JP6005987B2

JP6005987B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP6005987B2
Application number: JP2012107413A
Authority: JP
Inventors: 哲也高; 慶一太田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: JP2013236248A

Description

本発明は、半導体基板上に複数の画素部がアレイ配置されて形成された固体撮像装置に関するものである。

固体撮像装置は、１次元状または２次元状に複数の画素部がアレイ配置された受光部を備え、また、これら複数の画素部それぞれに含まれるフォトダイオードで発生する電荷の蓄積および信号値の読み出しを制御する制御部や、これら複数の画素部それぞれから読み出される信号値を処理して出力する信号処理部をも備える。このような固体撮像装置において、複数の画素部がアレイ配置された受光部は半導体基板上に形成される。また、この半導体基板上に制御部や信号処理部も形成される。

固体撮像装置の各画素部から読み出される信号値は、該画素部に含まれるフォトダイオードへの入射光量を表す信号成分に、入射光量とは無関係なノイズ成分が加えられたものである。このノイズ成分には、フォトダイオードで発生する暗電流に因るものの他、読出回路のスイッチングに因るものが含まれる。そこで、何らかの方法でノイズ成分の大きさを検出して、各画素部から読み出される信号値からノイズ成分を差し引くことで、該画素部に含まれるフォトダイオードへの入射光量を表す信号成分を得ることが重要である。

ノイズ成分を検出することができる固体撮像装置が特許文献１〜３に開示されている。これらの文献に開示されている固体撮像装置では、半導体基板上にアレイ配置された複数の画素部それぞれは、有効画素部およびダミー画素部の何れかとされている。有効画素部からは、信号成分にノイズ成分が加えられた信号値が読み出される。ダミー画素部からは、ノイズ成分のみが読み出される。したがって、有効画素部から読み出された信号値から、ダミー画素部から読み出されたノイズ成分を差し引くことで、有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分（入射光量に応じた値）を得ることができるとしている。

特開２００６−２９５６４８号公報特開２００１−２４９４７号公報特開２００６−３５２８４３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示された固体撮像装置では、有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分を高精度に得ることができないことを、本発明者は見出した。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分を高精度に得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に複数の画素部がアレイ配置されて形成された受光部と、各画素部から読み出される信号値を処理する信号処理部とを備える固体撮像装置であって、複数の画素部それぞれが有効画素部およびダミー画素部の何れかであり、有効画素部が、光入射に応じて電荷を発生するフォトダイオードと、該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた信号値を読み出す読出回路とを含み、ダミー画素部が、光入射に応じて電荷を発生するダミーフォトダイオードと、該ダミーフォトダイオードに対して電気的に切り離されておりノイズ成分を読み出すダミー読出回路とを含み、信号処理部が、有効画素部から読み出された信号値から、ダミー画素部から読み出されたノイズ成分を差し引くことで、有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分を得ることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板上において、有効画素部のフォトダイオードおよびダミー画素部のダミーフォトダイオードそれぞれの回路レイアウトが互いに同じであり、有効画素部の読出回路およびダミー画素部のダミー読出回路それぞれの回路レイアウトが互いに同じであるのが好適である。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板上の回路レイアウトにおいて、ダミー画素部のダミーフォトダイオードとダミー読出回路との間隔が、ダミー画素部の隣に位置する画素部のフォトダイオードまたはダミーフォトダイオードとダミー画素部のダミーフォトダイオードとの間隔より長いのが好適である。

本発明の固体撮像装置は、有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分を高精度に得ることができる。

本実施形態の固体撮像装置１の概略構成を示す図である。本実施形態の固体撮像装置１の有効画素部４０の回路図である。本実施形態の固体撮像装置１のダミー画素部４１の回路図である。第１比較例のダミー画素部４２の回路図である。第２比較例のダミー画素部４３の回路図である。本実施形態の固体撮像装置１において１次元状に配列された３個の有効画素部４０および２個のダミー画素部４１を示す図である。１次元状に配列された３個の有効画素部４０および２個の第１比較例のダミー画素部４２を示す図である。１次元状に配列された３個の有効画素部４０および２個の第２比較例のダミー画素部４３を示す図である。有効画素部４０およびダミー画素部４１それぞれの回路レイアウトを模式的に示す図である。有効画素部４０およびダミー画素部４１それぞれの断面構造を模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態の固体撮像装置１の概略構成を示す図である。固体撮像装置１は、受光部１０，制御部２０および信号処理部３０を備える。受光部１０は半導体基板上に形成されている。この半導体基板上に制御部２０および信号処理部３０も形成されていてもよい。

