JPWO2017056347A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

半導体基板上に二次元配置された複数の画素（１００，２００）の各々は、光電変換により電荷を生成するフォトダイオード（ＰＤ）と、フォトダイオード（ＰＤ）からそれぞれ電荷を読み出すための２つの読み出しゲート（ＲＧ０，ＲＧ１）と、各々２つの読み出しゲート（ＲＧ０，ＲＧ１）のうちの対応する読み出しゲートを介してフォトダイオード（ＰＤ）から受け取った電荷を一時的に保持するための２つのメモリ部（ＭＥＭ０，ＭＥＭ１）とを有する。行方向にて互いに隣接する２つの画素（１００，２００）は、２つの読み出しゲート（ＲＧ０，ＲＧ１）のうちの一方を共有する。

Description

本発明は、距離測定に利用できる固体撮像装置に関するものである。
従来、距離測定に光飛行時間（ＴＯＦ：time of flight）法を採用した固体撮像装置が知られている。発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）からパルス状の光が対象物に照射され、当該対象物からの反射光による画像を固体撮像装置で検出して、照射光に対する反射光の遅延時間をもとに距離情報を取得するものである。
具体的には、例えば電荷振り分け方式と呼ばれる画素構造が採用される。これは、光電変換により電荷を生成する１つのフォトダイオードに複数の容量を接続し、ＬＥＤの発光に同期してフォトダイオードから異なるタイミングで各容量に電荷を読み出して分離蓄積し、各容量に蓄積された電荷の量をもとに対象物までの距離を計算するものである（特許文献１参照）。
特開２００８−８９３４６号公報
上記電荷振り分け方式による従来の画素構造では、隣接画素の読み出しゲート間に十分なスペースを設ける必要があったため、画素ピッチの低減が困難であった。また、画素の狭ピッチ化を実現しようとすると、各フォトダイオードの面積や各容量の面積を犠牲にせざるをえず、取り扱える電荷量に大きい制約が生じてしまう。
本発明の目的は、固体撮像装置において光電変換に基づく十分に大きい電荷量を取り扱える構成を維持しつつ、画素の狭ピッチ化を実現することにある。
本発明は、隣接画素の読み出しゲート間のスペースを解消すべく、隣接画素で読み出しゲートを共有することとしたものである。
本発明の１つの側面による固体撮像装置は、半導体基板上に二次元配置された複数の画素を備えた固体撮像装置であって、複数の画素の各々は、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、当該フォトダイオードからそれぞれ電荷を読み出すための２つの読み出しゲートと、各々当該２つの読み出しゲートのうちの対応する読み出しゲートを介して当該フォトダイオードから受け取った電荷を一時的に保持するための２つのメモリ部とを有し、複数の画素のうち行方向にて互いに隣接する２つの画素は、２つの読み出しゲートのうちの一方を共有することを特徴とする。
本発明によれば、隣接画素で読み出しゲートを共有することとしたので、隣接画素の読み出しゲート間のスペースが解消される結果、光電変換に基づく十分に大きい電荷量を取り扱える構成を維持しつつ、画素の狭ピッチ化を実現することができる。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置において互いに隣接する２つの画素の構造を示す平面図である。 図１の固体撮像装置中の２つの画素の回路図である。 図１の固体撮像装置における対象物までの距離測定の原理を説明するためのタイミング図である。 図１の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミング図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の平面図である。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置において互いに隣接する２つの画素の構造を示す平面図である。図１の固体撮像装置は、半導体基板上に拡散層が形成され、拡散層の上にポリシリコン層からなる各種ゲートが形成され、更にメタル配線が形成されたものであって、半導体基板上に二次元配置された複数の画素を備える。図１には、このうち行方向にて互いに隣接する２つの画素１００，２００の各々の全体と、その周辺画素の各々の一部とが示されている。以下、図１中の左側の画素１００を「第１の画素」と呼び、右側の画素２００を「第２の画素」と呼ぶ。
第１の画素１００は、フォトダイオードＰＤと、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１と、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１と、オーバーフロードレインＯＦＤと、第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１と、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１と、リセットトランジスタＲＳと、ソースフォロワ（増幅トランジスタ）ＳＦと、選択トランジスタＳＥＬとを有する。第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１と、リセットトランジスタＲＳのドレインと、ソースフォロワＳＦのゲートとは、メタル配線５により互いに接続されている。
