JP4721380B2 - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一半導体基板上に、複数の受光領域と、該複数の受光領域からの信号又は該信号を処理した処理信号を出力する共通回路部とを有する単位セルを複数配列した固体撮像装置およびそれを用いた撮像システムに関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
増幅型の固体撮像素子において、複数の受光領域に一つの共通な読み出し領域を設けた、読み出し領域共通・増幅型固体撮像素子がある。
【０００３】
読み出し領域共通・増幅型固体撮像素子においては、従来一つの受光領域に一つの読み出し領域、制御配線が必要であったのに対し、一つの受光領域あたりに占める読み出し領域の面積が共通に接続される受光領域の個数で分割されるために、等価的に一つの受光領域に占める読み出し領域の面積が減少するという利点がある。
【０００４】
図１０は、従来の読み出し領域共通増幅型固体撮像素子のレイアウトの一例を示したものである。受光領域１０１，１０２は、それぞれ転送領域１０３，１０４を介して共通の浮遊拡散領域１０５に接続され、浮遊拡散領域の電圧は配線領域１０６を介して読み出し領域１０７に接続される。それらを一つの単位セル１０８とみなし、同一の列に存在する単位セル１０９，１１０などとともに共通の垂直出力線１１１に接続することで列を構成している。そのような列を複数配列することで、２次元のエリアセンサを構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の固体撮像素子において、上記受光領域、転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域のレイアウトに、以下のような課題がある。
【０００６】
まずは、光学的な対称性を確保するために、受光領域の重心のピッチを等間隔にすることが求められるが、単位セルのサイズを小さくしていくにしたがって、単位セル全体に占める転送領域・浮遊拡散領域・読み出し領域、のそれぞれの領域の割合が大きくなり、単位セルと単位セルとを分離している領域１１２との面積的釣り合いを取ることが困難となる。たとえ釣り合いを取れたとしても、分離している領域１１２のピッチを転送領域・浮遊拡散領域・読み出し領域につりあうように無駄に広げることでピッチをあわせることとなり、開口面積の減少につながってしまう。
【０００７】
また、配線領域は浮遊状態となるため、配線領域のレイアウトによっては隣接単位セルの出力する値などに影響され、信号の混合が起こる場合がある。
【０００８】
また、その配線領域の対地容量の大きさそのものが固体撮像素子の感度を決めるが、配線を引き回すことでその対地容量が増加し、感度の低下につながってしまう。
【０００９】
以上の課題を考慮し、本発明は、読みだし領域を複数受光部に共通にした固体撮像素子において、隣接単位セルの出力信号との混合を防ぐことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の固体撮像装置は、複数の単位セルを有する固体撮像装置に係り、各単位セルは、列方向に沿って配置された出力線と、前記列方向に沿って配列された複数の受光領域と、前記列方向に沿って配列され前記複数の受光領域から電荷がそれぞれ転送される複数の浮遊拡散領域と、前記複数の浮遊拡散領域を相互に接続する導電部材と、前記導電部材を介して接続された前記複数の受光領域から前記出力線に信号を読み出す共通の増幅回路と含み、前記導電部材は、前記列方向に沿って延びた部分を含み、前記複数の単位セルは、第１単位セルと、前記第１単位セルと同一行であって前記第１単位セルのとなりに配置された第２単位セルとを含み、前記第１単位セルに含まれる前記導電部材および前記出力線が、前記第１単位セルに含まれる前記複数の受光領域と前記第２単位セルに含まれる前記複数の受光領域との間に配置されている。
【００１５】
本発明の撮像システムは上記固体撮像装置を用いたものである。
【００１６】
なお、共通回路部とは、複数の受光領域からの信号をそのまま出力、電圧増幅，電流増幅，電力増幅して出力、Ａ／Ｄ変換等の一定の信号処理を加えて出力するための構成部であり、信号を増幅して出力する構成としては、例えば、複数の受光領域から信号を転送するための転送領域と、複数の転送領域を介して複数の受光領域からの信号が転送される浮遊領域と、複数の浮遊領域と配線領域を介して共通接続される読み出し領域とから構成されるものがある。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
（第一の実施例）
本発明の第一の実施例を図１を用いて説明する。
【００１９】
受光領域２０１，２０２はそれぞれ転送領域２０３，２０４を介して共通の浮遊拡散領域２０５に接続される。それらとは異なる位置の、受光領域２０２と受光領域２０６との間に読み出し領域２０７は配置され、浮遊拡散領域２０５と読み出し領域２０７は受光領域２０２と受光領域２０８との間を通過する配線領域２０９で接続されている。これらが一つの単位セル２１０を成している。転送領域２０３，２０４及び浮遊拡散領域２０５は一つの回路構成部を構成し、読み出し領域２０７は他の回路構成部を構成する。
【００２０】
また、配線領域２０９が通過する受光領域２０２と受光領域２０８との間を、その配線領域２０９が属する単位セルの出力が伝達していく垂直出力線２１１も同様に通過している。また、垂直出力線２１２，２１３らは、別な列の垂直出力線であり、単位セル２１０と異なる列に属する単位セルの信号が伝達される線となる。
【００２１】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００２２】
まず、受光領域２０１と受光領域２０２との間には転送領域２０３，２０４と浮遊拡散領域２０５が配置され、受光領域２０２と受光領域２０６との間には読み出し領域２０７が配置されている。このようにして、従来何も配置していなかった受光領域２０２と受光領域２０６との間に読み出し領域２０７を配置し、なおかつその幅を転送領域２０３，２０４と浮遊拡散領域２０５によって受光領域同士が分離されるピッチにあわせることにより、受光領域を無駄にせずにその重心をあわせることが可能となった。
【００２３】
また、浮遊状態にある配線領域２０９は、受光領域２０２と受光領域２０８の間において、自分の画素のつながる垂直出力線２１１と対向し、容量性結合をもつ。ここで、配線領域２０９の電圧値と垂直出力線２１１の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起きにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる単位セルの属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域２０９と、異なる列の垂直出力線２１２，２１３らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００２４】
このようにして、受光領域のピッチを一定にし、単位セルごとの信号の混合が起こらない固体撮像装置を実現できた。
【００２５】
ここで、受光領域の構成であるが、たとえば単なるＰＮ接合を用いたフォトダイオード、もしくはそれを上層の遮光層で一部遮光し受光領域として規定したもの、ＰＩＮダイオードを用いたフォトダイオード、もしくはそれを上層の遮光層で一部遮光し受光領域として規定しもの、フォトゲート、もしくはそれを上層の遮光層で一部遮光し受光領域として規定したもの、その他いかなる光電変換機能を有する素子を用いてもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、光電変換素子の種類によらない。
【００２６】
また、半導体の基体として用いる材料は、シリコンをはじめとするいかなる半導体基板でもよく、また単結晶半導体に限らず、多結晶半導体やアモルファス半導体等の非単結晶半導体を用いてもよい。
【００２７】
また受光領域と転送領域と浮遊拡散領域の構成であるが、転送領域として単なるＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタを用いたスイッチを用いたもの、もしくはＰＩＮダイオードの一端に、浮遊拡散領域に接続する転送チャネルを設け、転送チャネルのポテンシャルを制御するものとして酸化膜を介したゲート電極を設け、蓄積前にＰＩＮフォトダイオード内のキャリアを本質的に完全に空乏化させ、蓄積後にＰＩＮフォトダイオード内のキャリアを本質的にすべて浮遊拡散領域に転送するもの、その他いかなる構成を用いてもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、受光領域と転送領域と浮遊拡散領域の構成によらない。
