JP2010124418A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】CMOSイメージセンサにおいて、単位画素に新たに付加する回路素子の数を極力少なくし、１フォトダイオード当りの追加回路素子数が１以下の簡易な構成でありながら、低ノイズを維持したまま信号電荷取扱量を大きくする。
【解決手段】CMOSイメージセンサにおいて、単位画素１(m,n) は、入射光を光電変換して蓄積するためのフォトダイオードPDと、フォトダイオードから信号電荷を読み出す読出しトランジスタRDと、読出しトランジスタから読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタRST と、フローティングディフュージョンに一端が接続され、リセットトランジスタに他端が接続された容量付加用トランジスタHSATを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に係り、特に単位画素の回路構成に関するもので、例えばCMOSイメージセンサに使用されるものである。

CMOSイメージセンサにおける単位画素は、単位画素をなすフォトダイオードと、フォトダイオードの蓄積電荷をフローティングディフュージョンへ読み出し制御する読み出しトランジスタと、フローティングディフュージョンの信号を増幅して垂直信号線へ出力する増幅トランジスタと、増幅トランジスタのゲート電位（フローティングディフュージョンの電位）をリセットするリセットトランジスタと、単位画素を選択して増幅トランジスタの動作を制御する選択トランジスタから構成され、増幅トランジスタのゲートはフローティングディフュージョンに接続されており、リセットトランジスタのソースはフローティングディフュージョンに接続されている。

一般に、CMOSセンサでは、増幅トランジスタの熱雑音や１／ｆノイズが目立つことが知られている。これらの暗時ランダムノイズを改善するためには、ノイズが発生する前にフローティングディフュージョンの信号レベルを大きくすることが有効である。この場合、フローティングディフュージョンの電圧振幅OUT(V)は、OUT(V)=(e/CFD)×input(q)の式が成立する。ここで、e は電荷素量、CFD はフローティングディフュージョン容量、input(q)は信号電荷数である。上式からは、暗時ランダムノイズ低減のためフローティングディフュージョンの電圧振幅を大きくするためには、フローティングディフュージョン容量CFD を小さくすることが有効であることが分かる。なお、単位画素の変換ゲインGainは、Gain=OUT(V)/input(q)で示される。

図７は、各単位画素においてフォトダイオードPDに蓄積されている信号電荷量が少ない場合におけるリセット動作および読み出し動作を示す図である。すなわち、リセットトランジスタRST をオンすることでリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位はドレインと同じ電位レベルに設定される。次に、読み出しトランジスタRDをオンした時、それまでにフォトダイオードPDに蓄積されていた信号電荷量が少ないので、暗時ランダムノイズ低減のためにフローティングディフュージョン容量CFD を小さく設計していても、信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送することが可能である。

一方、図８は、各単位画素においてフォトダイオードPDに蓄積されている信号電荷量が多い場合におけるリセット動作および読み出し動作を示す図である。すなわち、リセットトランジスタRST をオンすることでリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位はドレインと同じ電位レベルに設定される。次に、読み出しトランジスタRDをオンした時、それまでにフォトダイオードPDに蓄積されていた信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送しきれず、フォトダイオードPDに信号電荷が残留してしまう。

上述した問題点を解決する技術として、例えば特許文献１には、単位画素においてフローティングディフュージョンにゲート容量を新しく付加することにより、フローティングディフュージョン容量を可変にした技術が開示されている。しかし、この技術では、高感度用として新しく付加したゲート容量をオフして動作させる時でも、そのゲートとフローティングディフュージョンとの間の寄生容量を完全には零にはできない。これにより、フローティングディフュージョン容量を可変にしない場合と比較すると、フローティングディフュージョンの容量が増加し、変換ゲインが低下してしまう。その結果として、暗時ランダムノイズ特性が劣化するという問題がある。

また、特許文献２には、単位画素においてMOSトランジスタを介してフォトダイオードに容量を新しく付加することにより、信号電荷取扱量を大きくする技術が開示されている。しかし、この技術では、読み出しトランジスタが無くて、フォトダイオードと新しく付加した容量が増幅トランジスタのゲートに入力されている。これにより、変換ゲインが低下する。その結果として、暗時ランダムノイズ特性が劣化するという問題がある。

また、特許文献３には、単位画素においてMOSトランジスタを介してフォトダイオードに容量を新しく付加することにより、信号電荷取扱量を大きくする技術が開示されている。しかし、この技術では、従来例の単位画素と比較すると、トランジスタが２個、キャパシタが２個、合計４個の回路素子が追加となってしまうので、画素サイズのシュリンクが困難になるという問題点があった。

