JP2009026984A - Solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、CCD型固体撮像素子や増幅型固体撮像素子を有している。これらの固体撮像素子では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。増幅型固体撮像素子では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンなどの電荷電圧変換部に導き、電荷電圧変換部で信号電荷を電圧に変換し、その電圧に応じた信号を画素に設けられた増幅トランジスタによって画素から出力する。 Video cameras, electronic still cameras, and the like have a CCD solid-state image sensor and an amplification solid-state image sensor. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having photoelectric conversion units are arranged in a matrix, and signal charges are generated in the photoelectric conversion units of the respective pixels. In the amplification type solid-state imaging device, the signal charge generated and accumulated in the photoelectric conversion unit of the pixel is led to a charge-voltage conversion unit such as a floating diffusion, and the signal charge is converted into a voltage by the charge-voltage conversion unit, and according to the voltage The signal is output from the pixel by an amplifying transistor provided in the pixel.
増幅型固体撮像素子では、一般的に、各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する転送トランジスタ、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセットトランジスタ、及び、当該画素を選択するための選択トランジスタを、有している。また、この増幅型固体撮像素子は、各列毎の前記画素の出力が供給される垂直信号線を有している。 In an amplification type solid-state imaging device, generally, each pixel has a charge such as a photoelectric conversion unit that generates and accumulates a signal charge according to incident light, and a floating diffusion that receives the signal charge and converts the signal charge into a voltage. A voltage conversion unit, an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the potential of the charge voltage conversion unit, a transfer transistor that transfers charge from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, and a reset that resets the potential of the charge voltage conversion unit A transistor and a selection transistor for selecting the pixel are included. Further, the amplification type solid-state imaging device has a vertical signal line to which the output of the pixel for each column is supplied.
このような増幅型固体撮像素子では、一般的に、各画素ごとに、光電変換部及び転送トランジスタのみならず、電荷電圧変換部、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ及び選択トランジスタも、1組設けられている。したがって、このような増幅型固体撮像素子では、トランジスタ数が多いため、光電変換部のための面積が狭くなって開口率が低下してしまう。 In such an amplification type solid-state imaging device, in general, not only a photoelectric conversion unit and a transfer transistor but also a set of a charge voltage conversion unit, an amplification transistor, a reset transistor, and a selection transistor are provided for each pixel. . Therefore, in such an amplification type solid-state imaging device, since the number of transistors is large, the area for the photoelectric conversion unit is narrowed and the aperture ratio is lowered.
そこで、下記特許文献1に開示された固体撮像素子では、列方向に順次並んだ所定数の画素毎に単位セルをなし、単位セル毎に、当該単位セルに属する前記所定数の画素が、1組の電荷電圧変換部、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ及び選択トランジスタを共有している。このため、1画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。開口率が大きいと、多くの電荷を扱うこととなり、SN比が良くなる。
Therefore, in the solid-state imaging device disclosed in
そして、特許文献1に開示された固体撮像素子では、1組の電荷電圧変換部、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ及び選択トランジスタを共有する複数の画素からなる単位セル内の、前記光電変換部と該光電変換部に対応して設けられた転送トランジスタとで構成される各々の組は、互いに並進対称とされている。ここで、並列対称とは、一組の光電変換部と転送トランジスタとが同一方向に一定間隔(画素ピッチ;光電変換領域のピッチ)で並行移動したときに、当該一組の光電変換部、転送トランジスタと、他の組の光電変換部、転送トランジスタとが重なることをいう。このような並進対称の配置が採用されることによって、単位セル内における画素間の感度ずれの発生を防止することができる。そのことにより、感度ずれに起因する固定パターンノイズの無い良好な画像を得ることができる。
In the solid-state imaging device disclosed in
特許文献1に開示された固体撮像装置では、互いに行方向に隣り合う前記単位セルは、列方向にずれておらず、全く同じ列方向位置に配置されている。
In the solid-state imaging device disclosed in
なお、前記特許文献1に開示された固体撮像素子では、各画素には、ベイヤー配列に従って配列されたカラーフィルタが設けられており、1つのR画素(赤色カラーフィルタが設けられた画素)、1つのB画素(青色カラーフィルタが設けられた画素)及び2つのG画素(緑色カラーフィルタが設けられた画素)(そのうちの一方をGr画素、他方をGb画素と呼ぶ。)の、2×2個の画素を基本単位とし、この基本単位がマトリクス状に配置されている。
しかしながら、特許文献1に開示された従来の固体撮像素子では、画素間の感度ずれを必ずしも十分に低減することはできなかった。この点について、以下に説明する。
However, the conventional solid-state imaging device disclosed in
単位セルごとに複数の画素で増幅トランジスタ等を共有する固体撮像素子では、互いに行方向に隣り合う単位セルが全く同じ列方向位置に配置されることを前提とした上で、単位セル毎に複数の画素で増幅トランジスタ等を共有している。したがって、各画素における光電変換部に対するその周囲のトランジスタ等の他の要素の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を、全ての画素について同一にすることができなくなってしまい、Gr画素とGb画素との間に感度ずれが原理的に発生してしまう。R画素とB画素とG画素との間では元々感度が異なるが、Gr画素とGb画素との間では同じ感度であるべきであり、その間の感度差が僅かでも画質が大きく低下してしまう。固体撮像素子の中央付近では光電変換部の中央に焦点を結ぶようにマイクロレンズで集光しているため、固体撮像素子の中央付近の画素に関しては、光電変換部に対するその周囲の他の要素の位置関係が他の画素と同一に近いことは、あまり問題にならない。一方、固体撮像素子の周辺の領域に斜め光が入射した場合には、入射光の集光位置が光電変換部の中心からずれるため、周辺領域の画素に関しては、光電変換部に対するその周囲の他の要素の位置関係が他の画素と同一に近いことが特に重要となる。 In a solid-state imaging device in which a plurality of pixels share an amplification transistor or the like for each unit cell, it is assumed that unit cells adjacent to each other in the row direction are arranged at exactly the same column direction position. These pixels share an amplification transistor and the like. Therefore, the positional relationship (optical positional relationship regarding sensitivity) of other elements such as surrounding transistors with respect to the photoelectric conversion unit in each pixel cannot be made the same for all the pixels, and the Gr pixel and Gb In principle, a sensitivity deviation occurs between the pixels. Although the sensitivity is originally different between the R pixel, the B pixel, and the G pixel, the sensitivity should be the same between the Gr pixel and the Gb pixel, and the image quality is greatly deteriorated even if the sensitivity difference therebetween is slight. Near the center of the solid-state image sensor, light is condensed by the microlens so as to focus on the center of the photoelectric conversion unit. Therefore, for the pixels near the center of the solid-state image sensor, other elements around the photoelectric conversion unit The fact that the positional relationship is close to that of other pixels is not a problem. On the other hand, when oblique light is incident on the area around the solid-state image sensor, the condensing position of the incident light is shifted from the center of the photoelectric conversion unit. It is particularly important that the positional relationship between these elements is close to that of other pixels.
