CN105391956B - 固态成像装置和成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态成像装置和成像系统。该固态成像装置包括：第一放大器和第二放大器；耦合电容器，包括第一电极和第二电极；第一金属部件，被配置为连接第一放大器的输出端子和第一电极；和第二金属部件，被配置为连接第二放大器的输入端子和第二电极，其中在垂直于从第二电极向第二放大器的输入端子行进的线的横截面中，第一金属部件被布置在相对于第二金属部件的在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧的方向中的至少两个方向上。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像装置和成像系统，并且更具体地涉及固态成像装置的输出电路。
背景技术
在日本专利申请公开No.2005-304077的图6中公开了一种读取固态成像装置的像素信号的技术。该技术涉及经由耦合电容器箝位上游源极跟随电路的输出信号并且将箝位的输出信号传输到下游源极跟随电路的输入。
发明内容
日本专利申请公开No.2005–304077中公开的技术的问题是下游源极跟随电路的输入单元中的大寄生电容使信号增益劣化。
本发明的目的是提供在信号增益劣化方面降低的固态成像装置。
根据本发明的一个实施例，提供了一种固态成像装置，包括：第一放大器和第二放大器；耦合电容器，包括第一电极和第二电极；第一金属部件，被配置为连接第一放大器的输出端子和第一电极；和第二金属部件，被配置为连接第二放大器的输入端子和第二电极，其中在垂直于从第二电极向第二放大器的输入端子行进的线的横截面中，第一金属部件被布置在相对于第二金属部件的在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧的方向中的至少两个方向上。
根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的固态成像装置的电路框图。
图2是根据第一实施例的输出电路的电路图。
图3A是根据第一实施例的输出电路的布局平面视图，并且图3B和图3C是输出电路的截面图。
图4是根据本发明的第二实施例的固态成像装置的电路图。
图5是根据第二实施例的固态成像装置的时序图。
图6是根据本发明的第三实施例的输出电路的布局截面图。
图7是根据本发明的第四实施例的输出电路的布局截面图。
图8是根据本发明的第五实施例的输出电路的布局平面图。
图9是根据本发明的第六实施例的输出电路的电路图。
图10是根据本发明的第八实施例的固态成像装置系统的框图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
(第一实施例)
图1是固态成像装置100的框图，固态成像装置100是根据本发明的第一实施例的固态成像装置的示例。该固态成像装置100是CMOS区域传感器，并且包括像素阵列10、垂直扫描电路11、定时发生器(TG)12、恒流电路13、列信号线14、放大器电路15、电荷累积单元16、水平扫描电路17、水平传输电路18、输出电路19和输出焊盘20。像素阵列10包括沿行方向和列方向以二维矩阵模式布置的多个像素(PIX)101。出于简化制图的目的，图1所示像素阵列10是4行乘以4列的矩阵。然而，像素101的数目没有特别的限制。此处的行方向和列方向分别指图中的横向方向和图中的纵向方向。在示例中，行方向对应于成像装置中的水平方向，并且列方向对应于成像装置中的垂直方向。
像素101可以各自包括光电二极管(光电转换单元)、浮置扩散、传输晶体管、放大晶体管、复位晶体管和行选择晶体管。传输晶体管将累积在光电二极管中的电荷传输到浮置扩散。放大晶体管输出对应于浮置扩散中的电势的信号。复位晶体管重置浮置扩散的电势。行选择晶体管将来自放大晶体管的信号输出到垂直信号线。放大晶体管用作像素输出单元。
在行方向上行进的信号线L(L1到L4)被布置以使得像素阵列10的每一行设置有一条信号线L。信号线L1到L4中的每一个包括信号线TX(未示出)、信号线RES(未示出)和信号线SEL(未示出)。信号线TX用于驱动传输晶体管。信号线RES用于驱动复位晶体管。信号线SEL用于驱动行选择晶体管。向这些信号线施加高电平信号使对应晶体管中建立电连接(晶体管导通)。向这些信号线施加低电平信号使对应晶体管中的电连接中断(晶体管截止)。
