JP3720036B2 - CMOS image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板にアクティブピクセルがマトリクス配列され、X−YアドレスされるCMOSイメージセンサに関する。 The present invention relates to a CMOS image sensor in which active pixels are arranged in a matrix on a semiconductor substrate and are XY addressed.
CMOSイメージセンサのアクティブピクセルは、半導体基板上に形成した受光素子としてのフォトダイオードと、このフォトダイオードに光が照射されて生じる信号電荷を伝送、増幅する複数のMOSトランジスタからなり、これらの素子の組合わせをピクセルユニットセルとしてその複数個を半導体基板上にマトリクス配列して画素部としている。基本的には一つのフォトトランジスタの伝送のために、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび行アドレスのための選択トランジスタの組合わせを必要とする。 An active pixel of a CMOS image sensor includes a photodiode as a light receiving element formed on a semiconductor substrate and a plurality of MOS transistors that transmit and amplify signal charges generated by irradiating the photodiode with light. A combination of pixel unit cells is used as a pixel unit by arranging a plurality of pixel unit cells in a matrix on a semiconductor substrate. Basically, for the transmission of one phototransistor, a combination of a reset transistor, an amplifying transistor and a selection transistor for row address is required.
この1つの組合わせを複数のフォトダイオードに共通に用いて信号処理の効率化をはかる構造も知られている。通常、一対のフォトダイオードに共通の増幅部を配置したセンサがディジタルカメラ、モバイル機器、カメラ付き携帯電話などに実用化されている。この構造では、一対のフォトダイオードから信号電荷を交互に取り出すために各ダイオードに読み取りトランジスタを付属させて信号切換えを行う。また画素部の周辺部にタイミング発生回路と、垂直ライン走査回路、ノイズキャンセル回路、さらに水平ライン走査回路、出力増幅器を有する読出し部を配置したものがある(例えば特許文献1参照)。 There is also known a structure for improving the efficiency of signal processing by using this one combination in common for a plurality of photodiodes. Usually, a sensor in which a common amplification unit is disposed in a pair of photodiodes has been put to practical use in digital cameras, mobile devices, camera-equipped mobile phones, and the like. In this structure, in order to alternately extract signal charges from a pair of photodiodes, a signal transistor is attached to each diode to perform signal switching. In addition, there is a pixel in which a timing generation circuit, a vertical line scanning circuit, a noise canceling circuit, a horizontal line scanning circuit, and a reading unit having an output amplifier are arranged in the periphery of the pixel portion (see, for example, Patent Document 1).
以下、従来例を図10ないし図12を参照して説明する。図10はマトリクス配列図、図11は要部の回路図であり、図12は要部のレイアウトを示す図である。 Hereinafter, a conventional example will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a matrix arrangement diagram, FIG. 11 is a circuit diagram of the main part, and FIG. 12 is a diagram showing a layout of the main part.
図において、CMOSイメージセンサの画素部1は、複数のユニットセルCeを二次元的に略正格子状にマトリクス配置して構成されており、1ユニットセルCeの画素が2つの第1および第2のフォトダイオード12a,12bで構成されている。そして、回路構成は、図11に示すように、2つの第1および第2のフォトダイオード12a,12bは、それぞれに対応して設けられた読出しトランジスタ13a,13bのソースに接続されており、また各読出しトランジスタ13a,13bのゲート14a,14bには、それぞれ読出しパルスを供給する読出し線15a,15bが接続されている。
In the figure, the pixel portion 1 of the CMOS image sensor is configured by arranging a plurality of unit cells Ce in a two-dimensional matrix arrangement in a substantially regular lattice, and the pixel of one unit cell Ce has two first and second pixels.
また、読出しトランジスタ13a,13bのドレインは、共通のフローティング拡散領域16で形成されており、フローティング拡散領域16は、金属配線により増幅トランジスタ17のゲート18とリセットトランジスタ19のソース20に接続されている。また増幅トランジスタ17のドレイン21は、選択トランジスタ22のソースと共通となっており、選択トランジスタ22のドレイン23は、電源線24に接続され、選択トランジスタ22のゲート25には、選択パルスを供給する選択線26が接続されている。さらに増幅トランジスタ17のソースは、ソース拡散領域27で形成され、このソース拡散領域27には、信号線28が接続されている。
The drains of the
一方、リセットトランジスタ19のドレインは、隣接するユニットセルCeの選択トランジスタ22のドレイン23と共通で、リセットドレイン電圧源の電源線24に接続されており、リセットトランジスタ19のゲート29には、リセットパルスを供給するリセット線30が接続されている。
On the other hand, the drain of the
また、レイアウトは、図12に示すように、共に方形をなす第1のフォトダイオード12a、または第2のフォトダイオード12bのみを、所定間隔で水平方向に配置し、また垂直方向には、第1のフォトダイオード12aと第2のフォトダイオード12bを交互に所定間隔で配置したものとなっている。そして、同一ユニットセルCeの垂直方向に隣接する第1のフォトダイオード12aと第2のフォトダイオード12bとの間には、フローティング拡散領域16を間に挟むようにして、読出し線15a,15bがパターンの中間部に水平方向に延在するように設けられている。読出し線は読出しトランジスタ13a,13bのゲート14a,14bを構成して読出しパルスを供給する。
In addition, as shown in FIG. 12, the layout is such that only the
また、第1のフォトダイオード12aの垂直方向上方側には、リセットパルスが供給されるリセットトランジスタ19のゲート29が形成されたリセット線30が、所定間隔を設けて水平方向に延在するように設けられている。一方、第2のフォトダイオード12bの垂直方向の下方側には、下方側の隣接ユニットセルの第1のフォトダイオード12aとの間に、選択パルスが供給される選択トランジスタ22のゲート25が形成された選択線26が、同じ隣接するユニットセルのリセット線30との間に所定間隔を設けかつ水平方向に延在するように設けられている。
Further, on the upper side in the vertical direction of the
さらに、リセットトランジスタ19のゲート29となるリセット線30の中間部には、その下側にソース20、上側に隣接するユニットセルの選択トランジスタ22のドレイン23と共通のドレインが形成されている。また、第2のフォトダイオード12bを間に挟む読出し線15bと選択線26の間には、第2のフォトダイオード12bの近傍に増幅トランジスタ17のゲート18が形成されている。ゲート18の垂直方向上側に増幅トランジスタ17のソース拡散領域27が、また下側には選択線26との間に選択トランジスタ22のソースでもある増幅トランジスタ7のドレイン21が形成されている。
Further, a
