JP4940540B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、複数の単位構成要素が配列されてなる物理量分布検知の半導体装置に関する。より詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読出可能な、たとえば固体撮像装置などの、物理量分布検知の半導体装置を用いる場合に好適な、信号を読み出して所定目的用の情報を取得する技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device for physical quantity distribution detection in which a plurality of unit components are arranged. More specifically, for example, a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from the outside such as light and radiation are arranged, and the physical quantity distribution converted into an electric signal by the unit components is converted into an electric signal. The present invention relates to a technique for reading out a signal and acquiring information for a predetermined purpose, which is suitable when using a semiconductor device with physical quantity distribution detection such as a solid-state imaging device.
たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波あるいは圧力(接触など)などの物理量変化に対して感応性をする検知部を有する単位構成要素(たとえば画素)をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。 For example, a plurality of unit components (for example, pixels) having a detection unit that is sensitive to changes in physical quantities such as electromagnetic waves or pressure (contact, etc.) input from the outside, such as light and radiation, in a line or matrix form Such physical quantity distribution detecting semiconductor devices are used in various fields.
一例として映像機器の分野では、物理量の一例である光(電磁波の一例)の変化を検知するCCD(Charge Coupled Device )型あるいはMOS(Metal Oxide Semiconductor ;金属酸化膜半導体)やCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor; 相補金属酸化膜半導体)型の撮像素子(撮像デバイス)を用いた固体撮像装置が使われている。 For example, in the field of video equipment, a CCD (Charge Coupled Device) type, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) or CMOS (Complementary Metal-oxide) that detects a change in light (an example of an electromagnetic wave) which is an example of a physical quantity. A solid-state imaging device using a semiconductor (complementary metal oxide semiconductor) type imaging device (imaging device) is used.
また、コンピュータ機器の分野では、指紋に関する情報を圧力に基づく電気的特性の変化や光学的特性の変化に基づき指紋の像を検知する指紋認証装置などが使われている。これらは、単位構成要素(固体撮像装置にあっては画素)によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。 In the field of computer equipment, fingerprint authentication devices that detect fingerprint images based on changes in electrical characteristics based on pressure and changes in optical characteristics are used. These read out, as an electrical signal, a physical quantity distribution converted into an electrical signal by a unit component (a pixel in a solid-state imaging device).
また、固体撮像装置の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子(APS;Active Pixel Sensor /ゲインセルともいわれる)構成の画素を備えた増幅型固体撮像装置がある。たとえば、CMOS型固体撮像装置の多くはそのような構成をなしている。 Further, in some solid-state imaging devices, an amplifying solid-state imaging device (APS; Active Pixel Sensor) that has a driving transistor for amplification in a pixel signal generation unit that generates a pixel signal corresponding to the signal charge generated in the charge generation unit. There is an amplification type solid-state imaging device including a pixel having a configuration (also called a gain cell). For example, many CMOS solid-state imaging devices have such a configuration.
たとえば、特許文献1には、CMOS型固体撮像装置としてのセンサチップ上に、同じCMOS回路製造プロセスを用いて、論理回路やアナログ回路あるいはアナログデジタル変換回路などを形成し、撮像部から読み出した画素信号に対して加える種々の信号処理を、撮像部と同一のセンサチップ上で行なう仕組みのものが提案されている。 For example, in Patent Document 1, a logic circuit, an analog circuit, an analog-digital conversion circuit, or the like is formed on a sensor chip as a CMOS type solid-state imaging device by using the same CMOS circuit manufacturing process, and the pixel read from the imaging unit There has been proposed a mechanism for performing various signal processing applied to a signal on the same sensor chip as the imaging unit.
ところで、増幅型固体撮像装置において画素信号を撮像部から読み出すため、複数の単位画素が配列されている撮像部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を決められたアドレスの順または任意に選択して読み出すようにしている。つまり、増幅型固体撮像装置は、アドレス制御型の固体撮像装置の一例である。 By the way, in order to read out the pixel signal from the imaging unit in the amplification type solid-state imaging device, the address control is performed on the imaging unit in which a plurality of unit pixels are arranged, and the signals from the individual unit pixels are arranged in the order of the determined addresses. Or arbitrarily select and read. That is, the amplification type solid-state imaging device is an example of an address control type solid-state imaging device.
たとえば、単位画素がマトリクス状に配されたX−Yアドレス型固体撮像素子の一種である増幅型固体撮像素子は、画素そのものに増幅機能を持たせるために、MOS構造などの能動素子(MOSトランジスタ)を用いて画素を構成している。すなわち、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷(光電子やホール)を前記能動素子で増幅し、画像情報として読み出す。 For example, an amplification type solid-state imaging device which is a kind of XY address type solid-state imaging device in which unit pixels are arranged in a matrix form an active element (MOS transistor) such as a MOS structure in order to give the pixel itself an amplification function. ) To form a pixel. That is, signal charges (photoelectrons and holes) accumulated in a photodiode which is a photoelectric conversion element are amplified by the active element and read out as image information.
ここで、画素から信号を取り出す回路構成としては様々なものがあるが、典型例としては、フォトダイオードなどの光電変換素子に蓄積された電荷量に応じた電気信号を画素内において電圧値に変換して取り出す。 Here, there are various circuit configurations for extracting a signal from the pixel. As a typical example, an electrical signal corresponding to the amount of charge accumulated in a photoelectric conversion element such as a photodiode is converted into a voltage value in the pixel. And take it out.
その構成例としては、寄生容量を持った拡散層を主要部に持つフローティングディフュージョン(FD;Floating Diffusion)を電荷蓄積部として利用し、単位画素における増幅用トランジスタと負荷MOSトランジスタとでソースフォロアを構成するFDA(Floating Diffusion Amp)構成が知られている(非特許文献1参照)。 As a configuration example, a floating follower (FD) having a diffusion layer having a parasitic capacitance as a main part is used as a charge storage unit, and a source follower is configured by an amplifying transistor and a load MOS transistor in a unit pixel. An FDA (Floating Diffusion Amp) configuration is known (see Non-Patent Document 1).
この場合、フローティングディフュージョンの電位(FD電位)の変化をソースフォロアの出力に当たる出力信号線(たとえば垂直信号線)を介して読み出す。画素からの出力は、この電圧値で得られ、後段のアンプやAD(Analog-Digital)変換器などで処理される。 In this case, a change in the potential (FD potential) of the floating diffusion is read out via an output signal line (for example, a vertical signal line) corresponding to the output of the source follower. The output from the pixel is obtained with this voltage value, and is processed by a subsequent amplifier, an AD (Analog-Digital) converter, or the like.
しかしながら、出力信号線(たとえば垂直信号線)を介して取り出された信号は、フローティングディフュージョンの変換効率や増幅用トランジスタの感度などの信号変換能能力の違いの影響を受ける。また、光学的シェーディングの影響も受ける。以下、これらの影響による問題について説明する。 However, a signal taken out via an output signal line (for example, a vertical signal line) is affected by a difference in signal conversion ability such as floating diffusion conversion efficiency and amplification transistor sensitivity. It is also affected by optical shading. Hereinafter, problems due to these influences will be described.
<FD電位に対する垂直信号線の電位の関係>
図17は、FD電位に対する垂直信号線における電位の関係を説明する図である。フローティングディフュージョンの電位が十分高く、出力電位も高い場合には、負荷MOSトランジスタが飽和領域で動作しているため、一定電流を供給し、FD電位の変化に対し、垂直信号線の電位は線形的に変化する。
<Relationship of vertical signal line potential to FD potential>
FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship of the potential on the vertical signal line with respect to the FD potential. When the potential of the floating diffusion is sufficiently high and the output potential is also high, since the load MOS transistor operates in the saturation region, a constant current is supplied, and the potential of the vertical signal line is linear with respect to the change of the FD potential. To change.
しかしながら、低電源電圧化のためフローティングディフュージョンの電位が下がるようになると、垂直信号線の電位も低下し、負荷MOSトランジスタが線形領域で動作するようになると、供給電流が一定でなくなるため、FD電位に対し、垂直信号線の変化が線形的ではなくなる。 However, when the potential of the floating diffusion decreases due to the lower power supply voltage, the potential of the vertical signal line also decreases, and when the load MOS transistor operates in the linear region, the supply current becomes unstable, so the FD potential On the other hand, the change in the vertical signal line is not linear.
このような線形性のない領域を使用すると、光量に対する出力電圧の変化が一定でないため、画像の階調が正確に出力されないという問題が生じる。電源電圧を上げれば問題が解消されるが、低電源電圧化の要求には応えられなくなる。 When such a non-linear region is used, the change in output voltage with respect to the amount of light is not constant, which causes a problem that the gradation of the image is not output accurately. Increasing the power supply voltage will solve the problem, but it will not be possible to meet the demand for lower power supply voltage.
<画素のFD近傍の断面構造例>
図18は、画素におけるフローティングディフュージョン近傍の断面構造例を示す図である。ここでは、リセットトランジスタ36、フローティングディフュージョン38、および増幅用トランジスタ42部分の断面を示している。
<Example of cross-sectional structure in the vicinity of FD of pixel>
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure near a floating diffusion in a pixel. Here, a cross section of the reset transistor 36, the floating diffusion 38, and the amplifying transistor 42 is shown.
フローティングディフュージョン38は、リセットトランジスタ36のドレインをなす拡散層532bを主要部に持ち、第1層としての層間膜540上(層間膜542内)の金属配線である配線金属膜560bおよび接続孔550b,550cを介して、増幅用トランジスタ42のゲート配線530に接続されている。 The floating diffusion 38 has a diffusion layer 532b that forms the drain of the reset transistor 36 as a main part, and a wiring metal film 560b that is a metal wiring on the interlayer film 540 (in the interlayer film 542) as a first layer and a connection hole 550b, It is connected to the gate wiring 530 of the amplifying transistor 42 via 550c.
ここで、図から分かるように、フローティングディフュージョン38の容量成分は拡散容量や、ゲートとのオーバーラップ容量、あるいは配線容量などから決定される。近年、画素の縮小化により、フローティングディフュージョン38の容量が小さくなる。 Here, as can be seen from the figure, the capacitance component of the floating diffusion 38 is determined from the diffusion capacitance, the overlap capacitance with the gate, or the wiring capacitance. In recent years, the capacity of the floating diffusion 38 is reduced due to the reduction of pixels.
また、フローティングディフュージョン38の変換効率([V/e−]=V/Q)は、Q=CVの関係式から、FD容量Cに反比例する。つまり、フローティングディフュージョン38の容量が小さいほど変換効率は大きくなり、同じ信号電荷量Qに対してより大きな信号電圧が得られる。その結果として、ソースフォロアの非線形領域を使用してしまうようになる。つまり、フローティングディフュージョンの変換効率([V/e−]=V/Q)が大きすぎると、画素からの信号を読み出した際に、ソースフォロアの線形性のない領域を使用してしまう虞れがある。 Further, the conversion efficiency ([V / e −] = V / Q) of the floating diffusion 38 is inversely proportional to the FD capacity C from the relational expression of Q = CV. That is, the conversion efficiency increases as the capacitance of the floating diffusion 38 decreases, and a larger signal voltage can be obtained for the same signal charge amount Q. As a result, the nonlinear region of the source follower is used. That is, if the conversion efficiency ([V / e −] = V / Q) of the floating diffusion is too large, there is a possibility that an area without the linearity of the source follower may be used when reading a signal from the pixel. is there.
同様に、増幅素子の感度もソースフォロアの線形性に影響を与え、感度によっては、線形性のない領域を使用してしまう虞れがある。 Similarly, the sensitivity of the amplifying element also affects the linearity of the source follower, and depending on the sensitivity, there is a possibility of using a region having no linearity.
<シェーディング現象>
図19は、シェーディング現象を説明する図である。通常、撮像素子は、レンズにより集光した光を受光部に受ける。画素アレイの面積が大きくなったり、光学系から撮像面までの距離が小さくなったりすると、図19のように、画素アレイの周辺部に向かうほど画面が暗くなる現象、すなわちシェーディングが見られる。これは、アレイ周辺部の方が光の入射角が急になり、配線層やゲートで光が弾かれ、光電変換素子に入らない光が増えるためで、光学シェーディングといわれ、たとえば、一様に白いものを撮像しても、周辺部が暗く見えるなど、重大な問題点である。
<Shading phenomenon>
FIG. 19 is a diagram for explaining the shading phenomenon. Usually, an image sensor receives light collected by a lens in a light receiving unit. When the area of the pixel array is increased or the distance from the optical system to the imaging surface is decreased, a phenomenon that the screen becomes darker toward the periphery of the pixel array, that is, shading is seen as shown in FIG. This is because the incident angle of light at the periphery of the array becomes steeper, light is bounced by the wiring layer and gate, and light that does not enter the photoelectric conversion element increases. This is called optical shading. Even if a white object is imaged, the peripheral part looks dark.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定可能な仕組みを提案することを第1の目的とする。特に、光電変換素子などの検知部で検知された物理量変化を表わす信号のレベルを、後段に接続される回路の動作レンジに合わせることが可能な仕組みを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is a first object of the invention to propose a mechanism capable of setting signal conversion characteristics of unit components in a linear region. In particular, an object of the present invention is to provide a mechanism capable of matching the level of a signal representing a change in physical quantity detected by a detection unit such as a photoelectric conversion element to the operation range of a circuit connected to a subsequent stage.
また、本発明は、単位構成要素の信号変換能力を場所ごとに設定可能な仕組みを提案することを第2の目的とする。特に、単位構成要素の信号変換能力を場所ごとに調整することで、光学的シェーディングを抑制する仕組みを提供することを目的とする。 Moreover, this invention sets it as the 2nd objective to propose the mechanism which can set the signal conversion capability of a unit component for every place. In particular, an object of the present invention is to provide a mechanism for suppressing optical shading by adjusting the signal conversion capability of a unit component for each location.
本発明に係る第1の半導体装置は、入射された物理量の変化に応じた変化情報を検知する検知部と、検知部で検知した変化情報に基づいて単位信号を生成する単位信号生成部とを単位構成要素内に含み、単位構成要素が所定の順に配された物理量分布検知のための半導体装置であって、単位信号生成部には、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定するための所定の操作が加えられていることを特徴とする。 A first semiconductor device according to the present invention includes a detection unit that detects change information according to a change in an incident physical quantity, and a unit signal generation unit that generates a unit signal based on the change information detected by the detection unit. A semiconductor device for detecting a physical quantity distribution that is included in a unit component and in which the unit components are arranged in a predetermined order, in order to set the signal conversion characteristics of the unit component in a linear region in the unit signal generation unit The predetermined operation is added.
要するに、通常のデバイス設計では行なわないような操作が単位構成要素を構成する各種部材に対して加えられていることで、単位構成要素の信号変換特性が線形領域に設定されているということである。 In short, the operation that is not performed in the normal device design is applied to various members constituting the unit component, so that the signal conversion characteristics of the unit component are set in the linear region. .
また従属項に記載された発明は、本発明に係る第1の半導体装置のさらなる有利な具体例を規定する。 The invention described in the dependent claims defines further advantageous specific examples of the first semiconductor device according to the present invention.
たとえば、所定の操作を実施する対象を単位信号生成部として、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定するための調整電極部材を所定の操作として設けてもよい。 For example, an adjustment electrode member for setting a signal conversion characteristic of a unit component in a linear region may be provided as a predetermined operation, with a target to perform a predetermined operation as a unit signal generation unit.
