JP6185098B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

特許文献１には、放射線撮像装置に関する技術が記載されている。この装置は、被写体からの放射線を電気信号に変換する変換素子と、電気信号を外部に転送する転送スイッチとを含む複数の画素が二次元状に配置されて成るセンサアレイを備えている。また、この装置は、センサアレイの各画素を行方向に接続する複数のゲート線と、各ゲート線に接続された各画素の電気信号を読み出すために、各ゲート線を駆動させるゲート駆動装置と、センサアレイの各画素を列方向に接続する複数の信号線と、各信号線に対応して設けられ、各転送スイッチから転送された電気信号を増幅して読み出す複数のアンプとを備えている。

特開２００７−５００５３号公報

固体撮像装置は、複数の画素が複数行及び複数列にわたって二次元状に配置された受光部を有する。各画素には、入射した光を電子に変換するためのフォトダイオードが配置される。各画素のフォトダイオードは、各列毎に配設された読出用配線にスイッチ回路（例えばトランジスタ）を介して接続されており、フォトダイオード内に蓄積された電荷は、スイッチ回路が導通状態となることによって読出用配線へ流出する。電荷は、読出用配線を通って積分回路に達し、積分回路において電圧信号に変換される。各画素のスイッチ回路の導通状態を制御するための制御端子（例えばゲート端子）は、各行毎に配設された行選択用配線に接続されている。そして、シフトレジスタからの信号が行選択用配線を介して各スイッチ回路の制御端子に与えられることにより、各画素からの電荷の読み出しが各行毎に行われる。

このような構成を備える固体撮像装置では、受光部だけでなく受光部の周囲の領域にも光が入射する。また、例えば固体撮像装置がＸ線撮像装置として用いられる場合には、受光部の周囲の領域がシンチレータによって覆われていたとしても、シンチレータを透過したＸ線およびシンチレータからのシンチレーション光が受光部の周囲の領域に入射する。これにより、受光部の周囲の領域では不要な電荷（キャリア）が発生してしまう。特に、受光部と並んで配置されるシフトレジスタは或る程度の面積を有しているので、シフトレジスタが形成されている領域において多くの不要キャリアが発生する。

シフトレジスタにおいて発生した不要キャリアが受光部に流入すると、シフトレジスタに隣接する画素からの出力にノイズが重畳されてしまう。このような現象を回避するため、シフトレジスタと受光部との間の領域に、不要キャリアを吸収するためのフォトダイオード（ダミーフォトダイオード）を配置し、このダミーフォトダイオードを基準電位線（接地配線）に短絡することが考えられる。

しかしながら、この方式には次の課題がある。通常、受光部において互いに隣接する画素間には、これらのフォトダイオード間に生じるカップリング容量等に起因するクロストークが存在する。また、各画素では、スイッチ回路を介して互いに繋がっているフォトダイオードと行選択用配線との間に寄生容量が存在しており、この寄生容量もまた、クロストークに影響する。しかし、上述したダミーフォトダイオードにはスイッチ回路が設けられていないので、このような寄生容量は生じない。このため、ダミーフォトダイオードに隣接する画素では、他の画素と比較してクロストークの程度が異なり、ダミーフォトダイオードに隣接する画素からの出力特性やノイズの大きさが他の画素とは異なってしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ダミーフォトダイオードに隣接する画素の出力特性やノイズの大きさを、他の画素に近づけ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。

上述した課題を解決するために、本発明による固体撮像装置は、第１のフォトダイオード、及び該第１のフォトダイオードに一端が接続された第１のスイッチ回路を各々含み、Ｍ行Ｎ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）に二次元配列されたＭ×Ｎ個の画素を有し、単結晶シリコン基板上に形成された受光部と、第１のフォトダイオード上を通り、各列毎に配設され、対応する列の画素に含まれる第１のスイッチ回路の他端に接続されたＮ本の読出用配線と、Ｎ本の読出用配線を経て入力される電荷の量に応じた電圧値を各々出力するＮ個の積分回路と、受光部に対して行方向に並んで配置され、第１のスイッチ回路の開閉状態を各行毎に制御するシフトレジスタと、シフトレジスタと受光部との間の領域に配置されたダミーフォトダイオードと、ダミーフォトダイオードに一端が接続された第２のスイッチ回路と、ダミーフォトダイオード上を通り、第２のスイッチ回路の他端に接続されるとともに基準電位線に短絡された電荷排出用配線とを備えることを特徴とする。

この固体撮像装置では、シフトレジスタと受光部との間の領域にダミーフォトダイオードが配置されている。シフトレジスタにおいて発生する不要キャリアは、このダミーフォトダイオードによって吸収される。これにより、シフトレジスタにおいて発生した不要キャリアに起因するノイズが受光部の画素からの出力に重畳されることを効果的に防ぐことができる。

