CN103686001A - 固态图像传感器、用于其的方法及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供固态图像传感器、驱动方法和电子装置，所述固态图像传感器包括：光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷一个预定时间；第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；以及电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电。在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

Description

固态图像传感器、用于其的方法及电子装置

技术领域

本技术涉及固态图像传感器、用于所述固态图像传感器的方法以及电子装置，特别涉及使得可以减少由电荷溢出引起的余像（after-image）的发生的固态图像传感器、用于所述固态图像传感器的方法以及电子装置。

背景技术

例如，CMOS图像传感器被用作包括固态图像传感器的固态成像器件。CMOS图像传感器通过MOS晶体管读出作为光电换能器的光电二极管的pn结电容器中蓄积的光电荷。因为CMOS图像传感器执行以像素为单位或以行为单位等读出在光电二极管中蓄积的光电荷的操作，所以不可能在蓄积光电荷期间向所有像素提供相同的曝光时间段。因此，在被摄体正在移动的这种情况下，捕捉图像可能失真。

CMOS图像传感器的单位像素中的每一个包括光电二极管、传输门、浮动扩散（FD）、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管。

在该单位像素中，例如，光电二极管例如是通过在N-型衬底（substrate）上形成的p-型阱层（well layer）中形成P-型层和通过在p-型阱层中埋入N-型内埋层（N）的内埋光电二极管。传输门向浮动扩散（FD）传输在光电二极管的pn结中蓄积的电荷。

使用机械光屏蔽单元的机械快门方法被广泛用作对固态图像传感器实现全局曝光的方法中的一个。在全局曝光中，在所有像素具有相同曝光时间段的情况下捕捉图像。该机械光屏蔽使得能够以如下方式执行全局曝光：所有像素同时开始曝光并且同时终止曝光。

在机械快门方法中，机械地控制曝光时间从而当光进入光电二极管时向每一个像素提供生成电荷的相同时间段。然后，关闭机械快门，并且状态改变为基本上没有生成光电荷的状态。在该状态中，顺序读出信号。

然而，因为机械快门需要机械光屏蔽单元，其使得难以减小尺寸，并且驱动机械的速度是有限的。为此，机械快门方法在同时性上劣于电气方法。

因此，采用电气全局曝光。在电气全局曝光方法中，首先在每一个像素中同时执行电荷放电操作，并且然后开始曝光。在电荷放电操作中，将内埋光电二极管中蓄积的电荷抽空。从而，在光电二极管的pn结电容器中蓄积光电荷。

在曝光时间段结束的时间点，在每一个像素中同时导通传输门以向浮动扩散（电容器）传输每一个蓄积的光电荷。

通过关闭传输门，在浮动扩散中保持所有像素在相同曝光时间段中蓄积的光电荷。

此后，将信号电平顺序读出到垂直信号线，然后复位浮动扩散以将复位电平读出到垂直信号线。

当读出指示信号复位电平的信号时，通过在随后的阶段中在信号处理中使用复位电平以移除信号电平的噪声（例如，参考JP H01-243675A或JP2004-140149A）。

在噪声移除处理中，读出由在读出信号电平之后执行的复位操作产生的复位电平。因此，不可能移除复位操作中的kTC噪声（热噪声），从而图像质量下降。

复位操作中的kTC噪声是由于复位操作中复位晶体管切换操作生成的随机噪声。因此，如果不使用在向浮动扩散传输电荷之前的电平，则不可能适当地移除信号电平的噪声。

因为在每一个像素中同时向浮动扩散传输电荷，并且因此此时以这样的方式移除噪声，使得读出信号电平，并且此后再次执行复位操作。因此，可以移除例如偏移误差的噪声，但不可能移除kTC噪声。

例如，作为使得上述kTC噪声能够移除的技术，提出除了浮动扩散之外还包括存储器部分的单位像素。存储器部分被设计为临时保持在内埋光电二极管中蓄积的光电荷。还向所述单位像素提供向存储器部分传输在光电二极管中蓄积的光电荷的传输门。

在每一个都包括存储器部分的单位像素中执行全局曝光时，首先导通在每一个像素中同时复位PD的OFG以执行将PD中的电荷放电的操作。

此后，截止OFG以开始同时曝光，并且由此在PD中蓄积生成的光电荷。

在完成曝光时，在每一个像素中同时驱动传输门以向存储器部分传输光电荷，并且然后截止传输门以在存储器部分中保持电荷。

在截止传输门之后，导通OFG以阻止信号从PD溢出到保持电荷的存储器部分中（辉散现象（blooming）），并为下一帧执行PD复位。

此后，执行顺序的操作以从在存储器部分中保持的电荷读出复位电平和信号电平。

首先复位浮动扩散（FD），然后读出复位电平。

随后，向浮动扩散（FD）传输存储器部分中保持的电荷以读出信号电平。此时，在信号电平中包括的复位噪声与当读出复位电平时读出的复位噪声一致。这使得能够进行减少甚至包括kTC噪声的噪声的处理。

即，根据除了浮动扩散区域之外还提供临时保持在内埋光电二极管中蓄积的电荷的存储器部分的像素结构，可以实现减少甚至包括kTC噪声的噪声的处理。

具有这种配置的图像传感器的示例包括JP2004-111590A和JP2009-278241A。

发明内容

然而，在JP2004-111590A和JP2009-278241A中的技术中，存在改进下列内容的需要。

例如，信号电荷从保持信号的存储器部分溢出到当前经受下一帧的曝光的PD中，使得生成与余像类似的强噪声。

在此，余像指代下列现象。当在现有技术中的图像传感器中的从PD向FD传输信号电荷时，信号电荷没有完全传输并保留在PD中，并且在传输之后剩余的电荷被添加到下一帧。为此，拍摄移动被摄体导致这种逐渐减弱的图像。

实验示出由电荷溢出引起的余像具有与PD-MEM势垒电势（barrierelectric-potential）和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差的相关性。

因为电荷由于热能而获得一定能量，并以一定概率跃过电势差，所以电荷溢出并从存储器部分向PD移动。为此，电势差（即，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差）越小，电荷可以越容易地跃过，使得余像也增加。已经发现电荷溢出关于电势差近似对数地减少的关系。

换句话说，为了减少由电荷溢出引起的余像，需要将PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差变得更大。

本技术在这种情况下公开，并希望减少由电荷溢出引起的余像的发生。

根据本技术的实施例，提供一种固态图像传感器，其包括：光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积电荷；电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持电荷一个预定时间；第一传输门，其向电荷保持部分传输在光电转换部分中蓄积的电荷；第二传输门，其向浮动扩散区域传输在电荷保持部分中保持的电荷；以及电荷放电门，其将光电转换部分中的电荷放电。在对下一帧开始光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

为了向电荷保持部分传输在光电转换部分中蓄积的电荷，当将驱动电压施加于第一传输门时，可以将驱动电压施加于电荷放电门。

固态图像传感器还可以包括复位在浮动扩散区域中蓄积的电荷的复位晶体管。在降低用于复位晶体管的驱动脉冲的同时，提高用于电荷放电门的驱动脉冲。

在通过驱动第一传输门向电荷保持部分传输在光电转换部分中蓄积的电荷之后，施加于第二传输门的电压值可以被设置为驱动时的电压值和驱动停止时的电压值之间的中间值。

在降低第一传输门的驱动电压的驱动脉冲时，施加于第二传输门的电压值可以是在驱动时的电压值和在驱动停止时的电压值之间的中间值。

在通过驱动第一传输门向电荷保持部分传输在光电转换部分中蓄积的电荷之后，施加于第一传输门的电压值可以被设置为在驱动停止时的较低的值。

固态图像传感器还可以包括被布置为在光电转换部分和电荷保持部分下面的层的N-型衬底。可以以这样的方式施加电压：当降低用于第一传输门的驱动脉冲时，N-型衬底的电势变高。

根据本技术的实施例，提供一种用于固态图像传感器的驱动方法，所述固态图像传感器包括：光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积电荷；电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持电荷一个预定时间；第一传输门，其向电荷保持部分传输在光电转换部分中蓄积的电荷；第二传输门，其向浮动扩散区域传输在电荷保持部分中保持的电荷；以及电荷放电门，其将光电转换部分中的电荷放电。所述驱动方法包括：在对下一帧开始光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

