JP2004186407A - Photoelectric converter - Google Patents

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智之 野田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric converter the height of which is lowered from a photoelectric conversion region. <P>SOLUTION: The photoelectric converter includes a photoelectric conversion region 1, a plurality of unit pixels having a plurality of MOS transistors two-dimensionally arranged to read a signal from the photoelectric conversion region 1, control lines TX, RES, SEL providing potential to gates 2, 3, 6 of a plurality of the MOS transistors, an output line 5 for outputting the signal from the unit pixels, and a power supply line VDD connected to at least one of a plurality of the MOS transistors. The gates 2, 3, 6 of a plurality of the transistors and the control lines TX, RES, SEL are configured with a first wiring layer (polysilicon layer), and the output line 5 and the power supply line VDD are configured with a second wiring layer (metal layer). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電変換装置に係わり、特に光電変換領域と該光電変換領域から信号読みだしを行うための複数のトランジスタを有する単位画素が二次元状に複数配された光電変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、CCD型よりも低消費電力で、単一電源で動作させ、受光部と周辺回路とを同じCMOSプロセスで製造できて集積しやすいというメリットにより、CMOS型光電変換素子が見直され、それを製品化する動きが出てきている。CMOS型光電変換装置は1画素あたりの素子数が多い為、メタル層を多層に配線することで開口率を上げることが求められる。
【0003】
図14は特許文献1に記載されたCMOS型光電変換装置の等価回路図、図15はそのCMOS型光電変換装置のレイアウト図である。図16は図15のX−X線断面図(隣接画素は図示していない)である。図15においては、4画素のみ示している。以下の説明では、フォトダイオード部PD2に関する画素についてのみ説明する。
【0004】
フォトダイオード部PD2の周囲には、転送用トランジスタM2のゲート2、フローティングディフージョン(FD)7、リセット用トランジスタM3のゲート3、選択用トランジスタM5のゲート6、増幅用トランジスタM4のゲート4、出力線5が設けられている。また、TXは転送用トランジスタM2のゲート電位を与える制御線、RESはリセット用トランジスタM3のゲート電位を与える制御線、SELは選択用トランジスタM5のゲート電位を与える制御線である。φTXは転送用トランジスタM2のゲート電位を与える制御信号、φRESはリセット用トランジスタM3のゲート電位を与える制御線信号、φSELは選択用トランジスタM5のゲート電位を与える制御信号である。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−195776号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記CMOS型光電変換装置の駆動線は、図15及び図16に示すように、ポリシリコン層、アルミ第1層及びアルミ第2層の3層構造で構成されていた。
【0007】
チップサイズをシュリンクする時、この従来例のレイアウトを所望のサイズにそのまま小さくする手法が最も簡単な方法である。しかし、この手法でチップサイズをシュリンクすると、縦横方向にはサイズは小さくすることが出来ても高さ方向のサイズを小さくすることは困難である。
【0008】
図14〜図16を用いて説明した従来例によるとメタル(アルミ)層を2層用いて配線している為、受光面からの距離h(図16に記載)を低くするにしても制限がある。他の増幅CMOS型光電変換装置には、さらにメタル層を3層利用して受光部の面積を稼いでいる場合があり、この場合には、受光面からの距離は図16のhよりさらに高くなってしまう。チップの受光面からの高さが高いセンサにおいては、Fナンバーの小さい光学系で感度が低下する。特に高画質が要求されるデジタルカメラ等のセンサにおいては、Fナンバーの小さい光学系で感度が低下することが課題となる。
【0009】
そこで本発明は、上述したようなCMOS型光電変換装置等の光電変換装置において、画素サイズをシュリンクする場合において、受光面からの高さを小さくする構成を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電変換装置は、光電変換領域と該光電変換領域から信号読みだしを行うための複数のトランジスタを有する単位画素が二次元状に複数配され、
前記複数のトランジスタの制御電極に電位を与える制御線と、前記単位画素からの信号を出力する出力線と、前記複数のトランジスタの少なくとも1つに接続された電源線と、を有する光電変換装置において、
前記複数のトランジスタの各制御電極と前記制御線とは第一の配線層で構成され、前記出力線と前記電源線とは第二の配線層で構成されていることを特徴とする光電変換装置である。
【0011】
なお、以下に説明する実施例では光電変換領域を構成する素子としてフォトダイオード、トランジスタとしてMOSトランジスタを用いているが、その他の構成のものを用いてもよい。
【0012】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【0013】
(実施例1)
図1は本発明の光電変換装置の第1実施例の構成を示すレイアウト図、図2は図1のa−a’断面で切断した断面図である。図3は図1の光電変換装置の等価回路図である。
【0014】
図1〜図3において、1は光電変換領域(フォトダイオード部)、2は光電変換領域1に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン(FD)領域7に転送するための転送用MOSトランジスタM2のゲート電極、3はリセット用MOSトランジスタM3のゲート電極(制御電極となる)、4はFD領域7と接続される、増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極、5は出力線、6は選択用MOSトランジスタM5のゲート電極である。図2において、8はカラーフィルタ、9は光を光電変換領域1に集光するためのオンチップレンズである。光電変換領域を構成する素子として、例えばベースに電荷を蓄積して読み出すバイポーラトランジスタ構成のBASIS、静電誘導トランジスタ(SIT)等を用いることができる(他の実施例についても同様である。)。
