JP2010239317A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】全画素読み出しと画素加算読み出しを可能とし、しかもSN比を向上させる。
【解決手段】複数のフォトダイオードPDの各々の光入射側には、所定の色配列を形成する複数のカラーフィルタのいずれかが配置される。複数のフォトダイオードPDのうち同色のカラーフィルタが配置された2つ以上のフォトダイオードPD毎に、当該2つ以上のフォトダイオードPDに1つの増幅トランジスタAMPが、共通に設けられる。前記2つ以上のフォトダイオードPD毎に、当該2つ以上のフォトダイオードPDの各々に対応して、2つ以上の転送トランジスタTが個別に設けられる。各転送トランジスタTは、対応するフォトダイオードPDの信号を当該2つ以上のフォトダイオードPDに共通に設けられた増幅トランジスタAMPに転送する。
【選択図】図1
【解決手段】複数のフォトダイオードPDの各々の光入射側には、所定の色配列を形成する複数のカラーフィルタのいずれかが配置される。複数のフォトダイオードPDのうち同色のカラーフィルタが配置された2つ以上のフォトダイオードPD毎に、当該2つ以上のフォトダイオードPDに1つの増幅トランジスタAMPが、共通に設けられる。前記2つ以上のフォトダイオードPD毎に、当該2つ以上のフォトダイオードPDの各々に対応して、2つ以上の転送トランジスタTが個別に設けられる。各転送トランジスタTは、対応するフォトダイオードPDの信号を当該2つ以上のフォトダイオードPDに共通に設けられた増幅トランジスタAMPに転送する。
【選択図】図1
Description
本発明は、固体撮像素子に関するものである。
下記特許文献1には、全画素読み出しと画素加算読み出しが可能な固体撮像素子が開示されている。全画素読み出しは、画素アレイを構成する各画素から画素信号をそれぞれ読み出すものである。一方、画素加算読み出しは、画素ブロックを構成する複数の画素の画素信号を加算し、加算した画素信号を画素ブロック毎に読み出すものである。
特許文献1に開示された固体撮像素子の撮像面は、マトリックス状に配列された複数の画素ブロックから構成される。各画素ブロックは、4行4列で配列された16個の画素から構成される。各画素の光入射側にはベイヤー配列を形成するように、R(赤色)、G(緑色)及びB(青色)のカラーフィルタのいずれかが配置される。各画素ブロックにおいて、増幅トランジスタを含む読出し回路は、1列目の4個のフォトダイオード(R,G,R,G)と3列目の4個のフォトダイオード(R,G,R,G)とで共有される。また、2列目の4つのフォトダイオード(G,B,G,B)及び4列目の4つのフォトダイオード(G,B,G,B)も同様に、1つの増幅トランジスタを共有する。ここで、各画素は、フォトダイオードで生じた信号電荷を読出すためのフローティングディフュージョンを有し、上記1、3列目の画素の各々に設けられたフローティングディフュージョンは相互接続される。すなわち、特許文献1に開示される固体撮像装置では、4個のR画素及び4個のG画素のフローティングディフュージョンが相互接続される。したがって、画素信号として増幅トランジスタから出力される信号電位は、8個のフローティングディフュージョンにより形成される合成容量の電位に応じて変化する。なお、2、4列目の8つの画素においても増幅トランジスタが共有される点で同一構成である。
特開2008−98834号公報
前述した特許文献1に開示された固体撮像素子では、上記の通り、8個のフローティングディフュージョンが1つの増幅トランジスタのゲートに接続されている。8個のフローティングディフュージョンにより形成される合成容量値は、8個の転送トランジスタに応じた容量値の合計値をも含み、結果として非常に大きな容量値となってしまう。フローティングディフュージョンが受け取る電荷量が同一である場合、フローティングディフュージョンの電位(すなわち、増幅トランジスタのゲートへの入力信号)は、フローティングディフュージョンの容量値に反比例する。一方、増幅トランジスタの出力中のノイズレベルは、フローティングディフュージョンの容量値の大小とは無関係である。したがって、前述した特許文献1に開示された固体撮像素子では、フローティングディフュージョンの合成容量値が大きいため、増幅トランジスタへの入力信号のレベルが小さくなり、ひいては、SN比が低下する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、全画素読み出しと画素加算読み出しが可能な固体撮像素子においてSN比を向上させることを目的とする。
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、色配列を形成する複数のカラーフィルタのいずれかが配置された複数の光電変換部と、同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部毎に共通に設けられた増幅部と、前記光電変換部のそれぞれに設けられ、前記光電変換部で生じた信号を前記増幅部へ転送する転送部と、を備えたものである。
第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部のそれぞれに設けられた転送部が共通に接続されたフローティング容量部を備えたものである。
第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部で生じた信号を、個別に前記増幅部へ転送するように前記転送部を動作させる第1の動作モードと、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部で生じた信号を、前記増幅部へ同時に転送するように前記転送部を動作させる第2の動作モードとが行われるように制御する制御部を、備えたものである。
第4の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記増幅部は、1つのトランジスタからなるものである。
第5の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記増幅部は、ソース同士、ゲート同士及びドレイン同士がそれぞれ接続された複数のトランジスタからなるものである。
第6の態様による固体撮像素子は、前記第5の態様において、前記増幅部を構成する前記複数のトランジスタは、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部のうち、互いに異なる光電変換部の近傍にそれぞれ配置されたものである。
第7の態様による固体撮像素子は、前記第2乃至第6のいずれかの態様において、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部毎に設けられ、前記増幅部に接続された前記フローティング容量部をリセットするリセット部と、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部毎に設けられ、前記増幅部からの信号出力を選択して出力する選択部と、を備えたものである。
