JP2010200025A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性の高い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、フォトダイオード83、転送トランジスタ84、フローティングディフュージョン86、ソース及びドレインのいずれか一方がフローティングディフュージョン86に接続されたリセットトランジスタ85、増幅トランジスタ87及び選択トランジスタ88をそれぞれが有し、2次元状に配列された複数の単位セル81と、リセットトランジスタ85のソース及びドレインのいずれか他方と、増幅ランジスタ87のドレインとに接続されたドレイン線8Dと、ドレイン線8Dに接続されてドレイン線8Dの電位を設定することにより、フローティングディフュージョン86の電位をリセット電位及びリセット電位より小さい電位のいずれかとする電位切替回路91とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
近年、固体撮像装置として、MOS型の固体撮像装置の開発が各所で活発に進められている。これは、単位セル毎に光電変換手段で得られた信号をMOSトランジスタで増幅して取り出す構造を有した固体撮像装置である。
図10は、特許文献1に示された従来技術の固体撮像装置、即ちMOS型固体撮像装置の構成を示す図である。
MOS型固体撮像装置1001は、複数の単位セル1002が行列状に配列されたセンサ部1003と、センサ部1003を駆動する垂直走査回路1004及び水平走査回路1005と、センサ部1003の一行分の単位セル1002の信号を受けるCDS(相関二重サンプリング)/信号保持回路1006と、出力アンプ1007とを有して成る。
また、各単位セル1002は、光電変換を行うフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDの信号電荷を検出部(フローティングディフュージョン)Nに転送する転送トランジスタ(MOSトランジスタ)QTと、検出部Nの電位に応じた信号電圧を垂直信号線1008に出力する増幅トランジスタ(MOSトランジスタ)QAと、単位セル1002の行を選択するアドレストランジスタ(MOSトランジスタ)QDと、検出部Nの電位をリセットするリセットトランジスタ(MOSトランジスタ)QRとからなる。
フォトダイオードPDは、そのカソードが転送トランジスタQTの一方の主電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)に接続され、そのアノードが接地される。転送トランジスタQTの他方の主電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)は、増幅トランジスタQAのゲート電極に接続されると共に、リセットトランジスタQRの一方の主電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)に接続される。転送トランジスタQTのゲート電極は垂直走査回路1004からの垂直読出し線1011に接続される。増幅トランジスタQAは、その一方の主電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)が電源電圧Vddに接続され、他方の主電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)がアドレストランジスタQDを介して垂直信号線1008に接続される。アドレストランジスタQDのゲート電極は垂直走査回路1004からの垂直選択線1012に接続される。リセットトランジスタQRは、その他方の主電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)が電源電圧Vddに接続され、そのゲート電極が垂直走査回路1004からのリセット線1013に接続される。垂直選択線1012にはバッファ回路1015が接続され、リセット線1013にはバッファ回路1016が接続され、垂直読出し線1011にはバッファ回路1031が接続される。バッファ回路1031には負電圧生成回路1021が接続されている。
垂直信号線1008の一端は、負荷トランジスタQLに接続され、他端はトランジスタQSに接続されている。トランジスタQSはCDS/信号保持回路1006と接続され、CDS/信号保持回路1006の信号電圧は列選択トランジスタQHを介して水平信号線1009に出力される。
特開2002−217397号公報
ところで、従来のMOS型固体撮像装置では微細化が進むと耐圧が下がる。さらに、単位セルの特性維持のために、単位セルを構成するトランジスタへの印加電圧として昇圧電圧及び降圧電圧を使用した場合、トランジスタの端子間に大きな電位差が発生して、ゲート耐圧に関わる信頼性の劣化が問題となる。
具体的には、特許文献1に示された従来技術のMOS型固体撮像装置では、フローティングディフュージョンに信号電荷を蓄積する前に、まず転送トランジスタのゲート電極に負電圧が与えられた状態で、リセットトランジスタをオン状態としてフローティングディフュージョンの電位がリセット電位に引き上げられる。従って、転送トランジスタのゲート電極に負電圧が印加され、転送トランジスタがオフ状態となっている区間では転送トランジスタのゲート−ソース間にかかる電位差が大きくなる。
そこで、本発明はかかる問題点に鑑み、信頼性の高い固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された信号電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、ソース及びドレインのいずれか一方が前記フローティングディフュージョンに接続され、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電位とするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタから出力された信号電圧を出力する選択トランジスタとを有し、2次元状に配列された複数の単位セルと、前記リセットトランジスタのソース及びドレインのいずれか他方と、前記増幅トランジスタのドレインとに接続されたドレイン線と、前記ドレイン線に接続されて前記ドレイン線の電位を設定することにより、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電位及びリセット電位より小さい電位のいずれかとする電位切替回路とを備えることを特徴とする。
