KR20090105871A

KR20090105871A - 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법 및 전자 기기

Info

Publication number: KR20090105871A
Application number: KR1020090028446A
Authority: KR
Inventors: 유스케 오이케
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2009-10-07
Also published as: CN101562707B; JP2009268083A; KR101531657B1; US8570410B2; EP2107610A2; TW201309005A; JP5568880B2; EP2654081A3; US8934036B2; TWI495310B; EP2654081B1; EP2654081A2; US20140015012A1; TWI444039B; CN101562707A; EP2107610A3; US20120327278A1; CN102209206A; EP2107610B1; US20090251582A1

Abstract

고체 촬상 장치는, 입사광량에 따라 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전 변환 소자, 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하는 제1 전송 게이트, 전송되는 전하를 유지하는 전하 유지 영역, 유지된 전하를 전송하는 제2 전송 게이트, 및 전송되는 전하를 전압으로 변환하는 부유 확산 영역을 포함하는 복수의 단위 화소와; 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 전하 유지 영역에 전송하는 중간 전하 전송부와; 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 제1 신호 전하를 부유 확산 영역에 전송하고, 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 축적된 전하를 제2 신호 전하로서 전하 유지 영역에 전송하는 화소 구동부를 포함한다.

광전 변환 소자, 전송 게이트, 단위 화소, 중간 전하 전송부, 화소 구동부

Description

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법 및 전자 기기{SOLID STATE IMAGING DEVICE, DRIVING METHOD OF THE SOLID STATE IMAGING DEVICE, AND ELECTRONIC EQUIPMENT}

본 발명은 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법 및 전자 기기에 관한 것이다.

고체 촬상 장치로서, 예를 들면, 광전 변환 소자인 포토다이오드의 pn 접합 커패시턴스에 축적된 광전하를 MOS 트랜지스터를 통하여 판독하는 CMOS 이미지 센서가 있다. 이 CMOS 이미지 센서에서는, 화소마다, 행마다 등으로 포토다이오드에 축적된 광전하를 판독하는 동작을 실행한다. 그러므로, 광전하를 축적하는 노광 기간이 모든 화소에 대해 일치하지 않으며, 피사체가 움직이고 있는 등의 경우에는 촬상 시에 불균일이 발생한다.

도 38은 단위 화소(이하, 단지 "화소"로 기술하는 경우도 있음)의 구성예를 나타낸다. 도 38에 나타낸 바와 같이, 단위 화소(100)는 포토다이오드(101) 외에 전송 게이트(102), N형 부유 확산층(FD)(103), 리셋 트랜지스터(104), 증폭 트랜지스터(105) 및 선택 트랜지스터(106)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

이 단위 화소(100)에서, 포토다이오드(101)는, N형 기판(lll) 상에 형성된 P형 웰층(112)에 대하여, P형 층(113)을 표면에 형성하고 N형 매립층(114)을 매립함으로써 형성되는 매립형 포토다이오드이다. 전송 게이트(102)는 포토다이오드(101)의 pn 접합에 축적된 전하를 부유 확산층(103)에 전송한다.

(메카니컬 셔터 방식)

전술한 구성의 단위 화소(100)를 갖는 고체 촬상 장치에서, 동일한 노광 기간에 노광되는 모든 화소로 촬상을 행하는 글로벌 노광을 실현하는 방법의 하나로서 기계적인 차광 수단을 사용하는 메카니컬 셔터 방식이 넓게 사용되고 있다. 모든 화소가 동시에 노광을 개시하고, 모든 화소가 동시에 노광을 종료함으로써, 글로벌 노광이 행해진다.

메카니컬 셔터 방식은, 기계적으로 노광 시간을 제어함으로써, 포토다이오드(101)에 광이 입사되어 광전하가 발생되는 기간이 모든 화소에 대해 일치된다. 이 방식에서는, 메카니컬 셔터가 폐쇄되어 실질적으로 광전하가 생성되지 않는 상태로 되고, 이 상태에서 신호가 순차적으로 판독된다. 그러나, 기계적인 차광 수단이 사용되므로 소형화가 어렵고, 또한 기계 구동 속도에 한계가 있으므로 전기적인 방법보다 동시성 또한 뒤떨어진다.

(종래의 글로벌 노광)

도 38에 나타낸 단위 화소(100)를 이용하여 모든 화소의 노광 기간을 일치시켜 불균일이 없는 촬상을 실현하는 동작에 대하여, 도 39의 동작 설명도 및 도 40의 타이밍도를 참조하여 설명한다.

먼저, 모든 화소의 매립 포토다이오드(101)의 축적 전하를 동시에 비우기 위한 전하 배출 동작을 실행하고, 노광을 개시한다(1). 이로써, 포토다이오드(101)의 pn 접합에 광전하가 축적된다(2). 노광 기간이 종료되는 시점에서, 전송 게이트(102)를 모든 화소에 대해 동시에 ON으로 하고, 축적된 광전하를 모두 부유 확산층(커패시턴스)(103)으로 전송한다(3). 전송 게이트(102)를 폐쇄함으로써, 모든 화소에 대해 동일한 노광 기간에 축적된 광전하가 각각의 부유 확산층(103)에 유지된다. 그 후, 순차적으로 신호 레벨을 수직 신호선(200)에 판독하고(4), 이어서 부유 확산층(103)을 리셋하고(5), 그후 리셋 레벨을 수직 신호선(200)에 판독한다(6).

신호 레벨 및 리셋 레벨을 수직 신호선(200)에 판독한 후, 후단의 신호 처리에서 리셋 레벨을 사용하여 신호 레벨의 노이즈 제거 처리가 행해진다. 이 노이즈 제거 처리에서는, 신호 레벨의 판독 후에 실행되는 리셋 동작의 리셋 레벨이 판독되어, 리셋 동작에서 발생하는 kTC 노이즈가 제거되지 않으므로, 화질 열화를 초래할 수 있다.

리셋 동작에서 발생하는 kTC 노이즈는 리셋 동작 시에 리셋 트랜지스터(104)의 스위치 동작에 의해 발생되는 랜덤 노이즈이므로, 부유 확산층(103)에 전하를 전송하기 전의 레벨을 이용하지 않으면, 신호 레벨의 노이즈를 정확하게 제거할 수 없다. 모든 화소에 대해 동시에 부유 확산층(103)에 전하가 전송되므로, 신호 레벨을 판독한 후에 재차 리셋 동작을 실행하여 노이즈 제거를 행하게 된다. 그러므로, 오프셋 오차 등의 노이즈는 제거가 가능하지만, kTC 노이즈는 제거할 수 없다.

여기서, 신호 레벨의 판독 기간을 "D 기간"으로 하고, 리셋 레벨의 판독 기간을 "P 기간"으로 한다. Si-SiO₂의 계면에서는 결정 결함이 많고, 암전류(dark current)가 발생하기 쉽다. 부유 확산층(103)에 전하를 유지하는 경우, 판독 순서에 따라서는, 신호 레벨에 가해지는 암전류에서 차이가 발생하고, 이것도 리셋 레벨을 이용한 노이즈 제거에서는 상쇄할 수 없다.

(메모리부를 갖는 화소 구조)

전술한 kTC 노이즈를 제거할 수 없는 문제점을 해결하는 방법으로서, 도 41에 나타낸 바와 같이, 화소 내에 부유 확산층(103)과는 별도로 메모리부(MEM)(107)를 갖는 단위 화소(300)가 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허출원 공개번호(PCT 출원의 번역문) 2007-502722호 공보, 및 일본 특허출원 공개번호 2006-311515호 공보를 참조). 메모리부(107)는 매립형 포토다이오드(101)에 축적된 광전하를 일시적으로 유지한다. 단위 화소(300)에는 또한 포토다이오드(101)에 축적된 광전하를 메모리부(107)에 전송하는 전송 게이트(108)가 설치된다.

이 메모리부(107)를 갖는 단위 화소(300)에서, 글로벌 노광을 실행하는 동작에 대하여 도 42의 동작 설명도를 참조하여 설명한다.

먼저, 전하 배출 동작을 모든 화소에 대해 동시에 실행하고, 동시 노광을 개시한다(1). 발생된 광전하는 포토다이오드(101)에 축적된다(2). 노광 종료 시에, 모든 화소에 대해 동시에 전송 게이트(108)를 구동하여 광전하를 메모리부(107)에 전송하고, 유지한다(3). 노광에 후속하여, 순차적인 동작에 의해 리셋 레벨과 신 호 레벨을 판독한다.

먼저, 부유 확산층(103)을 리셋하고(4), 다음에 리셋 레벨을 판독한다(5). 이어서, 메모리부(107)에 유지된 전하를 부유 확산층(103)에 전송하고, 신호 레벨을 판독한다(7). 이 때, 신호 레벨에 포함되는 리셋 노이즈는, 리셋 레벨의 판독에 의해 판독된 리셋 노이즈와 일치하므로, kTC 노이즈도 포함한 노이즈 저감 처리가 가능하게 된다.

이상으로부터 명백한 바와 같이, 부유 확산층(103)과는 별도로, 매립형 포토다이오드(101)에 축적된 광전하를 일시적으로 유지하는 메모리부(107)를 가지는 화소 구조에 의하면, kTC 노이즈도 포함한 노이즈 저감 처리를 실현할 수 있다.

그러나, 일본 특허출원 공개번호 2007-502722호 공보에 기재된 화소 구조의 경우, 메모리부(107)를 갖지 않는 동일 화소 사이즈의 수광부(포토다이오드)와 비교하여, 메모리부(107)가 존재하는 분만큼 수광부의 면적이 작아지므로, 포화 전하량 Qs_pd가 감소한다. 포화 전하량 Qs_pd가 감소하면, 다이나믹 레인지가 저하된다. 글로벌 노광이 실현된다 하더라도, 카메라 세트의 중요한 특성의 하나인 다이나믹 레인지가 저하되면, 촬영 화상의 품질(화질)을 현저하게 해치게 된다.

한편, 일본 특허출원 공개번호 2006-311515호 공보에 기재된 화소 구조에서는, 대수 응답(logarithmic response)에 의해 취급될 수 있는 휘도 레벨을 넓힘으로써 다이나믹 레인지의 저하를 방지하고 있다. 그 상세한 내용에 대하여 이하에 설명한다.

도 41의 화소 구조에서, 트랜지스터를 도통시키는 전압값을 제1 전압값, 비도통으로 하는 전압값을 제2 전압값, 그 중간의 전압값을 제3 전압값으로 한다. 광전 변환부에서 촬상 동작을 행할 때, 전송 게이트(102)를 도통 상태로 하는 동시에, 전송 게이트(108)에 제3 전압값을 인가한다. 따라서, 매립형 포토다이오드(101)로의 입사광 중 적어도 일부의 휘도 범위에 대하여, 전송 게이트(108)가 서브 스레스홀드 영역에서 동작한다.

도 43은 전술한 대수 응답 동작의 동작 상태를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 대수 응답 동작으로 하기 위해서는, 전송 게이트(102)를 도통 상태로 하고, 또 한 리셋 트랜지스터(104) 역시 도통 상태로 하여, 광전류(Iph)가 흐르는 패스를 리셋 전압(VDB)으로부터 만들 필요가 있다. 대수 응답 동작 시의 등가 회로를 도 44에 나타낸다.

