JP2006101559A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源電圧を増大させることなく増幅トランジスタにおける電位を上げることができ、画素部の低電圧化を図る。
【解決手段】 リセットトランジスタ１２０および転送トランジスタ１２２は、駆動電源（駆動電圧Ｖｄｄ）とＰＤ１１０の出力との間に縦に接続され、そのソース・ドレイン間にＦＤ部１１６が設けられている。また、選択トランジスタ１２４と増幅トランジスタ１２６は、垂直信号線１１２と駆動電源との間に縦に接続され、増幅トランジスタ１２６のゲートがＦＤ部１１６が接続されている。増幅トランジスタ１２６と選択トランジスタ１２４の接続位置が従来と逆に駆動電源側に選択トランジスタ１２４が設けられ、垂直信号線１１２側に増幅トランジスタ１２６が設けられている。そして、リセットトランジスタ１２０によるリセット動作の終了後に、選択トランジスタ１２４をオンさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれ撮像画素を構成する複数の光電変換素子を有し、各光電変換素子に蓄積された光電荷を複数のトランジスタを用いて読み出す構造を有する固体撮像装置に関し、特に低電圧化が可能な固体撮像装置に関する。

従来より、この種の固体撮像素子として、各撮像画素毎に光電変換用のフォトダイオードと、このフォトダイオードに蓄積した光電荷の転送、選択、増幅、リセットを行う各種ＭＯＳトランジスタを設けたＭＯＳ型固体撮像装置が提案されている。

図４は、このようなＭＯＳ型固体撮像装置における従来の画素部の構成例を示す回路図であり、図５は、図４に示す画素部の動作例を示すタイミングチャートである。
この図４は、フォトダイオード１０に蓄積した光電子を垂直信号線１２に出力するまでの構成を示しており、垂直信号線１２の下端側（後述するＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路への電圧出力）はハイインピーダンスとなっている。また、垂直信号線１２の上端側は画素部の外で定電流源１４に接続されている。

そして、図示のように、フォトダイオード（以下、ＰＤという）１０の周辺には、４つのＭＯＳトランジスタ２０、２２、２４、２６が設けられている。
まず、リセットトランジスタ２０および転送トランジスタ２２が、駆動電源（駆動電圧Ｖｄｄ）とＰＤ１０の出力との間に縦に接続されており、リセットトランジスタ２０のソースと転送トランジスタ２２のドレインとの間にフローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部という）１６が設けられている。
また、選択トランジスタ２４と増幅トランジスタ２６が、垂直信号線１２と駆動電源（駆動電圧Ｖｄｄ）との間に縦に接続されており、増幅トランジスタ２６のゲートにＦＤ部１６が接続されている。

リセットトランジスタ２０のゲートにはリセットパルスが入力され、転送トランジスタ２２のゲートには転送パルスが入力され、選択トランジスタ２４のゲートには選択パルスが入力されている。
このような構成において、選択トランジスタ２４をＯＮすると、増幅トランジスタ２６と撮像部外の定電流源１４がソースフォロアを組むので、垂直信号線１２の電位は、増幅トランジスタ２６のゲート電圧すなわちＦＤ部１６の電位に追従した値となる。この値が画素の出力となる。

次に、図５に基づいて従来の画素部における駆動方法について説明する。
まず、図５の横軸に示す「ｔ１０」のタイミングでは、ＰＤ１０に光電子を蓄積する。
次に、「ｔ１１」のタイミングで選択トランジスタ２４をＯＮする。
そして、「ｔ１２」のタイミングでリセットトランジスタ２０にリセットパルスを入力し、ＦＤ部１６をリセットする。
この後、「ｔ１３」に示す期間で、垂直信号線１２の電位（リセットレベル）を後段のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路で取り込む。
そして、「ｔ１４」のタイミングで転送パルスを入力し、ＰＤ１０からＦＤ部１６に光電子を転送する。

