JP3501743B2 - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置及び撮
像システムに係わり、詳しくは画素毎に信号増幅手段を
有する固体撮像装置及び撮像システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置の代表的なものには、ホト
ダイオードおよびＣＣＤシフトレジスタからなるＣＣＤ
イメージセンサと、ホトダイオードおよびＭＯＳトラン
ジスタからなるＡＰＳ（Active Pixel Sensor）と呼ば
れるものがある。

【０００３】ＡＰＳは、１画素毎にホトダイオード、Ｍ
ＯＳスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するた
めの増幅回路などを含み、「ＸＹアドレッシング」や
「センサと信号処理回路の１チップ化」などが可能とい
った多くのメリットを有している。

【０００４】更にＡＰＳは、近年、ＭＯＳトランジスタ
の微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の１チッ
プ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりから、注
目を集めている。

【０００５】図２８は、従来のエリアイメージセンサを
構成する固体撮像装置の回路図である。

【０００６】１画素に対応する単位セル１は、ホトダイ
オード３、転送スイッチＱ1、リセットスイッチＱ2、増
幅手段Ｑ3、選択スイッチＱ4を有する。

【０００７】光信号を出力するための電極及び配線とし
ては、単位セルを選択するための電極１７及び選択制御
線（選択スイッチ線）７、光電変換部となるホトダイオ
ード３から増幅手段の入力端子へ電荷を転送するための
電極１６及び転送制御線（転送スイッチ線）６４、増幅
手段の入力端子をリセットするための電極１５及びリセ
ット制御線（リセットスイッチ線）５、信号を出力する
ための電極１８及び信号出力線８、がある。４は、増幅
手段やリセットスイッチに基準電圧を与えるための電源
線である。

【０００８】このうち、電源線４を除くと、３つの配線
５、６、７が行方向に配置され、列方向に信号出力線８
が配されている。一般的には、これらの配線が開口率を
下げないように、製造プロセス上可能な最小の配線間隔
および最小線幅で配置される。

【０００９】例えば、その配線の長さは、対角１６．９
３ｍｍ（２／３インチ）、画素数２００万画素のセンサ
においては、１行あたりの配線長は１０ｍｍにもなる。
そして行数は約１０００行であることから、制御線の総
延長は１０ｍにもなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡＰＳ
はＣＣＤイメージセンサに比べ１画素内（１単位セル
内）の素子数が多いこと、近年のセンサの大判化などか
ら、チップサイズが大きくなっていること等から、配線
に関係する製造歩留低下が生じ易い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、従来の
固体撮像装置より配線数を低減することが可能な固体撮
像装置及び固体撮像システムを提供することにある。

【００１２】 本発明は、光電変換部と、該光電変換部
で発生した信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段に前
記信号を転送する転送手段と、前記増幅手段の入力端子
をリセットするリセット手段と、前記増幅手段を選択し
て信号を信号出力線に出力する選択手段と、を有する単
位セルを少なくとも一つ具備する固体撮像装置におい
て、単位セル内、或いは隣接する二つの単位セル間で、
前記信号出力線と、前記選択手段を制御する選択制御
線、前記転送手段を制御する転送制御線、前記リセット
手段を制御するリセット制御線のうちの一つの制御線と
が一つの共通線にて構成されていることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】図２８及び図２９〜図３２を参照
して、固体撮像装置の動作について詳細に説明する。

【００１４】図２９は、単位セルを２次元行列状に配置
した固体撮像装置における読み出し回路の回路図、図３
０は、この固体撮像装置に用いられる駆動パルスの駆動
タイミング図である。

【００１５】図２９において、信号出力線８には、スイ
ッチ２２によりノイズ信号を保持することができる保持
容量２３と、スイッチ２４により光信号を含む信号（こ
れは純粋な光信号に加えてノイズ信号をも含んでいるの
で、以下「ノイズ信号を含む光信号」と呼ぶことにす
る）を保持することができる保持容量２５とを有する信
号保持手段が設けられている。これらの２種の信号は、
水平走査回路２６により、水平の共通出力線２７、２８
に別々に読み出される。そして、差動アンプ２９を用い
て、光信号からノイズ信号を減算することにより、ノイ
ズ成分が除去された光信号を得ることができる。

【００１６】図３０を用い固体撮像装置の動作（読み出
し方式）の詳細な説明を行う。以下の説明では、単位セ
ルで発生するもっとも大きなノイズである、信号増幅部
のオフセット（ＯＦＦＳＥＴ）ノイズおよびリセットを
する際に発生する熱ノイズを除去する場合について説明
する。

【００１７】一般に、増幅トランジスタＱ3の閾値バラ
ツキに起因するオフセットノイズは数十から数百ｍＶ程
度であり、熱ノイズ（√ｋＴＣノイズ）は、１ｍＶ程度
である。

【００１８】信号を読み出すためには、図３０に示すよ
うに、少なくとも期間Ａ2から期間Ｄ2で行われる動作を
行う。φ15はリセットスイッチ線５を介して、それに接
続された電極１５に印加される制御パルスを、φ17は選
択スイッチ線７を介して、それに接続された電極１７に
印加される制御パルスを、φ16はリセットスイッチ線６
を介して、それに接続された電極１６に印加される制御
パルスを、φ22はスイッチ２２の制御パルスを、φ24は
スイッチ２４の制御パルスを、それぞれ示している。

【００１９】図中の期間Ａ2において、リセットスイッ
チ線５をハイレベルとしてリセットスイッチＱ2をオン
して、ソースフォロアを構成する増幅手段である増幅ト
ランジスタＱ3の入力端子のリセットを行う。

【００２０】次に期間Ｂ2において、スイッチ２２をオ
ンそしてオフし、リセットのノイズ信号を、ノイズ信号
用の保持容量２３に保持する。図２８のように単位セル
の出力部としてソースフォロワを用いた場合は、トラン
ジスタＱ3の閾値バラツキに起因するオフセットノイズ
と、トランジスタＱ3の入力部をリセットスイッチＱ2に
よりリセットした際に発生する熱ノイズ（√ｋＴＣノイ
ズ）とが保持容量２３に保持される。