また、この固体撮像装置では、ダミーフォトダイオードと電荷排出用配線とが第２のスイッチ回路を介して接続されており、第２のスイッチ回路が導通状態となったときに、不要キャリアがダミーフォトダイオードから電荷排出用配線を経て基準電位線へ排出される。このように、上記固体撮像装置では、受光部内の各画素における第１のスイッチ回路と同様に、ダミーフォトダイオードにも第２のスイッチ回路が設けられている。従って、上記の固体撮像装置によれば、ダミーフォトダイオードに隣接する画素におけるクロストークの大きさを、他の画素におけるクロストークの大きさに近づけることができ、ダミーフォトダイオードに隣接する画素からの出力特性やノイズの大きさを他の画素のそれに近づけることが可能となる。

また、固体撮像装置は、行方向におけるダミーフォトダイオードの幅が、該方向における第１のフォトダイオードの幅よりも短いことを特徴としてもよい。上記の固体撮像装置において、ダミーフォトダイオードの大きさは、第１のフォトダイオードと必ずしも等しくなくてもよい。そこで、このようにダミーフォトダイオードの幅を第１のフォトダイオードの幅よりも短くすることによって、受光部の周囲の領域を狭くし、例えば複数の固体撮像装置を並べて配置する際に固体撮像装置間に生じる不感領域を狭くすることができる。

また、固体撮像装置は、シフトレジスタと受光部とが共通の単結晶シリコン基板上に形成されていることを特徴としてもよい。このような場合には、シフトレジスタにおいて発生した不要キャリアが受光部に流入し易いが、上記の固体撮像装置によれば、受光部への不要キャリアの流入を効果的に防ぐことができる。

本発明による固体撮像装置によれば、ダミーフォトダイオードに隣接する画素の出力特性やノイズの大きさを、他の画素に近づけることができる。

固体撮像装置を示す平面図である。 固体撮像装置の一部を拡大した平面図である。 固体撮像装置の内部構成を示す図である。 画素、積分回路、及び保持回路、並びにキャリア捕獲領域の詳細な回路構成例を示す図である。 各信号のタイミングチャートである。 シフトレジスタと受光部との間の領域に、不要キャリアを吸収するためのダミーフォトダイオードを配置した例を示す平面図である。 （ａ）受光部の平面図であって、継ぎ露光の境界線の一例を示している。（ｂ）キャリア捕獲部付近の継ぎ露光の境界線の一例を示している。 （ａ）受光部の平面図であって、継ぎ露光の境界線の別の例を示している。（ｂ）キャリア捕獲部付近の継ぎ露光の境界線の別の例を示している。 ２枚のガラス基板を並べて配置した例を概略的に示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による固体撮像装置の実施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。

本実施形態に係る固体撮像装置は、例えば医療用Ｘ線撮像システムに用いられる。図１及び図２は、本実施形態における固体撮像装置１Ａの構成を示す図である。図１は固体撮像装置１Ａを示す平面図であり、図２は固体撮像装置１Ａの一部を拡大した平面図である。なお、図１及び図２には、理解を容易にするためＸＹＺ直交座標系を併せて示している。

図１に示されるように、固体撮像装置１Ａは、受光部２０、不要キャリア捕獲部３０、読出回路部４０、及び垂直シフトレジスタ６０を備えている。受光部２０、不要キャリア捕獲部３０、読出回路部４０、及び垂直シフトレジスタ６０は、基板１２の主面上に作製されている。垂直シフトレジスタ６０は、受光部２０に対してＸ軸方向に並んで配置されている。不要キャリア捕獲部３０の一部分は、受光部２０と垂直シフトレジスタ６０との間の領域に配置されており、不要キャリア捕獲部３０の残りの部分は、受光部２０に対してＹ軸方向に並んで配置され、受光部２０と読出回路部４０との間の領域に位置している。

読出回路部４０は、受光部２０の複数列それぞれに対応して設けられた複数の積分回路を含んでおり、これら複数の積分回路は、対応する列の画素から出力される電荷の量に応じた電圧値をそれぞれ生成する。読出回路部４０は、各積分回路から出力された電圧値を保持し、その保持した電圧値を逐次的に出力する。

受光部２０は、複数の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，ＮがＭ行及びＮ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）にわたって二次元配列されることにより構成されている。図２には、複数の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎを代表して、４つの画素Ｐ_{ｍ，Ｎ−１}、Ｐ_ｍ，Ｎ、Ｐ_{ｍ＋１，Ｎ−１}、及びＰ_{ｍ＋１，Ｎ}が示されている。例えば、画素Ｐ_ｍ，Ｎは第ｍ行第Ｎ列（ｍは１以上Ｍ以下の整数）に位置する画素である。図１及び図２において、列方向はＹ軸方向と一致し、行方向はＸ軸方向と一致する。受光部２０に含まれる画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎそれぞれは、トランジスタ２１及びフォトダイオード２２を備えている。画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎそれぞれが有するトランジスタ２１は、本実施形態における第１のスイッチ回路である。トランジスタ２１は、好適には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されるが、バイポーラトランジスタによって構成されてもよい。以下では、トランジスタ２１がＦＥＴであるものとして説明する。この場合、制御端子はゲートを意味する。トランジスタ２１がバイポーラトランジスタである場合には、制御端子はベースを意味する。

