KR20090125143A - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 1개의 고체 촬상 장치는 공유하는 증폭용 트랜지스터, 리셋트 트랜지스터를, 예를 들면 체크 무늬 형태로 배치함으로써 각 색 끼리의 포토 다이오드(2)의 중심이 대량 동일한 피치로 배치된다. 그 결과, 고체 촬상 장치의 해상도를 떨어뜨리는 일 없이, 단위 화소마다 입사되는 광량의 격차를 고려할 필요가 없어진다.
트랜지스터, 촬상장치

Description

고체 촬상 장치{Solid state imaging device}
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 화소가 증폭용 트랜지스터와 리셋트 트랜지스터를 공유하는 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
최근, 비디오 카메라나 전자 카메라가 널리 보급되어 있다. 이들 카메라에는 CCD(Charge　Coupled　Deｖice)나, CMOS(Complementary　Metal　Oxide Semconduct-or) 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자가 사용되고 있다. 고체 촬상 소자의 촬상부에는 포토 다이오드에 이루어지는 광전 변환부가 복수개 2차원 어레이 형태로 배치되고, 각 포토 다이오드를 중심적 기능부로서 단위 영역(단위 화소)이 형성되어 있다.
CCD는 각 단위 화소에 입사된 광을 포토 다이오드에 의해 광전 변환하고, 생성된 신호 전하를 수직 CCD 전송 레지스터 및 수평 CCD 전송 레지스터를 통해 출력부에 설치된 플로팅 디퓨전(FD)부로 전송한다. 그 후, CCD는 이 FD부의 전위 변동을 MOS 트랜지스터에 의해 검출하고, 이를 증폭함으로써 촬상 신호로서 출력한다.
한편, CMOS 이미지 센서는 각 단위 화소 내에 FD부나 전송, 증폭 등을 위한 각종 MOS 트랜지스터를 갖추고 있기 때문에 전하 전송이 불필요하다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 CCD형 고체 촬상 소자 보다도 저전압으로 동작 가능하여 전력 절약 화에 적합하다. 또, CMOS 이미지 센서는 복잡한 신호 처리 기능을 용이하게 원칩화할 수 있기 때문에 촬상 소자의 소형화에 적합하다.
도 12는 종래의 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구성과 단위 화소 1개 분의 등가 회로의 일례를 나타낸 설명도이다. 도 12에 나타낸 CMOS 이미지 센서에서는, 각 단위 화소(100)는 포토 다이오드(102)로 이루어지는 광전 변환부와, 신호 전하를 전압 신호로 변환하여 출력하기 위한 4개의 MOS 트랜지스터(103 및 105∼107)를 구비하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조.)
수광 동작시에는, 포토 다이오드(102)에 축적된 신호 전하(전자)는 판독 신호선(109)으로부터 전하 전송 게이트(103)의 게이트 전극에 인가되는 판독 펄스에 기초하여 전하 전송 게이트(103)를 통해 플로팅 디퓨전(FD)부(104)에 전송된다. FD부(104)는 증폭용 트랜지스터(105)의 게이트 전극에 접속되고 있으며, 신호 전하(전자)에 의한 FD부(104)의 전위 변화가 증폭용 트랜지스터(105)에 의해 임피던스 변환된 후, 수직 신호선(15)에 출력된다. 수직 선택용 트랜지스터(106)는 수직 선택선(13)으로부터 게이트 전극에 인가되는 수직 선택 펄스에 기초하여 ON, OFF하고, 소정의 기간만 증폭용 트랜지스터(105)를 구동하는 기능을 한다. 리셋트 트랜지스터(107)는 수직 리셋트선(14)으로부터 게이트 전극에 인가되는 수직 리셋트 펄스에 기초하여 FD부(104)의 전위를 전원선(108)의 전위로 리셋트 하는 기능을 한다.
각 단위 화소(100)는 수직 쉬프트 레지스터(11) 및 수평 쉬프트 레지스터(12)에 의해 1 사이클 사이에 1번씩 다음과 같이 주사(走査)된다. 즉, 1 사이클 사이의 일정기간, 수직 쉬프트 레지스터(11)로부터 1개의 수직 선택선(13)에 수직 선택 펄스가 출력되고, 이 수직 선택선(13)에 대응하는 행의 화소가 선택되면 각 화소의 출력 신호가 각각의 수직 신호선(15)에 출력된다. 그리고 이 일정기간 사이에 수평 쉬프트 레지스터(12)로부터 각 수평 선택선(17)에 수평 선택 펄스가 차례대로 출력되어, 대응하는 각 수직 신호선(15)의 출력 신호가 수평 선택용 트랜지스터(16)를 통해 수평 신호선(18)에 차례대로 인출된다. 1개 행의 모든 화소의 주사가 종료되면 다음 행의 수직 선택선(13)에 수직 선택 펄스가 출력되고, 상기와 같이 동일하게 이 새로운 행의 각 화소가 주사된다. 이상의 동작을 반복하여 1 사이클 사이에 모든 행의 모든 화소가 1번씩 주사되고, 그 출력 신호가 시계열적으로 수평 신호선(18)에 인출된다.
도 13은 종래의 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 14는 도 13의 단면도만으로는 나타내지 못하는 FD부(104)와 주변의 불순물 층의 접속 관계를 개념적으로 나타내는 설명도이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(101) 표면층에는 매립된 포토 다이오드에 이루어지는 포토 다이오드부(102)가 형성되어 있다. 또, 그 주위에는 전하 전송 게이트(103) 등의 MOS 트랜지스터를 구성하는 n형 불순물층이 형성되어 있다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 매립 포토 다이오드(102), FD부(104) 및 리셋트 트랜지스터(107)를 형성하는 n형 불순물층은 게이트 전극 하부의 채널 영역에 의해 연결되도록 설치되고 있어 효율적인 신호 전하의 전송과 소거를 할 수 있도록 되어 있다.
MOS 트랜지스터로 이루어지는 회로부에 광이 새어 들어가면, 광전 변환이 일어나고, 그 결과 생성된 전자에 의해 발생한 가짜 신호가 노이즈가 된다.
실리콘 기판(101)의 상부에는 산화 실리콘 등으로 이루어지는 절연층(124)을 통해, 예를 들면 알루미늄 등으로 이루어지는 다층 배선이 형성되어 있다. 이 다층 배선에 있어서, 예를 들면 1층 배선(121)은 화소 트랜지스터 사이 등을 접속하는 국소적인 배선이며, 2층 배선(122) 및 3층 배선(123)은 상기 트랜지스터를 구동하는 수직 선택선(13) 등의 제어 신호선이나, 증폭용 트랜지스터(105)에 의해 증폭된 전기 신호를 전달하는 수직 신호선(15) 등의 신호선이나, 전원선 등의 포괄적인 배선이다.
