JP3916612B2 - 固体撮像装置、その駆動方法及びそれを用いたカメラ - Google Patents

Description

本発明は、複数の光電変換部がアレイ状に配置された固体撮像装置、その駆動方法及びそれを用いたカメラに関する。

図１６は従来の固体撮像装置であるＭＯＳ型イメージセンサの一般的な回路構成を示している（例えば、特許文献１を参照。）。

図１６に示すように、光電変換セルは、フォトダイオード（ＰＤ）部１０１、転送トランジスタ１１３、リセットトランジスタ１２２、画素アンプトランジスタ１２３、選択トランジスタ１５２、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部１０９、電源線１３１及び出力信号線１３８により構成されている。

陽極が接地されたＰＤ部１０１は、その陰極が転送トランジスタ１１３のソースと接続されている。転送トランジスタ１１３のドレインはＦＤ部１０９、画素アンプトランジスタ１２３のゲート及びリセットトランジスタ１２２のソースとそれぞれ接続され、そのゲートは読み出し線１３４と接続されている。ゲートにリセット信号１３７を受けるリセットトランジスタ１２２は、そのドレインが画素アンプトランジスタ１２３のドレイン及び電源線１３１と接続されている。画素アンプトランジスタ１２３のソースは、選択トランジスタ１５２のドレインと接続され、該選択トランジスタ１５２は、そのゲートに選択信号ＳＥＬを受けると共に、そのソースが出力信号線１３８と接続されている。

出力信号線１３８は、ロードトランジスタ１２５のドレインと接続されており、ロードトランジスタ１２５のゲートはロードゲート線１４０と接続され、そのソースはソース電源線１４１と接続されている。

このような構成において、ロードトランジスタ１２５が定電流源となるようにロードゲート線１４０に所定の電圧を印加しておき、ＰＤ部１０１において光電変換された電荷は、転送トランジスタ１１３を一時的にオン状態とすることによりＦＤ部１０９に転送されて、ＰＤ部１０１の電荷が画素アンプトランジスタ１２３により検出される。このとき、選択トランジスタ１５２をオン状態とすることにより、出力信号線１３８を介して信号電荷の検出が可能となる。
特開平１１−２７４４５５号公報

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４つのトランジスタ１１３、１２２、１２３、及び１５２、並びに５本の配線１３１、１３４、１３７、１３８及び１５０が必要となり、セルに占めるトランジスタ部及び配線部の面積が大きくなる。例えば、光電変換セルの面積を４．１μｍ×４．１μｍとし、０．３５μｍルールで設計を行なうとすると、ＰＤ部１０１の光電変換セルに対する開口率は５％程度に過ぎない。従って、ＰＤ部１０１の開口面積を十分に大きくなるように確保し、且つ光電変換セルのサイズを微細化することが困難であるという問題を有している。

本発明は、前記従来の問題を解決し、ＦＤＡ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ
Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）方式において、光電変換部の開口面積を大きくしながら、光電変換セルのサイズを微細化できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、固体撮像装置において、複数の光電変換（ＰＤ）部がトランジスタ及び配線を共有可能とする構成とする。

具体的に、本発明に係る第１の固体撮像装置は、それぞれが、少なくとも２行２列のアレイ状に配置された複数の光電変換部を有する複数の光電変換セルと、各光電変換セルの同一の行に含まれる各光電変換部とそれぞれ転送トランジスタを介して接続され、該同一の行に含まれる各光電変換部に共有される複数のフローティングディフュージョン部と、複数の転送トランジスタのうちの同一の行に含まれない少なくとも２つと選択的に接続された複数の読み出し配線と、各フローティングディフュージョン部の電位を検出して出力する画素アンプトランジスタとを備え、複数の読み出し配線のうちの１つと接続され、且つ複数の転送トランジスタにより読み出される各光電変換部の電荷は、それぞれ異なるフローティングディフュージョン部に読み出される。

第１の固体撮像装置によると、フローティングディフュージョン部は、同一の行に含まれる少なくともＮ個の光電変換部に共有されるため、１光電変換セル当たりのフローティングディフュージョン部が従来の１個からＮ分の１個（例えばＮ＝２の場合は０．５個）となるので、光電変換部の光電変換セルに対する開口率の増大及び光電変換セルの縮小が可能となる。その結果、光電変換部の開口率を増大しながら光電変換セルのセルサイズの微細化を図ることができる。

第１の固体撮像装置において、各読み出し配線は、複数の光電変換部のうち、同一の列に含まれる光電変換部と接続された転送トランジスタと接続されていることが好ましい。このようにすると、互いに隣接する行に含まれるそれぞれ少なくとも２つの光電変換部の電荷を、１つのフローティングディフュージョン部、画素アンプトランジスタ及び信号線から出力することが可能となる。

また、第１の固体撮像装置において、各読み出し配線は、複数の光電変換部のうち、隣り合う列に含まれる光電変換部と接続された転送トランジスタと接続されていることが好ましい。このようにしても、互いに隣接する行に含まれるそれぞれ少なくとも２つの光電変換部の電荷を、１つのフローティングディフュージョン部、画素アンプトランジスタ及び信号線から出力することが可能となる。

第１の固体撮像装置において、各フローティングディフュージョン部及び各画素アンプトランジスタは、複数の読み出し配線のうちの１つと接続された転送トランジスタにより読み出される行とは異なる隣りの行と共有されていることが好ましい。

第１の固体撮像装置は、各画素アンプトランジスタからの信号を外部に出力する信号線と、各画素アンプトランジスタと信号線との間にそれぞれ設けられ、各画素アンプトランジスタと信号線との間を選択的に導通する選択トランジスタとをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、互いに隣接する行に含まれる光電変換部からの電荷を共通の信号線で検出することが可能となる。

第１の固体撮像装置において、各フローティングディフュージョン部及び各画素アンプトランジスタは、行方向及び列方向に隣接する光電変換部同士により共有されていることが好ましい。このようにすると、光電変換部の開口率の拡大及び光電変換セルの縮小化が可能となる。

第１の固体撮像装置は、各フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を廃棄
するリセットトランジスタをさらに備え、リセットトランジスタのドレイン電位は時間的に変化し、リセットトランジスタのドレイン電位が第１の電位の場合に各フローティングディフュージョン部の電位が第３の電位となることにより画素アンプトランジスタが電荷を検出できる期間を持ち、リセットトランジスタのドレイン電位が第２の電位の場合に各フローティングディフュージョン部の電位が第４の電位となることにより各画素アンプトランジスタが電荷の検出を停止する期間を持つことが好ましい。このようにすると、光電変換部から読み出された電荷を画素アンプトランジスタで検出した後に、画素アンプトランジスタによる電荷の検出を停止することができるため、選択トランジスタを設ける必要がなくなる。

第１の固体撮像装置において、各光電変換部は、その行方向又は列方向の間隔が互いに等しくなるように配置されていることが好ましい。このようにすると、光電変換部から読み出された信号から解像度が高い高画質な画像を得ることができる。

第１の固体撮像装置は、各画素アンプトランジスタからの出力信号を処理する信号処理回路をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、信号処理を行なう前に混入するノイズを低減できるため、高画質な画像を得ることができる。

第１の固体撮像装置において、光電変換セルは遮光膜を兼ねる電源配線により区画されていることが好ましい。このようにすると、画素アンプトランジスタと接続される出力信号線とは異なる遮光膜に電源配線を形成することができるため、光電変換セルのセルサイズをさらに縮小でき、且つ開口面積をさらに増大することができる。
第１の固体撮像装置において、光電変換セルの２行２列のアレイ状に配置された光電変換部の列方向の内側に前記転送トランジスタを配置し、さらに、前記光電変換セル内の次の行方向側の転送トランジスタと行方向次の転送トランジスタの列方向の内側にフローティングディフュージョン部を配置する。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面積を小さくでき、高感度な出力信号が得られる。