また、画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎそれぞれが有するフォトダイオード２２は、本実施形態における第１のフォトダイオードである。フォトダイオード２２は、ｐｎ接合若しくはｐｉｎ接合を含む半導体領域によって構成され、入射光強度に応じた量の電荷を発生し、その発生した電荷を接合容量部に蓄積する。トランジスタ２１の一端（例えばソース領域）は、フォトダイオード２２と電気的に接続されている。なお、受光部２０の上には図示しないシンチレータが設けられている。シンチレータは、入射したＸ線に応じてシンチレーション光を発生してＸ線像を光像へと変換し、この光像をフォトダイオード２２へ出力する。

固体撮像装置１Ａは、各行毎に配設された複数の行選択用配線Ｑ_１〜Ｑ_Ｍ（図２にはＱ_ｍ及びＱ_ｍ＋１を代表して示す）と、各列毎に配設された複数の読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎ（図２にはＲ_Ｎ及びＲ_Ｎ−１を代表して示す）とを更に備えている。第ｍ行の行選択用配線Ｑ_ｍは、対応する行の画素Ｐ_ｍ，１〜Ｐ_ｍ，Ｎに含まれるトランジスタ２１の開閉状態を制御するための制御端子（例えばゲート端子）と、トランジスタ２１の開閉状態を各行毎に制御する垂直シフトレジスタ６０とを互いに電気的に接続している。また、第ｎ列（ｎは１以上Ｎ以下の整数）の読出用配線Ｒ_ｎは、対応する列の画素Ｐ_１，ｎ〜Ｐ_Ｍ，ｎに含まれるトランジスタ２１の他端（例えばドレイン領域）と電気的に接続されている。複数の行選択用配線Ｑ_１〜Ｑ_Ｍ、及び複数の読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎは、例えば金属からなる。

不要キャリア捕獲部３０は、Ｍ個のキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍを有する。キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍは、受光部２０と垂直シフトレジスタ６０との間の領域において、各行毎に配置されている。なお、図２には、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍを代表して、２つのキャリア捕獲領域ＤＡ_ｍ及びＤＡ_ｍ＋１が示されている。例えば、キャリア捕獲領域ＤＡ_ｍは第ｍ行に位置するキャリア捕獲領域である。Ｍ個のキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍそれぞれは、上述した画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎと同様に、トランジスタ２１及びフォトダイオード２２を備えている。なお、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍそれぞれが有するＭ個のトランジスタ２１は、本実施形態における第２のスイッチ回路である。また、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍそれぞれが有するＭ個のフォトダイオード２２は、本実施形態におけるダミーフォトダイオードであって、ｐｎ接合若しくはｐｉｎ接合を含む半導体領域によって構成され、受光部２０と垂直シフトレジスタ６０との間の領域において各行毎に配置されている。トランジスタ２１の一端（例えばソース領域）は、フォトダイオード２２と電気的に接続されている。

キャリア捕獲領域ＤＡ_ｍに含まれるトランジスタ２１の開閉状態を制御するための制御端子（例えばゲート端子）は、対応する行の行選択用配線Ｑ_ｍと電気的に接続されている。また、固体撮像装置１Ａは、電荷排出用配線Ｒ_ｄを更に備えている。電荷排出用配線Ｒ_ｄは、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍに含まれるトランジスタ２１の他端（例えばドレイン領域）と電気的に接続されている。電荷排出用配線Ｒ_ｄは、金属からなる。なお、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍは遮光されておらず、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍには通常の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎと同様に光が入射する。但し、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍの一部または全部が遮光されていてもよい。

不要キャリア捕獲部３０は、更に、各列毎に配置された（Ｎ＋１）個のキャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１を有する。キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１の構成は、前述した画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎと同様である。すなわち、キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１それぞれは、トランジスタ２１及びフォトダイオード２２を備えている。トランジスタ２１の一端（例えばソース領域）は、フォトダイオード２２と電気的に接続されている。キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１に含まれるトランジスタ２１の制御端子は、後述する行選択用配線Ｑ_ｄと電気的に接続されている。また、キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎに含まれるトランジスタ２１の他端（例えばドレイン領域）は、各列の読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎと電気的に接続されている。なお、第（Ｎ＋１）列のキャリア捕獲領域ＤＢ_Ｎ＋１に含まれるトランジスタ２１の他端は、電荷排出用配線Ｒ_ｄと電気的に接続されている。

続いて、固体撮像装置１Ａの回路構成について詳細に説明する。図３は、固体撮像装置１Ａの内部構成を示す図である。前述したように、受光部２０は、Ｍ×Ｎ個の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る。また、不要キャリア捕獲部３０は、Ｍ個のキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍと、（Ｎ＋１）個のキャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１とを含んでいる。第ｍ行のＮ個の画素Ｐ_ｍ，１〜Ｐ_ｍ，Ｎおよびキャリア捕獲領域ＤＡ_ｍに接続された第ｍ行選択用配線Ｑ_ｍは、垂直シフトレジスタ６０に接続されている。また、キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１に接続された行選択用配線Ｑ_ｄもまた、垂直シフトレジスタ６０に接続されている。

