JP2006210468A

JP2006210468A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006210468A
Application number: JP2005017785A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Mori; 三佳森
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】光電変換セルのサイズを大きくすることなく光電変換部の開口面積を大きくでき且つ高速な電荷検出が可能な固体撮像装置を実現できるようにする。
【解決手段】同一列に隣接して配置された光電変換部１Ａ及び光電変換部２Ａは、それぞれ転送トランジスタ１１Ａ及び転送トランジスタ１２Ａを介して、ＦＤ部６と接続されている。ＦＤ部６には、リセットトランジスタ７及び画素アンプトランジスタ８が接続されており、光電変換ペア部５１が構成されている。同一の光電変換ペア部５１に含まれる転送トランジスタ１１Ａ及び転送トランジスタ１２Ａの各ゲートは、それぞれ異なる読み出しパルス線２１と読み出しパルス線２２とに接続され、列方向に隣接する２つの光電変換ペア部５１にそれぞれ含まれる転送トランジスタ１２Ａ及び転送トランジスタ１３Ａの各ゲートは同一の読み出しパルス線２２と接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光電変換部が配置された固体撮像装置に関する。

従来のＭＯＳ型イメージセンサの一般的な光電変換セルの構成例について図を参照して説明する（例えば特許文献１を参照。）。

図１２は従来の固体撮像装置の回路構成の一例を示している。この固体撮像装置は、複数の光電変換セル１２６が行列状に配列された撮像領域１２７と、光電変換セル１２６を選択するための垂直シフトレジスタ１２８及び水平シフトレジスタ１２９と、垂直シフトレジスタ１２８及び水平シフトレジスタ１２９に必要なパルスを供給するタイミング発生回路１３０とを１つの基板上に備えている。

撮像領域１２７内に配置する各光電変換セル１２６は、フォトダイオードからなる光電変換部１２１と、転送用トランジスタ１２２と、リセットトランジスタ１２３と、増幅トランジスタ１２４とスイッチングトランジスタ１２５とにより構成されている。

転送用トランジスタ１２２は、ソースが光電変換部１２１の出力部と接続され、ドレインが増幅トランジスタ１２４のゲートと接続され、ゲートが垂直シフトレジスタ１２８からの出力パルス線１３１と接続されている。リセットトランジスタ１２３は、ソースが転送用トランジスタ１２２のドレインと接続され、ゲートが垂直シフトレジスタ１２８からの出力パルス線１３２と接続され、ドレインが電源１３３と接続されている。増幅トランジスタ１２４は、ドレインが電源１３３と接続され、ゲートが転送トランジスタ１２２のドレイン及びリセットトランジスタ１２３のソースと接続され、ソースがスイッチングトランジスタ１２５のドレインと接続されている。スイッチングトランジスタ１２５は、ドレインが増幅トランジスタ１２４のソースと接続され、ゲートが垂直シフトレジスタ１２８からの出力パルス線１３４と接続され、ソースが信号線１３５と接続されている。
米国特許第５４７１５１５号明細書

しかしながら、前記従来の固体撮像装置は、１つの光電変換セルごとに４つのトランジスタ及び５本の配線が必要となり、光電変換セルに占めるトランジスタ部及び配線部の面積が大きくなる。例えば、光電変換セルの面積を４．１μｍ×４．１μｍとし、０．３５μｍルールにより設計を行うとすると、光電変換部１２１の光電変換セルに対する開口率は１０％程度しか取ることができない。このため、光電変換部１２１の開口面積を十分に大きくし、且つ光電変換セルの画素サイズを縮小することは困難であるという問題がある。また、一行ごとに光電変換部１２１からの電荷を検出しなければならないため、高速な電荷検出が困難であるという問題を有している。

本発明は、前記従来の問題を解決し、光電変換セルのサイズを大きくすることなく光電変換部の開口面積を大きくでき且つ高速な電荷検出が可能な固体撮像装置を実現できるようにすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は固体撮像装置を、２つの光電変換部とフローティングディフュージョン部とを含む光電変換ペア部を備えた構成とする。

