特許 7543159 固体撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-23

(45)【発行日】2024-09-02

(54)【発明の名称】固体撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240826BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H01L27/146 D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021024300

(22)【出願日】2021-02-18

(65)【公開番号】P2022126302

(43)【公開日】2022-08-30

【審査請求日】2023-09-20

(73)【特許権者】

【識別番号】319006047

【氏名又は名称】シャープセミコンダクターイノベーション株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】小西 武文

【審査官】黒田 久美子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１８８０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６０５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３８３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４５８７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ２５／７７８

Ｈ０４Ｎ ２５／７７１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

グローバルシャッタ共有画素を隣接配置した２×２画素ユニットを、複数個配置した固体撮像装置であって、
隣接する前記２×２画素ユニットは、列方向に２画素周期、行方向に１画素周期で複数個配置され、
前記２×２画素ユニットは、第１のグローバルシャッタ共有画素と、前記第１のグローバルシャッタ共有画素と同一のレイアウトを列方向に反転した配置の第２のグローバルシャッタ共有画素とが行方向および列方向にそれぞれ１／２画素ピッチずつずらして隣接配置され、
前記第１のグローバルシャッタ共有画素および前記第２のグローバルシャッタ共有画素のそれぞれは、１対の単位画素が列方向に対向配置され、電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷に応じて画素信号を生成する信号電荷検出部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を排出する信号電荷リセット部とを共有し、
前記１対の単位画素のそれぞれは、光信号を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオード部と、前記フォトダイオード部に蓄積される電荷を転送する第１の電荷転送部と、前記第１の電荷転送部によって転送される電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部に保持される電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する第２の電荷転送部とを備え、
前記第１のグローバルシャッタ共有画素内の上側の単位画素の前記第２の電荷転送部と、前記第２のグローバルシャッタ共有画素内の上側の単位画素の前記第２の電荷転送部とが第１の行読み出し駆動信号で駆動され、
前記第１のグローバルシャッタ共有画素の下側の単位画素の前記第２の電荷転送部と、前記第２のグローバルシャッタ共有画素の下側の単位画素の前記第２の電荷転送部とが第２の行読み出し駆動信号で駆動される、固体撮像装置。

【請求項2】

前記単位画素はさらに、前記フォトダイオード部の飽和電荷量よりも多い電荷を排出する第３の電荷転送部を備え、
前記第１のグローバルシャッタ共有画素内の単位画素の前記第３の電荷転送部のオーバーフロードレイン部と、前記第２のグローバルシャッタ共有画素内の前記信号電荷リセット部のドレイン部とが、同一の第１半導体領域によって構成される、請求項１に記載の固体撮像装置。

【請求項3】

前記単位画素はさらに、前記フォトダイオード部の飽和電荷量よりも多い電荷を排出する第３の電荷転送部を備え、
前記第１のグローバルシャッタ共有画素内の単位画素の前記第３の電荷転送部のオーバーフロードレイン部と、前記第２のグローバルシャッタ共有画素内の前記信号電荷検出部のドレイン部とが、同一の第１半導体領域によって構成される、請求項１に記載の固体撮像装置。

【請求項4】

前記第１のグローバルシャッタ共有画素内の前記信号電荷検出部に接続される行選択信号と、前記第２のグローバルシャッタ共有画素内の前記信号電荷検出部に接続される行選択信号とが、同じ信号波形であり、別の配線で接続される、請求項１～３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

【請求項5】

前記第１のグローバルシャッタ共有画素内の前記信号電荷リセット部に接続される行リセット信号と、前記第２のグローバルシャッタ共有画素内の前記信号電荷リセット部に接続される行リセット信号とが、同じ信号波形であり、別の配線で接続される、請求項４に記載の固体撮像装置。