또한, 그 상부에는 질화 실리콘 등으로 이루어지는 패시베이션(passivation)막(125)이나 평탄화막 등이 형성되고, 그 위에 화소 색 필터(126) 및 온 칩 렌즈(127)가 배치되어 있다. 온 칩 렌즈(127)는 포토 다이오드(102)에 입사광을 집광하기 위하여 사용된다. 통상, 이들 온 칩 렌즈(127)는 일정한 피치로 등간격으로 형성된다.
상기의 CMOS 이미지 센서에서는, 단위 화소(100)에 있어서의 포토 다이오드 (102), MOS 트랜지스터(103, 105∼107)나 화소 내 배선 및 온 칩 렌즈(127)의 상대적인 위치 관계는 각 단위 화소(100)에서 공통이다. 즉, 각 부재는 동일한 병진 대칭성을 갖도록 동일 피치로 등간격으로 배열되어 있다. 이 결과, 입사광은 각 단위 화소(100)에서 포토 다이오드(102)에 동일하게 입사되어 단위 화소(100)마다 격차가 작은 양질의 화상을 얻을 수 있다.
그런데, CMOS 이미지 센서 등의 증폭형 고체 촬상 소자에서는, 상기와 같이 적어도 2층, 바람직하게는 3층 이상의 다층 배선이 필요하고, 포토 다이오드(102)의 상부에 두껍게 형성된다. 예를 들면, 포토 다이오드(102)의 표면으로부터 최상부의 3층 배선까지의 높이는 2∼5㎛가 되고, 이는 화소 사이즈와 동일한 정도이다. 이 때문에 피사체를 렌즈에 의해 결상하여 촬상하는 고체 촬상 장치에 있어서는, 촬상 영역의 주변부 쪽의 영역에서 쉐이딩(shading)이 크다는 문제, 즉, 비스듬하게 입사하는 광이 차광막이나 배선에 의해 차단되어 포토 다이오드에 집광되는 광량이 감소하여 화질 열화가 현저해진다는 문제가 있다.
그래서, 촬상 영역의 주변부 쪽의 영역에 있어서는, 비스듬하게 입사하는 광도 포토 다이오드에 집광되도록, 눈동자 보정이라고 칭하여 온 칩 렌즈나 차광막의 개구부의 위치를 보정하여 셰이딩을 경감하는 것이 있다. 구체적으로는, 포토 다이오드에서부터 봐서 광이 입사해 오는 방향으로 온 칩 렌즈 및 차광막 개구부를 배치한다. 또, 후술하는 특허 문헌 2에서는 촬상 영역의 중심부로부터 주변부로 감에 따라서 각 단위 화소에 대한 신호선(배선)의 상대 위치가 촬상 영역의 중심에 가까워지는 방향으로 벗어나고 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자가 제안되어 있다.
또한, 본 출원에서 말하는 단위 영역(단위 화소)라는 것은 1개의 포토 다이오드부를 중심적 기능부로서 그 기능을 실현하기 위한 부분이 배치된 기판상의 영역을 가리키는 것으로 한다. 또, 단위 영역 배열의 병진 대칭성이라는 것은 동일한 크기의 단위 영역 중의 일정 위치(예를 들면 중심의 위치)를 차지하는 점의 집합에 의해 형성되는 배열의 규칙성을 가리키는 것으로 한다.
그런데, 최근 휴대전화 등의 모바일 기기로의 카메라 기능 탑재의 목적 때문에 고체 촬상 소자의 소형화에 대한 요구가 강해지고 있다. 이러한 고체 촬상 소자의 소형화와 고화소수화에 의한 단위 화소의 축소화에 따라, 단위 화소당 수광 영역이 감소하여 포화 신호량이나 감도 등의 고체 촬상 소자의 특성이 저하된다는 문제가 생기고 있다.
종래, 이러한 특성 저하를 방지하기 위하여, 단위 화소 내의 트랜지스터의 면적을 감소시킴으로써, 포토 다이오드 면적의 감소를 억제하는 방법 등이 사용되어 왔다. 그러나 그러한 방법에 의해 고체 촬상 소자의 특성을 양호하게 유지하는 것은 곤란하였다.
특허 문헌 1：일본 특허공개공보 제2006－303468호
특허 문헌 2：일본 특허공개공보 제2003－273342호
특허 문헌 3：일본 특허공개공보 제2005－198001호
특허 문헌 4：미국 특허공보 제6,043,478호
특허 문헌 3 및 4에서는 차세대에 대한 돌파구(Break through)로서 각 화소에 필수인 포토 다이오드 및 전하 전송 게이트 이외의, 종래 모든 화소에 설치되어 있던 FD부, 증폭용 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터 및 리셋트 트랜지스터를 복수의 인접 단위 화소 사이에서 공유하는 CMOS 이미지 센서가 제안되어 있다.
이 CMOS 이미지 센서에서는 단위 화소당의 트랜지스터 수 및 배선 수를 줄일 수가 있고, 그 결과로서 충분한 포토 다이오드의 면적이 확보된다. 또, 배선에 의한 케라레(이후, 케라레라는 것은 광의 입사광로 내에 장애물이 있어 광을 차단하는 현상을 의미한다.)를 감소시킬 수가 있으므로, 단위 화소의 축소화에 유효한 경우가 있다.
그러나, 이 경우 단위 화소 내에, 화소 고유의 포토 다이오드와, 복수의 단위 화소에 공유되는 공유 영역이 혼재하게 된다. 공유 영역이 단위 화소 내에서 차지하는 상대 위치는 인접 단위 화소 사이에서는 반드시 다르기 때문에, 포토 다이오드가 단위 화소 내에서 차지하는 상대 위치도 스스로 인접 단위 화소 사이에서 다르게 된다. 즉, 공유 영역을 갖는 CMOS 이미지 센서에서는 종래의 통상의 CMOS 이미지 센서(도 13 참조)와 달리 포토 다이오드를 단위 화소와 동일한 병진 대칭성을 갖도록 동일한 피치로 배치할 수 없다. 이하, 전술한 문제점 및 이와 같은 기판에 종래와 같은 온 칩 렌즈를 형성한 경우의 문제점에 대해 도면을 이용하여 설명한다.
