JP2009253845A - Cmos固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 画質を劣化させることなく、回路規模を大きくすることなく黒化現象を防止することができるCMOS固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 ドライバ14は、画素のリセットトランジスタのゲートおよび転送トランジスタのゲートに対し、アクティブレベルのリセット電圧RTおよびアクティブレベルの転送電圧TXを順次供給するとともに、アクティブレベルのリセット電圧RTを供給する直前の期間に、転送電圧TXを非アクティブレベルよりも僅かに高いレベルとして、PD101とFD102dとの間に介在するポテンシャル障壁を低くし、リセット電圧RTをアクティブレベルとするのに伴って、転送電圧TXを非アクティブレベルとして、PD101とFD102dとの間に介在するポテンシャル障壁を高くする。
【選択図】図1
【解決手段】 ドライバ14は、画素のリセットトランジスタのゲートおよび転送トランジスタのゲートに対し、アクティブレベルのリセット電圧RTおよびアクティブレベルの転送電圧TXを順次供給するとともに、アクティブレベルのリセット電圧RTを供給する直前の期間に、転送電圧TXを非アクティブレベルよりも僅かに高いレベルとして、PD101とFD102dとの間に介在するポテンシャル障壁を低くし、リセット電圧RTをアクティブレベルとするのに伴って、転送電圧TXを非アクティブレベルとして、PD101とFD102dとの間に介在するポテンシャル障壁を高くする。
【選択図】図1
Description
この発明は、アレイ状に配列された複数の画素の各々において光電変換素子により得られた信号電荷を増幅して電気信号として出力する増幅型のCMOS固体撮像装置に関する。
図3(a)は一般的なCMOS固体撮像装置の構成例を示すものである。このCMOS固体撮像装置は、複数の画素Pを行列状に配列してなるものであるが、図3(a)では図面が煩雑になるのを防止するため、1個の画素Pのみが図示されるとともに、この画素Pから画素信号を読み出すための回路が図示されている。1個の画素Pは、図示のように、PD(Photo Diode;フォトダイオード)101と、各々MOS型トランジスタである転送トランジスタ102と、リセットトランジスタ103と、増幅トランジスタ104と、行選択トランジスタ105とにより構成されている。これらの各素子は、p型半導体基板に形成されている。そして、図3(a)では、PD101、転送トランジスタ102およびリセットトランジスタ103についてはそれらの断面構造が図示され、増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105については回路シンボルを用いた図示がなされている。
図3(a)において、PD101は、p型半導体基板に低濃度のn型不純物の埋め込み層を形成してなるものであり、受光量に応じた信号電荷を発生する光電変換素子である。転送トランジスタ102は、ソースがPD101に接続され、ドレインがFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)102dとなっている。この転送トランジスタ102は、アクティブレベルであるHレベルの転送電圧TXがゲートに与えられることによってON状態となり、PD101が発生した信号電荷をFD102dに転送する。リセットトランジスタ103は、ソースが電源VDDに接続されており、ドレインがFD102dとなっている。このリセットトランジスタ103は、アクティブレベルであるHレベルのリセット電圧RTがゲートに与えられることによってON状態となり、FD102dのレベルを電源VDDのレベルにリセットする。
増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105は、FD102dに蓄積された電荷に応じた電圧を列信号線11に読み出す読出回路としての役割を果たす。さらに詳述すると、増幅トランジスタ104は、ドレインが電源VDDに接続され、ゲートがFD102dに接続されている。また、行選択トランジスタ105は、増幅トランジスタ104のソースと列信号線11との間に介挿されている。そして、行選択トランジスタ105は、Hレベルの行選択信号SLがゲートに与えられたときにON状態となり、増幅トランジスタ104のソースを列信号線11に接続する。
