JP2013197989A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＤ接続トランジスタを有する固体撮像素子にて、ＦＤ接続トランジスタをオンさせる場合に確実にＦＤ接続トランジスタをオンできるようにする。
【解決手段】光電変換により電荷を生成するフォトダイオード、フォトダイオードにより生成された電荷を転送する転送トランジスタ、転送トランジスタにより転送された電荷を保持するフローティングディフュージョン（ＦＤ）、ＦＤの電荷に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、及びＦＤの電位をリセットするリセットトランジスタを備える複数の画素と、複数の画素のＦＤ同士を接続するためのＦＤ接続トランジスタとを有し、ＦＤ接続トランジスタの閾値をリセットトランジスタの閾値よりも低くすることで、確実に接続トランジスタをオンすることを可能にして正しい基準電圧を読み出すことができるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換素子を複数備えた固体撮像装置に関する。

従来、ＭＯＳ型の固体撮像装置の画素回路として、下記特許文献１の図４に記載されている画素回路が知られている。特許文献１には画素が２次元状に配置され、垂直方向に隣接する画素のフローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」とも称す。）同士を連結スイッチを介して電気的に接続する手段を備えた構成が開示されている。

特開２００９−３３３１６号公報

特許文献１の図４に示されるような構成において、隣接する画素のＦＤを接続するＦＤ接続トランジスタをオンするための条件は、（ＦＤ接続トランジスタのゲートハイ電圧）−（ＦＤのリセット電圧）＞（ＦＤ接続トランジスタの閾値）である。ＦＤ接続トランジスタの閾値が高いと、ＦＤ接続トランジスタがオンせずＦＤの電圧の平均化ができないため、ＦＤのリセット電圧が接続するＦＤ毎にずれてしまい、正しい基準電圧（ダークレベル）を読み出すことができない。その結果、光信号電圧と基準電圧との減算が正しく行うことができないために画質が悪化してしまう。

本発明は、ＦＤ接続トランジスタを有する固体撮像素子にて、ＦＤ接続トランジスタをオンさせる場合に確実にＦＤ接続トランジスタをオンできるようにすることを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記画素が、光電変換により電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された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電荷を保持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荷に応じた信号を出力する増幅部と、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備え、複数の前記画素の前記フローティングディフュージョン同士を接続するための接続トランジスタを有し、前記接続トランジスタの閾値は前記リセットトランジスタの閾値よりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、フローティングディフュージョン同士を接続するための接続トランジスタの閾値をリセットトランジスタの閾値よりも低くすることで、確実に接続トランジスタをオンすることが可能になる。これにより、正しい基準電圧を読み出すことを可能にし、正しい画像信号を得ることができる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 図１に示す固体撮像装置の詳細な構成例を示す図である。 第１の実施形態による固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の画素レイアウト図である。 本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の画素レイアウト図である。 本発明の第５の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第５の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第６の実施形態による撮像システムの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。固体撮像装置は、画素アレイＡ、画素定電流源１０２、垂直走査回路１０３、信号増幅部１０４、信号保持部１０５、信号増幅部と信号保持部の制御部１０６、及びスイッチ１０７を有する。また、固体撮像装置は、水平走査回路１０８、出力アンプ１０９、水平出力線２１７、２１８、及び水平出力線２１７、２１８のリセット部１１１を有する。

画素アレイＡは、複数の画素１０１を有し、これら画素１０１が複数行及び複数列を構成するように２次元状に配列されている。なお、図１には、画素アレイＡが、３行３列に配置された画素１０１で構成されている例を示しているが、これは説明を簡単化することを意図したものであり、画素アレイＡの構成を限定することを意図したものではない。画素１０１は、光電変換により電荷を生成する光電変換素子を有し、光電変換素子によって得られた信号が列信号線を介して信号増幅部１０４に供給される。

