CN101835003B - 固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。不会降低将电荷变换为电压时的变换效率，可以实现高集成化。使充电晶体管(24)介于用于实现全局快门功能的电荷积蓄用电容器(28)与FD部(29)之间，并且通过该充电晶体管(24)利用与FD部(29)的电荷对应的电流对电荷积蓄用电容器(24)进行充电。然后，将通过传送晶体管(22)从光电二极管(21)向FD部(29)传送了电荷时的电荷积蓄用电容器(28)的端子间电压作为信号电压通过放大晶体管(25)输出给垂直信号线(17)。另外，将FD部(29)被第一复位晶体管(23)复位了时的电荷积蓄用电容器(24)的端子间电压，作为复位电压通过放大晶体管(25)输出给垂直信号线(17)。

Description

固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备
技术领域
本发明涉及固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备，特别涉及具有全局快门(global shutter)功能的X-Y地址方式的固体摄像装置、该固体摄像装置的驱动方法以及具有该固体摄像装置的电子设备。
背景技术
固体摄像装置被大致分为以CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器为代表的X-Y地址方式的固体摄像装置、与以CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)图像传感器为代表的电荷传送方式的固体摄像装置。此处，CMOS图像传感器可以实现像素信号的随机访问，进而具有与CCD图像传感器相比像素信号的读出为高速且低功耗这样的特长。
另外，大部分的CMOS图像传感器将积蓄在光电变换部中的信号电荷传送给电荷电压变换部，将通过该电荷电压变换部得到的电压作为输出。电子快门功能是通过周期性地对电荷电压变换部进行复位而实现的。CMOS图像传感器的电子快门功能的快门方式是对于二维排列的多个像素针对每个像素行进行曝光的开始以及结束的设定的所谓卷帘快门(rolling shutter)(还称为焦平面快门(focal planeshutter))方式。
因此，卷帘快门方式的CMOS图像传感器与对所有像素在同一定时进行曝光的全局快门方式的CCD图像传感器不同，针对每个像素行曝光期间被错开(不同)。于是，在针对每个像素行错开曝光期间时，在对移动着的物体进行摄影的情况下，在摄像图像中产生失真。
为了实现全局快门功能，以往，采用如下结构：在像素内相对将电荷变换为信号电压的浮动扩散(floating diffusion)部并联地连接电荷积蓄用电容器，在该电容器中积蓄电荷(例如参照专利文献1)。
进而，为了实现全局快门功能，并且在像素内可以放大信号电压，采用如下结构：针对一个像素设置两个电荷积蓄用电容器，根据这些两个电容器的电容比具有放大功能(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开平11-177076号公报
专利文献2：日本特开2005-65074号公报
在专利文献1记载的以往技术中，为了实现电荷保持时间的延长、抗扰性的提高，需要将电荷积蓄用电容器的电容值设定得较大。但是，在增大电荷积蓄用电容器的电容值时，浮动扩散部的电容增加而电荷电压的变换效率降低。即，电荷积蓄用电容器的电荷保持时间与浮动扩散部的变换效率处于折衷(trade off)的关系。
另外，电荷积蓄用电容器必需可以保持从光电变换部完全传送的所有电荷。因此，作为电荷积蓄用电容器的面积，需要与光电变换部相同程度的面积，所以专利文献1记载的以往技术无法应对像素的缩小化。进而，由于是对信号进行对数压缩，并通过电流镜电路进行放大的结构，所以需要抑制放大晶体管的阈值电压Vth的偏差，为了提高放大率而需要增大放大晶体管的尺寸，故无法应对小型化。而且，由于无法去除复位时的KTC噪声，所以无法抑制像素固有的固定图案噪声。
另一方面，在专利文献2记载的以往技术中，进而需要对两个电荷积蓄用电容器分别进行复位的两个复位晶体管，所以必需集成到一个像素中的元件数变多，所以难以实现高集成化。另外，关于像素的复位，对于复位信号，也需要两个系统，所以驱动像素的周边的驱动电路的结构变得复杂。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种固体摄像装置、该固体摄像装置的驱动方法以及具有该固体摄像装置的电子设备，不会降低将电荷变换为电压时的变换效率，而可以实现高集成化。
本发明的固体摄像装置成为配置有单位像素的结构，其特征在于，该单位像素包括：
传送晶体管，从光电变换部向浮动扩散部(FD部)传送电荷；
第一复位晶体管，对上述浮动扩散部进行复位；
电荷积蓄用电容器；
