JP3667214B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置及びその駆動方法に係わり、特に画素毎に信号増幅部を有する固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【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ものと、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、ＭＯＳ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。しかし、その一方で１画素内の素子数が多いことから、光学系の大きさを決定するチップサイズの縮小化が困難であり、市場の大部分をＣＣＤが占めている。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。
【０００４】
図１２に、ＡＰＳの等価回路図を示す。図１２において、Ｑ１はホトダイオード１０１から浮遊拡散領域（ＦＤ）へ光電荷を転送する転送スイッチであり、Ｑ２は浮遊拡散領域をリセットするためのリセットスイッチであり、Ｑ３は浮遊拡散領域の電圧を出力するためのソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタであり、Ｑ４は画素を選択するための選択スイッチである。また、１０２は電源線、１０３はリセットスイッチ制御線、１０４は転送スイッチ制御線、１０５は選択スイッチ制御線、１０６は信号出力線である。選択スイッチＱ４を制御するための選択スイッチ制御線１０５を行方向に共通で配置し、行選択をおこない、１行一括で、ラインメモリに転送する方式でその動作について説明する。
【０００５】
ある画素（行）の読み出しの際に用いられる駆動パルスを図１３に示す。
【０００６】
蓄積動作を開始する前に、図１３中（ａ）のように、リセットスイッチＱ２をＯＮした状態で転送スイッチＱ１をＯＮし、ホトダイオード１０１を一旦リセットする。その後、蓄積を行う。読み出しをおこなうため、リセットスイッチをＯＦＦし、浮遊拡散領域をフローティング状態とし、ついで読み出しのための選択スイッチをＯＮする。入力ＭＯＳトランジスタＱ３と信号出力線１０６に接続した負荷からなるソースフォロワにより、浮遊拡散領域の電圧に応じた電圧が信号出力線１０６に出力される。この出力を、メモリにサンプルリングする。即ち、リセットノイズのサンプリング（ｅ）を行った。その後、浮遊拡散領域（ＦＤ）に光信号電荷を転送する（ｆ）ため、転送スイッチを開閉する。転送（ｆ）は、浮遊拡散領域がフローティング状態でおこなわれるため、浮遊拡散領域の電圧はリセット直後の電圧Ｖresから、Ｑ／ＣFD（転送された電荷Ｑ、ＣFDはFD部の容量）下がった電圧
ＶFD＝Ｖres−Ｑ／ＣFD
になる。すなわち、リセット毎に異なるリセットノイズを含むリセット電圧にＱ/ＣFDが重畳されたことになる。この電圧に応じた信号が信号出力線１０６に出力されるので、この信号をサンプルリングした（ｇ）。
【０００７】
最終的に光信号は、先ほどの「リセットノイズ」の信号と「光信号＋リセットノイズ」の信号を差分回路により、引き算を行い、リセット毎に異なる電圧にリセットされてしまうリセットノイズを除去することができる。
【０００８】
特に、図中のホトダイオード１０１として埋め込みホトダイオードを用いた場合は、完全にリセットノイズを除去することができ、高いＳ／Ｎ比を得られることとなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年のＡＰＳにおいては、残像やランダムノイズの問題が発生している。以下、この原因について詳細に説明する。
【００１０】
前述の通り、近年のＡＰＳは微細ＭＯＳトランジスタを使用することにより、小さい画素サイズを実現している。このため、微細ＭＯＳトランジスタに起因した新たな原因による残像やランダムノイズが発生している。
【００１１】
図１４は微細ＭＯＳトランジスタを用いたＡＰＳの断面構造図である。図１５は図１４の断面構造図に対応したポテンシャル図である。図１４に示すように、ホトダイオードのｎ領域３０５上には表面ｐ領域３０４が設けられ（埋め込みホトダイオードという。）、ＰＷＬ（Ｐウエル）３０１と表面ｐ領域３０４から延びる空乏層によりｎ領域３０５に蓄積された電荷が転送スイッチ（ＳＷ）３０２を介して浮遊拡散領域３０３に完全転送される。浮遊拡散領域３０３はリセット電極３０７にリセットスイッチ（ＳＷ）を介して接続され、所定のリセット電位に設定可能となっている。
【００１２】
微細ＭＯＳトランジスタを用いたＡＰＳにおいては、図１５中のＡ、Ｂのような、ポテンシャルのポケットや障壁が生じてしまう。この結果、転送スイッチ領域にある電荷の一部がホトダイオードにもどってしまい、残像やランダムノイズを発生させてしまっている。
【００１３】
ポテンシャルのポケット（図１５のＡ）や障壁（図１５のＢ）についてさらに詳細に述べる。
【００１４】
微細ＭＯＳトランジスタを作製するためには、製造工程における熱処理の低温化、短時間化が必要となる、その結果、導電型を決定する不純物、たとえばボロンやリンなどの拡散は単純な熱による拡散ではなく欠陥を介した拡散など過渡増束拡散現象の影響が強くなってしまう。結果として、図１５のＢに当たる領域に、ｐ型のウェル領域を決定するボロンが偏析してしまい、ポテンシャル障壁を形成してしまう。このような現象は、微細ＭＯＳトランジスタにおける逆短チャネル効果として知られている。
【００１５】
この様な現象は、チャネル長Ｌ が、Ｌ＜１μｍ以下、特にはＬ≦０．７μｍ以下の領域で顕著に表れる。
【００１６】
一方、図１５のＡに当たる領域、すなわちホトダイオードのｎ領域３０５から転送スイッチ３０２に接続する個所は、信号電荷の転送特性を決定する個所であり、ホトダイオードの表面ｐ領域３０４とｎ領域３０５との位置関係がきわめて重要である。特に微細ＭＯＳトランジスタを用いた場合、転送スイッチ３０２のゲートに印加する電圧を低くしなくてはならず、転送スイッチしたのポテンシャルを十分に押し下げることができず、電荷の転送が困難になってしまう。場合によっては、電荷の転送を促すため、図１４に示すとおり積極的にｎ型からなるバイパス領域３０８を設ける場合もある。
【００１７】
このようなバイパス領域３０８の幅は、０〜０．５μｍ程度であり、バイパス領域３０８の幅が狭すぎると転送が困難となり、転送の幅が広すぎるとポテンシャルポケットが生じてしまう。転送スイッチ３０２のゲートに印加する電圧が高い場合は、その電圧で転送を補うことができ、設計値をポテンシャルポケットができないように設定することは可能である。しかし、微細ＭＯＳトランジスタを用いた場合、電圧により転送を補うことができないため、その幅の制御性は０．０５μｍ以下にもなり、微細ＭＯＳトランジスタのゲート長の制御性より厳しいものが要求される。結果として、ポテンシャルポケットが発生しやすくなっている。
【００１８】
従来技術においては、以上説明したポテンシャルポケット（図１５のＡ）やポテンシャル障壁（図１５のＢ）により転送スイッチ３０２のゲート下に電荷が残留してしまう問題があった。