一本の列信号線11には、同様な態様で複数の画素Pが接続されるとともに、各画素Pの増幅トランジスタ104の負荷となる定電流源12とCDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)回路13が接続されている。ここで、CDS回路13は、列信号線11に接続された各画素Pについて、リセットトランジスタ103によるリセット後の時点において画素Pから列信号線11に出力される電圧と、転送トランジスタ102による転送後の時点において画素Pから列信号線11に出力される電圧を各々サンプリングし、両電圧の差分を画素信号として出力する回路である。CDS回路13には、リセット後の時点でのサンプリングを指示するサンプリングクロックφrと、転送後の時点でのサンプリングを指示するサンプリングクロックφsが与えられる。
ドライバ14は、各画素Pに対する行選択信号SL、リセット電圧RTおよび転送電圧TXを発生するとともに、各CDS回路13に対するサンプリングクロックφrおよびφsを発生する回路である。
図3(b)は、転送電圧TXおよびリセット電圧RTがいずれも非アクティブレベル(=Lレベル=0V)であるときの画素Pの各部の電子のポテンシャルを示す図である。図3(b)に示すように、リセット電圧RTが非アクティブレベル(0V=GNDレベル)であると、リセットトランジスタ103のゲート直下のp型不純物領域の電子に対するポテンシャルが最高レベルである0Vとなり、これが、リセットトランジスタ103のソースからFD102dへの電子の移動を妨げるポテンシャル障壁となる。また、転送電圧TXがLレベル(0V)であると、転送トランジスタ102のゲート直下のp型不純物領域の電子に対するポテンシャルが最高レベルである0Vとなり、これが、PD101のn型不純物層からFD102dへの電子の移動を妨げるポテンシャル障壁となる。
図4は、ある行の画素Pが選択された期間(すなわち、その行に対する行選択信号SLがHレベルとされる期間)内において、画素信号の読み出しのために1個の画素Pに与えられるリセット電圧RTおよび転送電圧TXと、CDS回路13に与えられるサンプリングクロックφrおよびφsの波形を例示する波形図である。また、図5(a)〜(e)および図5(a)’〜(e)’は、図4における期間(a)〜(e)の各々における画素Pの電位分布を示す図であり、図5(a)〜(e)はPD101の受光量が適正範囲内のものである場合を、図5(a)’〜(e)’はPD101の受光量が極めて大きい場合を示している。
ある行に属する画素Pから画素信号の読み出しを行う場合、ドライバ14は、その行に対応した行選択信号SLをHレベルとする。これにより、その行に属する各画素Pでは、行選択トランジスタ105がON状態となり、増幅トランジスタ104と列信号線11に接続された定電流源12がFD102dの電圧を列信号線11上に出力するソースフォロワ回路を構成する。この状態において、ドライバ14は、画素Pに対してパルス状のリセット電圧RTおよび転送電圧TXを順次出力する一方、リセット電圧RTが立ち下がってから転送電圧TXが立ち上がるまでの期間内の時点においてサンプリングクロックφrを出力し、転送電圧TXが立ち下がった後、サンプリングクロックφsを出力する。以下、このような各種の信号の供給に応じて行われる画素Pの動作について説明する。
PD101の受光量が適正範囲内である場合の動作は次のようになる。リセット電圧RTが立ち上がる前の期間(a)では、リセット電圧RTおよび転送電圧TXがいずれも0Vである。この状態では、図5(a)に示すように、PD101とFD102dとの間の電荷の移動を妨げるポテンシャル障壁と、リセットトランジスタ103のソースとFD102dとの間の電荷の移動を妨げるポテンシャル障壁とがあり、電荷の移動は起こらない。この間、PD101では、受光量に応じた電子−正孔対が発生し、信号電荷となる。また、FD102dは、その時点において残存している電荷を維持する。
期間(b)において、リセット電圧RTが電源VDDのレベルまで立ち上がると、図5(b)に示すように、リセットトランジスタ103のゲート直下のp型不純物領域の電子に対するポテンシャルが低下する。この結果、リセットトランジスタ103のソースとFD102dとの間にあったポテンシャル障壁がなくなり、FD102dに残存していた電荷が全てリセットトランジスタ103のソースに移動し、FD102dのレベルが電源VDDのレベルにリセットされる。
期間(c)において、リセット電圧RTが立ち下がった後、サンプリングクロックφrが発生すると、CDS回路13は、この時点における画素Pから列信号線11への出力電圧をサンプリングして保持する。
期間(d)において、転送電圧TXが電源VDDのレベルまで立ち上がると、図5(d)に示すように、転送トランジスタ102のゲート直下のp型不純物領域の電子に対するポテンシャルが低下する。この結果、PD101のソースとFD102dとの間にあったポテンシャル障壁がなくなり、PD101に蓄積されていた信号電荷(この場合、電子)が全てFD102dに移動し、FD102dのレベルは、このPD101から移動してきた電子の量に応じたレベルとなる。