特許文献1に開示された従来の固体撮像素子では、前述した並進対称の配置が採用されているので、全ての画素について、光電変換部に対する転送トランジスタの位置関係は同一になるが、光電変換部に対する他のトランジスタや配線などの要素の位置関係は同一になっていない。したがって、特許文献1に開示された従来の固体撮像素子では、Gr画素とGb画素との間の感度ずれなどの、画素間の感度ずれを必ずしも十分に低減することはできなかった。
In the conventional solid-state imaging device disclosed in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数の画素で増幅トランジスタ等を共有することで高開口率を維持しつつ、画素間の感度ずれをより低減することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a solid-state imaging capable of further reducing sensitivity deviation between pixels while maintaining a high aperture ratio by sharing an amplification transistor or the like among a plurality of pixels. An object is to provide an element.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、及び、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する転送トランジスタを有する画素を、複数備え、前記複数の画素が2次元状に配置され、各列毎の前記画素の出力が供給される垂直信号線を有する固体撮像素子であって、前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだN個(Nは2以上の整数)の画素毎にユニットセルをなし、前記ユニットセル毎に、当該ユニットセルに属する前記N個の画素が1組の前記電荷電圧変換部及び前記増幅トランジスタを共有し、互いに行方向に隣り合う前記ユニットセルの間では、前記光電変換部の列方向のピッチの、1個からN−1個までのうちの所定の個数分だけ、列方向にずれたものである。 In order to solve the above problems, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, and receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage. A plurality of pixels having a charge-voltage conversion unit, an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the potential of the charge-voltage conversion unit, and a transfer transistor that transfers charge from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit, A solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner and having a vertical signal line to which the output of the pixel for each column is supplied, wherein the photoelectric conversion units are sequentially arranged in the column direction. A unit cell is formed for each of N pixels (N is an integer of 2 or more) arranged, and for each unit cell, the N pixels belonging to the unit cell are a set of the charge-voltage conversion unit and the amplification transistor. The unit cells that share the data and are adjacent to each other in the row direction are shifted in the column direction by a predetermined number from 1 to N−1 in the column direction pitch of the photoelectric conversion units. It is a thing.
本発明の第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記複数の画素には、ベイヤー配列に従って配列されたカラーフィルタが設けられたものである。 A solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein the plurality of pixels are provided with color filters arranged according to a Bayer array.
本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記Nが偶数であり、前記所定の個数が奇数個であるものである。 In the solid-state imaging device according to the third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the N is an even number and the predetermined number is an odd number.
本発明の第4の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記複数の画素の前記転送トランジスタのゲートは、画素行ごとに電気的に共通に接続されたものである。 In the solid-state imaging device according to the fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the gates of the transfer transistors of the plurality of pixels are electrically connected to each pixel row in common. Is.
本発明の第5の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第4のいずれかの態様において、前記画素は、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセットトランジスタ及び当該画素を選択するための選択トランジスタを有し、前記ユニットセル毎に、当該ユニットセルに属する前記N個の画素が1組の前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタを共有するものである。 A solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the pixel selects a reset transistor that resets the potential of the charge-voltage converter and the pixel. Each of the unit cells has a selection transistor, and the N pixels belonging to the unit cell share a set of the reset transistor and the selection transistor.
本発明の第6の態様による固体撮像素子は、前記第5の態様において、前記ユニットセル毎に、前記増幅トランジスタのドレインと前記リセットトランジスタのドレインとが共通化されたものである。 A solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fifth aspect, wherein the drain of the amplification transistor and the drain of the reset transistor are shared for each unit cell.
本発明の第7の態様による固体撮像素子は、前記第5又は6の態様において、互いに列方向にずれた異なる列の前記ユニットセルの前記リセットトランジスタのゲートは、互いに電気的に独立して別々に配線され、互いに列方向にずれた異なる列の前記ユニットセルの前記選択トランジスタのゲートは、互いに電気的に独立して別々に配線されたものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fifth or sixth aspect, wherein the gates of the reset transistors of the unit cells in different columns shifted from each other in the column direction are electrically independent from each other. The gates of the selection transistors of the unit cells in different columns shifted from each other in the column direction are electrically wired separately from each other.
本発明の第8の態様による固体撮像素子は、前記第5乃至第7のいずれかの態様において、前記ユニットセル毎に、当該ユニットセルに属する前記N個の画素が共有する前記増幅トランジスタ、前記リセットトランジスタ及び選択トランジスタは一直線状に配置されたものである。 The solid-state imaging device according to an eighth aspect of the present invention, in any one of the fifth to seventh aspects, includes, for each unit cell, the amplification transistor shared by the N pixels belonging to the unit cell, The reset transistor and the selection transistor are arranged in a straight line.
本発明の第9の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第8のいずれかの態様において、前記各ユニットセルにおける前記N個の画素が共有する前記トランジスタは、当該ユニットセルの前記光電変換部が並んでいる列内の領域から行方向にはみ出した領域に、形成されたものである。 The solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the transistor shared by the N pixels in each unit cell is the photoelectric conversion of the unit cell. It is formed in a region that protrudes in the row direction from the region in the column in which the parts are arranged.
本発明の第10の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第8のいずれかの態様において、前記各ユニットセルにおける前記N個の画素が共有する前記トランジスタは、当該ユニットセルの前記光電変換部が並んでいる列内の領域に、ほぼ形成されたものである。 In the solid-state imaging device according to the tenth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, the transistor shared by the N pixels in each unit cell is the photoelectric conversion of the unit cell. It is almost formed in the region in the row where the parts are lined up.
本発明の第11の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第10のいずれかの態様において、前記各ユニットセルにおいて、列方向に隣り合う前記画素の光電変換部間に、両者の間の電荷のクロストークを低減するクロストーク低減部が形成されたものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, in any one of the first to tenth aspects, in each of the unit cells, between the photoelectric conversion units of the pixels adjacent in the column direction, between the two. A crosstalk reducing portion for reducing charge crosstalk is formed.