充电晶体管，根据上述浮动扩散部的电荷，对上述电荷积蓄用电容器进行充电；
第二复位晶体管，对上述电荷积蓄用电容器进行复位；
放大晶体管，输出与上述电荷积蓄用电容器的电荷对应的电信号；以及
选择晶体管，将上述放大晶体管选择性地设为动作状态。
在上述结构的固体摄像装置中，充电晶体管存在于用于实现全局快门功能的电荷积蓄用电容器与FD部之间，从而电荷积蓄用电容器与FD部的电容没有并联连接，不会通过插入电荷积蓄用电容器而使FD部的电容值大幅变化。由此，可以同时满足处于折衷关系的电荷积蓄用电容器的电荷保持时间与FD部的变换效率。具体而言，通过将电荷积蓄用电容器的电容值设定得较大，不会降低FD部的变换效率，而可以实现电荷积蓄用电容器的电荷保持时间的延长、抗扰性的提高。而且，在单位像素各自中，仅追加一个电荷积蓄用电容器与两个晶体管(充电晶体管以及第二复位晶体管)，从而可以通过少的元件数实现全局快门功能。
根据本发明，可以同时满足处于折衷关系的电荷积蓄用电容器的电荷保持时间与FD部的变换效率，并且可以通过少的元件数实现全局快门功能，所以不会降低FD部的变换效率，而可以实现高集成化。
附图说明
图1是示出应用了本发明的CMOS图像传感器的结构的概略的系统结构图。
图2是示出第一实施方式的单位像素的电路结构的电路图。
图3是用于说明第一实施方式的单位像素的电路动作的时序图。
图4是示出第二实施方式的像素共用的电路结构的电路图。
图5是用于说明第一实施方式的像素共用的电路动作的时序图。
图6是示出背面入射型的像素结构的一个例子的剖面图。
图7是示出使用叠层型电容器形成了电荷积蓄用电容器时的像素布局的概略俯视图。
图8是示出沿着图7的A-A’线的剖面结构的剖面图。
图9是示出本发明的摄像装置的结构例的框图。
标号说明
10CMOS图像传感器
11像素阵列部
12垂直驱动部
13列(column)处理部
14水平驱动部
15系统控制部
16像素驱动线
17垂直信号线
18半导体基板(芯片)
20(20-1～20-4)单位像素
21(21-1～21-4)光电二极管
22(22-1～22-4)第一传送晶体管
23第一复位晶体管
24(24-1～24-4)充电晶体管
25放大晶体管
26选择晶体管
27第二复位晶体管
28(28-1～28-4)电荷积蓄用电容器
29(29-1～29-4)浮动扩散部(FD部)
30共用电路部
31-1～31-4第二传送晶体管
具体实施方式
以下，使用附图，对用于实施发明的方式(以下记述为“实施方式”)进行详细说明。另外，按照以下顺序进行说明。
1.应用了本发明的固体摄像装置(CMOS图像传感器的例子)
2.第一实施方式(像素单独的例子)
3.第二实施方式(像素共用的例子)
4.电荷积蓄用电容器(叠层型电容器的例子)
5.变形例
6.本发明的电子设备(摄像装置的例子)
(1.本发明的固体摄像装置)
(系统结构)
图1是示出应用了本发明的固体摄像装置、例如X-Y地址型固体摄像装置的一种即CMOS图像传感器的结构的概略的系统结构图。此处，CMOS图像传感器是指，使用CMOS工艺、或者部分地使用CMOS工艺而制作的图像传感器。
如图1所示，本应用例的CMOS图像传感器10的结构具有：形成在半导体基板(芯片)18上的像素阵列部11；以及在与该像素阵列部11相同的半导体基板18上集成的周边电路部。作为周边电路部，例如设置有垂直驱动部12、列处理部13、水平驱动部14以及系统控制部15。
在像素阵列部11中，矩阵状地二维配置有未图示的单位像素(以下还有时简单地记述为“像素”)，该单位像素包括将入射的可见光光电变换为与其光量对应的电荷量的光电变换部(例如光电二极管)。而且，虽然省略了图示，但在每个像素中，分别设置有对入射光进行聚光的透镜即所谓的微透镜、彩色应对时的滤色片等。对于单位像素的具体结构，将在后面叙述。
在像素阵列部11中，还相对矩阵状的像素排列，针对每个行，沿着图的左右方向(像素行的像素排列方向/水平方向)，形成有像素驱动线16，针对每个列，沿着图的上下方向(像素列的像素排列方向/垂直方向)，形成有垂直信号线17。在图1中，作为像素驱动线16仅示出了一根线，但不限于一根线。像素驱动线16的一端和与垂直驱动部12的各行对应的输出端连接。
垂直驱动部12由移位寄存器、地址解码器等构成。此处，对于具体的结构虽然省略了图示，但垂直驱动部12具有读出扫描系统与扫掠扫描(sweep scanning)系统。读出扫描系统针对读出信号的单位像素按照行单位依次进行选择扫描。
另一方面，扫掠扫描系统针对由读出扫描系统进行读出扫描的读出行，进行如下扫掠扫描：与该读出扫描相比提前快门速度的时间量而从该读出行的单位像素的光电变换元件中扫出(复位)不需要的电荷。通过该扫掠扫描系统扫出(复位)不需要电荷，进行所谓的电子快门动作。此处，电子快门动作是指，去除光电变换元件的光电荷，而重新开始曝光(开始积蓄光电荷)的动作。
