JP2008148083A

JP2008148083A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2008148083A
Application number: JP2006334041A
Authority: JP
Inventors: Sei Kamimura; 聖上村
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-26
Also published as: US7808018B2; CN101202295A; CN101202295B; US20080135885A1

Abstract

【課題】固体撮像装置の面積の増大及び転送効率の劣化を防止すること。
【解決手段】本発明にかかる固体撮像装置は、入射した光を光電変換する複数の受光素子が電荷転送方向に配列された画素列と、画素列を介した両側に配置され画素列から入力された信号電荷を電荷転送方向に転送する第１の電荷転送部及び第２の電荷転送部と、第１の電荷転送部に接続され当該第１の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換する第１のフローティングディフュージョンと、第２の電荷転送部に接続され当該第２の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換する第２のフローティングディフュージョンと、第１のフローティングディフュージョンと第２のフローティングディフュージョンとを接続する配線と、配線に接続された単一の出力回路６と、第１のフローティングディフュージョン及び第２のフローティングディフュージョンの電位を初期化するリセットトランジスタとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特に複数の受光素子が電荷転送方向に配列された画素列を介し、この画素列の両側に複数のＣＣＤレジスタを配置したリニアイメージセンサに関する。

フォトダイオード等の受光素子に蓄積される信号電荷をＣＣＤ（電荷結合素子：ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）レジスタを介して転送し電圧変換して出力するリニアイメージセンサがある。このリニアイメージセンサにおいて、フォトダイオード（画素）列を介した両側にＣＣＤレジスタを設ける構成がその設計の容易さから多用されている。また、この画素列を複数配置し、これらの複数画素列を１／２、１／３、１／４・・・画素ピッチずつずらしたスタッガード構造が多用されており、これにより、リニアイメージセンサの高解像度化を行うことができる。

上述したように、フォトダイオード列を介した両側にＣＣＤレジスタを設けた固体撮像装置が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の固体撮像装置は、２列のＣＣＤレジスタのそれぞれにフローティングディフュージョンを設ける構成が記載されている。しかしながら、２列のＣＣＤレジスタにそれぞれ出力回路を設ける場合、２つの出力回路を有するため、固体撮像装置の面積が増大するという問題点があった。

そこで、特許文献１に記載の別の固体撮像装置では、２列のＣＣＤレジスタの同じ側の端部を約９０度折り曲げて２列のＣＣＤレジスタを合流させ、合流したＣＣＤレジスタから出力される電荷信号を電圧に変換する単一のフローティングディフュージョンが接続されている構成が記載されている。この場合、ＣＣＤレジスタを約９０度折り曲げているためＣＣＤレジスタのレイアウト設計が困難である。また、ＣＣＤレジスタに入力された信号電荷の転送効率が悪くなりやすいという問題点があった。そこで、特許文献１に記載のさらに別の固体撮像装置においては、２列のＣＣＤレジスタを除々に近づけて合流させ、ＣＣＤレジスタの合流部に単一のフローティングディフュージョンが接続されている構成が記載されている。

ここで、この２列のＣＣＤレジスタを除々に近づけて合流させ、合流部に単一のフローティングディフュージョンが接続されている固体撮像装置を図５に示す。図５に示すように、固体撮像装置９０は、複数のフォトダイオード等の受光素子からなるフォトダイオード列９１、ＣＣＤレジスタ９２、ＣＣＤレジスタ９３、フローティングディフュージョン９４、リセットトランジスタ９５、及び出力回路９６、及び定電圧源Ｅ９１乃至Ｅ９３からなる。ＣＣＤレジスタ９２及びＣＣＤレジスタ９３はそれぞれ電荷転送方向の終端部分で一列に絞られている。また、出力回路９６とフローティングディフュージョン９４はメタル配線９７で接続されている。そして、フローティングディフュージョン９４にリセットトランジスタ９５が接続されている。この固体撮像装置９０において、ＣＣＤレジスタ９２及びＣＣＤレジスタ９３から出力される信号電荷がフローティングディフュージョン９４によって電圧に変換され、メタル配線９７を介して出力回路９６から出力される。