도 15는 상기의 포토 다이오드(2)나 트랜지스터가 형성된 실리콘 기판(1) 상에 종래와 같은 온 칩 렌즈(27)가 형성된 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 15는 주로 3개의 단위 화소를 나타내고 있고, 좌측의 단위 화소(10)와 중앙의 단위 화소(20)는 경계 위치(28)에서 서로 FD부(4)를 공유하고 있으나, 우측의 단위 화소(30)와 중앙의 단위 화소(20)는 FD부(4)를 공유하고 있지 않다.
상술한 대로, 포토 다이오드(2)의 n형 영역 및 FD부(4)의 n형 영역은, 효율적인 신호 전하의 전송을 실시할 수가 있도록 전하 전송 게이트(3)의 채널 영역을 통해 연결되어 있다. 따라서, 포토 다이오드(2)는 FD부(4)의 중심에서 떨어져 경계 위치(29)에 가까운 방향으로 편위(偏位)하여 설치되어 있다.
이 결과, 도 15의 횡 방향에 있어서 각 단위 화소의 포토 다이오드(2)의 배열에는 (FD부(4)를 서로 공유하는 단위 화소간에 있어서의) 피치가 큰 구간과, (FD부(4)를 공유하지 않는 단위 화소간에 있어서의) 피치가 작은 구간이 교대로 나타난다. 즉, 도 13을 이용하여 상술한 통상의 CMOS 이미지 센서에 있어서의 병진 대칭성을 갖는 등간격의 배열과는 다르다.
한편, 도 15에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 상부에는 산화 실리콘 등으로 이루어지는 절연층(24)이 형성되고, 이를 통해 다층 배선(1층 배선(21), 2층 배선(22), 3층 배선(23))이 형성되어 있다. 다층 배선은 포토 다이오드(2)로 할 수 있을 만큼 많은 광을 도입할 수 있도록 포토 다이오드(2)의 상방을 피하도록 레이 아웃한다.
또한, 그 상부에는 질화 실리콘 등으로 이루어지는 패시베이션막(25)이나 평탄화막 등이 형성되고, 그 위에 화소 색 필터(26) 및 온 칩 렌즈(27)가 배치되어 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 포토 다이오드(2)는 단위 화소의 중심 위치보다, FD부(4)의 중심으로부터 떨어져 경계 위치(29)에 가까운 방향으로 편위하여 설치되어 있다. 또, 다층 배선도 포토 다이오드(2)의 상부를 피하도록 단위 화소의 중심 위치로부터 편위하여 형성되어 있다.
이상의 결과, 온 칩 렌즈(27)에 의해 집광된 광의 일부가 포토 다이오드(2)를 벗어나서 트랜지스터가 형성되어 있는 실리콘 기판(1)의 공유 영역에 입사해 버린다. 또, 다층 배선에 의해 케라레라는 문제도 발생한다. 이때 공유 영역에 있어서의 트랜지스터의 배치나 다층 배선의 배치는 인접 단위 화소 사이에서 동일하지 않기 때문에, 이 문제는 포토 다이오드(2)에 입사하는 입사 광량이 감소하는 원인이 될 뿐만 아니라, 입사 광량이 각 단위 화소 사이에서 흩어지는 원인도 된다. 각 단위 화소 사이에서 포토 다이오드(2)에 입사하는 입사 광량이 흩어지면 각 단위 화소에서 감도가 일정하게 되지 않기 때문에 촬상 특성으로서 바람직하지 않다.
도 16은 2개의 단위 화소(10)에 공통의 FD부(4)를 설치하여, 증폭용 트랜지스터(5), 수직 선택용 트랜지스터(6) 및 리셋트 트랜지스터(7)를 인접하는 4 화소가 공유한 경우의 일반적인 평면 배치도이다. 포토 다이오드(2)에 쓰여져 있는 R, B, Gr, Gb는 베이야 배열색을 나타내고 있다. 여기서, R은 적색, B는 청색, Gr, Gb는 녹색의 신호를 출력하는 포토 다이오드(2)를 구비하고, 도 15의 화소 색 필터(26)가 R, B, Gr, Gb의 색을 나눈다. 또한, Gr은 적색 R의 옆에 배치된 녹색 화소를 나타내며, Gb는 청색 B의 옆에 배치된 녹색 화소를 나타낸다.
도 15의 단면은 도 16의 파선 A-A'에 상당하는 2개의 포토 다이오드(2)와 각각 대응하는 전하 전송 게이트(3)의 사이에 플로팅 디퓨전(FD)부(4)가 배치되고, 상하 화소의 사이에 공유화된 FD부(4)가 배치되어 있다. 리셋트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터 및 증폭용 트랜지스터를 공유하는 4 화소가 점선(51)으로 나타나고 있다. 공유 화소(51)의 중앙부에는 4 화소가 공유하는 리셋트 트랜지스터(7), 수직 선택용 트랜지스터(6) 및 증폭용 트랜지스터(5)가 구비되어 있다.
도 5는 4 화소로 증폭용 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터, 리셋트 트랜지스터를 공유한 경우의 종래의 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구성과 공유 화소 4개 분의 등가 회로의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 12는 공유하지 않는 타입의 회로도이며, 도 5와의 동작 원리의 차이는 다음의 (1)∼(3) 뿐이다. 즉, (1) 포토 다이오드(2)가 4개 있는 것, (2) 각 포토 다이오드(2)에 전하 전송 게이트(3)가 설치되어 있는 것, (3) 공유 화소(51)에는 전하 전송 게이트(3)가 4개 있다는 것이 차이점이다.
전술한 각 단위 화소에서 감도가 일정하게 되지 않는 문제에 대해서 설명하면, 도 16의 화소 피치(A61)와 화소 피치(B62)의 관계가 화소 피치 A ＞ 화소 피치 B이다. 따라서, 일정 피치로 배치되어 있지 않기 때문에, Gr행 및 R행의 그룹과, B행 및 Gb행의 그룹의 입사 광량이 다르기 때문에, 입사 신호를 화상화한 경우에 가로 줄무늬가 발생할 수 있다.
상기 문제점의 대책으로서, 일반적으로는 신호 처리에 의한 보정이 실시되고 있다. Gr, R행에 대해서, B, Gb행의 감도가 낮은 경우는 B, Gb행에 어떤 계수를 곱해서 Gr, R행의 감도에 일치시키도록 보정을 실시하는 방법이 실시된다.