通过由读出扫描系统实现的读出动作而读出的信号对应于在其前一读出动作或电子快门动作以后入射的光量。于是，从前一读出动作的读出定时或电子快门动作的扫出定时至本次的读出动作的读出定时为止的期间成为单位像素中的光电荷的积蓄时间(曝光时间)。
从由垂直驱动部12选择扫描的像素行的各单位像素中输出的信号通过各垂直信号线17而被供给列处理部13。列处理部13针对像素阵列部11的像素列的每一个，对从选择行的各像素20中输出的模拟的像素信号进行预定的信号处理。
作为列处理部13中的信号处理，例如可以举出CDS(CorrelatedDouble Sampling：相关双采样)处理。CDS处理是如下的处理：取入从选择行的各像素中输出的复位电平和信号电平，并取得这些电平之差，从而得到一行的像素的信号，并且去除像素的固定图案噪声。在列处理部13中，还有时具有对模拟的像素信号进行数字化的AD变换功能。
水平驱动部14由移位寄存器、地址解码器等构成，对与列处理部13的像素列对应的电路部分依次进行选择扫描。通过该水平驱动部14进行的选择扫描，由列处理部13针对每个像素列依次输出信号处理后的像素信号。
系统控制部15接收从半导体基板18的外部提供的时钟、指令动作模式的数据等，并且输出该CMOS图像传感器10的内部信息等数据。系统控制部15进而具有生成各种定时信号的定时发生器，根据由该定时发生器生成的各种定时信号，进行垂直驱动部12、列处理部13以及水平驱动部14等的驱动控制。
在上述结构的CMOS图像传感器10中，对单位像素20附加临时积蓄电荷的电荷积蓄用电容器，从而可以实现对所有像素在同一定时进行曝光的全局快门功能。此处，对所有像素在同一定时进行曝光是指，所有像素同时开始曝光，并同时结束曝光。以下，对附加了用于实现全局快门功能的电荷积蓄用电容器时的单位像素20的具体的实施方式进行说明。
(2.第一实施方式)
(电路结构)
图2是示出第一实施方式的单位像素20的电路结构的电路图。如图2所示，本实施方式的单位像素20除了作为光电变换部的例如光电二极管21以外，例如还具有六个晶体管22～27与一个电容器28。此处，电容器28是用于实现全局快门功能的电荷积蓄用电容器。
此处，例如，作为晶体管22、23、25～27，使用N沟道的MOS晶体管，作为晶体管24使用耗尽(depression)型的MOS晶体管。但是，此处例示的晶体管22～27的导电型的组合只不过是一个例子，不限于这些组合。
针对该单位像素20，作为像素驱动线16，例如对于同一像素行的各像素共用地布线传送线161、第一复位线162、选择线163以及第二复位线164这四个像素驱动线。传送线161、第一复位线162、选择线163以及第二复位线164的各一端按照像素行单位和与垂直驱动部12的各像素行对应的输出端连接。
以下，在六个晶体管22～27中，将晶体管22称为传送晶体管，将晶体管23称为第一复位晶体管，将晶体管24称为充电晶体管。进而，将晶体管25称为放大晶体管，将晶体管26称为选择晶体管，将晶体管27称为第二复位晶体管。
光电二极管21的阳极电极被接地，将受光的光光电变换为与其光量对应的电荷量的光电荷(此处为光电子)并积蓄该光电荷。光电二极管21的阴极电极与作为传输门的传送晶体管22的一个主电极(漏电极/源电极)连接。
传送晶体管22的另一个主电极(源电极/漏电极)与作为传输门的充电晶体管24的栅电极连接。将传送晶体管22的另一个主电极与充电晶体管24的栅电极电连接的节点29称为FD(浮动扩散)部。即，传送晶体管22连接在光电二极管21的阴极电极与FD部29之间。
向传送晶体管22的栅电极，经由传送线161，提供高电平(例如Vdd电平，Vdd是正的电源电平)为激活(以下记述为“High激活”)的传送信号TG。由此，传送晶体管22成为导通状态，将由光电二极管21光电变换并积蓄在该光电二极管21中的光电荷传送给FD部29。
第一复位晶体管23的漏电极与正侧电源Vdd连接，源电极与FD部29连接。向第一复位晶体管23的栅电极，经由第一复位线162，提供High激活的第一复位信号FRST。由此，第一复位晶体管23成为导通状态，将FD部29的电荷提供(丢弃)给像素电源Vdd，从而对该FD部29进行复位。
充电晶体管24的栅电极与FD部29连接，漏电极与负侧电源Vss连接。该充电晶体管24例如由耗尽型的MOSFET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)构成，根据FD部29的电荷，对连接在源电极与基准电位节点(例如接地)之间的电荷积蓄用电容器28进行充电。对于电荷积蓄用电容器28的详细内容，在后面叙述。
作为充电晶体管24，优选为阈值电压是负的常导通类型并且导电性根据输入电压而变化的元件，例如可以使用埋入沟道型的MOSFET、J(Junction，结型)FET。
放大晶体管25的栅电极与电荷积蓄用电容器的一个端子(充电晶体管24的源电极)连接，漏电极与正侧电源Vdd连接。于是，放大晶体管25输出与积蓄在电荷积蓄用电容器中的电荷对应的电信号。