입사광의 휘도(E)에 비례하는 광전류(Iph)가 중간 전압(제3 전압값)을 인가한 전송 게이트(108)에 흐르므로, 전송 게이트(108)가 서브 스레스홀드 영역에서 동작한다. 이로써, 소스/드레인 전압(Vdrop)은 광전류(Iph)에 대하여 다음과 같이 된다:

Vdrop ∝ log(Iph)

그 결과, 포토다이오드(101)의 전위는 VDB - Vdrop 이 된다. 광전하의 축적이 없을 때의 포토다이오드(101)의 전위를 VPD로 하면, 축적 전하 Q는 이하에 의해 얻어질 수 있으며,

Q = Cpdㆍ{VPD - (VDB - Vdrop)}

= Cpdㆍ{VPD - (VDB - αㆍlog(Ipd) + β)}

여기서, Cpd는 포토다이오드(101)의 기생 용량, α 및 β는 전송 게이트(108)의 임계값 등에 의해 정해지는 상수이다.

즉, 축적 전하 Q는 입사광의 휘도 E에 비례하여 축적되지 않고, 대수 관계를 갖는 전압값에 상당하는 전하가 포토다이오드(101)에 남게 된다. 도 45는 입사광의 휘도 E와 화소 출력의 관계를 나타낸다. 도 45로부터 명백한 바와 같이, 응답은 대수 응답으로 전환되는 지점까지는 선형적이고, 특정 휘도 레벨 E0를 초과한 후에는 대수 함수에 따른 응답이 된다.

여기서, E0는 중간 전압(제3 전압값) 및 전송 게이트(108)의 임계값에 의해 정해진다. 따라서, 화소 사이의 전송 게이트(108)의 임계값에 불균일이 있으면, 도 46에 나타낸 바와 같이, 전환 포인트 E0는 화소에 의해 상이하게 되어, 그에 따라 화소의 입출력 특성에서 불균일이 현저하게 나타난다. 이것은 고정 패턴 노이즈로서의 화질의 열화를 야기한다. 또한, 전류가 인가된 상태에서 포토다이오드(101)의 전위가 정해지므로, 열잡음 등의 노이즈를 초래한다.

따라서, 본 발명은, 포화 전하량의 감소를 억제함으로써 화소 사이의 화소 트랜지스터(전송 게이트)의 임계값 불균일에 기인하는 노이즈의 감소를 가능하게 하는 고체 촬상 장치, 이러한 고체 촬상 장치의 구동 방법, 및 이러한 고체 촬상 장치를 탑재한 전자 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따라, 고체 촬상 장치는, 입사광량에 따라 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하도록 구성된 제1 전송 게이트, 상기 제1 전송 게이트에 의해 상기 광전 변환 소자로부터 전송되는 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지 영역, 상기 전하 유지 영역에 유지된 전하를 전송하는 제2 전송 게이트, 및 상기 제2 전송 게이트에 의해 상기 전하 유지 영역으로부터 전송되는 전하를, 신호로서 판독(전압으로 변환)하기 위해 유지하도록 구성된 부유 확산 영역을 포함하는 복수의 단위 화소와; 상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 광전 변환 소자에서 발생되고 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전 하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 중간 전하 전송부와; 상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 제1 신호 전하를 상기 전하 유지 영역으로부터 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 광전 변환 소자에 축적되는 전하를 제2 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 화소 구동부를 포함하며, 상기 화소 구동부는, 상기 노광 기간이 종료된 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로, 상기 제1 신호 전하를 제1 출력 신호로서 판독하고, 상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 리셋 신호로서 판독하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하여, 상기 제2 신호 전하를 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 상기 제2 신호 전하를 제2 출력 신호로서 판독한다.

광전 변환 소자에서의 광전 변환에 의해 발생하는 광전하는, 저조도에서 소정의 전하량 이하일 때에는 광전 변환 소자에 유지된다. 또한, 고조도에서 소정의 전하량을 초과하면, 그 초과하는 만큼의 전하가 제1 신호 전하로서 전하 유지 영역에 전송된다. 이로써, 광전 변환에 의해 발생된 광전하는, 전하 유지 영역에 제1 신호 전하로서 및 광전 변환 소자에 제2 신호 전하로서 각각 분할되어 축적된다. 여기서, 화소 트랜지스터인 제1 전송 게이트의 임계값의 불균일은 전하 유지 영역에 축적되는 전하에 영향을 주지만, 최종적인 단위 화소의 입출력 특성에 대하여는 영향을 미치지 않는다. 예를 들면, 어느 화소에서 전체 전하량이 제1 신호 전하 및 제2 신호 전하로 분할되어 축적되었을 경우, 다른 화소에서는 임계값 불균일에 의해 ΔQth 만큼 제1 신호 전하에 전송이 발생하지 않는다. 그러나, 이 경우에도, 광전 변환 소자에서의 축적이 (제2 신호 전하 + ΔQth)이 되는 한편, 전하 유지 영역의 축적은 (제1 신호 전하 - ΔQth)이 된다. 여기서, 단위 화소의 출력 전하는 제1 신호 전하와 제2 신호 전하의 합계이므로, 제1 전송 게이트의 임계값의 불균일에 기인하는 광전 변환 소자의 축적 전하의 증감분 ΔQth는 궁극적으로 캔슬된다. 그 결과, 화소 간의 화소 트랜지스터의 임계값 불균일에 기인하는 노이즈를 저감할 수 있다.

본 발명에 의하면, 화소 간의 화소 트랜지스터의 임계값 불균일에 기인하는 노이즈를 저감할 수 있으므로 촬상 화상의 화질의 향상을 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

(시스템 구성)

도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 고체 촬상 장치, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 구성의 개략을 나타내는 시스템 구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, CMOS 이미지 센서(10)는, 도시하지 않은 반도체 기판(칩) 상에 형성된 화소 어레이부(11)와, 화소 어레이부(11)와 동일한 반도체 기판 상에 집적된 주변 회로부를 포함하는 구성으로 되어 있다. 주변 회로부는, 예를 들면, 수직 구동부(12), 컬럼 처리부(13), 수평 구동부(14) 및 시스템 제어부(15)를 포함한다.

CMOS 이미지 센서(10)는 또한 신호 처리부(18) 및 데이터 저장부(19)를 포함한다. 신호 처리부(18) 및 데이터 저장부(19)는, CMOS 이미지 센서(10)와는 다른 기판에 설치되는 예를 들면 DSP(Digital Signal Processor)와 같은 외부 신호 처리에 의해 구현되어도 되고, 또는 소프트웨어 처리에 의해 구현되어도 되며, CMOS 이미지 센서(10)와 동일한 기판 상에 탑재하여도 상관없다.

화소 어레이부(11)는, 입사광량에 대응하는 전하량의 광전하(이하, 단지 "전하"라고 기술하는 경우도 있음)를 발생하여 내부에 축적하는 광전 변환 소자를 갖는 단위 화소가 행렬형으로 2차원으로 배치되어 있다. 단위 화소의 구체적인 구성에 대하여는 후술한다.

화소 어레이부(11)에는, 또한 행렬 형태의 화소 배열의 각각의 행에 대하여 화소 구동선(16)이 도면의 좌우 방향(화소 행의 화소의 배열 방향)에 따라 형성되고, 각각의 열에 대하여 수직 신호선(17)이 도면의 상하 방향(화소 열의 화소의 배열 방향)에 따라 형성되어 있다. 도 1에는 각각의 행에 대해 화소 구동선(16)이 1개로 나타내어져 있지만, 1개로 한정되는 것은 아니다. 화소 구동선(16)의 일단은 각각의 행에 대응하는 수직 구동부(12)의 출력단에 접속되어 있다.

수직 구동부(12)는 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등에 의해 구성되며, 화소 어레이부(11)의 화소를 모두 동시에 또는 행 단위로 구동하는 화소 구동부이다. 이 수직 구동부(12)는 그 구체적인 구성에 대하여는 도시하지 않지만, 일반적으로 판독 주사 시스템과 스윕-아웃 주사 시스템(sweep-out scanning system)의 2개의 주사 시스템을 갖는 구성으로 되어 있다.

판독 주사 시스템은, 단위 화소로부터 신호를 판독하기 위해, 화소 어레이부(11)의 단위 화소를 행 단위로 차례로 선택하여 주사한다. 스윕-아웃 주사 시스템은, 판독 주사 시스템에 의해 판독 주사가 행해지는 판독 행에 대하여, 그 판독 주사보다 셔터 스피드의 시간 분만큼 선행하여 스윕-아웃 주사를 행한다.

이 스윕-아웃 주사 시스템에 의한 스윕-아웃 주사에 의해, 판독 행의 단위 화소의 광전 변환 소자로부터 불필요한 전하가 스윕 아웃된다(리셋된다). 그리고, 이 스윕-아웃 주사 시스템에 의한 불필요한 전하의 스윕-아웃(리셋)에 의해, 이른바 전자 셔터 동작이 행해진다. 여기서, "전자 셔터 동작"은, 광전 변환 소자의 광전하를 버리고 새롭게 노광을 개시하는(광전하의 축적을 개시하는) 동작을 지칭하기 위해 사용된다.

판독 주사 시스템에 의한 판독 동작에 의해 판독되는 신호는, 그 직전의 판독 동작 또는 전자 셔터 동작 이후의 입사광의 광량에 대응한다. 그리고, 직전의 판독 동작에 의한 판독 타이밍 또는 전자 셔터 동작에 의한 스윕-아웃 타이밍으로부터, 이번 판독 동작에 의한 판독 타이밍까지의 기간이, 단위 화소에서의 광전하의 축적 시간(노광 시간)이 된다.

수직 구동부(12)에 의해 선택되어 주사된 화소 행의 각각의 단위 화소로부터 출력되는 신호는, 수직 신호선(17)을 통해 컬럼 처리부(13)에 공급된다. 컬럼 처리부(13)는, 화소 어레이부(11)의 화소 열마다, 선택된 행의 각각의 단위 화소로부터 수직 신호선(17)을 통해 출력되는 신호에 대하여 소정의 신호 처리를 행하는 동시에, 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 유지한다.

구체적으로는, 컬럼 처리부(13)는, 신호 처리로서, 적어도 노이즈 제거 처리, 예를 들면 CDS(Correlated Double Sampling; 상관 이중 샘플링) 처리를 행한다. 이 컬럼 처리부(13)에 의한 CDS 처리에 의해, 리셋 노이즈, 증폭 트랜지스터의 임계값 불균일 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈가 제거된다. 컬럼 처리부(13)에 노이즈 제거 처리 이외에 예를 들면 AD(아날로그-디지털) 변환 기능을 갖게 하여, 신호 레벨을 디지털 신호로 출력하는 것도 가능하다.

수평 구동부(14)는 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등에 의해 구성되며, 컬럼 처리부(13)의 화소열에 대응하는 단위 화소를 차례대로 선택한다. 이 수평 구동부(14)에 의한 선택 및 주사에 의해, 컬럼 처리부(13)에서 신호 처리된 화소 신호가 차례대로 출력된다.

시스템 제어부(15)는 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 발생기 등에 의해 구성되며, 타이밍 발생기에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로 수직 구동부(12), 컬럼 처리부(13) 및 수평 구동부(14) 등의 구동 제어를 행한다.

신호 처리부(18)는 적어도 가산 처리 기능을 가지며, 컬럼 처리부(13)로부터 출력되는 화소 신호에 대하여 가산 처리 등의 각종의 신호 처리를 행한다. 데이터 저장부(19)는 신호 처리부(18)에서의 신호 처리에 사용되는 데이터를 일시적으로 저장한다.

(단위 화소의 구조)

이어서, 단위 화소(20)의 구체적인 구조에 대하여 설명한다. 단위 화소(20)는, 부유 확산 영역(커패시턴스)과는 별도로, 광전 변환 소자로부터 전송되는 광전 하를 유지하는 전하 유지 영역(이하, "메모리부"라고 기술함)을 갖는 구조로 이루어진다. 이하에, 단위 화소(20)의 구체적인 제1 내지 제3 구조예에 대하여, 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명한다.