またさらに、選択トランジスタ22のソースに対応して、選択線26と垂直方向下方側に隣接するユニットセルのリセット線30との間には、隣接するユニットセルのリセットトランジスタ19のドレインでもある選択トランジスタ22のドレイン23が形成されている。
Further, corresponding to the source of the
上記のように構成されたパターンの各ユニットセルには、垂直方向に配列された各ユニットセルのリセットトランジスタ19のドレインでもある選択トランジスタ22のドレイン23に対し、それぞれを相互に接続するようAl配線による電源線24が配線されている。また同じく、垂直方向に配列された各ユニットセルCeの増幅トランジスタ17のソース拡散領域27に対しては、読出しパルスによって読み出された信号を出力する信号線28が、Al配線によってそれぞれを接続するように配線されている。
In each unit cell of the pattern configured as described above, an Al wiring is connected to the
さらに、各ユニットセルCe毎に、フローティング拡散領域16と増幅トランジスタ17のゲート18およびリセットトランジスタ19のソース20には、これらをそれぞれ接続するように、例えばフローティング拡散領域16と増幅トランジスタ17のゲート18を接続する接続線31と、フローティング拡散領域16とリセットトランジスタ19のソース20を接続する接続線32とが、Al配線によって配線されている。なお、上記各トランジスタ13a,13b,17,19,22のゲート14a,14b,18,25,29は、多結晶シリコンによって形成されている。
しかしながら上記の従来技術においては、1つのユニットセルCeを第1のフォトダイオード12aと第2のフォトダイオード12b、さらに読出しトランジスタ13a,13b、増幅トランジスタ17、リセットトランジスタ19、選択トランジスタ22で構成し、これに対し、読出し線15a,15b、選択線26、リセット線30を同一面にレイアウトするように形成し、電源線24、信号線28、接続線31,32をAl配線によって設けなければならなかった。このため、第1のフォトダイオード12aと第2のフォトダイオード12bの面積が、ユニットセルCe全体の面積の20%〜30%程度しか取れず、またセンサの解像度を向上させるべく高集積化を図ろうとした場合、その実現は難しく、解像度向上等の点で限界があった。さらに読出し線15aと接続線32とが交差し交差部40を形成している。
However, in the above prior art, one unit cell Ce is composed of the
一方フローティング拡散層16に加えてリセットトランジスタのソース部20と接続線32が存在することは、容量の増加をもたらし、信号電荷量に対する信号出力の変化、すなわちアンプゲインを低下させてしまい高感度センサ実現に障害となった。
On the other hand, the presence of the
上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところはユニットセルを構成する素子や配線等を効率的に配置し、素子や配線等を特に小さくしたり、細線化したりすることなく高集積化できて、解像度等を向上させることができるCMOSイメージセンサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and its object is to efficiently arrange the elements and wirings constituting the unit cell, and to make the elements and wirings particularly small or thin. It is an object of the present invention to provide a CMOS image sensor that can be highly integrated without increasing the resolution and improve the resolution and the like.
本発明の一態様のCMOSイメージセンサは、
フォトダイオードと複数のMOSトランジスタで構成される複数のユニットセルを半導体基板にマトリクス状に配置してなるCMOSイメージセンサにおいて、
前記ユニットセルは半導体基板に形成された第1と第2フォトダイオードと、前記第1フォトダイオードに接続されその信号電荷を読み出す第1読出しトランジスタと、前記第2フォトダイオードに接続されその信号電荷を読み出す第2読出しトランジスタと、前記第1と第2読出しトランジスタに接続されて信号電荷が伝送されるフローティング拡散領域と、前記フローティング拡散領域に接続されこの領域の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティング拡散領域にゲートが接続され信号電荷を増幅する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタを選択的にアドレスする選択トランジスタとからなり、
前記ユニットセルはそれぞれ前記マトリクス配置の水平方向にそれぞれ延在する4本のゲート線である前記第1および第2読出しトランジスタの読出し線、前記リセットトランジスタのリセット線および前記選択トランジスタのセレクト線に結合され、
前記ユニットセルは前記マトリクス配置の垂直方向にそれぞれ延在し前記リセットトランジスタおよび選択トランジスタに接続される電源線および前記増幅トランジスタに接続される信号線に結合され、
前記ゲート線は2線ごとに二重配線層で延在し、
前記第1および第2フォトダイオードは前記第1および第2読出しトランジスタの読出し線を挟んで互いに離間して配置され、
前記フローティング拡散領域はほぼ方形状をなし、
前記第1および第2読出しトランジスタならびに前記リセットトランジスタが前記フローティング拡散領域の各辺に半導体基板内で接続されている。
A CMOS image sensor of one embodiment of the present invention includes:
In a CMOS image sensor in which a plurality of unit cells composed of a photodiode and a plurality of MOS transistors are arranged in a matrix on a semiconductor substrate,
The unit cell includes first and second photodiodes formed on a semiconductor substrate, a first readout transistor connected to the first photodiode for reading out the signal charge, and a signal charge connected to the second photodiode. A second read transistor for reading, a floating diffusion region connected to the first and second read transistors for transmitting signal charges, a reset transistor connected to the floating diffusion region for resetting the potential of the region, and the floating transistor An amplification transistor having a gate connected to the diffusion region and amplifying the signal charge, and a selection transistor for selectively addressing the amplification transistor,
Each of the unit cells is coupled to a read line of the first and second read transistors, a reset line of the reset transistor, and a select line of the select transistor, which are four gate lines extending in the horizontal direction of the matrix arrangement, respectively. And
The unit cells extend in the vertical direction of the matrix arrangement and are coupled to a power supply line connected to the reset transistor and the selection transistor and a signal line connected to the amplification transistor,
The gate line extends in a double wiring layer every two lines,
The first and second photodiodes are spaced apart from each other across a read line of the first and second read transistors;
The floating diffusion region has a substantially rectangular shape,
The first and second read transistors and the reset transistor are connected to each side of the floating diffusion region in a semiconductor substrate.