第8の態様による固体撮像素子は、前記第7の態様において、前記転送部、前記リセット部及び選択部は、1つのトランジスタからなるものである。
第9の態様による固体撮像素子は、前記第7又は第8の態様において、前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部は、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部のうち、互いに異なる光電変換部の近傍にそれぞれ配置されたものである。
第10の態様による固体撮像素子は、前記転送部のドレインと、前記リセット部のソースとが接続されており、前記リセット部のソースの拡散容量は、前記転送部のドレインの拡散容量よりも大きいものである。
本発明によれば、全画素読み出しと画素加算読み出しが可能な固体撮像素子においてSN比を向上させることができる。
以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子はCMOS型の固体撮像素子であり、シリコン基板上にCMOSプロセスを使用して形成される。本発明に係る固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの電子カメラに搭載される。
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子はCMOS型の固体撮像素子であり、シリコン基板上にCMOSプロセスを使用して形成される。本発明に係る固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの電子カメラに搭載される。
本実施の形態による固体撮像素子は、2次元状に配置された複数の画素PXと、垂直走査回路1と、水平走査回路2と、画素PXの各列に対応して設けられた垂直信号線3と、各垂直信号線3に接続された定電流源4と、画素PXで光電変換により生じた信号電荷に対応する画素信号を伝送する第1の水平信号線5Sと、画素信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号としてのいわゆるリセット信号を伝送する第2の水平信号線5Nと、差動出力アンプ6と、を備えている。
図1では、説明を簡略化するため、画素PXの数が4×4個とされているが、画素PXの数が限定されるものではないことは、言うまでもない。例えば、図1に示す4×4個の画素PXを単位画素ブロックとし、この単位画素ブロックをマトリクス状に配置してもよい。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。
本実施の形態では、各画素PXは、入射光量(被写体光)に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、フォトダイオードにより生じた電荷を受け取って当該電荷に応じた電圧を得るフローティングディフュージョンFDと、フォトダイオードPDで生じた電荷をフローティングディフュージョンFDへ読み出す転送トランジスタTとを有する。図1では、m行目n列目のフォトダイオードPDをPDmnと表記し、フォトダイオードPDmnを有する画素PXをPXmnと表記する。また、画素PXmnが他の画素PXと共有することなく個別に有する転送トランジスタT及びフローティングディフュージョンFDを、それぞれTmn及びFDmnと表記している。
また、本実施の形態による固体撮像素子は、画素PXの各列に対応して、前記画素信号を蓄積する画素信号蓄積容量CS、前記リセット信号を蓄積するリセット信号蓄積容量CN、画素信号垂直転送トランジスタTS、リセット信号垂直転送トランジスタTN、画素信号水平転送トランジスタHS、及び、リセット信号水平転送トランジスタHNを有している。なお、実際には、水平信号線5S,5Nをそれぞれ所定タイミングでリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらのトランジスタの図示は省略している。
各画素PXのフォトダイオードPDの光入射側には、カラーフィルタ(図示せず)が設けられている。本実施の形態では、カラーフィルタの組み合わせとしてR、G、B系が採用され、その色配列としてベイヤー配列が採用されている。もっとも、ストライプ配列などを採用してもよいし、また、補色系(例えば、マゼンタ、グリーン、シアン及びイエローを用いる系)を採用してもよい。
図1及び後述する図2において、赤色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDにはRを付してその画素PXをR画素と呼ぶ。また、緑色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDにはGr,Gbを付しその画素PXをGr画素、Gb画素と呼ぶ。また、青色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDにはBを付しその画素PXをB画素と呼ぶ。また、所定の色の画素PXは、その色のカラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDを有する画素PXをいうものとする。なお、緑色カラーフィルタが設けられたフォトダイオードPDをGr画素、Gb画素とするのは、ベイヤー配列に対応して、G画素の数をRの画素グループの画素数及びBの画素グループの画素数と同数にするためである。GrのフォトダイオードPDは、RのフォトダイオードPDと行方向に隣り合っているフォトダイオードであり、GbのフォトダイオードPDは、BのフォトダイオードPDと行方向に隣り合っているフォトダイオードである。表記上、Gr画素、Gb画素の両者を区別しているが、それらの光学的な特性は同一である。
本実施の形態では、図1に示す4×4個の画素PXアレイにおいて同色の4個の画素PX毎に画素グループが構成されており、R画素、Gr画素、Gb画素、B画素に対応して第1乃至第4の画素グループに分けられている。第1の画素グループは、Grの画素PX11,PX13,PX31,PX33からなる。第2の画素グループは、Gbの画素PX22,PX24,PX42,PX44からなる。第3の画素グループは、Bの画素PX21、PX23、PX41、PX43からなる。第4の画素グループは、Rの画素PX12,PX14,PX32,PX34からなる。本実施形態では、各画素グループに含まれる画素数を4つとしているが、各画素グループ内の画素数は必ずしも同数である必要はなく、例えば、Gr画素グループの4画素とGb画素グループの4画素とを1つの画素グループとし、8個のG画素を含むようにしてもよい。
各画素グループは、図1に示すように、4個の画素PXで共有される1つの増幅トランジスタAMP、1つのリセットトランジスタRES及び1つの選択トランジスタSELを有している。具体的には、第1の画素グループ(PX11,PX13,PX31,PX33)は、増幅トランジスタAMP1、リセットトランジスタRES1及び選択トランジスタSEL1を共有する。第2の画素グループ(PX22,PX24,PX42,PX44)は、増幅トランジスタAMP2、リセットトランジスタRES2及び選択トランジスタSEL2を共有する。第3の画素グループ(PX21、PX23、PX41、PX43)は、増幅トランジスタAMP3、リセットトランジスタRES3及び選択トランジスタSEL3を共有する。第4の画素グループ(PX12,PX14,PX32,PX34)は、増幅トランジスタAMP4、リセットトランジスタRES4及び選択トランジスタSEL4を共有する。
