(57)【要約】  【課題】  固体撮像装置において、光電変換部の開口率向上と光電変換セルの面積縮小とを実現する。  【解決手段】  固体撮像装置は、行列を成すように配列され且つ光電変換を行なう光電変換部１０１ａ及び１０１ｂ等を有する光電変換セルを備える。同一の行に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セルからセルグループＣＧ１等が形成され、例えばセルグループＣＧ１中の２つの光電変換セルは、光電変換部１０１ａ及び１０１ｂから電荷が転送されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）部１１１と、光電変換部１０１ａ及び１０１ｂからＦＤ部１１１に電荷を転送する転送トランジスタ１２１ａ及び１２１ｂと、転送トランジスタ１２１ａ及び１２１ｂを制御する読み出しパルス線１３１ａ及び１３１ｂと、ＦＤ部１１１の電位を検出して信号を出力する画素アンプトランジスタ１２３と、画素アンプトランジスタ１２３が信号を出力する信号線１３２とを共有する。【選択図】      図２
2006049692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列を構成するように配列されており、光電変換を行なう光電変換部をそれぞれ有する複数の光電変換セルを備えた固体撮像装置であって、
前記複数の光電変換セルのうち、少なくとも１行以上で且つ少なくとも２列以上に配列されている複数の光電変換セル毎に複数のセルグループが構成されており、
前記各セルグループ中の同一の行に含まれ且つ隣り合う複数の列に配置されている光電変換セル一組毎に、
前記各光電変換部に接続され、該各光電変換部から電荷が転送される共通のフローティングディフュージョン部と、
前記各光電変換部と前記フローティングディフュージョン部との間に設けられ且つ該各光電変換部から前記フローティングディフュージョン部に電荷を転送する複数の転送トランジスタとが設けられていると共に、
前記複数の転送トランジスタを制御する複数の読み出しパルス線と、
前記各フローティングディフュージョン部の電位を検出し、信号として出力する複数の画素アンプトランジスタと、
前記複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するための複数の信号線とを備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素アンプトランジスタ及び前記複数の信号線は、いずれも前記光電変換セル一組毎に共通して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記光電変換セル一組毎に共通して形成された、
前記複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御する複数のスイッチングトランジスタと、
前記複数のスイッチングトランジスタを制御する複数の選択パルス線とを更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記各フローティングディフュージョン部の電位をリセットするための複数のリセット手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数のリセット手段は、前記光電変換セル一組毎に共通して形成された、前記各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び前記複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
少なくとも前記複数の光電変換部の間のピッチについて、少なくとも水平方向又は垂直方向のいずれか一方の方向に関して等ピッチに形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記複数の光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記複数の光電変換セルに電位を供給する複数の電源線を更に備え、
前記複数の電源線は前記フローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光電変換セルが配列された固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型イメージセンサ（例えば特許文献１に記載）の構成の一例を、回路図として図８に示す。
【０００３】
図８に示した従来のＭＯＳ型イメージセンサーは、複数の光電変換セル１１がマトリックス状に配列された撮像領域１２と、配列された複数の光電変換セル１１のうちから垂直方向の選択を行なう垂直シフトレジスタ１３と、配列された複数の光電変換セル１１のうちから水平方向の選択を行なう水平シフトレジスタ１４と、垂直シフトレジスタ１３及び水平シフトレジスタ１４対してパルスを供給するタイミング発生回路１５とを基板（図示省略）上に備えている。
【０００４】
また、垂直シフトレジスタ１３に接続された読み出しパルス線２１、リセットパルス線２２及び選択パルス線２３と、電源線２４と、水平シフトレジスタ１４に接続された信号線２５とが基板上に形成されている。
【０００５】
更に、撮像領域１２中に配列されている各光電変換セル１１は、フォトダイオードからなる光電変換部３１と、光電変換部３１において発生する電荷を転送する転送トランジスタ３２と、光電変換部３１において発生する電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（以下ＦＤと略す：Floating Diffusion）部３３と、ＦＤ部３３に蓄積された電荷を掃き出すリセットトランジスタ３４と、ＦＤ部３３に蓄積された電荷を検出し、信号を出力する増幅トランジスタ３５と、増幅トランジスタ３５が信号を出力するタイミングを制御する選択トランジスタ３６とを備えている。
【０００６】