以上のように,一対の読出しトランジスタおよびリセットトランジスタを共通の方形のフローティング拡散領域で直接結合し,かつゲート線を二重層配線にすることによって、フォトダイオード面積の拡大、ユニットセルと配線の効率的配置をはかることができる。 As described above, a pair of readout transistor and reset transistor are directly coupled with a common rectangular floating diffusion region, and the gate line is formed as a double layer wiring, thereby expanding the photodiode area and improving the efficiency of the unit cell and the wiring. The arrangement can be measured.
本発明の他の態様のCMOSイメージセンサは、対をなす2つのフォトダイオード、前記フォトダイオードに夫々に接続されフォトダイオードの信号を読み出す対をなす読出しトランジスタ、前記信号を増幅する増幅トランジスタ、前記信号をリセットするリセットトランジスタ、前記増幅トランジスタを選択する選択トランジスタとを備えるユニットセルを、垂直方向、水平方向に二次元的に所定ピッチで複数個、マトリクス配置してなるCMOSイメージセンサにおいて、
前記ユニットセルの2つの前記フォトダイオードは前記マトリクス配置の垂直方向に離間配置され、前記対をなす読出しトランジスタは前記対をなすフォトダイオード間に配置されて、ドレインとなるフローティング拡散領域を共通に有し、
前記フローティング拡散領域はほぼ方形に形成され、
前記リセットトランジスタは前記フローティング拡散領域に直接隣接して設けられ、
各フォトダイオードに対応する前記読出しトランジスタのそれぞれのゲートを構成する読出し線が、フローティング拡散領域を前記垂直方向の両側から挟むようにして対向配置され、
前記対をなす読出しトランジスタの前記読出し線に挟まれた領域に前記増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタを形成している。
A CMOS image sensor according to another aspect of the present invention includes a pair of photodiodes, a pair of readout transistors connected to the photodiodes for reading out signals of the photodiodes, an amplification transistor for amplifying the signals, and the signal In a CMOS image sensor, in which a plurality of unit cells each having a reset transistor for resetting and a selection transistor for selecting the amplification transistor are arranged in a matrix at a predetermined pitch two-dimensionally in the vertical and horizontal directions.
The two photodiodes of the unit cell are spaced apart from each other in the vertical direction of the matrix arrangement, and the paired readout transistors are arranged between the paired photodiodes and have a common floating diffusion region serving as a drain. And
The floating diffusion region is substantially rectangular;
The reset transistor is provided directly adjacent to the floating diffusion region;
Read lines constituting the respective gates of the read transistors corresponding to the photodiodes are arranged to face each other so as to sandwich the floating diffusion region from both sides in the vertical direction,
The amplification transistor, the reset transistor, and the selection transistor are formed in a region sandwiched between the readout lines of the paired readout transistors.
ユニットセルの各フォトダイオードに対応する前記読出しトランジスタのそれぞれのゲートは、前記フォトダイオードの間に設けられた略方形のフローティング拡散領域を垂直方向両側から挟むようにして、対向配置されている。または前記ユニットセルの各フォトダイオードに対応する前記読出しトランジスタのそれぞれのゲートが、前記フォトダイオードに対し共通に設けられた略方形のフローティング拡散領域の隣り合う辺に沿って、互いに直交するように設けられて形成され、前記フローティング拡散領域に途中配線を経由せず直接隣接してリセットトランジスタが設けられている。 The gates of the readout transistors corresponding to the photodiodes of the unit cell are arranged to face each other so as to sandwich a substantially square floating diffusion region provided between the photodiodes from both sides in the vertical direction. Alternatively, the gates of the read transistors corresponding to the photodiodes of the unit cell are provided so as to be orthogonal to each other along adjacent sides of a substantially square floating diffusion region provided in common to the photodiodes. A reset transistor is provided directly adjacent to the floating diffusion region without going through an intermediate wiring.
以上のように,一対の読出しトランジスタおよびリセットトランジスタを共通の方形のフローティング拡散領域で直接結合することによって、ユニットセルと配線の効率的配置をはかることができる。 As described above, the unit cell and the wiring can be efficiently arranged by directly coupling the pair of read transistor and reset transistor in the common rectangular floating diffusion region.
本発明によれば、ユニットセルを構成する素子や配線等を効率的に配置することができ、高集積化できて、またフォトダイオード面積を30%以上向上させることができ、かつ電荷電圧変換ゲインを向上させてダイナミックゲインを増加させ、高感度なセンサを提供できる等の効果を奏する。 According to the present invention, elements, wirings, and the like constituting the unit cell can be efficiently arranged, can be highly integrated, can improve the photodiode area by 30% or more, and have a charge-voltage conversion gain. As a result, the dynamic gain can be increased and a highly sensitive sensor can be provided.
以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお各図で同一符号の部分は同様部分を示す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the part of the same code | symbol in each figure shows the same part.
第1の実施形態を、図1ないし図5により説明する。図1は半導体基板上に複数のユニットセルCe1を配置したマトリクス図を示し、R1,R2は読出しパルスR1、R2が印加されてフォトダイオード52a、52bの信号電荷を読み出す読出しトランジスタゲート領域を示し、これにリセットトランジスタゲート部RSおよび増幅トランジスタおよび選択トランジスタ部AMPが接続されている。
A first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a matrix diagram in which a plurality of unit cells Ce1 are arranged on a semiconductor substrate, R1 and R2 show read transistor gate regions for reading out signal charges of
図中、マトリクス水平方向の左側に読出しパルスR1、R2を発生させる周辺回路であるY DriverCKT(R1,R2)を、図の右側にリセットパルス、アドレスパルスを発生させる周辺回路Y DriverCKT(RS,ADD)をそれぞれ示す。図下側のマトリクス垂直方向に信号線の情報を順次読み出すための周辺回路READ CKT を示している。 In the figure, Y Driver CKT (R1, R2), which is a peripheral circuit that generates read pulses R1, R2 on the left side in the horizontal direction of the matrix, and a peripheral circuit Y Driver CKT (RS, ADD), which generates reset pulses and address pulses, on the right side of the figure. ) Respectively. A peripheral circuit READ CKT for sequentially reading signal line information in the vertical direction of the matrix on the lower side of the figure is shown.