また、特許文献２に２列のＣＣＤレジスタから出力される電荷に応じた電圧の出力を２つの出力回路を用いて行う又は１つの出力回路を用いて行う固体撮像装置が記載されている。この固体撮像装置は、２列のＣＣＤレジスタそれぞれにて転送された電荷を電荷合成部に入力し、電荷合成部に接続された単一の出力回路から信号電荷に応じた電圧を出力する。また、２列のＣＣＤレジスタそれぞれにて転送された電荷を、それぞれのＣＣＤレジスタに接続されている出力回路から出力する。
特開平２−９１９５４号公報特開平７−４６３７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の２列のＣＣＤレジスタを除々に近づけて単一のフローティングディフュージョンから信号電荷を出力させる固体撮像装置は、２列のＣＣＤレジスタを除々に近づけているためにＣＣＤレジスタの段数が増大し、固体撮像装置の面積が増大するという問題点があった。以下にその理由について説明する。例えば、ＣＣＤレジスタ９２及びＣＣＤレジスタ９３に挟まれているフォトダイオードが大きい場合を考える。このとき、ＣＣＤレジスタ９２とＣＣＤレジスタ９３間の距離は遠い。この場合、２列のＣＣＤレジスタを除々に近づけて合成するため、ＣＣＤレジスタの段数が増大するという問題点があった。すなわち、２列のＣＣＤレジスタ間の距離が遠い場合、信号電荷の転送効率向上のために２列のレジスタ除々に近づけることによって、ＣＣＤレジスタの電極が多数段必要となり、固体撮像装置９０の面積が増大するという問題点があった。また、特許文献２に記載の固体撮像装置は、２列のＣＣＤレジスタを合流させる場合は、特許文献１と同様に、多数のＣＣＤレジスタの段数が必要となり、面積が増大するという問題点があった。また、２列のＣＣＤレジスタからそれぞれ信号電荷を出力させる場合は、２列のＣＣＤレジスタそれぞれに出力回路が形成されるため、面積が増大するという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、入射した光を光電変換する複数の受光素子が電荷転送方向に配列された画素列と、前記画素列を介した両側に配置され、前記画素列から入力された信号電荷を前記電荷転送方向に転送する第１の電荷転送部及び第２の電荷転送部と、前記第１の電荷転送部に接続され、当該第１の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換する第１のフローティングディフュージョンと、前記第２の電荷転送部に接続され、当該第２の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換する第２のフローティングディフュージョンと、前記第１のフローティングディフュージョンと前記第２のフローティングディフュージョンとを接続する配線と、前記配線に接続された単一の出力回路と、前記第１のフローティングディフュージョン及び前記第２のフローティングディフュージョンの電位を初期化するリセットトランジスタとを有することを特徴とする。

本発明においては、複数のＣＣＤレジスタにそれぞれ接続されるフローティングディフュージョンを配線で接続することにより、出力回路を単一にする。

本発明に係る固体撮像装置によれば、固体撮像装置の面積の増大及び転送効率の劣化を防止することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる固体撮像装置１の概略図である。図１に示すように、本実施の形態の固体撮像装置１は、フォトダイオード列２と、ＣＣＤレジスタ３と、ＣＣＤレジスタ４と、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２と、メタル配線５と、出力回路６と、リセットトランジスタＲ１及びＲ２、及び複数の定電圧源Ｅ１乃至Ｅ４からなる。以下に、固体撮像装置１の構成について詳細に説明する。

複数のフォトダイオード等の受光素子が電荷転送方向に配列されたフォトダイオード列（画素列）２を介した両側に、信号電荷を転送する電荷転送部であるＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４が配置されている。このＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４は、それぞれ同一方向に電荷を転送する。ここで、ＣＣＤレジスタ３において、電荷が転送される終端部に図示せぬ出力ゲートが形成されている。また、ＣＣＤレジスタ４の電荷が転送される終端部に図示せぬ出力ゲートが形成されている。そして、ＣＣＤレジスタ３の終端部に形成された出力ゲートにフローティングディフュージョンＦＤ１が接続されている。同様に、ＣＣＤレジスタ４の終端部に形成された出力ゲートにフローティングディフュージョンＦＤ２が接続されている。これらのフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２は相互にメタル配線５で接続され、出力回路６に接続されている。すなわち、本実施の形態では、フローティングディフュージョンＦ１及びＦ２はメタル配線５で接続されているため、フローティングディフュージョンが１つの容量として動作し、１つの出力回路６から信号電荷に応じた電圧を出力することができる。そして、画素毎に蓄積された信号電荷の混合を防止するために、フローティングディフュージョンＦＤ１にはリセットトランジスタＲ１、フローティングディフュージョンＦＤ２にはリセットトランジスタＲ２が接続されている。詳細については後述する。このリセットトランジスタＲ１は定電圧源Ｅ１に接続され、リセットトランジスタＲ２は定電圧源Ｅ２に接続されている。また、出力回路６は、例えばトランジスタ６ａ及びトランジスタ６ｂを有し、ソースフォロワで構成されている。そして、トランジスタ６ａは定電圧源Ｅ３に接続され、トランジスタ６ｂは、定電圧源Ｅ４に接続されている。

