(57)【要約】【課題】出力回路から出力される信号に含まれるノイズに対する影響を評価可能である固体撮像装置を提供する。【解決手段】出力回路３は、ＦＤアンプ３０を有し、ＦＤアンプ３０は、出力トランジスタＴ１と出力トランジスタとＴ２，Ｔ３とが従属接続されており、固体撮像装置１は、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇに電位を与えるリセットトランジスタ２を備え、ノード７が出力トランジスタのゲートＴ１Ｇに接続され、ノード６には、外部電源３１より第１の電位を与えることが可能であり、出力トランジスタＴ１のドレインには、外部電源３２より第２の電位を与える事が可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上に、水平方向および垂直方向にマトリクス状に配置された光電変換素子と、電荷を転送する為に、上記水平方向および上記垂直方向に配置された電荷転送経路と、電荷を読み出す為の出力回路とを備える固体撮像装置であって、
上記出力回路は、フローティングディフュージョンアンプを有し、
上記フローティングディフュージョンアンプは、初段出力トランジスタと２段目以降の複数の出力トランジスタとが従属接続されており、
上記固体撮像装置は、上記初段出力トランジスタのゲートに電位を与える金属酸化膜半導体トランジスタを備え、上記金属酸化膜半導体トランジスタのソースが上記初段出力トランジスタのゲートに接続され、
上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインには、外部より第１の電位を与えることが可能であり、
上記初段出力トランジスタのドレインには、外部より第２の電位を与える事が可能であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
上記初段出力トランジスタのドレインと、上記２段目以降の複数の出力トランジスタのドレインとは、それぞれ個別に外部より電位を与えられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインと上記初段出力トランジスタのドレインとは、抵抗を介して接続されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像装置の検査方法であって、
上記初段出力トランジスタのゲートに電位を与える工程と、
上記出力回路から出力される信号に含まれるノイズを測定する工程とを有することを特徴とする固体撮像装置の検査方法。
【請求項５】
請求項１の固体撮像装置の検査方法であって、
上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインの電位と、上記初段出力トランジスタのドレインの電位とを同電位に固定する工程と、
上記２段目以降の複数の出力トランジスタのドレイン全てに電位を与える工程と、
上記出力回路から出力される信号に含まれるノイズを測定する工程とを有することを特徴とする固体撮像装置の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、およびその検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、一般的な固体撮像装置であるＣＣＤ固体撮像装置１００の構成を示す平面図である。半導体チップ上に、垂直方向（Ｙ方向）および水平方向（Ｘ方向）に受光部（フォトダイオード：ＰＤ）１０１が、マトリクス状に配置されている。
【０００３】
光を受けて受光部１０１で光電変換により発生した電荷を垂直方向に運ぶ、複数の垂直転送部１０２と、垂直方向に運ばれてきた電荷を水平方向に運ぶ、複数の水平転送部１０３とが、半導体チップ上に形成されている。水平転送部１０３の一端には、転送されてきた電荷を電位として出力するためのアウトプットゲート１０６、フローティングディフュージョン１０８、および出力アンプ１０７が配置されている。
【０００４】
水平転送されてきた電荷は、アウトプットゲート１０６を通してフローティングディフュージョン１０８に転送される。ここに転送された電荷は、出力アンプ１０７により増幅を行い、出力端子より電圧として画像情報を出力する。フローティングディフュージョン１０８には、リセットゲート１０９が接続され、リセットゲート１０９にはリセットドレイン１１０が接続されている。
【０００５】
図４は、特許文献１の図４に相当し、固体撮像装置Ａの水平電荷転送路７、出力ゲートＯＧ、フローティングディフュージョンＦＤ、及びリセットトランジスタ２１を示した模式図である。
【特許文献１】特開２００１−５３２６５号公報（平成１３年２月２３日公開）、第８頁、第１図、第４図
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
固体撮像装置では、内部で発生したノイズにより、撮像した画質が劣化するという問題がある。また、固体撮像装置は、フォトダイオードに入射される入射光に応じて光電変換された電圧値を、画素出力信号として出力するので、内部で発生したノイズがこの画素出力信号に重畳され出力されることになる。この画素出力信号を、入射光に応じて光電変換された電圧値と、内部で発生したノイズによる電圧値とに分離することは不可能である。