【請求項6】

前記第１のグローバルシャッタ共有画素に接続される前記行選択信号および前記行リセット信号の配線の並びと、前記第２のグローバルシャッタ共有画素に接続される前記行選択信号および前記行リセット信号の配線の並びとが逆である、請求項５に記載の固体撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、動画像に対応したグローバルシャッタ動作を行う固体撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、グローバルシャッタ画素を用いた固体撮像装置が種々開発されている。これに関連する技術として、下記の特許文献１に開示された発明がある。

【0003】

特許文献１は、斜め方向に並べられている複数の画素でＦＤ（フローティングディフュージョン）等の素子を共有する場合に用いられる固体撮像素子に関する。固体撮像素子は、少なくともＦＤを共有する複数の画素から成る共有画素組が斜め方向に並べられている画素アレイと、共有画素組を成す各画素の光電変換部を避けてジグザグに配線されている垂直信号線とを備え、垂直信号線は、共有画素組との接続部において他の垂直信号線と接近するように配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１８／１７３７９３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の特許文献１に開示された固体撮像素子においては、２画素共有の共有画素組を斜め方向に傾けた上で、水平および垂直の両方向に１／２画素ピッチずらして配置することにより解像度を向上させている。さらには隣接する２本の信号出力線の配置を交差させることにより、対称性が良く、感度特性を損なうことのない画素配置を実現している。しかしながら、共有画素組が斜め方向となっているため、読み出しライン数が多くなり、フレームレートが低くなるといった問題点がある。

【0006】

本発明の一態様は、読み出しライン数を削減して、高フレームレートを可能にした固体撮像装置を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、グローバルシャッタ共有画素を隣接配置した２×２画素ユニットを、複数個配置した固体撮像装置であって、隣接する２×２画素ユニットは、列方向に２画素周期、行方向に１画素周期で複数個配置され、２×２画素ユニットは、第１のグローバルシャッタ共有画素と、第１のグローバルシャッタ共有画素と同一のレイアウトを列方向に反転した配置の第２のグローバルシャッタ共有画素とが行方向および列方向にそれぞれ１／２画素ピッチずつずらして隣接配置され、第１のグローバルシャッタ共有画素および第２のグローバルシャッタ共有画素のそれぞれは、１対の単位画素が列方向に対向配置され、電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷に応じて画素信号を生成する信号電荷検出部と、フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を排出する信号電荷リセット部とを共有し、１対の単位画素のそれぞれは、光信号を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオード部と、フォトダイオード部に蓄積される電荷を転送する第１の電荷転送部と、第１の電荷転送部によって転送される電荷を保持する電荷保持部と、電荷保持部に保持される電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第２の電荷転送部とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、読み出しライン数を削減して、高フレームレートを可能にした固体撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の平面レイアウト図である。

【図2】本発明の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ共有画素の平面レイアウト図である。

【図3】本発明の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ共有画素の回路構成を示す図である。

【図4】本発明の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ２×２画素ユニットの平面レイアウト図である。

【図5】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の平面レイアウト図である。

【図6】図５に示す本発明の実施形態に係る固体撮像装置の平面レイアウトに、第２の電荷転送部に接続される行読み出し駆動配線を太線で追加した図である。

【図7】図５に示す本発明の実施形態に係る固体撮像装置の平面レイアウトに、行選択トランジスタに接続される駆動配線と、リセットトランジスタに接続される駆動配線とを太線で追加した図である。

【図8】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素信号の読み出し方法を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、同一の部材には同一の符号を付し、それらの名称および機能も同一である。したがって、それらの詳細な説明は繰り返さない。

【0011】

＜固体撮像装置の単位画素の平面レイアウト＞
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の平面レイアウト図である。単位画素１００は、フォトダイオード部ＰＤと、フォトダイオード部ＰＤに隣接し第１のゲート電極で覆われた第１の電荷転送部ＴＲＸと、第１の電荷転送部ＴＲＸに対しフォトダイオード部ＰＤと異なる方向に隣接する電荷保持部（図示せず）と、電荷保持部に対し第１の電荷転送部ＴＲＸと異なる方向に隣接する第２のゲート電極で覆われた第２の電荷転送部ＴＲＧとを含む。

