JP2019068131A - 積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 暗電流ショットノイズやリセットノイズ等のノイズの低減効果が良好で、高画質な出力が得られる積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法を得る。【解決手段】光電変換部と信号読み出し回路部とが積層された、同一形状の、ノイズ信号取得用の転送トランジスタＭＴ１とノイズ入り画像信号取得用の転送トランジスタＭＴ２とを１つずつ備えた画素が２次元アレイ状に配置されてなり、ＭＴ１、ＭＴ２のドレインが垂直信号線を介して、電荷−電圧変換回路２０４、転送スイッチＴＳ、ＣＤＳ回路２０５、Ａ/Ｄ変換器２０６に接続されてなる。光電変換部の受光面には、対応する画素のＭＴ２のソース部が接続され、ＭＴ１のソース部は接続されない。各水平走査期間内において、ＭＴ１から読み出した暗電流ショットノイズのレベルをＣＤＳ回路２０５に保持し、ＭＴ２から読み出した画素信号レベルと、上記保持されたノイズレベルとの差分演算を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換膜と、半導体技術で作製される信号読み出し回路を積層してなる積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法に関し、詳しくは、ＣＭＯＳ等のＭＯＳセンサで構成した積層型固体撮像装置の画素構成、回路構成および信号読み出し方法に関する。

近年、テレビ用カメラやデジタルカメラなどに用いられるイメージセンサー（撮像素子）の画素サイズは急速に小さくなってきており、１画素当たりの光の利用効率が大幅に低下することから感度不足が問題となってきている。

そこで、従来のシリコンフォトダイオードに替えて、光電変換膜をＣＭＯＳイメージセンサー等に積層させて、感度を向上させた積層型固体撮像装置が注目されている。
このような積層型固体撮像装置では、光電変換膜と固体撮像装置の画素内トランジスタの拡散層を、画素電極を介して接続しており、信号電荷を完全転送することが難しいので、画素は、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、行選択トランジスタの３トランジスタ構成となっている。
この場合、画素リセットは、信号読み出しの後に行う必要があるため、画素リセット時に発生したリセットノイズは次のフレームの信号読み出し時に信号電荷に重畳して読み出される。そのため、各水平走査期間内の信号出力とリセット出力にそれぞれ含まれるノイズの間には相関がない（１フレーム分のずれが生じている）ので、リセットノイズの低減法として一般的に利用されている相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ処理）を適用する場合、リセット出力と、それより１フレーム後の信号出力との間で差分演算を実行する必要がある（下記非特許文献１、２を参照）。

電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 C12-13, 2016 集積化ＭＥＭＳシンポジウム 24am2-E-5, 2016

しかし、上述した、リセット読み出し時と信号読み出し時の間には、１フレーム分の時間差があるため、その間に発生、蓄積される暗電流によって、差分演算によるノイズ低減を精度よく行うことが困難となる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、リセットノイズのみならず、暗電流ショットノイズの低減効果が良好で、高画質な出力が得られる積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法を提供することを目的とするものである。

以上の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子およびその製造方法は以下のような構成とされている。
すなわち、本発明に係る積層型固体撮像装置は、
光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読み出し回路部とが積層され、少なくともソース部の形状が互いに同じとされた、ノイズ信号取得用である第１の転送トランジスタとノイズ入り画像信号取得用である第２の転送トランジスタとを各１つずつ備えた画素が
２次元アレイ状に配置されてなり、
該２次元アレイ状の画素のうち、各列の画素群の各画素における前記第２の転送トランジスタおよび前記第１の転送トランジスタの各ドレインが垂直信号線に接続され、該垂直信号線が電荷−電圧変換回路の入力部に接続され、該電荷−電圧変換回路の出力部が転送スイッチを介してＣＤＳ回路の入力部に接続されてなり、
前記光電変換部の受光面には、対応する前記画素の前記第２の転送トランジスタのソース部を接続するとともに前記第１の転送トランジスタのソース部は非接続とし、
各水平走査期間内において、前記第１の転送トランジスタからの暗電流ショットノイズを含むノイズ信号を読み出して、該ノイズ信号のレベルを前記ＣＤＳ回路に保持するノイズレベル保持指示機能と、
前記第２の転送トランジスタからのノイズ入り画素信号を読み出し、この画素信号のレベルと前記ＣＤＳ回路に保持された前記ノイズ信号のレベルとの差分値を出力信号として出力するように指示する信号差分出力指示機能と、を有するタイミング制御手段を備えたことを特徴とするものである。

