JP2005020716A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射光を光電変換するための複数の光電変換部が配置された固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion units for photoelectrically converting incident light are arranged.
FDA(Floating Diffusion Amplifier)方式のMOS型イメージセンサが知られている。このMOS型イメージセンサでは、4つのトランジスタゲート及び5本の配線を有する光電変換セルが一般的に使用される(特許文献1参照)。 A FDA (Floating Diffusion Amplifier) type MOS image sensor is known. In this MOS type image sensor, a photoelectric conversion cell having four transistor gates and five wirings is generally used (see Patent Document 1).
また、MOS型イメージセンサの消費電力の削減や開口率の向上を目的として、光電変換セル自体の構成を工夫したものもあった(特許文献2,3参照)。
上記4つのトランジスタゲート及び5本の配線を有する光電変換セルにおいて、例えば光電変換セルの面積が4.1μm×4.1μmである場合、0.35μmルールで設計を行うと、フォトダイオードからなる光電変換部の開口率は5%程度しかない。 In the photoelectric conversion cell having the above four transistor gates and five wirings, for example, when the area of the photoelectric conversion cell is 4.1 μm × 4.1 μm, if the design is performed with the rule of 0.35 μm, the photoelectric conversion cell composed of a photodiode is used. The aperture ratio of the conversion part is only about 5%.
本発明の目的は、隣接行の光電変換セルに着目して、各光電変換セル内における光電変換部の開口率を向上することにある。 An object of the present invention is to improve an aperture ratio of a photoelectric conversion unit in each photoelectric conversion cell by paying attention to photoelectric conversion cells in adjacent rows.
上記目的を達成するため、本発明によれば、2次元状に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部の電荷が転送されるフローティングディフュージョン(FD)部と、前記光電変換部の電荷を前記FD部に転送するための転送ゲートと、前記FD部の電位を検出する画素アンプと、前記画素アンプの検出信号が出力される出力信号線とを備えた固体撮像装置において、隣り合う1対の行の前記光電変換部に各々付設された前記転送ゲートに対して、前記転送ゲートをスイッチングする信号を供給する読み出し配線が共通に設けられ、共通の前記読み出し配線を通じて前記各転送ゲートをスイッチングして、隣り合う1対の行の前記光電変換部の電荷を、互いに異なる各々の前記FD部に転送し、各々の前記FD部に対応して設けられた前記画素アンプにより、発生した前記電荷を検出する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a plurality of photoelectric conversion units arranged two-dimensionally, a floating diffusion (FD) unit to which charges of the photoelectric conversion unit are transferred, and the photoelectric conversion unit In a solid-state imaging device comprising: a transfer gate for transferring charges to the FD unit; a pixel amplifier for detecting the potential of the FD unit; and an output signal line for outputting a detection signal of the pixel amplifier. A readout wiring for supplying a signal for switching the transfer gate is provided in common to the transfer gates attached to the photoelectric conversion units in a pair of rows, and the transfer gates are connected through the common readout wiring. Switching is performed to transfer the charges of the photoelectric conversion units in a pair of adjacent rows to the FD units different from each other, and provided corresponding to the FD units. The serial pixel amplifier, detects the generated electric charge.
本発明によれば、1光電変換セルあたりのトランジスタ数及び配線数を削減することができ、光電変換部の開口率が向上する。また、2行単位で読み出すため、全ての光電変換セルからの電荷を短時間に読み出すことができる。 According to the present invention, the number of transistors and the number of wirings per photoelectric conversion cell can be reduced, and the aperture ratio of the photoelectric conversion unit is improved. Further, since reading is performed in units of two rows, charges from all the photoelectric conversion cells can be read out in a short time.
