JP4341664B2 - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置および撮像装置に関する。

近年のデジタルカメラの普及とともに、普及価格帯のカメラでもより高い解像度が要求されるようになってきている。また、デジタルカメラだけでなくビデオカメラ、携帯電話用カメラなどにも高解像度の要求がある。一般的に光学サイズ（固体撮像装置の外寸）は変わらないため多画素化は画素の微細化と同義である。

画素の微細化は、すなわち画素に入る光子数の減少に直結し、これにより量子効率の改善ではカバーできない絶対的な感度の低下が発生する。これはＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ共に同じである。ただし、一般的にＣＭＯＳイメージセンサの方が、メタル配線が高い（厚い）ため集光が難しく、これに伴って感度が低い。

このような状況に対して、画像処理の観点から解像度の低下を抑制しつつ、感度を上げる技術が提案されている。その技術を図８によって説明する。

図８に示すように、いわゆるハニカム画素配列は、各画素１１１を斜め正方画素配列にすることで、半分の実画素数でも垂直・水平方向の空間解像度の劣化を抑制できるということがわかっている。同じ有効画素領域で画素数を半分にできるため、単位画素あたりの面積が増し、感度が向上できる。人工空間において垂直方向および水平方向の線が多いことや、画像データがＸＹ座標で表されていることから、この２軸の空間解像度が解像感において重要であり、よってハニカム画素配列は多くの場面で高感度であるといえる。

しかしながら、ハニカム画素配列は集積化するのには適さない画素配列である。一般的に画像データは垂直、水平の２軸でのデータ配列となっており、正方格子イメージセンサの画素もそれにならった配列となっている。これに伴って制御（駆動・読み出し）も垂直方向および水平方向になっている。一方、ハニカム画素配列では画素が斜め正方格子になっているので制御素子の配列がジグザグになってしまう。

例えばＣＭＯＳイメージセンサにおいて一般的な正方格子画素配列であれば垂直方向・水平方向の軸それぞれのメタル配線層を変えることにより効率的に配線を行える。それに対してハニカム画素配列では同じ行、もしくは同じ列の画素の間に隣接行、隣接列の画素が入り込むため、配線はジグザグに配置せざるを得ない。このため配線が重なる部分においてシリコン表面に形成されたトランジスタなどの要素への接続が困難となることがある。

ハニカム画素配列は前記のように配線密度が高いことが問題である。したがって配線数を低減することによりメタル開口を大きく保つ必要がある。このためには画素トランジスタの共有が有効である（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら特許文献１に開示された技術では、微細画素における特性の劣化を免れない。つまり、特許文献１に開示された技術では、図９（１）に示すように、電荷電圧変換部の転送ゲートＴＧが画素１１１の辺部分に配置されており、読み出し特性には優れるものの、集光スポット面積を圧迫するという問題を有する。また、画素間に電荷電圧変換部であるフローティングディフュージョンＦＤの共有部分を配置したとしても、２画素間で画素トランジスタを共有したのでは、フォトダイオードＰＤ面積を十分に確保することは困難である。

また、複数の画素が２次元正方配列された画素群では、図９（２）に示すように、共有される電荷電圧変換部であるフローティングディフュージョンＦＤは、転送ゲートＴＧを介して画素１１１の角部に配置されている。斜めに隣り合う二つの画素間で、それらの画素１１１の角部に転送ゲートＴＧを配置することにより、画素１１１の集光中心から転送ゲートＴＧまでの距離を離すことができ、転送ゲートＴＧに光が吸収されることによる感度の低下が抑制できる。

特開２００４−１２８１９３号公報

解決しようとする問題点は、いわゆるハニカム画素配列では、電荷電圧変換部が画素の辺部分に配置しており、読み出し特性には優れるものの、集光スポット面積を圧迫するという問題を有する点であり、また、画素間に電荷電圧変換部である電荷電圧変換部（例えばフローティングディフュージョン：ＦＤ）の共有部分を配置したとしても、２画素間で画素トランジスタを共有したのでは、光電変換部（例えばフォトダイオード：ＰＤ）の面積を十分に確保することが困難な点である。

本発明は、電荷電圧変換部、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ等のトランジスタ群の配置を工夫して、光学的特性を高めるとともに効率的な画素配列を可能にすることを課題とする。

本発明の固体撮像装置は、入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを備え、前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部と前記共有ブロックに水平方向に隣接する共有ブロックの一組のトランジスタ群とが交互に前記斜め格子配列の一配列方向と平行な斜め方向に配列されていることを特徴とする。
別の本発明の固体撮像装置は、入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを備え、前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部は前記斜め格子配列の一配列方向と平行な斜め方向に配列されていて、前記共有ブロックの一組のトランジスタ群は前記一配列方向と平行な斜め方向に配列されていて、前記電荷電圧変換部の斜め方向の配列と、前記一組のトランジスタ群の斜め方向の配列との間に、前記一配列方向と平行な斜め方向に配列されている前記光電変換部の配列を有する。