これによって、フローティングディフュージョンの電位をリセット電位より小さい電位とすることができる。従って、単位セルに含まれ、フローティングディフュージョンに接続された転送トランジスタ及びリセットトランジスタの端子間、例えばゲート−ソース間にかかる電位差を低減できるので、信頼性の高いMOS型固体撮像装置を実現することができる。
ここで、前記電位切替回路は、前記ドレイン線と電源線との間に挿入された回路であり、前記電源線により供給される電源電圧を前記リセット電位として供給することが好ましい。
これによって、簡易な構成で信頼性の高いMOS型固体撮像装置を実現することができる。
また、本発明は、入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された信号電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された信号電荷を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電位とするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタから出力された信号電圧を出力する選択トランジスタとを有し、2次元状に配列された複数の単位セルと、前記単位セルの列毎に設けられ、前記選択トランジスタから出力される信号電圧を垂直方向に伝達する垂直信号線と、前記垂直信号線と接続されて前記垂直信号線の電位を設定することにより、前記増幅トランジスタのソース及びゲート間が持つ寄生容量のカップリングを経由して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電位より小さい電位とする電位切替回路とを備えることを特徴とする固体撮像装置とすることもできる。
これによって、信頼性の高いMOS型固体撮像装置を実現することができる。
また、前記電位切替回路は、前記単位セルから信号電圧が出力された後、又はシャッター動作が行われた後に、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電位より小さい電位とすることが好ましい。
これによって、ほとんどの期間で転送トランジスタ及びリセットトランジスタの端子間に高い電位差が印加されるのを防ぎ、さらに信頼性の高いMOS型固体撮像装置を実現できる。
本発明は、単位セルに含まれる転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極に印加される電圧が負電圧の場合でも、転送トランジスタ及びリセットトランジスタの端子間にかかる電位差を低減することができる。その結果、信頼性の高いMOS型固体撮像装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図1では簡単のため2行1列の単位セルを示しているが、このサイズに限定されない。
この固体撮像装置では、図1に示されるように、半導体基板上に複数の単位セル81が2次元状に配列されてなる撮像領域が設けられている。
複数の単位セル81は、入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード(PD)83と、転送トランジスタ84により転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(FD)86と、フォトダイオード83で生成された信号電荷をフローティングディフュージョン86に転送する転送トランジスタ84と、フローティングディフュージョン86の電位(VFD)をリセット(初期化)してリセット電位とするリセットトランジスタ85と、VFDに応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタ87と、単位セル1002の行を選択し、増幅トランジスタ87から出力された信号電圧を垂直信号線8Aに出力する選択トランジスタ88と、単位セル81の列毎に設けられ、垂直方向(列方向)に配線され、選択トランジスタ88から出力される信号電圧を垂直方向に伝達する垂直信号線8Aと、リセットトランジスタ85にリセット電位を供給するドレイン線(VDDCELL)8Dとをそれぞれ有する。
ここで単位セル81の構成を詳しく説明すると、フォトダイオード83はアノード側が接地され、カソード側が転送トランジスタ84を介してフローティングディフュージョン86に接続されている。また、フローティングディフュージョン86は、これをリセットするためのリセットトランジスタ85の一方の電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)と、増幅トランジスタ87のゲート電極とに接続されている。
リセットトランジスタ85の他方の電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)と増幅トランジスタ87のドレイン電極とは、ドレイン線8Dに接続されている。ドレイン線8Dは複数の単位セル81と共通に接続され、電位切替回路91を介してタイミング発生回路90に接続されている。タイミング発生回路90からは後述する駆動タイミングに基づいて駆動信号が供給される。
電位切替回路91は、ドレイン線8Dに接続されてドレイン線8Dの電位を設定することにより、VFDをリセット電位及びリセット電位より小さい電位のいずれかとする。電位切替回路91は、定電源AVDDを供給する電源線とドレイン線8Dとの間に挿入された回路であり、AVDDをリセット電位として単位セル81に供給する。電位切替回路91は、単位セル81から垂直信号線8Aに信号電圧が出力された後、又は後述するシャッター動作が行われた後に、VFDをAVDDより低い電位(VBias)とする。
増幅トランジスタ87のソース電極は選択トランジスタ88の一方の電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)に接続され、選択トランジスタ88の他方の電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)は垂直信号線8Aに接続されている。