フォトダイオードＰＤは、光電変換により電荷を生成するための平面視矩形の拡散層からなる素子である。第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１は、フォトダイオードＰＤからそれぞれ電荷を読み出すためのポリシリコン層からなるゲートである。ここで、第１の読み出しゲートＲＧ０はフォトダイオードＰＤの下辺左側に、第２の読み出しゲートＲＧ１はフォトダイオードＰＤの下辺右側にそれぞれ形成されている。第１のメモリ部ＭＥＭ０は、第１の読み出しゲートＲＧ０を介してフォトダイオードＰＤから受け取った電荷を一時的に保持する。第２のメモリ部ＭＥＭ１は、第２の読み出しゲートＲＧ１を介してフォトダイオードＰＤから受け取った電荷を一時的に保持する。オーバーフロードレインＯＦＤは、フォトダイオードＰＤから過剰電荷を排出するためのドレインであって、フォトダイオードＰＤの上辺と電源ＶＤＤとの間に介在している。
第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１は、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に隣接してそれぞれ形成されている。第１の転送ゲートＴＧ０は、第１のメモリ部ＭＥＭ０から第１のフローティングディフュージョン部ＦＤ０へ電荷を転送するためのポリシリコン層からなるゲートである。第２の転送ゲートＴＧ１は、第２のメモリ部ＭＥＭ１から第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ１へ電荷を転送するためのポリシリコン層からなるゲートである。
リセットトランジスタＲＳは、第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１の蓄積電荷をリセットするためのトランジスタである。ソースフォロワＳＦは、第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１の蓄積電荷に応じた電圧信号を出力するためのトランジスタである。選択トランジスタＳＥＬは、ソースフォロワＳＦと信号線ＳＩＧとの間に介在した行選択のためのトランジスタである。
第２の画素２００は、第１の画素１００と同様の構造を有しており、第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１と、リセットトランジスタＲＳのドレインと、ソースフォロワＳＦのゲートとは、メタル配線６により互いに接続されている。ただし、第２の画素２００では、第１の画素１００に対して、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１と、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１と、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１と、第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１との配置が左右反転している。
図１にて更に示すように、行方向にて互いに隣接する第１の画素１００と第２の画素２００とは、第２の読み出しゲートＲＧ１を共有する。また、第１の画素１００は、行方向にてその左側に隣接する画素と第１の読み出しゲートＲＧ０を共有する。更に、第２の画素２００は、行方向にてその右側に隣接する画素と第１の読み出しゲートＲＧ０を共有する。
図１の固体撮像装置は、当該半導体基板の電位をグラウンドＶＳＳに固定するための基板コンタクト３，４を更に備える。これらの基板コンタクト３，４は、互いに隣接する２つの画素により共有された第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１の近傍にそれぞれ配置されている。
図２は、図１の固体撮像装置中の第１及び第２の画素１００，２００の回路図である。第１の画素１００において、フォトダイオードＰＤは、オーバーフロードレインＯＦＤを介して電源ＶＤＤに接続されている。また、フォトダイオードＰＤは、第１の読み出しゲートＲＧ０を介して第１のメモリ部ＭＥＭ０に、第２の読み出しゲートＲＧ１を介して第２のメモリ部ＭＥＭ１にそれぞれ接続されている。そして、第１のメモリ部ＭＥＭ０は第１の転送ゲートＴＧ０を介して第１のフローティングディフュージョン部ＦＤ０に、第２のメモリ部ＭＥＭ１は第２の転送ゲートＴＧ１を介して第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ１にそれぞれ接続されている。ここで、前述のように第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１はメタル配線５により互いに接続されているので、図２では単一のフローティングディフュージョン部ＦＤ０／ＦＤ１として表示されている。このフローティングディフュージョン部ＦＤ０／ＦＤ１は、リセットトランジスタＲＳを介して電源ＶＤＤに接続されるとともに、ソースフォロワＳＦのゲートにも接続されている。ソースフォロワＳＦは、電源ＶＤＤと選択トランジスタＳＥＬとの間に介在したトランジスタである。また、選択トランジスタＳＥＬは、ソースフォロワＳＦと信号線ＳＩＧとの間に介在したトランジスタである。第２の画素２００は、第１の画素１００と同様の回路構成を有している。しかも、第１の画素１００と第２の画素２００とは、第２の読み出しゲートＲＧ１を共有する。
図３は、図１の固体撮像装置における対象物までの距離測定の原理を説明するためのタイミング図である。ここでは、ＬＥＤからパルス状の光が照射される対象物までの距離をＬとし、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までのＬＥＤの点灯時間をＴｐとする。照射光が対象物で反射されて固体撮像装置へ戻ってくるまでに、光は速度ｃ（＝３．０×１０８ｍ／ｓ）で距離２Ｌだけ進む。したがって、照射光に対する受信光の遅延時間をΔｔとすると、
