(57)【要約】【課題】十分な飽和電子数を確保でき、かつ高速な読み出し動作を行うことができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】同一の行に配置され、光電変換素子を含む第１，第２の画素部と、第１，第２の画素部にて光電変換された電荷をそれぞれ転送する転送トランジスタＴＧ１−１，ＴＧ２−３と、第１の画素部と第２の画素部との間に配置され、転送トランジスタＴＧ１−１，ＴＧ２−３により転送された電荷をそれぞれ蓄積するフローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２と、フローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２間に配置され、これらを電気的に絶縁する素子分離領域１２と、ＦＤ１−１に蓄積された電荷に応じて生じた電圧を増幅する増幅トランジスタＡＰ１と、ＦＤ２−２に蓄積された電荷に応じて生じた電圧を増幅する増幅トランジスタＡＰ２とを備える。【選択図】図２
2011199196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を含む第１の画素部と、
前記第１の画素部と同一の行に配置され、光電変換素子を含む第２の画素部と、
前記第１の画素部にて光電変換された電荷を転送する第１の転送トランジスタと、
前記第２の画素部にて光電変換された電荷を転送する第２の転送トランジスタと、
前記第１の画素部と前記第２の画素部との間に配置され、前記第１の転送トランジスタにより転送された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、
前記第１の画素部と前記第２の画素部との間に配置され、前記第２の転送トランジスタにより転送された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、
前記第１の蓄積部と前記第２の蓄積部との間に配置され、前記第１の蓄積部と前記第２の蓄積部とを電気的に絶縁する素子分離領域と、
前記第１の蓄積部に蓄積された電荷に応じて生じた電圧を増幅する第１の増幅トランジスタと、
前記第１の増幅トランジスタにより増幅された信号電圧を出力する第１の信号線と、
前記第２の蓄積部に蓄積された電荷に応じて生じた電圧を増幅する第２の増幅トランジスタと、
前記第２の増幅トランジスタにより増幅された信号電圧を出力する第２の信号線と、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の画素部は、列方向に配列された光電変換素子を含む４つの画素を有し、
前記４つの画素、前記第１の転送トランジスタ、第１の蓄積部、及び第１の増幅トランジスタにより第１のユニットセルが構成され、
前記第２の画素部は、列方向に配列された光電変換素子を含む４つの画素を有し、
前記４つの画素、前記第２の転送トランジスタ、第２の蓄積部、及び第２の増幅トランジスタにより第２のユニットセルが構成され、
前記第１のユニットセルと前記第２のユニットセルは互いに隣接して行方向に配置され、前記第２のユニットセルは、前記第１のユニットセルに対して列方向に２画素分ずれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記素子分離領域は、ＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)または半導体領域のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１，第２の蓄積部は第１導電型の半導体領域により形成され、前記素子分離領域は第２導電型の半導体領域により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１，第２のユニットセルが有する前記画素は、カラーフィルタとしてＧ（緑）が２個、Ｒ（赤）が１個、Ｂ（青）が１個を含むベイヤー配列を構成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
読み出し動作の際、前記第１の画素部及び前記第２の画素部にて光電変換された電荷は、前記第１の蓄積部及び前記第２の蓄積部へ同時にそれぞれ転送されることを特徴とする請求項１乃至５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、固体撮像装置に関し、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ等に使われる固体撮像装置の画素構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳセンサーをはじめとする固体撮像素子は、多画素化や光学サイズ縮小の要請により、年々、画素サイズが小さくなっている。例えば、近年、デジタルカメラ等で使われているＣＭＯＳセンサーの画素サイズは、２μｍから３μｍ程度である。