本発明の固体撮像装置では、画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部が配置されたことから、高い読み出し特性を得つつ、集光スポット面積が確保される。また２対の画素対と、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線とを有する共有ブロックを備え、前記共有ブロックに一組のトランジスタ群を配置したことから、４画素間で画素トランジスタを共有する構成となり、光電変換部の受光面積が十分に確保される。なお、２画素では光電変換部の受光面積を十分に確保することが困難であり、また、４画素を越えると電荷電圧変換部（例えばフローティングディフュージョン）容量が増大することにより電荷−電圧変換における変換効率が極端に低下し、電圧検出における精度が劣化する。よって、４画素間で画素トランジスタを共有する構成としている。

本発明の撮像装置は、入射光を集光する集光光学部と、前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、光電変換された信号を処理する信号処理部とを備え、前記固体撮像装置は、入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを備え、前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部と前記共有ブロックに水平方向に隣接する共有ブロックの一組のトランジスタ群とが交互に前記斜め格子配列の一配列方向と平行な斜め方向に配列されていることを特徴とする。
別の本発明の撮像装置は、入射光を集光する集光光学部と、前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、光電変換された信号を処理する信号処理部とを備え、前記固体撮像装置は、入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を備え、前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、前記画素の斜め格子配列の一配列方向に平行な斜め方向に配列された前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部は前記一配列方向と平行な斜め方向に一列に配列されていて、前記画素の斜め格子配列の一配列方向に平行な斜め方向に配列された前記共有ブロックの一組のトランジスタ群は前記一配列方向と平行な斜め方向に一列に配列されていて、前記電荷電圧変換部の斜め方向の配列と、前記一組のトランジスタ群の斜め方向の配列との間に、前記一配列方向と平行な斜め方向に配列されている前記光電変換部の配列を有する。

本発明の撮像装置では、本願発明の固体撮像装置を用いることから、上記説明したのと同様に、各画素の光電変換部の受光面積が十分に確保される。

本発明の固体撮像装置によれば、各画素の光電変換部の受光面積が十分に確保されるため、解像度を維持しつつ高感度化ができるので、光学的特性を高めるという利点がある。また、４画素間で画素トランジスタを共有する構成としたので、配線が簡略化でき、効率的な画素配置を提供することができる。

本発明の撮像装置によれば、本願発明の固体撮像装置を用いることから、上記説明したのと同様な効果が得られるとともに、画素特性、例えば高感度化が可能になるという利点がある。

本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第１実施例）を、図１の平面レイアウト図および図２の共有ブロックの拡大図によって説明する。図１および図２では、光学的あるいは電気的に特性を最大化するためのアンプ等、トランジスタの配置を示す。

図１および図２に示すように、固体撮像装置１には、入射光を電気信号に変換する光電変換部（例えばフォトダイオード）１２を有する複数の画素１１が備えられている。上記複数の画素１１は、隣接する画素に対して行方向もしくは列方向にずらして配列された、いわゆるハニカム画素配列となっている。ここでは、一例として、走査方向に対して斜め４５度方向に傾斜した斜め正方格子画素配列とした。上記複数の画素１１のうち対角方向に隣接し合う二つの画素１１（１１Ａ）、１１（１１Ｂ）間に、光電変換部１２（１２Ａ）、１２（１２Ｂ）から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部１３が配置され、この電荷電圧変換部１３は上記二つの画素１１Ａ、１１Ｂに共有されている。さらに、画素の対角方向（垂直方向もしくは水平方向、図面では垂直方向）に隣接し合う二つの画素１１Ａ、１１Ｂで構成される画素対１４（１４Ａ）とこの画素対１４Ａに隣接する画素対１４（１４Ｂ）とで構成される２対の画素対と、各画素対１４Ａ、１４Ｂの上記電荷電圧変換部１３（１３Ａ）、１３（１３Ｂ）を接続した制御信号配線１５とを有する共有ブロック１６を備え、共有ブロック１６に一組のトランジスタ群２１が配置されている。

上記トランジスタ群２１は、例えば、信号増幅手段となる増幅トランジスタＴｒＡ、リセットトランジスタＴｒＲ、選択トランジスタＴｒＳを有する。すなわち、４画素で１組のトランジスタ群２１を有する。そして４行分の画素が１つのブロックに含まれるレイアウトとなっている。また各光電変換部１２の転送ゲートＴＧは光電変換部１２の角部に配置されており、垂直方向（光電変換部１２の対角方向）に隣接する画素１１Ａ、１１Ｂ間で電荷電圧変換部１３のフローティングディフュージョンＦＤを共有する。また、フローティングディフュージョンＦＤと光電変換部１２との間には転送ゲートＴＧが設けられている。