ここで、光電変換部３１は、陽極が接地され、陰極が転送トランジスタ３２のソースと接続されている。
【０００７】
また、転送トランジスタ３２は、ソースが光電変換部３１の陰極と接続され、ドレインがＦＤ部３３、リセットトランジスタ３４のソース及び増幅トランジスタ３５のゲートと接続され且つゲートが読み出しパルス線２１と接続されている。
【０００８】
また、リセットトランジスタ３４は、ソースが転送トランジスタ３２のドレイン、ＦＤ部３３及び増幅トランジスタ３５のゲートと接続され、ドレインが電源線２４及び増幅トランジスタ３５のドレインと接続され且つゲートがリセットパルス線２２と接続されている。
【０００９】
また、増幅トランジスタ３５は、ソースが選択トランジスタ３６のドレインと接続され、ドレインが電源線２４及びリセットトランジスタ３４のドレインと接続され且つゲートが転送トランジスタ３２のドレイン、ＦＤ部３３及びリセットトランジスタ３４のソースと接続されている。
【００１０】
また、選択トランジスタ３６は、ソースが信号線２５に接続され、ドレインが増幅トランジスタ３５のソースと接続され且つゲートが選択パルス線２３と接続されている。
【００１１】
以上説明した従来のＭＯＳ型イメージセンサーは、次のようにして入力された光を信号として検出する。
【００１２】
光電変換部３１において、入力された光は電荷に変換される。信号線２５に所定の電圧が印加された状態において、該電荷は、転送トランジスタ３２がＯＮになった際にＦＤ部３３に転送され、ＦＤ部３３の電位を変化させる。ＦＤ部３３の電位は増幅トランジスタ３５によって検出され、増幅トランジスタ３５は、検出した電位に基づく信号を選択トランジスタ３６がＯＮになった際に、信号線２５を介して出力する。
【特許文献１】ＵＳＰ５４７１５１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記従来の固体撮像装置は、１つの光電変換セルごとに合計５本の配線及び合計４つのトランジスタを必要とする。具体的には、光電変換セル１１に関し、読み出しパルス線２１、リセットパルス線２２、選択パルス線２３、電源線２４及び信号線２５の５つの配線と、転送トランジスタ３２、リセットトランジスタ３４、増幅トランジスタ３５及び選択トランジスタ３６の４つのトランジスタとを必要とする。
【００１４】
このため、１つの光電変換セル１１に占めるトランジスタ部及び配線部の面積が相対的に大きくなり、光電変換部３１の面積が相対的に小さくなっている。具体的には、例えば光電変換セル１１の寸法を４．１μｍ×４．１μｍとして０．３５μｍルールに従って設計を行なうとすると、光電変換部３１の光電変換セル１１に対して占める面積の割合（開口率）は５％程度である。
【００１５】
従って、光電変換部３１の面積を十分に大きくなるように確保し、且つ光電変換セル１１のサイズを縮小化することが困難であるという課題がある。
【００１６】
以上の課題に鑑み、本発明は、ＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）方式を用いた固体撮像装置において、光電変換部の開口率の向上と光電変換セルのサイズの微細化とを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、行列を構成するように配列されており、光電変換を行なう光電変換部をそれぞれ有する複数の光電変換セルを備えた固体撮像装置であって、複数の光電変換セルのうち、少なくとも１行以上で且つ少なくとも２列以上に配列されている複数の光電変換セル毎に複数のセルグループが構成されており、各セルグループ中の同一の行に含まれ且つ隣り合う複数の列に配置されている光電変換セル一組毎に、各光電変換部に接続され、該各光電変換部から電荷が転送される共通のフローティングディフュージョン部と、各光電変換部とフローティングディフュージョン部との間に設けられ且つ該各光電変換部からフローティングディフュージョン部に電荷を転送する複数の転送トランジスタとが設けられていると共に、複数の転送トランジスタを制御する複数の読み出しパルス線と、各フローティングディフュージョン部の電位を検出し、信号として出力する複数の画素アンプトランジスタと、複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するための複数の信号線とを備えている。
【００１８】
本発明の固体撮像装置によると、セルグループ中の一組の光電変換セルに対して共通のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）が形成されているため、光電変換部１つあたりのＦＤ部の数が削減されている。このことから光電変換セルに対するＦＤ部の面積が小さくなり、この結果として、光電変換セルに対する光電変換部の面積（開口率）の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。
【００１９】
また、それぞれの転送トランジスタに対して個別に転送パルス線を備えるため、複数の光電変換部の電荷は個々に読み出すことができる。
【００２０】
尚、本発明の固体撮像装置において、複数の画素アンプトランジスタ及び複数の信号線は、いずれも光電変換セル一組毎に共通して形成されていることが好ましい。
【００２１】
このようにすると、セルグループ中において複数の光電変換セルによって画素アンプトランジスタ及び信号線が共有されるため、光電変換セル１つあたりの画素アンプトランジスタ及び信号線の数が削減される。このことから光電変換セルに対する画素アンプトランジスタ及び信号線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。
【００２２】