针对像素阵列10的每一列布置列信号线14中的一个。每个列信号线14被连接到在一列中对齐的像素101的相应行选择晶体管的源极，作为由这些像素101共享的信号线。作为放大晶体管的负载单元的一个恒流电路13和一个放大电路15被连接到列信号线14中的每一个。放大电路15中的每一个的输出端连接电荷累积单元16中的一个。电荷累积单元16中的每一个包括电容器和晶体管，并且保持由连接到该电荷累积单元16的放大电路15放大的信号。水平扫描电路17包括移位寄存器。水平传输电路18包括多个晶体管。基于来自定时发生器12的控制信号，水平传输电路18顺序地导通水平传输电路18的晶体管，并且将电荷累积单元16的信号输出到水平信号线8。输出电路19作为输出电路，其经由输出焊盘20向芯片外部(固态成像装置外部)输出指示来自水平信号线8的亮度电压的信号。
图2是输出电路19的电路图。输出电路19包括形成第一放大器或者第一级放大器的源极跟随器MOS晶体管M1、形成第二放大器或者第二级放大器的源极跟随器MOS晶体管M2、耦合电容器Cm、作为负载的恒流源If1和If2及开关SC。MOS晶体管M1具有栅极、漏极和源极，水平信号线8连接该栅极，电源电压Vdd连接到该漏极，并且恒流源If1连接到该源极。MOS晶体管M1作为源极跟随器操作并且具有低的源极输出阻抗。耦合电容器Cm的第一电极经由节点N1连接到MOS晶体管M1的源电极。耦合电容器Cm的第二电极经由节点N2连接到开关SC和MOS晶体管M2的栅电极。节点N1由连接MOS晶体管M1的源电极和耦合电容器Cm的第一电极的第一金属部件形成。节点N2由连接MOS晶体管M2的栅电极和耦合电容器Cm的第二电极的第二金属部件形成。如图2所示，耦合电容器Cm的两个电极都不连接到具有固定电压(诸如地电压)的固定电压节点。
开关SC的一端连接到节点N2，并且开关SC的另一端连接到参考电压Vref1。在箝位期间接通开关SC使耦合电容器Cm的节点N2连接到参考电压Vref1。换言之，在箝位期间耦合电容器Cm的节点N2连接到参考电压Vref1(箝位电压)，并且在箝位之外的其它时间耦合电容器Cm的节点N2处于浮置状态。希望将参考电压Vref1设置为例如对于作为源极跟随器操作的第二级MOS晶体管M2来说最佳的电压。例如，参考电压Vref1可被设置为不允许地电压GND或者电源电压Vdd削减(clip)亮度信号的电压。可以以这种方式通过向耦合电容器Cm的节点N2施加给定的箝位电压来调整MOS晶体管M2的工作点。
第二级MOS晶体管M2具有漏极和源极，电源电压Vdd连接到该漏极，并且恒流源If2和输出焊盘20连接到该源极。类似于第一级MOS晶体管M1，第二级MOS晶体管M2作为源极跟随器操作并且能够向输出焊盘20输出信号，同时将源极处的输出阻抗保持为低。
图3A是由图2中的C指示的输出电路的区域的布局平面图。在图3A中，耦合电容器Cm包括由多晶硅制成的第二电极130以及第一电极，第一电极在有源区域131中面对第二电极130。第二电极130还作为图3A到图3C中未示出的MOS晶体管的栅电极。触头133是埋入穿透绝缘层的孔的金属，并且将半导体中的有源区域131电连接到由第一金属布线层Mt1形成的第一金属部件N1(134)。具体地，第一金属部件N1(134)连接到第一级MOS晶体管M1的输出端子和耦合电容器Cm的第一电极。触头132是埋入穿透绝缘层的孔的金属，并且将第二电极130电连接到第一金属布线层(Mt1)135。第一金属部件N1–1、N1-2和N1-3以及第二金属部件N2在从耦合电容器Cm的电极向着第二级源极跟随器MOS晶体管M2的栅电极行进的方向(由箭头A指示的方向)上延伸。
图3B是沿虚线C-C'取得的图3A的区域的截面图。图3C是沿虚线D-D'取得的图3A的区域的截面图。在图3B中，作为示例给出的半导体基板110由N型硅形成，并且向半导体基板110施加电源电压Vdd。在半导体衬底110上按顺序形成第一金属布线层Mt1、第二金属布线层Mt2和第三金属布线层Mt3，每两个金属布线层之间夹着绝缘层。在第一金属布线层Mt1中形成作为节点N1的一部分的第一金属部件N1-1。在第二金属布线层Mt2中形成两个作为节点N1的一部分的第一金属部件N1-2和作为节点N2的第二金属部件N2。第一金属部件N1-2和第二金属部件N2中的每一个在平面图中具有矩形形状，并且第二金属部件N2被置于两个第一金属部件N1-2之间。在第三金属布线层Mt3中形成作为节点N1的一部分的第一金属部件N1-3。