マトリクスの水平方向Xに、読出しパルスが印加される第1、第2読出し線54a、54b、リセットパルスが印加されるリセット線69、アドレスパルスが印加される選択線65が延びている。これらの線は各トランジスタのゲートを制御するゲート線である。さらにマトリクスの垂直方向Yに、電源線68と信号線62が延びている。ユニットセルCe1は、水平方向に延びる4本のゲート線54a、54b、65、69と垂直方向に延びる電源線68と信号線62に結合される。
In the horizontal direction X of the matrix, first and
本実施例ではRS部が読出し線54a、54bの間に存在し、読出し線との間に交差部がない。
In this embodiment, the RS portion exists between the
図において、CMOSイメージセンサの画素部101は、半導体基板上に複数のユニットセルCe1を水平、垂直の二次元的に略正格子状にマトリクス配置して構成されており、1ユニットセルCe1の画素が2つの第1および第2のフォトダイオード52a,52bで構成されている。
In the figure, the
本実施形態では第1の読出しトランジスタ53aの第1読出し線54aとリセットトランジスタ59のリセット線69が層間絶縁層103(図4)を介して二重配線層104として積層されている。さらに、第2読出しトランジスタ53bの第2読出し線54bと選択トランジスタ62の選択線65が層間絶縁層103(図4)を介して二重配線層105として積層されている。
In the present embodiment, the
図3に示すようにレイアウトはこれらの二重配線層104,105がマトリクス配列の水平方向に延在して平行に配置されている。フォトダイオード52a、52bはこれらの配線層の外側に配置され、第1および第2読出しトランジスタ53a,53bおよび二重配線層104,105を内側に挟むように位置する。また、第1および第2読出しトランジスタのドレインに接続されたフローティング拡散領域56、リセットトランジスタ59、増幅トランジスタ57および選択トランジスタ62が二重配線層の内側領域に配置される。
As shown in FIG. 3, in the layout, these double wiring layers 104 and 105 extend in the horizontal direction of the matrix arrangement and are arranged in parallel. The
フローティング拡散領域56は方形形状をなし、第1および第2読出しトランジスタ53a、53bのドレインがこの領域の4辺のうち互いに対向する2辺56a、56bにそれぞれ接続される。また2辺56a、56bに挟まれる1辺にリセットトランジスタ59のソースが接続される。
The floating
さらに詳述すると、図2に示すように、各ユニットセルの2つの第1および第2のフォトダイオード52a,52bには、それぞれに対応して読出しトランジスタ53a,53bが設けられそのソースが接続される。各読出しトランジスタ53a,53bのゲートは、それぞれ読出しパルスを供給する読出し線54a,54bが兼ねており、読出しトランジスタ53a,53bのドレインは、共通のフローティング拡散領域56で形成されている。そして、2つの第1および第2のフォトダイオード52a,52bに対し、増幅トランジスタ57、リセットトランジスタ59、選択トランジスタ62が共通に設けられている。
More specifically, as shown in FIG. 2, the two first and
また、レイアウトは、図3に示すように、同ユニットセル内で水平方向に長い長方形状をなす第1のフォトダイオード52a、または第2のフォトダイオード52bのみを、所定間隔で水平方向に配置する。また垂直方向には、同一ユニットセルの第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bとの間には所定間隔を設ける。水平方向の隣接ユニットセルの第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bとが隣接するようにして、第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bとが交互に位置するように配置してもよい。
Further, as shown in FIG. 3, only the
第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bとの間には、マトリクス配置の水平方向に配列された各コラムのユニットセルCe1共通に第1読出し線54aと第2読出し線54bが延びている。第1読出し線54aが第1のフォトダイオード52aの側の読出しトランジスタ53aのゲート線である。また第2読出し線54bが第2のフォトダイオード52bの側の読出しトランジスタ53bのゲート線である。なお、読出し線54a,54bは、多結晶シリコンで形成されており、また、それぞれには読出しパルスを供給する読出し線端部55a,55bが接続されている。
Between the
さらに、読出しトランジスタ53aのゲート(第1読出し線)54aと読出しトランジスタ53bのゲート(第2読出し線)54bの間には、水平方向に順に略方形のフローティング拡散領域56、これから素子分離領域Fにより所定間隔を隔てて増幅トランジスタ57の略方形のソース拡散領域67が配置される。ソース拡散領域67に隣接して増幅トランジスタ57の方形状のゲート58、ゲート58に隣接して増幅トランジスタ57の方形状ドレイン61が配置され、さらにこのドレイン61領域をソースとしてこの間に所定間隔を設けて選択トランジスタ62の方形状のドレイン63が、各ユニットセルCe1毎に配置されている。
Further, between the gate (first read line) 54a of the read
一方、読出しトランジスタ53aのゲート(第1読出し線)54aと読出しトランジスタ53bのゲート(第2読出し線)54bをそれぞれ下層として、それら層の上層には、多結晶シリコンで形成されたリセットトランジスタ59のゲート69aに接続されたリセット線69と選択トランジスタ62のゲート65aに接続された選択線65とが、それぞれの読出し線の間に層間絶縁層を設けて水平方向に延在するものとなっている。さらに、リセットトランジスタ59のゲート69aについてはリセット線69から突出して形成され、フローティング拡散領域56と水平方向に隣接するユニットセルCe1の選択トランジスタ62のドレイン63の間、あるいは選択トランジスタ62のドレイン63と水平方向に隣接するユニットセルCe1のフローティング拡散領域56の間に配置される。
On the other hand, the gate (first read line) 54a of the read
選択トランジスタ62のゲート65aについては選択線65から突出して形成され、増幅トランジスタ57のドレイン61と選択トランジスタ62のドレイン63の間に配置されている。なお、リセット線69には、リセットパルスを供給するリセット線端子70が、リセット線端部に接続されており、また選択線65には、選択パルスを供給する選択線端子65aが選択線端部に接続されている。
The
上記のように構成されたレイアウトの各ユニットセルCe1には、垂直方向にAl配線による電源線64が直接配線されている。ユニットセルCe1のリセットトランジスタ59のドレインと選択トランジスタ62のドレイン63は共通であり、電源線64はコラム単位でそれぞれのユニットセルを相互に接続する。垂直方向に列状に配列された各ユニットセルCe1の増幅トランジスタ57のソース拡散領域67に対しては、読出しパルスによって読み出された信号を出力する信号線68が、Al配線によってそれぞれを接続されている。さらに、各ユニットセルCe1毎に、フローティング拡散領域56と増幅トランジスタ57のゲート58とを接続する接続線73が、Al配線によって配線されている。
