JP2008042238A - 光電変換装置及びそれを用いた撮像システム - Google Patents

光電変換装置及びそれを用いた撮像システム Download PDF

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Abstract

【課題】 光電変換装置において、配線間の影響によるノイズを低減する。
【解決手段】 入射光を電荷に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、前記光電変換素子の電荷を前記増幅部の入力部に転送する転送部と、前記入力部を少なくとも第1及び第2の電位に設定する電圧供給部と、が2次元状に配され、前記増幅部から信号が読み出される複数の出力線と、前記電圧供給部に電圧を供給する複数の電圧供給線と、を有する光電変換装置であって、前記出力線と電圧供給線のうち、第1の光電変換素子の電荷に基づく信号が読み出される前記出力線と、前記第1の光電変換素子の電荷が転送される入力部の電位を設定する電圧供給部に、電圧を供給する電圧供給線のみが、前記第1の光電変換素子と該第1の光電変換素子に隣接する第2の光電変換素子の間に配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は光電変換装置およびそれを用いた撮像システムに関する。
光電変換装置の例として、MOS型の光電変換装置を用いた撮像装置が盛んに開発されている。その一例として、増幅型固体撮像装置が提案されている。
増幅型固体撮像装置は光電変換領域に配される信号読み出しもしくは信号処理のためのMOSトランジスタの数が多く、CCD型固体撮像装置に比べて受光領域が狭くなる傾向にある。
このような状況のもと、光電変換素子の受光面積を拡大すべく、MOSトランジスタの数を削減する構成が検討されている。例えば特許文献1にはリセットMOSトランジスタのドレイン電位をコントロールすることによって行単位で画素の選択を行う光電変換装置が開示されている。また特許文献2には、画素電源駆動回路により、共通に接続されたリセットトランジスタと増幅トランジスタのドレイン電圧を制御することによって、行単位で画素を選択する光電変換装置が開示されている。
特開平11−355668号公報 特開2005−005911号公報
しかし、MOSトランジスタを削減した構成における等価回路、読み出し方法に関しては検討されていたものの、実際にデバイスを形成した際のレイアウトは充分な検討が行なわれていなかった。
たとえば特許文献2においては、SEL配線により、リセットトランジスタ、増幅トランジスタのドレインに電圧を供給し、選択、非選択の制御を行なっている。しかし実際の配線のレイアウトに関しては検討が充分ではなかった。たとえば、信号を読み出すための垂直出力線とSEL配線が平行に配置されることにより、垂直出力線の電位変化の影響をSEL配線が受けて、正確な信号が読み出せなくなる場合がある。
本発明はこのような課題に鑑み、リセットトランジスタのドレインに電圧を供給するための配線と出力線との間におけるノイズの影響を低減することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は、少なくとも光電変換素子部、転送用トランジスタ、リセット用トランジスタ、増幅用トランジスタ、浮遊拡散部で構成される単位画素を2次元状に配列して成る増幅型固体撮像装置であって、
リセット用トランジスタのドレインに前記増幅用トランジスタのドレインと同一の電位が供給される単位画素を複数配列して成る増幅型固体撮像装置において、リセット用トランジスタのドレイン電位は垂直方向配線で供給され、同一の単位画素に含まれる前記画素出力線とドレイン電位供給用垂直方向配線は光電変換部を跨がずに隣接して配置されることを特徴とする。
本発明によれば、配線間で影響を与えるノイズを低減することが可能となる。
以下、本発明を実施例を挙げて詳細に説明する。
(実施例1)
図1(a)は第1の実施例の光電変換装置の配線レイアウトを概念的に示す図である。図1(b)は図1(a)のX−X´における断面図を示す図である。102は光電変換素子であり入射光を電荷に変換する。103は転送部であり、光電変換素子の電荷を後述の増幅部の入力部に転送する。転送部としてMOSトランジスタを用いることができる。104は増幅部の入力部である。半導体基板に形成された浮遊拡散領域(フローティングディフュージョン:FD)を用いることができる。105は増幅部の一部であるMOSトランジスタ(増幅MOSトランジスタ)である。ゲートがFDに電気的に接続されている。増幅MOSトランジスタを含む周知のソースフォロワ回路が構成される。
106はFDに電圧を供給するための電圧供給部である。これには、MOSトランジスタを用いることができる。特に、FDの電位を所定値に設定するリセットMOSトランジスタを用いることができる。ここで画素は、1つの光電変換素子から信号を読み出すための素子集合を指し、転送MOSトランジスタ、リセットMOSトランジスタ、増幅MOSトランジスタを含む。隣接する光電変換素子において、前記素子の共有をすることも可能であるが、この場合にも光電変換素子からの信号を読み出すための素子集合で定義づけされる。
