JP2005151078A - Mos type image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射する光信号を電気信号として検出するMOS型イメージセンサに係り、特に、電子シャッタに完全対応可能で且つ電気信号読出用周辺回路の回路規模と配線数を少なくしたMOS型イメージセンサに関する。 The present invention relates to a MOS type image sensor for detecting an incident optical signal as an electric signal, and more particularly to a MOS type image sensor which can be completely compatible with an electronic shutter and which has a reduced circuit scale and number of wires for an electric signal readout peripheral circuit. About.
CMOSイメージセンサを代表とするMOS型イメージセンサは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、更に近年では携帯電話機搭載の小型デジタルカメラの固体撮像素子として使用されている。 A MOS type image sensor typified by a CMOS image sensor is used as a solid-state image sensor of a digital still camera, a digital video camera, and more recently a small digital camera mounted on a mobile phone.
図5は、一般的なMOS型イメージセンサの表面模式図である。図示するMOS型イメージセンサ10は、受光面11の右辺側に垂直走査回路12が設けられ、下辺側に水平走査回路等13が設けられている。受光面11には、縦横に走る配線14が多層プロセスで設けられ、これら配線14を避けた領域15、即ち、格子状となる配線14によって画成された各領域15(この明細書では、領域15の個々を「画素」ということにする。)内に入射してくる光信号を、各領域15下部(紙面の下側)に設けられた光電変換素子(フォトダイオード)によって電気信号に変換する様になっている。
FIG. 5 is a schematic diagram of the surface of a general MOS type image sensor. In the illustrated MOS
個々の領域15内には、通常、1個の光電変換素子と、この光電変換素子から信号を読み出す周辺回路とが設けられる。図6は、下記特許文献1に記載されている光電変換素子及び周辺回路の等価回路図であり、1個の光電変換素子18に、3個のトランジスタ19,20,21が接続されている。また、これらトランジスタ18,20,21に接続される配線として、VDD,リセットRST,X選択,信号読出の4本が必要となっている。
In each
下記特許文献2に記載されたMOS型イメージセンサは、1画素内に3つのフォトダイオードR,G,Bを深さ方向に積層し、赤色(R),緑色(G),青色(B)の各光電変換信号を各フォトダイオードから得る様にしている。図7は、この従来技術の各画素における等価回路図である。各フォトダイオード用に3個で計9個のトランジスタM1〜M9が必要となり、各トランジスタに接続される配線として、VCC,VP,リセット,ROW選択R,ROW選択G,ROW選択B,信号読出(Col)の計7本が必要となっている。
In the MOS type image sensor described in
近年の固体撮像素子は高画素化,高密度化が進行し、隣接する配線14間の距離が短くなって入射光の波長オーダになってきたため、フォトダイオードに到達する入射光量が少なくなり感度低下を引き起こしている。このため、1画素内に複数のフォトダイオードを設け、1画素から複数色の光電変換信号を得る構成にすると、図5に示す個々の領域15の開口を広くでき、感度的に有利となる。
In recent years, solid-state imaging devices have increased in pixel count and density, and the distance between
しかしその一方で、配線数や1画素内に設けるトランジスタ数が多くなると、多層プロセスが必要になって製造歩留まりが悪くなるという問題が生じる。この歩留まりは、製造工程数を減らすことで改善できるため、配線数やトランジスタ数を減らす必要がある。 On the other hand, however, when the number of wirings or the number of transistors provided in one pixel increases, a problem arises that a multi-layer process is required and the manufacturing yield deteriorates. Since this yield can be improved by reducing the number of manufacturing steps, it is necessary to reduce the number of wirings and the number of transistors.
そこで、本出願人は先に、1画素内に2個のフォトダイオードを設けるMOS型イメージセンサを提案(特願2003―72102,特願2003―130732)した。1画素内に2個のフォトダイオードを設けた場合は、1画素内に3個のフォトダイオードを設けた場合に比較して、トランジスタ数や配線数が減るため、歩留まりが改善されると共に感度アップの利益を享受することができる。 Therefore, the present applicant has previously proposed MOS type image sensors in which two photodiodes are provided in one pixel (Japanese Patent Application Nos. 2003-72102 and 2003-130732). When two photodiodes are provided in one pixel, the number of transistors and wirings are reduced compared to the case where three photodiodes are provided in one pixel, so that the yield is improved and the sensitivity is increased. You can enjoy the benefits.