【００１９】
この残留量は、転送スイッチ３０２のゲート電圧のハイレベル＝ＶTXH、転送スイッチ３０２の閾値電圧＝ＶTXthと浮遊拡散領域の電圧＝ＶFDを用いれば、
残留量∝（ＶTXH−ＶTXth−ＶFD)
の関係がある。
【００２０】
この残留電荷の一部もしくは全部がホトダイオードに戻ってしまい、結果として残像が発生する。また動作条件によっては、暗時においても残留電荷が発生し、この電荷がホトダイオードにもどってしまう。当然この残留電荷は熱的に揺らぐため、ランダムノイズとなってしまう。
【００２１】
図１６は転送スイッチの開閉のポテンシャルの様子を示している。図１６（Ａ）は浮遊拡散領域をリセットした直後のポテンシャル図である。ホトダイオードには信号電荷が蓄積された状態である。図１６（Ｂ）は転送スイッチをＯＮし、信号電荷を浮遊拡散領域に転送している状態のポテンシャル図である。この時、浮遊拡散領域のポテンシャルは信号電荷により上昇する。
【００２２】
信号電荷の量によっては、転送スイッチのゲート下の表面ポテンシャルが浮遊拡散領域のポテンシャルより低くなるため、転送スイッチのゲート下にも電荷が発生してしまう。図１６（Ｃ）は転送スイッチを閉める状態を表しており、転送スイッチのゲート下に誘起された電荷が浮遊拡散領域に移動しきれない様子を示している。この移動しきれなかった電荷がホトダイオード側にもどり、残像やランダムノイズの原因となってしまう。
【００２３】
ＣＣＤにおいては、電源電圧が高いため、最大信号電荷が転送されても、転送スイッチの表面ポテンシャルは、常に垂直ＣＣＤよりも高くなるため、転送スイッチのゲート下には電荷が発生することはない。
【００２４】
微細ＭＯＳを用いたＡＰＳにおいては、電源電圧が低いため、少なくとも最大信号電荷が転送した場合は図１６（Ｂ）のような状態が生じてしまい、ＣＣＤのようなポテンシャル関係を形成するのが困難である。さらには、リセットの電圧が低い場合は、暗時においても図１６（Ｂ）のような状態が生じてしまい、暗時におけるランダムノイズの要因となってしまう。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある第３のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記第３のレベルを所定時間保持してなる、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えたものである。
【００２６】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある複数のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記複数のレベルの各々のレベルを所定時間保持してなる、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えたものである。
【００２７】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、を備えたものである。
【００２８】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルとを含み、且つ前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、を備えたものである。
【００３１】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするための立下り速度Ｖoffが１０V/μsec＞Ｖoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えたものである。
【００３３】
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある第３のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記第３のレベルを所定時間保持してなる制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３４】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある複数のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記複数のレベルの各々のレベルを所定時間保持してなる制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３５】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３６】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルとを含み、且つ前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３７】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするための立下り速度Ｖoffが１０Ｖ／μｓｅｃ＞Ｖoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明者らは、検討の結果、図８に示す「立下り速度と残像の関係」を見出した。図９は転送スイッチのパルス波形の一例を示しているが、立下り速度とは、図中の立下り期間の電圧降下の速度を意味する。
【００３９】
図８に示す通り、立下り速度の低下に伴い残像が減少している。立下り速度が遅いというのは、図１６（Ｄ）に示すポテンシャル構造を維持する時間を長くすることができ、結果として残留電荷を浮遊拡散領域に排出することができことを見出した。
【００４０】
立下り速度を５００Ｖ／μｓｅｃとした場合、１％程度の残像が発生する。一般的に画像として許容できるノイズレベルは−４６〜−４８ｄＢ程度であり、立下り速度を５００Ｖ／μｓｅｃとした場合には、このレベルを満たすことができない。これに対し、立下り速度を１０Ｖ／μｓｅｃ程度にすることで、上記レベルを達成することができ良好な画像を得ることができた。
【００４１】
図１６（Ｄ）のポテンシャル構造の特徴は、（１）転送スイッチのゲート下の表面ポテンシャルが浮遊拡散領域のキャリアのフェルミレベルより高く、（２）ドレイン電界の影響でＢにあるポテンシャル障壁がなくなっていることである。
【００４２】
この様なポテンシャル構造を維持する時間を長くすることで、転送スイッチのゲート下の残留電荷のほとんどを浮遊拡散領域に排出することができる。
【００４３】
重要なことは、図１６（Ｄ）に示すようなポテンシャル構造をある一定の期間保持することであり、たとえば、図１０に示すように図１６（Ｄ）に示すポテンシャル構造になる電圧に一旦保持し、その後ＯＦＦするような３値パルスでもかまわない。当然のことながら、３値パルスに限定されるものではなく、多値でもかまわない。また、図１１に示すような曲線状にレベルが減衰する波形でもかまわない。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００４５】