また、前記タイミング制御手段は、各水平走査期間内において、前記ＣＤＳ回路をリセットするように指示する第１指示機能と、前記第１の転送トランジスタと前記転送スイッチをオンして前記ノイズ信号が読み出されるように指示する第２指示機能と、前記第１の転送トランジスタと前記転送スイッチをオフするように指示する第３指示機能と、前記第１の転送トランジスタにより読み出された該ノイズ信号のレベルを前記ＣＤＳ回路に保持されるように指示する第４指示機能と、前記電荷−電圧変換回路がリセット状態とされるように指示する第５指示機能と、前記第２の転送トランジスタと前記転送スイッチをオンして前記ノイズ入り画素信号が読み出されるように指示する第６指示機能と、前記第２の転送トランジスタと前記転送スイッチをオフするように指示する第７指示機能と、前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタをオンするとともに前記電荷−電圧変換回路がリセット状態とされるように指示する第８指示機能と、を有するタイミング制御手段を備えることが好ましい。

また、前記第１の転送トランジスタのソース部の上面に遮光層を配設することが好ましい。
また、前記電荷−電圧変換回路が電荷積分アンプであることが好ましい。
また、前記ＣＤＳ回路が増幅型カラムノイズ低減回路であることが好ましい。

また、本発明の積層型固体撮像装置のランダムノイズ低減方法は、
光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読み出し回路部とが積層された積層型固体撮像装置において、ノイズ信号を低減させるランダムノイズ低減方法であって、
前記積層型固体撮像装置は、少なくともソース部の形状が互いに同じとされた、ノイズ信号の取得用である第１の転送トランジスタとノイズ入り画像信号の取得用である第２の転送トランジスタとを各１つずつ備えた画素が２次元アレイ状に配置され、
該２次元アレイ状の画素のうち、各列の画素群の各画素における該第２の転送トランジスタおよび該第１の転送トランジスタの各ドレインが垂直信号線に接続され、該垂直信号線が電荷−電圧変換回路の入力部に接続され、該電荷−電圧変換回路の出力部が転送スイッチを介してＣＤＳ回路の入力部に接続され、
前記光電変換部の受光面には、対応する前記画素の前記第２の転送トランジスタのソース部を接続するとともに前記第１の転送トランジスタのソース部は非接続とした、構成とされ、
各水平走査期間内において、前記第１の転送トランジスタからのノイズ信号を読み出して、該ノイズ信号のレベルを前記ＣＤＳ回路に保持せしめ、
当該水平走査期間内において、前記第２の転送トランジスタからのノイズ入り画素信号を読み出し、この画素信号のレベルと前記ＣＤＳ回路に保持された前記ノイズ信号のレベ
ルとの差分値を出力信号として出力することを特徴とするものである。

本発明に係る積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法によれば、各画素が２つの転送トランジスタにより構成されており、これら２つの転送トランジスタは互いに、少なくともソース部の形状が同じとなっており、一方の第１の転送トランジスタは、前記光電変換部の受光面と非接続とされてノイズ信号を取得、出力する構成とされており、また、他方の第２の転送トランジスタは、前記光電変換部の受光面にソース部が接続されて、ノイズ入り画像信号を取得、出力する構成とされている。

そして、各水平走査期間内において、第１の転送トランジスタからのノイズ信号を読み出して、該ノイズ信号のレベルをＣＤＳ回路に保持し、また、第２の転送トランジスタからのノイズ入り画素信号を読み出し、この画素信号レベルと該ＣＤＳ回路に保持されたノイズレベルとの差分値を演算し、ＣＤＳ回路からの出力信号としている。これにより、リセット読み出し時と信号読み出し時のノイズレベルを相殺する場合に、これらの読み出しタイミングのずれに伴う暗電流の発生、蓄積により、差分演算によるノイズ低減を精度よく行うことが困難となる、という従来の問題を解決することができ、高画質な出力を得ることができる。