以上のように従来の固体撮像装置において、暗時ランダムノイズと信号電荷取扱量とはトレードオフ（二律背反）の関係にあり、暗時の低ノイズを維持したまま、信号電荷取扱量を大きくすることは困難であるという問題がある。
特開２０００−１６５７５４号公報 特開２００２−７７７３７号公報 特開２００６−２４５５２２号公報

本発明は、単位画素に新たに付加する回路素子の数を極力少なくし、１フォトダイオード当りの追加回路素子数が１以下の簡易な構成でありながら、低ノイズを維持したまま信号電荷取扱量を大きくし得る固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され、当該フォトダイオードから信号電荷を読み出す読出しトランジスタと、前記読出しトランジスタに接続され、当該読出しトランジスタから読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタを有する単位画素を備えた固体撮像装置であって、前記単位画素において前記フローティングディフュージョンに一端が接続され、前記リセットトランジスタに他端が接続された容量付加用トランジスタを具備したことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、単位画素に新たに付加する回路素子の数を極力少なくし、１フォトダイオード当りの追加回路素子数が１以下の簡易な構成でありながら、暗時の低ノイズを維持したまま信号電荷取扱量を大きくすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の固体撮像装置の第１の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。１０はｍ行、ｎ列に配置された複数の単位画素１(m,n) を含む画素エリアである。ここでは、複数の単位画素のうちの１つの単位画素１(m,n) 、および、画素エリアの各カラムに対応して列方向に形成された垂直信号線のうちの１本の垂直信号線１１(n) を代表的に示す。

１２は画素エリアの各行に制御信号ADRES(m)、RESET(m)、READ(m) 、High-SATを供給する垂直シフトレジスタ(Vertical Shift Register) 、１３は画素エリアの各カラムの垂直信号線１１(n) に接続されているCDS(Correlated Double Sampling)アナログ・デジタル変換回路(ADC) 、１４はCDS&ADC 13に接続されている水平シフトレジスタ(Horizontal Shift Register) 、１５は信号レベル判定回路、１６はタイミング発生回路(Timing Generator)である。

信号レベル判定回路１５は、CDS&ADC １３から出力された信号のレベルに基づいて、単位画素の出力信号VSIG(n) が所定値より少ないか多いかを判定し、判定出力をタイミング発生回路１６に供給するとともに、CDS&ADC １３にアナログゲイン(Analog Gain) 制御信号として供給する。

タイミング発生回路１６は、フォトダイオードPDの蓄積時間を制御するための電子シャッタ制御信号ESや、単位画素中の後述する容量付加用トランジスタHSATのオン／オフ動作を制御する制御信号High-SAT等をそれぞれ所定のタイミングで発生し、垂直シフトレジスタ１２に供給する。この場合、制御信号High-SATについては、信号レベル判定回路１５の判定出力に基づいて発生する。

CMOSイメージセンサは、電子シャッタ制御信号ESによる蓄積時間制御、信号レベル判定回路１５の判定出力に基づくCDS&ADC １３のアナログゲイン制御、容量付加用トランジスタHSATのオン／オフ制御の三つを適宜設定することによって、自動露光制御が可能になっている。

図１中の各単位画素１(m,n) は、入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDの蓄積電荷をフローティングディフュージョンFDへ読み出し制御する読み出しトランジスタRDと、フローティングディフュージョンFDの信号を増幅して垂直信号線へ出力する増幅トランジスタAMP と、フローティングディフュージョンFDの電位（増幅トランジスタAMP のゲート電位）をリセットするリセットトランジスタRSTと、垂直方向における所望水平位置の単位画素を選択制御する増幅トランジスタAMP への電源供給を制御する選択トランジスタADR を有する。なお、暗時ランダムノイズ低減のためにフローティングディフュージョン容量CFD を小さく設計している。

さらに、本実施形態では、各単位画素１(m,n) に容量付加用トランジスタHSATが追加されている。ここで、増幅トランジスタAMP のゲートはフローティングディフュージョンFDに接続されており、リセットトランジスタRST のソースは容量付加用トランジスタHSATのドレインに接続されており、容量付加用トランジスタHSATのソースはフローティングディフュージョンFDに接続されている。なお、各トランジスタは、本例ではｎ型のMOSFETである。

本実施形態における単位画素１(m,n) は、従来例の単位画素と比較して、１個の容量付加用トランジスタHSATが追加されている点が異なり、１フォトダイオード当りの追加回路素子数は１個に過ぎない。