しかるに、1画素内に複数のフォトダイオードを設けるイメージセンサを、電子シャッタ完全対応型とするには、各画素内に設けるトランジスタ数や配線数を増やす必要が生じてしまう。そこで、トランジスタ数と配線数を必要最低限だけ増加させて電子シャッタに完全に対応させる回路設計が必要となる。 However, in order to make an image sensor provided with a plurality of photodiodes in one pixel fully compatible with an electronic shutter, it is necessary to increase the number of transistors and wirings provided in each pixel. Therefore, it is necessary to design a circuit that increases the number of transistors and the number of wirings as much as necessary to completely correspond to the electronic shutter.
本発明の目的は、1画素内に複数の光電変換素子を設けたときの配線数とトランジスタ数を少なくでき且つ電子シャッタに完全に対応できるMOS型イメージセンサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a MOS type image sensor that can reduce the number of wirings and the number of transistors when a plurality of photoelectric conversion elements are provided in one pixel, and can completely correspond to an electronic shutter.
本発明のMOS型イメージセンサは、アレイ状に配列された複数の画素を半導体基板に設けると共に各画素間に配線を形成したMOS型イメージセンサにおいて、各画素の夫々に2つの光電変換素子を設けると共に、各画素内に設けられ前記光電変換素子の不要電荷を排出するリセット用のトランジスタ及びフローティングディフュージョンアンプ用のトランジスタの数を計5個にすると共に各光電変換素子の夫々の受光量に応じた蓄積電荷を一時保持するトランスファゲート用のトランジスタを各光電変換素子夫々に1つづつ設けたことを特徴とする。 The MOS image sensor of the present invention is a MOS image sensor in which a plurality of pixels arranged in an array are provided on a semiconductor substrate and wiring is formed between the pixels, and two photoelectric conversion elements are provided for each pixel. At the same time, the number of reset transistors and floating diffusion amplifier transistors provided in each pixel for discharging unnecessary charges of the photoelectric conversion elements is made to be a total of five, and according to the amount of light received by each photoelectric conversion element. One transfer gate transistor for temporarily holding the accumulated charge is provided for each photoelectric conversion element.
この構成により、トランジスタ数と配線数を削減できると共に、全画素を同一タイミングで露光可能となり、電子シャッタに完全に対応することが可能となる。 With this configuration, the number of transistors and the number of wirings can be reduced, and all the pixels can be exposed at the same timing, and the electronic shutter can be completely handled.
本発明のMOS型イメージセンサは、前記画素間を垂直方向に仕切る前記配線の数を3本、水平方向に仕切る前記配線の数を2本としたことを特徴とする。 The MOS image sensor according to the present invention is characterized in that the number of the wirings that partition the pixels in the vertical direction is three and the number of the wirings that partition in the horizontal direction is two.
この構成により、配線数を削減でき、製造プロセス数を低減可能となる。 With this configuration, the number of wirings can be reduced, and the number of manufacturing processes can be reduced.
本発明のMOS型イメージセンサは、アレイ状に配列された複数の画素を半導体基板に設けると共に各画素間に配線を形成したMOS型イメージセンサにおいて、各画素の夫々に、2つの光電変換素子と、各光電変換素子対応に設けられ対応する光電変換素子に残留する不要電荷を排出する2つのリセット用トランジスタと、各光電変換素子対応に設けられ対応する光電変換素子の受光量に応じた蓄積電荷をトランスファ信号印加時に読み出し一時保持する2つのトランスファゲート用トランジスタと、各トランスファゲート用トランジスタ対応に設けられ前記一時保持された電荷に応じた信号を読出信号印加時に各々が出力する2つの信号読出用トランジスタと、前記読出信号印加時に前記2つの信号読出用トランジスタを動作させる共通の1つの駆動用トランジスタとを備えることを特徴とする。 The MOS image sensor of the present invention is a MOS image sensor in which a plurality of pixels arranged in an array are provided on a semiconductor substrate and wiring is formed between the pixels. In each MOS pixel, two photoelectric conversion elements and Two reset transistors provided for each photoelectric conversion element and discharging unnecessary charges remaining in the corresponding photoelectric conversion element, and accumulated charges corresponding to the received light amount of the corresponding photoelectric conversion element provided for each photoelectric conversion element And two transfer gate transistors that are temporarily read out when a transfer signal is applied, and two signal read transistors that are provided corresponding to the respective transfer gate transistors and each output a signal corresponding to the temporarily held charge when a read signal is applied Common operation of the transistor and the two signal readout transistors when the readout signal is applied Characterized in that it comprises one driving transistor.