なお、このように、ノイズ信号の読み出し、ノイズ入り画像信号の読み出しを各1つず
つの転送トランジスタにより行うことが可能となった背景には、信号読み出しの形態を電流読み出しとしたことにある。これにより数少ないトランジスタにより、良好にランダムノイズを低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る積層型固体撮像装置のうち、電荷−電圧変換回路として電荷積分アンプを、ＣＤＳ回路として増幅型カラムノイズ低減回路を採用したときの一部回路構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る積層型固体撮像装置の各水平走査期間におけるタイミングチャート（駆動クロックパターン）を示すものである。 本発明の第２の実施形態に係る積層型固体撮像装置のうち、電荷−電圧変換回路として電荷積分アンプを、ＣＤＳ回路として増幅型カラムノイズ低減回路を採用したときの一部回路構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る積層型固体撮像装置の各水平走査期間におけるタイミングチャート（駆動クロックパターン）を示すものである。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係る積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法について図面を用いて説明する。
なお、ここでは、光電変換膜で発生する信号電荷は電子として説明するが、信号電荷が正孔とされていても良い。
また、光電変換膜は横方向の抵抗値が非常に高く、画素間で信号電荷が混合される心配がないため、画素に区切る必要がなく、２次元に配列された画素全面に積層されているものとする。
なお、図１は本実施形態に係る積層型固体撮像装置２００の全体構成を示すものであり、信号読み出し回路の各部として、電荷−電圧変換回路２０４、ＣＤＳ回路２０５およびＡ/Ｄ変換器２０６の接続関係を示すものである。また、図２は、画素アレイ２０１中の
１画素１００の構成、および各画素から出力された信号が入力される各部の具体的な構成を示すものである。また、図３は、１水平走査期間のタイミングチャート（駆動クロックパターン）を示すものである。

まず、図１を用いて第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の積層型固体撮像装置２００について説明する。
この積層型固体撮像装置２００は、光電変換部と、信号読み出し回路部とが積層されてなる。
図面では、縦横２次元アレイ状に画素を配列してなる画素アレイ２０１のうち、１つの画素についての構成を表している。
図１に示す等価回路図においては、１画素あたり２トランジスタ使用の画素回路とされている。なお、この等価回路図に示す画素１００の画素回路は、各々、例えばＣＭＯＳ型撮像装置の画素アレイの各画素に対応して設けられる。

この画素１００の画素回路は、２つの電荷転送トランジスタＭＴ１、ＭＴ２、２つの電荷転送トランジスタＭＴ１、ＭＴ２の各ソース部で構成される２つの電荷蓄積容量部（以下、ＳＣとも称する）１１０Ａ、Ｂ、２つの電荷転送トランジスタＭＴ１、ＭＴ２のドレインからの信号を画素アレイ２０１外部に出力する垂直信号線１３０（各画素列の画素群の各画素について共通とすることができる）、画素アレイ２０１の外部において電荷（電流）−電圧変換を行う電荷−電圧変換回路２０４、読み出し信号の低ノイズ化を図るＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路２０５、電荷−電圧変換回路２０４とＣＤＳ回路２０５を接続する転送スイッチＴＳおよびＡ/Ｄ変換器２０６を備えている。
なお、各画素中で、上記２つのトランジスタＭＴ１、ＭＴ２の各ソース部、すなわち各電荷蓄積容量部ＳＣの配設位置は出来るだけ近接配置とすることが好ましく、画素サイズ（縦または横一辺の長さ）に比して両トランジスタの配設距離を、製造プロセスの設計ルールが許容する最短距離であることが望ましく、例えば１/４以下、より好ましくは１/６以下にすることが好ましい。その際、前記第１の転送トランジスタのドレイン部と前記第２の転送トランジスタのドレイン部は、拡散層を共通化して接続されることが望ましい。これにより、両者によるノイズ信号取得環境を揃えることが可能となるので、ノイズの相殺を良好に行うことが可能である。

図１、２に示すように、画素アレイ２０１は、垂直走査回路２０２、および図示されない、水平走査回路およびタイミングジェネレータ等とともに積層型固体撮像装置（イメージセンサ）２００を構成している。

各画素１００の画素回路において、ＳＣ１１０Ｂは、入射光の強度に応じた量の電子を蓄積する。なお、ＳＣ１１０Ｂには、入射光の強度に応じた量の電子のみならず、暗電流ショットノイズおよびリセットノイズに応じた量の電子も蓄積される。
このＳＣ１１０Ｂは電荷転送トランジスタ（以下、第２転送トランジスタと称する）ＭＴ２のソース部から構成され、光電変換膜１２０Ｂの対応する領域に接続される。

また、第２転送トランジスタＭＴ２のゲートには、垂直走査回路２０２のシフトレジスタ２０２Ａの出力信号とクロック信号ＣＬＫ２（外部から供給される第２転送トランジスタＭＴ２駆動用のクロック信号）との乗算結果を出力するＡＮＤ回路２０２Ｃからの出力信号（転送信号）が信号線ＴＸ２を介して入力される。