以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, solid-state imaging devices according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る固体撮像装置の構成例を示している。図1において、1〜8は光電変換を行うフォトダイオード(PD)部である。各PD部1〜8に隣接して、光電変換後の電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(FD)部9〜14が配置されている。各PD部1〜8から各FD部9〜14への電荷転送は、転送ゲート15〜22を介して行われる。FD部9〜14には、その電荷を排出するためのリセットゲート23,24が接続されている。またFD部9〜14は、その電荷検出を行うための画素アンプ25〜28のゲートに接続されている。負荷トランジスタ29〜32は、画素アンプ25〜28とともにソースフォロアアンプを形成する。
FIG. 1 shows a configuration example of a solid-state imaging device according to the present invention. In FIG. 1,
図1において、33はセル電源線(VDDCELL)、34及び35は転送ゲート15〜22にパルス電圧を印加するための読み出しパルス線(READ)、36及び37はFD部9〜14の電荷を排出するためのリセットパルス線(RESET)、38〜41はFD部9〜14の検出電圧を伝える出力信号線(VOUT)、42は負荷トランジスタ29〜32のゲートに信号を印加する負荷ゲート線、43は負荷トランジスタ29〜32のソース電源線である。
In FIG. 1, 33 is a cell power line (VDDCELL), 34 and 35 are read pulse lines (READ) for applying a pulse voltage to the
図2は、図1の固体撮像装置における1水平ブランキング期間内の駆動タイミングを示している。信号電荷の検出は、ある水平ブランキング期間に1行目及び2行目に配置されている光電変換セルについて行い、次の水平ブランキング期間に3行目及び4行目というように、2行毎に検出を行う。この際、2行同時に信号電荷の検出を行う。 FIG. 2 shows drive timings within one horizontal blanking period in the solid-state imaging device of FIG. The signal charge is detected for the photoelectric conversion cells arranged in the first and second rows in a certain horizontal blanking period, and in the next horizontal blanking period, the second and third rows are used. Detection is performed every time. At this time, signal charges are detected simultaneously for two rows.
まず、1行目及び2行目のPD部1,5,2,6の電荷を転送する。そのため、負荷トランジスタ29,30,31,32を定電流源にするように負荷ゲート線42及びソース電源線43に各々所定の電圧を印加する。次に、セル電源線33をHIGHにした後、リセットパルス線36,37をHIGHにしてリセットゲート23,24をオンにし、FD部9,10,12,13の電荷を排出する。このとき画素アンプ25,26,27,28でリセット時の信号レベルを検出し、出力信号線38,39,40,41を通してノイズキャンセル回路(図示せず)において黒レベルの信号クランプを行う。
First, charges in the
次に、リセットパルス線36,37をLOWにしてリセットゲート23,24をオフさせた後、読み出しパルス線34にHIGH電圧を印加して、転送ゲート15,16,19,20をオンにする。それにより、PD部1,2,5,6に蓄積された電荷を、各々対応するFD部9,10,12,13に転送する。各FD部9,10,12,13に転送した電荷について、各々画素アンプ25,26,27,28により信号蓄積レベルを検出し、各々出力信号線38,39,40,41を通してノイズキャンセル回路にて信号サンプリングを行う。この動作により、画素アンプ25,26,27,28の持つ閾値ばらつき及びノイズ成分を除去した出力信号を検出することができる。
Next, the
次に、セル電源線33をLOWにするとともに、リセットパルス線36,37をHIGHにしてリセットゲート23,24をオンさせると、FD部9,10,12,13はセル電源線33のLOWレベルになり、画素アンプ25,26,27,28は動作しなくなる。以後、不図示の垂直ライン走査回路で読み出しパルス線34が選択されるまで当該画素アンプ25,26,27,28は動作しないため、非選択状態となる。そして、次の水平ブランキング期間には、同様の駆動タイミングで、3行目、4行目にあるPD部3,4,7,8の電荷を、出力信号線38,39,40,41から検出する。
Next, when the
以上のとおり、図1の構成によれば、隣り合う1対の行のPD部(例えば1,2,5,6)に各々付設された転送ゲート15,16,19,20に対して、スイッチング用の信号を供給する読み出しパルス線34が共通に設けられ、それにより各転送ゲートをスイッチングして、隣り合う1対の行のPD部の電荷を、互いに異なるFD部9,10,12,13に転送し、各FD部に対応して設けられた画素アンプ25,26,27,28により、発生した電荷を検出するので、1光電変換セルあたりの読み出し配線数が削減され、セルサイズの微細化に寄与できる。また、1対の行の画素信号が出力信号線38,39,40,41上に同時に得られるので、当該固体撮像装置上の全光電変換セルからの電荷を高速に読み出すことができる。