【０００７】
しかしながら、画質の良い固体撮像装置を提供するためには、このノイズ特性を改善する必要がある。
【０００８】
固体撮像装置のノイズ特性を改善するためには、ノイズの発生箇所を突き止め、対策を講じる必要がある。従来、ノイズの発生箇所を突き止める為には、固体撮像装置に加工を施し、マイクロプロービング等により、個々のトランジスタレベルで信号を直接的に解析する必要があり、大量の固体撮像装置を統計的に分析しフィードバックをかける事が非常に困難であった。
【０００９】
データを取得するためだけであれば、特許文献１に記されている様に、ＦＤアンプの初段トランジスタのゲートに外部より直接電位を与えるパッドと、ＦＤアンプの初段トランジスタのドレインに外部より直接電位を与えるパッドとを設ければ良い。しかし、最終製品にアッセンブリするときには、ダブルボンディングの手法を用いる必要があり、リセットトランジスタのドレインと電源端子ＯＤとがワイヤを介しての接続となる。このため、ＦＤアンプの初段トランジスタのゲートが外部ノイズの影響を受け易くなり、固体撮像装置の製品特性として好ましくないという問題があった。
【００１０】
また、複数段からなるＦＤアンプの各トランジスタの影響を評価することが出来ないという欠点もあった。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力回路から出力される信号に含まれるノイズに対する影響を評価可能である固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体撮像装置は、上記課題を解決するために、半導体チップ上に、水平方向および垂直方向にマトリクス状に配置された光電変換素子と、電荷を転送する為に、上記水平方向および上記垂直方向に配置された電荷転送経路と、電荷を読み出す為の出力回路とを備える固体撮像装置であって、上記出力回路は、フローティングディフュージョンアンプを有し、上記フローティングディフュージョンアンプは、初段出力トランジスタと２段目以降の複数の出力トランジスタとが従属接続されており、上記固体撮像装置は、上記初段出力トランジスタのゲートに電位を与える金属酸化膜半導体トランジスタを備え、上記金属酸化膜半導体トランジスタのソースが上記初段出力トランジスタのゲートに接続され、上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインには、外部より第１の電位を与えることが可能であり、上記初段出力トランジスタのドレインには、外部より第２の電位を与える事が可能であることを特徴とする。
【００１３】
上記発明によれば、上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに外部より上記第１の電位を与え、上記金属酸化膜半導体トランジスタのゲートにゲート電位を与えることにより、上記金属酸化膜半導体トランジスタがオンする。よって上記初段出力トランジスタのゲートの電位を任意に設定可能となる。
【００１４】
また、上記初段出力トランジスタのドレインには、上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインとは別の上記第２の電位を与えることが可能である。
【００１５】
よって、上記初段出力トランジスタのゲートの電位を変化することにより、上記初段出力トランジスタのゲートと上記初段出力トランジスタのドレインとの間における電界強度の、上記出力回路から出力される信号に含まれるノイズに対する影響を評価可能となる。
【００１６】
従って、固体撮像装置のウエハテスト時に、ノイズの定量的な評価をＦＤアンプのトランジスタ個別に行い、その発生箇所の特定、原因究明に向けた、量的なデータ提供を可能とし、尚且つ、評価するための手段が、最終製品に与える影響を排除する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００１７】
上記固体撮像装置では、上記初段出力トランジスタのドレインと、上記２段目以降の複数の出力トランジスタのドレインとは、それぞれ個別に外部より電位を与えられてもよい。
【００１８】
これにより、各々の出力トランジスタ毎にドレイン電圧を変化させられる為、各々の出力トランジスタ毎にノイズの定量的な評価及び上記ノイズの影響度が評価可能となる。
【００１９】
上記固体撮像装置では、上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインと上記初段出力トランジスタのドレインとは、抵抗を介して接続されてもよい。
【００２０】
上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに外部より直接電位を印加しない、上記固体撮像装置の通常動作時には、上記初段出力トランジスタのドレインに電位を印加することにより、上記初段出力トランジスタのドレインから上記抵抗を介して上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに電位を与えることが可能となる。従って、上記固体撮像装置の通常動作時に外部ノイズ等による悪影響が及ばない。
【００２１】