Ｌ＝ｃ×（Δｔ／２） …（１）
が成り立つ。受信光は、時刻ｔ１１から時間Δｔだけ経過した時刻ｔ１２に立ち上がり、時刻ｔ１３から時間Δｔだけ経過した時刻ｔ１４に立ち下がる。したがって、フォトダイオードＰＤは、時刻ｔ１２から時刻ｔ１４までの間だけ光電変換により電荷を生成する。
一方、第１の読み出しゲートＲＧ０は時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までの時間Ｔｐだけ開かれ、第２の読み出しゲートＲＧ１は時刻ｔ１３から始まる時間Ｔｐだけ開かれる。ここで、第１の読み出しゲートＲＧ０により第１のメモリ部ＭＥＭ０に読み出された電荷の量をＳ０とし、第２の読み出しゲートＲＧ１により第２のメモリ部ＭＥＭ１に読み出された電荷の量をＳ１とすると、
Δｔ／Ｔｐ＝Ｓ１／（Ｓ０＋Ｓ１） …（２）
の関係が成立する。式（１）、（２）から、
Ｌ＝（ｃ×Ｔｐ）／２ × Ｓ１／（Ｓ０＋Ｓ１） …（３）
が成り立つ。つまり、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に振り分けられた電荷の量Ｓ０，Ｓ１をもとに、対象物までの距離Ｌを求めることができる。
図４は、図１の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミング図である。時刻ｔ０までをリセット期間Ｔ０とし、時刻ｔ０から時刻ｔ１までを背景光蓄積期間Ｔ１とし、時刻ｔ１から時刻ｔ２までを背景光読み出し期間Ｔ２とし、時刻ｔ２から時刻ｔ３までを信号蓄積期間Ｔ３とし、時刻ｔ３から時刻ｔ４までを信号読み出し期間Ｔ４とする。
リセット期間Ｔ０では、オーバーフロードレインＯＦＤはオフであり、リセットトランジスタＲＳはオンであり、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１はオンである。ＬＥＤは点灯していない状態である。また、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１を互い違いにパルス駆動している。このとき、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に流れるが第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１がオン状態のため、電荷は第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に蓄積されずにリセットトランジスタＲＳを通して電源ＶＤＤに流れていく。
次に、時刻ｔ０で、リセットトランジスタＲＳ、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１をいずれもオフにする。ここから背景光蓄積期間Ｔ１が始まる。背景光蓄積期間Ｔ１ではＬＥＤが点灯していない状態の画像がフォトダイオードＰＤで光電変換される。このとき、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１は互い違いにパルス駆動されているため、背景光に応じた電荷が第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１にそれぞれ同量ずつ蓄積される。つまり、これら第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に背景光に応じて蓄積される合計電荷量をＱとすると、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１の各々の蓄積電荷の量はＱ／２である。
次に、時刻ｔ１で、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１のパルス駆動を止め、オーバーフロードレインＯＦＤをオンにする。ここから背景光読み出し期間Ｔ２が始まる。背景光読み出し期間Ｔ２では、フォトダイオードＰＤで新たに発生した電荷はオーバーフロードレインＯＦＤを通して電源ＶＤＤに排出される。また、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に蓄積された電荷は各行毎に選択トランジスタＳＥＬをオンし、リセットトランジスタＲＳをオンすることによるリセット動作の後にリセット電位をメモリし、次に、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１を同時にオンして第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１の電荷をフローティングディフュージョン部ＦＤ０／ＦＤ１へ転送し、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１をオフしてから信号レベルをメモリし、リセットレベルと信号レベルとの差分を出力する。ここで得られる出力は、上述の合計電荷量Ｑに対応した値である。
次に、リセットトランジスタＲＳをオンさせ、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１をオンさせ、ＬＥＤを点滅させ、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１を互い違いにパルス駆動する。このとき、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に流れるが第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１がオン状態のため、電荷は第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に蓄積されずにリセットトランジスタＲＳを通して電源ＶＤＤに流れていく。
