JP2004007833A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【目的】半導体装置は熱を発する。熱が発生し、内部回路の温度が上昇すると、固体撮像装置は、ノイズ成分である暗電流が増大する。冷却手段を有する固体撮像装置においても、出力トランジスタからの発熱により、内部回路の温度上昇を十分には、防止できない。本発明は、発熱による暗電流を防止する固体撮像装置を提供する。
【構成】半導体基板上に内部回路を配置し、それから延在する配線電極は、複数の出力トランジスタと、並列接続させる。出力トランジスタの間隔は、出力トランジスタの幅以上とする。内部回路の温度の不均一性を軽減でき、このため、暗電流の増大を抑制できる。【選択図】図１

Description

　本発明は、固体撮像装置に関するものである。

　半導体装置は、様々な分野おいて、一般に使用されている。例えば、一つの半導体基板上にＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等の素子を内部回路として形成し、信号電流や電圧を増幅する増幅装置、光を電気信号に変換する光電変換部を内部回路として配置した受光装置や固体撮像装置、演算処理部を内部回路とするＣＰＵ等が挙げられる。

　これらの半導体装置は、内部回路で処理した電気信号を外部に出力するための一つの出力トランジスタと、出力端子を有している。図３を引用し、従来の半導体装置を説明する。図３は、従来の半導体装置の出力部を示す平面概念図である。半導体基板１上に内部回路１３が配置され、それより配線電極６が出力トランジスタ近傍まで延在している。

　出力トランジスタ１４は、ＭＯＳトランジスタまたは、バイポーラトランジスタにて形成される。図３においては、ＭＯＳトランジスタが示されている。これは、ゲート電極４、ソース・ドレイン７からなり、ゲート幅はＷ2 である。配線電極６とゲート電極４とは、スルーホール３を介して接続されている。また、ソース・ドレイン７は、コンタクトホール２を介して配線電極５に接続されており、さらに、配線電極５は、出力端子８、９に接続されている。

　出力端子８、９の一方には、一定電圧が印加され、それを介してソースには一定電圧が印加される。内部回路１３で処理された電気信号は、電圧として配線電極６にて出力トランジスタ近傍に引き出され、ゲート電極４に伝えられる。そして、ゲート電極に引き出された電圧に応じてソース・ドレイン間の電流、もしくは、電圧差が変化する。このソース・ドレイン間の電流や電圧差が他方の出力端子より電気信号として外部に出力される。

　図４は、内部回路に固体撮像装置を用い、図３の出力部を配置した従来の半導体装置の平面概念図である。光電変換部１７で変換された電気信号は、垂直ＣＣＤ１８、水平ＣＣＤ１９に転送され、電荷としてコンデンサー２１に蓄積される。そして、電圧変化が生じ、その電圧は、増幅トランジスタ２２，２３を介して出力トランジスタ１４のゲート電極４に印加される。そして、上記の説明のように、出力端子より電気信号として外部に出力される。コンデンサー２１には、リセットトランジスタ２０が接続されており、電気信号を出力トランジスタから読み出して不要となった電荷がコンデンサーから排出される。図４においては、光電変換部１７から増幅用トランジスタ２２、２３までが内部回路である。

　しかし、このような従来の半導体装置は熱を発する。熱が発生し内部回路の温度が上昇すると、ノイズ成分である暗電流が増大する。そこで、一般には、必要に応じて半導体装置は冷却される。しかし、このような冷却手段を有する半導体装置においても、内部回路の温度上昇を十分には防止できず、暗電流が増大してしまった。

　本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、発熱による暗電流が防止された固体撮像装置を提供する。

　本発明者は、鋭意研究の結果、暗電流を増大させた原因は、出力トランジスタが一つであったためであることを始めて見出し、発明するに至った。即ち、出力トランジスタが一つであったため、それにより、発する熱が出力トランジスタ周辺の半導体基板に集中し、その部分の温度を上昇させ、内部回路の温度が不均一になっていたのである。よって、本発明は、第１に、光を受光して電荷を生成する光電変換部と、該電荷に対応する電気信号を外部に出力する出力トランジスタを有する固体撮像装置において、前記出力トランジスタは、それぞれが並列接続された少なくとも２個以上のＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタの間隔は、前記ＭＯＳトランジスタのゲート幅以上であることを特徴とする固体撮像装置を提供する。