期間(e)において、転送電圧TXが立ち下がった後、サンプリングクロックφsが発生すると、CDS回路13は、この時点における画素Pから列信号線11への出力電圧をサンプリングして保持し、サンプリングクロックφsに応じてサンプリングした電圧からサンプリングクロックφrに応じてサンプリングした電圧を減算した電圧を画素信号として出力する。
この場合、サンプリングクロックφrに応じてサンプリングした電圧は、図5(c)に示すように、リセットされた状態におけるFD102dの電圧に対応したものであるのに対し、サンプリングクロックφsに応じてサンプリングした電圧は、図5(e)に示すように、PD101に蓄積された信号電荷が全てFD102dに移動した後におけるFD102dの電圧に対応したものとなる。従って、PD101の受光量が適正範囲内のものである場合には、リセット状態におけるFD102dの電圧(雑音成分)が除去され、PD101の受光量を正確に反映した画素信号が得られる。
ところが、PD101の受光量がある限度を越えて大きくなると、本来ならば白(受光量大)を示す画素信号が出力されるべきであるのに、黒を示す画素信号が出力される現象が生じる。多くの文献では、この現象を黒化現象と呼んでいる(例えば特許文献1参照)。図5(a)’〜(e)’は、この黒化現象が発生する様子を例示している。
PD101の受光量が極めて大きくなり、蓄積可能な許容量を越える電子−正孔対をPD101が発生すると、たとえ転送電圧TXが0Vであって転送トランジスタ102がOFF状態であっても、PD101とFD102dとの間のポテンシャル障壁を乗り越えて、PD101からFD102dへと電子が溢れ出す(図5(a)’および(b)’参照)。そして、リセット電圧RTがHレベルとなってFD102dがリセットされた後、サンプリングクロックφrが発生するまでの間に、ポテンシャル障壁を乗り越えてPD101から移動してくる電子がFD102dに蓄積する。これによりFD102dの電圧がGNDレベルに向けて低下する。このため、サンプリングクロックφrによりCDS回路13に保持される電圧は、リセット状態のFD102dの電圧ではなく、それよりも低く、0Vに近い電圧となる(図5(c)’参照)。
その後、転送電圧TXが立ち上がると、PD101からFD102dに信号電荷が移動する(図5(d)’参照)。そして、転送電圧TXの立ち下がり後、サンプリングクロックφsが発生すると、その時点における画素Pから列信号線11への出力電圧がCDS回路13によってサンプリングされ、先にサンプリングクロックφrによりサンプリングした電圧との差分が画素信号として出力される。この場合、先にサンプリングクロックφrによりサンプリングした電圧は、リセット状態のFD102dの電圧ではなく、0Vに近い電圧である。このため、サンプリングクロックφrによりサンプリングした電圧とサンプリングクロックφsによりサンプリングした電圧との差分がほぼ0Vとなり、黒を示す画素信号がCDS回路13から出力されることとなる。
このような黒化現象への対策に関する技術として、特許文献1に開示された技術がある。特許文献1に開示された技術では、リセット後に画素Pの出力電圧を閾値と比較し、出力電圧が閾値よりも低く、リセット状態のFDの電圧よりも低い電圧が出力されていると考えられる場合に、その出力電圧の代わりに、電圧発生器が発生する所定の基準電圧をCDS回路にサンプリングさせる。
特開2000−287131号公報
ところで、特許文献1に開示の技術において、リセット後の画素Pの出力電圧と比較する閾値を大きくすると、FDがリセットされた状態における画素Pの出力電圧が画素間でばらつく場合に、リセット状態のFDの電圧に対応した電圧が画素から出力されているにも拘わらず、その電圧が閾値よりも低くなることがある。この場合、リセット状態のFDの電圧に対応した電圧が画素から出力されているにも拘わらず、その電圧の代わりに電圧発生器が発生する電圧発生器が発生する基準電圧がCDS回路にサンプリングされ、各画素の画素信号の生成に用いられる。このため、FDがリセットされた状態での出力電圧の画素間のばらつきが残存した状態の画素信号がCDS回路から出力され、画質が低下するという問題が発生する。一方、リセット後の画素Pの出力電圧と比較する閾値を小さくすると、受光量が大きく、一部の画素においてリセット後にPDからFDへの電子の溢れ出しが発生しているにも拘わらず、リセット後の画素Pの出力電圧がCDS回路にサンプリングされ、画素信号の生成に用いられる。この場合、PDからFDへの電子の溢れ出しが発生している画素において黒化現象が発生する。従って、特許文献1に開示の技術は、画質の劣化を招かないように閾値を選択するのが難しいという問題があった。さらに特許文献1に開示の技術は、リセット後の画素Pの出力電圧を閾値と比較する比較器、基準電圧を発生する電圧発生器、比較器の比較結果に基づいてCDS回路にサンプリングさせる電圧を選択する回路等が必要になり、CMOS固体撮像装置の回路規模が大きくなるという問題があった。