具体的に本発明に係る固体撮像装置は、それぞれが行列を構成するように配置され且つ光電変換を行う複数の光電変換部を備え、一の列に配置された互いに隣接する２つの光電変換部は、それぞれ光電変換ペア部を形成し、各光電変換ペア部は、２つの光電変換部とそれぞれ電気的に接続され、２つの光電変換部から転送された電荷を保持するフローティングディフュージョン部と、２つの光電変換部とフローティングディフュージョン部との間にそれぞれ電気的に接続されたスイッチである２つの転送トランジスタと、フローティングディフュージョン部と電源電圧を供給する電源線との間に電気的に接続され、フローティングディフュージョン部の電位をリセットするスイッチであるリセットトランジスタと、フローティングディフュージョン部の電位を検出し、検出した電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタとを含むことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、２つの光電変換部とそれぞれ電気的に接続され、２つの光電変換部から転送された電荷を保持するフローティングディフュージョン部を含む光電変換ペア部が形成されているため、２つの光電変換部に対して２個の転送トランジスタと、各１個のリセットトランジスタ及び画素アンプトランジスタを設ければよいので、トランジスタの数を大幅に低減することができる。また、各トランジスタに制御信号を供給する制御線の数も大幅に低減することができる。このため、光電変換セルに占めるトランジスタ部及び配線部の占有面積を小さくすることができるので、光電変換部の開口率を向上させ且つ光電変換セルの画素サイズを縮小することが可能となる。

本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換部のうち、一の行に配置された光電変換部に接続された各転送トランジスタのゲートとそれぞれ電気的に接続された複数の読み出しパルス線をさらに備え、複数の光電変換部のうち一の列において隣接し且つ互いに異なる光電変換ペア部に含まれる２つの光電変換部とそれぞれ電気的に接続された２つの転送トランジスタの各ゲートは、同一の読み出しパルス線に電気的に接続されていることが好ましい。このような構成とすることにより、転送トランジスタに制御信号を供給する読み出しパルス線の数を低減することができると共に、２行の光電変換部を同時に読み出すことが可能となるため、光電変換部の電荷の読み出し速度を向上させることが可能となる。

本発明の固体撮像装置において、各光電変換ペア部は、各画素アンプトランジスタと電気的に接続され且つ各画素アンプトランジスタの出力を制御するスイッチングトランジスタを含み、各スイッチングトランジスタのゲートと電気的に接続されたスイッチングトランジスタ制御線をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、固体撮像装置を駆動するための制御信号の供給タイミングを単純にすることが可能となる。

本発明の固体撮像装置において、各光電変換ペア部は、基板の上に行列を構成するように配置された各光電変換ペア部形成領域にそれぞれ形成されており、各光電変換ペア部を形成する２つの光電変換部は、列方向に互いに間隔をおいて形成され、各フローティングディフュージョン部は、各光電変換ペア部における２つの光電変換部に対して行方向の同一側に間隔をおいて形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、光電変換部からフローティングディフュージョン部へ電荷を転送する転送トランジスタの読み出し特性を揃えることが可能となる。

この場合において、画素アンプトランジスタは、２つの光電変換部の間の領域に形成され、リセットトランジスタは、２つの光電変換部の一方に対して列方向に隣接する領域に形成されていることが好ましい。また、各画素アンプトランジスタは、各光電変換ペア部における２つの光電変換部の間の領域に形成され、各リセットトランジスタは、各光電変換ペア部における２つの光電変換部の一方に対して列方向に隣接する領域に形成されていてもよい。さらに、各リセットトランジスタは、各光電変換ペア部における２つの光電変換部の間の領域に形成され、各画素アンプトランジスタは、各光電変換ペア部における２つの光電変換部の一方に対して列方向に隣接する領域に形成されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、光電変換部を等間隔で配置することが可能になると共に、素子分離部の面積を削減することができるので、光電変換部の開口率を向上させ且つ光電変換セルのサイズを縮小できる。また、読み出しパルス線及びリセット制御線をそれぞれ転送トランジスタのゲート及びリセットトランジスタのゲートにより形成することが可能となり、工程短縮およびマスク数の削減が可能となる。