また、本発明の固体撮像装置は、光電変換セル一組毎に共通して形成された、複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御する複数のスイッチングトランジスタと、複数のスイッチングトランジスタを制御する複数の選択パルス線とを更に備えていることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、選択パルス線によって制御されるスイッチングトランジスタを用いて、画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御することができる。また、そのような構成を有する固体撮像装置において、スイッチングトランジスタ及び選択パルス線はセルグループ中において複数の光電変換セルによって共有されるため、光電変換セル１つあたりのスイッチングトランジスタ及び選択パルス線の数が削減されている。このことから光電変換セルに対するスイッチングトランジスタ及び選択パルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。
【００２４】
また、本発明の固体撮像装置は、フローティングディフュージョン部の電位をリセットするための複数のリセット手段を更に備えることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、光電変換部から電荷が転送されるフローティングディフュージョン部の電位を調節することができる。
【００２６】
また、リセット手段は、光電変換セル一組毎に共通して形成された、各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことが好ましい。
【００２７】
このようにすると、フローティングディフュージョン部の電位を確実に調節することができると共に、セルグループ中において複数の光電変換セルによってリセットトランジスタ及びリセットパルス線が共有されるため、光電変換セル１つあたりのリセットトランジスタ及びリセットパルス線の数が削減される。このことから光電変換セルに対するリセットトランジスタ及びリセットパルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。
【００２８】
また、本発明の固体撮像装置は、少なくとも複数の光電変換部の間のピッチについて、少なくとも水平方向又は垂直方向のいずれか一方の方向に関して等ピッチに形成されていることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、等ピッチに形成された光電変換部を用いて検出される信号に基づき、高画質な画像を得ることができる。
【００３０】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路を更に備えることが好ましい。
【００３１】
このようにすると、複数の光電変換セルによって出力された信号を処理し、画像を得ることができる。
【００３２】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換セルに電位を供給する複数の電源線を更に備え、該複数の電源線はフローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能を有することが好ましい。
【００３３】
このようにすると、複数の電源線は、信号線等の他の配線とは異なる層に形成されることから、光電変換部の開口率を更に向上させることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の固体撮像装置は、フローティングディフュージョン部を複数の光電変換セルによって共有する構造となっているため、全て光電変換セルがそれぞれフローティングディフュージョン部を個別に備える構造の固体撮像素子に比べ、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。また、画素アンプトランジスタ、スイッチングトランジスタ及びリセットトランジスタと、信号線及びリセットパルス線とに関しても同様に複数の光電変換セル中において共有することができ、これによっても光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００３６】
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルの配列の一例を説明する図である。
【００３７】
図１に示すように、第１の実施形態の固体撮像装置においては、基板Ｓ上に、入射された光を強度に応じて電荷に変換する光電変換機能を有する光電変換セルＣが配列され、行列を形成している。また、同一行に含まれ且つ隣接する２つの光電変換セルＣにより、セルグループＣＧが形成されている。
【００３８】
次に、図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を示している。図２には、２つのセルグループＣＧ１及びＣＧ２を拡大して示しており、２行２列の４つの光電変換セルに相当する。
【００３９】
まず、セルグループＣＧ１の構成を説明する。
【００４０】
セルグループＣＧ１において、２つの光電変換部１０１ａ及び１０１ｂが形成され、１つの光電変換部は１つの光電変換セルに対応している。
【００４１】
また、光電変換部１０１ａから電荷を転送する転送トランジスタ１２１ａと、光電変換部１０１ｂから電荷を転送する転送トランジスタ１２１ｂとが形成されている。
【００４２】
また、セルグループＣＧ１において、光電変換部１０１ａ及び光電変換部１０１ｂから電荷が転送されるＦＤ部１１１が形成されている。言い換えると、ＦＤ部１１１は光電変換部１０１ａ及び光電変換部１０１ｂに対する共通のＦＤ部となっている。
【００４３】
また、ＦＤ部１１１の電荷を排出する、言い換えると、ＦＤ部１１１の電位をリセットする、リセットトランジスタ１２２とが形成されている。
【００４４】
また、セルグループＣＧ１において、ＦＤ部１１１の電位を検出し、検出した電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタ１２３と、画素アンプトランジスタ１２３が信号を出力するタイミングを制御するスイッチングトランジスタ１２４とが形成されている。