【００２１】期間Ｃ2において、電荷転送スイッチＱ1を
オンそしてオフし、ホトダイオード３から増幅トランジ
スタＱ3の入力部に光により発生したホトダイオード内
の電荷を転送し、前述のノイズ信号に、光により発生し
たホトダイオード内の電荷を加える。

【００２２】期間Ｄ2において、スイッチ２４をオンそ
してオフして、前記期間Ｃ2により生成したノイズ信号
を含む光信号の出力を光信号用の保持容量２５に保持す
る。

【００２３】上記動作が終了したのち、ノイズ信号およ
びノイズ信号を含む光信号を水平走査回路２６により、
水平の共通出力線２７、２７に読み出し、差動アンプ７
０６を用いノイズ信号成分を除去する。こうして、出力
端子３０からノイズ信号成分が除去された光信号を取り
出すことができる。

【００２４】図３１は、上述した固体撮像装置に用いら
れる別の駆動タイミング図であり、この動作（読み出し
方式）では、予めリセット（期間Ａ3）したのちに、転
送動作（期間Ｃ3）を行い、ノイズ信号を含む光信号を
保持容量２５に保持（期間Ｂ3）した後、ソースフォロ
ワの入力端子をリセットし（期間Ａ3）、そのノイズ信
号を保持容量２３に保持し（期間Ｄ3）、両者の差分を
とる。

【００２５】この場合は、増幅ＭＯＳトランジスタＱ3
をリセットした際に発生する熱ノイズの除去はできない
ものの、数十から数百ｍＶと大きな増幅トランジスタＱ
3の閾値バラツキに起因するオフセットノイズは除去す
ることができる。

【００２６】なお、本発明は、以上説明した読み出し方
式に限定されるものではない。

【００２７】そして、本発明者は、各期間において、各
制御線がどのような状態になければならないかを分析し
た。その結果を図３２に示す。

【００２８】図３２において、「−」は任意の状態で構
わないことを示している。また「ＯＦＦ＊」は、ソース
フォロワの入力端子の電圧が比較的高いことから、０vo
ltである必要はないことを意味している。

【００２９】本発明者らは、これから重要な知見を得た
ので、例を挙げて説明する。

【００３０】読み出しの終了した１行前の画素は蓄積期
間中にある。従って、転送スイッチ線はオフであるべき
である。しかしながら、固体撮像システムが多様化し、
ローリングシャッター方式やプログレッシブスキャン方
式など様々な駆動方法にシステムが対応しつつある。さ
らに、汎用となっている３３万画素クラスのイメージセ
ンサにおいても、その行数が５００行あり、多画素化に
よりその行数がより増える方向にある。

【００３１】以上の観点から、仮に１行前の転送スイッ
チがオンしても、蓄積時間としては１行分短くなるもの
の、その時間は全体の１／５００となり感度が９９．８
％に減少するにとどまる。即ち、ｎ−１行の単位セルの
転送スイッチは、ｎ行の単位セルの転送スイッチ線以外
の制御線と共有化が可能である。

【００３２】このような観点から図３２を分析した結
果、各期間での各制御線の状態が両立する制御線が明ら
かとなる。すなわち、以下の配線を単位セル内、又は時
系列的に、或いは隣接する２つの単位セル間で配線の共
有化が可能である。 (1) リセットスイッチ線と信号出力線の共有化 (2) ｎ行選択スイッチ線とｎ−１行リセットスイッチ
線 (3) ｎ行選択スイッチ線とｎ−１行転送スイッチ線 (4) ｎ行リセットスイッチ線とｎ−１行転送スイッチ
線 また、デジタルカメラにおいては、機械式シャッターな
ども利用され、蓄積時間は転送スイッチの開閉ではな
く、機械式シャッターの開閉により規定される。

【００３３】このような場合においては、図３１の読み
出し方法と兼用すれば、 (3’) 上記ｎ行選択スイッチ線とｎ＋１行転送スイッ
チ線、 (4’) ｎ行リセットスイッチ線とｎ＋１行転送スイッ
チ線の共有化もできる。更には、 (5) 信号出力線と転送スイッチ線の共有化も可能とな
る。

【００３４】このように配線の共有化を行えば、一本の
共通線が、前述した複数の制御線の働きを担うので、固
体撮像装置の配線数を減らすことができ、また設計マー
ジンも緩くすることができ、大幅に配線に関する製造歩
留まりを改善することができる。

【００３５】以下、本発明の実施形態について説明す
る。 （実施形態１）図１は本実施形態による固体撮像装置の
１単位セルに関する基本的な回路図であり、図２はその
基本的な動作を説明するための駆動タイミング図であ
る。

【００３６】本実施形態では、符号５８に示すように信
号出力線とリセットスイッチ線を共有にしている。

【００３７】１画素に対応する単位セル１は、少なくと
も、光電変換部としてのホトダイオード３、転送手段と
しての転送スイッチＱ1、リセット手段としてのリセッ
トスイッチＱ2、増幅手段Ｑ3、選択手段としてのスイッ
チＱ4を有する。

【００３８】光信号を出力するための電極及び配線とし
ては、単位セルを選択するための電極１７及び選択制御
線（選択スイッチ線）７と、光電変換部となるホトダイ
オード３から増幅手段の入力端子へ電荷を転送するため
の電極１６及び転送制御線（転送スイッチ線）６と、を
有している。

【００３９】更には、増幅手段の入力端子をリセットす
るための電極１５と信号を出力するための電極１８と
は、共通線５８に共に接続されており、この共通線５８
がリセット制御線（リセットスイッチ線）及び信号出力
線として働く。

【００４０】１４は、基準電圧を与えるための電極であ
り、不図示の電源線に接続され、基準電圧の供給を受け
る。リセットスイッチＱ2に供給されるリセット用基準
電圧と、増幅手段Ｑ3に供給される増幅用の基準電圧と
を互いに異ならしめることもできる。

