JP2013009207A

JP2013009207A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2013009207A
Application number: JP2011141213A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kato; 勝加東; Masanori Kyogoku; 正法京極
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2013-01-10

Abstract

【課題】画質の劣化を抑え、かつ、高速に画素信号の読み出しができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、複数の単位画素３と、複数の垂直信号線５３とを備え、所定の単位画素３と接続された所定の垂直信号線５３の電位は、所定の単位画素３の転送トランジスタがオンされる電荷転送時において、所定の単位画素３のフローティングディフュージョンの電位をリセットした時の所定の垂直信号線５３の電位であるリセット電位より低い。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＣＭＯＳ型（以下、ＭＯＳ型と称す）の固体撮像装置に関する。

近年、ＭＯＳ型イメージセンサ（固体撮像装置）を搭載したデジタルカメラの市場は急速に拡大している。その中でも、一眼カメラではＡＰＳ−Ｃ（Advanced Photo System Classic）や４／３型といったカメラの光学フォーマットの中から大型のＭＯＳ型イメージセンサが使われており、画質の向上や連写枚数の増加などカメラの高性能化を実現するイメージセンサが求められている。

しかし、これらの大型のイメージセンサでは配線に接続される容量が大きくなることにより、応答特性が悪くなり、画質の劣化や高速駆動ができないといった問題が発生する。

図１０は、特許文献１に記載されている従来の固体撮像装置に含まれる単位画素とその周辺の回路を示す回路図である。

単位画素１８０は、フォトダイオード（ＰＤ）２０１、転送トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２０３、増幅トランジスタ２０４、アドレストランジスタ２０５、及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）２０６を備える。

フォトダイオード２０１は、入射した光を光電変換し、電荷を発生する。転送トランジスタ２０２は、フォトダイオード２０１で発生した電荷をフローティングディフュージョン２０６に転送する。

単位画素１８０から垂直信号線２５３に信号を読出す動作について説明する。まず、フローティングディフュージョン２０６を高い電位にリセットした後、フォトダイオード２０１で検出された光電荷がフローティングディフュージョン２０６に転送される。転送された電荷の量に応じてフローティングディフュージョン２０６の電位は変化する。次に、増幅トランジスタ２０４は、このフローティングディフュージョン２０６の電位変化を画素信号として垂直信号線２５３に出力する。

制御回路１９０は、垂直信号線２５３に接続され、ＢＩＡＳトランジスタ３０１、選択トランジスタ３０２及び電流源３０３を備え、垂直信号線２５３の電位状態を維持する。

特開２００７−１２４３４４号公報

以下、タイミングチャートを参照しながら、図１０の固体撮像装置の回路の動作について簡単に説明する。

図１１は図１０の固体撮像装置の画素信号の読出しのタイミングチャートを示す。

図１１の駆動では、垂直信号線２５３の電位状態を維持する制御回路１９０を用いて単位画素１８０から画素信号を読出す前に垂直信号線２５３の電位を低く保っている（ｔ１）。また、時刻ｔ２では、フローティングディフュージョン２０６の電位はリセットトランジスタ２０３をオンにすることでリセットトランジスタ２０３のドレイン電圧にほぼ近い電位にリセットしている。そして、時刻ｔ３では、リセットトランジスタ２０３をオフにし、フローティングディフュージョ２０６の電位をフローティング状態とし、ＢＩＡＳトランジスタ３０１をオフにしている。時刻ｔ４では、選択トランジスタ３０２とアドレストランジスタ２０５とをオンすることで、垂直信号線２５３の電位を上昇させている。この時、垂直信号線２５３とフローティングディフージョン２０６との間に形成される寄生容量によって、フローティングディフージョン２０６の電位も上昇させている。その後、時刻ｔ５において、転送トランジスタ２０２をオンにし、画素信号の読出しを行っている。

図１０の固体撮像装置は、上記の回路の動作を行い、フローティングディフージョン２０６の電位がリセット電位より高い状態でフォトダイオード２０１から電荷を読出すことで、ダイナミックレンジを大きくし、画質の向上を実現できる。