次に、図１のCMOSイメージセンサの動作の概要を説明する。画素エリア１０の単位画素１(m,n) を駆動するために、垂直シフトレジスタ１２からADRES(m)、RESET(m)、High-SAT、READ(m) パルスが印加される。単位画素の出力信号VSIG(n) は、対応して接続されている垂直信号線１１(n) を介してCDS&ADC １３に入力され、A/D 変換が行われる。信号レベル判定回路１５は、CDS&ADC １３から出力された信号のレベルに基づいて出力信号VSIG(n)が所定値より少ないか多いかを判定し、判定出力をCDS&ADC １３およびタイミング発生回路１６に供給する。タイミング発生回路１６は、フォトダイオードPDの蓄積時間を制御するための電子シャッタ制御信号ESや、容量付加用トランジスタHSATのオン／オフ動作を制御する制御信号High-SAT等をそれぞれ所定のタイミングで発生し、垂直シフトレジスタ１２に供給する。

電子シャッタ制御信号ESによる蓄積時間制御、信号レベル判定回路１５の判定出力に基づくCDS&ADC １３のアナログゲイン制御、容量付加用トランジスタHSATのオン／オフ制御の三つを適宜設定することによって自動露光制御が行われる。

制御信号High-SATによる容量付加用トランジスタHSATのオン／オフ制御は、以下のように行われる。単位画素１(m,n) の設計が決まれば、フォトダイオードPDの信号電荷量がどの程度であればフローティングディフュージョンFDが飽和するか予め分かっている。そこで、信号レベル判定回路１５は、単位画素の出力信号VSIG(n) に依存するCDS&ADC １３の出力信号のレベルに基づいて、フローティングディフュージョンFDが飽和するレベル以上であれば容量付加用トランジスタHSATをオンさせ、上記とは逆に、フローティングディフュージョンFDが飽和しないレベルであれば容量付加用トランジスタHSATをオフさせて暗時ランダムノイズを低減する。

本実施形態のCMOSイメージセンサによれば、上記したようなトランジスタHSATのオン／オフ制御の結果、暗時ランダムノイズと信号電荷取扱量のトレードオフの関係を乗り越え、暗時の低ノイズを維持したまま、信号電荷取扱量を大きくすることが可能になる。

次に、図１中の各単位画素１(m,n) の動作を詳細に説明する。

図２は、単位画素１(m,n) のフォトダイオードPDに蓄積されている信号電荷量が少ない場合における動作タイミング、リセット動作(Reset Operation) 時における半導体基板内のポテンシャル(Potential) 電位および読み出し動作(Read Operation)時のポテンシャル電位の一例を示す図である。すなわち、リセットトランジスタRST および容量付加用トランジスタHSATを同時にオンすることでリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位はドレインと同じ電位レベルに設定される。リセット動作終了後は、リセットトランジスタRST および容量付加用トランジスタHSATを共にオフする。

次に、読み出しトランジスタRDをオンした時、それまでにフォトダイオードPDに蓄積されていた信号電荷量が少ないので、前述したように暗時ランダムノイズ低減のためにフローティングディフュージョン容量CFD を小さくしているにも拘らず、信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送することが可能である。

一方、図３は、単位画素１(m,n) のフォトダイオードPDに蓄積されている信号電荷量が多い場合における動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図である。すなわち、リセットトランジスタRST および容量付加用トランジスタHSATを同時にオンすることでリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位はドレインと同じ電位レベルに設定される。リセット動作終了後は、前述した信号電荷量が少ない場合とは異なり、リセットトランジスタRST はオフするが、容量付加用トランジスタHSATはオンしたままにしておく。

次に、読み出しトランジスタRDをオンした時、フローティングディフュージョンFDの容量CFD だけでなく、容量付加用トランジスタHSATの下の容量にも信号電荷を蓄積することが可能である。したがって、それまでにフォトダイオードPDに蓄積されていた信号電荷量が多い場合でも信号電荷をフローティングディフュージョンFDにすべて転送することが可能であり、フォトダイオードPDに信号電荷に残留させずに、読出し動作を行うことが可能である。

なお、信号電荷量が多い場合は、一般には、他のノイズ、例えばショットノイズや感度ムラがノイズの支配要因となることから、フローティングディフュージョンFDの容量が大きくて暗時ランダムノイズの低減が困難であることは、実使用上、問題とならない。