（実施例１）
図１は、図１２に示した画素を複数配列した場合の転送スイッチの駆動回路周辺を模式的にあらわした図である。図１において、１００１は図１２に示した画素構成と同じ構成の画素、１００２は画素１００１内の転送スイッチＱ１を動作させるゲート駆動回路、１００３は行ごとに転送スイッチを制御する走査回路である。
【００４６】
本実施例においては、図２に示すゲート駆動回路を用い、図１０に示す波形を形成した。図２においては、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルを出力するために、走査回路１００３から走査回路の入力端子１１０５，１１０６，１１０７にそれぞれ（１，０，０）、（０，１，０）、（０，０，１）が入力されるよう設計した。ここで、“１”はＨＩＧＨレベル、“０”はＬＯＷレベルである。走査回路の入力端子１１０５，１１０６，１１０７はそれぞれスイッチの制御端子に接続され、ローレベル供給線１１０２、ミドルレベル供給線１１０３、ハイレベル供給線１１０４からローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの信号が各スイッチを介して出力端子１１０１に出力される。出力端子１１０１は図１の画素１００１の転送スイッチＱ１のゲートに接続される。
【００４７】
具体的には、転送スイッチのハイレベルを５．０ｖｏｌｔ、ミドルレベルを３．０ｖｏｌｔ、ローレベルを０．０ｖｏｌｔとした。ミドルレベルの保持時間は、０．５μｓｅｃとした。その結果、残像が０．１％以下であった。また、ランダムノイズが抑制され、特に暗時においては、電荷転送に起因するランダムノイズはなくなった。本実施例の結果、図８の立下り速度−残像のグラフより残像の改善が高いのは、図９に示す波形に比べ、図１６（Ｄ）のポテンシャル構造をより長く保持できたためと考えられる。
【００４８】
（実施例２）
本実施例に用いた、転送スイッチのゲート駆動回路を図３に示す。なお、ここでは図１の走査回路１００３からの一入力端子を１２０６として示す。図３において、図１の走査回路１００３の入力端子１２０６はｐＭＯＳトランジスタ１２０１のゲート及びｎＭＯＳトランジスタ１２０２のゲートに接続され、ｐＭＯＳトランジスタ１２０１のドレイン及びｎＭＯＳトランジスタ１２０２のドレインは共通接続されて容量１２０４と電圧フォロワアンプ１２０５の非反転入力端子（＋）とに接続される。ｎＭＯＳトランジスタ１２０２のソースは定電流原１２０３に接続される。出力端子１２０７は図１の画素１００１の転送スイッチＱ１のゲートに接続される。
【００４９】
容量１２０４の容量値と定電流源１２０３の電流値で転送スイッチＱ１のゲートの立下り速度を決定した。
【００５０】
この結果、図９に示すような台形波を形成した。本実施例における立下り速度は、１０Ｖ／μｓｅｃとした。結果として、図８に示す通り、０．４％まで残像を抑制することができた。また、電荷転送に起因する、特に暗時のランダムノイズはなくなった。
【００５１】
上述した実施例１においては、図１６（Ｄ）のポテンシャル構造を形成する最適なゲート電圧は、３．０ｖｏｌｔであったが、この電圧はホトダイオードの空乏化電圧などで変化してしまう。即ち製造ばらつきにより変動をうけてしまい、結果として残像やランダムノイズを改善できるサンプルの歩留まりが悪くなる場合があった。
【００５２】
しかしながら、本実施例のような台形波を用いることで、あらゆるゲート電圧においてある一定の時間を実質的に保持するため、最適なゲート電圧がばらついたとしても、残像およびランダムノイズの特性は改善された。
【００５３】
（実施例３）
本実施例に用いた、転送スイッチのゲート駆動回路を図４に示す。なお、ここでは図１の走査回路１００３からの一入力端子を１３０１として示す。各ＭＯＳトランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用した。
【００５４】
図４において、図１の走査回路１００３の入力端子１３０１はインバータを介してＭＯＳトランジスタＱ１２，Ｑ１５に接続される。電源ラインとＧＮＤラインとの間にはＭＯＳトランジスタＱ１２，Ｑ１３，Ｑ１４が直列接続され、またＭＯＳトランジスタＱ１１，Ｑ１６，Ｑ２１，Ｑ３１が直列接続される。ＭＯＳトランジスタＱ１５はＭＯＳトランジスタ１４のソース・ドレイン間に並列に接続され、ＭＯＳトランジスタ１４のドレイン（ＭＯＳトランジスタＱ１３とＭＯＳトランジスタ１４との接続点）はＭＯＳトランジスタＱ１１，Ｑ１６のゲートに共通接続される。ＭＯＳトランジスタＱ１１とＭＯＳトランジスタ１６とのドレイン接続点である出力端子１３０２は図１の画素１００１の転送スイッチＱ１のゲートに接続される。
【００５５】
本実施例においては、行選択のための走査回路からの出力は、選択時にＨｉｇｈであり、また転送スイッチのゲートの共通制御線は、転送スイッチをＯＮするときには、ＬＯＷとなるように設計した。また、転送スイッチはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用した。
【００５６】
本実施例の特徴は、以下の通りである。
（１）ｎ型ＭＯＳトランジスタを直列に接続した出力部の構成を取っている。
（２）転送スイッチの立下り速度を転送スイッチのゲートラインの容量とＭＯＳトランジスタＱ２１、Ｑ３１のＯＮ抵抗で決定している。
【００５７】
立下り速度を１０Ｖ／μｓｅｃになるように設計した。この際ｎ型ＭＯＳトランジスタのサイズだけでは、小さい電流値を設計するのは多くの場所を必要とするが、本実施例のような構成にすることで、大きくサイズを変更することなく、駆動回路を構成することが可能となった。ホトダイオードからの電荷転送をするための期間である、ブランキング期間には時間的な制限があるため、転送スイッチをＯＮ時の立ち上がり速度は従来のように速くすることが求められる。従って、立ち上がり時間Ｔonと立下り時間ＴoffはＴon＜Ｔoffとした。
【００５８】
本実施例はまた、転送スイッチの制御線をオフ状態からオン状態とする際の駆動力が、オン状態からオフ状態とする際の駆動力に対し、実質的に高くなるように構成したものであり、その結果以下のような特性を得ることができた。
【００５９】
以上のようにすることで、本実施例においては、残像が０．４％以下で暗時のランダムノイズのない良好な固体撮像装置が得ることができた。
【００６０】
なお、本実施例では転送スイッチはｎ型ＭＯＳトランジスタ、ゲート駆動回路を構成する各ＭＯＳトランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用したが、転送スイッチはｐ型ＭＯＳトランジスタ、ゲート駆動回路を構成する各ＭＯＳトランジスタはｐ型ＭＯＳトランジスタを使用しても本発明の効果を得ることができる。
【００６１】
（実施例４）
本実施例に用いた、転送スイッチのゲート駆動回路を図５に示す。図５において、図４の構成部材と同一構成部材については同一符号を付する。本実施例では、図５に示すように、図４のＭＯＳトランジスタＱ２１，Ｑ３１に替えて定電流源Ｉcontを用いた。