通孔137是穿透第一金属布线层Mt1和第二金属布线层Mt2之间的绝缘层以电连接第一金属部件N1-1和每个第一金属部件N1–2的一条金属。通孔138是穿透第二金属布线层Mt2和第三金属布线层Mt3之间的绝缘层以电连接第一金属部件N1–2中的每一个和第一金属部件N1-3的一条金属。本实施例中的第一金属部件N1–1、N1-2和N1-3在平面图中围绕第二金属部件N2。
在图3A中，第一金属部件N1–1、N1-2和N1–3及第二金属部件N2在从耦合电容器Cm的电极向第二级源极跟随器MOS晶体管M2的栅极行进的方向(由箭头A指示的方向)上延伸。在图3B中，第二金属部件N2被第一金属部件N1–1、N1-2和N1-3以及通孔137和138围绕。具体地，在包括通孔137和138的截面图(图3B)中，节点N2的第二金属部件N2被第一金属部件N1–1、N1-2和N1-3以及通孔137和138360°围绕。在不形成通孔的沿着D-D'(图3C)的部分中，第一金属部件N1–1、N1-2和N1-3被相对于节点N2的第二金属部件N2布置在4个方向上:在第二金属部件N2之上、之下、左侧和右侧。第二金属部件N2“之上和之下”是图3B和图3C中垂直于第二金属部件N2的两个方向。第二金属部件N2的“左侧和右侧”是图3B以及图3C中第二金属部件N2的两个水平方向。
当以Cp给出节点N2和电源电压Vdd之间或者节点N2和电路的接地部分之间的寄生电容时，由于耦合电容器Cm和寄生电容Cp之间的电容器分割(capacitance division)，从节点N1到节点N2的信号增益下降到Cm/(Cm+Cp)。因此，如果使寄生电容Cp较小，那么可以减小信号增益的下降。在本实施例中，通过使用第一金属部件(节点N1)围绕第二金属部件(节点N2)来减小第二金属部件和电源电压Vdd之间或者第二金属部件和接地部分之间的寄生电容Cp。因为第一金属部件N1和第二金属部件N2之间的寄生电容增加，所以耦合电容器Cm的等效电容器不会由于耦合电容器Cm的面积尺寸的减小而改变。
在本实施例中，第一金属部件相对于第二金属部件被布置在4个方向上：第二金属部件之上、之下、左侧和右侧，因此寄生电容Cp可被最小化。在形成通孔的区域中，特别地，第二金属部件完全由第一金属部件围绕，因此减小寄生电容Cp的效果更大。
本实施例可以使节点N2的寄生电容Cp较小，并且可以因此减小信号增益的劣化。实验结果显示应用这个实施例之后输出电路中的信号增益是0.95，而应用这个实施例之前输出电路的电压增益是0.90。另外，小的寄生电容Cp意味着较短的信号传输时间，即，较高速度的传输。
(第二实施例)
图4是作为根据本发明的第二实施例的固态成像装置的实例的固态成像装置的电路图。该固态成像装置是CMOS区域传感器并且包括像素阵列2和外围电路单元5。该固态成像装置还包括用于产生控制信号的定时发生器(未示出)和用于扫描像素阵列2的行的垂直扫描电路(未示出)。像素阵列2包括沿行方向和列方向以二维矩阵模式布置的多个像素单元3。
像素单元3具有二像素共享结构。图4中的每个像素单元3可以包括光电二极管D1和D2、第一行的传输晶体管M11、第二行的传输晶体管M12、复位晶体管M21、放大晶体管M31、选择晶体管M41和放大晶体管M31的输入节点NF。输入节点NF连接到传输晶体管M11和M12的漏极、复位晶体管M21的源极和放大晶体管M31的栅极。
在共享两个像素的像素单元3中，两个光电二极管D1和D2以及两个传输晶体管M11和M12共享一个复位晶体管M21、放大晶体管M31、选择晶体管M41和输入节点NF。图4所示的像素阵列2具有两行乘以两列的像素。然而，像素阵列2实际上可以具有数千行乘以数千列的像素。当分别以M和N给出像素阵列2的行数和列数时，共享两个像素的每一个像素单元3被布置在M/2行乘以N列的矩阵的模式中。
向传输晶体管M11的栅极施加控制信号φTX1。当提供的控制信号φTX1处于高电平时，传输晶体管M11将光电二极管D1的电荷传输到输入节点NF。类似地，控制信号φTX2被提供至传输晶体管M12的栅极，并且当提供的控制信号φTX2处于高电平时，传输晶体管M12将光电二极管D2的电荷传输到输入节点NF。放大晶体管M31输出对应于输入节点NF的电势的信号。控制信号φRES1被提供至复位晶体管M21的栅极。当提供的控制信号φRES1处于高电平时，复位晶体管M21重置输入节点NF的电荷。控制信号φSEL1被提供至选择晶体管M41的栅极。当提供的控制信号φSEL1处于高电平时，选择晶体管M41将来自放大晶体管M31的信号输出至相关的列信号线6。
