[发明专利]固体摄像装置及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体摄像装置(solid-state imaging device)及其驱动方法，例如涉及与低电压驱动/动画对应的CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)传感器照相机等所使用的MOS型固体摄像装置及其驱动方法。

背景技术

近年来，作为固体摄像装置的一个，使用了CMOS传感器的MOS型固体摄像装置正在被实用化。该固体摄像装置用MOS晶体管对在每个单元中用光电二极管检测出的信号进行放大，具有高灵敏度的特征。

固体摄像装置的单元(像素)的结构由用于光电变换的光电二极管、用于信号读出的读出晶体管、用于信号放大的放大晶体管、对信号电荷进行复位的复位晶体管等构成。另外，放大晶体管的源极与垂直信号线连接，输出到垂直信号线的信号经由水平选择晶体管被输出到水平信号线。

这样的固体摄像装置根据多像素化、光学大小缩小的需求，像素大小正在逐年缩小。例如，近年来数字照相机等所使用的CMOS传感器的像素大小是2μm～3μm左右。在这样的微小像素中，能够受光的光子数减少，因此如果降低该量的噪声，则无法维持S/N。如果无法维持S/N，则重放画面的画质变差，重放图像的质量降低。在电荷积蓄中流入到光电二极管的暗电流(dark current)噪声是主要的噪声之一，为了维持微小像素的S/N，必须降低暗电流噪声。

但是，在从光电二极管读出信号的动作中，为了抑制由于在后续的帧中读出在之前的帧中积蓄的电荷而产生的残像现象，必须读出全部电荷使得在光电二极管中不剩余电荷。因此，无法增大转送晶体管的阈值，转送晶体管的沟道掺杂层的掺杂浓度低，通常其浓度是1.0E15cm^-2～1.0E17cm^-2左右。

如果沟道掺杂层的掺杂浓度是该程度，则在光电二极管的信号积蓄期间中，即在读出栅极为Off状态时，转送晶体管正下方的半导体衬底界面耗尽。因此，生成少数载流子即电子而成为暗电流，它流入到光电二极管。该流入的暗电流值对于每个像素其大小不同，因此它在重放画面上成为固定图案噪声，重放画面的S/N恶化。

针对这样的问题，在专利文献(特开2002-217397号公报)中，采取以下这样的方案。即，通过在电荷积蓄期间中向转送晶体管的栅极施加负电压，而在转送晶体管的沟道掺杂层积蓄充分数量的作为多数载流子的空穴。这样，半导体衬底界面的电子的生成速度显著低下，因此流入到光电二极管的暗电流降低，由此固定图案噪声降低。

但是，该专利文献具有以下这样的问题。即，如果在电荷积蓄期间中向转送晶体管的栅极例如施加-2V的负电压，则在电荷积蓄期间中例如在2.5V偏压的杂散扩散层(检测部分)与转送晶体管的栅极之间产生5.5V左右的电位差。该电位差的大部分被施加到转送晶体管的栅极绝缘膜中的检测部分侧的端部。但是，如果施加到栅极绝缘膜上的电场通常为5E6V/cm以上，则栅极绝缘膜的耐压可靠性恶化，在元件动作中，栅极绝缘膜的绝缘性显著降低。由此，转送晶体管的栅极与杂散扩散层短路，不能进行像素信号的读出动作。

栅极绝缘膜的厚度在近年来的通常的CMOS元件制造工序中大致为左右，因此如果向栅极绝缘膜施加上述电位差，则施加到栅极绝缘膜上的电场最大也为9E6V/cm左右。因此，在上述专利文献的元件驱动方法中，栅极绝缘膜的可靠性降低，有元件不能动作的危险。

发明内容

本发明的一个实施例的固体摄像装置具备：将多个单位像素配置为二维形状的像素阵列部件；对上述像素阵列部件的多行顺序地进行选择扫描的垂直扫描电路，上述多个单位像素分别包括：光电变换元件(photoelectric conversion element)；将上述光电变换元件的信号电荷转送到检测部分的转送晶体管；对上述检测部分的信号电荷量进行放大并读出的放大晶体管，其中上述检测部分在上述光电变换元件的电荷积蓄期间内，被施加比电源电压低的第一电压。

本发明的另一个实施例是具备将多个单位像素配置为二维形状的像素阵列部件的固体摄像装置的驱动方法，上述多个单位像素分别包括：光电变换元件；将上述光电变换元件的信号电荷转送到检测部分的转送晶体管；将上述检测部分的电压设定为电源端子的电压的复位晶体管；对上述检测部分的信号电荷量进行放大并读出的晶体管，其中上述驱动方法包括：在上述光电变换元件的电荷积蓄期间内，向上述检测部分施加比电源电压低的第一电压的步骤。

附图说明