ここで、図２に図１で示す固体撮像装置１のレイアウト図の一例を用いて固体撮像装置１の構成についてさらに詳細に説明する。図２に示すＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４は、例えば、半導体基板上に形成された絶縁膜上に多数の転送電極が形成されている。この転送電極にはφ１及びφ２の２相の転送用クロックパルスが印加される。すなわち、例えば、ＣＣＤレジスタ３には転送電極３ａ乃至３ｈが形成されていて、これらの転送電極３ａ乃至３ｈに交互に転送用クロックパルスφ１又はφ２が入力される。同様に、ＣＣＤレジスタ４には転送電極４ａ乃至４ｈが形成されていて、これらの転送電極４ａ乃至４ｈに交互に転送用クロックパルスφ１又はφ２が入力される。また、ＣＣＤレジスタ３には、例えば、フォトダイオード列２の奇数番号列のフォトダイオードで蓄積された電荷が入力され、ＣＣＤレジスタ３の終端部に形成された出力ゲート７から電荷を出力する。また、ＣＣＤレジスタ４には例えば、フォトダイオード列２の偶数番号列のフォトダイオードで蓄積された電荷が入力され、ＣＣＤレジスタ４の終端部に形成された出力ゲート８から電荷を出力する。すなわち、出力ゲート７及び出力ゲート８は常時ＤＣ電圧が印加されていて、それぞれのＣＣＤレジスタの出力ゲートに転送されてきた電荷を出力している。

次に、上述の固体撮像装置１の動作について説明する。まず、フォトダイオード列２の各フォトダイオードで光電変換された信号電荷が一定時間それぞれのフォトダイオードに蓄積される。その後、それぞれのフォトダイオードに蓄積されている信号電荷は、図示せぬ転送ゲートを介してそれぞれＣＣＤレジスタ３又はＣＣＤレジスタ４に転送される。ここで、例えば、ＣＣＤレジスタ３はフォトダイオード列２の奇数番号列のフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送される。また、ＣＣＤレジスタ４は例えば、フォトダイオード列２の偶数番号列のフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送される。

ＣＣＤレジスタ３又はＣＣＤレジスタ４にそれぞれ転送された信号電荷は、それぞれのＣＣＤレジスタの終端部の出力ゲートに順次転送される。すなわち、ＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４は、転送用クロックパルスφ１及びφ２による駆動で動作することによって、入力した信号電荷をそれぞれのＣＣＤレジスタの終端部の出力ゲートに順次転送する。そして、ＣＣＤレジスタ３は出力ゲート７からフローティングディフュージョンＦＤ１に電荷を出力する。また、ＣＣＤレジスタ４は、出力ゲート８からフローティングディフュージョンＦＤ２に電荷を出力する。このとき、クロックパルスφ１及びクロックパルスφ２に応じてＣＣＤレジスタ３又はＣＣＤレジスタ４から交互に、それぞれ接続されているフローティングディフュージョンに電荷が出力される。すなわち、ＣＣＤレジスタ３の出力ゲート７の直前に形成された転送電極３ａには転送用クロックパルスφ１が入力される。このため、転送電極３ａは、転送用クロックパルスφ１が立ち下がったときに、転送されてきた信号電荷を、出力ゲート７を介してフローティングディフュージョンＦＤ１に出力する。また、ＣＣＤレジスタ４の出力ゲート８の直前に形成された転送電極４ａには転送用クロックパルスφ２が入力される。このため、転送電極４ａは、転送用クロックパルスφ２が立ち下がったときに、転送されてきた信号電荷を、出力ゲート８を介してフローティングディフュージョンＦＤ２に出力する。以上のことから、ＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４は、交互に信号電荷を出力する。