各画素グループにおいて、増幅トランジスタAMPの入力部(本実施の形態ではゲート)には、フォトダイオードPDからの電荷を受け取って前記電荷に応じた電圧を得るフローティング容量部が設けられている。このフローティング容量は、各画素グループの4個の画素PXのフローティングディフュージョンFD、4個の画素に共通して設けられたリセットトランジスタRESのソース拡散容量および増幅トランジスタAMPのゲート容量、配線容量等を含む合成容量である。このフローティング容量部については、後に詳述するが、増幅トランジスタAMPは、フローティング容量部の電位に応じた信号を出力する増幅部を構成している。リセットトランジスタRESは、増幅トランジスタAMPの入力部(すなわち、フローティング容量部)の電位をリセットするリセット部を構成している。選択トランジスタSELは、増幅トランジスタAMPの信号出力を選択する選択部を構成している。なお、図1において、Vddは電源電圧である。
転送トランジスタT11,T12のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTA1が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT13,T14のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTA2が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT21,T22のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTB1が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT23,T24のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTB2が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT31,T32のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTA3が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT33,T34のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTA4が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT41,T42のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTB3が垂直走査回路1から供給される。転送トランジスタT43,T44のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φTB4が垂直走査回路1から供給される。
リセットトランジスタRES1,RES4のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φRESAが垂直走査回路1から供給される。リセットトランジスタRES2,RES3のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φRESBが垂直走査回路1から供給される。
選択トランジスタSEL1,SEL4のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φSELAが垂直走査回路1から供給される。選択トランジスタSEL2,SEL3のゲートは共通に接続され、そこには制御信号φSELBが垂直走査回路1から供給される。
次に、第1の画素グループ(Gr)内の各トランジスタの制御について説明する。第1の画素グループにおいて、画素PX11、13、31、33のそれぞれに設けられた4個の転送トランジスタT11、13、31、33のドレインは、上記したように増幅トランジスタAMP1のゲートに共通に接続されている。転送トランジスタT11、13、31、33は、そのゲートに供給される制御信号φTA1〜φTA4のハイレベル期間にオンし、フォトダイオードPD11、13、31、33に蓄積された電荷を対応するフローティングディフュージョンFD11、13、31、33に転送する。第1の画素グループに共通に設けられたリセットトランジスタRES1は、そのドレインが電源電圧Vddに接続され、そのソースが増幅トランジスタAMP1のゲートに接続されている。リセットトランジスタRES1は、そのゲートに供給される制御信号φRESAのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタAMP1のゲート(したがって、フローティング容量部)をリセットする。
増幅トランジスタAMP1は定電流源4を負荷とするソースフォロア回路を構成しており、そのドレインが電源電圧Vddに接続され、そのゲートが前述したように4個のフローティングディフュージョンFD11、13、31、33に接続され、そのソースが選択トランジスタSEL1のドレインに接続される。選択トランジスタSEL1のソースは、垂直信号線3に接続されている。選択トランジスタSEL1は、そのゲートに供給される制御信号φSELAのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタAMP1のソースを垂直信号線3に接続する。
なお、前述した制御信号φTA1〜φTA4,φRESA,φSELAは、垂直走査回路1から出力される。
その他の第2〜4の画素グループ(R画素グループ、Gb画素グループ、B画素グループ)における各トランジスタの動作は、垂直走査回路1から出力される制御信号が異なる点を除き、上記Gr画素グループにおける各トランジスタの制御と同様である。具体的には、図1に示されるように、Gb画素グループにおいては、転送トランジスタT22、24、45、45は制御信号φTB1〜φTB4に、リセットトランジスタRES2は制御信号φRESBに、選択トランジスタSEL2は制御信号φSELBにより制御される。また、B画素グループにおいては、転送トランジスタT21、23、41、43は制御信号φTB1〜φTB4に、リセットトランジスタRES3は制御信号φRESBに、選択トランジスタSEL3は制御信号φSELBにより制御される。また、R画素グループにおいては、転送トランジスタT12、14、35、35は制御信号φTA1〜φTA4に、リセットトランジスタRES4は制御信号φRESAに、選択トランジスタSEL4は制御信号φSELAにより制御される。