そして、107は光電変換素子の電荷に基づく信号が読み出される出力線、108は電圧供給部に電圧を供給するための電圧供給線である。具体的にはトランジスタのドレインに電圧を供給している。また電圧供給線は増幅MOSトランジスタのドレインに電圧を供給することができる。
電圧供給線は第1の方向(垂直方向)に配されている。それぞれの電圧供給線は光電変換領域外で水平方向の配線に接続することができる。水平方向配線は光電変換領域外であるために負荷電流による電圧降下が問題にならない程度の太い配線で形成することが可能である。本実施例においては、それぞれの電圧供給線を流れる電流は、一つの増幅MOSトランジスタを流れる電流のみである。したがって電圧降下の影響を少なくすることができる。
隣接する光電変換素子102a(第1の光電変換素子)、102b(第2の光電変換素子)の間に光電変換素子102aの電荷に基づく信号を読み出す出力線107が配されている。更に、102aの電荷が転送されるFDに電圧を供給する電圧供給線108が配されている。同一の光電変換素子の電荷に基づく信号の読み出しに関わる信号出力線と電圧供給線とを隣接して配置しているともいえる。ここでは2列分のみ示しているが、これが繰り返し配置されている。(102a、102a・・・)(102b、102b・・・)は1つの光電変換素子群を構成しているといえる。通常のように光電変換素子、MOSトランジスタが行列状に配されている場合には、光電変換素子列と呼ぶこともできる。
つぎに図1(a)のX−X´断面を図1(b)を用いて説明する。図1(b)に示すように、出力線107、電圧供給線108は光電変換素子よりも光の入射側であって、隣接する光電変換素子の間に配されている。言い換えると、信号出力線、電圧供給線の光電変換素子の受光面を含む平面上への正投影が、隣接する光電変換素子の間に位置するともいえる。光電変換素子は第1の方向に素子列を構成しており、上記構成は、光電変換素子102aを含む第1の素子列とこれに隣接する光電変換素子102bを含む第2の素子列との間に配されているともいえる。また出力線、電圧供給線においては光電変換素子間に配されるのは両者1本ずつ、この2本による一組のみが配されている。
このように、同一の光電変換素子の信号読み出しに関わる信号出力線と電圧供給線のみを素子列間に配置することにより、光電変換素子の電荷に基づく信号を好適に読み出すことが可能となる。これを更に詳細に説明する。
図2、3は上記ノイズを詳細に説明するための図である。まず図3において、ノイズの影響が大きい配置例に関して説明する。
図3は出力線107aと隣接する列のリセットMOSトランジスタのドレインに電圧を供給する電圧供給線108bとが隣接して配置された例である。
出力線107とドレイン電圧供給線108とが隣接するために配線間には寄生容量が形成される。図3で示されるような構成の場合、例えばa列の出力線107aとb列の電圧供給線107bの配線間に寄生容量が生じる。a列の光電変換素子102aに強い光が入射した場合、増幅MOSトランジスタを介して信号が出力される際に出力線107aの電位が大きく下がる。このとき107aと電圧供給線108b間の寄生容量の影響により電圧供給線108bの電位は瞬間的に下がる。電圧供給線108bはb列の増幅トランジスタのドレインにも電圧を供給しているため、出力線107bの電位もその影響を受ける。電圧供給線108bの電位が安定するために時間がかかるため、特に読み出し期間の短縮化を行った際には、出力線107bから、b列の信号が正確に出力されない場合がある。これは、例えば白黒の境界がはっきりした被写体を撮影した場合に、境界部においてグレーとなる画像が得られてしまうという問題となる。このような現象は、電圧供給線を出力線と同じ方向に配された配線で形成し、かつ特に高い画質を追求した場合に現れる問題であり、従来は問題視されていなかったものである。なおこの現象は出力線どうしでも同様に起こりうる。また電圧供給線が増幅MOSトランジスタのドレインに電圧を供給していない場合にも、起こり得る。
本実施例においては、図2に示すように、隣接する光電変換素子間に配された出力線107と電圧供給線108の組は、同一列に配されたリセットMOSトランジスタ、増幅MOSトランジスタに接続されている。
図2においては、信号読み出し時に出力線107aの電位が大きく下がった場合においても、a列の電圧供給線にしか影響を及ぼさないため、図3の配置に比べて画像に与える影響は小さい。つまり、信号出力線の電位が強い光により生じた電荷により既に大きく下がっているため、増幅MOSトランジスタのドレイン電位がその影響を受けたとしても、出力される信号に対する影響を小さくすることが可能となる。
次に、図4の等価回路図および図5のタイミングチャートを用いて光電変換装置の動作に関して説明する。
図4において光電変換領域には画素が行列状に配列されている。行選択は、増幅MOSトランジスタのゲート電位の差によって行われる。すなわち、非選択行の増幅MOSトランジスタのゲート電位を低く、選択行の増幅MOSトランジスタのゲート電位を高くすることにより行選択を行なう。出力線は、選択行の増幅MOSトランジスタと定電流負荷109によって形成されるソースフォロア回路の出力となっており、選択行の浮遊拡散領域の電位に基づいた電位となり、非選択行の増幅MOSトランジスタはオフされる。