根据本技术的实施例，提供一种包括固态图像传感器的电子装置，所述固态图像传感器包括：光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积电荷；电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持电荷一个预定时间；第一传输门，其向电荷保持部分传输在光电转换部分中蓄积的电荷；第二传输门，其向浮动扩散区域传输在电荷保持部分中保持的电荷；以及电荷放电门，其将光电转换部分中的电荷放电。在对下一帧开始光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

根据第一和第二实施例，在开始下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

根据本技术的实施例，可以减少由电荷溢出引起的余像的发生。

附图说明

图1是图示在像素中包括存储器部分（MEM）的、CMOS图像传感器的每一个单位像素的配置示例的图；

图2A、2B、2C、2D和2E是图示在全局曝光操作中图1中的单位像素中的多个部分的电势的图；

图3是图示在全局曝光操作中驱动脉冲的波形的时序图；

图4是图示在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差的图；

图5是图示在由电荷溢出生成的余像与PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差之间的关系的图；

图6是图示施加于TRX的电压、PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）间的关系的图；

图7A、7B和7C是图示根据图6中施加于TRX的电压值的多个部分的电势的图；

图8A、8B、8C和8D是每一个图示当状态从图2C中的状态改变为图2D中的状态时电荷的移动的图。

图9是图示在曝光量和来自单位像素的信号输出之间的关系的图；

图10是图示应用本技术的实施例的固态成像器件的概要的系统配置图；

图11是图示在图10中的像素阵列部件中排列的单位像素中的每一个的配置的计划图；

图12是与图11类似的计划图；

图13是沿图12中的A-A’虚线做出的横截面图；

图14是与图13类似的横截面图；

图15是图示沿图14中的B-B’虚线做出的横截面上的电势的图；

图16是图示沿图14中的C-C’虚线做出的横截面上的电势的图；

图17是图示在应用本技术的实施例的CMOS图像传感器中的驱动脉冲的波形的时序图；

图18A、18B和18C是图示在图17中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图19A、19B和19C是图示在图17中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图20A和20B是图示在图17中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图21是图示应用本技术的实施例的CMOS图像传感器中的驱动脉冲的波形的另一示例的时序图；

图22是图示应用本技术的实施例的CMOS图像传感器中的驱动脉冲的波形的再一示例的时序图；

图23A和23B是图示在图22中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图24是图示在应用本技术的实施例的CMOS图像传感器中的驱动脉冲的波形的再一示例的时序图；

图25A和25B是图示在图24中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图26A和26B是图示在图24中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图27A和27B是图示在图24中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图28A和28B是图示在图24中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图29是图示在应用本技术的实施例的CMOS图像传感器中的驱动脉冲的波形的再一示例的时序图；

图30A、30B和、30C是图示在图29中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图31A、31B和、31C是图示在图29中的对应时间点的单位像素的多个部分的电势的图；

图32是图示在应用本技术的实施例的CMOS图像传感器中的驱动脉冲的波形的再一示例的时序图；

图33是图示应用本技术的实施例的固态成像器件的另一配置示例的图；

图34是图示应用本技术的实施例的固态成像器件的再一配置示例的图；以及

图35是图示用作应用本技术的实施例的电子装置的成像设备的配置示例的框图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。注意，在该说明书和附图中，利用相同的参考标号表示具有基本上相同功能和结构的结构元件。并省略这些结构元件的重复说明。

首先，给出现有技术中的全局曝光的描述。

例如，CMOS图像传感器被用作包括固态图像传感器的固态成像器件。CMOS图像传感器通过MOS晶体管读出在作为光电换能器的光电二极管的pn结电容器中蓄积的光电荷。因为CMOS图像传感器执行以像素为单位或以行为单位等读出在光电二极管中蓄积的光电荷的操作，所以不可能在蓄积光电荷期间向所有像素提供相同的曝光时间段。因此，在被摄体正在移动的这种情况下，捕捉图像可能失真。

因此，已开发用于实现全局曝光的技术。在全局曝光中，在相同的曝光时间段中对所有像素执行图像捕捉。

此外，为了使得能够移除kTC噪声（热噪声），已开发单位像素，例如，每一个单位像素除了浮动扩散之外还在像素中包括存储器部分。

图1是图示在像素中包括存储器部分（MEM）的、CMOS图像传感器的单位像素中的每一个的配置示例的图。

例如，图中图示的单位像素10中的每一个包括作为光电换能器的光电二极管（PD）21。例如，PD21是通过在在N-型衬底（N-Sub）31上形成的p-型阱层（P-Well）32中在衬底正表面侧上形成P-型层（P+）33和通过在p-型阱层32中埋入N-型内埋层（N）34而形成的内埋光电二极管。

单位像素10除了PD21之外还包括第一传输门（TRX）22，存储器部分（MEM）23、第二传输门（TRG）24和浮动扩散（FD）25。

当将传输脉冲TRX施加于栅极电极22A时，TRX22传输在PD21中光电转换并在其中蓄积的电荷。由在栅极电极22A下面形成的N-型内埋沟道35（N+）形成MEM23，并且所述MEM23保持由TRX22从PD21传输的电荷。

栅极电极22A被布置在MEM23的上部中，并可以通过将传输脉冲TRX施加于栅极电极22A来对MEM23执行调制。换句话说，将传输脉冲TRX施加于栅极电极22A导致MEM23的深电势。这导致MEM223中的饱和电荷量比在没有调制的情况下的饱和电荷量大。

当将传输脉冲TRG施加于栅极电极24A时，TRG24向FD25传输在MEM23中保持的电荷。FD25是由N-型层（N+）形成的电荷电压换能器，并将由TRG24从MEM23传输的电荷转换为电压。

单位像素10还包括复位晶体管（RST）26、放大晶体管27和选择晶体管（SEL）28。

复位晶体管26连接在电源VDD和FD25之间，并且当将复位脉冲RST施加于复位晶体管26的栅极电极时复位FD25。放大晶体管27具有连接到电压VDD的漏极电极以及连接到FD25的栅极电极，从而读出FD25的电压。

例如，选择晶体管28的漏极电极连接到放大晶体管27的源极电极，并且所述选择晶体管28的源极电极连接到垂直信号线17中的对应一个。从而，当将选择脉冲SEL施加于选择晶体管28的栅极电极时，选择晶体管28选择应读出信号的单位像素10中的一个。

注意，取决于读出像素信号的方法，可以省略或由多个像素共享复位晶体管26、放大晶体管27和选择晶体管28。

单位像素10还包括用于将在PD21中蓄积的电荷放电的电荷放电门（OFG）29。当在开始曝光时将控制脉冲OFG施加于栅极电极29A时，OFG29将PD21中的电荷放电到作为N-型层的漏极部分36（N+）。

图2是图示在全局曝光操作中单位像素10的多个部分的电势的图。

图2通过在每一个部分图的上侧上使用横长的矩形图示相应的OFG、TRX和TRG的栅极电极。图中的这些矩形中的黑色矩形每一个都示出施加驱动电压（脉冲）的栅极电极。图2在对应的部分图的下侧上示意性地图示在PD和MEM之间的电势的程度（degree of a potential）。在图2的每一个部分图中，在图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。因此，电势越低，势垒越高。电势越高，势垒越低。

在执行全局曝光操作时，如图2A中所示地导通（驱动）OFG以将PD中的电荷放电，从而可以同时在每一个像素中首先复位PD。在图2A中，当将驱动电压施加于OFG以导通OFG时，OFG下面的势垒由此变低（电势变高），从而将PD中的电荷放电到电源VDD侧。

此后，如图2B中所示，降低OFG的驱动电压（脉冲）以截止OFG，从而开始同时曝光。因此，在PD中蓄积由于PD中的光电转换而生成的电荷。在图2B中，当截止OFG时，OFG下面的势垒变高以检查PD中的电荷的放电，从而在PD中蓄积电荷。注意由图中的斜线表示蓄积的电荷。

在完成曝光时，如图2C中所示，同时在每一个像素中将驱动电压施加于TRX以导通TRX，并且向MEM传输在PD中蓄积的电荷。在图2C中，导通TRX使得在PD和TRX下面的MEM之间的势垒更低以及MEM的电势更深。因此，向MEM传输PD中蓄积的电荷。