다만, 동색인 Gr, Gb에 관해서는 Gb가 Gr과 조금이라도 차이가 있으면 가로 줄무늬가 되어 버리기 때문에, Gb에 대한 Gr의 보정은 단순한 계수를 곱하는 것만으로는 보정할 수 없다. 따라서, 주변의 Gr을 참고로 하면서 Gb을 보정하는 것 같은 방법도 채용되어 있다. 가장 간단한 보정 방법은 Gr의 입사 광량에 상당하는 신호량을 결정할 때에 예를 들면 그 오른쪽 아래의 Gb와의 평균치(Gr＋Gb)/2를 산출하고, Gb의 입사 광량에 상당하는 신호량을 결정할 때, 예를 들면 그 왼쪽 아래의 Gr과의 평균을 이용한다. 그러나, 이러한 평균화를 실시하는 것은 해상도를 떨어뜨리게 된다. 고화소수화에 의한 단위 화소의 축소화(이것은 결과적으로 해상도를 향상한다)를 목적으로 복수 화소의 공유를 실시해도 평균화함으로써 해상도를 떨어뜨리는 것은 그 목적과 상반되게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, CMOS 이미지 센서의 인접 단위 화소간에 증폭용 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터 및 리셋트 트랜지스터를 공유하는 화소 공유 기술에서는, 단위 화소당의 트랜지스터 수를 줄임으로써 포토 다이오드의 수광 면적을 충분히 확보할 수가 있다. 그러나 이 방법에서는, 포토 다이오드부는 단위 화소의 중심 위치로부터 편위되어 설치되므로, 그 광축이 단위 화소의 중심 위치에 배치되어 있는 온 칩 렌즈로 집광하면 입사광을 효과적으로 포토 다이오드부에 집광할 수가 없다. 그 결과, 각 포토 다이오드부에 단위 화소마다 광량이 크게 흩어지게 된다.
본 발명은, 상기 사정을 고려하여 이루어진 것으로 그 목적은 포토 다이오드부가 병진 대칭성 배열의 위치로부터 벗어나게 배치되어도 신호 처리에 의한 해상도 저하를 따른 보정을 실시하는 일 없이 화상화할 수 있는 고체 촬상 소자 및 그 고체 촬상 소자를 이용한 촬상 장치를 제공하는 것에 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 제1 고체 촬상 장치는 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치되며, 상기 신호 전하를 리셋트하는 리셋트 트랜지스터 및 판독한 신호 전하를 증폭하는 증폭용 트랜지스터를 복수의 상기 포토 다이오드에 공유하는 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 리셋트 트랜지스터와 상기 증폭용 트랜지스터를 공유하는 공유 영역 내의 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i, j＋1)의 사이에 배치된 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터의 한쪽을 구비하고, 상기 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i, j＋1)의 사이에 배치되어 있지 않은 다른쪽의 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터가 제3 포토 다이오드(i＋n, j＋n)와 제4 포토 다이오드(i＋n, j＋n＋1)의 사이에 배치되며, 또한 상기 n이 -1 또는 ＋1인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 제2 고체 촬상 장치는 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치되며, 상기 신호 전하를 리셋트하는 리셋트 트랜지스터 및 판독한 신호 전하를 증폭하는 증폭용 트랜지스터를 복수의 포토 다이오드에 공유하는 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 리셋트 트랜지스터, 상기 증폭용 트랜지스터를 공유하는 공유 영역 내의 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i＋1, j)의 사이에 배치된 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터의 한쪽을 구비하고, 상기 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i＋1, j)의 사이에 배치되어 있지 않은 다른쪽의 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터가 제3 포토 다이오드(i＋n, j＋n)와 제4 포토 다이오드(i＋n＋1, j＋n)의 사이에 배치되며, 또한 상기 n이 -1 또는 ＋1인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 제3 고체 촬상 장치는 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치된 고체 촬상 장치에 있어서, 인접하는 2개의 상기 포토 다이오드가 쌍으로 조를 짜서 상기 플로팅 디퓨전을 공유하고, 복수의 상기 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터와 증폭용 트랜지스터를 공유하며, 상기 공유된 플로팅 디퓨전이 행 방향으로 1행 놓으면서 열 방향으로 1열 놓는 체크 무늬형태로 배치된 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 제4 고체 촬상 장치는 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치된 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 포토 다이오드는 제1 색의 광, 제2 색의 광, 제3 색의 광을 광전 변환하도록, 그들의 대응하는 색 필터가 나열되고, 상기 제1 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i, j)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과 제2의 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i, j＋1)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과의 거리와 제3의 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i＋1, j)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과 제1 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i＋1, j＋1)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과의 거리가 다르며, 상기 제1 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드의 광을 감지하고 있는 영역의 중심은 행 방향 및 열 방향을 따라 대략 동일한 피치로 배치되고, 상기 제2 색의 광 또는 상기 제3 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드의 광을 감지하고 있는 영역의 중심은 행 방향 및 열 방향을 따라 대략 동일한 피치로 배치된 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 예를 들면, 베이야 배열 형태로 배치된 색 필터에 의해 녹색, 청색, 적색에 대응하여 광전 변환하는 포토 다이오드의 녹색 포토 다이오드의 중심과 적색, 청색 포토 다이오드의 중심과의 거리는 다르지만, 각 색 끼리의 포토 다이오드의 중심간의 거리는 동일하게 배치되어 있기 때문에, 해상도를 떨어뜨리는 일 없이 고화소수화에 의한 단위 화소의 축소화를 실현하는 것이 가능해진다.
도 1은 실시예 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 2는 실시예 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 녹색 포토 다이오드의 배치도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 적색, 청색 포토 다이오드의 배치도.
도 4는 실시예 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 5는 실시예 2에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성과 단위 화소 1개 분의 등가 회로의 일례를 나타내는 설명도.
도 6은 실시예 2에 따른 4개의 포토 다이오드에 리셋트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 7은 실시예 2에 따른 4개의 포토 다이오드에 리셋트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 8은 실시예 2와 따른 4개의 포토 다이오드에 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치를 나타낸 도면.
도 9는 실시예 2에 따른 2개의 포토 다이오드에 리셋트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 10은 실시예 2에 따른 2개의 포토 다이오드에 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 11은 실시예 2에 따른 4개의 포토 다이오드에 리셋트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 12는 종래의 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구성과 단위 화소 1개 분의 등가 회로의 일례를 나타낸 설명도.
도 13은 종래의 CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 구성을 나타내는 단면도.
도 14는 종래의 CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 구조를 나타내는 단면도.
도 15는 종래의 공유 영역을 갖는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구조의 일례를 나타내는 단면도.