この後、「ｔ１５」の期間で、再び垂直信号線１２の電位（光レベル）を後段のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路で取り込む。
次に、「ｔ１６」のタイミングでリセットパルスを入力し、ＦＤ部１６を再びリセットする。
最後に「ｔ１７」のタイミングで選択トランジスタ２４をＯＦＦし、「ｔ１０」の状態に戻る。
ここで、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路は、引き続いて取り込まれた２つの電圧の差を取り、保持する回路であり、上記動作の場合は、上述したリセットレベルの値と光レベルの差を取り、信号レベルとして保持する。

ところで、上述のような従来の固体撮像装置では、図４に示すように、増幅トランジスタ２６ではなく選択トランジスタ２４が垂直信号線１２の側に有ることが一般的であった。その理由は、選択トランジスタ２４の閾値落ちによる電圧降下や、選択トランジスタ２４の抵抗増大をきらうためである。
一方、図５に示すように、選択トランジスタ２４をＯＮしている期間中にリセットパルスを入れることが一般的であった。その理由は、転送パルスとリセットパルスの状態を同じ（選択トランジスタ２４がＯＮしている）にした方が良いという直感からと思われる。
そして、これら２つの事項のうち、片方を満たす従来例は存在するが、両方に当てはまるものは知られていないものと思われる。

ところで、ＭＯＳ型の固体撮像装置の最大の長所の１つとして、周りのＬＳＩと同様の低電圧で動作することがある。
一方、ＬＳＩの進化に伴い、ＬＳＩの電源電圧は５Ｖ→３．３Ｖ→２．５Ｖ→１．８Ｖ→１．３Ｖというように急速に低下する傾向となっている。
ここでＭＯＳ型固体撮像装置は、ソースフォロアの動作電圧＋信号振幅＋マージン分の電圧が必要であり、信号振幅は５００ｍＶ〜１Ｖが要求される。
このことから、従来のＭＯＳ型固体撮像装置では、ＴＧ等の周辺回路は低電圧化の方向に乗ることができるにもかかわらず、画素部の動作に必要な電圧が障害となって、２．５Ｖ以下の電源電圧に対応していくことが困難となっていた。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電源電圧を増大させることなく増幅トランジスタにおける電位を上げることができ、画素部の低電圧化を図ることが可能な固体撮像装置を提供することにある。

本発明は、撮像部内に設けられた複数の画素部に、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段によって蓄積された光電荷を受け取るフローティングディフュージョン部と、前記光電変換手段によって蓄積された光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転送手段と、前記フローティングディフュージョン部から光電荷に対応する信号を取り出す増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部に印加された光電荷をリセットするリセットトランジスタと、前記増幅トランジスタと接続され、増幅トランジスタの出力を撮像部外の電流源に接続された信号線に選択的に接続する選択トランジスタとを設け、前記増幅トランジスタは前記選択トランジスタと信号線との間に挿入され、かつ、前記リセットトランジスタによるリセット動作の終了後に、前記選択トランジスタをオンさせることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、増幅トランジスタを選択トランジスタと信号線との間に設け、かつ、リセットトランジスタによるリセット動作の終了後に、選択トランジスタをオンさせるという２つの要件を組み合わせることにより、電源電圧を増大させることなく増幅トランジスタにおける電位を上げることができ、その分、画素部の低電圧化を図ることが可能となり、固体撮像装置の低電圧化を図ることが可能となる。

次に、本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の固体撮像装置における画素部の構成例を示す回路図であり、図２は、図１に示す画素部の動作例を示すタイミングチャートである。
また、図３は、図１に示す画素部が設けられるＭＯＳ型固体撮像装置の全体構成を示す平面図である。
この固体撮像装置において、図４、図５に示す従来例と異なるところは、増幅トランジスタ１２６と選択トランジスタ１２４の接続位置が入れ替わっていることと、リッセットパルスが選択パルスの外に出ていることである。

以下、本例の固体撮像装置の構成および動作について順次説明する。
図１に示すように、本例の固体撮像装置の画素部は、フォトダイオード（ＰＤ）１１０、垂直信号線１１２、ＭＯＳトランジスタ１２０、１２２、１２４、１２６などを備えて構成されている。
また、図１において、垂直信号線１１２の下端側（後述するＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路への電圧出力）はハイインピーダンスとなっており、垂直信号線１１２の上端側は画素部の外で定電流源としてのＬｏａｄトランジスタ１１４に接続されている。

