(57)【要約】【課題】ＨＤムービーや一眼レフＤＳＣ等の用途に用いられる大きな画素サイズの固体撮像素子において、出力信号のＳ／Ｎ比を向上させ、高画質の画像を得ることが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】本発明における固体撮像素子の画素構成は以下のとおりである。同一活性領域上に、フォトダイオード１０、フローティングディフュージョン２０、転送トランジスタ１００、リセットトランジスタ１１０および増幅用のソースフォロワトランジスタ１２０が構成されており、水平方向に隣接したフォトダイオード１０の間にリセットトランジスタ１１０とソースフォロアトランジスタ１２０が配置されている。このとき、ソースフォロワトランジスタ１２０のゲート長が転送トランジスタ１００のゲート長よりも長くなるように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換する光電変換素子と、光電変換素子に蓄積した電荷を転送するための転送トランジスタと、転送された電荷を保持するための浮遊拡散容量を含む電荷保持手段と、ゲート電極が前記電荷保持手段と電気的に接続された増幅トランジスタと、前記光電変換素子と電荷保持手段とをリセットするためのリセットトランジスタを少なくとも有する画素が複数配置された受光部と、
前記画素からの信号を外部に出力するための信号処理回路と、
前記画素および前記信号処理回路を駆動するための駆動回路を含む固体撮像素子において、
前記増幅トランジスタのゲート長が、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート長と比べて最も長いことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
読み出し行を選択するための選択用トランジスタが前記画素内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記増幅トランジスタのゲート絶縁膜の厚みが、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート絶縁膜の厚みと比較して最も薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素内に増幅トランジスタを有するＭＯＳ型固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、デジタルスチルカメラやムービーカメラの画像情報取得手段として、ＭＯＳ型固体撮像素子が用いられてきている。携帯電話用カメラなどの用途においては、カメラモジュールの小型化かつ高画素化の要望が強く、微細シリコンプロセスを用いた画素サイズ縮小が進められて来ており、画素サイズは２．０μｍ以下まで微細化されている。
【０００３】
このような微細画素を有する固体撮像素子の画素回路構成及びセルレイアウトの一例を図６、図７に示す（特許文献１参照）。図６（ａ）、（ｂ）はいわゆる３トランジスタ構成の画素であり、図７（ａ）、（ｂ）は３トランジスタ構成の画素に行選択トランジスタが追加された４トランジスタ構成の画素である。図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、同一活性領域上に、フォトダイオード１０、フローティングディフュージョン２０、転送トランジスタ１００、リセットトランジスタ１１０および増幅用のソースフォロワトランジスタ１２０が構成されており、水平方向に隣接したフォトダイオード１０の間にリセットトランジスタ１１０とソースフォロアトランジスタ１２０が配置されている。また、図７（ｂ）においては、ソースフォロアトランジスタ１２０に隣接して行選択トランジスタ１３０が設けられている。なお、画素内のトランジスタはすべてＭＯＳトランジスタで構成されている。
【０００４】
一方、ＨＤ（Ｈｉｇｈ  Ｄｅｆｉｎｉｓｉｏｎ（高精細））ムービー向けや一眼レフＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｔｉｌｌ  Ｃａｍｅｒａ（デジタルスチルカメラ））向け等の用途においては、一般に光学インチサイズと画素数の製品仕様から画素サイズが決まる場合が多く、例えば、１０００万画素クラスのＤＳＣ向け固体撮像素子の場合、一般的には画素サイズは５μｍ程度になる。また、撮像特性面での要求も高く、Ｓ／Ｎ比向上のため、フォトダイオードに代表される光電変換素子の面積を大きく取って感度、飽和等の基本特性を上げる必要がある。さらに、これらの用途向け固体撮像素子においては、携帯向け用途に対し比較的大きな画素サイズであっても、微細加工プロセスをベースとしたトランジスタ設計とする場合が多い。