一方、各画素１００の画素回路において、ＳＣ１１０Ａは、暗電流ショットノイズおよびリセットノイズに応じた量の電子を蓄積する。このＳＣ１１０Ａは電荷転送トランジスタ（以下、第１転送トランジスタと称する）ＭＴ１のソース部より構成される点においては、上記ＳＣ１１０Ｂと同様であるが、光電変換膜１２０Ｂの対応する領域とは非接続と
されており、この対応領域は入射光が入射しないように、金属層１２０Ａ等により遮光されている。これにより、ＳＣ１１０Ａには、暗電流ショットノイズおよびリセットノイズに応じた量の電子のみが蓄積する。

また、第１転送トランジスタＭＴ１のゲートには、垂直走査回路２０２のシフトレジスタ２０２Ａの出力信号とクロック信号ＣＬＫ１（外部から供給される第１転送トランジスタＭＴ１駆動用のクロック信号）との乗算結果を出力するＡＮＤ回路２０２Ｂからの出力信号（転送信号）が信号線ＴＸ１を介して入力される。

また、上記第１転送トランジスタＭＴ１がＯＮ状態とされると、一水平走査期間内に蓄積された暗電流ショットノイズおよびリセットノイズによる電荷が、この第１転送トランジスタＭＴ１のドレインを介して電荷−電圧変換回路２０４である、電荷積分アンプ２０４´に入力され、電荷は電圧に変換される。

一方、上記第２転送トランジスタＭＴ２がＯＮ状態とされると、一水平走査期間内に光電変換膜１２０Ｂに蓄積されていた電荷が、この第２転送トランジスタＭＴ２のドレインを介して電荷−電圧変換回路２０４である、電荷積分アンプ２０４´に入力され、電荷は電圧に変換される。
なお、電荷積分アンプ２０４´に入力される電荷には、暗電流ショットノイズおよびリセットノイズに応じた電荷も含まれている。

この後、電荷積分アンプ２０４´から出力された電圧信号は、ＣＤＳ回路２０５である増幅型カラムノイズ低減回路２０５´に入力される。まず、第１転送トランジスタＭＴ１からの暗電流ショットノイズとリセットノイズの電荷量に相当する電荷積分アンプ２０４´の出力電圧が、転送スイッチＴＳをＯＮ状態として増幅型カラムノイズ低減回路２０５´に入力され、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットレベルに保持される。次に、第２転送トランジスタＭＴ２からのノイズ入り画像信号の電荷量に相当する電荷積分アンプ２０４´の出力電圧が、転送スイッチＴＳをＯＮ状態として増幅型カラムノイズ低減回路２０５´に入力され、上記リセットレベルから光電変換膜１２０Ｂに蓄積した電荷量に相当する電圧分だけが、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´から出力される。すなわち、図２の回路図において、第１転送トランジスタＭＴ１からの暗電流ショットノイズとリセットノイズの電荷量に相当する電荷積分アンプ２０４´の出力電圧をＶｎとし、画像信号の電荷量に相当する電荷積分アンプ２０４´の出力電圧をＶｓとすると、第２転送トランジスタＭＴ２からのノイズ入り画像信号の電荷量に相当する電荷積分アンプ２０４´の出力電圧はＶｓ＋Ｖｎと表されるので、ノイズ入り画像信号を読み出したときの増幅型カラムノイズ低減回路２０５´の出力電圧をＶｏとし、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のオペアンプ２１４Ｂの負入力ノードにおいて電荷保存の法則を適用すると、

となり、これを解くと、

となるため、これにより、２つの転送トランジスタＭＴ１、ＭＴ２から送出された電荷のレベルの差引演算が行われ、ノイズが略除去された正味の画素信号の電圧値のみが出力される。より正確には、正味の画素信号の電荷量に相当する電圧値がＣｃ／Ｃｆｃ倍に増幅された値が出力される。
すなわち、リセットノイズと暗電流ショットノイズ、すなわちランダムノイズが低減さ
れた上記電圧信号が増幅型カラムノイズ低減回路２０５´から出力される。

増幅型カラムノイズ低減回路２０５´から出力された電圧信号は、Ａ/Ｄ変換器２０６
に入力されてＡ/Ｄ変換され、デジタル信号として出力される。

なお、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´は、オペアンプ２１４Ｂの負入力−出力ノード間に、コンデンサＣｆｃおよびリセットスイッチＲＳＴＣが配されてなり、リセットスイッチＲＳＴＣがＯＮ状態（ショート状態）とされて、コンデンサＣｆｃの電荷が０にリセットされるとともに、所定の時間経過後に、リセットスイッチＲＳＴＣがＯＦＦ状態（開放状態）とされることで、コンデンサＣｆｃでの電荷の積分処理が開始される。