＜제1 구조예＞

도 2는 제1 구조예에 따른 단위 화소(20A)의 구성을 나타낸 도면이다. 제1 구조예에 따른 단위 화소(20A)는, 광전 변환 소자로서 예를 들면 포토다이오드(PD)(21)를 갖는다. 포토다이오드(21)는, 예를 들면, N형 기판(31) 상에 형성된 P형 웰층(32)에 대하여, P형 층(33)을 기판 표면 측에 형성하고 N형 매립층(34)을 매립함으로써 형성되는 매립형 포토다이오드이다.

단위 화소(20A)는, 매립형 포토다이오드(21) 외에, 제1 전송 게이트(22), 메모리부(MEM)(23), 제2 전송 게이트(24) 및 부유 확산 영역(FD: Floating Diffusion)(25)을 갖는 구성으로 되어 있다. 메모리부(23) 및 부유 확산 영역(25)은 차광되어 있다.

제1 전송 게이트(22)는, 매립형 포토다이오드(21)에서 광전 변환되어 그 내부에 축적된 전하를, 게이트 전극(22A)에 전송 펄스(TRX)가 인가되는 것에 의해 전송한다. 메모리부(23)는 게이트 전극(22A) 아래에 형성된 N형의 매립 채널(35)에 의해 형성되고, 제1 전송 게이트(22)에 의해 포토다이오드(21)로부터 전송된 전하를 축적한다. 메모리부(23)가 매립 채널(35)에 의해 형성되어 있으므로, Si-SiO₂ 계면에서의 암전류의 발생을 억제할 수 있어 화질의 향상에 기여할 수 있다.

메모리부(23)는, 그 상부에 게이트 전극(22A)을 배치하고, 게이트 전극(22A)에 전송 펄스(TRX)를 인가함으로써 변조될 수 있다. 즉, 게이트 전극(22A)에 전송 펄스(TRX)가 인가됨으로써 메모리부(23)의 포텐셜이 깊어진다. 이로써, 메모리부(23)의 포화 전하량을 변조를 거치지 않는 경우보다 증가시킬 수 있다.

제2 전송 게이트(24)는, 메모리부(23)에 축적된 전하를, 게이트 전극(24A)에 전송 펄스(TRG)가 인가되는 것에 의해 전송한다. 부유 확산 영역(25)은 N형 층으로 이루어지는 전하-전압 변환부이며, 제2 전송 게이트(24)에 의해 메모리부(23)로부터 전송된 전하를 전압으로 변환한다.

단위 화소(20A)는 또한 리셋 트랜지스터(26), 증폭 트랜지스터(27) 및 선택트랜지스터(28)를 가지고 있다. 여기서, 이들 트랜지스터(26∼28)로서 예를 들면 N채널의 MOS 트랜지스터를 사용하고 있지만, 여기서 예시한 리셋 트랜지스터(26), 증폭 트랜지스터(27) 및 선택 트랜지스터(28)의 도전형의 조합은 일례에 지나지 않고, 본 발명은 이들의 조합으로 한정되는 것은 아니다.

리셋 트랜지스터(26)는 전원 VDB와 부유 확산 영역(25) 사이에 접속되어 있고, 게이트 전극에 리셋 펄스(RST)가 인가되는 것에 의해 부유 확산 영역(25)을 리셋한다. 증폭 트랜지스터(27)는, 부유 확산 영역(25)의 전압을 판독하기 위해, 드레인 전극이 전원 VDO에 접속되고, 게이트 전극이 부유 확산 영역(25)에 접속되어 있다.

선택 트랜지스터(28)는, 예를 들면, 드레인 전극이 증폭 트랜지스터(27)의 소스 전극에, 소스 전극이 수직 신호선(17)에 각각 접속되어 있고, 게이트 전극에 선택 펄스(SEL)가 인가됨으로써, 신호를 판독할 단위 화소(20)를 선택한다. 그리고, 선택 트랜지스터(28)에 대하여는, 전원 VDO와 증폭 트랜지스터(24)의 드레인 전극 사이에 접속한 구성을 채용하는 것도 가능하다.

이들 트랜지스터(26∼28)의 일부 또는 전부를 신호의 판독 방법에 따라 생략하거나, 복수의 화소 간에 공유할 수도 있다.

단위 화소(20A)는 또한 매립형 포토다이오드(21)의 축적 전하를 배출하기 위한 전하 배출부(29)를 가지고 있다. 이 전하 배출부(29)는, 노광 개시 시에 게이트 전극(29A)에 제어 펄스(ABG)가 인가됨으로써, 포토다이오드(21)의 전하를 N형 층의 드레인부(36)에 배출한다. 전하 배출부(29)는 또한 노광 종료 후의 판독 기간 중에 포토다이오드(21)가 포화되어 전하가 흘러넘치는 것을 방지하는 작용을 행한다. 드레인부(36)에는 소정의 전압 VDA가 인가되고 있다.

제1 구조예에 따른 단위 화소(20A)는, 제1 전송 게이트(22) 및 메모리부(23)의 게이트 전극(22A)이 제2 전송 게이트(24)의 게이트 전극(24A)을 중첩하지 않도록 한 구조로 되어 있다. 이에 대하여, 제1 구조예의 변형예인 단위 화소(20A')로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극(22A')을 게이트 전극(24A)과 부분적으로 오버랩되도록 하는 구조를 채용하는 것도 가능하다.

또한, 제1 구조예에서는, 매립형 포토다이오드(21)의 축적 전하를 배출하여 포토다이오드(21)에서 전하가 오버플로우하는 것을 방지하기 위해 전하 배출부(29)를 설치하는 구성을 채용하고 있지만, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전송 펄스(TRX, TRS) 및 리셋 펄스(RST)를 모두 액티브(본 예에서는, "H" 레벨) 상태로 하는 구성 을 채용함으로써도, 전하 배출부(29)와 동등한 작용 효과를 얻을 수 있다.

즉, 제1 전송 게이트(22), 제2 전송 게이트(24) 및 리셋 트랜지스터(26)가 모두 ON(도통) 상태로 됨으로써, 매립형 포토다이오드(21)의 전하를 배출하고, 또한 판독 기간 중에 포토다이오드(21)로 오버플로우하는 전하를 기판측으로 분로(shunt)시키는 것이 가능하다. 이 구성은 전하 배출부(29)를 생략할 수 있으므로, 단위 화소(20A)의 미세화에 기여할 수 있다.

＜메모리부(23)의 게이트 전극의 전위＞

여기서, 제1 구조예에서는 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전극(22A)의 전위인, 메모리부(23)의 게이트 전극의 전위에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는, 전하 유지 영역으로서의 메모리부(23)의 게이트 전극의 전위가, 제1 전송 게이트(22) 및 제2 전송 게이트(24) 중 적어도 어느 하나, 예를 들면 제1 전송 게이트(22)를 비도통 상태로 하는 기간에, 피닝 상태(pinning state)를 실현하는 전위로 설정된다. 보다 구체적으로는, 제1 전송 게이트(22)와 제2 전송 게이트(24) 중의 하나 또는 양쪽을 비도통 상태로 하는 때에, 게이트 전극(22A, 24A)에 인가하는 전압이, 게이트 전극 바로 아래의 Si 표면에 캐리어를 축적할 수 있는 피닝 상태가 실현되도록 하는 전압으로 설정된다.

본 예와 같이, 전송 게이트를 형성하는 트랜지스터가 N형인 경우, 제1 전송 게이트(22)를 비도통 상태로 하는 때에, 게이트 전극(22A)에 인가되는 전압이 P형 웰층(32)에 대하여 그라운드(GND)보다 음의 전위로 되도록 전압이 설정된다. 그리고, 도시하지 않지만, 전송 게이트를 형성하는 트랜지스터가 P형인 경우, P형 웰층 이 N형 웰층으로 되고, 이 N형 웰층에 대하여 전원 전압(VDD)보다 높은 전압이 설정된다.

제1 전송 게이트(22)를 비도통 상태로 하는 때에, 게이트 전극(22A)에 인가되는 전압을, 게이트 전극 바로 아래의 Si 표면에 캐리어를 축적할 수 있는 피닝 상태가 실현되도록 하는 전압으로 설정하는 이유는 다음과 같다.

제1 구조예에서, 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전극(22A)의 전위를 P형 웰층(32)에 대하여 동전위(예를 들면 0V)로 하면, Si 표면의 결정 결함으로부터 발생되는 캐리어가 메모리부(23)에 축적되고, 이 캐리어가 암전류로 되어 화질을 열화시킬 우려가 있다.

그러므로, 본 실시예에서는, 메모리부(23) 상에 형성되는 게이트 전극(22A)의 오프(OFF) 전위를, P형 웰층(32)에 대하여 음의 전위, 예를 들면 -2.0V로 한다. 이로써, 본 실시예에서는, 전하 유지 기간 중에는 메모리부(23)의 Si 표면에 정공(Hole)을 발생시켜, Si 표면에서 발생한 전자와 재결합시키는 것이 가능하며, 그 결과 암전류를 저감하는 것이 가능하다.

그리고, 도 2에 나타내는 제1 구조예에서는, 메모리부(23)의 가장자리에 제2 전송 게이트(24)의 게이트 전극(24A)이 존재하므로, 이 게이트 전극(24A)을 음의 전위로 함으로써, 메모리부(23)의 가장자리에서 발생하는 암전류를 마찬가지로 억제하는 것이 가능하다.

도 5는 도 2에 나타낸 Z-Z' 방향에서의 포텐셜 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극(22A)에 대한 전송 펄스(TRX)가 Vg_a, 예를 들면(0V)인 경우, Si의 표면 포텐셜는 플러스의 값이 되고, 공핍화된다.

그러므로, Si 표면의 결정 결함에 의해 발생된 전자는 포텐셜이 낮은(정방향) 쪽으로 흘러, N형 불순물 확산 영역인 메모리부(23)에 축적된다. 게이트 전극(22A)에 대한 전송 펄스(TRX)가 Vg_b, 예를 들면 충분한 음의 전위인 경우, 표면 포텐셜 φs_b는 마이너스의 값으로 되고, Si 표면에 정공이 축적된다. 이로써, Si 표면의 결정 결함에서 발생한 전자는 축적된 정공과 재결합하고, 메모리부(23)에 축적되지 않는다.

도 6은, 게이트 전압 Vg와 표면 포텐셜 φs의 관계를 예시하는 도면이다. 도 6에서, 가로축이 게이트 전압 Vg를 나타내고, 세로축이 표면 포텐셜 φs를 나타내고 있다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극(22A 또는 24A)에 음의 전위를 인가하면, 표면 포텐셜 φs는 마이너스의 방향으로 이동하고, 어떤 값으로부터 정공이 축적되어 표면 포텐셜의 게이트 전압 의존이 대략적으로 제거된다. 즉, 이른바 피닝의 상태로 됨으로써, Si 표면에 정공을 축적할 수 있고, 암전류 저감의 효과를 얻을 수 있다. 전술한 충분히 음의 전위란 이 피닝 상태를 실현하는 전위를 나타낸다.

＜제2 구조예＞

도 7은 제2 구조예에 관한 단위 화소(20B)의 구성을 나타낸 도면이며, 도면 중 도 2와 동등한 부분에는 동일 부호를 부여하여 나타내고 있다.