そして、ＣＣＤレジスタ３の転送電極３ａに転送用クロックパルスφ１が入力され、出力ゲート７を介してフローティングディフュージョンＦＤ１に出力された電荷はフローティングディフュージョンＦＤ１の図示せぬ接合容量等によって電圧に変換される。このとき、本実施の形態では、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２がメタル配線５で相互に接続されているため、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２は１つの容量として動作する。そのため、ＣＣＤレジスタ３から出力された所定の１画素の電荷は、フローティングディフュージョンＦＤ１及びフローティングディフュージョンＦＤ２の合成容量に蓄積され、それぞれ電荷に応じた電圧に変換される。そして、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２で変換された電圧が合成され、メタル配線５を介して出力回路６に出力される。そして、電荷に応じた電圧が出力回路６に出力されると、リセットトランジスタＲ１を制御するリセットパルスφＲでフローティングディフュージョンＦＤ１の電位を初期化する。同時に、リセットトランジスタＲ２を制御するリセットパルスφＲでフローティングディフュージョンＦＤ２の電位を初期化する。

すなわち、ＣＣＤレジスタ３から出力された電荷がフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２に蓄積されている。このため、各画素の信号電荷の混合を防止するために、ＣＣＤレジスタ４からフローティングディフュージョンＦＤ２に電荷が出力される前にフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２の電位を初期化する。これにより、画素毎にそれぞれフローティングディフュージョンＦＤ１又はＦＤ２に入力される信号電荷の混合を防止することができる。フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２が初期化されると、ＣＣＤレジスタ４からフローティングディフュージョンＦＤ２に次の画素の信号電荷が入力される。そして、入力された電荷に応じて出力回路６に電圧が出力され、出力回路６は入力された電圧に応じた信号電圧を出力する。

ここで、図３に上述の固体撮像装置１の駆動タイミング図を示す。（ｉ）はＣＣＤレジスタ３の出力信号、（ｉｉ）はＣＣＤレジスタ４の出力信号を示している。図３に示すように、ＣＣＤレジスタ３から出力される電荷に応じた電圧が出力された後、リセットパルスφＲが印加される。次に、ＣＣＤレジスタ４から出力される電荷に応じた電圧が出力される。すなわち、固体撮像装置１の出力回路６は、ＣＣＤレジスタ３とＣＣＤレジスタ４からの信号の出力を交互に繰り返している。

本実施の形態では、ＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４にそれぞれフローティングディフュージョンを接続する。ＣＣＤレジスタ３にはフローティングディフュージョンＦＤ１及びＣＣＤレジスタ４はフローティングディフュージョン４が接続される。そして、このフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２を相互にメタル配線５で接続し、１つの容量として動作させる。このフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２は単一の出力回路６が接続されている。ここで、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２にはそれぞれリセットトランジスタが接続されている。すなわち、従来はフローティングディフュージョンＦＤ１とＦＤ２にそれぞれ出力回路を設けていたが、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２をメタル配線５で接続することにより、出力回路６を１つにすることができるため、固体撮像装置１のレイアウト面積の増大を防止することができる。すなわち、ＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４を１つに絞り込まずに、それぞれのＣＣＤレジスタに対応するフローティングディフュージョンを設けたため、絞込みのためのＣＣＤレジスタの段数を必要としないため、固体撮像装置１のレイアウト面積の増大を防止することができる。さらに、複数のＣＣＤレジスタの絞込み、及びＣＣＤレジスタを折り曲げる等を行わないため、レイアウト設計の難しいＣＣＤレジスタ合流部が必要ないため、固体撮像装置１の設計が容易である。そして、ＣＣＤレジスタ３及びＣＣＤレジスタ４を折り曲げる等を行わずに直線に形成しているため、信号電荷の転送効率の悪化が起こりにくい。