本発明の固体撮像装置において、各読み出しパルス線は、基板の上に形成された絶縁膜中に行方向と平行に形成され、且つ、各フローティングディフュージョン部と互いに交差しないことが好ましい。このような構成とすることにより、読み出しパルス線をゲート電極と同一の層で形成できると共に、トランジスタのゲートに電圧を印加するパルス配線をトランジスタのゲートにより形成できるので、工程短縮およびマスク数の削減が可能となる。

本発明の固体撮像装置において、各光電変換ペア部は、基板の上に行列を構成するように配置された各光電変換ペア部形成領域にそれぞれ形成されており、光電変換ペア部を形成する２つの光電変換部は、列方向に互いに間隔をおいて形成され、フローティングディフュージョン部は、２つの光電変換部の間の領域に形成されていてもよい。この場合において、画素アンプトランジスタ及びリセットトランジスタは、２つの光電変換部と行方向に隣接する領域に互いに間隔をおいて形成されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、リセット制御線をゲート電極と同一の層で形成できると共に、トランジスタのゲートに電圧を印加するパルス配線をトランジスタのゲートにより形成できるので、工程短縮およびマスク数の削減が可能となる。

本発明の固体撮像装置は、各光電変換ペア部は、それぞれ光電変換ペア部に含まれる２つの光電変換部の電位に応じた信号を出力する２つの光電変換セルであり、各光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、すべての光電変換部からの信号電荷により画像を得ることが可能となる。

本発明の固体撮像装置において、電源線は複数であり、複数の電源線は、各フローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能をそれぞれ有していることが好ましい。このような構成とすることにより、電源線と遮光幕とを別に設ける必要がないので、電源線を独立した層間絶縁膜中に形成することが可能となる。従って、光電変換部の開口率を向上させることができる。

本発明の固体撮像装置は、光電変換セルのサイズを大きくすることなく光電変換部の開口面積を大きくでき且つ高速な電荷検出が可能である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図を参照して説明する。図１は本実施形態の固体撮像装置の要部における回路構成を示している。図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、複数のフォトダイオードである光電変換部が行列状に配置されており、同一列の隣接する２つの光電変換部は光電変換ペア部５１を構成している。

光電変換ペア部５１は、同一列に隣接して配置された光電変換部１Ａ及び光電変換部２Ａにより構成されている。光電変換部１Ａ及び光電変換部２Ａは、それぞれ転送トランジスタ１１Ａ及び転送トランジスタ１２Ａを介して、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６と接続されている。転送トランジスタ１１Ａ及び転送トランジスタ１１Ａは、それぞれ光電変換部１ＡからＦＤ部６への電荷の転送及び光電変換部２ＡからフローティングディフュージョンＦＤ部６への電荷の転送を制御するスイッチとして機能する。

ＦＤ部６には、リセットトランジスタ７のソースと画素アンプトランジスタ８のゲートが別途接続されている。リセットトランジスタ７及び画素アンプトランジスタ８のドレインはそれぞれ電源線に接続されており、リセットトランジスタ７をオン状態とすることにより、ＦＤ部６の電荷を掃き出すことができ、画素アンプトランジスタ８によりＦＤ部６の電荷を検出することができる。

なお、光電変換部３Ａ及び光電変換部４Ａ、光電変換部１Ｂ及び光電変換部２Ｂ並びに光電変換部３Ｂ及び光電変換部４Ｂは、それぞれ同一構成の光電変換ペア部５１を形成している。