【００６２】
本実施例においては、行選択のための走査回路からの出力は、選択時にＨｉｇｈであり、また転送スイッチのゲートの共通制御線は、転送スイッチをＯＮするときには、ＬＯＷとなるように設計した。また、転送スイッチはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用した。
【００６３】
本実施例の特徴は、以下の通りである。
（１）定電流源を含んだ出力部の構成としている。
（２）転送スイッチの立下り速度を転送スイッチのゲートラインの容量と定電流源の電流値で決定している。
【００６４】
立下り速度を１．５Ｖ／μｓｅｃになるように設計した。立下り速度を定電流源で決定しているため、立下り速度を精密に設計でき、電源電圧の変動などに強い構成であった。結果として、残像が０．１％以下で暗時のランダムノイズのない良好な固体撮像装置が得ることができた。
【００６５】
（実施例５）
本実施例においては、図２に示すゲート駆動回路を用い、ハイレベルの電圧＝６ｖｏｌｔ、ミドルレベルの電圧＝２．５ｖｏｌｔ、ローレベルの電圧＝０ｖｏｌｔとした。また、図１２において、電源線１０２の電圧を３．５ｖｏｌｔにすることで、浮遊拡散領域のリセット電圧を３．５ｖｏｌｔに下げた。結果、暗時の信号を読み出した時点で図１６（Ｂ）に示すポテンシャル構造になるよう駆動した。
【００６６】
図１６のＡのポケットが非常に大きい場合、低照度側でのリニアリティが劣化してしまう問題があった。原因は、ポケットが大き過ぎるため、低照度領域の少ない電荷がポケットに捕獲されてしまうからであった。本実施例のように浮遊拡散領域のリセットレベルに対し転送スイッチのハイレベルを高くする動作にした場合、浮遊拡散領域から電荷でこのポケットを埋めるため、低照度側でのリニアリティが改善される。しかしながら、これだけではこのポケットに残ってしまう電荷によりランダムノイズが異常に増加してしまい、Ｓ／Ｎ比を著しく劣化させてしまう。これに対しては、ミドルレベルを保持することにより、ランダムノイズを低減することができた。
【００６７】
（実施例６）
本実施例においては、実施例１に示した転送スイッチのゲート駆動回路を用いたセンサブロックを用い、図６に示すブロック構成からなる、１０ｂｉｔデジタル出力の１チップ固体撮像装置を作製した。本発明を用いることで、センサー性能を維持しながら、０．３５μｍの汎用のロジックプロセスを用いた高性能なＴＧ（タイミング発生ブロック）１５０１、ＰＧＡ（プログラマブルゲインコントロールアンプ）１５０３とＡＤＣ（ＡＤコンバータ）１５０４を使用することができたため、安価で高性能なデジタル固体撮像装置を提供できた。
【００６８】
加えて、図７に示す、画像圧縮などの信号処理ブロック１６０５を搭載することもできた。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、微細ＭＯＳトランジスタを用いたＡＰＳにおいても、以下の効果を得ることができる。
（１）ランダムノイズや残像の少ない良好な固体撮像装置を提供できる。
（２）プロセスばらつきによる特性劣化を抑制し、安価な固体撮像装置が提供できる。
（３）微細ＭＯＳトランジスタを用いた高性能なロジック回路やアナログ回路と併用することが容易となり、高機能な固体撮像装置の１チップ化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲート駆動回路周辺の等価回路図である。
【図２】実施例１に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である。
【図３】実施例２に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である
【図４】実施例３に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である。
【図５】実施例４に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である。
【図６】本発明による１チップ固体撮像装置を示す構成図である。
【図７】本発明による１チップ固体撮像装置を示す構成図である。
【図８】本発明を用いた場合の立下り速度と残像の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲートへの入力波形図である。
【図１０】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲートへの入力波形図である。
【図１１】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲートへの入力波形図である。
【図１２】ＡＰＳの代表的な画素等価回路図である。
【図１３】ＡＰＳの駆動タイミング図である。
【図１４】微細ＭＯＳトランジスタを用いた場合のホトダイオード、転送スイッチ、浮遊拡散領域の断面図である。
【図１５】図１３のポテンシャル図である。
【図１６】従来の問題点および本発明の原理を説明するためのポテンシャル図である。
【符号の説明】
１０１ ホトダイオード
１００１ 画素
１００２ ゲート駆動回路
１００３ 走査回路
Ｑ１ 転送スイッチ
Ｑ２ リセットスイッチ
Ｑ３ 入力ＭＯＳトランジスタ
Ｑ４ 選択スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置及びその駆動方法に係わり、特に画素毎に信号増幅部を有する固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【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ものと、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、ＭＯＳ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。しかし、その一方で１画素内の素子数が多いことから、光学系の大きさを決定するチップサイズの縮小化が困難であり、市場の大部分をＣＣＤが占めている。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。
【０００４】
図１２に、ＡＰＳの等価回路図を示す。図１２において、Ｑ１はホトダイオード１０１から浮遊拡散領域（ＦＤ）へ光電荷を転送する転送スイッチであり、Ｑ２は浮遊拡散領域をリセットするためのリセットスイッチであり、Ｑ３は浮遊拡散領域の電圧を出力するためのソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタであり、Ｑ４は画素を選択するための選択スイッチである。また、１０２は電源線、１０３はリセットスイッチ制御線、１０４は転送スイッチ制御線、１０５は選択スイッチ制御線、１０６は信号出力線である。選択スイッチＱ４を制御するための選択スイッチ制御線１０５を行方向に共通で配置し、行選択をおこない、１行一括で、ラインメモリに転送する方式でその動作について説明する。