　また、前記ＭＯＳトランジスタの間隔は、前記ゲート幅の４倍以下であってもよい。

　さらに、本発明の固体撮像装置には、少なくとも前記出力トランジスタを室温以下に冷却する冷却手段が、さらに配置されてもよい。

　本発明によれば、固体撮像装置の出力トランジスタの発熱を分散させることができるので、内部回路の温度の不均一性を軽減できる。このため、内部回路の温度上昇による暗電流の増大を抑制できる。また、暗電流の不均一性を防止でき画質を向上できる。

　本発明は、微弱信号を処理し室温以下に冷却する手段を有する固体撮像装置において、特に大きな効果を持つ。この場合、出力トランジスタの放熱特性が改善できるので、冷却能力を下げても従来と同等の特性が得られ、省エネルギーになると言う効果もある。

　半導体物質は、電気的抵抗を有する。従って、半導体物質からなる半導体装置は、電流を流し動作させれば、熱を発するものなのである。この発熱により、半導体装置は、暗電流を増大させる。特に、微弱信号を処理する半導体装置において、大きな影響を与える。

　可視光検出用の固体撮像装置は、０〜５０℃程度の環境範囲において、１／６０秒ないし１／３０秒の蓄積時間で一般に使用される。しかし、近年、科学の進歩に伴って、微弱な光を検出したいと言う要求があった。この固体撮像装置を微弱光検出用に使用する微弱光検出用固体撮像装置として使用する場合には、蓄積時間を１／３０秒よりも長くすることで感度を上げ、微弱光さえも感知できるようにしてい
る。また、出力トランジスタがＭＯＳトランジスタであるならば、ゲート幅（図３のＷ2）を大きくすれば、固体撮像装置の動作速度や駆動能力は改善される。

　しかし、蓄積時間を長くしたり、ゲート幅を大きくすると、固体撮像装置の発する熱が多くなり、ノイズ成分である暗電流成分が増加し、信号成分とノイズ成分の比であるＳ／Ｎ比やダイナミックレンジを悪化させる。そこで、電子冷却等の冷却手段によって、少なくとも室温以下まで、好ましくは、−２０℃程度まで、固体撮像装置は冷却される。

　ところが、このような冷却手段を施しても、出力トランジスタは、発熱量が大きく、その周囲が部分的に、例えば、図４の斜線で示された部分２４の光電変換部及びＣＣＤが出力トランジスタの発熱により温度が上昇し暗電流が増大してしまう。そして、この部分から出力される信号は、その他の部分から出力される信号に比べて暗電流成分が大きくなってしまうのである。

　このため，従来の微弱光検出用固体撮像装置から得られる画像は，固定パターンノイズが大きく、画質の悪いものになるのである。固体撮像装置には、ショットキー型赤外線用固体撮像装置のように、７７ケルビン程度まで冷却して使用する装置もある。これは、背景光による暗電流を低減させるために冷却するものである。しかし、このように強力な冷却手段を使用しても、発熱による暗電流が生じてしまう。

　ＣＰＵや、ゲート幅が０．１μｍ以下のＭＯＳトランジスタを使用する半導体装置等でも、装置の高速化や特性改善を目的に上記の冷却手段による半導体装置の冷却をするが、やはり、同様な問題が生ずる。

　上記のように、固体撮像装置の暗電流を増大させる原因は、出力トランジスタの発熱によるものである。さらに、詳しく追求したところ、出力トランジスタが１個であったがために発熱が集中し、このため、その周囲に熱が集中していたのである。よって、出力トランジスタを複数にして並列接続すれば、一つ一つの出力トランジスタからの発熱は減少し発熱源は分散する。このため、周囲の温度上昇は、抑制できるのである。

　さらに、それらの間隔を大きくとれば、発熱源は、さらに分散できる。しかし、これを大きくすれば、装置は、大きくなり、歩留り低下等のコスト増加を招く。そこで、温度上昇と出力トランジスタの間隔との関連を検討した。その結果、少なくとも出力トランジスタの幅以上にその間隔を開ければ、十分温度上昇を抑制できることが判明した。