転送トランジスタ84のゲート電極は水平方向に配線された転送ゲート配線(TRANS)8Bに接続され、リセットトランジスタ85のゲート電極は水平方向に配線されたリセット配線(RST)8Cに接続されている。これら転送ゲート配線8B及びリセット配線8Cは同じ行に配置された複数の単位セル81と共通に接続され、マルチプレクサ回路95に接続されている。選択トランジスタ88のゲート電極は、選択線8Fに接続され、マルチプレクサ回路95に接続されている。マルチプレクサ回路95からは後述する駆動タイミングにもとづいて駆動信号が供給される。図1の固体撮像装置では、全ての行の単位セル81は同様の構成を有する。
マルチプレクサ回路95は、本発明の駆動回路の一例であり、フォトダイオード83からフローティングディフュージョン86へ信号電荷が転送される期間以外の期間で、転送トランジスタ84のゲート電位を負電位とする。またドレイン線8Dの電位をフローティングディフュージョン86へ設定する期間以外の期間でリセットトランジスタ85のゲート電位を負電位とする。
垂直信号線8Aは同じ列に配置された複数の単位セル81と共通に接続され、垂直信号線8Aの一端は負荷トランジスタ97の一方の電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)に接続されている。負荷トランジスタ97の他方の電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)は接地され、そのゲート電極は水平方向に配線される負荷ゲート配線(LOADCELL)8Eに接続されている。負荷ゲート配線8Eはバイアス回路92を介してタイミング発生回路90に接続されている。
上記構造を有する固体撮像装置は、選択トランジスタ88を持つ単位セルの固体撮像装置であり、ドレイン線8Dの電位切替を行い、リセットトランジスタ85経由でフローティングディフュージョン86に電源電圧以下の電圧を与えることを特徴とする。この構成上の特徴と、後述の駆動方法により耐圧起因の信頼性の課題が解決される。
上記構造を有する固体撮像装置では、タイミング発生回路90から送られる駆動信号により垂直シフトレジスタ96が動作し、垂直シフトレジスタ96からの信号と、タイミング発生回路90からの駆動信号とがマルチプレクサ回路95に入力される。これにより、行毎に単位セル81が選択され、各行の単位セル81の信号電圧が垂直信号線8Aに読み出され、読み出された信号電圧はノイズ信号を除去するCDS回路93に蓄えられる。その後、タイミング発生回路90から送られる駆動信号により水平シフトレジスタ94が駆動され、CDS回路93に蓄積された信号電圧が、水平信号線を経由して出力アンプ10から出力される。
図2は本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置における単位セル81周辺の構成を示す拡大図である。また、図3Aは本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置における電位切替回路91の詳細な構成を示す図である。図3Bは電位切替回路91の駆動方法を示す図である。
フローティングディフュージョン86への電源電圧以下の電圧印加の目的は、単位セル81を構成する転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間電圧の緩和であり、該電圧の精密さは不要である。従って、電位切替回路91は簡易な構成で形成しても良い。
電位切替回路91は、PchMOSトランジスタ11、NchMOSトランジスタ12、NchMOSトランジスタ13及びFDダウン配線14を有し、FDダウン配線(FD_DOWN)14を介して供給される駆動パルスFD_DOWNに従って単位セル81に供給する電圧を切替える。
PchMOSトランジスタ11のドレイン電極は出力線(Vout)に接続され、ソース電極は定電源AVDDに接続され、ゲート電極はFDダウン配線14に接続されている。NchMOSトランジスタ12のドレイン電極は定電源AVDDに接続され、ソース電極は出力線に接続され、ゲート電極はFDダウン配線14に接続されている。そしてNchMOSトランジスタ13のドレイン電極は出力線に接続され、ソース電極はGNDに接続され、ゲート電極はFDダウン配線14に接続されて構成される。
タイミング発生回路90からローレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加されると、PchMOSトランジスタ11がオン状態になり、出力線にはAVDD(例えば3.3V)が出力される。一方、ハイレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加されると、PchMOSトランジスタ11がオフ状態になり、出力線が定電源AVDDから切り離されると共に、FDダウン配線14に印加された電圧と、NchMOSトランジスタ12の閾値電圧Vtとの差で決まるAVDDより低い電圧(VBias、例えば0.7V)が出力線に出力される。
次に、本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置におけるVFDを電源電位以下に下げるための駆動方法について説明する。図4は本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の動作(駆動方法)を説明するためのタイミングチャートである。
信号読出し(単位セル81から垂直信号線8Aへの信号電圧の出力)が行われる読出し行の単位セル81(n行の単位セル81)においては、まず、ハイレベルの駆動パルスSELが選択トランジスタ88に印加され、読出し行の単位セル81が選択状態となる(t1)。このとき、ローレベルの駆動パルスFD_DOWNが電位切替回路91に印加されており、電位切替回路91に接続されたドレイン線8Dには定電源AVDDの電圧(例えば3.3V)が印加され、ドレイン線8Dはハイ状態になっている。また、ハイレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加されており、リセットトランジスタ85はオン状態になっている。その結果、読出し行の単位セル81において、VFDはリセット電位(AVDD)になる。
次に、ローレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加され、リセット配線8Cの電位が立ち下げられる(t2)。
