JP4612769B2 - 固体撮像装置及び固体撮像システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び固体撮像システムに関し、特に、デジタルカメラなどに用いられる固体撮像装置及び固体撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、平面上に、複数の撮像レンズを備え、各撮像レンズにより撮像対象からの光を、光電変換素子を有する二次元センサなどに集光して、二次元センサなどからの出力信号を、画像処理部において処理して、画像を形成する固体撮像装置がある。
【０００３】
図１は、従来のＭＯＳ型撮像素子を備えた固体撮像装置の構成を示す模式図である。図１において、３００はたとえばＧ，Ｂ，Ｒのカラーフィルタのいずれかを備えた画素、３０１は入射光を電荷に変換するフォトダイオード、３０７は変換された電荷が転送される浮遊拡散領域、３０２はフォトダイオード３０１の電荷を浮遊拡散領域３０７へ転送する転送スイッチ、３０３は電荷に基づく増幅信号を得るためのＭＯＳトランジスタ、３０５はＭＯＳトランジスタ３０３に電源ＶＤからの電圧をかけるための選択スイッチ、３０６は増幅信号が読み出される垂直信号線、３１３は垂直信号線に増幅信号を読み出すための定電流源、３０４は増幅信号を読み出した後の浮遊拡散領域３０７及びフォトダイオード３０１の電位をリセットするために電源ＶＲをかけるためのリセットスイッチである。なお、ここでは転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５をＭＯＳトランジスタで構成している。
【０００４】
また、図１において、３１２，３１４，３１５はそれぞれ転送スイッチ３０２，リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のオン／オフをそれぞれ制御する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスを伝送する転送パルス伝送線，リセットパルス伝送線及び選択パルス伝送線、９３１〜９３３は転送パルス伝送線３１２，リセットパルス伝送線３１４及び選択パルス伝送線３１５を伝送する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスをそれぞれ生成する生成信号を入力する転送パルス生成信号入力端子，リセットパルス生成信号入力端子及び選択パルス生成信号入力端子、３３０は転送パルス生成信号入力端子９３１，リセットパルス生成信号入力端子９３２及び選択パルス生成信号入力端子９３３から入力される各生成信号とクロック信号ＰＶに基づいて垂直シフトレジスタ９０６から出力される制御信号とを加算するＡＮＤゲートである。
【０００５】
さらに、図１において、３２０ａ，３２０ｂは転送スイッチ３０２，リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のスイッチング動作や転送スイッチ３０２等の製造ばらつきによって生じる固定パターンなどのノイズ信号をキャンセルするノイズキャンセル回路、３２３ａ，３２３ｂはノイズ信号を含む増幅信号を蓄積する増幅信号保持容量、スイッチ、３２４ａ，３２４ｂはノイズ信号を蓄積するノイズ信号保持容量、３２１ａ，３２１ｂは増幅信号を制御信号Ｐｔｎに従って増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂへ送るスイッチ、３２２ａ，３２２ｂはノイズ信号を制御信号Ｐｔｓに従ってノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂへ送るスイッチ、３２５ａ，３２５ｂは増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持されている増幅信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２６ａ，３２６ｂはノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂに保持されているノイズ信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２７ａ，３２７ｂはノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂから出力された各信号を増幅する差動増幅器である。
【０００６】
なお、図１では、たとえば奇数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ａ側のノイズキャンセル回路３２０ａへ送り、偶数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ｂ側のノイズキャンセル回路３２０ｂへ送るようにしている。
【０００７】
また、図１には簡単のため画素３００を４つ示したが、実際には、必要とする解像度や、撮像領域の面積に応じた数の画素が配列されている。さらに、画素列の数に応じた数のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂが設けられている。なお、次に説明するように、ノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂは、実際には、２画素ピッチで配置されている。
【０００８】
図７（ｂ）は、図１のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの上面のレイアウト図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図である。図７において、６００はｎ型半導体基板、６０３はｎ型半導体基板６００内に設けられたｐ型チャネルＭＯＳトランジスタのソース−ドレインを形成する高濃度ｐ型拡散領域、６０１はｎ型半導体基板６００上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、６０２はｎ型半導体基板１００の電位をとるための高濃度ｎ型拡散領域、６０４はp型チャネルＭＯＳトランジスタのゲートを形成するポリシリコンなどからなる多結晶シリコン層(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層)、６０６はアルミニウムなどからなる配線層(Ａｌ層)、６０５は配線層６０６と多結晶シリコン層１０２，高濃度ｎ型拡散領域６０２又は高濃度ｐ型拡散領域をそれぞれ電気的に接続するコンタクトホールである。
【０００９】
なお、図１に示すノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂはＣｎで示し、増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂはＣｓでそれぞれ示している。図面中のＣｓ内の配線層６０６は、スイッチ３２１ａ，３２１ｂとスイッチ３２５ａ，３２５ｂとをそれぞれ接続しており、Ｃｎ内の配線層６０６は、スイッチ３２２ａ，３２２ｂとスイッチ３２６ａ，３２６ｂとをそれぞれ接続している。
【００１０】
図７に示すように、ノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂは、増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとの各短手方向が、それぞれ１画素ピッチ内に納まるように配列している。増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとのゲート長はたとえば３．５μｍ、ゲート幅はたとえば１１００μｍとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固体撮像装置は、近年、チップサイズの縮小、画素数の増加の傾向に伴って、画素サイズが縮小されつつある。画素サイズの縮小に伴い画素ピッチが短くなると、増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとの各ゲート長が短くなる。