例如，选择晶体管26的漏电极与放大晶体管25的源电极连接，源电极与垂直信号线17连接。选择晶体管26通过对栅电极经由选择线163提供High激活的选择信号SEL而成为导通状态，使放大晶体管25成为动作状态。
即，选择晶体管26使单位像素20成为选择状态而将从放大晶体管25输出的信号向垂直信号线17中继。另外，对于选择晶体管26，还可以采用连接在正侧电源Vdd与放大晶体管25的漏极之间的电路结构。
第二复位晶体管27的漏电极与电荷积蓄用电容器的一个端子(充电晶体管24的源电极)连接，源电极被接地。在第二复位晶体管27中，向栅电极经由第二复位线164提供High激活的第二复位信号CRST。由此，第二复位晶体管27成为导通状态，将电荷充电用电容器28的电荷供给(丢弃)给接地，从而对该电容器28进行复位。
(电路动作)
矩阵状地二维配置了上述结构的单位像素20而成的CMOS图像传感器10如上所述，具有在由垂直驱动部12进行的驱动之下执行的电子快门功能、特别是全局快门功能。
该全局快门功能是在所有像素中通过利用第一复位晶体管23同时对FD部29进行了复位之后，在所有像素中同时从光电二极管21进行电荷的读出而实现的。此处的电荷的读出是指，从光电二极管21中读出电荷并将该电荷保持在FD部29、作为存储元件的电荷积蓄用电容器28中。
以下，使用图3的时序图，对上述结构的单位像素20的电路动作进行说明。在图3的时序图中，示出传送信号TG、选择信号SEL、第一复位信号FRST以及第二复位信号CRST这些各脉冲信号的定时关系。在说明电路动作时，将High(高)电平(以下记载为“‘H’电平”)设为超过MOSFET的阈值电压Vth的电压、例如Vdd电平，将Low(低)电平(以下记述为“‘L’电平”)设为0V。
在曝光结束的时刻t11传送信号TG成为“H”电平时，传送晶体管22成为导通状态而将积蓄在光电二极管21中的光电荷传送给FD部29。于是，在FD部29中进行电荷-电压变换，产生与从光电二极管21传送的电荷量对应的电压。FD部29中的变换效率与该FD部29的电容值成反比例。FD部29中产生的电压作为输入电压被施加给充电晶体管24的栅电极。
一般来讲，用作充电晶体管24的MOSFET的输入阻抗非常大，所以FD部29内的电荷不会经由充电晶体管24泄漏到基板而损失。因此，只要FD部29没有被复位，FD部29内的电压就被保持为由从光电二极管21传送的电荷量与FD部29的电容值决定的电压VFD。
接下来，在时刻t12第二复位信号CRST成为“H”电平时，第二复位晶体管27成为导通状态而对电荷积蓄用电容器28进行复位。即，电荷积蓄用电容器28内的电荷经由第二复位晶体管27供给(丢弃)给接地侧，从而对电荷积蓄用电容器28进行复位。
即使电荷积蓄用电容器28被复位，由于充电晶体管24存在于FD部29与电荷积蓄用电容器28之间，所以FD部29的电压VFD也不变化。因此，在电荷积蓄用电容器28的复位后与复位前，充电晶体管24的输入电压不变化。
充电晶体管24通过向电荷积蓄用电容器28流过与FD部29的电荷即电压VFD对应的电流，而对该电容器28进行充电。然后，在充电晶体管24的输入电压VFD与电荷积蓄用电容器28的端子间电压成为相同时，充电晶体管24的漏极-源极间电压成为0，所以充电晶体管24成为截止(turn off)。
通过充电晶体管24的截止，电荷积蓄用电容器28的充电结束。此时，在积蓄于电荷积蓄用电容器28的电荷中，还包含由于充电晶体管24的阈值偏差而引起的变动量以及KTC噪声。此处，KTC噪声是指，起因于对电荷积蓄用电容器28进行充电的开关动作而发生的噪声。
如上所述，充电晶体管24由耗尽型的MOSFET构成。而且，充电晶体管24的阈值电压是负，所以该充电晶体管24在向漏极-源极间施加了电压时，即使没有施加输入电压也在饱和区域中动作。即，并非通过输入电压而是通过漏极-源极间电压，来进行充电晶体管24的导通/截止控制。由此，可以校正充电晶体管24的阈值电压Vth的偏差。
相对耗尽型的MOSFET，在增强型的MOSFET中，如果不施加阈值电压以上的输入电压，则不进行饱和动作。即，在由增强型的MOSFET构成了充电晶体管24的情况下，通过输入电压进行增强型的MOSFET的导通/截止控制。在该情况下，无法校正充电晶体管24的Vth偏差。
于是，当输入电压在增强型的MOSFET的阈值电压附近变动时，频繁地发生导通/截止动作的反复，开关噪声被施加到信号上，所以SN比劣化。相对于此，耗尽型的MOSFET的阈值电压是负且是常导通状态，所以不会由于输入电压的变动而发生开关噪声。
电荷积蓄用电容器28的端子间电压被施加给放大晶体管25的栅电极。于是，在时刻t13选择信号SEL成为“H”电平时，选择晶体管26成为导通状态，使放大晶体管25成为动作状态，从而进行像素选择。由此，放大晶体管25对电荷积蓄用电容器28的端子间电压进行放大，经由选择晶体管26向垂直信号线17作为信号电压输出。