リセットトランジスタ１２０および転送トランジスタ１２２は、駆動電源（駆動電圧Ｖｄｄ）とＰＤ１１０の出力との間に縦に接続されており、リセットトランジスタ１２０のソースと転送トランジスタ１２２のドレインとの間にＦＤ部１１６が設けられている。
また、選択トランジスタ１２４と増幅トランジスタ１２６は、垂直信号線１１２と駆動電源（駆動電圧Ｖｄｄ）との間に縦に接続されており、増幅トランジスタ１２６のゲートにＦＤ部１１６が接続されている。
リセットトランジスタ１２０のゲートにはリセットパルスが入力され、転送トランジスタ１２２のゲートには転送パルスが入力され、選択トランジスタ１２４のゲートには選択パルスが入力されている。
そして、本例では、増幅トランジスタ１２６と選択トランジスタ１２４の接続位置が従来と逆になっており、駆動電源側に選択トランジスタ１２４が設けられ、垂直信号線１１２側に増幅トランジスタ１２６が設けられている。

次に、図３を用いて本例におけるＭＯＳ画像型固体撮像装置の全体構成について簡単に説明する。
撮像部２００は、上述した図１に示す構成の画素部を垂直方向と水平方向の２次元行列状に多数設けたものである。
また、定電流部２１０は、各画素列に対応して多数の定電流回路を設けたものであり、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部２２０は、各画素列に対応して多数のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路を設けたものである。
垂直（Ｖ）選択手段２３０は、各画素部の行を選択するものであり、水平（Ｈ）選択手段２４０は、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部２２０で各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路に保持されている信号を順番に水平信号線１１８に読み出すものである。この読み出された信号は、出力部２５０で処理され、撮像信号として出力される。
また、ＴＧ２６０は、これらの各部の動作に必要なパルスを作成して出力するタイミングジェネレータである。

次に、図２を用いて本例における画素部の動作について説明する。
図１に示す構成において、選択トランジスタ１２４をＯＮすると、増幅トランジスタ１２６と撮像部外の定電流源（Ｌｏａｄトランジスタ）１１４がソースフォロアを組むので、垂直信号線１１２の電位は、増幅トランジスタ１２６のゲート電圧すなわちＦＤ部１１６の電位に追従した値となる点は上記従来例と同様である。

また、画素部については図２に示すように以下のような動作となる。
まず、図２の横軸に示す「ｔ０」のタイミングでは、ＰＤ１１０に光電子を蓄積する。
次に、「ｔ１」のタイミングでＬｏａｄトランジスタ１１４をＯＮする。ここでは定電流源とするため、ゲート電圧は０．８Ｖ程度とする。
そして、「ｔ２」のタイミングでリセットトランジスタ１２０にリセットパルスを入力し、ＦＤ部１１６をリセットする。
次に、「ｔ３」のタイミングで選択トランジスタ１２４をＯＮする。
この後、「ｔ４」に示す期間で、垂直信号線１１２の電位（リセットレベル）を後段のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路で取り込む。
そして、「ｔ５」のタイミングで転送パルスを入力し、ＰＤ１１０からＦＤ部１１６に光電子を転送する。

この後、「ｔ６」の期間で、再び垂直信号線１１２の電位（光レベル）を後段のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路で取り込む。
次に「ｔ７」のタイミングで選択トランジスタ１２４をＯＦＦする。
そして、「ｔ８」のタイミングでリセットパルスを入力し、ＦＤ部１１６を再びリセットする。
最後に「ｔ９」のタイミングでＬｏａｄトランジスタ１１４をＯＦＦする。
なお、その他の動作は上記従来例と同様であるものとする。