As described above, according to the configuration of FIG. 1, switching is performed for the
また、前記隣り合う1対の行のうちの一方の行におけるPD部2,6と、前記1対を成さない行であって前記一方の行と隣り合う行におけるPD部3,7とに対して、FD部10,13及び画素アンプ26,28が共通に設けられたことにより、1光電変換セルあたりのFD部の数及び画素アンプの数を削減できる。
In addition, the
また、同一行に配置されかつ隣り合うPD部(例えば1,5)に対して、共通のドレイン部を用いた画素アンプ25,27が各々設けられ、各画素アンプから異なる出力信号線38,41へ電荷を検出することとしたことにより、1光電変換セルあたりのドレイン部の数を削減することができる。
Further,
具体的には、図1の回路構成を採用することにより、1光電変換セルあたりのトランジスタ数及び配線数は、それぞれ1.75個及び2.75本となる。例えば、1光電変換セルの面積が4.1μm×4.1μmの場合、0.35μmルールで設計を行うと、各PD部1〜8の開口率は30%にもなる。
Specifically, by adopting the circuit configuration of FIG. 1, the number of transistors and the number of wirings per photoelectric conversion cell are 1.75 and 2.75, respectively. For example, when the area of one photoelectric conversion cell is 4.1 μm × 4.1 μm, the aperture ratio of each of the
また、FD部(例えば9,12)の電位をリセットするためのリセットゲート23を更に設けたので、PD部1,5からの信号を出力信号線38,41で検出した後に、画素アンプ25,27からの信号転送を停止することができる。なお、このリセットゲート23は、1行目のPD部1,5の電荷を転送するFD部9,12を同時にリセットすることが可能である。また、他のリセットゲート24は、2行目、3行目のPD部2,3,6,7の電荷を転送するFD部10,13を同時にリセットすることが可能である。
Further, since the
また、FD部9〜14及び画素アンプ25〜28が設けられた領域と、読み出しパルス線34,35が設けられた領域とが交互に配置されたので、各PD部1〜8を等ピッチに配置することが容易となり、均質な画像が得られやすくなる。
In addition, since the regions where the FD portions 9 to 14 and the
図3は、図1の固体撮像装置の部分断面図である。図3に示すように、シリコン基板54上にPD部1などが形成され、ゲート酸化膜56上にゲート電極(ポリシリコン膜)51が形成されている。そして、層間膜55を介して第1層金属配線52及び第2層金属配線53を配置している。ここに、セル電源線33として機能する第2層金属配線53は、FD部9〜14の遮光膜を兼ねている。このようにして、出力信号線38〜41と異なる平面上にセル電源線33を形成すれば、更なる開口率の向上を図ることができる。上記と同様の条件で設計すると、各PD部1〜8の開口率は32%にもなり、感度向上につながる。
3 is a partial cross-sectional view of the solid-state imaging device of FIG. As shown in FIG. 3, the
図4は、図1の固体撮像装置をセンサモジュール62として用いたカメラモジュール61のブロック図である。図4のカメラモジュール61は、図1の構成を有するセンサモジュール62と、当該センサモジュール62を駆動させる信号を伝達する駆動回路63と、当該センサモジュール62から図1に示した出力信号線38〜41を介して読み出された信号の処理を行うデジタル信号プロセッサ(DSP)68とから構成される。センサモジュール62から読み出された信号は、DSP68の前処理部64に一時蓄積される。センサモジュール62では2行毎にPD部1〜8の蓄積電荷を読み出すため、2行の画素数と同数のメモリ要素が前処理部64に設けられている。前処理部64の出力は、従来と同様の画像処理回路65でカラー画像に変換され、表示処理回路66でディスプレイに表示するための信号に置き換えられる。また、メディア制御回路67でセンサモジュール62の画像を記録メディアに保存できる。
FIG. 4 is a block diagram of a camera module 61 using the solid-state imaging device of FIG. The camera module 61 of FIG. 4 includes a
以上説明してきたとおり、本発明に係る固体撮像装置は、1光電変換セルあたりのトランジスタ数及び配線数を削減することができ、光電変換セルの微細化に寄与できる。 As described above, the solid-state imaging device according to the present invention can reduce the number of transistors and the number of wirings per photoelectric conversion cell, and can contribute to miniaturization of the photoelectric conversion cell.