読出回路部４０は、読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎを介して各列毎に出力される電荷量に応じた電気信号を、逐次に出力するための回路である。読出回路部４０は、各列毎に設けられたＮ個の積分回路４２と、Ｎ個の保持回路４４とを有している。積分回路４２及び保持回路４４は、各列毎に互いに直列に接続されている。Ｎ個の積分回路４２は、互いに共通の構成を有している。また、Ｎ個の保持回路４４は、互いに共通の構成を有している。

Ｎ個の積分回路４２それぞれは、読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎそれぞれに接続された入力端を有しており、読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎから入力された電荷を蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力端からＮ個の保持回路４４それぞれへ出力する。但し、電荷排出用配線Ｒ_ｄには積分回路が設けられておらず、電荷排出用配線Ｒ_ｄは基準電位線（本実施形態においては接地電位に接続された電位線）ＧＮＤに短絡されている。従って、電荷排出用配線Ｒ_ｄを通った電荷は、基準電位線ＧＮＤに排出される。このように、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍの各ダミーフォトダイオード２２から出力される信号は、読出回路部４０へ入力される画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２から出力される信号と異なり、固体撮像装置１Ａから出力されない。

Ｎ個の積分回路４２それぞれは、Ｎ個の積分回路４２に対して共通に設けられたリセット用配線４６に接続されている。Ｎ個の保持回路４４それぞれは、積分回路４２の出力端に接続された入力端を有し、この入力端に入力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力端から電圧出力用配線４８へ出力する。Ｎ個の保持回路４４それぞれは、Ｎ個の保持回路４４に対して共通に設けられた保持用配線４５に接続されている。また、Ｎ個の保持回路４４それぞれは、第１列選択用配線Ｕ_１〜第Ｎ列選択用配線Ｕ_Ｎそれぞれを介して水平シフトレジスタ６１に接続されている。

垂直シフトレジスタ６０は、第ｍ行選択制御信号ＶＳ_ｍを、第ｍ行選択用配線Ｑ_ｍを介して第ｍ行のＮ個の画素Ｐ_ｍ，１〜Ｐ_ｍ，Ｎそれぞれに提供する。加えて、垂直シフトレジスタ６０は、行選択制御信号ＶＳ_ｄを、行選択用配線Ｑ_ｄを介して（Ｎ＋１）個のキャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１に提供する。垂直シフトレジスタ６０において、行選択制御信号ＶＳ_ｄ，ＶＳ_１〜ＶＳ_Ｍは順次に有意値とされる。また、水平シフトレジスタ６１は、列選択制御信号ＨＳ_１〜ＨＳ_ｎを、列選択用配線Ｕ_１〜Ｕ_ｎを介してＮ個の保持回路４４それぞれに提供する。列選択制御信号ＨＳ_１〜ＨＳ_ｎは順次に有意値とされる。また、Ｎ個の積分回路４２それぞれには、リセット用配線４６を介してリセット制御信号ＲＥが提供される。Ｎ個の保持回路４４それぞれには、保持用配線４５を介して保持制御信号Ｈｄが提供される。

図４は、画素Ｐ_ｍ，ｎ、積分回路４２、及び保持回路４４、並びにキャリア捕獲領域ＤＡ_ｍの詳細な回路構成例を示す図である。ここでは、Ｍ×Ｎ個の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎを代表して第ｍ行第ｎ列の画素Ｐ_ｍ，ｎの回路図を示しており、Ｍ個のキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍを代表して第ｍ行のキャリア捕獲領域ＤＡ_ｍの回路図を示している。