【特許文献１】特開平１０−１５０１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、特許文献１に示したような固体撮像素子においては、ソースフォロワトランジスタのゲート長はデザインルールで許容される最小ゲートサイズよりも長いほうが好ましい。トランジスタのゲート長が短くなると短チャネル効果によって実効ゲート長がばらつき、それに対応してトランジスタのゲインがばらつく。このゲインばらつきによって感度がばらつき、ノイズの原因となるためである。
【０００６】
しかし、従来の固体撮像素子の構成では、ソースフォロワトランジスタのゲート長は転送トランジスタのゲート長よりも短くなるように設定されるのが一般的であった。その理由として以下の点が挙げられる。
【０００７】
第１に転送トランジスタのデバイス構造に起因する。転送トランジスタは、フォトダイオードに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンに転送する機能をもち、一般のトランジスタにおけるソースとドレインが、転送トランジスタにおいてはそれぞれフォトダイオードとフローティングディフュージョンに対応する。しかし、長波長側での感度向上のため、フォトダイオードはシリコン基板の深い部分（〜３μｍ）まで形成する必要があり、基板深部でフォトダイオードとフローティングディフュージョンとがパンチスルーしやすくなる。これを防止するため、転送トランジスタのゲート長は、デザインルールで許容される最小ゲートサイズより十分大きくとる必要がある。２〜３μｍ程度の画素サイズにおいては、一般に転送トランジスタのゲート長は０．６〜０．７μｍ程度である。
【０００８】
第２には、ソースフォロワトランジスタのゲート長増加に伴う変換ゲインの低下と、当該変換ゲイン低下に伴うノイズ低減効果の抑圧である。フォトダイオードに蓄積された信号電荷は、フローティングディフュージョンのトータル容量Ｃｔｏｔａｌの逆数に応じたゲインで変調されてソースフォロワトランジスタから信号として出力される。ここで、フローティングディフュージョンに運ばれた電子１個に対してソースフォロワトランジスタから出力される電圧信号を「変換ゲイン」と定義する。
【０００９】
フローティングディフュージョンには自身の拡散容量ＣＳ以外に種々の容量が寄生している。ソースフォロワトランジスタが動作しているときのフローティングディフュージョンのトータル容量Ｃｔｏｔａｌは、
Ｃｔｏｔａｌ＝ＣＳ＋ＣＬ＋ＣＧ＋（１−α）×ＣＳＦ                  （式１）
で表される。
【００１０】
ここで、ＣＬは、フローティングディフュージョンとソースフォロアトランジスタを電気的に接続する配線を含むフローティングディフュージョンと等電位の領域と、画素を構成する配線間との寄生容量の総和、ＣＧは転送トランジスタと転送トランジスタとの間のゲート−ソースオーバーラップ容量、ＣＳＦはソースフォロワトランジスタのゲート容量、αはソースフォロワトランジスタの変調度である。αは、一般に０．７〜０．８程度の値となる。
【００１１】
（式１）からわかるように、ソースフォロワトランジスタのゲート長が長くなりゲート容量ＣＳＦが大きくなるとＣｔｏｔａｌが増加し、変換ゲインは低下する。一方、上述のとおり、ソースフォロワトランジスタのゲート長が長くなると、ノイズは低減する。２〜３μｍ程度の画素サイズのセルでこれらについて見積もりを行うと、後述するように、例えばゲート長を０．６μｍから１．０μｍに長くしても、ノイズは１５％程度しか低減せず、一方、変換ゲインは１０％程度低下することがわかった。これでは、ソースフォロワトランジスタのゲート長を長くすることによる画素部で発生するノイズ低減効果は低い。また、変換ゲインが１０％低下するため、後段回路で発生するノイズをフローティングディフュージョンの入力で換算すると１０％増加する。従って、トータルでのノイズ低減効果は低く、ソースフォロワトランジスタのゲート長を長くするメリットは小さい。
【００１２】