【0015】
図1の水平方向には、転送用MOSトランジスタM2のゲート制御線TX、リセット用MOSトランジスタM3のゲート制御線RES、選択用MOSトランジスタM5のゲート制御線SELがポリシリコン層で配線され、垂直方向に出力線5と電源線VDDがアルミ層またはアルミニウム合金層で配線されるようにレイアウトされている。図3において、φRESはリセット用トランジスタM3のゲート電位を与える制御線信号、φSELは選択用トランジスタM5のゲート電位を与える制御信号を示す。
【0016】
図1のレイアウト図及び図2の断面図から明らかなように、転送用MOSトランジスタM2のゲート電極2とゲート制御線TX、リセット用MOSトランジスタM3のゲート電極3とゲート制御線RES、選択用MOSトランジスタM5のゲート電極6とゲート制御線SEL、及び増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極4はポリシリコン層で形成されている。なお、ゲート電極とゲート制御線は同一層のポリシリコン層で形成されているので、ゲート制御線の一部がゲート電極として機能しているととらえることも可能である。
【0017】
本実施例のようにレイアウトを行なうと、ポリシリコン層とメタル層の2層の配線層しか使用しない為、図2中に示した受光面からの距離hは図16に示した従来例に比べて小さくなっている。
【0018】
本実施例の構成により、感度を落とすことなく、さらに、Fナンバーの小さい光学系でも感度が低下することなく良好な画質を実現することができた。
【0019】
なお、本発明は上記実施例1で説明したような選択用トランジスタを備えた光電変換装置に好適に用いることができるが、選択用トランジスタを設けない構成にも適用可能である。以下の実施例ではこの構成について説明する。
【0020】
(実施例2)
図4は本発明の光電変換装置の第2実施例の構成を示すレイアウト図、図5は図4の光電変換装置の等価回路図である。図4及び図5において、図1〜図3の構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を一部省略する。
【0021】
本実施例の光線変換装置の構成は図1〜図3に示した実施例1の光電変換装置の選択用MOSトランジスタM5及びゲート制御線SELがない点を除いて同じ構成である。なお、このように選択用MOSトランジスタを除いた光電変換装置は例えば特開平11−112018号公報に開示されている。
【0022】
図4の水平方向には、転送用MOSトランジスタM2のゲート制御線TX、リセット用MOSトランジスタM3のゲート制御線RESがポリシリコン層で配線され、垂直方向に出力線5と電源線VDDがアルミ層またはアルミニウム合金層で配線されるようにレイアウトされている。
【0023】
図4のレイアウト図から明らかなように、転送用MOSトランジスタM2のゲート電極2とゲート制御線TX、リセット用MOSトランジスタM3のゲート電極3とゲート制御線RES、及び増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極4はポリシリコン層で形成されている。なお、ゲート電極とゲート制御線は同一層のポリシリコン層で形成されているので、ゲート制御線の一部がゲート電極として機能しているととらえることも可能である。
【0024】
本実施例においても実施例1と同様な効果を得ることができる他、選択用MOSトランジスタM5のゲート電極、ゲート制御線SEL等がないので画素の開口率を上げる(光電変換領域の面積を増やす)ことができる。
【0025】
(実施例3)
図6は本発明の光電変換装置の第3実施例の等価回路図である。図7は本発明の光電変換装置の第3実施例の構成を示すレイアウト図、図8は図7のb−b’断面で切断した断面図である。図6〜図8において、図1〜図3の構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を一部省略する。
【0026】
本実施例は、2つの光電変換領域に対し1つのリセット用MOSトランジスタと1つの増幅用MOSトランジスタを共通に用いた2画素共通増幅CMOS型光電変換装置を示す。
【0027】
1a,1bはフォトダイオードPD1a,PD1bの光電変換領域、2a,2bは転送用MOSトランジスタM2a,M2bのゲート電極、3はリセット用MOSトランジスタM3のゲート電極、4は増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極、5は出力線である。
【0028】
図7の水平方向には、転送用MOSトランジスタM2a,M2bの2本のゲート制御線TXa,TXb、リセット用MOSトランジスタM3の1本のゲート制御線RESをポリシリコン層で配線し、垂直方向に出力線5と電源線VDDをアルミニウムまたはアルミニウム合金層で配線するようにレイアウトしている。
【0029】
図7のレイアウト図及び図8の断面図から明らかなように、転送用MOSトランジスタM2a,M2bのゲート電極2a,2bとゲート制御線TXa,TXb、リセット用MOSトランジスタM3のゲート電極3とゲート制御線RES、及び増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極4はポリシリコン層で形成されている。なお、ゲート電極とゲート制御線は同一層のポリシリコン層で形成されているので、ゲート制御線の一部がゲート電極として機能しているととらえることも可能である。
【0030】
本実施例では、2画素共通の等価回路を元にレイアウトをしている為、1画素あたり2個のトランジスタしか使用しないので実施例2に比べて更に開口率が上がるため、実施例2より感度の高いセンサを作ることが出来る。さらに、ポリシリコン層とメタル層の2層の配線層しか使用しない為、図8中に示した受光面(光電変換領域面)からの距離hは従来例に比べて小さくなっている。
【0031】
本実施例により、従来例より感度のよいセンサを実現するとともに、Fナンバーの小さい光学系でも感度が低下することなく良好な画質を実現することができた。
【0032】
(実施例4)
図9は本発明の光電変換装置の第4実施例の等価回路図である。図10は本発明の光電変換装置の第4実施例の構成を示すレイアウト図、図11は図10のc−c’断面で切断した断面図である。図9〜図11において、図1〜図3の構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を一部省略する。
【0033】
本実施例は、4つの光電変換領域に対し1つのリセット用MOSトランジスタと1つの増幅用MOSトランジスタを共通に用いた4画素共通増幅CMOS型光電変換装置を示す。
【0034】
1a,1b,1c,1dはフォトダイオードPD1a,PD1b,PD1c,PD1dの光電変換領域、2a,2b,2c,2dは転送用MOSトランジスタM2a,M2b,M2c,M2dのゲート電極、3はリセット用MOSトランジスタM3のゲート電極、4は増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極、5は出力線である。
【0035】
図10の水平方向には、転送用MOSトタンジスタM2a〜M2dの4本のゲート制御線TXa〜TXd、リセット用MOSトランジスタM3の1本のゲート制御線RESをポリシリコン層で配線し、垂直方向に出力線5と電源線VDDをアルミニウムまたはアルミニウム合金層で配線するようにレイアウトしている。
【0036】