次に、ハイレベルの転送ゲートパルスTRANSが転送トランジスタ84に印加され、転送トランジスタ84がオン状態となる(t3)。フォトダイオード83に光の入射が無く、信号電荷(光電子)が蓄積されていない場合は、転送トランジスタ84がオンしてもフォトダイオード83に信号電荷が無い状態であり、転送電荷が無いためVFDはリセット電位のままで変化しない。逆にフォトダイオード83に光の入射があり、信号電荷が蓄積されている場合は、フォトダイオード83からフローティングディフュージョン86に信号電荷が転送され、VFDが信号電荷に応じて下がる。垂直信号線8Aの電位は、ほぼVFDから増幅トランジスタ87のゲート−ソース間電位差(Vgs)だけ下がった電位になる。この垂直信号線8Aの電位(信号レベル)は次段回路で取り込まれる。
次に、ローレベルの転送ゲートパルスTRANSが転送トランジスタ84に印加され、転送トランジスタ84がオフ状態となる(t4)。
次に、ローレベルの駆動パルスSELが選択トランジスタ88に印加されて選択線8Fの電位が立ち下げられ、読出し行の単位セル81が非選択状態となる(t9)。
次に、ハイレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加され、電位切替回路91からはVBias(例えば0.7V)が出力される。その結果、ドレイン線8Dの電位がVBiasに下がる(t10)。
次に、ハイレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加されてリセット配線8Cの電位が立ち上げられる。その結果、リセットトランジスタ85がオン状態になり、VFDはVBiasに下がる(t11)。
ここで、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のオフ時のゲート−ソース間の電圧は、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85がオフ時のゲート電位が負電位(例えば−1.0V)とした場合、(式1)となる。
(式1)Vgs=VFD(=0.7V)−Vg(=−1.0V)=1.7V
このVFDが低くされた状態はt1〜t9の信号読出しが行われてから次のシャッター動作(図4におけるt5〜t7の期間でシャッター行の単位セル81に対して行われる動作)、もしくはシャッター動作を使用しない場合は次の信号読出しが行われるまで保持されるため、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決できる。
他方、シャッター動作が行われるシャッター行の単位セル81(m行の単位セル81)においては、まず、ローレベルの駆動パルスSELが選択トランジスタ88のゲート電極に印加され、シャッター行の単位セル81が非選択状態になる。
次に、シャッター動作が実行される(t5〜t7)。ドレイン線8Dには電位切替回路91から定電圧AVDD(例えば3.3V)が出力されているため、VFDはAVDDとなる。
次に、読出し行の単位セル81と同様にハイレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加される(t10)。その結果、電位切替回路91からはVBiasが出力され、ドレイン線8Dの電位がVBiasに下がる。
次に、ハイレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加され、リセットトランジスタ85がオン状態になる(t11〜t12)。その結果、VFDはVBiasに下がる。
このときも読出し行の単位セル81と同様に、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のオフ時のゲート−ソース間の電圧は、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85がオフ時のゲート電位が負電位(たとえば−1.0V)とした場合、(式2)となる。
(式2)Vgs=VFD(=0.7V)−Vg(=−1.0V)=1.7V
従って、シャッター動作後、直ちに転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間電圧が下がり、このゲート−ソース間電圧が下げられた状態が次の信号読出しが行われるまで保持されるため、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決できる。
以上のように、本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置によれば、シャッター動作及び信号読出しが行われた単位セル81では、VFDを落とすことにより、単位セル81に含まれるトランジスタ、つまり転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間にかかる電位差が低減される。従って、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート電極に印加される電圧が負電圧の場合でも、単位セル81に含まれるトランジスタのゲート−ソース間にかかる電位差を低減することができる。その結果、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決しつつ、暗電流の対策も実現できる。
例えば、転送トランジスタ84のゲート電極に負電圧が与えられて転送トランジスタ84がオフ状態とされ、かつリセットトランジスタ85がオン状態とされ、VFDがリセット電位に引き上げられた後の期間において、転送トランジスタ84のゲート−ソース間にかかる電位差が大きくなることを防ぐことができる。このVFDが低くされた状態は、読出し行の単位セル81においては、シャッター動作が行われるまで、もしくはシャッター動作を使用しない場合は、次の信号読出しが行われるまで保持される。他方、シャッター行の単位セル81においては、信号読出しが行われるまで保持される。従って、ほとんどの期間で転送トランジスタ84のゲート−ソース間に高い電位差が印加される状況を防ぎ、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化という問題を解決することができる。
また、本実施形態に係るMOS型固体撮像装置によれば、単位セル81は選択トランジスタ88を含む4トランジスタの構成を有する。従って、VFDを下げたときの電位は精度が低くても良いことから、バイアス回路の簡略化が図れる。
(第2の実施形態)