接下来，在选择信号SEL从“H”电平迁移到“L”电平的下降沿定时的时刻t14第二复位信号CRST成为“H”电平时，第二复位晶体管27再次成为导通状态。由此，电荷积蓄用电容器28的端子间电压以及垂直信号线17的电压成为接地电位。
接下来，在第二复位信号CRST的下降沿定时的时刻t15第一复位信号FRST成为“H”电平时，第一复位晶体管23成为导通状态而对FD部29进行复位。即，FD部29内的电荷通过第一复位晶体管23供给(丢弃)给正侧电源Vdd，从而对FD部29进行复位。
然后，在第一复位信号FRST的下降沿定时的时刻t16选择信号SEL成为“H”电平时，选择晶体管26再次成为导通状态，从而FD部29的复位电压经由充电晶体管24通过放大晶体管25进行放大并输出给垂直信号线17。在该复位电压中，还包含与FD部29的复位相伴的KTC噪声。
然后，在选择信号SEL的下降沿定时的时刻t17第二复位信号CRST成为“H”电平，第二复位晶体管27再次成为导通状态，从而对电荷积蓄用电容器28进行复位。以上，一帧期间的用于读出信号电压以及复位电压的一系列的动作结束。
在时刻t13的定时输出的信号电压、与在时刻t16的定时输出的复位电压经由垂直信号线17被依次供给给图1所示的列处理部13。然后，在列处理部13中，进行相关双采样(CDS)处理，从而去除像素固有的固定图案噪声、Vth偏差。噪声去除后的信号例如通过设置在列处理部13内的AD变换器变换为数字信号后被输出。
(第一实施方式的作用效果)
如上所述，在CMOS图像传感器10等X-Y地址方式的固体摄像装置中，对单位像素20附加临时积蓄电荷的电荷积蓄用电容器28，从而可以实现对所有像素在同一定时进行曝光的全局快门功能。
而且，通过采用使充电晶体管24存在于FD部29与电荷积蓄用电容器28之间，利用该充电晶体管24以与FD部29的电荷对应的电流对电荷积蓄用电容器28进行充电这样的结构，可以得到如下那样的作用效果。即，由于电荷积蓄用电容器28没有相对FD部29并联地连接，所以电荷积蓄用电容器28的电容值不会对FD部29的电容值造成影响。
由此，可以同时满足处于折衷关系的电荷积蓄用电容器28的电荷保持时间与FD部29的变换效率。具体而言，通过将电荷积蓄用电容器28的电容值设定得较大，不会降低FD部29的变换效率，而可以谋求电荷积蓄用电容器28的电荷保持时间的延长、抗扰性的提高。
另外，在单位像素20各自中，仅追加一个电荷积蓄用电容器28与两个晶体管24、27，从而可以通过少的元件数来实现全局快门功能，所以不会降低FD部29的变换效率，而可以实现高集成的固体摄像装置。进而，关于驱动单位像素20的信号，也仅追加第二复位信号CRST即可，所以垂直驱动部12的电路结构的变更也被限制为最小限。
(3.第二实施方式)
在第一实施方式中，成为包括电荷积蓄用电容器28的各单位像素20的电路结构的例子。相对于此，在第二实施方式中，成为在多个像素间共用单位像素20的结构要素的一部分的电路结构的例子。此处，例如以在同一像素列的相邻的四个像素间共用结构要素的一部分的情况为例子。
(电路结构)
图4是示出第二实施方式的单位像素20的电路结构的电路图，在图中，对与图2等同的部分附加同一标号而示出。
在四个像素20-1～20-4间共用单位像素20的结构要素的一部分时，设为在四个像素间至少共用放大晶体管25以及选择晶体管26这两个结构要素。在本例子的情况下，对于第一复位晶体管23以及第二复位晶体管27，也采用在四个像素间共用的结构。但是，不限于第一复位晶体管23以及第二复位晶体管27这两方的共用，而还可以采用共用某一个的结构。
单位像素20-1具有光电二极管21-1、第一传送晶体管22-1、充电晶体管24-1、电荷积蓄用电容器28-1以及第二传送晶体管31-1。
光电二极管21-1的阳极电极被接地，阴极电极与第一传送晶体管22-1的一个主电极连接。第一传送晶体管22-1的另一个主电极与FD部29-1连接。充电晶体管24-1的栅电极与FD部29-1连接，漏电极与负侧电源Vss连接。电荷积蓄用电容器28-1连接在充电晶体管24的源电极与接地间。
作为传输门的第二传送晶体管31-1是为了像素共用而设置的，连接在电荷积蓄用电容器28-1的一个端子(第一传送晶体管22-1的源电极)与共用节点N之间。该第二传送晶体管31-1通过向栅电极提供High激活的第二传送信号TG21而成为导通状态，将单位像素20-1的信号供给给共用电路部30。
对于单位电路20-2、20-3、以及20-4，也成为与单位像素20-1同样的结构。
共用电路部30由第一复位晶体管23、放大晶体管25、选择晶体管26以及第二复位晶体管27构成。第一复位晶体管23的漏电极与正侧电源Vdd连接，源电极与单位电路20-1～20-4的各FD部29-1～29-4分别连接。
放大晶体管25的栅电极与共用节点N连接，漏电极与正侧电源Vdd连接。选择晶体管26的漏电极与放大晶体管25的源电极连接，源电极与垂直信号线17连接。第二复位晶体管27的漏电极与共用节点N连接，源电极被接地。