【0012】

単位画素１００はさらに、第２の電荷転送部ＴＲＧに対し電荷保持部と異なる方向で隣接する第１導電型半導体領域のフローティングディフュージョン部ＦＤと、フォトダイオード部ＰＤに対し第１の電荷転送部ＴＲＸと異なる方向に隣接する第３のゲート電極で覆われた第３の電荷転送部ＯＦＧと、第３の電荷転送部ＯＦＧに対しフォトダイオード部ＰＤと異なる方向で隣接し電源電圧ＶＤＤに接続されるオーバーフロードレイン部とを含む。

【0013】

＜固体撮像装置のグローバルシャッタ共有画素の平面レイアウト＞
図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ共有画素の平面レイアウト図である。フローティングディフュージョン部ＦＤの接続配線を太線で示している。グローバルシャッタ共有画素は、図２に示すように、まず、２つの単位画素１００－１および１００－２をフローティングディフュージョン部ＦＤで接続し、列方向（図の上下方向）に対向配置する。

【0014】

さらに、太線で示される画素１００－２内の配線によりそのゲート電極がフローティングディフュージョン部ＦＤと接続されるソースフォロワートランジスタＳＦおよび行選択トランジスタＳＥＬで構成される信号電荷検出部と、さらには同じ太線で示される画素１００－２内の配線を介してそのソース部がフローティングディフュージョン部ＦＤと接続され、そのドレイン部が電源電圧ＶＤＤに接続されるリセットトランジスタ（信号電荷リセット部）ＲＳＴとを２つの単位画素１００－１および１００－２で共有することにより構成される。なお、単位画素１００－１と１００－２との画素ピッチをａとする。

【0015】

図３は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ共有画素１００－１および１００－２の回路構成を示す図である。グローバルシャッタ共有画素１００－１および１００－２は、第１の電荷転送部ＴＲＸ１およびＴＲＸ２と、第２の電荷転送部ＴＲＧ１およびＴＲＧ２と、オーバーフローゲート（第３の電荷転送部）ＯＦＧ１およびＯＦＧ２と、フォトダイオード部ＰＤ１およびＰＤ２と、電荷保持部ＭＥＭ１およびＭＥＭ２と、フローティングディフュージョン部ＦＤと、リセットトランジスタＲＳＴと、ソースフォロワートランジスタＳＦと、行選択トランジスタＳＥＬとを含む。

【0016】

フォトダイオード部ＰＤ１は、入射した光を光電変換によって電荷に変換して蓄積する光電変換部として機能する。フォトダイオード部ＰＤ１のアノード端子が接地され、カソード端子が第１の電荷転送部ＴＲＸ１および第３の電荷転送部ＯＦＧ１に接続される。

【0017】

第１の電荷転送部ＴＲＸ１は、図示しない第１の転送信号によって駆動する。第１の電荷転送部ＴＲＸ１がオンになると、フォトダイオード部ＰＤ１に蓄積されている電荷が電荷保持部ＭＥＭ１に転送される。フォトダイオード部ＰＤ１から電荷保持部ＭＥＭ１への電荷の転送は、固体撮像素子が有する全ての単位画素で略同一のタイミングで行われ、全ての単位画素で電荷が一斉に転送される。電荷保持部ＭＥＭ１は、フォトダイオード部ＰＤ１から転送される電荷を保持する。

【0018】

第２の電荷転送部ＴＲＧ１は、後述の行読み出し駆動信号によって駆動する。第２の電荷転送部ＴＲＧ１がオンになると、電荷保持部ＭＥＭ１に蓄積されている電荷がフローティングディフュージョン部ＦＤに転送される。

【0019】

オーバーフローゲートＯＦＧ１は、図示しない排出信号によって駆動する。オーバーフローゲートＯＦＧ１がオンになると、フォトダイオード部ＰＤ１に溜まっている電荷が電源配線ＶＤＤに排出される。また、オーバーフローゲートＯＦＧ１は、フォトダイオード部ＰＤ１の飽和電荷量よりも多い電荷が光電変換によって発生した場合に、フォトダイオード部ＰＤ１から電源配線ＶＤＤに電荷をオーバーフローさせる（溢れさせる）機能を有している。