【００４１】スイッチＱ5は、リセットスイッチＱ2をオ
ンするための制御パルスを与えるスイッチであり、リセ
ットスイッチのゲートに、それをオンさせるに十分な閾
値以上の電圧（オン電圧）を基準電圧源VDDから与え
る。２１は負荷としての定電流源でありミラー回路など
からなるが、抵抗やトランジスタなどからなる負荷であ
ってもよい。

【００４２】この固体撮像装置の動作の概要は以下の通
りである。

【００４３】図２の期間Ａ1では、ソースフォロワを構
成する増幅用トランジスタＱ3の入力端子をリセットす
るために、制御パルスφVRによりスイッチＱ5をオン
し、信号出力線５８にハイレベルの電圧を印加する。こ
の時、リセットスイッチＱ2のゲート電極１５は信号出
力線５８に接続されているので、ソースフォロワの入力
端子はオン状態となったリセットスイッチＱ2を介しリ
セット電圧にリセットされる。信号出力線５８に接続さ
れる全画素が一括でリセットされるが、転送スイッチＱ
1がオフしているため障害はない。

【００４４】次に、リセットノイズなどのノイズ信号を
読み出すために、制御パルスφVRによりスイッチＱ5を
オフにする。さらに、制御パルスφ17により選択スイッ
チ線７にハイレベルの電圧を印加し、選択スイッチＱ4
をオンする。この結果、信号出力線５８は、ソースフォ
ロワの定電流負荷２１により、低い電圧に引き下げられ
る。このとき、ソースフォロワが動作し、信号出力線５
８に現れる電圧は、リセット電圧から閾値電圧分程低下
した電圧になる。制御パルスφ22によりスイッチ２２を
オンしてからオフして、この出力電圧を図２９に示した
ようなノイズ信号用の保持容量に書き込む（期間Ｂ
1）。この時、リセットスイッチＱ2のゲート電圧は、リ
セットスイッチＱ2のソース電圧より閾値電圧分低くな
り、リセットスイッチＱ2はオフになる。

【００４５】期間Ｃ1では、制御パルスφ16により転送
スイッチＱ1を開閉し、ソースフォロワの入力端子にホ
トダイオード３内の電荷を転送した。このとき信号出力
線５８の電圧は、電荷量に応じて下がる。この時点で
も、リセットスイッチＱ2はオフ状態にある。

【００４６】期間Ｄ1で、制御パルスφ24によりスイッ
チ２４をオンしてからオフして、光信号を含んだ出力を
光信号用の保持容量に書き込む。

【００４７】再び、ソースフォロワの入力端子をリセッ
トするために、制御パルスφVRによりスイッチＱ5をＯ
Ｎして、出力信号線５８の電圧をリセットスイッチＱ2
がオンする電圧にまで高める。

【００４８】その後、水平走査回路により、各保持容量
に書き込まれた信号を水平出力線に読み出し、差動アン
プを用い、両者の差分をとる。こうすれば、従来と同等
の低ノイズの信号を得ることができる。

【００４９】図３は、上述した構成の単位セルを２行２
列に配列した固体撮像装置の回路図である。ここで１０
０は水平走査回路などを含む周辺回路、１０１は垂直走
査回路などを含む周辺回路である。図４は、図３の符号
１００で示した周辺回路の回路図である。図５は、２行
分の単位セルの駆動タイミング図である。

【００５０】図５の期間Ａ1では、制御パルスφVRによ
りスイッチＱ5をオンし、信号出力線５８にハイレベル
の電圧を印加する。こうして、全ての単位セルのソース
フォロワの入力端子はリセットスイッチＱ2を介しリセ
ット電圧にリセットされる。

【００５１】次に、制御パルスφVRによりスイッチＱ5
をオフにする。さらに、制御パルスφS1により先の行の
選択スイッチ線７にハイレベルの電圧を印加し、先の行
の選択スイッチＱ4をオンする。制御パルスφ22により
全列のスイッチＳ2をオン・オフして、この出力電圧を
ノイズ信号用の保持容量２３に書き込む（期間Ｂ1）。
この時、リセットスイッチＱ2のゲート電圧はリセット
スイッチＱ2のソース電圧より閾値電圧分低くなり、リ
セットスイッチＱ2はオフすることになる。

【００５２】期間Ｃ1では、先の行の転送スイッチ線６
に供給される制御パルスφTX1により、先の行の転送ス
イッチＱ1を開閉し、ソースフォロワの入力端子にホト
ダイオード３内の電荷を転送する。このとき信号出力線
５８の電圧は電荷量に応じて下がるが、リセットスイッ
チＱ2はオフ状態にある。

【００５３】期間Ｄ1で、制御パルスφ24によりスイッ
チＳ1をオン・オフして、ノイズ信号成分を含む光信号
出力を光信号用の保持容量２５に書き込む。

【００５４】次の行の選択のために再び、制御パルスφ
VRによりスイッチＱ5をオンして、リセットスイッチＱ2
をオンさせる。

【００５５】その後は、前述したものと同様の動作で、
次の行の各単位セルから２種の信号を読み出す動作を行
う。

【００５６】次の行の選択動作期間中、或いは先の行の
選択期間と次の行の選択期間との間に、各保持容量２
３、２５に書き込まれた先の行の各単位セルからの信号
は、水平走査回路２６により、水平出力線２７、２８に
読み出し、差動アンプ２９を用い、両者の差分をとって
出力される。こうすれば、従来と同等の低ノイズの信号
を得ることができる。

【００５７】本実施形態の回路構成を採用することによ
り、従来では配線に関する歩留まりが約５０％であった
ものが、約７０％に上昇することが見込まれる。 （実施形態２）図６は本実施形態の固体撮像装置におけ
る２つの単位セルの回路図、図７はその駆動タイミング
図、図８は単位セルを行列状に配した固体撮像装置の２
行２列分の回路図である。