第１の固体撮像装置において、光電変換セル内の列方向に配列された複数の前記光電変換部と同一行にない複数の前記光電変換部の間に読み出し配線を配置し、前記光電変換セルと次の列方向の前記光電変換セルの間にリセットトランジスタに印加する信号線を配置することが好ましい。このようにすると、読み出し配線の長が短かくなり、信号の電圧降下分が少なくなる。

第１の固体撮像装置において、前記光電変換部と前記転送トランジスタと前記フローティングディフュージョン部は列方向に前記フローティングディフュージョン部を中心に対称に配置することが好ましい。このようにすると、読み出し特性のバラツキを小さくできる。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、本発明の第１の固体撮像装置を駆動する駆動方法を対象とし、一の光電変換セルにおいて、第１の読み出し配線により、同一の行に含まれず且つ互いに隣接する列同士に含まれる光電変換部の信号電荷を、該光電変換部と接続されたフローティングディフュージョン部に転送する第１の工程と、第２の読み出し配線により、複数の光電変換部のうち第１の工程において読み出されていない光電変換部の信号電荷を、該光電変換部と接続された第１の工程と同一のフローティングディフュージョン部に転送する第２の工程とを備えている。

本発明に係る第２の固体撮像装置は、それぞれが、少なくとも２行のアレイ状に配置された複数の光電変換部を有する複数の光電変換セルと、各光電変換セルにおける互いに隣接する行であって同一の列に含まれる各光電変換部とそれぞれ転送トランジスタを介して接続され、且つ各光電変換部に共有されるフローティングディフュージョン部と、各転送トランジスタと接続され、各光電変換部がそれぞれ共有するフローティングディフュージョン部に各光電変換部から独立して電荷を読み出す複数の読み出し配線と、各フローティングディフュージョン部の電位を検出して出力する複数の画素アンプトランジスタと、各フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を廃棄するリセットトランジスタとを備え、リセットトランジスタのドレイン電位は時間的に変化し、リセットトランジスタのドレイン電位が第１の電位の場合に各フローティングディフュージョン部の電位が第３の電位となることにより画素アンプトランジスタが電荷を検出できる期間を持ち、リセットトランジスタのドレイン電位が第２の電位の場合に各フローティングディフュージョン部の電位が第４の電位となることにより各画素アンプトランジスタが電荷の検出を停止する期間を持つ。

第２の固体撮像装置によると、フローティングディフュージョン部は、複数の転送トランジスタと接続され、且つ互いに隣接する行であって同一の列に含まれる複数の光電変換部に共有され、その上、各転送トランジスタには光電変換部から独立して電荷を読み出す複数の読み出し配線が接続されているため、通常設けられる行選択トランジスタが不要と
なる。その結果、１光電変換セル当たりの配線数が、従来の５本から３．５本となるので、光電変換部の面積を拡大しながら光電変換セル自体の面積を縮小することが可能となる。

本発明の第２の固体撮像装置において、行方向に隣接する２個の前記光電変換部を含む光電変換セル内の複数の前記光電変換部に対応するフローティングディフュージョン部を共有して配置することが好ましい。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面積を小さくでき、高感度な出力信号が得られる。

第２の固体撮像装置において、リセットトランジスタのドレインは画素アンプトランジスタのドレインと共通に接続されていることが好ましい。このようにすると、リセットトランジスタのドレインと画素アンプトランジスタのドレインとを接続する配線が共有可能となるため、１光電変換セル当たりの配線数をさらに減少することができる。

第２の固体撮像装置において、各フローティングディフュージョン部は、各光電変換セルにおける行方向に隣接する光電変換部同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、１光電変換セル当たりのフローティングディフュージョン部の面積を縮小することができる。

また、第２の固体撮像装置において、各転送トランジスタはＭＩＳトランジスタからなり、各ＭＩＳトランジスタのゲートは、行方向に配置されていることが好ましい。このようにすると、転送トランジスタの配線を読み出し配線が兼ねることができ、該読み出し配線の光電変換セルに占める面積を縮小できる。

また、第２の固体撮像装置において、各画素アンプトランジスタは、各光電変換セルにおける各光電変換部を含む互いに隣接する行同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、１光電変換セル当たりの画素アンプトランジスタの占有面積を縮小でき、逆に光電変換部の面積を増大できるため、光に対する感度が向上する。

また、第２の固体撮像装置において、各画素アンプトランジスタ及び各フローティングディフュージョン部は、読み出し配線同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、画素アンプトランジスタとフローティングディフュージョン部との配線が短縮されるため、１光電変換セル当たりの画素アンプトランジスタ及びフローティングディフュージョン部の占有面積を縮小できる。

また、第２の固体撮像装置において、各画素アンプトランジスタは、互いに列方向に隣接する各光電変換セル同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、光電変換部を行方向に大きく開口できるため、微細化しても感度を維持できる。

また、第２の固体撮像装置において、各転送トランジスタはＭＩＳトランジスタからなり、各画素アンプトランジスタは、ＭＩＳトランジスタ同士のゲートの間に配置されていることが好ましい。このようにすると、列方向と行方向との交差部分の空き領域を利用できるため、光電変換部の面積を拡大でき且つ光電変換セル自体の面積を縮小することができる。

第２の固体撮像装置がリセットトランジスタを備えている場合に、各リセットトランジスタは、各光電変換セルにおける各光電変換部を含む互いに隣接する行同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、１光電変換セル当たりのリセットトランジスタの占有面積を縮小できるため、光電変換部の面積を拡大でき且つ光電変換セル自体の面積を縮小することができる。

また、第２の固体撮像装置がリセットトランジスタを備えている場合に、各リセットトランジスタ及び各フローティングディフュージョン部は、読み出し配線同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、フローティングディフュージョン部とリセットトランジスタとの配線を省略できるため、リセットトランジスタのソースとフローテ
ィングディフュージョン部とを共通にできるので、１光電変換セル当たりのリセットトランジスタ及びフローティングディフュージョン部の占有面積を縮小できる。

また、第２の固体撮像装置がリセットトランジスタを備えている場合に、各リセットトランジスタは、互いに行方向に隣接する光電変換セル同士の間に配置された配線と接続されていることが好ましい。このようにすると、光電変換部の行方向のピッチを合わせやすくなるため、解像度が向上する。

また、第２の固体撮像装置がリセットトランジスタを備えている場合に、各リセットトランジスタは、互いに列方向に隣接する各光電変換セル同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、光電変換部を行方向に大きく開口できるため、微細化しても感度を維持できる。

この場合に、各転送トランジスタはＭＩＳトランジスタからなり、各リセットトランジスタは、ＭＩＳトランジスタ同士のゲートの間に配置されていることが好ましい。このようにすると、列方向と行方向との交差部分の空き領域を利用できるため、光電変換部の面積を拡大でき且つ光電変換セル自体の面積を縮小することができる。

第２の固体撮像装置において、各フローティングディフュージョン部は、互いに列方向に隣接する各光電変換セル同士の間に配置されていることが好ましい。このようにすると、１光電変換セル当たりのフローティングディフュージョン部の占有面積を縮小できる。

第２の固体撮像装置は、各光電変換部は、互いの間隔が行方向及び列方向の少なくとも一方向で等しくなるように配置されていることが好ましい。このようにすると、撮像された画像における解像度の偏りを補正できるため、高解像度の画像を得ることができる。

第２の固体撮像装置がリセットトランジスタを備えている場合に、リセットトランジスタのドレインと画素アンプトランジスタのドレインとを接続する配線は、遮光膜を兼ねることが好ましい。このようにすると、１光電変換セル当たりの配線数を削減することができるため、光電変換部の面積を拡大でき且つ光電変換セル自体の面積を縮小することができる。

第２の固体撮像装置は、各画素アンプトランジスタから出力される出力信号を処理する信号処理回路をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、高解像度の画像を得ることができる。