また、上記電荷積分アンプ２０４´は、オペアンプ２１４Ａの負入力−出力ノード間に、コンデンサＣｆｉおよびリセットスイッチＲＳＴＩが配されてなり、リセットスイッチＲＳＴＩをＯＮ状態（ショート状態）として、コンデンサＣｆｉの電荷が０にリセットされるとともに、所定の時間経過後にリセットスイッチＲＳＴＩがＯＦＦ状態（開放状態）とされて、コンデンサＣｆｉでの電荷の積分処理が開始される。

なお、実際には、後述するタイミングで第１転送トランジスタＭＴ１がＯＦＦ状態とされるので、このタイミングでリセットノイズと暗電流ショットノイズが、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットレベルに保持されることになる。

また、実際には、後述するタイミングで第２転送トランジスタＭＴ２と転送スイッチＴＳがＯＦＦ状態とされるので、このタイミングでノイズが略除去された正味の画素信号の電圧値のみが増幅型カラムノイズ低減回路２０５´の出力に保持されることになる。

また、本実施形態の積層型固体撮像装置においては、上述した各タイミングを制御するタイミング制御手段１５０が設けられており、このタイミング制御手段１５０からの制御指示信号に応じて、各部（例えば、信号線ＴＸ１、ＴＸ２と転送スイッチＴＳやリセットスイッチＲＳＴＩ、ＲＳＴＣ）のＯＮ/ＯＦＦ信号切替動作やスイッチ開閉動作がなされ
る。なお、このタイミング制御手段１５０は、一般にコンピュータのＣＰＵやメモリ等からなるハードと、これを機能させ得るプログラムからなるソフトの組み合わせにより構成される。

図３は、１水平走査期間における信号読み出しのタイミングチャートを示すものである。各チャートは、信号線ＴＸ１のＯＮ/ＯＦＦ状態、信号線ＴＸ２のＯＮ/ＯＦＦ状態、転送スイッチＴＳのＯＮ/ＯＦＦ状態、リセットスイッチＲＳＴＩのＯＮ/ＯＦＦ状態およびリセットスイッチＲＳＴＣのＯＮ/ＯＦＦ状態を、Ｈ（ＯＮ状態）またはＬ（ＯＦＦ状態
）によって示すものである。
すなわち、図３においては、１水平走査期間（第１期間、第２期間、第３期間および第４期間の４つの期間に区分されている）におけるタイミングチャートが示されており、この図３を用いて信号読み出し処理を、時系列的に説明する。

図３に示す第１期間においては、まず、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットスイッチＲＳＴＣがオンされ、所定の時間後にオフされて増幅型カラムノイズ低減回路２０５´がリセットされる。
このとき、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットスイッチＲＳＴＣがオンされるのと同時またはわずかに遅延したタイミングで第１転送トランジスタＭＴ１および転送スイッチＴＳがオンされ、所定時間後、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットスイッチＲＳＴＣがオフされるのと同時またはわずかに早いタイミングでオフされる。この動作により、リセットノイズと暗電流ショットノイズが増幅型カラムノイズ低減回路
２０５´のリセットレベルに保持される。

次に、図３に示す第２期間においては、電荷積分アンプ２０４´のリセットスイッチＲＳＴＩをオンし、所定時間後に、これをオフすることで、コンデンサＣｆｉの電荷をリセットする。

次に、図３に示す第３期間においては、垂直走査回路２０２からの出力信号が用いられ、ソース部と光電変換膜１２０Ｂが接続された転送トランジスタＭＴ２および転送スイッチＴＳがオンされ、所定の時間後にオフされる。この動作により、上記第１期間で説明したリセットレベルから、光電変換膜に蓄積した電荷量に相当する電圧分だけ、より正確には、光電変換膜に蓄積した電荷量に相当する電圧値がＣｃ／Ｃｆｃ倍に増幅された電圧分だけ、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´の出力が変化する。上記リセットレベルは一定値に維持されるため、第２転送トランジスタＭＴ２に係る電圧分から、第１転送トランジスタＭＴ１に係る電圧分を差し引く演算（結果として演算結果が得られれば良い）が行われることとなり、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´の出力はリセットノイズと暗電流ショットノイズが除去された値となり、ランダムノイズが大幅に低減される。