列读取电路9中的每一个包括列电流源Ib、增益放大器GA、输入电容器Ci、反馈电容器Cf、重置电压电容器CN1、亮度电压电容器CP1、重置电压电容器CN2、亮度电压电容器CP2、重置电压放大器AN和亮度电压放大器AP。列读取电路9还包括开关SG、SN1、SP1、SBN、SSN、SBP、SSP、SN2、SP2、SN31和SP31，它们由MOS晶体管构成。每一个开关被定时发生器(未示出)和水平扫描电路(未示出)驱动。
当选择晶体管M41导通时，列电流源Ib作为放大晶体管M31的负载。增益放大器GA包括具有非反相输入和反相输入的差分放大器，向该非反相输入施加参考电压Vref，一条列信号线6经由输入电容器Ci连接到该反相输入。开关SG与反馈电容器Cf并联。当开关SG接通时，增益放大器GA作为电压跟随器操作。当开关SG断开时，增益放大器GA以Ci/Cf的增益操作。
重置电压电容器CN1是用于保持在重置期间使用的信号的电容器。“在重置期间”是光电二极管D1的电荷的传输之前的时间段。具体地，重置期间对应于输入节点NF的电势的信号经由放大晶体管M31和增益放大器GA被写入重置电压电容器CN1。亮度电压电容器CP1是用于保持亮度电压的电容器。对应于光电二极管D1的电荷传输之后的输入节点NF的电势的信号经由放大晶体管M31和增益放大器GA被写入亮度电压电容器CP1。
重置电压放大器AN包括具有向其施加箝位电压VCLAMP的非反相输入和重置电压电容器CN1连接到其的反相输入的差分放大器。重置电压放大器AN的输出经由开关SN2连接到重置电压电容器CN2。重置电压电容器CN2还经由开关SN31连接到重置电压水平信号线7。水平信号线7连接到重置电压输出电路BR。输出电路BR被与第一实施例中的输出电路19类似地配置，并且包括两个源极跟随器MOS晶体管(它们分别形成第一级放大器(第一放大器)和第二级放大器(第二放大器))、两个恒流电路和箝位开关。用于驱动箝位开关的控制信号φSC被输入到输出电路BR。输出电路BR的输出端连接到用于向芯片外部输出信号的输出焊盘20N。重置电压被从输出焊盘20N输出到芯片的外部。亮度电压放大器AP、亮度电压电容器CP2和亮度电压输出电路BV被与用于重置电压的组件类似地配置，并且亮度电压被从输出焊盘20P输出到芯片外部。在芯片外部，通过相关双采样电路(未示出)产生去除了噪声分量的亮度电压。
参考图5的时序图描述根据第二实施例的CMOS区域传感器的操作。在时刻t0，φSEL1处于高电平并且作为N型MOS晶体管的选择晶体管M41导通，以选择像素阵列2的第一行和第二行。同时，处于高电平的φSG使得开关SG接通，从而使增益放大器GA作为电压跟随器操作并且输出参考电压Vref。信号φSN1和φSP1也处于高电平，这意味着参考电压Vref经由增益放大器GA被写入重置电压电容器CN1和亮度电压电容器CP1。
处于低电平的信号φSBN和φSBP断开开关SBN和SBP，并且处于高电平的φSSN和φSSP接通开关SSN和SSP。这将重置电压放大器AN和亮度电压放大器AP置于采样模式并且使重置电压电容器CN1和亮度电压电容器CP1准备好进行信号写。
在时刻t1，φRES1变为低电平，从而使得像素阵列2的N型MOS复位晶体管M21截止，并且将输入节点NF置于浮置状态。信号φSN1和φSP1变为低电平，从而断开开关SN1和SP1，并且结束重置电压电容器CN1和亮度电压电容器CP1中Vref的写。
在时刻t2，φSG变为低电平，从而开关SG断开，并且增益放大器GA的增益变为Ci/Cf。在时刻t3，φSN1变为高电平，从而开关SN1接通。这开始经由放大晶体管M31在重置电压电容器CN1中写对应于重置期间像素阵列2的输入节点NF的电势的信号，放大晶体管M31具有列电流源Ib作为负载。换言之，在光电二极管D1的电荷的传输之前的时间段中被使用的信号被提供给重置电压电容器CN1。在时刻t4，φSN1变为低电平，从而开关SN1断开并且结束在重置电压电容器CN1中写输入节点NF的重置电压。
在时刻t5，φTX1变为高电平，从而传输晶体管M11导通，并且作为以光照射光电二极管D1的结果已经累积的电子被传输到输入节点NF。然后，输入节点NF的电势以与光电二极管D1的累积的电子的量有关的量下降。同时，φSP1变为高电平，从而开关SP1接通。这开始经由放大晶体管M31在亮度电压电容器CP1中写输入节点NF的下降电压。在时刻t6，φTX1变为低电平，从而传输晶体管M1截止，并且结束将作为以光照射光电二极管D1的结果已经累积的电子到输入节点NF的传输。
