JP4330579B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラ等、各種の機器に用いられるＭＯＳ型固体撮像装置に関する。

図９及び図１０を参照して、従来のセンサ、及びその駆動方法を説明する。図９は、従来のセンサの回路図である。図９に示すセンサは、２×２のマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）を備えている。各感光セルは、フォトダイオード５１、転送ゲート５２、フローティング拡散層部５３、増幅トランジスタ５４、リセットトランジスタ５５、及びアドレストランジスタ５６を含み、画像を構成する一つの画素に対応する。なお、以下では、説明を簡単にするために、感光セルは２×２のマトリックス状に配列されていると仮定するが、実際には、感光セルは行及び列方向にそれぞれ数十から数千個配列される。

図９に示すセンサの駆動方法は、以下のとおりである。１行目の感光セルから信号を取り出すためには、まず、１行目の感光セルに含まれるアドレストランジスタ５６ａ、５６ｂが、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。次に、リセットトランジスタ５５ａ、５５ｂが、同様に、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。これにより、フローティング拡散層部５３ａ、５３ｂはリセットされる。このとき、増幅トランジスタ５４ａと負荷トランジスタ６３ｐとによってソースホロア回路が構成され、垂直信号線６２ｐ上にはこのソースホロア回路の出力が現れる。同様に、増幅トランジスタ５４ｂと負荷トランジスタ６３ｑとによってソースホロア回路が構成され、垂直信号線６２ｑ上にもソースホロア回路の出力が現れる。このとき垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上に現れる電圧は、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積された信号電荷とは無関係な雑音電圧である。次に、転送ゲート５２ａ、５２ｂが、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。これにより、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積された信号電荷がフローティング拡散層部５３ａ、５３ｂに転送され、垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上には、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積されていた信号電荷に対応する信号電圧が現れる。

クランプ容量６４ｐ、６４ｑ、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑ、サンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑ、及びサンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑは、雑音抑圧回路を構成する。この雑音抑圧回路は、フローティング拡散層部５３に信号電荷があるときの画素出力（すなわち、信号出力）と、信号電荷がないときの画素出力（すなわち、雑音出力）との差を求める。図９に示すセンサでは、主として、増幅トランジスタ５４の閾値電圧のばらつきによる雑音と、リセットトランジスタ５５の熱雑音であるｋＴＣ雑音とが発生する。垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上に雑音出力が現れているときに、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑとサンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑとは、制御端子７４、７５からＯＮ状態に制御され、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにはクランプ電圧供給端子７３から雑音のないクランプ電圧が印加される。所定の時間が経過した後、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑは、制御端子７４からＯＦＦ状態に制御される。

次に、垂直信号線６２ｐ、６２ｑには、雑音のない信号電圧と雑音電圧の和に等しい電圧が現れる。垂直信号線６２ｐ、６２ｑは雑音電圧から信号電圧と雑音電圧との和に変化し、その変化分は雑音のない信号電圧に相当する。従って、クランプ容量６４ｐ、６４ｑのサンプルホールド側電圧も、雑音のない信号電圧に相当する分だけ変化する。実際に、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにかかる電圧は、雑音のないクランプ電圧から、垂直信号線６２ｐ、６２ｑの信号電圧変化分をクランプ容量とサンプルホールド容量で分圧した電圧分だけ変化する。よって、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにかかる電圧は、雑音のないクランプ電圧と分圧された信号電圧とであり、雑音分が除去されている。サンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑがＯＦＦ状態に制御された後、水平シフトレジスタ６９によって、水平トランジスタ６８ｐ、６８ｑが順次選択的にＯＮ状態に制御される。これにより、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子７０から順次出力される。

次に、２行目の感光セルから信号を取り出すために、２行目の感光セルについて、１行目の場合と同様の操作が行われる。これにより、フォトダイオード５１ｃ、５１ｄに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子７０から順次出力される。

以上の動作をタイミングチャートで示すと、図１０のようになる。図１０において、フォトダイオード５１の１行分に蓄積されていた信号が最終的に出力端子７０から出力される期間を水平有効期間と呼び、フォトダイオード５１から信号を垂直信号線６２に出力し、出力した信号の雑音を抑圧する期間を水平ブランキング期間と呼ぶ。また、水平ブランキング期間と水平有効期間とを合わせて、１水平期間と呼ぶ。１水平期間は、実際に１行分の信号を読み出すために要する時間である。センサ全体から信号を読み出すために要する時間を１フレーム期間と呼ぶ。図１０に示すように、フォトダイオード５１に蓄積される信号電荷の量は、転送ゲート５２に印加される転送パルスの時間間隔で定まる。また、転送パルスの時間間隔は、１フレーム期間で一定である。このため、フォトダイオード５１の感度は、一定になる。

図９に示すセンサでは、４個のトランジスタ（転送ゲート５２、増幅トランジスタ５４、リセットトランジスタ５５、及びアドレストランジスタ５６）によって、各感光セルが構成されている。これに対して、最近、センサの小型化のために、３個のトランジスタで各感光セルを構成したセンサが考案されている。この新しく考案されたセンサは、図９に示すセンサからアドレストランジスタ５６を除去した上で、感光セルの電源を共通化した構成を有している。このセンサから信号を読み出すためには、各感光セルにパルス状の電源電圧を供給する必要がある。