また、単位信号生成部が、検知部で検知された物理量変化を表わす変化情報としての信号電荷を蓄積する電荷蓄積部を有して構成されている場合、単位構成要素を構成する各種部材に対する所定の操作として、たとえば、電荷蓄積部の容量を調整することで、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定することが実現できる。 In addition, when the unit signal generation unit is configured to include a charge storage unit that stores signal charges as change information representing a change in physical quantity detected by the detection unit, predetermined units for various members constituting the unit component For example, by adjusting the capacitance of the charge storage unit, the signal conversion characteristics of the unit components can be set in the linear region.
こうすることで、電荷蓄積部の変換効率を変え、結果として、たとえば単位信号生成部内の増幅トランジスタと単位信号生成部外の負荷トランジスタとによって構成されるソースフォロワのゲインを変え、これによって、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定することができる。 By doing this, the conversion efficiency of the charge storage unit is changed, and as a result, the gain of the source follower constituted by, for example, the amplification transistor in the unit signal generation unit and the load transistor outside the unit signal generation unit is changed, thereby The signal conversion characteristic of the component can be set in the linear region.
ここで、電荷蓄積部の容量を調整するには、拡散容量やゲートとのオーバーラップ容量あるいは配線容量などの電荷蓄積部の容量形成に寄与する種々の部材に対して所定の操作を加えることで実現できる。 Here, in order to adjust the capacitance of the charge storage unit, a predetermined operation is applied to various members that contribute to the capacitance formation of the charge storage unit, such as diffusion capacitance, overlap capacitance with the gate, or wiring capacitance. realizable.
たとえば、電荷蓄積部への不純物拡散の濃度を異なるようにすることで実現できる。あるいは、容量を調整するための配線を接続してもよい。後者の場合、その配線は、他のノードとの接続役割において無効状態にする、すなわち接続に実質的に寄与しない容量調整電極部材のみで構成してもよい。あるいは、他のノードとの接続の役割を果たすようにする、すなわち、接続に専ら寄与する接続用電極部材と接続に実質的に寄与しない容量調整電極部材との組合せで構成することもできる。この場合、容量調整電極部材を接続用電極部材とは異なる層に形成してもよいし、容量調整電極部材と接続用電極部材とを同一の層に形成してもよい。 For example, this can be realized by making the concentration of impurity diffusion into the charge storage portion different. Alternatively, wiring for adjusting the capacitance may be connected. In the latter case, the wiring may be made in an invalid state in the role of connection with other nodes, that is, may be composed of only the capacitance adjusting electrode member that does not substantially contribute to the connection. Alternatively, it may be configured by a combination of a connection electrode member that contributes exclusively to the connection and a capacitance adjustment electrode member that does not substantially contribute to the connection. In this case, the capacity adjustment electrode member may be formed in a different layer from the connection electrode member, or the capacity adjustment electrode member and the connection electrode member may be formed in the same layer.
また、電荷蓄積部の容量を異なるものとする別法として、それぞれの電荷蓄積部がたとえばフローティングディフュージョンなどのように拡散層を有して構成されているものである場合には、この拡散層の面積が異なるものとする手法を採用することもできる。 Further, as another method of making the charge storage portions have different capacities, when each charge storage portion has a diffusion layer such as a floating diffusion, this diffusion layer It is also possible to adopt a method in which the areas are different.
また、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定するための、単位構成要素を構成する各種部材に対する所定の操作は、たとえば、単位信号生成部が信号増幅用の半導体素子を有して構成されている場合、半導体素子のゲート長やゲート幅を調整することで実現できる。こうすることで、たとえば単位信号生成部内の増幅トランジスタと単位信号生成部外の負荷トランジスタとによって構成されるソースフォロワのゲインを変え、これによって、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定することができる。 In addition, a predetermined operation for various members constituting the unit component for setting the signal conversion characteristics of the unit component in the linear region is configured, for example, by the unit signal generation unit having a semiconductor element for signal amplification. In this case, it can be realized by adjusting the gate length and gate width of the semiconductor element. In this way, for example, the gain of the source follower constituted by the amplification transistor in the unit signal generation unit and the load transistor outside the unit signal generation unit is changed, thereby setting the signal conversion characteristic of the unit component in the linear region. be able to.
また、本発明に係る第2の半導体装置は、入射された物理量の変化に応じた変化情報を検知する検知部と、検知部で検知した変化情報に基づいて単位信号を生成する単位信号生成部とを単位構成要素内に含み、単位構成要素が所定の順に配された物理量分布検知のための半導体装置であって、単位構成要素のそれぞれが、入射される物理量の場所依存性に応じて信号変換能力が調整されていることを特徴とする。 In addition, a second semiconductor device according to the present invention includes a detection unit that detects change information according to a change in incident physical quantity, and a unit signal generation unit that generates a unit signal based on the change information detected by the detection unit. Are included in the unit component, and the unit component is arranged in a predetermined order for detecting a physical quantity distribution, and each unit component has a signal according to the location dependence of the incident physical quantity. The conversion ability is adjusted.
また従属項に記載された発明は、本発明に係る第2の半導体装置のさらなる有利な具体例を規定する。たとえば、信号変換能力を調整する仕組みは、入射される物理量の場所依存性に応じて、単位構成要素を構成する各種部材に対する所定の操作が異なるものとされているものであればよく、上記本発明に係る第1の半導体装置における種々の仕組みをそのまま利用することができる。 The invention described in the dependent claims defines a further advantageous specific example of the second semiconductor device according to the present invention. For example, the mechanism for adjusting the signal conversion capability is not limited as long as the predetermined operations on the various members constituting the unit component are different depending on the location dependence of the incident physical quantity. Various mechanisms in the first semiconductor device according to the invention can be used as they are.
本発明に係る第1の半導体装置によれば、単位信号生成部に、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定するための所定の操作を加えることとした。通常の素子形成とは異なる操作を加えることで、信号変換能力を単位構成要素ごとに設定可能になる。よって、同一の物理量変化であっても、それぞれの単位構成要素から出力される単位信号の大きさを調整することができ、単位構成要素から出力される単位信号の大きさを調整することができる。これによって、信号振幅が後段回路のレンジに合うように、信号変換能力を調整できる。 According to the first semiconductor device of the present invention, the unit signal generator is subjected to a predetermined operation for setting the signal conversion characteristic of the unit component in the linear region. By applying an operation different from normal element formation, the signal conversion capability can be set for each unit component. Therefore, even if the physical quantity change is the same, the unit signal output from each unit component can be adjusted, and the unit signal output from the unit component can be adjusted. . As a result, the signal conversion capability can be adjusted so that the signal amplitude matches the range of the subsequent circuit.
たとえば、電荷蓄積部を備えてなるデバイス構成の場合には、電荷蓄積部に容量調整用の配線を付けることで変換効率を調整でき、この配線の追加により容量を大きくして変換効率を下げることにより、信号振幅を後段回路のレンジに合わせることができる。 For example, in the case of a device configuration that includes a charge storage unit, the conversion efficiency can be adjusted by attaching a capacitance adjustment wiring to the charge storage unit, and the addition of this wiring increases the capacitance and lowers the conversion efficiency. Thus, the signal amplitude can be adjusted to the range of the subsequent circuit.
また、本発明に係る第2の半導体装置によれば、入射される物理量の場所依存性に応じて、単位構成要素のそれぞれの信号変換能力を調整することとした。信号変換能力を入射される物理量の場所依存性に応じて設定可能になるので、光学的シェーディングを抑制することができる。 According to the second semiconductor device of the present invention, the signal conversion capability of each unit component is adjusted according to the location dependence of the incident physical quantity. Since the signal conversion capability can be set according to the location dependence of the incident physical quantity, optical shading can be suppressed.
また、第1および第2の各半導体装置の何れについても、単位構成要素内で信号変換能力を変えることは、信号変換能力(たとえば感度)をアナログ的に補正するものであり、出力される単位信号の階調が損なわれることがない。よって、画素内で信号変換能力をアナログ的に補正することができ、階調が損なわれることなく自然な画像を得ることができる。 Further, in any of the first and second semiconductor devices, changing the signal conversion capability within the unit component is for correcting the signal conversion capability (for example, sensitivity) in an analog manner, and is an output unit. The gradation of the signal is not impaired. Therefore, the signal conversion capability can be corrected in an analog manner within the pixel, and a natural image can be obtained without losing the gradation.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、X−Yアドレス型の固体撮像装置の一例である、CMOS撮像素子をデバイスとして使用した場合を例に説明する。また、CMOS撮像素子は、全ての画素がNMOSよりなるものであるとして説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, a case where a CMOS image sensor, which is an example of an XY address type solid-state imaging device, is used as a device will be described as an example. The CMOS image sensor will be described on the assumption that all pixels are made of NMOS.
ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはMOS型の撮像デバイスに限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置の全てに、後述する実施形態が同様に適用できる。 However, this is merely an example, and the target device is not limited to a MOS imaging device. Embodiments described later are applied to all semiconductor device for physical quantity distribution detection in which a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from the outside such as light and radiation are arranged in a line or matrix. The same applies.
<固体撮像装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係るCMOS固体撮像装置の概略構成図である。この固体撮像装置1は、たとえばカラー画像を撮像し得る電子スチルカメラやFA(Factory Automation)カメラとして適用されるようになっている。
<Configuration of solid-state imaging device>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a CMOS solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 1 is applied as, for example, an electronic still camera or an FA (Factory Automation) camera that can capture a color image.
固体撮像装置1は、入射光量に応じた信号を出力する図示しない検知部としての受光素子を含む単位画素が行および列の正方格子状に配列された(すなわち2次元マトリクス状の)撮像部を有し、各単位画素からの信号出力が電圧信号であって、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理機能部やその他の機能部が垂直列ごとに設けられたカラム型のものである。 The solid-state imaging device 1 includes an imaging unit in which unit pixels including a light receiving element (not shown) that outputs a signal corresponding to the amount of incident light are arranged in a square lattice of rows and columns (that is, a two-dimensional matrix). A signal output from each unit pixel is a voltage signal, and a CDS (Correlated Double Sampling) processing function unit and other function units are provided for each vertical column. .
すなわち、図1に示すように、固体撮像装置1は、複数の単位画素3(単位構成要素の一例)が行および列に(2次元行列状に)多数配列された撮像部(画素部)10、いわゆるエリアセンサと、撮像部10の外側に設けられた駆動制御部7と、各垂直列に配されたカラム信号処理部(図ではカラム回路と記す)22を有するカラム処理部20とを備えている。 That is, as shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 1 includes an imaging unit (pixel unit) 10 in which a plurality of unit pixels 3 (an example of unit constituent elements) are arranged in rows and columns (in a two-dimensional matrix). A so-called area sensor, a drive control unit 7 provided outside the imaging unit 10, and a column processing unit 20 having column signal processing units (indicated as column circuits in the figure) 22 arranged in each vertical column. ing.
駆動制御部7としては、たとえば水平走査部12と垂直走査部14とを備える。また、駆動制御部7の他の構成要素として、水平走査部12、垂直走査部14、あるいはカラム処理部20などの固体撮像装置1の各機能部に所定タイミングの制御パルスを供給する駆動信号操作部(読出アドレス制御装置の一例)16が設けられている。 As the drive control unit 7, for example, a horizontal scanning unit 12 and a vertical scanning unit 14 are provided. Further, as another component of the drive control unit 7, a drive signal operation for supplying a control pulse at a predetermined timing to each functional unit of the solid-state imaging device 1 such as the horizontal scanning unit 12, the vertical scanning unit 14, or the column processing unit 20 is provided. A unit (an example of a read address control device) 16 is provided.
これらの駆動制御部7の各要素は、撮像部10とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子(撮像デバイス)として構成される。 Each element of the drive control unit 7 is integrally formed in a semiconductor region such as single crystal silicon together with the imaging unit 10 using a technique similar to the semiconductor integrated circuit manufacturing technique, and is a solid-state imaging that is an example of a semiconductor system. It is configured as an element (imaging device).
図1では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、撮像部10の各行や各列には、数十から数千の単位画素3が配置される。なお、図示を割愛するが、撮像部10には、各画素に所定のカラーコーディングを持つ色分離フィルタが形成される。また図示を割愛するが、撮像部10の各画素は、フォトダイオードなどの光電変換素子およびトランジスタ回路によって構成されている(後述する図2を参照)。 In FIG. 1, some of the rows and columns are omitted for the sake of simplicity, but in reality, tens to thousands of unit pixels 3 are arranged in each row and each column of the imaging unit 10. . Although illustration is omitted, the imaging unit 10 is formed with a color separation filter having a predetermined color coding for each pixel. Although not shown, each pixel of the imaging unit 10 is configured by a photoelectric conversion element such as a photodiode and a transistor circuit (see FIG. 2 described later).
カラム処理部20と水平走査部12との間の信号経路上には、各垂直信号線18に対してドレイン端子が接続された図示しない負荷MOSトランジスタを含む負荷トランジスタ部が配され(後述する図2を参照)、各負荷MOSトランジスタを駆動制御する負荷制御部(負荷MOSコントローラ)が設けられている。 On the signal path between the column processing unit 20 and the horizontal scanning unit 12, a load transistor unit including a load MOS transistor (not shown) having a drain terminal connected to each vertical signal line 18 is arranged (a diagram to be described later). 2), a load control unit (load MOS controller) for driving and controlling each load MOS transistor is provided.
単位画素3は、垂直列選択のための垂直制御線15を介して垂直走査部14と、垂直信号線18を介してカラム処理部20と、それぞれ接続されている。水平走査部12や垂直走査部14は、たとえばシフトレジスタを有して構成され、駆動信号操作部16から与えられる駆動パルスに応答してシフト動作(走査)を開始するようになっている。垂直制御線15には、単位画素3を駆動するための種々のパルス信号が含まれる。 The unit pixel 3 is connected to a vertical scanning unit 14 via a vertical control line 15 for selecting a vertical column and a column processing unit 20 via a vertical signal line 18. The horizontal scanning unit 12 and the vertical scanning unit 14 are configured to include, for example, a shift register, and start a shift operation (scanning) in response to a drive pulse given from the drive signal operation unit 16. The vertical control line 15 includes various pulse signals for driving the unit pixel 3.
水平走査部12は、水平方向の読出列(水平方向のアドレス)を規定する(カラム処理部20内の個々のカラム信号処理部22を選択する)水平アドレス設定部12aと、水平アドレス設定部12aにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部20の各信号を水平信号線28に導く水平駆動部12bとを有する。水平アドレス設定部12aは、図示を割愛するが、シフトレジスタあるいはデコーダを有して構成されており、カラム信号処理部22からの画素情報を順に選択し、その選択した画素情報を水平信号線28に出力する選択手段としての機能を持つ。 The horizontal scanning unit 12 defines a horizontal readout column (horizontal address) (selects each column signal processing unit 22 in the column processing unit 20), and a horizontal address setting unit 12a. The horizontal drive unit 12b guides each signal of the column processing unit 20 to the horizontal signal line 28 in accordance with the read address defined in FIG. Although not shown, the horizontal address setting unit 12a includes a shift register or a decoder. The horizontal address setting unit 12a sequentially selects the pixel information from the column signal processing unit 22, and uses the selected pixel information as the horizontal signal line 28. It has a function as a selection means to output to
垂直走査部14は、垂直方向の読出行(垂直方向のアドレス)や水平方向の読出列(水平方向のアドレス)を規定する(撮像部10の行を選択する)垂直アドレス設定部14aと、垂直アドレス設定部14aにて規定された読出アドレス上(水平行方向)の単位画素3に対する制御線にパルスを供給して駆動する垂直駆動部14bとを有する。 The vertical scanning unit 14 defines a vertical readout row (vertical address) and a horizontal readout column (horizontal address) (selects a row of the imaging unit 10), and a vertical address setting unit 14a. A vertical drive unit 14b that drives by supplying a pulse to the control line for the unit pixel 3 on the read address (in the horizontal direction) defined by the address setting unit 14a.