しかし、上記に示した図１１の手法において、ダイナミックレンジを大きくする場合、フローティングディフージョンの電位を上昇させるために、垂直信号線の電位を上昇させる構成になっており、画素信号の読出し前に、垂直信号線の電位が上昇する。画素信号の読出し前に、垂直信号線の電位を上昇させることは、垂直信号線の応答に必要な時間を長くし、画素信号の読出し時間を長くする。これは、垂直信号線の電位変動を大きくするため、ストリーキング、シェーディング、及び線欠陥の原因となる。特に、フローティングディフージョンに入力された信号量が大きいと垂直信号線の応答がさらに悪くなる。また、垂直信号線の電位が高いことによって発生する画素の欠陥（白キズ）が顕著に見られるようになり、画質劣化が起こる。特に大型のイメージセンサでは、その影響が顕著になる。

また、上記に示した図１１の手法では、垂直信号線の電位変動幅も大きくなるため、高輝度な光が入射した際に発生する横線、面内の出力レベルの不均一、及び線欠陥などが生じて画質が劣化してしまう課題も発生してしまう。

そこで、本発明は、画質の劣化を抑え、かつ、高速に画素信号の読出しができる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、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、入射した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電荷を転送する転送トランジスタと、転送された前記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に蓄積された電荷の量に応じた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とシリアルに接続された選択トランジスタとを含む行列状に配置された複数の画素部と、前記画素部の列に対応して設けられ、対応する列の前記画素部の前記選択トランジスタに接続された垂直信号線とを備え、所定の前記画素部と接続された所定の前記垂直信号線の電位は、前記所定の画素部の前記転送トランジスタがオンされる電荷転送時において、前記所定の画素部の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した時の前記所定の垂直信号線の電位であるリセット電位より低いことを特徴とする。

この態様によれば、垂直信号線に接続された電流源等により垂直信号線の電位をリセット電位より低くすることができる。この状態で転送トランジスタをオンにした後、選択トランジスタをオンにすることで、垂直信号線の電位を高速に信号電位にすることができる。同時に、画素信号の読出しにおける垂直信号線の電位変動を小さくできるため、画質の劣化を抑えることができる。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記所定の垂直信号線に接続されたクリップ回路を備え、前記クリップ回路は、前記電荷転送時に前記所定の垂直信号線の電位を前記リセット電位より低い所定の電位にしていてもよい。

この態様によれば、垂直信号線の電位をリセット電位より低くする際に、垂直信号線に接続されたクリップ回路により、垂直信号線の電位を所定の電位にクリップすることができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記所定の垂直信号線に接続されたカラムアンプを備え、前記所定の電位は、前記カラムアンプのゲイン値と連動していてもよい。

この態様によれば、クリップ回路を用いて垂直信号線の電位を所定の電位に決定する際に、カラムアンプのゲイン値に応じて所定の電位を決定することで、信号電位の読出しにかかる時間をさらに短くすることができる。

本発明によれば、信号電位の読出し時に垂直信号線の電位が高いことが原因で発生する高輝度な光が入射した際に発生する横線、面内の出力レベルの不均一、線欠陥及び画素の欠陥を減らすことができ、かつ、画素信号を高速に読出すことができる固体撮像装置を提供できる。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における固体撮像装置の単位画素とその周辺回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態におけるフローティングディフュージョンと増幅トランジスタのソース部との間の寄生容量の様子を示す増幅トランジスタの断面図である。本発明の実施の形態の変形例における固体撮像装置の単位画素と周辺回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態の変形例における固体撮像装置のクリップ回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態の変形例における固体撮像装置の単位カラムアンプの構成を示す回路図である。本発明の実施の形態の変形例における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態の変形例におけるカラムアンプのゲイン値とクリップ回路のクリップＢＩＡＳ電圧との関係の一例を示す図である。特許文献１の固体撮像装置の単位画素とその周辺回路の構成を示す回路図である。固体撮像装置の画素信号の読出しのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態における固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、タイミング、タイミングの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。

図１は、本実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。

この固体撮像装置は、入射した光を光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）と、フォトダイオードで生成された電荷（信号電荷）を転送する転送トランジスタと、転送された電荷を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（初期化）するリセットトランジスタと、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量に応じた電圧（画素信号）を出力する増幅トランジスタと、増幅トランジスタとシリアルに接続された選択トランジスタとを含む行列状に配置された複数の単位画素（画素部）３と、単位画素３の列に対応して設けられ、対応する列の単位画素３の選択トランジスタに接続された垂直信号線５３とを備え、所定の単位画素３と接続された所定の垂直信号線５３の電位は、所定の単位画素３の転送トランジスタがオンされる電荷転送時において、所定の単位画素３のフローティングディフュージョンの電位をリセットした時の所定の垂直信号線５３の電位であるリセット電位より低い。