在时刻t7，φSP1变为低电平，从而开关SP1断开并且结束在亮度电压电容器CP1中写亮度电压。在时刻t8，φSBN和φSBP变为高电平，从而开关SBN和SBP接通，并且φSSN和φSSP变为低电平，从而断开开关SSN和SSP。这将重置电压放大器AN置于用于读取重置电压电容器CN1的信号的读模式，并且将亮度电压放大器AP置于用于读取亮度电压电容器CP1的信号的读模式。
在时刻t9，φSN2变为高电平，从而开关SN2接通。这导致重置电压放大器AN开始在第二重置电压电容器CN2中写已被写入重置电压电容器CN1中的重置电压。信号φSP2也变为高电平，从而开关SP2接通。这导致亮度电压放大器AP开始在第二亮度电压电容器CP2中写已被写入亮度电压电容器CP1中的光电二极管D1的亮度电压。此时信号φSC也变为高电平，从而输出电路BR和BV的开关SC接通，并且向金属布线N2提供参考电压Vref1。参考电压Vref1是对于作为源极跟随器操作的第二级源极跟随器MOS晶体管M2来说最佳的栅极电压。
在时刻t10，φSN2和φSP2变为低电平，从而结束第二重置电压电容器CN2中重置电压的写和第二亮度电压电容器CP2中亮度电压的写。信号φSC也变为低电平，从而开关SC断开并且将第二金属部件(金属布线)N2置于浮置状态。
在时刻t11，φRES1变为高电平，从而像素阵列2的nMOS复位晶体管M21导通并且将输入节点NF重置为接近电源电压VDD的电压。同时，φSBP变为低电平，从而开关SBP断开，并且φSSP变为高电平，从而开关SSP接通。这将亮度电压放大器AP置于采样模式，并且使亮度电压电容器CP1准备好进行信号写。
信号φSN31和φSP31在时刻t11也处于高电平，这意味着开关SN31和SP31接通。然后，已经累积在第二重置电压电容器CN2和第二亮度电压电容器CP2中的第一行和第一列的重置电压和亮度电压分别被读取到重置电压水平信号线7和亮度电压水平信号线8上。当以C1给出第二亮度电压电容器CP2的电容器并且以C2给出重置电压水平信号线7和亮度电压水平信号线8具有的电容器时，以由C1/(C1+C2)表示的电压增益读取重置电压和亮度电压。
输出电路BR和输出电路BV分别经由重置电压水平信号线7和亮度电压水平信号线8向芯片外部输出第一行和第一列的重置电压和亮度电压。在该芯片外部，通过从该亮度电压减去重置电压产生信号以获得已经经过相关双采样的亮度电压。
从时刻t0到时刻t11的时间段是一个水平扫描时间段，在该时间段中读取一行像素的亮度电压和重置电压。
在时刻t12，φSN32和φSP32处于高电平，这意味着开关SN32和SP32接通。然后，已被累积在第二重置电压电容器CN2和第二亮度电压电容器CP2中的第一行和第二列的重置电压和亮度电压被分别读取到重置电压水平信号线7和亮度电压水平信号线8上。输出电路BR和输出电路BV随后分别经由重置电压水平信号线7和亮度电压水平信号线8向芯片外部输出第一行和第二列的重置电压和亮度电压。
在时刻t13，输出电路BR和BV完成从芯片输出第一行和直到最后一列的所有列的亮度电压和重置电压。换言之，从时刻t11到时刻t13的时间段是输出像素阵列2的第一行的亮度电压和重置电压的输出时间段。
CMOS区域传感器的输出电路BR和BV不属于外围电路单元5的任何列读取电路9，并且因此通常被布置在靠近输出焊盘20N和20P的窄的区域中。因此，第二级源极跟随器MOS晶体管M2被布局从而通过分裂(splitting)栅电极来增加驱动功率。这使得第二金属部件N2长(如图3A的平面图中所示)并且增加了第二金属部件N2和固定电压节点之间的寄生电容Cp。可以通过如图3B和图3C所示以第一金属部件N1围绕第二金属部件N2来减小寄生电容Cp，并且本发明提供的效果在固态成像装置的输出电路中尤其显著。
如已经描述的，根据本实施例，通过以第一金属部件N1围绕第二金属部件N2使第二金属部件N2相对于固定电压节点的寄生电容Cp较小。因此可以减小从第一金属部件N1到第二金属部件N2的信号增益的下降并且实现高速信号传输。
(第三实施例)
图6是根据本发明的第三实施例的输出电路的布局截面图，并且对应于沿着虚线C-C'取得的图3A的区域的截面图。第一金属布线层Mt1、第二金属布线层Mt2和第三金属布线层Mt3按顺序形成在半导体衬底110上，每两个金属布线层之间夹着绝缘层。在第一金属布线层Mt1中形成GND 163。在第二金属布线层Mt2中形成作为节点N1的一部分的第一金属部件N1-2。在第三金属布线层Mt3中形成作为节点N1的一部分的两个第一金属部件N1-3和作为节点N2的第二金属部件N2。通孔161和162将第一金属部件N1-2连接到第一金属部件N1-3。这些第一金属部件N1-2和N1-3以及第二金属部件N2在平面图中在从耦合电容器Cm的电极向第二级源极跟随器MOS晶体管M2的输入行进的方向上延伸。在图6的截面图中，第一金属部件N1-2位于第二金属部件N2之下，并且两个第一金属部件N1-3被放置从而使得第二金属部件N2的每一侧有一个第一金属部件N1-3。换言之，第二金属部件N2在三个方向上被第一金属部件N1围绕，即，第二金属部件N2之下、左侧和右侧。