この構成により、トランジスタ数と配線数を削減できると共に、全画素を同一タイミングで露光可能となり、電子シャッタに完全に対応することが可能となる。 With this configuration, the number of transistors and the number of wirings can be reduced, and all the pixels can be exposed at the same timing, and the electronic shutter can be completely handled.
本発明のMOS型イメージセンサは、前記各画素の前記2つの読出用トランジスタの出力が異なる配線に接続されることを特徴とする。 The MOS type image sensor of the present invention is characterized in that outputs of the two readout transistors of each pixel are connected to different wirings.
この構成により、1画素内の2つの光電変換素子による光電変換信号を同時に出力することができる。 With this configuration, photoelectric conversion signals from two photoelectric conversion elements in one pixel can be output simultaneously.
本発明のMOS型イメージセンサは、アレイ状に配列された複数の画素を半導体基板に設けると共に各画素間に配線を形成したMOS型イメージセンサにおいて、各画素の夫々に、2つの光電変換素子と、各光電変換素子対応に設けられ対応する光電変換素子の受光量に応じた蓄積電荷をトランスファ信号印加時に読み出し一時保持する2つのトランスファゲート用トランジスタと、各トランスファゲート用トランジスタ対応に設けられ選択信号印加時に対応するトランスファゲート用トランジスタの一時保持電荷を後段に出力する2つの選択用トランジスタと、該2つの選択用トランジスタから出力された前記一時保持電荷に応じた信号を読出信号印加時に出力する1つの信号読出用トランジスタと、前記読出信号印加時に前記信号読出用トランジスタを動作させる1つの駆動用トランジスタと、前記2つのトランスファゲート用トランジスタ及び前記2つの選択用トランジスタの各々が導通状態となったときに前記2つの光電変換素子から前記信号読出用トランジスタに至る領域に残留する不要電荷を排出する共通の1つのリセット用トランジスタとを備えることを特徴とする。
The MOS image sensor of the present invention is a MOS image sensor in which a plurality of pixels arranged in an array are provided on a semiconductor substrate and wiring is formed between the pixels. In each MOS pixel, two photoelectric conversion elements and , Two transfer gate transistors provided corresponding to each photoelectric conversion element, for reading out and temporarily storing the stored charge corresponding to the amount of light received by the corresponding photoelectric conversion element when a transfer signal is applied, and a selection signal provided for each transfer gate transistor Two selection transistors for outputting the temporary holding charge of the transfer gate transistor corresponding to the time of application to the subsequent stage, and a signal corresponding to the temporary holding charge output from the two selection transistors for outputting the
この構成でも、トランジスタ数と配線数を削減できると共に、全画素を同一タイミングで露光可能となり、電子シャッタに完全に対応することが可能となる。 Even with this configuration, the number of transistors and the number of wirings can be reduced, and all the pixels can be exposed at the same timing, and the electronic shutter can be completely handled.