同一行に配置された光電変換部１Ａ及び光電変換部１Ｂにそれぞれ接続された転送トランジスタ１１Ａ及び転送トランジスタ１１Ｂの各ゲートは同一の読み出しパルス線２１に接続されている。光電変換部２Ａ及び光電変換部２Ａと同一行に配置された光電変換部２Ｂにそれぞれ接続された転送トランジスタ１２Ａ及び転送トランジスタ１２Ｂの各ゲートは同一の読み出しパルス線２２と接続されている。また、光電変換部２Ａと同一列に隣接して配置され且つ光電変換部２Ａとは異なる光電変換ペア部５１を構成する光電変換部３Ａ及び光電変換部３Ａと同一行に配置された光電変換部３Ｂにそれぞれ接続された転送トランジスタ１３Ａ及び転送トランジスタ１３Ｂの各ゲートも読み出しパルス線２２と接続されている。このように、列方向に隣り合う２つの光電変換ペア部５１が、読み出しパルス線を共有する構成とすることにより、読み出しパルス線の数を削減することが可能となると共に、後に説明するように２つの行に配置された光電変換部の電荷を一度に読み出すことが可能となる。

各光電変換ペア部５１に設けられた各リセットトランジスタ７のゲートは、共通のリセットパルス線（図示せず）と接続されている。また、各画素アンプトランジスタ８は、信号線３１、信号線３２、信号線３３及び信号線３４とそれぞれ接続されている。信号線３１の一方の端は、各ロードトランジスタ９のドレインとそれぞれ接続されており、各ロードトランジスタ９により各画素アンプトランジスタ８を駆動することができる。また、他方の端はノイズキャンセル回路（図示せず）を経て出力回路（図示せず）と接続されている。ロードトランジスタ９のゲートはロードゲート線４１と接続され、ロードトランジスタ９のソースはソース電源線４２と接続されている。信号線３２、信号線３３及び信号線３４についても信号線３１と同一の構成となっている。

以下に、本実施形態の固体撮像装置の動作例について図を参照して説明する。なお、２行目の光電変換部２Ａの読み出しについて説明するが、２行目の光電変換部２Ｂと、３行目の光電変換部３Ａ及び光電変換部３Ｂについても同時に読み出される。また、他の行についても同様にして読み出しを行うことができる。図２は本実施形態の固体撮像装置の駆動のタイミングを示している。なお、以下の説明においてロードトランジスタ９のゲートには所定の電圧が印加されている。

図２に示すように１回の水平ブランキング期間に２つの行に配置されている光電変換部の電荷が信号線を通して出力される。まず、電源線の電圧を電源電圧とする。次に、リセットトランジスタ７をオン状態としてＦＤ部６の電荷を掃き出す。この際に、画素アンプトランジスタ８がリセット時の信号レベルを検出するので、信号線３１を通してノイズキャンセル回路にて信号クランプが行われ、リファレンスレベルの信号が出力される。なお、本実施形態においては、電源電圧を３．３Ｖとしているため、電源線には３．３Ｖの電圧が印加される。

次に、リセットトランジスタ７をオフ状態として、読み出しパルス線２２にパルス電圧を供給することにより転送トランジスタ１２Ａをオン状態とする。これにより、光電変換部２Ａに蓄積された電荷を、ＦＤ部６に転送する。ＦＤ部６に転送された電荷は、画素アンプトランジスタ８によって検出され、信号線３１を通してノイズキャンセル回路にて信号サンプリングされる。これにより、画素アンプトランジスタ８のもつ閾値ばらつき及びリセットトランジスタ７が動作する際に発生するノイズ成分が除去された出力信号が得られる。

次に、電源線の電圧をローレベルとした後、リセットトランジスタ７をオン状態としてＦＤ部６の電荷を掃き出し、続いて、リセットトランジスタ７をオフ状態に戻し、信号出力をローレベルとする。なお、読み出しパルス線２２にパルス電圧を供給することにより、転送トランジスタ１３Ａ、転送トランジスタ１２Ｂ及び転送トランジスタ１３Ｂも同時にオン状態となるため、光電変換部３Ａ、光電変換部２Ｂ及び光電変換部３Ｂに蓄積された電荷ついてもそれぞれ信号線３２、信号線３３及び信号線３４を通して出力される。