제1 구조예에 관한 단위 화소(20A)는 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전 극(22A)을 메모리부(23) 상의 전극과 겸용하는 구조로 되어 있다. 이에 대하여, 본 제2 구조예에 관한 단위 화소(20B)는 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전극(22A)을 메모리부(23) 상의 전극과 분리하고, 메모리부(23) 상에 전용의 전극(23A)을 설치하고, 상기한 전극(23A)을 전송 펄스(TRX)와 다른 전송 펄스(TRZ)로 구동하는 구조를 채용하고 있다.

이와 같이, 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전극(22A)과 메모리부(23)의 전극(23A)을 분리하고, 이들 전극(22A, 23A)을 별개의 전송 펄스(TRX, TRZ)로 구동하도록 하여도, 제1 구조예에 관한 단위 화소(20A)의 경우와 마찬가지의 화소 동작을 얻을 수 있다. 특히, 메모리부(23) 상의 전극(23A)을 게이트 전극(22A)과 분리함으로써, 전송 펄스(TRZ)에 의한 메모리부(23)의 변조의 정도를 조정할 수 있다. 이로써, 메모리부(23)의 포화 전하량을 자유롭게 설정할 수 있다.

본 제2 구조예의 경우에도, 제1 구조예의 경우와 마찬가지로 전하 배출부(29)를 생략하고, 전송 펄스(TRX, TRZ, TRS) 및 리셋 펄스(RST)를 모두 액티브 상태로 하는 구성을 채용할 수 있다. 이 구성을 채용함으로써, 전하 배출부(29)와 동등한 작용 효과, 즉 매립형 포토다이오드(21)의 전하를 배출하고, 또한 판독 기간 중에 매립형 포토다이오드(21)의 오버플로우 전하를 기판측에 분로(shunt)시키는 것이 가능하다.

제2 구조예에서는, 전하 유지 영역으로서의 메모리부(23)의 게이트 전극(23A)의 전위가, 제1 전송 게이트(22) 및 제2 전송 게이트(24)를 비도통 상태로 하는 기간 동안에, 피닝 상태를 실현하는 전위로 설정된다.

그리고, 도 7에 나타낸 제2 구조예에서는, 메모리부(23)의 가장자리에, 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전극(22A)과 제2 전송 게이트(24)의 게이트 전극(24A)이 존재한다. 전술한 제1 구조예의 경우와 마찬가지로, 이들 게이트 전극(22A, 24A)을 음의 전위로 함으로써, 메모리부(23)의 가장자리에서 발생하는 암전류를 마찬가지로 억제하는 것이 가능하다.

＜제3 구조예＞

도 8은 제3 구조예에 관한 단위 화소(20C)의 구성을 나타낸 도면이며, 도면 중 도 2와 동등한 부분에는 동일 부호를 부여하여 나타내고 있다.

제1 구조예에 관한 단위 화소(20A)는 메모리부(23)를 매립 채널(35)에 의해 형성한 구성으로 되어 있다. 이에 대하여, 본 제3 구조예에 관한 단위 화소(20C)는, 메모리부(23)를 매립 채널(35)이 아닌 매립형 확산 영역(37)에 의해 형성한 구조를 채용하고 있다.

메모리부(23)를 매립형 확산 영역(37)에 의해 형성한 경우에도, 매립 채널(35)에 의해 형성한 경우와 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로는, P형 웰층(32)의 내부에 N형 확산 영역(37)을 형성하고, 기판 표면측에 P형 층(38)을 형성함으로써, Si-SiO₂ 계면에서 발생하는 암전류가 메모리부(23)의 매립형 확산 영역(37)에 축적되는 것을 방지할 수 있고, 이것은 화질의 향상에 기여할 수 있다.

본 제3 구조예를 채용하는 경우에는, 부유 확산 영역(25)의 확산 영역의 불 순물 농도보다 메모리부(23)의 확산 영역(37)의 불순물 농도를 낮게 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 불순물 농도의 설정에 의해, 제2 전송 게이트(24)에 의한 메모리부(23)로부터 부유 확산 영역(25)으로의 전하의 전송 효율을 높일 수 있다.

본 제3 구조예에서는, 메모리부(23)를 매립형 확산 영역(37)으로 형성하였다. 그러나, 메모리부(23)에서 발생하는 암전류가 증가할 수도 있기는 하지만, 메모리부(23)을 매립형으로 하지 않는 구조가 채용될 수도 있다.

또한, 본 제3 구조예의 경우에도, 제1 구조예의 경우와 마찬가지로, 전하 배출부(29)를 생략하고, 전송 펄스(TRX, TRS) 및 리셋 펄스(RST)를 모두 액티브 상태로 하는 구성을 채용할 수 있다. 이 구성을 채용함으로써, 전하 배출부(29)와 동등한 작용 효과, 즉 매립형 포토다이오드(21)의 전하를 배출하고, 또한 판독 기간 중에 매립형 포토다이오드(21)의 오버플로우 전하를 기판측으로 분로시키는 것이 가능하다.

도 9는 제1 구조예 내지 제3 구조예의 각각에 관한 단위 화소(20A∼20C)의 각각에 대한 포텐셜을 나타낸다. 도 9의 포텐셜 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제1 구조예와 제2 구조예의 경우는, 각 부분의 포텐셜이 동일하며, 특히 포토다이오드(PD)(21)의 포텐셜과 메모리부(MEM)(23)의 포텐셜이 동일하다. 이에 대하여, 제3 구조예의 경우에는, 포토다이오드(21)의 포텐셜에 비해 메모리부(23)의 포텐셜이 더 깊다.

전술한 제1 구조예 내지 제3 구조예에 관한 단위 화소(20A∼20C)에서의 디바이스 구조의 도전형은 단지 예일뿐으로, N형과 P형이 서로 반대가 되어도 상관없으 며, 또한 기판(31)의 도전형에 대해서도 N형과 P형 중의 어느 쪽이어도 상관없다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 관한 단위 화소(20)(20A∼20C)는, 부유 확산 영역(25)과는 별도로, 포토다이오드(21)로부터 전송되는 광전하를 유지(축적)하는 메모리부(23)를 포함하고, 또한 제1 및 제2 전송 게이트(22, 24)를 포함하는 구성으로 되어 있다. 제1 전송 게이트(22)는 포토다이오드(21)로부터 메모리부(23)에 전하를 전송한다. 제2 전송 게이트(24)는 메모리부(23)로부터 부유 확산 영역(25)에 전하를 전송한다.

이하에서는, 본 실시예에 관한 단위 화소(20)로서 제1 구조예에 관한 단위 화소(20A)를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 설명의 편의를 위해, 단위 화소(20A)를 "단위 화소(20)"로 기술하는 것으로 한다.

본 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(10)는 모든 화소에 대해 동시에 노광을 개시하고, 모든 화소에 대해 동시에 노광을 종료하며, 포토다이오드(21)에 축적된 전하를 차광된 메모리부(23) 및 부유 확산 영역(25)에 전송함으로써, 글로벌 노광을 실현한다. 이 글로벌 노광은, 모든 화소에 대해 일치하는 노광 기간에 의한 불균일이 없는 촬상을 실현한다.

이 글로벌 노광을 실현하기 위해, 본 실시예에 관한 단위 화소(20)에서는, 제1 전송 게이트(22)를, 도통(ON) 상태로 하는 제1 전압값과, 비도통(OFF) 상태로 하는 제2 전압값과, 이들 제1 및 제2 전압값 사이의 제3 전압값의 3개의 전압값에 의해 적절히 구동하는 것으로 한다. 이하에서는, 제3 전압값을 "중간 전압(Vmid)"으로 기술하는 것으로 한다.

(특징 1)

본 실시예에서는, 도 10a에 나타낸 바와 같이, 모든 화소에 대해 동시에 노광을 개시하는 시점에서부터 노광을 동시에 종료하는 시점까지의 촬상 기간(글로벌 노광 기간) 중에, 제2 전송 게이트(24)를 OFF로 한 상태에서, 제1 전송 게이트(22)를 중간 전압(Vmid)에 의해 1회 이상 구동한다. 이와 같이, 중간 전압(Vmid)에 의해 제1 전송 게이트(22)를 1회 이상 구동하는 것을 제1 특징(특징 1)으로 한다.

화소 내부에 메모리부(23)를 설치함으로써 포토다이오드(21)의 면적이 감소하고, 그에 따라 포토다이오드(21)의 포화 전하량(Qs_pd)이 감소되지만, 특징 1의 구동에 의해 포화 전하량(Qs_pd)의 감소분을 보충할 수 있다. 구체적으로, 포토다이오드(21)가 포화하기 전에 중간 전압(Vmid)으로 제1 전송 게이트(22)를 구동함으로써, 특정 레벨(소정의 전하량)을 넘어 발생한 광전하가 제1 신호 전하로서 메모리부(23)에 전송되고, 메모리부(23)에 유지된다. 포토다이오드(21)의 포화 레벨은, 제2 전송 게이트(24)에 제2 전압값이 인가되고, 제2 전송 게이트(24)가 OFF 상태에 있을 때의 레벨이다.

여기서, 중간 전압(Vmid)이 인가됨으로써, 특정 레벨을 넘어 발생한 광전하를 제1 신호 전하로서 메모리부(23)에 전송하는 제1 전송 게이트(22)가 중간 전하 전송부로서의 기능을 갖는다. 즉, 중간 전하 전송부로서의 제1 전송 게이트(22)는, 포토다이오드(21)에서의 광전 변환에 의해 발생되고 또한 중간 전압(Vmid)의 전압값으로 정해지는 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 메모리부(23)에 전송한다.

(특징 2)

특징 1의 구동에 의한 결과, 노광 기간 중에 광전 변환에 의해 발생된 광전하 Q는, 포토다이오드(21)에만 축적되거나 또는 포토다이오드(21)와 메모리부(23)의 양쪽에 축적된다. 구체적으로는, 입사광 휘도가 소정 휘도 이상인 화소, 즉 광이 강한 화소에서는, 도 10b에 도시된 바와 같이 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 양쪽에 축적된다. 또한, 입사광 휘도가 소정 휘도보다 작은 화소, 즉 광이 약한 화소에서는 도 10c에 도시된 바와 같이 전하가 포토다이오드(21)에만 축적된다. 이같이 하여, 포토다이오드(21)에만 또는 포토다이오드(21)와 메모리부(23)의 양쪽에 광전하 Q를 축적하는 것을 제2 특징(특징 2)으로 한다.

여기서, 포토다이오드(21)에서의 축적 전하를 Qpd로 지칭하고, 메모리부(23)에서의 축적 전하(제1 신호 전하)를 Qmem으로 지칭한다. 광이 강한 화소에서는, 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 양쪽에 광전하 Q를 축적 및 유지함으로써, 포화 전하량이 Qpd＋Qmem으로 확대될 수 있다. 또한, 광이 약한 화소에서는, 축적 전하가 적고 중간 전압(Vmid)으로 구동된 제1 전송 게이트(22)에 의한 전하 전송이 발생하지 않기 때문에, 발생 전하는 모두 포토다이오드(21)에 축적 전하 Qpd로서 유지된다.

(특징 3)

노광 종료 시에, 제2 전송 게이트(24)를 ON으로 하고, 메모리부(23)의 전하를 부유 확산 영역(25)에 전송한다(도 10d). 그 후, 제1 전송 게이트(22)를 ON으로 하고, 포토다이오드(21)의 전하(제2 신호 전하)를 메모리부(23)에 전송한다(도 10e). 이 동작을 모든 화소에 대해 동시에 실행한 결과, 판독 기간 중에는 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 양쪽에서 축적 전하를 유지하도록 한다. 이같이 하여, 판독 기간 중에는 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 양쪽에 축적 전하를 유지하는 것을 제3 특징(특징 3)으로 한다.