図10のレイアウト図及び図11の断面図から明らかなように、転送用MOSトランジスタM2a〜M2dのゲート電極2a〜2dとゲート制御線TXa〜TXd、リセット用MOSトランジスタM3のゲート電極3とゲート制御線RES、及び増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極4はポリシリコン層で形成されている。なお、ゲート電極とゲート制御線は同一層のポリシリコン層で形成されているので、ゲート制御線の一部がゲート電極として機能しているととらえることも可能である。
【0037】
本実施例では、4画素共通の等価回路を元にレイアウトをしている為、1画素あたり1.5個のトランジスタしか使用しないので実施例3に比べてさらに開口率が上がるため、実施例3よりさらに感度の高いセンサを作ることが出来る。さらに、ポリシリコン層とメタル層の2層の配線層しか使用しない為、図11中に示した受光面からの距離hは従来例に比べて小さくなっている。
【0038】
本実施例により、従来例より感度のよいセンサを実現するとともに、Fナンバーの小さい光学系でも感度が低下することなく良好な画質を実現することができた。
【0039】
(実施例5)
図12は本発明の光電変換装置の第5実施例の断面図である。図1〜図3の構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を一部省略する。
【0040】
図12において、一点鎖線の右側Aは図2に示したような画素領域を示しており、一点鎖線の左側Bは周辺回路領域を示している。図12の周辺回路領域Bにおいて、10はMOSトランジスタのゲート電極、11は配線、12,14はMOSトランジスタのソース配線,ドレイン配線、13は配線である。ゲート電極10,配線11はポリシリコン1層で形成され、ソース配線12,配線13はメタル第1層で形成され、ドレイン配線14はメタル第2層で形成される。
【0041】
本実施例では、周辺回路領域Bは従来どおり、メタル2層の計3層で形成されているのに対し、画素領域Aはポリシリコン1層、メタル1層の計2層で構成されている。このため、周辺回路の構成はそのままで、画素領域のみ受光面(光電変換領域面)からの距離hを小さくすることが出来る(図12中、h<<h’)。
【0042】
本実施例により、周辺回路の構成は従来のままで画素領域の構成を変えるだけで、Fナンバーの小さい光学系でも感度が低下することなく良好な画質を実現することができた。
【0043】
(実施例6)
図13は本発明の光電変換装置の第6実施例の断面図である。図1〜図3及び図12の構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を一部省略する。
【0044】
図13において、一点鎖線の右側Aは図2に示したような画素領域を示しており、一点鎖線の左側Bは周辺回路領域を示している。図13の周辺回路領域Bにおいて、10はMOSトランジスタのゲート電極、11は配線、12,17はMOSトランジスタのソース配線,ドレイン配線、13,15,16は配線である。
【0045】
ゲート電極10,配線11はポリシリコン1層で形成され、ソース配線12,配線13はメタル第1層で形成され、配線15,16はメタル第2層で形成され、ドレイン配線17はメタル第3層で形成される。
【0046】
本実施例では、周辺回路領域Bは従来どおりポリシリコン1層、メタル3層の計4層で形成されているのに対し、画素領域Aはポリシリコン1層、メタル1層の計2層で構成されている。このため、周辺回路の構成はそのままで、画素領域のみ受光面(光電変換領域面)からの距離hを小さくすることが出来る(図13中、h<<h’)。
【0047】
本実施例により、周辺回路の構成は従来のままで画素領域の構成を変えるだけで、Fナンバーの小さい光学系でも感度が低下することなく良好な画質を実現することができた。
【0048】
次に上記各実施例の光電変換装置を用いた撮像システムについて説明する。図17に基づいて、本発明の光電変換装置をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。
【0049】
図17は本発明の固体撮像素子を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。
【0050】
図17において、101はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、102は被写体の光学像を固体撮像素子(光電変換装置)104に結像させるレンズ、103はレンズ102を通った光量を可変するための絞り、104はレンズ102で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、106は固体撮像素子104より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、107はA/D変換器106より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、108は固体撮像素子104、撮像信号処理回路105、A/D変換器106、信号処理部107に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、109は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、110は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、111は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、112は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、113は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【0051】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。
【0052】
バリア101がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器106などの撮像系回路の電源がオンされる。
【0053】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部109は絞り103を開放にし、固体撮像素子104から出力された信号はA/D変換器106で変換された後、信号処理部107に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部109で行う。
【0054】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部109は絞りを制御する。
【0055】
次に、固体撮像素子104から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部109で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【0056】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子104から出力された画像信号はA/D変換器106でA−D変換され、信号処理部107を通り全体制御・演算109によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部110に蓄積されたデータは、全体制御・演算部109の制御により記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体112に記録される。又外部I/F部113を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【0057】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明の好適な実施の態様は以下に説明する態様である。