また、所定の単位画素３の選択トランジスタは、電荷転送時にオフされている。

また、所定の単位画素３の選択トランジスタは、電荷転送時でオンされた転送トランジスタがオフされた以降にオンされる。

また、固体撮像装置は、所定の垂直信号線５３に接続された負荷トランジスタをさらに備え、負荷トランジスタは、所定の単位画素３の選択トランジスタがオフになる期間中、常にオンされている。

また、所定の単位画素３の増幅トランジスタのゲート酸化膜は、所定の単位画素３の転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート酸化膜より薄い。

また、所定の単位画素３の選択トランジスタは、所定の単位画素３のリセットトランジスタ及び転送トランジスタがオフされているときにオフされ、電荷転送時まで常にオフされている。

また、所定の垂直信号線５３の電位は、リセットトランジスタがオフされた後で、転送トランジスタがオンされる以前にリセット電位より低い電位にされる。

以下、図１の固体撮像装置について詳細に説明する。

同図の固体撮像装置は、撮像領域１００、カラムアンプ回路１０１、列ＡＤＣ回路（アナログデジタル変換回路）１０２、水平走査回路１０３、垂直走査回路１０４、及びタイミング発生回路１０５を備える。

撮像領域１００には、光電変換するフォトダイオードを含む単位画素３がアレイ状（行列状）に配置されている。

タイミング発生回路１０５は、カラムアンプ回路１０１、列ＡＤＣ回路１０２、水平走査回路１０３、及び垂直走査回路１０４に接続されている。

垂直走査回路１０４は、横１行毎（単位画素３の行毎）に、リセット信号線、転送ゲート信号線及び選択信号線の３本の制御線を備え、複数の単位画素３に対して、行単位で単位画素３のリセット、単位画素３の画素信号の読出し、及び単位画素３の選択を制御する。垂直走査回路１０４は、タイミング発生回路１０５が出力する信号に基づいてリセット信号、転送信号及び行選択信号等の駆動信号を生成し、それぞれを対応する信号線つまりリセット信号線、転送ゲート信号線及び選択信号線に出力することで単位画素３を選択駆動して制御する。

カラムアンプ回路１０１は行方向に並んだ複数の基本単位（単位カラムアンプ）から構成され、各単位カラムアンプは単位画素３の列つまり垂直信号線５３に対応して設けられている。各単位カラムアンプは対応する垂直信号線５３とタイミング発生回路１０５とに接続され、対応する垂直信号線５３からの行単位の信号出力から単位画素３で発生する固定パターンノイズ成分を除去し、さらに信号出力に対し所定のゲインを掛け増幅する。なお、第１の実施の形態では、カラムアンプ回路１０１は必須の構成ではない。

列ＡＤＣ回路１０２は、行方向に並んだ複数の基本単位（単位列ＡＤＣ）から構成され、各単位列ＡＤＣは単位画素３の列つまり単位カラムアンプに対応して設けられている。各単位列ＡＤＣは対応する単位カラムアンプとタイミング発生回路１０５とに接続され、アナログ画素信号をデジタル信号に変換する。なお、列ＡＤＣ回路１０２を備えずに、アナログ信号のまま出力するようなアナログイメージセンサであっても、本発明は同様の効果を奏する。

水平走査回路１０３は、列ＡＤＣ回路１０２とタイミング発生回路１０５とに接続され、タイミング発生回路１０５が出力する信号に従って駆動され、列ＡＤＣ回路１０２つまり各単位列ＡＤＣで生成されたデジタル信号を順次出力していく。

各単位画素３は、入射した光に応じた電圧を出力する。単位画素３の詳細な説明は後述する。

次に、本実施の形態の固体撮像装置の単位画素３とその周辺回路の構成を説明する。

図２は、本実施の形態における、単位画素３とその周辺回路の構成を示す回路図である。なお、図２では、１本の垂直信号線５３に対応する複数の単位画素３のうちの１つの単位画素３と、負荷トランジスタ２４とを図示する。