【００１２】
ここで、ゲートを作成する際の加工精度のばらつきによって、ゲート長ばらつきΔＬが生じるが、このゲート長ばらつきは各ゲート長が短くなるにつれて大きくなり、増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとの容量値のばらつきが増大する。その結果、固体撮像装置の性能としては、列ごとの固定パターンノイズが増加してくることによって、画質が低下するという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、複数の保持容量のレイアウトを工夫して、画質の低下を防止することを課題とする。
【００１５】
本発明は、水平方向及び垂直方向に複数配列された画素を有する画素領域と、前記垂直方向の複数の画素毎に共通に接続される複数の垂直出力線と、１つの垂直出力線毎に複数設けられていて前記垂直出力線の信号を保持する保持容量と、前記垂直出力線の信号が読み出される水平出力線と、を有する固体撮像装置において、前記水平出力線は、前記画素領域を挟んで対向配置された第１及び第２の水平出力線を有し、前記複数の垂直出力線は、前記第１の水平出力線に信号を読み出す第１の垂直出力線群と、前記第２の水平出力線に信号を読み出す第２の垂直出力線群とを有し、前記複数の保持容量の短手方向の長さを、水平方向の画素ピッチよりも長く、前記水平方向の画素ピッチの２倍よりも短くすることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明の固体撮像システムは、上記固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
［構成の説明］
図１は、本発明の実施形態１のＭＯＳ型撮像素子を備えた固体撮像装置の構成を示す模式図である。図１において、３００はたとえばＧ，Ｂ，Ｒのカラーフィルタのいずれかを備えた画素であり水平方向及び垂直方向に複数配列されている。３０１は入射光を電荷に変換するフォトダイオード、３０７は変換された電荷が転送される浮遊拡散領域、３０２はフォトダイオード３０１の電荷を浮遊拡散領域３０７へ転送する転送スイッチ、３０３は第１信号である電荷に基づく増幅信号を得るためのＭＯＳトランジスタ、３０５はＭＯＳトランジスタ３０３に電源ＶＤからの電圧をかけるための選択スイッチ、３０６は増幅信号が読み出される垂直信号線、３１３は垂直信号線に増幅信号を読み出すための定電流源、３０４は増幅信号を読み出した後の浮遊拡散領域３０７及びフォトダイオード３０１の電位をリセットするために電源ＶＲをかけるためのリセットスイッチである。なお、ここでは転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５をＭＯＳトランジスタで構成している。
【００２０】
また、図１において、３１２，３１４，３１５はそれぞれ転送スイッチ３０２，リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のオン／オフをそれぞれ制御する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスを伝送する転送パルス伝送線，リセットパルス伝送線及び選択パルス伝送線、９３１〜９３３は転送パルス伝送線３１２，リセットパルス伝送線３１４及び選択パルス伝送線３１５を伝送する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスをそれぞれ生成する生成信号を入力する転送パルス生成信号入力端子，リセットパルス生成信号入力端子及び選択パルス生成信号入力端子、３３０は転送パルス生成信号入力端子９３１，リセットパルス生成信号入力端子９３２及び選択パルス生成信号入力端子９３３から入力される各生成信号とクロック信号ＰＶに基づいて垂直シフトレジスタ９０６から出力される制御信号とを加算するＡＮＤゲートである。
【００２１】
さらに、図１において、３２０ａ，３２０ｂは転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のスイッチング動作や転送スイッチ３０２等の製造ばらつきによって生じる固定パターンなどの第２信号であるノイズ信号をキャンセルするノイズキャンセル回路、３２３ａ，３２３ｂはノイズ信号を含む増幅信号を蓄積する第１保持容量である増幅信号保持容量、スイッチ、３２４ａ，３２４ｂはノイズ信号を蓄積する第２保持容量であるノイズ信号保持容量、３２１ａ，３２１ｂは増幅信号を制御信号Ｐｔｎに従って増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂへ送るスイッチ、３２２ａ，３２２ｂはノイズ信号を制御信号Ｐｔｓに従ってノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂへ送るスイッチ、３２５ａ，３２５ｂは増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持されている増幅信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２６ａ，３２６ｂはノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂに保持されているノイズ信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２７ａ，３２７ｂはノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂから出力された各信号を増幅する差動増幅器である。
【００２２】
なお、図１では、たとえば奇数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ａ側のノイズキャンセル回路３２０ａへ送り、偶数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ｂ側のノイズキャンセル回路３２０ｂへ送るようにしている。
【００２３】
また、図１には簡単のため画素３００を４つ示したが、実際には、必要とする解像度や、撮像領域の面積に応じた数の画素が配列されている。また、画素列の数に応じた数のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂが設けられている。
【００２４】
図２は、図１のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの一形態の回路図である。図３（ｂ）は、図２のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの上面のレイアウト図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図である。本実施形態では、いわゆるｐ型チャネルＭＯＳトランジスタを用いている。
【００２５】
図２において、３２３'，３２４'は、それぞれｐ型チャネルＭＯＳトランジスタである。なお、図２において図１に示した部分同様の部分には同一符号を付している。
【００２６】
図３において、１００はｎ型半導体基板、１１０はｎ型半導体基板６００内に設けられたｐ型チャネルＭＯＳトランジスタのソース−ドレインを形成する高濃度ｐ型拡散領域、１１１はｎ型半導体基板１００上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、１０２はp型チャネルＭＯＳトランジスタのゲートを形成するポリシリコンなどからなる多結晶シリコン層(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層)、１０３，１０４，１０７はアルミニウムなどからなる配線層(Ａｌ層)、１０５，１０６，１０８は配線層１０３と多結晶シリコン層１０１と，配線層１０４と多結晶シリコン層１０２と，配線層１０７と高濃度ｐ型拡散領域１１０とをそれぞれ接続するコンタクトホール、１０９は配線層１０３，１０４のクロストークを防止する電源線である。なお、図示していないが、ｎ型半導体基板１００の電位をとるための高濃度ｎ型拡散領域をｎ型半導体基板１００内に形成している。