画素読み出し期間(n)中の非選択動作期間において、垂直走査回路110によって全行のリセット信号PRES(n)、PRES(n+1)がハイとなり、全画素の浮遊拡散領域が電圧供給線、リセットトランジスタを介してローレベルに設定される。このときの電圧供給線のレベルVDはローレベルとなっている。続いて選択動作期間(n)において、選択行(n行目)を除く行のリセット信号がローレベルとなり、電圧供給線のレベルVDがハイレベルとなり、選択行の浮遊拡散領域はハイレベルに設定され、再びリセット信号PRES(n)がローレベルとなる。このとき、リセット状態に対応する出力が出力線に読み出される。本例では、列ごとに増幅回路111(列アンプ)が構成されている。列アンプは例えば差動増幅回路等を用いた演算増幅器112、入力容量113、帰還容量114、クランプ制御スイッチ115で構成されたものである。
次に水平走査期間(n)において水平転送動作が行われる。即ち、逐次、水平走査回路119によって選択された列のN信号、S信号が読み出され、差分アンプ120にてこれら相関のあるN信号とS信号の差分をとることにより、n行目の画素の光応答出力が得られる。垂直走査回路によって選択する行を走査し、以上に説明した画素の読み出し動作を繰り返すことにより、画面内全画素の光応答出力を取得する。なお、本例において電源電圧は3.3V、VDのローレベルは0.3V〜1.0V、VDのハイレベルは3.3V程度に設定することができる。なお、VDは入力端子から供給されるが、本発明はこの例に限られず、例えば図6に示すように、ハイレベル、ローレベルをスイッチで切り替える方法も考えられるものである。この場合、PVDをハイレベルにすることにより、VD_Hで示されるVDのハイレベルがリセットMOSトランジスタのドレインに供給される。そして、PVDをローレベルにすることにより、VD_Lで示されるVDのローレベルがリセットMOSトランジスタに供給される。本図において、上下の読み出し回路は省略されている。
次に、図1の配置に関して更に詳細に説明する。リセットMOSトランジスタのドレインと増幅MOSトランジスタのドレインが異なる活性領域内に形成されている。このような平面構造にすることにより、リセットMOSトランジスタのドレインと増幅MOSトランジスタのドレインを、活性領域を延長して接続する場合と比較してドレイン電圧供給線の負荷容量を低減することが可能となり、読み出し期間を更に短縮化することができる。また、上下に振り分けられた読み出し回路およびドレイン電圧供給用の回路について上側の1系統が省略されている。
また、一般的に撮像装置の画面サイズは16:9、4:3、3:2等の横長となっている。そのため本実施例においては電圧供給線の負荷容量、負荷抵抗は従来の構成と比較して小さくなる。このため、画素読み出しに要する時間を短縮することが可能となる。
また、金属からなる第1の配線層で水平方向配線を形成し、金属からなる第2の配線層で垂直方向配線を形成した場合、水平方向配線と垂直方向配線の数が等しいため、開口幅が極端に小さくなるという問題がなくなる。これにより、感度低下、あるいは画素領域周辺部における感度低下などが改善される。
(実施例2)
本実施例の実施例1との違いは出力線と電圧供給線の位置関係である。実施例1においては、浮遊拡散領域を接続する配線上に電圧供給線が重なる位置に配されているのに対して、本実施例においては重ならない位置に配されている。
図7において本実施例の配置図を示す。浮遊拡散領域を接続する配線上に電圧供給線を重ならない位置に配置している。特に、垂直方向に配列された複数の光電変換素子より単位構造が構成され、かつ、電圧供給線が垂直方向配線である本例においては、浮遊拡散領域を接続する配線と電圧供給線との重なり部分に起因する寄生容量が大きくなる場合がある。浮遊拡散領域を接続する配線と電圧供給線とに生じる寄生容量を含めた等価回路図を図8に示す。電圧供給線の駆動時間は寄生容量および寄生抵抗によって決まる。また特に増幅用トランジスタのゲート電位の差によって行選択を行なう構成においては、出力線の振幅よりも電圧供給線の振幅のほうが大幅に大きい場合が多い。このため、電圧供給線の寄生容量低減が読み出し期間の短縮に効果的となる。図8の構成では、浮遊拡散領域を接続する配線層に重なっているのが出力線であるため、電圧供給線への影響は少なく画素読み出し期間を短縮することが可能となる。
加えて、図8の等価回路図においては、浮遊拡散領域を接続する配線に対する寄生容量が低減される。これは、選択行の浮遊拡散領域の電位と出力線の電位は同一の方向に変動するためである。これにより、信号電荷―信号電圧の変換効率を向上することができ、すなわちS/Nを向上することが可能となる。
(実施例3)
図9は本実施例の光電変換装置の等価回路図である。2次元状に多数配列される単位構造を代表する構造で表現されている。本図において、上下に振り分けられた読み出し回路および電圧供給用の回路は省略されている。