単位画素３は、入射した光を光電変換するフォトダイオード１２と、フォトダイオード１２で生成された電荷を転送する転送トランジスタ１４と、転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン２０と、フローティングディフュージョン２０の電位をリセットするリセットトランジスタ１６と、フローティングディフュージョン２０に蓄積された電荷を電圧に変換する増幅トランジスタ２２と、増幅トランジスタ２２で増幅された電圧を垂直信号線５３に出力する選択トランジスタ１８とを備える。これら単位画素３の各トランジスタのオンオフは、垂直走査回路１０４によって、つまり垂直走査回路１０４からの駆動信号により制御される。

負荷トランジスタ２４は、固定電位（グラウンド電位）に接続されており、負荷信号線により制御され、オンすることで垂直信号線５３の電位を固定電位とする。なお、この固定電位は、リセット電位より低ければグラウンド電位に限られない。

次に、本発明の実施の形態の固体撮像装置の駆動方法を説明する。本願発明のポイントは、選択トランジスタ１８を含んだ単位画素３の構成で、フローティングディフュージョン２０のリセットと電荷のフローティングディフュージョン２０への読出し（電荷読出し）との間の期間において、選択トランジスタ１８をオフ（ＯＦＦ）することで、垂直信号線５３の電位を低くし、更に、ＳＦ（ソースフォロア回路）とフローティングディフュージョン２０とのカップリングにより、フローティングディフュージョン２０の電位を上昇させる点である。

図３は図１及び図２の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。具体的には、単位画素３と接続されたリセット信号線ＲＳ、転送ゲート信号線ＴＲＡＮＳ、選択信号線ＳＥＬ及び垂直信号線５３の電位の時間変化と単位画素３のフローティングディフュージョン２０の電位の時間変化とを示す図である。

まず、時刻ｔ１において、転送ゲート信号線ＴＲＡＮＳがＬｏｗ状態であり、リセット信号線ＲＳがＨｉｇｈ状態であるため、転送トランジスタ１４がオフであり、リセットトランジスタ１６がオンである。よって、フローティングディフュージョン２０の電位がリセットされる。このとき、選択信号線ＳＥＬがＨｉｇｈ状態であり、選択トランジスタ１８もオンになっているので、垂直信号線５３の電位も高電位へ遷移して行き、リセット電位となる。

次に、時刻ｔ２において、リセット信号線ＲＳをＬｏｗ状態とし、リセットトランジスタ１６をオフにする。これにより、フローティングディフュージョン２０の電位がフローティングの状態にされる。

次に、時刻ｔ３において、選択信号線ＳＥＬをＬｏｗ状態にし、選択トランジスタ１８をオフにする。これにより、垂直信号線５３の電位は負荷トランジスタ２４によって低電位へ遷移していき、リセット電位より低くなる。一方、選択トランジスタ１８がオフになったことで、増幅トランジスタ２２と選択トランジスタ１８との間の配線の電位は増幅トランジスタ２２のドレイン電源によって上昇する。そのため、増幅トランジスタ２２と選択トランジスタ１８との間の配線とフローティングディフュージョン２０との間の寄生容量Ｃ２とフローティングディフュージョン２０に存在する寄生容量Ｃ１との比で決まる電位の分だけフローティング状態であるフローティングディフュージョン２０の電位も上昇する。

ここで、フローティングディフュージョン２０と増幅トランジスタ２２のゲート部とを接続する配線と増幅トランジスタ２２のソース部との距離が狭まるように近くにレイアウトすることが好ましい。また、図４に示すように、増幅トランジスタ２２のゲート酸化膜９５を単位画素３の他のトランジスタ、例えば転送トランジスタ１４及びリセットトランジスタ１６の少なくともいずれか一方のゲート酸化膜より薄くすることが好ましい。これらにより、フローティングディフュージョン２０と増幅トランジスタ２２のソース部との間の寄生容量Ｃ２を大きくでき、選択トランジスタ１８をオフにすることで得られるフローティングディフュージョン２０の電位上昇の効果をより強くすることができる。

次に、電荷転送時である時刻ｔ４において、転送ゲート信号線ＴＲＡＮＳをＨｉｇｈ状態とし、転送トランジスタ１４をオンにする。これにより、フォトダイオード１２に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン２０へ転送される。このとき、フローティングディフュージョン２０の電位はフォトダイオード１２に蓄積された信号電荷量に応じて変化するが、垂直信号線５３の電位は選択トランジスタ１８がオフになっているので変化しない。

次に、時刻ｔ５において、選択信号線ＳＥＬをＨｉｇｈ状態とし、選択トランジスタ１８をオンにする。これにより、フローティングディフュージョン２０に保持されている信号電位に応じた画素信号が垂直信号線５３へ出力される。

