CN102082936A - 固体摄像装置 - Google Patents
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Abstract
一种固体摄像装置。根据实施方式，设有像素、水平控制线、垂直信号线和信号处理电路。水平控制线选择行方向的上述像素。垂直信号线相互交叉，在每1列中配置有n(n是大于等于2的整数)条，按照在各列中被分为n个组的像素分别连接。垂直扫描电路选择上述水平控制线。信号处理电路处理经由上述垂直信号线读出的像素信号。
Description
本申请主张2009年11月30日提出申请的日本专利申请号2009-272369的优先权，其全部内容援用于本申请。
技术领域
本发明涉及固体摄像装置。
背景技术
随着高帧频(frame rate)化、像素数的增加及输出位数的增加，要求缩短在A/D变换等的图像处理中花费的时间。为了应对这样的要求，提出了将像素区域分割为二、从两个像素区域同时各读出一行信号的方法(日本特开2007-116479号公报)。
但是，在日本特开2007-116479号公报公开的方法中，必须在像素区域的边界部将垂直信号线切离。因此，在像素区域的边界部，布局变得与周边部不同，有因为配线容量的差异而像素特性不同、或对光学特性产生影响等问题。
此外，在将像素区域分割为二的情况下只要将输出电路上下配置就可以，但在将像素区域分割为大于等于3部分的情况下，有难以将输出电路放置到像素区域外的问题。
发明内容
根据实施方式，设有像素、水平控制线、垂直信号线和信号处理电路。像素在行方向及列方向上配置为矩阵状。水平控制线选择行方向的上述像素。垂直信号线相互交叉，在每1列中配置有n(n是大于等于2的整数)条，按照在各列中被分为n个组的像素分别连接。垂直扫描电路选择上述水平控制线。信号处理电路处理经由上述垂直信号线读出的像素信号。
附图说明
图1是表示有关本发明的第1实施方式的固体摄像装置的概略结构的框图。
图2是表示在图1的列方向上相互邻接的两个像素的概略结构的等效电路图。
图3是表示在图1的列方向上相互邻接的两个像素的布局结构的俯视图。
图4是表示有关本发明的第2实施方式的固体摄像装置中的沿列方向相互邻接的3个像素的布局结构的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图对有关本发明的实施方式的固体摄像装置进行说明。
(第1实施方式)
图1是表示有关本发明的第1实施方式的固体摄像装置的概略结构的框图。
在图1中，在该固体摄像装置中，在行方向和列方向上以矩阵状配置有像素PX。并且，配置有选择行方向上的像素PX的水平控制线L1～L4，并且配置有将从像素PX读出的像素信号沿列方向传送的垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b。另外，在水平控制线L1～L4中，例如可以包括从像素PX进行读出的读出线、使储存在像素PX中的电荷复位的复位线以及进行读出时的行选择的地址线。
垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b按每1列配置有两条，例如在第1列中配置有垂直信号线Vsig1a、Vsig1b、在第2列中配置有垂直信号线Vsig2a、Vsig2b、在第3列中配置有垂直信号线Vsig3a、Vsig3b、在第4列中配置有垂直信号线Vsig4a、Vsig4b。
此外，垂直信号线Vsig1a、Vsig1b在列方向上按每1个像素而相互交叉配置，垂直信号线Vsig2a、Vsig2b在列方向上按每1个像素而相互交叉配置，垂直信号线Vsig3a、Vsig3b在列方向上按每1个像素而相互交叉配置，垂直信号线Vsig4a、Vsig4b在列方向上按每1个像素而相互交叉配置。此外，像素PX配置为，使其按照各列在列方向上位置对齐。
此外，在固体摄像装置中，设有选择水平控制线L1～L4的垂直扫描电路11以及处理经由垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b读出的像素信号的信号处理电路12。
这里，垂直扫描电路11可以选择水平控制线L1～L4，以使得从相互邻接的两个像素PX同时将像素信号分别读出到各列的2条垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b中。例如，在从第1行的像素PX将信号读出到垂直信号线Vsig1b中、从第2行的像素PX将信号读出到垂直信号线Vsig1a中的情况下，垂直扫描电路11能够同时选择水平控制线L1、L2，向信号处理电路12传送。