次に、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分を除去するための相関二重サンプリングについて説明する。相関二重サンプリングは、選択トランジスタSELをオンしてソースフォロア動作をさせた後、リセット信号垂直転送トランジスタTNをオンしてノイズ信号を蓄積容量CNに蓄積する。次いで、リセット信号垂直転送トランジスタTNをオフし、画素信号垂直転送トランジスタTSをオンして、転送トランジスタTをオンすることで、蓄積容量CSに画素信号を蓄積する。さらに、水平走査回路2からの制御信号φH1〜φH4により、蓄積容量CN,CSにそれぞれ蓄積された両信号を水平信号線5N,5Sにそれぞれ読み出して、差動出力アンプ6によって2つの信号の差分をとって、相関二重サンプリングを行う。
図2は、本実施の形態による固体撮像素子の画素部(4×4個の画素PX)を模式的に示す概略平面図である。図2において、制御信号φTA1〜φTA4,φTB1〜φTB4,φRESA,φRESB,φSELA,φSELB及び電源Vddの配線は、省略している。実際には、フォトダイオードPDの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略する。
図2において、符号21〜25は、N型のシリコン基板(図示せず)上に形成されたP型ウエル(図示せず)に形成されたN型不純物拡散領域である。拡散領域23は、電源電圧Vddが印加される電源拡散部である。符号26〜29は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート電極である。なお、図2では、これらの符号21〜29は、転送トランジスタT41、フローティングディフュージョンFD41、選択トランジスタSEL2、増幅トランジスタAMP2及びリセットトランジスタRES2についてのみ付しているが、対応する要素についても同様である。
図面には示していないが、各フォトダイオードPDは、前記P型ウエル中に設けられたN型の電荷蓄積層とその表面側に配置されたP型の空乏化防止層からなる埋め込み型フォトダイオードである。しかし、各フォトダイオードPDは、空乏化防止層の無いフォトダイオードにしても良い。図2に示される構成を第2の画素グループ(Gb)を例にして説明する。転送トランジスタT22、24、42、44は、対応するフォトダイオードPD22、24、42、44の電荷蓄積層をソース、N型不純物拡散領域21をドレイン、ゲート電極26をゲートとしたMOSトランジスタである。転送トランジスタT22、24、42、44は、そのゲート電極26に印加される制御信号φTB1〜φTB4により駆動される。
各拡散領域21は、転送トランジスタT22、24、42、44のドレインを構成するのみならず、その転送トランジスタT22、24、42、44に応じたフローティングディフュージョンFD22、24、42、44を構成している。4個のフローティングディフュージョンFD22、24、42、44は、配線32により互いに共通に接続されるとともに、リセットトランジスタRES2のソースとなる拡散領域22及び増幅トランジスタAMP2のゲート電極28に接続されている。従って、フローティングディフュージョンFD22、24、42、44(転送トランジスタTのドレインとしての拡散領域21)、リセットトランジスタRES2のソースとしての拡散領域22、増幅トランジスタAMP2のゲート電極28、配線32が相互接続されてフローティング容量部を形成する。また、フローティング容量部で形成されるフローティング容量値は、転送トランジスタT22、24、42、44のドレイン容量、リセットトランジスタRES2のソース容量、増幅トランジスタAMP2のゲート容量、配線32の配線容量等の合成容量値となる。
なお、リセットトランジスタRES2のソースの拡散容量は、転送トランジスタT22、24、42、44のドレインの拡散容量よりも大きくてもよい。この場合、転送T22、24、42、44のドレインを物理的に小さくできるため、各画素PXにおける開口率を上げることができ、これによりS/Nが向上する。
増幅トランジスタAMP2は、電源拡散部23をドレイン、拡散領域24をソースとするMOSトランジスタである。フォトダイオードPDから転送トランジスタTを介してフローティング容量部に転送されてきた電荷は、フローティング容量部で電圧に変換され、この電圧が増幅トランジスタAMP2のゲート電極28に印加される。増幅トランジスタAMP2は、ゲート電圧に応じた電気信号を出力する。このとき、全画素読み出しにおいては、画素グループ内の転送トランジスタT22、24、42、44が順次個別にオンされて、フォトダイオードPD22、24、42、44の電荷が順次個別にフローティング容量部に供給され、各電荷量に応じた画素信号が増幅トランジスタAMPから順次出力される。一方、画素加算読み出しにおいては、各画素グループの転送トランジスタT22、24、42、44が同時にオンされることで、フォトダイオードPD22、24、42、44の電荷がフローティング容量部で混合され、加算された電荷量に応じた画素加算信号が増幅トランジスタAMPから出力される。
選択トランジスタSEL2は、拡散領域24をドレイン、拡散領域25をソースとするMOSトランジスタである。選択トランジスタSEL2は、オン状態にされることで、増幅トランジスタAMP2の出力を対応する垂直信号線3に出力する。すなわち、増幅トランジスタAMP2と選択トランジスタSEL2によって、ソースフォロワによる読み出しが可能となっている。
リセットトランジスタRES2は、電源拡散部23をドレイン、フローティング容量部の一部を構成する拡散領域22をソースとするMOSトランジスタである。リセットトランジスタRES2は、オン状態にされることで、フローティング容量部に蓄積されている電荷をリセットする。
なお、他の画素グループにおいても、各トランジスタの構成および動作は第2の画素グループ(Gb)と同様である。第1の画素グループ(Gr)においては、フローティングディフュージョンFD11,13,31,33は、配線31によって互いに接続されるとともに、リセットトランジスタRES1のソースとなる拡散領域22に接続される。その結果、フローティングディフュージョンFD11、13、31、33、リセットトランジスタRES1のソース、増幅トランジスタAMP1のゲート電極、配線31が相互接続されてフローティング容量部を形成する。また、第3の画素グループ(B)においては、フローティングディフュージョンFD21,23,41,43は、配線33によって互いに接続にされるとともに、リセットトランジスタRES3のソースとなる拡散領域22に接続される。その結果、フローティングディフュージョンFD21、23、41、43、リセットトランジスタRES3のソース、増幅トランジスタAMP3のゲート電極、配線33が相互接続されてフローティング容量部を形成する。また、第4の画素グループ(R)においては、フローティングディフュージョンFD12,14,32,34は、配線34によって互いに接続されるとともに、リセットトランジスタRES4のソースとなる拡散領域22に接続される。その結果、フローティングディフュージョンFD12、14、32、34、リセットトランジスタRES4のソース、増幅トランジスタAMP4のゲート電極、配線34が相互接続されてフローティング容量部を形成する。