第三实施例的其余配置与第一实施例和第二实施例相同。换言之，根据本实施例的输出电路适用于固态成像装置中的输出电路，特别地适用于向芯片外部输出信号的输出电路。在第三实施例中，如第一实施例和第二实施例，使第二金属部件N2相对于电源电压或者地部分的寄生电容Cp小，并且因此减小从第一金属部件N1到第二金属部件N2的增益的下降。因此实现高速信号传输。
(第四实施例)
图7是根据本发明的第四实施例的输出电路的截面图，并且对应于沿虚线C-C'取得的图3A的区域的截面图。在本实施例中，GND 171由第一金属布线层Mt1形成，GND 172和第一金属部件N1-2由第二金属布线层Mt2形成，并且GND 173、第一金属部件N1-3和第二金属部件N2由第三金属布线层Mt3形成。GND 171、172和173被通孔174和175连接。第一金属部件N1-2和N1-3被通孔176连接。
在垂直于从耦合电容器Cm的电极向第二级源极跟随器MOS晶体管M2的输入行进的直线的横截面中，第一金属部件N1相对于第二金属部件N2被布置在两个方向上，即，第二金属部件N2之下和右侧。如第一实施例到第三实施例，这使第四实施例中第二金属部件N2相对于固定电压节点的寄生电容Cp小，并且因此减小了从第一金属部件N1到第二金属部件N2的增益的下降。因此实现高速信号传输。
(第五实施例)
本发明的第五实施例中的耦合电容器Cm由金属-绝缘体-金属(MIM)电容器构成。图8是根据第五实施例的输出电路的布局平面图。耦合电容器Cm包括作为第一电极的MIM下部电极181和作为第二电极的MIM上部电极182。MIM下部电极181经由第三金属布线层Mt3(183)连接到第一级源极跟随器MOS晶体管M1的源极输出。MIM上部电极182连接到第二级源极跟随器MOS晶体管M2的栅极输入。图8的沿虚线C-C'取得的区域的截面图和图8的沿虚线D-D'取得的区域的截面图分别对应于图3B和图3C。如在第五实施例中描述的，本发明的耦合电容器Cm也适用于MIM电容器。
在第五实施例中，如第一实施例到第四实施例，使第二金属部件N2相对于固定电压节点的寄生电容Cp小，并且因此减小从第一金属部件N1到第二金属部件N2的增益的下降。因此实现高速信号传输。
(第六实施例)
图9是根据本发明的第六实施例的输出电路的电路图。根据第六实施例的输出电路包括三级的源极跟随器电路。在图9中，与图2的输出电路19相同的组件被相同的附图标记表示。该输出电路包括第一级源极跟随器MOS晶体管M1、第二级源极跟随器MOS晶体管M2、第三级源极跟随器MOS晶体管M3、耦合电容器Cm、耦合电容器Cm2、恒流源If1和If2、恒流源If3、开关SC和开关SC1。节点N3由第三金属部件形成，第三金属部件连接第二级源极跟随器MOS晶体管M2的输出端子和耦合电容器Cm2的第一电极。节点N4由第四金属部件形成，第四金属部件连接第三级源极跟随器MOS晶体管M3的输入端子和耦合电容器Cm2的电极。开关SC2连接参考电压Vref1和节点N4。恒流源If3是第三级源极跟随器MOS晶体管M3的负载恒流源。
由图9的电路图中的虚线框C指示的区域的平面图与已经在第一实施例中描述的图3A相同。除了第一金属部件N1和第二金属部件N2被分别称为第三金属部件N3和第四金属部件N4之外，由图9中的虚线框C'指示的区域的截面图与已经在第一实施例中描述的图3B和图3C的截面图相同。
如在第六实施例中描述的，本发明不仅适用于两级放大器，还适用于具有三级或更多级的多级放大器。如第一实施例，在第六实施例中使第二金属部件N2相对于固定电压节点的寄生电容Cp小，并且因此减小从第一金属部件N1到第二金属部件N2的增益的下降。因此实现高速信号传输。
(第七实施例)
本发明的第七实施例是将本发明应用于将耦合电容器用于其输入单元的增益放大器的示例。此处描述的是应用于图4的增益放大器GA的例子。此处给出的描述使用第二实施例的输出电路图以及其布局的附图标记。