【０００３】
このように画素サイズの微細化が進むと、画素に配置されるフォトダイオードの面積が小さくなる。このため、フォトダイオードに蓄積される飽和電子数が少なくなり、信号電荷が十分に取れないという問題が発生する。信号電荷が十分に取れないと、Ｓ／Ｎが悪くなり、再生画面上のノイズが目立つなどの問題が生じる。
【０００４】
そこで、フォトダイオードにおける飽和電子数を増やすために、４つの画素で１つのフローティングディフュージョンを共有することにより、フローティングディフュージョンの数を減らし、フォトダイオードの面積を大きくするレイアウトが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような４画素を１つのユニットセルとした４画素１セルのレイアウトでは、中央にフローティングディフュージョンがあり、フローティングディフュージョンの周囲に４画素が配置されている。このレイアウトにおいては、例えば、２つの画素で１つのフローティングディフュージョンを共有する２画素１セルのレイアウトに比べて、フローティングディフュージョンの数を少なくできる。これにより、フォトダイオードの面積を大きくできるため、フォトダイオードに蓄積される飽和電子数を増やすことができる。
【０００６】
しかし、この４画素１セルのレイアウトにおいては、１行に配列された画素から信号電荷を読み出す際に、一つの画素を読み出している間は、その隣の画素を読み出すことができないため、読み出し動作を高速化することができないという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２３７３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、十分な飽和電子数を確保でき、かつ高速な読み出し動作を行うことができる固体撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施態様の固体撮像装置は、光電変換素子を含む第１の画素部と、前記第１の画素部と同一の行に配置され、光電変換素子を含む第２の画素部と、前記第１の画素部にて光電変換された電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記第２の画素部にて光電変換された電荷を転送する第２の転送トランジスタと、前記第１の画素部と前記第２の画素部との間に配置され、前記第１の転送トランジスタにより転送された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、前記第１の画素部と前記第２の画素部との間に配置され、前記第２の転送トランジスタにより転送された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、前記第１の蓄積部と前記第２の蓄積部との間に配置され、前記第１の蓄積部と前記第２の蓄積部とを電気的に絶縁する素子分離領域と、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷に応じて生じた電圧を増幅する第１の増幅トランジスタと、前記第１の増幅トランジスタにより増幅された信号電圧を出力する第１の信号線と、前記第２の蓄積部に蓄積された電荷に応じて生じた電圧を増幅する第２の増幅トランジスタと、前記第２の増幅トランジスタにより増幅された信号電圧を出力する第２の信号線とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、十分な飽和電子数を確保でき、かつ高速な読み出し動作を行うことができる固体撮像装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。
【図２】実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すレイアウト図である。
【図３】実施形態に係る固体撮像装置における画素配列を示す図である。
【図４】図２中のIV−IV線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の固体撮像装置について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１３】
［１］実施形態
［１−１］回路構成
まず、本発明の実施形態の固体撮像装置における回路構成について説明する。
【００１４】
図１は、実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。
【００１５】
固体撮像装置は、図１に示すように、行列状に配列された複数のユニットセル１１を有する。ここでは、第１のユニットセル１１−１と、この第１のユニットセル１１−１に隣接して配置される第２のユニットセル１１−２を用いて回路構成を説明する。
【００１６】
ユニットセル１１−１の回路構成は以下のようになっている。
【００１７】