本発明に係るカメラは、本発明の第１の固体撮像装置又は第２の固体撮像装置を備えている。これにより、本発明のカメラは高解像度の画像を得ることができる。

本発明に係る第１の固体撮像装置によると、１光電変換セル当たりのフローティングディフュージョン部の数が減るため、光電変換部の光電変換セルに対する開口率を増大でき且つ光電変換セル自体のサイズを縮小することができる。その結果、光電変換部の開口面積を大きくしながら、光電変換セルのサイズを微細化することができる。

本発明に係る第２の固体撮像装置は、１光電変換セル当たり２個のトランジスタ及び３．５本の配線により構成することができるため、光電変換部の開口面積を大きくしながら、光電変換セルのサイズを微細化することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１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回路構成の一例を示している。

図１に示すように、例えば、フォトダイオード素子からなり、入射光を電気エネルギーに変換する光電変換（ＰＤ）部１、２、３、４が行方向に順に配置されている。さらに、各ＰＤ部１〜４と列方向に隣接するように、ＰＤ部５、６、７、８がそれぞれ行方向に順に配置されている。

ここで、本願明細書においては、行方向とは行番号が増大する方向をいい、列方向とは列番号が増大する方向をいう。

１行目と図示しない０行目との間には、１行目に含まれるＰＤ部１、５及び０行目に含まれるＰＤ部からの光電変換後の電荷を蓄積する第１のフローティングディフュージョン（ＦＤ）部９が設けられている。２行目と３行目との間には、２行目に含まれるＰＤ部２、６及び３行目に含まれるＰＤ部３、７からの光電変換後の電荷を蓄積する第２のＦＤ部１０が、これらＰＤ部２、３、６、７に囲まれるように設けられている。４行目と図示しない５行目との間には、４行目に含まれるＰＤ部４、８及び５行目に含まれるＰＤ部からの光電変換後の電荷を蓄積する第３のＦＤ部１１が設けられている。このように、各ＦＤ部９、１０、１１は、それぞれ４つのＰＤ部により共有される。

ここでは、ＰＤ部１、２、５、６を含むセルを第１の光電変換セル９１とし、ＰＤ部３、４、７、８を含むセルを第２の光電変換セル９２とする。

第１の光電変換セル９１において、１行目に含まれるＰＤ部１と第１のＦＤ部９との間にはＰＤ部１から第１のＦＤ部９に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１３が接続されており、ＰＤ部５と第１のＦＤ部９との間にはＰＤ部５から第１のＦＤ部９に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１７が接続されている。

また、第１の光電変換セル９１において、２行目に含まれるＰＤ部２と第２のＦＤ部１０との間にはＰＤ部２から第２のＦＤ部１０に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１４が接続されており、ＰＤ部６と第２のＦＤ部１０との間にはＰＤ部６から第２のＦＤ部１０に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１８が接続されている。

第１の実施形態の特徴として、１行目に含まれる転送トランジスタ１３と２行目に含まれる転送トランジスタ１４の各ゲートは第１の読み出し（ＲＥＡＤ）線３２と接続されており、これに対し、１行目に含まれる転送トランジスタ１７と２行目に含まれる転送トランジスタ１８の各ゲートは第２のＲＥＡＤ線３３と接続されている。

第２の光電変換セル９２において、３行目に含まれるＰＤ部３と第２のＦＤ部１０との間にはＰＤ部３から第２のＦＤ部１０に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１５が接続されており、ＰＤ部７と第２のＦＤ部１０との間にはＰＤ部７から第２のＦＤ部１０に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１９が接続されている。

また、第２の光電変換セル９２において、４行目に含まれるＰＤ部４と第３のＦＤ部１１との間にはＰＤ部４から第３のＦＤ部１１に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ１６が接続されており、ＰＤ部８と第３のＦＤ部１１との間にはＰＤ部８から第３のＦＤ部１１に電荷を転送するＮチャネル型の転送トランジスタ２０が接続されている。

ここでも、３行目に含まれる転送トランジスタ１５と４行目に含まれる転送トランジスタ１６の各ゲートは第３のＲＥＡＤ線３４と接続されており、これに対し、３行目に含まれる転送トランジスタ１９と４行目に含まれる転送トランジスタ２０の各ゲートは第４のＲＥＡＤ線３５と接続されている。

第１のＦＤ部９には、Ｎチャネル型の第１のリセットトランジスタ２１が接続され、該第１のリセットトランジスタ２１は、そのソースが第１のＦＤ部９と接続され、そのドレインが光電変換セル用電源（ＶＤＤＣＥＬＬ）線３１と接続され、そのゲートが第１のリセットパルス（ＲＳＣＥＬＬ）線３６と接続されている。これにより、第１のＦＤ部９に蓄積された電荷は、ＲＳＣＥＬＬ信号によりＶＤＤＣＥＬＬ線３１に廃棄される。

同様に、第２のＦＤ部１０にも、Ｎチャネル型の第２のリセットトランジスタ２２が接続され、該第２のリセットトランジスタ２２は、そのソースが第２のＦＤ部１０と接続され、そのドレインがＶＤＤＣＥＬＬ線３１と接続され、そのゲートが第２のＲＳＣＥＬＬ線３７と接続されている。なお、図示はしていないが、第３のＦＤ部１１にも、第１のリセットトランジスタ２１等と同一の構成のリセットトランジスタが設けられている。

第１のＦＤ部９及び第１のリセットトランジスタ２１には、Ｎチャネル型の第１の画素アンプトランジスタ２３が接続され、該第１の画素アンプトランジスタ２３は、そのゲートが第１のＦＤ部９と接続され、そのドレインがＶＤＤＣＥＬＬ線３１と接続され、そのソースが第１の出力信号（ＶＯ）線３８と接続されている。

同様に、第２のＦＤ部１０及び第２のリセットトランジスタ２２には、Ｎチャネル型の第２の画素アンプトランジスタ２４が接続され、該第２の画素アンプトランジスタ２４は、そのゲートが第２のＦＤ部１０と接続され、そのドレインがＶＤＤＣＥＬＬ線３１と接続され、そのソースが第２のＶＯ線３９と接続されている。

第１のＶＯ線３８及び第２のＶＯ線３９は、各画素アンプトランジスタ２３、２４と共にソースフォロアアンプを形成するＮチャネル型の第１及び第２のロードトランジスタ２５、２６と接続されている。各ロードトランジスタ２５、２６のゲートには、ロードゲート（ＬＧＣＥＬＬ）線４０がそれぞれ接続され、それらのソースには、ソース電源（ＳＣＬＬ）線４１がそれぞれ接続されている。

以下、前記のように構成された固体撮像装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２は第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミングを表わしており、ここでは、水平ブランキング期間（＝１Ｈ）内で一連の動作が完結する。

また、アレイ状に配置した各ＰＤ部１〜８からの信号電荷の検出順序は、１行目と２行目とを同時に行ない、続いて、３行目と４行目とを同時に行なう。

図２に示すように、まず、各ロードトランジスタ２５、２６が定電流源となるように、ＬＧＣＥＬＬ線４０にハイレベルの電圧を印加しておき、続いて、ＶＤＤＣＥＬＬ線３１の電位をハイレベルにしている期間に、各ＲＳＣＥＬＬ線３６、３７をパルス状にハイレベルにして各リセットトランジスタ２１、２２を一時的にオン状態とする。これにより、第１の光電変換セル９１における第１のＦＤ部９及び第２の光電変換セル９２における第２のＦＤ部１０に蓄積されていた電荷が共にＶＤＤＣＥＬＬ線３１に廃棄される。このとき、各画素アンプトランジスタ２３、２４においては、該リセット時の信号レベルを検出
して、検出した信号レベルを各ＶＯ線３８、３９を通してノイズキャンセル回路（図示せず）に導入し、導入された信号レベルはノイズキャンセル回路によりクランプされる。