(电路动作)
接下来，使用图5的时序图，对上述像素共用时的单位像素20(20-1～20-4)的电路动作进行说明。在图5的时序图中，示出第一传送信号TG1(TG11～TG14)、第二传送信号TG21～TG24、选择信号SEL、第一复位信号FRST以及第二复位信号CRST这些各脉冲的定时关系。
在曝光结束的时刻t21第一传送信号TG1成为“H”电平时，第一传送晶体管22-1～22-4成为导通状态而将积蓄在光电二极管21-1～21-4中的电荷传送给FD部29-1～29-4。于是，通过FD部29-1～29-4进行电荷-电压变换，产生与从光电二极管21-1～21-4传送的电荷量对应的电压。由FD部29-1～29-4产生的电压作为输入电压被施加给充电晶体管24-1～24-4的各栅电极。
接下来，在第一传送信号TG1的下降沿定时的时刻t22第二传送信号TG21～TG24一起成为“H”电平，接下来，在时刻t23第二复位信号CRST成为“H”电平。于是，第二复位晶体管27成为导通状态而对电荷积蓄用电容器28-1～28-4一起进行复位。
此时，对于FD部29-1～29-4，由于没有被复位，所以在这些FD部29-1～29-4中，保持从光电二极管21-1～21-4传送的电荷量。因此，在充电晶体管24-1～24-4的各栅电极中，对FD部29-1～29-4持续施加与光电二极管21-1～21-4的电荷量对应的电压值的输入电压。
然后，在时刻t24第二复位信号CRST从“H”电平迁移到“L”电平时，与此同时，充电晶体管24-1～24-4向电荷积蓄用电容器28-1～28-4流过与FD部29-1～29-4的电荷、即输入电压对应的电流，从而对这些电容器28-1～28-4进行充电。
在电荷积蓄用电容器28-1～28-4的充电后，依次在时刻t25第二传送信号TG21成为“H”电平，在时刻t26第二传送信号TG22成为“H”电平，在时刻t27第二传送信号TG23成为“H”电平，在时刻t28第二传送信号TG24成为“H”电平。此时同时，选择信号SEL也成为“H”电平，从而电荷积蓄用电容器28-1～28-4的各端子间电压通过放大晶体管25被依次放大，经由选择晶体管26输出给垂直信号线17。
然后，从第二传送信号TG21上升的定时的时刻t22到第二传送信号TG24下降的定时的时刻t29为止的期间T1成为读出四个单位像素20-1～20-4的各信号电压的读出期间。在该信号电压的读出期间T1中，在第二传送信号TG21～TG24的“H”电平期间，与选择信号SEL从“H”电平迁移到“L”电平的迁移定时同步地，第二复位信号CRST成为“H”电平。
接下来，在时刻t29第一复位信号FRST成为“H”电平，从而第一复位晶体管23成为导通状态而对FD部29-1～29-4进行复位。然后，依次在第一复位信号FRST的下降沿定时的时刻t30第二传送信号TG21成为“H”电平，在时刻t31第二传送信号TG22成为“H”电平，在时刻t32第二传送信号TG23成为“H”电平，在时刻t33第二传送信号TG24成为“H”电平。此时同时，选择信号SEL也成为“H”电平，从而FD部29-1～29-4的复位电压被放大晶体管25依次放大，经由选择晶体管26输出给垂直信号线17。
然后，从第二传送信号TG21上升的定时的时刻t30到第二传送信号TG24下降的定时的时刻t34为止的期间成为读出四个单位像素20-1～20-4的各复位电压的读出期间T2。在该复位电压的读出期间T2中，在第二传送信号TG21～TG24的“H”电平期间，与选择信号SEL从“H”电平迁移到“L”电平的迁移定时同步地，第二复位信号CRST成为“H”电平。
(第二实施方式的作用效果)
如上所述，即使在采用了在多个像素间共用单位像素20的结构要素的一部分的电路结构的情况下，也可以通过在单位像素20各自中设置电荷积蓄用电容器28来实现全局快门功能。而且，与第一实施方式的情况同样地，充电晶体管24存在于FD部29与电荷积蓄用电容器28之间，从而可以同时满足处于折衷关系的电荷积蓄用电容器28的电荷保持时间与FD部29的变换效率。
而且，通过采用像素共用的电路结构，在本例子的情况下，针对每个像素附加一个电容器28与三个晶体管22、24、31，从而可以通过极少的元件数来实现全局快门功能，所以可以实现比第一实施方式集成度更高的固体摄像装置。
(4.电荷积蓄用电容器)
接下来，对上述各实施方式的像素电路中使用的电荷积蓄用电容器28(28-1～28-4)进行说明。
对于针对每个单位像素20附加的电荷积蓄用电容器28，对其结构没有特别限定，但在考虑了高集成化的情况下，优选为叠层型电容器、深漕(trench)型电容器、以及结(junction)型电容器。特别，叠层型电容器具有可以较大地确保每单位面积的电容值的优点。