図４に示されるように、画素Ｐ_ｍ，ｎのフォトダイオード２２のアノード端子は接地され、カソード端子は、トランジスタ２１を介して読出用配線Ｒ_ｎに接続されている。同様に、キャリア捕獲領域ＤＡ_ｍのフォトダイオード２２のアノード端子は接地され、カソード端子は、トランジスタ２１を介して電荷排出用配線Ｒ_ｄに接続されている。画素Ｐ_ｍ，ｎ及びキャリア捕獲領域ＤＡ_ｍのトランジスタ２１には、垂直シフトレジスタ６０から第ｍ行選択用配線Ｑ_ｍを介して第ｍ行選択制御信号ＶＳ_ｍが提供される。第ｍ行選択制御信号ＶＳ_ｍは、第ｍ行のＮ個の画素Ｐ_ｍ，１〜Ｐ_ｍ，ｎ及びキャリア捕獲領域ＤＡ_ｍに含まれるトランジスタ２１の開閉動作を指示する。例えば、第ｍ行選択制御信号ＶＳ_ｍが非有意値（トランジスタ２１の制御端子のオフ電圧）であるときに、トランジスタ２１が非導通状態となる。このとき、フォトダイオード２２において発生した電荷は、読出用配線Ｒ_ｎ（または電荷排出用配線Ｒ_ｄ）へ出力されることなくフォトダイオード２２の接合容量部に蓄積される。一方、第ｍ行選択制御信号ＶＳ_ｍが有意値（トランジスタ２１の制御端子のオン電圧）であるときに、トランジスタ２１が接続状態となる。このとき、フォトダイオード２２の接合容量部に蓄積されていた電荷は、トランジスタ２１を経て読出用配線Ｒ_ｎ（または電荷排出用配線Ｒ_ｄ）へ出力される。画素Ｐ_ｍ，ｎのフォトダイオード２２から出力された電荷は、読出用配線Ｒ_ｎを通って積分回路４２へ送られる。一方、キャリア捕獲領域ＤＡ_ｍのフォトダイオード２２から出力された電荷は、電荷排出用配線Ｒ_ｄを通って基準電位線ＧＮＤへ送られる。

積分回路４２は、アンプ４２ａ、容量素子４２ｂ、及び放電用スイッチ４２ｃを含む、いわゆる電荷積分型の構成を備えている。容量素子４２ｂ及び放電用スイッチ４２ｃは、互いに並列に接続され、且つアンプ４２ａの入力端子と出力端子との間に接続されている。アンプ４２ａの入力端子は読出用配線Ｒ_ｎに接続されている。放電用スイッチ４２ｃには、リセット用配線４６を介してリセット制御信号ＲＥが提供される。

リセット制御信号ＲＥは、Ｎ個の積分回路４２それぞれの放電用スイッチ４２ｃの開閉動作を指示する。例えば、リセット制御信号ＲＥが非有意値（例えばハイレベル）であるときに、放電用スイッチ４２ｃが閉じて、容量素子４２ｂが放電され、積分回路４２の出力電圧値が初期化される。また、リセット制御信号ＲＥが有意値（例えばローレベル）であるときに、放電用スイッチ４２ｃが開いて、積分回路４２に入力された電荷が容量素子４２ｂに蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路４２から出力される。

保持回路４４は、入力用スイッチ４４ａ、出力用スイッチ４４ｂ及び容量素子４４ｃを含む。容量素子４４ｃの一端は接地されている。容量素子４４ｃの他端は、入力用スイッチ４４ａを介して積分回路４２の出力端に接続され、且つ、出力用スイッチ４４ｂを介して電圧出力用配線４８と接続されている。入力用スイッチ４４ａには、保持用配線４５を介して保持制御信号Ｈｄが与えられる。保持制御信号Ｈｄは、Ｎ個の保持回路４４それぞれの入力用スイッチ４４ａの開閉動作を指示する。保持回路４４の出力用スイッチ４４ｂには、第ｎ列選択用配線Ｕ_ｎを介して第ｎ列選択制御信号ＨＳ_ｎが与えられる。選択制御信号ＨＳ_ｎは、保持回路４４の出力用スイッチ４４ｂの開閉動作を指示する。

例えば、保持制御信号Ｈｄがハイレベルからローレベルに転じると、入力用スイッチ４４ａが閉状態から開状態に転じて、そのときに保持回路４４に入力されている電圧値が容量素子４４ｃに保持される。また、第ｎ列選択制御信号ＨＳ_ｎがローレベルからハイレベルに転じると、出力用スイッチ４４ｂが閉じて、容量素子４４ｃに保持されている電圧値が電圧出力用配線４８へ出力される。

図５は、各信号のタイミングチャートである。図５には、上から順に、（ａ）リセット制御信号ＲＥ、（ｂ）行選択制御信号ＶＳ_ｄ、（ｃ）第１行選択制御信号ＶＳ_１、（ｄ）第２行選択制御信号ＶＳ_２、（ｅ）第３行選択制御信号ＶＳ_３、（ｆ）第４行選択制御信号ＶＳ_４、（ｇ）第Ｍ行選択制御信号ＶＳ_Ｍ、（ｈ）保持制御信号Ｈｄ、及び（ｉ）第１列選択制御信号ＨＳ_１〜第Ｎ列選択制御信号ＨＳ_Ｎがそれぞれ示されている。

まず、時刻ｔ_１０から時刻ｔ_１１までの期間、リセット制御信号ＲＥがハイレベルとされる。これにより、Ｎ個の積分回路４２それぞれにおいて、放電用スイッチ４２ｃが閉状態となり、容量素子４２ｂが放電される。

時刻ｔ_１１より後の時刻ｔ_１２から時刻ｔ_１３までの期間、垂直シフトレジスタ６０が行選択制御信号ＶＳ_ｄをハイレベルとする。これにより、キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１においてトランジスタ２１が接続状態となり、キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１それぞれのフォトダイオード２２に蓄積された電荷が、読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎを通って積分回路４２に出力され、容量素子４２ｂに蓄積される。その後、時刻ｔ_１３より後の時刻ｔ_１４から時刻ｔ_１５までの期間、リセット制御信号ＲＥがハイレベルとされる。これにより、Ｎ個の積分回路４２それぞれにおいて、放電用スイッチ４２ｃが閉状態となり、容量素子４２ｂに蓄積されていた電荷が放出される。