【００２７】
また、配線層１０３は、スイッチ３２１ａ，３２１ｂとスイッチ３２５ａ，３２５ｂとをそれぞれ接続しており、配線層１０４は、スイッチ３２２ａ，３２２ｂとスイッチ３２６ａ，３２６ｂとをそれぞれ接続している。
【００２８】
図３に示すように、本実施形態では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎのゲート長（短手方向）Ｌが、それぞれ１画素ピッチ以上で２画素ピッチ内に納まるように配列している。また、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを、水平方向の複数の画素に対して垂直な方向である垂直方向に配列している。なお、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎの各ゲート長はたとえば８μｍ、各ゲート幅（長手方向）はたとえば５００μｍとしている。
【００２９】
ところで、ゲート長ばらつきΔＬが大きくなっても容量値のばらつきが増大しにくいように、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎの各ゲート長と各ゲート幅とが、理想的には同じになるようにレイアウトすることが望ましい。
【００３０】
しかし、たとえば［各ゲート長／各ゲート幅］が０．０５、０．０１、０．１、１、１０の場合には容量ばらつきがそれぞれ０．１％、０．０５％、０．０１８％、０．０１％、０．０１８％であり、［各ゲート長／各ゲート幅］と容量ばらつきとが指数対数的な関係にあるので、これを考慮すると、［各ゲート長／各ゲート幅］は０．１程度までであれば好ましいと考える。
【００３１】
このように、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎの各ゲート長と各ゲート幅とを調整するには、ゲート長及びゲート幅が６５μｍ程度となるように、たとえば５〜８画素ピッチのゲート長として、各ゲート長に合わせてゲート幅方向に増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを配列すればよい。
【００３２】
だが、実際には、ゲート長を５画素とすると、配線層１０７等のレイアウトが面倒になるので、図３に示すように、２画素ピッチ程度に納まるようにゲート長を確保すればよい。
【００３３】
なお、図３では、増幅信号保持容量Ｃｓを画素から遠い側に配置しているが、ノイズ信号保持容量Ｃｎを画素から遠い側に配置してもよい。
【００３４】
また、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎはn型チャネルＭＯＳトランジスタであってもよいが、いずれにしてもＭＯＳトランジスタを用いると、たとえば各画素３００をＭＯＳ型撮像素子によって構成している場合に、同様の層構成なるので製造が容易となる。
【００３５】
［動作の説明］
図４は、図１の固体撮像装置で用いるパルス信号のパターン図である。図４に示すように、（１）垂直シフトレジスタ９０６に入力されるクロック信号ＰＶがハイレベルになると、垂直シフトレジスタ９０６の１段目の出力がハイレベルになる。こうして、１行目の画素内の転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４、選択スイッチ３０５にそれぞれローレベルの転送パルスＰｔｘ，ハイレベルのリセットパルスＰｒｅｓ及びローレベルの選択パルスＰｓｅｌがそれぞれ印加される。
【００３６】
このため、リセットスイッチ３０４だけがオンし、浮遊拡散領域３０７の電位がリセット電圧ＶＲとなる。次に、（２）リセットパルスＰｒｅｓをローレベルにすると、リセットノイズが発生して、浮遊拡散領域３０７の電位が変化する。
【００３７】
また同時に選択パルスＰｓｅｌをハイレベルにすることでリセットノイズと、ＭＯＳトランジスタのしきい値ばらつきによる固定パターンノイズを含んだノイズ信号とが垂直信号線３０６へ出力される。次に、（３）制御信号Ｐｔｎをハイレベルにすることで、ノイズ信号がノイズ信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持される。
【００３８】
次に、（４）転送パルスＰｔｘをハイレベルにすることで、フォトダイオード３０１で蓄積されている電荷が浮遊拡散領域３０７に転送され、ＭＯＳトランジスタ３０３のソースから、電荷とリセットによるノイズ信号とに基づく増幅信号が垂直信号線３０６に出力される。次に、（５）制御信号Ｐｔｓをハイレベルにすることで、出力された増幅信号が増幅信号保持容量３２４ａ，３２４ｂに保持される。以上の（１）〜（５）までの動作により、１行目の全画素の信号がそれぞれの列に対応する増幅信号保持容量３２４ａ，３２４ｂ及びノイズ信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持される。
【００３９】
次に、（６）クロック信号ＰＨ１をハイレベルにして、水平シフトレジスタ９１１ａに、スイッチ３２５ａとスイッチ３２６ａとを同時にオンさせることによって、１列目の画素に係る増幅信号保持容量３２４ａに保持されている増幅信号から１列目の画素に係るノイズ信号保持容量３２３ａに保持されているノイズ信号をそれぞれ読み出して、差動増幅器３２７ａへ入力し、増幅信号からノイズ信号を差分することで、ノイズ信号成分を除去して、電荷に基づく増幅信号のみを差動増幅器３２７ａから出力する。
【００４０】
それから、クロック信号ＰＨ１をローレベルにした後に、クロック信号ＰＨ２をハイレベルにして、水平シフトレジスタ９１１ｂに、スイッチ３２５ｂとスイッチ３２６ｂとを同時にオンさせることによって、２列目の画素に係る増幅信号保持容量３２４ｂに保持されている増幅信号から２列目の画素に係るノイズ信号保持容量３２３ｂに保持されているノイズ信号をそれぞれ読み出して、差動増幅器３２７ｂへ入力し、増幅信号からノイズ信号を差分することで、ノイズ信号成分を除去して、電荷に基づく増幅信号のみを差動増幅器３２７ｂから出力する。
【００４１】
同様の手順によって、クロックパルスＰＨ１，ＰＨ２を交互にハイレベル、ローレベルとすることで、水平シフトレジスタ９１１ａ、９１１ｂを順次走査して、１行１列目から最終列までの画素からの電荷に基づく増幅信号が順次、差動増幅器３２７ａ，３２７ｂから交互に出力される。
【００４２】
次に、（７）クロックパルスＰＶをハイレベルにすることで、垂直シフトレジスタ９０６が１段走査され、垂直シフトレジスタ９０６の２段目の出力がハイレベルになることで、２行目の画素が選択され、（１）〜（６）を繰り返すことで、２行全列の画素からの電荷に基づく増幅信号が順次、差動増幅器３２７ａ，３２７ｂから交互に出力される。このようにして、全行全列の画素からの電荷に基づく増幅信号を外部に出力することで、１フレーム分の増幅信号が得られる。
【００４３】
（実施形態２）
図５（ｂ）は、本実施形態に係るノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの上面のレイアウト図であり、図３（ｂ）に相当するものである。図５（ａ）は、図５（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図であり、図３（ａ）に相当するものである。図５に示すように、本実施形態では、多孔質シリコン層２０３，２０９によって空間的に増幅信号保持容量Ｃｓを形成し、多孔質シリコン層２０４，２０９によって空間的にノイズ信号保持容量Ｃｎを形成している。