なお、図９に示すセンサの駆動方法は、例えば、特許文献１に記載されている。また、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサについて、感光セルの具体的なレイアウトを記載した文献は知られていない。
特開平９−２４７５３７号公報

センサに限らず半導体集積回路では、回路のレイアウトは、回路の構成やデザインルール等とともに、回路サイズを決定する要因の一つとなる。一般に、回路サイズが小さいほど、回路の歩留まりが向上し、回路のコストが低下する。従って、所定のデザインルールに従って与えられた回路をいかにレイアウトするかは、半導体集積回路の設計における重要な技術課題の一つである。しかしながら、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサについて、感光セルの具体的なレイアウトは、従来、明らかにされていなかった。

それ故に、本発明は、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサについて、レイアウトに適した新規な回路構成を明らかにし、回路サイズの小さなセンサを提供することを目的とする。

第１の発明は、入射した光信号の強度に応じた電気信号を出力する固体撮像装置であって、半導体基板上に、入射光を光電変換し得られた信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードに蓄積された信号電荷をゲート電極に印加されたパルス信号に従って転送する転送トランジスタと、転送された信号電荷を一時的に蓄積するフローティング拡散層部と、増幅トランジスタと、フローティング拡散層部に蓄積された信号電荷をゲート電極に印加されたパルス信号に従ってリセットするリセットトランジスタとを含む感光セルを行および列方向の２次元状に配列した感光領域と、増幅トランジスタの出力を読み出す垂直信号線と、増幅トランジスタとリセットトランジスタに電源を与える電源ラインと、を備え、感光セルに含まれるフローティング拡散層部は、当該感光セルと列方向に隣接する感光セルに含まれる増幅トランジスタのゲートに接続されており、増幅トランジスタとリセットトランジスタとの共通ドレインに電源ラインが接続することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、同じ感光セルに備わる増幅トランジスタのゲートとリセットトランジスタのゲートとは行方向に平行となるように形成したことを特徴とする。
第３の発明は、第１または第２の発明において、同じ行に配列された転送トランジスタのゲート電極に共通して接続される複数の第１水平信号線と、同じ行に配列されたリセットトランジスタのゲート電極に共通して接続される複数の第２水平信号線とが同じ材料で形成されており、かつ、フローティング拡散層部は、転送トランジスタのゲート電極に接続される第１水平信号線と、リセットトランジスタのゲート電極に接続される第２水平信号線との間に挟まれていることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、電源ラインと垂直信号線が同一の配線層にあることを特徴とする。
第５の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、電源ラインと垂直信号線が同じ配線材料により形成されていることを特徴とする。
第６の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、電源ラインと垂直信号線が平行に配置されることを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、信号線と垂直信号線が同一の配線層にあることを特徴とする。
第８の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、信号線と垂直信号線が同じ配線材料により形成されていることを特徴とする。
第９の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、信号線と垂直信号線が平行となるように配置したことを特徴とする。

第１０の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、信号線と、電源ラインと、垂直信号線とが、同一の金属配線層で形成されていることを特徴とする。
第１１の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、フローティング拡散層と増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、信号線は、電源ラインとの間に挟まれていることを特徴とする。

第１２の発明は、第１の発明において、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続するために、当該フローティング拡散層部に設けられる第１のコンタクトホールと、増幅トランジスタとリセットトランジスタとの共通ドレインを電源ラインに接続するために、当該共通ドレインに設けられる第２のコンタクトホールと、増幅トランジスタのソースを垂直信号線に接続するために、当該ソースに設けられる第３のコンタクトホールと、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続するために、当該ゲートと同一の配線領域内に設けられる第４のコンタクトホールとが、ほぼ一直線上に並んでいることを特徴とする。

第１３の発明は、第１〜第１１のいずれかの発明において、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続するために、当該フローティング拡散層部に設けられる第１のコンタクトホールと、増幅トランジスタとリセットトランジスタとの共通ドレインを電源ラインに接続するために、当該共通ドレインに設けられる第２のコンタクトホールと、増幅トランジスタのソースを垂直信号線に接続するために、当該ソースに設けられる第３のコンタクトホールとが、ほぼ一直線上に並んでいることを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像装置の機能を損なうことなく、レイアウトに適した感光セルの回路構成を得ることができる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、第１水平信号線と転送トランジスタのゲート電極、第２水平信号線とリセットトランジスタのゲート電極とが同じ材料で形成されているので、これらの信号線を配線するときに、コンタクトホールを設ける必要がなくなる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、感光セルのレイアウト結果において、複数のコンタクトホールをほぼ一直線上に並べることにより、これらのコンタクトホールをレイアウトするために必要な面積を小さくすることができる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、フローティング拡散層部と増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線と、電源ラインと、垂直信号線とを同一の金属配線層で形成することにより、これらの信号線を配線するときに、コンタクトホールを設ける必要がなくなる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、感光セルのレイアウトパターンが単純かつ規則的になる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