以上のように、本実施の形態では、垂直信号線５３の電位をリセット電位にした後、転送トランジスタ１４をオンにして信号電荷をフローティングディフュージョン２０に読出すまでの間に、垂直信号線５３の電位をリセット電位より低くする。従って、選択トランジスタ１８をオンにした後、画素信号を垂直信号線５３へ読出すまでの時間の短縮を図ることができる。また同時に、画素信号の読出しにおける垂直信号線５３の電位変動を小さくできるため、高輝度な光が入射した際に発生する横線、面内の出力レベルの不均一、及び線欠陥などが生じて画質が劣化するという問題を抑えた固体撮像装置を実現できる。

（変形例）
次に、本実施の形態の変形例の固体撮像装置の単位画素３とその周辺回路の構成を説明する。

図５は、本実施の形態の変形例における、単位画素３とその周辺回路の構成を示す回路図である。なお、図５では、１本の垂直信号線５３に対応する複数の単位画素３のうちの１つの単位画素３と、負荷トランジスタ２４と、クリップ回路６５と、単位カラムアンプ６６とを図示する。

この固体撮像装置は、所定の垂直信号線５３に接続されたクリップ回路６５をさらに備え、クリップ回路６５は、電荷転送時に所定の垂直信号線５３の電位をリセット電位より低い所定の電位にしているという点で本実施の形態の固体撮像装置と異なっている。クリップ回路６５は、所定の単位画素３の選択トランジスタ１８をオフした以降に、所定の垂直信号線５３の電位を所定の電位にする。

また、所定の垂直信号線５３に接続された単位カラムアンプ６６もさらに備え、所定の電位は、単位カラムアンプ６６のゲイン値と連動しているという点でも本実施の形態の固体撮像装置と異なっている。

以下、本実施の形態と異なる点を中心に説明する。

単位画素３は、入射した光を光電変換するフォトダイオード１２と、フォトダイオード１２で生成された電荷を転送する転送トランジスタ1４と、転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン２０と、フローティングディフュージョン２０の電位をリセットするリセットトランジスタ１６と、フローティングディフュージョン２０に蓄積された電荷を電圧に変換する増幅トランジスタ２２と、増幅トランジスタ２２で増幅された電圧を垂直信号線５３に出力する選択トランジスタ１８とを備える。

図６はクリップ回路６５の構成の詳細に示した回路図である。

クリップ回路６５は、画素信号の電位とクリップＢＩＡＳ電圧（クリップＢＩＡＳ信号線９３の電位）とによって決まる信号電位に応じて、垂直信号線５３の電位を決定することを特徴とする。

クリップ回路６５は、垂直信号線５３の電位をクリップ回路６５に伝えるクリップ回路制御トランジスタ８０と、クリップ回路リセットトランジスタ８１と、クリップＢＩＡＳ電圧の値によってオン／オフするクリップＢＩＡＳトランジスタ８２及び８３と、スイッチトランジスタ８４及び８５と、インバータ８６と、垂直信号線５３に接続されたクリップ入力信号線９０と、クリップ出力信号線９１と、クリップ回路制御信号線９２と、クリップＢＩＡＳ信号線９３とを備える。

クリップ回路６５の動作は、まずクリップ回路制御信号線９２をＬｏｗ状態にすることで、クリップ回路制御トランジスタ８０がオフになり、クリップ回路リセットトランジスタ８１がオンになる。これにより、クリップ回路リセットトランジスタ８１のドレイン側の電位が電源電位になり、クリップ回路６５がリセット状態となる。

次に、クリップ回路制御信号線９２をＨｉｇｈ状態にすると、クリップ回路制御トランジスタ８０がオンになる。これにより、垂直信号線５３からの画素信号の電位がクリップ回路６５に入力される。