【０００５】
ある画素（行）の読み出しの際に用いられる駆動パルスを図１３に示す。
【０００６】
蓄積動作を開始する前に、図１３中（ａ）のように、リセットスイッチＱ２をＯＮした状態で転送スイッチＱ１をＯＮし、ホトダイオード１０１を一旦リセットする。その後、蓄積を行う。読み出しをおこなうため、リセットスイッチをＯＦＦし、浮遊拡散領域をフローティング状態とし、ついで読み出しのための選択スイッチをＯＮする。入力ＭＯＳトランジスタＱ３と信号出力線１０６に接続した負荷からなるソースフォロワにより、浮遊拡散領域の電圧に応じた電圧が信号出力線１０６に出力される。この出力を、メモリにサンプルリングする。即ち、リセットノイズのサンプリング（ｅ）を行った。その後、浮遊拡散領域（ＦＤ）に光信号電荷を転送する（ｆ）ため、転送スイッチを開閉する。転送（ｆ）は、浮遊拡散領域がフローティング状態でおこなわれるため、浮遊拡散領域の電圧はリセット直後の電圧Ｖresから、Ｑ／ＣFD（転送された電荷Ｑ、ＣFDはFD部の容量）下がった電圧
ＶFD＝Ｖres−Ｑ／ＣFD
になる。すなわち、リセット毎に異なるリセットノイズを含むリセット電圧にＱ/ＣFDが重畳されたことになる。この電圧に応じた信号が信号出力線１０６に出力されるので、この信号をサンプルリングした（ｇ）。
【０００７】
最終的に光信号は、先ほどの「リセットノイズ」の信号と「光信号＋リセットノイズ」の信号を差分回路により、引き算を行い、リセット毎に異なる電圧にリセットされてしまうリセットノイズを除去することができる。
【０００８】
特に、図中のホトダイオード１０１として埋め込みホトダイオードを用いた場合は、完全にリセットノイズを除去することができ、高いＳ／Ｎ比を得られることとなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年のＡＰＳにおいては、残像やランダムノイズの問題が発生している。以下、この原因について詳細に説明する。
【００１０】
前述の通り、近年のＡＰＳは微細ＭＯＳトランジスタを使用することにより、小さい画素サイズを実現している。このため、微細ＭＯＳトランジスタに起因した新たな原因による残像やランダムノイズが発生している。
【００１１】
図１４は微細ＭＯＳトランジスタを用いたＡＰＳの断面構造図である。図１５は図１４の断面構造図に対応したポテンシャル図である。図１４に示すように、ホトダイオードのｎ領域３０５上には表面ｐ領域３０４が設けられ（埋め込みホトダイオードという。）、ＰＷＬ（Ｐウエル）３０１と表面ｐ領域３０４から延びる空乏層によりｎ領域３０５に蓄積された電荷が転送スイッチ（ＳＷ）３０２を介して浮遊拡散領域３０３に完全転送される。浮遊拡散領域３０３はリセット電極３０７にリセットスイッチ（ＳＷ）を介して接続され、所定のリセット電位に設定可能となっている。
【００１２】
微細ＭＯＳトランジスタを用いたＡＰＳにおいては、図１５中のＡ、Ｂのような、ポテンシャルのポケットや障壁が生じてしまう。この結果、転送スイッチ領域にある電荷の一部がホトダイオードにもどってしまい、残像やランダムノイズを発生させてしまっている。
【００１３】
ポテンシャルのポケット（図１５のＡ）や障壁（図１５のＢ）についてさらに詳細に述べる。
【００１４】
微細ＭＯＳトランジスタを作製するためには、製造工程における熱処理の低温化、短時間化が必要となる、その結果、導電型を決定する不純物、たとえばボロンやリンなどの拡散は単純な熱による拡散ではなく欠陥を介した拡散など過渡増束拡散現象の影響が強くなってしまう。結果として、図１５のＢに当たる領域に、ｐ型のウェル領域を決定するボロンが偏析してしまい、ポテンシャル障壁を形成してしまう。このような現象は、微細ＭＯＳトランジスタにおける逆短チャネル効果として知られている。
【００１５】
この様な現象は、チャネル長Ｌ が、Ｌ＜１μｍ以下、特にはＬ≦０．７μｍ以下の領域で顕著に表れる。
【００１６】
一方、図１５のＡに当たる領域、すなわちホトダイオードのｎ領域３０５から転送スイッチ３０２に接続する個所は、信号電荷の転送特性を決定する個所であり、ホトダイオードの表面ｐ領域３０４とｎ領域３０５との位置関係がきわめて重要である。特に微細ＭＯＳトランジスタを用いた場合、転送スイッチ３０２のゲートに印加する電圧を低くしなくてはならず、転送スイッチしたのポテンシャルを十分に押し下げることができず、電荷の転送が困難になってしまう。場合によっては、電荷の転送を促すため、図１４に示すとおり積極的にｎ型からなるバイパス領域３０８を設ける場合もある。
【００１７】
このようなバイパス領域３０８の幅は、０〜０．５μｍ程度であり、バイパス領域３０８の幅が狭すぎると転送が困難となり、転送の幅が広すぎるとポテンシャルポケットが生じてしまう。転送スイッチ３０２のゲートに印加する電圧が高い場合は、その電圧で転送を補うことができ、設計値をポテンシャルポケットができないように設定することは可能である。しかし、微細ＭＯＳトランジスタを用いた場合、電圧により転送を補うことができないため、その幅の制御性は０．０５μｍ以下にもなり、微細ＭＯＳトランジスタのゲート長の制御性より厳しいものが要求される。結果として、ポテンシャルポケットが発生しやすくなっている。
【００１８】
従来技術においては、以上説明したポテンシャルポケット（図１５のＡ）やポテンシャル障壁（図１５のＢ）により転送スイッチ３０２のゲート下に電荷が残留してしまう問題があった。
【００１９】
この残留量は、転送スイッチ３０２のゲート電圧のハイレベル＝ＶTXH、転送スイッチ３０２の閾値電圧＝ＶTXthと浮遊拡散領域の電圧＝ＶFDを用いれば、
残留量∝（ＶTXH−ＶTXth−ＶFD)
の関係がある。
【００２０】
この残留電荷の一部もしくは全部がホトダイオードに戻ってしまい、結果として残像が発生する。また動作条件によっては、暗時においても残留電荷が発生し、この電荷がホトダイオードにもどってしまう。当然この残留電荷は熱的に揺らぐため、ランダムノイズとなってしまう。
【００２１】
図１６は転送スイッチの開閉のポテンシャルの様子を示している。図１６（Ａ）は浮遊拡散領域をリセットした直後のポテンシャル図である。ホトダイオードには信号電荷が蓄積された状態である。図１６（Ｂ）は転送スイッチをＯＮし、信号電荷を浮遊拡散領域に転送している状態のポテンシャル図である。この時、浮遊拡散領域のポテンシャルは信号電荷により上昇する。
【００２２】
信号電荷の量によっては、転送スイッチのゲート下の表面ポテンシャルが浮遊拡散領域のポテンシャルより低くなるため、転送スイッチのゲート下にも電荷が発生してしまう。図１６（Ｃ）は転送スイッチを閉める状態を表しており、転送スイッチのゲート下に誘起された電荷が浮遊拡散領域に移動しきれない様子を示している。この移動しきれなかった電荷がホトダイオード側にもどり、残像やランダムノイズの原因となってしまう。
【００２３】
ＣＣＤにおいては、電源電圧が高いため、最大信号電荷が転送されても、転送スイッチの表面ポテンシャルは、常に垂直ＣＣＤよりも高くなるため、転送スイッチのゲート下には電荷が発生することはない。
【００２４】