本実施の形態では、図2に示すように、各画素グループの選択トランジスタSEL、増幅トランジスタAMP及びリセットトランジスタRESは、画素グループ内の1つのフォトダイオードPDの近傍に集中して配置されている。例えば、第1の画素グループ(Gr)において、選択トランジスタSEL1、増幅トランジスタAMP1及びリセットトランジスタRES1は、フォトダイオードPD11の近傍に集中して配置されている。図3は、本実施の形態による固体撮像素子の全画素読み出し動作モードの一例を示すタイミングチャートである。本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素PXのフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、図3中の各期間t1〜t8の動作が行われる。なお、図1に示す4×4個の画素PXを単位画素ブロックとしてこの単位画素ブロックをマトリクス状に配置した場合には、各画素ブロックの行について期間t1〜t8を繰り返せばよい。
期間t1〜t7において、垂直走査回路1により図2に示す4×4個の画素ブロックの行が選択され、φSELA,φSELBがハイレベルに変化し、選択トランジスタSEL1〜SEL4がオンする。これにより、増幅トランジスタAMP1〜AMP4のソースが垂直信号線3に接続される。そして、これらの増幅トランジスタAMP1〜AMP4は、定電流源4によってソースフォロア回路として動作する。
期間t1では、φRESA,φRESBがローレベルに変化し、リセットトランジスタRES1〜RES4がオフする。
期間t1が開始した後、期間t12が開始するまでの期間においては、選択トランジスタSEL1〜SEL4がオンし、同時にリセットトランジスタRES1〜RES4がオフすることで、増幅トランジスタAMP1〜AMP4のゲート電圧が、フローティング状態となり、各画素グループの画素PXのリセットレベルが、対応する垂直信号線3に現われる。そして、期間t1中の期間t11において、ノイズ転送パルスφTNがハイレベルに変化し、リセット信号垂直転送トランジスタTNがオンし、リセット状態に対応するノイズ信号(リセット信号)がリセット信号蓄積容量CNに蓄積される。この動作は、全ての画素グループに対して同時並列に実行される。
次に、期間t1中の期間t12において、制御信号φTA1,φTB1がハイレベルに変化し、フォトダイオードPD11,PD12,PD21,PD22のそれぞれに隣接して配置された転送トランジスタT11,T12,T21,T22がオンする。これにより、フォトダイオードPD11,PD12,PD21,PD22で光電変換され蓄積されていた信号電荷が、各画素グループ内のフローティング容量部にそれぞれ転送される。これによって、各画素グループのフローティング容量部の電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が各画素グループの増幅トランジスタAMPのゲート電極28に印加される。その結果、各画素PX11,PX12,PX21,PX22の光情報を含んだレベルが、対応する垂直信号線3に現れる。
次に、期間t1中の期間t13において、画素信号転送パルスφTSがハイレベルに変化し、画素信号垂直転送トランジスタTSがオンし、画素信号が画素信号蓄積容量CSに蓄積される。この動作は、全ての画素グループに対して同時並列に実行される。
期間t1後の期間t2において、水平走査回路2からの制御信号φH1〜φH4による水平走査によって水平転送トランジスタHS,HNが列毎に順次オンされ、蓄積容量CS,CNに蓄積されていた画素信号及びリセット信号が列毎に順次水平信号線5S,5Nに読み出され、差動出力アンプ6によってそれらの信号の差分が取られて外部へ出力される。このように差分をとることで、相関二重サンプリングが実現され、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分が除去される。
次に、期間t3,t4において、画素PX11,PX12,PX21,PX22に関して期間t1,t2で行われたのと同様の動作が、画素PX13,PX14,PX23,PX24について行われる。その後、期間t5,t6において、画素PX11,PX12,PX21,PX22に関して期間t1,t2で行われたのと同様の動作が、画素PX31,PX32,PX41,PX42について行われる。最後に、期間t7,t8において、画素PX11,PX12,PX21,PX22に関して期間t1,t2で行われたのと同様の動作が、画素PX33,PX34,PX43,PX44について行われる。
図4は、本実施の形態による固体撮像素子の画素加算読み出し動作モードの一例を示すタイミングチャートである。メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素PXのフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、図4中の各期間t21,t22の動作が行われる。なお、図1に示す4×4個の画素PXを単位画素ブロックとしてこの単位画素ブロックをマトリクス状に配置した場合には、各画素ブロックの行について期間t21,t22を繰り返せばよい。
図4において、期間t21,t22,t31〜t33は、前述の全画素読み出し動作における期間t11,t12,t11〜t13にそれぞれ相当している。そこで、その重複する説明は省略し、両者の異なる点についてのみ説明する。
画素加算読み出し動作モードの期間t22では、全画素読み出し動作モードの期間t2と異なり、φSELA,φSELBはローレベルにされ、選択トランジスタSEL1〜SEL4がオフする。
また、全画素読み出し動作モードでは、図3に示すように、期間t12においてφTA1,φTB1のみがハイレベルにされて転送トランジスタT11,T12,T21,T22のみがオンされている。これに対し、画素加算読み出し動作モードでは、図4に示すように、期間t32において、φTA1〜φTA4,φTB1〜φTB4がハイレベルされて各画素グループ内の全ての転送トランジスタT11〜44がオンされる。したがって、画素加算読み出し動作モードでは、第1の画素グループ(Gr)を例にすると、フォトダイオードPD11,13,31,33で光電変換され蓄積されていた信号電荷が、フローティングディフュージョン11,13,31,33に転送されて、フローティング容量部で混合される。これによって、第1の画素グループのフローティング容量部の電圧は転送され加算された電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMP1のゲート電極28に印加される。それゆえ、第1の画素グループにおいて、画素PX11,13,31,33の光情報を加算したレベルが、対応する垂直信号線3に現れる。なお、第2〜4の画素グループについても、第1の画素グループと同様に、各画素グループ内の複数の画素PXで生じた光情報はフローティング容量部で加算され、増幅トランジスタAMPを介して対応する垂直信号線3に現れる。
したがって、この画素加算読み出し動作モードでは、画素グループ毎に複数の画素信号を加算した信号を得ることができる。