【0058】
(実施態様1) 光電変換領域と該光電変換領域から信号読みだしを行うための複数のトランジスタを有する単位画素が二次元状に複数配され、
前記複数のトランジスタの制御電極に電位を与える制御線と、前記単位画素からの信号を出力する出力線と、前記複数のトランジスタの少なくとも1つに接続された電源線と、を有する光電変換装置において、
前記複数のトランジスタの各制御電極と前記制御線とは第一の配線層で構成され、前記出力線と前記電源線とは第二の配線層で構成されていることを特徴とする光電変換装置。
【0059】
(実施態様2) 前記複数のトランジスタの少なくとも一つは絶縁ゲート型トランジスタで構成されていることを特徴とする光電変換装置。
【0060】
(実施態様3) 前記第一の配線層はポリシリコン層であることを特徴とする実施態様1又は2に記載の光電変換装置。
【0061】
(実施態様4) 前記第二の配線層はアルミ層或いはアルミニウム合金層であることを特徴とする実施態様1又は2に記載の光電変換装置。
【0062】
(実施態様5) 前記第一の配線層及び第二の配線層は直角に交差していることを特徴とする実施態様1又は2に記載の光電変換装置。
【0063】
(実施態様6) 平坦化膜を介してカラーフィルタが配されていることを特徴とする実施態様1又は2に記載の光電変換装置。
【0064】
(実施態様7) 前記複数のトランジスタは、前記光電変換領域からの信号電荷を蓄積領域に転送する転送トランジスタ、前記蓄積領域をリセットするリセットトランジスタであることを特徴とする実施態様1に記載の光電変換装置。
【0065】
(実施態様8) 前記単位画素内に、前記信号電荷を増幅する増幅トランジスタを有することを特徴とする実施態様7に記載に光電変換装置。
【0066】
(実施態様9) 前記単位画素内に、特定の光電変換領域を選択する選択トランジスタを有することを特徴とする実施態様7又は8に記載の光電変換装置。
【0067】
(実施態様10) 実施態様7に記載の光電変換装置は前記信号電荷を増幅する増幅トランジスタを有し、前記増幅トランジスタの入力部には複数の前記光電変換領域が前記転送トランジスタを介して接続されていることを特徴とする光電変換装置。
【0068】
(実施態様11) 前記単位画素が二次元状に複数配されてなる画素領域は配線が前記第一の配線層と前記第二の配線層とから構成され、前記画素領域を動作させる回路が配されている周辺領域は配線が3層以上の配線層から構成されることを特徴とする実施態様1に記載の光電変換装置。
【0069】
(実施態様12) 実施態様1〜11のいずれか1項に記載の光電変換装置と、該光電変換装置へ光を結像する光学系と、該光電変換装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光電変換領域面からの高さを低くすることが可能となり、Fナンバーの小さい光学系でも感度が低下することなく良好な画質を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電変換装置の第1実施例の構成を示すレイアウト図である。
【図2】図1のa−a’断面で切断した断面図である。
【図3】図1の光電変換装置の等価回路図である。
【図4】本発明の光電変換装置の第2実施例の構成を示すレイアウト図である。
【図5】図4の光電変換装置の等価回路図である。
【図6】本発明の光電変換装置の第3実施例の等価回路図である。
【図7】本発明の光電変換装置の第3実施例の構成を示すレイアウト図である。
【図8】図7のb−b’断面で切断した断面図である。
【図9】本発明の光電変換装置の第4実施例の等価回路図である。
【図10】本発明の光電変換装置の第4実施例の構成を示すレイアウト図である。
【図11】図10のc−c’断面で切断した断面図である。
【図12】本発明の光電変換装置の第5実施例の断面図である。
【図13】本発明の光電変換装置の第6実施例の断面図である。
【図14】従来のCMOS型光電変換装置の等価回路図である。
【図15】上記CMOS型光電変換装置のレイアウト図である。
【図16】図15のX−X線断面図である。
【図17】本発明の光電変換装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 光電変換領域(フォトダイオード部)
2 転送用MOSトランジスタM2のゲート電極
3 リセット用MOSトランジスタM3のゲート電極
4 増幅用MOSトランジスタM4のゲート電極
5 出力線
6 選択用MOSトランジスタM5のゲート電極
7 フローティングディフュージョン(FD)領域
8 カラーフィルタ
9 オンチップレンズ
TX,TXa〜TXd 転送用MOSトランジスタのゲート制御線
RES リセット用MOSトランジスタのゲート制御線
SEL 選択用MOSトランジスタM5のゲート制御線
VDD 電源線
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a photoelectric conversion device in which a plurality of unit pixels each having a photoelectric conversion region and a plurality of transistors for reading signals from the photoelectric conversion region are two-dimensionally arranged.
[0002]
[Prior art]
In recent years, CMOS-type photoelectric conversion elements have been reviewed due to the merit that they can be operated with a single power supply with lower power consumption than the CCD type, and the light receiving section and peripheral circuits can be manufactured in the same CMOS process and can be easily integrated. There is a move towards commercialization. Since the CMOS type photoelectric conversion device has a large number of elements per pixel, it is required to increase the aperture ratio by wiring metal layers in multiple layers.
[0003]
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of a CMOS photoelectric conversion device described in Patent Document 1, and FIG. 15 is a layout diagram of the CMOS photoelectric conversion device. FIG. 16 is a sectional view taken along line XX of FIG. 15 (adjacent pixels are not shown). FIG. 15 shows only four pixels. In the following description, only the pixel related to the photodiode unit PD2 will be described.