本発明の第12の態様による固体撮像素子は、前記第11の態様において、第1導電型の第1の半導体層を備え、前記複数の画素の前記光電変換部は、前記第1の半導体層に設けられた第2導電型の電荷蓄積層を有し、前記クロストーク低減部は、前記第1の半導体層中において形成され所定電位が印加される前記第2導電型の半導体領域を含むものである。 A solid-state imaging device according to a twelfth aspect of the present invention includes, in the eleventh aspect, a first conductivity type first semiconductor layer, and the photoelectric conversion units of the plurality of pixels include the first semiconductor layer. The cross-conduction reducing portion includes the second conductivity type semiconductor region formed in the first semiconductor layer and applied with a predetermined potential. .
本発明によれば、複数の画素で増幅トランジスタ等を共有することで高開口率を維持しつつ、画素間の感度ずれをより低減することができる固体撮像素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state image sensor which can reduce the sensitivity shift between pixels can be provided, maintaining a high aperture ratio by sharing an amplification transistor etc. by several pixels.
以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子は、シリコン基板上にCMOSプロセスを使用してCMOS型の固体撮像素子として形成されており、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの電子カメラに搭載される。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. The solid-state imaging device according to the present embodiment is formed as a CMOS type solid-state imaging device on a silicon substrate using a CMOS process, and is mounted on an electronic camera such as a digital still camera or a video camera.
本実施の形態による固体撮像素子は、2次元状に配置された複数の画素1(図1では、4×3個の画素1のみを示す。)と、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、画素1の各列ごとに設けられ各列ごとの画素1の出力が供給される垂直信号線5と、各垂直信号線5に接続された定電流源6と、画素1で光電変換された光情報を含む光信号を伝送する第1の水平信号線7Sと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号としてのいわゆる暗信号を伝送する第2の水平信号線7Nと、差動出力アンプ8と、を備えている。なお、画素1の数が限定されるものではないことは、言うまでもない。
The solid-state imaging device according to the present embodiment includes a plurality of
また、本実施の形態による固体撮像素子は、画素1の各列に対応して、前記光信号を蓄積する光信号蓄積容量CS、前記暗信号を蓄積する暗信号蓄積容量CN、光信号垂直転送トランジスタTS、暗信号垂直転送トランジスタTN、光信号水平転送トランジスタHS、及び、暗信号水平転送トランジスタHNを有している。なお、実際には、水平信号線7S,7Nをそれぞれ所定タイミングでリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらのトランジスタの図示は省略している。
Further, the solid-state imaging device according to the present embodiment corresponds to each column of the
本実施の形態では、各画素1は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタAMPと、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに電荷を転送する転送トランジスタTXと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットするリセットトランジスタRESと、当該画素1を選択するための選択トランジスタSELとを有し、図1に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素1のトランジスタAMP,TX,RES,SELは、全てnMOSトランジスタである。図1において、Vddは電源電圧である。
In the present embodiment, each
なお、図面では、後述のユニットセル10のうち図中上側の画素1のフォトダイオードの符号をPD1とし、図中下側の画素1のフォトダイオードの符号をPD2として、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号PDを付して説明する場合がある。同様に、後述のユニットセル10のうち図中上側の画素1の転送トランジスタの符号をTX1とし、図中下側の画素1の転送トランジスタの符号をTX2として、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号TXを付して説明する場合がある。
In the drawing, in the
本実施の形態では、前記複数の画素1は、フォトダイオードPDが列方向に順次並んだ2個の画素1毎にユニットセル10をなしている。図2は、図1に示す固体撮像素子のユニットセル10の配置状況を抽象化して模式的に示す概略平面図である。図2では、5×3個の画素1を示している。
In the present embodiment, the plurality of
本実施の形態では、ユニットセル10毎に、当該ユニットセル10に属する2個の画素1が、1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している。フォトダイオードPD及び転送トランジスタTXは、2個の画素1で共有されることなく、画素1毎に設けられている。そして、本実施の形態では、図2に示すように、互いに行方向に隣り合うユニットセル10の間では、フォトダイオードPDの列方向のピッチの1個分だけ、列方向にずらされている。
In the present embodiment, for each
各画素1のフォトダイオードPDの光入射側には、カラーフィルタ(図示せず)が設けられている。本実施の形態では、カラーフィルタの組み合わせとしてR、G、Bを用いる系が採用され、ベイヤー配列が採用されている。もっとも、これに限定されるものではなく、例えばストライプ配列などを採用してもよい。図1及び図2において、主に赤色光を透過する赤色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDにはRを付してその画素1をR画素と呼ぶ場合があり、主に緑色光を透過する緑色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDにはGr,Gbを付しその画素1をGr画素、Gb画素と呼ぶ場合があり、主に青色光を透過する青色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDにはBを付しその画素をB画素と呼ぶ場合がある。GrのフォトダイオードPDは、RのフォトダイオードPDと行方向に隣り合っているフォトダイオードであり、GbのフォトダイオードPDは、BのフォトダイオードPDと行方向に隣り合っているフォトダイオードであり、両者を区別しているが、光学的な特性は同一である。
A color filter (not shown) is provided on the light incident side of the photodiode PD of each
本実施の形態では、このように、ベイヤー配列が採用されるとともに、互いに行方向に隣り合うユニットセル10の間では、フォトダイオードPDの列方向のピッチの1個分だけ、列方向にずらされている。これにより、図2に示すように、Gb画素及びR画素からなるユニットセル10に対し、Gr画素及びB画素からなるユニットセル10が列方向に1画素分だけずれている。
In this embodiment, the Bayer arrangement is adopted as described above, and the
再び図1を参照する。以下の説明では、画素1の行については画素行と呼び、単に行というときは、ユニットセル10を単位とした行(セル行)を意味するものとする。すなわち、ユニットセル10が2画素行に渡ることに着目し、2画素行を1セル行とし、以下の説明では、この1セル行を単に「行」と呼ぶ。ただし、行方向に隣り合うユニットセル10が列方向にずれていることに鑑み、m列目のユニットセル10を基準としたセル行を単に「行」と呼ぶことにする。よって、各行には、図中上側の画素行と図中下側の画素行が含まれる。例えば、n行上側はn行目のユニットセル10の図中上側の画素1が属する画素行を意味し、n行下側はn行目のユニットセル10の図中下側の画素1が属する画素行を意味するものとする。
Refer to FIG. 1 again. In the following description, the row of