(특징 4)

판독 동작에서는, 먼저 부유 확산 영역(25)에 유지된 축적 전하(Qmem)의 전하량에 따른 제1 출력 신호로서의 신호 레벨(Vmem)을 판독한다. 이 신호 레벨(Vmem)의 판독 기간을 제1 D 기간으로 한다. 다음에, 리셋 트랜지스터(26)에 의한 리셋 동작을 실행하고, 부유 확산 영역(25)의 리셋 레벨(Vrst)을 판독한다. 이 리셋 레벨(Vrst)의 판독 기간을 P 기간으로 한다.

이어서, 메모리부(23)로부터 부유 확산 영역(25)에 전하 Qpd를 전송하고, 상기 전하 Qpd의 전하량에 따른 제2 출력 신호로서의 신호 레벨(Vpd)을 판독한다. 이 신호 레벨(Vpd)의 판독 기간을 제2 D 기간으로 한다. 이같이 하여, 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호 2인 신호 레벨(Vmem, Vpd)과 리셋 레벨(Vrst)을 판독하는 것을 제4 특징(특징 4)으로 한다.

(특징 5)

2회로 나누어 판독된 신호 레벨 Vmem과 신호 레벨 Vpd는, 예를 들면, 컬럼 처리부(13)(도 1참조)에서 리셋 레벨(Vrst)을 이용하여 각각 노이즈 제거 처리가 행해진다. 그 후, 후단의 신호 처리부(18)(도 1을 참조)에서, 신호 레벨(Vpd)이 소정 임계값을 초과한 경우에, 신호 레벨 Vmem과 신호 레벨 Vpd를 가산하는 처리가 행해진다. 이같이 하여, 노이즈 제거 처리 후의 신호 레벨 Vmem과 신호 레벨 Vpd를 가산하는 것을 제5 특징(특징 5)으로 한다.

특징 3 내지 특징 5와 같이, 판독 기간 중에는 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 양쪽에서 전하를 유지하고, 2개의 신호 레벨(Vmem, Vpd)과 리셋 레벨(Vrst)을 판독하여 가산함으로써 넓은 다이나믹 레인지를 확보할 수 있다. 또한, 신호 레벨 Vpd와 신호 레벨 Vmem의 합은, 축적 전하 Qpd와 축적 전하 Qmem의 합과 동등하며, Qpd＋Qmem가 입사광 강도 E에 비례하여 발생된 전하량이므로, 선형의 입출력 특성을 얻을 수 있다.

리셋 레벨(Vrst)을 이용한 노이즈 제거는, 제1 D 기간에 판독된 신호 레벨(Vmem)에 대하여는 kTC 노이즈를 제거할 수 없는 처리로 되지만, 제2 D 기간에 판독된 신호 레벨(Vpd)에 대하여는 kTC 노이즈를 제거할 수 있는 처리로 된다.

신호 레벨이 작고 kTC 노이즈의 영향을 받는 화소(즉, 광이 약한 화소)에서는, 발생 전하를 모두 포토다이오드(21)에 축적하고, 유지는 매립 채널로 형성되는 메모리부(23)에 함으로써, kTC 노이즈의 제거에 의한 높은 S/N 비를 실현할 수 있다. 노이즈 제거 처리 후의 가산 처리를 신호 레벨(Vpd)이 소정 임계값을 초과하는 경우에만 실행함으로써, 신호 레벨(Vmem)의 노이즈 성분을 저출력시에 추가하지 않는 것도, 이러한 높은 S/N 비에 기여한다.

또한, 제1 전송 게이트(22)의 임계값의 불균일은, 메모리부(23)에서의 축적을 위해 이용되는 휘도 레벨에 영향을 주지만, 최종적인 입출력 특성에 대하여는 영향을 미치지 않는다. 예를 들면, 어느 화소의 총전하량(Qall)이 전하 Qpd와 전 하 Qmem로 분할되어 축적되었을 경우, 다른 화소에서는 임계값 불균일에 의해 ΔQth 만큼 전하(Qmem)에 전송이 발생하지 않는다. 그러나, 이 경우에도, 포토다이오드(21)에서의 축적이 Qpd＋ΔQth이 되는 한편, 메모리부(23)에서의 축적은 Qmem-ΔQth이 된다. 따라서, 특징 5의 가산 처리를 실행함으로써, 포토다이오드(21)의 축적 전하의 증감분 ΔQth는 캔슬되므로, 최종적으로는 총전하량(Qall)을 얻을 수 있다.

(회로 동작)

이어서, 본 실시예에 관한 단위 화소(20)를 갖는 CMOS 이미지 센서(10)의 구체적인 회로 동작에 대하여 설명한다.

(통상의 글로벌 노광)

이해를 용이하게 하기 위하여, 먼저, 종래의 글로벌 노광 동작(이하, "통상의 글로벌 노광 동작"이라고 기술함)에 대하여, 도 11 및 도 12를 사용하여 설명한다. 그리고, 전술한 바와 같이, 통상의 글로벌 노광 동작은, 동일 화소 사이즈의 메모리부(MEM)를 갖 않는 화소와 비교하여 포화 전하량 Qs_pd가 절반 정도가 된다.

도 11의 타이밍도 및 도 12의 동작 설명도에서, (1) 내지 (7)은 이하의 동작 설명의 (1) 내지 (7)에 대응한다.

＜축적 국면＞

(1)∼(3)의 구동에 의해 모든 화소에 대해 동시에 노광을 실행한다.

(1) 모든 화소에 대해 동시에 전하 배출부(29)를 ON으로 하고, 포토다이오드(21)의 전하를 배출함으로써 노광을 개시한다.

(2) 입사광 휘도에 따라 포토다이오드(21)에서 발생된 광전하가 포토다이오드(21)에 축적된다.

(3) 모든 화소에 대해 동시에 제1 전송 게이트(22)를 ON으로 하고, 포토다이오드(21)에 축적된 광전하 Qpd를 메모리부(23)에 전송하여 메모리부(23)에 유지한다.

＜판독 국면＞

(4)∼(7)의 구동에 의해 화소마다 또는 복수의 화소 단위로 신호의 판독 동작을 실행한다. 이 예에서는 행마다 화소를 구동한다.

(4) 리셋 트랜지스터(26)를 ON으로 하고, 부유 확산 영역(25)의 전하를 배출한다.

(5) 부유 확산 영역(25)의 리셋 레벨(Vrst)을 증폭 트랜지스터(27)를 통하여 판독한다(P 기간).

(6) 제2 전송 게이트(24)를 ON으로 하고, 메모리부(23)에 유지된 전하 Qpd를 부유 확산 영역(25)에 전송한다.

(7) 부유 확산 영역(25)의 전하 Qpd에 따른 신호 레벨(Vpd)을 증폭 트랜지스터(27)를 통하여 판독한다(D 기간).

여기서, 신호 레벨(Vpd)은, 부유 확산 영역(25)의 기생 용량 Cfd로부터, Vpd = Qpd/Cfd 의 연산식에 의해 얻어지는 전하-전압 변환의 결과이다.

또한, 리셋 레벨(Vrst)과 신호 레벨(Vpd)의 차분을 취하는 상관 이중 샘플링(CDS)에 의해, 신호 레벨(Vpd)에 포함되는 노이즈를 제거할 수 있다. 그러나, 취급할 수 있는 최대 전하량 Qpd_sat는, 메모리부(23)를 가지지 않는 동일 사이즈의 화소와 비교하면 절반 정도 또는 그 이하가 된다.

(본 실시예에 관한 글로벌 노광)

다음에, 본 실시예에 관한 CMOS 이미지 센서(10)의 회로 동작에 대하여 설명한다. 이하에 설명하는 회로 동작은, 화소 구동부로서의 수직 구동부(12)에 의한 구동 하에 실행되는 것으로 한다. 도 13은 본 실시예의 구동 타이밍을 나타낸다.

제1 포인트는, 모든 화소에 대해 동일한 노광 기간 중에, 제2 전송 게이트(24)를 OFF로 한 상태에서, 제1 전송 게이트(22)를 1회 이상 중간 전압(Vmid)으로 구동하는 것에 있다. 여기서, 중간 전압(Vmid)은, 제1 전송 게이트(22)를 ON으로 하는 전압과 OFF로 하는 전압의 중간의 전압이다.

제2 포인트는, 노광 종료 시에 제2 전송 게이트(24)를 ON으로 함으로써 메모리부(23)의 축적 전하(Qmem)를 부유 확산 영역(25)에 전송하고, 다음에 제1 전송 게이트(22)를 ON으로 함으로써 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd를 메모리부(23)에 전송하는 것에 있다.

제3 포인트는, 판독 기간에 의해, 부유 확산 영역(25)에 유지된 전하(Qmem)의 신호 판독 및 메모리부(23)에 유지된 전하 Qpd의 신호 판독과, 리셋 레벨(Vrst)의 판독을 행하고, 축적 전하를 2회로 나누어 판독하는 것에 있다.

도 13의 타이밍도에서, 전하(Qmem)의 신호 판독 기간을 DH 기간, 전하 Qpd의 신호 판독 기간을 DL 기간, 리셋 레벨(Vrst)의 판독 기간을 P 기간으로서 나타내고 있다.

＜축적 기간＞

노광 개시(축적 개시)로부터 노광 종료(축적 종료)까지의 동작을 도 14 및 도 15에 나타낸다. 도 14는 입사광 휘도가 소정 휘도 이상인 경우(입사광이 밝은 경우)에 광전하가 전송되는 방식을 나타내고 있다. 도 15는 입사광 휘도가 소정 휘도보다 낮은 경우(입사광이 어두운 경우)에 광전하가 전송되는 방식을 나타내고 있다.

도 13의 타이밍도와 도 14 및 도 15의 각각의 동작 설명도에서, (1)∼(10)은 이하의 동작 설명의 (1)∼(10)에 대응한다. (1)∼(10)의 각각의 구동은 모든 화소 동시에 실행되며, 촬상의 불균일의 정도가 허락하는 범위에서 각 화소에 구동의 시간차가 발생해도 상관없다. 예를 들면, 구동 타이밍을 서로 조금씩 어긋나게 하여 피크 전류를 억제하고 전압 강하 등을 방지하는 등의 구성도 가능할 것이다.

(1) 전하 배출부(29)를 ON으로 하고, 포토다이오드(21)의 전하를 배출함으로써 노광을 개시한다.

(3) 제1 전송 게이트(22)를 중간 전압(Vmid)으로 구동함으로써, 포토다이오드(21)에서의 특정 축적량을 초과하는 전하를 메모리부(23)에 전송한다. 즉, 도 15의 축적량이 적은 경우에는, 전하는 모두 포토다이오드(21)에 잔류되고, 전하의 이동은 발생하지 않는다.

(2) 내지 (3)의 구동을 (4)∼(5) 및 (6)∼(7)의 구동과 같이 반복하여도 상 관없다.

(4), (6) 노광 및 축적을 계속한다.

(5), (7) 제1 전송 게이트(22)를 중간 전압(Vmid)으로 구동하고, 포토다이오드(21)에서의 특정 축적량을 초과하는 전하를 메모리부(23)에 전송한다.

노광 종료 시에 이하의 동작을 실행한다.

(8) 리셋 트랜지스터(26)를 ON으로 하여, 부유 확산 영역(25)의 전하를 배출한다(리셋 동작).

(9) 제2 전송 게이트(24)를 ON으로 하여, 메모리부(23)의 축적 전하(Qmem)를 부유 확산 영역(25)에 전송한다. 이 때, 어두운 화소에서는 메모리부(23)에의 축적이 없고, Qmem=0가 된다.