図4を図3と比較するとわかるように、画素加算読み出し動作モードでは、全画素読み出し動作モードに比べて高速化することができ、動画撮像時や、ライブビュー表示するためのスルー画を得る時などに好適である。また、画素加算読み出し動作モードは、静止画像撮像時であっても、暗い被写体を撮像する場合などにおいて高感度撮像が要求される場合には好適である。
先の説明からわかるように、本実施の形態では、垂直走査回路1及び水平走査回路2が、前述した全画素読み出し動作モードと画素加算読み出しモードとが行われるように制御する制御部を構成している。図面には示していないが、いずれの動作モードで動作を行うかの指令は、外部から受けるようになっている。
特許文献1(特に、図3)に開示された固体撮像素子では、前述したように、8個のフォトダイオードが、1つの増幅トランジスタを共有するように相互接続される。これにより形成されるフローティング容量部は、8個の転送トランジスタのドレインや、相互接続するための配線等を含むため、その合成容量値は非常に大きくなる。例えば、全画素読み出しにおいて1つの画素を読み出す場合、1つのフォトダイオードにより生じる信号電荷が、非常に大きな合成容量値を有するフローティング容量部へ読み出されることになるため、フローティング容量部における信号電圧は低くなる。増幅トランジスタの出力中のノイズレベルは、フローティング容量値の大小とは無関係であるため、SNの低下を招来する。また、画素加算読み出しで4個のR画素を加算して読み出す場合、相互接続された4個のG画素は何ら寄与しないが、フローティング容量部は各画素に設けられた8個の転送トランジスタや配線等を含むため、その合成容量値は大きい。よって、画素加算読み出しにおいても全画素読み出しと同様に、SNの低下を招来する。
これに対し、本実施の形態では、前述したように、同色画素のみが相互接続されて1つの増幅トランジスタを共有する。したがって、本実施の形態では、各色について増幅トランジスタAMPのゲートに存在するフローティング容量部は、同色画素の転送トランジスタのドレインと相互接続するための配線を含むだけですみ、特許文献1に開示された固体撮像素子に比べて、フローティング容量部の容量値を大幅に低くすることができる。
したがって、本実施の形態によれば、特許文献1に開示された固体撮像素子に比べて、同一信号電荷量に対してフローティング容量部で得られるレベル(すなわち、増幅トランジスタAMPへの入力信号のレベル)が大きくなる。よって、本実施の形態によれば、特許文献1に開示された固体撮像素子に比べて、SN比を向上させることができる。
[第2の実施の形態]
図5は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図1に対応している。図6は、本実施の形態による固体撮像素子の画素部を模式的に示す概略平面図であり、図2に対応している。図5及び図6において、図1及び図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
図5は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図1に対応している。図6は、本実施の形態による固体撮像素子の画素部を模式的に示す概略平面図であり、図2に対応している。図5及び図6において、図1及び図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
本実施の形態による固体撮像素子が前記第1の実施の形態による固体撮像素子と異なる所は、主に下記の2つの相違点のみであり、回路上は両者は実質的に等価である。
第1の相違点は、本実施の形態では、図1及び図2中の各1つの増幅トランジスタAMPが、互いにソース同士、ゲート同士及びドレイン同士がそれぞれ接続された各2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBに置き換えられている点である。
第2の相違点は、本実施の形態では、各画素グループにおいて、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPB、1つのリセットトランジスタRES及び1つの選択トランジスタSELの、合計4個のトランジスタが、画素グループ内で互いに分散されて、各フォトダイオードPDの近傍にそれぞれ配置されている点である。
この配置を実現するため、図5及び図6から理解されるように、各画素グループにおいて、増幅トランジスタAMPA,AMPB、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELが、互いに分離して構成されている。第1の画素グループ(Gr)を例にすると、増幅トランジスタAMPA1は、そのゲートをなすゲート電極28Aと、そのドレインをなすN型不純物拡散領域(電源拡散部)73Aと、そのソースをなすN型不純物拡散領域74Aとを有している。各増幅トランジスタAMPB1は、そのゲートをなすゲート電極28Bと、そのドレインをなすN型不純物拡散領域(電源拡散部)73Bと、そのソースをなすN型不純物拡散領域74Bとを有している。リセットトランジスタRES1は、そのゲートをなすゲート電極27と、そのドレインをなすN型不純物拡散領域(電源拡散部)63と、そのソースをなすN型不純物拡散領域22とを有している。選択トランジスタSEL1は、そのゲートをなすゲート電極29と、そのドレインをなすN型不純物拡散領域64と、そのソースをなすN型不純物拡散領域25とを有している。そして図6に示すように、前述した分散配置を実現するために必要な配線が施されている。その他の第2〜4の画素グループにおいても同様に、増幅トランジスタAMPA,AMPB、リセットトランジスタRES、選択トランジスタSELは、画素グループ内で分散配置される。
なお、本実施の形態による固体撮像素子の全画素読み出し動作モード及び画素加算読み出し動作モードをそれぞれ示すタイミングチャートは、図3及び図4にそれぞれ示すタイミングチャートと同一である。
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様に、全画素読み出しと画素加算読み出しが可能であり、しかも、各画素グループにおけるフローティング容量部の容量値を小さくしてSN比を向上させることができるという利点が得られる。本実施の形態によれば、それのみならず、前記第1及び第2の相違点によって下記の利点も得ることができる。
まず、前記第1の相違点により得られる利点について説明する。前記第1の実施の形態において、ノイズは各部で発生するが、増幅トランジスタAMPで発生する1/fノイズが支配的である。増幅トランジスタAMPの1/fノイズ電圧Vn1は、下記の式1で表される。式1において、Kは定数、fは周波数、Coxは増幅トランジスタAMPの単位面積当たりのゲート容量、Wは増幅トランジスタAMPのMOS幅、Lは増幅トランジスタAMPのMOSの長さである。
Vn1=K×{1/(Cox×W×L×f)}1/2 …式1
本実施の形態において、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBが、それぞれ増幅トランジスタAMPと同一であるとすれば、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBのソース、ゲート及びドレインがそれぞれ共通化されているので、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBの全体としての1/fノイズ電圧Vn2は、下記の式2で表される。