微細ＭＯＳを用いたＡＰＳにおいては、電源電圧が低いため、少なくとも最大信号電荷が転送した場合は図１６（Ｂ）のような状態が生じてしまい、ＣＣＤのようなポテンシャル関係を形成するのが困難である。さらには、リセットの電圧が低い場合は、暗時においても図１６（Ｂ）のような状態が生じてしまい、暗時におけるランダムノイズの要因となってしまう。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある第３のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記第３のレベルを所定時間保持してなる、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えたものである。
【００２６】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある複数のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記複数のレベルの各々のレベルを所定時間保持してなる、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えたものである。
【００２７】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、を備えたものである。
【００２８】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルとを含み、且つ前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、を備えたものである。
【００３１】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするための立下り速度Ｖoffが１０V/μsec＞Ｖoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えたものである。
【００３３】
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある第３のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記第３のレベルを所定時間保持してなる制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３４】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある複数のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記複数のレベルの各々のレベルを所定時間保持してなる制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３５】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３６】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルとを含み、且つ前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３７】
また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするための立下り速度Ｖoffが１０Ｖ／μｓｅｃ＞Ｖoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動するものである。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明者らは、検討の結果、図８に示す「立下り速度と残像の関係」を見出した。図９は転送スイッチのパルス波形の一例を示しているが、立下り速度とは、図中の立下り期間の電圧降下の速度を意味する。
【００３９】
図８に示す通り、立下り速度の低下に伴い残像が減少している。立下り速度が遅いというのは、図１６（Ｄ）に示すポテンシャル構造を維持する時間を長くすることができ、結果として残留電荷を浮遊拡散領域に排出することができことを見出した。
【００４０】
立下り速度を５００Ｖ／μｓｅｃとした場合、１％程度の残像が発生する。一般的に画像として許容できるノイズレベルは−４６〜−４８ｄＢ程度であり、立下り速度を５００Ｖ／μｓｅｃとした場合には、このレベルを満たすことができない。これに対し、立下り速度を１０Ｖ／μｓｅｃ程度にすることで、上記レベルを達成することができ良好な画像を得ることができた。
【００４１】
図１６（Ｄ）のポテンシャル構造の特徴は、（１）転送スイッチのゲート下の表面ポテンシャルが浮遊拡散領域のキャリアのフェルミレベルより高く、（２）ドレイン電界の影響でＢにあるポテンシャル障壁がなくなっていることである。
【００４２】
この様なポテンシャル構造を維持する時間を長くすることで、転送スイッチのゲート下の残留電荷のほとんどを浮遊拡散領域に排出することができる。
【００４３】
重要なことは、図１６（Ｄ）に示すようなポテンシャル構造をある一定の期間保持することであり、たとえば、図１０に示すように図１６（Ｄ）に示すポテンシャル構造になる電圧に一旦保持し、その後ＯＦＦするような３値パルスでもかまわない。当然のことながら、３値パルスに限定されるものではなく、多値でもかまわない。また、図１１に示すような曲線状にレベルが減衰する波形でもかまわない。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００４５】
（実施例１）
図１は、図１２に示した画素を複数配列した場合の転送スイッチの駆動回路周辺を模式的にあらわした図である。図１において、１００１は図１２に示した画素構成と同じ構成の画素、１００２は画素１００１内の転送スイッチＱ１を動作させるゲート駆動回路、１００３は行ごとに転送スイッチを制御する走査回路である。
【００４６】
本実施例においては、図２に示すゲート駆動回路を用い、図１０に示す波形を形成した。図２においては、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルを出力するために、走査回路１００３から走査回路の入力端子１１０５，１１０６，１１０７にそれぞれ（１，０，０）、（０，１，０）、（０，０，１）が入力されるよう設計した。ここで、“１”はＨＩＧＨレベル、“０”はＬＯＷレベルである。走査回路の入力端子１１０５，１１０６，１１０７はそれぞれスイッチの制御端子に接続され、ローレベル供給線１１０２、ミドルレベル供給線１１０３、ハイレベル供給線１１０４からローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの信号が各スイッチを介して出力端子１１０１に出力される。出力端子１１０１は図１の画素１００１の転送スイッチＱ１のゲートに接続される。
【００４７】