(10) 제1 전송 게이트(22)를 ON으로 하고, 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd를 메모리부(23)에 전송한다.

＜판독 기간＞

판독 기간의 동작을 도 16에 나타낸다. 도 13의 타이밍도 및 도 16의 동작 설명도에서, (11)∼(15)는 이하의 동작 설명의 (11)∼(15)의 동작 설명에 대응한다.

(11) 노광 종료 시의 전송 동작에 의해 부유 확산 영역(25)에 전하 Qmem이 유지되고, 메모리부(23)에 전하 Qpd가 유지되어 있다. 전술한 바와 같이, 어두운 화소에서는 Qmem=0이 된다.

부유 확산 영역(25)에 축적된 전하(Qmem)를, 신호 레벨(Vmem)로서 증폭 트랜 지스터(27)를 통해 판독한다. 부유 확산 영역(25)의 기생 용량 Cfd에 의해, Vmem = Qmem/Cfd의 전하-전압 변환이 실행된다(DH 기간).

(12) 리셋 트랜지스터(26)를 ON으로 하고, 부유 확산 영역(25)의 전하를 배출한다.

(13) 부유 확산 영역(25)의 리셋 레벨(Vrst)을 판독한다(P 기간).

(14) 제2 전송 게이트(24)를 ON으로 하고, 메모리부(23)의 전하 Qpd를 부유 확산 영역(25)에 전송한다.

(15) 부유 확산 영역(25)의 전하 Qpd를 신호 레벨(Vpd)로서 판독한다. Vpd = Qpd/Cfd이 된다(DL 기간).

도 17a에 나타낸 통상의 글로벌 노광의 타이밍에 대하여, 본 실시예에 관한 글로벌 노광에서는, 도 17b에 나타낸 바와 같이, 어느 화소에 대하여 신호 레벨(Vpd)의 판독을 DH 기간과 DL 기간의 2회로 실행한다. 또한, DH 기간과 DL 기간의 사이에, 리셋 레벨(Vrst)의 판독 기간(P 기간)이 있다.

(구동 순번의 예)

일반적으로, 매립형 채널(35)(제1 구조예, 제2 구조예) 또는 매립형 확산 영역(37)(제3 구조예)으로 형성된 메모리부(23)보다도, 부유 확산 영역(25)은 암전류가 크다. 축적 전하의 일부인 전하(Qmem)는 판독 기간 중 부유 확산 영역(25)에 유지되므로, 유지 기간에 그 이상으로 암전류에 의해 영향을 받게 된다.

도 17b에 나타낸 바와 같이, 축적 종료로부터 DH 기간까지가 부유 확산 영역(25)에서의 전하 유지 기간이므로, 최후의 판독 행에서는, 각각의 행에 대해 DH 기간, P 기간, DL 기간을 계속 유지할 필요가 있다.

이에 대하여, 도 18에 나타낸 바와 같이, DH 기간에 의한 신호 레벨(Vmem)의 판독을 먼저 모두 실행하고, 그 후에 DL 기간에 신호 레벨(Vpd)을 판독하는 방법을 채용하는 것도 가능하다. 이 방법에 따르면, 부유 확산 영역(25)에서의 전하 유지 기간을 단축하고, 암전류에 의한 영향을 완화할 수 있다. 단, 이 경우는, 2회로 나누어 판독된 결과를 가산하여 최종 화상을 얻기 위해, DH 기간에 판독된 신호를 유지하는 데 1프레임분의 데이터 저장 영역(메모리)이 요구된다.

이와 같이, 다른 구동예의 경우는, 노광 기간이 종료된 후, 1화소 또는 복수의 화소 단위로, 축적 전하(제1 신호 전하) Qmem를 신호 레벨(제2 출력 신호) Vmem으로서 판독한다. 이어서, 부유 확산 영역(25)을 리셋하여 부유 확산 영역(25)의 리셋 레벨을 제1 리셋 신호로서 판독한다. 이상의 동작을 모든 단위 화소(20)에 대하여 차례로 실행한다.

그 후, 1화소 또는 복수의 화소 단위로, 부유 확산 영역(25)을 리셋하고, 부유 확산 영역(25)의 리셋 레벨을 제2 리셋 신호로서 판독한다. 이어서, 제2 전송 게이트(24)를 ON 상태로 하여 축적 전하(제2 신호 전하) Qpd를 부유 확산 영역(25)에 전송하고, 그 후 축적 전하 Qpd를 신호 레벨(제2 출력 신호) Vpd로서 판독하는 동작을 실행하게 된다.

이 구동예를 채용하는 경우의 컬럼 처리부(13)에서의 노이즈 제거 처리는 다음과 같이 된다. 즉, 컬럼 처리부(13)는 제1 리셋 신호를 사용하여 제1 출력 신호가 되는 신호 레벨(Vmem)의 노이즈 제거 처리를 행한다. 이어서, 컬럼 처리부(13) 는 제2 리셋 신호를 사용하여 제2 출력 신호가 되는 신호 레벨(Vpd)의 노이즈 제거 처리를 행한다.

(단위 화소의 다른 구조)

다음에, 단위 화소(20)의 다른 구조예에 대하여 제4 구조예로서 설명한다.

＜제4 구조예＞

도 19는 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)의 구성을 나타낸 도면이며, 도면 중 도 2와 동등한 부분에는 동일 부호를 부여하여 나타내고 있다.

제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)는, 게이트 전극(22A) 아래의 포토다이오드(21)와 메모리부(23) 사이의 경계 부분에, N-형 불순물 확산 영역(39)을 설치함으로써 오버플로우 패스(30)를 형성한 구조를 채용하고 있다.

오버플로우 패스(30)를 형성하기 위해 불순물 확산 영역(39)의 포텐셜을 강하시키기 위해서는, 불순물 확산 영역(39)에 약하게 N-형 불순물을 도핑하여 P-형 불순물 농도를 낮춤으로써, P-형 불순물 확산 영역(39)을 형성한다. 이와 달리, 포텐셜 배리어 형성 시에 불순물 확산 영역(39)에 P-형 불순물을 도핑하는 경우에는, 그 도핑 농도를 낮춤으로써, P-형 불순물 확산 영역(39)을 형성할 수 있다.

여기서는, 제1 구조예에 관한 단위 화소(20A)를 기반으로 하였으나, 그 변형예에 관한 단위 화소(20A')를 기반으로 하여도 된다.

전술한 바와 같이, 제1 구조예(그 변형예도 마찬가지로)에 관한 단위 화소(20A)에서는, 중간 전압(Vmid)에 의해 제1 전송 게이트(22)를 구동하는 것을 특징으로 하고 있다. 구체적으로는, 저조도(low illumination) 하에서 발생된 전하 를 우선적으로 포토다이오드(21)에 축적하고, 포화가 발생할 전하에 대하여는 중간 전압(Vmid)에 의한 제1 전송 게이트(22)의 구동에 의해 메모리부(23)에 축적한다. 그리고, 노광 종료 시에, 메모리부(21)로부터 부유 확산 영역(25)으로 또한 포토다이오드(21)로부터 메모리부(23)로 모든 화소에 대해 동시에 전송이 수행되어 유지되고, 판독이 2회로 나누어 수행된다.

이에 대하여, 본 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)에서는, 저조도 하에서의 발생 전하를 우선적으로 포토다이오드(21)에 축적하는 수단으로서, 포토다이오드(21)와 메모리부(23) 사이의 경계 부분에 형성된 오버플로우 패스(30)를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 도 20a는 도 19의 X 방향의 포텐셜을 나타내고, 도 20b는 Z 방향의 포텐셜을 나타낸다.

도 20a의 X 방향의 포텐셜 도면으로부터 명백한 바와 같이, 포토다이오드(21)와 메모리부(23) 사이의 경계 부분에, N-형 불순물 확산 영역(39)을 설치함으로써 이 경계 부분의 포텐셜이 강하된다. 이 포텐셜이 강하된 부분이 오버플로우 패스(30)가 된다. 그리고, 포토다이오드(21)에서 발생하고, 오버플로우 패스(30)의 포텐셜을 초과하는 전하는, 자동적으로 메모리부(23)에 누출되어 메모리부(23)에 축적된다. 환언하면, 오버플로우 패스(30)의 포텐셜 이하의 발생 전하는 포토다이오드(21)에 축적된다.

여기서, 도 20b의 Z 방향의 포텐셜 도면에 나타낸 바와 같이, 오버플로우 패스(30)의 포텐셜은 기판측의 오버플로우 패스의 포텐셜보다 낮게 설정될 필요가 있다. 이 때의 오버플로우 패스(30)의 포텐셜은, 전술한 중간 전압(Vmid)이 게이트 전극(22A)에 인가되었을 때, 포토다이오드(21)로부터 메모리부(23)에 제1 신호 전하로서 전송되는 전하량을 결정하는 포텐셜이 된다.

여기서, 오버플로우 패스(30)는 중간 전하 전송부로서의 기능을 갖는다. 즉, 중간 전하 전송부로서의 오버플로우 패스(30)는, 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에 포토다이오드(21)에서의 광전 변환에 의해 발생되고, 오버플로우 패스(30)의 포텐셜에 의해 결정되는 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 메모리부(23)에 전송한다.

그리고, 도 19의 예에서는, P-형 불순물 확산 영역(39)을 설치함으로써 오버플로우 패스(30)를 형성한 구조를 채용하고 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 도 21에 나타낸 바와 같이, P-형 불순물 확산 영역(39)을 설치하는 대신에, N-형 불순물 확산 영역(39)을 설치함으로써 오버플로우 패스(30)를 형성한 구조를 취하는 것도 가능하다.

도 19 및 도 21에 나타낸 바와 같이, 수광부로서의 포토다이오드(PD)(21)와 메모리부(23) 사이의 경계에서의 불순물 농도를 조정하고, 포토다이오드(PD)(21)와 메모리부(23) 사이에 오버플로우 패스(30)를 설치한 구조에서는, 피닝에 의한 암전류의 발생 이외에도 하기의 효과가 얻어진다.

도 22는 도 19의 오버플로우 패스부의 상세 구조를 나타낸 도면이다. 포토다이오드(PD)(21)와 메모리부(23)의 주변은 PN 접합에 의한 공핍층(40)이 형성되어 있고, 제1 전송 게이트(22)의 게이트 전극(22A) 아래의 포토다이오드(PD)(21)와 메모리부(23)의 경계에는 Si 표면까지 공핍층(40)이 형성된다.

일반적으로, 공핍층(40)이 Si 표면까지 형성되어 있으면, Si 표면의 결정 결함에 의한 암전류가 포토다이오드(PD)(21) 또는 메모리부(23)에 축적된다. 그러므로, 이것을 방지하기 위하여, 게이트 전극(22A)을 음의 전위로 하여 피닝 상태를 실현하고, Si 표면에 정공 축적층을 형성한다.

도 19에서는, P-형 불순물 확산 영역에 의해 포토다이오드(PD)(21)와 메모리부(23) 사이의 공핍층(40) 내에 포텐셜이 낮은 오버플로우 패스(30)가 형성된다. 피닝되어 있지 않은 상황에서는, 오버플로우 패스(30)도 Si 표면에 접촉하므로, 전하가 오버플로하여 메모리부(23)에 전송될 때, 전하가 Si 표면의 결함에 트랩되어 재결합함으로써 캐리어가 소멸하게 되는 현상이 발생한다.