信号増幅部１０４は、画素アレイＡから信号を読み出すように構成される。信号保持部１０５は、信号増幅部１０４によって読み出された信号を保持する。出力アンプ１０９は、信号保持部１０５に保持された信号をスイッチ１０７を介して読み出すように構成される。信号増幅部１０４及び信号保持部１０５は、１列毎に設けられていてもよいし、複数列毎に設けられていてもよい。

垂直走査回路１０３は、典型的には、シフトレジストを含んで構成され、画素アレイＡ中の行を選択する。水平走査回路１０８は、典型的には、シフトレジストを含んで構成され、画素アレイＡ中の列を選択する。この例では、画素アレイＡ中の列の選択は、信号保持部１０５から出力アンプ１０９に信号が転送されるようにスイッチ１０７を選択的に活性化することによってなされる。リセット部１１１は、水平出力線２１７、２１８を所定の電位にリセットする。

図２は、画素１０１（１０１ａ、１０１ｂ）、信号増幅部１０４、信号保持部１０５、及びリセット部１１１の詳細な構成例を示す図である。画素部１０１ａは、例えば、フォトダイオード（光電変換素子）２０１ａと、転送トランジスタ２０２ａと、増幅トランジスタ（ソースフォロアトランジスタ）２０３ａと、リセットトランジスタ２０４ａと、選択トランジスタ２０５ａとを含む。画素部１０１ｂは、例えば、フォトダイオード２０１ｂと、転送トランジスタ２０２ｂと、増幅トランジスタ（ソースフォロアトランジスタ）２０３ｂと、リセットトランジスタ２０４ｂと、選択トランジスタ２０５ｂとを含む。また、画素部１０１ａは、フローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」とも称す。）接続トランジスタ２０６ａを含み、画素部１０１ｂは、ＦＤ接続トランジスタ２０６ｂを含む。

フォトダイオード２０１ａは、光電変換により電荷を生成する。フォトダイオード２０１ａにおいて光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ａによってＦＤ２０７ａに転送される。この電荷によってＦＤ２０７ａの電位が定まる。ＦＤ２０７ａは、増幅トランジスタ２０３ａのゲートと共通のノードであり、ＦＤ２０７ａに転送された電荷に基づく信号が増幅トランジスタ２０３ａによって増幅されて、選択トランジスタ２０５ａを介して列信号線１１０に出力される。列信号線１１０は、定電流源１０２に接続されていて、ソースフォロア回路が構成されている。画素部１０１ｂも画素部１０１ａと同様に構成され、列信号線１１０に接続されている。

また、ＦＤ２０７ａは、リセットトランジスタ２０４ａと接続されており、ＦＤ２０８ｂは、リセットトランジスタ２０４ｂと接続されている。ＦＤ２０７ａとＦＤ２０７ｂとの間には、ＦＤ２０７ａとＦＤ２０７ｂとを導通もしくは非導通とするＦＤ接続トランジスタ２０６ａが設けられている。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオフすれば各フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂの信号を個別に出力することができ、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオンすれば隣接するフォトダイオード２０１ａ、２０１ｂの信号電荷をＦＤ上で加算して出力することができる。リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂ及び増幅トランジスタ２０３ａ、２０３ｂは画素の電源ＳＶＤＤと接続されている。

また、画素部１０１ａにおいて、転送トランジスタ２０２ａのゲート電極には駆動線ＰＴＸ＿ａが接続されている。リセットトランジスタ２０４ａのゲート電極には駆動線ＰＲＥＳ＿ａが接続されている。選択トランジスタ２０５ａのゲート電極には駆動線ＰＳＥＬ＿ａが接続されている。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲート電極には駆動線ＰＡＤＤ＿ａが接続されている。画素部１０１ｂも同様である。

信号増幅部１０４は、例えば、クランプ容量２３０、反転アンプ２０８、フィードバック容量２０９、クランプスイッチ２１０等を含む。列信号線１１０は、信号増幅部１０４のクランプ容量２３０の一端に接続されている。フィードバック容量２０９及びクランプスイッチ２１０は、反転アンプ２０８の入力端と出力端との間に並列に接続されている。