このとき、クリップＢＩＡＳ信号線９３に所定の電圧のクリップＢＩＡＳ電圧が与えられ、クリップＢＩＡＳトランジスタ８２及び８３のゲート側に所定の電圧が印加されている。よって、垂直信号線５３から入力された画素信号の電位はスイッチトランジスタ８４を通りクリップＢＩＡＳトランジスタ８２のソース側に伝わる。そして、クリップＢＩＡＳトランジスタ８２のゲート側に印加されているクリップＢＩＡＳ電圧とクリップＢＩＡＳトランジスタ８２のソース側の電位との差がクリップＢＩＡＳトランジスタ８２の閾値以上であれば、クリップＢＩＡＳトランジスタ８２がオンになり、インバータ８６の入力部の電位が下がっていく。そして、インバータ８６の入力部の電位がインバータ８６の閾値を下回ったときに３つのインバータ８６の最終出力がＬｏｗからＨｉｇｈに変化し、スイッチトランジスタ８５がオンになる。スイッチトランジスタ８５がオンになることで、クリップＢＩＡＳ電圧、クリップＢＩＡＳトランジスタ８３及び垂直信号線５３に接続している負荷トランジスタ２４とによって決まる電位がクリップ出力信号線９１に出力され垂直信号線５３の電位を決定する。一方、クリップＢＩＡＳトランジスタ８２のゲート側に印加されているクリップＢＩＡＳ電圧とクリップＢＩＡＳトランジスタ８２のソース側の電位との差がクリップＢＩＡＳトランジスタ８２の閾値以下の時は、クリップＢＩＡＳトランジスタ８２はオフのままであり、垂直信号線５３の電位はクリップされず、その電位は画素信号の電位に維持される。

なお、上記で説明したクリップ回路６５は一例であり、上記の機能を有すればどのような回路構成でも良く、図６の構成に限定したものではない。

図７は、単位カラムアンプ６６の回路構成を詳細に示した回路図である。

単位カラムアンプ６６は、カラムアンプ回路１０１を構成する基本単位であり、ゲインレベルを決定する容量６８及び６９と、ゲインレベルを制御するゲイン制御トランジスタ７０、７１及び７２と、ゲイン制御トランジスタ７０、７１及び７２に制御信号を伝えるゲイン制御信号線７６、７７及び７８と、単位カラムアンプ６６のリセットを行うアンプリセットトランジスタ７３と、アンプリセット制御信号線７５と、アンプ出力線７４と、アンプ６７とを備える。

単位カラムアンプ６６の動作は、まず、アンプリセット制御信号線７５をＨｉｇｈ状態にして、アンプリセットトランジスタ７３をオンにする。これにより、アンプ６７の入力と出力とをショートすることでアンプ６７がリセット状態にされ、リセット電位が容量６８に保持される。

次に、アンプリセット制御信号線７５をＬｏｗ状態にし、アンプリセットトランジスタ７３をオフにする。その後、垂直信号線５３の電位変化量を容量６８で受け取り、ゲイン制御トランジスタ７０、７１及び７２をオン／オフする。これにより、容量６９と垂直信号線５３の電位を保持する容量６８との結合容量に応じた所定のゲインを掛けた電圧をアンプ出力線７４に出力することができる。

なお、図７では、ゲインレベルを決定する容量６９と、ゲインレベルを制御するゲイン制御トランジスタ７０、７１及び７２と、ゲイン制御信号線７６、７７及び７８とをそれぞれ３つずつ設けたが、この数に限定したものではない。

次に、本実施の形態の変形例の固体撮像装置の駆動方法を説明する。

図８は固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。具体的には、単位画素３と接続されたリセット信号線ＲＳ、転送ゲート信号線ＴＲＡＮＳ、選択信号線ＳＥＬ、クリップ回路制御信号線９２及び垂直信号線５３の電位の時間変化と単位画素３のフローティングディフュージョン２０の電位の時間変化とを示す図である。

次に、時刻ｔ３において、選択信号線ＳＥＬをＬｏｗ状態にし、選択トランジスタ１８をオフにする。これにより、垂直信号線５３の電位は負荷トランジスタ２４によって低電位へ遷移していき、リセット電位より低くなる。一方、選択トランジスタ１８がオフになったことで、増幅トランジスタ２２と選択トランジスタ１８との間の配線の電位は増幅トランジスタ１８のドレイン電源によって上昇する。そのため、フローティング状態であるフローティングディフュージョン２０の電位も増幅トランジスタ２２と選択トランジスタ１８との間の配線とフローティングディフュージョン２０との間の寄生容量Ｃ２によって上昇する。