本発明の実施形態に係るセンサを説明するに先立ち、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサの参考例を説明する。図１は、本発明の参考例に係るセンサの回路図である。図１に示すセンサは、ｍ×ｎのマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）、電源ライン１０、垂直シフトレジスタ１１、ｎ本の垂直信号線１２−１〜ｎ、ｎ個の負荷トランジスタ１３−１〜ｎ、雑音抑圧回路１４、ｎ個の水平トランジスタ１５−１〜ｎ、及び水平シフトレジスタ１６を備えている。各感光セルは、フォトダイオード１、転送ゲート２、フローティング拡散層部３、増幅トランジスタ４、及びリセットトランジスタ５を含んでいる。この感光セルは、３個のトランジスタ（転送ゲート２、増幅トランジスタ４、及びリセットトランジスタ５）を含み、アドレストランジスタを含まないことを特徴とする。実際のセンサにおけるｍ及びｎの値は、数十から数千程度である。

ｍ×ｎ個の感光セルは、半導体基板上に形成される。より詳細には、感光セルは、ｐ型基板上、又は、ｎ型基板上のｐウェル（P-well）内に形成される。各感光セルにおいて、フォトダイオード１は、入射光を光電変換し、得られた信号電荷を蓄積する。転送ゲート２は、フォトダイオード１とフローティング拡散層部３との間に設けられ、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷をフローティング拡散層部３に転送する。フローティング拡散層部３は、フォトダイオード１から転送された信号電荷を一時的に蓄積する。増幅トランジスタ４は、フローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷を増幅する。リセットトランジスタ５は、フローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷をリセットする。

感光セルが配列された感光領域には、電源ライン１０及び垂直信号線１２−１〜ｎに加えて、２組のｍ本の信号線１７−１〜ｍ、１８−１〜ｍが配線される。電源ライン１０は、増幅トランジスタ４のドレインに共通して接続される。本参考例では、電源ライン１０は、すべての感光セルに含まれる増幅トランジスタ４及びリセットトランジスタ５のドレインに共通して接続され、電源ライン１０の他端にある電源供給端子２０から、すべての感光セルに対して、パルス状の電源電圧ＶｄｄＣが印加されるものとする。なお、図１では、すべての感光セルが１本の電源ライン１０に接続されているが、感光セルに共通した電源を供給するために、電源ラインを２本以上使用してもよい。

垂直信号線１２−１〜ｎは、感光セルの各列に対して設けられる。垂直信号線１２〜１〜ｎは、それぞれ、同じ列に配列された感光セルに含まれる増幅トランジスタ４及び負荷トランジスタ１３−１〜ｎと、雑音抑圧回路１４とを接続する。信号線１７−１〜ｍ、１８−１〜ｍは、垂直シフトレジスタ１１の出力信号線であり、感光セルの各行に対して設けられる。信号線１７−１〜ｍは、それぞれ、同じ行に配列された感光セルに含まれる転送ゲート２のゲートを接続する。信号線１８−１〜ｍは、それぞれ、同じ行に配列された感光セルに含まれるリセットトランジスタ５のゲートを接続する。

垂直シフトレジスタ１１は、以下に示すように、垂直ドライバ回路として動作する。垂直シフトレジスタ１１は、電源ラインＶｄｄＣがハイレベルであるときに、同じ行に配列された感光セルに含まれる転送ゲート２を同時に駆動する。また、垂直シフトレジスタ１１は、電源ラインＶｄｄＣがハイレベルであるときに、転送ゲート２の駆動タイミングとは異なるタイミングで、同じ行に配列された感光セルに含まれるリセットトランジスタ５を同時に駆動する。負荷トランジスタ１３−１〜ｎは、それぞれ、垂直信号線１２−１〜ｎに接続され、行方向に並べて配列される。雑音抑圧回路１４は、垂直信号線１２−１〜ｎに接続され、増幅トランジスタ４から出力された信号を取り込み、取り込んだ信号の雑音成分を除去する。水平トランジスタ１５−１〜ｎは、行方向に並べて配列される。各水平トランジスタ１５−１〜ｎには、雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号がそれぞれ入力される。水平シフトレジスタ１６は、水平ドライバ回路として動作する。すなわち、水平シフトレジスタ１６は、水平トランジスタ１５−１〜ｎを順次選択的に動作させる。これにより、雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号は、出力端子２１から順次出力される。

図２は、雑音抑圧回路１４の詳細を説明するための図である。雑音抑圧回路１４は、図２（ａ）に示すように、ｎ個のサンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎ、ｎ個のクランプ容量３２−１〜ｎ、ｎ個のクランプトランジスタ３３−１〜ｎ、及びｎ個のサンプルホールド容量３４−１〜ｎを含んでいる。雑音抑圧回路１４は、図９に示した雑音抑圧回路とサンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎの位置が異なるが、図９に示した雑音抑圧回路とほぼ同様に動作する。サンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎのゲートには、制御端子２２から入力されるサンプルホールド制御信号が印加される。同様に、クランプトランジスタ３３−１〜ｎのゲートには、制御端子２３から入力されるクランプ制御信号が印加される。これら２本の制御信号は、図２（ｂ）に示すように変化する。２本の制御信号がともにハイレベルである期間が雑音出力期間となり、サンプルホールド制御信号がハイレベルで、クランプ制御信号がローレベルである期間が信号出力期間となる。