[0004]
Around the photodiode section PD2, the gate 2 of the transfer transistor M2, the floating diffusion (FD) 7, the gate 3 of the reset transistor M3, the gate 6 of the selection transistor M5, the gate 4 of the amplification transistor M4, the output Line 5 is provided. Further, TX is a control line for giving the gate potential of the transfer transistor M2, RES is a control line for giving the gate potential of the reset transistor M3, and SEL is a control line for giving the gate potential of the selection transistor M5. φTX is a control signal for giving the gate potential of the transfer transistor M2, φRES is a control line signal for giving the gate potential of the reset transistor M3, and φSEL is a control signal for giving the gate potential of the selection transistor M5.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-195776
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIGS. 15 and 16, the drive line of the CMOS photoelectric conversion device had a three-layer structure of a polysilicon layer, an aluminum first layer, and an aluminum second layer.
[0007]
When shrinking the chip size, the simplest method is to simply reduce the layout of the conventional example to a desired size. However, when the chip size is shrunk by this method, it is difficult to reduce the size in the height direction even if the size can be reduced in the vertical and horizontal directions.
[0008]
According to the conventional example described with reference to FIGS. 14 to 16, since wiring is performed using two metal (aluminum) layers, even if the distance h (described in FIG. 16) from the light receiving surface is reduced, there is no limitation. is there. In other amplifying CMOS photoelectric conversion devices, there are cases where three metal layers are used to increase the area of the light receiving portion. In this case, the distance from the light receiving surface is higher than h in FIG. turn into. In a sensor whose height from the light receiving surface of the chip is high, the sensitivity decreases with an optical system having a small F-number. In particular, in a sensor such as a digital camera that requires high image quality, the problem is that the sensitivity is reduced by an optical system having a small F number.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a configuration in which a height from a light receiving surface is reduced when a pixel size is shrunk in a photoelectric conversion device such as a CMOS photoelectric conversion device as described above.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the photoelectric conversion device of the present invention, a plurality of unit pixels each including a plurality of transistors for reading signals from the photoelectric conversion region and the photoelectric conversion region are arranged in a two-dimensional manner,
A photoelectric conversion device, comprising: a control line that applies a potential to control electrodes of the plurality of transistors; an output line that outputs a signal from the unit pixel; and a power supply line connected to at least one of the plurality of transistors. ,
The photoelectric conversion device, wherein each control electrode of the plurality of transistors and the control line are configured by a first wiring layer, and the output line and the power supply line are configured by a second wiring layer. It is.
[0011]
In the embodiment described below, a photodiode is used as an element constituting the photoelectric conversion region, and a MOS transistor is used as a transistor, but another configuration may be used.
[0012]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
(Example 1)
FIG. 1 is a layout diagram showing the configuration of a first embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line aa 'of FIG. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device of FIG.
[0014]
1 to 3, reference numeral 1 denotes a photoelectric conversion region (photodiode portion); 2 denotes a gate electrode of a transfer MOS transistor M2 for transferring charges accumulated in the photoelectric conversion region 1 to a floating diffusion (FD) region 7; Reference numeral 3 denotes a gate electrode of the reset MOS transistor M3 (which serves as a control electrode). Reference numeral 4 denotes a gate electrode of the amplification MOS transistor M4. Reference numeral 5 denotes an output line. Reference numeral 6 denotes a selection MOS transistor M5. It is a gate electrode. In FIG. 2, reference numeral 8 denotes a color filter, and 9 denotes an on-chip lens for condensing light on the photoelectric conversion region 1. As an element constituting the photoelectric conversion region, for example, a bipolar transistor-structured BASIS, a static induction transistor (SIT), or the like that stores and reads out electric charges in a base can be used (the same applies to other embodiments).
[0015]
In the horizontal direction of FIG. 1, the gate control line TX of the transfer MOS transistor M2, the gate control line RES of the reset MOS transistor M3, and the gate control line SEL of the selection MOS transistor M5 are wired in a polysilicon layer. The output line 5 and the power supply line VDD are laid out in an aluminum layer or an aluminum alloy layer. In FIG. 3, φRES represents a control line signal for giving the gate potential of the resetting transistor M3, and φSEL represents a control signal for giving the gate potential of the selecting transistor M5.
[0016]
As is clear from the layout diagram of FIG. 1 and the sectional view of FIG. 2, the gate electrode 2 and the gate control line TX of the transfer MOS transistor M2, the gate electrode 3 and the gate control line RES of the reset MOS transistor M3, and the selection MOS The gate electrode 6 and the gate control line SEL of the transistor M5, and the gate electrode 4 of the amplifying MOS transistor M4 are formed of a polysilicon layer. Note that since the gate electrode and the gate control line are formed of the same polysilicon layer, a part of the gate control line can be regarded as functioning as a gate electrode.
[0017]
When the layout is performed as in the present embodiment, only the two wiring layers of the polysilicon layer and the metal layer are used. Therefore, the distance h from the light receiving surface shown in FIG. 2 is smaller than that of the conventional example shown in FIG. It is getting smaller.
[0018]
According to the configuration of the present embodiment, it is possible to realize good image quality without lowering the sensitivity and without lowering the sensitivity even in an optical system having a small F-number.
[0019]
Note that the present invention can be suitably used for a photoelectric conversion device including a selection transistor as described in the first embodiment, but can also be applied to a configuration without a selection transistor. The following embodiment describes this configuration.