　出力トランジスタをＭＯＳトランジスタとし、それをｎ個配置し、各々のトランジスタのゲート幅をＷ2 ／ｎ（Ｗ2 は、従来の出力トランジスタのゲート幅）とすれば、出力トランジスタｎ個の総発熱量は、従来の出力トランジスタの発熱量と同一となる。しかし、分散して発熱されるため、内部回路の発熱は抑制され、その温度の不均一性は軽
減される。このため、暗電流の増大は抑制される。

　出力トランジスタのゲート幅をＷ2 ／ｎより大きくすれば、総発熱量は、やや大きくなるものの、分散発熱の作用が大きく、やはり内部回路の発熱が抑制される。このため、暗電流が低減されるばかりでなく、動作速度も改善される。

　以下、図を引用して実施例により本発明をより具体的に説明する。しかし、本発明は、これに限られるものではない。

　図１は、本発明の半導体装置の出力部を示す平面概念図である。半導体基板１上に画素部及びその他の回路１３を配置し、それから配線電極６を出力トランジスタ近傍まで延在させた。出力トランジスタ１０、１１、１２は、３個のＭＯＳトランジスタにて形成した。これは、ゲート電極４ａ、４ｂ、４ｃと、ソース・ドレイン７ａ、７ｂ、７ｃからなる。

　このゲート幅Ｗ1 は、従来の１／３とした。それぞれの出力トランジスタの間隔１５、１６の寸法は、４Ｗ1 とした。配線電極６とゲート電極４は、スルーホール３を介して接続した。また、ソース・ドレイン７ａ、７ｂ、７ｃは、コンタクトホール２を介して配線電極５に接続され、さらに、配線電極５は、出力端子８、９に接続された。

　出力端子８、９の一方には、一定電圧を印加した。このため、ソースには一定電圧が印加された。内部回路１３からの電気信号は、電圧として配線電極６にて出力トランジスタ近傍に引き出し、ゲート電極４に導いた。そして、その電圧に応じてソース・ドレイン間に電圧差が変化し、他方の出力端子より電気信号として出力された。

　図２は、図1の出力部を用いた本発明の固体撮像装置平面概念図である。光電変換部１７で生じた電荷は、垂直ＣＣＤ１８、水平ＣＣＤ１９に転送され、コンデンサー２１に蓄積される。これにより、電圧変化が生じ、その電圧は、増幅トランジスタ２２，２３を介して出力トランジスタ１０、１１、１２のゲート電極４ａ、４ｂ、４ｃに印加される。コンデンサー２１には、リセットトランジスタ２０を接続した。これにより、電気信号を出力トランジスタから読み出して不要となった電荷は、コンデンサーから排出される。

本発明の半導体装置の出力部を示す平面概念図である。 図1の出力部を用いた本発明の固体撮像装置平面概念図である。 従来の半導体装置の出力部を示す平面概念図である。 図３の出力部を用いた従来の固体撮像装置である。

符号の説明

　　１　　　半導体基板
　　２　　　コンタクトホール
　　３　　　スルーホール
　　４、４ａ、４ｂ、４ｃ　　　ゲート電極
　　５、６　　　配線電極
　　７、７ａ、７ｂ、７ｃ　　　ソース・ドレイン
　　８、９　　　出力端子　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　１０、１１、１２、１４　　　出力トランジスタ
　１３　　　内部回路
　１５、１６　　　出力トランジスタの間隔
　１７　　　光電変換部
　１８　　　垂直ＣＣＤ
　１９　　　水平ＣＣＤ
　２０　　　リセットトランジスタ
　２１　　　コンデンサー
　２２、２３　　　増幅トランジスタ
　２４　　　出力トランジスタの発熱により温度上昇する部分
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上

Claims (3)

1. 光を受光して電荷を生成する光電変換部と、該電荷に対応する電気信号を外部に出力する出力トランジスタを有する固体撮像装置において、
   　前記出力トランジスタは、それぞれが並列接続された少なくとも２個以上のＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタの間隔は、前記ＭＯＳトランジスタのゲート幅以上であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ＭＯＳトランジスタの間隔は、前記ゲート幅の４倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像装置において、少なくとも前記出力トランジスタを室温以下に冷却する冷却手段が、さらに配置されることを特徴とする固体撮像装置。

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