以下、図３に示すタイミングチャートを適宜参照しながら、図１に示すセンサの駆動方法を説明する。このセンサを駆動するためには、各水平期間ごとに、電源ライン１０をパルス駆動するステップと、垂直シフトレジスタ１１によって、ｍ×ｎ個のフォトダイオード１から１行分の信号を読み出すステップと、水平シフトレジスタ１６によって、読み出した１行分の信号を順次出力するステップとが実行される。

図３に示すように、初期状態では、電源電圧ＶｄｄＣはローレベルである。すなわち、初期状態では、電源ライン１０は駆動されていない。１行目の感光セルから信号を取り出すためには、まず、電源電圧ＶｄｄＣがハイレベルに制御される。これにより、すべての感光セルにおいて、転送ゲート２及びリセットトランジスタ５のドレインがハイレベルになる。次に、電源ライン１０が駆動されている間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１８−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、リセットトランジスタ５ａ、５ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるリセットトランジスタ５のゲート電位はハイレベルとなり、これらリセットトランジスタ５はＯＮ状態となる。このとき、増幅トランジスタ４ａ、４ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４も動作状態となる。同時に、フローティング拡散層部３ａ、３ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷をリセットしたときの雑音出力が、垂直信号線１２−１〜ｎに現れる。

次に、電源ライン１０が駆動されている間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１７−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、転送ゲート２ａ、２ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる転送ゲート２のゲート電位はハイレベルとなり、これら転送ゲート２はＯＮ状態となる。このとき、フォトダイオード１ａ、１ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフォトダイオード１に蓄積された信号電荷は、各感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に読み出され、読み出された信号電荷に対応した信号出力が、垂直信号線１２−１〜ｎに現れる。

このようにして、垂直信号線１２−１〜ｎには、雑音電圧が現れた後、信号電圧と雑音電圧との和が現れる。雑音抑圧回路１４は、従来の雑音抑圧回路と同様に動作し、垂直信号線１２−１〜ｎに出力された信号の雑音を抑圧する。雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号は、それぞれ、水平トランジスタ１５−１〜ｎに入力される。

雑音抑圧回路１４が動作した後、電源電圧ＶｄｄＣは、ローレベルに変化する。次に、電源ライン１０が駆動されていない間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１８−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、フローティング拡散層部３ａ、３ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷は、リセットされる。また、増幅トランジスタ４ａ、４ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４は、次に選択されるまで非動作状態となる。

水平シフトレジスタ１６は、水平トランジスタ１５−１〜ｎのゲートに接続されるｎ本の出力信号を出力する。水平シフトレジスタ１６は、ｎ本の出力信号を選択的にハイレベルにすることにより、水平トランジスタ１５−１〜ｎを順次選択的にＯＮ状態に制御する。これにより、フォトダイオード１ａ、１ｂを始め、１行目のフォトダイオード１に蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子２１から順次出力される。

次に、２行目の感光セルから信号を取り出すために、２行目の感光セルについて、１行目の場合と同様の操作が行われる。これにより、フォトダイオード１ｃ、１ｄを始め、２行目の感光セルに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子２１から順次出力される。以下、３行目からｍ行目の感光セルについても、同様の操作が行われる。なお、図３に示す水平ブランキング期間、水平有効期間、１水平期間、及び１フレーム期間の定義、並びにフォトダイオード１の感度が一定になる点は、従来のセンサと同じである。

図１に示すセンサに含まれる感光セルを、特段の工夫を行わずにレイアウトすると、例えば、図４に示すレイアウトパターンが得られる。図４では、破線で囲んだ領域が、一つの感光セルに相当する。また、内部に色が塗られていない領域は活性領域２００を、ハッチングされた領域はポリシリコン配線２１１〜２１３を、黒い太線は金属配線２２１〜２２４を、対角線を引いた正方形はコンタクトホールを表す。なお、以下に示すレイアウト図でも、図４と同じ記法を使用する。

活性領域２００は、素子分離領域（図示せず）に囲まれた領域であり、その内部に、フォトダイオードや、各トランジスタのゲート、ソース及びドレイン等、回路として機能する素子あるいはその電極等が形成される。図４に示すレイアウトパターンでは、各感光セルに活性領域２００が一つずつ含まれている。

活性領域２００とポリシリコン配線２１１〜２１３とが重なる場所には、トランジスタが形成される。図４では、各感光セルにおいて、活性領域２００とポリシリコン配線２１１〜２１３とは３箇所で重なっている。これにより、各感光セルにおいて、３個のトランジスタが形成される。具体的には、活性領域２００とポリシリコン配線２１１とが重なる場所には、転送ゲート２０２（図１では転送ゲート２）が形成される。活性領域２００とポリシリコン配線２１２とが重なる場所には、リセットトランジスタ２０５（図１ではリセットトランジスタ５）が形成される。活性領域２００とポリシリコン配線２１３とが重なる場所には、増幅トランジスタ２０４（図１では増幅トランジスタ４）が形成される。