次に、時刻ｔ２で、リセットトランジスタＲＳ、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１をいずれもオフにする。ここから信号蓄積期間Ｔ３が始まる。信号蓄積期間Ｔ３ではＬＥＤが点滅しており、その反射光がフォトダイオードＰＤで光電変換される。このとき、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１は互い違いにパルス駆動されているため、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は、上述の遅延時間Δｔの長さに応じて、第１のメモリ部ＭＥＭ０と第２のメモリ部ＭＥＭ１とに振り分けられる。この電荷振り分け動作は、好ましくは複数回繰り返される。その結果、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１にそれぞれ信号電荷が蓄積される。ただし、ここで得られる信号電荷は、前述の背景光の影響を含むものである。つまり、図３にて説明した電荷量Ｓ０及びＳ１を用いれば、この時点の第１のメモリ部ＭＥＭ０の蓄積電荷の量はＱ／２＋Ｓ０であり、第２のメモリ部ＭＥＭ１の蓄積電荷の量はＱ／２＋Ｓ１であると言える。
次に、時刻ｔ３で、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１のパルス駆動を止め、オーバーフロードレインＯＦＤをオンにする。ここから信号読み出し期間Ｔ４が始まる。信号読み出し期間Ｔ４では、フォトダイオードＰＤで新たに発生する電荷はオーバーフロードレインＯＦＤを通して電源ＶＤＤに排出される。また、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に蓄積された電荷は各行毎に選択トランジスタＳＥＬをオンし、リセットトランジスタＲＳをオンすることによるリセット動作の後にリセット電位をメモリし、次に第１の転送ゲートＴＧ０をオンして第１のメモリ部ＭＥＭ０の電荷をフローティングディフュージョン部ＦＤ０／ＦＤ１に転送し、第１の転送ゲートＴＧ０をオフしてから信号レベルをメモリし、リセットレベルと信号レベルとの差分を出力する。この動作は第２のメモリ部ＭＥＭ１に対しても同様に行われる。ここで得られる出力は、第１のメモリ部ＭＥＭ０についてはＱ／２＋Ｓ０に対応した値であり、第２のメモリ部ＭＥＭ１についてはＱ／２＋Ｓ１に対応した値である。
上記背景光読み出し期間Ｔ２における合計電荷量Ｑに対応した値と、上記信号読み出し期間Ｔ４におけるＱ／２＋Ｓ０に対応した値及びＱ／２＋Ｓ１に対応した値とをもとに背景光の影響を除去すれば、図３に示した第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１への振り分け信号電荷Ｓ０，Ｓ１が求まるので、式（３）をもとに対象物までの距離Ｌを求めることができる。
さて、隣接画素で読み出しゲートを共有しない場合には、互いに隣接する２つの画素のメモリ部間に「メモリ拡散層に対する読み出しゲートのオーバーラップ」＋「メモリ拡散層間の素子分離部」＋「メモリ拡散層に対する読み出しゲートのオーバーラップ」の距離を確保することが必要であるのに対し、隣接画素で読み出しゲートを共有する本実施形態では、互いに隣接する２つの画素のメモリ部間に「メモリ拡散層間の素子分離部」の距離を確保するだけでよい。したがって、本実施形態によれば、各フォトダイオードＰＤの面積や各メモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１の面積を犠牲にすることなく画素の狭ピッチ化を実現することができる。
また、本実施形態によれば、行方向にて互いに隣接する２つの画素１００，２００において、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１と、第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１と、第１及び第２の転送ゲートＴＧ０，ＴＧ１と、第１及び第２のフローティングディフュージョン部ＦＤ０，ＦＤ１との配置が左右反転している。つまり、第１の画素１００でフォトダイオードＰＤの下辺左側にある第１のメモリ部ＭＥＭ０に電荷が読み出される際に、第２の画素２００ではフォトダイオードＰＤの下辺右側にある第１のメモリ部ＭＥＭ０に電荷が読み出される。逆に、第１の画素１００でフォトダイオードＰＤの下辺右側にある第２のメモリ部ＭＥＭ１に電荷が読み出される際に、第２の画素２００ではフォトダイオードＰＤの下辺左側にある第２のメモリ部ＭＥＭ１に電荷が読み出される。このように列ごとにフォトダイオードＰＤからメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に読み出す方向が異なるので、両メモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１の特性差を、隣接する列の出力情報をもとに補正することができる。
また、互いに隣接する２つの画素により共有された第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１の近傍に基板コンタクト３，４を配置したので、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１のオン／オフにより不安定になる半導体基板の電位を低抵抗でグラウンドＶＳＳに固定することができ、また素子分離部の下で第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１が繋がるといったクロストークを未然に防ぐことができる。