本実施の形態において、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBが、それぞれ増幅トランジスタAMPと同一であるとすれば、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBのソース、ゲート及びドレインがそれぞれ共通化されているので、2つの増幅トランジスタAMPA,AMPBの全体としての1/fノイズ電圧Vn2は、下記の式2で表される。
Vn2=K×{1/(Cox×2×W×L×f)}1/2 …式2
したがって、本実施の形態によれば、各画素グループにおいて2個の増幅トランジスタAMPA,AMPBが用いられているので、各画素グループにおいて1個の増幅トランジスタAMPを用いる前記第1の実施の形態に比べて、1/fノイズ電圧を(1/21/2)倍に小さくすることができる。よって、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態に比べて、更にSN比を向上させることができる。
したがって、本実施の形態によれば、各画素グループにおいて2個の増幅トランジスタAMPA,AMPBが用いられているので、各画素グループにおいて1個の増幅トランジスタAMPを用いる前記第1の実施の形態に比べて、1/fノイズ電圧を(1/21/2)倍に小さくすることができる。よって、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態に比べて、更にSN比を向上させることができる。
次に、前記第2の相違点により得られる利点について説明する。前記第1の実施の形態では、各画素グループの選択トランジスタSEL、増幅トランジスタAMP及びリセットトランジスタRESは、画素グループ内の1つのフォトダイオードPDの近傍に集中して配置されている。これに対し、本実施の形態では、増幅トランジスタAMPA,AMPB、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELの、合計4個のトランジスタが、互いに分散して、画素グループ内の4つのフォトダイオードPDのうち互いに異なるフォトダイオードPDの近傍にそれぞれ配置されている。加えて、画素PX内のトランジスタの数は、同一とされる。したがって、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態に比べて、各フォトダイオードPDの周囲の要素の配置状況が均一化される。このため、各フォトダイオードPDに対する入射光の状況が光学的に均一化され、各画素PX間で感度やクロストーク量が均一化される。その結果、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態に比べて、画素間の画質のムラを低減することができる。
なお、本実施の形態では、好適な実施形態として、各画素グループにおいて増幅トランジスタAMPA,AMPB、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELが互いに分散配置される構成を例示したが、この限りでない。その他の配置例として、各画素グループにおいて、増幅トランジスタAMPA,AMPB、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELのうち少なくとも1つのトランジスタと他の少なくとも1つのトランジスタとを、画素グループの互いに異なるフォトダイオードPDの近傍に配置することが挙げられる。この場合であっても、全てが同じフォトダイオードPDの近傍に配置する場合に比べれば、画素PX間の画質ムラをある程度低減することができる。
また、本実施の形態では、好適な実施形態として、各画素グループに増幅トランジスタAMPA,AMPBの2つの増幅トランジスタを設ける構成を例示したが、この限りでない。例えば、増幅トランジスタAMPA、AMPBうちのいずれかを取り除いてもよい。この場合、上述した1/fノイズの低減効果は得られないものの、共有化される各トランジスタAMP,RES,SELが分散配置される点で、画素PX間の画質ムラを第1の実施の形態に比して低減することができる。
[第3の実施の形態]
図7は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図5に対応している。図8は、本実施の形態による固体撮像素子の画素部を模式的に示す概略平面図であり、図6に対応している。図7及び図8において、図5及び図6中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
図7は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図5に対応している。図8は、本実施の形態による固体撮像素子の画素部を模式的に示す概略平面図であり、図6に対応している。図7及び図8において、図5及び図6中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
本実施の形態による固体撮像素子は、前記第2の実施の形態による固体撮像素子における各要素の配置を変更したものであるが、前記第2の実施の形態による固体撮像素子と実質的に等価である。
上記第2の実施の形態では、図5及び図7に示されるように、第1の画素グループ(Gr)を例にすると、画素PX11内に選択トランジスタSEL1を、画素PX13内にリセットトランジスタRES1を、画素PX31内に増幅トランジスタAMP1を、画素PX33内に増幅トランジスタAMPB1を配置して、各トランジスタを画素グループ内で分散配置した。一方、本実施の形態では、第1の画素グループ(Gr)を例にすると、画素PX11内に選択トランジスタSEL1を、画素PX13内に増幅トランジスタAMPA1を、画素PX31内にリセットトランジスタRES1を、画素PX33内に増幅トランジスタAMPB1を配置して、各トランジスタを画素グループ内で分散配置した。
なお、本実施の形態による固体撮像素子の全画素読み出し動作モード及び画素加算読み出し動作モードをそれぞれ示すタイミングチャートは、図3及び図4にそれぞれ示すタイミングチャートと同一である。
本実施の形態によっても、前記第2の実施の形態と同様の利点が得られる。
[第4の実施の形態]
図9は、本発明の第4の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図1に対応している。図9において、図1中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
図9は、本発明の第4の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図1に対応している。図9において、図1中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