【００２８】
また配線領域の構成であるが、一度浮遊拡散領域からコンタクトホールを介して金属配線につなげ、そのまま読み出し領域に接続したもの、一度浮遊拡散領域からコンタクトホールを介して金属配線につなげ、それをさらにビアホールを用いて多結晶ポリシリコン配線に接続したもの、浮遊拡散領域と多結晶ポリシリコン配線を直接接触させたもの、その他いかなる構成を用いてもよく、用いる層の数、材料はいかなるものでもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、配線領域の材質の構成によらない。
【００２９】
また読み出し領域の構成であるが、たとえばＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタを用いたソースフォロア回路、ＭＯＳトランジスタを用いた反転増幅回路、演算増幅器を用いたボルテージフォロア、ＪＦＥＴ、ＳＩＴを用いたその他の増幅回路等、いかなる回路を用いてもよい。また、たとえば光電変換結果を電流に変換して垂直出力線を伝播させる手段を用いてもよい。また、読み出し領域には、その画素を選択的に読み出すための選択手段、その画素を初期状態にするリセット手段を含んでもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、読み出し領域の構成によらない。
【００３０】
また、読み出し領域と配線領域の境界であるが、読み出し領域が電界効果トランジスタで構成されている場合、そのゲート端子は、読み出し領域の一部であり、かつ配線領域にも含まれることとなる。この場合、配線領域とゲート端子を明確な基準で分割することが困難である。そして、図１に記載したような配線領域２０９の一部又は全部をゲート端子ととらえたりすることも考えられる。しかし、このような場合は、ゲート端子を配線領域としてとらえるものとする。
【００３１】
また、本実施例では受光領域を６×３の行列状（単位セルとしては３×３）に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００３２】
また、本実施例では画素を２次元上に配列したが、たとえば１次元のラインセンサ上に配列してもよい。
【００３３】
また、本実施例では同一列、同一行に属する受光領域の重心がある直線状に位置するようレイアウトを行っているが、たとえば同一列において、隣接する行の受光領域の重心がちょうど画素の半分だけずれている、ハニカム構造の受光領域配置、その他いかなる受光領域配置を用いてもよい。すなわち、本発明は、受光領域自身の配置方法によらず、受光領域と転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域、垂直出力線の位置関係によるものである。
【００３４】
次に、本実施例の単位セル２１０に対応する、等価回路の一例を図２を用いて説明する。Ａ０１，Ａ０２はそれぞれ受光領域２０１，２０２に対応するフォトダイオード、Ａ０３，Ａ０４はそれぞれ転送領域２０５，２０４に対応する転送トランジスタ、Ａ０５は浮遊拡散領域、および配線領域に対応し、Ａ０６は読み出し領域２０７に対応する。Ａ０６は単位セルを選択的に読み出すための選択トランジスタＡ０７、浮遊拡散領域の電圧値を初期値にリセットするためのリセットトランジスタＡ０８、浮遊拡散領域の電圧を読み出すためのソースフォロアを構成するトランジスタＡ０９からなり、ソースフォロアアンプの出力端子は垂直出力線２１１に対応する出力線Ａ１０に接続されている。本実施例は従来知られる読み出し回路共通型ＣＭＯＳイメージセンサの一例であり、他の回路構成を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３５】
ここで、このような増幅型固体撮像素子においては、浮遊拡散領域Ａ０５の電圧をまずリセットトランジスタＡ０８でリセットした時の増幅器の出力、その後転送トランジスタＡ０３，Ａ０４をオンしてフォトダイオードＡ０１，Ａ０２からの電荷を転送した時の増幅器の出力、それら二つの出力の差分を求めることでランダムノイズ、および固定パターンノイズを軽減した高精度な信号が得られることが知られている。本発明においても、同様の読み出しをすることで、本実施例の効果とともに、高精度な信号を得るという利益を得ることができる。
【００３６】
（第二の実施例）
本発明の第二の実施例を図３を用いて説明する。
【００３７】
４つの受光領域３０１，３０２，３０３，３０４は、それぞれ転送領域３０５，３０６，３０７，３０８を介して浮遊拡散領域３０９，３１０，３１１，３１２に接続され、浮遊拡散領域３０９〜３１２は共通の配線領域３１３を介して接続されている。また、配線領域３１３は共通の読み出し領域３１４へと接続されており、読み出し領域３１４の出力はその列の垂直出力線３１５へと接続されている。これらが単位セル３１６を構成している。
【００３８】
ここで、配線領域３１３はその隣接単位セル３１７を構成する４つの受光領域３１８，３１９，３２０，３２１と、単位セル３１６の受光領域３０１〜３０４の間に配置され、なおかつ単位セル３１６の接続される垂直出力線３１５は配線領域３１３と同様に、受光領域３１８〜３２１と、受光領域３０１〜３０４の間を通過するように配置されている。また、異なる列の画素がつながる垂直出力線が３２２，３２３のように配置されている。
【００３９】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００４０】
まず、受光領域３０１〜３０４の間は素子分離領域しか存在せず、それら素子分離領域を等間隔に設けることで縦方向の受光領域のピッチをそろえることができた。また、受光領域３０１〜３０４と、受光領域３１８〜３２１の間に、転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域を配置することで、横方向のピッチをそろえることができた。このようにして受光領域の重心をあわせることが可能となった。
【００４１】
また、浮遊状態にある配線領域３１３は、受光領域３０１〜３０４と、受光領域３１８〜３２１との間において、自分の単位セルの出力がつながる垂直出力線３１５と対向し、容量性結合を持つ。ここで、配線領域３１３の電圧値と垂直出力線３１５の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起こりにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる単位セルの属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域３１３と、異なる列の垂直出力線３２２，３２３らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００４２】
このようにして、受光領域のピッチを一定にし、単位セルごとの信号の混合が起こらない固体撮像装置を実現できた。
【００４３】
また、本実施例では受光領域を８×３の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００４４】
また、本実施例では一つの読み出し領域に接続される受光領域を４つとしたが、４つに限定されない。二つ以上のいかなる値でも、本発明の効果を得ることができる。
【００４５】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、読み出し領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置、単位セルの回路構成などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例同様、いかなる構造においても同様の効果を得ることができる。
【００４６】
（第三の実施例）
本発明の第三の実施例を図４を用いて説明する。
【００４７】
受光領域４０１，４０２は、それぞれ転送領域４０３，４０４を介して共通の浮遊拡散領域４０５に接続されている。受光領域４０６，４０７も同様にそれぞれ転送領域４０８，４０９を介して共通の浮遊拡散領域４１０に接続されている。また、受光領域４０２と受光領域４０６の間には読み出し領域４１１が設けられ、読み出し領域４１１、浮遊拡散領域４０５，４１０の３領域は、列方向に走る配線領域４１２を介して共通に接続されている。また読み出し領域４１１の出力は、垂直出力線４１３に接続されている。これらが一つの単位セル４１４を構成している。また、４１５，４１６は、異なる列の画素が接続される垂直出力線である。