另外，通过将应用了本发明的CMOS图像传感器10的像素结构设为背面入射型(背面照射型)的像素结构，作为电荷积蓄用电容器28的形成区域，与表面入射型的像素结构相比可以确保更大的面积。如果可以将电荷积蓄用电容器28的形成区域的面积确保得较大，则可以相应地将电荷积蓄用电容器28的电容值设定得较大，所以可以对电荷积蓄用电容器28的电荷保持时间的延长、抗扰性的提高起到贡献。此处，背面入射型的像素结构是指，在将布线层侧设为表面时，从与该布线侧相反一侧、即背面侧取入入射光的结构。
(背面入射侧的像素结构)
图6是示出背面入射型的像素结构的一个例子的剖面图。此处，示出两个像素的剖面结构。
在图6中，在硅部(硅基板)41中，形成有光电二极管42、像素晶体管43。即，硅部41是元件形成部。此处，光电二极管42相当于图2的光电二极管21、图4的光电二极管21-1～21-4。另外，像素晶体管43相当于图2的传送晶体管22等、图4的传送晶体管22-1～22-4等。
在硅部41的一个面侧，隔着层间膜44形成了滤色片45。由此，从硅部41的一个面侧入射的光经由滤色片45导入到光电二极管42的受光面。另一方面，在硅部41的另一面侧，形成有在层间绝缘膜46内对像素晶体管43的栅电极、金属布线进行多层布线而成的布线层47。在布线层47的硅部41的相反一侧的面中，通过粘接剂48粘贴了支撑基板49。
在上述像素结构中，将形成有光电二极管42、像素晶体管43的硅部41的布线层47侧称为表面侧，将硅部41的布线层47的相反一侧称为背面侧。在这样的定义下，由于从硅部41的背面侧取入入射光，所以本像素结构成为背面入射型的像素结构。
根据该背面入射型的像素结构，从与布线层47相反的面侧取入入射光，所以可以将开口率设为100％。另外，由于在取入入射光的一侧不存在布线层47，所以即使不使用片上透镜(On Chip-Lens)，也可以将入射光聚光到光电二极管42的受光面。
(叠层型电容器)
此处，作为一个例子，对应用于背面入射型的像素结构、使用叠层型电容器形成的电荷积蓄用电容器28的结构进行说明。
图7是示出使用叠层型电容器形成了电荷积蓄用电容器28时的像素阵列的概略俯视图，在图中，对与图2等同的部分附加同一标号而示出。另外，图8示出沿着图7的A-A’线的剖面结构。
从图7可知，像素结构是背面入射型，所以没有针对入射光的制约，所以可以在层间绝缘膜54上，在光电二极管(PD)21的宽的区域配置由叠层型电容器构成的电荷积蓄用电容器28。这样，可以在光电二极管21上配置电荷积蓄用电容器28，从而可以提高每单位单元的PD填充率。而且，特别将叠层型电容器用作电荷积蓄用电容器28，所以可以将电荷积蓄用电容器28的电容值设定得较大。
在图8中，对与图6等同的部分附加同一标号而示出。如图8所示，叠层型电容器的电荷积蓄用电容器28通过设为在下部电极51与上部电极52之间夹入电介体53的结构而实现。
作为下部电极51以及上部电极52的电极材料，优选为钨、氮化钽等那样地熔点高且硅中的扩散系数小的材料。另外，作为电介体53的材料，优选为二氧化硅、氮化硅、二氧化铪、二氧化锆、以及五氧化钽等那样的介电常数高的材料且漏电流少的材料。
下部电极51经由形成在层间绝缘膜54(相当于图6的层间绝缘膜46)中的接触通孔(via)55，与图2所示的成为充电晶体管24的源区域的扩散层56电连接。上部电极53被接地。在扩散层56与光电二极管42(图2的光电二极管21)之间设置有元件分离区域57。
(5.变形例)
在上述各实施方式中，设为首先读出信号电压，之后读出复位电压，但其读出的顺序也可以相逆。即，也可以设为首先读出复位电压，之后读出信号电压，按照该读出顺序，在后级的信号处理系统中，也可以通过取得复位电压与信号电压的差分来进行噪声去除处理。
另外，在上述各实施方式中，以在列处理部13内进行噪声去除处理、AD变换处理为前提进行了说明，但还可以采用如下结构：对于这些处理，在列处理部13的后级或半导体基板(芯片)18的外部进行。
进而，在上述各实施方式中，以应用于CMOS图像传感器的情况为例子进行了说明，但不限于向CMOS图像传感器的应用。即，可以应用于所有矩阵状地配置将与可见光的光量对应的电荷作为物理量来检测并作为电信号输出的单位像素而成的X-Y地址型的固体摄像装置。
另外，固体摄像装置也可以是形成为一个芯片的方式，也可以是摄像部与信号处理部或光学系统被集中封装的具有摄像功能的模块状的方式。
(6.电子设备)
本发明不限于应用于固体摄像装置，也可以应用于摄像装置等电子设备。此处，电子设备是指，数字静止照相机(still camera)或摄像机等摄像装置(照相机系统)、具有摄像功能的便携电话机或PDA(Personal Digital Assistant，个人数字助理)等移动设备等。另外，还有时将搭载于电子设备中的上述模块状的方式、即照相机模块设为摄像装置。
(摄像装置)