【0020】

同様に、フォトダイオード部ＰＤ２は、入射した光を光電変換によって電荷に変換して蓄積する光電変換部として機能する。フォトダイオード部ＰＤ２のアノード端子が接地され、カソード端子が第１の電荷転送部ＴＲＸ２および第３の電荷転送部ＯＦＧ２に接続される。

【0021】

第１の電荷転送部ＴＲＸ２は、図示しない第１の転送信号によって駆動する。第１の電荷転送部ＴＲＸ２がオンになると、フォトダイオード部ＰＤ２に蓄積されている電荷が電荷保持部ＭＥＭ２に転送される。フォトダイオード部ＰＤ２から電荷保持部ＭＥＭ２への電荷の転送は、固体撮像素子が有する全ての単位画素で略同一のタイミングで行われ、全ての単位画素で電荷が一斉に転送される。電荷保持部ＭＥＭ２は、フォトダイオード部ＰＤ２から転送される電荷を保持する。

【0022】

第２の電荷転送部ＴＲＧ２は、後述の行読み出し駆動信号によって駆動する。第２の電荷転送部ＴＲＧ２がオンになると、電荷保持部ＭＥＭ２に蓄積されている電荷がフローティングディフュージョン部ＦＤに転送される。

【0023】

オーバーフローゲートＯＦＧ２は、図示しない排出信号によって駆動する。オーバーフローゲートＯＦＧ２がオンになると、フォトダイオード部ＰＤ２に溜まっている電荷が電源配線ＶＤＤに排出される。また、オーバーフローゲートＯＦＧ２は、フォトダイオード部ＰＤ２の飽和電荷量よりも多い電荷が光電変換によって発生した場合に、フォトダイオード部ＰＤ２から電源配線ＶＤＤに電荷をオーバーフローさせる（溢れさせる）機能を有している。

【0024】

ソースフォロワートランジスタＳＦは、フローティングディフュージョン部ＦＤに蓄積されている電荷に応じたレベルの画素信号を、行選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線ＶＳＬに出力する。すなわち、フローティングディフュージョン部ＦＤがソースフォロワートランジスタＳＦのゲート電極に接続される構成とすることにより、フローティングディフュージョン部ＦＤおよびソースフォロワートランジスタＳＦは、フォトダイオード部ＰＤ１またはＰＤ２において発生した電荷を、その電荷に応じたレベルの画素信号に変換する変換部として機能する。

【0025】

行選択トランジスタＳＥＬは、後述の行選択信号によって駆動する。行選択トランジスタＳＥＬがオンになると、ソースフォロワートランジスタＳＦから出力される画素信号が垂直信号線ＶＳＬに出力可能な状態となる。ソースフォロワートランジスタＳＦおよび行選択トランジスタＳＥＬは、信号電荷検出部として機能する。

【0026】

リセットトランジスタＲＳＴは、後述の行リセット信号（ＲＳＴ信号）によって駆動する。リセットトランジスタＲＳＴがオンになると、フローティングディフュージョン部ＦＤに蓄積されている電荷が電源配線ＶＤＤに排出されて、フローティングディフュージョン部ＦＤがリセットされる。

【0027】

フローティングディフュージョン部ＦＤは、ソースフォロワートランジスタＳＦのゲート電極に接続された所定の蓄積容量を有する第１導電型半導体領域であり、電荷保持部から転送される電荷を蓄積する。なお、フローティングディフュージョン部ＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、ソースフォロワートランジスタＳＦおよび行選択トランジスタＳＥＬは、２つの単位画素１００－１および１００－２で共有される。