[0020]
(Example 2)
FIG. 4 is a layout diagram showing the configuration of a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention, and FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device of FIG. 4 and 5, the same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is partially omitted.
[0021]
The configuration of the light beam conversion device of the present embodiment is the same as that of the photoelectric conversion device of Embodiment 1 shown in FIGS. 1 to 3 except that there is no selection MOS transistor M5 and no gate control line SEL. The photoelectric conversion device excluding the selection MOS transistor is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-112018.
[0022]
In the horizontal direction of FIG. 4, the gate control line TX of the transfer MOS transistor M2 and the gate control line RES of the reset MOS transistor M3 are wired with a polysilicon layer, and the output line 5 and the power supply line VDD are vertically wired with an aluminum layer. Alternatively, the wiring is laid out with an aluminum alloy layer.
[0023]
As is clear from the layout diagram of FIG. 4, the gate electrode 2 and the gate control line TX of the transfer MOS transistor M2, the gate electrode 3 and the gate control line RES of the reset MOS transistor M3, and the gate electrode of the amplification MOS transistor M4. 4 is formed of a polysilicon layer. Note that since the gate electrode and the gate control line are formed of the same polysilicon layer, a part of the gate control line can be regarded as functioning as a gate electrode.
[0024]
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, since there is no gate electrode of the selection MOS transistor M5, the gate control line SEL, and the like, the aperture ratio of the pixel is increased (the area of the photoelectric conversion region is increased). )be able to.
[0025]
(Example 3)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a third embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 7 is a layout diagram showing the configuration of a third embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line bb 'of FIG. 6 to 8, the same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and a description thereof is partially omitted.
[0026]
This embodiment shows a two-pixel common amplification CMOS photoelectric conversion device using one reset MOS transistor and one amplification MOS transistor in common for two photoelectric conversion regions.
[0027]
1a and 1b are photoelectric conversion regions of the photodiodes PD1a and PD1b, 2a and 2b are gate electrodes of transfer MOS transistors M2a and M2b, 3 is a gate electrode of a reset MOS transistor M3, and 4 is a gate electrode of an amplification MOS transistor M4. Reference numerals 5 and 5 are output lines.
[0028]
In the horizontal direction of FIG. 7, two gate control lines TXa and TXb of the transfer MOS transistors M2a and M2b and one gate control line RES of the reset MOS transistor M3 are wired in a polysilicon layer, and are vertically aligned. The layout is such that the output line 5 and the power supply line VDD are wired in an aluminum or aluminum alloy layer.
[0029]
As is apparent from the layout diagram of FIG. 7 and the cross-sectional view of FIG. 8, the gate electrodes 2a and 2b of the transfer MOS transistors M2a and M2b, the gate control lines TXa and TXb, the gate electrode 3 and the gate control of the reset MOS transistor M3. The line RES and the gate electrode 4 of the amplification MOS transistor M4 are formed of a polysilicon layer. Note that since the gate electrode and the gate control line are formed of the same polysilicon layer, a part of the gate control line can be regarded as functioning as a gate electrode.
[0030]
In the present embodiment, the layout is based on an equivalent circuit common to two pixels, and since only two transistors are used per pixel, the aperture ratio is further increased as compared with the second embodiment. Sensor with high performance. Further, since only two wiring layers of the polysilicon layer and the metal layer are used, the distance h from the light receiving surface (photoelectric conversion region surface) shown in FIG. 8 is smaller than that of the conventional example.
[0031]
According to the present embodiment, a sensor having higher sensitivity than the conventional example was realized, and good image quality could be realized without lowering the sensitivity even in an optical system having a small F-number.
[0032]
(Example 4)
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a fourth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 10 is a layout diagram showing a configuration of a fourth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line cc 'of FIG. 9 to 11, the same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and a description thereof is partially omitted.
[0033]
This embodiment shows a four-pixel common amplification CMOS type photoelectric conversion device in which one reset MOS transistor and one amplification MOS transistor are commonly used for four photoelectric conversion regions.
[0034]
1a, 1b, 1c, 1d are photoelectric conversion regions of photodiodes PD1a, PD1b, PD1c, PD1d, 2a, 2b, 2c, 2d are gate electrodes of transfer MOS transistors M2a, M2b, M2c, M2d, and 3 is a reset MOS. A gate electrode 4 of the transistor M3 is a gate electrode of the amplifying MOS transistor M4, and 5 is an output line.
[0035]
In the horizontal direction of FIG. 10, four gate control lines TXa to TXd of the transfer MOS transistors M2a to M2d and one gate control line RES of the reset MOS transistor M3 are wired in a polysilicon layer. The layout is such that the output line 5 and the power supply line VDD are wired in an aluminum or aluminum alloy layer.
[0036]
As is clear from the layout diagram of FIG. 10 and the sectional view of FIG. 11, the gate electrodes 2a to 2d of the transfer MOS transistors M2a to M2d and the gate control lines TXa to TXd, the gate electrode 3 of the reset MOS transistor M3 and the gate control The line RES and the gate electrode 4 of the amplification MOS transistor M4 are formed of a polysilicon layer. Note that since the gate electrode and the gate control line are formed of the same polysilicon layer, a part of the gate control line can be regarded as functioning as a gate electrode.
[0037]
In the present embodiment, the layout is based on the equivalent circuit common to the four pixels, so that only 1.5 transistors are used per pixel. Therefore, the aperture ratio is further increased as compared with the third embodiment. A sensor with even higher sensitivity can be made. Further, since only two wiring layers, ie, a polysilicon layer and a metal layer, are used, the distance h from the light receiving surface shown in FIG. 11 is smaller than that of the conventional example.