Each unit cell Ce1 having the layout configured as described above is directly wired with a
なお、上記において、増幅トランジスタ57のゲート58については、図4に示されるように、読出しトランジスタ53a,53bのゲート54a,54bと同層にして、あるいは、リセットトランジスタ59のゲート69aと選択トランジスタ62のゲート65aと同層にして、同じ多結晶シリコンによって形成してもよく、あるいはまた、それぞれ異なる層として、別の多結晶シリコン層、金属層によって形成してもよい。
In the above description, as shown in FIG. 4, the
本実施例の変形として図6のように選択線65、リセット線69は二重層配線106として上下に隣接するユニットセルのフォトダイオード52a、52bの間隙部間を通過させてもよい。
As a modification of this embodiment, as shown in FIG. 6, the
CMOSイメージセンサの概略の動作につき図5に示す駆動パルス波形、図4に示す図3のA−A’線における断面図、図4に示すそれぞれの箇所での電位井戸の変化図をもとに説明する。 Based on the drive pulse waveform shown in FIG. 5, the cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 3 shown in FIG. 4, and the potential well change diagram at each location shown in FIG. 4. explain.
図5は読出しトランジスタ53a、53bのゲート(読出し線)に印加されるそれぞれの読出しパルスR1,R2と、リセットトランジスタのゲート69aに印加されるリセット線69にかかるリセットパルス波形RS(69)と、選択トランジスタのゲート65aに印加される選択線65にかかるアドレスパルス波形ADD(65)のタイミングチャートを示している。
FIG. 5 shows respective read pulses R1, R2 applied to the gates (read lines) of the
図4では半導体基板100上に拡散で設けたフォトダイオード52a、52bおよびフローティング拡散領域56から、増幅トランジスタ57のゲート58への接続線として金属配線73が描かれている。
In FIG. 4, a
図では電位井戸の変化を各部分に対応させて記載している。パルス波形の各ハイレベルH、ローレベルLに対応した電位の井戸の変化の変化量を矢印で示してある。 In the figure, the change of the potential well is described corresponding to each part. The amount of change in potential well change corresponding to each of the high level H and low level L of the pulse waveform is indicated by arrows.
駆動方法としては、まずリセットトランジスタのゲート69aに印加されているリセットパルス(RS(69))をハイレベルにし、フローティング拡散領域56の電位をリセットトランジスタのドレイン電位(一定電位)にリセットする(T1)。次に選択トランジスタのゲート65aにアドレスパルス(ADD(65))のハイレベルを印加し、フォトダイオード52aからの信号電荷の転送前のソース拡散領域67の電位を検知する(T2)。
As a driving method, first, the reset pulse (RS (69)) applied to the
次に読出しトランジスタのゲート54aに印加されている読出しパルス(R1(54a))をハイレベルにし、フォトダイオード52aより信号電荷をフローティング拡散領域56へ転送させる(T3)。このフローティング拡散領域56の電位変化は接続線73を介し増幅トランジスタのゲート58に伝わり、選択トランジスタのゲート65aに印加されているアドレスパルスがハイレベルになると、ソース拡散領域67の電位が変化する(T4)。この際、上記信号電荷のない状態との差を取ることにより、出力回路のノイズ成分が抑制される。次にリセットトランジスタのゲート69aに再びリセットパルスのハイレベルを印加し、フローティング拡散領域56の電位を再び、リセットトランジスタのドレイン電位(一定電位)にリセットする(T5)。
Next, the read pulse (R1 (54a)) applied to the
以下同様に読出しパルス(R2(54b))によりフォトダイオード52bの信号電荷の読出しを行う。
Similarly, the signal charge of the
さらに、画素列の3ライン目、4ライン目となる垂直方向下方に隣接して水平に並ぶ各ユニットセルCe1の第1、第2のフォトダイオード52a,52bについても、信号電荷の読出しを、フローティング拡散領域56を共通にして、上記1ライン目、2ライン目と同様にして行う。またさらに、それ以降の各ラインについても同様に繰り返すことで、画素部101の画素である全ての第1、第2のフォトダイオード52a,52bについての読出しを行う。
Further, the signal charges are also read out from the first and
以上の通り構成し、読出しトランジスタ53a,53bの間に対向配置された読出しトランジスタ53a,53bのゲート54a,54bの間に、さらにフローティング拡散領域56を設けるようにし、またフローティング拡散領域56に隣接して、これを信号読み取り後に所定電位にリセットするリセットトランジスタ59が設けるようにしているので、従来レイアウト(図10〜図12)で必要としていたフローティング拡散領域16とリセットトランジスタ19のソース20を接続する接続線32が不要となる。これにより、ユニットセルCe1内の出力回路の高集積化が可能となり、センサ全体しての高集積化が図れ、解像度を向上させることができる。
The floating
一方、本実施形態により、従来装置におけるリセットトランジスタのソースと、これを接続するための接続線32(図12)が必要なくなることにより、信号電荷量に対する信出力の変化、すなわちアンプゲインを従来装置よりも向上するという利点をもたらす。このアンプゲインの増加は約30%に達する。 On the other hand, according to the present embodiment, the source of the reset transistor and the connection line 32 (FIG. 12) for connecting the reset transistor in the conventional device are not necessary, so that the change in the signal output with respect to the signal charge amount, that is, the amplifier gain can be controlled. It offers the advantage of improving over. This increase in amplifier gain reaches approximately 30%.