1〜8 フォトダイオード(PD)部
9〜14 フローティングディフュージョン(FD)部
15〜22 転送ゲート
23,24 リセットゲート
25〜28 画素アンプ
29〜32 負荷トランジスタ
33 セル電源線(VDDCELL)
34,35 読み出しパルス線(READ)
36,37 リセットパルス線(RESET)
38〜41 出力信号線(VOUT)
42 負荷ゲート線
43 ソース電源線
51 ゲート電極
52 第1層金属配線
53 第2層金属配線(遮光膜兼用)
54 シリコン基板
55 層間膜
56 ゲート酸化膜
61 カメラモジュール
62 センサモジュール
63 駆動回路
64 前処理部
65 画像処理回路
66 表示処理回路
67 メディア制御回路
68 デジタル信号プロセッサ(DSP)
1-8 Photodiode (PD) part 9-14 Floating diffusion (FD) part 15-22
34, 35 Read pulse line (READ)
36, 37 Reset pulse line (RESET)
38 to 41 Output signal line (VOUT)
42
54
Claims (7)
隣り合う1対の行の前記光電変換部に各々付設された前記転送ゲートに対して、前記転送ゲートをスイッチングする信号を供給する読み出し配線が共通に設けられ、共通の前記読み出し配線を通じて前記各転送ゲートをスイッチングして、隣り合う1対の行の前記光電変換部の電荷を、互いに異なる各々の前記FD部に転送し、各々の前記FD部に対応して設けられた前記画素アンプにより、発生した前記電荷を検出することを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion units arranged two-dimensionally, a floating diffusion (FD) unit to which charges of the photoelectric conversion unit are transferred, and a transfer gate for transferring charges of the photoelectric conversion unit to the FD unit; In a solid-state imaging device including a pixel amplifier that detects the potential of the FD unit, and an output signal line that outputs a detection signal of the pixel amplifier,
A readout wiring for supplying a signal for switching the transfer gate is provided in common to the transfer gates respectively attached to the photoelectric conversion units in a pair of adjacent rows, and each transfer is performed through the common readout wiring. By switching the gates, the charges of the photoelectric conversion units in a pair of adjacent rows are transferred to the FD units different from each other, and generated by the pixel amplifiers provided corresponding to the FD units. A solid-state imaging device, wherein the charge is detected.
前記隣り合う1対の行の一方における前記光電変換部と、前記1対を成さない行であって前記一方の行と隣り合う行における前記光電変換部とに対して、前記FD部及び前記画素アンプが共通に設けられたことを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The FD unit and the photoelectric conversion unit in one of the pair of adjacent rows and the photoelectric conversion unit in a row that does not form the pair and is adjacent to the one row. A solid-state imaging device characterized in that a pixel amplifier is provided in common.
同一行に配置されかつ隣り合う前記光電変換部に対して、共通のドレイン部を用いた画素アンプが各々設けられ、各画素アンプから異なる前記出力信号線へ電荷を検出することを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A pixel amplifier using a common drain portion is provided for each of the photoelectric conversion units arranged in the same row and adjacent to each other, and a charge is detected from each pixel amplifier to a different output signal line. Imaging device.
前記FD部の電位をリセットするためのリセット手段を更に備えたことを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, further comprising reset means for resetting the potential of the FD unit.
前記FD部及び前記画素アンプが設けられた領域と、前記読み出し配線が設けられた領域とが交互に配置されたことを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein a region where the FD portion and the pixel amplifier are provided and a region where the readout wiring is provided are alternately arranged.
前記画素アンプの電源配線が前記FD部の遮光膜を兼ねることを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein a power supply wiring of the pixel amplifier also serves as a light shielding film of the FD portion.
前記出力信号線上の信号を処理する信号処理回路を更に備えたことを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device further comprising a signal processing circuit for processing a signal on the output signal line.
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