ユニットセル１１−１は、複数の光電変換素子、例えば４つのフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ１−２，ＰＤ１−３，ＰＤ１−４と、トランスファーゲート（転送トランジスタ）ＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ１−３，ＴＧ１−４、アンプゲート（増幅トランジスタ）ＡＰ１、リセットゲート（リセットトランジスタ）ＲＳ１、及びアドレスゲート（アドレストランジスタ）ＡＤ１から構成されている。
【００１８】
フォトダイオードＰＤ１−１のカソードは、トランスファーゲートＴＧ１−１の電流通路を介してノードＦＤ１に接続されている。フォトダイオードＰＤ１−２のカソードは、トランスファーゲートＴＧ１−２の電流通路を介してノードＦＤ１に接続されている。フォトダイオードＰＤ１−３のカソードは、トランスファーゲートＴＧ１−３の電流通路を介してノードＦＤ１に接続されている。さらに、フォトダイオードＰＤ１−４のカソードは、トランスファーゲートＴＧ１−４の電流通路を介してノードＦＤ１に接続されている。
【００１９】
ノードＦＤ１は、後述するフローティングディフュージョンに相当し、トランスファーゲートＴＧ１−１〜ＴＧ１−４及びリセットゲートＲＳ１がオフのとき、フローティング状態となる。
【００２０】
ノードＦＤ１は、アンプゲートＡＰ１のゲートと、リセットゲートＲＳ１の電流通路の一端に接続されている。リセットゲートＲＳ１の電流通路の他端は、アンプゲートＡＰ１の電流通路を介してアドレスゲートＡＤ１の電流通路の一端に接続されている。さらに、アドレスゲートＡＤ１の電流通路の他端は、信号線ＳＧＬ１に接続されている。
【００２１】
トランスファーゲートＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ１−３，ＴＧ１−４の各々のゲートには、リード線ＲＤＬ１−１，ＲＤＬ１−２，ＲＤＬ１−３，ＲＤＬ１−４がそれぞれ接続されている。リセットゲートＲＳ１のゲートには、リセット線ＲＳＬ１が接続され、リセットゲートＲＳ１の電流通路の他端には、電源電圧線ＶＤＬ１が接続されている。さらに、アドレスゲートＡＤ１のゲートには、アドレス線ＡＤＬ１が接続されている。
【００２２】
また同様に、ユニットセル１１−２の回路構成は以下のようになっている。
【００２３】
ユニットセル１１−２は、複数の光電変換素子、例えば４つのフォトダイオードＰＤ２−１，ＰＤ２−２，ＰＤ２−３，ＰＤ２−４と、トランスファーゲートＴＧ２−１，ＴＧ２−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４、アンプゲートＡＰ２、リセットゲートＲＳ２、及びアドレスゲートＡＤ２から構成されている。
【００２４】
フォトダイオードＰＤ２−１のカソードは、トランスファーゲートＴＧ２−１の電流通路を介してノードＦＤ２に接続されている。フォトダイオードＰＤ２−２のカソードは、トランスファーゲートＴＧ２−２の電流通路を介してノードＦＤ２に接続されている。フォトダイオードＰＤ２−３のカソードは、トランスファーゲートＴＧ２−３の電流通路を介してノードＦＤ２に接続されている。さらに、フォトダイオードＰＤ２−４のカソードは、トランスファーゲートＴＧ２−４の電流通路を介してノードＦＤ２に接続されている。
【００２５】
ノードＦＤ２は、後述するフローティングディフュージョンに相当し、トランスファーゲートＴＧ２−１〜ＴＧ２−４及びリセットゲートＲＳ２がオフのとき、フローティング状態となる。
【００２６】
ノードＦＤ２は、アンプゲートＡＰ２のゲートと、リセットゲートＲＳ２の電流通路の一端に接続されている。リセットゲートＲＳ２の電流通路の他端は、アンプゲートＡＰ２の電流通路を介してアドレスゲートＡＤ２の電流通路の一端に接続されている。さらに、アドレスゲートＡＤ２の電流通路の他端は、信号線ＳＧＬ２に接続されている。
【００２７】
トランスファーゲートＴＧ２−１，ＴＧ２−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４の各々のゲートには、リード線ＲＤＬ２−１，ＲＤＬ２−２，ＲＤＬ２−３，ＲＤＬ２−４がそれぞれ接続されている。リセットゲートＲＳ２のゲートには、リセット線ＲＳＬ２が接続され、リセットゲートＲＳ２の電流通路の他端には、電源電圧線ＶＤＬ２が接続されている。さらに、アドレスゲートＡＤ２のゲートには、アドレス線ＡＤＬ２が接続されている。
【００２８】
［１−２］レイアウト構成
次に、本発明の実施形態の固体撮像装置におけるレイアウト構成について説明する。
【００２９】
図２は、実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すレイアウト図である。
【００３０】