上記固体撮像装置の検査方法では、上記初段出力トランジスタのゲートに電位を与える工程と、上記出力回路から出力される信号に含まれるノイズを測定する工程とを有してもよい。
【００２２】
これにより、上記初段出力トランジスタのゲートと上記初段出力トランジスタのドレインとの間における電界強度の、上記ノイズに対する影響を評価可能となる。
【００２３】
上記固体撮像装置の検査方法では、上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインの電位と、上記初段出力トランジスタのドレインの電位とを同電位に固定する工程と、上記２段目以降の複数の出力トランジスタのドレイン全てに電位を与える工程と、上記出力回路から出力される信号に含まれるノイズを測定する工程とを有してもよい。
【００２４】
これにより、上記２段目以降の複数の出力トランジスタのドレイン全てに与えられた電位が変化した時の、上記ノイズに対する影響を評価可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体撮像装置は、以上のように、出力回路は、フローティングディフュージョンアンプを有し、上記フローティングディフュージョンアンプは、初段出力トランジスタと２段目以降の複数の出力トランジスタとが従属接続されており、上記固体撮像装置は、上記初段出力トランジスタのゲートに電位を与える金属酸化膜半導体トランジスタを備え、上記金属酸化膜半導体トランジスタのソースが上記初段出力トランジスタのゲートに接続され、上記金属酸化膜半導体トランジスタのドレインには、外部より第１の電位を与えることが可能であり、上記初段出力トランジスタのドレインには、外部より第２の電位を与える事が可能であるものである。
【００２６】
それゆえ、出力回路から出力される信号に含まれるノイズに対する影響を評価可能である固体撮像装置を提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の一実施形態について図１および図２に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１の模式図である。固体撮像装置１は、半導体チップである固体撮像素子２０および出力回路３を備えている。固体撮像素子２０は、図１において横断面図で示されている。また、固体撮像素子２０は、図３の半導体チップと同様に、垂直方向（Ｙ方向）および水平方向（Ｘ方向）に受光部（フォトダイオード：ＰＤ）が、マトリクス状に配置されている。
【００２９】
固体撮像素子２０は、リセットトランジスタ２を備えており、リセットトランジスタ２は出力回路３に接続されている。この接続については後述する。
【００３０】
また、出力回路３は、ＦＤ（フローティングディフュージョン）アンプ３０及び抵抗Ｒを有している。さらに、ＦＤアンプ３０は、出力トランジスタＴ１〜出力トランジスタＴ３と、トランジスタＴ４〜トランジスタＴ６とを有している。
【００３１】
固体撮像素子２０は、半導体基板４、水平転送部５、ノード６、ノード７、リセットゲート電極８、アウトプットゲート電極９、水平転送電極１０〜水平転送電極１３をさらに備えている。
【００３２】
固体撮像素子２０では、半導体基板４の上に水平転送部５が形成されている。また水平転送部５の、表面１４を含む一部分に、ノード６およびノード７が形成されている。さらに水平転送部５の、ノード６およびノード７で挟まれる部分の上に、リセットゲート電極８が形成されている。
【００３３】
アウトプットゲート電極９は、水平転送部５の、ノード７に隣接する部分の上に形成される。また、アウトプットゲート電極９の隣に水平転送電極１０が形成され、水平転送電極１０の隣に水平転送電極１１が形成されている。さらに、水平転送電極１１の隣に水平転送電極１２が形成され、水平転送電極１２の隣に水平転送電極１３が形成されている。
【００３４】
よって、固体撮像素子２０の水平転送部５の表面１４では、ノード６、リセットゲート電極８、ノード７およびアウトプットゲート電極９、水平転送電極１０、水平転送電極１１、水平転送電極１２および水平転送電極１３が、この順番で並ぶこととなる。
【００３５】
リセットゲート電極８は、リセットゲート端子ＲＧに接続されている。アウトプットゲート電極９は、アウトプットゲート端子ＯＧに接続されている。水平転送電極１０および水平転送電極１１は、共通端子φＨ１に接続されている。水平転送電極１２および水平転送電極１３は、共通端子φＨ２に接続されている。
【００３６】
ノード６は、リセットドレイン端子ＲＤおよび抵抗Ｒの一端に接続されている。ノード７は、フローティングディフュージョン端子ＦＤに接続され、フローティングディフュージョン端子ＦＤは、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇに接続されている。
【００３７】
出力回路３において、抵抗Ｒの他端は、出力トランジスタＴ１のドレインとアウトプットドレイン端子ＯＤ１とに接続されている。出力トランジスタＴ１のソースは、出力トランジスタＴ２のゲートと、トランジスタＴ４のドレインとに接続されている。
【００３８】
出力トランジスタＴ２のドレインは、アウトプットドレイン端子ＯＤ２に接続されている。出力トランジスタＴ２のソースは、出力トランジスタＴ３のゲートと、トランジスタＴ５のドレインとに接続されている。
【００３９】