【００４４】
図５において、２００はｎ型半導体基板、２１０はｎ型半導体基板２００内に形成されたｐ型ウエル、２０２は素子分離のための選択膜、２０３，２０４，２０９は多孔質シリコン層、２０７，２０８，２１１はアルミニウムなどからなる配線層、２０５，２０６，２１２は配線層２０７と多孔質シリコン層２０３と，配線層２０８と多孔質シリコン層２０４と，配線層２１１と多孔質シリコン層２０９とをそれぞれ電気的に接続するコンタクトホール、２１０はシリコン酸化膜、２１３は配線層２０７，２０８のクロストークを防止する電源線である。なお、図示していないが、ｎ型半導体基板２００の電位をとるための高濃度ｎ型拡散領域をｎ型半導体基板２００内に形成している。
【００４５】
また、配線層２０７は、スイッチ３２１ａ，３２１ｂとスイッチ３２５ａ，３２５ｂとをそれぞれ接続しており、配線層２０８は、スイッチ３２２ａ，３２２ｂとスイッチ３２６ａ，３２６ｂとをそれぞれ接続している。
【００４６】
本実施形態では、ＭＯＳトランジスタで形成した各容量に代えて、多孔質シリコン層による並行平板を電極として各容量を形成している。このようにレイアウトすると、２画素ピッチで多孔質シリコン層の並行平板を配列することができ、短手方向の長さをたとえば１０μｍとすることができる。また、図３（ｂ）に示すように長手方向に２つの容量をそれぞれ配列しなくてもよくなるので、長手方向側の長さを短くすることができる。
【００４７】
なお、実施形態１と同様に、短手方向を、２画素ピッチ以外の複数画素ピッチとしてもよい。さらに、複数の画素をいくつかの領域に分けて、各領域上に同じ色のフィルタを形成するいわゆる複眼の固体撮像装置であっても、同様に各容量のレイアウトを行うこともできる。
【００４８】
また、実施形態１，２では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを備える固体撮像装置を例に説明したが、ノイズをキャンセルするタイプの固体撮像装置においても、増幅信号等を保持する保持容量の短手方向を、たとえば２画素ピッチとしてもよい。
【００４９】
また、実施形態１，２では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを備える固体撮像装置を例に説明したが、垂直方向の２つの画素からの信号を保持できるように、１つの垂直出力線毎に複数の増幅信号保持容量Ｃｓを設けるようにした構成であってもよい。
【００５０】
また、実施形態１，２では、垂直方向の一列の画素毎に上下の差動増幅器に信号を読み出す構成のものを説明したが、水平方向及び垂直方向に配列された複数の画素からの信号を１つの差動増幅器から出力する構成であってもよい。この場合では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎは、１画素ピッチで配列される。
【００５１】
（実施形態３）
図６は、実施形態１，２において説明した固体撮像装置を用いた固体撮像システムの構成図である。図６において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を実施形態１，２において説明した固体撮像装置である固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズを通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、５は固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子４，撮像信号処理回路５，Ａ／Ｄ変換器６，信号処理部７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部である。
【００５２】
次に、図６の動作について説明する。バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信号処理回路５をスルーしてＡ／Ｄ変換器６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部７に出力する。信号処理部７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。
【００５３】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００５４】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部１０に蓄積される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、固定パターンノイズの増加を抑制しているので、画質の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のＭＯＳ型撮像素子を備えた固体撮像装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１のノイズキャンセル回路の一形態の回路図である。
【図３】図２のノイズキャンセル回路の上面のレイアウト図及び断面図である。
【図４】図１の固体撮像装置で用いるパルス信号のパターン図である。
【図５】本発明の実施形態２に係るノイズキャンセル回路の上面のレイアウト図及び断面図である。
【図６】本発明の実施形態３の固体撮像システムの構成図である。
【図７】従来の固体撮像装置のノイズキャンセル回路の上面のレイアウト図及び断面図である。
【符号の説明】
１ バリア
２ レンズ
３ 絞り
４ 固体撮像素子
５ 撮像信号処理回路
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 信号処理部
８ タイミング発生部
９ 全体制御・演算部
１０ メモリ部
１１ 記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１２ 記録媒体
１３ 外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１０１，１０２，２０３，２０４，２０９，６０４ 多結晶シリコン層
１０３，１０４，１０７，１０９，２０７，２０８，２１１，６０６ 配線層
１０５，１０６，１０８，２０５，２０６，２１２，６０５ コンタクトホール
１０９，２１３ 電源線
１１０，６０３ 高濃度ｐ型拡散領域
１１１，２１０，６０１ シリコン酸化膜
２００，６００ ｎ型半導体基板
２０１ p型ウエル
２０２ 選択膜
３００ 画素
３０１ フォトダイオード
３０２ 転送スイッチ
３０３ ＭＯＳトランジスタ
３０４ リセットスイッチ
３０５ 選択スイッチ
３０６ 垂直信号線
３０７ 浮遊拡散領域
３１２ 転送パルス伝送線
３１３ 定電流源
３１４ リセットパルス伝送線
３１５ 選択パルス伝送線
３２１ａ，３２１ｂ，３２２ａ，３２２ｂ，３２５ａ，３２５ｂ，３２６ａ，３２６ｂ スイッチ
３２３ａ，３２３ｂ 増幅信号保持容量
３２４ａ，３２４ｂ リセット信号保持容量
３２７ａ，３２７ｂ 差動増幅器
３３０ ＡＮＤゲート
３２３',３２４' ｐ型チャネルＭＯＳトランジスタ
６０２ 高濃度n型拡散領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び固体撮像システムに関し、特に、デジタルカメラなどに用いられる固体撮像装置及び固体撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、平面上に、複数の撮像レンズを備え、各撮像レンズにより撮像対象からの光を、光電変換素子を有する二次元センサなどに集光して、二次元センサなどからの出力信号を、画像処理部において処理して、画像を形成する固体撮像装置がある。
【０００３】