[0038]
According to the present embodiment, a sensor having higher sensitivity than the conventional example was realized, and good image quality could be realized without lowering the sensitivity even in an optical system having a small F-number.
[0039]
(Example 5)
FIG. 12 is a sectional view of a fifth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. The same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is partially omitted.
[0040]
12, the right side A of the dashed line indicates the pixel region as shown in FIG. 2, and the left side B of the dashed line indicates the peripheral circuit region. In the peripheral circuit region B of FIG. 12, 10 is a gate electrode of a MOS transistor, 11 is a wiring, 12 and 14 are a source wiring and a drain wiring of the MOS transistor, and 13 is a wiring. The gate electrode 10 and the wiring 11 are formed of a single layer of polysilicon, the source wiring 12 and the wiring 13 are formed of a first metal layer, and the drain wiring 14 is formed of a second metal layer.
[0041]
In the present embodiment, the peripheral circuit region B is formed by a total of three layers of two metal layers as in the related art, whereas the pixel region A is formed by a total of two layers of one layer of polysilicon and one metal layer. . Therefore, the distance h from the light receiving surface (photoelectric conversion region surface) only in the pixel region can be reduced without changing the configuration of the peripheral circuit (h << h ′ in FIG. 12).
[0042]
According to the present embodiment, good image quality can be realized without deteriorating the sensitivity even in an optical system having a small F-number by simply changing the configuration of the pixel region while keeping the configuration of the peripheral circuit unchanged.
[0043]
(Example 6)
FIG. 13 is a sectional view of a sixth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. The same components as those in FIGS. 1 to 3 and 12 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is partially omitted.
[0044]
In FIG. 13, the right side A of the dashed line indicates a pixel region as shown in FIG. 2, and the left side B of the dashed line indicates a peripheral circuit region. In the peripheral circuit region B of FIG. 13, 10 is a gate electrode of a MOS transistor, 11 is a wiring, 12 and 17 are source and drain wirings of the MOS transistor, and 13, 15, and 16 are wirings.
[0045]
The gate electrode 10 and the wiring 11 are formed of a single layer of polysilicon, the source wiring 12 and the wiring 13 are formed of a first metal layer, the wirings 15 and 16 are formed of a second metal layer, and the drain wiring 17 is formed of a third metal layer. Formed in layers.
[0046]
In the present embodiment, the peripheral circuit area B is formed by a total of four layers of one layer of polysilicon and three layers of metal as in the past, whereas the pixel area A is formed of two layers of one layer of polysilicon and one metal. It is configured. Therefore, the distance h from the light receiving surface (photoelectric conversion region surface) only in the pixel region can be reduced without changing the configuration of the peripheral circuit (h << h ′ in FIG. 13).
[0047]
According to the present embodiment, good image quality can be realized without deteriorating the sensitivity even in an optical system having a small F-number by simply changing the configuration of the pixel region while keeping the configuration of the peripheral circuit unchanged.
[0048]
Next, an imaging system using the photoelectric conversion device of each of the above embodiments will be described. An embodiment in which the photoelectric conversion device of the present invention is applied to a still camera will be described in detail with reference to FIG.
[0049]
FIG. 17 is a block diagram showing a case where the solid-state imaging device of the present invention is applied to a “still video camera”.
[0050]
In FIG. 17, reference numeral 101 denotes a barrier that serves both as protection of the lens and as a main switch; 102, a lens for forming an optical image of a subject on a solid-state imaging device (photoelectric conversion device) 104; 103, for varying the amount of light passing through the lens 102; Reference numeral 104 denotes a solid-state imaging device for capturing a subject formed by the lens 102 as an image signal; 106, an A / D converter for performing analog-digital conversion of an image signal output from the solid-state imaging device 104; Denotes a signal processing unit that performs various corrections on the image data output from the A / D converter 106 and compresses the data. 108 denotes a solid-state imaging device 104, an imaging signal processing circuit 105, an A / D converter 106, and signal processing. A timing generation unit that outputs various timing signals to a unit 107, and a control unit 109 controls various calculations and the entire still video camera. An overall control / arithmetic unit; 110, a memory unit for temporarily storing image data; 111, an interface unit for recording or reading on a recording medium; 112, a semiconductor for recording or reading image data A detachable recording medium such as a memory, and 113 is an interface unit for communicating with an external computer or the like.
[0051]
Next, the operation of the still video camera at the time of shooting in the above configuration will be described.
[0052]
When the barrier 101 is opened, the main power is turned on, the power of the control system is turned on, and the power of the imaging system circuit such as the A / D converter 106 is turned on.
[0053]
Then, in order to control the amount of exposure, the overall control / arithmetic unit 109 opens the aperture 103, and the signal output from the solid-state imaging device 104 is converted by the A / D converter 106, Is entered. Exposure calculation is performed by the overall control / calculation unit 109 based on the data.
[0054]
The brightness is determined based on the result of the photometry, and the overall control / calculation unit 109 controls the aperture according to the result.
[0055]
Next, based on the signal output from the solid-state imaging device 104, a high-frequency component is extracted, and the distance to the subject is calculated by the overall control / calculation unit 109. Thereafter, the lens is driven to determine whether or not the lens is in focus. If it is determined that the lens is not in focus, the lens is driven again to measure the distance.