本実施例の実施例1との違いは、2つの光電変換素子とそれに対応した転送ゲートに対して、1つの浮遊拡散領域と増幅用トランジスタとリセット用トランジスタを有している点である。言い換えると複数の光電変換素子で、これら素子を共有しているともいえる。
本等価回路図で示される光電変換装置では、図10のタイミングチャートで示されるように画素読み出し期間1(n)、水平走査期間1(n)においてPD1(n)で示されるn行目の光電変換素子1の光応答出力を取得し、画素読み出し期間2(n)、水平走査期間2(n)においてPD2(n)で示されるn行目の光電変換素子2の光応答出力を取得し、同様にPD1(n+1)で示されるn+1行目の光電変換素子1、PD2(n+1)で示されるn+1行目の光電変換素子2の光応答出力を取得する。
本実施形態においても実施例1と同様、読み出し速度、シェーディング、感度についての改善が得られる。
本実施例においては、1つの浮遊拡散領域と増幅用トランジスタとリセット用トランジスタに対して2つの光電変換部とそれに対応した転送ゲートを有している。しかし、これに限られたものでなく、例えば1つの浮遊拡散領域と増幅トランジスタとリセットトランジスタに対して4つの光電変換素子とそれに対応した転送ゲートを有している場合などにも適用できるものである。
(実施例4)
図11は、実施例1〜3において説明した光電変換装置を用いた固体撮像システムの構成図である。図11において、1はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、2は被写体の光学像を光電変換装置4に結像させるレンズ、3はレンズを通った光量を可変するための絞り、4はレンズ2で結像された被写体を画像信号として取り込むための光電変換装置、5は光電変換装置4から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、6は固体撮像素子4より出力される画像信号のアナログ/ディジタル変換を行うA/D変換器、7はA/D変換器6より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、8は固体撮像素子4,撮像信号処理回路5,A/D変換器6,信号処理部7に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、9は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、10は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、11は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、12は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、13は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース(I/F)部である。
つぎに、図11の動作について説明する。バリア1がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器6などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部9は絞り3を開放にし、光電変換装置4から出力された信号は、撮像信号処理回路5をスルーしてA/D変換器6へ出力される。A/D変換器6は、その信号をA/D変換して、信号処理部7に出力する。信号処理部7は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部9で行う。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部9は絞りを制御する。つぎに、光電変換装置4から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部9で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、光電変換装置4から出力された画像信号は、撮像信号処理回路5において補正等がされ、さらにA/D変換器6でA/D変換され、信号処理部7を通り全体制御・演算9によりメモリ部10に蓄積される。その後、メモリ部10に蓄積されたデータは、全体制御・演算部9の制御により記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体12に記録される。また外部I/F部13を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
実施例1の光電変換装置の平面図、断面図である。 実施例1の光電変換装置の配線間の寄生容量を説明するための図である。 光電変換装置の配線間の寄生容量を説明するための図である。 実施例1の光電変換装置の等価回路図である。 実施例1の光電変換装置のタイミングチャートである。 実施例1の光電変換装置の他の等価回路図である。 実施例2の光電変換装置の平面図である。 実施例2の光電変換装置の配線間の寄生容量を説明するための図である。 実施例3の光電変換装置の等価回路図である。 実施例3の光電変換装置のタイミングチャートである。 光電変換装置を用いた撮像システムの例である。