【００４８】
ここで、配線領域４１２は、隣接する行の受光領域４１７，４１８，４１９，４２０と、自身が属する単位セルの受光領域４０１，４０２，４０６，４０７の間に配置されている。また、垂直出力線４１３も配線領域４１２と同様に受光領域４０１，４０２，４０６，４０７と受光領域４１７〜４２０との間を通過するように配置されている。
【００４９】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００５０】
浮遊状態にある配線領域４１２は、受光領域４０１，４０２，４０６，４０７と、受光領域４１７〜４２０との間において、自分の単位セルの出力がつながる垂直出力線４１３と対向し、容量性結合を持つ。ここで、配線領域４１２の電圧値と垂直出力線４１３の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起こりにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる画素の属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域４１２と、異なる列の垂直出力線４１５，４１６らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００５１】
また、第二の実施例においては、受光領域一つに浮遊拡散領域を設けていた。しかし、浮遊拡散領域自身の寄生容量は比較的大きく、浮遊拡散領域の対地容量を増加させ、結果として固体撮像素子の感度を低下させてしまう。本実施例においては、浮遊拡散領域を二つの受光領域に一つとすることで、浮遊拡散領域の対地容量の増加を防止し、固体撮像素子の感度の向上を実現することができた。
【００５２】
また、本実施例では受光領域を８×３の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００５３】
また、本実施例では一つの読み出し領域に接続される受光領域を４つとしたが、４つに限定されない。二つ以上のいかなる偶数の値でも、本発明の効果を得ることができる。
【００５４】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、読み出し領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置、単位セルの回路構成などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例と同様、いかなる構造においても同様の効果を得られる。
【００５５】
（第四の実施例）
本発明の第四の実施例を図５を用いて説明する。
【００５６】
受光領域５０１，５０２は、それぞれ転送領域５０３，５０４を介して浮遊拡散領域５０５へ接続されている。同様に、受光領域５０６，５０７は、それぞれ転送領域５０８，５０９を介して浮遊拡散領域５１０へ接続されている。浮遊拡散領域５０５と５１０は、配線領域５１１にて横方向に共通に接続された後、受光領域５０２，５０７の間を縦方向にのびる配線領域を介して、受光領域５０２，５０７と、隣接する単位セルの受光領域５１２，５１３の間に配置された共通の読み出し領域５１４へ接続される。５１５はその読み出し領域が接続される垂直出力線であり、５１６は、異なる列の画素が接続される垂直出力線である。これらが一つの単位セル５１７を構成している。
【００５７】
次に、本実施例の効果を説明する。
【００５８】
受光領域５０１，５０２の間、および受光領域５０６，５０７の間には転送領域と浮遊拡散領域が配置され、受光領域５０２，５０７と、受光領域５１２，５１３との間には読み出し領域が配置されている。このようにして、読み出し領域を浮遊拡散領域および転送領域と分散して配置させ、なおかつ読み出し領域による受光素子間の分離ピッチの幅を転送領域と浮遊拡散領域によって受光領域同士が分離されるピッチにあわせることにより、受光領域を無駄にせずにその重心をあわせることが可能となった。
【００５９】
また、浮遊状態にある配線領域５１１は、受光領域５０２と５０７の間において、自分の単位セルのつながる垂直出力線５１５と対向し、容量性結合をもつ。ここで、配線領域５１１の電圧値と垂直出力線５１５の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起こりにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる画素の属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域５１１と、異なる列の垂直出力線５１６らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００６０】
また、第二の実施例においては、受光領域一つに浮遊拡散領域を設けていた。
しかし、浮遊拡散領域自身の寄生容量は比較的大きく、浮遊拡散領域の対地容量を増加させ、結果として固体撮像素子の感度を低下させてしまう。本実施例においては、浮遊拡散領域を二つの受光領域に一つとすることで、浮遊拡散領域の対地容量の増加を防止し、固体撮像素子の感度の向上を実現することができた。
【００６１】
また、本実施例では受光領域を６×４の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００６２】
また、本実施例では一つの読み出し領域に接続される受光領域を４つとしたが、４つに限定されない。二つ以上のいかなる偶数の値でも、本発明の効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置、単位セルの回路構造などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例と同様に、いかなる構造においても同様の効果が得られる。また第三の実施例にも適用することができる。
【００６４】
（第五の実施例）
本発明の第五の実施例を図６、図７、図８を用いて説明する。
【００６５】
図６は、本発明の第五の実施例を説明する平面レイアウトを示す図である。
【００６６】
受光領域６０１，６０２は、それぞれ転送領域６０３，６０４を介して共通の浮遊拡散領域６０５に接続される。それらとは異なる位置の、受光領域６０２と受光領域６０６との間に読み出し領域６０７は配置され、浮遊拡散領域６０５と読み出し領域６０７は受光領域６０２と受光領域６０８との間を通過する配線領域６０９で接続されている。これらが一つの単位セル６１０を成している。また、読み出し領域は、正転増幅を行う機能を有している。
【００６７】
また、配線領域６０９が通過する受光領域６０２と受光領域６０８との間を、その配線領域６０９が属する単位セルの出力が伝達していく垂直出力線６１１も同様に通過している。なおかつ、その通過する垂直出力線６１１は、図６の平面図上で、配線領域６０９と全部が重なり合うように配置されている。垂直出力線６１１は配線領域６０９と一部が重なり合うように配置されていてもよい。垂直出力線６１１は配線領域６０９の上を通過するように配置されている。
【００６８】
また、垂直出力線６１２，６１３らは、別な列の垂直出力線であり、単位セル６１０と異なる列に属する画素の信号が伝達される線となる。
【００６９】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００７０】
本実施例は、配線領域６０９の上を、垂直出力線６１１が通過している点、および読み出し領域が正転増幅機能を有するという点を除くと、第一の実施例と同等であり、第一の実施例の効果をすべて享受することができる。
【００７１】
本実施例の新たな効果を、説明するための図面が図７と図８である。
【００７２】
図７は、本発明の第一の実施例を説明する、図１の、点Ａと点Ｂを結んだ線で見た、模式的断面図である。７０１は配線領域の断面、７０２は垂直出力線の断面である。７０３は受光領域以外に光が入射することを防止する、遮光層であり、通常最上の配線層を用いて構成され、またその電位は固定されている。
【００７３】
この構成において、配線領域と遮光層との間には容量値Ｃ１の容量７０４が、配線領域と垂直出力線との間には容量値Ｃ２の容量７０５が存在する。また配線領域と、それに接続される浮遊拡散領域、および読み出し領域、および転送領域、のもつ寄生容量から成る、容量値Ｃ３の対地容量７０６を有する。実際には対地容量７０６は他の制御線、電源線などとの容量を含んでいるが、すべての容量は接地しているとして総計し容量値Ｃ３としている。