도 16은 종래의 공유 영역을 갖는 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 17은 실시예 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
도 18은 실시예 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 배치도.
이하, 본 발명을 도시의 실시 형태에 따라 상세히 설명한다.
＜실시예 1＞
도 1은 제1 실시예의 특징을 가장 잘 나타낸 도면이며, 화소 배열과 포토 다이오드의 배치를 나타낸 개략적 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 광전 변환을 실시하는 포토 다이오드(2)는 행 방향으로 i, i＋1, i＋2, i＋3의 4화소 및 열 방향으로 j, j＋1, j＋2, j＋3의 4화소로 이루어지는 합계 16화소가 배치된 단위 화소(10)를 나타내고 있다. 여기서, 단 위 화소(10)는 1개의 포토 다이오드부를 중심적 기능부로서 그 기능을 실현하기 위한 부분이 배치된 기판상의 영역을 가리키는 것으로 한다. 각 포토 다이오드(2)에는 B, R, Gr, Gb 중 어느 하나를 나타내고 있다. 구체적으로는, B는 청색을 광전 변환하도록 청색용 색 필터가 배치된 포토 다이오드이다. 마찬가지로 R은 적색, 또, Gr 및 Gb는 녹색을 광전 변환하는 포토 다이오드이다. 또, Gr은 R의 옆에 배치되고, Gb는 B의 옆에 배치되고 있는 것을 나타낸다. 또, 각 포토 다이오드(2)의 중심(30)은 사각형 포토 다이오드의 대각선의 교점을 의미하고 본 출원에서 정의된 것이다. 또, 일반적으로는, 중심간의 거리(이하, 중심거리라고도 한다)란 점과 점을 연결하는 대각거리를 의미하지만, 본 실시형태를 나타낸 도 1에서는 행 방향이 동일한 피치이기 때문에, 열 방향의 거리가 중심간의 거리가 된다.
도 15에서 설명한 바와 같이, i열에 있어서, j행 Gr의 포토 다이오드와 j＋1행 B의 포토 다이오드의 중심 거리(31)와 j＋1행 B의 포토 다이오드와 j＋2행 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(35)의 크기가 다르기 때문에, j행 Gr과 j＋1행 B의 광의 입사 광량의 감도가 다르다.
또, i＋1열도 동일한 배치로 되어 있다. 따라서, j행 R의 포토 다이오드와 j＋1행 Gb의 포토 다이오드의 중심 거리(32)와 j＋1행 Gb의 포토 다이오드와 j＋2행 R의 포토 다이오드의 중심 거리(36)의 크기가 다르기 때문에, j행의 R과 j＋1행의 Gb의 광의 입사 광량의 감도가 다르다.
이어서, 녹색을 광전 변환하도록 색 필터가 배치된 포토 다이오드의 중심에 대해서 설명한다. 도 1은 j행 Gr의 포토 다이오드와 j＋1행 Gb의 포토 다이오드의 중심 거리(33)와 j＋1행 Gb의 포토 다이오드와 j＋2행 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(34)를 나타내고 있다.
편의상, 도 2에는 녹색을 광전 변환하도록 색 필터가 배치된 포토 다이오드만을 나타내고 있다. 도 1과의 차이는 적색 및 청색에 대응하는 포토 다이오드가 삭제되어 있는 점 뿐이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, j행 Gr의 포토 다이오드와 j＋1행 Gb의 포토 다이오드의 중심 거리(33) 및 j＋1행 Gb의 포토 다이오드와 j＋2행 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(34)가 동일한 피치로 배치되어 있다. 따라서, 녹색을 광전 변환하도록 색 필터가 배치된 포토 다이오드에서는 전술한 과제와 같은 광학적인 차이가 발생하지 않기 때문에 광이 동일하게 입사한다. 그 결과, 입사 신호를 화상화시켜도 가로 줄무늬가 발생하지 않는다. 이와 같이, 후단의 신호로 녹색을 만들 때는 Gr 및 Gb의 신호를 기초로 만들기 때문에, Gr 및 Gb가 동일한 피치로 배치될 필요가 있다. 또, 마찬가지로 적색은 R이 동일한 피치, 청색은 B가 동일한 피치로 배치될 필요가 있다.
마찬가지로, 도 3에 적색, 청색을 광전 변환하도록 색 필터가 배치된 포토 다이오드만을 나타내고 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, j행 R의 포토 다이오드와 j＋1행 B의 포토 다이오드의 중심 거리(37) 및 j＋1행 B의 포토 다이오드와 j＋2행 R의 포토 다이오드의 중심 거리(38)가 동일한 피치로 배치되어 있다. 따라서, 적색 및 청색을 광전 변환하도록 색 필터가 배치된 포토 다이오드에서는 전술한 과제와 같은 광학적인 차이 가 발생하지 않기 때문에, 광이 동일하게 입사한다. 그 결과, 입사 신호를 화상화 시켜도 가로 줄무늬가 발생하지 않는다.
이와 같이, 베이야 배열 형태로 배치된 색 필터에 대응하는 포토 다이오드의 각 색이 각 색 끼리에서는 동일한 피치로 배치되는 한편, 녹색에 대응하는 포토 다이오드와 적색 또는 청색에 대응하는 포토 다이오드의 피치가 다르다.
지금까지 도 1을 이용하여 녹색에 대응하는 포토 다이오드의 중심과 적색 또는 청색에 대응하는 포토 다이오드의 중심의 거리가 열 방향으로 다른 피치로 배치되고 있는 점에 대해서 설명했다. 여기서, 행 방향으로 다른 피치로 배치되고 있는 경우에 대해서 도 4에 기초하여 설명한다.
광전 변환을 실시하는 포토 다이오드(2)는 행 방향으로 i, i＋1, i＋2, i＋3의 4화소 및 열 방향으로 j, j＋1, j＋2, j＋3의 4 화소로 이루어지는 합계 16 화소가 배치된 단위 화소(10)를 나타내고 있다. 각 포토 다이오드(2)에는, B, R, Gr, Gb 중 어느 하나를 나타내고 있다. 구체적으로는, B는 청색을 광전 변환하도록 청색용의 색 필터가 배치된 포토 다이오드이다. 마찬가지로 R은 적색, Gr 및 Gb는 녹색을 광전 변환하는 포토 다이오드이다. 또, Gr는 R의 옆에 배치되고, Gb는 B의 옆에 배치되어 있는 것을 나타낸다. 또, 도 4에는 각 포토 다이오드(2)의 중심(30)이 나타나 있다.