次に、各リセットトランジスタ２１、２２がオフ状態に遷移した後に、第１のＲＥＡＤ線３２にハイレベルの電圧をパルス状に印加して、各転送トランジスタ１３、１４を同時にオン状態とする。これにより、１行目のＰＤ部１に蓄積された電荷は第１のＦＤ部９に転送され、一方、２行目のＰＤ部２に蓄積された電荷は第２のＦＤ部１０に転送される。第１のＦＤ部９及び第２のＦＤ部１０に転送された電荷は、それぞれ第１の画素アンプトランジスタ２３及び第２の画素アンプトランジスタ２４において蓄積信号の電圧レベルが検出される。さらに、検出された電圧レベルは、それぞれ第１のＶＯ線３８及び第２のＶＯ線３９を通してノイズキャンセル回路に導入されて、該ノイズキャンセル回路によりそれぞれの信号サンプリングが行なわれる。この一連の動作により、各画素アンプトランジスタ２３、２４が持つ閾値のばらつき及びノイズ成分が除去された出力信号を検出することができる。

続いて、ＶＤＤＣＥＬＬ線３１をローレベルのオフ状態とし、且つ各ＲＳＣＥＬＬ線３６、３７を一時的にオン状態とすると、各ＦＤ部９、１０の電位はＶＤＤＣＥＬＬ線３１と同一のオフレベルとなるため、各画素アンプトランジスタ２３、２４は動作しなくなる。

これ以後、垂直ライン走査回路において、各ＲＳＣＥＬＬ線３６、３７及び第１のＲＥＡＤ線３２が選択されるまでは、各画素アンプトランジスタ２３、２４は動作しなくなるため非選択状態となる。

次の水平ブランキング期間２Ｈにおいて、各リセットトランジスタ２１、２２を一時的にオン状態として、各ＦＤ部９、１０の電荷を廃棄する。このとき、前述したように、各画素アンプトランジスタ２３、２４においてリセット時の信号レベルを検出し、検出した信号レベルを各ＶＯ線３８、３９を通してノイズキャンセル回路に導入し、そこで信号レベルをクランプする。

次に、各リセットトランジスタ２１、２２がオフ状態となった後に、第２のＲＥＡＤ線３３にハイレベルの電圧をパルス状に印加して、各転送トランジスタ１７、１８を同時にオン状態とする。これにより、１行目のＰＤ部５に蓄積された電荷は第１のＦＤ部９に転送され、一方、２行目のＰＤ部６に蓄積された電荷は第２のＦＤ部１０に転送される。

その後は、第１の水平ブランキング期間１Ｈと同様に、それぞれ異なる第１のＦＤ部９及び第２のＦＤ部１０に転送された電荷は、それぞれ第１の画素アンプトランジスタ２３及び第２の画素アンプトランジスタ２４において蓄積信号の電圧レベルが検出される。さらに、それぞれ第１のＶＯ線３８及び第２のＶＯ線３９を通してノイズキャンセル回路により信号サンプリングが行なわれる。この一連の動作により、各画素アンプトランジスタ２３、２４が持つ閾値のばらつき及びノイズ成分が除去された出力信号を検出することができる。

このように、第１の水平ブランキング期間１Ｈに検出された電荷及び第２の水平ブランキング期間２Ｈに検出された電荷を、それぞれ信号処理回路（図示せず）で処理することにより、１行目及び２行目の配置位置で光電変換された電荷を実際の配置と対応した画像として検出することができる。

続いて、３行目及び４行目を１行目及び２行目と同様に駆動することにより、アレイの全面にわたって信号検出を行なうことができる。

なお、第１の実施形態においては、１列おき、すなわちＰＤ部１、２を含む奇数列目を読み出した後に、ＰＤ部５、６を含む偶数列目の電荷を検出する回路構成及び駆動方法を説明したが、これに限られず、ＲＥＡＤ線を増やして、２列おきに同様な駆動タイミングで電荷を検出することができる。

第１の実施形態に係る固体撮像装置は、図１の回路構成に示すように、例えば、４つのＰＤ部が１つのＦＤ部及び１つの画素アンプトランジスタを共有するため、１光電変換セル当たりのトランジスタの個数は、最終的に従来の４個から１．５個に削減でき、配線数は従来の５本から２．５本に削減できる。例えば、光電変換セルの面積を４．１μｍ×４．１μｍとし、０．３５μｍルールで設計を行なうと、光電変換セルに対するＰＤ部の開口率は３５％程度となる。これにより、光電変換セル９１、９２のセルサイズを縮小できると共に、ＰＤ部の開口率を大幅に増大することができる。

ちなみに、従来の回路構成において、１本のＲＥＡＤ線によって、互いに隣接する行に含まれる２つの光電変換部の信号電荷を同一のタイミングで検出する構成を採る場合に、例えば光電変換セルの面積を４．１μｍ×４．１μｍとし、０．３５μｍルールで設計を行なうと、ＰＤ部の開口率は１０％程度である。

また、従来の回路構成において、１本のＲＥＡＤ線によって、互いに隣接する行に含まれる２つの光電変換部の電荷を読み出し、且つ読み出されない行と隣接する行に含まれる光電変換セルのＦＤ部及び画素アンプトランジスタを２つの光電変換部で共有して信号電荷を検出する構成を採る場合に、２つの光電変換部が同一のタイミングで信号電荷を検出する駆動方法を用いると、例えば光電変換セルの面積を４．１μｍ×４．１μｍとし、０．３５μｍルールで設計を行なうと、ＰＤ部の開口率は１５％程度となる。

図３に本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の光電変換セルとＲＥＡＤ線とＲＳＣＥＬＬ線の基本的なレイアウトを示す。光電変換セル内にはＰＤ部と転送トランジスタとＦＤ部を記載している。符号は図１に対応する。また、第１のリセットトランジスタ２１、第２のリセットトランジスタ２２、第１の画素アンプトランジスタ２３、第２の画素アンプトランジスタ２４、第１のロードトランジスタ２５、第２のロードトランジスタ２６、ＶＯ線３８、３９、ロードゲート線４０、ソース電源４１は省略している。光電変換セル９１内にＰＤ部１，２，５，６を配置し、列方向にＰＤ部の内側に転送トランジスタ１３，１４，１７，１８を配置し、さらに列方向転送トランジスタの内側にＦＤ部を配置している。同様に光電変換セル９２内にＰＤ部３，４，７，８を配置し、列方向にＰＤ部の内側に転送トランジスタ１５，１６，１９，２０を配置し、さらに列方向転送トランジスタの内側にＦＤ部を配置している。ＦＤ部９は１行目のＰＤ部１、５と図示しない０行目のＰＤ部に対応し、ＦＤ部１０は２行目のＰＤ部２、６と３行目のＰＤ部３、７に対応し、ＦＤ部１１は４行目のＰＤ部４、８と図示しないＰＤ部に対応する。ＲＥＡＤ線３２、３３は光電変換セル９１の１行目のＰＤ部１，５と２行目のＰＤ部２，６の間に列方向に配置され、ＲＥＡＤ線３４，３５は光電変換セル９２の３行目のＰＤ部３，７と４行目のＰＤ部４，８の間に列方向に配置される。またＲＳＣＥＬＬ線３６は光電変換セル９１と０行目を含む図示しない光電変換セルの間に列方向に配置され、ＲＳＣＥＬＬ線３７は光電変換セル９１と光電変換セル９２の間に列方向に配置される。レイアウトはこれに限らず、行方向、列方向を入れ替えても可能である。