【００７４】
図８は、本発明の第五の実施例を説明する、図６の、点Ｃと点Ｄを結んだ線で見た、模式的断面図である。８０１は配線領域の断面、８０２は垂直出力線の断面である。また、８０３は受光領域以外に光が入射することを防止する、遮光層であり、通常最上の配線層を用いて構成され、またその電位は固定されている。図７の容量値Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を有する容量７０４，７０５，７０６と同様の接続関係を持つ容量が、それぞれ容量８０４，８０５，８０６である。容量８０４，８０５，８０６の容量値はそれぞれＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′である。
【００７５】
ここにおいて、容量値Ｃ２，Ｃ２′をもつ容量７０５，８０５は、読み出し領域に正転増幅器を用いると、配線領域と垂直出力線の電圧変化が同様に推移していくため、電位差の変化が生じず、電荷を充電する必要がないため、容量値Ｃ２，Ｃ２′は実効的に無視できるようになる。
【００７６】
このような状態で、第一の実施例の配線領域につながる総計の容量ＣTOTAL(1)と、第五の実施例の配線領域につながる総計の容量ＣTOTAL(2)を比較すると、
それぞれ、
ＣTOTAL(1)＝Ｃ１＋Ｃ３
と
ＣTOTAL(2)＝Ｃ３′
となり、本発明の第五の実施例においては配線領域の対遮光膜容量８０４（容量値Ｃ１′）が見えなくなることで配線領域につながる容量をさらに低減でき、感度の向上が実現できた。ここでＣTOTAL(2)を考慮する際、配線領域の対遮光膜容量８０４（容量値Ｃ１′）は、配線領域から伸びる電気力線がすべて出力線につながることで見えなくなる（すなわち、容量値Ｃ１′をほどんど無視できる）ことを踏まえている。
【００７７】
また、正転増幅器を構成する回路構成としては、ソースフォロアなどが考えられる。しかしそれらのゲインは完全に１にすることは難しく、ある程度容量Ｃ２，Ｃ２′が見えてしまう。つまり、ＣTOTAL(1)、およびＣTOTAL(2)は、それぞれ正転増幅器のゲインＧを考慮すると、
ＣTOTAL(1)＝Ｃ１＋（１−Ｇ）×Ｃ２＋Ｃ３
ＣTOTAL(2)＝Ｃ３′＋（１−Ｇ）×Ｃ２′
となる。しかし容量値Ｃ２，Ｃ２′の低減によるＣTOTAL(1)、およびＣTOTAL(2)の低減という点では、本質的に効果は変わらない。よって正転増幅器は理想的にゲインが１もしくは１以上である必要はなく、ソースフォロアなどゲインが１に満たない回路でもよい。
【００７８】
また、本実施例において容量８０４（容量値Ｃ１′）を完全に見えなくするためには、配線領域８０１から伸びる電気力線を完全に終端できるように垂直出力線８０２の幅を広くすることが望ましいが、完全に終端できなくても本実施例の効果を得ることができる。つまり垂直出力線８０２は、完全に配線領域８０１に重なる必要はなく、一部が重なるだけでもよい。その際はその重なり量に応じた容量値Ｃ１′の低減が実現できる。
【００７９】
また、本実施例では受光領域を６×４の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。また、受光領域と転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域らの接続関係は本実施例においては第二の実施例に習っているが、この接続関係には限定されず、その他の実施例に習っている接続関係などを採用しても同等の効果を得られる。
【００８０】
また、本実施例では画素を２次元上に配列したが、たとえば１次元のラインセンサ上に配列してもよい。
【００８１】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、読み出し領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例と同様に、いかなる構造においても同様の効果を得られる。
【００８２】
また、上記第一の実施例から第五の実施例までで示したような固体撮像素子を用いてデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、その他、撮像システムを構成することで、従来の同様の固体撮像素子を用いた場合に比べ、感度が高く、画素同士の信号の混合の少なく、かつ画素の重心がそろったことで光学的な非対称性が減少した、高性能な撮像システムを構成することができた。
【００８３】
図９に上記撮像装置を用いたシステム概略図を示す。同図に示すように、光学系７１を通って入射した画像光は本実施例によるＣＭＯＳセンサー７２上に結像する。ＣＭＯＳセンサー７２上に配置されている画素アレーによって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号処理回路７３によって予め決められた方法によって信号変換処理され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通信系７４により情報記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系７７により再生される。ＣＭＯＳセンサー７２、信号処理回路７３はタイミング制御回路７５により制御され、光学系７１、タイミング制御回路７５、記録系・通信系７４、再生系７７はシステムコントロール回路７６により制御される。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受光領域の重心のピッチを等間隔にすること、隣接画素の出力信号との混合を防ぐこと、配線領域の対地容量を減少させること、の少なくとも一つを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を説明する配置図である。
【図２】本発明の第一の実施例の画素の等価回路図である。
【図３】本発明の第二の実施例を説明する配置図である。
【図４】本発明の第三の実施例を説明する配置図である。
【図５】本発明の第四の実施例を説明する配置図である。
【図６】本発明の第五の実施例を説明する配置図である。
【図７】本発明の第五の実施例を説明する断面図である。
【図８】本発明の第五の実施例を説明する断面図である。
【図９】本発明による固体撮像装置を用いたシステム概略図である。
【図１０】従来の例を説明する図面である。
【符号の説明】
２０１，２０２，２０６，２０８，３０１〜３０４，３１８〜３２１，４０１，４０２，４０６，４０７，４１７〜４２０，５０１，５０２，５０６，５０７，５１２，５１３，６０１，６０２，６０６ 受光領域
２０３，２０４，３０５〜３０８，４０３，４０４，４０８，４０９，５０３，５０４，５０８，５０９，６０３，６０４ 転送領域
２０５，３０９〜３１２，４０５，４１０，５０５，５１０，６０５ 浮遊拡散領域
２０７，３１４，４１１，５１４，６０７ 読み出し領域
２０９，３１３，４１２，５１１，６０９ 配線領域
２１０，３１６，３１７，４１４，５１７，６１０， 単位セル
２１１〜２１３，３２２，３２３，４１３，４１５，４１６，５１５，５１６，６１１〜６１３ 垂直出力線
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一半導体基板上に、複数の受光領域と、該複数の受光領域からの信号又は該信号を処理した処理信号を出力する共通回路部とを有する単位セルを複数配列した固体撮像装置およびそれを用いた撮像システムに関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
増幅型の固体撮像素子において、複数の受光領域に一つの共通な読み出し領域を設けた、読み出し領域共通・増幅型固体撮像素子がある。
【０００３】
読み出し領域共通・増幅型固体撮像素子においては、従来一つの受光領域に一つの読み出し領域、制御配線が必要であったのに対し、一つの受光領域あたりに占める読み出し領域の面積が共通に接続される受光領域の個数で分割されるために、等価的に一つの受光領域に占める読み出し領域の面積が減少するという利点がある。
【０００４】
