JP3761204B2 - 半導体装置及び固体撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、様々な分野おいて、一般に使用されている。例えば、一つの半導体基板上にＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等の素子を内部回路として形成し、信号電流や電圧を増幅する増幅装置、光を電気信号に変換する光電変換部を内部回路として配置した受光装置や固体撮像装置、演算処理部を内部回路とするＣＰＵ等が挙げられる。
【０００３】
これらの半導体装置は、内部回路で処理した電気信号を外部に出力するための一つの出力トランジスタと、出力端子を有している。図３を引用し、従来の半導体装置を説明する。図３は、従来の半導体装置の出力部を示す平面概念図である。半導体基板１上に内部回路１３が配置され、それより配線電極６が出力トランジスタ近傍まで延在している。出力トランジスタ１４は、ＭＯＳトランジスタまたは、バイポーラトランジスタにて形成される。図３においては、ＭＯＳトランジスタが示されている。これは、ゲート電極４、ソース・ドレイン７からなり、ゲート幅はＷ2 である。配線電極６とゲート電極４とは、スルーホール３を介して接続されている。また、ソース・ドレイン７は、コンタクトホール２を介して配線電極５に接続されており、さらに、配線電極５は、出力端子８、９に接続されている。出力端子８、９の一方には、一定電圧が印加され、それを介してソースには一定電圧が印加される。内部回路１３で処理された電気信号は、電圧として配線電極６にて出力トランジスタ近傍に引き出され、ゲート電極４に伝えられる。そして、ゲート電極に引き出された電圧に応じてソース・ドレイン間の電流、もしくは、電圧差が変化する。このソース・ドレイン間の電流や電圧差が他方の出力端子より電気信号として外部に出力される。図４は、内部回路に固体撮像装置を用い、図３の出力部を配置した従来の半導体装置の平面概念図である。光電変換部１７で変換された電気信号は、垂直ＣＣＤ１８、水平ＣＣＤ１９に転送され、電荷としてコンデンサー２１に蓄積される。そして、電圧変化が生じ、その電圧は、増幅トランジスタ２２，２３を介して出力トランジスタ１４のゲート電極４に印加される。そして、上記の説明のように、出力端子より電気信号として外部に出力される。コンデンサー２１には、リセットトランジスタ２０が接続されており、電気信号を出力トランジスタから読み出して不要となった電荷がコンデンサーから排出される。図４においては、光電変換部１７から増幅用トランジスタ２２、２３までが内部回路である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の半導体装置は熱を発する。熱が発生し内部回路の温度が上昇すると、ノイズ成分である暗電流が増大する。そこで、一般には、必要に応じて半導体装置は冷却される。しかし、このような冷却手段を有する半導体装置においても、内部回路の温度上昇を十分には防止できず、暗電流が増大してしまった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、発熱による暗電流を防止するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意研究の結果、暗電流を増大させた原因は、出力トランジスタが一つであったためであることを始めて見出し、発明するに至った。即ち、出力トランジスタが一つであったため、それにより、発する熱が出力トランジスタ周辺の半導体基板に集中し、その部分の温度を上昇させ、内部回路の温度が不均一になっていたのである。さらに、複数の出力トランジスタの間隔と、温度上昇との関連を追求したところ、少なくとも出力トランジスタの幅以上にその間隔を開ければ、内部回路の温度の不均一性を十分抑制できることが判った。なお、出力トランジスタの幅は、出力トランジスタがＭＯＳトランジスタであるならば、ゲート幅（ソース・ドレインの幅）と定義する。よって、本発明は第１に「半導体基板上に配置された内部回路と、前記半導体基板上であって且つ前記内部回路に沿うように配置され、それぞれが並列接続されゲート幅方向に設けられる少なくとも２個以上のＭＯＳトランジスタからなる出力トランジスタと、前記内部回路に沿うように配置され、前記内部回路からの電気信号を前記出力トランジスタに導く配線電極とを有し、前記ＭＯＳトランジスタの間隔は、前記ＭＯＳトランジスタのゲート幅以上であり、前記ＭＯＳトランジスタは、前記配線電極と電気的に接続されるゲート電極を有し、前記出力トランジスタによる発熱は、前記２個以上のＭＯＳトランジスタによって分散されることを特徴とする半導体装置」を提供する。