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、画質を劣化させることなく、かつ、回路規模を大きくすることなく黒化現象を防止することができるCMOS固体撮像装置を提供することを目的とする。
この発明は、受光量に応じた電荷を発生して蓄積する光電変換素子と、電荷蓄積部と、アクティブレベルの転送電圧がゲートに与えられることにより前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、アクティブレベルのリセット電圧がゲートに与えられることにより前記電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部の電圧を読み出す読出回路とを各々含む画素と、前記リセットトランジスタによるリセット後および前記転送トランジスタによる転送後の各時点において前記読出回路を介して各々読み出される各電圧の差分を検出し、画素信号として出力する相関2重サンプリング回路と、前記画素のリセットトランジスタのゲートおよび転送トランジスタのゲートに対し、アクティブレベルのリセット電圧およびアクティブレベルの転送電圧を順次供給するとともに、前記アクティブレベルのリセット電圧を供給する直前の期間に、前記転送トランジスタのゲートに供給する転送電圧を非アクティブレベルよりも僅かに高いレベルとして、前記光電変換素子と前記電荷蓄積部との間に介在するポテンシャル障壁を低くし、前記リセット電圧をアクティブレベルとするのに伴って、前記転送トランジスタのゲートに供給する転送電圧を非アクティブレベルとして、前記光電変換素子と前記電荷蓄積部との間に介在するポテンシャル障壁を高くするドライバとを具備することを特徴とするCMOS固体撮像装置を提供する。
かかる発明によれば、リセット電圧がアクティブレベルとなる前に、光電変換素子と電荷蓄積部との間に介在するポテンシャル障壁が低くなり、リセット電圧がアクティブレベルになると、光電変換素子と電荷蓄積部との間に介在するポテンシャル障壁が高くなる。従って、リセット電圧がアクティブレベルになった以降における光電変換素子から電荷蓄積部への電荷の溢れ出しを防止し、黒化現象を防止することができる。
以下、図面を参照し、この発明の一実施形態であるCMOS固体撮像装置について説明する。本実施形態によるCMOS固体撮像装置は、前掲図3のCMOS固体撮像装置のドライバ14に対し、黒化現象を防止するための改良を加えたものである。図1は、本実施形態によるCMOS固体撮像装置のドライバ14が画素Pに与えるリセット電圧RTおよび転送電圧TXと、CDS回路13に与えられるサンプリングクロックφrおよびφsの波形を例示する波形図である。また、図2(a)〜(e)は、図1における期間(a)〜(e)の各々における画素Pの電位分布を示す図である。
図1に示す各波形と図4に示す各波形との相違点は、リセット電圧RTを非アクティブレベル(0V)からアクティブレベル(VDD)に立ち上げる直前の期間(a)における転送電圧TXのレベルにある。すなわち、リセット電圧RTを立ち上げる直前の期間(a)において、従来のCMOS固体撮像装置のドライバ14は、非アクティブレベルであるLレベル(=0V)の転送電圧TXを出力したのに対し、本実施形態におけるドライバ14は、0Vよりも僅かに高い電圧ΔVを転送トランジスタ102のゲートに与える。
期間(a)において、このような転送電圧TX=ΔVを転送トランジスタ102に与えると、転送トランジスタ102のゲートの直下にあるp型不純物領域の表面の電位が上がり(すなわち、電子に対するポテンシャルが下がり)、図2(a)に示すように、PD101とFD102dとの間のポテンシャル障壁が低くなる。このため、Lレベル(0V)の転送電圧TXが転送トランジスタ102のゲートに与えられている場合に比べて、PD101に蓄積可能な電荷の許容量が小さくなり、PD101では、蓄積した電荷の量がこの許容量を越えたときに、FD102dへの電荷の溢れ出しが始まる。