以上のようにして２行目及び３行目に配置された、光電変換部２Ａ、２Ｂ、３Ａ及び３Ｂの読み出しが完了する。オン状態とする読み出しパルス線を変えることにより、他の行に配置された光電変換部の電荷を読み出すことができる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置においては、１つの光電変換ペア部５１の２つの光電変換部の電荷は独立に読み出すことが可能であり、１つの光電変換ペア部５１は２つの光電変換セルとして機能する。従って、従来と比べて光電変換セル当たりのトランジスタの数及び配線の数を大きく削減することが可能である。

次に、本実施形態の固体撮像装置の回路構成を実現するレイアウトについて図を参照して説明する。

図３は同一列の隣接する光電変換部１Ａ及び２ＡがＦＤ部６を共有する場合のレイアウトの一例を示している。ＦＤ部６は、同一行の隣接する光電変換部１Ａ及び１Ｂの間に配置されている。なお、本実施形態においては、光電変換部１Ａ及び２Ａの右側にＦＤ部６を配置しているが、左側にＦＤ部６を配置してもよい。ただし、すべてのＦＤ部６は、接続されている２つの光電変換部に対して同一の側に配置する。

このようなレイアウトとすることにより、光電変換部１ＡからＦＤ部６へ電荷を転送する転送トランジスタ１１Ａと光電変換部２ＡからＦＤ部６へ電荷を転送するトランジスタ１２Ａとの特性のばらつきを小さくすることが可能となる。転送トランジスタ１１Ａと転送トランジスタ１２Ａとの閾値を調整するためのイオン注入の際に、マスクが左右にずれると閾値が変動する。しかし、転送トランジスタ１１Ａと転送トランジスタ１２Ａとにおいて均等にずれが発生するため、転送トランジスタ１Ａと転送トランジスタ１２Ａとの間における閾値のばらつきはほとんど発生せず±０．１Ｖ以下にすることができる。これにより、同一の光電変換セルペア部５１に含まれる光電変換部１Ａ及び光電変換部２ＡからＦＤ部６への電荷の転送を均一に行うことが可能となる。

また、すべてのＦＤ部６を、接続されている２つの光電変換部に対して同一の側に配置することにより、行方向における各光電変換部の間隔を同一ピッチとすることが可能となる。さらに、画素アンプトランジスタ８を光電変換部１Ａ及び２Ａの間に配置し、リセットトランジスタ７を光電変換部２Ａ及び３Ａの間に配置することにより、列方向においても各光電変換部の間隔を同一ピッチにすることができる。

これにより、ＦＤ部６と転送トランジスタ１２Ａ等のゲートに制御信号を供給する読み出しパルス配線２２及びリセットトランジスタ７のゲートに制御信号を供給するリセットパルス線とが交差しないため、読み出しパルス配線２２及びリセットパルス線を各トランジスタのゲートにより形成することが可能となる。従って、光電変換部を有する撮像領域の配線層は、ポリシリコン配線層１層とメタル配線層２層とにより形成することができ、工程の短縮及びマスク数の削減が可能である。

この場合において、１つの光電変換部と付随する回路及び配線とからなる光電変換セルのサイズを４．１μｍ角とし、０．３５μｍルールに従い設計すると、従来の開口率は１０％程度であったのに対し、３０％の開口率を確保することが可能となる。これにより、複数の光電変換部を用いて、高画質な画像を得ることができる。

一方、図４に示すように、リセットトランジスタ７を光電変換部１Ａ及び２Ａの間に配置し、画素アンプトランジスタ８を光電変換部２Ａ及び３Ａの間に配置しても、列方向において各光電変換部の間隔を同一ピッチにすることができる。この場合にはポリシリコン配線層１層とメタル層３層とにより形成することにより開口率を４０％程度まで向上させることが可能となる。