도 15에 설명한 바와 같이, j행에 있어서 i열 Gr의 포토 다이오드와 i＋1열 R의 포토 다이오드의 중심 거리(41)와 i＋1열 R의 포토 다이오드와 i＋2열 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(45)의 크기가 다르기 때문에, i열 Gr과 i＋1열 R의 광의 입사 광량의 감도가 다르다.
또, j＋1행도 동일한 배치로 되어 있다. 따라서, i열 B의 포토 다이오드와 i＋1열 Gb의 포토 다이오드의 중심 거리(42)와 i＋1열 Gb의 포토 다이오드와 i＋2열B의 포토 다이오드의 중심 거리(46)의 크기가 다르기 때문에, i열 B와 i＋1열 Gb의 광의 입사 광량의 감도가 다르다.
이어서, 녹색을 광전 변환하도록 색 필터가 배치된 포토 다이오드의 중심에 대해서 설명한다. 도 4는 i열 Gr의 포토 다이오드와 i＋1열 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(43) 및 i＋1열 Gb의 포토 다이오드와 i＋2열 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(44)를 나타내고 있다.
도 1의 설명과 마찬가지로, 도 4에서도 i열 Gr의 포토 다이오드와 i＋1열 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(43) 및 i＋1열 Gb의 포토 다이오드와 i＋2열 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(44)는 동일하다. 따라서, 동일한 피치로 녹색에 대응하는 포토 다이오드가 배치되어 있기 때문에, 전술한 과제와 같은 광학적인 차이가 생기지 않기 때문에 광이 동일하게 입사한다. 그 결과, 입사 신호를 화상화시켜도 가로 줄무늬는 발생하지 않는다.
적색, 청색에 대해서도 마찬가지로, 전술한 과제와 같은 광학적인 차이가 발생하지 않기 때문에, 광이 동일하게 입사한다. 그 결과, 입사 신호를 화상화시켜도 가로 줄무늬는 발생하지 않는다.
도 1 및 도 4는 (i, i)에 Gr의 포토 다이오드가 배치되고, 기점이 Gr로서 베이야 배열형태로 색 필터가 배치되어 있으나, 기점이 B, R, Gr, Gb 중 어느 하나에 서도 실질적으로 본 발명의 효과가 나타난다.
도 1의 j행 Gr의 포토 다이오드와 j＋1행 B의 포토 다이오드의 중심 거리(31)와 j＋1행 B의 포토 다이오드와 j＋2행 Gr의 포토 다이오드의 중심 거리(35)를 비교하면, j행 Gr의 포토 다이오드와 j＋1행 B의 포토 다이오드의 중심 거리(31) 쪽이 거리는 길다. 이 때문에, 이미지 센서를 구성하기 위해 필요한 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 수직 선택용 트랜지스터를 전술한 긴 피치에 상당하는 포토 다이오드 사이에 설치함으로써 보다 효율적인 이미지 센서가 된다.
그러나 베이야 배열과 같은 원색(녹색, 적색, 청색) 필터를 배치하는 방법 이외에도 보색(청록색(cyan), 황색, 자홍색(magenta))을 사용하는 고체 촬상 장치도 본 발명에 적용될 수 있다.
보색을 사용한 경우의 예가, 도 17 및 도 18에 나타나고 있다. 도 17은 원색의 녹색과 보색의 황색 및 청록색을 사용한 경우이고, 황색(Ye)의 옆에 배치된 녹색은 (Gy) 청록색의 옆에 배치된 녹색은 (Gc)로 나타내고 있다. 도 18은 보색의 황색, 청록색 및 자홍색을 사용한 경우이다. 이 도면에서는 황색(Ye)의 옆에 배치된 자홍색은(Mgy), 청록색의 옆에 배치된 자홍색은 (Mgc)으로 나타내고 있다. 그 기술적 효과에 대해서는 베이야 배열과 동일하다.
＜실시예 2＞
이어서, 제2 실시예에 대해서 설명한다.
제1 실시예에서는 베이야 배열 형태로 색 필터가 배치된, 녹색, 적색 및 청 색에 상당하는 포토 다이오드의 배치가 각 색 끼리에서는 동일한 피치로 배치되는 한편, 녹색과 적색의 간격과 녹색과 청색의 간격이 다른 것을 나타냈다. 제2 실시예에서는 복수의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 수직 선택용 트랜지스터를 공유하는 경우의 각 트랜지스터의 배치 및 이들 공유 방법에 대해서 설명한다.
도 5는 제2 실시예에 기초한 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 트랜지스터를 공유하는 4개의 단위 화소의 등가 회로를 나타낸 설명도이다. 이 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구성은 도 12를 이용하여 앞서 기술한 종래의 CMOS 이미지 센서의 촬상부의 구성과 기본적으로는 동일하다. 그러나, 4개의 단위 화소(10)에 공통의 FD부(4)를 설치하여 증폭용 트랜지스터(5), 수직 선택용 트랜지스터(6) 및 리셋트 트랜지스터(7)를 이들의 단위 화소(10) 사이에 공유하도록 구성하고 있는 점이 다르다. 도 12를 이용하여 설명한 바와 같이, 각 단위 화소(10)의 포토 다이오드부(2a)는 전하 전송 게이트(3)를 통해 FD부(4)에 접속되어 있다.
수광 동작시에는, 각 단위 화소(10)는 수직 쉬프트 레지스터 및 수평 쉬프트 레지스터에 의해 1 사이클 사이에 1번씩, 다음과 같이 주사된다. 즉, 1 사이클 사이의 일정기간, 수직 쉬프트 레지스터로부터 1개의 수직 선택선(13)에 수직 선택 펄스가 출력된 후, 이 수직 선택선(13)에 대응하는 4개로 1조의 단위 화소(10)가 선택된다. 이때, 각 단위 화소(10)의 포토 다이오드부(2)에 축적된 신호 전하(전자)는 판독 신호선(9)로부터 전하 전송 게이트(3)의 게이트 전극에 인가되는 판독 펄스에 기초하여 차례대로 전하 전송 게이트(3)를 통해 플로팅 디퓨전(FD)부(4)에 전송된다. 그 후, 신호 전하(전자)에 의한 FD부(4)의 전위 변화가 증폭용 트랜지스터(5)에 의해 전압 신호로 변환되어 수직 신호선(150)에 출력된다.