図1に示すように、転送トランジスタTXのゲートは、画素行毎に、垂直走査回路2からの転送トランジスタTXを制御する制御信号φTXを転送トランジスタTXに供給する制御線に、接続されている。ただし、この制御信号φTXには、各行の上側の転送トランジスタTXに供給される制御信号φTXAと、各行の下側の転送トランジスタTXに供給される制御信号φTXBとがある。
As shown in FIG. 1, the gate of the transfer transistor TX is connected to a control line that supplies a control signal φTX for controlling the transfer transistor TX from the
リセットトランジスタRESのゲートは、列方向に位置ずれすることなく全く同じ列方向位置に配置されているユニットセル10毎に、垂直走査回路2からのリセットトランジスタRESを制御する制御信号φRESをリセットトランジスタRESに供給する制御線に、接続されている。ただし、この制御信号φRESには、1セル行にちょうど収まるユニットセル10(m列目のユニットセル10など)のリセットトランジスタRESに供給される制御信号φRESAと、2セル行に跨るユニットセル10(m+1列目のユニットセル10など)のリセットトランジスタRESに供給される制御信号φRESBとがある。なお、φRESA(n)は、n行目のユニットセル10のリセットトランジスタRESに供給される制御信号を意味しているが、φRESB(n)は、n行目の下側の画素1と同じ画素行の画素1を上側の画素1とするユニットセル10のリセットトランジスタRESに供給される制御信号を意味している。以上の説明からわかるように、本実施の形態では、互いに列方向にずれた異なる列のユニットセル10のリセットトランジスタRESのゲートは、互いに電気的に独立して別々に配線されている。もっとも、必ずしもこれに限定されず、例えば、φRESA(n)を供給する制御線とφRESB(n)を供給する制御線とを共通に接続して、両者に同じ制御信号を与えるようにすることも可能である。ただし、本実施の形態のように両者を別々に配線した方が、配線を直線状に形成することができるので好ましい。この点は、後述する図3を参照されたい。
The reset transistor RES receives a control signal φRES for controlling the reset transistor RES from the
選択トランジスタSELのゲートは、列方向に位置ずれすることなく全く同じ列方向位置に配置されているユニットセル10毎に、垂直走査回路2からの選択トランジスタSELを制御する制御信号φSELを選択トランジスタSELに供給する制御線に、接続されている。ただし、この制御信号φSELには、1セル行にちょうど収まるユニットセル10(m列目のユニットセル10など)の選択トランジスタSELに供給される制御信号φSELAと、2セル行に跨るユニットセル10(m+1列目のユニットセル10など)の選択トランジスタSELに供給される制御信号φSELBとがある。なお、φSELA(n)は、n行目のユニットセル10の選択トランジスタSELに供給される制御信号を意味しているが、φSELB(n)は、n行目の下側の画素1と同じ画素行の画素1を上側の画素1とするユニットセル10の選択トランジスタSELに供給される制御信号を意味している。以上の説明からわかるように、本実施の形態では、互いに列方向にずれた異なる列のユニットセル10の選択トランジスタSELのゲートは、互いに電気的に独立して別々に配線されている。もっとも、必ずしもこれに限定されず、例えば、φSELA(n)を供給する制御線とφSELB(n)を供給する制御線とを共通に接続して、両者に同じ制御信号を与えるようにすることも可能である。ただし、本実施の形態のように両者を別々に配線した方が、配線を直線状に形成することができるので好ましい。この点は、後述する図3を参照されたい。
The gate of the selection transistor SEL is supplied with a control signal φSEL for controlling the selection transistor SEL from the
フォトダイオードPDは、入射光の光量(被写体光)に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタTXは、転送パルス(制御信号)φTXの高レベル期間にオンし、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。リセットトランジスタRESは、リセットパルス(制御信号)φRESの高レベル期間にオンし、フローティングディフュージョンFDをリセットする。 The photodiode PD generates a signal charge according to the amount of incident light (subject light). The transfer transistor TX is turned on during a high level period of the transfer pulse (control signal) φTX, and transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD. The reset transistor RES is turned on during a high level period of the reset pulse (control signal) φRES to reset the floating diffusion FD.
増幅トランジスタAMPは、そのドレインが電源電圧Vddに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンFDに接続され、そのソースが選択トランジスタSELのドレインに接続され、定電流源6を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDの電圧値に応じて、選択トランジスタSELを介して垂直信号線5に読み出し電流を出力する。選択トランジスタSELは、選択パルス(制御信号)φSELの高レベル期間にオンし、増幅トランジスタAMPのソースを垂直信号線5に接続する。
The amplification transistor AMP has a drain connected to the power supply voltage Vdd, a gate connected to the floating diffusion FD, a source connected to the drain of the selection transistor SEL, and a source follower circuit having the constant
垂直走査回路2は、前述した選択パルスφSEL(φSELA,φSELB)、リセットパルスφRES(φRESA,φRESB)及び転送パルスφTX(φTXA,φTXB)をそれぞれ出力する。
The
相関二重サンプリングによって、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分が除去される。相関二重サンプリングは、選択トランジスタSELをオンしてソースフォロア動作をさせた後、暗信号垂直転送トランジスタTNをオンしてノイズ信号を蓄積容量CNに蓄積する。次いで、暗信号垂直転送トランジスタTNをオフし、光信号垂直転送トランジスタTSをオンして、転送トランジスタTXをオンすることで、蓄積容量CSに信号を蓄積する。さらに、水平走査回路3からの制御信号φHにより、蓄積容量CN,CSにそれぞれ蓄積された両信号を水平信号線7N,7Sにそれぞれ読み出して、差動出力アンプ8によって2つの信号の差分をとって、相関2重サンプリングを行う。
By the correlated double sampling, the noise component is removed from the pixel signal on which the noise signal is superimposed. In correlated double sampling, the selection transistor SEL is turned on to perform a source follower operation, and then the dark signal vertical transfer transistor TN is turned on to accumulate a noise signal in the storage capacitor CN. Next, the dark signal vertical transfer transistor TN is turned off, the optical signal vertical transfer transistor TS is turned on, and the transfer transistor TX is turned on, thereby accumulating signals in the storage capacitor CS. Further, both signals accumulated in the storage capacitors CN and CS are read out to the
ここで、図1に示す固体撮像素子の各ユニットセル10の構造について、図3乃至図6を参照して説明する。図3は、図1に示す固体撮像素子の3×5個の画素1を、図2よりも詳しく示す概略平面図である。図3において、制御信号φSELA,φSELB,φRESA,φRESB,φTXA,φTXBをそれぞれ供給するための制御配線は示しているが、垂直信号線5、電源Vddの配線及びP型不純物拡散領域28に所定電位を供給する配線は省略している。図4は、図3中の一部(2つのユニットセル10)を抜粋して示す図である。図5は、図3及び図4中のA−A’線に沿った概略断面図である。図6は、図3及び図4中のB−B’線に沿った概略断面図である。実際には、フォトダイオードPDの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略する。
Here, the structure of each