活性領域２００のうち、転送ゲート２０２からリセットトランジスタ２０５までの領域は、フローティング拡散層部２０３（図１ではフローティング拡散層部３）となる。また、活性領域２００のうち、転送ゲート２０２を挟んでフローティング拡散層部２０３と反対側にある領域は、フォトダイオード２０１（図１ではフォトダイオード１）となる。

このように形成された３個のトランジスタとフローティング拡散層部２０３とを所定の方法で電気的に接続すれば、図１に示す感光セルを実現できる。図４に示すレイアウトパターンでは、この接続に金属配線を使用している。具体的には、各感光セルにおいて、５種類の金属配線が使用され、図４には、そのうち４種類の金属配線２２１〜２２４が示されている。金属配線２２１は、同じ感光セルに含まれるフローティング拡散層部２０３と増幅トランジスタ２０４のゲートとを接続する。金属配線２２２は、行方向に隣接して配列された感光セルに含まれるポリシリコン配線２１１を接続する。ポリシリコン配線２１１と金属配線２２２とによって、図１に示す信号線１７が構成される。金属配線２２３は、行方向に隣接して配列された感光セルのポリシリコン配線２１２を接続する。ポリシリコン配線２１２と金属配線２２３とによって、図１に示す信号線１８が構成される。金属配線２２４は、同じ列に配列された感光セルに含まれる増幅トランジスタ２０４のソースを接続する。金属配線２２４によって、図１に示す垂直信号線１２が構成される。なお、図４では、図１に示す電源ライン１０は、示されていない。

活性領域２００と、ポリシリコン配線２１１〜２１３と、金属配線２２１〜２２４とは、半導体製造プロセスでは、それぞれ、異なる工程で形成される。これら３種類の領域あるいは配線を電気的に接続するためには、層間を連結するためのコンタクトホールを設ける必要がある。図４に示すレイアウトパターンでは、各感光セルについて、８個のコンタクトホールが設けられている。

上述したように、図４に示すレイアウトパターンでは、ポリシリコン配線２１１と金属配線２２２とによって、図１に示す信号線１７が構成されている。この理由は、ポリシリコン配線２１１を金属配線２２２の部分にまで延長すると、活性領域２００と延長したポリシリコン配線とに新たな重なりが生じ、この場所に不要なトランジスタが形成されてしまうからである。しかし、ポリシリコン配線２１１と金属配線２２２と用いた場合、両者を接続するために、各感光セルにおいて、２個のコンタクトホール２３１、２３２を設ける必要が生じる。これに伴い、金属配線２２１を配線するときには、コンタクトホール２３２を避けて配線する必要が生じる。さらに、コンタクトホール２３３は、金属配線２２１の金属配線２２３側（図４では右側）に設ける必要があるので、感光セルの水平方向のサイズが大きくなる。このように、図４に示すレイアウトパターンでは、信号線１７を２種類の配線で構成しているために、感光セルの水平方向のサイズが大きくなってしまう。

そこで、図１に示すセンサに含まれる感光セルを、若干の工夫を行った上でレイアウトすると、例えば、図５に示すレイアウトパターンが得られる。このレイアウトパターンでは、ポリシリコン配線２１１のみによって、信号線１７が実現されている。従って、図４に示すレイアウトパターンに含まれていたコンタクトホール２３１、２３２を削除できるので、図４に示すレイアウトパターンよりも、感光セルの水平方向のサイズを小さくすることができる。

しかし、図５に示すレイアウトパターンでは、ポリシリコン配線２１２と金属配線２２３とによって、図１に示す信号線１８が構成されている。このため、ポリシリコン配線２１２のみによって信号線１８を構成し、感光セルのサイズをさらに小さくできる可能性がある。

そこで、以下では、本発明の実施形態に係るセンサについて、レイアウトに適した感光セルの新たな回路構成と、その構成を有する感光セルをレイアウトした結果とを説明する。

図６は、本発明の実施形態に係るセンサの回路図である。本実施形態に係るセンサは、参考例に係るセンサ（図１）と比べて、感光セルの回路構成のみが相違する。そこで、図６では、２×２のマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）のみを示し、他の感光セル、及び図１と同一の回路（垂直シフトレジスタ１１、負荷トランジスタ１３−１〜ｎ、雑音抑圧回路１４、水平トランジスタ１５−１〜ｎ、水平シフトレジスタ１６）については、記載を省略している。

本実施形態に係るセンサでは、参考例に係るセンサと同様に、各感光セルは、フォトダイオード１、転送ゲート２、フローティング拡散層部３、増幅トランジスタ４、及びリセットトランジスタ５を含んでいる。これら５個の要素の機能も、参考例に係るセンサと同様である。

