[发明专利]固体摄像装置和电子设备

说明书

相关专利申请

本发明包含与2011年12月7日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2011-267505中公开的内容相关的主题，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及固体摄像装置和电子设备，特别地，涉及获得低噪声和高帧频的固体摄像装置和电子设备。

背景技术

近年来，CMOS(补偿金属氧化物半导体)图像传感器作为具有摄像功能的手机、数字静物摄影机、摄像机以及监视摄像机等的摄像装置的使用与日俱增。CMOS图像传感器具有这样的特点，像素部和外围电路部形成在同一个半导体基板上。

在像素部，很多个像素以阵列的形式形成。通常来说，在像素中经常使用四晶体管型像素架构(four-transistor-type pixel architecture)，其中包括传输晶体管、放大晶体管、选择晶体管和复位晶体管。

传输晶体管将积累在用作光电转换部的PD(光电二极管)和电荷积累部的电荷传输到探测PD中产生的电荷的FD(浮动扩散部)中。放大晶体管放大FD中积累的电荷，并且输出具有与电荷对应的电平的信号。选择晶体管选择用于信号读取的目标的像素，复位晶体管将积累在FD中的电荷复位。

此外，为了减小像素尺寸，可经常使用三晶体管型像素架构(three-transistor-type pixel architecture)，其中包括传输晶体管、放大晶体管和复位晶体管，而不安装选择晶体管。

然而，近来，相应于对具有更多像素、更小尺寸等的摄像装置的需求，安装在摄像装置中的像素的尺寸已经变小了。例如，可以采用像素共用结构来减少CMOS图像传感器的大小。

在作为共用单元的预定数量的像素中(例如，两个或者四个像素)，像素共用结构是共同使用FD、放大晶体管、选择晶体管和复位晶体管的像素架构，并且分别具有PD和传输晶体管。例如，通过共同使用FD、放大晶体管、选择晶体管和复位晶体管的两个像素形成两像素共用结构，其中该两像素分别具有PD和传输晶体管。

因此，在没有使用像素共用结构的情况下，在两个像素中使用八个晶体管(每个像素四个晶体管)，而使用两像素共用结构的情况下，两个像素中使用五个晶体管。换言之，两像素共用结构的每个像素可只有2.5个晶体管，这能够减少晶体管占用的面积，从而增加PD的面积。

例如，日本未审专利申请公报No.2009-26984公开了一种固体摄像装置，其中通过使用像素共用结构，像素之间灵敏度的偏差减少了，同时保持了高的孔径比。

然而，在日本未审专利申请公报No.2009-26984公开的固体摄像装置中，为了抑制布置了红色像素的行中绿色像素与布置了蓝色像素的行中绿色像素之间灵敏度的偏差，放大晶体管、选择晶体管和复位晶体管优选包含在一个像素节距内。因此，像素节距限制了放大晶体管的栅极长度。由于像素尺寸减少，并且放大晶体管的栅极长度设置得变短，放大晶体管的随机噪声增加，因此难以实现低噪声。在这种方式中，可以推测成像性能的劣化。

这里已知，信号与噪声的S/N比(信号/噪声比)作为确定CMOS图像传感器的图像质量的特性之一。信号根据摄像装置的灵敏度以及转换效率的乘积获得，而噪声包括随机噪声或者散粒噪声(shot noise)等。已知，随机噪声作为由像素引起的随机噪声和由外围晶体管引起的随机噪声。由像素引起的随机噪声包括PD中产生的噪声以及放大晶体管中产生的噪声。最近，由于嵌入型光电二极管结构已经用作CMOS图像传感器，PD中产生的噪声显著减少。另一方面，放大晶体管中产生的噪声倾向于显著影响随机噪声。

此外，已知放大晶体管内产生的一类随机噪声1/f与放大晶体管的栅极长度和栅极宽度的乘积成反比。也就是说，为了提高S/N特性，增加放大晶体管的尺寸(栅极长度L×栅极宽度W)是有效的。

日本未审专利申请公报No.2010-165854公开了一种固体摄像装置，该装置通过如下的结构来形成，该结构具有通过使用垂直方向上两个像素以及水平方向上4×n个像素的光电二极管阵列作为一个共用单元的布局，在该共用单元中放大晶体管的尺寸增大了。