【００５８】本実施形態はｎ行目のリセットスイッチ線
とｎ−１行目の選択スイッチ線を共通にしたものであ
る。図６において、５７は隣接する２行の単位セル間で
共通化された配線（共通線）を示す。Ｑ1(n)、Ｑ2(n)、
Ｑ3(n)、Ｑ4(n)は、それぞれｎ行の単位セルの転送スイ
ッチ、リセットスイッチ、増幅トランジスタ、選択スイ
ッチを示し、Ｑ1(n-1)、Ｑ2(n-1)、Ｑ3(n-1)、Ｑ4(n-1)
は、それぞれｎ−１行の単位セルの転送スイッチ、リセ
ットスイッチ、増幅トランジスタ、選択スイッチを示し
ている。

【００５９】動作は次のとおりである。

【００６０】ｎ−１行目の単位セルがリセットされた
後、ｎ−１行目の選択スイッチ線５７に制御パルスφS1
を供給し、選択スイッチＱ4(n-1)をオンする。制御パル
スφ22を信号出力線のスイッチ２２に供給して、ノイズ
信号を容量２３に蓄積する。制御パルスφTX1をｎ−１
行目の転送スイッチ線６に入力して、転送スイッチＱ1
(n-1)をオンし、光信号を転送する。制御パルスφ24を
スイッチ２４に供給して、光信号とノイズ信号を含む信
号を容量２５に読み出す。こうして、ｎ−１行目の単位
セルから読み出しを行う。

【００６１】ｎ−１行目の選択時には、ｎ行目の単位セ
ルのソースフォロワの入力端子をリセットする制御パル
スφS1が供給されるので、これにより、スイッチＱ2(n)
はオンし、ソースフォロワの入力端子がリセットスイッ
チＱ2(n)を介してリセット電圧にリセットされる。

【００６２】また、先の行の選択期間中リセットスイッ
チがオンになるので、蓄積期間中リセットスイッチをオ
ンにし続けた場合は、ソースフォロワの電流源が活性と
なる。画素数が多い場合は定電流値×列数の電流が常に
流れることになるので、電流源と信号出力線８との間に
不図示のスイッチを介在させるとよい。

【００６３】ｎ行目の単位セルのノイズ信号を読み出す
ために、ｎ行目の画素のリセットスイッチＱ2(n)をオフ
にした。

【００６４】次に、制御パルスφS2によりｎ行目の選択
スイッチ線５７がハイレベルとなり選択スイッチＱ4(n)
が開く。そうするとソースフォロワが動作し、信号出力
線８は、リセット電圧から約閾値電圧分低い電圧にな
る。スイッチ２２を開閉して、この出力電圧をノイズ用
の保持容量２３に書き込む。この時、ｎ＋１行目のリセ
ットスイッチＱ2(n+1)がＯＮするが、ｎ＋１行目の選択
スイッチＱ4(n+1)をオフにしておけば、出力値に何ら悪
影響を与えない。

【００６５】そして、制御パルスφTX2によりｎ行目の
単位セルの転送スイッチＱ1(n)を開閉し、ソースフォロ
ワの入力端子にホトダイオード内の電荷を転送した。

【００６６】スイッチＳ1をオンしてノイズ信号も含む
光信号を光信号用の保持容量２５に書き込む。

【００６７】周辺回路１００の構成やそこにおける動作
は図４や図２９と同じであるので、ここでは説明を省略
する。

【００６８】従来配線に関する歩留まりが約５０％であ
るのに対して、本実施の形態によれば、約７２％に上昇
すると見込まれる。 （実施形態３）図９は本実施形態の固体撮像装置におけ
る２つの単位セルの回路図、図１０はその駆動タイミン
グ図、図１１は単位セルを行列状に配した固体撮像装置
の２行２列分の回路図である。

【００６９】本実施形態は、ｎ行目のリセットスイッチ
線とｎ−１行目の転送スイッチ線を共通にしたものであ
る。図９、図１１において、５６は隣接する２つの行の
間で共通化された配線（共通線）を示す。

【００７０】Ｑ1(n)、Ｑ2(n)、Ｑ3(n)、Ｑ4(n)は、それ
ぞれｎ行の単位セルの転送スイッチ、リセットスイッ
チ、増幅トランジスタ、選択スイッチを示し、Ｑ1(n-
1)、Ｑ2(n-1)、Ｑ3(n-1)、Ｑ4(n-1)は、それぞれ（ｎ−
１）行の単位セルの転送スイッチ、リセットスイッチ、
増幅トランジスタ、選択スイッチを示している。

【００７１】動作は次のとおりである。

【００７２】ｎ−１行目の単位セルがリセットされた
後、ｎ−１行目の選択スイッチ線７に制御パルスφS1を
供給し、選択スイッチＱ4(n-1)をオンする。制御パルス
φ22を信号出力線のスイッチ２２に供給して、ノイズ信
号を容量２３に蓄積する。制御パルスφTX1をｎ−１行
目の制御共通線５６に入力して、転送スイッチＱ1(n-1)
をオンし、光信号を転送する。制御パルスφ24をスイッ
チ２４に供給して、ノイズ信号を含む光信号を容量２５
に読み出す。こうして、ｎ−１行目の単位セルから読み
出しを行う。

【００７３】ｎ−１行目の転送時には、ｎ行目の単位セ
ルのソースフォロワの入力端子をリセットする制御パル
スφTX1が供給されるので、これにより、スイッチＱ2
(n)はオンし、ソースフォロワの入力端子がリセットス
イッチＱ2(n)を介してリセット電圧にリセットされる。

【００７４】ｎ行目の単位セルのノイズ信号を読み出す
ために、ｎ行目の画素のリセットスイッチＱ2(n)をオン
・オフする。

【００７５】次に、制御パルスφS2によりｎ行目の選択
スイッチ線７がハイレベルとなり選択スイッチＱ4(n)が
開く。そうするとソースフォロワが動作し、信号出力線
８は、リセット電圧から約閾値電圧分低い電圧になる。
スイッチ２２をオン・オフして、この出力電圧をノイズ
用の保持容量２３に書き込む。