本発明によれば、配線数と各画素内に設けるトランジスタ数とを削減できると共に、電子シャッタに完全に対応でき、全画素を同一タイミングで露光することが可能となる。 According to the present invention, the number of wirings and the number of transistors provided in each pixel can be reduced, and the electronic shutter can be completely handled, so that all pixels can be exposed at the same timing.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施形態に係るMOS型イメージセンサの画素部の等価回路図であり、この例では4画素分を図示している。図示する例では、半導体基板上に第1画素30と第2画素40と第3画素50と第4画素60とが方形に配置されており、各画素間には、垂直方向に延びる3本の配線3,4,5と、横方向に延びる2本の配線の、計5本の配線が設けられている。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of the MOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. In this example, four pixels are illustrated. In the illustrated example, a
横方向に延びる2本の配線は、第1画素30及び第2画素40と、第3画素50及び第4画素60との間に設ける配線が配線6,7であり、第1画素30及び第2画素40とその上側に設ける画素との間の配線及び第3画素50及び第4画素60とその下側に設ける画素との間の配線が配線7,8である。
The two wirings extending in the horizontal direction are the
配線4には電源電圧VDDが印加され、配線6にはトランスファ信号が印加され、配線7にはROWセレクト信号が印加され、配線8にはリセット信号が印加される。信号配線3,5は信号読出用の配線であり、画素30,50の右隣の信号配線3,5からは夫々後述のsignal 1,signal 2が出力され、画素40,60の右隣の信号配線3,5からは夫々後述のsignal 3,signal 4が出力される。
A power supply voltage VDD is applied to the
第1画素30内には2つのフォトダイオード31,32が設けられており、その右隣の第2画素40内にも2つのフォトダイオード41,42が設けられている。
Two
今、フォトダイオード31が“Color 1”の光信号を電気信号に変換し、フォトダイオード32が“Color 2”の光信号を電気信号に変換し、フォトダイオード41が“Color 3”の光信号を電気信号に変換し、フォトダイオード42が“Color 4”の光信号を電気信号に変換するものとする。
Now, the
同様に、第1画素30の下側の第3画素50内にはフォトダイオード51,52が設けられ、その右隣の第4画素60内にはフォトダイオード61,62が設けられている。フォトダイオード51,52,61,62は、その上段の画素30,40とは逆に、夫々、“Color 3”,“Color 4”,“Color 1”,“Color 2”の光信号を電気信号に変換する。
Similarly,
画素30内の周辺部にはリセット回路やフローティングディフュージョンアンプ等を構成する7つのMOSトランジスタ33〜39が設けられ、画素40内の周辺部にも7つのMOSトランジスタ43〜49が設けられ、画素50内の周辺部にも7つのMOSトランジスタ53〜59が設けられ、画素60内の周辺部にも7つのMOSトランジスタ63〜69が設けられる。各画素内での7つのMOSトランジスタの接続構成は同じであるため、以下、画素30についてのみ説明する。
Seven
図1に示す実施形態は、画素内に設けられた2つのフォトダイオード31,32から夫々の色信号を読み出す時に、2つのフォトダイオード31,32のROWセレクトとリセットとを夫々共通化して、2色の色信号を別々の信号配線3,5に出力する様になっている。
In the embodiment shown in FIG. 1, when the color signals are read from the two
即ち、リセット用のMOSトランジスタ33,34のゲートは、リセット信号が印加される配線8に共通に接続され、トランジスタ33,34の各ソースは配線4に接続され、トランジスタ33のドレインはフォトダイオード31のカソード及びトランスファゲート用のMOSトランジスタ35のソースに接続され、トランジスタ34のドレインはフォトダイオード32のカソード及びトランスファゲート用のMOSトランジスタ36のソースに接続される。各トランジスタ35,36の夫々のドレインは、信号読出用のMOSトランジスタ37,38のゲートに接続される。
That is, the gates of the
トランジスタ37のドレインは信号配線3に接続され、トランジスタ38のドレインは信号配線5に接続され、更に、トランジスタ37,38の各ソースは共通に駆動用のMOSトランジスタ39のドレインに接続され、トランジスタ39のゲートはROWセレクト信号用の配線7に接続され、トランジスタ39のソースは電源配線4に接続される。
The drain of the
図2は、電子シャッタを図1のMOS型イメージセンサに適用して各フォトダイオードから光電変換信号を読み出すときのタイミングチャートである。本実施形態におけるMOS型イメージセンサは、上述したトランスファゲート用のトランジスタ35,36を備えるため、全画素での同一タイミングによる撮像(露光)が可能となり、電子シャッタに完全に対応することができる。尚、画素30における動作を中心に説明するが、他の画素における動作も同様である。
FIG. 2 is a timing chart when an electronic shutter is applied to the MOS type image sensor of FIG. 1 and a photoelectric conversion signal is read from each photodiode. Since the MOS image sensor in the present embodiment includes the