本実施の形態では、N型シリコン基板21上にP型ウエル22を設け、P型ウエル22中にフォトダイオードPDなどの画素部における各素子を配置させている。各画素1は、LOCOSによる厚いシリコン酸化膜23及びその下に必要に応じて配置された分離拡散(図示せず)によって分離されている。厚いシリコン酸化膜23が形成されていない領域が、能動領域となる。
In the present embodiment, a P-
図4乃至図6において、符号30〜35は、前述した各トランジスタの一部となっているN型不純物拡散領域である。符号36a,36b,38〜40は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート電極である。なお、符号33は電源電圧Vddが印加される電源拡散部である。拡散領域30,31,32は、配線41によって接続され、全体として1つのフローティングディフュージョンFDを構成している。このフローティングディフュージョンFDが1つのユニットセル10の2個の画素1により共有されている。ゲート電極36a,36bには、垂直走査回路2からの制御信号φTXA又はφTXBを印加するための制御配線が接続されている。ゲート電極38には、垂直走査回路2からの制御信号φRESA又はφRESBを印加するための制御配線が接続されている。ゲート電極40には、垂直走査回路2からの制御信号φSELA又はφSELBを印加するための制御配線が接続されている。
4 to 6,
フォトダイオードPD1,PD2は、図5に示すように、P型ウエル22中に設けられたN型の電荷蓄積層25とその表面側に配置されたP型の空乏化防止層26とからなる埋め込み型フォトダイオードである。しかし、フォトダイオードPD1,PD2は、空乏化防止層の無いフォトダイオードにしても良い。フォトダイオードPD1,PD2は、入射する光を光電変換し、生じた電荷を電荷蓄積層25に蓄積する。フォトダイオードPD1,PD2の電荷蓄積層25に蓄積された電荷は、対応する転送トランジスタTX1,TX2がオン状態とされることによってフローティングディフュージョンFDに転送される。
As shown in FIG. 5, the photodiodes PD1 and PD2 are embedded with an N-type
転送トランジスタTX1,TX2は、対応するフォトダイオードPD1,PD2の電荷蓄積層25をソース、フローティングディフュージョンFDの一部を構成するN型不純物拡散領域30又は31をドレインとしたMOSトランジスタである。転送トランジスタTX1,TX2は、そのゲート36に印加される制御信号φTXA又はφTXBにより駆動される。
The transfer transistors TX1 and TX2 are MOS transistors having the
増幅トランジスタAMPは、電源拡散部33をドレイン、拡散領域34をソースとするMOSトランジスタである。増幅トランジスタAMPのゲート電極39は、配線41によってフローティングディフュージョンFDに電気的に接続されている。フォトダイオードPD1,PD2からそれぞれ転送トランジスタTX1,TX2を介してフローティングディフュージョンFDに転送されてきた電荷は、フローティングディフュージョンFDで電圧に変換され、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極39に印加される。そして、増幅トランジスタAMPは、そのゲート電極39の電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、増幅トランジスタAMPは、フォトダイオードPD1,PD2で生成・蓄積された電荷の量に応じた電気信号(画素信号)を出力する。
The amplification transistor AMP is a MOS transistor having the power
選択トランジスタSELは、拡散領域34をドレイン、拡散領域35をソースとするMOSトランジスタである。図3及び図4には示していないが、拡散領域35は列毎に垂直信号線5に接続されている。選択トランジスタSELは、オン状態にされることで、増幅トランジスタAMPの出力を垂直信号線5に出力する。すなわち、増幅トランジスタAMPと選択トランジスタSELによって、ソースフォロワによる読み出しが可能となっている。
The selection transistor SEL is a MOS transistor having the
リセットトランジスタRESは、電源拡散部33をドレイン、フローティングディフュージョン32をソースとするMOSトランジスタである。リセットトランジスタRESは、オン状態にされることで、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている電荷をリセットする。
The reset transistor RES is a MOS transistor having the power
以上の説明からわかるように、本実施の形態では、各ユニットセル10において、上側の画素1にはフォトダイオードPD1及び転送トランジスタTX1が設けられるとともに、下側の画素1にはフォトダイオードPD2及び転送トランジスタTX2が設けられ、これらは2個の画素1で共有されていない。一方、ユニットセル10毎に、当該ユニットセル10に属する2個の画素1が、1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している。
As can be seen from the above description, in the present embodiment, in each
先に図2を参照して説明したが、図3からもわかるように、互いに行方向に隣り合うユニットセル10の間では、フォトダイオードPDの列方向のピッチの1個分だけ、列方向にずらされている。これにより、図3に示すように、フォトダイオードPDに対するその周囲のトランジスタSEL,AMP,RES等の他の要素の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を、Gb画素間やGr画素間のみならずGb画素とGr画素との間でも全く同一にすることができている。よって、本実施の形態によれば、Gb画素とGr画素との間の感度ずれを大きく低減することができる。
As described above with reference to FIG. 2, as can be seen from FIG. 3, the
また、本実施の形態では、図3及び図4に示すように、ユニットセル10毎に、リセットトランジスタRESと増幅トランジスタAMPと選択トランジスタSELが行方向に一直線状に並んでおり、増幅トランジスタAMPのドレインとリセットトランジスタRESのドレインは共に電源拡散部33とされ、両者は共通化されている。一方、前記特許文献1に開示された従来の固体撮像素子では、前述した並進対称の配置を実現するために、増幅トランジスタと選択トランジスタとを隣接して配置するがリセットトランジスタは別の離れた場所に配置されている。したがって、この従来の固体撮像素子では、必然的に、増幅トランジスタAMPのドレインとリセットトランジスタRESのドレインとは共通化されずに、それらのドレインは別々に設けられている。これに対し、本実施の形態では、前述したように増幅トランジスタAMPのドレインとリセットトランジスタRESのドレインとが共通化されているため、ドレイン1個分の面積が不要となり、前記従来の固体撮像素子に比べて、フォトダイオードPDの開口率を大きくすることができる。もっとも、本発明では、増幅トランジスタのドレインとリセットトランジスタのドレインとは必ずしも共通化しなくてもよい。また、例えば、トランジスタRES,AMP,SELを列方向に一直線状に並べてもよい。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, for each
また、本実施の形態では、図3に示すように、各ユニットセル10における2個の画素1が共有するトランジスタRES,AMP,SELは、ユニットセル10のフォトダイオードPDが並んでいる列内の領域から行方向にはみ出した領域に、形成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the transistors RES, AMP, and SEL shared by the two
本実施の形態では、各トランジスタTX1,TX2,RES,AMP,SEL,AMPにおいて、ゲート電極36a,36b,38〜40に隣接する拡散層(ソースおよびドレイン)は、ドレイン近傍の電界を緩和するために、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。図5及び図6において、符号30a,31a,32a,33a,34a,35aは、LDD構造を構成する低不純物濃度のN型拡散領域を示している。なお、本発明の適用範囲は、LDD構造を有するトランジスタ構造に限定されない。例えば、シングルドレイン構造およびダブルドレイン構造のトランジスタが形成される固体撮像素子に本発明を適用してもよい。
In the present embodiment, in each of the transistors TX1, TX2, RES, AMP, SEL, and AMP, the diffusion layers (source and drain) adjacent to the
なお、図3及び図6において、28は、P型ウエル22に所定電位を供給するための高不純物濃度のP型不純物拡散領域である。図面には示していないが、このP型不純物拡散領域28には、所定電位を供給する配線が接続されている。また、図面には示していないが、有効画素領域の周囲には、必要に応じて、画素1と同様の構造を有するダミー画素が設けられる。
3 and 6,
図7は、本実施の形態による固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 FIG. 7 is a timing chart showing an example of the reading operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素1のフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、各画素行の読み出し動作が順次同様に行われていく。図7は、図1及び図3におけるn行目下側の画素1の読み出し以降の動作を示している。図7において、期間T1,T2はn行目下側の画素1の読み出し期間、期間T3,T4はn行目上側の画素1の読み出し期間、期間T5,T6はn+1行目下側の画素1の読み出し期間、期間T7,T8はn+1行目上側の画素1の読み出し期間を示している。
