JP3628970B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルカメラ等に使用されるMOS型の固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図2は、MOSトランジスタで構成された従来の固体撮像装置の一例を示している。この固体撮像装置は、半導体基板上に、各々フォトダイオード(PD)1と、転送トランジスタ2と、リセットトランジスタ3と、検出トランジスタ4と、フローティングディフュージョン(FD)部5とを有する複数の増幅型単位画素を二次元状に配列した感光領域8を備えた固体撮像装置であって、更にアンプ電源とリセット電源を兼ねた電源6、信号線7、行方向に画素を選択する垂直シフトレジスタ9、列方向に画素を選択する水平シフトレジスタ10、両シフトレジスタ9,10に必要なパルスを供給するタイミング発生回路11などにより構成されている。単位画素を一次元状に配列する場合もある。
【0003】
PD1で光電変換された信号電荷は、転送トランジスタ2によりFD部5に読み出される。このFD部5に読み出された電荷の量によりFD部5の電位が決定され、検出トランジスタ4のゲート電圧が変化し、信号線7に信号電圧が取り出される。
【0004】
図3に、単位画素の拡大平面図を示す。アンプ電源とリセット電源を兼ねるように電源6の配線同士は電源部アルミ配線13により、検出トランジスタ4とFD部5とはFD部アルミ配線12によりそれぞれ接続されている。PD1から読み出された電荷はFD部5に入り、このFD部5の電位が変化する。FD部5の電位は、FD部アルミ配線12を介して検出トランジスタ4のゲート電位を変化させる。そして、検出トランジスタ4がソースフォロアとして動作することで信号線7の電位を変化させ、信号が電圧として読み出される。
【0005】
図4(a)〜図4(c)は、図3中のAB断面における、電源6、リセットトランジスタ3、FD部5の各々のポテンシャルを表している。
【0006】
図4(a)は、信号電荷を読み出す時の状態を示している。アンプ電源とリセット電源を兼ねた電源6を3Vとし、リセットトランジスタ3のゲートにHIGHレベル電圧を与えてオンさせることで、FD部5をまず3Vにリセットする。その後、PD1からFD部5に画像となる信号電荷14が読み出された状態が図4(a)となる。このとき、リセットトランジスタ3のゲートにはLOWレベル電圧が与えられており、FD部5の電位が検出トランジスタ4により信号線7へ読み出される。
【0007】
図4(b)は、電源6を0Vとし、リセットトランジスタ3のゲートにHIGHレベル電圧を与えてオンさせることで、FD部5が0Vとなった状態を示している。このとき、FD部5は0Vであるため、検出トランジスタ4のゲート電圧も0Vとなり、この検出トランジスタ4をオフ状態にできる。
【0008】
図4(c)は、図4(b)の状態からリセットトランジスタ3のゲート電圧を再度LOWレベルにした状態である。この状態では、FD部5は電源6と切り離されている。
【0009】
このようにして、図4(a)から図4(c)が各行毎に繰り返されて行毎の信号が信号線7に信号電圧として取り出される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、画素の微細化が進んだ場合、図4(c)の状態では、FD部5の容量Cが微細化により小さくなるため、周辺回路のパルスなどが動作した場合、FD部5の電位が振られて0Vを確保できない場合が発生し、オフ状態であるべき検出トランジスタ4がオンする場合がある。この状態では、別の行の信号を検出している時に、0Vである電源6からオフ状態となっているべき検出トランジスタ4の下を通り信号線7に擬似信号が混入し、S/Nの低下をもたらすこととなる。
【0011】
本発明は、上記課題を解決して、画素の微細化に伴い容量が小さくなったFD部を安定化させることで、オフ状態となっている検出トランジスタの安定化を図り、S/Nの良い固体撮像装置を提供し、かつその駆動方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上に、各々入射光を光電変換するための光電変換領域1と、前記光電変換で得られた信号電荷14を読み出すための転送トランジスタ2と、前記読み出された信号電荷14を蓄えるための蓄積領域5と、前記蓄積領域5の電位をゲートに加えて前記読み出された信号電荷14を検出する検出トランジスタ4と、前記蓄積領域5の信号電荷14をリセットするためのリセットトランジスタ3と、前記リセットトランジスタ3を介して前記蓄積領域5へLOWレベル電圧及びHIGHレベル電圧のパルス電圧を供給するためのドレイン領域6とを有する複数の増幅型単位画素を一次元状又は二次元状に配列した固体撮像装置において、前記リセットトランジスタ3のゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタ3のゲート下のポテンシャルは、前記ドレイン領域6のLOWレベル電圧よりも高く、前記検出トランジスタ4の閾値電圧は、前記リセットトランジスタ3のゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタ3のゲート下のポテンシャルよりも高いことを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、前記パルス電圧をHIGHレベル電圧に設定して、前記リセットトランジスタ3のゲートにHIGHレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタ3をオンした後に、前記リセットトランジスタ3のゲートにLOWレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタ3をオフして、前記光電変換で得られた信号電荷を前記蓄積領域5に読み出す第1のステップと、前記パルス電圧をLOWレベル電圧に設定して、前記リセットトランジスタ3のゲートにHIGHレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタ3をオンした後に、前記リセットトランジスタ3のゲートにLOWレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタ3をオフする第2のステップとを有し、前記第2のステップにおいて、前記リセットトランジスタ3のゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタ3のゲート下のポテンシャルは、前記ドレイン領域6のLOWレベル電圧よりも高く、かつ前記検出トランジスタ4の閾値電圧よりも低いことを特徴とするものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。その全体構成図は図2のとおりであり、単位画素の拡大平面図は図3のとおりである。