【0028】

＜固体撮像装置のグローバルシャッタ２×２画素ユニットの平面レイアウト＞
図４は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ２×２画素ユニットの平面レイアウト図である。フローティングディフュージョン部ＦＤの接続配線を太線で示している。なお、単位画素１００－１１および１００－２１で１つのグローバルシャッタ共有画素が構成され、単位画素１００－１２および１００－２２で他のグローバルシャッタ共有画素が構成される。

【0029】

グローバルシャッタ２×２画素ユニットは、図２に示すグローバルシャッタ共有画素（１００－１，１００－２）に対し、同じグローバルシャッタ共有画素を列方向（上下方向）に反転し、行方向および列方向にそれぞれ画素ピッチａに対してａ／２ずつずらして隣接配置されている。

【0030】

図４に示すように、左側のグローバルシャッタ共有画素（１００－１１，１００－２１）の上側のフォトダイオードＰＤ１１に隣接するオーバーフローゲートＯＦＧ１１のオーバーフロードレイン部のＶＤＤは、右側のグローバルシャッタ共有画素（１００－１２，１００－２２）のリセットトランジスタＲＳＴ２のドレイン端子に接続されるＶＤＤと共有されている。

【0031】

＜固体撮像装置の平面レイアウト＞
図５は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１の平面レイアウト図である。フローティングディフュージョン部ＦＤの接続配線を太線で示している。本実施形態に係る固体撮像装置は、図３に示すグローバルシャッタ２×２ユニットを、列方向に２画素周期、行方向に１画素周期で複数個配列することにより構成される。

【0032】

図５に示すように、例えば、左上側のグローバルシャッタ共有画素（１００－１１，１００－２１）の下側のフォトダイオードＰＤ２１に隣接するオーバーフローゲートＯＦＧ２１のＶＤＤは、その右下側のグローバルシャッタ共有画素（１００－３２，１００－４２）のソースフォロワートランジスタＳＦ２２のドレイン部に接続されるＶＤＤと共有されている。なお、他のグローバルシャッタ共有画素についても、同様に配置され、同様に接続される。

【0033】

図５においては、グローバルシャッタ共有画素（１００－１３，１００－２３）とグローバルシャッタ共有画素（１００－１４，１００－２４）とで、１つのグローバルシャッタ２×２画素ユニットが構成される。また、グローバルシャッタ共有画素（１００－３１，１００－４１）とグローバルシャッタ共有画素（１００－３２，１００－４２）とで、１つのグローバルシャッタ２×２画素ユニットが構成される。同様に、グローバルシャッタ共有画素（１００－３３，１００－４３）とグローバルシャッタ共有画素（１００－３４，１００－４４）とで、１つのグローバルシャッタ２×２画素ユニットが構成される。

【0034】

＜固体撮像装置の行読み出し駆動配線＞
図６は、図５に示す本発明の実施形態に係る固体撮像装置１の平面レイアウトに、第２の電荷転送部ＴＲＧに接続される行読み出し駆動配線を太線で追加した図である。行読み出し駆動配線ＴＲＧ１～ＴＲＧ４は、列方向に配列された各グローバルシャッタ共有画素の境界部にジグザグに配線され、各グローバルシャッタ共有画素の上側の第２の電荷転送部ＴＲＧが同じ行読み出し駆動配線（ＴＲＧ１，ＴＲＧ３）で接続され、下側の第２の電荷転送部ＴＲＧが同じ行読み出し駆動配線（ＴＲＧ２，ＴＲＧ４）で接続されている。

【0035】

＜固体撮像装置の行選択トランジスタＳＥＬに接続される駆動配線およびリセットトランジスタＲＳＴに接続される駆動配線＞
図７は、図５に示す本発明の実施形態に係る固体撮像装置の平面レイアウトに、行選択トランジスタＳＥＬに接続される駆動配線と、リセットトランジスタＲＳＴに接続される駆動配線とを太線で追加した図である。

【0036】

行選択トランジスタＳＥＬ１１、ＳＥＬ１２、ＳＥＬ１３およびＳＥＬ１４に駆動配線（行選択信号）ＳＥＬ１が接続される。画素配列内では別の配線となっているが、図示しない画素周辺回路部で接続されており、同じ波形が供給される。