信号増幅部１０４の出力端は、信号保持部１０５に接続されている。信号保持部１０５は、例えば、スイッチ２１１、２１２、保持容量２１３、２１４を含む。保持容量２１３、２１４は、互いに同一の容量値をもつことが好ましい。信号増幅部１０４の出力端は、スイッチ２１１、２１２を介して保持容量２１３、２１４にそれぞれ接続されている。クランプスイッチ２１０、及びスイッチ２１１、２１２の制御を行うのが制御部１０６である。

保持容量２１３、２１４に保持された信号は、水平走査回路１０８から提供されるＰＨパルスにしたがって列選択スイッチ２１５、２１６がオンすることによって水平出力線（ノイズ成分）２１７と水平出力線（光信号成分）２１８に出力される。保持容量２１３、２１４には、それぞれＮ（ノイズ）出力、Ｓ（光信号）出力が保持され、出力アンプ１０９によって、Ｎ出力とＳ出力との差分が増幅され、出力される。

リセット部１１１は、例えばスイッチ２１９、２２０を含む。水平出力線（ノイズ成分）２１７がスイッチ２１９を介して電圧ＶＣＨＲに接続され、水平出力線（光信号成分）２１８がスイッチ２２０を介して電圧ＶＣＨＲに接続されている。スイッチ２１９、２２０を駆動パルスＰＣＨＲのタイミングでオンさせることによって、水平出力線（ノイズ成分）２１７と水平出力線（光信号成分）２１８とのリセットが行われる。

図３は、図１及び図２に示す固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。図３を参照しながら固体撮像装置の動作を説明する。
時刻ｔ０の初期状態において、リセット信号ＰＲＥＳ＿ａ、ＰＲＥＳ＿ｂはハイレベル（オン状態）となっており、ＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂは、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂを介してリセット電圧ＳＶＤＤによってリセットされている。また、信号ＰＡＤＤ＿ａがハイレベルになっており、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａを介してＦＤ２０７ａとＦＤ２０７ｂとが電気的に接続されている。また、信号ＰＣＨＲはハイレベルになっており、水平出力線２１７、２１８は電圧ＶＣＨＲにリセットされている。

時刻ｔ１に、選択トランジスタ２０５ａ、２０５ｂのゲートに入力される選択信号ＰＳＥＬ＿ａ、ＰＳＥＬ＿ｂがハイレベルになる。これにより、選択トランジスタ２０５ａ、２０５ｂがオンして、増幅トランジスタ２０３ａ、２０３ｂが活性化される。この状態では、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂがオンしているので、ＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂはリセット電圧ＳＶＤＤによってリセットされている。時刻ｔ２に、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルになり、クランプスイッチ２１０がオンして、反転アンプ２０８がユニティゲインバッファ状態になり、ＶＣ０Ｒの電圧が出力される。

時刻ｔ３に、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂのゲートに入力されるリセット信号ＰＲＥＳ＿ａ、ＰＲＥＳ＿ｂがローレベルになり、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂがオフし、ＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂの電位が黒信号レベルに固定される。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンしているため、ＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂは同電位となり、列信号線１１０の基準電位ＶＮが定まる。時刻ｔ４に、クランプパルスＰＣ０Ｒがローレベルになり、クランプスイッチ２１０がオフし、列信号線１１０の基準電位ＶＮがクランプされる。

時刻ｔ５に、ＰＴＮパルスがハイレベルになって信号保持部１０５のスイッチ２１１がオンして、保持容量２１３に、ＶＣ０Ｒの電圧と反転アンプ２０８のオフセット電圧が加算された値の書き込みが始まる。時刻ｔ６に、ＰＴＮパルスがローレベルになり、この書き込みが終了する。