本実施形態に係るセンサに含まれる感光セルは、以下の点で、参考例に係るセンサに含まれる感光セルと相違する。すなわち、参考例に係るセンサでは、上述したように、各感光セルに含まれるフローティング拡散層部３は、同じ感光セルに含まれる増幅トランジスタ４のゲートに接続される。これに対して、本実施形態に係るセンサでは、図６に示すように、各感光セルに含まれるフローティング拡散層部３は、当該感光セルと列方向に隣接する感光セル（図６では、当該感光セルのすぐ下にある感光セル）に含まれる増幅トランジスタ４のゲートに接続される。例えば、図６において、左上の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３ａは、左下の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４ｃのゲートに接続される。同様に、左下の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３ｃは、左下の感光セルのすぐ下にある感光セル（図６では一部のみが示されている）に含まれる増幅トランジスタ４ｅのゲートに接続される。

このようにフローティング拡散層部３を、他の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４のゲートに接続すると、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷に対応した信号出力は、他の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４の作用によって、垂直信号線１２に現れることになる。このように回路構成を変更しても、他の感光セルが元の感光セルと同じ列に配列されている限り、センサ全体として見たときの動作は同じである。従って、本実施形態に係るセンサに対して、参考例に係るセンサと同じ駆動方法（図３を参照）を適用すれば、本実施形態に係るセンサからでも、センサに入射した光信号に応じた電気信号を正しく読み出すことができる。

図６に示す感光セルをレイアウトすると、図７に示すレイアウトパターンが得られる。このレイアウトパターンにおいても、図４及び図５に示すレイアウトパターンと同様に、各感光セルに活性領域１００が一つずつ含まれている。各感光セルにおいて、活性領域１００とポリシリコン配線１１１〜１１３とは３箇所で重なっている。これにより、各感光セルにおいて、３個のトランジスタが形成される。具体的には、活性領域１００とポリシリコン配線１１１とが重なる場所には、転送ゲート１０２（図６では転送ゲート２）が形成される。活性領域１００とポリシリコン配線１１２とが重なる場所には、リセットトランジスタ１０５（図６ではリセットトランジスタ５）が形成される。活性領域１００とポリシリコン配線１１３とが重なる場所には、増幅トランジスタ１０４（図６では増幅トランジスタ４）が形成される。

活性領域１００のうち、転送ゲート１０２からリセットトランジスタ１０５までの領域は、フローティング拡散層部１０３（図６ではフローティング拡散層部３）となる。また、活性領域１００のうち、転送ゲート１０２を挟んでフローティング拡散層部１０３と反対側にある領域は、フォトダイオード１０１（図６ではフォトダイオード１）となる。

図７に示すレイアウトパターンでは、各感光セルにおいて、３種類の金属配線１２１〜１２３が使用されている。金属配線１２１は、ある感光セルに含まれるフローティング拡散層部１０３と、当該感光セルに列方向に隣接する感光セルに含まれる増幅トランジスタ１０４のゲートとを接続する。金属配線１２２は、同じ列に配列された感光セルに含まれる増幅トランジスタ１０４のソースを接続する。この金属配線１２２によって、図１に示す垂直信号線１２が構成される。金属配線１２３は、同じ列に配列された感光セルに含まれる増幅トランジスタ１０４とリセットトランジスタ１０５との共通ドレインを接続する。この金属配線１２３によって、図１に示す電源ライン１０の一部（列方向に伸延する部分）が実現される。なお、図７に示すレイアウトパターンでは、図４に示すレイアウトパターンに含まれる金属配線２２２、２２３に対応した金属配線は不要である。

活性領域１００と、ポリシリコン配線１１１〜１１３と、金属配線１２１〜１１３とは、半導体製造プロセスでは、それぞれ、異なる工程で形成される。これら３種類の領域あるいは配線を電気的に接続するため、図７に示すレイアウトパターンでは、各感光セルについて、４個のコンタクトホール１３１〜１３４が設けられている。

本実施形態に係るセンサに含まれる感光セルのレイアウトパターン（図７）は、参考例に係るセンサに含まれる感光セルのレイアウトパターン（図４及び図５）と比べて、以下のような特徴を有している。参考例に係るレイアウトパターンでは、感光領域は長方形領域にレイアウトされている。これに対して、本実施形態に係るレイアウトパターンでは、感光領域は、活性領域１００の形状に合わせて、２個の長方形を連結した形状（破線で囲んだ部分）にレイアウトされている。より詳細には、一つの感光セルを、フォトダイオード１０１と転送ゲート１０２とフローティング拡散層部１０３の一部とを含む第１の領域（図７では金属配線１２２の左側にある領域）、及び、フローティング拡散層部１０３の残余の部分と増幅トランジスタ１０４とリセットトランジスタ１０５をと含む第２の領域（図７では金属配線１２２の右側にある領域）とに分割した場合、大まかに言えば、感光セルＡの第１の領域と、感光セルＡと行方向に隣接する感光セルＢの第１の領域との間に、感光セルＡと列方向に隣接する感光セルＣの第２の領域がレイアウトされる。これにより、感光セルに含まれるフローティング拡散層部１０３と、当該感光セルに列方向に隣接する感光セルに含まれる増幅トランジスタ１０４のゲートとを容易に接続することができる。