図5は本発明の第2の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図5では簡単のため2行1列の撮像領域を示しているが、このサイズに限定されない。
この固体撮像装置は、図1に示した第1の実施形態に係る固体撮像装置と比較すると、バイアス回路100が電位切替回路191を介して垂直信号線8Aに接続される点で構成上異なる。そして、この構成上の特徴によりVFDが下げられる。
バイアス回路100からは定電圧VBias(例えば0.7V)が出力されている。前述の様に、VFDを下げる際に印加する電圧は精度が要求されない。そのため、VFDの電位切替えの手段は簡易な構成で良いので、VFDを下げる回路としてのバイアス回路100及び電位切替回路191の簡易な構成が例示されている。
電位切替回路191は、NchMOSトランジスタ15を有する。電位切替回路191は、垂直信号線8Aと接続され、FDダウン配線14を介して供給される駆動パルスFD_DOWNにを通じて垂直信号線8Aの電位を設定することにより、増幅トランジスタ87のソース及びゲート間が持つ寄生容量C1のカップリングを経由してVFDをリセット電位(AVDD)より低い電位とする。
次に、本発明の第2の実施形態に係るMOS型固体撮像装置におけるVFDを電源電位以下に下げるための駆動方法について説明する。図6は本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の動作(駆動方法)を説明するためのタイミングチャートである。
まず、読出し行の単位セル81(n行の単位セル81)、及びシャッター行の単位セル81(m行の単位セル81)ともにt8までは第1の実施形態と同じ駆動がされる。このとき、ローレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加されているためバイアス回路100は垂直信号線8Aから切り離されている。
次に、ハイレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加される(t9a)。その結果、NchMOSトランジスタ15がオンになり、電位切替回路191から垂直信号線8AにVBiasが出力されるため、垂直信号線8Aは、VBiasまで低下する(t10a)。このとき、読出し行の単位セル81において、選択トランジスタ88がオン状態であるため、増幅トランジスタ87の寄生容量C1のカップリング効果によりVFDは、リセット電位がAVDDであるとすると、VBiasと、寄生容量C1(例えば1.44fF)及び寄生容量C2(例えば1.85fF)とで決まり(式3)まで低下する。
(式3)VFD=AVDD−(AVDD−VBias)・C1/(C1+C2)=1.85V
よって、読出し行の単位セル81において、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のオフ時のゲート−ソース間の電圧は、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85がオフ時のゲート電位が負電位(たとえば−1.0V)とした場合、(式4)となる。
(式4)Vgs=VFD(=1.85V)−Vg(=−1.0V)=2.85V
このゲート−ソース間の電圧が低くされた状態は信号読出しが行われてから次のシャッター動作、もしくはシャッター動作を使用しない場合は次の信号読出しが行われるまで保持されるため、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決できる。
次に、読出し行の単位セル81において、ローレベルの駆動パルスSELが選択線8Fに印加され、選択トランジスタ88がオフ状態となり、読出し行の単位セル81が非選択状態となる(t10a)。
他方、シャッター行の単位セル81行では、読出し行の単位セル81が非選択状態とされた直後にハイレベルの駆動パルスSELが選択線8Fに印加され、選択トランジスタ88がオン状態となり、シャッター行の単位セル81が選択状態となる(t10a〜t11a)。このとき、垂直信号線8Aは既にVBiasに低下しているため、増幅トランジスタ87の寄生容量C1のカップリング効果によりVFDは、(式5)のように低下する。
(式5)VFD=AVDD−(AVDD−VBias)・C1/(C1+C2)=1.85V
よって、このときも読出し行の単位セル81で説明したのと同様に、シャッター行の単位セル81において、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のオフ時のゲート−ソース間の電圧は、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85がオフ時のゲート電位が負電位(たとえば−1.0V)とした場合、(式4)となる。
従って、シャッター動作後、直ちに転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間電圧が下がり、このゲート−ソース間電圧が下げられた状態が信号読出しが行われるまで保持されるため、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決できる。
以上のように、本発明の第2の実施形態に係るMOS型固体撮像装置によれば、シャッター動作及び信号読出しが行われた単位セル81では、VFDを落とすことにより、単位セル81に含まれるトランジスタ、つまり転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間にかかる電位差が低減される。従って、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート電極に印加される電圧が負電圧の場合でも、単位セル81に含まれるトランジスタのゲート−ソース間にかかる電位差を低減することができる。その結果、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決しつつ、暗電流の対策も実現できる。