図４に本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の光電変換セルの断面図を示す。

図３内の波線ＡＢ部の断面を示しており、２１０は半導体基板、２１１は半導体基板２１０と異なる導電型の低濃度半導体層、２１２は半導体基板と同じ導電型の半導体層、２１３は２１０の半導体基板と異なる導電型の高濃度半導体層である。２１１の低濃度半導体層と２１２の半導体層と２１３の高濃度半導体層で光電変換部を形成する。この構成の光電変換部は埋め込み型構造であるが、２１３の高濃度半導体層がなくてもよい。２１４はＦＤ部、２１５は転送トランジスタのゲートである。２１６は第一層の配線で、２１７は第二層の配線、２１８、２１９、２２０は絶縁層である。ＦＤ部の列方向の両側に転送トランジスタのゲートを、さらに転送トランジスタのゲートの列方向の両側にＰＤ部を配置している。ＦＤ部を中心に転送トランジスタのゲート、ＰＤ部は対称的に配置している。

図５にＰＤ部のポテンシャルプロフィールを示す。２３０は一般のポテンシャルプロフィール、２３１はＰＤ部の容量成分を増加するポテンシャルプロフィールである。図５中ａは高濃度半導体層２１３と半導体層２１２境界付近で図５中ｂは半導体層２１２と低濃度半導体層２１１境界の空乏層の低濃度半導体層２１１側付近である。

（第１の実施形態の一変形例）
図６は本発明の第１の実施形態の一変形例に係る固体撮像装置における光電変換セルの回路構成を示している。ここでも、図６において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図６に示すように、例えば、第１の光電変換セル９１において、第１のＲＥＡＤ線３２は、互いに隣接する列に含まれる転送トランジスタ１３及び転送トランジスタ１８と接続され、一方、第２のＲＥＡＤ線３３も、互いに隣接する列に含まれる転送トランジスタ１４及び転送トランジスタ１７と接続されている。このように、第１のＲＥＡＤ線３２及び第２のＲＥＡＤ線３３を挟んで隣接する２行に含まれるＰＤ部１、２、５、６に対して、同一の列に含まれないＰＤ部同士の信号電荷を転送するように接続を行なっても、図２に示す駆動タイミングで電荷を検出することができる。

例えば、第１のＲＥＡＤ線３２が一時的にオン状態とされた場合には、ＰＤ部１から転送トランジスタ１３を介して第１のＦＤ部９に信号電荷が転送され、このとき同時に、ＰＤ部６から転送トランジスタ１８を介して第２のＦＤ部１０に信号電荷が転送される。

なお、第１の実施形態及びその一変形例は、水平ブランキング期間１Ｈにおいて、１つの光電変換セル９１に含まれる４つのＰＤ部のうちの２つの信号電荷を読み出したが、これに代えて、４つのＰＤ部のすべての信号電荷を読み出しても良い。

また、異なる水平ブランキング時間に読み出したすべての光電変換セルからの信号電荷に対して信号処理を行なうことにより、高画質な多画素の画像を得ることができる。

図７に本発明の第１の実施形態の一変形例における固体撮像装置の光電変換セルとＲＥＡＤ線とＲＳＣＥＬＬ線の基本的なレイアウトを示す。図３からの相違点はＲＥＡＤ線３２は光電変換セル９１の転送トランジスタ１３，１８に、ＲＥＡＤ線３３は光電変換セル９１の転送トランジスタ１４，１７にＲＥＡＤ線３４は光電変換セル９２の転送トランジスタ１５，２０に、ＲＥＡＤ線３５は光電変換セル９２の転送トランジスタ１６，１９に接続が変更されている。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図８は本発明の第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回路構成の一例を示している。図８において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

まず、図８において、図１に示した第１の実施形態に係る固体撮像装置との相違点を説明する。

第２の実施形態においては、第１の画素アンプトランジスタ２３及び第２の画素アンプトランジスタ２４を、それぞれＮチャネル型の第１の選択トランジスタ５２及び第２の選択トランジスタ５３を介して第１の出力信号（ＶＯ）線３８と第２の出力信号（ＶＯ）線３９と接続する構成を採る。

第１の選択トランジスタ５２及び第２の選択トランジスタ５３の各ゲートには、スイッチングパルスを印加する第１の選択（ＳＯ）線５０及び第２のＳＯ線５１がそれぞれ接続されている。

以下、前記のように構成された固体撮像装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図９は第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミングを表わしており、ここでは、水平ブランキング期間（＝１Ｈ）内で一連の動作が完結する。

図９に示すように、まず、第１及び第２の各ロードトランジスタ２５、２６が定電流源となるように、ＬＧＣＥＬＬ線４０に所定の電圧を印加しておくと共に、ＶＤＤＣＥＬＬ線３１の電位をハイレベルにセットしておく。続いて、各ＲＳＣＥＬＬ線３６、３７をパルス状にハイレベルにして各リセットトランジスタ２１、２２を一時的にオン状態とする。これにより、第１のＦＤ部９及び第２のＦＤ部１０に蓄積されていた電荷がＶＤＤＣＥＬＬ線３１に廃棄される。このとき、各画素アンプトランジスタ２３、２４においては、あらかじめ各選択トランジスタ５２、５３をオン状態とすることにより、リセット時の信号レベルを検出して、検出した信号レベルを各ＶＯ線３８、３９を通してノイズキャンセル回路（図示せず）に導入し、導入された信号レベルはノイズキャンセル回路においてクランプされる。

次に、各リセットトランジスタ２１、２２がオフ状態に遷移した後に、第１のＲＥＡＤ線３２にハイレベルの電圧をパルス状に印加して、各転送トランジスタ１３、１４を同時にオン状態とする。これにより、１行目のＰＤ部１に蓄積された電荷は第１のＦＤ部９に転送され、一方、２行目のＰＤ部２に蓄積された電荷は第２のＦＤ部１０に転送される。その後、第１のＦＤ部９及び第２のＦＤ部１０に転送された電荷は、それぞれ第１の画素アンプトランジスタ２３及び第２の画素アンプトランジスタ２４において蓄積信号の電圧レベルが検出される。

続いて、第１のＳＯ線５０及び第２のＳＯ線５１を共にハイレベルに遷移して、第１及び第２の各選択トランジスタ５２、５３をオン状態に保持することにより、第１の画素アンプトランジスタ２３の蓄積信号は第１のＶＯ線３８を通して、また、第２の画素アンプトランジスタ２４の蓄積信号は第２のＶＯ線３９を通してそれぞれノイズキャンセル回路に導入し、該ノイズキャンセル回路により信号サンプリングを行なう。

その後、第１のＳＯ線５０及び第２のＳＯ線５１を共にローレベルに戻して、第１及び第２の各選択トランジスタ５２、５３をオフ状態とすると、各画素アンプトランジスタ２３、２４は動作しなくなる。

これ以後、垂直ライン走査回路において、各ＲＳＣＥＬＬ線３６、３７及び第１のＲＥＡＤ線３２が選択されるまでは、各画素アンプトランジスタ２３、２４は動作しなくなるため非選択状態となる。

次の水平ブランキング期間２Ｈにおいて、各リセットトランジスタ２１、２２を一時的にオン状態として、各ＦＤ部９、１０の電荷を廃棄する。このとき、前述したように、各画素アンプトランジスタ２３、２４においてリセット時の信号レベルを検出し、検出した信号レベルを各ＶＯ線３８、３９を通してノイズキャンセル回路に導入し、該ノイズキャンセル回路により信号レベルをクランプする。

次に、各リセットトランジスタ２１、２２がオフ状態となった後に、第２のＲＥＡＤ線３３にハイレベルの電圧をパルス状に印加して、各転送トランジスタ１７、１８を同時にオン状態とする。これにより、１行目のＰＤ部５に蓄積された電荷は第１のＦＤ部９に転送され、一方、２行目のＰＤ部６に蓄積された電荷は第２のＦＤ部１０に転送される。