図１は、従来のＭＯＳ型撮像素子を備えた固体撮像装置の構成を示す模式図である。図１において、３００はたとえばＧ，Ｂ，Ｒのカラーフィルタのいずれかを備えた画素、３０１は入射光を電荷に変換するフォトダイオード、３０７は変換された電荷が転送される浮遊拡散領域、３０２はフォトダイオード３０１の電荷を浮遊拡散領域３０７へ転送する転送スイッチ、３０３は電荷に基づく増幅信号を得るためのＭＯＳトランジスタ、３０５はＭＯＳトランジスタ３０３に電源ＶＤからの電圧をかけるための選択スイッチ、３０６は増幅信号が読み出される垂直信号線、３１３は垂直信号線に増幅信号を読み出すための定電流源、３０４は増幅信号を読み出した後の浮遊拡散領域３０７及びフォトダイオード３０１の電位をリセットするために電源ＶＲをかけるためのリセットスイッチである。なお、ここでは転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５をＭＯＳトランジスタで構成している。
【０００４】
また、図１において、３１２，３１４，３１５はそれぞれ転送スイッチ３０２，リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のオン／オフをそれぞれ制御する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスを伝送する転送パルス伝送線，リセットパルス伝送線及び選択パルス伝送線、９３１〜９３３は転送パルス伝送線３１２，リセットパルス伝送線３１４及び選択パルス伝送線３１５を伝送する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスをそれぞれ生成する生成信号を入力する転送パルス生成信号入力端子，リセットパルス生成信号入力端子及び選択パルス生成信号入力端子、３３０は転送パルス生成信号入力端子９３１，リセットパルス生成信号入力端子９３２及び選択パルス生成信号入力端子９３３から入力される各生成信号とクロック信号ＰＶに基づいて垂直シフトレジスタ９０６から出力される制御信号とを加算するＡＮＤゲートである。
【０００５】
さらに、図１において、３２０ａ，３２０ｂは転送スイッチ３０２，リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のスイッチング動作や転送スイッチ３０２等の製造ばらつきによって生じる固定パターンなどのノイズ信号をキャンセルするノイズキャンセル回路、３２３ａ，３２３ｂはノイズ信号を含む増幅信号を蓄積する増幅信号保持容量、スイッチ、３２４ａ，３２４ｂはノイズ信号を蓄積するノイズ信号保持容量、３２１ａ，３２１ｂは増幅信号を制御信号Ｐｔｎに従って増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂへ送るスイッチ、３２２ａ，３２２ｂはノイズ信号を制御信号Ｐｔｓに従ってノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂへ送るスイッチ、３２５ａ，３２５ｂは増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持されている増幅信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２６ａ，３２６ｂはノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂに保持されているノイズ信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２７ａ，３２７ｂはノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂから出力された各信号を増幅する差動増幅器である。
【０００６】
なお、図１では、たとえば奇数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ａ側のノイズキャンセル回路３２０ａへ送り、偶数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ｂ側のノイズキャンセル回路３２０ｂへ送るようにしている。
【０００７】
また、図１には簡単のため画素３００を４つ示したが、実際には、必要とする解像度や、撮像領域の面積に応じた数の画素が配列されている。さらに、画素列の数に応じた数のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂが設けられている。なお、次に説明するように、ノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂは、実際には、２画素ピッチで配置されている。
【０００８】
図７（ｂ）は、図１のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの上面のレイアウト図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図である。図７において、６００はｎ型半導体基板、６０３はｎ型半導体基板６００内に設けられたｐ型チャネルＭＯＳトランジスタのソース−ドレインを形成する高濃度ｐ型拡散領域、６０１はｎ型半導体基板６００上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、６０２はｎ型半導体基板１００の電位をとるための高濃度ｎ型拡散領域、６０４はp型チャネルＭＯＳトランジスタのゲートを形成するポリシリコンなどからなる多結晶シリコン層(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層)、６０６はアルミニウムなどからなる配線層(Ａｌ層)、６０５は配線層６０６と多結晶シリコン層１０２，高濃度ｎ型拡散領域６０２又は高濃度ｐ型拡散領域をそれぞれ電気的に接続するコンタクトホールである。
【０００９】
なお、図１に示すノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂはＣｎで示し、増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂはＣｓでそれぞれ示している。図面中のＣｓ内の配線層６０６は、スイッチ３２１ａ，３２１ｂとスイッチ３２５ａ，３２５ｂとをそれぞれ接続しており、Ｃｎ内の配線層６０６は、スイッチ３２２ａ，３２２ｂとスイッチ３２６ａ，３２６ｂとをそれぞれ接続している。
【００１０】
図７に示すように、ノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂは、増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとの各短手方向が、それぞれ１画素ピッチ内に納まるように配列している。増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとのゲート長はたとえば３．５μｍ、ゲート幅はたとえば１１００μｍとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固体撮像装置は、近年、チップサイズの縮小、画素数の増加の傾向に伴って、画素サイズが縮小されつつある。画素サイズの縮小に伴い画素ピッチが短くなると、増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとの各ゲート長が短くなる。
【００１２】
ここで、ゲートを作成する際の加工精度のばらつきによって、ゲート長ばらつきΔＬが生じるが、このゲート長ばらつきは各ゲート長が短くなるにつれて大きくなり、増幅信号保持容量Ｃｓとノイズ信号保持容量Ｃｎとの容量値のばらつきが増大する。その結果、固体撮像装置の性能としては、列ごとの固定パターンノイズが増加してくることによって、画質が低下するという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、複数の保持容量のレイアウトを工夫して、画質の低下を防止することを課題とする。