例えば、転送トランジスタ84のゲート電極に負電圧が与えられて転送トランジスタ84がオフ状態とされ、かつリセットトランジスタ85がオン状態とされ、VFDがリセット電位に引き上げられた後の期間において、転送トランジスタ84のゲート−ソース間にかかる電位差が大きくなることを防ぐことができる。このVFDが低くされた状態は、読出し行の単位セル81においては、シャッター動作が行われるまで、もしくはシャッター動作を使用しない場合は、次の信号読出しが行われるまで保持される。他方、シャッター行の単位セル81においては、信号読出しが行われるまで保持される。従って、ほとんどの期間で転送トランジスタ84のゲート−ソース間に高い電位差が印加される状況を防ぎ、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化という問題を解決することができる。
また、本実施形態に係るMOS型固体撮像装置によれば、単位セル81は選択トランジスタ88を含む4トランジスタの構成を有する。従って、VFDを下げたときの電位は精度が低くても良いことから、バイアス回路の簡略化が図れる。
(第3の実施形態)
図7は本発明の第3の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図7では簡単のため2行1列の撮像領域を示しているが、このサイズに限定されない。
この固体撮像装置は、図5に示した第2の実施形態に係る固体撮像装置と比較すると、GNDが電位切替回路191を介して垂直信号線8Aに接続されるという点で構成上異なる。そして、この構成上の特徴によりVFDが下げられる。本実施形態に係る固体撮像装置は、第2の実施形態に係る固体撮像装置と比較してバイアス回路100が不要になるため回路規模の削減が図れる。
前述の様に、VFDを下げる際に印加する電圧は精度が要求されない。そのため、VFDの電位切替えの手段は簡易な構成で良いので、VFDを下げる回路の簡易な構成が例示されている。
次に、本発明の第3の実施形態に係るMOS型固体撮像装置におけるVFDを電源電位以下に下げるための駆動方法について図6を用いて説明する。
本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置と同じ駆動方法を用いると、GNDが電位切替回路191を介して垂直信号線8Aに接続されているため、ハイレベルの駆動パルスFD_DOWNがFDダウン配線14に印加されたとき、電位切替回路191からはGND電位(例えば0V)が出力される。そのため、t9aで垂直信号線8Aは、GND電位まで低下する。このとき、読出し行の単位セル81においては、選択トランジスタ88がオン状態であるため、第2の実施形態の駆動方法で述べたように増幅トランジスタ87の寄生容量C1のカップリング効果によりVFDは、リセット電位(=AVDD電位)と、GND電位(=0V)と、寄生容量C1(例えば1.44fF)及び寄生容量C2(例えば1.85fF)とで決まり(式6)まで低下する。
(式6)VFD=AVDD−(AVDD−GND)・C1/(C1+C2)=1.46V
よって、読出し行の単位セル81において、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のオフ時のゲート−ソース間の電圧は、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85がオフ時のゲート電位が負電位(たとえば−1.0V)とした場合、(式7)となる。
(式7)Vgs=VFD(=1.46V)−Vg(=−1.0V)=2.46V
このゲート−ソース間の電圧が低くされた状態は信号読出しが行われてからシャッター動作、もしくはシャッター動作を使用しない場合は、次の信号読出しが行われるまで保持されるため、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決できる。
他方、シャッター行の単位セル81においてはt10aで選択トランジスタ88がオン状態となる。このとき、垂直信号線8AはGND電位まで低下しているため、増幅トランジスタ87の寄生容量C1のカップリング効果によりシャッター行の単位セル81のVFDは、読出し行の単位セル81と同様に(式8)となる。
(式8)VFD=AVDD−(AVDD−GND)・C1/(C1+C2)=1.46V
よって、シャッター行の単位セル81において、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のオフ時のゲート−ソース間の電圧は、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85がオフ時のゲート電位が負電位とした場合(式9)となる。
(式9)Vgs=VFD(=1.46V)−Vg(=−1.0V)=2.46V
従って、シャッター動作後、直ちに転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間電圧が下がり、このゲート−ソース間電圧が下げられた状態が次の信号読出しが行われるまで保持されるため、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決できる。
以上のように、本発明の第3の実施形態に係るMOS型固体撮像装置によれば、シャッター動作及び信号読出しが行われた単位セル81では、VFDを落とすことにより、単位セル81に含まれるトランジスタ、つまり転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート−ソース間にかかる電位差が低減される。従って、転送トランジスタ84及びリセットトランジスタ85のゲート電極に印加される電圧が負電圧の場合でも、単位セル81に含まれるトランジスタのゲート−ソース間にかかる電位差を低減することができる。その結果、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化の問題を解決しつつ、暗電流の対策も実現できる。
例えば、転送トランジスタ84のゲート電極に負電圧が与えられて転送トランジスタ84がオフ状態とされ、かつリセットトランジスタ85がオン状態とされ、VFDがリセット電位に引き上げられた後の期間において、転送トランジスタ84のゲート−ソース間にかかる電位差が大きくなることを防ぐことができる。このVFDが低くされた状態は、読出し行の単位セル81においては、シャッター動作が行われるまで、もしくはシャッター動作を使用しない場合は、次の信号読出しが行われるまで保持される。他方、シャッター行の単位セル81においては、信号読出しが行われるまで保持される。従って、ほとんどの期間で転送トランジスタ84のゲート−ソース間に高い電位差が印加される状況を防ぎ、前述のゲート耐圧に関わる信頼性の劣化という問題を解決することができる。