【００４５】
更に、セルグループＣＧ１に対応する２本の読み出しパルス線（READ）１３１ａ及び１３１ｂと、画素アンプトランジスタ１２３の出力する信号を伝達する信号線１３２と、画素アンプトランジスタ１２３を駆動するためのロードトランジスタ１２５と、ロードトランジスタ１２５を制御するロードゲート線（LGCELL）１３３と、ロードトランジスタ１２５のソース電源線（SCELL ）１３４とが形成されている。また、図示は一部省略しているが、リセットトランジスタ１２２を制御するリセットパルス線１３５と、スイッチングトランジスタ１２４を制御する選択パルス線１３６と、光電変換セルに電源を供給するセル電源線（VDDCELL）vdd も形成されている。
【００４６】
ここで、光電変換部１０１ａ及び１０１ｂは、いずれも例えばフォトダイオード等からなり且つ陽極が接地されている。また、光電変換部１０１ａの陰極は転送トランジスタ１２１ａのソースに、光電変換部１０１ｂの陰極は転送トランジスタ１２１ｂのソースに、それぞれ接続されている。
【００４７】
また、転送トランジスタ１２１ａは、ソースが光電変換部１０１ａの陰極に接続され、ドレインがＦＤ部１１１、リセットトランジスタ１２２のソース及び画素アンプトランジスタ１２３のゲートに接続され且つゲートが読み出しパルス線１３１ａに接続されている。
【００４８】
また、転送トランジスタ１２１ｂは、ソースが光電変換部１０１ｂの陰極に接続され、ドレインがＦＤ部１１１、リセットトランジスタ１２２のソース及び画素アンプトランジスタ１２３のゲートに接続され且つゲートが読み出しパルス線１３１ｂに接続されている。
【００４９】
また、リセットトランジスタ１２２は、ソースが転送トランジスタ１２１ａ及び１２１ｂのドレイン、ＦＤ部１１１及び画素アンプトランジスタ１２３のゲートと接続され、ドレインがセル電源線vdd 及び画素アンプトランジスタ１２３のドレインと接続され且つゲートがリセットパルス線１３５と接続されている。
【００５０】
また、画素アンプトランジスタ１２３は、ソースがスイッチングトランジスタ１２４のドレインと接続され、ドレインがセル電源線vdd 及び転送トランジスタのドレインと接続され且つゲートが転送トランジスタ１２１ａと１２１ｂとのドレイン、ＦＤ部１１１及びリセットトランジスタ１２２のソースと接続されている。
【００５１】
また、スイッチングトランジスタ１２４は、ソースが信号線１３２と接続され、ドレインが画素アンプトランジスタ１２３のソースと接続され且つゲートが選択パルス線１３６と接続されている。
【００５２】
次に、セルグループＣＧ２の構成を説明する。
【００５３】
セルグループＣＧ２は、光電変換部２０１ａ及び２０１ｂと、転送トランジスタ２２１ａ及び２２１ｂと、ＦＤ部２１１と、リセットトランジスタ２２２と、画素アンプトランジスタ２２３と、スイッチングトランジスタ２２４と、読み出しパルス線２３１ａ及び２３１ｂとを備えている。更に、セルグループＣＧ１において、信号線１３２、リセットパルス線２３５、選択パルス線２３６及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続されている。これらの構成はセルグループＣＧ１と同様であるため、詳しい説明は省略する。
【００５４】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置において、ＦＤ部、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ及びスイッチングトランジスタは同じセルグループに属する２つの光電変換セルによって共有されている。また、それぞれのトランジスタに対してパルスを与える配線等も共有されている。このため、基板上において前記の共有される構成要素が形成される数が削減され、これに応じて基板上を占める面積も減少する。この結果、光電変換セル１つの面積が削減できると共に、光電変換部が基板上を占める面積が相対的に向上して開口率が向上することになる。
【００５５】
具体的には、従来の固体撮像装置においては、光電変換セル１つにつき合計４つのトランジスタ（それぞれ１つの転送トランジスタ、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ及びスイッチングトランジスタ）と、合計５本の配線（それぞれ１本の読み出しパルス線、信号線、リセットパルス線、選択パルス線及び電源線）が必要であった。
【００５６】
これに対し、本実施形態の固体撮像装置においては、２つの光電変換セルからなるセルグループ１つにつき合計５つのトランジスタ（２つの転送トランジスタ、１つのリセットトランジスタ、１つの画素アンプトランジスタ及び１つのスイッチングトランジスタ）と、合計６本の配線（２本の読み出しパルス線、１本の信号線、１本のリセットパルス線、１本の選択パルス線及び１本の電源線）が形成されている。このため、光電変換セル１つに対しては、トランジスタの数は２．５個且つ配線の数は３本となっている。
【００５７】
この結果、例えば、光電変換セルの面積が４．１μｍ×４．１μｍである場合において、０．３５μｍルールで設計を行なうとすると、光電変換部の開口率は約２０％ととなる。従来の固体撮像装置の開口率は５％程度であったから、本実施形態の固体撮像装置の開口率は大幅に向上している。
【００５８】
尚、光電変換セルに電位を供給する電源線が、ＦＤ部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての役割を果たす構造とすると、更なる光電変換セルの縮小及び開口率の向上を実現できる。このため、開口率は例えば２３％に向上する。このようにするには、信号線１３２等とは異なる面内であり且つＦＤ部を覆うような位置に電源線を配置すれば良い。
【００５９】