【００１５】
本発明は、水平方向及び垂直方向に複数配列された画素を有する画素領域と、前記垂直方向の複数の画素毎に共通に接続される複数の垂直出力線と、１つの垂直出力線毎に複数設けられていて前記垂直出力線の信号を保持する保持容量と、前記垂直出力線の信号が読み出される水平出力線と、を有する固体撮像装置において、前記水平出力線は、前記画素領域を挟んで対向配置された第１及び第２の水平出力線を有し、前記複数の垂直出力線は、前記第１の水平出力線に信号を読み出す第１の垂直出力線群と、前記第２の水平出力線に信号を読み出す第２の垂直出力線群とを有し、前記複数の保持容量の短手方向の長さを、水平方向の画素ピッチよりも長く、前記水平方向の画素ピッチの２倍よりも短くすることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明の固体撮像システムは、上記固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
［構成の説明］
図１は、本発明の実施形態１のＭＯＳ型撮像素子を備えた固体撮像装置の構成を示す模式図である。図１において、３００はたとえばＧ，Ｂ，Ｒのカラーフィルタのいずれかを備えた画素であり水平方向及び垂直方向に複数配列されている。３０１は入射光を電荷に変換するフォトダイオード、３０７は変換された電荷が転送される浮遊拡散領域、３０２はフォトダイオード３０１の電荷を浮遊拡散領域３０７へ転送する転送スイッチ、３０３は第１信号である電荷に基づく増幅信号を得るためのＭＯＳトランジスタ、３０５はＭＯＳトランジスタ３０３に電源ＶＤからの電圧をかけるための選択スイッチ、３０６は増幅信号が読み出される垂直信号線、３１３は垂直信号線に増幅信号を読み出すための定電流源、３０４は増幅信号を読み出した後の浮遊拡散領域３０７及びフォトダイオード３０１の電位をリセットするために電源ＶＲをかけるためのリセットスイッチである。なお、ここでは転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５をＭＯＳトランジスタで構成している。
【００２０】
また、図１において、３１２，３１４，３１５はそれぞれ転送スイッチ３０２，リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のオン／オフをそれぞれ制御する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスを伝送する転送パルス伝送線，リセットパルス伝送線及び選択パルス伝送線、９３１〜９３３は転送パルス伝送線３１２，リセットパルス伝送線３１４及び選択パルス伝送線３１５を伝送する転送パルス，リセットパルス及び選択パルスをそれぞれ生成する生成信号を入力する転送パルス生成信号入力端子，リセットパルス生成信号入力端子及び選択パルス生成信号入力端子、３３０は転送パルス生成信号入力端子９３１，リセットパルス生成信号入力端子９３２及び選択パルス生成信号入力端子９３３から入力される各生成信号とクロック信号ＰＶに基づいて垂直シフトレジスタ９０６から出力される制御信号とを加算するＡＮＤゲートである。
【００２１】
さらに、図１において、３２０ａ，３２０ｂは転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４及び選択スイッチ３０５のスイッチング動作や転送スイッチ３０２等の製造ばらつきによって生じる固定パターンなどの第２信号であるノイズ信号をキャンセルするノイズキャンセル回路、３２３ａ，３２３ｂはノイズ信号を含む増幅信号を蓄積する第１保持容量である増幅信号保持容量、スイッチ、３２４ａ，３２４ｂはノイズ信号を蓄積する第２保持容量であるノイズ信号保持容量、３２１ａ，３２１ｂは増幅信号を制御信号Ｐｔｎに従って増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂへ送るスイッチ、３２２ａ，３２２ｂはノイズ信号を制御信号Ｐｔｓに従ってノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂへ送るスイッチ、３２５ａ，３２５ｂは増幅信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持されている増幅信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２６ａ，３２６ｂはノイズ信号保持容量３２４ａ，３２４ｂに保持されているノイズ信号をクロック信号ＰＨ１，ＰＨ２に基づいて水平シフトレジスタ９１１ａ，９１１ｂから出力される制御信号に従って外部へ出力するスイッチ、３２７ａ，３２７ｂはノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂから出力された各信号を増幅する差動増幅器である。
【００２２】
なお、図１では、たとえば奇数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ａ側のノイズキャンセル回路３２０ａへ送り、偶数列に配列されている画素３００から読み出された信号は、水平シフトレジスタ９１１ｂ側のノイズキャンセル回路３２０ｂへ送るようにしている。
【００２３】
また、図１には簡単のため画素３００を４つ示したが、実際には、必要とする解像度や、撮像領域の面積に応じた数の画素が配列されている。また、画素列の数に応じた数のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂが設けられている。
【００２４】
図２は、図１のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの一形態の回路図である。図３（ｂ）は、図２のノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの上面のレイアウト図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図である。本実施形態では、いわゆるｐ型チャネルＭＯＳトランジスタを用いている。
【００２５】
図２において、３２３'，３２４'は、それぞれｐ型チャネルＭＯＳトランジスタである。なお、図２において図１に示した部分同様の部分には同一符号を付している。
【００２６】
図３において、１００はｎ型半導体基板、１１０はｎ型半導体基板６００内に設けられたｐ型チャネルＭＯＳトランジスタのソース−ドレインを形成する高濃度ｐ型拡散領域、１１１はｎ型半導体基板１００上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、１０２はp型チャネルＭＯＳトランジスタのゲートを形成するポリシリコンなどからなる多結晶シリコン層(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層)、１０３，１０４，１０７はアルミニウムなどからなる配線層(Ａｌ層)、１０５，１０６，１０８は配線層１０３と多結晶シリコン層１０１と，配線層１０４と多結晶シリコン層１０２と，配線層１０７と高濃度ｐ型拡散領域１１０とをそれぞれ接続するコンタクトホール、１０９は配線層１０３，１０４のクロストークを防止する電源線である。なお、図示していないが、ｎ型半導体基板１００の電位をとるための高濃度ｎ型拡散領域をｎ型半導体基板１００内に形成している。
【００２７】
また、配線層１０３は、スイッチ３２１ａ，３２１ｂとスイッチ３２５ａ，３２５ｂとをそれぞれ接続しており、配線層１０４は、スイッチ３２２ａ，３２２ｂとスイッチ３２６ａ，３２６ｂとをそれぞれ接続している。
【００２８】