此后，如图2D中所示，降低TRX的驱动电压（脉冲）以截止TRX，并在MEM中保持从PD传输的电荷。在图2D中，截止TRX使得在PD和MEM之间的势垒为高，并在MEM中蓄积和保持电荷。注意在此时，没有完全传输到MEM的电荷保留在PD中。

然后，如图2E中所示，导通（驱动）OFG以将PD中的电荷放电。这阻止了PD中的电荷从其中溢出以流到保持电荷的MEM中（辉散现象）并使得为下一帧复位PD。

随后，对复位电平和信号电平执行顺序读出。换句话说，复位FD以读出复位电平，向FD传输在MEM中保持的电荷，并且此后读出信号电平。然后，执行从信号电平减去复位噪声的CDS（相关双采样）处理，使得能够进行移除包括kTC噪声的噪声的处理。

图3是图示全局曝光操作中的驱动脉冲的波形的时序图。该图具有表示时间的横轴并图示将施加于选择晶体管28的驱动脉冲SEL的波形；施加于复位晶体管26的驱动脉冲RST的波形；施加于栅极电极22A的驱动脉冲TRX的波形；施加于栅极电极24A的驱动脉冲TRG波形；施加于栅极电极29A的驱动脉冲OFG的波形；以及施加于N-Sub31的脉冲SUB的波形。所有部分图示在图1中。

在此，图3图示将施加于以矩阵形式排列的多个单位像素中的第i行和第（i+1）行中的单位像素的驱动脉冲的波形。为了识别行中的每一个驱动脉冲，“i”或“i+1”是脉冲的标识名称的后缀。

在图3中，在由“全局传输”标注的时间区段中将驱动脉冲同时输入到所有单位像素，而不管单位像素的行如何。相反，在图3中由“CDS读出”标注的时间区段中，取决于行在不同定时将驱动脉冲输入到单位像素。

在图2A中图示多个部分在图3中的时间ta时的电势。此外，在图2B中图示多个部分在图3中的时间tb的电势。同样地，在图2C、2D和2E中图示多个部分在图3中的时间tc、td和te时的电势。

此外，以由图3中的时间tf示出的定时复位第i行中的每一个单位像素的FD，并以由时间tg示出的定时读出复位电平。此外，以由图3中的时间th示出的定时向FD传输在第i行中的像素的MEM中保持的电荷，并以由时间ti示出的定时读出信号电平。因此，执行CDS处理。

同时，在现有技术中的全局曝光操作中，存在改进下列内容的需要。

例如，信号电荷从保持信号的MEM溢出（倒流）到当前经受下一帧的曝光的PD中，从而生成与余像类似的强噪声。

在此，余像指代下列现象。例如，当从PD向FD传输信号电荷时，信号电荷没有完全传输并保留在PD中，并且在传输之后剩余的电荷被添加到下一帧。为此，拍摄移动被摄体导致这种逐渐减弱的图像。

实验示出由电荷溢出引起的余像具有与在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差的相关性。

换句话说，在图3中的时间te和时间tf之间，例如，在如图4中所示的在MEM中保持电荷的状态中，在PD中蓄积电荷。在此，假设在MEM中保持的电荷的水面（water surface）的高电势pa（PD-MEM势垒电势）和电势pb（MEM电势（在蓄积状态中））之间的差，电势pa（PD-MEM势垒电势）在图4中所示的PD和MEM之间。当差小时，可能发生信号电荷从保持信号的MEM溢出到当前经受下一帧的曝光的PD中的现象。注意图4中在MEM中蓄积的电荷在此被比作液体，并且在MEM中保持的电荷的水面的表达用于电势pb。

因为电荷由于热能而获得一定能量，并以一定概率跃过电势差，所以电荷溢出并从存储器部分向PD移动。为此，电势差（即，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差）越小，电荷可以越容易地跃过，从而余像也增加。已发现电荷溢出近似对数地关于电势差减少的关系。

图5是图示由电荷溢出引起的余像与在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差之间的关系的图。注意，在图中，通过使用对数（log）以溢出电荷的量（余像的量）表示在纵轴上由电荷溢出引起的余像，而在横轴上由图4中的电势pa和电势pb之间的差的绝对值表示PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差。

图5中的图呈现从图的左上部分到右下部分的斜线（inclination），并示出随着PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差变得越大，余像的量变得越小。

换句话说，为了减少由电荷溢出引起的余像，需要使得在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差更大。例如，如果可以使得在MEM中保持的电荷的水面的电势更低，则可以使得在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的差更大。

在此，更详细地给出单位像素10的每一个部分的电势的状态是如何从图2C中的状态改变为图2D中的状态的描述。

在图2C中的状态中，将正偏置驱动电压施加于TRX22的栅极电极22A（图1）。因此，对PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）执行调制。然后，在图2C中的状态中，将施加于TRX22的栅极电极22A的驱动电压的电压降低到预定的负偏置，从而截止TRX22。

随着所施加的电压从将预定负偏置施加于TRX22的栅极电极22A以截止TRX22的状态增加，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）中电势分别依据所施加的电压二变得更深。

然而，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）具有不同程度的改变。这是因为为了减少暗电流而在MEM的表面中形成的P-型杂质导致比PD-MEM势垒电势的调制的程度更低的MEM电势（在耗尽状态中）的调制的程度。

图6是图示在施加于TRX22的栅极电极22A的电压（施加于TRX的电压）、PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）间的关系的图。在图中，由横轴表示施加于TRX的电压，并且在图的右侧上示出正偏置。注意，在输入到CMOS图像传感器的每一个单位像素的普通驱动脉冲中，用于相应的导通和截止的施加的电压大约是+3V和-1V。

同时，纵轴表示电势（电势降低的程度）。线61表示依据施加于TRX的电压的改变的PD-MEM势垒电势的改变，而线62表示依据施加于TRX的电压的改变的MEM电势（在耗尽状态中）的改变。

如图6中所示，线61和62从图的左上部分向右下部分倾斜，但是线61比线62倾斜更大。此外，线61示出当施加于TRX的电压变得比预定的值（由图中的（a）指示的电压）更低时，不管施加于TRX的电压值如何，电势都变为恒定。

此外，图6中的箭头71、箭头72和箭头73分别表示当图6中施加于TRX的电压值分别是（a）、（b）和（c）时，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的各个差。

图7是图示当图6中施加于TRX的电压值分别是（a）、（b）和（c）时，单位像素10的多个部分的电势的图。

图7A图示当图6中施加于TRX的电压值是（a）时，单位像素10的多个部分的电势。当图6中施加于TRX的电压值是（a）时，从在截止TRX22的状态中开始施加驱动电压以来，仅过去很短的时间。换句话说，施加于TRX的电压仍然处于低的状态中。此时，PD-MEM势垒电势是电势pxa，而MEM电势（在耗尽状态中）是电势pya。箭头71指示此时在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差。

图7B图示当图6中施加于TRX的电压值是（b）时，单位像素10的多个部分的电势。当图6中施加于TRX的电压值是（b）时，进一步施加驱动电压。换句话说，施加于TRX的电压处于稍高的状态中。此时，PD-MEM势垒电势是电势pxb，而MEM电势（在耗尽状态中）是电势pyb。箭头72指示此时在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差。

图7C图示当图6中施加于TRX的电压值是（c）时，单位像素10的多个部分的电势。当图6中施加于TRX的电压值是（c）时，充分施加驱动电压。换句话说，施加于TRX的电压处于相当高的状态中。此时，PD-MEM势垒电势是电势pxc，而MEM电势（在耗尽状态中）是电势pyc。箭头73指示此时在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差。

如从图6和7中了解到，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）具有不同程度的改变。因此，施加于TRX的电压越高，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差越小。因为以这种方式随着施加于TRX的电压变得越高，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差变得越小，所以MEM中保持的电荷被非线性分量损害（contaminate）。

图8是图示当状态从图2C中的状态改变为图2D中的状态时，在单位像素10中电荷从PD移动到MEM的图。注意图中由斜线表示PD中蓄积的和MEM中保持的电荷。

图8A是图示在与图2C中的状态相同的并且施加于TRX的电压充分高的状态中电荷的移动的图。如图中所示，因为在PD和MEM之间的电势充分低，所以PD中蓄积的电荷向MEM移动。