【0037】

行選択トランジスタＳＥＬ２１、ＳＥＬ２２、ＳＥＬ２３およびＳＥＬ２４に駆動配線ＳＥＬ２が接続される。画素配列内では別の配線となっているが、行選択信号ＳＥＬ１と同様に、図示しない画素周辺回路部で接続されており、同じ波形が供給される。

【0038】

リセットトランジスタＲＳＴ１１、ＲＳＴ１２、ＲＳＴ１３およびＳＥＬ１４に駆動配線（行リセット信号）ＲＳＴ１が接続される。画素配列内では別の配線となっているが、図示しない画素周辺回路部で接続されており、同じ波形が供給される。

【0039】

リセットトランジスタＲＳＴ２１、ＲＳＴ２２、ＲＳＴ２３およびＳＥＬ２４に駆動配線ＲＳＴ２が接続される。画素配列内では別の配線となっているが、行リセット信号ＲＳＴ１と同様に、図示しない画素周辺回路部で接続されており、同じ波形が供給される。

【0040】

各駆動配線ＳＥＬ１、ＳＥＬ２、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２は、各グローバルシャッタ共有画素の境界部にジグザグに配線されている。駆動配線ＳＥＬ１とＲＳＴ１とは、各グローバルシャッタ共有画素に対し、２本の配線で接続されるが、図７に示すようにグローバルシャッタ共有画素の上側に配線される場合と、下側に配線される場合とで列方向の配列順序が逆になっている。

【0041】

図８は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１の画素信号の読み出し方法を説明するための図である。図８に示すように、ジグザグに配置された単位画素から画素信号を読み出すことにより、従来技術と比較して、読み出し回数を半分にすることができる。したがって、高フレームレートで動作させることができ、高速読み出しが可能となる。

【0042】

以上説明したように、本実施形態における固体撮像装置によれば、２つの単位画素１００－１および１００－２をフローティングディフュージョン部ＦＤで接続し、列方向（図の上下方向）に対向配置してグローバルシャッタ共有画素とする。そして、グローバルシャッタ共有画素の上側の第２の電荷転送部ＴＲＧが行読み出し駆動配線で接続され、下側の第２の電荷転送部ＴＲＧが別の行読み出し駆動配線で接続されるようにした。これによって、読み出しライン数を削減することができ、高フレームレートを実現することが可能となった。

【0043】

フレームレート（１画面を読み出すために必要な時間）は、１ラインあたりの読み出し時間（１ライン当たりのＡＤ変換時間）に、読み出しライン数を掛けて計算する。したがって、画素数が同じでも、読み出しライン数が半分になるとフレームレートは単純に２倍となる。

【0044】

また、グローバルシャッタ共有画素（１００－１１，１００－２１）の上側のフォトダイオードＰＤ１１に隣接するオーバーフローゲートＯＦＧ１１のオーバーフロードレイン部のＶＤＤが、グローバルシャッタ共有画素（１００－１２，１００－２２）のリセットトランジスタＲＳＴ２のドレイン端子に接続されるＶＤＤと共有されるようにした。したがって、グローバルシャッタ共有画素（１００－１１，１００－２１）と、グローバルシャッタ共有画素（１００－１２，１００－２２）との配置が効率的に行えるようになり、フォトダイオード部および電荷保持部の特性を保持することが可能となった。

【0045】

また、グローバルシャッタ共有画素（１００－１１，１００－２１）の下側のフォトダイオードＰＤ２１に隣接するオーバーフローゲートＯＦＧ２１のＶＤＤが、グローバルシャッタ共有画素（１００－３２，１００－４２）のソースフォロワートランジスタＳＦ２２のドレイン部に接続されるＶＤＤと共有されるようにした。したがって、グローバルシャッタ共有画素（１００－１１，１００－２１）と、グローバルシャッタ共有画素（１００－３２，１００－４２）との配置が効率的に行えるようになり、フォトダイオード部および電荷保持部の特性を保持することが可能となった。