In this embodiment, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layer of the photodiode PD of each
期間T1において、n行目のリセットパルスφRESA(n)、φRESB(n)が低レベルに変化し、対応するリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T1において、垂直走査回路2によりn行目の選択パルスφSELA(n)、φSELB(n)が高レベルに変化し、対応する選択トランジスタSELがオンする。その選択トランジスタSELのオンにより、対応する増幅トランジスタAMPのソースは垂直出力線5に接続される。そして、その増幅トランジスタAMPは、定電流源6によってソースフォロア回路として動作する。
In the period T1, the reset pulses φRESA (n) and φRESB (n) in the nth row change to a low level, and the corresponding reset transistor RES is turned off. In the period T1, the
期間T1が開始した後、期間T11において、ノイズ転送パルスφTNが高レベルに変化し、暗信号垂直転送トランジスタTNがオンし、リセット状態に対応するノイズ信号(暗信号)が暗信号蓄積容量CNに蓄積される。この動作は、n行目下側の全ての画素1に対して同時並列に実行される。この後、期間T12において、n行目下側の転送パルスφTXB(n)が高レベルに変化し、n行目下側の転送トランジスタTXがオンする。n行目下側の転送トランジスタTXのオンにより、n行目下側のフォトダイオードPDで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極39に印加される。
After the period T1 starts, in the period T11, the noise transfer pulse φTN changes to a high level, the dark signal vertical transfer transistor TN is turned on, and a noise signal (dark signal) corresponding to the reset state is input to the dark signal storage capacitor CN. Accumulated. This operation is executed simultaneously in parallel for all the
次に、期間T1内の期間T13において、光信号転送パルスφTSが高レベルに変化し、光信号垂直転送トランジスタTSがオンし、光信号が光信号蓄積容量CSに蓄積される。この動作は、n行目下側の全ての画素1に対して同時並列に実行される。
Next, in the period T13 within the period T1, the optical signal transfer pulse φTS changes to a high level, the optical signal vertical transfer transistor TS is turned on, and the optical signal is stored in the optical signal storage capacitor CS. This operation is executed simultaneously in parallel for all the
期間T1後の期間T2において、水平走査回路3からの制御信号φHによる水平走査によって水平転送トランジスタHS,HNが列毎に順次オンされ、蓄積容量CS,CNに蓄積されていた光信号及び暗信号が列毎に順次水平信号線7S,7Nに読み出され、差動出力アンプ8によってそれらの信号の差分が取られて外部へ出力される。このように差分をとることで、相関二重サンプリングが実現され、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分が除去される。
In the period T2 after the period T1, the horizontal transfer transistors HS and HN are sequentially turned on for each column by the horizontal scanning by the control signal φH from the horizontal scanning circuit 3, and the optical signal and the dark signal stored in the storage capacitors CS and CN are stored. Are sequentially read out to the
次に、期間T2後の期間T3からn行目上側の画素1の読み出しを開始する。
Next, readout of the
期間T3において、n行目のリセットパルスφRESA(n)及びn+1行目のリセットパルスφRESB(n+1)が低レベルに変化し、対応するリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T3において、垂直走査回路2によりn行目の選択パルスφSELA(n)及びn+1行目の選択パルスφSELB(n+1)が高レベルに変化し、対応する選択トランジスタSELがオンする。その選択トランジスタSELのオンにより、対応する増幅トランジスタAMPのソースは垂直出力線5に接続される。そして、その増幅トランジスタAMPは、定電流源6によってソースフォロア回路として動作する。
In the period T3, the reset pulse φRESA (n) in the nth row and the reset pulse φRESB (n + 1) in the n + 1th row are changed to a low level, and the corresponding reset transistor RES is turned off. In the period T3, the
期間T3が開始した後、期間T14において、ノイズ転送パルスφTNが高レベルに変化し、暗信号垂直転送トランジスタTNがオンし、リセット状態に対応するノイズ信号(暗信号)が暗信号蓄積容量CNに蓄積される。この動作は、n行目上側の全ての画素1に対して同時並列に実行される。この後、期間T15において、n行目上側の転送パルスφTXA(n)が高レベルに変化し、n行目上側の転送トランジスタTXがオンする。n行目上側の転送トランジスタTXのオンにより、n行目上側のフォトダイオードPDで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極39に印加される。
After the period T3 starts, in the period T14, the noise transfer pulse φTN changes to a high level, the dark signal vertical transfer transistor TN is turned on, and the noise signal (dark signal) corresponding to the reset state is input to the dark signal storage capacitor CN. Accumulated. This operation is executed simultaneously in parallel for all the
次に、期間T3内の期間T16において、光信号転送パルスφTSが高レベルに変化し、光信号垂直転送トランジスタTSがオンし、光信号が光信号蓄積容量CSに蓄積される。この動作は、n行目上側の全ての画素1に対して同時並列に実行される。
Next, in a period T16 within the period T3, the optical signal transfer pulse φTS changes to a high level, the optical signal vertical transfer transistor TS is turned on, and the optical signal is stored in the optical signal storage capacitor CS. This operation is executed simultaneously in parallel for all the
期間T3後の期間T4において、水平走査回路3からの制御信号φHによる水平走査によって水平転送トランジスタHS,HNが列毎に順次オンされ、蓄積容量CS,CNに蓄積されていた光信号及び暗信号が列毎に順次水平信号線7S,7Nに読み出され、差動出力アンプ8によってそれらの信号の差分が取られて外部へ出力される。このように差分をとることで、相関二重サンプリングが実現され、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分が除去される。
In the period T4 after the period T3, the horizontal transfer transistors HS and HN are sequentially turned on for each column by the horizontal scanning by the control signal φH from the horizontal scanning circuit 3, and the optical signal and the dark signal stored in the storage capacitors CS and CN are turned on. Are sequentially read out to the
期間T4後の期間T5以降においても、以上説明したのと同様の動作を繰り返す。 The same operation as described above is repeated after the period T4 and after the period T5.