受光部１０は、一定ピッチで２次元配列されたＭ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む。各画素部Ｐ_ｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。各画素部Ｐ_ｍ,ｎはフォトダイオードおよび読出回路を含む。ここで、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の整数である。制御部２０は、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードで発生する電荷の蓄積および信号値の読み出しを制御する。信号処理部３０は、各画素部Ｐ_ｍ,ｎから読み出される信号値を処理して出力する。

Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれは、有効画素部およびダミー画素部の何れかである。有効画素部からは、信号成分にノイズ成分が加えられた信号値が読み出される。ダミー画素部からは、ノイズ成分のみが読み出される。信号処理部３０は、有効画素部から読み出された信号値から、ダミー画素部から読み出されたノイズ成分を差し引くことで、有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分（入射光量に応じた値）を得ることができる。

Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎのうち、端部の行または列にある画素部がダミー画素であるのが好ましい。例えば、第１行または第Ｍ行の画素部がダミー画素部であってもよいし、第１列または第Ｎ列の画素部がダミー画素部であってもよい。また、端部の複数行または複数列にある画素部がダミー画素部であってもよい。

次に、本実施形態の固体撮像装置１の有効画素部４０およびダミー画素部４１それぞれの回路構成について説明するとともに、比較例のダミー画素部４２，４３それぞれの回路構成についても説明する。本実施形態では、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれは有効画素部４０およびダミー画素部４１の何れかである。

図２は、本実施形態の固体撮像装置１の有効画素部４０の回路図である。有効画素部４０は、光入射に応じて電荷を発生するフォトダイオード５０と、該フォトダイオード５０で発生した電荷の量に応じた信号値を読み出す読出回路６０とを含む。読出回路６０は、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４を含む。

フォトダイオード５０，トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２は、直列的に接続されている。トランジスタＭ２のソース端子はバイアス電位Ｖｂに接続される。フォトダイオード５０のアノード端子は接地電位に接続される。トランジスタＭ３のソース端子はバイアス電位Ｖｂに接続される。トランジスタＭ３のゲート端子は、トランジスタＭ１とトランジスタＭ２との接続点に接続されている。トランジスタＭ４のソース端子は、トランジスタＭ３のドレイン端子に接続されている。トランジスタＭ４のドレイン端子は、信号処理部３０に接続され、また、定電流源に接続されている。トランジスタＭ３およびトランジスタＭ４はソースフォロワ回路を構成している。

有効画素部４０が受光部１０において第ｍ行に位置する場合、トランジスタＭ１のゲート端子にtrans(m)信号が与えられ、トランジスタＭ２のゲート端子にreset(m)信号が与えられ、また、トランジスタＭ４のゲート端子にaddress(m)信号が与えられる。これらtrans(m)信号，reset(m)信号およびaddress(m)信号それぞれは、制御部２０から第ｍ行の画素部に対して共通に与えられる。

reset(m)信号によりトランジスタＭ２がオン状態であると、トランジスタＭ３のゲート端子の容量部における電荷蓄積が初期化され、更にtrans(m)信号によりトランジスタＭ１もオン状態であると、フォトダイオード５０の接合容量部における電荷蓄積が初期化される。トランジスタＭ１，Ｍ２がオフ状態である期間に、フォトダイオード５０へ光が入射すると、その入射光量に応じた量の電荷がフォトダイオード５０の接合容量部に蓄積される。その後、トランジスタＭ１がオン状態になると、フォトダイオード５０の接合容量部に蓄積されていた電荷は、トランジスタＭ３のゲート端子の容量部に転送される。そして、address(m)信号によりトランジスタＭ４がオン状態になると、トランジスタＭ３のゲート端子の容量部に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が、信号処理部３０へ出力される。