상술한 일정기간의 사이에, 수평 쉬프트 레지스터로부터 각 수평 선택선(17)에 수평 선택 펄스가 차례대로 출력된 후, 대응하는 각 수직 신호선(15)의 출력 신호가 수평 선택용 트랜지스터(16)를 통해 수평 신호선(18)에 차례대로 인출된다. 1개 행의 모든 화소의 주사가 종료되면, 다음 행의 수직 선택선(13)에 수직 선택 펄스가 출력된다. 그 결과, 상술한 바와 같이 이 새로운 행의 각 화소가 주사된다. 이상의 동작을 반복함으로써 1 사이클 사이에 모든 행의 모든 화소가 1번씩 주사되는 결과, 그 출력 신호가 시계열적으로 수평 신호선(18)에 인출된다.
수직 선택용 트랜지스터(6)가 수직 선택선(13)으로부터 게이트 전극에 인가되는 수직 선택 펄스에 기초하여 ON, OFF하고 소정의 기간만큼 증폭용 트랜지스터(5)를 구동하는 기능을 한다. 리셋트 트랜지스터(7)는 수직 리셋트선(14)으로부터 게이트 전극에 인가되는 수직 리셋트 펄스에 기초하여 FD부(4)의 전위를 전원선(8)의 전위로 리셋트하는 기능을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 제2 실시예에 기초한 고체 촬상 소자인 CMOS 이미지 센서에 있어서는 증폭용 트랜지스터(5), 수직 선택용 트랜지스터(6) 및 리셋트 트랜지스터(7)가 이들의 단위 화소(10) 사이에 공유되므로, 단위 화소(10)당의 트랜지스터 수를 줄일 수가 있다. 따라서, 출력에 필요로 하는 기판상의 면적을 축소할 수가 있다. 그 결과, CMOS 이미지 센서를 소형화 혹은 고화소수화 할 수가 있다. 또, CMOS 이미지 센서의 소형화 혹은 고화소수화에 따른 단위 화소(10)에 있어 서의 수광 면적의 감소를 방지할 수가 있다.
도 6은 베이야 배열 형태로 배치된 색 필터에 대응하는 포토 다이오드(2), 리셋트 트랜지스터(7), 수직 선택용 트랜지스터(6), 전원선(8), 전하 전송 게이트(3) 및 플로팅 디퓨전(FD)(4)의 배치도를 나타낸다.
제1의 실시예에서 설명한 바와 같이, 녹색에 대응하는 Gr 및 Gb는 동일한 피치로 배치됨과 동시에, 적색 및 청색에 대응하는 R, B도 동일한 피치로 배치되어 있다. 또, 녹색에 대응하는 Gr 및 Gb와 적색 및 청색에 대응하는 R, B가 다른 피치로 배치되어 있다.
도 6의 파선(51)으로 나타낸 본 실시예의 공유된 4개의 포토 다이오드의 단위 셀에서는 4개의 포토 다이오드(2)가 각각 베이야 배열의 Gr, Gb, R, B로 구성된다. 포토 다이오드(i＋1, j＋1)의 Gb와 포토 다이오드(i＋1, j＋2)의 R의 사이에는 각각의 포토 다이오드에서 광전 변환된 전하를 전송하는 전하 전송 게이트(3)가 배치되고, 플로팅 디퓨전(4a)에 대해 대칭으로 배치되어 있다.
또, 포토 다이오드(i＋2, j＋2)의 Gr과 포토 다이오드(i＋2, j＋3)의 B의 사이에는 각각의 포토 다이오드에서 광전 변환된 전하를 전송하는 전하 전송 게이트(3)가 배치되고, 플로팅 디퓨전(4b)에 대해 대칭으로 배치되어 있다. 각각의 플로팅 디퓨전(4a, 4b)은 메탈 배선 등으로 접속되어 있다.
본 실시예는 녹색에 대응하는 Gr 및 Gb는 동일한 피치로 배치되고, 적색 및 청색에 대응하는 R, B도 동일한 피치로 배치되는 한편, 녹색에 대응하는 Gr 및 Gb와 적색 및 청색에 대응하는 R, B와의 사이가 다른 피치로 배치되어 있는 구조를 채용한다. 이러한 구조에 있어서, 4화소를 공유하는 경우는 각 포토 다이오드(2)에 대응하는 전하 전송 게이트(3)와 플로팅 디퓨전은 다른 피치 내에서 보다 긴 피치의 사이에 배치되고 그 플로팅 디퓨전이 체크 무늬 형태로 배치되어 있다. 또, 체크 무늬 형태로 배치된 플로팅 디퓨전이기 때문에, 리셋트 트랜지스터 등을 공유하는 포토 다이오드는 (i, j), (i, j＋1), (i＋1, j＋1), (i＋1, j＋2)와 같이 홀수열과 짝수열로 1행 어긋난 배치로 되어 있다.
상술한 배치에 의해, 전술한 과제와 같은 광학적인 차이가 발생하지 않기 때문에 광이 동일하게 입사한다. 그 결과, 입사 신호를 화상화시켜도 가로 줄무늬는 발생하지 않고, 포토 다이오드, 전하 전송 게이트, 플로팅 디퓨전, 리셋트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터 및 증폭용 트랜지스터의 매우 효율적인 배치를 실현할 수 있다.　
도 6에서는 플로팅 디퓨전(4a)의 옆에 증폭용 트랜지스터(5)가 배치되는 경우를 도시했지만, 도 7과 같이 플로팅 디퓨전(4a)의 옆에 증폭용 트랜지스터(5)와 수직 선택용 트랜지스터(6)가 배치되어 있는 경우도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 전술한 증폭용 트랜지스터를 제외한 구성에 있어서는 도 8과 같이 플로팅 디퓨전(4a)의 옆에 증폭용 트랜지스터(5)가 배치됨과 동시에 플로팅 디퓨전(4b)의 옆에 리셋트 트랜지스터(7)가 배치되는 구성에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
제2의 실시예에서는 주로 4개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하는 경우에 대해서 설명해 왔지만, 2개의 포토 다이오드가 그들 을 공유하는 경우에도 동일하다. 도 9는 2개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 수직 선택용 트랜지스터를 공유했을 경우의 배치를 나타낸다.
2개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터를 공유한 경우, 플로팅 디퓨전(4)의 이웃에는 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 수직 선택용 트랜지스터가 배치될 수 있다.
도 10은 2개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터 및 증폭용 트랜지스터를 공유했을 경우의 배치를 나타낸다.