在图8B中，因为施加于TRX的电压比图8A中的状态中的电压更低，所以在PD和MEM之间的电势变得稍微更高，并约等于PD电势（在耗尽状态中）。图8B中单位像素10的多个部分的电势与图7B中多个部分的电势相同。

图8B中与区域81的容量对应的电荷量等于允许在MEM中保持的电荷量的最小值。因此，只要PD中蓄积的电荷量不超过与区域81的容量对应的电荷量，MEM中保持的电荷量就随PD中蓄积的电荷量的增加线性地增加。注意与区域81的容量对应的电荷量是将根据由图7中的箭头72示出的电势的深度确定的电荷量。

然而，如在图8B中的情况下当PD中蓄积的电荷量超过与区域81的容量对应的电荷量时，MEM中保持的电荷量最终大于与区域81的容量对应的电荷量。

在图8C中，因为施加于TRX的电压进一步比图8B中的状态中的电压更低，所以PD-MEM势垒为高。此时，MEM中保持的电荷量与区域81和区域82的容量对应。

在图8D中，因为施加于TRX的电压更低于比图8B中的状态中的电压，所以PD-MEM势垒更高。图8D中单位像素10的多个部分的电势与图7A中的多个部分的电势相同。此时，MEM中保持的电荷量也与区域81和82的容量对应。

与区域81的容量对应的电荷量不同，与区域82的容量对应的电荷量不随在PD中蓄积的电荷量的增加而线性地增加。在该情况下，例如，依据图8C中的状态中PD-MEM势垒的高度，在MEM中保持与区域82的容量对应的电荷量。此外，因为MEM的电势的深度是有限的，所以即使在PD中蓄积的电荷量进一步增加，与区域82的容量对应的电荷量也几乎不增加。

如上参考图8所述，MEM中保持的电荷被与区域82对应的非线性分量损害。

图9是图示在曝光量和来自单位像素10的信号输出之间的关系的图。在图中，横轴表示曝光量，而纵轴表示信号输出。此外，实线91表示依据曝光量的改变的信号输出改变。注意与向其传输在MEM中保持的电荷的FD的电压值对应的输出信号的值被用于信号输出。因此，在MEM中保持的电荷量越大，信号输出越大。

如图9中所示，实线91随曝光量的增加线性地向上延伸，直到当信号输出达到Va时的时间点为止。然而，当信号输出超过Va时，实线91轻微倾斜。此外，当信号输出超过Vb时，实线91几乎水平延伸。

换句话说，当超过Va时，信号输出不随曝光量的增加而线性地增加。注意在图9中，虚线92（仅供参考）表示随曝光量的增加而线性地增加的信号输出的改变。

换句话说，当在MEM中保持的电荷量是与图8中的区域81的容量对应的电荷量时，信号输出是Va。当在MEM中保持的电荷量是与图8中的区域81和82的容量对应的电荷量时，信号输出是Vb。

如上所述，当执行现有技术中的全局曝光操作时，在MEM中保持的电荷量包括非线性分量。这导致在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在蓄积状态中）之间的较小的差，并可能由于电荷溢出而生成余像。

例如，如果通过减小MEM表面中P-型杂质的密度来增强调制的程度，则可以使得PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）的改变的程度彼此相等，并阻止MEM中保持的电荷被非线性分量损害。然而，这使MEM表面的束缚（pinning）劣化。为此，需要通过对传输门增强负偏置来补偿MEM表面束缚疲弱，从而表面电场变强。这导致由于归因于强电场的泄露分量的劣化，并使栅极氧化膜的耐压的可靠性劣化。

如果根据MEM电势（在耗尽状态中）来降低PD-MEM势垒电势的调制的程度，则还可以使得PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）的改变的程度彼此相等。然而，因为PD-MEM势垒电势的调制的程度的降低影响了从PD向存储器部分的电荷传输，所以难以采用该方式。

因此，本技术的实施例使得可以移除在MEM中保持的电荷的非线性分量以检查由电荷溢出引起的余像的发生。

图10是图示应用本技术的实施例的固态成像器件的概要的系统配置图。图10图示应用本技术的实施例的CMOS图像传感器100的概要的系统配置图。

如图10中所示，根据本实施例的CMOS图像传感器100具有这样的配置，其包括在未示出的半导体衬底（芯片）上形成的像素阵列部件111，和在形成相关的像素阵列部件111的相同的半导体衬底上集成的外围电路。在该情况下，例如，外围电路包括垂直驱动部件112、列处理部件113、水平驱动部件114和系统控制部件115。

CMOS图像传感器100还包括信号处理部件118和数据贮存部件119。例如，信号处理部件118和数据贮存部件119可以由诸如DSP（数字信号处理器）之类的外部信号处理部件配置，或可以安装在在其上形成图像传感器100的相同的衬底上。

在像素阵列部件111中，单位像素（在下文中，有时被简单地称为“像素”）以矩阵形式二维地排列，每一个单位像素具有生成与入射光量对应的电荷量的光电荷（以下，有时简称为“电荷”）以在其中蓄积所述光电荷的光电换能器。稍后将描述单位像素的配置。

在像素阵列部件111中，关于以矩阵形式排列的像素阵列对于每一行在图中的水平方向上（像素行中像素的排列方向）形成像素驱动线116，并对于每一列在图中的垂直方向上（像素列中像素的排列方向）形成垂直信号线117。在图10中，每一个像素驱动线116被指示为一条线，然而现实中其不限于一条。像素驱动线116的一端连接到与垂直驱动部件112的每一行对应的输出端子。

垂直驱动部件112由移位寄存器和地址解码器等配置，并是对所有像素或以行为单位等同时驱动像素阵列部件111的各个像素的像素驱动部件。图中省略其具体配置的该垂直驱动部件112通常包括读出扫描系统和扫除（sweep）扫描系统的两个扫描系统。

为了从像素阵列部件111的单位像素读取信号，读出扫描系统以行为单位逐次地对单位像素执行选择性扫描。扫除扫描系统对将经受由读出扫描系统的读出扫描的读出行执行扫除扫描。扫除扫描以等价于快门速度的时间先于读出扫描。

通过由于扫除扫描系统的扫除扫描，将不需要的电荷扫除出读出行中的单位像素的光电换能器（复位）。通过扫除扫描系统将不需要的电荷扫除出（复位），执行所谓的电子快门操作。在此，电子快门操作是丢弃光电换能器的光电荷并新开始曝光（开始蓄积光电荷）的操作。

通过由于读出扫描系统的读出操作而读出的信号与紧接在前面的读出操作或电子快门操作之后已入射的光量对应。然后，从由于紧接前面的读出操作或电子快门操作的读出定时或扫除定时到由于当前读出操作的读出定时的时间段是单位像素中光电荷的蓄积时间（曝光时间）。

通过相应的垂直信号线117向列处理部件113提供已经过由于垂直驱动部件112的选择性扫描的从像素行中的各个单位像素输出的信号。列处理部件113为像素阵列部件111的相应的像素列，对通过垂直信号线117从所选择的行中的各个单位像素输出的信号，执行预定的信号处理，并且此外，在信号处理之后临时保持像素信号。

具体地，列处理部件113至少执行例如CDS（相关双采样）处理的噪声移除处理作为信号处理。通过由于列处理部件113的该CDS处理，将诸如复位噪声和放大晶体管的阈值的分散之类的对于像素固有的固定模式噪声移除。不仅可以向列处理部件113提供噪声移除处理功能，而且还可以向所述列处理部件113提供例如AD（模数）转换功能，从而以数字信号输出信号电平。

水平驱动部件114由移位寄存器和地址解码器等配置，并顺序选择与列处理部件113中的各个像素列对应的单位电路。通过由于该水平驱动部件114的选择性扫描，顺序输出已经过列处理部件113中的信号处理的像素信号。

系统控制部件115由生成各种定时信号的定时生成器等配置，并基于由相关的定时生成器生成的各种定时信号，对垂直驱动部件112、列处理部件113和水平驱动部件114等执行驱动控制。

信号处理部件118至少具有加法处理功能，并对从列处理部件113输出的像素信号执行诸如加法处理之类的各种类型的信号处理。数据贮存部件119临时存储用于这种处理的数据作为在信号处理部件118中的信号处理。