また、第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bを長い長方形状とし、間に素子分離領域の幅で決まる所定間隔をおいて水平方向にそれぞれ配置し、また垂直方向には第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bの間に、共通の出力回路を各ユニットセルCe1毎に配置しているので、フォトダイオード間素子分離領域の幅が各フォトダイオード単位で見ると略半減されたことになり、第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bの面積を大きく取ることができ、ユニットセルCe1全体の面積に対する占積率を増加させることができる。
Further, the
フォトダイオード52aの水平方向の幅に対し、読出し用フローティング拡散領域56の水平方向幅は図3に示すように十分小さく、かつフォトダイオード相互の水平方向の間隙部に素子分離領域しか存在しない。このため図6のようにフォトダイオード52aは垂直に隣接するフォトダイオード52bに対して水平方向Xに相互にずらすことができる。これにより画素を市松状にずらして解像度を向上するレイアウトも容易にできる。
The horizontal width of the read floating
次に第2の実施形態を、図7ないし図9により説明する。図7はマトリクス図を示し、R1,R2は読出しパルスR1、R2が印加されるフォトダイオードの読出しトランジスタゲート領域を示し、RSはリセットトランジスタゲート部を、AMPは増幅トランジスタおよび選択トランジスタ部を示す。 Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows a matrix diagram, R1 and R2 indicate read transistor gate regions of the photodiode to which the read pulses R1 and R2 are applied, RS indicates a reset transistor gate portion, and AMP indicates an amplifying transistor and a select transistor portion.
図中、左側に読出しパルスR1、R2を発生させる周辺回路Y DriverCKT(R1,R2)を、図の右側にリセットパルス、アドレスパルスを発生させる周辺回路Y DriverCKT(RS,AMP)をそれぞれ示す。図下側に信号線の情報を順次読み出すための周辺回路READ CKTを示している。 In the figure, the peripheral circuit Y DriverCKT (R1, R2) for generating the read pulses R1 and R2 is shown on the left side, and the peripheral circuit Y DriverCKT (RS, AMP) for generating the reset pulse and the address pulse is shown on the right side of the figure. A peripheral circuit READ CKT for sequentially reading signal line information is shown on the lower side of the figure.
図7の実施形態ではRS部が読出し線54aを迂回することにより交差部をなくしている。
In the embodiment of FIG. 7, the RS section bypasses the
図8、図9A、図9Bにおいて、CMOSイメージセンサの画素部201は、複数のユニットセルCe2を二次元マトリクスに配置して構成されており、1ユニットセルCe2の画素が2つの第1および第2のフォトダイオード52a,52bで構成され、図2に示す回路構成と同じものとなっている。
In FIG. 8, FIG. 9A, and FIG. 9B, the
すなわち、各ユニットセルCe2の2つの第1および第2のフォトダイオード52a,52bには、それぞれに対応して読出しトランジスタ53a,53bが設けられ、各読出しトランジスタ53a,53bのゲート54a,54bに、それぞれ読出しパルスを供給する読出し線端子55a,55bが接続されている。読出しトランジスタ53a,53bのドレインは、共通のフローティング拡散領域56で形成されている。そして、2つの第1および第2のフォトダイオード52a,52bに対し、増幅トランジスタ57、リセットトランジスタ59、選択トランジスタ62が共通に設けられている。
That is, the two first and
また、レイアウトは、図9Aに示すように、平行四辺形状をなす第1のフォトダイオード52a、または第2のフォトダイオード52bのみを、所定間隔で水平方向に配置し、垂直方向にはそれぞれの間に所定間隔を設け、交互に位置するよう第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bが配置されている。各配置された第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bは、共に長辺を水平方向に位置させるようにしている。例えば第1のフォトダイオード52aは、下側の長辺が上側の長辺より左方向に位置するように、また第2のフォトダイオード52bでは、下側の長辺が上側の長辺より右方向に位置するように配置され、同一ユニットセルCe2における第1のフォトダイオード52aの下側長辺521aと、第2のフォトダイオード52bの上側長辺521bとは、垂直方向に所定間隔をおいて対向している。
Further, as shown in FIG. 9A, the layout is such that only the
そして、同一ユニットセルCe2における第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bとの間には、両フォトダイオード52a、52bの対向する長辺521a,521b間と、隣接するユニットセルCe2との間にかけて水平方向に延びる第1の二重層ゲート線202が設けられる。ゲート線202は垂直方向下方側に凸となる略直角に曲折する第1のV字状部分74aを有している。二重層構成の下層に多結晶シリコンで形成された読出しトランジスタ53aのゲート54a、間に層間絶縁層を設けて、その上層に同じく多結晶シリコンで形成された読出しトランジスタ53bのゲート54bが形成され、それぞれ隣接する各ユニットセルCe2にも同様設けられるように水平方向に延在している。
Between the
また一方、垂直方向に隣接するユニットセルCe2の間では、水平方向Xに延びる第2の二重層ゲート線203が設けられる。第2の二重層ゲート線は第2のフォトダイオード52bの下側長辺521bと隣接するユニットセルCe2の第1のフォトダイオード52aの上側長辺521aとの間に設けられる。このゲート線203はダイオードの両長辺に沿う水平部分と、隣接するユニットセルCe2との間で垂直方向下方側に凸となる略直角に曲折する第2のV字状部分74bとを形成している。
On the other hand, a second double
二重層構成の下層に多結晶シリコンで形成されたリセットトランジスタ59のゲート69と、その間に層間絶縁層を介して上層に同じく多結晶シリコンで形成された選択トランジスタ62のゲート65が配置され、それぞれ水平方向に隣接する各ユニットセルCe2にも同様設けられるように延在している。
A