本実施の形態によれば、各ユニットセル10において、2個の画素1がトランジスタSEL,AMP,RESを共有しているので、高開口率を維持することがでできる。そして、本実施の形態によれば、前述したように、互いに行方向に隣り合うユニットセル10の間では、フォトダイオードPDの列方向のピッチの1個分だけ列方向にずらされていることで、図3に示すように、フォトダイオードPDに対するその周囲のトランジスタSEL,AMP,RES等の他の要素の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を、Gb画素間やGr画素間のみならずGb画素とGr画素との間でも全く同一にすることができ、これにより、Gb画素とGr画素との間の感度ずれを大きく低減することができる。
According to the present embodiment, since the two
図8は、本実施の形態と比較される比較例による固体撮像素子のユニットセル10の配置状況を抽象化して模式的に示す概略平面図であり、図2に対応している。図8において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。この比較例では、本実施の形態と異なり、前述した従来の固体撮像素子と同様に、互いに行方向に隣り合うユニットセル10は、列方向にずれておらず、全く同じ列方向位置に配置されている。したがって、この比較例では、フォトダイオードPDに対するその周囲のトランジスタSEL,AMP,RES等の他の要素の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を、Gb画素とGr画素との間でも全く同一にすることはできず、Gb画素とGr画素との間の感度ずれが大きくなってしまう。
FIG. 8 is a schematic plan view schematically showing an arrangement state of the
本実施の形態によれば、前述したように、複数の画素1でトランジスタ等を共有化することで高開口率を維持しつつ、Gb画素とGr画素との間の感度ずれを大きく低減することできるので、感度が高くしかも色再現性の良い固体撮像素子を実現することができる。
According to the present embodiment, as described above, by sharing transistors and the like among the plurality of
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図9は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子の3×5個の画素1を模式的に示す概略平面図であり、図3に対応している。図10は、図9中のC−C’線に沿った概略断面図であり、図6に対応している。図9及び図10において、図3及び図6中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 9 is a schematic plan view schematically showing 3 × 5
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、P型不純物拡散領域28が狭められ、各ユニットセル10において、列方向に隣り合うフォトダイオードPD1,PD2間に、両者の間の電荷のクロストークを低減するクロストーク低減部としてのN型不純物拡散領域50がP型ウエル22に形成されている点のみである。N型不純物拡散領域50は、配線(図示せず)によって電源電圧Vddに接続されており、シリコン内部で発生した電荷の吸収層となっている。なお、前記クロストーク低減部としては、このような拡散領域50に限定されるものではない。
This embodiment is different from the first embodiment in that the P-type
本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる他、フォトダイオードPD1,PD2間にN型不純物拡散領域50が配置されているので、フォトダイオードPD1,PD2間のクロストークが低減され、混色を防止することができるという利点も得られる。
According to the present embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and the N-type
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図11は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像素子のユニットセル10の配置状況を抽象化して模式的に示す概略平面図であり、図2に対応している。図12は、図11に示す固体撮像素子の3×5個の画素1を、図11よりも詳しく示す概略平面図であり、図3に対応している。図13は、図12中の一部(2つのユニットセル10)を抜粋して示す図であり、図4に対応している。図11乃至図13において、図2乃至図4中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 11 is a schematic plan view schematically showing an arrangement state of the
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、各ユニットセル10における2個の画素1が共有するトランジスタRES,AMP,SELは、ユニットセル10のフォトダイオードPDが並んでいる列内の領域に、ほぼ形成されるように、各部の配置が変更されている点のみである。
This embodiment is different from the first embodiment in that the transistors RES, AMP, and SEL shared by the two
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。なお、前記第1の実施の形態を変形して前記第2の実施の形態を得たのと同様の変形を、本実施の形態に適用してもよい。 Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained. A modification similar to that obtained by modifying the first embodiment to obtain the second embodiment may be applied to the present embodiment.