固体撮像装置は、前述したように、行列状に配列された複数のユニットセル１１を有する。ここでも同様に、第１のユニットセル１１−１と、この第１のユニットセル１１−１に隣接して配置される第２のユニットセル１１−２を用いてレイアウトを説明する。
【００３１】
ユニットセル１１−１は、複数の光電変換素子、例えば４つのフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ１−２，ＰＤ１−３，ＰＤ１−４と、トランスファーゲートＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ１−３，ＴＧ１−４、アンプゲートＡＰ１、リセットゲートＲＳ１、アドレスゲートＡＤ１、及びフローティングディフュージョン（第１の蓄積部）ＦＤ１−１，ＦＤ１−２から構成されている。
【００３２】
ユニットセル１１−２は、複数の光電変換素子、例えば４つのフォトダイオードＰＤ２−１，ＰＤ２−２，ＰＤ２−３，ＰＤ２−４と、トランスファーゲートＴＧ２−１，ＴＧ２−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４、アンプゲートＡＰ２、リセットゲートＲＳ２、アドレスゲートＡＤ２、及びフローティングディフュージョン（第２の蓄積部）ＦＤ２−１，ＦＤ２−２から構成されている。
【００３３】
図２に示すように、フォトダイオードＰＤ１−１〜ＰＤ１−４は、列方向に配列されている。フォトダイオードＰＤ１−１の近傍にはトランスファーゲートＴＧ１−１が配置され、フォトダイオードＰＤ１−２の近傍にはトランスファーゲートＴＧ１−２が配置されている。さらに、トランスファーゲートＴＧ１−１，ＴＧ１−２の近傍には、フローティングディフュージョンＦＤ１−１が配置されている。
【００３４】
フォトダイオードＰＤ１−３の近傍にはトランスファーゲートＴＧ１−３が配置され、フォトダイオードＰＤ１−４の近傍にはトランスファーゲートＴＧ１−４が配置されている。トランスファーゲートＴＧ１−３，ＴＧ１−４の近傍には、フローティングディフュージョンＦＤ１−２が配置されている。
【００３５】
フォトダイオードＰＤ１−２とＰＤ１−３との間には、アンプゲートＡＰ１、リセットゲートＲＳ１、及びアドレスゲートＡＤ１が配置されている。
【００３６】
トランスファーゲートＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ１−３，ＴＧ１−４の各々のゲートには、リード線ＲＤＬ１−１，ＲＤＬ１−２，ＲＤＬ１−３，ＲＤＬ１−４がそれぞれ接続されている。リセットゲートＲＳ１のゲートには、リセット線ＲＳＬ１が接続され、リセットゲートＲＳ１の電流通路の他端には、電源電圧線ＶＤＬ１が接続されている。アドレスゲートＡＤ１のゲートには、アドレス線ＡＤＬ１が接続されている。さらに、アドレスゲートＡＤ１の出力端には、信号線ＳＧＬ１が接続されている。
【００３７】
同様に、フォトダイオードＰＤ２−１，ＰＤ２−２，ＰＤ２−３，ＰＤ２−４は、列方向に配列されている。フォトダイオードＰＤ２−１の近傍にはトランスファーゲートＴＧ２−１が配置され、フォトダイオードＰＤ２−２の近傍にはトランスファーゲートＴＧ２−２が配置されている。さらに、トランスファーゲートＴＧ２−１，ＴＧ２−２の近傍には、フローティングディフュージョンＦＤ２−１が配置されている。
【００３８】
フォトダイオードＰＤ２−３の近傍にはトランスファーゲートＴＧ２−３が配置され、フォトダイオードＰＤ２−４の近傍にはトランスファーゲートＴＧ２−４が配置されている。トランスファーゲートＴＧ２−３，ＴＧ２−４の近傍には、フローティングディフュージョンＦＤ２−２が配置されている。
【００３９】
フォトダイオードＰＤ２−２とＰＤ２−３との間には、アンプゲートＡＰ２、リセットゲートＲＳ２、及びアドレスゲートＡＤ２が配置されている。
【００４０】
トランスファーゲートＴＧ２−１，ＴＧ２−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４の各々のゲートには、リード線ＲＤＬ２−１，ＲＤＬ２−２，ＲＤＬ２−３，ＲＤＬ２−４がそれぞれ接続されている。リセットゲートＲＳ２のゲートには、リセット線ＲＳＬ２が接続され、リセットゲートＲＳ２の電流通路の他端には、電源電圧線ＶＤＬ２が接続されている。アドレスゲートＡＤ２のゲートには、アドレス線ＡＤＬ２が接続されている。さらに、アドレスゲートＡＤ２の出力端には、信号線ＳＧＬ２が接続されている。
【００４１】
また、ユニットセル１１−１とユニットセル１１−２は、行方向に隣接し、２つのフォトダイオード分（２画素分）だけ列方向にずれて配列されている。すなわち、ユニットセル１１−１が含むフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ１−２の行方向には、ユニットセル１１−２のフォトダイオードＰＤ２−３，ＰＤ２−４がそれぞれ配置されている。
【００４２】
フローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２は、フォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ１−２，ＰＤ２−３，ＰＤ２−４に囲まれるように配置されている。さらに、フローティングディフュージョンＦＤ１−１とＦＤ２−２との間には、素子分離領域１２、例えばＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)あるいはｐ型半導体領域が形成され、フローティングディフュージョンＦＤ１−１とＦＤ２−２は電気的に絶縁されている。
【００４３】
フォトダイオードＰＤ１−１とフローティングディフュージョンＦＤ１−１との間にはトランスファーゲートＴＧ１−１が配置され、フォトダイオードＰＤ１−２とフローティングディフュージョンＦＤ１−１との間にはトランスファーゲートＴＧ１−２が配置されている。
【００４４】
フォトダイオードＰＤ２−３とフローティングディフュージョンＦＤ２−２との間にはトランスファーゲートＴＧ２−３が配置され、フォトダイオードＰＤ２−４とフローティングディフュージョンＦＤ２−２との間にはトランスファーゲートＴＧ２−４が配置されている。
【００４５】
そして、前述したユニットセル１１−１とユニットセル１１−２が行方向及び列方向に複数配列されて、固体撮像装置が形成されている。
【００４６】
図３に、前記レイアウト構成を有する固体撮像装置におけるカラーフィルタ配列を示す。ユニットセル１１−１のフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ１−２，ＰＤ１−３，ＰＤ１−４上、及びユニットセル１１−２のフォトダイオードＰＤ２−１，ＰＤ２−２，ＰＤ２−３，ＰＤ２−４上には、図３に示すように、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタが配置されている。このように、固体撮像装置におけるカラーフィルタ配列はベイヤー配列になっている。
【００４７】
本実施形態のレイアウト構成では、列方向に配列された４画素（４つのフォトダイオード）を１つのユニットセル（４画素１セル）とし、その４画素１セルを列方向に２画素ずつずらして行方向に配置している。さらに、４画素に囲まれたフローティングディフュージョンを素子分離領域で二つの部分に分け、各々のフローティングディフュージョンを別々のユニットセルに振り分けている。
【００４８】
４画素で１つのフローティングディフュージョンを共有することにより、１〜３画素に１つのフローティングディフュージョンを設ける場合より、フォトダイオードの面積を大きくすることができる。これにより、フォトダイオードに蓄積される飽和電子数を確保することができる。
【００４９】
［１−３］画素部の断面構造
次に、本発明の実施形態の固体撮像装置における画素部の断面構造について説明する。
【００５０】
図４は、図２中のIV−IV線に沿った断面図であり、フォトダイオード、トランスファーゲート、フローティングディフュージョン、及び素子分離領域の断面構造を示す。
【００５１】
図４に示すように、半導体基板（例えば、ｐ型半導体基板）２１上には、ｎ型半導体層（例えば、エピタキシャル層）２２が形成されている。ｎ型半導体層２２の周囲には、素子分離層２３、例えばＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)あるいはｐ型半導体層が形成されている。
【００５２】
ｎ型半導体層２２上には、２つのフォトダイオードＰＤ１−２，ＰＤ２−３を構成するｎ型半導体領域２４Ａ，２４Ｂがそれぞれ離隔して形成されている。ｎ型半導体領域２４Ａ，２４Ｂの間には、２つのトランスファーゲートＴＧ１−２，ＴＧ２−３を構成するゲート電極２５Ａ，２５Ｂが形成されている。ゲート電極２５Ａ，２５Ｂとｎ型半導体層２２との間には、ゲート絶縁膜２６Ａ，２６Ｂがそれぞれ形成されている。
【００５３】
ゲート電極２５Ａ，２５Ｂ間のｎ型半導体層２２上には、フローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２が形成されている。フローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２は、ｎ＋型半導体領域からなる。
【００５４】
さらに、フローティングディフュージョンＦＤ１−１とＦＤ２−２との間には、素子分離領域１２が形成されている。素子分離領域１２は、例えばＳＴＩあるいはｐ型半導体領域からなる。
【００５５】
なお、画素部の断面構造を構成する各半導体部材の導電型は、前述した導電型に限るわけではなく他の導電型を用いてもよい。
【００５６】
［１−４］読み出し動作
次に、実施形態の固体撮像装置における読み出し動作について説明する。
【００５７】