なお、本実施形態では、ＬＥＤが点滅している間、光電変換による電荷を第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１に振り分けるものと説明したが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、第１及び第２の読み出しゲートＲＧ０，ＲＧ１と、オーバーフロードレインＯＦＤとをそれぞれパルス駆動して、対象物からの反射波を受けると考えられる期間以外の電荷はオーバーフロードレインＯＦＤから排出するようにしてもよい。
また、ＬＥＤが点灯していない状態の背景光情報を得るため、背景光情報と信号情報とのフレームを違える駆動例を示したが、行を変えて第１及び第２のメモリ部ＭＥＭ０，ＭＥＭ１の信号電荷を同時に読み出してもよい。
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の平面図である。図５では、図１中の第１及び第２の画素１００，２００に加えて、これらに対してそれぞれ列方向に隣接する第３及び第４の画素３００，４００を含む多数の画素が示されるとともに、それぞれ列方向にて直線状に延びるメタル配線である第１及び第２の読み出しゲート制御配線２０，２１が示されている。
行方向にて互いに隣接する第１の画素１００と第２の画素２００とは、第２の読み出しゲートＲＧ１を共有する。また、第１の画素１００は、行方向にてその左側に隣接する画素と第１の読み出しゲートＲＧ０を共有する。そして、第１の読み出しゲートＲＧ０は第１の読み出しゲート制御配線２０に、第２の読み出しゲートＲＧ１は第２の読み出しゲート制御配線２１にそれぞれ接続されている。
同様に、行方向にて互いに隣接する第３の画素３００と第４の画素４００とは、第２の読み出しゲートＲＧ１を共有する。また、第３の画素３００は、行方向にてその左側に隣接する画素と第１の読み出しゲートＲＧ０を共有する。この行でも、第１の読み出しゲートＲＧ０は第１の読み出しゲート制御配線２０に、第２の読み出しゲートＲＧ１は第２の読み出しゲート制御配線２１にそれぞれ接続されている。
つまり、列方向にて互いに隣接する第１及び第３の画素１００，３００は、第１の読み出しゲート制御配線２０と、第２の読み出しゲート制御配線２１との双方を共有する。また、列方向にて互いに隣接する第２及び第４の画素２００，４００もまた、第１の読み出しゲート制御配線２０と、第２の読み出しゲート制御配線２１との双方を共有する。
本実施形態によれば、行方向にて互いに隣接する２つの画素で１本の読み出しゲート制御配線を共有することとしたので、各画素中のフォトダイオードＰＤの開口を拡大でき、高感度を実現できる。
以上説明してきたように、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換に基づく十分に大きい電荷量を取り扱える構成を維持しつつ、画素の狭ピッチ化を実現することができる効果を有し、距離測定に利用できる固体撮像装置として有用である。
３，４ 基板コンタクト（ＶＳＳ）
５，６ メタル配線
２０，２１ 読み出しゲート制御配線
１００，２００，３００，４００ 画素
ＦＤ０，ＦＤ１ フローティングディフュージョン部
ＭＥＭ０，ＭＥＭ１ メモリ部
ＯＦＤ オーバーフロードレイン
ＰＤ フォトダイオード
ＲＧ０，ＲＧ１ （フォトダイオードからメモリ部への）読み出しゲート
ＲＳ リセットトランジスタ
ＳＥＬ 選択トランジスタ
ＳＦ ソースフォロワ（増幅トランジスタ）
ＳＩＧ 信号線
ＴＧ０，ＴＧ１ （メモリ部からフローティングディフュージョン部への）転送ゲート
ＶＤＤ 電源

Claims (7)

  1. 半導体基板上に二次元配置された複数の画素を備えた固体撮像装置であって、
    前記複数の画素の各々は、
    光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードからそれぞれ電荷を読み出すための２つの読み出しゲートと、
    各々前記２つの読み出しゲートのうちの対応する読み出しゲートを介して前記フォトダイオードから受け取った電荷を一時的に保持するための２つのメモリ部とを有し、
    前記複数の画素のうち行方向にて互いに隣接する２つの画素は、前記２つの読み出しゲートのうちの一方を共有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 請求項１記載の固体撮像装置において、
    前記２つの読み出しゲートは、各々ポリシリコン層からなることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 請求項１記載の固体撮像装置において、
    前記複数の画素の各々は、
    前記２つのメモリ部に隣接してそれぞれ形成された２つのフローティングディフュージョン部と、
    各々前記２つのメモリ部のうちの対応するメモリ部から前記２つのフローティングディフュージョン部のうちの対応するフローティングディフュージョン部へ電荷を転送するための２つの転送ゲートと、
    前記２つのフローティングディフュージョン部に共通に接続された増幅トランジスタとを更に有することを特徴とする固体撮像装置。
  4. 請求項３記載の固体撮像装置において、
    前記２つの転送ゲートは、各々ポリシリコン層からなることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項１記載の固体撮像装置において、
    前記半導体基板の電位を固定するための基板コンタクトを更に備え、
    前記基板コンタクトは、前記互いに隣接する２つの画素により共有された前記読み出しゲートの近傍に配置されたことを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項１記載の固体撮像装置において、