ここで、本実施の形態でも述べたようにフローティングディフュージョン２０と増幅トランジスタ２２のゲート部とを接続する配線と増幅トランジスタ２２のソース部との距離が狭まるように近くにレイアウトすることが好ましい。また、図４に示すように、増幅トランジスタ２２のゲート酸化膜９５を転送トランジスタ１４及びリセットトランジスタ１６などのゲート酸化膜より薄くすることが好ましい。これにより、フローティングディフュージョン２０と増幅トランジスタ２２のソース部との間の寄生容量Ｃ２を大きくでき、選択トランジスタ１８をオフにすることで得られるフローティングディフュージョン２０の電位上昇の効果をより強くすることができる。

次に、時刻ｔ３〜ｔ４において、クリップ回路６５のクリップ回路制御信号線９２をＨｉｇｈ状態にし、クリップ回路制御トランジスタ８０をオンにする。これにより、クリップ回路６５を動作させる。このとき、垂直信号線５３の電位を、クリップ回路６５によって所定の電位にクリップすることができる。所定の電位とは前述したクリップＢＩＡＳ電圧、クリップＢＩＡＳトランジスタ８３、及び垂直信号線５３に接続されている負荷トランジスタ２４によって決まる電位である。

このとき、クリップＢＩＡＳ電圧は、単位カラムアンプ６６で設定するゲイン値に応じた電位に設定することが望ましい。例えば、単位カラムアンプ６６でのゲイン値が大きい場合は、必要とする画素信号の飽和値が少なくてすむので、垂直信号線５３の電位を高いレベルでクリップすることが望ましい。よって、このときクリップＢＩＡＳ電圧を高くすることが望ましい。一方、単位カラムアンプ６６でのゲイン値が小さい場合は、必要とする画素信号の飽和値が大きくなるので、垂直信号線５３の電位を低いレベルでクリップすることが望ましい。よって、このときクリップＢＩＡＳ電圧を低くするのが望ましい。つまり、ゲイン値が高くなるのに連動してクリップＢＩＡＳ電圧を高くしてクリップする電位を高くし、クリップ回路６５は所定の電位を高くすることが好ましい。図９に単位カラムアンプ６６のゲイン値を制御するゲイン制御信号線７６、７７及び７８の電位状態とクリップ回路６５のクリップＢＩＡＳ電圧との関係の一例を示す。なお、図９の「Ｌ」はＬｏｗ状態を示し、「Ｈ」はＨｉｇｈ状態を示している。また、図９で示したゲイン制御信号線７６、７７及び７８の電位状態、単位カラムアンプ６６のゲイン値、および印加ＢＩＡＳ電圧は一例であり、この状態や値に限定するものではない。

このとき、垂直信号線５３の電位の変化は、時刻ｔ３〜ｔ４の間にクリップ回路６５でゲイン値に応じて設定した所定の電位から変化するので、クリップを行わなかった場合と比較して早く、垂直信号線５３のリセット電位を信号電位に遷移させることができる。なお、図８中のＡで示す実線はクリップを行わなかった場合の信号電位へ遷移していく様子を示し、図８中のＢで示す破線はクリップを行った場合の信号電位へ遷移していく様子を示している。

以上のように、本実施の形態では垂直信号線５３の電位をリセット電位にした後、転送トランジスタ１４をオンにして信号電荷をフローティングディフュージョン２０に読出すまでの間に、単位カラムアンプ６６のゲイン設定に応じてクリップ回路６５を用いて垂直信号線５３の電位をリセット電位より低く、かつ、必要な画素信号の飽和値に最適な所定の電位レベルまで下げる。これにより、選択トランジスタ１８をオンにした後、画素信号を垂直信号線５３へ読出すまでの時間をより短縮することができる。同時に、画素信号の読出しにおける垂直信号線５３の電位変動をより小さくできるため、高輝度な光が入射した際に発生する横線、面内の出力レベルの不均一、及び線欠陥などが生じて画質が劣化するという問題をさらに抑えた固体撮像装置を実現できる。

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。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

例えば、上記実施の形態の固体撮像装置の単位画素３は、複数のフォトダイオード１２を含む多画素１セルの構造を有してもよい。また、単位画素３は、フォトダイオード１２及びトランジスタ等が形成された半導体基板における、配線等が形成される半導体基板の表面とは反対の裏面にレンズ等の光学系が形成され、裏面から光が入射する裏面型センサの構造を有してもよい。また、単位画素３は、トランジスタ等が形成された半導体基板の表面上に光電変換膜が形成され、光電変換膜に光が入射して信号電荷が生成される積層型センサの構造を有してもよい。