次に、図３は、図２に示した回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示している。ここで、図３におけるそれぞれの構成要素には、図２に示した回路構成の構成要素と対応する同じ符号を付して示している。但し、ロードトランジスタ１２５と、ロードゲート線１３３と、ソース電源線１３４と、リセットパルス線１３５及び２３５と、選択パルス線１３６及び２３６とについては図示を省略している。
【００６０】
このようなレイアウトとすると、光電変換部のピッチを水平方向及び垂直方向において等間隔にすることができる。これによって、高画質の画像を得ることが容易になる。但し、このようなレイアウトに限るものではない。
【００６１】
尚、本実施形態においては、ＦＤ部、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ及びスイッチングトランジスタと、それぞれに関わる配線をセルグループ内において共有する構成としており、望ましい構成である。しかし、前記の構成要素のうちから一部のみを共有する構成としても良い。
【００６２】
また、本実施形態においては、１つのセルグループを１行２列とした。しかし、このような構成に限らず、１つのセルグループは、例えば２行３列等、少なくとも１行且つ少なくとも２行のグループになっていればよい。
【００６３】
また、隣り合う２つの列に配置された光電変換セルによって前記の構成要素を共有する構成とした。しかし、これに限らず、例えば隣り合う３列等、隣り合う２列以上の光電変換セルによって前記の構成要素を共有する構成とすればよい。
【００６４】
次に、第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。
【００６５】
図４は、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ、奇数列の転送トランジスタ及び偶数列の転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。
【００６６】
動作の初期の状態においては、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ及び転送トランジスタはいずれもオフ状態である。
【００６７】
ここで、一連の動作は、水平ブランキング期間内に完結する。また、ある水平ブランキング期間において第１行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換セルについて出力信号の検出を行ない、次の水平ブランキング期間内において第１行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換セルについて出力信号の検出を行なう。第２行目以降においても同様に、奇数列と偶数列との光電変換セルについて交互に出力信号の検出を行なう。
【００６８】
ここで、奇数列の光電変換セルについて検出を行なう水平ブランキング期間を水平ブランキング１、偶数列の光電変換セルについて検出を行なう水平ブランキング期間を水平ブランキング２と呼ぶことにし、図４は、水平ブランキング１及び水平ブランキング２を１度ずつ行なう期間についてタイミングを示している。
【００６９】
また、図２に示した回路構成において、セルグループＣＧ１及びＣＧ２は、順に光電変換セルからなる行列の第１行及び第２行に含まれるものとする。また、光電変換部１０１ａ及び２０１ａを有する光電変換セルは奇数列に含まれ、光電変換部１０１ｂ及び２０１ｂを有する光電変換セルは偶数列に含まれるものとする。
【００７０】
まず、第１行且つ奇数列に含まれる光電変換部（ここでは光電変換部１０１ａ）の電荷を検出する動作（水平ブランキング１に相当する）について、図２及び図４を参照して説明する。
【００７１】
光電変換部１０１ａの電荷を転送するため、ロードトランジスタ１２５に所定の一定電圧を印加しておく。また、水平ブランキング１の間を通じて、転送トランジスタ１２１ｂはオフ状態としておく。更に、セル電源線vdd には、常に一定の電圧が印可されている。本実施形態においては、電源電圧が３．３Ｖであるため、セル電源線vdd には３．３Ｖの電圧が印可されている。
【００７２】
この状態で、選択パルス線１３６を用いてスイッチングトランジスタ１２４をオン状態とし（時刻Ｔ1 ）、更にリセットパルス線１３５を用いてリセットトランジスタ１２２をオン状態とする（時刻Ｔ2 ）。これによって、ＦＤ部１１１の電荷を掃き出し、ＦＤ部１１１をリセットする。これと共に、ＦＤ部１１１のリセット時の信号レベルが画素アンプトランジスタ１２３によって検出され、更にスイッチングトランジスタ１２４及び信号線１３２を通じて出力され、ノイズキャンセル回路（図示省略）において参照レベルとしてクランプされる。
【００７３】
次に、リセットトランジスタ１２２をオフ状態にした後、読み出しパルス線１３１ａにパルス電圧を供給して転送トランジスタ１２１ａをオン状態とする（時刻Ｔ3 ）。これによって光電変換部１０１ａに蓄積されている電荷をＦＤ部１１１に転送する。これと共に、ＦＤ部１１１に転送された電荷が画素アンプトランジスタ１２３によって検出され、更にスイッチングトランジスタ１２４及び信号線１３２を通じて信号が出力され、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングされる。このようにして、参照レベルと信号レベルの差を取ることにより、画素アンプトランジスタ１２４等の有する閾値ばらつき及びノイズ成分等を除去した出力信号を検出することができる。
【００７４】
次に、スイッチングトランジスタ１２４をオフ状態にする（時刻Ｔ4 ）ことにより、画素アンプトランジスタ１２３が信号を出力しない状態とする。
【００７５】
以上により、第１行且つ奇数列に存在する光電変換部の電荷を検出する動作（水平ブランキング１）は終了する。
【００７６】
次に、第１行且つ偶数列に存在する光電変換部（ここでは光電変換部１０１ｂ）の電荷を検出する動作（水平ブランキング２に相当する）について説明する。