また、図５は、図３に示すレイアウトにおける光電変換セル部の断面構成の一例を示している。光電変換部１Ａが形成されたシリコン基板７０の上に、ゲート酸化膜７１が形成されており、ゲート絶縁膜７１の上にゲート電極７２が形成されている。ゲート電極７２を覆う層間絶縁膜７５の上には、層間絶縁膜７５及び金属配線７３からなる１層目金属配線層と、層間絶縁膜７５及び金属配線７４からなる２層目金属配線層と、層間絶縁膜７５及び金属配線７６からなる３層目金属配線層とが形成されている。例えば１層目金属配線層に形成された配線７３を読み出しパルス線とし、２層目金属配線層に形成された配線７４を信号線とし、３層目金属配線層に形成された金属配線７６を遮光膜の機能を有する電源線とすることにより、信号線と電源線とを異なる層に形成することができるため、光電変換セルの占有面積をさらに縮小すると共に開口率を高くすることができる。

このように、最上層に遮光幕を兼ねた電源線を配置した場合には、光電変換セルのサイズを４．１μｍ角とし、０．３５μｍルールにより設計を行うと、従来は１０％程度の開口率であったのに対して、４５％の開口率を確保することが可能となる。

また、図６に示すように、同一列の隣接する光電変換部１Ａと２Ａとの間にＦＤ部６を配置して、同一行の隣接する光電変換部１Ａと１Ｂ及び２Ａと２Ｂとの間に画素アンプトランジスタ８及びリセットトランジスタ７を配置してもよい。この場合には、ＦＤ部６と読み出しパルス線及びリセットパルス線が交差しないため、読み出しパルス線及びリセットパルス線をゲート電極と同一の層に形成することができる。これにより、光電変換部を有する撮像領域の配線層をポリシリコン配線層１層とメタル配線層２層により形成でき、工程の短縮及びマスク数の削減ができる。光電変換セルのサイズを４．１μｍ角とし、０．３５μｍルールにより設計を行うと、従来は１０％程度の開口率であったのに対して、３０％の開口率を確保することが可能となる。

以上説明したように、従来の回路は、１つの光電変換セル当たり５本の配線と４個のトランジスタが必要であったのに対して、本実施形態の回路を用いると２．５本の配線と２．０個のトランジスタにより１つの光電変換セルを形成することが可能となる。また、光電変換部からの電荷の検出を２行同時に行うことができるため、従来の固体撮像装置と比べると半分の時間で電荷の検出が可能となる。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について図を参照して説明する。図７は本実施形態の固体撮像装置の要部における回路構成を示している。図７において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

図７に示すように本実施形態の固体撮像装置においては、各光電変換ペア部５１の各画素アンプトランジスタ８にそれぞれスイッチングトランジスタ１０が追加されている。また、各スイッチングトランジスタ１０のゲートは、それぞれスイッチングトランジスタ制御線（図示せず）と電気的に接続されている。

以下に、本実施形態の固体撮像装置の動作例について図を参照して説明する。なお、２行目の光電変換部２Ａの読み出しについて説明するが、２行目の光電変換部２Ｂと、３行目の光電変換部３Ａ及び光電変換部３Ｂについても同時に読み出される。また、他の行についても同様にして読み出しを行うことができる。図８は本実施形態の固体撮像装置の駆動のタイミングを示している。なお、以下の説明においてロードトランジスタ９のゲートには所定の電圧が印加されており、電源線には電源電圧が印加されている。

図８に示すように、まず、スイッチングトランジスタ１０をオン状態とした後、リセットトランジスタ７をオン状態とする。これにより、画素アンプトランジスタ８が信号線３１と接続された状態においてＦＤ部６の電荷が掃き出されるので、信号線３１を通してノイズキャンセル回路にて信号クランプが行われ、リファレンスレベルの信号が出力される。なお、本実施形態においては、電源電圧を３．３Ｖとしているため、電源線には３．３Ｖの電圧が常に印加されている。

次にスイッチングトランジスタ１０をオフ状態とすることにより、画素アンプトランジスタ８を信号線３１から切り離す。なお、読み出しパルス線２２にパルス電圧を供給することにより、転送トランジスタ１３Ａ、転送トランジスタ１２Ｂ及び転送トランジスタ１３Ｂも同時にオン状態となるため、光電変換部３Ａ、光電変換部２Ｂ及び光電変換部３Ｂに蓄積された電荷ついてもそれぞれ信号線３２、信号線３３及び信号線３４を通して出力される。