続いて、時刻ｔ_１５より後の時刻ｔ_１６から時刻ｔ_１７までの期間、第１行選択制御信号ＶＳ_１をハイレベルとする。これにより、第１行の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_１，Ｎ及びキャリア捕獲領域ＤＡ_１においてトランジスタ２１が接続状態となる。画素Ｐ_１，１〜Ｐ_１，Ｎそれぞれのフォトダイオード２２に蓄積された電荷は、読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎを通って積分回路４２に出力され、容量素子４２ｂに蓄積される。積分回路４２からは、容量素子４２ｂに蓄積された電荷量に応じた大きさの電圧値が出力される。一方、キャリア捕獲領域ＤＡ_１のフォトダイオード２２に蓄積された電荷は、電荷排出用配線Ｒ_ｄを通って基準電位線ＧＮＤへ放出される。

そして、時刻ｔ_１７より後の時刻ｔ_１８から時刻ｔ_１９までの期間、保持制御信号Ｈｄがハイレベルとされ、これにより、Ｎ個の保持回路４４のそれぞれにおいて入力用スイッチ４４ａが接続状態となり、積分回路４２から出力された電圧値が容量素子４４ｃによって保持される。

続いて、時刻ｔ_１９より後の時刻ｔ_２０から時刻ｔ_２１までの期間、水平シフトレジスタ６１が第１列選択制御信号ＨＳ_１〜第Ｎ列選択制御信号ＨＳ_Ｎを順次ハイレベルとする。これにより、Ｎ個の保持回路４４の出力用スイッチ４４ｂが順次閉状態となり、容量素子４４ｃに保持されていた電圧値が逐次に電圧出力用配線４８へ出力される。また、この間、リセット制御信号ＲＥがハイレベルとされ、積分回路４２の容量素子４２ｂが放電される。

続いて、時刻ｔ_２１より後の時刻ｔ_２２から時刻ｔ_２３までの期間、垂直シフトレジスタ６０が第２行選択制御信号ＶＳ_２をハイレベルとする。これにより、第２行の画素Ｐ_２，１〜Ｐ_２，Ｎ及びキャリア捕獲領域ＤＡ_２においてトランジスタ２１が接続状態となる。画素Ｐ_２，１〜Ｐ_２，Ｎそれぞれのフォトダイオード２２に蓄積された電荷は、読出用配線Ｒ_１〜Ｒ_Ｎを通って積分回路４２に出力され、容量素子４２ｂに蓄積される。一方、キャリア捕獲領域ＤＡ_２のフォトダイオード２２に蓄積された電荷は、電荷排出用配線Ｒ_ｄを通って基準電位線ＧＮＤへ放出される。以降、第１行と同様の動作によって、容量素子４２ｂに蓄積された電荷量に応じた大きさの電圧値がＮ個の保持回路４４から逐次に電圧出力用配線４８へ出力される。そして、第３行ないし第Ｍ行の画素に蓄積された電荷についても、第１行と同様の動作によって電圧値に変換され、逐次に電圧出力用配線４８へ出力される。こうして、受光部２０からの一つの撮像フレーム分の画像データの読み出しが完了する。

以上に説明した本実施形態による固体撮像装置１Ａが奏する効果について説明する。本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、受光部２０だけでなく受光部２０の周囲の領域にも光が入射する。また、固体撮像装置１ＡはＸ線撮像装置として用いられるが、受光部２０の周囲の領域がシンチレータによって覆われていたとしても、シンチレータを透過したＸ線およびシンチレータからのシンチレーション光が受光部２０の周囲の領域に入射する。これにより、受光部２０の周囲の領域では不要な電荷（不要キャリア）が発生してしまう。特に、受光部２０と並んで配置される垂直シフトレジスタ６０は或る程度の面積を有しているので、垂直シフトレジスタ６０が形成されている領域において多くの不要キャリアが発生する。

垂直シフトレジスタ６０において発生した不要キャリアが受光部２０に流入すると、垂直シフトレジスタ６０に隣接する画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎからの出力にノイズが重畳されてしまう。図６は、このような現象を回避するため、垂直シフトレジスタ６０と受光部２０との間の領域に、不要キャリアを吸収するためのフォトダイオード（ダミーフォトダイオード）８１を配置した例を示す平面図である。このダミーフォトダイオード８１は、複数行にわたって形成されており、第１行から第Ｍ行まで連続的に形成されている（すなわち列方向につながっている）。このダミーフォトダイオード８１を基準電位線（接地配線）ＧＮＤに短絡することにより、垂直シフトレジスタ６０において発生した不要キャリアを基準電位線ＧＮＤへ放出し、受光部２０への流入を防ぐことができる。