図４は、図１のCMOSイメージセンサの入出力特性の一例を示す図である。図４中、特性Ａは単位画素中の容量付加用トランジスタHSATがオフ(OFF) した時における信号読み出し時の出力電圧の変化を示している。この特性Ａは、フローティングディフュージョンFD(Floating Diffusion)の信号電子数（電荷量）がHSATオフ時の飽和信号電子数（電荷量）Qsat_HSAT=OFFまで増加するにつれて出力電圧は急激に飽和値まで上昇する。

特性Ｂは、単位画素中の容量付加用トランジスタHSATがオン(ON)した時における信号読み出し時の出力電圧の変化を示している。ここでは、容量付加用トランジスタHSATのゲート容量CHAST をフローティングディフュージョン容量CFD の２倍に設定した場合を想定している。この特性Ｂは、フローティングディフュージョンFDの信号電子数がHSATオン時の飽和信号電子数Qsat_HSAT=ONまで増加するにつれて出力電圧は緩やかに飽和値まで上昇する。

図４から分かるように、容量付加用トランジスタHSATがオン時には、フローティングディフュージョンFDの飽和信号電子数Qsat_HSAT=ONを、容量付加用トランジスタHSATがオフ時のフローティングディフュージョンFDの飽和信号電子数Qsat_HSAT=OFFの実質的に３倍（Qsat_HSAT=ON＝Qsat_HSAT=OFF×３）にすることができ、信号電荷取扱量を３倍にすることが可能である。

上記したように本実施形態のCMOSセンサでは、入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードPDと、このフォトダイオードPDから信号電荷を読み出す読出しトランジスタと、この読出しトランジスタから読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンFDと、このフローティングディフュージョンFDの電位をリセットするリセットトランジスタRST を有する単位画素に対して、フローティングディフュージョンFDとリセットトランジスタRST の間に容量付加用トランジスタHSATを追加している。そして、フローティングディフュージョンFDの信号電荷量の少ない時は、容量付加用トランジスタHSATをオフし、フローティングディフュージョンFDの容量を増やさないで、変換ゲインを高くする。これに対して、フローティングディフュージョンFDの信号電荷量が多い時は、容量付加用トランジスタHSATをオンし、フローティングディフュージョンFDの容量を増やし、信号電荷取扱量を確保する。このように、二つの動作モードを使い分けることにより、低ノイズを維持したまま信号電荷取扱量を大きくすることが可能である。

なお、図２、図３に示した動作例では、リセット動作時にリセットトランジスタRST を容量付加用トランジスタHSATHSATと同じようにオン／オフ制御しているが、リセットトランジスタRST は常時オンさせて、フローティングディフュージョンFDの電位の制御を容量付加用トランジスタHSATのオン／オフ制御だけ行うように変更してもよい。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態に係るCMOSイメージセンサにおける単位画素を取り出して示す回路図である。

この単位画素は、前述した第１の実施形態の単位画素１(m,n) と比べて、フォトダイオードPDと読出しトランジスタRDとの直列回路が複数対（本例では２対）設けられ、この読出しトランジスタの各一端がフローティングディフュージョンFDに接続されており、２個の読出しトランジスタRDは別々の制御信号READ1,READ2 により読み出し制御される点が異なる。つまり、出力回路を構成するトランジスタAMP 、RST 、HSAT、ADR が２個のフォトダイオードPDと２個の読み出しトランジスタRDとで共有されている。

第２の実施形態のCMOSイメージセンサは、単位画素において２個のフォトダイオードPDと２個の読み出しトランジスタRDに対する追加回路素子数は１個のトランジスタHSATであり、従来例のCMOSイメージセンサと比較して１フォトダイオード当りの追加回路素子数は０．５個に過ぎず、追加回路素子数は第１の実施形態よりも少ない。

第２の実施形態における単位画素の動作は、第１の実施形態における単位画素の動作とほぼ同様であり、暗時ランダムノイズと信号電荷取扱量のトレードオフの関係を乗り越え、暗時の低ノイズを維持したまま、信号電荷取扱量を大きくすることが可能である。

＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態に係るCMOSイメージセンサにおける単位画素を取り出して示す回路図である。

この単位画素は、前述した第２の実施形態の単位画素１(m,n) と比べて、トランジスタRST 、HSATの相互接続ノードと所定電位ノード（例えば接地電位ノード）との間に付加容量Csが接続されている点が異なる。