図９は同一列の隣接する光電変換部１Ａ及び２ＡがＦＤ部６を共有する場合のレイアウトの一例を示している。ＦＤ部６は、同一行の隣接する光電変換部１Ａ及び１Ｂの間に配置されている。なお、本実施形態においては、光電変換部１Ａ及び２Ａの右側にＦＤ部６を配置しているが、左側にＦＤ部６を配置してもよい。ただし、すべてのＦＤ部は、接続されている２つの光電変換部に対して同一の側に配置する。

また、すべてのＦＤ部６を、接続されている２つの光電変換部に対して同一の側に配置することにより、行方向における各光電変換部の間隔を同一ピッチとすることが可能となる。さらに、画素アンプトランジスタ８及びリセットトランジスタ１０を光電変換部１Ａ及び２Ａの間に配置し、リセットトランジスタ７を光電変換部２Ａ及び３Ａの間に配置することにより、列方向においても各光電変換部の間隔を同一ピッチにすることができる。

また、図１０に示すように、同一列の隣接する光電変換部１Ａと２Ａとの間にＦＤ部６を配置して、同一行の隣接する光電変換部１Ａと１Ｂ及び２Ａと２Ｂとの間に画素アンプトランジスタ８、スイッチングトランジスタ１０及びリセットトランジスタ７を配置してもよい。この場合には、ＦＤ部６と読み出しパルス線及びリセットパルス線が交差しないため、読み出しパルス線及びリセットパルス線をゲート電極と同一の層に形成することができる。これにより、光電変換部を有する撮像領域の配線層をポリシリコン配線層１層とメタル配線層２層により形成でき、工程の短縮及びマスク数の削減ができる。光電変換セルのサイズを４．１μｍ角とし、０．３５μｍルールにより設計を行うと、従来は１０％程度の開口率であったのに対して、３０％の開口率を確保することが可能となる。

以上説明したように、従来の回路は、１つの光電変換セル当たり５本の配線と４個のトランジスタが必要であったのに対して、本実施形態の回路を用いると２．５本の配線と２．５個のトランジスタにより１つの光電変換セルを形成することが可能となる。また、光電変換部からの電荷の検出を２行同時に行うことができるため、従来の固体撮像装置と比べると半分の時間で電荷の検出が可能となる。

なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において、光電変換部の配置が４行２列の例を示しているが、光電変換部は２行単位で任意に増やすことができる。

図１１に示すようなセンサモジュール６０と、センサモジュール６０からの信号を処理する信号処理回路６１と、処理された信号を表示する表示機６２と、処理された信号を記憶する記憶メディア６３とから構成されたカメラにおいて、センサモジュール６０を、第１の実施形態又は第２の実施形態の固体撮像装置とし、異なるブランキング時間に読み出したすべての光電変換部からの電荷を処理することにより、すべての光電変換部からの信号電荷により画像を得ることができる。

本発明の固体撮像装置は、光電変換セルのサイズを大きくすることなく光電変換部の開口面積を大きくでき且つ高速な電荷検出が可能であり、複数の光電変換部が配置された固体撮像装置等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す回路図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部の一例を示すレイアウト図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部の一例を示すレイアウト図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部の一例を示すレイアウト図である。本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の要部を示す回路図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部の一例を示すレイアウト図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部の一例を示すレイアウト図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部の一例を示す断面図である。本発明の第１の実施形態又は第２の実施形態に係る固体撮像装置の使用例を示すブロック図である。従来例に係る固体撮像装置の要部を示す回路図である。