第３には、セル面積とトランジスタサイズとの関係がある。所定の感度を確保するためフォトダイオードの面積を一定以上にする必要があるが、２μｍ程度の画素サイズでは、ソースフォロワトランジスタのゲート長を長くしてトランジスタサイズを大きくする面積的余裕はない。
【００１３】
以上のことから、ソースフォロワトランジスタのゲート長は転送トランジスタのゲート長よりも短くなるように設定されてきた。なお、転送トランジスタのゲート長は画素内の他のトランジスタのそれよりも長くなるように設計するのが一般的である。
【００１４】
しかし、上述したように、ＨＤムービーや一眼レフＤＳＣ等の用途において一層の高画質の画像が要求されてきており、ノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上する必要性がより高くなっている。
【００１５】
そこで、本発明は、大きな画素サイズの固体撮像素子において、出力信号のＳ／Ｎ比を向上させ、高画質の画像を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、入射光を電荷に変換する光電変換素子と、光電変換素子に蓄積した電荷を転送するための転送トランジスタと、転送された電荷を保持するための浮遊拡散容量を含む電荷保持手段と、ゲート電極が前記電荷保持手段と電気的に接続された増幅トランジスタと、前記光電変換素子と電荷保持手段とをリセットするためのリセットトランジスタを少なくとも有する画素が複数配置された受光部と、前記画素からの信号を外部に出力するための信号処理回路と、前記画素および前記信号処理回路を駆動するための駆動回路を含む固体撮像素子において、前記増幅トランジスタのゲート長が、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート長と比べて最も長いことを特徴とする。
【００１７】
読み出し行を選択するための選択用トランジスタが画素内に設けられていることが好ましい。
【００１８】
前記増幅トランジスタのゲート絶縁膜の厚みが、前記画素を構成する他のトランジスタのゲート絶縁膜の厚みと比較して最も薄いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ソースフォロワトランジスタのゲート長を転送トランジスタのゲート長よりも長く設定することで、ソースフォロワトランジスタに起因した１／ｆノイズを低減することができ、高画質の画像が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施の形態）
図１は本実施の形態における固体撮像素子の構成概略図である。画素セルが行列状に配列された受光部１は垂直シフトレジスタ２により行単位でリセット、電荷蓄積、読み出しが行われる。行単位で読み出された信号は列アンプ３で増幅され、ノイズキャンセル回路４でアンプのオフセットばらつきをキャンセルした値を保持する。ノイズキャンセル回路４に保持された１行分の画素信号は水平シフトレジスタ６により選択され、マルチプレクサ５、出力アンプ７を経由して順次出力される。また、垂直シフトレジスタ２、ノイズキャンセル回路４、マルチプレクサ５及び出力アンプ７を動作させるための信号がタイミングジェネレータ８により供給される。
【００２１】
図２に本実施の形態における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す。なお、本実施形態では画素サイズは５〜６μｍ程度である。なお、画素内の回路構成は図６（ａ）に示したのと同様である。
【００２２】
図２から明らかなように、従来のレイアウトと異なる点は、ソースフォロワトランジスタ１２０のゲート長が転送トランジスタ１００のゲート長よりも長いことである。このようなレイアウトにすることで、ソースフォロワトランジスタ１２０に起因した１／ｆノイズを低減することができ、高画質の画像が得られる。この効果について以下に詳しく説明する。
【００２３】
まず、ソースフォロワトランジスタのゲート長変化に対する変換ゲインとノイズ変化について見積もってみた。図３にトランジスタのゲート長と１／ｆノイズ振幅との相関を示す。ノイズ振幅は各ゲート長での実測値をゲート長０．３５μｍでの実測値で規格化した値である。また、トランジスタは０．３μｍルールの製造プロセスを用いて形成したもので評価した。図５からわかるように、ゲート長が０．６μｍの場合を境に、ゲート長に対する１／ｆノイズの変化の度合いが変化することがわかった。ゲート長が０．６μｍ以下ではゲート長が長くなるにつれて１／ｆノイズが大幅に低減するのに対し、ゲート長が０．６μｍを超えると、ノイズ低減の割合が小さくなり飽和する傾向が見られた。この場合、ゲート長が０．６μｍのトランジスタにおける１／ｆノイズの振幅を１とすると、ゲート長が１．０μｍのトランジスタにおける１／ｆノイズの振幅は０．７７となる。