图9是示出本发明的电子设备的一个例子即摄像装置的结构例的框图。如图9所示，本发明的摄像装置100具有包括透镜群101等的光学系统、摄像元件102、作为照相机信号处理部的DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107以及电源系统108等。而且，经由总线109相互连接了DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107以及电源系统108。
透镜群101取入来自被摄体的入射光(像光)而成像于摄像元件102的摄像面上。摄像元件102将通过透镜群101成像于摄像面上的入射光的光量按照像素单位变换为电信号并作为像素信号而输出。作为该摄像元件102，使用上述第一、第二实施方式的CMOS图像传感器、即不降低FD部的变换效率而可以实现全局快门功能的CMOS图像传感器。
显示装置105由液晶显示装置、有机EL(electro luminescence，电致发光)显示装置等平板型显示装置构成，显示由摄像元件102摄像的运动图像或静止图像。记录装置106将由摄像元件102摄像的运动图像或静止图像记录在录像带、DVD(Digital Versatile Disk，数字通用光盘)等记录介质中。
操作系统107在用户的操作之下，针对本摄像装置具有的各种功能发出操作指令。电源系统108对DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、以及操作系统107，适当地供给成为它们的动作电源的各种电源。
这样的摄像装置100应用于摄像机、数字静止照相机、进而面向便携电话机等移动设备的照相机模块。而且，通过将第一、第二实施方式的CMOS图像传感器用作摄像元件102，该CMOS图像传感器不会降低FD部的变换效率，而可以实现全局快门功能，所以可以得到无失真的高画质的摄像图像。

Claims (9)

1.一种配置有单位像素的固体摄像装置，其特征在于，该单位像素包括：
传送晶体管，从光电变换部向浮动扩散部传送电荷；
第一复位晶体管，对上述浮动扩散部进行复位；
电荷积蓄用电容器；
充电晶体管，利用与上述浮动扩散部的电荷对应的电流，对上述电荷积蓄用电容器进行充电；
第二复位晶体管，对上述电荷积蓄用电容器进行复位；
放大晶体管，输出与上述电荷积蓄用电容器的电荷对应的电信号；以及
选择晶体管，将上述放大晶体管选择性地设为动作状态。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，在上述充电晶体管中，阈值电压是负的，并且导电性根据输入电压而变化。
3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述电荷积蓄用电容器连接在上述充电晶体管的源电极与基准电位节点之间。
4.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
将多个上述单位像素设为组，并且具有由该多个单位像素共用的共用电路部，
上述多个单位像素分别具有第二传送晶体管，该第二传送晶体管选择性地向上述放大晶体管的栅电极传送上述电荷积蓄用电容器的电荷，
上述共用电路部至少具有上述放大晶体管以及上述选择晶体管。
5.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述共用电路部具有上述第一复位晶体管以及上述第二复位晶体管中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述单位像素是从与上述光电变换部的布线层侧相反的一侧取入入射光的背面入射型的像素结构，
针对每个上述单位像素在上述布线层侧形成上述电荷积蓄用电容器。
7.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，上述电荷积蓄用电容器是叠层型电容器。
8.一种固体摄像装置的驱动方法，其特征在于，在浮动扩散部与电荷积蓄用电容器之间存在充电晶体管，其中所述浮动扩散部从光电变换部被传送电荷，并且
通过上述充电晶体管，利用与上述浮动扩散部的电荷对应的电流，对上述电荷积蓄用电容器进行充电，
将从上述光电变换部向上述浮动扩散部已经传送了电荷时的上述电荷积蓄用电容器的端子间电压作为信号电压而导出，将上述浮动扩散部被复位时的上述电荷积蓄用电容器的端子间电压作为复位电压而导出。
9.一种电子设备，其特征在于，具有配置有单位像素的固体摄像装置，该单位像素包括：
传送晶体管，从光电变换部向浮动扩散部传送电荷；
第一复位晶体管，对上述浮动扩散部进行复位；
电荷积蓄用电容器；
充电晶体管，利用与上述浮动扩散部的电荷对应的电流，对上述电荷积蓄用电容器进行充电；
第二复位晶体管，对上述电荷积蓄用电容器进行复位；
放大晶体管，输出与上述电荷积蓄用电容器的电荷对应的电信号；以及
选择晶体管，将上述放大晶体管选择性地设为动作状态。
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