具体的には、転送スイッチのハイレベルを５．０ｖｏｌｔ、ミドルレベルを３．０ｖｏｌｔ、ローレベルを０．０ｖｏｌｔとした。ミドルレベルの保持時間は、０．５μｓｅｃとした。その結果、残像が０．１％以下であった。また、ランダムノイズが抑制され、特に暗時においては、電荷転送に起因するランダムノイズはなくなった。本実施例の結果、図８の立下り速度−残像のグラフより残像の改善が高いのは、図９に示す波形に比べ、図１６（Ｄ）のポテンシャル構造をより長く保持できたためと考えられる。
【００４８】
（実施例２）
本実施例に用いた、転送スイッチのゲート駆動回路を図３に示す。なお、ここでは図１の走査回路１００３からの一入力端子を１２０６として示す。図３において、図１の走査回路１００３の入力端子１２０６はｐＭＯＳトランジスタ１２０１のゲート及びｎＭＯＳトランジスタ１２０２のゲートに接続され、ｐＭＯＳトランジスタ１２０１のドレイン及びｎＭＯＳトランジスタ１２０２のドレインは共通接続されて容量１２０４と電圧フォロワアンプ１２０５の非反転入力端子（＋）とに接続される。ｎＭＯＳトランジスタ１２０２のソースは定電流原１２０３に接続される。出力端子１２０７は図１の画素１００１の転送スイッチＱ１のゲートに接続される。
【００４９】
容量１２０４の容量値と定電流源１２０３の電流値で転送スイッチＱ１のゲートの立下り速度を決定した。
【００５０】
この結果、図９に示すような台形波を形成した。本実施例における立下り速度は、１０Ｖ／μｓｅｃとした。結果として、図８に示す通り、０．４％まで残像を抑制することができた。また、電荷転送に起因する、特に暗時のランダムノイズはなくなった。
【００５１】
上述した実施例１においては、図１６（Ｄ）のポテンシャル構造を形成する最適なゲート電圧は、３．０ｖｏｌｔであったが、この電圧はホトダイオードの空乏化電圧などで変化してしまう。即ち製造ばらつきにより変動をうけてしまい、結果として残像やランダムノイズを改善できるサンプルの歩留まりが悪くなる場合があった。
【００５２】
しかしながら、本実施例のような台形波を用いることで、あらゆるゲート電圧においてある一定の時間を実質的に保持するため、最適なゲート電圧がばらついたとしても、残像およびランダムノイズの特性は改善された。
【００５３】
（実施例３）
本実施例に用いた、転送スイッチのゲート駆動回路を図４に示す。なお、ここでは図１の走査回路１００３からの一入力端子を１３０１として示す。各ＭＯＳトランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用した。
【００５４】
図４において、図１の走査回路１００３の入力端子１３０１はインバータを介してＭＯＳトランジスタＱ１２，Ｑ１５に接続される。電源ラインとＧＮＤラインとの間にはＭＯＳトランジスタＱ１２，Ｑ１３，Ｑ１４が直列接続され、またＭＯＳトランジスタＱ１１，Ｑ１６，Ｑ２１，Ｑ３１が直列接続される。ＭＯＳトランジスタＱ１５はＭＯＳトランジスタ１４のソース・ドレイン間に並列に接続され、ＭＯＳトランジスタ１４のドレイン（ＭＯＳトランジスタＱ１３とＭＯＳトランジスタ１４との接続点）はＭＯＳトランジスタＱ１１，Ｑ１６のゲートに共通接続される。ＭＯＳトランジスタＱ１１とＭＯＳトランジスタ１６とのドレイン接続点である出力端子１３０２は図１の画素１００１の転送スイッチＱ１のゲートに接続される。
【００５５】
本実施例においては、行選択のための走査回路からの出力は、選択時にＨｉｇｈであり、また転送スイッチのゲートの共通制御線は、転送スイッチをＯＮするときには、ＬＯＷとなるように設計した。また、転送スイッチはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用した。
【００５６】
本実施例の特徴は、以下の通りである。
（１）ｎ型ＭＯＳトランジスタを直列に接続した出力部の構成を取っている。
（２）転送スイッチの立下り速度を転送スイッチのゲートラインの容量とＭＯＳトランジスタＱ２１、Ｑ３１のＯＮ抵抗で決定している。
【００５７】
立下り速度を１０Ｖ／μｓｅｃになるように設計した。この際ｎ型ＭＯＳトランジスタのサイズだけでは、小さい電流値を設計するのは多くの場所を必要とするが、本実施例のような構成にすることで、大きくサイズを変更することなく、駆動回路を構成することが可能となった。ホトダイオードからの電荷転送をするための期間である、ブランキング期間には時間的な制限があるため、転送スイッチをＯＮ時の立ち上がり速度は従来のように速くすることが求められる。従って、立ち上がり時間Ｔonと立下り時間ＴoffはＴon＜Ｔoffとした。
【００５８】
本実施例はまた、転送スイッチの制御線をオフ状態からオン状態とする際の駆動力が、オン状態からオフ状態とする際の駆動力に対し、実質的に高くなるように構成したものであり、その結果以下のような特性を得ることができた。
【００５９】
以上のようにすることで、本実施例においては、残像が０．４％以下で暗時のランダムノイズのない良好な固体撮像装置が得ることができた。
【００６０】
なお、本実施例では転送スイッチはｎ型ＭＯＳトランジスタ、ゲート駆動回路を構成する各ＭＯＳトランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用したが、転送スイッチはｐ型ＭＯＳトランジスタ、ゲート駆動回路を構成する各ＭＯＳトランジスタはｐ型ＭＯＳトランジスタを使用しても本発明の効果を得ることができる。
【００６１】
（実施例４）
本実施例に用いた、転送スイッチのゲート駆動回路を図５に示す。図５において、図４の構成部材と同一構成部材については同一符号を付する。本実施例では、図５に示すように、図４のＭＯＳトランジスタＱ２１，Ｑ３１に替えて定電流源Ｉcontを用いた。
【００６２】
本実施例においては、行選択のための走査回路からの出力は、選択時にＨｉｇｈであり、また転送スイッチのゲートの共通制御線は、転送スイッチをＯＮするときには、ＬＯＷとなるように設計した。また、転送スイッチはｎ型ＭＯＳトランジスタを使用した。
【００６３】
本実施例の特徴は、以下の通りである。
（１）定電流源を含んだ出力部の構成としている。
（２）転送スイッチの立下り速度を転送スイッチのゲートラインの容量と定電流源の電流値で決定している。
【００６４】
立下り速度を１．５Ｖ／μｓｅｃになるように設計した。立下り速度を定電流源で決定しているため、立下り速度を精密に設計でき、電源電圧の変動などに強い構成であった。結果として、残像が０．１％以下で暗時のランダムノイズのない良好な固体撮像装置が得ることができた。
【００６５】
（実施例５）
本実施例においては、図２に示すゲート駆動回路を用い、ハイレベルの電圧＝６ｖｏｌｔ、ミドルレベルの電圧＝２．５ｖｏｌｔ、ローレベルの電圧＝０ｖｏｌｔとした。また、図１２において、電源線１０２の電圧を３．５ｖｏｌｔにすることで、浮遊拡散領域のリセット電圧を３．５ｖｏｌｔに下げた。結果、暗時の信号を読み出した時点で図１６（Ｂ）に示すポテンシャル構造になるよう駆動した。
【００６６】
図１６のＡのポケットが非常に大きい場合、低照度側でのリニアリティが劣化してしまう問題があった。原因は、ポケットが大き過ぎるため、低照度領域の少ない電荷がポケットに捕獲されてしまうからであった。本実施例のように浮遊拡散領域のリセットレベルに対し転送スイッチのハイレベルを高くする動作にした場合、浮遊拡散領域から電荷でこのポケットを埋めるため、低照度側でのリニアリティが改善される。しかしながら、これだけではこのポケットに残ってしまう電荷によりランダムノイズが異常に増加してしまい、Ｓ／Ｎ比を著しく劣化させてしまう。これに対しては、ミドルレベルを保持することにより、ランダムノイズを低減することができた。