そして、ドライバ14は、期間(b)において、リセット電圧RTをアクティブレベルに立ち上げるとき、転送トランジスタ102のゲートに与える転送電圧TXを非アクティブレベルである0Vにする。この結果、転送トランジスタ102のゲートの直下にあるp型不純物領域の表面の電位が下がって、図2(b)に示すように、PD101とFD102dとの間のポテンシャル障壁が高くなり、PD101に蓄積可能な電荷の許容量が増加する。このため、PD101の受光量が極めて大きく、期間(a)においてPD101からFD102dへの電荷の溢れ出しが発生していたとしても、期間(b)になると、PD101からFD102dへの電荷の溢れ出しは止まり、PD101において発生した電荷はPD101に蓄積されるようになる。従って、PD101のリセット電圧RTの立ち上げ後からサンプリングクロックφrの発生までの間にPD101からFD102dに電荷が溢れ出すのを防止することができる。
そして、期間(c)において、リセット電圧RTが立ち下がった後、サンプリングクロックφrが発生すると、CDS回路13は、この時点における画素Pから列信号線11への出力電圧をサンプリングして保持する。この場合、PD101から溢れ出した電荷がない状態におけるFD102dの電圧が画素Pから列信号線11に出力され、CDS回路13に保持されることとなる。以後の動作は図5(e)および(d)を参照して説明した通りである。この場合、先にサンプリングクロックφrによりサンプリングした電圧は、リセット状態のFD102dの電圧となる。このサンプリングクロックφrによりサンプリングした電圧とサンプリングクロックφsによりサンプリングした電圧との差分は、PD101の受光量に応じた値になり、この差分がCDS回路13から出力される。
以上のように、本実施形態によれば、リセット電圧RTを立ち上げる直前に転送電圧TXを0Vより僅かに高い電圧ΔVとして、PD101に蓄積可能な電荷の許容量を下げ、リセット電圧RTの立ち上げ時に転送電圧TXを0Vとして、PD101に蓄積可能な電荷の許容量を上げるようにしたので、リセット電圧RTの立ち上げ時からサンプリングクロックφrの発生までの間にPD101からFD102dへの電荷の溢れ出しが発生するのを防止し、黒化現象の発生を防止することができる。また、本実施形態と従来技術との相違点は、ドライバ14が出力する転送電圧TXの波形のみである。従って、本実施形態は、CMOS固体撮像装置の回路規模を大きくすることなく、黒化現象を防止することができるという利点がある。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば上記実施形態では、リセット電圧RTを立ち上げるのと同時に、転送電圧TXを非アクティブレベル(0V)よりも僅かに高い電圧ΔVから非アクティブレベルに変化させたが、リセット電圧RTが立ち上がった後、リセット電圧RTがアクティブレベルを維持している期間内に転送電圧TXを電圧ΔVから非アクティブレベルに変化させてもよい。
P……画素、11……列信号線、12……定電流源、13……CDS回路、14……ドライバ、101……PD、102d……FD、102……転送トランジスタ、103……リセットトランジスタ、104……増幅トランジスタ、105……行選択トランジスタ。
Claims (1)
- 受光量に応じた電荷を発生して蓄積する光電変換素子と、電荷蓄積部と、アクティブレベルの転送電圧がゲートに与えられることにより前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、アクティブレベルのリセット電圧がゲートに与えられることにより前記電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部の電圧を読み出す読出回路とを各々含む画素と、
前記リセットトランジスタによるリセット後および前記転送トランジスタによる転送後の各時点において前記読出回路を介して各々読み出される各電圧の差分を検出し、画素信号として出力する相関2重サンプリング回路と、
前記画素のリセットトランジスタのゲートおよび転送トランジスタのゲートに対し、アクティブレベルのリセット電圧およびアクティブレベルの転送電圧を順次供給するとともに、前記アクティブレベルのリセット電圧を供給する直前の期間に、前記転送トランジスタのゲートに供給する転送電圧を非アクティブレベルよりも僅かに高いレベルとして、前記光電変換素子と前記電荷蓄積部との間に介在するポテンシャル障壁を低くし、前記リセット電圧をアクティブレベルとするのに伴って、前記転送トランジスタのゲートに供給する転送電圧を非アクティブレベルとして、前記光電変換素子と前記電荷蓄積部との間に介在するポテンシャル障壁を高くするドライバと
を具備することを特徴とするCMOS固体撮像装置。
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