符号の説明

１Ａ光電変換部
１Ｂ光電変換部
２Ａ光電変換部
２Ｂ光電変換部
３Ａ光電変換部
３Ｂ光電変換部
４Ａ光電変換部
４Ｂ光電変換部
６フローティングディフュージョン部
７リセットトランジスタ
８画素アンプトランジスタ
９ロードトランジスタ
１０スイッチングトランジスタ
１１Ａ転送トランジスタ
１１Ｂ転送トランジスタ
１２Ａ転送トランジスタ
１２Ｂ転送トランジスタ
１３Ａ転送トランジスタ
１３Ｂ転送トランジスタ
１４Ａ転送トランジスタ
１４Ｂ転送トランジスタ
２１読み出しパルス線
２２読み出しパルス線
２３読み出しパルス線
３１信号線
３２信号線
３３信号線
３４信号線
４１ロードゲート線
４２ソース電源線
５１光電変換ペア部
６０センサモジュール
６１信号処理回路
６２表示機
６３記録メディア
７０シリコン基板
７１ゲート酸化膜
７２ゲート電極
７３金属配線
７４金属配線
７５層間絶縁膜
７６金属配線

Claims

それぞれが行列を構成するように配置され且つ光電変換を行う複数の光電変換部を備え、
一の列に配置された互いに隣接する２つの光電変換部は、それぞれ光電変換ペア部を形成し、
前記各光電変換ペア部は、
前記２つの光電変換部とそれぞれ電気的に接続され、前記２つの光電変換部から転送された電荷を保持するフローティングディフュージョン部と、
前記２つの光電変換部と前記フローティングディフュージョン部との間にそれぞれ電気的に接続されたスイッチである２つの転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部と電源電圧を供給する電源線との間に電気的に接続され、前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするスイッチであるリセットトランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電位を検出し、検出した電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタとを含むことを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の光電変換部のうち、一の行に配置された光電変換部に接続された前記各転送トランジスタのゲートとそれぞれ電気的に接続された複数の読み出しパルス線をさらに備え、
前記複数の光電変換部のうち前記一の列において隣接し且つ互いに異なる前記光電変換ペア部に含まれる２つの光電変換部とそれぞれ電気的に接続された２つの転送トランジスタの各ゲートは、同一の読み出しパルス線に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記各光電変換ペア部は、前記各画素アンプトランジスタと電気的に接続され且つ前記前記各画素アンプトランジスタの出力を制御するスイッチングトランジスタを含み、
前記各スイッチングトランジスタのゲートと電気的に接続されたスイッチングトランジスタ制御線をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
前記各光電変換ペア部は、基板の上に前記行列を構成するように配置された各光電変換ペア部形成領域にそれぞれ形成されており、
前記各光電変換ペア部を形成する２つの光電変換部は、前記列方向に互いに間隔をおいて形成され、
前記各フローティングディフュージョン部は、前記各光電変換ペア部における前記２つの光電変換部に対して前記行方向の同一側に間隔をおいて形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記各画素アンプトランジスタは、前記各光電変換ペア部における前記２つの光電変換部の間の領域に形成され、
前記各リセットトランジスタは、前記各光電変換ペア部における前記２つの光電変換部の一方に対して前記列方向に隣接する領域に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
前記各リセットトランジスタは、前記各光電変換ペア部における前記２つの光電変換部の間の領域に形成され、
前記各画素アンプトランジスタは、前記各光電変換ペア部における前記２つの光電変換部の一方に対して前記列方向に隣接する領域に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
前記各読み出しパルス線は、前記基板の上に形成された絶縁膜中に前記行方向と平行に形成され、且つ、前記各フローティングディフュージョン部と互いに交差しないことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記各光電変換ペア部は、基板の上に前記行列を構成するように配置された各光電変換ペア部形成領域にそれぞれ形成されており、
前記光電変換ペア部を形成する２つの光電変換部は、前記列方向に互いに間隔をおいて形成され、
前記フローティングディフュージョン部は、前記２つの光電変換部の間の領域に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記各画素アンプトランジスタ及びリセットトランジスタは、前記各光電変換ペア部における前記２つの光電変換部と行方向の同一側において隣接する領域に互いに間隔をおいて形成されていることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
前記各光電変換ペア部は、それぞれ前記光電変換ペア部における前記２つの光電変換部の電位に応じた信号を出力する２つの光電変換セルであり、
前記各光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記電源線は複数であり、
前記複数の電源線は、前記各フローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能をそれぞれ有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。