また、上記実施の形態の固体撮像装置の駆動方法では、選択トランジスタ１８をオフにした（図３及び図８のｔ３）後に、転送トランジスタ１４をオンにする（図３及び図８のｔ４）とした。しかし、選択トランジスタ１８をオフにすると同時、転送トランジスタ１４をオンにしてもよい。同様に、リセットトランジスタ１６をオフにした（図３及び図８のｔ２）後に、選択トランジスタ１８をオフにする（図３及び図８のｔ３）とした。しかし、リセットトランジスタ１６をオフにすると同時、選択トランジスタ１８をオフにしてもよい。また同様に、転送トランジスタ１４をオフした後に、選択トランジスタ１８をオンにする（図３及び図８のｔ５）とした。しかし、転送トランジスタ１４をオフすると同時に、選択トランジスタ１８をオンにしてもよい。

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。

Ｃ１、Ｃ２寄生容量
３、１８０単位画素
１２、２０１フォトダイオード（ＰＤ）
１４、２０２転送トランジスタ
１６、２０３リセットトランジスタ
１８、３０２選択トランジスタ
２０、２０６フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２２、２０４増幅トランジスタ
２４負荷トランジスタ
５３、２５３垂直信号線
６５クリップ回路
６６単位カラムアンプ
６７アンプ
６８、６９容量
７０、７１、７２ゲイン制御トランジスタ
７３アンプリセットトランジスタ
７４アンプ出力線
７５アンプリセット制御信号線
７６、７７、７８ゲイン制御信号線
８０クリップ回路制御トランジスタ
８１クリップ回路リセットトランジスタ
８２、８３クリップＢＩＡＳトランジスタ
８４、８５スイッチトランジスタ
８６インバータ
９０クリップ入力信号線
９１クリップ出力信号線
９２クリップ回路制御信号線
９３クリップＢＩＡＳ信号線
９５ゲート酸化膜
１００撮像領域
１０１カラムアンプ回路
１０２列ＡＤＣ回路
１０３水平走査回路
１０４垂直走査回路
１０５タイミング発生回路
１９０制御回路
２０５アドレストランジスタ
３０１ＢＩＡＳトランジスタ
３０３電流源

Claims

入射した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電荷を転送する転送トランジスタと、転送された前記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に蓄積された電荷の量に応じた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とシリアルに接続された選択トランジスタとを含む行列状に配置された複数の画素部と、
前記画素部の列に対応して設けられ、対応する列の前記画素部の前記選択トランジスタに接続された垂直信号線とを備え、
所定の前記画素部と接続された所定の前記垂直信号線の電位は、前記所定の画素部の前記転送トランジスタがオンされる電荷転送時において、前記所定の画素部の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した時の前記所定の垂直信号線の電位であるリセット電位より低い
固体撮像装置。
前記所定の画素部の選択トランジスタは、前記電荷転送時にオフされている
請求項１に記載の固体撮像装置。
さらに、前記所定の垂直信号線に接続されたクリップ回路を備え、
前記クリップ回路は、前記電荷転送時に前記所定の垂直信号線の電位を前記リセット電位より低い所定の電位にしている
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記所定の画素部の選択トランジスタは、前記電荷転送時にオフされている
請求項３に記載の固体撮像装置。
前記クリップ回路は、前記所定の画素部の選択トランジスタをオフした以降に、前記所定の垂直信号線の電位を前記所定の電位にする
請求項４に記載の固体撮像装置。
さらに、前記所定の垂直信号線に接続されたカラムアンプを備え、
前記所定の電位は、前記カラムアンプのゲイン値と連動している
請求項５に記載の固体撮像装置。
前記選択トランジスタは、前記電荷転送時でオンされた前記転送トランジスタがオフされた以降にオンされる
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
さらに、前記所定の垂直信号線に接続された負荷トランジスタを備え、
前記負荷トランジスタは、前記所定の画素部の選択トランジスタがオフになる期間中、常にオンされている
請求項７に記載の固体撮像装置。
前記所定の画素部の増幅トランジスタのゲート酸化膜は、前記所定の画素部の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ゲート酸化膜より薄い
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記所定の画素部の選択トランジスタは、前記所定の画素部の前記リセットトランジスタ及び前記転送トランジスタがオフされているときにオフされ、前記電荷転送時まで常にオフされている
請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記所定の垂直信号線の電位は、前記リセットトランジスタがオフされた後で、前記転送トランジスタがオンされる以前に前記リセット電位より低い電位にされる
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。