また、本実施形態に係るMOS型固体撮像装置によれば、単位セル81は選択トランジスタ88を含む4トランジスタの構成を有する。従って、VFDを下げたときの電位は精度が低くても良いことから、バイアス回路の簡略化が図れる。
(比較例)
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置について説明する。
図8は本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置における単位セル81周辺の構成を示す拡大図である。
この固体撮像装置では、半導体基板上に複数の単位セル81が2次元状に配列されてなる撮像領域が設けられている。
複数の単位セル81は、フォトダイオード83、転送トランジスタ84、フローティングディフュージョン86、リセットトランジスタ85、増幅トランジスタ87及び選択トランジスタ88から構成される。転送トランジスタ84により信号電荷がフローティングディフュージョン86に転送されるときには、まずVFDが高い電位(リセット電位)にリセットされた後、フォトダイオード83で生成された信号電荷がフローティングディフュージョン86に転送される。電荷量に応じてVFDは変化し、このVFDの電位変化が画素信号として出力される。
次に、本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置の動作について説明する。図9A及び図9Bは、本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置の動作(駆動方法)を説明するためのタイミングチャートである。なお、図9Aはフォトダイオード83に信号電荷が蓄積されていない場合のタイミングチャートであり、図9Bはフォトダイオード83に信号電荷が蓄積されている場合のタイミングチャートである。
読出し行の単位セル81(n行の単位セル81)においては、まず、定電源AVDDがドレイン線8Dに印加されて、ドレイン線8Dの電位が定電位(例えば3.3V)とされた状態で、ハイレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加されてリセット配線8Cが立ち上げられる(t1)。その結果、リセットトランジスタ85がオン状態になり、フローティングディフュージョン86はドレイン線8Dの電位と同じAVDDになる。また同時に、ハイレベルの駆動パルスSELが選択トランジスタ88に印加されて選択線8Fの電位が立ち上げられ、読出し行の単位セル81が選択状態となる。
次に、ローレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加され、リセット配線8Cが立ち下げられる(t2)。このとき、垂直信号線8Aの電位はVFD(リセット電位=AVDD)から増幅トランジスタ87のゲート−ソース間電位差(Vgs)だけ下がった電位(リセットレベル)となり、この電位が垂直信号線8Aに接続されている次段回路で取り込まれる。
次に、ハイレベルの転送ゲートパルスTRANSが転送トランジスタ84に印加される(t3〜t4)。フォトダイオード83に光の入射が無く、信号電荷が蓄積されていない場合は、転送トランジスタ84がオン状態となってもVFDはリセット電位(=AVDD電位)のままで変化しない(図9A)。逆にフォトダイオード83に光の入射があり、信号電荷が蓄積されていた場合は、フォトダイオード83からフローティングディフュージョン86に信号電荷が転送され、フローティングディフュージョン86の電位が信号電荷に応じて下がる(図9B)。垂直信号線8Aの電位は、VFDの変化に連動して下がり、VFDから増幅トランジスタ87のソース−ゲート間電位差(Vgs)だけ下がった電位(信号レベル)となる。このときの垂直信号線8Aの電位は次段回路で取り込まれる。
次に、ローレベルの駆動パルスSELが選択トランジスタ88に印加されて選択線8Fの電位が立ち下げられ、読出し行の単位セル81は非選択状態になる(t9)。このとき次段回路は、リセットレベルと信号レベルとの差を取って画素信号として出力する。
一方、シャッター行の単位セル81(m行の単位セル81)においては、まずハイレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加される(t5)。
次に、ハイレベルの転送ゲートパルスTRANSが転送トランジスタ84に印加される(t6)。この状態ではリセットトランジスタ85がオン状態になっているためフローティングディフュージョン86の電位はリセット電位(=AVDD電位)のまま変化しない。
次に、ローレベルのリセットパルスRSTがリセットトランジスタ85に印加され、リセット配線8Cの電位が立ち下げられる。このとき、シャッター行の単位セル81の走査において駆動パルスSELはローレベルのままである。
以上のように、本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置によれば、転送トランジスタ84のゲート電極に負電圧が与えられて転送トランジスタ84がオフとされ、かつリセットトランジスタ85がオンとされ、VFDがリセット電位に引き上げられた後の期間において、転送トランジスタ84のゲート−ソース間にかかる電位差が大きい。
例えば、ドレイン線(VDDCELL)8Dの電圧が3.3V、転送トランジスタ84をオフするときのゲート電圧が−1.0Vであり、特に暗時で図9Aの様に読出し行の単位セル81に信号電荷が無い場合、転送トランジスタ84のゲート−ソース間電圧として、3.3V−(−1.0V)=4.3Vの電位差が印加されることになる。この状態は、読出し行の単位セル81においては、t4以降で、シャッター動作が行われるまで、もしくはシャッター動作を使用しない場合は、次の信号読出しが行われるまで保持される。他方、シャッター行の単位セル81においては、t7以降で信号読出しが行われるまで保持される。従って、ほとんどの期間で転送トランジスタ84のゲート−ソース間に高い電位差が印加される状況となるため、ゲート耐圧に関わる信頼性の劣化という問題が発生する。
以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