符号の説明
102 光電変換素子
103 転送部
104 増幅部の入力部
105 増幅MOSトランジスタ
106 電圧供給部
107 出力線
108 電圧供給線

Claims (9)

  1. 入射光を電荷に変換する光電変換素子と、
    前記光電変換素子の電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、
    前記光電変換素子の電荷を前記増幅部の入力部に転送する転送部と、
    前記入力部を少なくとも第1及び第2の電位に設定する電圧供給部と、が2次元状に配され、
    前記増幅部から信号が読み出される複数の出力線と、前記電圧供給部に電圧を供給する複数の電圧供給線と、を有する光電変換装置であって、
    前記出力線と電圧供給線のうち、第1の光電変換素子の電荷に基づく信号が読み出される前記出力線と、前記第1の光電変換素子の電荷が転送される入力部の電位を設定する電圧供給部に電圧を供給する電圧供給線のみが、前記第1の光電変換素子と該第1の光電変換素子に隣接する第2の光電変換素子の間に配置されていることを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記増幅部の入力部が浮遊拡散領域であり、前記増幅部は、該浮遊拡散領域とゲートが接続された増幅トランジスタを含むことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
  3. 複数の前記光電変換素子で、前記増幅トランジスタが共有されていることを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。
  4. 前記電圧供給部はリセットトランジスタであり、該リセットトランジスタのドレインと前記増幅トランジスタのドレインが異なる活性領域内に形成されることを特徴とする請求項2または3に記載の光電変換装置。
  5. 複数の前記浮遊拡散領域どうしを接続する配線に、前記電圧供給線が重ならない位置に配することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  6. 前記電圧供給線は、前記増幅トランジスタのドレインに電圧を供給することを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  7. 入射光を電荷に変換する光電変換素子と、
    前記光電変換素子の電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、
    前記光電変換素子の電荷を前記増幅部の入力部に転送する転送部と、
    前記入力部を少なくとも第1及び第2の電位に設定する電圧供給部と、が2次元状に配され、
    前記増幅部から信号が読み出される複数の出力線と、前記電圧供給部に電圧を供給する複数の電圧供給線と、を有する光電変換装置であって、
    第1の光電変換素子の電荷に基づく信号が読み出される第1の出力線と、前記第1の光電変換素子の電荷が転送される入力部の電位を設定する電圧供給部に電圧を供給する第1の電圧供給線との正投影が、前記光電変換素子の受光面を含む面内であって、前記第1の光電変換素子と該第1の光電変換素子に隣接する第2の光電変換素子の間に形成され、
    前記第2の光電変換素子の電荷に基づく信号が読み出される第2の出力線と、前記第2の光電変換素子の電荷が転送される入力部の電位を設定する電圧供給部に電圧を供給する第2の電圧供給線との正投影は、前記光電変換素子の受光面を含む面内であって、前記第2の光電変換素子と、前記第1の光電変換素子とは反対側に隣接する第3の光電変換素子との間に形成されることを特徴とする光電変換装置。
  8. 入射光を電荷に変換する光電変換素子と、
    前記光電変換素子の電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、
    前記光電変換素子の電荷を前記増幅部の入力部に転送する転送部と、
    前記入力部を少なくとも第1及び第2の電位に設定する電圧供給部と、が2次元状に配され、
    前記増幅部から信号が読み出される複数の出力線と、前記電圧供給部に電圧を供給する電圧供給線と、を有する光電変換装置であって、
    複数の前記光電変換素子を含む光電変換素子群が繰り返し配置されており、同一の前記光電変換素子群の信号の読み出しに関わる前記出力線及び前記電圧供給線の正投影は、前記光電変換素子の受光面を含む面内であって、各前記光電変換素子群の間に繰り返し配されることを特徴とする光電変換装置。
  9. 請求項1から8のいずれかの請求項に記載の光電変換装置と、該光電変換装置へ光を結像する光学系と、前記光電変換装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
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