信号处理电路12能够同时处理分别经由两条的垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b而从相互邻接的两个像素PX读出的像素信号。例如，能够将经由垂直信号线Vsig1a、Vsig1b同时传送的像素信号同时处理。
这里，通过将垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b在列方向上按每1个像素而相互交叉地分别配置，能够将像素PX配置为，使其按照各列在列方向上位置对齐。因此，即使在同一列的相互邻接的像素PX分别连接在相互不同的垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b上的情况下，也能够使像素特性及光学特性均匀化，能够在抑制画质的劣化的同时、使从1帧量的像素PX的读出高速化。
图2是表示在图1的列方向上相互邻接的两个像素(图1的虚线框的部分)的概略结构的等效电路图。
在图2中，在沿列方向相互邻接的两个像素PX中，分别设有读取晶体管1、1′、复位晶体管2、2′、地址晶体管3、3′、放大晶体管4、4′、光电二极管PD1、PD1′以及浮动扩散部(floating diffusion)FD1、FD1′。另外，在浮动扩散部FD1与垂直信号线Vsig1b之间附加有寄生电容C1，在浮动扩散部FD1与垂直信号线Vsig1a之间附加有寄生电容C2。此外，在浮动扩散部FD1′与垂直信号线Vsig1a之间附加有寄生电容C1′，在浮动扩散部FD1′与垂直信号线Vsig1b之间附加有寄生电容C2′。
并且，读取晶体管1、1′的源极分别连接在光电二极管PD1、PD1′上，读取晶体管1、1′的栅极分别连接在读出线上。此外，复位晶体管2、2′的源极分别连接在读取晶体管1、1′的漏极上，复位晶体管2、2′的栅极分别连接在复位线上，复位晶体管2、2′的漏极连接在电源电位VDD上。此外，地址晶体管3、3′的栅极分别连接在地址线上，地址晶体管3、3′的漏极连接在电源电位VDD上。此外，放大晶体管4、4′的源极分别连接在垂直信号线Vsig1a、Vsig1b上，放大晶体管4、4′的栅极分别连接在读取晶体管1、1′的漏极上，放大晶体管4、4′的漏极分别连接在地址晶体管3、3′的源极上。
这里，在放大晶体管4、4′的栅极与读取晶体管1、1′的漏极之间的连接点上分别形成有浮动扩散部FD1、FD1′。
并且，在图1的水平控制线L3、L4的地址线是低电平(low level)时，地址晶体管3、3′成为截止(OFF)状态，源极跟随器不动作，所以不输出信号。此时，如果水平控制线L3、L4的读出线成为高电平(high level)，则第3行和第4行的像素PX的读取晶体管1、1′导通(ON)，将储存在光电二极管PD1、PD1′中的信号电荷分别传送给浮动扩散部FD1、FD1′。然后，在光电二极管PD1、PD1′中，开始有效的信号电荷的储存。在信号电荷被读出到浮动扩散部FD1、FD1′中之后，如果水平控制线L3、L4的复位线成为高电平，则复位晶体管2、2′导通，将读出到浮动扩散部FD1、FD1′中的信号电荷排出。
接着，如果水平控制线L3、L4的地址线成为高电平，则地址晶体管3、3′导通，通过由放大晶体管4、4′和负荷晶体管构成源极跟随器，能够输出信号。并且，如果水平控制线L3、L4的复位线成为高电平，则复位晶体管2、2′导通，将储存在浮动扩散部FD1、FD1′中的电荷复位。此时，将浮动扩散部FD1、FD1′的复位电压分别经由垂直信号线Vsig1a、Vsig1b输出，将该复位电压通过信号处理电路12保持。
接着，在地址晶体管3、3′为导通的状态下，如果水平控制线L3、L4的读出线成为高电平，则读取晶体管1、1′导通，将储存在光电二极管PD1、PD1′中的信号电荷量读出到浮动扩散部FD1、FD1′中。接着，将在浮动扩散部FD1、FD1′中变化的信号电压(复位电压+信号电压)分别经由垂直信号线Vsig1a、Vsig1b输出给信号处理电路12。
图3是表示在图1的列方向上相互邻接的两个像素的布局结构的俯视图。