第一级放大器对应于像素阵列2的放大晶体管M31。第二级放大器对应于外围电路单元5的增益放大器GA。耦合电容器对应于输入电容器Ci。节点N1对应于连接到列信号线的第一金属部件。节点N2对应于连接到增益放大器GA的输入的第二金属部件。换言之，第一金属部件N1连接第一级放大器的输出(选择晶体管M41)和耦合电容器Ci的一个电极，并且第二金属部件N2连接耦合电容器Ci的另一个电极和第二级放大器GA的输入端子。
在本实施例中，如第一实施例到第六实施例，第二金属部件N2也被第一金属部件N1围绕。因此，使第二金属部件N2相对于固定电压节点的寄生电容Cp小，并且因此减小从第一金属部件N1到第二金属部件N2的增益的下降。因此实现高速信号传输。
(第八实施例)
图10是用于示出根据本发明的第八实施例的成像系统的配置示例的图。由800表示的成像系统包括例如光学单元810、固态成像装置100、视频信号处理单元830、记录/通信单元840、定时控制单元850、系统控制单元860和回放/显示单元870。成像系统820包括固态成像装置100和视频信号处理单元830。固态成像装置100是上述实施例中描述的固态成像装置100。成像系统可以包括数字照相机、摄像机、智能电话以及具有拍摄功能的其它各种装置。
作为光学系统(诸如镜头)的光学单元810将来自对象的光聚焦在固态成像装置100的像素阵列10上从而形成对象的图像，固态成像装置100具有以二维模式布置的多个像素。在基于来自定时控制单元850的信号的定时，固态成像装置100输出对应于聚焦在像素阵列10上的光的信号。从固态成像装置100输出的信号被输入到视频信号处理单元830并且被视频信号处理单元830通过以程序等指定的方法处理，视频信号处理单元830是用于处理视频信号的单元。通过视频信号处理单元830中的处理获得的信号作为图像数据被发送到记录/通信单元840。记录/通信单元840将用于形成图像的信号发送到回放/显示单元870，并且回放/显示单元870播放/显示视频或者静态图像。当从视频信号处理单元830接收该信号时，记录/通信单元840还执行保持相对于系统控制单元860的通信的操作，以及在记录介质(未示出)中记录用于形成图像的信号的操作。
系统控制单元860用于成像系统的操作的总体控制，并且控制光学单元810、定时控制单元850、记录/通信单元840和回放/显示单元870的驱动。系统控制单元860包括存储设备(未示出)，存储设备是例如在存储设备中记录控制成像系统的操作所必需的程序等的记录介质。系统控制单元860还向成像系统内部的组件提供例如用于根据用户的操作切换驱动模式的信号。具体的示例包括改变将被读取或者重置的行、改变用于电子变焦的场角以及偏移用于电子振动控制的场角。定时控制单元850基于由系统控制单元860执行的控制来控制固态成像装置100和视频信号处理单元830的驱动定时。
同样在本实施例中，固态成像装置100的输出电路被配置从而使寄生电容Cp小，并且因此可以向视频信号处理单元830高速输出信号，同时减小信号增益的劣化。
(其它实施例)
本发明适用于其中耦合电容器连接第一级放大器的输出和第二级放大器的输入的各种固态成像装置，但是不限于固态成像装置和成像系统。第一级放大器和第二级放大器的源极跟随器晶体管可以是N型和P型两者，并且可被使用差分放大器的电压跟随器替换。第一级放大器和第二级放大器不限于电流放大器而是可以是电压放大器。
当第一金属部件被布置在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧中的一个方向上时，也可以获得减小寄生电容Cp的效果。例如，在图6中，第三金属布线层Mt3中的两个第一金属部件N1-3可被替换为GND层以移除通孔161和162并且仅在第二金属部件之下形成第一金属部件N1-2。
本发明的实施例还可以由系统或装置的计算机实现，该系统或装置的计算机读取并且执行记录在存储介质(其还可以被更完整地称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以便执行一个或多个上述实施例的功能，和/或包括用于执行一个或多个上述实施例的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))，以及可由该系统或装置的计算机，例如通过从存储介质读取并执行计算机可执行指令以执行一个或多个上述实施例的功能，和/或控制一个或多个电路以执行一个或多个上述实施例的功能而执行的方法，实现本发明的实施例。该计算机可以包括一个或多个处理器(例如中央处理单元(CPU)，微处理单元(MPU))，并且可以包括分离的计算机或者分离的处理器的网络，以便读取并且执行该计算机可执行指令。该计算机可执行指令可例如被从网络或者存储介质提供给计算机。存储介质可以包括，例如，硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储设备、光盘(诸如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)或者蓝光盘(BD)TM)、闪速存储器设备和存储卡等中的一个或多个。