【００２４】
次に、フローティングディフュージョン２０のトータル容量Ｃｔｏｔａｌについて、従来の画素セル構成で見積もりを行った。
【００２５】
図６（ａ）に示した構成で画素サイズを２．８μｍとし、容量見積もりを行うと、
（ＣＬ＋ＣＧ＋ＣＳ）：ＣＳＦ〜３：３．３  （ゲート長：０．６μｍ）  （式２）
（ＣＬ＋ＣＧ＋ＣＳ）：ＣＳＦ〜３：２      （ゲート長：１．０μｍ）  （式３）
となった。さらに、α＝０．７とすると、ゲート長が０．６μｍの場合のＣｔｏｔａｌとゲート長が１．０μｍの場合のＣｔｏｔａｌとの比は、
Ｃｔｏｔａｌ（Ｌ＝０．６）／Ｃｔｏｔａｌ（Ｌ＝１．０）
＝（３＋（１−０．７）×３．３）／（３＋（１−０．７）×２）
＝３．９９／３．６〜１．１                                            （式４）
となった。
【００２６】
これらの値からゲート長を長くした場合の変換ゲインの低下とノイズ低減効果を見積もる。
【００２７】
まず、（式２）から明らかなように、ゲート長を０．６μｍから１．０μｍにした場合、変換ゲインは約１０％低下する。一方、ノイズ低減効果は以下のようになる。
【００２８】
まず、変換ゲインが１０％低下するため、ゲート長を長くした場合、ソースフォロワトランジスタの入力換算でのノイズ低減効果は、０．７７／０．９〜０．８６、すなわち１４％程度となる。一方、出力信号が１０％程度低下するのであるから、後段回路において発生するノイズは、ソースフォロワトランジスタの入力換算で１０％程度増加する。
【００２９】
一方、本実施の形態において画素サイズを５．６μｍとすると、（ＣＬ＋ＣＧ＋ＣＳ）は２．５倍程度増加する。寄生配線長、フローティングディフュージョン２０の面積、フローティングディフュージョン２０と転送トランジスタとのオーバーラップが増加するためである。よって、容量見積もりは、
（ＣＬ＋ＣＧ＋ＣＳ）：ＣＳＦ〜７．５：３．３（ゲート長：０．６μｍ）（式５）
（ＣＬ＋ＣＧ＋ＣＳ）：ＣＳＦ〜７．５：２    （ゲート長：１．０μｍ）（式６）
となり、ゲート長が０．６μｍの場合のＣｔｏｔａｌとゲート長が１．０μｍの場合のＣｔｏｔａｌとの比は、
Ｃｔｏｔａｌ（Ｌ＝０．６）／Ｃｔｏｔａｌ（Ｌ＝１．０）
＝（７．５＋（１−０．７）×３．３）／（７．５＋（１−０．７）×２）
＝８．４９／８．１〜１．０５                                          （式７）
となった。
【００３０】
従って、本実施の形態において、ゲート長を０．６μｍから１．０μｍにした場合、変換ゲインは約５％低下する。一方、ノイズ低減効果は以下のようになる。
【００３１】
まず、変換ゲインが５％程度低下するため、ゲート長を長くした場合、ソースフォロワトランジスタの入力換算でのノイズ低減効果は、０．７７／０．９５〜０．８１、すなわち１９％程度となる。０．７７／０．９５〜０．８１、すなわち１９％程度のノイズ低減となる。一方、出力信号が５％程度低下するのであるから、後段回路において発生するノイズは、ソースフォロワトランジスタの入力換算で５％程度増加する。
【００３２】
ここで、ソースフォロワトランジスタのゲート長を０．６μｍとした際の、画素部で発生するノイズ電子数と、後段回路で発生するノイズ電子数とをそれぞれＡ，Ｂと定義する。ＡとＢは独立のため、画素ピッチ２．８μｍと５．６μｍで発生するノイズ量はそれぞれ以下で示される。
【００３３】
２．８μｍ画素：（（０．８６×Ａ）2＋（１．１×Ｂ）2）0.5      （式８）
５．６μｍ画素：（（０．８１×Ａ）2＋（１．０５×Ｂ）2）0.5    （式９）
仮にＡ＝Ｂとすると、２．８μｍ画素の場合、ノイズは１．４０Ａ、５．６μｍ画素の場合は１．３３Ａとなる。ソースフォロワトランジスタのゲート長が０．６μｍの場合のノイズ量は√２Ａになるので、２．８μｍ画素のノイズ改善量は約１％にとどまるのに対し、５．６μｍ画素においては約６％となり、ノイズは大幅に改善される。
【００３４】