図１０は、従来の読み出し領域共通増幅型固体撮像素子のレイアウトの一例を示したものである。受光領域１０１，１０２は、それぞれ転送領域１０３，１０４を介して共通の浮遊拡散領域１０５に接続され、浮遊拡散領域の電圧は配線領域１０６を介して読み出し領域１０７に接続される。それらを一つの単位セル１０８とみなし、同一の列に存在する単位セル１０９，１１０などとともに共通の垂直出力線１１１に接続することで列を構成している。そのような列を複数配列することで、２次元のエリアセンサを構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の固体撮像素子において、上記受光領域、転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域のレイアウトに、以下のような課題がある。
【０００６】
まずは、光学的な対称性を確保するために、受光領域の重心のピッチを等間隔にすることが求められるが、単位セルのサイズを小さくしていくにしたがって、単位セル全体に占める転送領域・浮遊拡散領域・読み出し領域、のそれぞれの領域の割合が大きくなり、単位セルと単位セルとを分離している領域１１２との面積的釣り合いを取ることが困難となる。たとえ釣り合いを取れたとしても、分離している領域１１２のピッチを転送領域・浮遊拡散領域・読み出し領域につりあうように無駄に広げることでピッチをあわせることとなり、開口面積の減少につながってしまう。
【０００７】
また、配線領域は浮遊状態となるため、配線領域のレイアウトによっては隣接単位セルの出力する値などに影響され、信号の混合が起こる場合がある。
【０００８】
また、その配線領域の対地容量の大きさそのものが固体撮像素子の感度を決めるが、配線を引き回すことでその対地容量が増加し、感度の低下につながってしまう。
【０００９】
以上の課題を考慮し、本発明は、読みだし領域を複数受光部に共通にした固体撮像素子において、隣接単位セルの出力信号との混合を防ぐことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の固体撮像装置は、複数の単位セルを有する固体撮像装置に係り、各単位セルは、列方向に沿って配置された出力線と、前記列方向に沿って配列された複数の受光領域と、前記列方向に沿って配列され前記複数の受光領域から電荷がそれぞれ転送される複数の浮遊拡散領域と、前記複数の浮遊拡散領域を相互に接続する導電部材と、前記導電部材を介して接続された前記複数の受光領域から前記出力線に信号を読み出す共通の増幅回路と含み、前記導電部材は、前記列方向に沿って延びた部分を含み、前記複数の単位セルは、第１単位セルと、前記第１単位セルと同一行であって前記第１単位セルのとなりに配置された第２単位セルとを含み、前記第１単位セルに含まれる前記導電部材および前記出力線が、前記第１単位セルに含まれる前記複数の受光領域と前記第２単位セルに含まれる前記複数の受光領域との間に配置されている。
【００１５】
本発明の撮像システムは上記固体撮像装置を用いたものである。
【００１６】
なお、共通回路部とは、複数の受光領域からの信号をそのまま出力、電圧増幅，電流増幅，電力増幅して出力、Ａ／Ｄ変換等の一定の信号処理を加えて出力するための構成部であり、信号を増幅して出力する構成としては、例えば、複数の受光領域から信号を転送するための転送領域と、複数の転送領域を介して複数の受光領域からの信号が転送される浮遊領域と、複数の浮遊領域と配線領域を介して共通接続される読み出し領域とから構成されるものがある。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
（第一の実施例）
本発明の第一の実施例を図１を用いて説明する。
【００１９】
受光領域２０１，２０２はそれぞれ転送領域２０３，２０４を介して共通の浮遊拡散領域２０５に接続される。それらとは異なる位置の、受光領域２０２と受光領域２０６との間に読み出し領域２０７は配置され、浮遊拡散領域２０５と読み出し領域２０７は受光領域２０２と受光領域２０８との間を通過する配線領域２０９で接続されている。これらが一つの単位セル２１０を成している。転送領域２０３，２０４及び浮遊拡散領域２０５は一つの回路構成部を構成し、読み出し領域２０７は他の回路構成部を構成する。
【００２０】
また、配線領域２０９が通過する受光領域２０２と受光領域２０８との間を、その配線領域２０９が属する単位セルの出力が伝達していく垂直出力線２１１も同様に通過している。また、垂直出力線２１２，２１３らは、別な列の垂直出力線であり、単位セル２１０と異なる列に属する単位セルの信号が伝達される線となる。
【００２１】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００２２】
まず、受光領域２０１と受光領域２０２との間には転送領域２０３，２０４と浮遊拡散領域２０５が配置され、受光領域２０２と受光領域２０６との間には読み出し領域２０７が配置されている。このようにして、従来何も配置していなかった受光領域２０２と受光領域２０６との間に読み出し領域２０７を配置し、なおかつその幅を転送領域２０３，２０４と浮遊拡散領域２０５によって受光領域同士が分離されるピッチにあわせることにより、受光領域を無駄にせずにその重心をあわせることが可能となった。
【００２３】
また、浮遊状態にある配線領域２０９は、受光領域２０２と受光領域２０８の間において、自分の画素のつながる垂直出力線２１１と対向し、容量性結合をもつ。ここで、配線領域２０９の電圧値と垂直出力線２１１の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起きにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる単位セルの属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域２０９と、異なる列の垂直出力線２１２，２１３らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００２４】
このようにして、受光領域のピッチを一定にし、単位セルごとの信号の混合が起こらない固体撮像装置を実現できた。
【００２５】
ここで、受光領域の構成であるが、たとえば単なるＰＮ接合を用いたフォトダイオード、もしくはそれを上層の遮光層で一部遮光し受光領域として規定したもの、ＰＩＮダイオードを用いたフォトダイオード、もしくはそれを上層の遮光層で一部遮光し受光領域として規定しもの、フォトゲート、もしくはそれを上層の遮光層で一部遮光し受光領域として規定したもの、その他いかなる光電変換機能を有する素子を用いてもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、光電変換素子の種類によらない。
【００２６】
また、半導体の基体として用いる材料は、シリコンをはじめとするいかなる半導体基板でもよく、また単結晶半導体に限らず、多結晶半導体やアモルファス半導体等の非単結晶半導体を用いてもよい。
【００２７】
また受光領域と転送領域と浮遊拡散領域の構成であるが、転送領域として単なるＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタを用いたスイッチを用いたもの、もしくはＰＩＮダイオードの一端に、浮遊拡散領域に接続する転送チャネルを設け、転送チャネルのポテンシャルを制御するものとして酸化膜を介したゲート電極を設け、蓄積前にＰＩＮフォトダイオード内のキャリアを本質的に完全に空乏化させ、蓄積後にＰＩＮフォトダイオード内のキャリアを本質的にすべて浮遊拡散領域に転送するもの、その他いかなる構成を用いてもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、受光領域と転送領域と浮遊拡散領域の構成によらない。
【００２８】
また配線領域の構成であるが、一度浮遊拡散領域からコンタクトホールを介して金属配線につなげ、そのまま読み出し領域に接続したもの、一度浮遊拡散領域からコンタクトホールを介して金属配線につなげ、それをさらにビアホールを用いて多結晶ポリシリコン配線に接続したもの、浮遊拡散領域と多結晶ポリシリコン配線を直接接触させたもの、その他いかなる構成を用いてもよく、用いる層の数、材料はいかなるものでもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、配線領域の材質の構成によらない。
【００２９】
また読み出し領域の構成であるが、たとえばＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタを用いたソースフォロア回路、ＭＯＳトランジスタを用いた反転増幅回路、演算増幅器を用いたボルテージフォロア、ＪＦＥＴ、ＳＩＴを用いたその他の増幅回路等、いかなる回路を用いてもよい。また、たとえば光電変換結果を電流に変換して垂直出力線を伝播させる手段を用いてもよい。また、読み出し領域には、その画素を選択的に読み出すための選択手段、その画素を初期状態にするリセット手段を含んでもよい。すなわち、本発明の効果は、構成要件の配置方法から得られるものであり、読み出し領域の構成によらない。