即ち、図1の全ての配線8に印加されるリセット信号は、通常時にはオン状態にあり、これがオフとなるタイミングの直前に、図1の全ての配線6に印加される1発目のトランスファ信号T1が所定時間だけオンされる。リセット信号オンによってリセット用トランジスタ33,34が導通状態となっている最中にトランスファゲート用のトランジスタ35,36が導通状態になることで、フォトダイオード31,32から、信号読出用のトランジスタ37,38のセンスゲートに至るまでの不要電荷が、リセット用トランジスタ33,34を通して電源配線4に排出され、その後に、リセット用トランジスタ33,34は遮断される。
That is, the reset signal applied to all the
そして、リセット信号オフのタイミングから、各フォトダイオード31,32への露光が開始され、リセット信号オフ中に、2発目のトランスファ信号T2が所定時間だけオンされる。このトランスファ信号T2オンによって、トランスファゲート用のトランジスタ35,36が導通状態となり、フォトダイオード31,32の蓄積電荷は、信号読出用トランジスタ37,38のセンスゲートまで移動して保持され、その後、リセット信号はオン状態となる。即ち、リセット信号オフのタイミングから、2発目のトランスファ信号T2がオンとなるタイミングまでが、各フォトダイオードの露光時間となる。
Then, exposure to each of the
次に、最上段の画素行から最下段の画素行まで順に各画素行を指定するパルス信号でなるROWセレクト信号が各画素行対応に設けられている配線7に印加される。これにより、先ず最上行の画素30,40のトランジスタ39,49が導通状態となり、画素30においては、電源配線4→トランジスタ39→トランジスタ37→信号配線3と電流が流れる。
Next, a ROW select signal, which is a pulse signal designating each pixel row, is sequentially applied from the uppermost pixel row to the lowermost pixel row to the
この電流値は、トランジスタ37のセンスゲート部分に保持された電荷に応じた値であり、これにより、フォトダイオード31のColor 1に対応した光電変換信号がsignal 1として信号配線3に出力される。これと平行して、画素30では、電源配線4→トランジスタ39→トランジスタ38→信号配線5と電流が流れ、フォトダイオード32のColor 2に対応した光電変換信号がsignal 2として信号配線5に出力される。
This current value is a value corresponding to the charge held in the sense gate portion of the
画素40においては、同様に、画素40の右隣の配線3にフォトダイオード41のColor 3に対応した光電変換信号がsignal 3として出力され、画素40の右隣の配線5には、フォトダイオード42のColor 4に対応した光電変換信号がsignal 4として出力される。
Similarly, in the pixel 40, a photoelectric conversion signal corresponding to Color 3 of the photodiode 41 is output as
次のタイミングで画素50,60を指定するROWセレクト信号が印加されると、上記と同様にして、フォトダイオード51のColor 3に対応した光電変換信号がsignal 1として配線3に出力され、フォトダイオード52のColor 4に対応した光電変換信号がsignal 2として配線5に出力され、フォトダイオード61のColor 1に対応した光電変換信号がsignal 3として配線3に出力され、フォトダイオード62のColor 2に対応した光電変換信号がsignal 4として配線5に出力される。
When a ROW select signal designating the
以下、同様にして、順に各画素行の光電変換信号が読み出される。図1に示すMOS型イメージセンサでは、第1画素30と第2画素50とが垂直方向に交互に並び、第2画素40と第4画素60とが垂直方向に交互に並ぶため、signal 1としては、上段の画素から順に読み出されたColor 1,Color 3,Color 1,Color 3,……の信号が並び、signal 2としては、Color 2,Color 4,Color 2,Color 4,……の信号が並び、signal 3としては、Color 3,Color 1,Color 3,Color 1,……の信号が並び、signal 4としては、Color 4,Color 2,Color 4,Color 2,……の信号が並ぶ。これら読み出された信号は、図5に示す回路13に取り込まれ、A/D変換等された後に、MOS型イメージセンサから画像信号として出力される。
Thereafter, similarly, the photoelectric conversion signals of the respective pixel rows are read in order. In the MOS image sensor shown in FIG. 1, the
この様に、1画素内に2つのフォトダイオードを有する本実施形態のMOS型イメージセンサでは、各画素内に7個のトランジスタを設ければよく、また、配線数も5本となるため、製造工程数が減り、製造歩留まりが向上する。更に、各画素内にトランスファゲート用のトランジスタを設けたため、電子シャッタに完全に対応でき、全画素を同一タイミングで露光した画像データを得ることができる。 Thus, in the MOS type image sensor of this embodiment having two photodiodes in one pixel, it is only necessary to provide seven transistors in each pixel and the number of wirings is five. The number of processes is reduced and the manufacturing yield is improved. Furthermore, since a transfer gate transistor is provided in each pixel, the electronic shutter can be completely handled, and image data obtained by exposing all pixels at the same timing can be obtained.