【００７６】そして、制御パルスφTX2によりｎ行目の
単位セルの転送スイッチＱ1(n)をオン・オフし、ソース
フォロワの入力端子にホトダイオード内の電荷を転送す
る。

【００７７】スイッチ２４をオンしてノイズ信号も含む
光信号出力を光信号用の保持容量２５に書き込む。

【００７８】周辺回路１００における構成や動作は、実
施形態２と同じであり、前述したとおりである。

【００７９】期間Ａ2では、ｎ行目の画素のソースフォ
ロワの入力端子をリセットするために、リセットスイッ
チＱ2(n)をオンし、ソースフォロワの入力端子はリセッ
トスイッチＱ2(n)を介しリセット電圧にリセットされ
る。この時、ｎ−１行目の画素の転送スイッチＱ1(n-1)
も同時にオンする。ｎ−１行目は既に読み出された行で
あり、１行の読み出し時間分の光により発生した電荷を
捨てることになる。本実施形態を、例えば、デジタルカ
メラ用の対角１２．７ｍｍ（１／２インチ）、画素数１
６０万画素のエリアイメージセンサに採用すると、その
行数は約１０００行であり、動画出力をした場合は、感
度が０．１％劣化するにとどまる。

【００８０】また、デジタルカメラでの静止画撮影の場
合には、一旦読み出してしまえばその後の動作には何ら
影響はない。

【００８１】但し、蓄積期間中は、転送スイッチと兼用
しているため、リセットスイッチはオフ状態にしておく
必要があり、実際には、読み出す直前の期間Ａ3にリセ
ットスイッチをオンしなければならない。

【００８２】従来配線に関する製造歩留まりは、約５０
％であるのに対して、本実施形態によれば約７１％に上
昇することが見込まれる。 （実施形態４）図１２は本実施形態の固体撮像装置にお
ける２つの単位セルの回路図、図１３はその駆動タイミ
ング図、図１４は単位セルを行列状に配した固体撮像装
置の２行２列分の回路図である。図１２と図１４では時
系列的に選択される単位セルの配列順が上下逆になって
いるが、動作に差異はない。

【００８３】本実施形態は、ｎ行目の選択スイッチ線と
ｎ−１行目の転送スイッチ線を共通にしたものである。
図１２において、６７はｎ行目の単位セルとｎ−１行目
の単位セルとの間で共通化された配線（共通線）を示
す。Ｑ1(n)、Ｑ2(n)、Ｑ3(n)、Ｑ4(n)は、それぞれｎ行
目の転送スイッチ、リセットスイッチ、増幅トランジス
タ、選択スイッチを示し、Ｑ1(n-1)、Ｑ2(n-1)、Ｑ3(n-
1)、Ｑ4(n-1)は、それぞれ（ｎ−１）行目の転送スイッ
チ、リセットスイッチ、増幅トランジスタ、選択スイッ
チを示している。５はリセット制御線を示している。

【００８４】動作は次のとおりである。

【００８５】制御パルスφR1により、ｎ−１行目の単位
セルがリセットされた後、ｎ−１行目の選択スイッチ線
６７に制御パルスφS1を供給し、選択スイッチＱ4(n-1)
をオンする。制御パルスφ22を信号出力線のスイッチ２
２に供給して、ｎ−１行目のノイズ信号を容量２３に蓄
積する。制御パルスφS2をｎ行目の制御共通線６７に入
力して、転送スイッチＱ1(n-1)をオンし、光信号を転送
する。制御パルスφ24をスイッチ２４に供給して、ｎ−
１行目の光信号とノイズ信号を含む信号を容量２５に読
み出す。こうして、ｎ−１行目の単位セルから読み出し
を行う。

【００８６】ｎ−１行目の転送時には、ｎ行目の単位セ
ルの選択スイッチにも制御パルスφS2が供給されるの
で、これにより、スイッチＱ4(n)はオンするが、この状
態での出力を保持するわけではないので、動作上問題は
ない。

【００８７】ｎ行目の単位セルのノイズ信号を読み出す
ために、制御パルスφR2によりｎ行目の画素のリセット
スイッチＱ2(n)をオンしてからオフにした。

【００８８】次に、制御パルスφS2を再びハイにして、
ｎ行目の制御線６７がハイレベルとなり選択スイッチＱ
4(n)がオンする。そうするとソースフォロワが動作し、
信号出力線８は、リセット電圧から約閾値電圧分低い電
圧になる。再びスイッチ２２を開閉して、ｎ行目の単位
セルの出力電圧をノイズ用の保持容量２３に書き込む。

【００８９】そして、制御パルスφS3によりｎ行目の単
位セルの転送スイッチＱ1（n）をオン・オフし、ソース
フォロワの入力端子にホトダイオード内の電荷を転送す
る。

【００９０】スイッチ２４をオンして、ｎ行目の光信号
を含んだ出力（ノイズ信号も含む）を光信号用の保持容
量２５に書き込む。

【００９１】ｎ行目の選択スイッチＱ4(n)をオンにする
と、ｎ−１行目の転送スイッチＱ1(n-1)も同時にオンす
る。ｎ−１行目は既に読み出された行であり、１行の読
み出し時間分の光により発生した電荷を捨てることにな
るが、前述したとおり問題はない。

【００９２】周辺回路１００における構成や動作は、実
施形態２と同じであり、前述したとおりである。

【００９３】従来配線に関する製造歩留まりは約５０％
であるのに対して、本実施形態によれば約７１％に上昇
するものと見込まれる。 （実施形態５）図１５は本実施形態の固体撮像装置にお
ける２つの単位セルの回路図、図１６はある一行の単位
セルの駆動タイミング図、図１７は単位セルを行列状に
配した固体撮像装置の２行２列分の回路図である。

【００９４】本実施形態は、同一行の画素間で垂直信号
出力線と転送スイッチ線を共有にしたものである。符号
６８で示す共通線が、転送スイッチ線及び信号出力線と
して機能するものであり、全画素一括転送になる。従っ
て、本実施形態は、蓄積期間を機械的シャッターにより
規定し、全画素を一括で電荷を転送するシステムに好適
に用いられる。

