JP4713997B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、固体撮像装置に関し、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ等に適用されるものである。

従来より様々な理由から、ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素（PIXEL）の画素サイズの縮小が進んでいる。特に施策をすることなくこの画素サイズを縮小すると、増幅トランジスタのゲート電極の専有面積も縮小するため、画素のフローティングディフュージョンの容量が小さくなる。このフローティングディフュージョンに蓄積可能な電荷量Ｑは、Ｑ＝ＣＶfdで表されるからである（Ｃ：ゲート容量、Ｖfd：フローティングディフュージョンの電位）。そのため、電荷量Ｑは、電圧Ｖfdが一定であれば、容量Ｃに比例して、取り扱い可能電荷量が減少してしまうという問題がある。

この問題を解決する一手段として、2004年のISSCCで馬渕らにより発表された例がある（非特許文献１参照）。この例では、フローティングディフュージョンの電圧を、ドレイン電圧よりも高くする（昇圧する）ことにより、取り扱い可能な電荷量を増やしている。以下、この文献を例に挙げて、従来の固体撮像装置について説明する。

上記非特許文献１のＦｉｇ．４（ｂ）は、リセットトランジスタＲＳＴのゲートをHighにして、リセットトランジスタＲＳＴをオンさせた直後のポテンシャル図である。リセットトランジスタＲＳＴがオンしているため、フローティングディフュージョンＦＤの電位はリセットトランジスタＲＳＴのチャネルポテンシャルにほぼ等しい電位となっている。

一方、垂直信号線ＳＩＧの電位はフローティングディフュージョンＦＤの電位を反映して上昇するが、上昇する時間は垂直信号線の対接地容量と、Loadトランジスタの電流供給能力で決定される。そのため、定常状態になるためには比較的長い時間が必要である。このため、Ｆｉｇ．４（ｂ）の時点では、定常状態には達しておらず、Ｆｉｇ．４（ａ）より少し電位が高い状態にある。

続いて、Ｆｉｇ．４（ｃ）は、リセットトランジスタＲＳＴをオンさせて暫くたち、垂直信号線ＳＩＧの電位が定常状態に達した時のポテンシャル図である。図中のフローティングディフュージョンＦＤは、電位がリセットトランジスタのチャネルポテンシャルとほぼ等しい状態に達した後は、フローティング状態になっている。このため、垂直信号線ＳＩＧの電位が変化すると、増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量を介して、より高い電位となり、最終的には、ドレイン電圧ＤＲＮよりも高い電圧に昇圧される。

ここで、上記Ｆｉｇ．４（ｂ）からＦｉｇ．４（ｃ）に示すポテンシャル状態に変化する時のフローティングディフュージョンＦＤの電位の変化は、以下の数式で表わされることが知られている。

ここで、ΔＶsigは、上記Ｆｉｇ．４（ｂ）からＦｉｇ．４（ｃ）に示すポテンシャル状態に変化した時の垂直信号線ＳＩＧの電位の変化量であり、Ｃampは増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量である。

さらに、上式でＣampの前に“２／３”の係数がかかっているのは、上記Ｆｉｇ．４（ｂ）の際に、増幅トランジスタＡＭＰのドレイン（ＤＲＮ）とソース（ＳＩＧ）との間に電位差が生じて、増幅トランジスタＡＭＰが五極間領域（飽和領域）で動作しているためである。例えば、上記Ｆｉｇ．４（ｂ）の上の断面図で、増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量の２／３が容量に寄与する様子が図示されている。

上記のように、従来の固体撮像装置では、昇電動作の際に、増幅トランジスタが五極間領域で動作しているため、増幅トランジスタのゲート容量のうち、“２／３”しか昇圧動作に寄与できなかった。そのため、フローティングディフュージョンに蓄電できる電子の量の増大に対して不利であるという事情があった。この問題は、単位画素の微細化に伴い、増幅トランジスタのゲート電極の専有面積が低減した場合により顕著となる。
"CMOS Image Sensor Using a Floating Diffusion Driving Buried Photodiode", ISSCC Digest of Technical Papers, Feb. 2004

この発明は、フローティングディフュージョンに蓄電できる電子の量を増大できる固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。

この発明の一態様によれば、垂直信号線と、入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードからの入力信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタとを備える単位画素と、前記リセットトランジスタが駆動する間、前記垂直信号線の電位状態を維持するように構成された制御回路とを具備し、前記増幅トランジスタの制御電極の対接地容量の容量値をＣfd、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間の容量値をＣampとしたとき、Ｃamp＞Ｃfdである固体撮像装置を提供できる。