図３に示すように、本実施形態では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎのゲート長（短手方向）Ｌが、それぞれ１画素ピッチ以上で２画素ピッチ内に納まるように配列している。また、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを、水平方向の複数の画素に対して垂直な方向である垂直方向に配列している。なお、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎの各ゲート長はたとえば８μｍ、各ゲート幅（長手方向）はたとえば５００μｍとしている。
【００２９】
ところで、ゲート長ばらつきΔＬが大きくなっても容量値のばらつきが増大しにくいように、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎの各ゲート長と各ゲート幅とが、理想的には同じになるようにレイアウトすることが望ましい。
【００３０】
しかし、たとえば［各ゲート長／各ゲート幅］が０．０５、０．０１、０．１、１、１０の場合には容量ばらつきがそれぞれ０．１％、０．０５％、０．０１８％、０．０１％、０．０１８％であり、［各ゲート長／各ゲート幅］と容量ばらつきとが指数対数的な関係にあるので、これを考慮すると、［各ゲート長／各ゲート幅］は０．１程度までであれば好ましいと考える。
【００３１】
このように、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎの各ゲート長と各ゲート幅とを調整するには、ゲート長及びゲート幅が６５μｍ程度となるように、たとえば５〜８画素ピッチのゲート長として、各ゲート長に合わせてゲート幅方向に増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを配列すればよい。
【００３２】
だが、実際には、ゲート長を５画素とすると、配線層１０７等のレイアウトが面倒になるので、図３に示すように、２画素ピッチ程度に納まるようにゲート長を確保すればよい。
【００３３】
なお、図３では、増幅信号保持容量Ｃｓを画素から遠い側に配置しているが、ノイズ信号保持容量Ｃｎを画素から遠い側に配置してもよい。
【００３４】
また、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎはn型チャネルＭＯＳトランジスタであってもよいが、いずれにしてもＭＯＳトランジスタを用いると、たとえば各画素３００をＭＯＳ型撮像素子によって構成している場合に、同様の層構成なるので製造が容易となる。
【００３５】
［動作の説明］
図４は、図１の固体撮像装置で用いるパルス信号のパターン図である。図４に示すように、（１）垂直シフトレジスタ９０６に入力されるクロック信号ＰＶがハイレベルになると、垂直シフトレジスタ９０６の１段目の出力がハイレベルになる。こうして、１行目の画素内の転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０４、選択スイッチ３０５にそれぞれローレベルの転送パルスＰｔｘ，ハイレベルのリセットパルスＰｒｅｓ及びローレベルの選択パルスＰｓｅｌがそれぞれ印加される。
【００３６】
このため、リセットスイッチ３０４だけがオンし、浮遊拡散領域３０７の電位がリセット電圧ＶＲとなる。次に、（２）リセットパルスＰｒｅｓをローレベルにすると、リセットノイズが発生して、浮遊拡散領域３０７の電位が変化する。
【００３７】
また同時に選択パルスＰｓｅｌをハイレベルにすることでリセットノイズと、ＭＯＳトランジスタのしきい値ばらつきによる固定パターンノイズを含んだノイズ信号とが垂直信号線３０６へ出力される。次に、（３）制御信号Ｐｔｎをハイレベルにすることで、ノイズ信号がノイズ信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持される。
【００３８】
次に、（４）転送パルスＰｔｘをハイレベルにすることで、フォトダイオード３０１で蓄積されている電荷が浮遊拡散領域３０７に転送され、ＭＯＳトランジスタ３０３のソースから、電荷とリセットによるノイズ信号とに基づく増幅信号が垂直信号線３０６に出力される。次に、（５）制御信号Ｐｔｓをハイレベルにすることで、出力された増幅信号が増幅信号保持容量３２４ａ，３２４ｂに保持される。以上の（１）〜（５）までの動作により、１行目の全画素の信号がそれぞれの列に対応する増幅信号保持容量３２４ａ，３２４ｂ及びノイズ信号保持容量３２３ａ，３２３ｂに保持される。
【００３９】
次に、（６）クロック信号ＰＨ１をハイレベルにして、水平シフトレジスタ９１１ａに、スイッチ３２５ａとスイッチ３２６ａとを同時にオンさせることによって、１列目の画素に係る増幅信号保持容量３２４ａに保持されている増幅信号から１列目の画素に係るノイズ信号保持容量３２３ａに保持されているノイズ信号をそれぞれ読み出して、差動増幅器３２７ａへ入力し、増幅信号からノイズ信号を差分することで、ノイズ信号成分を除去して、電荷に基づく増幅信号のみを差動増幅器３２７ａから出力する。
【００４０】
それから、クロック信号ＰＨ１をローレベルにした後に、クロック信号ＰＨ２をハイレベルにして、水平シフトレジスタ９１１ｂに、スイッチ３２５ｂとスイッチ３２６ｂとを同時にオンさせることによって、２列目の画素に係る増幅信号保持容量３２４ｂに保持されている増幅信号から２列目の画素に係るノイズ信号保持容量３２３ｂに保持されているノイズ信号をそれぞれ読み出して、差動増幅器３２７ｂへ入力し、増幅信号からノイズ信号を差分することで、ノイズ信号成分を除去して、電荷に基づく増幅信号のみを差動増幅器３２７ｂから出力する。
【００４１】
同様の手順によって、クロックパルスＰＨ１，ＰＨ２を交互にハイレベル、ローレベルとすることで、水平シフトレジスタ９１１ａ、９１１ｂを順次走査して、１行１列目から最終列までの画素からの電荷に基づく増幅信号が順次、差動増幅器３２７ａ，３２７ｂから交互に出力される。
【００４２】
次に、（７）クロックパルスＰＶをハイレベルにすることで、垂直シフトレジスタ９０６が１段走査され、垂直シフトレジスタ９０６の２段目の出力がハイレベルになることで、２行目の画素が選択され、（１）〜（６）を繰り返すことで、２行全列の画素からの電荷に基づく増幅信号が順次、差動増幅器３２７ａ，３２７ｂから交互に出力される。このようにして、全行全列の画素からの電荷に基づく増幅信号を外部に出力することで、１フレーム分の増幅信号が得られる。
【００４３】
（実施形態２）
図５（ｂ）は、本実施形態に係るノイズキャンセル回路３２０ａ，３２０ｂの上面のレイアウト図であり、図３（ｂ）に相当するものである。図５（ａ）は、図５（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図であり、図３（ａ）に相当するものである。図５に示すように、本実施形態では、多孔質シリコン層２０３，２０９によって空間的に増幅信号保持容量Ｃｓを形成し、多孔質シリコン層２０４，２０９によって空間的にノイズ信号保持容量Ｃｎを形成している。
【００４４】
図５において、２００はｎ型半導体基板、２１０はｎ型半導体基板２００内に形成されたｐ型ウエル、２０２は素子分離のための選択膜、２０３，２０４，２０９は多孔質シリコン層、２０７，２０８，２１１はアルミニウムなどからなる配線層、２０５，２０６，２１２は配線層２０７と多孔質シリコン層２０３と，配線層２０８と多孔質シリコン層２０４と，配線層２１１と多孔質シリコン層２０９とをそれぞれ電気的に接続するコンタクトホール、２１０はシリコン酸化膜、２１３は配線層２０７，２０８のクロストークを防止する電源線である。なお、図示していないが、ｎ型半導体基板２００の電位をとるための高濃度ｎ型拡散領域をｎ型半導体基板２００内に形成している。
【００４５】
また、配線層２０７は、スイッチ３２１ａ，３２１ｂとスイッチ３２５ａ，３２５ｂとをそれぞれ接続しており、配線層２０８は、スイッチ３２２ａ，３２２ｂとスイッチ３２６ａ，３２６ｂとをそれぞれ接続している。
【００４６】