【0046】

固体撮像素子の感度特性および飽和電荷量は、フォトダイオード部ＰＤの面積に依存する。また、グローバルシャッタ画素の飽和電荷量は、電荷保持部ＭＥＭの面積に依存する。したがって、配置を効率的に行うことにより、斜め画素配置としてもフォトダイオード部ＰＤおよび電荷保持部ＭＥＭの面積を保持でき、通常の画素配列で同等の特性を保持できる。

【0047】

その他、各単位画素のレイアウトが同一であり、各グローバルシャッタ共有画素のレイアウトを同一とすることにより、各画素の感度・飽和電荷量・暗時ノイズ特性・電荷転送特性等、様々な特性を均一にすることが可能になる。

【0048】

また、行選択トランジスタＳＥＬ１１、ＳＥＬ１２、ＳＥＬ１３およびＳＥＬ１４に駆動配線（行選択信号）ＳＥＬ１が接続され、行選択トランジスタＳＥＬ１１およびＳＥＬ１３に接続される駆動配線と、行選択トランジスタＳＥＬ１２およびＳＥＬ１４に接続される駆動配線とが、別の配線となるようにした。したがって、行選択信号ＳＥＬ１の配線が効率的に行えるようになった。

【0049】

また、リセットトランジスタＲＳＴ１１、ＲＳＴ１２、ＲＳＴ１３およびＳＥＬ１４に駆動配線（行リセット信号）ＲＳＴ１が接続され、リセットトランジスタＲＳＴ１１およびＲＳＴ１３に接続される駆動配線と、リセットトランジスタＲＳＴ１２およびＲＳＴ１４に接続される駆動配線とが、別の配線となるようにした。したがって、行リセット信号ＲＳＴ１の配線が効率的に行えるようになった。

【0050】

また、駆動配線ＳＥＬ１とＲＳＴ１とが、各グローバルシャッタ共有画素に対し、２本の配線で接続されるが、グローバルシャッタ共有画素の上側に配線される場合と、下側に配線される場合とで列方向の配列順序が逆になるようにした。したがって、行選択信号ＳＥＬ１と行リセット信号ＲＳＴ１との配線が効率的に行えるようになった。

【0051】

＜まとめ＞
本発明の態様１に係る固体撮像装置は、グローバルシャッタ共有画素を隣接配置した２×２画素ユニットを、複数個配置した固体撮像装置であって、隣接する２×２画素ユニットは、列方向に２画素周期、行方向に１画素周期で複数個配置され、２×２画素ユニットは、第１のグローバルシャッタ共有画素と、第１のグローバルシャッタ共有画素と同一のレイアウトを列方向に反転した配置の第２のグローバルシャッタ共有画素とが行方向および列方向にそれぞれ１／２画素ピッチずつずらして隣接配置され、第１のグローバルシャッタ共有画素および第２のグローバルシャッタ共有画素のそれぞれは、１対の単位画素が列方向に対向配置され、電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷に応じて画素信号を生成する信号電荷検出部と、フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を排出する信号電荷リセット部とを共有し、１対の単位画素のそれぞれは、光信号を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオード部と、フォトダイオード部に蓄積される電荷を転送する第１の電荷転送部と、第１の電荷転送部によって転送される電荷を保持する電荷保持部と、電荷保持部に保持される電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第２の電荷転送部とを備える。

【0052】

上記の構成によれば、読み出しライン数を削減することができ、高フレームレートを実現することが可能となる。

【0053】

本発明の態様２に係る固体撮像装置は、上記態様１において、第１のグローバルシャッタ共有画素内の上側の単位画素の第２の電荷転送部と、第２のグローバルシャッタ共有画素内の上側の単位画素の第２の電荷転送部とが第１の行読み出し駆動信号で駆動され、第１のグローバルシャッタ共有画素の下側の単位画素の第２の電荷転送部と、第２のグローバルシャッタ共有画素の下側の単位画素の第２の電荷転送部とが第２の行読み出し駆動信号で駆動される。