图11是图示排列在图10中的像素阵列部件111中的单位像素中的每一个的配置的计划图。图中所示的单位像素200中的每一个包括PD221、第一传输门（TRX）222、存储器部分（MEM）223、第二传输门（TRG）224、浮动扩散（FD）225和电荷放电门（OFG）229。单位像素200还包括复位晶体管（RST）226、放大晶体管（AMP）227和选择晶体管（SEL）228。

注意在图中，连接到电源VDD和垂直信号线117的端子被分别表示为VDD和SELOUT。

图12是与图11类似的计划图，并且图13是沿图12中的A-A’虚线做出的横截面图。

如图13中所示，除了与PD221对应的部分之外，单位像素200的表面被光屏蔽膜覆盖。反射阻止和绝缘膜被布置在光屏蔽膜之下。此外，栅极绝缘膜被布置在OFG229、TRX222、TRG224和RST226的栅极电极之下。

PD221是例如通过在N-型衬底（N-Sub）上形成的p-型阱层（P-Well）中在衬底正表面侧上形成P-型层（P+）并通过在p-型阱层中埋入N-型内埋层（N）而形成的内埋光电二极管。

当将传输脉冲TRX施加于TRX222的栅极电极时，TRX222传输在PD221中光电地转换的并在其中蓄积的电荷。

由在TRX222的栅极电极下面形成的P-型杂质（P）和N-型内埋沟道（N）形成MEM223，并且所述MEM223保持由TRX222从PD221传输的电荷。

栅极电极被布置在MEM223的上部中，并可以通过将传输脉冲TRX施加于栅极电极来对MEM223执行调制。换句话说，将传输脉冲TRX施加于栅极电极导致MEM223的深电势。这导致MEM223中的饱和电荷量比在没有调制的情况下的饱和电荷量更大。

以这样的方式形成TRX222以覆盖MEM223。当将正偏置施加于TRX222时，由于电容耦合的调制使得MEM223和PD-MEM势垒的电势更深。从PD221向MEM223传输电荷，并且此后截止TRX222。这导致在MEM223中保持信号电荷的状态。向MEM223传输的电荷被保持在其中，直到执行顺序读出为止。此时，将负偏置施加于TRX222以对MEM223的表面执行束缚，从而暗电流被阻止。

注意在图中所示的MEM223的表面中形成P-型杂质以有助于束缚。除了这点之外，单位像素200具有与在图1中的单位像素10的情况下的配置相同的配置。

当将传输脉冲TRG施加于TRG224的栅极电极时，TRG224向FD225传输在MEM223中保持的电荷。

FD225是由N-型层（N+）形成的电荷电压换能器，并将由TRG224从MEM223传输的电荷转换为电压。

当在开始曝光时将控制脉冲OFG施加于OFG229的栅极电极时，OFG229将PD221中的电荷放电到作为N-型层的漏极（drain）部分。

可以通过导通OFG229来耗尽（复位）PD221。在全局曝光操作中，向MEM223传输通过同时在每一个像素中执行的曝光而获得的信号电荷，从而实现蓄积的共时性。即使MEM223保持电荷，OFG229的使用也使得可以在任何定时复位PD221以开始下一帧的曝光。

在没有OFG229的情况下，需要以这种方式开始对下一帧的曝光：读出在每一个像素的MEM223中保持的电荷并随后通过驱动TRX222和TRG224将PD221中的电荷放电到FD225。这导致在读出在每一个像素的MEM223中保持的电荷之前一直等待，并且将帧速率降低与等待时间对应的量。

RST226连接在电源VDD和FD225之间，并当将复位脉冲RST施加于RST226的栅极电极时复位FD225。

AMP227具有连接到电源VDD的漏极电极（图中未图示）和连接到FD225的栅极电极，从而读出FD225的电压。

例如，SEL228（图中未图示）具有连接到AMP227的源极电极的漏极电极和连接到对应的垂直信号线117的源极电极。当将选择脉冲SEL施加于SEL228的栅极电极时，SEL228选择应从其读出像素信号的单位像素200中的一个。

注意取决于读出像素信号的方法，RST226、AMP227和SEL228可以省略或被多个像素共享。

图14是与图13类似的横截面图。图15是图示在沿图14中的B-B’虚线做出的横截面上的电势的图。图16是图示在沿图14中的C-C’虚线做出的横截面上的电势的图。

图15通过在图的上侧上使用横长的矩形来图示相应的OFG、TRX和TRG的栅极电极，并在图的下侧上示意性地图示在PD和MEM之间的电势的程度。在图中，在图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。

图15图示因为尚未对PD执行曝光并因为尚未将预定的电压分别施加于OFG、TRX和TRG的栅极电极而截止OFG、TRX和TRG的状态。图15图示在该状态中OFG下面的势垒的电势、PD电势（在耗尽状态中）、PD-MEM势垒电势、MEM电势（在耗尽状态中）和TRG下面的势垒的电势。

在图16中，纵轴表示电势（电势），而横轴表示硅（Si）衬底中的深度。如图中所示，在硅衬底的表面附近势垒为高（电势为低），在形成MEM的N-型内埋沟道（N）中电势为高，并且在P-型阱层中势垒再次为高（电势为低）。此外，在N-Sub部分中电势为高。

图17是图示在应用本技术的实施例的CMOS图像传感器100的全局曝光操作中的驱动脉冲的波形的时序图。该图具有表示时间的横轴，并图示施加于SEL228的驱动脉冲SEL的波形；施加于RST226的驱动脉冲RST的波形；施加于TRX222的栅极电极的驱动脉冲TRX的波形；施加于TRG224的栅极电极的驱动脉冲TRG的波形；施加于OFG229的栅极电极的驱动脉冲OFG的波形；以及施加于N-Sub231的脉冲SUB的波形。所有部分图示在图11中。

在此，图17图示将施加于以矩阵形式排列的多个单位像素中的第i行和第（i+1）行中的单位像素的驱动脉冲的波形。为了识别行中的每一个驱动脉冲，“i”或“i+1”是脉冲的标识名称的后缀。

在图17中，在由“全局传输”标注的时间区段中同时向所有单位像素输入驱动脉冲，而不管单位像素的行如何。相反，在图17中由“CDS读出”标注的时间区段中，取决于行以不同定时向单位像素输入驱动脉冲。

例如与图3中图示的现有技术中的时序图的情况不同，图17中所示的时序图示出在时间tc和时间te之间的时间区段中形成驱动脉冲TRG。换句话说，大约在时间tj拉高驱动脉冲TRG，并大约在时间tl降低驱动脉冲TRG。

此外，在图17中的时序图中的时间tj和时间tl之间形成的驱动脉冲TRG分别比在时间tj之前和时间tl之后形成的驱动脉冲突出较少，因此是较低的驱动电压。即，使用在图17中的时序图中的时间tj和时间tl之间形成的驱动脉冲TRG施加的TRG的驱动电压被设置为在驱动TRG时的电压（例如，+3V）和在停止驱动TRG时的电压（例如，-1V）之间的电压。

可以通过当降低驱动脉冲TRG时施加比普通电压更弱的负偏置电压来形成这样的波形。

图17中的时序图中的其他驱动脉冲的波形与图3中的时序图的情况下的波形相同。

图18到20是图示全局曝光操作中单位像素200的多个部分的电势的图。图18A到18C分别图示在由图17中的时间ta、tb和tc示出的定时的每一个部分的电势。图19A到19C分别图示在由图17中的时间tj、tk和tl示出的定时的部分的电势。图20A和20B分别图示在由图17中的时间te和ta’示出的定时的部分的电势。

图18到20通过在每一个部分图的上侧上使用横长的矩形来图示相应的OFG、TRX和TRG的栅极电极。图中的这些矩形中的黑色矩形每一个示出施加驱动电压（脉冲）的栅极电极。在图19中，将与TRG的栅极电极对应的矩形画上阴影，由此示出向其施加了低驱动电压（脉冲）。

此外，图18到20中的每一个在图的下侧上示意性地图示在PD和MEM之间的电势的程度。在每一个图中，在每一个部分图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。