    前記互いに隣接する２つの画素により共有された前記読み出しゲートに接続された読み出しゲート制御配線を更に備え、
    前記複数の画素のうち列方向にて互いに隣接する２つの画素は、前記読み出しゲート制御配線を共有することを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項６記載の固体撮像装置において、
    前記読み出しゲート制御配線は、列方向に延びるメタル配線であることを特徴とする固体撮像装置。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016208347B4 (de) * 2016-05-13 2017-12-21 Infineon Technologies Ag Optische Sensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Laufzeitsensors
EP3820143A1 (en) * 2019-02-27 2021-05-12 Shenzhen Goodix Technology Co., Ltd. Imaging system, and pixel array and image sensor thereof
EP3973315A1 (en) * 2019-05-21 2022-03-30 Sony Semiconductor Solutions Corporation Imaging devices with gated time-of-flight pixels with fast charge transfer
DE112020002523T5 (de) * 2019-05-24 2022-03-24 Sony Semiconductor Solutions Corporation Festkörper-bildgebungsvorrichtung und abstandsmessvorrichtung
US11195869B2 (en) * 2019-09-05 2021-12-07 Sony Semiconductor Solutions Corporation Solid-state imaging device and imaging device with shared circuit elements
US20230290791A1 (en) * 2020-08-07 2023-09-14 Rosnes Corporation Imaging device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006025079A1 (ja) * 2004-07-20 2006-03-09 Fujitsu Limited Ｃｍｏｓ撮像素子
US20120175685A1 (en) * 2011-01-07 2012-07-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor based on depth pixel structure
JP2012199760A (ja) * 2011-03-22 2012-10-18 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP2012217059A (ja) * 2011-03-31 2012-11-08 Honda Motor Co Ltd 固体撮像装置
JP2013172210A (ja) * 2012-02-17 2013-09-02 Canon Inc 撮像装置
US20140252437A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-11 Min-Seok Oh Depth pixel included in three-dimensional image sensor and three-dimensional image sensor including the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006025079A1 (ja) * 2004-07-20 2006-03-09 Fujitsu Limited Ｃｍｏｓ撮像素子
US20120175685A1 (en) * 2011-01-07 2012-07-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor based on depth pixel structure
JP2012199760A (ja) * 2011-03-22 2012-10-18 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP2012217059A (ja) * 2011-03-31 2012-11-08 Honda Motor Co Ltd 固体撮像装置
JP2013172210A (ja) * 2012-02-17 2013-09-02 Canon Inc 撮像装置
US20140252437A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-11 Min-Seok Oh Depth pixel included in three-dimensional image sensor and three-dimensional image sensor including the same

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