固体撮像装置では、行列状に複数配列された画素において、行毎に複数画素の読み出しが行われる。すなわち、複数のフォトダイオードが配列された１行毎に、フォトダイオードからの電荷の転送動作が行われる。ここでは、第１の行に配置されたフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ２−３と、第１の行に続く第２の行に配置されたフォトダイオードＰＤ１−２，ＰＤ２−４からの読み出し動作を述べる。
【００５８】
第１の行に配置されたフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ２−３から読み出しは、以下のようになる。
【００５９】
まず、信号蓄積期間において、トランスファーゲートＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４をオフ状態にしておき、フォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ２−３，ＰＤ１−２，ＰＤ２−４に電荷を蓄積する。
【００６０】
次に、トランスファーゲートＴＧ１−１をオンし、フォトダイオードＰＤ１−１に蓄積された電子をフローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送する。このとき、トランスファーゲートＴＧ１−１をオンするのと同時に、トランスファーゲートＴＧ２−３をオンし、フォトダイオードＰＤ２−３に蓄積された電子をフローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送する。トランスファーゲートＴＧ１−１をオフ状態にするにはゲートに０Ｖまたは負電圧を印加し、トランスファーゲートＴＧ１−１をオン状態にするにはゲートに正電圧、例えば３．５Ｖを印加する。
【００６１】
フローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送された信号電荷は、アンプゲートＡＰ１により増幅され、アドレスゲートＡＤ１を通って信号線ＳＧＬ１に出力される。これと同時に、フローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送された信号電荷は、アンプゲートＡＰ２により増幅され、アドレスゲートＡＤ２を通って信号線ＳＧＬ２に出力される。
【００６２】
すなわち、アンプゲートＡＰ１は、フローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送された信号電荷に応じて生じた電圧を増幅し、信号電圧として信号線ＳＧＬ１に出力する。同様に、アンプゲートＡＰ２は、フローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送された信号電荷に応じて生じた電圧を増幅し、信号電圧として信号線ＳＧＬ２に出力する。
【００６３】
アドレスゲートＡＤ１，ＡＤ２は、それぞれアドレス線ＡＤＬ１，ＡＤＬ２に入力されるアドレス信号に応じてオンあるいはオフとなり、信号線ＳＧＬ１，ＳＧＬ２への信号電圧の出力を制御する。
【００６４】
このように、同一行に配置されたフォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ２−３からの読み出しは同時に並行して行われるため、１行に配列された画素からの読み出し動作は１回の読み出しで終了させることができる。
【００６５】
次に、第２の行に配置されたフォトダイオードＰＤ１−２，ＰＤ２−４から読み出しは、以下のようになる。
【００６６】
リセットゲートＲＳ１，ＲＳ２をオンし、フローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２の信号電荷をそれぞれリセットする。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤ１−１，ＦＤ２−２の電位を電源電圧ＶDDとする。さらに、フォトダイオードＰＤ１−２，ＰＤ２−４、及びその他のフォトダイオードに蓄積されている電子を吐き出す。
【００６７】
次に、信号蓄積期間において、トランスファーゲートＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４をオフ状態にしておき、フォトダイオードＰＤ１−１，ＰＤ２−３，ＰＤ１−２，ＰＤ２−４に電荷を蓄積する。
【００６８】
続いて、トランスファーゲートＴＧ１−２をオンし、フォトダイオードＰＤ１−２に蓄積された電子をフローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送する。このとき、トランスファーゲートＴＧ１−２をオンするのと同時に、トランスファーゲートＴＧ２−４をオンし、フォトダイオードＰＤ２−４に蓄積された電子をフローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送する。トランスファーゲートＴＧ１−２をオフ状態にするにはゲートに０Ｖまたは負電圧を印加し、トランスファーゲートＴＧ２−４をオン状態にするにはゲートに正電圧、例えば３．５Ｖを印加する。