在执行全局曝光操作时，如图18A中所示地导通（驱动）OFG以将PD中的电荷放电，从而可以在每一个像素中首先同时复位PD。在图18A中，当将驱动电压施加于OFG以导通OFG时，OFG下面的势垒由此变低，从而将PD中的电荷放电到电源VDD侧。

此后，如图18B中所示，降低OFG的驱动电压（脉冲）以截止OFG，从而开始同时曝光。由此，在PD中蓄积由于PD中的光电转换而生成的电荷。在图18B中，当截止OFG时，OFG下面的势垒变高以检查PD中的电荷的放电，从而在PD中蓄积电荷。注意在图中用斜线表示蓄积的电荷。

在完成曝光时，如图18C中所示，同时在每一个像素中将驱动电压施加于TRX以导通TRX，并向MEM传输PD中蓄积的电荷。在图18C中，导通TRX使得在PD和TRX下面的MEM之间的势垒更低以及MEM的电势更深。因此，向MEM传输在PD中蓄积的电荷。

此后，如图19A中所示，当将弱偏置驱动电压施加于TRG时，TRG的势垒由此变低。

在该状态中，如图19B中所示，降低TRX的驱动电压（脉冲）以截止TRX，并且在MEM中保持从PD传输的电荷。在图19B中，截止TRX使得在PD和MEM之间的势垒为高，并且在MEM中蓄积和保持电荷。注意此时，将没有完全传输到MEM的电荷保留在PD中。

此时，如上参考图6和7所述，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）具有不同程度的改变。因此，施加于TRX的电压越高，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差越小。然而，根据本技术的实施例，当将弱偏置驱动电压施加于TRG时，TRG下面的势垒由此变低。为此，即使在MEM中保持的电荷被非线性分量损害，大多数非线性分量也被放电到FD侧。因此，MEM中保持的电荷难以被非线性分量损害。

此后，如图19中所示，降低驱动脉冲TRG以截止TRG。这使得TRG下面的势垒更高。

然后，如图20A中所示，导通（驱动）OFG以将PD中的电荷放电。这阻止PD中的电荷从其中溢出而流入到保持电荷的MEM中（辉散现象）并引起对下一帧的PD复位。

然后，如图20B中所示，截止OFG以由此开始对下一帧的PD曝光。

然后，执行对复位电平和信号电平的顺序读出。换句话说，将FD复位以读出复位电平，向FD传输在MEM中保持的电荷，并且此后读出信号电平。然后，执行从信号电平减去复位噪声的CDS（相关双采样）处理，使得能够进行移除包括kTC噪声的噪声的处理。

如参考图18到20所述，通过生成如图17中的时序图中所示的驱动脉冲，可以移除在MEM中保持的电荷的非线性分量以检查由电荷溢出引起的余像的发生。

注意代替图17中的时序图，可以根据图21中的时序图生成驱动脉冲。在图21中的时序图中，用于将弱偏置驱动电压施加于TRG的时间被设置为更长。总之，仅必须在截止TRX（降低驱动脉冲TRX）的定时将弱偏置驱动电压施加于TRG。

图22是图示在CMOS图像传感器100的全局曝光操作中驱动脉冲的波形的再一示例的时序图。与图17相同，图22具有表示时间的横轴，并图示施加于SEL228的驱动脉冲SEL的波形；施加于RST226的驱动脉冲RST的波形；施加于TRX222的栅极电极的驱动脉冲TRX的波形；施加于TRG224的栅极电极的驱动脉冲TRG的波形；施加于OFG229的栅极电极的驱动脉冲OFG的波形；以及施加于N-Sub231的脉冲SUB的波形。所有部分图示在图11中。

在此，图22图示将施加于以矩阵形式排列的多个单位像素中的第i行和第（i+1）行中的单位像素的驱动脉冲的波形。为了识别行中的每一个驱动脉冲，“i”或“i+1”是脉冲的标识名称的后缀。

此外，在由“全局传输”标注的时间区段中同时向所有单位像素输入驱动脉冲，而不管单位像素的行如何。相反，在由“CDS读出”标注的时间区段中，取决于行以不同定时向单位像素输入驱动脉冲。

与例如图3中所示的现有技术中的时序图的情况不同，图22中所示的时序图示出在时间tc和时间te之间的时间区段中形成波形向下突出的驱动脉冲TRG。换句话说，当降低波形向上突出的驱动脉冲TRG时，施加比普通负偏置更强的偏置。由此，将MEM的电势调制为比普通电平更浅（从电势的观点来看低）的电平。然后，施加于TRG的电压在大约时间tn返回到普通偏置。

图22中的时序图中的其他驱动脉冲的波形与图3中的时序图的情况下的波形相同。

图23是图示在全局曝光操作中单位像素200的多个部分的电势的另一示例。图23A和23B分别图示在由图22中的时间tm和tn示出的定时每一个部分的电势。

图23通过在每一个部分图的上侧上使用横长的矩形图示相应的OFG、TRX和TRG的栅极电极。在图23中，将与TRX的栅极电极对应的矩形画上阴影由此示出向其施加比普通负偏置更强的偏置的驱动电压（脉冲）。

此外，图23在每一个部分图的下侧上示意性地图示在PD和MEM之间的电势的程度。在部分图中，在图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。

在图22中的时间tc导通TRX，使得在PD和TRX下面的MEM之间的势垒为低及MEM的电势为深。因此，向MEM传输PD中蓄积的电荷。

然后，截止TRX使得PD-MEM势垒为高，并在MEM中蓄积和保持电荷。

此时，如上参考图6和7所述，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）具有不同程度的改变。因此，施加于TRX的电压越高，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差越小。然而，根据本技术的实施例，如图23A中所示，此时将比普通负偏置更强的偏置的驱动电压施加于TRX，并且MEM的电势变得稍浅。注意图23A（仅供参考）图示在将普通负偏置的驱动电压施加于TRX的情况下的MEM电势。

以这种方式，即使在MEM中保持的电荷被非线性分量损害，大多数非线性分量也被放电到FD侧。因此，MEM中保持的电荷难以被非线性分量损害。

此后，如图23B中所示，TRX的驱动电压返回到普通偏置，并且因此MEM的电势变深。

如参考图23所述，通过生成如图22中的时序图中所示的驱动脉冲，可以移除在MEM中保持的电荷的非线性分量以检查由电荷溢出引起的余像的发生。

图24是图示在CMOS图像传感器100的全局曝光操作中驱动脉冲的波形的再一示例的时序图。与图17和22相同，图24具有表示时间的横轴，并图示施加于SEL228的驱动脉冲SEL的波形；施加于RST226的驱动脉冲RST的波形；施加于TRX222的栅极电极的驱动脉冲TRX的波形；施加于TRG224的栅极电极的驱动脉冲TRG的波形；施加于OFG229的栅极电极的驱动脉冲OFG的波形；以及施加于N-Sub231的脉冲SUB的波形。所有部分图示在图11中。

在此，图24图示将施加于以矩阵形式排列的多个单位像素中的第i行和第（i+1）行中的单位像素的驱动脉冲的波形。为了识别行中的每一个驱动脉冲，“i”或“i+1”是脉冲的标识名称的后缀。

此外，在由“全局传输”标注的时间区段中同时向所有单位像素输入驱动脉冲，而不管单位像素的行如何。相反，在由“CDS读出”标注的时间区段中，取决于行以不同定时向单位像素输入驱动脉冲。

与例如图3中所示的现有技术中的时序图的情况不同，图17中所示的时序图示出在时间tc和时间te之间的时间区段中形成波形突出的驱动脉冲SUB。换句话说，紧接在降低波形突出的驱动脉冲TRX之前，提高波形向上突出的驱动脉冲SUB，并且在时间tq降低波形向上突出的驱动脉冲SUB。

换句话说，在形成波形向上突出的驱动脉冲SUB时，N-Sub的电势为高。

图24中的时序图中的其他驱动脉冲的波形与在图3中的时序图的情况下的波形相同。

图25到28是图示在全局曝光操作中单位像素200的多个部分的电势的再一示例的图。图25、26、27和28分别图示在由图24中的时间tc、to、tp和tq示出的定时处每一个部分的电势。