【００７７】
光電変換部１０１ｂの電荷を転送するため、水平ブランキング１と同様に、ロードトランジスタ１２５には所定の一定電荷を印加しておく。また、水平ブランキング２の期間を通じて、転送トランジスタ１２１ａはオフ状態としておく。
【００７８】
この状態で、水平ブランキング１の際と同様にスイッチングトランジスタ１２４をオン状態とし（時刻Ｔ5 ）、更にリセットトランジスタ１２２をオン状態とする（時刻Ｔ6 ）ことにより、ＦＤ部１１１の電荷を掃き出してリセットする。これと共に、水平ブランキング１の際と同様にＦＤ部１１１のリセット時の信号レベルが出力され、ノイズキャンセル回路において参照レベルとしてクランプされる。
【００７９】
次に、リセットトランジスタ１２２をオフにした後、水平ブランキング１の際とは異なる読み出しパルス線１３１ｂにパルス電圧を供給し、水平ブランキング１の際とは異なる転送トランジスタ１２１ｂをオン状態とする（時刻Ｔ7 ）。これにより、水平ブランキング１の際とは異なる光電変換部１０１ｂに蓄積されている電荷を、水平ブランキング１の際と同じＦＤ部１１１に転送する。これと共に、水平ブランキング１の際と同様にＦＤ部１１１に転送された電荷が検出され、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングされる。このようにして、ノイズ成分等を除去した出力信号を検出することができる。
【００８０】
次に、スイッチングトランジスタ１２４をオフ状態にする（時刻Ｔ8 ）ことにより、画素アンプトランジスタ１２３が信号を出力しない状態とする。
【００８１】
以上により、第１行且つ偶数列に存在する光電変換部の電荷を検出する動作（水平ブランキング２）は終了する。
【００８２】
この後、次に第１行が選択されるまでの間、第１行に含まれる光電変換部は非選択状態となり、動作しない。
【００８３】
第２行以降についても、第１行と同様にして出力信号が検出される。つまり、水平ブランキング１の際に奇数列に存在する光電変換部（例えば、第２行奇数列に存在する光電変換セル２０１ａ）の電荷が検出され、水平ブランキング２の際に偶数列に存在する光電変換部（例えば、第２行偶数列に存在する光電変換部２０１ｂ）の電荷が検出される。
【００８４】
以上のようにして、ＦＤ部、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ及びスイッチングトランジスタを同一のセルグループに属する２つの光電変換セルによって共有している本実施形態の固体撮像装置において、個々の光電変換部の電荷を個別に検出することができる。
【００８５】
また、異なるブランキング期間に読み出した光電変換部の電荷を信号処理することにより、全ての光電変換セルに基づく画像を得ることができる。
【００８６】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置によると、複数のセルによって一部構成要素を共有することにより、光電変換部の開口率の向上と光電変換セルの縮小とが実現できる。また、そのような回路構成とした場合でも、個々の光電変換セルから個別に信号を検出することができる。
【００８７】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００８８】
第２の実施形態の固体撮像装置においても、第１の実施形態の固体撮像装置と同様に、図１に示したよに光電変換セルＣが配列されており且つ同一行に含まれ且つ隣接する２つの光電変換セルＣにより、セルグループＣＧが形成されている。
【００８９】
次に、図５は、第２の実施形態の固体撮像装置に係る撮像領域の回路構成を示している。図５には、２つのセルグループＣＧ１及びＣＧ２を拡大して示しており、２行２列の４つの光電変換セルに相当する。
【００９０】
図５に示した第２の実施形態の固体撮像装置に係る撮像領域の回路構成は、図２に示した回路構成と以下の点で異なる。つまり、図５に示した回路構成は、図２に示した回路構成においては存在するスイッチングトランジスタ１２４及び２２４が省略されている。これに伴い、選択パルス線１３６及び２３６も省略されている。また、図２に示した回路構成においては、画素アンプトランジスタ１２３及び２２３のソースは、順にスイッチングトランジスタ１２４及び２２４のドレインに接続されていた。これに対し、図５に示した回路構成においては、画素アンプトランジスタ１２３及び２２３のソースはいずれも信号線１３２に接続されている。
【００９１】
図５に示した回路構成の他の構成については、図２に示した回路構成と同様であるため、図５において図２と同じ符号を付すことによって説明を省略する。
【００９２】
以上のような構成とすることにより、第２の実施形態の固体撮像装置において、ＦＤ部、リセットトランジスタ及び画素アンプトランジスタは同じセルグループに属する２つの光電変換セルによって共有されている。また、それぞれのトランジスタに対してパルスを与える配線等も共有されている。このため、基板上において前記の共有される構成要素が形成される数が削減され、これに応じて基板上を占める面積も減少する。この結果、光電変換セル１つの面積が削減できると共に、光電変換部が基板上を占める面積が相対的に向上して開口率が向上することになる。
【００９３】
具体的には、従来の固体撮像装置においては、光電変換セル１つにつき合計４つのトランジスタ（それぞれ１つの転送トランジスタ、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ及びスイッチングトランジスタ）と、合計５本の配線（それぞれ１本の読み出しパルス線、信号線、リセットパルス線、選択パルス線及び電源線）が必要であった。
【００９４】