そして、上記共有ブロック１６は垂直方向および水平方向に等ピッチで２次元配列されている。また、同時アクセスする上記トランジスタ群２１を構成する複数のトランジスタは上記斜め方向に一列に配列されている。一見してわかるとおり、転送ゲートＴＧがある領域Ａとアンプなどトランジスタ群２１がある領域Ｂに明白に分離されていることから、各々の制御用配線が入り組むことなく配線が可能となっている。なお、図面では各配線（転送ゲート配線ＴＧ１、転送ゲート配線ＴＧ２、リセット配線ＲＳＴ、セレクト配線ＳＥＬ、転送ゲート配線ＴＧ３、転送ゲート配線ＴＧ４等）を直線で示しているが、実際には、光電変換部１２上を避けるように配置されている。

次に、本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第２実施例）を、図４の平面レイアウト図によって説明する。

この第２実施例の固体撮像装置２は、前記第１実施例の固体撮像装置１を改良したものである。上記固体撮像装置１では、前記図１中破線の丸で囲む部分に示すように、光電変換部１２の両側にトランジスタ群２１、２１が配置される部分が生じる。これにより光電変換部１２の受光面積の同一化を図ろうとすると、小さい受光面を持つ光電変換部に合わせざるを得ないため、飽和電荷量の低下につながる。また、図３に示すように、一般的なベイヤー配列を４５度かたむけたような色配列にすると、画素Ａ、画素Ｂのように同色の画素でも光電変換部（例えばフォトダイオード）１２の配向が異なるという特徴がある。共有構成では光電変換部１２の配向によりシェーディングが変わるためシェーディング補正テーブルを色毎に２方向ずつ持つ必要がある。

そこで、第２実施例の固体撮像装置２では、図４に示すように、単位ブロックの構成は第１の実施例とほぼ同様とする。本第２実施例の特徴は、アンプ、リセットなどのトランジスタ群２１が斜め方向に１直線上に配置されていることである。これにより第１実施例の固体撮像装置１の課題であった半導体表面の無効領域を低減し、光電変換部１２の受光面積を最大化することが可能となる。また、色配列に関しては、図５に示すように、斜めベイヤー配列でも同色では画素Ａ、画素Ｂのように同一配向になっており、シェーディングテーブルの数が抑制できる。

なお、固体撮像装置２のレイアウト構成では、同一行に配置された光電変換部１２の読み出し方向が２方向になるため、転送ゲートＴＧへの制御信号配線１５が増すことと、すべての制御配線（転送ゲート配線ＴＧ１、転送ゲート配線ＴＧ２、リセット配線ＲＳＴ、セレクト配線ＳＥＬ、転送ゲート配線ＴＧ３、転送ゲート配線ＴＧ４等）が画素トランジスタ列からなる上記トランジスタ群２１の上を通るため、配線が制限されることである。このため、第２実施例の固体撮像装置２では、第１層のメタル配線で同一行の光電変換部１２Ａ、１２Ｂの転送ゲートＴＧ、ＴＧ同士を局所接続し、さらに第２層のメタル配線で水平方向の配線を行なうことでメタル配線の密度増大を抑制している。この場合、図６に示すように、共有ブロック１６が配置され、リセット配線ＲＳＴ、セレクト配線ＳＥＬは列間で制御線が異なる。

本発明の固体撮像装置１、２では、画素の対角方向に隣接し合う二つの画素１１（１１Ａ）、１１（１１Ｂ）間に光電変換部１２（１２Ａ）、１２（１２Ｂ）から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部１３が配置されたことから、高い読み出し特性を得つつ、集光スポット面積が確保される。また２対の画素対１４（１４Ａ）、１４（１４Ｂ）と、各画素対１４Ａ、１４Ｂの電荷電圧変換部１３Ａ、１３Ｂを接続した制御信号配線１５とを有する共有ブロック１６を備え、この共有ブロック１６に一組のトランジスタ群２１を配置したことから、４画素間で画素トランジスタを共有する構成となり、光電変換部１２の受光面積が十分に確保される。なお、２画素の共有では光電変換部の受光面積が十分に確保することが困難であり、また、４画素を越える共有では電荷電圧変換部（例えばフローティングディフュージョン）容量が増大することにより電荷−電圧変換における変換効率が極端に低下し、電圧検出における精度が劣化する。よって、４画素間で画素トランジスタを共有する構成としている。よって、各画素の光電変換部１２の受光面積が十分に確保されるため、解像度を維持しつつ高感度化ができるので、光学的特性を高めるという利点がある。また、４画素間で画素トランジスタを共有する構成としたので、配線が簡略化でき、効率的な画素配置を提供することができる。