垂直アドレス設定部14aは、図示を割愛するが、信号を読み出す行の基本的な制御を行なう垂直シフトレジスタあるいはデコーダの他に、電子シャッタ用の行の制御を行なうシャッタシフトレジスタも有する。電子シャッタ用の駆動時には、垂直アドレス設定部14aは、通常動作時と同様に単位画素3の行選択をするが、通常通りに選択する読出行とでシャッタ行の間隔を調節することにより、光電変換素子への露光時間(蓄積時間)を調節する。 Although not shown in the figure, the vertical address setting unit 14a has a shutter shift register that controls a row for an electronic shutter in addition to a vertical shift register or a decoder that performs basic control of a row from which a signal is read. At the time of driving for the electronic shutter, the vertical address setting unit 14a selects the row of the unit pixel 3 as in the normal operation, but the photoelectric address is adjusted by adjusting the interval of the shutter row with the readout row selected as usual. The exposure time (accumulation time) for the conversion element is adjusted.
垂直シフトレジスタあるいはデコーダは、撮像部10から画素情報を読み出すに当たって各画素を行単位で選択するためのものであり、各行の垂直駆動部14bとともに信号出力行選択手段を構成する。シャッタシフトレジスタは、電子シャッタ動作を行なうに当たって各画素を行単位で選択するためのものであり、各行の垂直駆動部14bとともに電子シャッタ行選択手段を構成する。 The vertical shift register or decoder is for selecting each pixel in units of rows when reading out pixel information from the imaging unit 10, and constitutes a signal output row selection unit together with the vertical drive unit 14b of each row. The shutter shift register is for selecting each pixel in units of rows when performing the electronic shutter operation, and constitutes an electronic shutter row selection means together with the vertical drive unit 14b of each row.
駆動信号操作部16は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータTG(読出アドレス制御装置の一例)の機能ブロックと、端子1aを介して入力クロックCLK0や動作モードなどを指令するデータを受け取り、また端子1bを介して固体撮像装置1の情報を含むデータDATAを出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。また、水平アドレス信号を水平アドレス設定部12aへ、また垂直アドレス信号を垂直アドレス設定部14aへ出力し、各アドレス設定部12a,14aは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。 Although not shown, the drive signal operation unit 16 includes a functional block of a timing generator TG (an example of a read address control device) that supplies a clock necessary for the operation of each unit and a pulse signal of a predetermined timing, and an input clock via a terminal 1a. A communication interface functional block that receives data instructing CLK0, an operation mode, and the like, and that outputs data DATA including information of the solid-state imaging device 1 via the terminal 1b. In addition, the horizontal address signal is output to the horizontal address setting unit 12a and the vertical address signal is output to the vertical address setting unit 14a, and each address setting unit 12a, 14a receives it and selects a corresponding row or column.
なお、駆動信号操作部16は、撮像部10や水平走査部12など、他の機能要素とは独立して、別の半導体集積回路として提供されてもよい。この場合、撮像部10や水平走査部12などから成る撮像デバイスと駆動信号操作部16とにより、半導体システムの一例である撮像装置が構築される。この撮像装置は、周辺の信号処理回路や電源回路なども組み込まれた撮像モジュールとして提供されてもよい。 The drive signal operation unit 16 may be provided as a separate semiconductor integrated circuit independently of other functional elements such as the imaging unit 10 and the horizontal scanning unit 12. In this case, an imaging device which is an example of a semiconductor system is constructed by the imaging device including the imaging unit 10 and the horizontal scanning unit 12 and the drive signal operation unit 16. This imaging device may be provided as an imaging module in which peripheral signal processing circuits, power supply circuits, and the like are also incorporated.
読出回路としてのカラム処理部20は、垂直列ごとにカラム信号処理部22を有して構成されており、1行分の画素の信号を受けて、その信号を処理する。それぞれのカラム信号処理部22は、一例として、信号転送スイッチと蓄積容量とが設けられる。また、カラム処理部20は、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理を利用したノイズ除去手段の機能を備えるようにしてもよく、駆動信号操作部16から与えられるサンプルパルスSHPとサンプルパルスSHDといった2つのサンプルパルスに基づいて、垂直信号線18を介して入力された電圧モードの画素情報に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベル;0レベル)と真の信号レベルとの差分をとる処理を行なうことで、画素ごとの固定ばらつきによる固定パターンノイズ(FPN;Fixed Pattern Noise )やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除く。 The column processing unit 20 as a reading circuit is configured to include a column signal processing unit 22 for each vertical column, and receives signals from pixels for one row and processes the signals. As an example, each column signal processing unit 22 is provided with a signal transfer switch and a storage capacitor. In addition, the column processing unit 20 may have a function of a noise removing means using a CDS (Correlated Double Sampling) process, and the sample pulse SHP and the sample pulse given from the drive signal operation unit 16 may be provided. Based on two sample pulses such as SHD, the difference between the signal level immediately after pixel reset (noise level; 0 level) and the true signal level with respect to voltage mode pixel information input via the vertical signal line 18 By performing the process of removing noise signal components called fixed pattern noise (FPN) and reset noise due to fixed variation for each pixel.
なお、カラム処理部20には、CDS処理機能部の後段に、必要に応じて信号増幅機能を持つAGC(Auto Gain Control) 回路やADC(Analog Digital Converter)回路などをカラム(列)ごとすなわちカラム信号処理部22ごとに設けることも可能である。 The column processing unit 20 includes an AGC (Auto Gain Control) circuit or an ADC (Analog Digital Converter) circuit having a signal amplifying function, if necessary, in the subsequent stage of the CDS processing function unit. It is also possible to provide each signal processing unit 22.
カラム処理部20により処理された画素情報を示す電圧信号は、水平走査部12からの水平選択信号により駆動される図示しない水平選択スイッチを介して所定のタイミングで読み出されて水平信号線28に伝達されて、水平信号線28の後端に接続された出力回路29に入力される。 A voltage signal indicating pixel information processed by the column processing unit 20 is read out at a predetermined timing via a horizontal selection switch (not shown) driven by a horizontal selection signal from the horizontal scanning unit 12 and applied to the horizontal signal line 28. The signal is transmitted and input to the output circuit 29 connected to the rear end of the horizontal signal line 28.
出力回路29は、撮像部10から水平信号線28を通して出力される各画素の信号を適当なゲインで増幅した後、撮像信号S0として図示しない外部回路に出力端子1cを介して供給する。この出力回路29は、たとえば、バッファリングだけする場合もあるし、その前に黒レベル調整、列ばらつき補正、信号増幅、色関係処理などを行なうこともある。 The output circuit 29 amplifies the signal of each pixel output from the imaging unit 10 through the horizontal signal line 28 with an appropriate gain, and then supplies the signal as an imaging signal S0 to an external circuit (not shown) via the output terminal 1c. For example, the output circuit 29 may perform only buffering, or may perform black level adjustment, column variation correction, signal amplification, color-related processing, or the like before that.
つまり、本実施形態のカラム型の固体撮像装置1においては、単位画素3からの出力信号(電圧信号)が、垂直信号線18→カラム処理部20→水平信号線28→出力回路29の順で出力される。その駆動は、1行分の画素出力信号は垂直信号線18を介してパラレルにカラム処理部20に送り、CDS処理後の信号は水平信号線28を介してシリアルに出力するようにする。 That is, in the column-type solid-state imaging device 1 of this embodiment, the output signal (voltage signal) from the unit pixel 3 is in the order of the vertical signal line 18 → the column processing unit 20 → the horizontal signal line 28 → the output circuit 29. Is output. The drive is such that the pixel output signals for one row are sent in parallel to the column processing unit 20 via the vertical signal line 18, and the signal after CDS processing is serially output via the horizontal signal line 28.
なお、垂直列や水平列ごとの駆動が可能である限り、それぞれのパルス信号を単位画素3に対して水平行方向および垂直列方向の何れに配するか、すなわちパルス信号を印加するための駆動クロック線の物理的な配線方法は自由である。 In addition, as long as driving for each vertical column or horizontal column is possible, each pulse signal is arranged in the horizontal direction or the vertical column direction with respect to the unit pixel 3, that is, driving for applying a pulse signal. The physical wiring method of the clock line is free.
外部回路は、撮像部10や駆動制御部7などが同一の半導体領域に一体的に形成された固体撮像素子とは別の基板(プリント基板もしくは半導体基板)上に構成されており、各撮影モードに対応した回路構成が採られるようになっている。撮像部10や駆動制御部7などからなる固体撮像素子(半導体装置や物理情報取得装置の一例)と外部回路とによって、固体撮像装置1が構成されている。駆動制御部7を撮像部10やカラム処理部20と別体にして、撮像部10やカラム処理部20で固体撮像素子(半導体装置の一例)を構成し、この固体撮像素子(半導体装置の一例)と、別体の駆動制御部7とで、固体撮像装置(物理情報取得装置の一例)として構成するようにしてもよい。 The external circuit is configured on a different substrate (printed substrate or semiconductor substrate) from the solid-state imaging device in which the imaging unit 10 and the drive control unit 7 are integrally formed in the same semiconductor region. A circuit configuration corresponding to the above is adopted. A solid-state imaging device 1 is configured by a solid-state imaging device (an example of a semiconductor device or a physical information acquisition device) including an imaging unit 10 and a drive control unit 7 and an external circuit. The drive control unit 7 is separated from the imaging unit 10 and the column processing unit 20, and the imaging unit 10 and the column processing unit 20 constitute a solid-state imaging device (an example of a semiconductor device). The solid-state imaging device (an example of a semiconductor device) ) And a separate drive control unit 7 may be configured as a solid-state imaging device (an example of a physical information acquisition device).
たとえば、外部回路は、出力回路29から出力されたアナログの撮像信号S0をデジタルの撮像データD0に変換するA/D(Analog to Digital )変換部と、A/D変換部によりデジタル化された撮像データD0に基づいてデジタル信号処理を施すデジタル信号処理部(DSP;Digital Signal Processor)とを備える。 For example, the external circuit includes an A / D (Analog to Digital) conversion unit that converts an analog imaging signal S0 output from the output circuit 29 into digital imaging data D0, and an imaging that is digitized by the A / D conversion unit. A digital signal processor (DSP) that performs digital signal processing based on the data D0.
デジタル信号処理部は、たとえば、A/D変換部から出力されるデジタル信号を適当に増幅して出力するデジタルアンプ部の機能を持つ。また、たとえば色分離処理を施してR(赤),G(緑),B(青)の各画像を表す画像データRGBを生成し、この画像データRGBに対してその他の信号処理を施してモニタ出力用の画像データD2を生成する。また、デジタル信号処理部には、記録メディアに撮像データを保存するための信号圧縮処理などを行なう機能部が備えられる。 The digital signal processing unit has a function of a digital amplifier unit that appropriately amplifies and outputs a digital signal output from the A / D conversion unit, for example. Further, for example, color separation processing is performed to generate image data RGB representing each image of R (red), G (green), and B (blue), and other signal processing is performed on the image data RGB for monitoring. Output image data D2 is generated. Further, the digital signal processing unit is provided with a functional unit that performs signal compression processing for storing imaging data in a recording medium.
また外部回路は、デジタル信号処理部にてデジタル処理された画像データD2をアナログの画像信号S1に変換するD/A(Digital to Analog )変換部を備える。D/A変換部から出力された画像信号S1は、液晶モニタなどの表示デバイスに送られる。操作者は、この表示デバイスに表示されるメニューや画像を見ながら、撮像モードを切り替えるなどの各種の操作を行なうことが可能になる。 The external circuit also includes a D / A (Digital to Analog) converter that converts the image data D2 digitally processed by the digital signal processor into an analog image signal S1. The image signal S1 output from the D / A converter is sent to a display device such as a liquid crystal monitor. The operator can perform various operations such as switching the imaging mode while viewing the menu and images displayed on the display device.
なお、上記では、固体撮像素子の後段の信号処理を担当する外部回路を固体撮像素子(チップ)外で行なう例を示したが、図中点線で示すように、チップ内部に、外部回路の全てもしくは一部(たとえばAGC部102やA/D変換部104やデジタルアンプ部など)の機能要素を、チップに内蔵するように構成し、出力端子1dから撮像データD0を出力するように構成してもよい。 In the above description, an example in which the external circuit in charge of the signal processing of the subsequent stage of the solid-state image sensor is performed outside the solid-state image sensor (chip) is shown. Alternatively, some functional elements (for example, the AGC unit 102, the A / D conversion unit 104, the digital amplifier unit, etc.) are configured to be built in the chip, and the imaging data D0 is output from the output terminal 1d. Also good.
このような構成の固体撮像装置1において、水平走査部12や垂直走査部14およびそれらを制御する駆動信号操作部16により、撮像部10の各画素を水平行単位で順に選択し、その選択した1つの水平行分の画素の情報を同時に読み出すタイプのCMOSイメージセンサが構成される。 In the solid-state imaging device 1 having such a configuration, the horizontal scanning unit 12 and the vertical scanning unit 14 and the drive signal operation unit 16 that controls them are sequentially selected for each pixel of the imaging unit 10 in a horizontal unit, and the selection is performed. A CMOS image sensor of a type that simultaneously reads out information of one horizontal parallel pixel is configured.
<第1実施形態>
<単位画素の回路構成例>
図2は、本発明の第1実施形態を説明する図であって、単位画素3の一構成例の回路図である。図示するように、単位画素3は、寄生容量を持った拡散層を主要部に持つフローティングディフュージョン(FDA;Floating Diffusion)を電荷蓄積部として利用する構成を採りつつ、単位画素に4つのトランジスタ(TRansistor)を有する4トランジスタ型画素構成(以下4TR構成という)のものとなっている。
<First Embodiment>
<Circuit configuration example of unit pixel>
FIG. 2 is a diagram for explaining the first embodiment of the present invention, and is a circuit diagram of a configuration example of the unit pixel 3. As shown in the figure, the unit pixel 3 employs a configuration in which a floating diffusion (FDA) having a diffusion layer having a parasitic capacitance as a main part is used as a charge storage unit, and the unit pixel 3 includes four transistors (TRansistor). ) Having a four-transistor pixel configuration (hereinafter referred to as a 4TR configuration).
図示するように、単位画素3は、光を電荷に変換する光電変換機能とともに、その電荷を蓄積する電荷蓄積機能の各機能を兼ね備えた電荷生成部32と、電荷生成部32に対して、電荷転送部(電荷読出部/転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ34、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ36、垂直選択用トランジスタ40、およびフローティングディフュージョン38の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタ42を有する。 As shown in the figure, the unit pixel 3 includes a charge generation unit 32 having both a photoelectric conversion function for converting light into a charge and a charge storage function for storing the charge. Changes in potentials of a read selection transistor 34 as an example of a transfer unit (charge readout unit / transfer gate unit / read gate unit), a reset transistor 36 as an example of a reset gate unit, a vertical selection transistor 40, and a floating diffusion 38 are shown. It has an amplifying transistor 42 having a source follower configuration which is an example of a detecting element to detect.