その後は、第１の水平ブランキング期間１Ｈと同様に、それぞれ異なる第１のＦＤ部９及び第２のＦＤ部１０に転送された電荷は、それぞれ異なる第１の画素アンプトランジスタ２３及び第２の画素アンプトランジスタ２４において蓄積信号の電圧レベルが検出される。さらに、それぞれ電圧レベルが検出された蓄積信号は、第１及び第２の各ＶＯ線３８、３９を選択的に導通状態としてノイズキャンセル回路に導入され、そこで信号サンプリングが行なわれる。この一連の動作により、各画素アンプトランジスタ２３、２４が持つ閾値のばらつき及びノイズ成分が除去された出力信号を検出することができる。

このように、異なるＰＤ部９、１０に蓄積された信号電荷は、第１のＶＯ線３８及び第２のＶＯ線３９との間にそれぞれ第１の選択トランジスタ５２及び第２の選択トランジスタ５３を設けることにより、１光電変換セル当たりのトランジスタの個数は１．７５となり、また配線数は２．７５本となるので、光電変換セル９１、９２のセルサイズを縮小できると共に、各ＰＤ部の開口率を大幅に増大することができる。

なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態の一変形例と同様に、例えば、転送トランジスタ１３及びそれと対角位置にある転送トランジスタ１８を第１のＲＥＡＤ線３２と接続し、転送トランジスタ１４及びそれと対角位置にある転送トランジスタ部１７を第２のＲＥＡＤ線３３と接続する構成を採用しても良い。

また、１つの光電変換セル９１には、２行２列のＰＤ部を配置したが、これに限られず、各ＰＤ部を２行３列又は３行２列、さらには３行以上且つ３列以上に配置しても良い。

図１０に本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の光電変換セルとＲＥＡＤ線とＲＳＣＥＬＬ線と選択線の基本的なレイアウトを示す。光電変換セル内にはＰＤ部と転送トランジスタとＦＤ部を記載している。符号は図１に対応する。また、第１のリセットトランジスタ２１、第２のリセットトランジスタ２２、第１の画素アンプトランジスタ２３、第２の画素アンプトランジスタ２４、第１のロードトランジスタ２５、第２のロードトランジスタ２６、ＶＯ線３８、３９、ロードゲート線４０、ソース電源４１、選択トランジスタ５２，５３は省略している。図１０に追加されたのは、選択線５０は光電変換セル９１と０行目を含む図示しない光電変換セルの間に列方向に配置され、選択線５１は光電変換セル９１と光電変換セル９２の間に列方向に配置される。レイアウトはこれに限らず、行方向、列方向を入れ替えても可能である。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１１は本発明の第３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回路構成の一例を示している。図１１において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図１１に示すように、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、第１〜第４の各光電変換セル９１、９２、９３、９４が行列状に配置されている。

例えば、第１の光電変換セル９１は、アレイ状配置の１列目で且つ１行目と２行目とにそれぞれ光電変換（ＰＤ）部１、２を有し、該ＰＤ部１、２はそれぞれＮチャネル型の転送トランジスタ１３、１４を介して第１のＦＤ部９を共有している。

第１のＦＤ部９は、Ｎチャネル型の第１のリセットトランジスタ２１が接続され、該第１のリセットトランジスタ２１は、そのソースが第１のＦＤ部９と接続され、そのドレインが第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０と接続され、そのゲートが第１のＲＳＣＥＬＬ線３６と接続されている。これにより、第１のＦＤ部９に蓄積された電荷は、ＲＳＣＥＬＬ信号により第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０に廃棄される。

第１のＦＤ部９及び第１のリセットトランジスタ２１には、Ｎチャネル型の第１の画素アンプトランジスタ２３が接続され、該第１の画素アンプトランジスタ２３は、そのゲートが第１のＦＤ部９と接続され、そのドレインが第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０と接続され、そのソースが第１のＶＯ線３８と接続されている。

同様に、第２の光電変換セル９２を構成する１列目で且つ３行目と４行目とに配置されたＰＤ部３及びＰＤ部４は、それぞれ転送トランジスタ１５、１６を介して第２のＦＤ部１０を共有し、第２のリセットトランジスタ２２は第２のＦＤ部１０と第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０とを選択的に導通する。また、ゲートに第２のＦＤ部１０の信号電位を受け、ドレインに第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０の電源電位を受ける第２の画素アンプトランジスタ２４は、受けた信号電位に応じた検出信号を第１のＶＯ線３８に出力する。

第３の光電変換セル９３を構成する２列目で且つ１行目と２行目とに配置されたＰＤ部５及びＰＤ部６は、それぞれ転送トランジスタ１７、１８を介して第３のＦＤ部１１を共有し、第３のリセットトランジスタ６１は第３のＦＤ部１１と第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１とを選択的に導通する。また、ゲートに第３のＦＤ部１１の信号電位を受け、ドレインに第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１の電源電位を受ける第３の画素アンプトランジスタ６３は、受けた信号電位に応じた検出信号を第２のＶＯ線３９に出力する。

第４の光電変換セル９４を構成する２列目で且つ３行目と４行目とに配置されたＰＤ部７及びＰＤ部８は、それぞれ転送トランジスタ１９、２０を介して第４のＦＤ部１２を共有し、第４のリセットトランジスタ６２は第４のＦＤ部１２と第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１とを選択的に導通する。また、ゲートに第４のＦＤ部１２の信号電位を受け、ドレインに第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１の電源電位を受ける第４の画素アンプトランジスタ６４は、受けた信号電位に応じた検出信号を第２のＶＯ線３９に出力する。

以下、前記のように構成された固体撮像装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図１２は第３の実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミングを表わしており、ここでは、水平ブランキング期間（＝１Ｈ）内で一連の動作が完結する。

また、アレイ状に配置した各ＰＤ部１〜８からの信号電荷の検出順序は、１行目から２行目へと順次行なう。

図１２に示すように、まず、各ロードトランジスタ２５、２６が定電流源となるように、ＬＧＣＥＬＬ線４０にハイレベルの電圧を印加しておき、続いて、第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０及び第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１の電位を共にハイレベルにしている期間に、第１のＲＳＣＥＬＬ線３６をパルス状にハイレベルにして、各リセットトランジスタ２１、６１を一時的にオン状態とする。これにより、第１の光電変換セル９１における第１のＦＤ部９及び第３の光電変換セル９３における第３のＦＤ部１１に蓄積されていた電荷が第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０及び第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１にそれぞれ廃棄される。このとき、各画素アンプトランジスタ２３、６３においては、該リセット時の信号レベルを検出して、検出した信号レベルを各ＶＯ線３８、３９を通してノイズキャンセル回路（図示せず）に導入し、導入された信号レベルはノイズキャンセル回路によりクランプされる。

次に、各リセットトランジスタ２１、６１がオフ状態に遷移した後に、第１のＲＥＡＤ線３２にハイレベルの電圧をパルス状に印加して、各転送トランジスタ１３、１７を同時にオン状態とする。これにより、１列目のＰＤ部１に蓄積された電荷は第１のＦＤ部９に転送され、一方、２列目のＰＤ部５に蓄積された電荷は第３のＦＤ部１１に転送される。第１のＦＤ部９及び第３のＦＤ部１１に転送された電荷は、それぞれ第１の画素アンプトランジスタ２３及び第３の画素アンプトランジスタ６３において蓄積信号の電圧レベルが検出される。さらに、検出された電圧レベルは、それぞれ第１のＶＯ線３８及び第２のＶＯ線３９を通してノイズキャンセル回路に導入されて、該ノイズキャンセル回路によりそれぞれの信号サンプリングが行なわれる。この一連の動作により、各画素アンプトランジスタ２３、６３が持つ閾値のばらつき及びノイズ成分が除去された出力信号を検出することができる。