【００６９】
フローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送された信号電荷は、アンプゲートＡＰ１により増幅され、アドレスゲートＡＤ１を通って信号線ＳＧＬ１に出力される。これと同時に、フローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送された信号電荷は、アンプゲートＡＰ２により増幅され、アドレスゲートＡＤ２を通って信号線ＳＧＬ２に出力される。
【００７０】
すなわち、アンプゲートＡＰ１は、フローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送された信号電荷に応じて生じた電圧を増幅し、信号電圧として信号線ＳＧＬ１に出力する。同様に、アンプゲートＡＰ２は、フローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送された信号電荷に応じて生じた電圧を増幅し、信号電圧として信号線ＳＧＬ２に出力する。
【００７１】
アドレスゲートＡＤ１，ＡＤ２は、それぞれアドレス線ＡＤＬ１，ＡＤＬ２に入力されるアドレス信号に応じてオンあるいはオフとなり、信号線ＳＧＬ１，ＳＧＬ２への信号電圧の出力を制御する。
【００７２】
固体撮像装置では、行列状に複数配列された画素において、行毎に複数画素の読み出しが行われる。本実施形態においては、フォトダイオードＰＤ１−１（またはＰＤ１−２）に蓄積された電子をフローティングディフュージョンＦＤ１−１に転送するのと並行して、フォトダイオードＰＤ２−３（またはＰＤ２−４）に蓄積された電子をフローティングディフュージョンＦＤ２−２に転送する。これにより、フォトダイオードＰＤ１−１（またはＰＤ１−２）に蓄積された電子の検出と、フォトダイオードＰＤ２−３（またはＰＤ２−４）に蓄積された電子の検出とを並行して行うことができる。これにより、１行に配列された画素から電荷を読み出す際に、１回の読み出しで読み出し動作を終了させることができ、高速な動作が可能となる。
【００７３】
［１−５］効果
本実施形態では、４画素（４つのフォトダイオード）で一つのフローティングディフュージョンを共有することにより、１〜３画素に一つのフローティングディフュージョンを設ける場合より、フォトダイオードの面積を大きくすることができる。これにより、フォトダイオードに蓄積される飽和電子数を確保することができる。
【００７４】
フローティングディフュージョンを素子分離領域で二つの部分に分け、それぞれのフローティングディフュージョンを別々のユニットセルに振り分けることにより、同一行の隣り合うフォトダイオードに蓄積された電子を、別々のフローティングディフュージョンに同時に読み出すことができる。
【００７５】
列方向に配列された４画素を１つのユニットセル（４画素１セル）とし、その４画素１セルを列方向に２画素ずつずらして行方向に配置することにより、２つの部分に分かれたフローティングディフュージョンにおける電圧振幅を、それぞれ上下に配置されたアンプゲートで検出することができる。これにより、一回の読み出しで一行分の画素を読み出すことができる。
【００７６】
これらにより、画素サイズを縮小した場合でも、フォトダイオードに蓄積される飽和電子数を確保でき、かつ読み出し動作を高速に実行することができる。
【００７７】
以上説明したように本発明の実施形態によれば、画素サイズを縮小した場合に十分な飽和電子数が取れなくなるという問題と、フローティングディフュージョンを共有する画素数を増やした場合に高速動作ができなくなるという問題を解決できる。すなわち、画素サイズを縮小した場合でも、十分な飽和電子数（信号電荷）を確保でき、かつ高速動作にも対応することができる。
【００７８】
なお、前述した実施形態は唯一の実施形態ではなく、前記構成の変更あるいは各種構成の追加によって、様々な実施形態を形成することが可能である。ベイヤー配列に限らず、三板式のＣＣＤカメラのように、単色画素が特定行に並んでいるような構成においても適用できる。さらに、前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１１−１，１１−２…ユニットセル、ＰＤ１−１，ＰＤ１−２，ＰＤ１−３，ＰＤ１−４，ＰＤ２−１，ＰＤ２−２，ＰＤ２−３，ＰＤ２−４…フォトダイオード、ＴＧ１−１，ＴＧ１−２，ＴＧ１−３，ＴＧ１−４，ＴＧ２−１，ＴＧ２−２，ＴＧ２−３，ＴＧ２−４…トランスファーゲート（転送トランジスタ）、ＡＰ１，ＡＰ２…アンプゲート（増幅トランジスタ）、ＲＳ１，ＲＳ２…リセットゲート（リセットトランジスタ）、ＡＤ１，ＡＤ２…アドレスゲート（アドレストランジスタ）、１２…素子分離領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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