本実施形態では、ＭＯＳトランジスタで形成した各容量に代えて、多孔質シリコン層による並行平板を電極として各容量を形成している。このようにレイアウトすると、２画素ピッチで多孔質シリコン層の並行平板を配列することができ、短手方向の長さをたとえば１０μｍとすることができる。また、図３（ｂ）に示すように長手方向に２つの容量をそれぞれ配列しなくてもよくなるので、長手方向側の長さを短くすることができる。
【００４７】
なお、実施形態１と同様に、短手方向を、２画素ピッチ以外の複数画素ピッチとしてもよい。さらに、複数の画素をいくつかの領域に分けて、各領域上に同じ色のフィルタを形成するいわゆる複眼の固体撮像装置であっても、同様に各容量のレイアウトを行うこともできる。
【００４８】
また、実施形態１，２では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを備える固体撮像装置を例に説明したが、ノイズをキャンセルするタイプの固体撮像装置においても、増幅信号等を保持する保持容量の短手方向を、たとえば２画素ピッチとしてもよい。
【００４９】
また、実施形態１，２では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎを備える固体撮像装置を例に説明したが、垂直方向の２つの画素からの信号を保持できるように、１つの垂直出力線毎に複数の増幅信号保持容量Ｃｓを設けるようにした構成であってもよい。
【００５０】
また、実施形態１，２では、垂直方向の一列の画素毎に上下の差動増幅器に信号を読み出す構成のものを説明したが、水平方向及び垂直方向に配列された複数の画素からの信号を１つの差動増幅器から出力する構成であってもよい。この場合では、増幅信号保持容量Ｃｓ及びノイズ信号保持容量Ｃｎは、１画素ピッチで配列される。
【００５１】
（実施形態３）
図６は、実施形態１，２において説明した固体撮像装置を用いた固体撮像システムの構成図である。図６において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を実施形態１，２において説明した固体撮像装置である固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズを通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、５は固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子４，撮像信号処理回路５，Ａ／Ｄ変換器６，信号処理部７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部である。
【００５２】
次に、図６の動作について説明する。バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信号処理回路５をスルーしてＡ／Ｄ変換器６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部７に出力する。信号処理部７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。
【００５３】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００５４】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部１０に蓄積される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、固定パターンノイズの増加を抑制しているので、画質の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のＭＯＳ型撮像素子を備えた固体撮像装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１のノイズキャンセル回路の一形態の回路図である。
【図３】図２のノイズキャンセル回路の上面のレイアウト図及び断面図である。
【図４】図１の固体撮像装置で用いるパルス信号のパターン図である。
【図５】本発明の実施形態２に係るノイズキャンセル回路の上面のレイアウト図及び断面図である。
【図６】本発明の実施形態３の固体撮像システムの構成図である。
【図７】従来の固体撮像装置のノイズキャンセル回路の上面のレイアウト図及び断面図である。
【符号の説明】
１ バリア
２ レンズ
３ 絞り
４ 固体撮像素子
５ 撮像信号処理回路
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 信号処理部
８ タイミング発生部
９ 全体制御・演算部
１０ メモリ部
１１ 記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１２ 記録媒体
１３ 外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１０１，１０２，２０３，２０４，２０９，６０４ 多結晶シリコン層
１０３，１０４，１０７，１０９，２０７，２０８，２１１，６０６ 配線層
１０５，１０６，１０８，２０５，２０６，２１２，６０５ コンタクトホール
１０９，２１３ 電源線
１１０，６０３ 高濃度ｐ型拡散領域
１１１，２１０，６０１ シリコン酸化膜
２００，６００ ｎ型半導体基板
２０１ p型ウエル
２０２ 選択膜
３００ 画素
３０１ フォトダイオード
３０２ 転送スイッチ
３０３ ＭＯＳトランジスタ
３０４ リセットスイッチ
３０５ 選択スイッチ
３０６ 垂直信号線
３０７ 浮遊拡散領域
３１２ 転送パルス伝送線
３１３ 定電流源
３１４ リセットパルス伝送線
３１５ 選択パルス伝送線
３２１ａ，３２１ｂ，３２２ａ，３２２ｂ，３２５ａ，３２５ｂ，３２６ａ，３２６ｂ スイッチ
３２３ａ，３２３ｂ 増幅信号保持容量
３２４ａ，３２４ｂ リセット信号保持容量
３２７ａ，３２７ｂ 差動増幅器
３３０ ＡＮＤゲート
３２３',３２４' ｐ型チャネルＭＯＳトランジスタ
６０２ 高濃度n型拡散領域
Claims (6)
- 水平方向及び垂直方向に複数配列された画素を有する画素領域と、
前記垂直方向の複数の画素毎に共通に接続される複数の垂直出力線と、
１つの垂直出力線毎に複数設けられていて前記垂直出力線の信号を保持する保持容量と、
前記垂直出力線の信号が読み出される水平出力線と、
を有する固体撮像装置において、
前記水平出力線は、前記画素領域を挟んで対向配置された第１及び第２の水平出力線を有し、
前記複数の垂直出力線は、前記第１の水平出力線に信号を読み出す第１の垂直出力線群と、前記第２の水平出力線に信号を読み出す第２の垂直出力線群とを有し、
前記複数の保持容量の短手方向の長さを、水平方向の画素ピッチよりも長く、前記水平方向の画素ピッチの２倍よりも短くすることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記垂直出力線毎に設けられた複数の保持容量は、ノイズ信号を保持する第１の保持容量と、光電変換によって生じる信号を保持する第２の保持容量を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記保持容量は、ＭＯＳトランジスタ又は平行板容量を用いて形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
- 前記各画素には、色分解フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記各画素には、Ｒ，Ｇ，Ｂ色分解フィルタのいずれかが設けられ、前記各分解フィルタは、ＲフィルタとＢフィルタとが対角に配置され、２つのＧフィルタが対角に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする固体撮像システム。
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