また、参考例に係るレイアウトパターンでは、図１に示す信号線１７又は信号線１８の少なくとも一方が、ポリシリコン配線と金属配線の両方によって構成されている。これに対して、本実施形態に係るレイアウトパターンでは、信号線１７はポリシリコン配線１１１のみによって構成され、信号線１８はポリシリコン配線１１２のみによって構成される。従って、信号線１７と信号線１８とは、同じ材料で形成されていると言える。また、フローティング拡散層部１０３は、同じ感光セルに含まれる転送ゲート１０２に接続されるポリシリコン配線１１１と、同じ感光セルに含まれる感光セルに含まれるリセットトランジスタ１０５に接続されるポリシリコン配線１１２との間に挟まれている。このように信号線１７と転送ゲート１０２のゲート電極、信号線１８とリセットトランジスタ１０５のゲート電極とが同じ材料で形成されているので、これらの信号線を配線するときに、コンタクトホールを設ける必要がなくなる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、本実施形態に係るレイアウトパターンでは、上述したように、３種類の金属配線１２１〜１２３が使用され、４個のコンタクトホール１３１〜１３４が設けられる。コンタクトホール１３１は、フローティング拡散層部１０３と増幅トランジスタ１０４のゲートとを接続するために、フローティング拡散層部１０３に設けられる。コンタクトホール１３２は、増幅トランジスタ１０４とリセットトランジスタ１０５との共通ドレインを金属配線１２３（図１では電源ライン１０）に接続するために、当該共通ドレインに設けられる。コンタクトホール１３３は、増幅トランジスタ１０４のソースを金属配線１２２（図１では垂直信号線１２）に接続するために、当該ソースに設けられる。コンタクトホール１３４は、フローティング拡散層部１０３と増幅トランジスタ１０４のゲートとを接続するために、当該ゲートと同一の活性領域内に設けられる。本実施形態に係るレイアウトパターンでは、４個のコンタクトホール１３１〜１３４が、ほぼ一直線上に並んでいる。これにより、４個のコンタクトホールをレイアウトするために必要な面積を小さくすることができる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、フローティング拡散層部１０３と増幅トランジスタ１０４のゲートとを接続する金属配線１２１と、金属配線１２２（図１では垂直信号線１２）と、金属配線１２３（図１では電源ライン１０）とは、いずれも金属配線である。このため、これら３種類の配線は、同一の金属配線層で形成することができる。これにより、これらの信号線を配線するときに、コンタクトホールを設ける必要がなくなる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

また、金属配線１２２と金属配線１２３とは、感光セルが配列された感光領域に、互いに平行に配線されており、金属配線１２１は、金属配線１２２と金属配線１２３との間に挟まれている。より詳細には、フローティング拡散層部１０３と増幅トランジスタ１０４のゲートとを接続する金属配線１２１は、当該フローティング拡散層部１０３と同じ感光セルに含まれる増幅トランジスタ１０４に接続される金属配線１２２と、当該増幅トランジスタ１０４のドレインに接続される金属配線１２３との間に挟まれている。これにより、感光セルのレイアウトパターンが単純かつ規則的になる。従って、レイアウトしたときの感光セルのサイズを小さくし、センサ全体の回路サイズを小さくすることができる。

このように、図６に示すセンサに含まれる感光セルを、図７に示すように規則的に無理なくレイアウトすることができる。図７に示すレイアウトパターンでは、図４及び図５に示すレイアウトパターンのように、フォトダイオード上に金属配線が配線されることもない。以上のことから、本実施形態によれば、各感光セルを３個のトランジスタで構成するセンサについて、レイアウトに適した新たな回路構成を採用することにより、感光セルのサイズを小さくし、センサ全体のサイズを小さくすることができる。これにより、センサの歩留まりが向上し、センサのコストが低下するという効果を奏することができる。

図８は、図６に示す感光セルの他のレイアウトパターンを示す図である。図８に示すレイアウトパターンは、以下の点で、図７に示すレイアウトパターンと相違する。すなわち、図７に示すレイアウトパターンでは、各感光セルに含まれる４個のコンタクトホール１３１〜１３４が、ほぼ一直線上に並んでいる。これに対して、図８に示すレイアウトパターンでは、各感光セルに含まれる４個のコンタクトホール１３１〜１３４のうち、３個のコンタクトホール１３１〜１３３がほぼ一直線上に並んでおり、コンタクトホール１３４はこの直線外にある。センサをレイアウトする際に使用するデザインルールによっては、図８に示すレイアウトを使用してもよい。

なお、本実施形態に係るセンサでは、感光セルに含まれるすべてのトランジスタが、ｎチャンネル型ＭＯＳトランジスタであることが好ましい。その理由は、以下のとおりである。近年、ロジック回路の多くがＣＭＯＳを用いて製造されることに伴い、ＭＯＳ型固体撮像装置もＣＭＯＳを用いて製造される場合が多い。ロジック回路用のＣＭＯＳプロセスは複雑な多数の工程からなり、一部の工程をセンサの製造のためだけに変更することは極めて難しい。従って、センサを製造するためには、製造プロセスの一工程に、センサに固有の工程を追加する必要がある。この場合、ｐ型不純物であるボロンは質量が軽く動きやすいため、半導体内部で小さく作るのが難しいことを考慮すると、センサに固有の工程では、ＮＭＯＳのみを使用することが有利である。