時刻ｔ７に、転送トランジスタ２０２ａ、２０２ｂのゲートに入力される転送パルスＰＴＸ＿ａ、ＰＴＸ＿ｂがハイレベルになる。これにより、転送トランジスタ２０２ａ、２０２ｂがオンして、フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂの信号電荷がＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂに転送される。時刻ｔ８に、転送パルスＰＴＸ＿ａ、ＰＴＸ＿ｂがローレベルになり、信号電荷の転送が完了する。ここで、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンしているため、フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂの信号電荷がＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂ上で加算され、同電位となる。その後、時刻ｔ９に、ＰＴＳパルスがハイレベルになって信号保持部１０５のスイッチ２１２がオンして、保持容量２１４に信号が書き込まれる。

転送パルスＰＴＸ＿ａ、ＰＴＸ＿ｂがハイレベルになることにより、列信号線１１０の電位はＶＮからＶＳに変化する。信号電荷が電子である場合には、ＶＳ＜ＶＮの関係となる。この電圧の変化量（ＶＳ−ＶＮ）がクランプ容量２３０の容量値Ｃ０とフィードバック容量２０９の容量値との比率（Ｃ０／Ｃｆ）で反転された電圧と、ＶＣ０Ｒの電圧と反転アンプ２０８のオフセット電圧とが加算される。加算された電圧は、信号保持部１０５のスイッチ２１２を介して保持容量２１４に書き込まれる。時刻ｔ１０に、ＰＴＳパルスをローレベルにし、スイッチ２１２をオフして、この書き込みが終了する。

その後、時刻ｔ１１に、リセット信号ＰＲＥＳ＿ａ、ＰＲＥＳ＿ｂがハイレベルになり、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂがオンして、ＦＤ２０７ａ、ＦＤ２０７ｂがリセットされる。これと同時に、選択信号ＰＳＥＬ＿ａ、ＰＳＥＬ＿ｂがローレベルにされて選択トランジスタ２０５ａ、２０５ｂがオフする。これにより、行の選択が解除される。その後、時刻ｔ１２に、水平走査回路１０８から提供されるＰＨパルスによって列選択スイッチ２１５、２１６がオンし、出力アンプ１０９でＮ出力とＳ出力との差を演算して画像信号が出力される。これが時刻ｔ１３に終了し、以降は、ＰＣＨＲによる水平出力線２１７、２１８のリセットとＰＨパルスによる列選択を交互に行うことにより、順次各列の信号が出力される。

ここで、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間における各トランジスタのバイアス条件について説明する。電圧ＳＶＤＤが５．０Ｖ、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂのゲートハイ電圧が５．０Ｖ、リセットトランジスタの閾値（Ｖｔｈ）が０．３Ｖとすると、ＦＤ２０７ａ、２０７ｂの電圧は４．７Ｖとなる。そのとき、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧が５．０ＶでＦＤ接続トランジスタ２０６ａの閾値が０．４Ｖになってしまったとする。この場合には、（ＦＤ接続トランジスタのゲートハイ電圧）−（ＦＤのリセット電圧）＞（ＦＤ接続トランジスタの閾値）という式が満たせなくなり、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンできない。その後、時刻ｔ７において、転送トランジスタ２０２ａ、２０２ｂのゲートに入力される転送パルスＰＴＸ＿ａ、ＰＴＸ＿ｂがハイレベルになり、フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂの信号電荷がＦＤ２０７ａ、２０７ｂに転送されることでＦＤの電位は低下する。それにより、ＦＤ２０７ａ、２０７ｂの電位が４．０Ｖになったと仮定する。この状態では（ＦＤ接続トランジスタのゲートハイ電圧）−（ＦＤのリセット電圧）＞（ＦＤ接続トランジスタの閾値）の式を満たせるようになり、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンする。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンするとチャネル容量が見えてくるため、基準電圧ＶＮ出力時と信号電圧ＶＳ出力時でＦＤ２０７ａ、２０７ｂにおける容量が異なり、出力リニアリティが悪化する。このような不都合を防止するため、本実施形態ではＦＤ接続トランジスタ２０６の閾値を、リセットトランジスタ２０４等の他のトランジスタよりも低くする。例えば、ＦＤ接続トランジスタ２０６の閾値を０．１Ｖにすることで、電源変動や閾値の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンするようにする。これにより、ＦＤ２０７ａ、２０７ｂにおける容量を一定とする状態で、基準電圧ＶＮの読み出しと、信号電荷の加算信号電圧ＶＳの読み出しとが可能となり、（Ｓ−Ｎ）により正しい画像信号を得ることができる。