其它实施例
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被给予最宽泛的解释，以便包括所有这些修改及等同结构和功能。
Claims (10)
1.一种固态成像装置，其特征在于，包括：
第一放大器和第二放大器；
包括第一电极和第二电极的电容器；
第一金属部件，被配置为连接第一放大器的输出端子和第一电极；和
第二金属部件，被配置为连接第二放大器的输入端子和第二电极，
其中，在垂直于从第二电极向第二放大器的输入端子行进的线的横截面中，第一金属部件被布置在相对于第二金属部件的在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧的方向中的至少两个方向上，
其中，第二电极由多晶硅制成。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中第一放大器的输出端子包括第一源极跟随器晶体管的源极，并且第二放大器的输入端子包括第二源极跟随器晶体管的栅极。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中在所述横截面中，第一金属部件被布置在相对于第二金属部件的在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧的方向中的至少三个方向上。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中在所述横截面中，第一金属部件被布置在相对于第二金属部件的在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧四个方向上。
5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，在所述横截面中，第二金属部件被第一金属部件和通孔围绕。
6.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中第二放大器包括输出端子，用于向所述固态成像装置的外部输出信号的输出焊盘连接到第二放大器的该输出端子。
7.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中基于施加到所述电容器的第二电极的箝位电压来控制第二放大器的工作点。
8.根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括多个像素，每一个像素包括光电转换单元和像素输出单元，所述光电转换单元被配置为产生基于光的电荷，所述像素输出单元被配置为输出基于所述电荷的信号，
其中来自所述多个像素的信号被输入到第一放大器。
9.一种固态成像装置，其特征在于，包括：
第一放大器和第二放大器；
包括第一电极和第二电极的电容器；
第一金属部件，被配置为连接第一放大器的输出端子和第一电极；和
第二金属部件，被配置为连接第二放大器的输入端子和第二电极，
其中，在垂直于从第二电极向第二放大器的输入端子行进的线的横截面中，第一金属部件的第一部分和第二金属部件的一部分被布置在第一方向上，并且第一金属部件的第二部分和第二金属部件的所述部分被布置在与第一方向相交的第二方向上，
其中，第二电极由多晶硅制成。
10.一种成像系统，其特征在于，包括：
固态成像装置；和
信号处理单元，被配置为处理从所述固态成像装置输出的信号，
其中
所述固态成像装置包括：
第一放大器和第二放大器；
包括第一电极和第二电极的电容器；
第一金属部件，被配置为连接第一放大器的输出端子和第一电极；和
第二金属部件，被配置为连接第二放大器的输入端子和第二电极，在垂直于从第二电极向第二放大器的输入端子行进的线的横截面中，第一金属部件被布置在相对于第二金属部件的在第二金属部件之上、之下、左侧和右侧的方向中的至少两个方向上，
其中，第二电极由多晶硅制成。
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