また、第1実施形態特有の構成として、単位画素3は、電荷生成部32で検知された信号電荷を電圧に変換する役割を持つ増幅用トランジスタ42の入力部には、負荷配線(ダミー配線)39が接続されている。特に第1実施形態においては、この負荷配線39が、他のノードとの回路的な接続の役割を持たず、フローティングディフュージョン38が形成されるリセットトランジスタ36のドレインと増幅用トランジスタ42の入力側を結ぶ配線にぶら下がった状態、つまり他のノードとの接続役割に寄与しない状態(無効状態)となっている。以下、このような状態を、ダミー配線あるいはフローティング配線の形態ともいう。 Further, as a configuration peculiar to the first embodiment, the unit pixel 3 has a load wiring (dummy wiring) in the input portion of the amplifying transistor 42 that serves to convert the signal charge detected by the charge generating portion 32 into a voltage. 39 is connected. Particularly in the first embodiment, the load wiring 39 does not have a role of circuit connection with other nodes, and the drain of the reset transistor 36 in which the floating diffusion 38 is formed and the input side of the amplifying transistor 42 are connected. It is in a state where it is hung on the wiring to be connected, that is, a state that does not contribute to the connection role with other nodes (inactive state). Hereinafter, such a state is also referred to as a dummy wiring or a floating wiring.
単位画素3を構成する増幅用トランジスタ42は各垂直信号線53(図1の垂直信号線18に相当)に接続されており、また垂直信号線53は垂直列ごとに定電流源Inをなす負荷MOSトランジスタ27のドレインに接続され、また各負荷MOSトランジスタ27のゲート端子には、一定バイアスとして、図示しない負荷制御部からの負荷制御信号Loadが共通に入力されており、信号読出し時には、各増幅用トランジスタ42に接続された負荷MOSトランジスタ27によって、予め決められた定電流を流し続けるようになっている。つまり、負荷MOSトランジスタ27は、そのゲートが一定電位でバイアスされ、選択行の増幅用トランジスタ42とソースフォロアを組むことで、垂直信号線53への信号出力をさせる。 The amplifying transistor 42 constituting the unit pixel 3 is connected to each vertical signal line 53 (corresponding to the vertical signal line 18 in FIG. 1), and the vertical signal line 53 is a load that forms a constant current source In for each vertical column. A load control signal Load from a load control unit (not shown) is commonly input as a constant bias to the gate terminals of the load MOS transistors 27 and connected to the drains of the MOS transistors 27. The load MOS transistor 27 connected to the main transistor 42 continues to pass a predetermined constant current. In other words, the load MOS transistor 27 has its gate biased at a constant potential and forms a signal output to the vertical signal line 53 by assembling the source follower with the amplification transistor 42 in the selected row.
横方向配線は同一行の画素について共通となっており、図示しない垂直走査部14の垂直駆動部14bによって駆動制御される。たとえば、垂直駆動部14b内には、転送駆動バッファ150、リセット駆動バッファ152、および選択駆動バッファ154が収容されている。 The horizontal wiring is common to pixels in the same row, and is driven and controlled by a vertical driving unit 14b of the vertical scanning unit 14 (not shown). For example, a transfer drive buffer 150, a reset drive buffer 152, and a selection drive buffer 154 are accommodated in the vertical drive unit 14b.
読出選択用トランジスタ34は、転送配線(読出選択線)55を介して転送駆動バッファ150により駆動されるようになっている。リセットトランジスタ36は、リセット配線56を介してリセット駆動バッファ152により駆動されるようになっている。垂直選択用トランジスタ40は、垂直選択線52を介して選択駆動バッファ154により駆動される。 The read selection transistor 34 is driven by the transfer drive buffer 150 via a transfer wiring (read selection line) 55. The reset transistor 36 is driven by the reset driving buffer 152 via the reset wiring 56. The vertical selection transistor 40 is driven by the selection drive buffer 154 via the vertical selection line 52.
また、単位画素3は、増幅用トランジスタ42や電荷蓄積部の機能を備えた電荷注入部の一例であるフローティングディフュージョン38からなるFDA(Floating Diffusion Amp)構成の画素信号生成部5を有するものとなっている。フローティングディフュージョン38は寄生容量を持った拡散層を主要部に持つ。 The unit pixel 3 includes a pixel signal generation unit 5 having an FDA (Floating Diffusion Amp) configuration including a floating diffusion 38, which is an example of a charge injection unit having functions of an amplification transistor 42 and a charge storage unit. ing. The floating diffusion 38 has a diffusion layer having parasitic capacitance in the main part.
単位信号としての画素信号を生成する単位信号生成部の一例である画素信号生成部5におけるリセットトランジスタ36は、ソースがフローティングディフュージョン38に、ドレインが電源VDDにそれぞれ接続され、ゲート(リセットゲートRG)にはリセットパルスRSTがリセット駆動バッファ152から入力される。 The reset transistor 36 in the pixel signal generation unit 5, which is an example of a unit signal generation unit that generates a pixel signal as a unit signal, has a source connected to the floating diffusion 38, a drain connected to the power supply VDD, and a gate (reset gate RG). The reset pulse RST is input from the reset drive buffer 152.
ここで、この単位画素3は、増幅用トランジスタ42と直列に挿入された選択用トランジスタを含んで画素を選択する4TR構成の画素であるが、増幅用トランジスタ42と垂直選択用トランジスタ40のうち、垂直選択用トランジスタ40の方が垂直信号線53側にあるタイプである。 Here, the unit pixel 3 is a pixel having a 4TR configuration that includes a selection transistor inserted in series with the amplification transistor 42 and selects a pixel. Of the amplification transistor 42 and the vertical selection transistor 40, The vertical selection transistor 40 is on the vertical signal line 53 side.
すなわち、増幅用トランジスタ42は、ドレインが電源VDD(たとえば2.5V)に、ソースが垂直選択用トランジスタ40のドレインにそれぞれ接続され、ゲートがフローティングディフュージョン38に接続されている。垂直選択用トランジスタ40は、ゲート(特に垂直選択ゲートSELVという)が垂直選択線52に接続され、ソースは画素線51を介して垂直信号線53に接続されている。垂直選択線52には、選択駆動バッファ154から垂直選択信号が印加される。 That is, the amplifying transistor 42 has a drain connected to the power supply VDD (for example, 2.5 V), a source connected to the drain of the vertical selection transistor 40, and a gate connected to the floating diffusion 38. The vertical selection transistor 40 has a gate (in particular, a vertical selection gate SELV) connected to the vertical selection line 52 and a source connected to the vertical signal line 53 via the pixel line 51. A vertical selection signal is applied to the vertical selection line 52 from the selection drive buffer 154.
なお、図示を割愛するが、増幅用トランジスタ42と垂直選択用トランジスタ40のうち、増幅用トランジスタ42の方が垂直信号線53側にあるタイプのものとすることもできる。 Although not shown, the amplification transistor 42 may be of the type in which the amplification transistor 42 is on the vertical signal line 53 side of the amplification transistor 42 and the vertical selection transistor 40.
<単位画素の駆動方法>
図3は、図2に示した単位画素3を駆動して画素信号(単位画素3から出力される単位信号)を取得する手法を説明するタイミングチャートである。図2に示した4TR構成では、リセットトランジスタ36は、フローティングディフュージョン38をリセットする。具体的には、フローティングディフュージョンの信号電荷(ここでは電子)を電源配線に捨てることによって、フローティングディフュージョン38をリセットする。
<Driving method of unit pixel>
FIG. 3 is a timing chart for explaining a method of acquiring the pixel signal (unit signal output from the unit pixel 3) by driving the unit pixel 3 shown in FIG. In the 4TR configuration shown in FIG. 2, the reset transistor 36 resets the floating diffusion 38. Specifically, the floating diffusion 38 is reset by discarding the signal charges (here, electrons) of the floating diffusion to the power supply wiring.
読出選択用トランジスタ(転送トランジスタ)34は、電荷生成部32にて生成された信号電荷を、電荷蓄積部の一例であるフローティングディフュージョン38に転送する。 The read selection transistor (transfer transistor) 34 transfers the signal charge generated by the charge generation unit 32 to a floating diffusion 38 which is an example of a charge storage unit.
フローティングディフュージョン38は単位信号生成部の一例である増幅用トランジスタ42のゲートに接続されているので、増幅用トランジスタ42はフローティングディフュージョン38の電位(以下FD電位ともいう)に対応した信号(この例では電圧信号)を、垂直選択用トランジスタ40がオンしているときに、画素線51を介して出力信号線の一例である垂直信号線53に出力する。すなわち、垂直信号線53には多数の画素が接続されているが、画素を選択するのには、選択画素のみ垂直選択用トランジスタ40をオンする。すると選択画素のみが垂直信号線53と接続され、垂直信号線53には選択画素の信号が出力される。 Since the floating diffusion 38 is connected to the gate of the amplifying transistor 42 which is an example of the unit signal generation unit, the amplifying transistor 42 is a signal corresponding to the potential of the floating diffusion 38 (hereinafter also referred to as FD potential) (in this example). Voltage signal) is output to the vertical signal line 53, which is an example of an output signal line, via the pixel line 51 when the vertical selection transistor 40 is on. That is, a large number of pixels are connected to the vertical signal line 53. To select a pixel, the vertical selection transistor 40 is turned on only for the selected pixel. Then, only the selected pixel is connected to the vertical signal line 53, and the signal of the selected pixel is output to the vertical signal line 53.
具体的には、図3のタイミングチャートに示すように、読出パルス(転送ゲートパルス)TRGがアクティブ(本例ではハイレベル)となり、読出選択用トランジスタ34を駆動し、電荷生成部32に入射した光が光電変換されて生成された信号電荷を、蓄積ノードとして機能するフローティングディフュージョン38に移送して読み出す。 Specifically, as shown in the timing chart of FIG. 3, the read pulse (transfer gate pulse) TRG becomes active (high level in this example), drives the read selection transistor 34, and enters the charge generation unit 32. Signal charges generated by photoelectric conversion of light are transferred to a floating diffusion 38 that functions as an accumulation node and read out.
ここで、電荷生成部32に入射した光が光電変換されて生成された信号電荷は、読出選択用トランジスタ34がオンするまで電荷生成部32に蓄積される。 Here, the signal charge generated by photoelectric conversion of the light incident on the charge generation unit 32 is accumulated in the charge generation unit 32 until the read selection transistor 34 is turned on.
水平走査線帰線期間にまず行なわれるのは、垂直選択パルスSELをアクティブ(本例ではハイレベル)にして垂直選択用トランジスタ40をオンさせ(t10)、増幅用トランジスタ42でフローティングディフュージョン38の電荷を検出できるように、読出し行の増幅用トランジスタ42の出力と垂直信号線53とを接続して、垂直信号線53、電流源In(負荷MOSトランジスタ27)、および増幅用トランジスタ42でソースフォロワ回路を構成する。垂直信号線53の電位は、フローティングディフュージョン38の電位変動に追従する。これにより、フローティングディフュージョン38の電荷量に対応する、増幅用トランジスタ42のゲート電位で決まる電位のみが垂直信号線53に伝達される。 First, in the horizontal scanning line blanking period, the vertical selection pulse SEL is activated (high level in this example) to turn on the vertical selection transistor 40 (t10), and the amplification transistor 42 charges the floating diffusion 38. Is connected to the output of the amplifying transistor 42 in the readout row and the vertical signal line 53, and the source signal follower circuit is constituted by the vertical signal line 53, the current source In (load MOS transistor 27), and the amplifying transistor 42. Configure. The potential of the vertical signal line 53 follows the potential fluctuation of the floating diffusion 38. As a result, only the potential determined by the gate potential of the amplifying transistor 42 corresponding to the charge amount of the floating diffusion 38 is transmitted to the vertical signal line 53.
また、水平走査線帰線期間の開始とともに、電荷生成部32に信号電荷Qsig が蓄積された状態で、最初に画素信号生成部5を基準電圧にリセットする、つまりリセットゲートパルスRGをアクティブ(本例ではハイレベル)にして(t11)、リセットトランジスタ36をオンさせることで、フローティングディフュージョン38に蓄積された暗電流積分値を排出させる。これによって、フローティングディフュージョン38は、電源電圧値(Vdd)に設定される。なお、リセットゲートパルスRGをインアクティブ(本例ではローレベル)にすると(t12)、カップリングにより、フローティングディフュージョン38の電位が若干落ちる。 Further, with the start of the horizontal scanning line blanking period, the signal signal Qsig is accumulated in the charge generation unit 32, and the pixel signal generation unit 5 is first reset to the reference voltage, that is, the reset gate pulse RG is activated (main). In the example, the level is set to high level (t11), and the reset transistor 36 is turned on to discharge the dark current integrated value accumulated in the floating diffusion 38. As a result, the floating diffusion 38 is set to the power supply voltage value (Vdd). When the reset gate pulse RG is inactive (low level in this example) (t12), the potential of the floating diffusion 38 slightly drops due to coupling.
このとき、駆動信号操作部16からサンプルパルスSHPが出力されて、カラム処理部20内のCDS機能部をなすシフトトランジスタのゲートに供給され、各シフトトランジスタがオンする。すなわち、駆動信号操作部16からクランプパルスSHDが供給され、カラム処理部20内のCDS機能部をなすクランプトランジスタのゲートに供給されて、各クランプトランジスタがオンし、リセットレベルSrst が検出される(t14)。 At this time, a sample pulse SHP is output from the drive signal operation unit 16 and supplied to the gate of the shift transistor forming the CDS function unit in the column processing unit 20, and each shift transistor is turned on. That is, the clamp pulse SHD is supplied from the drive signal operation unit 16 and supplied to the gate of the clamp transistor forming the CDS function unit in the column processing unit 20, and each clamp transistor is turned on to detect the reset level Srst ( t14).
次に、電荷生成部32についての読出選択用トランジスタ34を駆動して、電荷生成部32から信号電荷Qsig に応じた信号成分Soを読み出す。すなわち、転送ゲートパルスTRGをハイレベルにして(t16)、読出選択用トランジスタ34をオンさせ、電荷生成部32に蓄積されていた信号電荷Qsig をフローティングディフュージョン38に移送する。このフローティングディフュージョン38に移送された信号電荷Qsig の電荷量は、増幅用トランジスタ42によって検出され、その電荷量に応じた電位が発生されて垂直信号線53に伝達される。 Next, the read selection transistor 34 for the charge generation unit 32 is driven to read the signal component So corresponding to the signal charge Qsig from the charge generation unit 32. That is, the transfer gate pulse TRG is set to the high level (t16), the read selection transistor 34 is turned on, and the signal charge Qsig stored in the charge generation unit 32 is transferred to the floating diffusion 38. The amount of signal charge Qsig transferred to the floating diffusion 38 is detected by the amplifying transistor 42, and a potential corresponding to the amount of charge is generated and transmitted to the vertical signal line 53.
この後、駆動信号操作部16からクランプパルスSHDを供給して(t18)、クランプトランジスタをオンさせて、電荷生成部32が検知した信号電荷Qsig に応じた画素信号レベルSsig を検出する。 Thereafter, the clamp pulse SHD is supplied from the drive signal operation unit 16 (t18), the clamp transistor is turned on, and the pixel signal level Ssig corresponding to the signal charge Qsig detected by the charge generation unit 32 is detected.