次に、本発明の撮像装置に係る一実施の形態（実施例）を、図７のブロック図によって説明する。

図７に示すように、撮像装置５０は、撮像部５１に固体撮像装置（図示せず）を備えている。この撮像部５１の集光側には像を結像させる結像光学系５２が備えられ、また、撮像部５１には、それを駆動する駆動回路、固体撮像装置で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路等を有する信号処理部５３が接続されている。また上記信号処理部によって処理された画像信号は画像記憶部（図示せず）によって記憶させることができる。このような撮像装置５０において、上記固体撮像素子には、前記実施の形態で説明した固体撮像装置１または固体撮像装置２を用いることができる。

本発明の撮像装置５０では、本願発明の固体撮像装置１または固体撮像装置２を用いることから、上記説明したのと同様に、各画素の光電変換部の面積が十分に確保される。よって、画素特性、例えば高感度化が可能になるという利点がある。

なお、本発明の撮像装置５０は、上記構成に限定されることはなく、固体撮像装置を用いる撮像装置であれば如何なる構成のものにも適用することができる。

上記固体撮像装置１、２はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、高画質化の効果が得られる。ここで、撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。

本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第１実施例）を示した平面レイアウト図である。 共有ブロックの拡大図である。 第１実施例の固体撮像装置の色配列例を示した平面レイアウト図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第２実施例）を示した平面レイアウト図である。 第２実施例の固体撮像装置の色配列例を示した平面レイアウト図である。 第２実施例の固体撮像装置の配線例を示した配線図である。 本発明の撮像装置に係る一実施の形態（実施例）を示したブロック図である。 一般的なハニカム画素配列の一例を示した平面レイアウト図である。 従来の電荷電圧変換部の共有状態の一例を示した平面レイアウト図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１１…画素、１２…光電変換部、１３…電荷電圧変換部、１４…画素対、１５…信号制御配線、１６…共有ブロック、２１…トランジスタ群

Claims (4)

1. 入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、
   前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを備え、
   前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、
   前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、
   前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部と前記共有ブロックに水平方向に隣接する共有ブロックの一組のトランジスタ群とが交互に前記斜め格子配列の一配列方向と平行な斜め方向に配列されている
   固体撮像装置。
2. 入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、
   前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを備え、
   前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、
   前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、
   前記画素の斜め格子配列の一配列方向に平行な斜め方向に配列された前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部は前記一配列方向と平行な斜め方向に一列に配列されていて、
   前記画素の斜め格子配列の一配列方向に平行な斜め方向に配列された前記共有ブロックの一組のトランジスタ群は前記一配列方向と平行な斜め方向に一列に配列されていて、
   前記電荷電圧変換部の斜め方向の配列と、前記一組のトランジスタ群の斜め方向の配列との間に、前記一配列方向と平行な斜め方向に配列されている前記光電変換部の配列を有する
   固体撮像装置。
3. 入射光を集光する集光光学部と、
   前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
   光電変換された信号を処理する信号処理部とを備え、
   前記固体撮像装置は、
   入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、
   前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を備え、
   前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、
   前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、
   前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部と前記共有ブロックに水平方向に隣接する共有ブロックの一組のトランジスタ群とが交互に前記斜め格子配列の一配列方向と平行な斜め方向に配列されている
   撮像装置。
4. 入射光を集光する集光光学部と、
   前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
   光電変換された信号を処理する信号処理部とを備え、
   前記固体撮像装置は、
   入射光量を電気信号に変換する光電変換部を含み、走査方向に対して傾斜した斜め格子配列を成す複数の画素と、
   前記複数の画素のうち該画素の対角方向に隣接し合う二つの画素間に配置された前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を備え、
   前記電荷電圧変換部は前記二つの画素に共有されていて、
   前記対角方向に隣接し合う二つの画素で構成される画素対と該画素対に隣接する画素対とで構成され、前記各画素対の前記電荷電圧変換部を接続した配線を有する共有ブロックに一組のトランジスタ群が配置されていて、
   前記画素の斜め格子配列の一配列方向に平行な斜め方向に配列された前記共有ブロックの二つの前記電荷電圧変換部は前記一配列方向と平行な斜め方向に一列に配列されていて、
   前記画素の斜め格子配列の一配列方向に平行な斜め方向に配列された前記共有ブロックの一組のトランジスタ群は前記一配列方向と平行な斜め方向に一列に配列されていて、
   前記電荷電圧変換部の斜め方向の配列と、前記一組のトランジスタ群の斜め方向の配列との間に、前記一配列方向と平行な斜め方向に配列されている前記光電変換部の配列を有する
   撮像装置。

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