また、本発明は第２に「前記ＭＯＳトランジスタ及び前記配線電極は、前記内部回路に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置」を提供する。
また、本発明は第３に「前記内部回路は、ＣＣＤと、前記ＣＣＤにて転送される電荷を蓄積するコンデンサーと、前記コンデンサーに蓄積される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の前記電荷をリセットするリセットトランジスタとを有し、前記出力トランジスタは、前記増幅トランジスタから電気信号を読み取ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置」を提供する。
【０００８】
【作用】
半導体物質は、電気的抵抗を有する。従って、半導体物質からなる半導体装置は、電流を流し動作させれば、熱を発するものなのである。この発熱により、半導体装置は、暗電流を増大させる。特に、微弱信号を処理する半導体装置において、大きな影響を与える。固体撮像装置を例として、これを説明する。可視光検出用の固体撮像装置は、０〜５０℃程度の環境範囲において、１／６０秒ないし１／３０秒の蓄積時間で一般に使用される。しかし、近年、科学の進歩に伴って、微弱な光を検出したいと言う要求があった。この固体撮像装置を微弱光検出用に使用する微弱光検出用固体撮像装置として使用する場合には、蓄積時間を１／３０秒よりも長くすることで感度を上げ、微弱光さえも感知できるようにしている。また、出力トランジスタがＭＯＳトランジスタであるならば、ゲート幅（図３のＷ2)を大きくすれば、固体撮像装置の動作速度や駆動能力は改善される。しかし、蓄積時間を長くしたり、ゲート幅を大きくすると、固体撮像装置の発する熱が多くなり、ノイズ成分である暗電流成分が増加し、信号成分とノイズ成分の比であるＳ／Ｎ比やダイナミックレンジを悪化させる。そこで、電子冷却等の冷却手段によって、少なくとも室温以下まで、好ましくは、−２０℃程度まで、固体撮像装置は冷却される。ところが、このような冷却手段を施しても、出力トランジスタは、発熱量が大きく、その周囲が部分的に、例えば、図４の斜線で示された部分２４の光電変換部及びＣＣＤが出力トランジスタの発熱により温度が上昇し暗電流が増大してしまう。そして、この部分から出力される信号は、その他の部分から出力される信号に比べて暗電流成分が大きくなってしまうのである。このため、従来の微弱光検出用固体撮像装置から得られる画像は、固定パターンノイズが大きく、画質の悪いものになるのである。半導体装置には、ショットキー型赤外線用固体撮像装置のように、７７ケルビン程度まで冷却して使用する装置もある。これは、背景光による暗電流を低減させるために冷却するものである。しかし、このように強力な冷却手段を使用しても、発熱による暗電流が生じてしまう。
【０００９】
ＣＰＵや、ゲート幅が０．１μｍ以下のＭＯＳトランジスタを使用する半導体装置等でも、装置の高速化や特性改善を目的に上記の冷却手段による半導体装置の冷却をするが、やはり、同様な問題が生ずるのである。
上記のように、このような装置の暗電流を増大させる原因は、出力トランジスタの発熱によるものである。さらに、詳しく追求したところ、出力トランジスタが１個であったがために発熱が集中し、このため、その周囲に熱が集中していたのである。よって、出力トランジスタを複数にして並列接続すれば、一つ一つの出力トランジスタからの発熱は減少し発熱源は分散する。このため、周囲の温度上昇は、抑制できるのである。さらに、それらの間隔を大きくとれば、発熱源は、さらに分散できる。
しかし、これを大きくすれば、装置は、大きくなり、歩留り低下等のコスト増加を招く。そこで、温度上昇と出力トランジスタの間隔との関連を検討した。その結果、少なくとも出力トランジスタの幅以上にその間隔を開ければ、十分温度上昇を抑制できることが判明した。出力トランジスタをＭＯＳトランジスタとし、それをｎ個配置し、各々のトランジスタのゲート幅をＷ2 ／ｎ（Ｗ2 は、従来の出力トランジスタのゲート幅）とすれば、出力トランジスタｎ個の総発熱量は、従来の出力トランジスタの発熱量と同一となる。しかし、分散して発熱されるため、内部回路の発熱は抑制され、その温度の不均一性は軽減される。このため、暗電流の増大は抑制される。出力トランジスタのゲート幅をＷ2 ／ｎより大きくすれば、総発熱量は、やや大きくなるものの、分散発熱の
作用が大きく、やはり内部回路の発熱が抑制される。このため、暗電流が低減されるばかりでなく、動作速度も改善される。
【００１０】
【実施例】
以下、図を引用して実施例により本発明をより具体的に説明する。しかし、本発明は、これに限られるものではない。