ここで、カラム処理部20では、リセットレベルSrst と画素信号レベルSsig との差分をとることで、オフセット成分が取り除かれ、真の信号成分Soを検知できる。画素ごとの固定パターンノイズの除去を行なうことができる。 Here, the column processing unit 20 takes the difference between the reset level Srst and the pixel signal level Ssig, thereby removing the offset component and detecting the true signal component So. It is possible to remove fixed pattern noise for each pixel.
信号電荷の転送が終わり、十分時間が経った後は、垂直選択パルスSELをインアクティブ(本例ではローレベル)にする(t20)。 End the transfer of the signal charges, is sufficient time after passed (in this example low) inactive vertical selection pulse SEL to (t20).
<画素の製法およびFD近傍の断面構造例>
図4は、図2に示した単位画素3におけるフローティングディフュージョン近傍の断面構造例を示す図である。図4では、リセットトランジスタ36、フローティングディフュージョン38、および増幅用トランジスタ42部分の断面を示している。
<Pixel manufacturing method and cross-sectional structure example near FD>
FIG. 4 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure near the floating diffusion in the unit pixel 3 shown in FIG. FIG. 4 shows a cross section of the reset transistor 36, the floating diffusion 38, and the amplifying transistor 42.
図2に示した単位画素3の構造の作製に当たっては、n型Si半導体に酸化膜のマスクをリソグラフィ技術によってパターニングする。さらに上から熱拡散技術を用いて III族元素をドーピングする。この場合、ドーピングの深さは時間で制御される。 In manufacturing the structure of the unit pixel 3 shown in FIG. 2, an oxide film mask is patterned on the n-type Si semiconductor by lithography. Further, group III elements are doped from above using thermal diffusion technology. In this case, the doping depth is controlled by time.
たとえば、n型Si半導体基板500に、イオン注入(不純物拡散)を行なうことで、リセットトランジスタ36や増幅用トランジスタ42用の各ソースおよびドレインをなす拡散層(イオン注入領域)532a,532b,532c,532dを形成する。 For example, by performing ion implantation (impurity diffusion) into the n-type Si semiconductor substrate 500, diffusion layers (ion implantation regions) 532a, 532b, 532c, which form the respective sources and drains for the reset transistor 36 and the amplifying transistor 42, 532d is formed.
また、ゲート酸化膜(Gate Ox.)520を絶縁膜として形成した後、リソグラフィおよびドライエッチング技術でリセットトランジスタ36や増幅用トランジスタ42用の各ゲート配線530a,530bのパターニングを行なう。また、STI(Shallow Trench Isolation;シャロートレンチアイソレーション)のトレンチ埋込膜からなる素子分離領域514を作製する。 Further, after forming a gate oxide film (Gate Ox.) 520 as an insulating film, the gate wirings 530a and 530b for the reset transistor 36 and the amplifying transistor 42 are patterned by lithography and dry etching techniques. Also, an element isolation region 514 made of a trench buried film of STI (Shallow Trench Isolation) is formed.
なお、上述した不純物のドーピングおよび熱拡散は、ゲート配線形成前後に、目的に応じて形成させる。その後、酸化シリコン(SiO2)膜などの層間膜540,542および表面の保護膜544を形成する。 The impurity doping and thermal diffusion described above are performed according to the purpose before and after the gate wiring is formed. Thereafter, interlayer films 540 and 542 such as a silicon oxide (SiO 2) film and a protective film 544 on the surface are formed.
また、メタル配線などによる電気的な接続孔550,552および配線金属膜560,562でなるメタル配線を層間膜540,542に形成し、さらにパッシベーション膜すなわち保護膜544を成膜して、半導体LSIを伴ったセンサを形成する。 In addition, a metal wiring composed of electrical connection holes 550 and 552 and wiring metal films 560 and 562 by metal wiring or the like is formed on the interlayer films 540 and 542, and further a passivation film, that is, a protective film 544 is formed, thereby forming a semiconductor LSI. To form a sensor.
ここで、接続孔552および配線金属膜562形成時には、同時に、たとえばポリシリコン(Poly Si)膜などの負荷配線39用の金属配線膜564を形成する。この金属配線膜564は、電荷蓄積部としてのフローティングディフュージョン38における容量を調整するための容量調整電極部材として機能する。 Here, when the connection hole 552 and the wiring metal film 562 are formed, a metal wiring film 564 for the load wiring 39 such as a polysilicon (Poly Si) film is formed at the same time. The metal wiring film 564 functions as a capacitance adjusting electrode member for adjusting the capacitance in the floating diffusion 38 serving as a charge storage portion.
図4に示すように、保護膜542とは異なる層である保護膜544内(層間膜542上)に形成される金属配線膜564は、先ず接続孔552bを介して層間膜542内(層間膜540上)に設けられるリセットトランジスタ36のドレインと増幅用トランジスタ42のゲートとを接続する配線金属膜560bと接続される。 As shown in FIG. 4, the metal wiring film 564 formed in the protective film 544 (on the interlayer film 542), which is a layer different from the protective film 542, is first formed in the interlayer film 542 (interlayer film) via the connection hole 552b. 540) and the wiring metal film 560b connecting the drain of the reset transistor 36 and the gate of the amplifying transistor 42.
一方、配線金属膜560bは、電荷生成部32と画素信号生成部5、特にリセットトランジスタ36のドレインをなす拡散層532bと増幅用トランジスタ42のゲート電極530bとの接続に専ら寄与する電極部材として機能する。この配線金属膜560bは、接続孔550bを介して拡散層532bと、また接続孔550cを介してゲート電極530bと接続される。 On the other hand, the wiring metal film 560 b functions as an electrode member that contributes exclusively to the connection between the charge generation unit 32 and the pixel signal generation unit 5, in particular, the diffusion layer 532 b that forms the drain of the reset transistor 36 and the gate electrode 530 b of the amplification transistor 42. To do. The wiring metal film 560b is connected to the diffusion layer 532b through the connection hole 550b and to the gate electrode 530b through the connection hole 550c.
従来技術の項にて述べた図18に示す構成との相違は、この保護膜544内(層間膜542上)に形成される金属配線膜564にある。 ただし、層間膜542内(層間膜540上)に形成される配線金属膜560bが、接続孔550b,550cと同様に、リセットトランジスタ36のドレインと増幅用トランジスタ42のゲート間、すなわちフローティングディフュージョン38の拡散層と増幅用トランジスタ42のゲート間を接続するものであったのに対し、この金属配線膜564は、ノード間の接続には用いられず、単に増幅用トランジスタ42のゲート側における配線容量を増やすために接続されているものである。 The difference from the configuration shown in FIG. 18 described in the section of the prior art is in the metal wiring film 564 formed in the protective film 544 (on the interlayer film 542). However, the wiring metal film 560b formed in the interlayer film 542 (on the interlayer film 540) is, like the connection holes 550b and 550c, between the drain of the reset transistor 36 and the gate of the amplifying transistor 42, that is, of the floating diffusion 38. The metal wiring film 564 is not used for connection between the nodes, whereas the diffusion layer and the gate of the amplifying transistor 42 are connected to each other. Are connected to increase.
画素が縮小化すると、フローティングディフュージョン38の容量が小さくなり、変換効率が大きくなる傾向となり、ソースフォロアの非線形領域を使用してしまうようになる。この変換効率の問題を避けるには、何らかの方法により、フローティングディフュージョン38の変換効率([V/e−]=V/Q)を、後段の動作レンジに合わせて調節する必要がある。 When the pixels are reduced, the capacity of the floating diffusion 38 is reduced, the conversion efficiency tends to be increased, and the nonlinear region of the source follower is used. In order to avoid this conversion efficiency problem, it is necessary to adjust the conversion efficiency ([V / e −] = V / Q) of the floating diffusion 38 in accordance with the operation range of the subsequent stage by some method.
フローティングディフュージョン38の容量成分は、たとえば、拡散容量や、ゲートとのオーバーラップ容量、あるいは配線容量などから決定されるので、これらの何れかに対して操作を加えることで、容量成分を調整できる。 Since the capacitance component of the floating diffusion 38 is determined, for example, from the diffusion capacitance, the overlap capacitance with the gate, or the wiring capacitance, the capacitance component can be adjusted by applying an operation to any of these.
第1実施形態の構成においては、金属配線膜564も増幅用トランジスタ42のゲートにぶら下がった状態のフローティング配線として接続されているので、フローティングディフュージョン38の容量成分に寄与する。 In the configuration of the first embodiment, the metal wiring film 564 is also connected as a floating wiring hanging from the gate of the amplifying transistor 42, which contributes to the capacitance component of the floating diffusion 38.
フローティングディフュージョン38の変換効率はFD容量に反比例するが、本実施形態の構成では、金属配線膜564を付加したことで、フローティングディフュージョン38の面積が金属配線膜564を利用することで調整できる。これによって、FD容量を大きくすることで、変換効率を小さくすることができる。よって、単位画素3を構成する画素信号生成部5の信号変換特性を線形領域に設定でき、画素信号のレベルを、後段に接続される回路の動作レンジに合わせることができる。 Although the conversion efficiency of the floating diffusion 38 is inversely proportional to the FD capacity, in the configuration of the present embodiment, the area of the floating diffusion 38 can be adjusted by using the metal wiring film 564 by adding the metal wiring film 564. Accordingly, the conversion efficiency can be reduced by increasing the FD capacity. Therefore, the signal conversion characteristics of the pixel signal generation unit 5 constituting the unit pixel 3 can be set in the linear region, and the level of the pixel signal can be matched with the operation range of the circuit connected to the subsequent stage.
すなわち、配線の持つ容量(配線間容量など)は、通常非常に小さいが、フローティングディフュージョン38の容量自体が、数[fF]と非常に小さいオーダーであるため、層間膜542内(層間膜540上)に形成される配線金属膜560bに接続する金属配線膜564の面積(幅や長さ)を変えることにより、たとえば10〜20[%]程度、フローティングディフュージョン38の容量を大きくすることができる。 That is, the capacitance (inter-wiring capacitance, etc.) of the wiring is usually very small, but the capacitance of the floating diffusion 38 itself is on the order of a very small number [fF], so that it is within the interlayer film 542 (on the interlayer film 540). By changing the area (width and length) of the metal wiring film 564 connected to the wiring metal film 560b, the capacity of the floating diffusion 38 can be increased by about 10 to 20%, for example.
これにより、フローティングディフュージョン38部での変換効率([V/e−])を容易に落とすことができ、画素信号の出力範囲をソースフォロアの線形性がある領域内に納めることができる。すなわち、後段の動作レンジに合わせてFD変換効率を調節することができる。 As a result, the conversion efficiency ([V / e−]) in the floating diffusion 38 can be easily reduced, and the output range of the pixel signal can be kept within the region where the source follower is linear. That is, the FD conversion efficiency can be adjusted according to the operation range of the subsequent stage.
また、この仕組みは、増幅用トランジスタ42のゲート側で、フローティングディフュージョン38の容量を変えて変換効率を変えることにより、単位画素3内で感度をアナログ的に補正するものであり、階調が損なわれることなく自然な画像を得ることもできる。 Further, this mechanism is to correct the sensitivity in an analog manner in the unit pixel 3 by changing the conversion efficiency by changing the capacitance of the floating diffusion 38 on the gate side of the amplifying transistor 42, and the gradation is lost. Natural images can also be obtained without being lost.
また、容量調整電極部材として機能する金属配線膜564を、接続用電極部材として機能する配線金属膜560bは異なる層に形成することで、配線金属膜560bやその他の接続配線の伏線に影響を受けることなく(すなわちレイアウト的制限が少ない)、配線金属膜560bの面積を調整でき、後述する第2実施形態の構成よりも容量調整の自由度が高い。 Further, by forming the metal wiring film 564 functioning as a capacitance adjusting electrode member in a different layer from the wiring metal film 560b functioning as a connection electrode member, the metal wiring film 560b is affected by the wiring metal film 560b and other connection wirings. The area of the wiring metal film 560b can be adjusted without any restrictions (that is, there are few layout restrictions), and the degree of freedom of capacitance adjustment is higher than the configuration of the second embodiment described later.
<第2実施形態>
<単位画素の回路構成例>
図5は、本発明の第2実施形態を説明する図であって、単位画素3の一構成例の回路図である。また、図6は、図5に示した単位画素3におけるフローティングディフュージョン近傍の断面構造例を示す図である。
Second Embodiment
<Circuit configuration example of unit pixel>
FIG. 5 is a diagram for explaining the second embodiment of the present invention, and is a circuit diagram of a configuration example of the unit pixel 3. FIG. 6 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure near the floating diffusion in the unit pixel 3 shown in FIG.
この第2実施形態の構成は、負荷配線39が、他のノードとの回路的な接続の役割をも持つようにした点に特徴を有する。すなわち、回路構成上は、図5に示すように、リセットトランジスタ36のドレインと増幅用トランジスタ42のゲートとが直接に接続されているのではなく、負荷配線39の一部(図中の39a部分)を接続配線として利用して接続している。 The configuration of the second embodiment is characterized in that the load wiring 39 also has a role of circuit connection with other nodes. That is, in the circuit configuration, as shown in FIG. 5, the drain of the reset transistor 36 and the gate of the amplifying transistor 42 are not directly connected, but a part of the load wiring 39 (39a portion in the figure). ) Is used as connection wiring.
また、素子の断面構造としては、図6に示すように、保護膜544内(層間膜542上)に形成される金属配線膜564は、先ず接続孔552cを介して層間膜542内(層間膜540上)に設けられる配線金属膜560cと接続され、さらに接続孔550bを介してリセットトランジスタ36のドレインをなす拡散層532bと接続される。また、接続孔552dを介して層間膜542内(層間膜540上)に設けられる配線金属膜560dと接続され、さらに接続孔550cを介して増幅用トランジスタ42のゲート電極530bと接続される。 Further, as shown in FIG. 6, the metal wiring film 564 formed in the protective film 544 (on the interlayer film 542) is first formed in the interlayer film 542 (interlayer film) via the connection hole 552c. 540) and a diffusion metal layer 532b that forms the drain of the reset transistor 36 through a connection hole 550b. Further, the wiring metal film 560d provided in the interlayer film 542 (on the interlayer film 540) is connected through the connection hole 552d, and further connected to the gate electrode 530b of the amplifying transistor 42 through the connection hole 550c.
このような第2実施形態の構成においては、金属配線膜564の一部(図中の564aの部分)は、ノード間の接続に利用されるが、他の一部(図中の564b,564cの部分)は、増幅用トランジスタ42のゲート側における配線容量を増やすために設けられているものである。 In such a configuration of the second embodiment, a part of the metal wiring film 564 (portion 564a in the figure) is used for connection between the nodes, but the other part (564b, 564c in the figure). (2) is provided in order to increase the wiring capacitance on the gate side of the amplifying transistor 42.
このように、金属配線膜564を、電荷生成部32と画素信号生成部5との接続に専ら寄与する電極部材としての金属配線膜564aと、その接続に実質的に寄与しない容量調整電極部材としての金属配線膜564b,564cとで、同一の層内に構成することで、リセットトランジスタ36のドレインと増幅用トランジスタ42のゲートを層間膜542内(層間膜540上)だけで直接に接続できない場合に、第1実施形態と同様の効果を享受できるようになる。 As described above, the metal wiring film 564 is used as the metal wiring film 564a as an electrode member that contributes exclusively to the connection between the charge generation unit 32 and the pixel signal generation unit 5, and as a capacitance adjustment electrode member that does not substantially contribute to the connection. When the metal wiring films 564b and 564c are configured in the same layer, the drain of the reset transistor 36 and the gate of the amplifying transistor 42 cannot be directly connected only in the interlayer film 542 (on the interlayer film 540). In addition, the same effect as in the first embodiment can be enjoyed.