【００９５】読み出し方式は、図３１に示したような、
光信号出力を読み出した後、入力端子をリセットしリセ
ット信号を読み出し、両者を減算する方式である。

【００９６】結果として、リセット時の熱的ノイズの除
去はできないものの、数十から数百ｍＶと大きな増幅ト
ランジスタＱ3の閾値バラツキに起因するオフセットノ
イズは除去することができる。

【００９７】図１６の期間Ａ4では、ソースフォロワの
入力端子をリセットするために、制御パルスφRを供給
してリセットスイッチＱ2のスイッチをオンする。この
時ソースフォロワの入力端子はリセットスイッチＱ2を
介しリセット電圧にリセットされる。

【００９８】リセットスイッチＱ2をオフした後、期間
Ｃ4において、ホトダイオードからソースフォロワの入
力端子に全単位セル一括で転送するため、トランジスタ
Ｑ5をオンし、転送スイッチＱ1をオンするために信号出
力線１０４の電位をハイレベルにする。

【００９９】以降、各行毎に光信号を読み出す。

【０１００】制御パルスφSにより、所定の行を選択し
た後に、期間Ｂ4で、光信号を含んだ出力を光信号用の
保持容量２５に書き込む。

【０１０１】次にリセットノイズなどのノイズ信号を読
み出すために、期間Ｂ4の後の期間Ａ4で、選択行のみリ
セットスイッチＱ2をオン、オフし、リセット動作を行
う。次に、期間Ｄ4で、このリセット動作後の出力電圧
をノイズ用の保持容量２３に書き込む。

【０１０２】その後、水平走査回路２６により、各保持
容量に書き込まれた信号を水平出力線に読み出し、差動
アンプを用い、両者の差分を出力する。こうすれば、リ
セット時の熱的ノイズの除去はできないものの、数十か
ら数百ｍＶと大きなトランジスタＱ3の閾値バラツキに
起因するオフセットノイズが除去された良好な信号が得
られる。

【０１０３】また、従来配線に関する製造歩留まりは約
５０％であるのに対して、本実施形態によれば約７０％
に上昇することが見込まれる。 （実施形態６）図１８は本実施形態の２つの単位セルの
回路図、図１９はある２行の単位セルの駆動タイミング
図、図２０は単位セルを行列状に配した固体撮像装置の
２行２列分の回路図である。

【０１０４】本実施形態は、ｎ行目の選択スイッチ線と
ｎ−１行目の転送スイッチ線を共通にし、かつ信号出力
線とリセットスイッチ線を共通にした構成である。第１
の共通線５８が、信号出力線とリセットスイッチ線の両
方の働きをし、第２の共通線６７が、ｎ行目の選択制御
とｎ−１行目の転送制御をつかさどる。

【０１０５】動作としては、実施形態４と同等であり、
実施形態１および実施形態４で説明した通り各動作は両
立する。

【０１０６】図１９の期間Ａ1では、制御パルスφVRに
よりスイッチＱ5をオンし、信号出力線５８にハイレベ
ルの電圧を印加する。この時、全てのソースフォロワの
入力端子はリセットスイッチＱ2を介しリセット電圧に
リセットされる。

【０１０７】次に、制御パルスφVRによりスイッチＱ5
をオフにする。さらに、制御パルスφS1によりｎ−１行
目の選択スイッチ線６７にハイレベルの電圧を印加し、
選択スイッチＱ4(n-1)をオンする。この結果、信号出力
線５８は、ソースフォロワの定電流負荷２１により、低
い電圧に引き下げられる。このとき、ソースフォロワが
動作し、信号出力線５８に現れる電圧は、リセット電圧
から閾値電圧分程低下した電圧になる。制御パルスφ22
によりスイッチＳ２を開閉して、この出力電圧を図２９
に示したようなノイズ信号用の保持容量２３に書き込む
（期間Ｂ1）。この時、リセットスイッチＱ2のゲート電
圧は、リセットスイッチＱ2のソース電圧より閾値電圧
分低くなり、リセットスイッチＱ2はオフすることにな
る。

【０１０８】期間Ｃ1では、制御パルスφS2により転送
スイッチＱ1(n-1)を開閉し、ソースフォロワの入力端子
にホトダイオード３内の電荷を転送する。このとき信号
出力線５８の電圧は、電荷量に応じて下がる。この時点
でも、リセットスイッチＱ2はオフ状態にある。

【０１０９】期間Ｄ1で、制御パルスφ24によりスイッ
チ２４を開閉して、光信号を含んだ出力を光信号用の保
持容量２５に書き込む。

【０１１０】再び、ソースフォロワの入力端子をリセッ
トするために、制御パルスφVRによりスイッチＱ5をオ
ンして、出力信号線５８の電圧をリセットスイッチＱ2
がオンする電圧にまで高める。

【０１１１】その後、水平走査回路により、各保持容量
に書き込まれた信号を水平出力線に読み出し、差動アン
プを用い、両者の差分をとる。こうすれば、従来と同等
の低ノイズの信号を得ることができる。

【０１１２】また、従来配線に関する製造歩留まりが約
５０％であるのに対して、本実施形態によれば約８２％
に上昇することが見込まれる。

【０１１３】本実施形態のように、前述した実施形態を
組み合わせることにより、さらなる配線数を低減を実現
し、配線歩留まりを向上させること、また配線の占める
面積が低減することから開口率の向上を図ることができ
る。 （実施形態７）図２１に示す本実施形態は、実施形態１
において、２つの光電変換部と転送スイッチに対し、一
つの信号増幅用のソースフォロワとリセットスイッチか
らなる出力部２を配置したものである。図２２はその駆
動タイミング図である。図２３は、図２１に示した単位
セルを２行２列に配した固体撮像装置の回路図である。
この実施形態では、単位セル一つに光電変換部が二つあ
るので、単位セル一つが２画素に相当する。よって、図
２２では画素数ベースにすると４行４列である。