これに対し、本実施形態の固体撮像装置においては、２つの光電変換セルからなるセルグループ１つにつき合計４つのトランジスタ（２つの転送トランジスタ、１つのリセットトランジスタ及び１つの画素アンプトランジスタ）と、合計５本の配線（２本の読み出しパルス線、１本の信号線、１本のリセットパルス線及び１本の電源線）とが形成されている。このため、光電変換セル１つに対しては、トランジスタの数は２個且つ配線の数は２．５本となっている。
【００９５】
この結果、例えば、光電変換セルの面積が４．１μｍ×４．１μｍである場合において、０．３５μｍルールで設計を行なうとすると、光電変換部の開口率は約２４％ととなる。従来の固体撮像装置の開口率は５％程度であったから、本実施形態の固体撮像装置の開口率は大幅に向上している。
【００９６】
尚、光電変換セルに電位を供給する電源線が、ＦＤ部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての役割を果たす構造とすると、配線数を削減することができる。このため、開口率は例えば２７％に向上する。このようにするには、信号線１３２等とは異なる面内であり且つＦＤ部を覆うような位置に電源線を配置すれば良い。
【００９７】
次に、図６は、図５に示した回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示している。ここで、図６におけるそれぞれの構成要素には、図５に示した回路構成の構成要素と対応する同じ符号を付して示している。このようなレイアウトとすると、光電変換部のピッチを水平方向及び垂直方向において等間隔にすることができる。これによって、高画質の画像を得ることができる。但し、このようなレイアウトに限るものではない。
【００９８】
尚、本実施形態においては、ＦＤ部、リセットトランジスタ及び画素アンプトランジスタと、それぞれに関わる配線を全てセルグループ内において共有する構成としており、望ましい構成である。しかし、前記の構成要素のうちから一部のみを共有する構成としても良い。
【００９９】
また、本実施形態においては、１つのセルグループを１行２列とした。しかし、このような構成に限らず、１つのセルグループは、例えば２行３列等、少なくとも１行且つ少なくとも２行のグループになっていればよい。
【０１００】
また、隣り合う２つの列に配置された光電変換セルによって前記の構成要素を共有する構成とした。しかし、これに限らず、例えば隣り合う３列等、隣り合う２列以上の光電変換セルによって前記の構成要素を共有する構成とすればよい。
【０１０１】
次に、第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。
【０１０２】
図７は、セル電源線vdd 、リセットトランジスタ、奇数列の転送トランジスタ及び偶数列の転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。
【０１０３】
動作の初期の状態においては、セル電源線vdd にはLow 電圧が供給されており、またリセットトランジスタ及び転送トランジスタはいずれもオフ状態である。
【０１０４】
ここで、第１の実施形態の場合と同様に、一連の動作は、水平ブランキング期間内に完結する。また、第１の実施形態と同様に、水平ブランキング１において奇数列の光電変換セルについて出力信号の検出を行ない、水平ブランキング２おいて偶数列の光電変換セルについて出力信号の検出を行なうものとする。
【０１０５】
また、図５に示した回路構成において、セルグループＣＧ１は第１行に含まれ且つセルグループＣＧ２は第２行に含まれるものとする。また、光電変換部１０１ａ及び２０１ａを有する光電変換セルは奇数列に含まれ、光電変換部１０１ｂ及び２０１ｂを有する光電変換セルは偶数列に含まれるものとする。
【０１０６】
まず、第１行且つ奇数列に含まれる光電変換部（ここでは光電変換部１０１ａ）の電荷を検出する動作（水平ブランキング１に相当する）について説明する。
【０１０７】
光電変換部１０１ａの電荷を転送するため、ロードトランジスタ１２５に所定の一定電荷を印加しておく。この状態で、セル電源線vdd にHigh電圧を供給し（時刻Ｔ11）、更にリセットパルス線１３５を用いてリセットトランジスタ１２２をオン状態とする（時刻Ｔ12）。これによって、ＦＤ部１１１の電荷を掃き出し、ＦＤ部１１１をリセットする。これと共に、ＦＤ部１１１のリセット時の信号レベルが画素アンプトランジスタ１２３によって検出され、更に信号線１３２を通じて出力され、ノイズキャンセル回路（図示省略）において参照レベルとしてクランプされる。
【０１０８】
尚、本実施形態においては、電源電圧は３．３Ｖであるため、セル電源線vdd には３．３Ｖの電圧が印可されている。また、High電圧も３．３Ｖとなっている。但し、この電圧に限るものではない。
【０１０９】
次に、リセットトランジスタ１２２をオフ状態にした後、読み出しパルス線１３１ａにパルス電圧を供給して転送トランジスタ１２１ａをオン状態とする（時刻Ｔ13）。これによって光電変換部１０１ａに蓄積されている電荷をＦＤ部１１１に転送する。これと共に、ＦＤ部１１１に転送された電荷が画素アンプトランジスタ１２３によって検出され、更に信号線１３２を通じて出力され、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングされる。このようにして、参照レベルと蓄積信号レベルの差を取ることにより、画素アンプトランジスタ１２４等の有する閾値ばらつき及びノイズ成分等を除去した出力信号を検出することができる。
【０１１０】
次に、セル電源線vdd にLow 電圧を供給した後、リセットトランジスタ１２２をオン状態とする（時刻Ｔ14）。これによって、ＦＤ部１１１はセル電源線vdd と同じLow 電圧となるから画素アンプトランジスタ１２３は動作しない状態となる。ここで、本実施形態においては、Low 電圧は０Ｖとしている。但し、Low 電圧をこの電圧に限るものではない。
【０１１１】
以上により、第１行且つ奇数列に存在する光電変換部の電荷を検出する動作（水平ブランキング１）は終了する。
【０１１２】