在图3中，在列方向上相互邻接的两个像素PX中，通过在半导体基板SB1上形成扩散层DF1而构成光电二极管PD1、PD1′。此外，通过在半导体基板SB1上分别配置栅极电极G1、在这些栅极电极G1的两侧分别设置扩散层DF1，构成读取晶体管1、1′、复位晶体管2、2′、地址晶体管3、3′及放大晶体管4、4′。此外，通过将读取晶体管1的栅极电极G1与复位晶体管2的栅极电极G1之间的扩散层DF1经由通孔(via)B1及配线H1连接到放大晶体管4的栅极电极G1上，构成浮动扩散部FD1。此外，通过将读取晶体管1′的栅极电极G1与复位晶体管2′的栅极电极G1之间的扩散层DF1经由通孔B1及配线H1连接到放大晶体管4′的栅极电极G1上，构成浮动扩散部FD1′。
此外，由相互邻接配置的两条配线H1构成垂直信号线Vsig1a、Vsig1b，在垂直信号线Vsig1a、Vsig1b的交叉位置上，在连接着两条配线H1中的一个的状态下将另一个切断，将该切断部位用配线H2经由通孔B1连接。另外，配线H1、H2可以配置在相互不同的配线层中，例如配线H1可以使用第1层配线层，配线H2可以使用第2层配线层。此外，用于垂直信号线Vsig1a、Vsig1b的配线H1的交叉位置处的切断，可以对垂直信号线Vsig1a、Vsig1b交替地进行。此外，垂直信号线Vsig1a、Vsig1b的交叉位置的上下关系，也可以交替地替换。
此外，使垂直信号线Vsig1a、Vsig1b交叉之后的配线H1的行方向的位置相互一致是优选的，垂直信号线Vsig1a相对于垂直信号线Vsig1b在相互邻接的像素PX间配置在一条直线上是优选的。此外，由邻接于垂直信号线Vsig1a、Vsig1b而配置的配线H1构成电源线VD1。
并且，用于垂直信号线Vsig1a的配线H1经由通孔B1连接在放大晶体管4的源极侧的扩散层DF1上，用于垂直信号线Vsig1b的配线H1经由通孔B1连接在放大晶体管4′的源极侧的扩散层DF1上。此外，用于电源线VD1的配线H1经由通孔B1连接在复位晶体管2、2′的漏极侧的扩散层DF1上。
这里，通过使垂直信号线Vsig1a、Vsig1b在列方向上按每1个像素而相互交叉配置，从而即使在沿列方向相互邻接的两个像素PX分别连接在相互不同的垂直信号线Vsig1a、Vsig1b上的情况下，也能够使这两个像素PX的布局完全一致，能够使像素特性及光学特性均匀化。
此外，通过将用于垂直信号线Vsig1a、Vsig1b的配线H1分别连接在放大晶体管4、4′的源极侧的扩散层DF1上，能够使浮动扩散部FD1、FD1′与垂直信号线Vsig1b、Vsig1a之间的距离分别变大。因此，能够使对其他像素PX的像素信号进行传送的垂直信号线Vsig1a、Vsig1b与自身像素PX的浮动扩散部FD1、FD1′之间的寄生电容C1、C1′变小，即使在对其他像素PX的像素信号进行传送的垂直信号线Vsig1a、Vsig1b配置在自身的像素PX中的情况下，也能够减少由寄生电容C1、C1′的电容耦合引起的串扰(cross talk)。
此外，通过使沿列方向相互邻接的像素PX的布局完全一致，能够使对自身的像素PX的像素信号进行传送的垂直信号线Vsig1a、Vsig1b、与自身的像素PX的浮动扩散部FD1、FD1′之间的寄生电容C2、C2′相互相等，能够使沿列方向相互邻接的像素PX的变换增益均匀化。
另外，在上述第1实施方式中，对每一列配置两条垂直信号线Vsig1a～Vsig4a、Vsig1b～Vsig4b的方法进行了说明，但每1列中配置的垂直信号线并不限定于两条，也可以每1列配置n(n是大于等于2的整数)条垂直信号线。在此情况下，可以将各列的像素PX分为n个组，按照各组将像素PX连接在不同的垂直信号线上。例如，沿列方向相互邻接的n个像素PX可以连接在各列的相互不同的垂直信号线上。此外，各列的1条垂直信号线可以与同一列的n-1条垂直信号线按每1个像素交叉。此外，各垂直信号线可以每隔同一列的n-1个像素沿行方向折回。此外，各列的像素PX可以在列方向上每隔n-1个连接在相同的垂直信号线上。此外，可以从n个属于相互不同的组的像素PX同时将像素信号读出到各列的n条垂直信号线中。此外，同一列的n条各垂直信号线，可以每在其他n-1条垂直信号线之下交叉一次、就在其他n-1条垂直信号线之上1条条地交叉n-1次。
(第2实施方式)
图4是表示有关本发明的第2实施方式的固体摄像装置中的相互邻接的3个像素的布局结构的俯视图。