続いて、各ＶＤＤＣＥＬＬ線３０、３１を共にローレベルのオフ状態とし、且つ第１のＲＳＣＥＬＬ線３６を一時的にオン状態とすると、各ＦＤ部９、１１の電位はいずれも各ＶＤＤＣＥＬＬ線３０、３１と同一のオフレベルとなるため、各画素アンプトランジスタ２３、６３は動作しなくなる。

これ以後、垂直ライン走査回路において、第１のＲＳＣＥＬＬ線３６及び第１のＲＥＡＤ線３２が選択されるまでは、各画素アンプトランジスタ２３、６３は動作しなくなるため非選択状態となる。

次の水平ブランキング期間２Ｈにおいて、各リセットトランジスタ２１、６１を一時的にオン状態として、各ＦＤ部９、１１の電荷を廃棄する。このとき、前述したように、各画素アンプトランジスタ２３、６３においてリセット時の信号レベルを検出し、検出した信号レベルを各ＶＯ線３８、３９を通してノイズキャンセル回路に導入し、そこで信号レベルをクランプする。

次に、各リセットトランジスタ２１、６１がオフ状態となった後に、第２のＲＥＡＤ線３３にハイレベルの電圧をパルス状に印加して、各転送トランジスタ１４、１８を同時にオン状態とする。これにより、１列目のＰＤ部２に蓄積された電荷は第１のＦＤ部９に転送され、一方、２列目のＰＤ部６に蓄積された電荷は第３のＦＤ部１１に転送される。

その後は、第１の水平ブランキング期間１Ｈと同様に、それぞれ異なる第１のＦＤ部９及び第３のＦＤ部１１に転送された電荷は、それぞれ第１の画素アンプトランジスタ２３及び第３の画素アンプトランジスタ６３において蓄積信号の電圧レベルが検出される。さらに、それぞれ第１のＶＯ線３８及び第２のＶＯ線３９を通してノイズキャンセル回路により信号サンプリングが行なわれる。この一連の動作により、各画素アンプトランジスタ２３、６３が持つ閾値のばらつき及びノイズ成分が除去された出力信号を検出することができる。

このように、第１の水平ブランキング期間１Ｈに検出された電荷及び第２の水平ブランキング期間２Ｈに検出された電荷を、それぞれ信号処理回路（図示せず）で処理することにより、１列目及び２列目の配置位置で光電変換された電荷を実際の配置と対応した画像
として検出することができる。これにより、第３の実施形態においては、例えば、第１のリセットトランジスタ２１のドレインと第１の画素アンプトランジスタ２３のドレインとに印加される電源電位の変化が同一であり、これにより、従来の行選択用のトランジスタ１５２を不要にすることができる。

続いて、３行目及び４行目を１行目及び２行目と同様に駆動することにより、アレイの全面にわたって信号検出を行なうことができる。

以上説明したように、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、２個のＰＤ部１、２が第１のＦＤ部９及び第１の画素アンプトランジスタ２３を共有する構成を採るため、１光電変換セル当たりのトランジスタの数は、最終的に従来の４個から２個に削減できる。また、配線数は、従来の５本から３．５本に削減できる。従って、例えば光電変換セルの面積を４．１μｍ×４．１μｍとし、０．３５μｍルールで設計を行なうと、各ＰＤ部１、２の開口率は３０％程度となる。これにより、各光電変換セルのセルサイズを縮小できると共に、ＰＤ部の開口率を大幅に向上することができる。

なお、各リセットトランジスタ２１、２２、６１、６２をＮチャネル型のＭＯＳトランジスタとしたが、これに代えて、Ｐチャネル型とした場合には、第１及び第２のＲＳＣＥＬＬ線３６、３７にはローレベルの電圧が印加されると、各リセットトランジスタ２１、２２、６１、６２がオン状態となる。

同様に、各画素アンプトランジスタ２３、２４、６３、６４をＮチャネル型のＭＯＳトランジスタとしたが、これに代えて、Ｐチャネル型とした場合には、第１及び第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３０、３１にローレベルの電圧が印加されると、各画素アンプトランジスタ２３、２４、６３、６４がオン状態となり、それぞれ対応する各ＦＤ部９、１０、１１、１２からの信号電位を検出する電位検出期間となる。

図１３に本発明の第３の実施形態における固体撮像装置の光電変換セルとＲＥＡＤ線とＲＳＣＥＬＬ線の基本的なレイアウトを示す。光電変換セル内にはＰＤ部と転送トランジスタとＦＤ部を記載している。符号は図１に対応する。また、第１のリセットトランジスタ２１、第２のリセットトランジスタ２２、第３のリセットトランジスタ６１、第２のリセットトランジスタ６２、第１の画素アンプトランジスタ２３、第２の画素アンプトランジスタ２４、第３の画素アンプトランジスタ６３、第４の画素アンプトランジスタ６４、第１のロードトランジスタ２５、第２のロードトランジスタ２６、ＶＯ線３８、３９、ロードゲート線４０、ソース電源４１は省略している。

光電変換セル９１内にＰＤ部１，２を行方向に配置し、列方向に転送トランジスタ１３，１４を配置し、さらに列方向にＦＤ部９を配置している。同様に光電変換セル９２内にＰＤ部３，４を行方向に配置し、列方向に転送トランジスタ１５，１６を配置し、さらに列方向にＦＤ部を配置している。光電変換セル９３、９４も同様に配置している。ＦＤ部９、１０，１１，１２はそれぞれＰＤ部１と２、３と４、５と６、７と８に対応する。ＲＥＡＤ線３２、３３，３４，３５はそれぞれ転送トランジスタ１３と１７、１４と１８、１５と１９、１６と２０に接続される。レイアウトはこれに限らず、行方向、列方向を入れ替えても可能である。

以下、図１４に示すように、各ＰＤ部１、２、３、５、６、７をレイアウトし、ＰＤ部１とＰＤ部２との間の領域をＡ箇所とし、ＰＤ部１、２、５、６に囲まれた中心の領域をＢ箇所とし、ＰＤ部５とＰＤ部６との間の領域をＣ箇所とし、ＰＤ部２とＰＤ部６との間の領域をＤ箇所とし、ＰＤ部１とＰＤ部５との間の領域をＥ箇所とする。ここで、図１１に示すように、各ＦＤ部９、１１、各画素アンプトランジスタ２３、６３及びリセットトランジスタ２１、６１を各箇所に配置する。

さらに、各ＦＤ部９、１１をそれぞれＡ箇所及びＣ箇所に配置した場合には、各転送トランジスタ１３、１４を駆動する各ＲＥＡＤ線３２、３３を互いに並行に配置する。

また、例えば第１のリセットトランジスタ２１を駆動する第１のＲＳＣＥＬＬ線３６をＰＤ部２とＰＤ部３との間に配置する。

また、図１４に示したように、各ＰＤ部同士の間隔を行方向及び列方向の少なくとも一方向で等しくなるように配置する。

また、図示はしていないが、第１のＶＤＤＣＥＬＬ線３０及び第２のＶＤＤＣＥＬＬ線３１を光電変換セル同士を区画する遮光膜として用いる。

図１５は固体撮像装置の基本的回路ブロックの配置図を示す。２０１は撮像領域で複数の光電変換セル２０２が行列に配置されている。２０３は行方向シフトレジスタで撮像領域２０１の列方向の両外側に配置される。２０４は列方向シフトレジスタで撮像領域の行方向の両外側に配置される。２０５はノイズキャンセル回路で撮像領域を列方向シフトレジスタの間に配置される。撮像領域内の第１、第２の出力信号線が画素領域よりノイズキャンセル回路を介し撮像領域の両外側の共通信号線２０６に導かれる。その後、列方向シフトレジスタ２０４に同期して出力信号が増幅回路２０７出力される。

また、第１〜第３の実施形態に係る固体撮像装置を用いれば、小型で且つ高解像度の画像を得られるカメラを実現できる。

本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部の開口面積を大きくしながら、光電変換セルのサイズを微細化するという効果を有し、複数の光電変換部がアレイ状に配置された固体撮像装置、その駆動方法及びそれを用いたカメラ等として有用である。