この発明によれば、フローティングディフュージョンに蓄電できる電子の量を増大できる固体撮像装置が得られる。

以下、この発明の一実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、図１乃至図４を参照して説明する。尚、この説明においては、全図にわたり共通の部分には共通の参照符号を付す。図１は、この実施形態に係る固体撮像装置の一例を模式的に示す平面図である。

図示するように、半導体チップ１１中に画素領域１２、垂直シフトレジスタ１３、ＡＤ変換回路１５が配置されている。

画素領域１２には、光電変換し蓄積するフォトダイオードを含む単位画素２１がアレイ状に配置されており、撮像部として機能する。

垂直シフトレジスタ１３は、信号ＬＳ１〜ＳＬｋを画素領域１２に出力し、単位画素２１をリセット信号線ごとに選択する選択部として機能する。選択されたリセット信号線分の単位画素２１からはそれぞれ、入射された光の量に応じたアナログ信号Ｖsigが垂直信号線ＶＳＬを介して出力される。

ＡＤ変換回路１５は、垂直信号線ＶＳＬを介して入力されたアナログ信号Ｖsigをデジタル信号に変換するように機能する。

次に、画素領域１２中の単位画素（PIXEL）について、図２を用いて説明する。ここでは、信号ＬＳ１が入力される一選択単位画素を例に挙げて説明する。

図示するように、単位画素２１が設けられている。この単位画素２１は、フォトダイオード２２、増幅トランジスタＴｒ１、読み出しトランジスタＴｒ２、リセットトランジスタＴｒ３、アドレストランジスタＴｒ４を備えている。

フォトダイオード２２のカソードは接地されている。増幅トランジスタＴｒ１は、フローティングディフュージョンＦＤからの信号を増幅して出力するように構成されている。増幅トランジスタのゲートはフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ソースは垂直信号線ＶＳＬに接続され、ドレインはアドレストランジスタＴｒ４のソースに接続されている。

読み出しトランジスタＴｒ２は、フォトダイオード２２の蓄積を制御するように構成されている。読み出しトランジスタＴｒ２のゲートは読み出し信号線ＴＲＦに接続され、ソースはフォトダイオード２２のアノードに接続され、ドレインはフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。

リセットトランジスタＴｒ３は、増幅トランジスタＴｒ１のゲート電位をリセットするように構成されている。リセットトランジスタＴｒ３のゲートはリセット信号線ＲＳＴに接続され、ソースはフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレインはドレイン電源ＤＲＮに接続されている。

アドレストランジスタＴｒ４のゲートは、アドレス信号線ＡＤＲに接続され、ドレインは電源ＤＲＮに接続されている。

また、フローティングディフュージョンＦＤの対接地容量Ｃ１の容量値をＣfdで示し、フローティングディフュージョンＦＤと垂直信号線ＶＳＬとの間のゲート容量Ｃ２の容量値をＣampで示している。

さらに、上記垂直信号線ＶＳＬの電圧を制御するように構成されたＶＳＬ制御回路３１が設けられている。このＶＳＬ制御回路２１は、制御信号線ＤＣ、バイアス用トランジスタＴｒ５、選択信号線ＳＦ、負荷トランジスタＴｒ６、電流源３２を備えている。

バイアス用トランジスタＴｒ５は、垂直信号線ＶＳＬの電位をＢＡＩＳレベルに固定するように構成されている。バイアス用トランジスタゲートは制御信号線ＤＣに接続され、ソースは電源ＢＩＡＳに接続され、ドレインは垂直信号線ＶＳＬに接続されている。

選択信号線ＳＦは、負荷トランジスタＴｒ６のゲートに接続されている。負荷トランジスタＴｒ６のソースはトランジスタＴｒ５のドレインに接続され、ドレインは電流源３２の一端に接続されている。電流源３２の他端は接地されている。

＜駆動方法＞
次に、この実施形態に係る個体撮像装置の駆動方法について、図３および図４を用いて説明する。図３は、この実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャート図である。図４は、この実施形態に係る固体撮像装置の一動作におけるポテンシャル図である。

まず、時刻ｔ０における初期状態では、制御信号線ＤＣを選択してHigh状態にし、バイアス用トランジスタＴｒ５をオンとしている。そのため、垂直信号線ＶＳＬには電源ＢＩＡＳからの比較的低い電圧が印加されている。また、この時刻においては、リセットトランジスタＴｒ３及びアドレストランジスタＴｒ４はオフしている。