ここで、本実施の形態においては、ＣＣＤレジスタ３には、例えば、フォトダイオード列２の奇数番号列のフォトダイオードで蓄積された電荷が入力され、ＣＣＤレジスタ４には例えば、フォトダイオード列２の偶数番号列のフォトダイオードで蓄積された電荷が入力されることとしたが、ＣＣＤレジスタ３に、フォトダイオード列２の偶数番号列のフォトダイオードで蓄積された電荷が入力され、ＣＣＤレジスタ４に奇数番号列のフォトダイオードで蓄積された電荷が入力される構成としてもよい。また、半画素ピッチずらした２本のフォトダイオード列とそれぞれの画素列に１本ずつ設けられたＣＣＤレジスタを有する構成（スタッガード）としてもよい。さらに、メタル配線５は金属に限らない。すなわち、導電体であればよい。

実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。実施の形態１では、フローティングディフュージョンＦＤ１にリセットトランジスタＲ１を接続し、フローティングディフュージョンＦＤ２にリセットトランジスタＲ２を接続していた。実施の形態２では、固体撮像装置のさらなる小型化及び高感度化を目指して、フローティングディフュージョンＦＤ１及びフローティングディフュージョンＦＤ２にそれぞれ接続されていたリセットトランジスタを１つにする。図４に本実施の形態の固体撮像装置１０を示す。実施の形態２において実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４に示すように、フローティングディフュージョンＦＤ１及びフローティングディフュージョンＦＤ２に共通に接続された１つのリセットトランジスタＲ３を設ける。そして、２つのフローティングディフュージョンＦＤ１及びフローティングディフュージョンＦＤ２をメタル配線５で相互に接続する。これによって、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２に、リセットトランジスタＲ３から出力されるリセットパルスφＲが入力され、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２の電位の初期化を行う。そして、それぞれのフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２で変換された電圧がメタル配線５を介して出力回路６に出力され、出力回路６は入力された電圧に応じた信号電圧を出力する。本実施の形態では、フローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２に共通に接続されたリセットトランジスタＲ３を設ける構成としたため、固体撮像装置１０の容量を低減することができ、出力電圧の感度を向上させることができる。また、１つのリセットトランジスタで固体撮像装置１０を構成することができるため、固体撮像装置１０の面積をさらに低減することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、ＣＣＤレジスタは２列ではなく、ｎ列（ｎ≧３）の場合でも本発明を適用可能である。

実施の形態１にかかる固体撮像装置の概略図である。図１に示す固体撮像装置のレイアウト図の一例である。本実施の形態にかかる固体撮像装置の駆動タイミング図である。実施の形態２にかかる固体撮像装置の概略図である。従来の固体撮像装置の概略図である。

符号の説明

１、１０、９０固体撮像装置
２、９１フォトダイオード列
３、４、９２、９３ＣＣＤレジスタ
５、９７メタル配線
６、９６出力回路
６ａ、６ｂトランジスタ
７、８出力ゲート
ＦＤ１、ＦＤ２、９４フローティングディフュージョン
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、９５リセットトランジスタ

Claims

入射した光を光電変換する複数の受光素子が電荷転送方向に配列された画素列と、
前記画素列を介した両側に配置され、前記画素列から入力された信号電荷を前記電荷転送方向に転送する第１の電荷転送部及び第２の電荷転送部と、
前記第１の電荷転送部に接続され、当該第１の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換する第１のフローティングディフュージョンと、
前記第２の電荷転送部に接続され、当該第２の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換する第２のフローティングディフュージョンと、
前記第１のフローティングディフュージョンと前記第２のフローティングディフュージョンとを接続する配線と、
前記配線に接続された単一の出力回路と、
前記第１のフローティングディフュージョン及び前記第２のフローティングディフュージョンの電位を初期化するリセットトランジスタとを有する固体撮像装置。
前記第１のフローティングディフュージョンに接続される第１のリセットトランジスタと、
前記第２のフローティングディフュージョンに接続される第２のリセットトランジスタとをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
電荷転送方向とは直交する方向に配置され電荷転送方向に信号電荷を転送する複数の画素列と、
前記各画素列を介した両側に配置され、前記画素列から入力された信号電荷を前記電荷転送方向に転送する電荷転送部と、
前記複数の電荷転送部のそれぞれに接続され、当該複数の電荷転送部から入力された電荷を電圧変換するフローティングディフュージョンと、
前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線と、
前記配線に接続された単一の出力回路と、
前記複数のフローティングディフュージョンの電位を初期化するリセットトランジスタとを有する固体撮像装置。