次に、図３に示す第４期間においては、第１転送トランジスタＭＴ１と第２転送トランジスタＭＴ２を同時にオンするとともに、電荷積分アンプ２０４´のリセットスイッチＲＳＴＩもオンし、所定時間後に、これら３者をいずれもオフすることで、転送トランジスタＭＴ１と転送トランジスタＭＴ２のソース部の電荷をリセットする。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態に係る積層型固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法について図面を用いて説明する。
図４は、第２の実施形態に係るＣＭＯＳ型の積層型固体撮像装置を示すものである。画素構成の基本部分は図２のものと略同様で、図２に示す電荷積分アンプ２０４´と同様の回路構成の電荷積分アンプが２個（２０４´Ａ、２０４´Ｂ）用意され、入力側の転送スイッチＴＳＩＡを介して画素１００と電荷積分アンプ２０４´Ａが接続され、入力側の転送スイッチＴＳＩＢを介して画素１００と電荷積分アンプ２０４´Ｂが接続される。なお、電荷積分アンプ２０４´Ａを構成するコンデンサＣｆｉＡと電荷積分アンプ２０４´Ｂを構成するコンデンサＣｆｉＢの容量値は同値とする。また、出力側の転送スイッチＴＳＯＡを介して電荷積分アンプ２０４´Ａと増幅型カラムノイズ低減回路２０５´が接続され、入力側の転送スイッチＴＳＯＢを介して電荷積分アンプ２０４´Ｂと増幅型カラムノイズ低減回路２０５´が接続される。

画素１００を構成する第１転送トランジスタＭＴ１および転送スイッチＴＳＩＡがＯＮ状態とされると、一水平走査期間内に蓄積された暗電流ショットノイズおよびリセットノイズによる電荷が、この第１転送トランジスタＭＴ１のドレインおよび転送スイッチＴＳＩＡのソース−ドレインを介して電荷−電圧変換回路２０４である、電荷積分アンプ２０４´Ａに入力され、電荷は電圧に変換される。このとき、転送スイッチＴＳＯＡをＯＮ状態として電荷積分アンプ２０４´Ａから出力された電圧信号がＣＤＳ回路２０５である増幅型カラムノイズ低減回路２０５´に入力され、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットレベルに保持される。
次に、画素１００を構成する第２転送トランジスタＭＴ２および転送スイッチＴＳＩＢがＯＮ状態とされると、ノイズ入り画像信号の電荷が、電荷積分アンプ２０４´Ｂに入力され、電荷は電圧に変換される。このとき、転送スイッチＴＳＯＢをＯＮ状態として電荷積分アンプ２０４´Ｂから出力された電圧信号がＣＤＳ回路２０５である増幅型カラムノイズ低減回路２０５´に入力され、上記リセットレベルから光電変換膜１２０Ｂに蓄積した電荷量に相当する電圧分だけが、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´から出力される
。信号読み出しの基本メカニズムは上記第１の実施形態と同様であり、リセットノイズと暗電流ショットノイズ、すなわちランダムノイズが低減された電圧信号が増幅型カラムノイズ低減回路２０５´から出力される。増幅型カラムノイズ低減回路２０５´から出力された電圧信号は、Ａ/Ｄ変換器２０６に入力されてＡ/Ｄ変換され、デジタル信号として出力される。

また、本実施形態の積層型固体撮像装置においては、上述した各タイミングを制御するタイミング制御手段１５０Ａが設けられており、タイミング制御手段１５０Ａがなす作用も、第１の実施形態におけるタイミング制御手段１５０の作用と同様とされている。すなわち、このタイミング制御手段１５０Ａからの制御指示信号に応じて、各部（例えば、信号線ＴＸ１、ＴＸ２と、転送スイッチＴＳ（ＴＳＩＡ、ＴＳＩＢ、ＴＳＯＡ、ＴＳＯＢ）と、リセットスイッチＲＳＴＩＡ、ＲＳＴＩＢ、ＲＳＴＣ）のＯＮ/ＯＦＦ信号切替動作
やスイッチ開閉動作がなされる。なお、このタイミング制御手段１５０Ａは、タイミング制御手段１５０と同様、コンピュータのＣＰＵやメモリ等からなるハードと、これを機能させ得るプログラムからなるソフトの組み合わせにより構成される。
図５は、第２の実施形態の１水平走査期間における信号読み出しのタイミングチャートを示すものである。各チャートは、信号線ＴＸ１のＯＮ/ＯＦＦ状態、信号線ＴＸ２のＯ
Ｎ/ＯＦＦ状態、転送スイッチＴＳＩＡのＯＮ/ＯＦＦ状態、転送スイッチＴＳＩＢのＯＮ/ＯＦＦ状態、転送スイッチＴＳＯＡのＯＮ/ＯＦＦ状態、転送スイッチＴＳＯＢのＯＮ/
ＯＦＦ状態、リセットスイッチＲＳＴＡのＯＮ/ＯＦＦ状態、リセットスイッチＲＳＴＢ
のＯＮ/ＯＦＦ状態およびリセットスイッチＲＳＴＣのＯＮ/ＯＦＦ状態を、Ｈ（ＯＮ状態）またはＬ（ＯＦＦ状態）によって示すものである。