よって、第1実施形態の構成と同様に、金属配線膜564を付加したことで、FD容量を大きくすることで変換効率を小さくすることができ、画素信号の出力範囲をソースフォロアの線形性がある領域内に納める、すなわち、後段の動作レンジに合わせてFD変換効率を調節することができる。 Therefore, similarly to the configuration of the first embodiment, by adding the metal wiring film 564, the conversion efficiency can be reduced by increasing the FD capacitance, and the output range of the pixel signal can be reduced by the linearity of the source follower. The FD conversion efficiency can be adjusted within a certain area, that is, in accordance with the operation range of the subsequent stage.
なお、第1および第2実施形態においては、フローティングディフュージョン38の面積を調整するに際して、フローティングディフュージョン38に寄与する配線の電極面積を調整する一例を示したが、その他の手法によって、電極面積を調整することもできる。たとえば、層間膜542内に設けた配線金属膜560bの長さを調整することでも実現できる。 In the first and second embodiments, an example of adjusting the electrode area of the wiring contributing to the floating diffusion 38 when adjusting the area of the floating diffusion 38 has been described. However, the electrode area is adjusted by other methods. You can also For example, this can also be realized by adjusting the length of the wiring metal film 560b provided in the interlayer film 542.
配線長の調整は、配線ルートの調整(たとえば直線状やジグザグ状と、その形状の違い)で実現できる。あるいは、層間膜542内に設けた配線金属膜560bの幅を調整することでも実現できる。もちろん、配線長と配線幅の双方を調整することで、フローティングディフュージョン38の面積を調整することもできる。配線長と配線幅の少なくとも一方を調整すればよく、何れを対象として調整するかは、デバイスの構成のし易さから決めるのがよい。 The adjustment of the wiring length can be realized by adjusting the wiring route (for example, a linear shape or a zigzag shape and a difference in the shape). Alternatively, it can be realized by adjusting the width of the wiring metal film 560b provided in the interlayer film 542. Of course, the area of the floating diffusion 38 can be adjusted by adjusting both the wiring length and the wiring width. It suffices to adjust at least one of the wiring length and the wiring width, and which one is to be adjusted is preferably determined from the ease of device configuration.
なお、配線幅を調整する手法の場合、一見すると、配線金属膜560bは、接続用電極部材のみで構成されていると思われるが、最短ルートで電気信号が伝達されると考えれば、接続点間を結ぶ中央線上の部分(たとえばデバイス形成における最少線幅相当部分)が検知部と単位信号生成部との接続に専ら寄与する接続用電極部材として機能し、その周辺部分が接続に実質的に寄与しない容量調整電極部材として機能すると考えてよい。 In the case of the method of adjusting the wiring width, at first glance, the wiring metal film 560b seems to be composed of only the connection electrode member, but if it is considered that the electrical signal is transmitted through the shortest route, the connection point The portion on the center line connecting the two (for example, the portion corresponding to the minimum line width in the device formation) functions as a connection electrode member that contributes exclusively to the connection between the detection unit and the unit signal generation unit, and its peripheral part substantially contributes to the connection. It may be considered that it functions as a capacitance adjusting electrode member that does not contribute.
また、フローティングディフュージョン38に寄与する配線の電極面積を調整する手法に代えて、フローティングディフュージョン38の形成に寄与する主要部である拡散層532bの面積を調整することでも、FD容量を調整し変換効率を調整することで、信号変換特性を線形領域に設定することができる。この手法は、新たな電極(金属配線膜564)の形成が不要であり、FD容量を変えて変換効率を調整する手法として容易な方法であると考えられる。 Further, instead of the method of adjusting the electrode area of the wiring that contributes to the floating diffusion 38, the FD capacitance can be adjusted and the conversion efficiency can be adjusted by adjusting the area of the diffusion layer 532b that is the main part contributing to the formation of the floating diffusion 38. By adjusting the signal conversion characteristic, the signal conversion characteristic can be set in the linear region. This method does not require the formation of a new electrode (metal wiring film 564), and is considered to be an easy method for adjusting the conversion efficiency by changing the FD capacitance.
<FD配線のレイアウト手法>
図7〜図10は、FD容量を変えて変換効率を調整するに際して、フローティングディフュージョン38の容量形成に寄与する電極部材の配線形態を調整する手法を説明する図である。ここで、図7は、比較例としてのFD配線の通常のレイアウト例を示す図であり、図8〜図10は、上記第1および第2実施形態に用いて好適なFD配線のレイアウト手法を示す図である。
<FD wiring layout method>
7 to 10 are diagrams for explaining a method of adjusting the wiring configuration of the electrode member that contributes to the capacitance formation of the floating diffusion 38 when adjusting the conversion efficiency by changing the FD capacitance. Here, FIG. 7 is a diagram showing a normal layout example of the FD wiring as a comparative example, and FIGS. 8 to 10 show a layout method of the FD wiring suitable for the first and second embodiments. FIG.
通常の配線形態においては、図7に示すように、光を電荷に変換する光電変換機能や電荷蓄積機能を備えた電荷生成部32(光電変換領域)や、読出選択用トランジスタ34、リセットトランジスタ36、垂直選択用トランジスタ40、あるいは増幅用トランジスタ42(転送ゲート)をなす活性化領域(たとえば32a,38a)が設けられている。 In a normal wiring configuration, as shown in FIG. 7, a charge generation unit 32 (photoelectric conversion region) having a photoelectric conversion function for converting light into charges and a charge storage function, a read selection transistor 34, and a reset transistor 36. An activation region (for example, 32a, 38a) that forms the vertical selection transistor 40 or the amplification transistor 42 (transfer gate) is provided.
そして、読出選択用トランジスタ34、リセットトランジスタ36、垂直選択用トランジスタ40、および増幅用トランジスタ42(転送ゲート)をなす各性化領域上にポリシリコンなどで各ゲート配線(転送ゲート34G,リセットゲート36G,選択ゲート40G,増幅ゲート42G)がパターニングされている。また、選択ゲート40Gの後段(図中右側)には、電荷生成部32の一辺に沿って画素信号を出力するための垂直信号線53をなす金属配線53Mがパターニングされている。各ゲート用の電極は、コンタクトを介して下層との電気的な接続が取られるようになっている。 Then, each gate wiring (transfer gate 34G, reset gate 36G) is made of polysilicon or the like on the individualized regions forming the read selection transistor 34, the reset transistor 36, the vertical selection transistor 40, and the amplification transistor 42 (transfer gate). , The selection gate 40G and the amplification gate 42G) are patterned. Further, a metal wiring 53M that forms a vertical signal line 53 for outputting a pixel signal along one side of the charge generation unit 32 is patterned at a subsequent stage (right side in the drawing) of the selection gate 40G. Each gate electrode is electrically connected to the lower layer through a contact.
ここで、フローティングディフュージョン(FD)38を形成する活性化領域38aは、所定の配線層にて、金属配線(FD配線38FD)を介して増幅ゲート203と接続されている。通常、FD配線38FDは、プロセス的に限定される最小線幅を使用する。また、周辺部材との関係を考慮しつつ、できるだけ短いルートで接続するようにレイアウトする。このようなレイアウト形態を、“実質的な最短ルートを形成するレイアウト”と称する。図7に示すレイアウト例では、3つの直線を直角に結んで接続するようにしている。 Here, the activation region 38a that forms the floating diffusion (FD) 38 is connected to the amplification gate 203 via a metal wiring (FD wiring 38FD) in a predetermined wiring layer. Usually, the FD wiring 38FD uses a minimum line width limited in terms of process. In addition, the layout is made so as to connect with the shortest possible route while considering the relationship with the peripheral members. Such a layout form is referred to as a “layout that forms a substantially shortest route”. In the layout example shown in FIG. 7, three straight lines are connected at right angles.
一方、上記第1および第2実施形態を実現するに当たってのFD配線38FDのレイアウト手法としては、たとえば図8に示す第1例のように、FD配線38FDを通常のレイアウト(すなわち“実質的な最短ルートを形成するレイアウト”)とは異なる伏線形態(パターニング)でレイアウトする手法を採ることで、信号変換特性が線形領域に収まるように、配線長や配線幅(つまり電極面積)を調整してFD部の容量を調整することができる。 On the other hand, as a layout method of the FD wiring 38FD for realizing the first and second embodiments, for example, as in the first example shown in FIG. By adopting a method of laying out in a hidden line form (patterning) different from the layout “forming the route”), the wiring length and the wiring width (that is, the electrode area) are adjusted so that the signal conversion characteristics fall within the linear region. The capacity of the part can be adjusted.
図8に示すパターニングの例では、直角部分を斜め配線で接続する、すなわち通常とは異なる曲げ方に変更してパターニングしているので、図7に示した通常のレイアウトよりも配線長は短くなるから、図7に示した通常のレイアウトよりも余分な容量を付けるには、斜め配線部分の電極幅を、最少線幅でパターニングされている直角配線部分よりも広く(太く)すればよい。 In the patterning example shown in FIG. 8, the right-angle portions are connected by oblique wiring, that is, the patterning is performed by changing to a bending method different from the normal one, so the wiring length is shorter than the normal layout shown in FIG. Therefore, in order to provide an extra capacity than the normal layout shown in FIG. 7, the electrode width of the diagonal wiring portion may be made wider (thicker) than the right-angle wiring portion patterned with the minimum line width.
また、図9に示す第2例のように、ノード間(本例ではフローティングディフュージョン(FD)38を形成する活性化領域38aと増幅ゲート203の間)の接続役割をなす通常のFD配線38FD以外に、FD配線38FDが形成されている層と同一の配線層内にて、余分な金属配線(付加配線38ad)をFD配線38FDに接続する手法を採用しても、信号変換特性が線形領域に収まるように、FD部の電極面積を調整してFD部の容量を調整することができる。 Further, as in the second example shown in FIG. 9, other than the normal FD wiring 38FD that plays a role of connection between nodes (in this example, between the activation region 38a forming the floating diffusion (FD) 38 and the amplification gate 203). Even if a technique of connecting an extra metal wiring (additional wiring 38ad) to the FD wiring 38FD in the same wiring layer as the layer where the FD wiring 38FD is formed, the signal conversion characteristics are in the linear region. The capacitance of the FD portion can be adjusted by adjusting the electrode area of the FD portion so as to be accommodated.
この手法は、図6において、ノード間の接続に利用される金属配線膜564aの部分以外に、金属配線膜564b,564cを付加配線として設ける手法と同じ考え方である。この付加配線は、通常の最小線幅とは異なる線幅を用いてパターニングする(実際には最小線幅よりも太くする)ことができる。 This method is the same as the method of providing metal wiring films 564b and 564c as additional wirings in addition to the metal wiring film 564a used for connection between nodes in FIG. This additional wiring can be patterned using a line width different from the normal minimum line width (actually thicker than the minimum line width).
あるいは、図10に示す第3例のように、全体としては図7に示したと同様の通常の配線ルートではある、すなわち全体的には他のノードとの接続役割をなす電極部材として構成しているが、FD配線38FDの一部あるいは全部(つまり少なくとも一部)の配線を、通常の最小線幅とは異なる線幅を用いてパターニングする(実際には最小線幅よりも太くする)手法を採用しても、信号変換特性が線形領域に収まるように、FD部の電極面積を調整してFD部の容量を調整することができる。 Alternatively, as in the third example shown in FIG. 10, the whole is a normal wiring route similar to that shown in FIG. 7, that is, it is configured as an electrode member that plays a role of connecting to other nodes as a whole. However, a method of patterning a part or all (that is, at least a part) of the FD wiring 38FD using a line width different from the normal minimum line width (actually making it thicker than the minimum line width). Even if it is adopted, the capacitance of the FD part can be adjusted by adjusting the electrode area of the FD part so that the signal conversion characteristics fall within the linear region.
<第3実施形態>
図11は、本発明の第3実施形態を説明する図であって、ソースフォロワ回路(A)と、その小信号等価回路(B)を示す図である。なお、この図11では、垂直選択用トランジスタ40を省略して示している。
<Third Embodiment>
FIG. 11 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention, showing a source follower circuit (A) and a small signal equivalent circuit (B) thereof. In FIG. 11, the vertical selection transistor 40 is omitted.
この第3実施形態は、単位画素3内の増幅用トランジスタ42のゲート長を変えることによって、増幅用トランジスタ42と負荷MOSトランジスタ27によって構成されるソースフォロワのゲインGainを変化させて、感度を画素内でアナログ的に補正するようにした点に特徴を有する。 In the third embodiment, by changing the gate length of the amplifying transistor 42 in the unit pixel 3, the gain Gain of the source follower constituted by the amplifying transistor 42 and the load MOS transistor 27 is changed, and the sensitivity is changed to the pixel. It is characterized in that it is corrected in an analog manner.
増幅用トランジスタ42の相互コンダクタンスをgm 、ドレインコンダクタンスをgd 、負荷MOSトランジスタ27のドレインコンダクタンスをgdLとすると、ソースフォロワのゲインGainは式(1)で表される。式(1)から、増幅用トランジスタ42の相互コンダクタンスgm が大きいほどゲインGainは大きくなることが分かる。 When the mutual conductance of the amplifying transistor 42 is gm, the drain conductance is gd, and the drain conductance of the load MOS transistor 27 is gdL, the gain Gain of the source follower is expressed by Expression (1). From the equation (1), it can be seen that the gain Gain increases as the mutual conductance gm of the amplifying transistor 42 increases.
ここで、相互コンダクタンスgm は、式(2)に示すように、増幅用トランジスタ42のゲート幅Wとゲート長Lの比(W/L)に比例する。このため、増幅用トランジスタ42のゲート長Lが短いほど、相互コンダクタンスgm は大きくなり、ソースフォロワのゲインGainも大きくなる。 Here, the mutual conductance gm is proportional to the ratio (W / L) of the gate width W and the gate length L of the amplifying transistor 42 as shown in the equation (2). For this reason, as the gate length L of the amplifying transistor 42 is shorter, the mutual conductance gm is increased and the gain Gain of the source follower is also increased.
すなわち、増幅用トランジスタ42のゲート長Lを波長に応じて変えることによって、波長ごとにソースフォロワのゲインGainを変える、つまり、波長に応じて光量変化に対する信号変換能力が異なるように調整することができる。 That is, by changing the gate length L of the amplifying transistor 42 in accordance with the wavelength, the gain Gain of the source follower is changed for each wavelength, that is, the signal conversion capability with respect to the light amount change can be adjusted depending on the wavelength. it can.
固体撮像装置1において、一般的に、すべての画素で感度が一定ということはなく、光電変換素子の波長依存性や、カラーフィルタの特性の違いによって、画素ごとに感度が異なる。このことにより、単位画素3からの信号を読み出した際に、ソースフォロアの線形性のない領域を使用してしまう虞れがある。 In the solid-state imaging device 1, in general, the sensitivity is not constant for all pixels, and the sensitivity differs for each pixel depending on the wavelength dependency of the photoelectric conversion element and the difference in the characteristics of the color filter. As a result, when a signal from the unit pixel 3 is read, there is a possibility that a region without the linearity of the source follower may be used.