以上に示すように、本発明の実施形態に係るセンサによれば、レイアウトに適した新規な回路構成を採用することにより、感光セルのサイズを小さくし、センサ全体のサイズを小さくすることができる。

本発明固体撮像装置は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及び携帯電話用カメラ等の、各種の機器等に利用可能であり、特に、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサの回路サイズを小さくする場合等に適している。

本発明の参考例に係るセンサの回路図 本発明の実施形態に係るセンサの雑音抑圧回路の詳細を示す図 本発明の実施形態に係るセンサの駆動方法を示すタイミングチャート 本発明の参考例に係るセンサのレイアウト図 本発明の参考例に係るセンサの他のレイアウト図 本発明の実施形態に係るセンサの回路図 本発明の実施形態に係るセンサのレイアウト図 本発明の実施形態に係るセンサの他のレイアウト図 従来のセンサの回路図 従来のセンサの駆動方法を示すタイミングチャート

符号の説明

１、１０１ フォトダイオード
２、１０２ 転送ゲート
３、１０３ フローティング拡散層部
４、１０４ 増幅トランジスタ
５、１０５ リセットトランジスタ
１０ 電源ライン
１１ 垂直シフトレジスタ
１２ 垂直信号線
１３ 負荷トランジスタ
１４ 雑音抑圧回路
１５ 水平トランジスタ
１６ 水平シフトレジスタ
１００ 活性領域
１１１〜１１３ ポリシリコン配線
１２１〜１２３ 金属配線
１３１〜１３３４ コンタクトホール

Claims (13)

1. 入射した光信号の強度に応じた電気信号を出力する固体撮像装置であって、
   半導体基板上に、入射光を光電変換し得られた信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷をゲート電極に印加されたパルス信号に従って転送する転送トランジスタと、転送された前記信号電荷を一時的に蓄積するフローティング拡散層部と、増幅トランジスタと、前記フローティング拡散層部に蓄積された信号電荷をゲート電極に印加されたパルス信号に従ってリセットするリセットトランジスタとを含む感光セルを行および列方向の２次元状に配列した感光領域と、
   前記増幅トランジスタの出力を読み出す垂直信号線と、
   前記増幅トランジスタと前記リセットトランジスタに電源を与える電源ラインと、を備え、
   前記感光セルに含まれる前記フローティング拡散層部は、当該感光セルと列方向に隣接する感光セルに含まれる前記増幅トランジスタのゲートに接続されており、
   前記増幅トランジスタと前記リセットトランジスタとの共通ドレインに前記電源ラインが接続することを特徴とする、固体撮像装置。
2. 同じ感光セルに備わる前記増幅トランジスタのゲートと前記リセットトランジスタのゲートとは行方向に平行となるように形成したことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 同じ行に配列された前記転送トランジスタのゲート電極に共通して接続される複数の第１水平信号線と、同じ行に配列された前記リセットトランジスタのゲート電極に共通して接続される複数の第２水平信号線とが同じ材料で形成されており、かつ、
   前記フローティング拡散層部は、前記転送トランジスタのゲート電極に接続される前記第１水平信号線と、前記リセットトランジスタのゲート電極に接続される前記第２水平信号線との間に挟まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記電源ラインと前記垂直信号線が同一の配線層にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記電源ラインと前記垂直信号線が同じ配線材料により形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記電源ラインと前記垂直信号線が平行に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、
   前記信号線と前記垂直信号線が同一の配線層にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、
   前記信号線と前記垂直信号線が同じ配線材料により形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、
   前記信号線と前記垂直信号線が平行となるように配置したことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
10. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、
    前記信号線と、前記電源ラインと、前記垂直信号線とが、同一の金属配線層で形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
11. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続する信号線を備え、
    前記信号線は、前記増幅トランジスタに接続される前記垂直信号線と、前記電源ラインとの間に挟まれていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
12. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続するために、当該フローティング拡散層部に設けられる第１のコンタクトホールと、
    前記増幅トランジスタと前記リセットトランジスタとの共通ドレインを前記電源ラインに接続するために、当該共通ドレインに設けられる第２のコンタクトホールと、
    前記増幅トランジスタのソースを前記垂直信号線に接続するために、当該ソースに設けられる第３のコンタクトホールと、
    前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続するために、当該ゲートと同一の配線領域内に設けられる第４のコンタクトホールとが、ほぼ一直線上に並んでいることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
13. 前記フローティング拡散層部と前記増幅トランジスタのゲートとを接続するために、当該フローティング拡散層部に設けられる第１のコンタクトホールと、
    前記増幅トランジスタと前記リセットトランジスタとの共通ドレインを前記電源ラインに接続するために、当該共通ドレインに設けられる第２のコンタクトホールと、
    前記増幅トランジスタのソースを前記垂直信号線に接続するために、当該ソースに設けられる第３のコンタクトホールとが、ほぼ一直線上に並んでいることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置。

Images