しかしながら、この方式には次の課題がある。通常、受光部２０において互いに隣接する画素間には、これらのフォトダイオード２２間に生じるカップリング容量等に起因するクロストークが存在する。また、各画素では、トランジスタ２１を介して互いに繋がっているフォトダイオード２２と行選択用配線Ｑ_ｍとの間に寄生容量が存在しており、この寄生容量もまた、クロストークに影響する。しかし、上述したダミーフォトダイオード８１にはトランジスタが設けられていないので、そのような寄生容量は生じない。このため、ダミーフォトダイオード８１に隣接する画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎでは、他の画素と比較してクロストークの程度が異なり、ダミーフォトダイオード８１に隣接する画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎからの出力特性やノイズの大きさが他の画素とは異なってしまう。

このような課題に鑑み、本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、垂直シフトレジスタ６０と受光部２０との間のキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍにおいて、Ｍ個のフォトダイオード（ダミーフォトダイオード）２２が各行毎に配置されている。垂直シフトレジスタ６０において発生する不要キャリアは、これらのフォトダイオード２２によって吸収される。これにより、垂直シフトレジスタ６０において発生した不要キャリアに起因するノイズが受光部２０の画素からの出力に重畳されることを効果的に防ぐことができる。

また、この固体撮像装置１Ａでは、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２と電荷排出用配線Ｒ_ｄとがトランジスタ２１を介して接続されており、トランジスタ２１が導通状態となったときに、不要キャリアがフォトダイオード２２から電荷排出用配線Ｒ_ｄを経て基準電位線ＧＮＤへ排出される。このように、固体撮像装置１Ａでは、受光部２０内の各画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎと同様に、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２にもトランジスタ２１が設けられている。また、各行のキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍそれぞれにフォトダイオード２２が設けられているため、列方向に隣接するキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２は互いに離間している。従って、本実施形態の固体撮像装置１Ａによれば、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍに隣接する画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎにおけるクロストークの大きさを、他の画素におけるクロストークの大きさに近づけることができるので、画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎからの出力特性やノイズの大きさを他の画素のそれに近づけることが可能となる。また、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍが遮光されていないか、または一部のみ遮光されている場合には、他の画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎと同様にキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２にも光が入射してキャリアが発生するので、キャリアの蓄積量も他の画素に近づけることが可能となる。

また、本実施形態のように、垂直シフトレジスタ６０と受光部２０とは、共通の基板１２上に形成されていてもよい。このような場合には、垂直シフトレジスタ６０において発生した不要キャリアが受光部２０に流入し易いが、本実施形態の固体撮像装置１Ａによれば、受光部２０への不要キャリアの流入を効果的に防ぐことができる。

また、本実施形態のように、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのトランジスタ２１の各制御端子は、各画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎのトランジスタ２１の各制御端子と共通の行選択用配線Ｑ_１〜Ｑ_Ｍに接続されていることが好ましい。これにより、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２と行選択用配線Ｑ_１〜Ｑ_Ｍとの間の寄生容量値を、各画素Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２と行選択用配線Ｑ_１〜Ｑ_Ｍとの間の寄生容量値に近づけることができる。従って、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍに隣接する画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎにおけるクロストークの大きさを、他の画素におけるクロストークの大きさに更に近づけることができる。

ここで、本実施形態に係る固体撮像装置１Ａの製造工程における露光方法について説明する。固体撮像装置１Ａを製造する際には、多数の画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎおよびキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ、ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１を、所定パターンを含むレチクルを使用しつつフォトリソグラフィ技術によって作製する。このとき、各画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎが互いに共通の構成を有することから、所定パターンを含むレチクルの位置を移動させながら複数回にわたって露光を行う、いわゆる継ぎ露光が行われる。図７（ａ）は、受光部２０の平面図であって、継ぎ露光の境界線（継ぎ目）ＬＡの一例を示している。図７（ａ）に示される例では、矩形状のフォトダイオード２２の中心を通る線を境界線ＬＡ，ＬＢとしている。この場合、図７（ｂ）に示されるように、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ、ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１のフォトダイオード２２の大きさは、画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２の大きさとほぼ同等となる。

また、図８（ａ）は、受光部２０の平面図であって、継ぎ露光の境界線ＬＡの別の例を示している。図８（ａ）に示される例では、列方向の境界線ＬＡが、矩形状のフォトダイオード２２の中心に対して左側（すなわちキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍから離れる側）に寄っており、また、行方向の境界線ＬＢが、矩形状のフォトダイオード２２の中心に対して上側（すなわちキャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎから離れる側）に寄っている。この場合、図８（ｂ）に示されるように、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ、ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１のフォトダイオード２２の大きさを、画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２の大きさよりも小さくすることができる。具体的には、行方向におけるキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２の幅を、該方向における画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２の幅よりも短くすることができる。また、列方向におけるキャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎのフォトダイオード２２の幅を、該方向における画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２の幅よりも短くすることができる。従って、受光部２０の周囲に必要とされる領域を狭くすることができる。