続いて、時刻ｔ１において、リセット信号線ＲＳＴ１を選択し、リセットトランジスタＴｒ３をオンとする。そして、電源ＤＲＮとフローティングディフュージョンＦＤを導通させ、フローティングディフュージョンＦＤの電位をドレイン電圧にほぼ近い電位にリセットする。増幅トランジスタＴｒ１のゲート電圧は、フローティングディフュージョンＦＤの電圧に等しいので、増幅トランジスタはオンし、増幅トランジスタのソース、ドレイン端子の電位とも、電源BAISの電圧の値に等しくなる。

続いて、時刻ｔ２において、リセット信号線ＲＳＴをLow状態とし、リセットトランジスタＴｒ３をオフとする。そして、フローティングディフュージョンＦＤの電位状態をフローティング状態とする。

続いて、時刻ｔ３において、制御信号線ＤＣをLow状態として、バイアス用トランジスタＴｒ５をオフとする（図４（ａ））。

続いて、時刻ｔ４において、選択信号線ＳＦにトランジスタの閾値より、例えば、０．３Ｖ程度高い電圧を印加し、負荷トランジスタを定電流回路とし、ほぼ同時刻にアドレス信号線ＡＤＲを選択することによって、アドレストランジスタＴｒ４をオンとする。この際、垂直信号線ＶＳＬの電位を増幅トランジスタＴｒ１および負荷トランジスタＴｒ６とで構成されソースフォロワで決まる電圧Ｖsigは、前記電源BAISよりも高い電圧に設定する。すると時刻ｔ４では、増幅トランジスタＴｒ１のソース／ドレイン端子の電圧は電源BAISの電圧値にほぼ等しく、定常状態であるＶsigより低い電圧であるので、Ｖsigに向かって電圧が上昇していく。ここで、増幅トランジスタＴｒ１は、図４（ｂ）に示すように、三極間領域で動作している（ドレインの電圧がチャネル電位よりも低い）。

すると、時刻ｔ５において、フローティングディフュージョンＦＤは、増幅トランジスタＴｒ１のチャネルと、容量Ｃampで容量結合しているので、図４（ｃ）に示すように、リセット信号線ＲＳ１における選択画素２１のフローティングディフュージョンＦＤは容量結合により、以下に示す電位ΔＶfdだけ、高い電位となる。即ち、以下のように示される。

上記のように、上式中のパラメータを適切に設定することにより、ドレイン電圧よりも高い電圧に昇圧することができる。

しかも、上式ではＣampの前に“２／３”の係数がかかっていない。これは、リセット時間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）の間、垂直信号線ＶＳＬの電位が電圧Ｖsigよりも低い電源BIASの電圧に維持されている。そして、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間で、増幅トランジスタのドレインの電位がチャネル電位よりも低くなるように駆動されている。そのため、増幅トランジスタＴｒ１を、三極間領域（線形領域）Ｄ１で動作させることができる。従って、効率的に、即ち、破線３５で示す従来の増加の電位ΔＶｆｄ´に比べて１．５倍程度にフローティングディフュージョンＦＤの電位を昇圧することができる。これは、破線３５で示す増幅トランジスタが、五極間領域（飽和領域）Ｄ２により動作していたためである。

その後、時刻ｔ５と時刻ｔ６の間は、増幅トランジスタＴｒ１が五極間領域で動作するので、フローティングディフュージョンＦＤの電圧の変化は比較的小さく、また垂直信号線ＶＳＬの電位は、ほぼ時刻ｔ４の時のままで変化は小さい。そして、選択ラインのフローティングディフュージョンＦＤの電位によって決まる電圧Ｖsigが垂直信号線ＶＳＬに出力される。

続いて、時刻ｔ７の際に、垂直信号線ＶＳＬの出力が画素２１のリセットレベル（Reset Level）になると、読み出し信号線ＴＲＦをHigh状態とし、読み出しトランジスタＴｒ２をオンとする。そして、フォトダイオード２２の信号が出力された状態の垂直信号線ＶＳＬの出力が、単位画素２１の出力信号レベルとなり、出力信号（signal）を送信する（Signal Level）。