本実施の形態による固体撮像素子が前記第1の実施の形態による固体撮像素子と基本的に異なる所は、前記第1の実施の形態では、各画素グループが同色の4個の画素PXからなり、各画素グループの4個の画素PXが1組の増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有しているのに対し、本実施の形態では、各画素グループが同色の2個の画素PXからなり、各画素グループの2個の画素PXが1組の増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している点のみである。
なお、垂直走査回路から各部に供給される制御信号φTC1〜φTC4,φRESC,φRESD,φSELC,φSELDは、全画素読み出し動作モード時と画素加算読み出し動作モード時とで、図3及び図4に示すタイミングチャートに準じたタイミングの信号とすればよい。このような変形は、当業者には自明である。
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。
[第5の実施の形態]
図10は、本発明の第5の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図5に対応している。図10において、図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
図10は、本発明の第5の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図5に対応している。図10において、図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
本実施の形態による固体撮像素子が前記第2の実施の形態による固体撮像素子と基本的に異なる所は、前記第2の実施の形態では、各画素グループが同色の4個の画素PXからなり、各画素グループの4個の画素PXが1組の増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有しているのに対し、本実施の形態では、各画素グループが同色の2個の画素PXからなり、各画素グループの2個の画素PXが1組の増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している点のみである。
なお、垂直走査回路から各部に供給される制御信号φTC1〜φTC4,φRESC,φRESD,φSELC,φSELDは、全画素読み出し動作モード時と画素加算読み出し動作モード時とで、図3及び図4に示すタイミングチャートに準じたタイミングの信号とすればよい。このような変形は、当業者には自明である。
本実施の形態によっても、前記第2の実施の形態と同様の利点が得られる。
以上、本発明の各実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、増幅トランジスタAMP等を供給する同色の画素PXの数が4個の場合と2個の例であったが、その数は2個や4個に限定されるものではない。
1 垂直走査回路
2 水平走査回路
3 垂直信号線
PX 画素
AMP 増幅トランジスタ
FD フローティングディフュージョン
T 転送トランジスタ
PD フォトダイオード
RES リセットトランジスタ
SEL 選択トランジスタ
2 水平走査回路
3 垂直信号線
PX 画素
AMP 増幅トランジスタ
FD フローティングディフュージョン
T 転送トランジスタ
PD フォトダイオード
RES リセットトランジスタ
SEL 選択トランジスタ
Claims (10)
- 色配列を形成する複数のカラーフィルタのいずれかが配置された複数の光電変換部と、
同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部毎に共通に設けられた増幅部と、
前記光電変換部のそれぞれに設けられ、前記光電変換部で生じた信号を前記増幅部へ転送する転送部と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部のそれぞれに設けられた転送部が共通に接続されたフローティング容量部を備えたことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部で生じた信号を、個別に前記増幅部へ転送するように前記転送部を動作させる第1の動作モードと、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部で生じた信号を、前記増幅部へ同時に転送するように前記転送部を動作させる第2の動作モードとが行われるように制御する制御部を、備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子。
- 前記増幅部は、1つのトランジスタからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。
- 前記増幅部は、ソース同士、ゲート同士及びドレイン同士がそれぞれ接続された複数のトランジスタからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。
- 前記増幅部を構成する前記複数のトランジスタは、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部のうち、互いに異なる光電変換部の近傍にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。
- 前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部毎に設けられ、前記増幅部に接続された前記フローティング容量部をリセットするリセット部と、
前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部毎に設けられ、前記増幅部からの信号出力を選択して出力する選択部と、
を備えたことを特徴とする請求項2乃至6のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 前記転送部、前記リセット部及び選択部は、1つのトランジスタからなることを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。
- 前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部は、前記同色のカラーフィルタが配置された複数の光電変換部のうち、互いに異なる光電変換部の近傍にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項7又は8記載の固体撮像素子。
- 前記転送部のドレインと、前記リセット部のソースとが接続されており、
前記リセット部のソースの拡散容量は、前記転送部のドレインの拡散容量よりも大きいことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。
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