上記のようにキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ、ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１のフォトダイオード２２を小さくすることには、次の利点がある。図９は、２枚のガラス基板１２を並べて配置した例を概略的に示す平面図である。これらのガラス基板１２上には、受光部２０の画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎと、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ及びＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１とが形成されている。固体撮像装置全体での受光部の面積を更に大きくしたい場合には、このように複数枚のガラス基板１２を並べて配置することが有効である。このとき、２枚のガラス基板１２上における画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎ、キャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ及びＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎの配置を同一とすれば、部品を共通化して製造コストを低く抑えることができる。しかし、その場合、２つの受光部２０の間にキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍが位置することとなり、その領域は画像を取得できない不感領域（デッドエリア）となる。このような場合、行方向におけるキャリア捕獲領域ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍのフォトダイオード２２の幅を、該方向における画素Ｐ_１，Ｎ〜Ｐ_Ｍ，Ｎのフォトダイオード２２の幅よりも短くすることによって、上記の不感領域を狭くすることが可能となる。

また、図８（ａ）を参照すると、通常の画素Ｐ_{ｍ＋１，ｎ}において、Ｐ_{ｍ＋１，ｎ＋１}に近い側にトランジスタが形成されている。また、画素Ｐ_{ｍ＋１，ｎ}の継ぎ目（境界線ＬＡ）は、画素Ｐ_{ｍ＋１，ｎ−１}に近い側に存在している。つまり、画素Ｐ_{ｍ＋１，ｎ}の中心に対して、画素の一方の側にトランジスタ、他方の側に継ぎ目（境界線ＬＡ）が存在することとなり、行方向において継ぎ目とトランジスタとの距離が大きくなる。このように、継ぎ目とトランジスタとを物理的に離すことができるので、製造不良を少なくすることができる。

本発明による固体撮像装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態に示された受光部は、ガラス基板上にアモルファスシリコンや多結晶シリコンが成膜された構成を備えてもよい。この場合、トランジスタ２１は薄膜トランジスタによって好適に実現される。或いは、受光部は、単結晶シリコン基板上に作製されてもよい。

また、上記実施形態では、各画素に増幅回路を有さず、各列の読出し用配線毎に積分回路が設けられた、いわゆるパッシブピクセルセンサ（ＰＰＳ）について本発明を適用したが、本発明は、各画素毎に増幅回路を有する、いわゆるアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）に適用されてもよい。

また、上記実施形態では、受光部に対し列方向に並んでキャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１が設けられている例を示したが、キャリア捕獲領域ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１は省略されてもよい。

１Ａ…固体撮像装置、１２…基板、２０…受光部、２１…トランジスタ、２２…フォトダイオード、３０…不要キャリア捕獲部、４０…読出回路部、４２…積分回路、４４…保持回路、４５…保持用配線、４６…リセット用配線、４８…電圧出力用配線、５１…ボンディングワイヤ、６０…垂直シフトレジスタ、６１…水平シフトレジスタ、ＤＡ_１〜ＤＡ_Ｍ，ＤＢ_１〜ＤＢ_Ｎ＋１…キャリア捕獲領域、ＧＮＤ…基準電位線、ＬＡ，ＬＢ…境界線（継ぎ目）、Ｐ_１，１〜Ｐ_Ｍ，Ｎ…画素、Ｑ_１〜Ｑ_Ｍ，Ｑ_ｄ…行選択用配線、Ｒ_１〜Ｒ_Ｎ…読出用配線、Ｒ_ｄ…電荷排出用配線、Ｒ_ｎ…読出用配線、Ｒ_ｎ…列読出用配線。

Claims (1)

1. 第１のフォトダイオード、及び該第１のフォトダイオードに一端が接続された第１のスイッチ回路を各々含み、Ｍ行Ｎ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）に二次元配列されたＭ×Ｎ個の画素を有し、単結晶シリコン基板上に形成された受光部と、
   前記第１のフォトダイオード上を通り、各列毎に配設され、対応する列の前記画素に含まれる前記第１のスイッチ回路の他端に接続されたＮ本の読出用配線と、
   前記Ｎ本の読出用配線に接続された読出回路部と、
   前記受光部に対して行方向に並んで配置され、前記第１のスイッチ回路の開閉状態を各行毎に制御するシフトレジスタと、
   前記シフトレジスタと前記受光部との間の領域に配置されたダミーフォトダイオードと、
   前記ダミーフォトダイオードに一端が接続された第２のスイッチ回路と、
   前記ダミーフォトダイオード上を通り、前記第２のスイッチ回路の他端に接続されるとともに基準電位線に短絡された電荷排出用配線と
   を備え、
   前記シフトレジスタと前記受光部とが共通の前記単結晶シリコン基板上に形成されており、
   行方向における前記ダミーフォトダイオードの幅が、該方向における前記第１のフォトダイオードの幅よりも短いことを特徴とする、固体撮像装置。

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