図3は、本発明の第2実施形態に係るMOS型イメージセンサの画素部の等価回路図であり、図示する例では4画素分を示している。この実施形態でも、第1画素70と第2画素80と第3画素90と第4画素100とが方形に配置されており、各画素間には、垂直方向に延びる3本の配線22,23,24と、横方向に延びる2本または3本の配線が設けられている。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of a MOS type image sensor according to the second embodiment of the present invention, and in the illustrated example, four pixels are shown. Also in this embodiment, the
横方向に延びる配線は、第1画素70及び第2画素80と、第3画素90及び第4画素100との間に設ける配線が配線25,26,27であり、第1画素70及び第2画素80とその上側に設ける画素との間の配線及び第3画素90及び第4画素100とその下側に設ける画素との間の配線が配線28,29である。
The wirings extending in the horizontal direction are the
配線22には電源電圧VDDが印加され、信号配線23,24から、光電変換信号が出力される。配線25,26には第1セレクト信号(Select 1),第2セレクト信号(Select 2)が印加され、配線27には、配線27の上下の2行の画素行を両方同時に選択するROWセレクト信号が印加される。配線28には、トランスファ信号が印加され、配線29にはリセット信号が印加される。
A power supply voltage VDD is applied to the
第1画素70内には2つのフォトダイオード71,72が設けられており、その右隣の第2画素80内にも2つのフォトダイオード81,82が設けられている。
Two
本実施形態でも、フォトダイオード71が“Color 1”の光信号を電気信号に変換し、フォトダイオード72が“Color 2”の光信号を電気信号に変換し、フォトダイオード81が“Color 3”の光信号を電気信号に変換し、フォトダイオード82が“Color 4”の光信号を電気信号に変換する。
Also in this embodiment, the
同様に、第1画素70の下側の第3画素90内にはフォトダイオード91,92が設けられ、その右隣の第4画素100内にはフォトダイオード101,102が設けられている。フォトダイオード91,92,101,102は、その上段の画素70,80とは逆に、夫々、“Color 3”,“Color 4”,“Color 1”,“Color 2”の光信号を電気信号に変換する。
Similarly,
画素70内の周辺部にはリセット回路やフローティングディフュージョンアンプ等を構成する7つのMOSトランジスタ73〜79が設けられ、画素80内の周辺部にも7つのMOSトランジスタ83〜89が設けられ、画素90内の周辺部にも7つのMOSトランジスタ93〜99が設けられ、画素100内の周辺部にも7つのMOSトランジスタ103〜109が設けられる。
Seven
画素70と画素80の夫々の内部トランジスタの接続構成及び配線22〜29への接続構成は同じため、以下、画素70についてのみ説明し、画素70と画素90とは内部トランジスタの接続構成は同じであり、配線接続のみが一部異なるため、画素90については画素70との違いについてのみ説明する。
Since the connection configuration of the internal transistors of the
トランスファゲート用のMOSトランジスタ73,74のゲートは配線28に共通に接続され、トランジスタ73,74のソースが夫々フォトダイオード71,72のカソードに接続され、トランジスタ73,74のドレインが夫々選択用のトランジスタ75,76のソースに接続されている。
The gates of the transfer
トランジスタ75のゲートは配線25に接続され、トランジスタ76のゲートは配線26に接続され、トランジスタ75,76の各ドレインは、共通にリセット用のトランジスタ77のドレイン及び信号読出用のトランジスタ78のゲートに接続され、トランジスタ77,78のソースが夫々電源配線22に接続され、トランジスタ77のゲートがリセット配線29に接続される。駆動用のトランジスタ79のゲートは配線27に接続され、ソースはトランジスタ78のドレインに、ドレインは信号配線23に接続される。
The gate of the
画素70においては、トランジスタ79のドレインが画素70の右隣の配線23に接続されたが、下段の画素90においては、トランジスタ99のドレインは、画素90の左隣の配線24に接続される。