また、前述した動作例では、選択トランジスタ２０５ａ、２０５ｂの２つをオンして、増幅トランジスタ２０３ａ、２０３ｂにより信号を出力している。しかし、これに限定されず、例えば選択信号ＰＳＥＬ＿ｂをローレベルに固定して選択トランジスタ２０５ｂをオフし、増幅トランジスタ２０３ａだけで信号を出力するようにしても良い。ただ、増幅トランジスタ２０３ａ、２０３ｂの２つを使用したほうが、増幅トランジスタの実行面積が２倍に増えるので、増幅トランジスタに起因する１／ｆノイズが低減できる。さらに、増幅トランジスタ２０３ａ、２０３ｂの２つを使用することで、実効的に増幅トランジスタのチャネル幅２倍となるため、オーバードライブ電圧を小さくすることができるため列信号線１１０のダイナミックレンジを拡大することが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。図４に示す固体撮像装置の画素は、ＦＤ２０７ａに、フォトダイオード２０１ａ１が転送トランジスタ２０２ａ１を介して接続されているとともに、フォトダイオード２０１ａ２が転送トランジスタ２０２ａ２を介して接続されている。また、ＦＤ２０７ａには、フォトダイオード２０１ｂ１が転送トランジスタ２０２ｂ１を介して接続されているとともに、フォトダイオード２０１ｂ２が転送トランジスタ２０２ｂ２を介して接続されている。すなわち、図４に示したものは、２つのフォトダイオードに対し共通のＦＤを持つ画素が２ペアあり、ＦＤ２０７ａとＦＤ２０７ｂがＦＤ接続トランジスタ２０６ａにより接続された構造となっている。

第１のフォトダイオード２０１ａ１において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ａ１によってＦＤ２０７ａに転送される。また、第２のフォトダイオード２０１ａ２において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ａ２によってＦＤ２０７ａに転送される。同様に、第３のフォトダイオード２０１ｂ１において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ｂ１によってＦＤ２０７ｂに転送される。また、第４のフォトダイオード２０１ｂ２において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ｂ２によってＦＤ２０７ｂに転送される。

この場合、ベイヤ配列のカラーフィルタの場合、第１のフォトダイオードＰＤ２０１ａ１と第３のフォトダイオードＰＤ２０１ｂ１は同色、第２のフォトダイオードＰＤ２０１ａ２と第４のフォトダイオード２０１ｂ２も同色となるため、同色の加算が可能である。

なお、読み出しのタイミングは図３で示したものに加え、転送パルスＰＴＸなどが増えるが、基本的に同じである。各トランジスタのバイアス条件も基本的に第１の実施形態と同じである。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａの閾値をリセットトランジスタ２０４ａの閾値より低くすることで、電源変動や閾値の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオンさせることが可能になる。これにより、ＦＤ２０７ａ、２０７ｂにおける容量を一定とした状態で、基準電圧ＶＮの読み出しと、信号電荷の加算信号電圧ＶＳの読み出しとが可能となり、正しい画像信号を得ることができる。