本発明の第１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一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミングを表わすタイミングチャート図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト図である。 本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の光電変換セルの断面図 ＰＤ部のポテンシャルプロフィールを示す図 本発明の第１の実施形態の一変形例に係る固体撮像装置における光電変換セルの一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態の一変形例に係る固体撮像装置のレイアウト図である。 本発明の第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一例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミングを表わすタイミングチャート図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト図である。 本発明の第３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一例を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミングを表わすタイミングチャート図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置における光電変換セル部分の光電変換部のレイアウトを模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像装置の基本的回路ブロックの配置図である。 従来の固体撮像装置における光電変換セルを示す回路図である。

符号の説明

１ 光電変換（ＰＤ）部
２ 光電変換（ＰＤ）部
３ 光電変換（ＰＤ）部
４ 光電変換（ＰＤ）部
５ 光電変換（ＰＤ）部
６ 光電変換（ＰＤ）部
７ 光電変換（ＰＤ）部
８ 光電変換（ＰＤ）部
９ 第１のフローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１０ 第２のフローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１１ 第３のフローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１２ 第４のフローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１３ 転送トランジスタ
１４ 転送トランジスタ
１５ 転送トランジスタ
１６ 転送トランジスタ
１７ 転送トランジスタ
１８ 転送トランジスタ
１９ 転送トランジスタ
２０ 転送トランジスタ
２１ 第１のリセットトランジスタ
２２ 第２のリセットトランジスタ
２３ 第１の画素アンプトランジスタ
２４ 第２の画素アンプトランジスタ
２５ 第１のロードトランジスタ
２６ 第２のロードトランジスタ
３０ 第１の光電変換セル用電源（ＶＤＤＣＥＬＬ）線
３１ （第２の）光電変換セル用電源（ＶＤＤＣＥＬＬ）線
３２ 第１の読み出し（ＲＥＡＤ）線
３３ 第２の読み出し（ＲＥＡＤ）線
３４ 第３の読み出し（ＲＥＡＤ）線
３５ 第４の読み出し（ＲＥＡＤ）線
３６ 第１のリセットパルス（ＲＳＣＥＬＬ）線
３７ 第２のリセットパルス（ＲＳＣＥＬＬ）線
３８ 第１の出力信号（ＶＯ）線
３９ 第２の出力信号（ＶＯ）線
４０ ロードゲート（ＬＧＣＥＬＬ）線
４１ ソース電源（ＳＣＬＬ）線
５０ 第１の選択（ＳＯ）線
５１ 第２の選択（ＳＯ）線
５２ 第１の選択トランジスタ
５３ 第２の選択トランジスタ
６１ 第３のリセットトランジスタ
６２ 第４のリセットトランジスタ
６３ 第３の画素アンプトランジスタ
６４ 第４の画素アンプトランジスタ
９１ 第１の光電変換セル
９２ 第２の光電変換セル
９３ 第３の光電変換セル
９４ 第４の光電変換セル
２０１ 撮像領域
２０２ 光電変換セル
２０３ 行方向シフトレジスタ
２０４ 列方向シフトレジスタ
２０５ ノイズキャンセル回路
２０６ 撮像領域の両外側の共通信号線
２０７ 増幅回路
２１０ 半導体基板
２１１ 半導体基板２１０と異なる導電型の低濃度半導体層
２１２ 半導体基板と同じ導電型の半導体層
２１３ ２１０の半導体基板と異なる導電型の高濃度半導体層
２１４ ＦＤ部
２１５ 転送トランジスタのゲート
２１６ 第一層の配線
２１７ 第二層の配線
２１８、２１９、２２０ 絶縁層
２３０ 一般のポテンシャルプロフィール
２３１ ＰＤ部の容量成分を増加するポテンシャルプロフィール

Claims (15)

1. それぞれが、少なくとも２行２列のアレイ状に配置された複数の光電変換部を有する複数の光電変換セルと、前記各光電変換セルの同一の行に含まれる各光電変換部とそれぞれ転送トランジスタを介して接続され、且つ前記同一の行に含まれる前記各光電変換部に共有される複数のフローティングディフュージョン部と、前記複数の転送トランジスタのうちの同一の行に含まれない少なくとも２つと選択的に接続された複数の読み出し配線と、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て出力する複数の画素アンプトランジスタとを備え、前記複数の読み出し配線のうちの１つと接続され、且つ複数の転送トランジスタにより読み出される各光電変換部の電荷は、それぞれ異なるフローティングディフュージョン部に読み出されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記各読み出し配線は、前記複数の光電変換部のうち、同一の列に含まれる光電変換部と接続された転送トランジスタのゲートと接続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。
3. 前記各読み出し配線は、前記複数の光電変換部のうち、隣り合う列に含まれる光電変換部と接続された転送トランジスタのゲートと接続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。
4. 前記各フローティングディフュージョン部及び各画素アンプトランジスタは、前記複数の読み出し配線のうちの１つと接続された転送トランジスタにより読み出される行とは異なる隣りの行と共有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。
5. 前記各画素アンプトランジスタからの信号を外部に出力する信号線と、前記各画素アンプトランジスタと前記信号線との間にそれぞれ設けられ、前記各画素アンプトランジスタと前記信号線との間を選択的に導通する選択トランジスタとをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記各フローティングディフュージョン部及び各画素アンプトランジスタは、行方向及び列方向に隣接する光電変換部同士により共有されていることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記各フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を廃棄するリセットトランジスタをさらに備え、前記リセットトランジスタのドレイン電位は時間的に変化し、前記リセットトランジスタのドレイン電位が第１の電位の場合に前記各フローティングディフュージョン部の電位が第３の電位となることにより前記画素アンプトランジスタが電荷を検出できる期間を持ち、前記リセットトランジスタのドレイン電位が第２の電位の場合に前記各フローティングディフュージョン部の電位が第４の電位となることにより前記各画素アンプトランジスタが電荷の検出を停止する期間を持つことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記各光電変換部は、その行方向又は列方向の間隔が互いに等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記各画素アンプトランジスタからの出力信号を処理する信号処理回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記各光電変換セルは、遮光膜を兼ねる電源配線により区画されていることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記光電変換部は２行２列に配置されており、
    前記転送トランジスタは、前記光電変換セルにおける列方向に隣接する２つの前記光電変換部同士の内側に対向して２個配置され、
    前記フローティングディフュージョン部は、行方向に隣接する第１の光電変換セルと第２の光電変換セルとにおいて、前記第１の光電変換セルにおける第１の行で互いに隣接する２個の前記転送トランジスタの間から前記第２の光電変換セルにおける前記第１の行と隣接する第２の行で互いに隣接する２個の転送トランジスタの間にわたって配置されていることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記読み出し配線は、前記光電変換セル内の行方向に隣接する前記光電変換部同士の間に配置されており、行方向に隣接する光電変換セル同士の間には、前記リセットトランジスタに印加する信号を伝える信号線が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
13. 前記光電変換セル内の同一の行に配置された前記光電変換部と前記転送トランジスタとは、前記フローティングディフュージョン部に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
14. 請求項３に記載された固体撮像装置を駆動する駆動方法であって、前記光電変換セルにおいて、第１の読み出し配線により、同一の行に含まれず且つ互いに隣接する列同士に含まれる前記光電変換部の信号電荷を、該光電変換部と接続された前記フローティングディフュージョン部に転送する第１の工程と、 第２の読み出し配線により、前記複数の光電変換部のうち前記第１の工程において読み出されていない光電変換部の信号電荷を、該光電変換部と接続された前記第１の工程と同一のフローティングディフュージョン部に転送する第２の工程とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
15. 請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えていることを特徴とするカメラ。

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