【００３０】
また、読み出し領域と配線領域の境界であるが、読み出し領域が電界効果トランジスタで構成されている場合、そのゲート端子は、読み出し領域の一部であり、かつ配線領域にも含まれることとなる。この場合、配線領域とゲート端子を明確な基準で分割することが困難である。そして、図１に記載したような配線領域２０９の一部又は全部をゲート端子ととらえたりすることも考えられる。しかし、このような場合は、ゲート端子を配線領域としてとらえるものとする。
【００３１】
また、本実施例では受光領域を６×３の行列状（単位セルとしては３×３）に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００３２】
また、本実施例では画素を２次元上に配列したが、たとえば１次元のラインセンサ上に配列してもよい。
【００３３】
また、本実施例では同一列、同一行に属する受光領域の重心がある直線状に位置するようレイアウトを行っているが、たとえば同一列において、隣接する行の受光領域の重心がちょうど画素の半分だけずれている、ハニカム構造の受光領域配置、その他いかなる受光領域配置を用いてもよい。すなわち、本発明は、受光領域自身の配置方法によらず、受光領域と転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域、垂直出力線の位置関係によるものである。
【００３４】
次に、本実施例の単位セル２１０に対応する、等価回路の一例を図２を用いて説明する。Ａ０１，Ａ０２はそれぞれ受光領域２０１，２０２に対応するフォトダイオード、Ａ０３，Ａ０４はそれぞれ転送領域２０５，２０４に対応する転送トランジスタ、Ａ０５は浮遊拡散領域、および配線領域に対応し、Ａ０６は読み出し領域２０７に対応する。Ａ０６は単位セルを選択的に読み出すための選択トランジスタＡ０７、浮遊拡散領域の電圧値を初期値にリセットするためのリセットトランジスタＡ０８、浮遊拡散領域の電圧を読み出すためのソースフォロアを構成するトランジスタＡ０９からなり、ソースフォロアアンプの出力端子は垂直出力線２１１に対応する出力線Ａ１０に接続されている。本実施例は従来知られる読み出し回路共通型ＣＭＯＳイメージセンサの一例であり、他の回路構成を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３５】
ここで、このような増幅型固体撮像素子においては、浮遊拡散領域Ａ０５の電圧をまずリセットトランジスタＡ０８でリセットした時の増幅器の出力、その後転送トランジスタＡ０３，Ａ０４をオンしてフォトダイオードＡ０１，Ａ０２からの電荷を転送した時の増幅器の出力、それら二つの出力の差分を求めることでランダムノイズ、および固定パターンノイズを軽減した高精度な信号が得られることが知られている。本発明においても、同様の読み出しをすることで、本実施例の効果とともに、高精度な信号を得るという利益を得ることができる。
【００３６】
（第二の実施例）
本発明の第二の実施例を図３を用いて説明する。
【００３７】
４つの受光領域３０１，３０２，３０３，３０４は、それぞれ転送領域３０５，３０６，３０７，３０８を介して浮遊拡散領域３０９，３１０，３１１，３１２に接続され、浮遊拡散領域３０９〜３１２は共通の配線領域３１３を介して接続されている。また、配線領域３１３は共通の読み出し領域３１４へと接続されており、読み出し領域３１４の出力はその列の垂直出力線３１５へと接続されている。これらが単位セル３１６を構成している。
【００３８】
ここで、配線領域３１３はその隣接単位セル３１７を構成する４つの受光領域３１８，３１９，３２０，３２１と、単位セル３１６の受光領域３０１〜３０４の間に配置され、なおかつ単位セル３１６の接続される垂直出力線３１５は配線領域３１３と同様に、受光領域３１８〜３２１と、受光領域３０１〜３０４の間を通過するように配置されている。また、異なる列の画素がつながる垂直出力線が３２２，３２３のように配置されている。
【００３９】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００４０】
まず、受光領域３０１〜３０４の間は素子分離領域しか存在せず、それら素子分離領域を等間隔に設けることで縦方向の受光領域のピッチをそろえることができた。また、受光領域３０１〜３０４と、受光領域３１８〜３２１の間に、転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域を配置することで、横方向のピッチをそろえることができた。このようにして受光領域の重心をあわせることが可能となった。
【００４１】
また、浮遊状態にある配線領域３１３は、受光領域３０１〜３０４と、受光領域３１８〜３２１との間において、自分の単位セルの出力がつながる垂直出力線３１５と対向し、容量性結合を持つ。ここで、配線領域３１３の電圧値と垂直出力線３１５の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起こりにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる単位セルの属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域３１３と、異なる列の垂直出力線３２２，３２３らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００４２】
このようにして、受光領域のピッチを一定にし、単位セルごとの信号の混合が起こらない固体撮像装置を実現できた。
【００４３】
また、本実施例では受光領域を８×３の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００４４】
また、本実施例では一つの読み出し領域に接続される受光領域を４つとしたが、４つに限定されない。二つ以上のいかなる値でも、本発明の効果を得ることができる。
【００４５】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、読み出し領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置、単位セルの回路構成などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例同様、いかなる構造においても同様の効果を得ることができる。
【００４６】
（第三の実施例）
本発明の第三の実施例を図４を用いて説明する。
【００４７】
受光領域４０１，４０２は、それぞれ転送領域４０３，４０４を介して共通の浮遊拡散領域４０５に接続されている。受光領域４０６，４０７も同様にそれぞれ転送領域４０８，４０９を介して共通の浮遊拡散領域４１０に接続されている。また、受光領域４０２と受光領域４０６の間には読み出し領域４１１が設けられ、読み出し領域４１１、浮遊拡散領域４０５，４１０の３領域は、列方向に走る配線領域４１２を介して共通に接続されている。また読み出し領域４１１の出力は、垂直出力線４１３に接続されている。これらが一つの単位セル４１４を構成している。また、４１５，４１６は、異なる列の画素が接続される垂直出力線である。
【００４８】
ここで、配線領域４１２は、隣接する行の受光領域４１７，４１８，４１９，４２０と、自身が属する単位セルの受光領域４０１，４０２，４０６，４０７の間に配置されている。また、垂直出力線４１３も配線領域４１２と同様に受光領域４０１，４０２，４０６，４０７と受光領域４１７〜４２０との間を通過するように配置されている。
【００４９】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００５０】
浮遊状態にある配線領域４１２は、受光領域４０１，４０２，４０６，４０７と、受光領域４１７〜４２０との間において、自分の単位セルの出力がつながる垂直出力線４１３と対向し、容量性結合を持つ。ここで、配線領域４１２の電圧値と垂直出力線４１３の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起こりにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる画素の属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域４１２と、異なる列の垂直出力線４１５，４１６らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００５１】