【0015】
図1(a)〜図1(c)は、本実施形態における、電源6、リセットトランジスタ3、FD部5の各々のポテンシャルを表している。本実施形態では、リセットトランジスタ3はディプレッション型であり、その閾値電圧(Vt)がマイナスとなっている。
【0016】
図1(a)は、信号電荷を読み出す時の状態を示している。アンプ電源とリセット電源を兼ねた電源6を3Vとし、リセットトランジスタ3のゲートにHIGHレベル電圧を与えてオンさせることで、FD部5をまず3Vにリセットする。その後、PD1からFD部5に画像となる信号電荷14が読み出された状態が図1(a)となる。このとき、リセットトランジスタ3のゲートにはLOWレベル電圧が与えられており、FD部5の電位が検出トランジスタ4により信号線7へ読み出される。ここで、画像となる信号電荷14がFD部5から電源6に洩れ出すことが極力ないように当該リセットトランジスタ3の閾値電圧(Vt)が設定されている。ただし、電子シャッタなどの余剰電荷は洩れ出すレベルであってもかまわない。図4(a)と同様に、FD部5の信号電荷14を電圧変換する検出トランジスタ4のゲインは高い状態である。
【0017】
図1(b)は、電源6を0Vとし、リセットトランジスタ3のゲートにHIGHレベル電圧を与えてオンさせることで、FD部5が0Vとなった状態を示している。このとき、FD部5は0Vであるため、検出トランジスタ4のゲート電圧も0Vとなり、この検出トランジスタ4をオフ状態にできる。この状態は、図4(b)と同様の状態である。
【0018】
図1(c)は、図1(b)の状態からリセットトランジスタ3のゲート電圧を再度LOWレベルにした状態である。本実施形態では、リセットトランジスタ3はディプレッション型であり、その閾値電圧(Vt)がマイナスとなっているため、リセットトランジスタ3のゲート下のポテンシャル15はプラス電位となっている。このとき電源6が0Vであれば、FD部5が電源6から切り離されていない状態となっているため、FD部5の容量Cは見かけ上大きくなっている。これにより、FD部5が0Vの場合、周辺回路のパルスなどが動作してもFD部5の電位の振れが小さく0Vを安定して確保でき、検出トランジスタ4のオフ状態を維持できる。つまり、ある行の信号を検出している時に、ノイズにより別の行の検出トランジスタ4がオンすることが無くなり、別の行の擬似信号が信号線7に混入する現象を防止できて、高いS/Nの画像を実現できることとなる。
【0019】
以上説明したように、本実施形態では、リセットトランジスタ3がディプレッション型でありその閾値電圧(Vt)がマイナスとなっているため、FD部5を安定して0Vとすることができる。これにより、電源6から信号線7に混入する擬似信号を防ぐことができ、高S/Nを実現することができる。その結果、高感度、高画質の固体撮像装置を提供できる。
【0020】
電源6にプラス電圧のノイズが入ることで電源6のLOWレベルがプラス電位になった時でもFD部5の電位が検出トランジスタ4の閾値電圧よりも高くならないようにするためには、検出トランジスタ4の閾値電圧は、リセットトランジスタ3のゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合のリセットトランジスタ3のゲート下のポテンシャル15よりも高い電圧に設定する。
【0021】
また、電源6からPD1への電子の注入を防ぐためには、電源6のLOWレベル電圧は、転送トランジスタ2のゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の転送トランジスタ2のゲート下のポテンシャルよりも高い電圧に設定する。
【0022】
なお、上記実施形態はリセットトランジスタ3がディプレッション型の場合を示したが、リセットトランジスタ3がディプレッション型でない場合でも、リセットトランジスタ3のLOWレベル電圧をリセットトランジスタ3の閾値電圧以上のプラス電圧状態にして、リセットトランジスタ3のゲート下のポテンシャル15をプラス電位にする場合も、同様の効果が得られる。このとき、電源6からPD1への電子の注入を防ぐためには、図5(c)に示すように、リセットトランジスタ3のゲートLOWレベル電圧を転送トランジスタ2のゲートのLOWレベル電圧よりも高く設定する。
【0023】
また、上記実施形態は電源6のLOWレベル電圧が0Vである場合を示したが、当該LOWレベル電圧が検出トランジスタ4の閾値電圧よりも低い場合、同様の効果がある。
【0024】
また、上記実施形態はトランジスタがN型MOSの場合を示したが、トランジスタがP型MOSの場合も同様な原理で動作させることで、同様な効果を実現できる。
【0025】
また、上記実施形態は3個のトランジスタを持つ増幅型単位画素の例であるが、図6に示すように、図3に更に行選択トランジスタ16などを追加した、4個以上のトランジスタを持つ増幅型単位画素においても同様な効果がある。