【０１１４】この固体撮像装置の動作は概略以下のとお
りである。

【０１１５】制御パルスφVRにより、信号線５８と増幅
トランジスタの入力部をリセットした後、制御パルスφ
Sにより選択スイッチＱ4をオンする。

【０１１６】制御パルスφ22によりノイズ信号を読み出
した後、制御パルスφTX1により転送ＭＯＳスイッチＱ1
aをオンして、ホトダイオード３Ａの電荷を転送ＭＯＳ
スイッチＱ1aを介して転送し、制御パルスφ24により光
信号を読み出す。

【０１１７】同様に、リセットとノイズの読み出しを行
った後、制御パルスφTX2をオンして転送ＭＯＳスイッ
チＱ1bをオンして、ホトダイオード３Ｂの電荷を転送Ｍ
ＯＳスイッチＱ1bを介して転送し、制御パルスφ24によ
り光信号を読み出す。

【０１１８】本実施の形態によれば、リセットスイッチ
および選択スイッチと選択スイッチ線が半分になるた
め、さらなる歩留まり改善が見込まれる。 （実施形態８）図２４に示す本実施形態は、実施形態７
において、４つの光電変換部と転送スイッチに対し、ひ
とつの信号増幅用のソースフォロワとリセットスイッチ
からなる出力部を配置したものである。つまり一単位セ
ルが４画素に相当する。

【０１１９】この固体撮像装置の動作は概略以下のとお
りである。

【０１２０】実施形態７と同様に、転送スイッチＱ1a、
Ｑ2、Ｑ3、Ｑ4を用いｎ行目の光電変換部の信号を読み
出した後、転送スイッチＱ1b、Ｑ2、Ｑ3、Ｑ4を用い
（ｎ＋１）行目の光電変換部の信号を読み出す。このよ
うな動作を合計４回繰り返す。

【０１２１】本実施形態によれば、実施形態１に比べ、
リセットスイッチおよび選択スイッチと選択スイッチ線
が１／４になるため、より一層製造歩留まり改善が見込
まれる。 （実施形態９）図２５に示す本実施形態は、実施形態７
におけるリセット用の電極を、隣接行の選択スイッチ線
に接続した構成である。その駆動タイミングを図２６に
示す。図２６の駆動タイミングは、下行から上行に選択
を行うためのものである。

【０１２２】この固体撮像装置の動作は概略以下のとお
りである。

【０１２３】制御パルスφS1により、先の行の単位セル
がリセットされる。制御パルスφS2により出力部２の選
択スイッチをＯＮし、制御パルスφ22によりノイズ信号
を読み出す。

【０１２４】続いて、制御パルスφTX1によりホトダイ
オード１Ｂの電荷を転送し、制御パルスφ24により光信
号を読み出す。

【０１２５】再び、制御パルスφS1により、先の行の単
位セルがリセットされ、制御パルスφS2により出力部２
の選択スイッチをＯＮし、制御パルスφ22によりノイズ
信号を読み出す。そして、制御パルスφTX2によりホト
ダイオード１Ａの電荷を転送し、制御パルスφ24により
光信号を読み出す。

【０１２６】次の行では、制御パルスφS2によりリセッ
トを行い、前述したような動作を続ける。

【０１２７】本発明に用いられる増幅手段、転送手段、
リセット手段としては、ｎチャンネル又はｐチャンネル
のＭＯＳトランジスタが挙げられる。

【０１２８】本発明の光電変換部としては、ホトダイオ
ード以外に、ＭＯＳ構造のホトゲートを用いることもで
きるが、より好ましくは、埋め込みホトダイオードを採
用すると良い。

【０１２９】本発明に用いられる転送手段としては、Ｍ
ＯＳ構造の転送ゲートや、ＭＯＳトランジスタが挙げら
れる。

【０１３０】そして各トランジスタの導電型を逆にする
こともでき、このときには制御パルスのハイレベル又は
ローレベルなどは、その動作に応じて、上述した実施形
態と逆になることはいうまでもない。

【０１３１】好ましい実施態様としては、ｐ型ウエルの
中に、ホトダイオードのカソードと、各トランジスタの
ｎ型ソース・ドレインを作り込んだ構造を、単位セルと
して用いるとよい。

【０１３２】図３３は、このような単位セルの一例を示
す模式的断面図であり、ホトダイオードと転送手段とリ
セット手段が図示されている。

【０１３３】８１はＰ型ウエル、８２は素子分離領域と
しての酸化膜、８３はホトダイオードのカソード、８
４、８５はリセット手段としてのＮチャンネルＭＯＳト
ランジスタのドレイン・ソース、８４は増幅手段の入力
端子に、８５はリセット用電源線に接続される。

【０１３４】不図示ではあるが、増幅手段や選択手段と
してのＮチャンネルＭＯＳトランジスタも、同様にＰ型
ウエル８１内に作り込まれる。このように、単位セル１
を構成する各素子は電子を伝送キャリアとする同一導電
型の素子からなる。８８はＰ型層である。図３３中の導
電型を逆にして、ホールを伝送キャリアとする素子で構
成することも可能である。

【０１３５】又、選択制御線、転送制御線、リセット制
御線、信号出力線などは、半導体基体の絶縁層上に形成
された導電性材料で形成され、好ましくは、Ａｌ，Ａｌ
Ｓｉ，ＡｌＣｕ，ＡｌＳｉＣｕ，Ｃｕ等の金属で形成さ
れる。

【０１３６】図２７に本発明による固体撮像システムの
概略図を示す。

【０１３７】同図に示すように、光学系７１を通って入
射した画像光は上述した各実施形態の構成を有する固体
撮像装置からなるイメージセンサ７２上に結像する。必
要に応じて光学系７１に機械式シャッターを付設するこ
とも好ましいものである。イメージセンサ７２によって
光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号
処理回路７３によってホワイトバランス補正、ガンマ補
正、輝度信号形成、色信号形成、輪郭補正処理等予め決
められた方法によって信号変換処理され、出力される。
信号処理された信号は、記録系、通信系７４により情報
記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、
あるいは転送された信号は再生系７７により再生がなさ
れる。イメージセンサ７２、信号処理回路７３は、タイ
ミング制御回路７５により制御され、光学系７１、タイ
ミング制御回路７５、記録系・通信系７４、再生系７７
はシステムコントロール回路７６により制御される。タ
イミング制御回路７５により独立読出しか、加算・間引
き読出しかを選択することができる。