続いて、制御信号線ＤＣをHigh状態とし、バイアス用トランジスタＴｒ４をオンして、初期状態に戻る。

尚、この実施形態ではフローティングディフュージョンＦＤの電位変化は、以下の数式で決定される。

そのため、ＣampをＣfdと比較して大きく設定し、出来ればＣamp＞Ｃfdとし、さらに、（Ｖsig−BIAS）を比較的大きな値に設定することが望ましい。

以上のように、この実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、下記（１）乃至（３）に示す効果が得られる。

（１）フローティングディフュージョンＦＤに蓄電できる電子の量を増大できる。

上記のように、リセット時間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）の間、垂直信号線ＶＳＬの電位が電圧Ｖsigよりも低い電源BIASの電圧に維持されている。そして、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間で、増幅トランジスタのドレインの電位がチャネル電位よりも低くなるように駆動されている。そのため、増幅トランジスタＴｒ１を、三極間領域（線形領域）Ｄ１で動作させることができ、増幅トランジスタＴｒ１のゲート容量（対接地容量）Ｃ２の容量値Ｃampの全てを昇電動作に寄与させることができる。そのため、Ｃampの前に“２／３”の係数がかかっていない容量結合により、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電位ΔＶｆｄだけ増加することができる。この増加分の電位ΔＶｆｄは、下記のように表わすことができる。

結果、フローティングディフュージョンＦＤに蓄電できる電子の量を増大することができる点で有利である。例えば、この実施形態の場合には、フローティングディフュージョンＦＤに蓄電できる電子の量は、破線３５で示す一従来例の増加の電位ΔＶｆｄ´に比べて、１．５倍程度にすることができる。

（２）昇圧動作の信頼性を向上することができる。

さらに、上記昇圧動作は、増幅トランジスタＴｒ１のゲート容量（対接地容量）Ｃ２の容量値Ｃampを利用した、スタティックな動作である。

そのため、単位画素２１を昇圧動作させる際の周波数に依存せずにフローティングディフュージョンＦＤの昇圧をすることができる。よって、周波数に依存してフローティングディフュージョンＦＤの昇圧が変動してしまうことを防止することができる。結果、昇圧動作の信頼性を向上できる点で有利である。

（３）微細化に対して有利である。

上記のように、この実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、増幅トランジスタＴｒ１のゲート容量（対接地容量）Ｃ２の容量値Ｃampの全てを昇電動作に寄与させることができる。そのため、ゲート容量を増大するために、増幅トランジスタＴｒ１のゲート電極の面積を増大させる必要がなく、ゲート電極の面積を低減することが可能である。結果、増幅トランジスタＴｒ１の専有面積を低減できる点で、微細化に対して有利である。

以上、上記実施形態を用いてこの発明の説明を行ったが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の一実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図。 図１中の一単位画素を示す回路図。 図２に示す一単位画素の駆動動作を示すタイミングチャート図。 図２に示す一画素単位のポテンシャル図であり、（ａ）は時刻ｔ３の際のポテンシャル図、（ｂ）は時刻ｔ４の際のポテンシャル図、（ｃ）は時刻ｔ４の際のポテンシャル図、（ｄ）は時刻ｔ４の際のポテンシャル図である。

符号の説明

２１…単位画素、２２…フォトダイオード、Ｔｒ１…増幅トランジスタ、Ｔｒ２…読み出しトランジスタ、Ｔｒ３…リセットトランジスタ、Ｔｒ４…アドレストランジスタ、Ｔｒ５…バイアス用トランジスタ、Ｔｒ６…負荷トランジスタ、ＤＲＮ…ドレイン電源、Ｃ１、Ｃ２…容量、ＶＳＬ…垂直信号線、３１…ＶＳＬ制御回路、３２…電流源。

Claims (4)

1. 垂直信号線と、
   入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードからの入力信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタとを備える単位画素と、
   前記リセットトランジスタが駆動する間、前記垂直信号線の電位状態を維持するように構成された制御回路とを具備し、
   前記増幅トランジスタの制御電極の対接地容量の容量値をＣfd、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間の容量値をＣampとしたとき、Ｃamp＞Ｃfdであること
   を特徴とする固体撮像装置。
2. 前記増幅トランジスタは、前記リセットトランジスタが駆動する間において、ドレイン電圧がチャネル電位より低いこと
   を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記制御回路は、制御信号線と、制御電極が前記制御信号線に接続され、電流経路の一端が前記垂直信号線に接続され、電流経路の他端に固定電位が印加されるバイアス用トランジスタとを備えること
   を特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記単位画素は、ソースが前記増幅トランジスタのドレインに接続され、ドレインが電源に接続されたアドレストランジスタを更に備えること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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