これにより、フローティング拡散領域56が配置される第1の区画部分75aと、増幅トランジスタ57が配置される第2の区画部分75bが形成される。この第1の区画部分75aは第1のV字状部分74aと第2のV字状部分74b、さらに第1のフォトダイオード52aの右側短辺と第2のフォトダイオード52bの右側短辺とによって、略方形状に形成される。さらにこの部分は第1のフォトダイオード52aの水平方向右側に隣接して形成される。第2の区画部分75bは第2のフォトダイオード52bの水平方向右側に第1のV字状部分74aを間にして形成される。
Thereby, a
またさらに、読出しトランジスタ53aのゲート54aについては、第1のV字状部分74aの開口端から第1の区画部分75a内側に向けて、第1のフォトダイオード52aの右側短辺に沿って直角に突出部位76であり、ゲート54aと同一深さで延出している。またリセットトランジスタ59のゲート69については、水平部分から第1の区画部分75a内側に向けて、根元部分は直角で、また先端部分はゲート54aの突出部位76に直交するよう突出部位77が形成されており、ゲート69と同一深さになっている。なお、ゲート54aの突出部76とゲート69の突出部77とは、間に層間絶縁層を設けて異なる深さに形成されている。
Furthermore, the
読出しトランジスタ53a,53bのゲート54a,54bには、読出しパルスを供給する対応する読出し線端子55a,55bが接続されている。またリセットトランジスタ59のゲート77に、リセットパルスを供給するリセット線69が接続されており、選択トランジスタ62のゲートは、選択パルスを供給する選択線65で形成されている。
Corresponding read
さらに、第1の区画部分75a内には、リセットトランジスタ59のゲートを形成する突出部位77を挟むようにして、方形状のフローティング拡散領域56と台形状の選択トランジスタ62のドレイン63が配置されている。
Further, a rectangular floating
図9Bで拡大して示すように、方形のフローティング拡散領域は第1ないし第4の各辺56c、56d、56e、56fが前記マトリクス配置の水平方向Xに対してほぼ45°の方向に配置される。さらに隣り合う第1の辺56cと第2の辺56dに沿って、かつ互いに直交するように前記第1および第2読出しトランジスタのゲート76,54bが配置される。第4の辺56fに対向してリセットトランジスタ62のゲート69の突出部77が配置される。第3の辺56eの方向に増幅トランジスタ57が配置されており、フローティング拡散領域56から増幅トランジスタのゲート58に金属配線73が引出される。
As shown in an enlarged view in FIG. 9B, in the rectangular floating diffusion region, the first to
また第2の区画部分75b内には、第2のフォトダイオード52bの左側短辺に平行な方形状の増幅トランジスタ57のゲート58を間に挟むようにして、方形状のソース拡散領域67と方形状の増幅トランジスタ57のドレイン61が配置されている。
Further, in the
そして、上記のように構成されたレイアウトの各ユニットセルCe2には、垂直方向Yに配列された各ユニットセルCe2のリセットトランジスタ59のドレインでもある選択トランジスタ62のドレイン63に対し、それぞれを相互に接続するようAl配線による電源線64が直接配線されている。また同じく、垂直方向に配列された各ユニットセルCe2の増幅トランジスタ57のソース拡散領域67に対しては、読出しパルスによって読み出された信号を出力する信号線68が、Al配線によってそれぞれを接続するように配線されている。さらに、各ユニットセルCe2毎に、フローティング拡散領域56と増幅トランジスタ57のゲート58とを接続する接続線73が、Al配線によって配線されている。
Then, each unit cell Ce2 of the layout configured as described above is mutually connected to the
以上の通り、読出しトランジスタ53aのゲート54aと読出しトランジスタ53bのゲート54bとを上下2層にして2重層配線202に形成して水平方向Xに延ばし、リセットトランジスタ59のゲート69と選択トランジスタ62のゲート65とを同様に上下2重層配線203にして水平方向Xに延ばしている。さらに各上下2層に積層化されたゲート線54a,54bとゲート線65,69を垂直方向Yに交互に配置する。さらにユニットセル内で交互配置した間に平行四辺形状をなす第1のフォトダイオード52a、または第2のフォトダイオード52bのみを水平方向に配置する。垂直方向に交互に配置することにより、第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bの面積を大きく取ることができ、ユニットセルCe2全体の面積に対する占積率を増加させることができる。
As described above, the
また、読出しトランジスタ53a,53b、リセットトランジスタ59、選択トランジスタ62の各ゲート54a,54b,69,65に、各ユニットセルCe2毎に略直角に曲折する第1、第2のV字状部分74a,74bを形成して、第1、第2の区画部分75a,75bを設け、それらの区画部分75a,75b内に2つの読出しトランジスタ53a,53bに共通のフローティング拡散領域56や増幅トランジスタ57のゲート58等を配置している。なお、この時、方形状のフローティング拡散領域56については、水平方向に対して略45°傾けた状態で配置されるので、垂直方向の幅が、約0.7倍に減少したものとなる。
In addition, the first and second V-shaped
これにより、第1のフォトダイオード52aと第2のフォトダイオード52bの垂直方向の配置間隔は、隣接するユニットセルCe2における素子分離領域の幅、積層化された読出しトランジスタ53a,53b、リセットトランジスタ59、選択トランジスタ62の各ゲート54a,54b,69,65の幅のみで決められることになり、垂直方向における高集積化が可能となる。
Thereby, the arrangement interval in the vertical direction between the
さらに、第1、第2の区画部分75a,75b内にフローティング拡散領域56を設けるようにし、またフローティング拡散領域56に隣接して、これを信号読み取り後に所定電位にリセットするリセットトランジスタ59が設けるようにしているので、従来レイアウトでは必要としていたフローティング拡散領域56とリセットトランジスタ59のソース60を接続する接続線が不要となる。こうした構成することで、ユニットセルCe2内の出力回路の高集積化が可能となり、センサ全体しての高集積化が図れ、解像度を向上させることができる。
Further, a floating
本発明の実施形態をマトリックス図を用い従来装置と対比すると、
図10で示される従来装置において特徴的なことは、図中点線で示したようにフローティング拡散領域からRSまでの間に読出し線15aが交差部40を形成していて、これにより、図11、12で示したようにリセットトランジスタのソース領域20および接続線32が必要になる。
When the embodiment of the present invention is compared with a conventional apparatus using a matrix diagram,
The characteristic feature of the conventional device shown in FIG. 10 is that the
図7に示す本実施形態のマトリクス図では、読出し線を迂回することができてこれにより交差部をなくしている。 In the matrix diagram of the present embodiment shown in FIG. 7, the readout line can be bypassed, thereby eliminating the intersection.