【０１３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
画素から光信号を読み出すための、リセット制御線、選
択制御線、転送制御線のうちの一つの制御線と信号出力
線とを共通にすることにより、 (1) 配線数を低減し、配線に関する歩留まりが向上す
る。 (2) 配線の占める領域が低減し、開口率が向上する。 などの効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による固体撮像装置の基本構
成を示す回路図である。

【図２】図１の固体撮像装置の基本動作を示す駆動タイ
ミング図である。

【図３】本発明の実施形態による固体撮像装置の回路図
である。

【図４】本発明に用いられる周辺回路の回路図である。

【図５】図３の固体撮像装置の動作を示す駆動タイミン
グ図である。

【図６】本発明の別の実施形態による固体撮像装置の基
本構成を示す回路図である。

【図７】図６の固体撮像装置の基本動作を示す駆動タイ
ミング図である。

【図８】本発明の別の実施形態による固体撮像装置の回
路図である。

【図９】本発明の更に別の実施形態による固体撮像装置
の基本構成を示す回路図である。

【図１０】図９の固体撮像装置の基本動作を示す駆動タ
イミング図である。

【図１１】本発明の更に別の実施形態による固体撮像装
置の回路図である。

【図１２】本発明の他の実施形態による固体撮像装置の
基本構成を示す回路図である。

【図１３】図１２の固体撮像装置の基本動作を示す駆動
タイミング図である。

【図１４】本発明の他の実施形態による固体撮像装置の
回路図である。

【図１５】本発明の更に他の実施形態による固体撮像装
置の基本構成を示す回路図である。

【図１６】図１５の固体撮像装置の基本動作を示す駆動
タイミング図である。

【図１７】本発明の更に他の実施形態による固体撮像装
置の回路図である。

【図１８】本発明の実施形態による他の固体撮像装置の
基本構成を示す回路図である。

【図１９】図１８の固体撮像装置の基本動作を示す駆動
タイミング図である。

【図２０】本発明の実施形態による他の固体撮像装置の
回路図である。

【図２１】本発明の実施形態による更に他の固体撮像装
置の基本構成を示す回路図である。

【図２２】図２１の固体撮像装置の基本動作を示す駆動
タイミング図である。

【図２３】本発明の実施形態による更に他の固体撮像装
置の回路図である。

【図２４】本発明の実施形態による更に別の固体撮像装
置の基本構成を示す回路図である。

【図２５】本発明の実施形態による固体撮像装置の他の
基本構成を示す回路図である。

【図２６】図２５の固体撮像装置の基本動作を示す駆動
タイミング図である。

【図２７】本発明による固体撮像システムの構成を示す
ブロック図である。

【図２８】固体撮像装置の回路図である。

【図２９】固体撮像装置の周辺回路の回路構成図であ
る。

【図３０】固体撮像装置の駆動タイミングの一例を示す
図である。

【図３１】固体撮像装置の駆動タイミングの別の例を示
す図である。

【図３２】各制御線に要求される状態を示す図である。

【図３３】単位セルの模式的断面図である。

【符号の説明】

１ 単位セル ３ ホトダイオード ５ リセット制御線（リセットスイッチ線） ６ 転送制御線（転送スイッチ線） ７ 選択制御線（選択スイッチ線） ８ 信号出力線 １４ 基準電圧を与えるための電極 １５ 増幅手段の入力端子をリセットするための電極 １６ 電荷を転送するための電極 １７ 単位セルを選択するための電極 １８ 信号を出力するための電極 ２１ 負荷としての定電流源 ５６，５７，５８ 共通線 ６７，６８ 共通線 Ｑ1 転送スイッチ Ｑ2 リセットスイッチ Ｑ3 増幅手段 Ｑ4 スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/335 H01L 27/146

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換部と、該光電変換部で発生した
   信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段に前記信号を転
   送する転送手段と、前記増幅手段の入力端子をリセット
   するリセット手段と、前記増幅手段を選択して信号を信
   号出力線に出力する選択手段と、を有する単位セルを少
   なくとも一つ具備する固体撮像装置において、 単位セル内、或いは隣接する二つの単位セル間で、前記
   信号出力線と、前記選択手段を制御する選択制御線、前
   記転送手段を制御する転送制御線、前記リセット手段を
   制御するリセット制御線のうちの一つの制御線とが一つ
   の共通線にて構成されていることを特徴とする固体撮像
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記リセット制御線と前記信号出力線とが前記共通
   線にて構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記転送制御線と前記信号出力線とが前記共通線に
   て構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記リセット制御線と前記信号出力線とが第１の共
   通線にて構成されており、前記転送制御線と前記選択制
   御線とが第２の共通線にて構成されていることを特徴と
   する固体撮像装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記リセット制御線と前記信号出力線とが前記共通
   線にて構成されており、 前記共通線には、前記リセット手段をオンさせるに十分
   なオン電圧を与える為のスイッチが設けられていること
   を特徴とする固体撮像装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記選択手段をオンしている期間に、前記信号出力
   線からノイズ信号と光信号とを読み出すことを特徴とす
   る固体撮像装置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記単位セルは、２次元行列状に配列されているこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記単位セルは、２次元行列状に配列され、隣接す
   る２つの単位セル間に電源線が配されていることを特徴
   とする固体撮像装置。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
   て、前記光電変換部と、前記増幅手段と、前記転送手段
   と、前記リセット手段と、前記選択手段は、全て同一導
   電型の素子であることを特徴とする固体撮像装置。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかの請求項に記
    載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光
    学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号
    処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。