次に、以上のような本例の動作による作用効果について説明する。
まず、「ｔ１」でＬｏａｄトランジスタ１１４がＯＮすることによって、垂直信号線１１２の電位は０Ｖになる。
そして、「ｔ２」でＦＤ部１１６をリセットすると、リセット後の「ｔ２’」のタイミングにおけるＦＤ部１１６の電位Ｖｆｄは、次の（式１）のようになる。
Ｖｆｄ＝Ｖｄｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ ……（式１）
ここで、Ｖｄｄは電源電圧、Ａはリセットトランジスタ１２０の閾値落ちによる電圧降下分、ＢはリセットゲートとＦＤ部１１６との容量結合による電圧降下分、Ｃはリセットトランジスタ１２０のチャネル電子の戻りによる電圧降下分である。

つまり、上記３つの電圧降下分Ａ、Ｂ、Ｃの要因でＦＤ部１１６の電圧は電源電圧Ｖｄｄよりも下がってしまう。
この電位は、上記従来例の場合の「ｔ１３」におけるリセットレベル取り込みのときのＦＤ電位と同じものである。
すなわち、上記従来例では、ここでの電圧降下が低電圧化のネックになっていた。例えば、Ａが０．５Ｖ、ＢとＣの合計が０．４Ｖとすると、ここで０．９Ｖの電圧のロスが生じる。
そこで本例では、増幅トランジスタ１２６と選択トランジスタ１２４の位置が入れ替わっていることと、初めのリセットパルスが選択トランジスタ１２４をＯＦＦしているときに立つことの両方がなされているために、「ｔ４」のリセットレベル取り込み時のＦＤ電圧を上げることができる。

なぜなら、「ｔ２’」の時点で、増幅トランジスタ１２６と選択トランジスタ１２４の間のノードα点は、０Ｖになっている。
そして「ｔ３」で選択トランジスタ１２４をＯＮすることにより、α点の電位Ｖαは、次の（式２）のようになる。
Ｖα＝Ｖｄｄ−Ｄ−Ｅ ……（式２）
ここで、Ｄは選択トランジスタ１２４の閾値落ちによる電圧降下分、Ｅは選択トランジスタ１２４の抵抗による電圧降下分である。
つまり、α点の電位は、０Ｖから式２の値まで上がる。
また、α点とＦＤ部１１６は、増幅トランジスタ１２６のゲートを介して容量結合しているので、このときにＦＤ部１１６の電位も式１の値から上昇することになる。その振幅は、例えばＶｄｄ＝２．５Ｖに対して、０．３Ｖ〜０．７Ｖに達し、低電圧化を考慮すると非常に大きいファクタとなる。

もしも図４に示す従来例のように、選択トランジスタが信号線側にあると、図２の動作をしても、リセットパルスを入れた時点でα’点の電位は０ＶよりもＶｄｄに近い値となってしまい、選択トランジスタ１２４をＯＮしてもそこから電位が上昇することはないので、ＦＤ部１１６の電位を上げることはできない。
また、もしも図５に示す従来例の動作のように、初めてのリセットパルスが選択トランジスタ２４をＯＦＦしているときに入ると、図１に示す本例の構成になっていても、リセットレベル取り込みのときのＦＤ電位は式１のものであるので、やはりＦＤ電位を上げることはできない。
つまり、本例で説明した図１の構成と図２の動作方法の２つの組み合わせによって、新たな効果、ＦＤ電位を上げ、その分低電圧化をすることができる。

また、ＦＤ部１１６の電位を上げる効果を高めるために、式２におけるＶαの値が大きい（Ｖｄｄに近い）ことが望ましい。
そのために、次のいずれかの方法によって選択トランジスタ１２４の閾値落ちの成分を無くすことが望ましい。
（１）選択トランジスタ１２４を、それがＯＮしたときに選択トランジスタ１２４の閾値落ちが無いレベルまで、閾値の低いＤｅｐｌｅｔｉｏｎトランジスタにする。ここでの閾値は、例えばＶｄｄ＝２．５Ｖの場合は、−０．４Ｖ以下という通常では作ることの無い値とする。
（２）選択トランジスタ１２４のゲートに入るＨｉｇｈレベルを、選択トランジスタ１２４の閾値落ちが無いレベルまで電源電圧よりも高く設定する。例えばＶｄｄ＝２．５Ｖの場合は、３．１Ｖ以上とする。