게이트 전극(22A)에 충분한 음의 전위를 인가함으로써, 오버플로우 패스(30)의 Si 표면측에 정공 축적층이 형성되어 포텐셜이 상승되고, 포텐셜이 낮은 오버플로우 패스(30)가 Si 내부의 깊은 위치로 시프트된다. 이로써, 오버플로우를 이용한 메모리부(23)로의 전하 전송에서, 결정 결함에 의한 캐리어 재결합을 방지할 수 있다.

도 23a 내지 도 23c는 단위 화소(20)의 평면 구조를 나타낸 평면도이다. 도 23a는 제1 구조예에 관한 단위 화소(20A)의 평면도이고, 도 23b는 본 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)의 평면도이다. 여기서, 오버플로우 패스(30)를 포토다이오드(21)와 메모리부(23) 사이의 경계 부분의 전체 영역에 걸쳐 형성하고 있다. 그러나, 이것은 일례에 지나지 않고, 도 23c에 나타낸 바와 같이, 포토다이오드(21)와 메모리부(23) 사이의 경계 부분의 일부에 오버플로우 패스(30')를 설치하도록 해도 상관없다.

도 24는 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우의 구동 타이밍을 나타내는 타이밍도이며, 도 13에 대응하고 있다. 도 24와 도 13의 대비로부터 명백한 바와 같이, 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우에는, 축적 기간 중에서의 중간 전압(Vmid)에 의한 구동 (3), (5) 및 (7)이 이루어지지 않는다. 노광 종료 후에는, 도 13에서와 같은 2회 판독이 수행된다.

그리고, 전술한 바와 같이, 메모리부(12)의 게이트 전극을 음의 전위(피닝 전압)로 구동할 때에는, 과도적으로 상이한 전압(예를 들면 0V)을 통해 구동하는 것이 가능하다.

도 25는, 도 24에서와는 달리, 음의 전위(피닝 전압)로 구동할 때에, 과도적으로 상이한 전압(예를 들면 0V)을 통해 구동하는 예를 나타낸 타이밍도이다.

비도통 상태로 될 게이트 전극을 피닝 상태를 실현하는 전압(예를 들면, 음의 전위)으로 설정하는 경우에, 도통 상태의 전압 Von으로부터 비도통 상태의 전압 Voff로 구동하는 과정에서, Von와 Voff의 사이의 전압 Vtr를 과도적으로 통과시킬 수도 있다.

예를 들면, 제1 전송 게이트(22) 및 제2 전송 게이트(24)의 게이트 전극(22A, 24A)을, 비도통 상태 시에 피닝 상태가 실현되는 전압으로 설정하는 경우, 도 25와 같은 구동이 수행된다. 전송 펄스(TRX, TRG)는, 도통 상태의 전압 Von으로부터 비도통 상태의 전압 Voff로 구동될 때, Vtr로 먼저 구동되고, 그리고나서 Voff로 구동된다.

음의 전위와 같은 피닝 상태를 실현하는 전압은 다수의 경우에 일반적으로 승압 회로나 강압 회로에 의해 생성되며, 통상의 전원 및 접지보다 임피던스가 높아, 전류 공급 성능이 떨어지는 경우가 많다. 그러므로, 전압 Von으로부터 직접 전압 Voff로 구동시키면, 승압 회로 또는 강압 회로에 큰 부하가 걸려, 전압의 수속이 늦게 될 우려가 있다.

그러므로, 중간 전압 Vtr를 경유하여 전압 Voff로 구동함으로써, 부하를 완화시킨다. 전압 Vtr은 전압 Von와 Voff의 사이의 전압이면 효과가 얻어지고, 예를 들면 접지 전압(0V)이 사용된다.

그리고, 도 25에서는, 전송 펄스(TRX, TRG)를 예로 하였으나, 비도통 상태를 피닝 전압으로 설정되도록 하는 어떠한 신호를 적용하여도 상관없다.

도 26 및 도 27은 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우에서의 노광 중의 동작 설명도이며, 도 14 및 도 15에 대응하고 있다. 도 26은 입사광이 밝은 경우의 노광 중의 동작 설명도이며, 도 27은 입사광이 어두울 때의 노광 중의 동작 설명도이다. 도 26 및 도 27로부터 명백한 바와 같이, 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우는, 중간 전압(Vmid)에 의한 제1 전송 게이트(22)의 구동은 이루어지지 않는다. 그 대신에, 포토다이오드(21)에서 발생된 전하가 오버플로우 패스(30)의 포텐셜을 초과하면, 메모리부(23)에 전송된다.

도 28은 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우에서의 글로벌 노광의 다른 구동 타이밍을 나타내는 도면이며, 도 17b 및 도 18에 대응하고 있다. 도 28a 및 도 28b와 도 17b 및 도 18과의 대비로부터 명백한 바와 같이, 제4 구조 예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우에는, 축적 기간 중에서의 중간 전압(Vmid)에 의한 구동이 이루어지지 않는다. P-상/D-상의 판독 기간은 도 17b 및 도 18와 동일하다.

여기서는, 제4 구조예에 관한 단위 화소(20D)를 사용하는 경우에, 중간 전압(Vmid)에 의한 구동을 적용하지 않고, 오버플로우 패스(30)의 포텐셜(소정의 전하량)을 초과하는 전하를 제1 신호 전하로서 메모리부(23)에 전송하는 것으로 하였으나, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 중간 전압(Vmid)에 의한 구동을 병용하여, 중간 전압(Vmid)의 전압값과 오버플로우 패스(30)의 포텐셜로 정해지는 소정의 전하량을 초과하는 전하를 제1 신호 전하로서 메모리부(23)에 전송하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.

(전하 축적)

다음에, 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)에서의 전하 축적에 대하여, 통상의 글로벌 노광의 경우와 본 실시예에 관한 글로벌 노광의 경우를 대비하여 설명한다.

＜통상의 글로벌 노광＞

도 29a 내지 도 29c는 통상의 글로벌 노광에 의한 전하 축적의 상태를 나타낸다. 가로축이 노광 개시로부터 노광 종료까지의 시간을 나타내고, 세로축이 축적 전하이다.

도 29a은 포토다이오드(21)의 전하 축적의 상태를 나타낸다. L1은, 입사광이 어둡고, 노광 기간 중에 Qch_alll의 전하가 발생하는 경우를 나타내고 있다. L2는, 입사광이 밝고, 노광 기간 중에 포토다이오드(21)의 포화 전하량 Qpd_sat를 초과하는 Qch_all2의 전하가 발생하는 경우를 나타내고 있다.

도 29b는, 입사광이 어두운 경우인 L1에 대한 메모리부(23)의 축적 전하의 상태를 나타낸다. 노광 종료 시의 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd는 Qch_alll로 되고, 제1 전송 게이트(22)에 의한 전하 전송에 의해 모든 전하 Qch_alll가 전송된다. 한편, 포토다이오드(21)의 축적 전하는 Qch_alll=0이 된다.

도 29c는 입사광이 밝은 경우인 L2에 대한 메모리부(23)의 축적 전하의 상태를 나타낸다. 축적된 전하는 노광 기간 중에 포토다이오드(21)의 최대 전하량(포화 전하량) Qpd_sat에 도달하여 포화된다. 그러므로, 노광 종료 시에 포토다이오드(21)에는 전하 Qpd_sat가 축적되고, 전하 Qpd_sat가 제1 전송 게이트(22)에 의해 메모리부(23)에 전송된다. 발생 전하 Qch_all2는 포화에 의해 얻을 수 없다.

전술한 통상의 글로벌 노광에 의한 전하 축적의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 통상의 동작에서, 단위 화소(20)에서 광전 변환에 의해 얻을 수 있는 최대 전하량은 포토다이오드(21)의 포화 전하량인 Qpd_sat 이 된다.

＜본 실시예에 관한 글로벌 노광＞

도 30은 본 실시예에 관한 글로벌 노광에 의한 전하 축적의 상태를 나타낸다. 가로축이 노광 개시로부터 노광 종료까지의 시간을 나타내고, 세로축이 축적 전하이다.

도 30a는 입사광이 어두운 경우를 나타내는 L1과 입사광이 밝은 경우를 나타내는 L2의 포토다이오드(21)의 축적 전하를 나타내고 있다. 도 30b 및 도 30c는 각각 L1, L2의 경우의 메모리부(23)의 축적 전하의 모양을 나타내고 있다. 또한, (1)∼(10)은 도 13의 타이밍도에 나타낸 구동 타이밍 (1)∼(10)에 대응하고 있다.

구동 타이밍(3), (5) 및 (7)에 의해 중간 전압(Vmid)으로 제1 전송 게이트(22)가 구동되면, 중간 전압(Vmid)에 대응하는 전하 Qmid를 초과하는 전하가 메모리부(23)에 전송된다. 포토다이오드(21)의 축적 전하가 전하 Qmid를 초과하지 않는 경우에는, 포토다이오드(21)에 전하가 잔류된다.

L1의 예에서는, 입사광이 어둡고 축적 전하가 적기 때문에, 노광 기간 중의 중간 전압(Vmid)에 의한 구동 타이밍 (3), (5) 및 (7)에서 전하 Qmid를 초과하지 않고, 제1 전송 게이트(22)에 의한 전송이 발생하지 않는다. 전체 발생 전하 Qch_alll는 포토다이오드(21)에 축적되고, 노광 종료 시에 메모리부(23)에 전송되며, 다음과 같이 된다.

Qpd = Qch_alll …… (1)

Qmem = 0 ……(2)

L2의 예에서는, 입사광이 밝고 축적 전하가 많기 때문에, 노광 기간 중의 중간 전압(Vmid)에 의한 구동 타이밍 (3), (5) 및 (7)에서 전하 Qmid가 초과된다. 여기서, 1회째의 구동 타이밍 (3)에서는 전하 Qmid가 초과되지 않고, 그 이후의 구동 타이밍 (5) 및 (7)에서는 전하 Qmid가 초과된다.

노광 기간 중에 입사광에 따라 발생될 전체 전하를 Qch_all2으로 하고, 구동 타이밍(3), (5) 및 (7)에 의해 분할된 4개의 노광 기간의 각각에서 발생된 전하를 Qch1, Qch2, Qch3 및 Qch4으로 하면, 다음과 같이 된다:

Qch_all2 = Qch1 ＋ Qch2 ＋ Qch3 ＋ Qch4 ……(3)

구동 타이밍 (3)에서, 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd2_1은,

Qpd2_1 = Qch1 ……(4)

로 되고, 전하 Qmid보다 낮게 되는 경우, 메모리부(23)로의 전하 전송은 발생하지 않는다. 전하 Qmid를 초과하는 경우에, 전송되는 전하 Qtx1는 0(영)이 된다. 이 때,

Qpd2_1 + Qtx1 = Qch1 ……(5)

이 된다.

구동 타이밍 (5)에서, 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd2_2는,

Qpd2_2 = (Qpd2_1 - Qtx1) + Qch2 ……(6)

로 되고, 전하 Qmid를 초과하는 경우, 메모리부(23)에 전하 전송이 발생한다. 이 때, 메모리부(23)에 전송되는 전하 Qtx2는,

Qtx2 = Qpd2_2 - Qmid ………(7)

이 된다.

구동 타이밍 (7)에서는, 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd2_3은,

Qpd2_3 = (Qpd2_2 - Qtx2) + Qch3 ……(8)

로 되고, 전하 Qmid를 초과하는 경우, 마찬가지로 메모리부(23)에 전하 전송이 발생한다. 이 때, 메모리부(23)에 전송되는 전하 Qtx3는,

Qtx3 = Qpd2_3 - Qmid ……(9)

이 된다.