また、第二の実施例においては、受光領域一つに浮遊拡散領域を設けていた。しかし、浮遊拡散領域自身の寄生容量は比較的大きく、浮遊拡散領域の対地容量を増加させ、結果として固体撮像素子の感度を低下させてしまう。本実施例においては、浮遊拡散領域を二つの受光領域に一つとすることで、浮遊拡散領域の対地容量の増加を防止し、固体撮像素子の感度の向上を実現することができた。
【００５２】
また、本実施例では受光領域を８×３の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００５３】
また、本実施例では一つの読み出し領域に接続される受光領域を４つとしたが、４つに限定されない。二つ以上のいかなる偶数の値でも、本発明の効果を得ることができる。
【００５４】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、読み出し領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置、単位セルの回路構成などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例と同様、いかなる構造においても同様の効果を得られる。
【００５５】
（第四の実施例）
本発明の第四の実施例を図５を用いて説明する。
【００５６】
受光領域５０１，５０２は、それぞれ転送領域５０３，５０４を介して浮遊拡散領域５０５へ接続されている。同様に、受光領域５０６，５０７は、それぞれ転送領域５０８，５０９を介して浮遊拡散領域５１０へ接続されている。浮遊拡散領域５０５と５１０は、配線領域５１１にて横方向に共通に接続された後、受光領域５０２，５０７の間を縦方向にのびる配線領域を介して、受光領域５０２，５０７と、隣接する単位セルの受光領域５１２，５１３の間に配置された共通の読み出し領域５１４へ接続される。５１５はその読み出し領域が接続される垂直出力線であり、５１６は、異なる列の画素が接続される垂直出力線である。これらが一つの単位セル５１７を構成している。
【００５７】
次に、本実施例の効果を説明する。
【００５８】
受光領域５０１，５０２の間、および受光領域５０６，５０７の間には転送領域と浮遊拡散領域が配置され、受光領域５０２，５０７と、受光領域５１２，５１３との間には読み出し領域が配置されている。このようにして、読み出し領域を浮遊拡散領域および転送領域と分散して配置させ、なおかつ読み出し領域による受光素子間の分離ピッチの幅を転送領域と浮遊拡散領域によって受光領域同士が分離されるピッチにあわせることにより、受光領域を無駄にせずにその重心をあわせることが可能となった。
【００５９】
また、浮遊状態にある配線領域５１１は、受光領域５０２と５０７の間において、自分の単位セルのつながる垂直出力線５１５と対向し、容量性結合をもつ。ここで、配線領域５１１の電圧値と垂直出力線５１５の電圧値は、読み出し状態において絶対値が１に近い相関関係をもつので、信号の混合というもの自体が起こりにくい。また、信号の混合のもととなる、異なる画素の属する垂直出力線との容量性結合であるが、配線領域５１１と、異なる列の垂直出力線５１６らは、受光領域一つ分の距離を隔てているので、それらの容量値は無視できる値となり、信号の混合は生じない。
【００６０】
また、第二の実施例においては、受光領域一つに浮遊拡散領域を設けていた。
しかし、浮遊拡散領域自身の寄生容量は比較的大きく、浮遊拡散領域の対地容量を増加させ、結果として固体撮像素子の感度を低下させてしまう。本実施例においては、浮遊拡散領域を二つの受光領域に一つとすることで、浮遊拡散領域の対地容量の増加を防止し、固体撮像素子の感度の向上を実現することができた。
【００６１】
また、本実施例では受光領域を６×４の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。
【００６２】
また、本実施例では一つの読み出し領域に接続される受光領域を４つとしたが、４つに限定されない。二つ以上のいかなる偶数の値でも、本発明の効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置、単位セルの回路構造などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例と同様に、いかなる構造においても同様の効果が得られる。また第三の実施例にも適用することができる。
【００６４】
（第五の実施例）
本発明の第五の実施例を図６、図７、図８を用いて説明する。
【００６５】
図６は、本発明の第五の実施例を説明する平面レイアウトを示す図である。
【００６６】
受光領域６０１，６０２は、それぞれ転送領域６０３，６０４を介して共通の浮遊拡散領域６０５に接続される。それらとは異なる位置の、受光領域６０２と受光領域６０６との間に読み出し領域６０７は配置され、浮遊拡散領域６０５と読み出し領域６０７は受光領域６０２と受光領域６０８との間を通過する配線領域６０９で接続されている。これらが一つの単位セル６１０を成している。また、読み出し領域は、正転増幅を行う機能を有している。
【００６７】
また、配線領域６０９が通過する受光領域６０２と受光領域６０８との間を、その配線領域６０９が属する単位セルの出力が伝達していく垂直出力線６１１も同様に通過している。なおかつ、その通過する垂直出力線６１１は、図６の平面図上で、配線領域６０９と全部が重なり合うように配置されている。垂直出力線６１１は配線領域６０９と一部が重なり合うように配置されていてもよい。垂直出力線６１１は配線領域６０９の上を通過するように配置されている。
【００６８】
また、垂直出力線６１２，６１３らは、別な列の垂直出力線であり、単位セル６１０と異なる列に属する画素の信号が伝達される線となる。
【００６９】
次に、本実施例による効果を説明する。
【００７０】
本実施例は、配線領域６０９の上を、垂直出力線６１１が通過している点、および読み出し領域が正転増幅機能を有するという点を除くと、第一の実施例と同等であり、第一の実施例の効果をすべて享受することができる。
【００７１】
本実施例の新たな効果を、説明するための図面が図７と図８である。
【００７２】
図７は、本発明の第一の実施例を説明する、図１の、点Ａと点Ｂを結んだ線で見た、模式的断面図である。７０１は配線領域の断面、７０２は垂直出力線の断面である。７０３は受光領域以外に光が入射することを防止する、遮光層であり、通常最上の配線層を用いて構成され、またその電位は固定されている。
【００７３】
この構成において、配線領域と遮光層との間には容量値Ｃ１の容量７０４が、配線領域と垂直出力線との間には容量値Ｃ２の容量７０５が存在する。また配線領域と、それに接続される浮遊拡散領域、および読み出し領域、および転送領域、のもつ寄生容量から成る、容量値Ｃ３の対地容量７０６を有する。実際には対地容量７０６は他の制御線、電源線などとの容量を含んでいるが、すべての容量は接地しているとして総計し容量値Ｃ３としている。
【００７４】
図８は、本発明の第五の実施例を説明する、図６の、点Ｃと点Ｄを結んだ線で見た、模式的断面図である。８０１は配線領域の断面、８０２は垂直出力線の断面である。また、８０３は受光領域以外に光が入射することを防止する、遮光層であり、通常最上の配線層を用いて構成され、またその電位は固定されている。図７の容量値Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を有する容量７０４，７０５，７０６と同様の接続関係を持つ容量が、それぞれ容量８０４，８０５，８０６である。容量８０４，８０５，８０６の容量値はそれぞれＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′である。
【００７５】
ここにおいて、容量値Ｃ２，Ｃ２′をもつ容量７０５，８０５は、読み出し領域に正転増幅器を用いると、配線領域と垂直出力線の電圧変化が同様に推移していくため、電位差の変化が生じず、電荷を充電する必要がないため、容量値Ｃ２，Ｃ２′は実効的に無視できるようになる。
【００７６】
このような状態で、第一の実施例の配線領域につながる総計の容量ＣTOTAL(1)と、第五の実施例の配線領域につながる総計の容量ＣTOTAL(2)を比較すると、
それぞれ、
ＣTOTAL(1)＝Ｃ１＋Ｃ３
と
ＣTOTAL(2)＝Ｃ３′