【００６７】
（実施例６）
本実施例においては、実施例１に示した転送スイッチのゲート駆動回路を用いたセンサブロックを用い、図６に示すブロック構成からなる、１０ｂｉｔデジタル出力の１チップ固体撮像装置を作製した。本発明を用いることで、センサー性能を維持しながら、０．３５μｍの汎用のロジックプロセスを用いた高性能なＴＧ（タイミング発生ブロック）１５０１、ＰＧＡ（プログラマブルゲインコントロールアンプ）１５０３とＡＤＣ（ＡＤコンバータ）１５０４を使用することができたため、安価で高性能なデジタル固体撮像装置を提供できた。
【００６８】
加えて、図７に示す、画像圧縮などの信号処理ブロック１６０５を搭載することもできた。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、微細ＭＯＳトランジスタを用いたＡＰＳにおいても、以下の効果を得ることができる。
（１）ランダムノイズや残像の少ない良好な固体撮像装置を提供できる。
（２）プロセスばらつきによる特性劣化を抑制し、安価な固体撮像装置が提供できる。
（３）微細ＭＯＳトランジスタを用いた高性能なロジック回路やアナログ回路と併用することが容易となり、高機能な固体撮像装置の１チップ化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲート駆動回路周辺の等価回路図である。
【図２】実施例１に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である。
【図３】実施例２に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である
【図４】実施例３に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である。
【図５】実施例４に用いた転送スイッチのゲート駆動回路の回路図である。
【図６】本発明による１チップ固体撮像装置を示す構成図である。
【図７】本発明による１チップ固体撮像装置を示す構成図である。
【図８】本発明を用いた場合の立下り速度と残像の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲートへの入力波形図である。
【図１０】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲートへの入力波形図である。
【図１１】本発明の実施例に用いた転送スイッチのゲートへの入力波形図である。
【図１２】ＡＰＳの代表的な画素等価回路図である。
【図１３】ＡＰＳの駆動タイミング図である。
【図１４】微細ＭＯＳトランジスタを用いた場合のホトダイオード、転送スイッチ、浮遊拡散領域の断面図である。
【図１５】図１３のポテンシャル図である。
【図１６】従来の問題点および本発明の原理を説明するためのポテンシャル図である。
【符号の説明】
１０１ ホトダイオード
１００１ 画素
１００２ ゲート駆動回路
１００３ 走査回路
Ｑ１ 転送スイッチ
Ｑ２ リセットスイッチ
Ｑ３ 入力ＭＯＳトランジスタ
Ｑ４ 選択スイッチ
Claims (11)
- 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある第３のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記第３のレベルを所定時間保持してなる、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある複数のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記複数のレベルの各々のレベルを所定時間保持してなる、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルとを含み、且つ前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数と、
前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするための立下り速度Ｖoffが１０V/μsec＞Ｖoffである、前記転送スイッチの制御信号を生成する信号発生手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の固体撮像装置において、前記光電変換部が埋め込み型のホトダイオードからなることを特徴とする固体撮像装置。
- 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある第３のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記第３のレベルを所定時間保持してなる制御信号により、前記転送スイッチを駆動する固体撮像装置の駆動方法。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間にある複数のレベルとを含み、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに前記第２のレベルから前記第１のレベルへと移行する間に前記複数のレベルの各々のレベルを所定時間保持してなる制御信号により、前記転送スイッチを駆動する固体撮像装置の駆動方法。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと、前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動する固体撮像装置の駆動方法。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、前記転送スイッチがオン状態となる第２のレベルとを含み、且つ前記転送スイッチをオフ状態からオン状態にするまでの時間Ｔonと前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするまでの時間Ｔoffとが、Ｔon＜Ｔoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動する固体撮像装置の駆動方法。 - 光電変換部、浮遊拡散領域を含む信号増幅部、該光電変換部から該浮遊拡散領域に電気信号を転送するための転送スイッチ、を少なくとも有する画素の複数を備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記転送スイッチをオン状態からオフ状態にするための立下り速度Ｖoffが１０Ｖ／μｓｅｃ＞Ｖoffである制御信号により、前記転送スイッチを駆動する固体撮像装置の駆動方法。
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