【0026】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明によれば、リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合のリセットトランジスタのゲート下のポテンシャルは、当該リセットトランジスタを介して信号電荷の蓄積領域へLOWレベル電圧及びHIGHレベル電圧のパルス電圧を供給するためのドレイン領域のLOWレベル電圧よりも高く、かつ、検出トランジスタの閾値電圧は、前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合のリセットトランジスタのゲート下のポテンシャルよりも高く設定したので、オフ状態となっている検出トランジスタの安定化を図ることができ、特に画素の高感度、高画質の要請に沿いながら、MOS型の固体撮像装置の性能向上が可能となり、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)は、本発明に係る固体撮像装置の画素ポテンシャル図である。
【図2】従来の固体撮像装置の一例を示す全体構成図である。
【図3】図2中の単位画素の拡大平面図である。
【図4】(a)〜(c)は、図3中のAB断面における従来の画素ポテンシャル図である。
【図5】(a)〜(c)は、図1(a)〜図1(c)の変形例を示す画素ポテンシャル図である。
【図6】図3の変形例を示す単位画素の拡大平面図である。
【符号の説明】
1 フォトダイオード(PD)[光電変換領域]
2 転送トランジスタ
3 リセットトランジスタ
4 検出トランジスタ
5 フローティングディフュージョン(FD)部[蓄積領域]
6 アンプ電源とリセット電源を兼ねた電源[ドレイン領域]
7 信号線
8 感光領域
9 垂直シフトレジスタ
10 水平シフトレジスタ
11 タイミング発生回路
12 FD部アルミ配線
13 電源部アルミ配線
14 信号電荷
15 リセットトランジスタのゲート下のポテンシャル
16 行選択トランジスタ
Claims (7)
- 半導体基板上に、各々入射光を光電変換するための光電変換領域と、前記光電変換で得られた信号電荷を読み出すための転送トランジスタと、前記読み出された信号電荷を蓄えるための蓄積領域と、前記蓄積領域の電位をゲートに加えて前記読み出された信号電荷を検出する検出トランジスタと、前記蓄積領域の信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタと、前記リセットトランジスタを介して前記蓄積領域へLOWレベル電圧及びHIGHレベル電圧のパルス電圧を供給するためのドレイン領域とを有する複数の増幅型単位画素を一次元状又は二次元状に配列した固体撮像装置において、
前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルは、前記ドレイン領域のLOWレベル電圧よりも高く、
前記検出トランジスタの閾値電圧は、前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルよりも高いことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルは、前記転送トランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記転送トランジスタのゲート下のポテンシャルよりも高い電圧に設定されたことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記リセットトランジスタは、ディプレッション型のトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記リセットトランジスタのゲートに与えられるLOWレベル電圧は、該リセットトランジスタの閾値電圧以上に設定されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 半導体基板上に、各々入射光を光電変換するための光電変換領域と、前記光電変換で得られた信号電荷を読み出すための転送トランジスタと、前記読み出された信号電荷を蓄えるための蓄積領域と、前記蓄積領域の電位をゲートに加えて前記読み出された信号電荷を検出する検出トランジスタと、前記蓄積領域の信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタと、前記リセットトランジスタを介して前記蓄積領域へLOWレベル電圧及びHIGHレベル電圧のパルス電圧を供給するためのドレイン領域とを有する複数の増幅型単位画素を一次元状又は二次元状に配列した固体撮像装置の駆動方法であって、
前記パルス電圧をHIGHレベル電圧に設定して、前記リセットトランジスタのゲートにHIGHレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタをオンした後に、前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタをオフして、前記光電変換で得られた信号電荷を前記蓄積領域に読み出す第1のステップと、
前記パルス電圧をLOWレベル電圧に設定して、前記リセットトランジスタのゲートにHIGHレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタをオンした後に、前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧を与えることで前記リセットトランジスタをオフする第2のステップとを有し、
前記第2のステップにおいて、前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルは、前記ドレイン領域のLOWレベル電圧よりも高く、かつ前記検出トランジスタの閾値電圧よりも低いことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 前記第2のステップにおいて、前記リセットトランジスタのゲートにLOWレベル電圧が与えられた場合の前記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルは、前記転送トランジスタのゲート下のポテンシャルよりも高い電圧に設定されたことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置の駆動方法。
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