행 방향으로 녹색에 대응한 포토 다이오드와, 적색 및 청색에 대응한 포토 다이오드가 다른 피치로 배치되었을 경우에 대해서 도 6∼10에서 설명했으나, 열 방향으로 다른 피치의 경우에도 동일하다. 대표로서 도 11에 4개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 수직 선택용 트랜지스터를 공유했을 경우의 배치를 나타낸다.
도 6∼도 11은 (i, j)에 Gr의 포토 다이오드가 배치되고, 기점이 Gr로서 베이야 배열 형태로 색 필터가 배치되어 있다. 그러나, 그 기점은 B, R, Gr, Gb 중 어느 하나에서도 실질적으로 본 발명의 효과와 같은 효과가 나타난다.
본 발명의 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법, 및 촬상 장치는 CMOS 이미지 센서 및 전자 카메라 등에 응용되어 CMOS 이미지 센서의 소형화, 고화소수화 및 포화 신호량이나 감도 저하 등의 촬상 특성의 저하의 방지에 기여할 수가 있다. 또, 본 발명의 고체 촬상 장치는 고화질을 중시하는 카메라 또는 카메라 시스템, 예를 들면 디지털 카메라, 휴대 카메라, 의료용 카메라, 차량 탑재 카메라, 비디오 카메라, 감시 카메라, 또는 시큐리티 카메라 등의 시스템에 널리 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치되며, 상기 신호 전하를 리셋트하는 리셋트 트랜지스터 및 판독한 신호 전하를 증폭하는 증폭용 트랜지스터를 복수의 상기 포토 다이오드에 공유하는 고체 촬상 장치에 있어서,
    상기 리셋트 트랜지스터와 상기 증폭용 트랜지스터를 공유하는 공유영역 내의 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i, j＋1)의 사이에 배치된 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터의 한쪽을 구비하고,
    상기 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i, j＋1)의 사이에 배치되어 있지 않은 다른쪽의 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터가 제3 포토 다이오드(i＋n, j＋n)와 제4 포토 다이오드(i＋n, j＋n＋1)의 사이에 배치되고, 또한 상기 n이 -1 또는 ＋1인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치되며, 상기 신호 전하를 리셋트하는 리셋트 트랜지스터 및 판독한 신호 전하를 증폭하는 증폭용 트랜지스터를 복수의 포토 다이오드에 공유하는 고체 촬상 장치에 있어서,
    상기 리셋트 트랜지스터, 상기 증폭용 트랜지스터를 공유하는 공유영역 내의 제1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i＋1, j)의 사이에 배치된 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터의 한쪽을 구비하고,
    상기 제 1 포토 다이오드(i, j)와 제2 포토 다이오드(i＋1, j)의 사이에 배치되어 있지 않은 다른쪽의 상기 리셋트 트랜지스터 또는 상기 증폭용 트랜지스터가 제3 포토 다이오드(i＋n, j＋n)와 제4 포토 다이오드(i＋n＋1, j＋n)의 사이에 배치되며, 또한 상기 n이 -1 또는 ＋1인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치된 고체 촬상 장치에 있어서,
    인접하는 2개의 상기 포토 다이오드가 쌍으로 조를 짜서 상기 플로팅 디퓨전을 공유하고, 복수의 상기 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터와 증폭용 트랜지스터를 공유하며, 상기 공유된 플로팅 디퓨전이 행 방향으로 1행 놓으면서 열 방향으 로 1열 놓는 체크 무늬형태로 배치된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 포토 다이오드가 (i, j), (i, j＋1)…(i, j＋n), 또는 (i, j), (i＋1, j)…(i＋n, j)로 이루어지는 (n＋1)개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하고, n이 1 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 포토 다이오드가 (i, j), (i, j＋1)…(i, j＋n), (i＋1, j＋1), (i＋1, j＋1＋1)…(i＋1, j＋1＋n), 또는(i, j), (i＋1, j)…(i＋n, j), (i＋1, j＋1), (i＋1＋1, j＋1)…(i＋1＋n, j＋1)로 이루어지는 (2＋2*n)개의 포토 다이오드가 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터를 공유하고, n이 1 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 반도체 기판상에 광을 신호 전하로 변환하여 축적하는 포토 다이오드가 행렬 형태(i, j)로 복수 배치되고, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 신호 전하를 판독하기 위한 전하 전송 게이트와, 상기 전하 전송 게이트를 통해 판독한 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 상기 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 설치된 고체 촬상 장치에 있어서,
    상기 포토 다이오드는 제1 색의 광, 제2 색의 광, 제3 색의 광을 광전 변환하도록 그들에 대응하는 색 필터가 나열되고,
    상기 제1 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i, j)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과 제2 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i, j＋1)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과의 거리와 제3 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i＋1, j)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과 제1 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드(i＋1, j＋1)의 광을 감지하고 있는 영역의 중심과의 거리가 다르며,
    상기 제1 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드의 광을 감지하고 있는 영역의 중심은 행 방향 및 열 방향을 따라 동일한 피치로 배치되며,
    상기 제2 색의 광 또는 상기 제 3의 색의 광을 광전 변환하는 포토 다이오드의 광을 감지하고 있는 영역의 중심은 행 방향 및 열 방향을 따라 동일한 피치로 배치된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 색 필터는, 녹색, 적색 및 청색으로 이루어지는 3원색 필터이며, 상기 제1 색이 녹색, 상기 제2 색이 적색, 상기 제3 색이 청색이고, 또는 상기 제1 색이 녹색, 상기 제2 색이 청색, 상기 제3 색이 적색으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 색 필터는, 녹색, 자홍색, 황색, 청록색을 포함한 보색 필터이고, 상기 제1 색이 녹색 또는 자홍색, 상기 제2 색이 황색, 상기 제3 색이 청록색이며, 또는 상기 제1 색이 녹색 또는 자홍색, 상기 제2 색이 청록색, 상기 제3 색이 황색으로 구성되어 있는 것을 특징으로 고체 촬상 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 2개의 중심간의 거리 중, 보다 긴 쪽의 상기 포토 다이오드의 경계 부분에 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터, 또는 수직 선택용 트랜지스터(83)가 배치되고,
    상기 2개의 중심간의 거리 중, 보다 짧은 쪽의 상기 포토 다이오드의 경계 부분에 리셋트 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 수직 선택용 트랜지스터가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  10. 청구항 6 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 거리의 긴 측의 포토 다이오드의 경계 부분에 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 배치되며, 상기 중심의 거리의 짧은 측의 포토 다이오드의 경계 부분에는 신호 전하를 전위로 변환하는 플로팅 디퓨전이 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
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St.27 status event code: A-4-4-P10-P22-nap-X000