本実施形態では２つのフォトダイオードに対し共通の１個のＦＤをもつ画素構造について示したが、これに限定されるものではない。図５に一例を示すように３つのフォトダイオードに対して共通の１個のＦＤをもつ画素構造など、複数個のフォトダイオードに対し共通の１個のＦＤを持つ画素構造についても同様な効果がある。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図６は、第３の実施形態による固体撮像装置の画素レイアウトを示す図である。図中の符号は、図２に示した回路図と対応している。画素部１０１ａは、フォトダイオード２０１ａ、転送トランジスタ２０２ａ、増幅トランジスタ２０３ａ、リセットトランジスタ２０４ａ、選択トランジスタ２０５ａ、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、ＦＤ２０７ａ、及びウェルコンタクト６０１を含む。ウェルコンタクト６０１は、画素部のウェルを基準電位（０Ｖ）に固定するためのものであり、画素の基準電位ＳＧＮＤに接続されている。また、画素部１０１ａにおいて、転送トランジスタ２０２ａのゲート電極には駆動線ＰＴＸ＿ａが接続されている。リセットトランジスタ２０４ａのゲート電極には駆動線ＰＲＥＳ＿ａが接続されている。選択トランジスタ２０５ａのゲート電極には駆動線ＰＳＥＬ＿ａが接続されている。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲート電極には駆動線ＰＡＤＤ＿ａが接続されている。画素部１０１ｂも同様である。

第３の実施形態では、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂの閾値を下げるためのイオン注入が図６中の点線枠内に対して行われている。すなわち、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂのチャネル領域に対する不純物のドープ量を、リセットトランジスタ２０４ａ等の他のトランジスタのチャネル領域に対する不純物のドープ量と異ならせている。これにより、他のトランジスタに比べてＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂの閾値を下げることができる。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂがＮＭＯＳトランジスタの場合にはＮ型の不純物をイオン注入し、ＰＭＯＳトランジスタの場合にはＰ型の不純物をイオン注入する。

第３の実施形態によれば、電源変動や閾値の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂをオンさせることが可能になる。したがって、ＦＤ２０７ａ、２０７ｂにおける容量を一定とした状態での、基準電圧ＶＮの読み出しと信号電荷の加算信号電圧ＶＳの読み出しとが可能となり、正しい画像信号を得ることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図７は、第４の実施形態による固体撮像装置の画素レイアウトを示す図である。図中の符号は、図６に示したものと同様である。第４の実施形態では、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂの閾値を下げるために、リセットトランジスタ２０４ａ、２０４ｂ等の他のトランジスタに比べてＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂのチャネル長Ｌを短くしている。これにより、短チャネル効果によってＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂの閾値を下げることができ、電源変動や閾値の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂをオンさせることが可能になる。したがって、ＦＤ２０７ａ、２０７ｂにおける容量を一定とした状態での、基準電圧ＶＮの読み出しと信号電荷の加算信号電圧ＶＳの読み出しとが可能となり、正しい画像信号を得ることができる。ここで、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａ、２０６ｂはオン固定、又はオフ固定のスイッチとして動作させるため、パンチスルーが起きない程度であれば短チャネル効果の副作用は出力に表れない。第４の実施形態では、第３の実施形態に比べて、イオン注入工程が削減できるというメリットがある。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図８及び図９は、第５の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。前述した実施形態では、垂直方向（列方向）のフローティングディフュージョン同士を導通もしくは非導通とするＦＤ接続トランジスタ２０６を設けた例を示した。これに限定されず、水平方向（行方向）のフローティングディフュージョン同士、又は垂直方向（列方向）及び水平方向（行方向）のフローティングディフュージョン同士を導通もしくは非導通とするようにしても良い。

図８には、水平方向（行方向）のフローティングディフュージョン同士、すなわち同じ行に配置された画素のＦＤを導通もしくは非導通とするＦＤ接続トランジスタ２０６を設けた例を示している。図８に示した例では、水平方向の同色加算が可能となる効果がある。また、図９には、垂直方法（列方向）及び水平方向（行方向）のフローティングディフュージョン同士、すなわち同じ列に配置された画素のＦＤ、同じ行に配置された画素のＦＤを導通もしくは非導通とするＦＤ接続トランジスタ２０６を設けた例を示している。図９に示した例では、垂直方向、水平方向の同色加算が可能となる効果がある。なお、駆動方法としては第１の実施形態で述べた方法と基本的に同じ方法で駆動すれば良い。