在图4中，在沿列方向相互邻接的3个像素PX中，通过在半导体基板SB2上形成扩散层DF2而构成光电二极管PD2、PD2′、PD2″。此外，通过在半导体基板SB2上分别配置栅极电极G2、在这些栅极电极G2的两侧分别设置扩散层DF2，构成读取晶体管11、11′、11″、复位晶体管12、12′、12″、地址晶体管13、13′、13″、以及放大晶体管14、14′、14″。此外，通过将读取晶体管11的栅极电极G2与复位晶体管12的栅极电极G2之间的扩散层DF2经由通孔B2及配线H11连接在放大晶体管14的栅极电极G2上，构成浮动扩散部FD2。此外，通过将读取晶体管11′的栅极电极G2与复位晶体管12′的栅极电极G2之间的扩散层DF2经由通孔B2及配线H11连接在放大晶体管14′的栅极电极G2上，构成浮动扩散部FD2′。此外，通过将读取晶体管11″的栅极电极G2与复位晶体管12″的栅极电极G2之间的扩散层DF2经由通孔B2及配线H11连接在放大晶体管14″的栅极电极G2上，构成浮动扩散部FD2″。
此外，由相互邻接配置的3条配线H11构成垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c，在垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c的交叉位置上，在连接着3条配线H11中的1条的状态下将剩余的两条切断，将该切断部分用配线H12经由通孔B2分别连接。另外，配线H11、H12也可以配置在相互不同的配线层中。例如，配线H11可以使用第1层配线层，配线H12可以使用第2层配线层。此外，用于垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c的配线H11的交叉位置处的切断，可以对垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c依次进行。
此外，使垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c交叉之后的配线H1的行方向的位置相互一致是优选的，垂直信号线Vsig11a相对于垂直信号线Vsig11b、Vsig11c在相互邻接的3个像素PX间配置在一条直线上是优选的。此外，由配置为与垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c邻接的配线H11构成电源线VD2。
并且，用于垂直信号线Vsig11a的配线H11经由通孔B2连接在放大晶体管14的源极侧的扩散层DF2上，用于垂直信号线Vsig11b的配线H11经由通孔B2连接在放大晶体管14′的源极侧的扩散层DF2上，用于垂直信号线Vsig11c的配线H11经由通孔B2连接在放大晶体管14″的源极侧的扩散层DF2上。此外，用于电源线VD2的配线H1经由通孔B2连接在复位晶体管12、12′、12″的漏极侧的扩散层DF2上。
这里，通过将垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c在列方向上按每1个像素而相互交叉配置，从而即使在沿列方向相互邻接的3个像素PX分别连接在相互不同的垂直信号线Vsig11a、Vsig11b、Vsig11c上的情况下，也能够使这3个像素PX的布局完全一致，能够使像素特性及光学特性均匀化。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，并不是要限定发明的范围。这些新的实施方式可以通过其他各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的技术范围及主旨中，并且包含在权利要求书中记载的发明中和其等同范围中。
Claims (20)
1.一种固体摄像装置，其特征在于，具备：
像素，沿行方向及列方向以矩阵状配置；
水平控制线，选择行方向上的上述像素；
垂直信号线，相互交叉，按每1列配置有n条，按照按各列被分为n组的每个像素而分别连接，其中，n是大于等于2的整数；
垂直扫描电路，选择上述水平控制线；以及
信号处理电路，处理经由上述垂直信号线读出的像素信号。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
在列方向上相互邻接的n个像素连接在各列的相互不同的垂直信号线上。
3.如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
各列的1条垂直信号线，按每一个像素与同一列的n-1条垂直信号线交叉。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，