In the
図1に示す実施形態では、2色の信号を読み出す場合に夫々の色に対応した専用のソースフォロアのトランジスタ(図1の画素30でいえば、トランジスタ37,38)を設けているため、トランジスタ間に特性のバラツキが生じる虞がある。そこで、本実施形態では、この特性バラツキを回避するため、2色の信号の読み出しを、一つのソースフォロアのトランジスタ(図3の画素70でいえば、トランジスタ78)で読み出すこととしている。
In the embodiment shown in FIG. 1, when two-color signals are read out, dedicated source follower transistors (
図4は、電子シャッタを図3に示すMOS型イメージセンサに適用したときの信号読出のタイミングチャートである。本実施形態におけるMOS型イメージセンサは、上述したトランスファゲート用のトランジスタ73,74を備えるため、全画素での同一タイミングによる撮像(露光)が可能となり、電子シャッタに完全に対応することができる。以下、画素70の動作を中心に説明するが、他の画素における動作も同様である。
FIG. 4 is a signal read timing chart when the electronic shutter is applied to the MOS type image sensor shown in FIG. Since the MOS type image sensor according to the present embodiment includes the
本実施形態においては、パルス信号でなるトランスファ信号の第1発目の信号T1のオフのタイミングから第2発目のトランスファ信号T2のオンまでのタイミングが露光時間となり、この露光時間中に、全画素で露光が行われる。また、第1発目のトランスファ信号T1のオンに若干先立って全配線29に印加されるリセット信号がオンとなり、第2発目のトランスファ信号T2のオフと同時にリセット信号がオフとなる。
In this embodiment, the exposure time is the timing from when the first signal T1 of the transfer signal, which is a pulse signal, is turned off to when the second transfer signal T2 is turned on. Exposure is performed on the pixels. Further, the reset signal applied to all the
また、図4に示す第1セレクト信号(select 1)と第2セレクト信号(select 2)は、実際のセレクト信号a,b(これらの信号a,bは、第2発目のトランスファ信号T2のオフ後に発生する。)と、これらに先行し、第1発目のトランスファ信号T1のオンと同一タイミングでオンとなり第2発目のトランスファ信号T2のオン前にオフとなる先行信号a0,b0とにより形成される。 The first select signal (select 1) and the second select signal (select 2) shown in FIG. 4 are the actual select signals a and b (the signals a and b are the second transfer signal T2). Preceding signals a0, b0 that are turned on at the same timing as the first transfer signal T1 is turned on and turned off before the second transfer signal T2 is turned on. It is formed by.
ROWセレクト信号は、第2発目のトランスファ信号T2のオフ後に所定時間だけオンとなるパルス信号でなり、実際のセレクト信号a,bは、このROWセレクト信号オン中に発生する様になっている。 The ROW select signal is a pulse signal that is turned on for a predetermined time after the second transfer signal T2 is turned off, and the actual select signals a and b are generated while the ROW select signal is on. .