例えば、上記実施形態の固体撮像装置において、単位セルは、フォトダイオード(画素)、転送トランジスタ、フローティングディフュージョン、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタをそれぞれ有する構造、いわゆる1画素1セル構造を有するとした。しかし、単位セル81は、複数のフォトダイオード(画素)を含み、さらに、フローティングディフュージョン、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタのいずれか、あるいは、すべてを単位セル内で共有する構造、いわゆる多画素1セル構造を有しても構わない。
本発明は、固体撮像装置に利用でき、特にMOS型固体撮像装置等に利用することができる。
本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置における単位セル周辺の構成を示す拡大図である。 本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置における電位切替回路の詳細な構成を示す図である。 同電位切替回路の駆動方法を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第2の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第2の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第3の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置における単位セル周辺の構成を示す拡大図である。 本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施形態の比較例に係るMOS型固体撮像装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 従来技術のMOS型固体撮像装置の構成を示す図である。
8A、1008 垂直信号線
8B 転送ゲート配線
8C リセット配線
8D ドレイン線
8E 負荷ゲート配線
8F 選択線
10、1007 出力アンプ
11 PchMOSトランジスタ
12、13、15 NchMOSトランジスタ
14 FDダウン配線
81、1002 単位セル
83 フォトダイオード
84 転送トランジスタ
85 リセットトランジスタ
86 フローティングディフュージョン
87 増幅トランジスタ
88 選択トランジスタ
90 タイミング発生回路
91、191 電位切替回路
92、100 バイアス回路
93 CDS回路
94 水平シフトレジスタ
95 マルチプレクサ回路
96 垂直シフトレジスタ
97 負荷トランジスタ
1001 MOS型固体撮像装置
1003 センサ部
1004 垂直走査回路
1005 水平走査回路
1006 CDS/信号保持回路
1009 水平信号線
1011 垂直読出し線
1012 垂直選択線
1013 リセット線
1015、1016、1031 バッファ回路
1021 負電圧生成回路

Claims (5)

  1. 入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された信号電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、ソース及びドレインのいずれか一方が前記フローティングディフュージョンに接続され、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電位とするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタから出力された信号電圧を出力する選択トランジスタとを有し、2次元状に配列された複数の単位セルと、
    前記リセットトランジスタのソース及びドレインのいずれか他方と、前記増幅トランジスタのドレインとに接続されたドレイン線と、
    前記ドレイン線に接続されて前記ドレイン線の電位を設定することにより、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電位及びリセット電位より小さい電位のいずれかとする電位切替回路とを備える
    固体撮像装置。
  2. 前記電位切替回路は、前記ドレイン線と電源線との間に挿入された回路であり、前記電源線により供給される電源電圧を前記リセット電位として供給する
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された信号電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された信号電荷を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電位とするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタから出力された信号電圧を出力する選択トランジスタとを有し、2次元状に配列された複数の単位セルと、
    前記単位セルの列毎に設けられ、前記選択トランジスタから出力される信号電圧を垂直方向に伝達する垂直信号線と、
    前記垂直信号線と接続されて前記垂直信号線の電位を設定することにより、前記増幅トランジスタのソース及びゲート間が持つ寄生容量のカップリングを経由して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電位より小さい電位とする電位切替回路とを備える
    固体撮像装置。
  4. 前記固体撮像装置は、さらに、前記リセットトランジスタ及び転送トランジスタのゲートに接続された駆動回路を備え、
    前記駆動回路は、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ信号電荷が転送される期間以外の期間で、前記転送トランジスタ及び前記リセットトランジスタのいずれかのゲート電位を負電位とする
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記電位切替回路は、前記単位セルから信号電圧が出力された後、又はシャッター動作が行われた後に、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電位より小さい電位とする
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
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