各列的像素在列方向上每隔n-1个连接到同一个垂直信号线上。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述垂直扫描电路选择上述水平控制线，以使得从n个属于相互不同的组的像素同时地将像素信号读出到各列的n条垂直信号线；
上述信号处理电路同时处理分别经由上述n条垂直信号线而从n个像素读出的像素信号。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
各列的像素的浮动扩散部，连接在各列的n条垂直信号线中的、距离最近的1条垂直信号线上。
7.如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述像素具备：
光电二极管，进行光电变换；
地址晶体管，进行行选择；
复位晶体管，将储存在上述浮动扩散部中的信号复位；
读取晶体管，从上述光电二极管将信号读出到上述浮动扩散部；以及
放大晶体管，将从上述光电二极管读出到上述浮动扩散部中的信号放大。
8.如权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，
沿列方向邻接的上述像素的布局相互相同。
9.如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述垂直信号线每隔同一列的n-1个像素而在行方向上折回。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备电源线，该电源线配置为，按照各列而与上述垂直信号线邻接。
11.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述像素配置为，按照各列而在列方向上位置对齐。
12.如权利要求11所述的固体摄像装置，其特征在于，
同一列的n条各垂直信号线，每在其他n-1条的垂直信号线的下方交叉1次，就在其他n-1条垂直信号线的上方按每一条地交叉n-1次。
13.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述垂直信号线使用两层的配线来形成。
14.一种固体摄像装置，其特征在于，具备：
像素，沿行方向及列方向以矩阵状配置；
水平控制线，选择行方向上的上述像素；
第1垂直信号线，传送从列方向的第偶数个像素读出的信号；
第2垂直信号线，以与上述第1垂直信号线交叉的方式配置，传送从列方向的第奇数个像素读出的信号；
垂直扫描电路，选择上述水平控制线；以及
信号处理电路，处理经由上述第1垂直信号线传送的第1像素信号、和经由上述第2垂直信号线传送的第2像素信号。
15.如权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述第2垂直信号线，按每一个像素与上述第1垂直信号线交叉。
16.如权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述垂直扫描电路选择上述水平控制线，以使得分别从列方向的第偶数个像素和第奇数个像素同时地读出第1像素信号及第2像素信号；
上述信号处理电路同时处理上述第1像素信号及第2像素信号。
17.如权利要求16所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述像素具备：
光电二极管，进行光电变换；
地址晶体管，进行行选择；
复位晶体管，将储存在上述浮动扩散部中的信号复位；
读取晶体管，从上述光电二极管将信号读出到上述浮动扩散部；以及
放大晶体管，将从上述光电二极管读出到上述浮动扩散部中的信号放大。
18.如权利要求17所述的固体摄像装置，其特征在于，
在列方向上邻接的上述像素的布局相互相同。
19.如权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述第1垂直信号线及第2垂直信号线，每隔同一列的1个像素而在行方向上折回。
20.如权利要求19所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述第1垂直信号线及第2垂直信号线的交叉位置处的上下关系交替地替换。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110601 |