transistor and the second transistor.
請求項1〜6のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記書き込み手段が、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷の蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える固体撮像素子。
It is a solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 6,
A solid-state imaging device in which the writing unit alternately switches the accumulation destination of the charge generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period between the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit at regular intervals. .
請求項1〜7のいずれか1項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。   An imaging device provided with the solid-state image sensor of any one of Claims 1-7. 画素部を複数有する固体撮像素子を用いた撮像方法であって、
前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、
前記光電変換部のリセット後に、前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の各々に同時に蓄積し、次いで、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する書き込みステップと、
前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出しステップとを備える撮像方法。
An imaging method using a solid-state imaging device having a plurality of pixel portions,
The pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a second charge storage unit,
After resetting the photoelectric conversion unit, charges generated in the photoelectric conversion unit are simultaneously stored in each of the first charge storage unit and the second charge storage unit, and then in the photoelectric conversion unit during an exposure period. A writing step of storing the generated charge in the first charge storage unit;
Signal readout for reading out the difference between the first signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit and the second signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit as an imaging signal An imaging method comprising the steps.
請求項9記載の撮像方法であって、
前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、
前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である撮像方法。
The imaging method according to claim 9,
The first charge storage unit is a first transistor including a first charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
The second charge storage unit is a second transistor including a second charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
An imaging method in which each of the first charge storage region and the second charge storage region is a region in which the charge is stored by the writing unit.
請求項10記載の撮像方法であって、
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである撮像方法。
The imaging method according to claim 10, comprising:
An imaging method in which each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.
請求項9〜11のいずれか1項記載の撮像方法であって、
前記書き込みステップでは、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷の蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える撮像方法。
The imaging method according to any one of claims 9 to 11,
In the writing step, an imaging method of alternately switching a storage destination of charges generated in the photoelectric conversion unit during the exposure period between the first charge storage unit and the second charge storage unit every predetermined period.
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