[0056]
Then, after the focus is confirmed, the main exposure starts. When the exposure is completed, the image signal output from the solid-state imaging device 104 is A / D converted by the A / D converter 106, passes through the signal processing unit 107, and is written in the memory unit by the overall control / operation 109. Thereafter, the data stored in the memory unit 110 is recorded on a removable recording medium 112 such as a semiconductor memory through a recording medium control I / F unit under the control of the overall control / arithmetic unit 109. Further, the image may be processed by directly inputting it to a computer or the like through the external I / F unit 113.
[0057]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the preferred embodiments of the present invention are the embodiments described below.
[0058]
(Embodiment 1) A plurality of unit pixels each having a photoelectric conversion region and a plurality of transistors for reading signals from the photoelectric conversion region are two-dimensionally arranged.
A photoelectric conversion device, comprising: a control line that applies a potential to control electrodes of the plurality of transistors; an output line that outputs a signal from the unit pixel; and a power supply line connected to at least one of the plurality of transistors. ,
The photoelectric conversion device, wherein each control electrode of the plurality of transistors and the control line are configured by a first wiring layer, and the output line and the power supply line are configured by a second wiring layer. .
[0059]
(Embodiment 2) A photoelectric conversion device, wherein at least one of the plurality of transistors is constituted by an insulated gate transistor.
[0060]
(Embodiment 3) The photoelectric conversion device according to embodiment 1 or 2, wherein the first wiring layer is a polysilicon layer.
[0061]
(Embodiment 4) The photoelectric conversion device according to embodiment 1 or 2, wherein the second wiring layer is an aluminum layer or an aluminum alloy layer.
[0062]
(Embodiment 5) The photoelectric conversion device according to embodiment 1 or 2, wherein the first wiring layer and the second wiring layer intersect at right angles.
[0063]
(Embodiment 6) The photoelectric conversion device according to Embodiment 1 or 2, wherein a color filter is provided via a flattening film.
[0064]
(Embodiment 7) The photoelectric conversion device according to embodiment 1, wherein the plurality of transistors are a transfer transistor that transfers a signal charge from the photoelectric conversion region to a storage region and a reset transistor that resets the storage region. Conversion device.
[0065]
(Eighth Embodiment) The photoelectric conversion device according to the seventh embodiment, wherein an amplification transistor for amplifying the signal charge is provided in the unit pixel.
[0066]
(Embodiment 9) The photoelectric conversion device according to embodiment 7 or 8, wherein a selection transistor for selecting a specific photoelectric conversion region is provided in the unit pixel.
[0067]
(Embodiment 10) The photoelectric conversion device according to Embodiment 7 includes an amplification transistor that amplifies the signal charge, and a plurality of the photoelectric conversion regions are connected to an input portion of the amplification transistor via the transfer transistor. A photoelectric conversion device characterized in that:
[0068]
(Embodiment 11) In a pixel region in which a plurality of unit pixels are two-dimensionally arranged, wiring is configured by the first wiring layer and the second wiring layer, and a circuit for operating the pixel region is arranged. 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the peripheral region includes three or more wiring layers.
[0069]
(Embodiment 12) The photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 11, an optical system that forms light on the photoelectric conversion device, and signal processing that processes an output signal from the photoelectric conversion device. An imaging system comprising a circuit.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the height from the photoelectric conversion region surface, and it is possible to provide good image quality without lowering the sensitivity even in an optical system having a small F-number. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a layout diagram showing a configuration of a first embodiment of a photoelectric conversion device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device of FIG.
FIG. 4 is a layout diagram showing a configuration of a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device of FIG.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a third embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 7 is a layout diagram showing a configuration of a third embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line bb ′ of FIG. 7;
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a fourth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 10 is a layout diagram showing a configuration of a fourth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line cc ′ of FIG. 10;
FIG. 12 is a sectional view of a fifth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view of a sixth embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of a conventional CMOS photoelectric conversion device.
FIG. 15 is a layout diagram of the CMOS photoelectric conversion device.
16 is a sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 17 is a block diagram showing a case where the photoelectric conversion device of the present invention is applied to a still video camera.
[Explanation of symbols]
1. Photoelectric conversion area (photodiode section)
2 Gate electrode of transfer MOS transistor M2 3 Gate electrode of reset MOS transistor M3 4 Gate electrode 5 of amplification MOS transistor M4 Output line 6 Gate electrode of selection MOS transistor M5 7 Floating diffusion (FD) region 8 Color filter 9 On-chip lenses TX, TXa to TXd Gate control line RES of transfer MOS transistor Gate control line SEL of reset MOS transistor Gate control line VDD of selection MOS transistor M5 Power supply line

Claims (1)

光電変換領域と該光電変換領域から信号読みだしを行うための複数のトランジスタを有する単位画素が二次元状に複数配され、
前記複数のトランジスタの制御電極に電位を与える制御線と、前記単位画素からの信号を出力する出力線と、前記複数のトランジスタの少なくとも1つに接続された電源線と、を有する光電変換装置において、
前記複数のトランジスタの各制御電極と前記制御線とは第一の配線層で構成され、前記出力線と前記電源線とは第二の配線層で構成されていることを特徴とする光電変換装置。
A plurality of unit pixels each including a plurality of transistors for performing signal reading from the photoelectric conversion region and the photoelectric conversion region are arranged in a two-dimensional manner,
A photoelectric conversion device, comprising: a control line that applies a potential to control electrodes of the plurality of transistors; an output line that outputs a signal from the unit pixel; and a power supply line connected to at least one of the plurality of transistors. ,
The photoelectric conversion device, wherein each control electrode of the plurality of transistors and the control line are configured by a first wiring layer, and the output line and the power supply line are configured by a second wiring layer. .
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