第３の実施形態のCMOSイメージセンサは、単位画素において２個のフォトダイオードPDと２個の読み出しトランジスタRDに対する追加回路素子数は１個のトランジスタHSATと１個の付加容量Csであり、１フォトダイオード当りの追加回路素子数は１個に過ぎない。

第３の実施形態における単位画素の動作は、第２の実施形態における単位画素の動作とほぼ同様であり、暗時ランダムノイズと信号電荷取扱量のトレードオフの関係を乗り越え、暗時の低ノイズを維持したまま、信号電荷取扱量を大きくすることが可能であるとともに、付加容量Csの追加によってダイナミックレンジが拡がる。すなわち、信号電荷量はフローティングディフュージョンFDの実質的な容量に比例し、付加容量Csが存在すると、トランジスタHSATをオンした場合のフローティングディフュージョンFDの実質的な容量はCFD ＋CHSAT ＋Csとなり、信号電荷取扱量を増やすことが容易になる。

なお、各実施形態において、入射光量が多い場合、フォトダイオードPDに蓄積しきれない信号電荷は、読出しトランジスタRDのゲート下を通ってフローティングディフュージョンFDに溢れてくる。そこで、容量付加用トランジスタHSATの閾値は、読出しトランジスタRDの閾値よりも低くしておく方が良い。すると、フローティングディフュージョンFDに溢れた信号電荷は、容量付加トランジスタHSATのゲート下を経てドレインに排出させることができる。

また、各実施形態において、容量付加用トランジスタHSATの閾値は、０Ｖ以下の方が良い。すると、容量付加用トランジスタHSATのゲートに高い電圧を印加することなく、動作させることができる。

また、容量付加用トランジスタHSATのゲート容量CHSAT は、フローティングディフュージョンFDの寄生容量CFD よりも大きく設定するほうが良い。なぜなら、FDの容量は、High-SATモードONの時は、CFD ＋CHSAT であり、High-SATモードOFF の時はCFD であるので、CHSAT がCFD より小さいと、High-SATモードによるFD容量拡大効果が小さくなるからである。フローティングディフュージョンFDの容量拡大効果が２倍になるのは、CHSAT ＝CFD の関係が成り立つ場合であり、したがって、CHSAT ＞CFD の関係が成り立てば、フローティングディフュージョンFDの容量拡大効果を２倍以上にすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図。 図１中の各単位画素においてフォトダイオードに蓄積されている信号電荷量が少ない場合における動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図。 図１中の各単位画素においてフォトダイオードに蓄積されている信号電荷量が多い場合における動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図。 図１のCMOSイメージセンサの入出力特性の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係るCMOSイメージセンサにおける単位画素を取り出して示す回路図。 本発明の第３の実施形態に係るCMOSイメージセンサにおける単位画素を取り出して示す回路図。 各単位画素においてフォトダイオードに蓄積されている信号電荷量が少ない場合におけるリセット動作および読み出し動作を示す図。 各単位画素においてフォトダイオードに蓄積されている信号電荷量が多い場合におけるリセット動作および読み出し動作を示す図。

符号の説明

１…単位画素、PD…フォトダイオード、FD…フローティングディフュージョン、RD…読み出しトランジスタ、AMP …増幅トランジスタ、RST …リセットトランジスタ、ADR …選択トランジスタ、HSAT…容量付加用トランジスタ、１０…画素エリア、１１…垂直信号線、１２…垂直シフトレジスタ、１３…CDSアナログ・デジタル変換回路、１４…水平シフトレジスタ、１５…信号レベル判定回路、１６…タイミング発生回路。

Claims (5)

1. 入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され、当該フォトダイオードから信号電荷を読み出す読出しトランジスタと、前記読出しトランジスタに接続され、当該読出しトランジスタから読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタとを有する単位画素を備え、
   前記単位画素において前記フローティングディフュージョンに一端が接続され、前記リセットトランジスタに他端が接続された容量付加用トランジスタを具備したことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記容量付加用トランジスタは、前記読出しトランジスタから読み出される信号電荷量が所定値よりも多い場合はオン状態に制御されることによって前記フローティングディフュージョンに容量を付加し、前記信号電荷量が所定値よりも少ない場合はオフ状態に制御されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記容量付加用トランジスタの閾値は、前記読出しトランジスタの閾値よりも低いことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記リセットトランジスタはMOS トランジスタであり、そのゲート容量は前記フローティングディフュージョンの寄生容量よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
5. 前記フォトダイオードと読出しトランジスタとが複数対設けられ、当該複数の読出しトランジスタの各一端が前記フローティングディフュージョンに接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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