52a,52b:フォトダイオード
53a,53b:読出しトランジスタ
54a,54b:読出しトランジスタゲート(読出し線)
56:フローティング拡散領域
57:増幅トランジスタ
58:増幅トランジスタのゲート
59:リセットトランジスタ
60:リセットトランジスタのソース
61:増幅トランジスタのドレイン、選択トランジスタのソース
62:選択トランジスタ
63:選択トランジスタのドレイン、リセットトランジスタのドレイン
64:電源線
65:選択線
65a:選択トランジスタのゲート
67:ソース拡散領域
68:信号線
69:リセット線
69a:リセットトランジスタのゲート
73:接続線
101、201:画素部
Ce1、Ce2:ユニットセル
52a, 52b:
56: floating diffusion region 57: amplification transistor 58: gate of amplification transistor 59: reset transistor 60: source of reset transistor 61: drain of amplification transistor, source of selection transistor 62: selection transistor 63: drain of selection transistor, reset transistor Drain 64: Power line 65:
Ce1, Ce2: Unit cell
Claims (4)
前記ユニットセルは半導体基板に形成された第1と第2フォトダイオードと、前記第1フォトダイオードに接続されその信号電荷を読み出す第1読出しトランジスタと、前記第2フォトダイオードに接続されその信号電荷を読み出す第2読出しトランジスタと、前記第1と第2読出しトランジスタに接続されて信号電荷が伝送されるフローティング拡散領域と、前記フローティング拡散領域に接続されこの領域の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティング拡散領域にゲートが接続され信号電荷を増幅する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタを選択的にアドレスする選択トランジスタとからなり、
前記ユニットセルはそれぞれ前記マトリクス配置の水平方向にそれぞれ延在する4本のアドレス線である前記第1および第2読出しトランジスタの読出し線、前記リセットトランジスタのリセット線および前記選択トランジスタのセレクト線と、前記マトリクス配置の垂直方向にそれぞれ延在し前記リセットトランジスタおよび選択トランジスタに接続される電源線および前記増幅トランジスタに接続される信号線と、に結合され、
前記アドレス線は2線ごとに二重層に積層されて延在し、
前記第1および第2フォトダイオードは前記第1および第2読出しトランジスタの読出し線を挟んで互いに離間して配置され、
前記第1および第2読出しトランジスタならびに前記リセットトランジスタが前記フローティング拡散領域に半導体基板内で接続されている
CMOSイメージセンサ。 In a CMOS image sensor in which a plurality of unit cells composed of a photodiode and a plurality of MOS transistors are arranged in a matrix on a semiconductor substrate,
The unit cell includes first and second photodiodes formed on a semiconductor substrate, a first readout transistor connected to the first photodiode for reading out the signal charge, and a signal charge connected to the second photodiode. A second read transistor for reading, a floating diffusion region connected to the first and second read transistors for transmitting signal charges, a reset transistor connected to the floating diffusion region for resetting the potential of the region, and the floating transistor An amplification transistor having a gate connected to the diffusion region and amplifying the signal charge, and a selection transistor for selectively addressing the amplification transistor,
The unit cells are four address lines respectively extending in the horizontal direction of the matrix arrangement, the read lines of the first and second read transistors, the reset lines of the reset transistors and the select lines of the selection transistors, A power supply line extending in a vertical direction of the matrix arrangement and connected to the reset transistor and the selection transistor and a signal line connected to the amplification transistor,
The address lines extend in a double layer every two lines,
The first and second photodiodes are spaced apart from each other across a read line of the first and second read transistors;
A CMOS image sensor in which the first and second read transistors and the reset transistor are connected to the floating diffusion region in a semiconductor substrate.
前記ゲート線は少なくとも2本が層方向に重なって2重配線層を形成しており、 At least two of the gate lines overlap in the layer direction to form a double wiring layer,
前記ユニットセルの2つの前記フォトダイオードは前記マトリクス配置の垂直方向に離間配置され、前記対をなす読み出しトランジスタはドレインとなるフローティング拡散領域を共通に有し2つの前記フォトダイオード間に配置され、 The two photodiodes of the unit cell are spaced apart in the vertical direction of the matrix arrangement, and the paired readout transistors have a floating diffusion region in common as a drain and are arranged between the two photodiodes.
前記リセットトランジスタが前記フローティング拡散領域に直接隣接して設けられていることを特徴とするCMOSイメージセンサ。 A CMOS image sensor, wherein the reset transistor is provided directly adjacent to the floating diffusion region.
前記ユニットセルの2つの前記フォトダイオードは前記マトリクス配置の垂直方向に離間配置され、前記対をなす読み出しトランジスタは2つの前記フォトダイオード間に配置されてソースが前記フォトダイオードに接続され、ドレインとなるフローティング拡散領域を共通に有し、 The two photodiodes of the unit cell are spaced apart from each other in the vertical direction of the matrix arrangement, and the paired readout transistors are arranged between the two photodiodes, the source is connected to the photodiode, and becomes the drain Having a floating diffusion region in common,
前記リセットトランジスタが前記フローティング拡散領域に直接隣接して設けられ、 The reset transistor is provided directly adjacent to the floating diffusion region;
各フォトダイオードに対応する前記読み出しトランジスタのそれぞれのゲートを構成する読出し線が、フローティング拡散領域を前記垂直方向の両側から挟むようにして対向配置され The readout lines constituting the respective gates of the readout transistors corresponding to the respective photodiodes are arranged to face each other so as to sandwich the floating diffusion region from both sides in the vertical direction.
前記対をなす読出しトランジスタの読出し線に挟まれた領域に前記増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタを形成したことを特徴とするCMOSイメージセンサ。 A CMOS image sensor, wherein the amplification transistor, the reset transistor, and the selection transistor are formed in a region sandwiched between the readout lines of the paired readout transistors.
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