となり、本発明の第五の実施例においては配線領域の対遮光膜容量８０４（容量値Ｃ１′）が見えなくなることで配線領域につながる容量をさらに低減でき、感度の向上が実現できた。ここでＣTOTAL(2)を考慮する際、配線領域の対遮光膜容量８０４（容量値Ｃ１′）は、配線領域から伸びる電気力線がすべて出力線につながることで見えなくなる（すなわち、容量値Ｃ１′をほどんど無視できる）ことを踏まえている。
【００７７】
また、正転増幅器を構成する回路構成としては、ソースフォロアなどが考えられる。しかしそれらのゲインは完全に１にすることは難しく、ある程度容量Ｃ２，Ｃ２′が見えてしまう。つまり、ＣTOTAL(1)、およびＣTOTAL(2)は、それぞれ正転増幅器のゲインＧを考慮すると、
ＣTOTAL(1)＝Ｃ１＋（１−Ｇ）×Ｃ２＋Ｃ３
ＣTOTAL(2)＝Ｃ３′＋（１−Ｇ）×Ｃ２′
となる。しかし容量値Ｃ２，Ｃ２′の低減によるＣTOTAL(1)、およびＣTOTAL(2)の低減という点では、本質的に効果は変わらない。よって正転増幅器は理想的にゲインが１もしくは１以上である必要はなく、ソースフォロアなどゲインが１に満たない回路でもよい。
【００７８】
また、本実施例において容量８０４（容量値Ｃ１′）を完全に見えなくするためには、配線領域８０１から伸びる電気力線を完全に終端できるように垂直出力線８０２の幅を広くすることが望ましいが、完全に終端できなくても本実施例の効果を得ることができる。つまり垂直出力線８０２は、完全に配線領域８０１に重なる必要はなく、一部が重なるだけでもよい。その際はその重なり量に応じた容量値Ｃ１′の低減が実現できる。
【００７９】
また、本実施例では受光領域を６×４の行列状に配置したが、個数はこれに限らない。受光領域の個数は必要とされる像信号の空間周波数で決まる設計事項であり、どのような行方向、列方向の個数の値を取ってもよい。また、受光領域と転送領域、浮遊拡散領域、配線領域、読み出し領域らの接続関係は本実施例においては第二の実施例に習っているが、この接続関係には限定されず、その他の実施例に習っている接続関係などを採用しても同等の効果を得られる。
【００８０】
また、本実施例では画素を２次元上に配列したが、たとえば１次元のラインセンサ上に配列してもよい。
【００８１】
また、本実施例の受光領域構造、基板構造、配線領域構造、読み出し領域構造、それらの境界構造、受光領域の重心配置などは、本実施例に限定されるものではなく、第一の実施例と同様に、いかなる構造においても同様の効果を得られる。
【００８２】
また、上記第一の実施例から第五の実施例までで示したような固体撮像素子を用いてデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、その他、撮像システムを構成することで、従来の同様の固体撮像素子を用いた場合に比べ、感度が高く、画素同士の信号の混合の少なく、かつ画素の重心がそろったことで光学的な非対称性が減少した、高性能な撮像システムを構成することができた。
【００８３】
図９に上記撮像装置を用いたシステム概略図を示す。同図に示すように、光学系７１を通って入射した画像光は本実施例によるＣＭＯＳセンサー７２上に結像する。ＣＭＯＳセンサー７２上に配置されている画素アレーによって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号処理回路７３によって予め決められた方法によって信号変換処理され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通信系７４により情報記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系７７により再生される。ＣＭＯＳセンサー７２、信号処理回路７３はタイミング制御回路７５により制御され、光学系７１、タイミング制御回路７５、記録系・通信系７４、再生系７７はシステムコントロール回路７６により制御される。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受光領域の重心のピッチを等間隔にすること、隣接画素の出力信号との混合を防ぐこと、配線領域の対地容量を減少させること、の少なくとも一つを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を説明する配置図である。
【図２】本発明の第一の実施例の画素の等価回路図である。
【図３】本発明の第二の実施例を説明する配置図である。
【図４】本発明の第三の実施例を説明する配置図である。
【図５】本発明の第四の実施例を説明する配置図である。
【図６】本発明の第五の実施例を説明する配置図である。
【図７】本発明の第五の実施例を説明する断面図である。
【図８】本発明の第五の実施例を説明する断面図である。
【図９】本発明による固体撮像装置を用いたシステム概略図である。
【図１０】従来の例を説明する図面である。
【符号の説明】
２０１，２０２，２０６，２０８，３０１〜３０４，３１８〜３２１，４０１，４０２，４０６，４０７，４１７〜４２０，５０１，５０２，５０６，５０７，５１２，５１３，６０１，６０２，６０６ 受光領域
２０３，２０４，３０５〜３０８，４０３，４０４，４０８，４０９，５０３，５０４，５０８，５０９，６０３，６０４ 転送領域
２０５，３０９〜３１２，４０５，４１０，５０５，５１０，６０５ 浮遊拡散領域
２０７，３１４，４１１，５１４，６０７ 読み出し領域
２０９，３１３，４１２，５１１，６０９ 配線領域
２１０，３１６，３１７，４１４，５１７，６１０， 単位セル
２１１〜２１３，３２２，３２３，４１３，４１５，４１６，５１５，５１６，６１１〜６１３ 垂直出力線
Claims (9)
- 複数の単位セルを有する固体撮像装置であって、
各単位セルは、列方向に沿って配置された出力線と、前記列方向に沿って配列された複数の受光領域と、前記列方向に沿って配列され前記複数の受光領域から電荷がそれぞれ転送される複数の浮遊拡散領域と、前記複数の浮遊拡散領域を相互に接続する導電部材と、前記導電部材を介して接続された前記複数の受光領域から前記出力線に信号を読み出す共通の増幅回路と含み、
前記導電部材は、前記列方向に沿って延びた部分を含み、
前記複数の単位セルは、第１単位セルと、前記第１単位セルと同一行であって前記第１単位セルのとなりに配置された第２単位セルとを含み、
前記第１単位セルに含まれる前記導電部材および前記出力線が、前記第１単位セルに含まれる前記複数の受光領域と前記第２単位セルに含まれる前記複数の受光領域との間に配置されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 各単位セルにおいて、前記増幅回路によって信号が読み出される前記複数の受光領域のすべてが１つの列に属する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 各単位セルにおいて、前記受光領域とそれに対応する前記浮遊拡散領域とが行方向に沿った方向に配置されている、
ことを請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記列方向において、前記受光領域と前記受光領域との間には素子分離領域のみが配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 各単位セルは、前記列方向に沿って配列された前記複数の受光領域として４つの受光領域を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 各単位セルにおいて、前記複数の受光領域のそれぞれの重心が前記列方向に沿って配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 各単位セルにおいて、前記複数の受光領域のそれぞれの重心が行毎に交互に行方向にずれるようにして配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記出力線の少なくとも一部と前記導電部材の少なくとも一部とが重なり合っていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 請求項１〜８のいずれかの請求項に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置に光を導入する光学系、該固体撮像装置の出力する信号を処理する回路とを有する撮像システム。
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