注意图25A、26A、27A和28A是每一个图示沿图14中的B-B’虚线做出的横截面上的电势的图。图25B、26B、27B和28B是每一个图示沿图14中的C-C’虚线做出的横截面上的电势的图。

图25A、26A、27A和28A通过在每一个图的上侧上使用横长的矩形图示相应的OFG、TRX和TRG的栅极电极。在图25和26中的每一个中，以黑色示出与TRX的栅极电极对应的矩形，由此示出向其施加驱动电压（脉冲）。

此外，图25A、26A、27A和28A中的每一个在图的下侧上示意性地图示PD和MEM之间的电势的程度。在每一个图中，在图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。

此外，在图25B、26B、27B和28B中的每一个中，在图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。

在完成曝光时，如图25A中所示，在每一个像素中同时将驱动电压施加于TRX以导通TRX，并且向MEM传输PD中蓄积的电荷。在图25A中，导通TRX，使得在PD和TRX下面的MEM之间的势垒更低及MEM的电势更深。因此，向MEM传输在PD中蓄积的电荷。

此时，如图25B中所示，在硅衬底的表面附近的势垒为高，在形成MEM的N-型内埋沟道（N）部分中的电势为高，并且在P-型阱层中的势垒再次为高。此外，N-Sub部分中的电势为高。

在该状态中施加驱动脉冲SUB，并且N-Sub的电势变得更高。此时，如图26B中所示，P-型阱层的势垒变得更低，并且N-Sub部分的电势进一步变得更高。

然后，当截止TRX时，如图27A中所示PD-MEM势垒变高，从而在MEM中蓄积和保持电荷。此时，如图27B中所示，在维持P-型阱层的低势垒和N-Sub部分的高电势的状态时，MEM的电势变浅。

此时，如参考图6和7所述，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）具有不同程度的改变。因此施加于TRX的电压越高，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差越小。然而，根据本技术的实施例，此时施加驱动脉冲SUB，并且因此如图27B中所示，将在MEM中蓄积的电荷中存在于P-型阱层的电势之上的电荷放电到N-Sub。为此，即使在MEM中保持的电荷被非线性分量损害，也将大多数非线性分量放电到N-Sub。因此，在MEM中保持的电荷难以被非线性分量损害。

此后，在N-Sub中降低驱动脉冲SUB。如图28B中所示，P-型阱层的势垒变得更高，并且N-Sub部分的电势也变得稍高。

如参考图25到28所述，通过生成如图24中的时序图中所示的驱动脉冲，也可以移除在MEM中保持的电荷的非线性分量以检查由电荷溢出引起的余像的发生。

注意降低驱动脉冲SUB的定时不限于图24中的时序表中所示的定时。总之，仅当降低驱动脉冲TRX时，必须提高驱动脉冲SUB。

图29是图示在CMOS图像传感器100的全局曝光操作中驱动脉冲的波形的再一示例的时序图。与图17和22等相同，图29具有表示时间的横轴，并图示施加于SEL228的驱动脉冲SEL的波形；施加于RST226的驱动脉冲RST的波形；施加于TRX222的栅极电极的驱动脉冲TRX的波形；施加于TRG224的栅极电极的驱动脉冲TRG的波形；施加于OFG229的栅极电极的驱动脉冲OFG的波形；以及施加于N-Sub231的脉冲SUB的波形。所有部分图示在图11中。

在此，图29图示将施加于以矩阵形式排列的多个单位像素中的第i行和第（i+1）行中的单位像素的驱动脉冲的波形。为了识别行中的每一个驱动脉冲，“i”或“i+1”是脉冲的标识名称的后缀。

此外，在由“全局传输”标注的时间区段中同时向所有单位像素输入驱动脉冲，而不管单位像素的行如何。相反，在由“CDS读出”标注的时间区段中，取决于行在不同定时向单位像素输入驱动脉冲。

例如与图3中所示的现有技术中的时序图的情况不同，图29中所示的时序图示出在时间tc和时间te之间的时间区段中，在提高波形向上突出的驱动脉冲TRX之前提高驱动脉冲OFG。换句话说，紧接在降低波形向上突出的驱动脉冲TRX之前，提高驱动脉冲OFG。

图29中的时序图中的其他驱动脉冲的波形与在图3中的时序图的情况下的波形相同。

图30和31是图示在全局曝光操作中单位像素200的多个部分的电势的再一示例的图。图30A、30B和30C分别图示在由图29中的时间ta、tb和tc示出的定时每一个部分的电势。图31A、31B和31C分别图示在由图29中的时间tr、te和ta’示出的定时的部分的电势。

图30和31中的每一个通过在每一个部分图的上侧上使用横长的矩形图示相应的OFG、TRX和TRG的栅极电极。以黑色示出与TRX的栅极电极对应的每一个矩形，从而示出向其施加驱动电压（脉冲）。

此外，图30和31中的每一个在每一个部分图的下侧上示意性地图示PD和MEM之间的电势的程度。在每一个部分图中，在部分图的下侧上示出较高的电势，并在上侧上示出较低的电势。

在执行全局曝光操作时，如图30A中所示导通（驱动）OFG以将PD中的电荷放电，从而可以在每一个像素中首先同时复位PD。在图30A中，当将驱动电压施加于OFG以导通OFG时，OFG下面的势垒由此变低，从而将PD中的电荷放电到电源VDD侧。

此后，如图30B中所示，降低OFG的驱动电压（脉冲）以截止OFG，从而开始同时曝光。因此，在PD中蓄积由于PD中的光电转换生成的电荷。在图30B中，当截止OFG时，OFG下面的势垒变高以检查PD中的电荷的放电，从而在PD中蓄积电荷。注意在图中由斜线表示蓄积的电荷。

在完成曝光时，如图30C中所示，在每一个像素中同时将驱动电压施加于TRX以导通TRX，并向MEM传输在PD中蓄积的电荷。在图30C中，导通TRX使得PD和TRX下面的MEM的势垒更低及MEM的电势更深。因此，向MEM传输在PD中蓄积的电荷。

此后，如图31A中所示，施加驱动脉冲OFG以导通OFG。从而OFG下面的势垒变低，使得将PD中的电荷放电到电源VDD侧。

在该状态中，如图31B中所示，降低TRX的驱动电压（脉冲）以截止TRX，并且在MEM中保持从PD传输的电荷。在图31B中，截止TRX使得在PD和MEM之间的势垒为高，并在MEM中蓄积和保持电荷。

此时，如上参考图6和7所示，PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）具有不同程度的改变。因此，施加于TRX的电压越高，在PD-MEM势垒电势和MEM电势（在耗尽状态中）之间的差越小。然而，根据本技术的实施例，在此之前导通OFG使得OFG下面的势垒为低。为此，在MEM中保持的电荷没有被非线性分量损害，并且将与非线性分量对应的电荷放电到VDD侧。因此，在MEM中保持的电荷没有被非线性分量损害。

此后，如图31C中所示，截止OFG以开始对下一帧的PD曝光。

如参考图30和31所述，通过生成如图29中的时序图中所示的驱动脉冲，也可以移除在MEM中保持的电荷的非线性分量以检查由电荷溢出引起的余像的发生。

注意代替图29中的时序图，可以根据图32中的时序图生成驱动脉冲。在图32中的时序图中，提高驱动脉冲OFG的定时和降低驱动脉冲RST的定时大约彼此一致。

因为在全局曝光操作中每一个像素具有相同的曝光时间，所以在每一个像素中同时驱动OFG。在这方面，存在对将OFG的驱动耦合在另一信号线等上的影响的担心。因此，如图32中所示，在提高驱动脉冲OFG的同时降低驱动脉冲RST，并且因此消除由于耦合引起的变化。这使得可以减少由于耦合引起的故障（例如，由于电源波动引起的横纹）。

同时，代替图10中的配置，图33中的配置可以被用作应用本技术的实施例的CMOS图像传感器的配置示例。图33是图示包括应用本技术的实施例的固态图像传感器的固态成像器件的另一示意性配置示例的系统配置图。

在图33的配置中，与列处理部件113并行提供数据贮存部件119。这使得能够由水平驱动部件114进行水平扫描读出和在随后的阶段中由信号处理部件118执行信号处理。

此外，代替图10中的配置，图34中的配置可以被用作应用本技术的实施例的CMOS图像传感器的配置示例。图34是图示包括应用本技术的实施例的固态图像传感器的固态成像器件的再一示意性配置示例的系统配置图。