次に、第１行且つ偶数列に存在する光電変換部（ここでは光電変換部１０１ｂ）の電荷を検出する動作（水平ブランキング２に相当する）について説明する。
【０１１３】
光電変換部１０１ｂの電荷を転送するため、水平ブランキング１と同様に、ロードトランジスタ１２５には所定の一定電圧を印加しておく。この状態で、セル電源線vdd にHigh電圧を供給し（時刻Ｔ15）、更にリセットパルス線１３５を用いてリセットトランジスタ１２２をオン状態とする（時刻Ｔ16）。これによって、ＦＤ部１１１の電荷を掃き出し、ＦＤ部１１１をリセットする。これと共に、ＦＤ部１１１のリセット時の信号レベルが画素アンプトランジスタ１２３によって検出され、更に信号線１３２を通じて出力され、ノイズキャンセル回路において参照レベルとしてクランプされる。
【０１１４】
次に、リセットトランジスタ１２２をオフにした後、水平ブランキング１の際とは異なる読み出しパルス線１３１ｂにパルス電圧を供給し、水平ブランキング１の際とは異なる転送トランジスタ１２１ｂをオン状態とする（時刻Ｔ17 ）。これにより、水平ブランキング１の際とは異なる光電変換部１０１ｂに蓄積されている電荷を、水平ブランキング１の際と同じＦＤ部１１１に転送する。これと共に、水平ブランキング１の際と同様にＦＤ部１１１に転送された電荷が検出され、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングされる。このようにして、ノイズ成分等を除去した出力信号を検出することができる。
【０１１５】
次に、セル電源線vdd にLow 電圧を供給した後、リセットトランジスタ１２２をオン状態とする（時刻Ｔ18）。これにより、ＦＤ部１１１はセル電源線vdd と同じLow 電圧となるから、画素アンプトランジスタ１２３は動作しない状態となる。
【０１１６】
以上により、第１行且つ偶数列に存在する光電変換部の電荷を検出する動作（水平ブランキング２）は終了する。
【０１１７】
この後、次に第１行が選択されるまでの間、第１行に含まれる光電変換部は非選択状態となる。
【０１１８】
第２行以降についても、第１行と同様にして出力信号が検出される。つまり、水平ブランキング１の際に奇数列に存在する光電変換部（例えば、第２行奇数列に存在する光電変換セル２０１ａ）の電荷が検出され、水平ブランキング２の際に偶数列に存在する光電変換部（例えば、第２行偶数列に存在する光電変換部２０１ｂ）の電荷が検出される。
【０１１９】
以上のようにして、ＦＤ部、リセットトランジスタ及び画素アンプトランジスタを同一のセルグループに属する２つの光電変換セルによって共有している本実施形態の固体撮像装置において、個々の光電変換部の電荷を個別に検出することができる。
【０１２０】
また、異なるブランキング期間に読み出した光電変換部の電荷を信号処理することにより、全ての光電変換セルに基づく画像を得ることができる。
【０１２１】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置によると、複数のセルによって一部構成要素を共有することにより、光電変換部の開口率の向上と光電変換セルの縮小とが実現できる。また、そのような回路構成とした場合でも、個々の光電変換セルから個別に信号を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の固体撮像装置は、光電変換部の開口率が高く且つ微細化が可能であり、複数の光電変換セルが配列された固体撮像装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の第１及び第２の実施形態に係る固体撮像装置における光電変換セルの配列を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の固体撮像装置における撮像領域の回路構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ、２０１ｂ      光電変換部
１１１、２１１                              フローティングディフュージョン部
１２１ａ、１２１ｂ、２２１ａ、２２１ｂ      転送トランジスタ
１２２、２２２                              リセットトランジスタ
１２３、２２３                              画素アンプトランジスタ
１２４、２２４                              スイッチングトランジスタ
１２５                                      ロードトランジスタ
１３１ａ、１３１ｂ、２３１ａ、２３１ｂ      読み出しパルス線
１３２                                      信号線
１３３                                      ロードゲート線
１３４                                      ソース電源線
１３５、２３５                              リセットパルス線
１３６、２３６                              選択パルス線
Ｃ                                          セル
ＣＧ、ＣＧ１、ＣＧ２                        セルグループ
Ｓ                                          基板
【図１】
2006049692.tif 000003
【図２】
2006049692.tif 000004
【図３】
2006049692.tif 000005
【図４】
2006049692.tif 000006
【図５】
2006049692.tif 000007
【図６】
2006049692.tif 000008
【図７】
2006049692.tif 000009
【図８】
2006049692.tif 000010