図３は、本実施形態の固体撮像装置１のダミー画素部４１の回路図である。ダミー画素部４１は、光入射に応じて電荷を発生するダミーフォトダイオード５１と、該ダミーフォトダイオード５１に対して電気的に切り離されたダミー読出回路６１とを含む。ダミー読出回路６１は、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４を含む。

ダミー画素部４１のダミー読出回路６１は、有効画素部４０の読出回路６０と同じ回路構成を有し、同様の動作をする。半導体基板上において、ダミー画素部４１のダミーフォトダイオード５１の回路レイアウトは、有効画素部４０のフォトダイオード５０の回路レイアウトと同じある。また、半導体基板上において、ダミー画素部４１のダミー読出回路６１の回路レイアウトは、有効画素部４０の読出回路６０の回路レイアウトと同じである。ダミー画素部４１では、ダミー読出回路６１のトランジスタＭ１のドレイン端子は、ダミーフォトダイオード５１のカソード端子に対して電気的に切り離されている。

図４は、第１比較例のダミー画素部４２の回路図である。ダミー画素部４２は、フォトダイオードを含まず、ダミー読出回路６２のみを含む。ダミー画素部４２のダミー読出回路６２は、有効画素部４０の読出回路６０と同じ回路構成を有し、同様の動作をする。

図５は、第２比較例のダミー画素部４３の回路図である。ダミー画素部４３は、フォトダイオードに替えて容量部５３を含み、また、ダミー読出回路６３を含む。ダミー画素部４３のダミー読出回路６３は、有効画素部４０の読出回路６０と同じ回路構成を有し、同様の動作をする。

次に、比較例のダミー画素部４２またはダミー画素部４３を含む比較例の固体撮像装置と対比しつつ、ダミー画素部４１を含む本実施形態の固体撮像装置１の作用効果について説明する。

図６は、本実施形態の固体撮像装置１において１次元状に配列された３個の有効画素部４０および２個のダミー画素部４１を示す図である。図７は、１次元状に配列された３個の有効画素部４０および２個の第１比較例のダミー画素部４２を示す図である。図８は、１次元状に配列された３個の有効画素部４０および２個の第２比較例のダミー画素部４３を示す図である。

第１比較例（図７）では、ダミー画素部４２がフォトダイオードを含まないので、ダミー画素部４２の出力電圧値は、有効画素部４０の出力電圧値と異なり、暗電流等のノイズ成分を含まない。両隣の有効画素部４０_１，４０_３のフォトダイオード５０が存在する有効画素部４０_２と比較して、ダミー画素部４２に隣接する有効画素部４０_１では一方側にフォトダイオードが存在しないので、製造時にフォトダイオードを均一に形成することできず、有効画素部４０_１〜４０_３それぞれの出力電圧値が均一にならない（以下「製造的問題点」という。）。また、両隣の有効画素部４０_１，４０_３のフォトダイオード５０から光電荷の漏れ込みが存在する有効画素部４０_２と比較して、ダミー画素部４２に隣接する有効画素部４０_１では、ダミー画素部４２側からの光電荷の漏れ込みが存在しないので、出力電圧値が低くなってしまい、光学的均一性が悪くなってしまう（以下「光学的問題点」という。）。

第２比較例（図８）では、ダミー画素部４３が容量部５３を含むので、第１比較例と比べれば製造的問題点については改善される。しかし、光学的問題点については、ダミー画素部４３に隣接する有効画素部４０_１では、ダミー画素部４３側からの光電荷の漏れ込みが存在しないので、出力電圧値が低くなってしまい、光学的均一性が悪くなってしまう。

なお、第３比較例として、有効画素部の同様の構成とした上でフォトダイオードを金属層で遮光する構成としたダミー画素部も挙げられる。しかし、この第３比較例も、光学的問題点を有する。

さらに、第４比較例として、特許文献３の段落［００３２］および図３（ａ）に記載されているように、有効画素部と同様の構成とした上でトランジスタＭ１を常にオフ状態とする構成としたダミー画素部も挙げられる。しかし、この第４比較例では、トランジスタＭ１を常にオフ状態とする必要があることから、有効画素部とダミー画素部とでは、読出回路の動作が相違することによりノイズ成分が相違する。