また、式１におけるリセットトランジスタ１２０の閾値落ちの成分を無くすことは可能であり、次のいずれかの方法を同時に用いることが望ましい。
（１）リセットトランジスタ１２０を、それがＯＮしたときにＦＤ部１１６を電源電圧までリセットできるレベルまで、閾値の低いＤｅｐｌｅｔｉｏｎトランジスタにする。ここでの閾値は、例えばＶｄｄ＝２．５Ｖの場合は、−０．４Ｖ以下という通常では作ることの無い値とする。
（２）リセットトランジスタ１２０のゲートに入るＨｉｇｈレベルを、ＦＤ部１１６を電源電圧までリセット可能なレベルまで、電源電圧よりも高く設定する。例えばＶｄｄ＝２．５Ｖの場合は、３．１Ｖ以上とする。

なお、上記の例では、光電変換手段と転送手段としてフォトダイオードとＭＯＳトランジスタによる転送ゲートを用いていたが、その代わりにＭＯＳトランジスタによるフォトゲートを用いていても同様の効果を得ることが可能である。
また、画素部の各トランジスタとＬｏａｄトランジスタが全てＮＭＯＳで構成していたが、これらを全てＰＭＯＳに置き換えても、電圧の高低を入れ替えれば全て同様の構成とすることが可能である。

以上説明したように本発明の固体撮像装置によれば、増幅トランジスタを選択トランジスタと信号線との間に設け、かつ、リセットトランジスタによるリセット動作の終了後に、選択トランジスタをオンさせるという２つの要件を組み合わせることにより、電源電圧を増大させることなく増幅トランジスタにおける電位を上げることができ、その分、画素部の低電圧化を図ることが可能となり、固体撮像装置の低電圧化を図ることが可能となる。

本発明の固体撮像装置における画素部の構成例を示す回路図である。 図１に示す画素部の動作例を示すタイミングチャートである。 図１に示す画素部を設けた固体撮像装置の全体構成を示す平面図である。 従来の固体撮像装置における画素部の構成例を示す回路図である。 図４に示す画素部の動作例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１１０……フォトダイオード（ＰＤ）、１１２……垂直信号線、１１４……Ｌｏａｄトランジスタ、１１６……ＦＤ部、１１８……水平信号線、１２０……リセットトランジスタ、１２２……転送トランジスタ、１２４……選択トランジスタ、１２６……増幅トランジスタ、２００……撮像部、２１０……定電流部、２２０……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部、２３０……垂直（Ｖ）選択手段、２４０……Ｈ選択手段、２５０……出力部、２６０……ＴＧ。

Claims (6)

1. 撮像部内に設けられた複数の画素部に、
   受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、
   前記光電変換手段によって蓄積された光電荷を受け取るフローティングディフュージョン部と、
   前記光電変換手段によって蓄積された光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転送手段と、
   前記フローティングディフュージョン部から光電荷に対応する信号を取り出す増幅トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョン部に印加された光電荷をリセットするリセットトランジスタと、
   前記増幅トランジスタと接続され、増幅トランジスタの出力を撮像部外の電流源に接続された信号線に選択的に接続する選択トランジスタとを設け、
   前記増幅トランジスタは前記選択トランジスタと信号線との間に挿入され、
   かつ、前記リセットトランジスタによるリセット動作の終了後に、前記選択トランジスタをオンさせる、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記リセットトランジスタによるリセット動作の開始前に、前記選択トランジスタをオフさせることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記選択トランジスタは、オンした時に、ほぼ閾値落ちの無いレベルまで閾値の低いデプレッショントランジスタよりなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記選択トランジスタのゲートに入力される選択パルスのＨｉｇｈレベルは、ほぼ閾値落ちの無いレベルまで電源電圧よりも高く設定されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記リセットトランジスタは、オンした時に、前記フローティングディフュージョン部をほぼ電源電圧にリセットできるレベルまで、閾値の低いデプレッショントランジスタよりなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記リセットトランジスタのゲートに入力されるリセットパルスのＨｉｇｈレベルは、オンした時に、前記フローティングディフュージョン部をほぼ電源電圧にリセットできるレベルまで、電源電圧よりも高く設定されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
   

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