すなわち、図５においては、１水平走査期間（第１期間、第２期間、第３期間および第４期間の４つの期間に区分されている）におけるタイミングチャートが示されており、この図５を用いて信号読み出し処理を、時系列的に説明する。

第２の実施形態においては、図５に示す第１期間において、まず、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットスイッチＲＳＴＣがオンされ、所定の時間後にオフされて増幅型カラムノイズ低減回路２０５´がリセットされる。
このとき、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットスイッチＲＳＴＣがオンされるのと同時またはわずかに遅延したタイミングで第１転送トランジスタＭＴ１、転送スイッチＴＳＩＡおよび転送スイッチＴＳＯＡがオンされ、所定時間後、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットスイッチＲＳＴＣがオフされるのと同時またはわずかに早いタイミングでオフされる。この動作により、リセットノイズと暗電流ショットノイズが増幅型カラムノイズ低減回路２０５´のリセットレベルに保持される。

次に、図５に示す第２期間においては、垂直走査回路２０２からの出力信号が用いられ、ソース部と光電変換膜１２０Ｂが接続された転送トランジスタＭＴ２、転送スイッチＴＳＩＢおよび転送スイッチＴＳＯＢがオンされ、所定の時間後にオフされる。この動作により、上記第１期間で説明したリセットレベルから、光電変換膜に蓄積した電荷量に相当する電圧分だけ、より正確には、光電変換膜に蓄積した電荷量に相当する電圧値がＣｃ／Ｃｆｃ倍に増幅された電圧分だけ、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´の出力が変化する。上記リセットレベルは一定値に維持されるため、第２転送トランジスタＭＴ２に係る電圧分から、第１転送トランジスタＭＴ１に係る電圧分を差し引く演算（結果として演算結果が得られれば良い）が行われることとなり、増幅型カラムノイズ低減回路２０５´の出力はリセットノイズと暗電流ショットノイズが除去された値となり、ランダムノイズが大幅に低減される。

次に、図５に示す第３期間においては、第１転送トランジスタＭＴ１と転送スイッチＴ
ＳＩＡを同時にオンするとともに、電荷積分アンプ２０４´ＡのリセットスイッチＲＳＴＡもオンし、所定時間後に、これら３者をいずれもオフすることで、転送トランジスタＭＴ１のソース部の電荷をリセットする。

次に、図５に示す第４期間においては、第２転送トランジスタＭＴ２と転送スイッチＴＳＩＢを同時にオンするとともに、電荷積分アンプ２０４´ＢのリセットスイッチＲＳＴＢもオンし、所定時間後に、これら３者をいずれもオフすることで、転送トランジスタＭＴ２のソース部の電荷をリセットする。

本発明の固体撮像装置およびそのランダムノイズ低減方法としては、上述した実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、垂直走査回路２０２の構成としては上述した各実施形態のものに限られるものではなく各画素１００を構成する第１、第２転送トランジスタＭＴ１、２のゲートをオン状態とする信号を出力し得る構成であればよい。
また、電荷−電圧変換回路２０４およびＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路２０５としては、上記実施例に限られるものではなく、他の構成の電荷−電圧変換回路や、他の構成の、ノイズ相殺を用いたノイズ低減回路を用いることが可能である。

１００ 画素
１１０Ａ、Ｂ ＳＣ（電荷蓄積容量部）
１２０Ａ 遮光用金属層
１２０Ｂ 光電変換膜
１５０、１５０Ａ タイミング制御手段
２００ 積層型固体撮像装置
２０１ 画素アレイ
２０２ 垂直走査回路
２０２Ａ シフトレジスタ
２０２Ｂ、Ｃ ＡＮＤ回路
２０４ 電荷−電圧変換回路
２０４´ 電荷積分アンプ
２０５ ＣＤＳ回路
２０５´ 増幅型カラムノイズ低減回路
２０６ Ａ/Ｄ変換器
２１４Ａ、Ｂ オペアンプ
ＭＴ１ 第１転送トランジスタ（電荷転送トランジスタ）
ＭＴ２ 第２転送トランジスタ（電荷転送トランジスタ）
ＴＸ１、ＴＸ２ 信号線
ＲＳＴＩ、ＲＳＴＣ リセットスイッチ
ＴＳ 転送スイッチ