本実施形態（図６）では、ダミー画素部４１は、有効画素部４０と同様の構成要素を含んでいて、ダミーフォトダイオード５１に対してダミー読出回路６１が電気的に切り離されている。このような構成により、上記の製造的問題点および光学的問題点の双方を解消することができる。本実施形態では、有効画素部４０とダミー画素部４１とから同程度のノイズ成分を出力することができる。

次に、有効画素部４０およびダミー画素部４１それぞれの回路レイアウトおよび断面構造について説明する。図９は、有効画素部４０およびダミー画素部４１それぞれの回路レイアウトを模式的に示す図である。図１０は、有効画素部４０およびダミー画素部４１それぞれの断面構造を模式的に示す図である。読出回路６０およびダミー読出回路６１それぞれのトランジスタＭ１は、ソース端子Ｓ１，ゲート端子Ｇ１およびドレイン端子Ｄ１を有する。ソース端子Ｓ１およびドレイン端子Ｄ１は半導体基板１００に形成された半導体領域からなり、ゲート端子Ｇ１は導電体からなる。

半導体基板１００上の回路レイアウトにおいて、ダミー画素部４１のダミーフォトダイオード５１とダミー読出回路４１（トランジスタＭ１のドレイン端子Ｄ１の半導体領域）との間隔をＬ１とする。また、半導体基板１００上の回路レイアウトにおいて、ダミー画素部４１のダミーフォトダイオード５１と、隣の有効画素部４０のフォトダイオード５０（または、他のダミー画素部４１のダミーフォトダイオード５１）と、の間隔をＬ２とする。このとき、間隔Ｌ１は間隔Ｌ２より長いのが好適である。このようにすることで、ダミー画素部４１のダミーフォトダイオード５１で発生した電荷は、ダミー読出回路４１（トランジスタＭ１のドレイン端子Ｄ１の半導体領域）への移動が抑制されて、隣の有効画素部４０のフォトダイオード５０への漏れ込みが可能となる。

以上のとおり、本実施形態の固体撮像装置１では、ダミー画素部４１からノイズ成分を高精度に読み出すことができる。そして、有効画素部４０から読み出された信号値から、ダミー画素部４１から読み出されたノイズ成分を差し引くことで、有効画素部４０から読み出された信号値のうちの信号成分（入射光量に応じた値）を高精度に得ることができる。

１…固体撮像装置、１０…受光部、２０…制御部、３０…信号処理部、４０…有効画素部、４１〜４３…ダミー画素部、５０…フォトダイオード、５１…ダミーフォトダイオード、５３…容量部、６０…読出回路、６１〜６３…ダミー読出回路、１００…半導体基板、Ｍ１〜Ｍ４…トランジスタ、Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎ…画素部。

Claims

半導体基板上に複数の画素部がアレイ配置されて形成された受光部と、各画素部から読み出される信号値を処理する信号処理部とを備える固体撮像装置であって、
前記複数の画素部それぞれが有効画素部およびダミー画素部の何れかであり、
前記有効画素部が、光入射に応じて電荷を発生するフォトダイオードと、該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた信号値を読み出す読出回路とを含み、
前記ダミー画素部が、光入射に応じて電荷を発生するダミーフォトダイオードと、該ダミーフォトダイオードに対して電気的に切り離されておりノイズ成分を読み出すダミー読出回路とを含み、
前記信号処理部が、前記有効画素部から読み出された信号値から、前記ダミー画素部から読み出されたノイズ成分を差し引くことで、前記有効画素部から読み出された信号値のうちの信号成分を得る、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記半導体基板上において、前記有効画素部のフォトダイオードおよび前記ダミー画素部のダミーフォトダイオードそれぞれの回路レイアウトが互いに同じであり、前記有効画素部の読出回路および前記ダミー画素部のダミー読出回路それぞれの回路レイアウトが互いに同じである、ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記半導体基板上の回路レイアウトにおいて、前記ダミー画素部のダミーフォトダイオードとダミー読出回路との間隔が、前記ダミー画素部の隣に位置する画素部のフォトダイオードまたはダミーフォトダイオードと前記ダミー画素部のダミーフォトダイオードとの間隔より長い、ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。