在图34中所示的配置中，可以采用向列处理部件113提供为像素阵列部件111的每一列或每一列组的执行AD转换的AD转换功能，及向数据贮存部件119和信号处理部件118并行提供列处理部件113的再一配置。利用该配置，信号处理部件118以模拟或数字方式执行信号移除处理，并且此后数据贮存部件119和信号处理部件118为每一列或每一列组执行其处理。

注意本技术的应用不限于例如CMOS图像传感器的固态图像传感器的应用。即，本技术适用于使用固态图像传感器用于图像捕捉部件（光电转换部件）的一般电子装置，所述一般电子装置包括诸如数字相机或摄影机之类的成像设备、具有图像捕捉功能的移动终端装置和使用用于图像读取部件的固态图像传感器的复印机等。固态图像传感器可以形成为一个芯片，可以以积聚多个芯片或多个芯片彼此邻接的形式，或可以形成为具有图像捕捉功能的、图像捕捉部件和信号处理部件或光学系统在其中封装到一起的模块。

图35是用作应用本技术的电子装置的成像设备的配置示例的框图。

图35中的成像设备600包括：由透镜组等形成的透镜组601；采用上述的像素配置的固态图像传感器（图像捕捉装置）602；以及作为相机信号处理电路的DSP（数字信号处理器）电路603。成像设备600还包括帧存储器604、显示部件605、记录部件606、操纵部件607和电源部件608。DSP电路603、帧存储器604、显示部件605、记录部件606、操纵部件607和电源部件608经由总线609彼此连接。

光学部件601从被摄体接收入射光（图像光）以在固态图像传感器602的成像表面上形成图像。固态图像传感器602将入射光的光量转换为基于像素的电信号，并输出所述电信号，入射光被用于通过光学部件601在成像表面上形成图像。可以将诸如根据上述实施例的CMOS图像传感器100的、在CMOS图像传感器上布置的固态图像传感器（即，使得可以通过使用全局曝光在没有失真的情况下捕捉图像的固态图像传感器）用作固态图像传感器602。

显示部件605包括诸如液晶面板或有机EL（电致发光）面板之类的面板显示装置，并显示由固态图像传感器602捕捉的移动图像或静止图像。记录部件606在诸如录像磁带或DVD（数字通用盘）之类的记录介质中记录由固态图像传感器602捕捉的移动图像或或静止图像。

操纵部件607依据用户的操纵发出用于图像设备600的各种功能的操纵指令。电源部件608适当地向DSP电路603、帧存储器604、显示部件605、记录部件606和操纵部件607供电以使得这些部件操作。

此外，通过将本技术应用于包括以矩阵形式排列的单位像素的CMOS图像传感器的情况作为示例来描述了上述实施例，所述单位像素每一个感测与可见光的光量对应的信号电荷作为物理量。然而，本技术的应用不限于CMOS图像传感器的应用。本技术适用于包括为像素阵列部件中的每一个像素列布置的列处理部件的一般列系统固态图像传感器。

本技术的应用不限于对于通过感测可见光的入射光量的分布而捕捉图像的固态图像传感器的应用。本技术还适用于：基于红外线、X-射线、或粒子等的入射量的分布捕捉图像的固态图像传感器；和诸如通过感测诸如压力或静电电容之类的其他物理量的分布而捕捉图像的指纹检测传感器之类的广义上的一般固态图像传感器（物理量分布感测装置）。

应注意，在该说明书中，描述在记录介质中存储的程序的步骤不仅包括根据其中示出的序列按时间顺序执行的处理，还包括不一定按时间序列执行的、并行或单独执行的处理。

本领域技术人员应理解，取决于设计需求和其他因素，只要各种修改、组合、子组合和变化在所附权利要求或其等效物的范围内，其就可以发生。

此外，还可以如下配置本技术。

（1）一种固态图像传感器，其包括：

光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；

电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷一个预定时间；

第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；

第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；以及

电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电；

其中，在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

（2）根据（1）的固态图像传感器，

其中为了向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷，当将驱动电压施加于所述第一传输门时，将驱动电压施加于所述电荷放电门。

（3）根据（2）的固态图像传感器，还包括：

复位晶体管，其复位在所述浮动扩散区域中蓄积的电荷，

其中在降低用于所述复位晶体管的驱动脉冲的同时，提高用于所述电荷放电门的驱动脉冲。

（4）根据（1）的固态图像传感器，

其中在通过驱动所述第一传输门向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之后，施加于所述第二传输门的电压值被设置为在驱动时的电压值和驱动停止时的电压值之间的中间值。

（5）根据（4）的固态图像传感器，

其中在降低所述第一传输门的驱动电压的驱动脉冲时施加于所述第二传输门的电压值是在驱动时的电压值和驱动停止时的电压值之间的中间值。

（6）根据（1）的固态图像传感器，

其中在通过驱动所述第一传输门向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之后，施加于所述第一传输门的电压值被设置为在驱动停止时的较低值。

（7）根据（1）的固态图像传感器，还包括：

N-型衬底，其被布置为在所述光电转换部分和所述电荷保持部分下面的层，

其中以这样的方式施加电压：当降低用于所述第一传输门的驱动脉冲时，N-型衬底的电势变高。

（8）一种用于固态图像传感器的驱动方法，所述固态图像传感器包括：光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷一个预定时间；第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；以及电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电；所述驱动方法包括：

在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

（9）一种电子装置，其包括：

固态图像传感器，其包括：

光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；

电荷保持部分，其中在向浮动扩散区域传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷一个预定时间；

第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；

第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；

以及电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电；

其中在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

本公开包括与2012年9月21日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2012-208322中公开的主题有关的主题，所述申请的全部内容通过引用合并于此。

Claims (9)

1.一种固态图像传感器，其包括：

光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；

电荷保持部分，在其中在向浮动扩散区域传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷预定时间；

第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；

第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；以及

电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电；

其中，在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

2.如权利要求1所述的固态图像传感器，

其中，为了向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷，当将驱动电压施加于所述第一传输门时，将驱动电压施加于所述电荷放电门。

3.如权利要求2所述的固态图像传感器，还包括：

复位晶体管，其复位在所述浮动扩散区域中蓄积的电荷，

其中，在降低用于所述复位晶体管的驱动脉冲的同时，提高用于所述电荷放电门的驱动脉冲。

4.如权利要求1所述的固态图像传感器，

其中，在通过驱动所述第一传输门向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之后，施加于所述第二传输门的电压值被设置为在驱动时的电压值和驱动停止时的电压值之间的中间值。

5.如权利要求4所述的固态图像传感器，

其中，在降低所述第一传输门的驱动电压的驱动脉冲时，施加于所述第二传输门的电压值是在驱动时的电压值和驱动停止时的电压值之间的中间值。

6.如权利要求1所述的固态图像传感器，

其中，在通过驱动所述第一传输门向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之后，施加于所述第一传输门的电压值被设置为在驱动停止时的较低的值。

7.如权利要求1所述的固态图像传感器，还包括：

N-型衬底，其被布置为在所述光电转换部分和所述电荷保持部分下面的层，

其中，以这样的方式施加电压：当降低用于所述第一传输门的驱动脉冲时，所述N-型衬底的电势变高。

8.一种用于固态图像传感器的驱动方法，所述固态图像传感器包括：光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；电荷保持部分，在其中在向浮动扩散区域传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷预定时间；第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；以及电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电；所述驱动方法包括：

在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

9.一种电子装置，其包括：

固态图像传感器，其包括：

光电转换部分，其生成与接收到的光对应的电荷，并在其中蓄积所述电荷；

电荷保持部分，在其中在向浮动扩散区域传输所述光电转换部分中蓄积的电荷之前，保持所述电荷预定时间；

第一传输门，其向所述电荷保持部分传输在所述光电转换部分中蓄积的电荷；

第二传输门，其向所述浮动扩散区域传输在所述电荷保持部分中保持的电荷；

以及电荷放电门，其将所述光电转换部分中的电荷放电；

其中，在开始用于下一帧的光电转换部分中的电荷蓄积之前，将在所述电荷保持部分中蓄积的部分电荷放电。

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