リセット信号がオンとなり、図3のリセット用のトランジスタ77が導通状態になった状態で、第1発目のトランスファ信号T1と信号a0,b0がオンになると、トランジスタ73,74,75,76が導通状態となる。これにより、フォトダイオード71,72から信号読出用のトランジスタ78のゲートに至るまでの領域に存在する不要電荷が、リセットトランジスタ77を通って電源配線22に廃棄される。
When the first transfer signal T1 and the signals a0 and b0 are turned on in a state where the reset signal is turned on and the resetting
トランスファ信号T1がオフとなってトランジスタ73,74が遮断されると、フォトダイオード71,72に入射光量に応じた電荷が蓄積される。電子シャッタのOFF、すなわち第2発目のトランスファ信号T2のオンに先行して信号a0,b0がオフとなり、トランジスタ75,76が遮断され、この状態で、トランスファ信号T2が所定時間だけオンとなる。これにより、フォトダイオード71,72の蓄積電荷は、トランジスタ75,76のドレイン領域に移動してトランジスタ75,76に保持されることになる。また、リセット信号オフにより、リセット用のトランジスタ77が遮断状態となる。
When the transfer signal T1 is turned off and the
次に、配線27に印加されるROWセレクト信号がオンとなってトランジスタ79が導通状態となり、この状態でセレクト信号a(第1セレクト信号)が発生するとトランジスタ75が導通状態となり、トランジスタ75に保持されている電荷がトランジスタ78のセンスゲートに印加される。
Next, the ROW select signal applied to the
これにより、画素70においては、電源配線22→トランジスタ78→トランジスタ79→信号配線23と電流が流れ、フォトダイオード71のColor 1に対応した光電変換信号がsignal 1として出力される。同様に、画素80においては、フォトダイオード81のColor 3に対応した光電変換信号が画素80の右隣の配線23にsignal 3として出力され、画素90においては、フォトダイオード91のColor 3に対応した光電変換信号が画素90の左隣の配線24にsignal 4として出力され、画素100においては、フォトダイオード101のColor 1に対応した光電変換信号が画素100の左隣の配線24にsignal 2として出力される。
Thereby, in the
これらの光電変換信号の出力後に第2セレクト信号bが発生し、これにより、画素70においては、フォトダイオード72のColor 2に対応した光電変換信号がsignal 1として画素70の右隣の信号配線23に出力される。同様に、画素80においては、フォトダイオード82のColor 4に対応した光電変換信号が画素80の右隣の配線23にsignal 3として出力され、画素90においては、フォトダイオード92のColor 4に対応した光電変換信号が画素90の左隣の配線24にsignal 4として出力され、画素100においては、フォトダイオード102のColor 4に対応した光電変換信号が画素100の左隣の配線24にsignal 2として出力される。
After the output of these photoelectric conversion signals, the second select signal b is generated. As a result, in the
以下、同様にして、図3に示す2行の画素行の次の2行の画素行がこれらの画素行間に設けられた配線27に印加されるROWセレクト信号によって選択され、このROWセレクト信号のオン中に、これらの画素行間に設けられた配線25,26にセレクト信号(図4の信号a,bに相当する信号)が印加されることで、各画素行の信号電荷が読み出されるという動作が繰り返される。
Similarly, the next two pixel rows after the two pixel rows shown in FIG. 3 are selected by the ROW select signal applied to the
この様に、本実施形態のMOS型イメージセンサでも、各画素内に7個のトランジスタを設ければよく、配線数も少なくなるため、製造工程数が減り、製造歩留まりが向上する。また、トランジスタの特性バラツキに起因する影響を回避できると共にトランジスタの特性を一致させるための制約がなくなるため各画素内におけるレイアウト設計の自由度が増す。更に、各画素内にトランスファゲート用のトランジスタを設けたため、電子シャッタに完全に対応でき、全画素を同一タイミングで露光した画像データを得ることができる。 As described above, in the MOS image sensor of this embodiment, it is sufficient to provide seven transistors in each pixel, and the number of wirings is reduced. Therefore, the number of manufacturing steps is reduced, and the manufacturing yield is improved. In addition, it is possible to avoid the influence caused by the characteristic variation of the transistors and to eliminate the restriction for matching the transistor characteristics, thereby increasing the degree of freedom in layout design in each pixel. Furthermore, since a transfer gate transistor is provided in each pixel, the electronic shutter can be completely handled, and image data obtained by exposing all pixels at the same timing can be obtained.
本発明によれば、電子シャッタに完全に対応でき且つ製造工程数を減らすことができるために製造コストの低減と歩留まりアップを図ることができるという効果を奏し、MOS型イメージセンサに適用すると有用である。 According to the present invention, it is possible to completely correspond to an electronic shutter and to reduce the number of manufacturing steps, so that the manufacturing cost can be reduced and the yield can be increased, which is useful when applied to a MOS type image sensor. is there.
3,5,23,24 信号配線
4,22 電源配線
6,28 トランスファ信号用配線
7,27 ROWセレクト用配線
8,29 リセット用配線
25,26 セレクト信号用配線
30,40,50,60,70,80,90,100 画素
31,41,51,61,71,81,91,101,32,42,52,62,72,82,92,102 フォトダイオード(光電変換素子)
33〜39,43〜49,53〜59,63〜69,73〜79,83〜89,93〜99,103〜109 MOSトランジスタ
3, 5, 23, 24
33-39, 43-49, 53-59, 63-69, 73-79, 83-89, 93-99, 103-109 MOS transistors
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