しかしながら、上述したように増幅用トランジスタ42のゲート長Lを変えることによって、増幅用トランジスタ42の感度を調整することができる。全ての画素で、ソースフォロアの線形性のない領域を使用しないようにすることができる。 However, the sensitivity of the amplifying transistor 42 can be adjusted by changing the gate length L of the amplifying transistor 42 as described above. It is possible to avoid using a non-linear region of the source follower for all pixels.
また、この仕組みは、増幅用トランジスタ42のゲート側で、ゲート長Lを変えることにより、単位画素3内で感度をアナログ的に補正するものであり、階調が損なわれることなく自然な画像を得ることもできる。 Further, this mechanism corrects the sensitivity in an analog manner in the unit pixel 3 by changing the gate length L on the gate side of the amplifying transistor 42, so that a natural image can be obtained without impairing the gradation. It can also be obtained.
なお、ここでは、ゲート長Lを変えることによって、感度を補正する仕組みを説明したが、式(2)から分かるように、増幅用トランジスタ42のゲート幅Wを調整することでソースフォロワのゲインGainを変えることができ、たとえばゲート幅Wが広いほど、相互コンダクタンスgm は大きくなり、ソースフォロワのゲインGainも大きくなる。 Here, the mechanism for correcting the sensitivity by changing the gate length L has been described. However, as can be seen from the equation (2), the gain Gain of the source follower is adjusted by adjusting the gate width W of the amplifying transistor 42. For example, as the gate width W increases, the mutual conductance gm increases and the gain Gain of the source follower also increases.
もちろん、ゲート長Lとゲート幅Wの双方を調整することで、ソースフォロワのゲインGainを変えることもできる。ゲート長Lとゲート幅Wの少なくとも一方を調整すればよく、何れを対象として調整するかは、デバイスの構成のし易さから決めるのがよい。たとえば、デバイス設計に当たっては、ゲート幅Wを変えると他の部分のレイアウトも変更する必要が生じるケースがある。このような場合には、ゲート長Lの変更で対処するのが好ましい。 Of course, the gain Gain of the source follower can be changed by adjusting both the gate length L and the gate width W. It suffices to adjust at least one of the gate length L and the gate width W, and which one is to be adjusted is preferably determined from the ease of device configuration. For example, in the device design, when the gate width W is changed, the layout of other portions may need to be changed. Such a case is preferably dealt with by changing the gate length L.
<第4実施形態>
図12は、本発明の第4実施形態を説明する図であって、図2に示した単位画素3におけるフローティングディフュージョン近傍の断面構造例を示す図である。図12では、リセットトランジスタ36、フローティングディフュージョン38、および増幅用トランジスタ42部分の断面を示している。
<Fourth embodiment>
FIG. 12 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention, and is a diagram showing an example of a cross-sectional structure near the floating diffusion in the unit pixel 3 shown in FIG. FIG. 12 shows a cross section of the reset transistor 36, the floating diffusion 38, and the amplifying transistor 42.
この第4実施形態は、FD容量を調整することでFD変換効率を変化させる構成を利用する点で第1あるいは第2実施形態と同様であるが、その調整手法に違いがある。具体的には、フローティングディフュージョン38の面積を金属配線膜564を利用して調整するのではなく、フローティングディフュージョン38の不純物濃度を変えることで、実現する点に特徴を有する。 The fourth embodiment is similar to the first or second embodiment in that a configuration that changes the FD conversion efficiency by adjusting the FD capacity is used, but there is a difference in the adjustment method. Specifically, it is characterized in that it is realized by changing the impurity concentration of the floating diffusion 38 instead of adjusting the area of the floating diffusion 38 using the metal wiring film 564.
図12に示した単位画素3におけるフローティングディフュージョン38近傍の断面構造から分かるように、フローティングディフュージョン38の容量成分は、拡散容量、ゲートとのオーバーラップ容量、配線容量などから決定される。フォトダイオードなどの光電変換素子に蓄積された信号電荷Qが転送ゲートである読出選択用トランジスタ34によってフローティングディフュージョン38に転送されると、その信号電荷Qに応じた信号電圧Vに変換され、増幅用トランジスタ42のゲートに入力され、負荷MOSトランジスタ27とのソースフォロワ回路によって出力される。 As can be seen from the cross-sectional structure near the floating diffusion 38 in the unit pixel 3 shown in FIG. 12, the capacitance component of the floating diffusion 38 is determined from the diffusion capacitance, the overlap capacitance with the gate, the wiring capacitance, and the like. When the signal charge Q accumulated in a photoelectric conversion element such as a photodiode is transferred to the floating diffusion 38 by the read selection transistor 34 which is a transfer gate, it is converted into a signal voltage V corresponding to the signal charge Q and is used for amplification. The signal is input to the gate of the transistor 42 and output from the source follower circuit with the load MOS transistor 27.
フローティングディフュージョン38における変換効率(V/Q)は、Q=CVの関係式からフローティングディフュージョン38の容量Cに反比例する。つまりフローティングディフュージョン38の容量Cが小さいほど変換効率は大きくなり、同じ信号電荷量に対してより大きな信号電圧が得られる。 The conversion efficiency (V / Q) in the floating diffusion 38 is inversely proportional to the capacitance C of the floating diffusion 38 from the relational expression Q = CV. That is, the smaller the capacitance C of the floating diffusion 38, the higher the conversion efficiency, and a larger signal voltage can be obtained for the same signal charge amount.
フローティングディフュージョン38の容量Cによって変換効率を変えることができるので、画素ごとにフローティングディフュージョン38の不純物濃度を調整することによって、画素ごとの感度を補正することができる。 Since the conversion efficiency can be changed by the capacitance C of the floating diffusion 38, the sensitivity for each pixel can be corrected by adjusting the impurity concentration of the floating diffusion 38 for each pixel.
よって、図12に示すように、フローティングディフュージョン38を構成する構成部材(特に拡散層532b)について、不純物の拡散濃度を、画素ごとに調整してFD容量を大きくすることで、第1あるいは第2実施形態の構成と同様にFD変換効率を小さくすることができ、画素信号の出力範囲をソースフォロアの線形性がある領域内に納める、すなわち、後段の動作レンジに合わせてFD変換効率を調節することができる。 Therefore, as shown in FIG. 12, with respect to the constituent members (particularly, the diffusion layer 532b) constituting the floating diffusion 38, the diffusion density of impurities is adjusted for each pixel to increase the FD capacitance, so that the first or second As in the configuration of the embodiment, the FD conversion efficiency can be reduced, and the output range of the pixel signal is set within the region where the source follower is linear, that is, the FD conversion efficiency is adjusted according to the operation range of the subsequent stage. be able to.
また、この仕組みも、増幅用トランジスタ42のゲート側で、フローティングディフュージョン38の容量を変えて変換効率を変えることにより、単位画素3内で感度をアナログ的に補正するものであり、階調が損なわれることなく自然な画像を得ることもできる。 This mechanism also corrects the sensitivity in an analog manner within the unit pixel 3 by changing the conversion efficiency by changing the capacitance of the floating diffusion 38 on the gate side of the amplifying transistor 42, and the gradation is lost. Natural images can also be obtained without being lost.
<第5実施形態>
図13および図14は、本発明の第5実施形態を説明する、センサ入射光量に対する出力の様子を示す図である。ここで図13は、撮像部10における中央部と周辺部(隅画素)の光量に対する出力の様子を説明する図である。また、図14は、第5実施形態を適用した後における撮像部10における中央部と周辺部(隅画素)の光量に対する出力の様子を説明する図である。
<Fifth Embodiment>
FIGS. 13 and 14 are diagrams illustrating an output state with respect to a sensor incident light amount, for explaining a fifth embodiment of the present invention. Here, FIG. 13 is a diagram for explaining an output state with respect to the light amount of the central portion and the peripheral portion (corner pixel) in the imaging unit 10. FIG. 14 is a diagram for explaining an output state with respect to the light amount of the central portion and the peripheral portion (corner pixel) in the imaging unit 10 after the fifth embodiment is applied.
この第5実施形態は、第1〜第4実施形態で説明した構成を利用することで、単位構成要素である単位画素3の信号変換能力を、撮像エリア内の画素位置(すなわち場所)ごとに調整・設定し、これによって、入射される物理量の場所依存性に応じて信号変換能力を調整するようにした点に特徴を有する。 In the fifth embodiment, by using the configuration described in the first to fourth embodiments, the signal conversion capability of the unit pixel 3 that is a unit component is set for each pixel position (that is, place) in the imaging area. It is characterized in that the signal conversion capability is adjusted according to the location dependency of the incident physical quantity by adjusting and setting.
具体的事例として、ここでは、第1あるいは第2実施形態で説明した、FD容量を調整する構成を利用して、物理量の場所依存性の一例である光学的シェーディングを抑えるようにする。すなわち、従来技術の項で述べた、画素部中央から周辺部に遠ざかっていくに従って感度が下がっていく光学シェーディングに対し、第1あるいは第2実施形態で説明したフローティングディフュージョン38の拡散層に接続する第2の金属配線としての金属配線膜564の面積を光学シェーディングに応じて調整してFD変換効率を画素位置ごとに変えることにより、撮像エリア(撮像部10)全体の感度を揃え、これにより、光学シェーディングを抑えるようにする。 As a specific example, here, the configuration for adjusting the FD capacity described in the first or second embodiment is used to suppress optical shading, which is an example of the location dependence of a physical quantity. That is, for the optical shading described in the section of the prior art in which the sensitivity decreases as the distance from the center of the pixel portion increases toward the peripheral portion, the optical shading is connected to the diffusion layer of the floating diffusion 38 described in the first or second embodiment. By adjusting the area of the metal wiring film 564 as the second metal wiring according to the optical shading and changing the FD conversion efficiency for each pixel position, the sensitivity of the entire imaging area (imaging unit 10) is made uniform, Try to suppress optical shading.
たとえば、図13に示すように、中央部の画素に対し、隅の画素では、光の蹴られが大きいため、受光部に当たる光量が減り、光学的な感度低下が起こる。これに対し、第1あるいは第2実施形態で説明したように、フローティングディフュージョン38部に金属配線膜564を接続して配線容量を増やす。 For example, as shown in FIG. 13, light is greatly kicked in the corner pixels with respect to the central pixel, so that the amount of light hitting the light receiving portion is reduced and optical sensitivity is lowered. In contrast, as described in the first or second embodiment, the metal wiring film 564 is connected to the floating diffusion 38 to increase the wiring capacitance.
このとき、変換効率を下げる保護膜544内(層間膜542上)の金属配線膜564の面積を、撮像部10における中央部(アレイ中央部)から周辺部(アレイ周辺部)に向かって減らしていくことにより、図14に示すように、FD変換効率を、アレイ周辺で上げることができる。 At this time, the area of the metal wiring film 564 in the protective film 544 (on the interlayer film 542) that reduces the conversion efficiency is reduced from the central portion (array central portion) to the peripheral portion (array peripheral portion) in the imaging unit 10. Accordingly, as shown in FIG. 14, the FD conversion efficiency can be increased around the array.
なお、図14では、周辺画素のFD変換効率を、アレイ中央部の倍にする例で示している。この場合、センサ入射光に対する感度が、アレイ中央部とアレイ周辺部とで一様になっている。このようにフローティングディフュージョン38部の容量を金属配線膜564を利用して、その面積を変えて調整することにより、一様に白いものを撮像した際に、周辺が暗くなる現象を抑えることができる。 FIG. 14 shows an example in which the FD conversion efficiency of peripheral pixels is doubled in the center of the array. In this case, the sensitivity to the sensor incident light is uniform between the array central portion and the array peripheral portion. In this way, by adjusting the capacitance of the floating diffusion 38 part using the metal wiring film 564 and changing the area thereof, it is possible to suppress the phenomenon that the periphery becomes dark when a uniform white image is taken. .
なお、容量を小さくして変換効率を高くすることにより、撮像部10の周辺部における単位画素3から出力される画素信号の飽和出力レベルが、中央部における単位画素3から出力される画素信号の飽和出力レベルの倍になってしまう。このままでは、中央部が飽和するような全体として高レベルの被写体を撮像したときには、中央部よりも周辺部の方がより白い画像になり不自然になってしまう。 Note that, by reducing the capacity and increasing the conversion efficiency, the saturation output level of the pixel signal output from the unit pixel 3 in the peripheral part of the imaging unit 10 is changed to that of the pixel signal output from the unit pixel 3 in the central part. Doubles the saturation output level. In this state, when a high-level subject is imaged as a whole in which the central part is saturated, the peripheral part becomes whiter than the central part and becomes unnatural.
このため、撮像部10の周辺部における単位画素3から出力される画素信号に関しては、中央部における画素信号の飽和出力レベルより大きい部分を有効な信号部分としては使用せずに、中央部における画素信号の飽和出力レベルを代わりに使用するようにする。こうすることで、周辺部の過度な出力レベルを中央部と同様の飽和出力レベルでクリップでき、中央部が飽和するような全体として高レベルの被写体を撮像したときでも、生成される画像の全体を均一な白にできる。 For this reason, with respect to the pixel signal output from the unit pixel 3 in the peripheral part of the imaging unit 10, the pixel in the central part is not used as an effective signal part without using a part larger than the saturation output level of the pixel signal in the central part. Use the saturated output level of the signal instead. In this way, the excessive output level in the peripheral part can be clipped at the same saturation output level as in the central part, and even when a high-level subject is imaged as a whole, the central part is saturated as a whole. Can be made uniform white.
なお、第5実施形態においては、フローティングディフュージョン38の面積を光学シェーディングに応じて調整するに際して、フローティングディフュージョン38に寄与する配線の電極面積を光学シェーディングを相殺する方向で調整する一例を示したが、その他の手法によって、光学シェーディングに応じて光学シェーディングを相殺する方向に電極面積を調整することもできる。 In the fifth embodiment, when adjusting the area of the floating diffusion 38 according to the optical shading, an example is shown in which the electrode area of the wiring contributing to the floating diffusion 38 is adjusted in a direction that cancels the optical shading. By other methods, the electrode area can be adjusted in a direction to cancel the optical shading according to the optical shading.
たとえば、層間膜542内に設けた配線金属膜560bの長さを調整することでも実現できる。配線長の調整は、配線ルートの調整(たとえば直線状やジグザグ状と、その形状の違い)で実現できる。あるいは、層間膜542内に設けた配線金属膜560bの幅を調整することでも実現できる。もちろん、配線長と配線幅の双方を調整することで、フローティングディフュージョン38の面積を調整することもできる。配線長と配線幅の少なくとも一方を調整すればよく、何れを対象として調整するかは、デバイスの構成のし易さから決めるのがよい。 For example, this can also be realized by adjusting the length of the wiring metal film 560b provided in the interlayer film 542. The adjustment of the wiring length can be realized by adjusting the wiring route (for example, a linear shape or a zigzag shape and a difference in the shape). Alternatively, it can be realized by adjusting the width of the wiring metal film 560b provided in the interlayer film 542. Of course, the area of the floating diffusion 38 can be adjusted by adjusting both the wiring length and the wiring width. It suffices to adjust at least one of the wiring length and the wiring width, and which one is to be adjusted is preferably determined from the ease of device configuration.
<FD面積の調整概念図>
図15は、フローティングディフュージョン38の面積を光学シェーディングに応じて調整する際の考え方を説明する概念図であって、センサ中心部からの距離に対する入射光とフローティングディフュージョン38に接続する負荷配線39(ダミー配線)をなす金属配線膜564の面積の関係を示す図である。
<Conceptual diagram of FD area adjustment>
FIG. 15 is a conceptual diagram for explaining the concept of adjusting the area of the floating diffusion 38 according to optical shading. The incident light with respect to the distance from the center of the sensor and the load wiring 39 (dummy connected to the floating diffusion 38) It is a figure which shows the relationship of the area of the metal wiring film 564 which comprises wiring.