[第4の実施の形態] [Fourth Embodiment]
図14は、本発明の第4の実施の形態による固体撮像素子のユニットセル110の配置状況を抽象化して模式的に示す概略平面図であり、図2に対応している。
FIG. 14 is a schematic plan view schematically showing an arrangement state of the
本発明では、光電変換部が列方向に順次並んだN個(Nは2以上の整数)の画素毎にユニットセルを複数の画素がなし、前記ユニットセル毎に、当該ユニットセルに属する前記N個の画素が1組の電荷電圧変換部及び増幅トランジスタを共有し、互いに行方向に隣り合う前記ユニットセルの間では、前記光電変換部の列方向のピッチの、1個からN−1個までのうちの所定の個数分だけ、列方向にずれていればよい。前記第1乃至第3の実施の形態は、前記N個を2個とした例であるのに対し、本実施の形態は前記N個を4個とした例である。
In the present invention, a plurality of pixels are formed for each of N pixels (N is an integer of 2 or more) in which photoelectric conversion units are sequentially arranged in the column direction, and the N belonging to the unit cell is included in each unit cell. Each pixel shares one set of charge-voltage conversion unit and amplification transistor, and the unit cells adjacent to each other in the row direction have a pitch in the column direction of the photoelectric conversion unit from 1 to
本実施の形態では、各ユニットセル110は、フォトダイオードPD1〜PD4が列方向に順次並んだ4個の画素101からなる。各画素101は前述した画素1と同様の構成を有しているが、各ユニットセル110において、4個の画素101は、1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している。フォトダイオードPD及び転送トランジスタTXは、4個の画素101で共有されることなく、画素1毎に設けられている。本実施の形態においても、各画素101のフォトダイオードPDの光入射側にはベイヤー配列に従って配列されたカラーフィルタが設けられている。
In the present embodiment, each
そして、本実施の形態では、互いに行方向に隣り合うユニットセル110の間では、フォトダイオードPDの列方向のピッチの1個分だけ、列方向にずらされている。これにより、前記第1の実施の形態の場合と同様に、フォトダイオードPDに対するその周囲のトランジスタSEL,AMP,RES等の他の要素の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を、Gb画素間やGr画素間のみならずGb画素とGr画素との間でも全く同一又は近づけることができ、これにより、Gb画素とGr画素との間の感度ずれを低減することができる。
In this embodiment, the
図15は、本実施の形態と比較される比較例による固体撮像素子のユニットセル110の配置状況を抽象化して模式的に示す概略平面図であり、図14に対応している。図15において、図14中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。この比較例では、本実施の形態と異なり、前述した従来の固体撮像素子と同様に、互いに行方向に隣り合うユニットセル110は、列方向にずれておらず、全く同じ列方向位置に配置されている。したがって、この比較例では、フォトダイオードPDに対するその周囲のトランジスタSEL,AMP,RES等の他の要素の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を、Gb画素とGr画素との間で同一又は近づけることはできず、Gb画素とGr画素との間の感度ずれが大きくなってしまう。
FIG. 15 is a schematic plan view schematically showing an arrangement state of the
図14を図15との比較から理解できるように、本実施の形態では、少なくとも、フォトダイオードPD1を有するGb画素とフォトダイオードPD1を有するGr画素との間、及び、フォトダイオードPD3を有するGb画素とフォトダイオードPD3を有するGr画素との間で、フォトダイオードPDに対するその周囲のトランジスタ等の位置関係(感度に関する光学的な位置関係)を同一にすることができる。よって、本実施の形態によれば、図15に示す比較例に比べてGb画素とGr画素との間の感度ずれを低減することができるのである。 As can be understood from the comparison of FIG. 14 with FIG. 15, in the present embodiment, at least the Gb pixel having the photodiode PD1 and the Gr pixel having the photodiode PD1 and the Gb pixel having the photodiode PD3. And the Gr pixel having the photodiode PD3 can have the same positional relationship (optical positional relationship with respect to sensitivity) of the peripheral transistors and the like with respect to the photodiode PD. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to reduce the sensitivity shift between the Gb pixel and the Gr pixel as compared with the comparative example shown in FIG.
なお、本実施の形態のように、ベイヤー配列が採用されている場合には、互いに行方向に隣り合うユニットセル110の間では、フォトダイオードPDの列方向のピッチの奇数個分(例えば、1個分に限らず3個分でもよい。)だけ、列方向にずらせばよい。
When the Bayer arrangement is adopted as in the present embodiment, an odd number (for example, 1) of the pitch in the column direction of the photodiodes PD between the
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
PD1,PD2 フォトダイオード
AMP 増幅トランジスタ
RES リセットトランジスタ
TX1,TX2 転送トランジスタ
SEL 選択トランジスタ
FD フローティングディフュージョン
10,110 ユニットセル
PD1, PD2 Photodiode AMP Amplifying transistor RES Reset transistor TX1, TX2 Transfer transistor SEL Select transistor FD Floating diffusion 10,110 Unit cell
Claims (12)
前記複数の画素が2次元状に配置され、
各列毎の前記画素の出力が供給される垂直信号線を有する固体撮像素子であって、
前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだN個(Nは2以上の整数)の画素毎にユニットセルをなし、
前記ユニットセル毎に、当該ユニットセルに属する前記N個の画素が1組の前記電荷電圧変換部及び前記増幅トランジスタを共有し、
互いに行方向に隣り合う前記ユニットセルの間では、前記光電変換部の列方向のピッチの、1個からN−1個までのうちの所定の個数分だけ、列方向にずれたことを特徴とする固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charge according to incident light, a charge-voltage conversion unit that receives the signal charge and converts the signal charge into voltage, and an amplifier that outputs a signal according to the potential of the charge-voltage conversion unit A plurality of pixels having a transistor and a transfer transistor that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit,
The plurality of pixels are two-dimensionally arranged;
A solid-state imaging device having a vertical signal line to which the output of the pixel for each column is supplied,
The plurality of pixels form a unit cell for each of N pixels (N is an integer of 2 or more) in which the photoelectric conversion units are sequentially arranged in a column direction,
For each unit cell, the N pixels belonging to the unit cell share a set of the charge-voltage converter and the amplification transistor,
The unit cells adjacent to each other in the row direction are shifted in the column direction by a predetermined number of 1 to N−1 pitches in the column direction of the photoelectric conversion units. A solid-state imaging device.
前記ユニットセル毎に、当該ユニットセルに属する前記N個の画素が1組の前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタを共有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像素子。 The pixel includes a reset transistor that resets the potential of the charge-voltage converter and a selection transistor for selecting the pixel.
5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein for each unit cell, the N pixels belonging to the unit cell share a set of the reset transistor and the selection transistor.
互いに列方向にずれた異なる列の前記ユニットセルの前記選択トランジスタのゲートは、互いに電気的に独立して別々に配線されたことを特徴とする請求項5又は6記載の固体撮像素子。 The gates of the reset transistors of the unit cells in different columns shifted from each other in the column direction are separately wired independently of each other electrically,
7. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the gates of the selection transistors of the unit cells in different columns shifted from each other in the column direction are separately wired independently from each other.
前記複数の画素の前記光電変換部は、前記第1の半導体層に設けられた第2導電型の電荷蓄積層を有し、
前記クロストーク低減部は、前記第1の半導体層中において形成され所定電位が印加される前記第2導電型の半導体領域を含むことを特徴とする請求項11記載の固体撮像素子。 Comprising a first semiconductor layer of a first conductivity type;
The photoelectric conversion units of the plurality of pixels have a second conductivity type charge storage layer provided in the first semiconductor layer,
The solid-state imaging device according to claim 11, wherein the crosstalk reducing unit includes the second conductivity type semiconductor region formed in the first semiconductor layer and applied with a predetermined potential.
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