図８及び図９に示した例においても、ＦＤ接続トランジスタ２０６の閾値をリセットトランジスタ２０４の閾値より低くすることで、電源変動や閾値の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６をオンさせることが可能になる。これにより、ＦＤにおける容量を一定とした状態で、基準電圧ＶＮの読み出しと、信号電荷の加算信号電圧ＶＳの読み出しとが可能となり、正しい画像信号を得ることができる。

（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態による撮像システム（スチルビデオカメラ）の構成例を示す図である。撮像システムは、前述した任意の実施形態の固体撮像装置を用いたシステムである。撮像システムの構成を説明する。バリア１は、レンズ２のプロテクトとメインスイッチを兼ねる。レンズ２は、被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させる。絞り３は、レンズ２を通った光量を可変する。固体撮像素子４は、前述した実施形態の固体撮像装置に相当し、レンズ２により結像された被写体を画像信号として取り込む。撮像信号処理回路５は、固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う。Ａ／Ｄ変換器６は、撮像信号処理回路５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行う。信号処理部７は、Ａ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮したりする。タイミング発生部８は、固体撮像素子４及び撮像信号処理回路５及びＡ／Ｄ変換器６及び信号処理部７に各種タイミング信号を出力する。なお、５〜８の各回路は固体撮像素子４と同一チップ上に形成しても良い。また、全体制御・演算部９は、各種演算と撮像システム全体を制御する。メモリ部１０は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御インターフェース部１１は、記録媒体１２に対して記録又は読み出しを行う。記録媒体１２は、画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な媒体である。外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１３は、外部コンピュータ等と通信する。

次に、図１０の動作について説明する。バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６等の撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信号処理回路５をスルーしてＡ／Ｄ変換器６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部７に出力する。信号処理部７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞り３を制御する。次に、固体撮像素子４から出力された信号を基に、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズ２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ２を駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算部９によりメモリ部１０に蓄積される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０１ 画素、１１０ 列信号線、２０１ フォトダイオード、２０２ 転送トランジスタ、２０３ 増幅トランジスタ、２０４ リセットトランジスタ、２０５ 選択トランジスタ、２０６ ＦＤ接続トランジスタ、２０７ フローティングディフュージョン（ＦＤ）

Claims (5)

1. ２次元状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置であって、
   前記画素が、
   光電変換により電荷を生成する光電変換素子と、
   前記光電変換素子により生成された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電荷を保持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荷に応じた信号を出力する増幅部と、
   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備え、
   複数の前記画素の前記フローティングディフュージョン同士を接続するための接続トランジスタを有し、
   前記接続トランジスタの閾値は前記リセットトランジスタの閾値よりも低いことを特徴とする固体撮像装置。
2. ２次元状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置であって、
   前記画素が、
   光電変換により電荷を生成する光電変換素子と、
   前記光電変換素子により生成された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電荷を保持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荷に応じた信号を出力する増幅部と、
   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備え、
   複数の前記画素の前記フローティングディフュージョン同士を接続するための接続トランジスタを有し、
   前記接続トランジスタのチャネル領域に対する不純物のドープ量と前記リセットトランジスタのチャネル領域に対する不純物のドープ量とが異なることを特徴とする固体撮像装置。
3. ２次元状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置であって、
   前記画素が、
   光電変換により電荷を生成する光電変換素子と、
   前記光電変換素子により生成された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電荷を保持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荷に応じた信号を出力する増幅部と、
   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備え、
   複数の前記画素の前記フローティングディフュージョン同士を接続するための接続トランジスタを有し、
   前記接続トランジスタのチャネル長が前記リセットトランジスタのチャネル長よりも短いことを特徴とする固体撮像装置。
4. １個の前記フローティングディフュージョンに共通に接続される前記転送トランジスタが複数個であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記接続トランジスタにより接続された複数の前記フローティングディフュージョンで複数の前記光電変換素子の電荷が加算されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の固体撮像装置。

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