出力トランジスタＴ３のドレインは、アウトプットドレイン端子ＯＤ３に接続されている。出力トランジスタＴ３のソースは、ＦＤアンプ出力端子ＯＳと、トランジスタＴ６のドレインとに接続されている。
【００４０】
そして、トランジスタＴ４のゲート、トランジスタＴ４のソース、トランジスタＴ５のゲート、トランジスタＴ５のソース、トランジスタＴ６のゲートおよびトランジスタＴ６のソースは、電気的に接地されている。
【００４１】
上述した接続により、固体撮像装置１では、出力トランジスタＴ１〜出力トランジスタＴ３が従属接続されている。
【００４２】
固体撮像装置１において、出力回路３が有するＦＤアンプ３０の初段トランジスタである、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇは、リセットトランジスタ２のノード７に接続されている。リセットトランジスタ２のノード６は、リセットドレイン端子ＲＤに接続されており、リセットドレイン端子ＲＤに接続された外部電源３１を介して電位を与えることが可能である。
【００４３】
また、リセットトランジスタ２において、ノード６、ノード７、およびノード６とノード７との間のチャネル領域１５は、ＭＯＳ（metal-oxide-semiconductor：金属・酸化物・半導体）構造を有している。ノード６がドレインであり、ノード７がソースとなり、リセットゲート電極８がゲートとなる。
【００４４】
よって、リセットドレイン端子ＲＤに外部から電位を与えることによりノード６に電位を与え、リセットゲート端子ＲＧに電位を与えると、リセットトランジスタ２がオンする。従って、フローティングディフュージョン端子ＦＤを介してノード７から印加される、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇの電圧を、任意に設定することが可能となる。
【００４５】
また、出力トランジスタＴ１のドレインには、リセットトランジスタ２のノード６とは別の電位を与えることが可能である。
【００４６】
よって、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇの電位を変化することにより、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇと出力トランジスタＴ１のドレインとの間における電界強度の、ＦＤアンプ出力端子ＯＳから出力される信号に含まれるノイズに対する影響を評価可能となる。
【００４７】
従って、固体撮像装置のウエハテスト時に、ノイズの定量的な評価をＦＤアンプのトランジスタ個別に行い、その発生箇所の特定、原因究明に向けた、量的なデータ提供を可能とし、尚且つ、評価するための手段が、最終製品に与える影響を排除する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００４８】
一方、通常の固体撮像装置１の動作として、リセットドレイン端子ＲＤをリセットするときには、リセットドレイン端子ＲＤへの電位の印加を止め、アウトプットドレイン端子ＯＤ１に接続された外部電源３２によりアウトプットドレイン端子ＯＤ１に電位を与える必要がある。
【００４９】
この場合、抵抗Ｒを設けているので、アウトプットドレイン端子ＯＤ１から抵抗Ｒを介してリセットドレイン端子ＲＤに電位を与える事が可能となり、リセットドレイン端子ＲＤに何も接続しない通常動作時に、外部ノイズ等による悪影響を与えない。
【００５０】
また、固体撮像装置１は、ＦＤアンプ３０の構成を３段の出力トランジスタＴ１〜Ｔ３で具現化した例であるが、出力トランジスタＴ１のドレインは、アウトプットドレイン端子ＯＤ１を介して接続された外部電源３２より電圧を印加可能である。
【００５１】
同様に、出力トランジスタＴ２のドレインは、アウトプットドレイン端子ＯＤ２を介して接続された外部電源３３より電圧を印加可能であり、出力トランジスタＴ３のドレインは、アウトプットドレイン端子ＯＤ３を介して接続された外部電源３４より電圧を印加可能である。
【００５２】
この場合、複数のパッド、即ち出力トランジスタＴ１のドレインを構成するパッド、出力トランジスタＴ２のドレインを構成するパッド、および出力トランジスタＴ３のドレインを構成するパッドから、外部電源に個別にワイヤボンディングされるが、これら個別にワイヤボンディングされるパッドは電源端子である。また、リセットドレイン端子ＲＤは測定時のみプローブを接続され、出荷時には抵抗Ｒを介してアウトプットドレイン端子ＯＤ１と接続される。よって、リセットドレイン端子ＲＤに対して余分な配線を設ける必要が無く、ノイズの影響を受ける要因をなくしている。従って、固体撮像装置１では、外部ノイズの影響に対して特に問題を発生しない。
【００５３】
従って、各々の出力トランジスタ毎にドレイン電圧を変化させられる為、各々の出力トランジスタ毎にノイズの定量的な評価及び影響度が評価可能となる。
【００５４】
なお、固体撮像装置１のＦＤアンプ３０は３段のＦＤアンプであるが、ＦＤアンプを３段以外にした場合、即ちＦＤアンプをｎ段にした場合おいても同様の手法を用いる事が可能である。
【００５５】