Claims (6)

1. 光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読み出し回路部とが積層され、少なくともソース部の形状が互いに同じとされた、ノイズ信号取得用である第１の転送トランジスタとノイズ入り画像信号取得用である第２の転送トランジスタとを各１つずつ備えた画素が２次元アレイ状に配置されてなり、
   該２次元アレイ状の画素のうち、各列の画素群の各画素における前記第２の転送トランジスタおよび前記第１の転送トランジスタの各ドレインが垂直信号線に接続され、該垂直信号線が電荷−電圧変換回路の入力部に接続され、該電荷−電圧変換回路の出力部が転送スイッチを介してＣＤＳ回路の入力部に接続されてなり、
   前記光電変換部の受光面には、対応する前記画素の前記第２の転送トランジスタのソース部を接続するとともに前記第１の転送トランジスタのソース部は非接続とし、
   各水平走査期間内において、前記第１の転送トランジスタからの暗電流ショットノイズを含むノイズ信号を読み出して、該ノイズ信号のレベルを前記ＣＤＳ回路に保持するノイズレベル保持指示機能と、
   前記第２の転送トランジスタからのノイズ入り画素信号を読み出し、この画素信号のレベルと前記ＣＤＳ回路に保持された前記ノイズ信号のレベルとの差分値を出力信号として出力するように指示する信号差分出力指示機能と、を有するタイミング制御手段を備えたことを特徴とする積層型固体撮像装置。
2. 前記タイミング制御手段は、各水平走査期間内において、前記ＣＤＳ回路をリセットするように指示する第１指示機能と、前記第１の転送トランジスタと前記転送スイッチをオンして前記ノイズ信号が読み出されるように指示する第２指示機能と、前記第１の転送トランジスタと前記転送スイッチをオフするように指示する第３指示機能と、前記第１の転送トランジスタにより読み出された該ノイズ信号のレベルを前記ＣＤＳ回路に保持されるように指示する第４指示機能と、前記電荷−電圧変換回路がリセット状態とされるように指示する第５指示機能と、前記第２の転送トランジスタと前記転送スイッチをオンして前記ノイズ入り画素信号が読み出されるように指示する第６指示機能と、前記第２の転送トランジスタと前記転送スイッチをオフするように指示する第７指示機能と、前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタをオンするとともに前記電荷−電圧変換回路がリセット状態とされるように指示する第８指示機能と、を有するタイミング制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の積層型固体撮像装置。
3. 前記第１の転送トランジスタのソース部の上面に遮光層を配設したことを特徴とする請求項１または２に記載の積層型固体撮像装置。
4. 前記電荷−電圧変換回路が電荷積分アンプであることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の積層型固体撮像装置。
5. 前記ＣＤＳ回路が増幅型カラムノイズ低減回路であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の積層型固体撮像装置。
6. 光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読み出し回路部とが積層された積層型固体撮像装置において、ノイズ信号を低減させるランダムノイズ低減方法であって、
   前記積層型固体撮像装置は、少なくともソース部の形状が互いに同じとされた、ノイズ信号の取得用である第１の転送トランジスタとノイズ入り画像信号の取得用である第２の転送トランジスタとを各１つずつ備えた画素が２次元アレイ状に配置され、
   該２次元アレイ状の画素のうち、各列の画素群の各画素における該第２の転送トランジスタおよび該第１の転送トランジスタの各ドレインが垂直信号線に接続され、該垂直信号線が電荷−電圧変換回路の入力部に接続され、該電荷−電圧変換回路の出力部が転送スイ
   ッチを介してＣＤＳ回路の入力部に接続され、
   前記光電変換部の受光面には、対応する前記画素の前記第２の転送トランジスタのソース部を接続するとともに前記第１の転送トランジスタのソース部は非接続とした、構成とされ、
   各水平走査期間内において、前記第１の転送トランジスタからのノイズ信号を読み出して、該ノイズ信号のレベルを前記ＣＤＳ回路に保持せしめ、
   当該水平走査期間内において、前記第２の転送トランジスタからのノイズ入り画素信号を読み出し、この画素信号のレベルと前記ＣＤＳ回路に保持された前記ノイズ信号のレベルとの差分値を出力信号として出力することを特徴とする積層型固体撮像装置のランダムノイズ低減方法。

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