図１は、本発明の半導体装置の出力部を示す平面概念図である。半導体基板１上に内部回路１３を配置し、それから配線電極６を出力トランジスタ近傍まで延在させた。出力トランジスタ１０、１１、１２は、３個のＭＯＳトランジスタにて形成した。これは、ゲート電極４ａ、４ｂ、４ｃと、ソース・ドレイン７ａ、７ｂ、７ｃからなる。このゲート幅Ｗ1 は、従来の１／３とした。それぞれの出力トランジスタの間隔１５、１６の寸法は、４Ｗ1 とした。配線電極６とゲート電極４は、スルーホール３を介して接続した。また、ソース・ドレイン７ａ、７ｂ、７ｃは、コンタクトホール２を介して配線電極５に接続され、さらに、配線電極５は、出力端子８、９に接続された。出力端子８、９の一方には、一定電圧を印加した。このため、ソースには一定電圧が印加された。内部回路１３からの電気信号は、電圧として配線電極６にて出力トランジスタ近傍に引き出し、ゲート電極４に導いた。そして、その電圧に応じてソース・ドレイン間に電圧差が変化し、他方の出力端子より電気信号として出力された。
【００１１】
図２は、内部回路に固体撮像装置を用た場合の本発明の半導体装置平面概念図である。出力トランジスタは、図１の実施例による出力トランジスタを配置した。光電変換部１７で生じた電荷は、垂直ＣＣＤ１８、水平ＣＣＤ１９に転送され、コンデンサー２１に蓄積される。これにより、電圧変化が生じ、その電圧は、増幅トランジスタ２２，２３を介して出力トランジスタ１０、１１、１２のゲート電極４ａ、４ｂ、４ｃに印加される。コンデンサー２１には、リセットトランジスタ２０を接続した。これにより、電気信号を出力トランジスタから読み出して不要となった電荷は、コンデンサーから排出される。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、出力トランジスタの発熱を分散させることができるので、内部回路の温度の不均一性を軽減できる。このため、内部回路の温度上昇による暗電流の増大を抑制できる。本発明を固体撮像装置に使用すれば、暗電流の不均一性を防止でき、その画質を向上できる。
【００１３】
本発明は、微弱信号を処理し室温以下に冷却する手段を有する半導体装置において、特に大きな効果を持つ。この場合、出力トランジスタの放熱特性が改善できるので、冷却能力を下げても従来と同等の特性が得られ、省エネルギーになると言う効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の出力部を示す平面概念図
【図２】内部回路に固体撮像装置を用た場合の本発明の半導体装置平面概念図
【図３】従来の半導体装置の出力部を示す平面概念図
【図４】内部回路に固体撮像装置を用い図３の出力部を配置した従来の半導体装置の平面概念図
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ コンタクトホール
３ スルーホール
４、４ａ、４ｂ、４ｃ ゲート電極
５、６ 配線電極
７、７ａ、７ｂ、７ｃ ソース・ドレイン
８、９ 出力端子
１０、１１、１２、１４ 出力トランジスタ
１３ 内部回路
１５、１６ 出力トランジスタの間隔
１７ 光電変換部
１８ 垂直ＣＣＤ
１９ 水平ＣＣＤ
２０ リセットトランジスタ
２１ コンデンサー
２２、２３ 増幅トランジスタ
２４ 出力トランジスタの発熱により温度上昇する部分
以上

Claims (3)

1. 半導体基板上に配置された内部回路と、
   前記半導体基板上であって且つ前記内部回路に沿うように配置され、それぞれが並列接続されゲート幅方向に設けられる少なくとも２個以上のＭＯＳトランジスタからなる出力トランジスタと、
   前記内部回路に沿うように配置され、前記内部回路からの電気信号を前記出力トランジスタに導く配線電極とを有し、
   前記ＭＯＳトランジスタの間隔は、前記ＭＯＳトランジスタのゲート幅以上であり、
   前記ＭＯＳトランジスタは、前記配線電極と電気的に接続されるゲート電極を有し、
   前記出力トランジスタによる発熱は、前記２個以上のＭＯＳトランジスタによって分散されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ＭＯＳトランジスタ及び前記配線電極は、前記内部回路に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記内部回路は、ＣＣＤと、前記ＣＣＤにて転送される電荷を蓄積するコンデンサーと、前記コンデンサーに蓄積される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の前記電荷をリセットするリセットトランジスタとを有し、
   前記出力トランジスタは、前記増幅トランジスタから電気信号を読み取ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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