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１の検査結果を示すグラフである。図１に示される固体撮像装置１の検査は、リセットドレイン端子ＲＤから印加する電位によってゲートＴ１Ｇの電圧を１０Ｖに固定し、アウトプットドレイン端子ＯＤ１の電位ＶＯＤ１を変化させながら、ＦＤアンプ出力端子ＯＳから出力される信号を観測することにより行われる。
【００５６】
即ち、上記検査は、出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇと出力トランジスタＴ１のドレインとの間における電界強度の、上記ノイズに対する影響を評価しているといえる。
【００５７】
図２（ａ）では、ノイズ特性の異なる固体撮像装置（サンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣ）の検査結果、即ちノイズ評価結果をプロットしている。
【００５８】
図２（ａ）のデータより、固体撮像装置（サンプルＣ）は、ＦＤアンプ出力端子ＯＳから出力される信号に含まれるノイズの値が大きい、即ちノイズ特性が悪い。また、固体撮像装置のノイズ特性は、ＦＤアンプ３０における初段の出力トランジスタＴ１のゲートＴ１Ｇと、出力トランジスタＴ１のドレインとの間の電界強度に依存しており、アウトプットドレイン端子ＯＤ１の電位を高くして電界強度を高くすればノイズが大きくなる事が容易に分かる。
【００５９】
図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１の他の検査結果を示すグラフである。上記他の検査では、図１に示される固体撮像装置１において、ＦＤアンプ３０における初段の出力トランジスタＴ１のドレイン、即ちアウトプットドレイン端子ＯＤ１と、リセットドレイン端子ＲＤとを同電位に固定する。次に、アウトプットドレイン端子ＯＤ２と、アウトプットドレイン端子ＯＤ３とを接続し、この接続した２つの端子の電位を変化させたときにＦＤアンプ出力端子ＯＳから出力される信号のノイズを評価した。ここでは図２（ａ）と同様に、ノイズ特性の異なる固体撮像装置（サンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣ）を評価している。
【００６０】
図２（ｂ）のグラフでは、何れの固体撮像装置においても、アウトプットドレイン端子ＯＤ２の電位ＶＯＤ２とアウトプットドレイン端子ＯＤ３の電位ＶＯＤ３の変化に対してノイズレベルは殆ど変化していない。よって、出力トランジスタＴ２，Ｔ３はノイズの主な発生源でない事が判明した。
【００６１】
検査方法の詳細については、初段の出力トランジスタＴ１の、ゲートＴ１Ｇおよびドレイン、並びに２段目以降の出力トランジスタＴ２，Ｔ３のパラメータの組み合わせで、目的に応じて評価内容を変えられることは容易に想像できるところである。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の固体撮像装置は、出力回路から出力される信号に含まれるノイズに対する影響を評価可能であるので、ＣＣＤ方式の固体撮像装置に好適に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の模式図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の検査結果を示すグラフであり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の他の検査結果を示すグラフである。
【図３】一般的な固体撮像装置であるＣＣＤ固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図４】特許文献１の図４における、固体撮像装置の水平電荷転送路、出力ゲート、フローティングディフュージョン、及びリセットトランジスタを示した模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  固体撮像装置
２  リセットトランジスタ（金属酸化膜半導体）
３  出力回路
４  半導体基板
５  水平転送部
６  ノード（金属酸化膜半導体トランジスタのドレイン）
７  ノード（金属酸化膜半導体トランジスタのソース）
８  リセットゲート電極
９  アウトプットゲート電極
１０〜１３  水平転送電極
１４  表面
１５  チャネル領域
２０  固体撮像素子（半導体チップ）
３０  ＦＤアンプ（フローティングディフュージョンアンプ）
３１〜３４  外部電源
ＦＤ  フローティングディフュージョン端子
ＯＤ  電源端子
ＯＤ１〜ＯＤ３  アウトプットドレイン端子
ＯＧ  アウトプットゲート端子
ＯＳ  ＦＤアンプ出力端子
Ｒ  抵抗
ＲＤ  リセットドレイン端子
ＲＧ  リセットゲート端子
Ｔ１  出力トランジスタ（初段出力トランジスタ）
Ｔ２、Ｔ３  出力トランジスタ（２段目以降の複数の出力トランジスタ）
Ｔ１Ｇ  ゲート
Ｔ４〜Ｔ６  トランジスタ
ＶＯＤ１〜ＶＯＤ３  電位
φＨ１  共通端子
φＨ２  共通端子
【図１】
2010062751.tif 000003
【図２】
2010062751.tif 000004
【図３】
2010062751.tif 000005
【図４】
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