元々のフローティングディフュージョン38にぶら下がっている容量があるため、撮像部10の周辺部(センサ端)の感度(光学的+電気的)を中心部と揃えるためには、ダミー配線をなす金属配線膜564により形成される容量の差を、より大きく付ける必要がある。ただし、レイアウト的制約がある場合には、その範囲内で行なわなければならない。 Since there is a capacity hanging from the original floating diffusion 38, in order to align the sensitivity (optical + electrical) of the peripheral part (sensor end) of the imaging unit 10 with the central part, a metal wiring film 564 forming a dummy wiring is provided. It is necessary to increase the difference in capacitance formed by the above. However, if there is a layout restriction, it must be done within that range.
<FD面積の調整例>
図16は、フローティングディフュージョン38の面積を光学シェーディングに応じて調整する具体的事例を説明する図であって、センサそれぞれの箇所におけるフローティングディフュージョン38に接続する金属配線膜564のイメージ図である。
<Example of FD area adjustment>
FIG. 16 is a diagram for explaining a specific example of adjusting the area of the floating diffusion 38 in accordance with optical shading, and is an image diagram of the metal wiring film 564 connected to the floating diffusion 38 at each sensor location.
光学的に最も感度の高い撮像部10の中心部に対しての距離が離れるに従い、ダミー配線をなす金属配線膜564の面積を減らすのがよい。図では、電極面積を、4段階で設定しているが、さらに多段階とすればより好ましい。 As the distance from the center of the imaging unit 10 having the highest optical sensitivity increases, the area of the metal wiring film 564 forming the dummy wiring should be reduced. In the figure, the electrode area is set in four stages, but it is more preferable if the number of stages is further increased.
これによって、金属配線膜564により形成される容量を中心部から離れるに従って小さくすることで変換効率を高くでき、逆に中心部に近づくに従って容量を大きくすることで変換効率を低くできる。よって、光学的シェーディングと逆相の補正をかける、つまり金属配線膜564の電極面積を光学シェーディングを相殺する方向で調整することができる。ただし、レイアウト的制限や使いたいフローティングディフュージョン38の容量レンジなどから、補正するための面積は制限を受ける。 As a result, the conversion efficiency can be increased by decreasing the capacitance formed by the metal wiring film 564 as the distance from the center portion, and conversely, the conversion efficiency can be decreased by increasing the capacitance as it approaches the center portion. Therefore, correction opposite in phase to optical shading can be performed, that is, the electrode area of the metal wiring film 564 can be adjusted in a direction to cancel the optical shading. However, the area for correction is limited due to layout restrictions and the capacity range of the floating diffusion 38 that is desired to be used.
なお、図では、光学シェーディングに応じて、電極面積を、多段階(図では4段階)で設定する事例を示しているが、光学シェーディングを少しでも抑制できればよく、極端なケースでは、中央部側は広い電極、周辺部は狭い電極、の2段階で設定してもよい。 Although the figure shows an example in which the electrode area is set in multiple stages (4 stages in the figure) according to the optical shading, it is only necessary to suppress the optical shading as much as possible. May be set in two steps: a wide electrode and a peripheral electrode that is narrow.
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention, and embodiments to which such changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.
また、上記の実施形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。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、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 Further, the above embodiments do not limit the invention according to the claims (claims), and all combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. Absent. The embodiments described above include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. Even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, as long as an effect is obtained, a configuration from which these some constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.
たとえば、上記実施形態では、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定する具体的な手法として、配線を接続してその配線幅や長さを調整して電荷蓄積部の容量を調整することや、電荷蓄積部への不純物濃度を調整する、拡散層の面積を調整する、または半導体素子のゲート長やゲート幅を調整することを示したが、検知部に入射される物理量(たとえば光量)に対して操作を加える手法でない限り、その他の手法をも採用し得る。 For example, in the above embodiment, as a specific method for setting the signal conversion characteristics of the unit components in the linear region, the wiring is connected and the wiring width and length are adjusted to adjust the capacitance of the charge storage unit. Or adjusting the impurity concentration in the charge storage unit, adjusting the area of the diffusion layer, or adjusting the gate length or gate width of the semiconductor element. As long as the method is not a method of applying an operation to the above, other methods can be adopted.
要するに、単位構成要素内において、その単位構成要素を構成する種々の部材に対して積極的に操作を加えることで、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定するものであれば、どのような手法を採用してもよい。上記実施形態で説明した手法はその一例に過ぎないからである。 In short, what is necessary is to set the signal conversion characteristics of the unit component in the linear region by actively operating various members constituting the unit component in the unit component. Various methods may be adopted. This is because the method described in the above embodiment is merely one example.
また、上記実施形態の説明では、単位構成要素内における特に画素信号生成部を構成する種々の部材に対して積極的に操作を加えることで、電荷生成部が生成した物理量(光)の変化に応じた信号電荷に対する、画素信号生成部5から出力される画素信号の信号変換能力を調整して、これによって、単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定する事例を説明したが、操作対象は、単位画素3内のものであれば、何れのものでもよい。 Further, in the description of the above-described embodiment, the physical quantity (light) generated by the charge generation unit can be changed by positively operating various members constituting the pixel signal generation unit in the unit component. The example in which the signal conversion capability of the pixel signal output from the pixel signal generation unit 5 with respect to the corresponding signal charge is adjusted and thereby the signal conversion characteristic of the unit component is set in the linear region has been described. May be any one within the unit pixel 3.
検知部に入射される物理量(たとえば光量)に対して操作を加える手法でない限り何れの操作手法も採用でき、画素信号生成部5の構成部材に限定されず、たとえば、電荷生成部32に対して所定の操作を加えることで実現してもよい。何故なら、検知部に入射される物理量変化が同一であっても、その検知部において検知される検知情報の大きさが異なるようにすることで、単位信号生成部の変換効率が同一であっても、単位信号生成部すなわち単位構成要素のそれぞれから出力される単位信号の大きさを、ソースフォロアの線形性のある領域に設定できるからである。 Any operation method can be adopted as long as it is not a method of performing an operation on a physical quantity (for example, light amount) incident on the detection unit, and is not limited to the constituent members of the pixel signal generation unit 5, for example, on the charge generation unit 32. You may implement | achieve by adding predetermined operation. This is because even if the physical quantity change incident on the detection unit is the same, the conversion efficiency of the unit signal generation unit is the same by making the size of the detection information detected by the detection unit different. This is because the size of the unit signal output from each of the unit signal generation units, that is, the unit components can be set in the linear region of the source follower.
1…固体撮像装置、5…画素信号生成部、3…単位画素、7…駆動制御部、10…撮像部、12…水平走査部、14…垂直走査部、15…垂直制御線、16…駆動信号操作部、18…垂直信号線、20…カラム処理部、22…カラム信号処理部、27…負荷MOSトランジスタ、28…水平信号線、29…出力回路、32…電荷生成部、34…読出選択用トランジスタ、36…リセットトランジスタ、38…フローティングディフュージョン、39…負荷配線、40…垂直選択用トランジスタ、42…増幅用トランジスタ、532…拡散層、540,542…層間膜、544…保護膜、550,552…接続孔、564…金属配線膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid-state imaging device, 5 ... Pixel signal generation part, 3 ... Unit pixel, 7 ... Drive control part, 10 ... Imaging part, 12 ... Horizontal scanning part, 14 ... Vertical scanning part, 15 ... Vertical control line, 16 ... Drive Signal operation unit, 18 ... vertical signal line, 20 ... column processing unit, 22 ... column signal processing unit, 27 ... load MOS transistor, 28 ... horizontal signal line, 29 ... output circuit, 32 ... charge generation unit, 34 ... read selection Transistor 36 ... reset transistor 38 ... floating diffusion 39 load wiring 40 vertical selection transistor 42 amplification transistor 532 diffusion layer 540 542 interlayer film 544 protective film 550 552 ... Connection hole, 564 ... Metal wiring film
Claims (13)
前記電荷生成部で生成した信号電荷に基づいて単位信号を生成する単位信号生成部と
を単位構成要素内に含み、
当該単位構成要素が所定の順に配された光検知のための半導体装置であって、
前記単位信号生成部は、前記信号電荷を電気的浮遊状態で蓄積する、少なくとも一層の電荷蓄積配線層を有し、
前記電荷蓄積配線層は、
前記単位信号生成部内で前記単位信号を生成する半導体素子と前記電荷生成部との接続に寄与する主接続配線部と、
前記接続に寄与しない配線部と、
を有し、
前記接続に寄与しない配線部により、前記単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定する調整容量が形成されている
半導体装置。 A charge generation unit that generates a signal charge in response to received light;
A unit signal generation unit that generates a unit signal based on the signal charge generated by the charge generation unit in a unit component,
A semiconductor device for light detection in which the unit components are arranged in a predetermined order,
The unit signal generation unit has at least one charge storage wiring layer for storing the signal charge in an electrically floating state,
The charge storage wiring layer is
A main connection wiring part that contributes to the connection between the semiconductor element that generates the unit signal in the unit signal generation part and the charge generation part;
A wiring portion that does not contribute to the connection;
Have
An adjustment capacitor that sets a signal conversion characteristic of the unit component in a linear region is formed by the wiring portion that does not contribute to the connection.
前記電荷生成部で生成した信号電荷に基づいて単位信号を生成する単位信号生成部と
を単位構成要素内に含み、
当該単位構成要素が所定の順に配された光検知のための半導体装置であって、
前記単位信号生成部は、前記信号電荷を電気的浮遊状態で蓄積する、少なくとも一層の電荷蓄積配線層を有し、
前記電荷蓄積配線層は、
前記単位信号生成部内で前記単位信号を生成する半導体素子と前記電荷生成部との接続に寄与する主接続配線部分と、
前記主接続配線部分の最小線幅より線幅を太くする部分であり、前記接続を補助する追加配線部分と、
を有し、
前記追加配線部分により、前記単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定する調整容量が形成されている
半導体装置。 A charge generation unit that generates a signal charge in response to received light;
A unit signal generation unit that generates a unit signal based on the signal charge generated by the charge generation unit in a unit component,
A semiconductor device for light detection in which the unit components are arranged in a predetermined order,
The unit signal generation unit has at least one charge storage wiring layer for storing the signal charge in an electrically floating state,
The charge storage wiring layer is
A main connection wiring portion that contributes to a connection between the semiconductor element that generates the unit signal in the unit signal generation unit and the charge generation unit;
A portion having a larger line width than the minimum line width of the main connection wiring portion, and an additional wiring portion for assisting the connection;
Have
An adjustment capacitor that sets a signal conversion characteristic of the unit component in a linear region is formed by the additional wiring portion.
前記電荷生成部で生成した信号電荷に基づいて単位信号を生成する単位信号生成部と
を単位構成要素内に含み、
当該単位構成要素が所定の順に配された光検知のための半導体装置であって、
前記単位信号生成部は、前記信号電荷を電気的浮遊状態で蓄積する、少なくとも一層の電荷蓄積配線層を有し、
前記電荷蓄積配線層は、
前記単位信号生成部内で前記単位信号を生成する半導体素子と前記電荷生成部とのそれぞれの側に配置されて互いに離間する2つの主接続配線部と、
前記2つの主接続配線部の離間距離より長い距離で配線を迂回させるように前記2つの主接続配線部の間に接続された追加配線部と、
を有し、
前記追加配線部により、前記単位構成要素の信号変換特性を線形領域に設定する調整容量が形成されている
半導体装置。 A charge generation unit that generates a signal charge in response to received light;
A unit signal generation unit that generates a unit signal based on the signal charge generated by the charge generation unit in a unit component,
A semiconductor device for light detection in which the unit components are arranged in a predetermined order,
The unit signal generation unit has at least one charge storage wiring layer for storing the signal charge in an electrically floating state,
The charge storage wiring layer is
Two main connection wiring portions arranged on the respective sides of the semiconductor element that generates the unit signal in the unit signal generation unit and the charge generation unit and spaced apart from each other;
An additional wiring part connected between the two main connection wiring parts so as to bypass the wiring at a distance longer than the separation distance between the two main connection wiring parts;
Have
An adjustment capacitor that sets a signal conversion characteristic of the unit component in a linear region is formed by the additional wiring portion.
請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the adjustment capacitor is formed as a part of a pattern of the charge storage wiring layer.
請求項1に記載の半導体装置。 The adjustment capacitor is formed by the wiring capacitance added from the case of a single layer by forming the charge storage wiring layer from a plurality of layers and forming the charge storage wiring layer as a plurality of layers. Semiconductor device.
請求項3に記載の半導体装置。 The adjustment capacitor is formed by a wiring capacitance added from the case of a single layer by forming the charge storage wiring layer from a plurality of layers and forming the charge storage wiring layer as a plurality of layers. Semiconductor device.
請求項6に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6, wherein the charge storage wiring layer is arranged separately in two parts on the same layer, and the two parts are connected via another charge storage wiring layer on the upper layer.
前記電荷生成部と前記単位信号生成部とを電気的に接続する前記主接続配線部としての配線と、
前記調整容量の形成のために前記配線に接続され、当該配線との接続箇所以外に接続箇所がなく、回路的な接続の役割がない、前記接続に寄与しない配線部としての負荷配線と、
を有する請求項1に記載の半導体装置。 The charge storage wiring layer is
The wiring of the said unit signal generating unit and the front Symbol electrostatic load generator as the main connection wiring portion for electrically connecting,
Connected to the wiring for the formation of the adjustment capacitor, there is no connection location other than the connection location with the wiring, there is no role of circuit connection, load wiring as a wiring portion that does not contribute to the connection,
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
当該半導体不純物領域の不純物濃度と、前記電荷蓄積配線層の前記調整容量とが、前記単位構成要素の信号変換特性が線形領域となるように設定されている
請求項1から8の何れか一項に記載の半導体装置。 Before SL electrostatic load generator includes a semiconductor impurity regions,
The impurity concentration of the semiconductor impurity region and the adjustment capacitance of the charge storage wiring layer are set so that the signal conversion characteristic of the unit component is a linear region. A semiconductor device according to 1.
請求項1から9の何れか一項に記載の半導体装置。 The signal conversion capability of each of the unit components is adjusted by changing the value of the adjustment capacitance depending on the location where light is incident within the arrangement of the unit components. The semiconductor device according to any one of the above.
前記半導体素子のゲート長とゲート幅の少なくとも一方の値が、前記光が入射される場所に依存して前記単位構成要素の配列内で変化している
請求項10に記載の半導体装置。 The unit signal generation unit is configured to include a semiconductor element for signal amplification,
The semiconductor device according to claim 10, wherein a value of at least one of a gate length and a gate width of the semiconductor element changes in the arrangement of the unit components depending on a place where the light is incident.
前記半導体不純物領域の容量値が、前記光が入射される場所に依存して前記単位構成要素の配列内で変化している
請求項10に記載の半導体装置。 The unit signal generator is configured with a semiconductor impurity regions for accumulating the signal charges generated in the previous SL electrostatic load generator,
The semiconductor device according to claim 10, wherein a capacitance value of the semiconductor impurity region changes within the arrangement of the unit components depending on a place where the light is incident.
請求項12に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12, wherein an impurity concentration of the semiconductor impurity region changes within the arrangement of the unit components depending on a place where the light is incident.
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