また、本実施の形態では、画素サイズを大きくしているため、フォトダイオード１０の間の空き領域に余裕があり、ソースフォロワトランジスタ１２０のゲート長を転送トランジスタ１００のゲート長より長くすることが可能である。
【００３５】
以上のように、本実施の形態によれば、ソースフォロワトランジスタ１２０のゲート長を、転送トランジスタ１００のゲート長よりも長くして、ソースフォロワトランジスタ１２０起因の１／ｆノイズを低減し、高画質の画像を得ることが可能となる。
【００３６】
（実施の形態の第１変形例）
図４に本実施の形態の第１変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す。なお、画素内の回路構成は図７（ａ）に示したのと同様である。図２に示したレイアウトとの違いは、ソースフォロワトランジスタ１２０に隣接して行選択トランジスタ１３０が配置されている点であり、上述した本発明の効果は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００３７】
（実施の形態の第２変形例）
図５に本実施の形態の第２変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す。なお、画素内の回路構成は図７（ａ）に示したのと同様である。図４に示したレイアウトとの違いは、転送トランジスタ１００がフォトダイオードの角部に配置され、かつフォトダイオード１０の辺に対して斜めに配置されている点である。このようにすることで転送トランジスタ１００のサイズを小さくでき、セル面積を縮小できるとともに、フローティングディフュージョン２０とのオーバーラップを小さくでき、Ｃｔｏｔａｌの低減、すなわち変換ゲインの増大が図れる。また、上述した本発明の効果は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００３８】
なお、変形例も含めて、第１の実施の形態において、ソースフォロワトランジスタ１２０のゲート絶縁膜の厚みを画素内の他のトランジスタのゲート絶縁膜の厚みに対して最も薄くすることでさらにノイズが低減できる。ソースフォロワトランジスタ１２０に起因する１／ｆノイズはゲート容量に反比例するからである。
【００３９】
また、図１に示した素子内の回路ブロック構成や画素内の回路構成等は、本発明の効果を奏する範囲内で自由に改変可能である。
【００４０】
なお、本実施の形態では５．６μｍの画素サイズを有する固体撮像装置を例にとって説明したが、画素内に転送トランジスタのゲート長を大きくする面積的余裕があれば、さらに小さな画素サイズにも本発明は適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る固体撮像素子は、高画質の画像を得ることができ、ＨＤムービーや一眼レフＤＳＣ等の用途に用いられる上で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像素子の構成概略図
【図２】本発明の第１の実施の形態における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す図
【図３】本発明の第１の実施の形態における固体撮像素子のトランジスタのゲート長と１／ｆノイズ振幅との相関を示す図
【図４】本発明の実施の形態の第１変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す図
【図５】本発明の実施の形態の第２変形例における固体撮像素子の画素セルレイアウトを示す図
【図６】従来の固体撮像素子の画素回路構成及びセルレイアウトの一例であり、（ａ）、（ｂ）は３トランジスタ構成の画素に関する図
【図７】（ａ）、（ｂ）は４トランジスタ構成の画素に関する図
【符号の説明】
【００４３】
１  受光部
２  垂直シフトレジスタ
３  列アンプ
４  ノイズキャンセル回路
５  マルチプレクサ
６  水平シフトレジスタ
７  出力アンプ
８  タイミングジェネレータ
１０  フォトダイオード
２０  フローティングディフュージョン
１００  転送トランジスタ
１１０  リセットトランジスタ
１２０  ソースフォロワトランジスタ
１３０  行選択トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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