【0054】

上記の構成によれば、読み出しライン数を削減することができ、高フレームレートを実現することが可能となる。

【0055】

本発明の態様３に係る固体撮像装置は、上記態様１または２において、単位画素はさらに、フォトダイオード部の飽和電荷量よりも多い電荷を排出する第３の電荷転送部を備え、第１のグローバルシャッタ共有画素内の単位画素の第３の電荷転送部のオーバーフロードレイン部と、第２のグローバルシャッタ共有画素内の信号電荷リセット部のドレイン部とが、同一の第１半導体領域によって構成される。

【0056】

上記の構成によれば、第１のグローバルシャッタ共有画素と、第２のグローバルシャッタ共有画素との配置が効率的に行えるようになり、フォトダイオード部および電荷保持部の特性を保持することが可能となる。

【0057】

本発明の態様４に係る固体撮像装置は、上記態様１または２において、単位画素はさらに、フォトダイオード部の飽和電荷量よりも多い電荷を排出する第３の電荷転送部を備え、第１のグローバルシャッタ共有画素内の単位画素の第３の電荷転送部のオーバーフロードレイン部と、第２のグローバルシャッタ共有画素内の信号電荷検出部のドレイン部とが、同一の第１半導体領域によって構成される。

【0058】

上記の構成によれば、第１のグローバルシャッタ共有画素と、第２のグローバルシャッタ共有画素との配置が効率的に行えるようになり、フォトダイオード部および電荷保持部の特性を保持することが可能となる。

【0059】

本発明の態様５に係る固体撮像装置は、上記態様１～４のいずれかにおいて、第１のグローバルシャッタ共有画素内の信号電荷検出部に接続される行選択信号と、第２のグローバルシャッタ共有画素内の信号電荷検出部に接続される行選択信号とが、同じ信号波形であり、別の配線で接続される。

【0060】

上記の構成によれば、行選択信号の配線が効率的に行えるようになる。

【0061】

本発明の態様６に係る固体撮像装置は、上記態様５において、第１のグローバルシャッタ共有画素内の信号電荷リセット部に接続される行リセット信号と、第２のグローバルシャッタ共有画素内の信号電荷リセット部に接続される行リセット信号とが、同じ信号波形であり、別の配線で接続される。

【0062】

上記の構成によれば、行リセット信号の配線が効率的に行えるようになる。

【0063】

本発明の態様７に係る固体撮像装置は、上記態様６において、第１のグローバルシャッタ共有画素に接続される行選択信号および行リセット信号の配線の並びと、第２のグローバルシャッタ共有画素に接続される行選択信号および行リセット信号の配線の並びとが逆である。

【0064】

上記の構成によれば、行選択信号と行リセット信号との配線が効率的に行えるようになる。

【0065】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【符号の説明】

【0066】

１ 固体撮像装置
１００，１００－１～１００－２，１００－１１～１００－４４ 単位画素
ＰＤ，ＰＤ１～ＰＤ２，ＰＤ１１～ＰＤ４４ フォトダイオード
ＴＲＸ，ＴＲＸ１～ＴＲＸ２，ＲＸ１１～ＴＲＸ４４ 第１の電荷転送部
ＴＲＧ，ＴＲＧ１～ＴＲＧ２，ＴＲＧ１１～ＴＲＧ４４ 第２の電荷転送部
ＯＦＧ，ＯＦＧ１～ＯＦＧ２，ＯＦＧ１１～ＯＦＧ４４ オーバーフローゲート部
ＦＤ フローティングディフュージョン部
ＳＦ，ＳＦ１１～ＳＦ２４ ソースフォロワートランジスタ
ＳＥＬ，ＳＥＬ１１～ＳＥＬ２４ 行選択トランジスタ
ＲＳＴ，ＲＳＴ１１～ＲＳＴ２４ 信号電荷リセット部
ＶＤＤ 電源配線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】