또한, 노광을 계속하면, 노광 종료 시의 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd2_4는,

Qpd2_4 = Qpd2_3 - Qtx3 + Qch4 ……(10)

이 된다. 또한, 중간 전압(Vmid)에 의한 구동 하에서의 전하 전송에 의해 메모리부(23)에 축적된 전하(Qmem)는,

Qmem = Qtx1 ＋ Qtx2 ＋ Qtx3 ……(11)

로 되고, 노광 종료 직전에 부유 확산 영역(25)에 전송되어 유지된다.

노광 종료 시의 포토다이오드(21)의 축적 전하를 Qpd로 하면,

Qpd = Qpd2_4 ……(12)

이 된다. 그리고, 포토다이오드(21)의 축적 전하 Qpd(Qpd2_4)가 제1 전송 게이트(22)에 의해 메모리부(23)에 전송되어 메모리부(23)에 유지된다.

노광 종료 및 전하 전송에 의해, 부유 확산 영역(25)에 유지된 전하 Qmem 및 메모리부(23)에 유지된 전하 Qpd를 각각 판독하여 후단의 신호 처리부(18)(도 1을 참조)에서 가산 처리함으로써, 전체 발생 전하 Qch_all2에 대응한 신호 레벨을 얻을 수 있다.

식 (11) 및 (12)에 의해,

Qpd ＋ Qmem = Qpd2_4 + (Qtx1 ＋ Qtx2 ＋ Qtx3)

식 (10)에 의해,

= Qpd2_3 + Qch4 ＋ Qtx1 ＋ Qtx2

식 (8)에 의해,

= Qpd2_2 + Qch3 ＋ Qch4 ＋ Qtx1

식 (6)에 의해,

= Qpd2_1 + Qch2 ＋ Qch3 ＋ Qch4

식 (4)에 의해,

= Qch1 ＋ Qch2 ＋ Qch3 ＋ Qch4

식 (3)에 의해,

= Qch_all2 ……(13)

이 된다.

이상으로부터, 전하 Qmem 및 전하 Qpd를 각각 판독하여 가산 처리함으로써, 단위 화소(20)에서의 광전 변환에 의해 발생된 전체 전하 Qch_all2를 유지하고, 판독할 수 있다는 것을 알 수 있다. 발생된 전체 전하 Qch_all2의 전하량은, 입사광의 강도에 선형적으로 비례하므로, 선형 응답 특성에 의한 화상 취득이 가능하다는 것을 알 수 있다.

이 때의 가산 처리는 도 1의 신호 처리부(18)에서 행해진다. 즉, 신호 처리부(18)는 DH 기간 및 DL 기간으로 분할하여 판독된 전하(Qmem, Qpd)에 대응하는 신호 레벨(Vmem, Vpd)에 대하여 가산 처리를 행한다. 이 가산 처리 시에, 도 1의 데이터 저장부(19)는 DH 기간에 판독된 전하(Qmem)에 대응하는 신호 레벨(Vmem)을 일시적으로 저장(유지)한다.

그리고, 신호 처리부(18)에서의 가산 처리는, 반드시, 컬럼 처리부(13)에서 노이즈 제거한 후의 신호 레벨(Vmem, Vpd)의 가산 처리로 한정되는 것은 아니다. 즉, 신호 레벨(Vmem, Vpd)에 대하여 노이즈 제거 처리를 행하지 않는 구성을 채용하는 경우에는, 단위 화소(20)로부터 출력되는 신호 레벨(Vmem, Vpd)을 가산 처리하게 된다.

또한, 식 (14)에서 주목해야 할 점은, 전하 Qmem 및 전하 Qpd로부터 전체 발생 전하 Qch_all2를 얻을 때까지의 과정에서, 중간 전압(Vmid)에 의한 구동시의 포토다이오드(21)의 유지 전하 Qmid의 영향을 받지 않는다는 점이다. 이것은 화소 간의 트랜지스터 임계값의 불균일에 의해 포토다이오드(21)의 유지 전하가 Qmid＋ΔQmid가 된 경우에도, Qpd＋Qmem로부터 축적 전하 Qch_all2를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

이것은 예를 들면, 식 (9) 및 식 (10)에 의해 포토다이오드(21)의 유지 전하 Qmid가 Qmid＋ΔQmid가 되었을 경우를 생각하면, 식 (9)에서의 전하 Qtx3는,

Qtx3 = Qpd2_3 - (Qmid ＋ ΔQmid) ……(14)

로 되고, ΔQmid 만큼 메모리부(23)에 전송되는 값이 줄어든다.

한편, 식 (10)의 축적 전하 Qpd2_4는,

Qpd2_4 = (Qpd2_3 - Qtx3) + Qch4

= (Qmid ＋ ΔQmid) + Qch4 ……(15)

로 되어, 포토다이오드(21)의 축적 전하는ΔQmid 만큼 증가한다.

전체 발생 전하 Qch_ all2를 얻기 위해, 포토다이오드(21)의 축적 전하와 메모리부(23)의 축적 전하가 가산된다.

이로써, 포토다이오드(21)의 축적 전하의 증감이 상쇄되며, 임계값 불균일 등에 기인하는 Qmid의 불균일은 전체 광전하 Qch_all2에 영향을 미치지 않게 된다. 또한, Qmid의 불균일의 영향을 받지 않는 것은, 바꾸어 말하면, 제1 전송 게이트(22)에 복수회 공급되는 중간 전압(Vmid)이 매번 상이한 전압이어도 상관없게 된다는 것을 의미한다.

도 31a 내지 도 31d는 단위 화소(20)의 입출력 특성을 나타낸다. 도 31a는 입사광 휘도와 DH 기간에서의 축적 전하(Qmem)의 판독에 의한 출력의 관계를 나타내고 있다. 중간 전압(Vmid)으로의 구동에 의한 포토다이오드(21)로부터 메모리부(23)로의 전하 전송은, 특정 휘도 레벨 E0이 초과되고 또한 포토다이오드(21)의 축적 전하가 전하 Qmid를 초과함으로써 발생하므로, 특정 휘도 레벨 E0까지는 출력 되지 않는다.

도 31b는 입사광 휘도와 DL 기간에서의 축적 전하 Qpd의 판독에 의한 출력의 관계를 나타내고 있다. 휘도 레벨 E0는 중간 전압(Vmid)에서의 전송에 의한 전하 전송이 발생하기 시작하는 휘도 레벨이며, 입사광 휘도 E0에서의 발생 광전하는 Qpd_lin로 한다.

도 31c는 도 31a 및 도 31b의 특성을 가산한 출력, 즉 Qpd＋Qmem의 입출력 특성을 나타내고 있다. 전하는 포토다이오드(21)와 메모리부(23)의 각각의 최대 전하량 Qpd_ sat와 Qmem_sat의 합까지 축적 및 유지될 수 있다. 그리고, Qpd_ sat＋Qmem_sat에 상당하는 입사광 휘도 Emax까지 촬상이 가능하다.

도 31d는 중간 전압(Vmid)으로의 구동을 이용하지 않는 통상의 글로벌 노광에서의 입출력 특성을 나타내고 있다. 포토다이오드(21)의 최대 전하량 Qpd_sat은 축적 및 유지의 최대치이며, 따라서 다이나믹 레인지가 낮다.

축적 전하 Qpd와 축적 전하 Qmem의 가산은 단순하게 가산되지 않고, 축적 전하 Qpd가 소정 임계값 Qpd_th를 초과하는 경우에는 가산하고, 그렇지 않은 경우에는 축적 전하 Qpd만을 출력하는 것이 바람직하다.

Qout = Qpd (Qpd≥Qpd_th)

Qout = Qpd + Qmem (Qpd＜Qpd_th)

여기서, 임계값 Qpd_th는 도 31b 및 도 31c에 도시된 입사광 휘도 E0에서의 발생 광전하 Qpdd_lin보다 작은 값이다. 즉, 가산 처리를 행할 때의 임계값 Qpd_th는, 제1 출력 신호로서의 신호 레벨(Vmem)이 의미있는 출력 레벨을 발생하는 최소의 입사광 휘도 E0에 상당하는, 제2 출력 신호로서의 신호 레벨(Vpd)을 밑도는 값이다.

축적 전하 Qpd가, 입사광 휘도 E0에서의 발생 광전하 Qpdd_lin보다 작은 값일 때, 축적 전하(Qmem)는 신호 출력 0이므로, 가산이 필요없다. 이로써, 판독시에 노이즈 성분이 추가되는 것이 방지되고, 저조도의 영역에서 높은 S/N 비를 얻을 수 있다.

(리셋 노이즈의 제거)

축적 전하 Qpd 및 축적 전하 Qmem는, 부유 확산 영역(25)에 의해 신호 레벨(Vpd) 및 신호 레벨(Vmem)로 전하-전압 변환되고, 증폭 트랜지스터(27)를 통하여 판독된다. 이 때, 실제로 판독되는 신호는 신호 레벨(Vpd) 및 신호 레벨(Vmem)이 오프셋으로서 리셋 레벨(Vrst)에 가산되는 레벨로 된다.

DH 기간에 판독되는 신호 레벨 Vsig_dh는, 노광 종료 시에 포토다이오드(21)의 전하를 배출했을 때의 리셋 레벨(Vrst1)과 신호 레벨(Vmem)이 된다.

Vsig_dh = Vmem ＋ Vrst1

여기서, 리셋 레벨(Vrst1)은 오프셋값 등의 고정된 성분 Vrst_fpn과 랜덤 성분 Vrst1_rn을 포함한다. 고정 성분 Vrst_fpn는 증폭 트랜지스터(27) 및 부하 트랜지스터(도시하지 않음)의 임계값 불균일 등이다. 랜덤 성분 Vrst1_rn는 리셋 동작 시의 kTC 노이즈 등이다.

Vrst1 = Vrst_fpn ＋ Vrst1_rn

P 기간에서는, DH 기간 후에 부유 확산 영역(25)의 리셋 동작이 수행되어, 리셋 레벨(Vrst)은 Vrst2로 되고, 리셋 레벨 Vrst2가 판독된다. 이 리셋 레벨 Vrst2 또한 고정 성분과 랜덤 성분을 포함한다. 고정 성분은 리셋 레벨(Vrst1)과 같은 Vrst_fpn로 되고, 랜덤 성분은 Vrst2_rn이 된다.

Vrst2 = Vrst_fpn ＋ Vrst2_rn

DL 기간에 판독되는 신호 레벨 Vsig_dl은,

Vsig_dl = Vpd ＋ Vrst2

이 된다.

예를 들면, 컬럼 처리부(13)(도 1 참조)에서의 노이즈 제거 처리에 의해 P 기간에 판독된 리셋 레벨(Vrst2)이 제거되므로, DH 기간의 출력 Vout_dh와 DL 기간의 출력 Vout_dl는 다음과 같이 된다.

Vout_dh = Vout_dh - Vrst2

= Vmem + (Vrst1_rn - Vrst2_rn)

Vout_dl = Vsig_dl - Vrst2

= Vpd

포토다이오드(21)에 축적된 전하 Qpd는, 리셋 노이즈를 정밀도 양호하게 제거하여 판독되는 것이 가능하다. 메모리부(23)에 축적된 전하(Qmem)는, 리셋 노이즈의 고정 성분은 제거되지만, 랜덤 성분(kTC 노이즈 등)이 남게 된다.

그러나, 일반적으로 랜덤 노이즈는, 입사광 휘도가 밝고 발생된 전하가 많은 경우에는, 광 숏 노이즈(optical shot noise)가 지배적으로 되고, 리셋 노이즈 등의 영향은 극히 작다. 이것은 발생 전하의 제곱근에 비례하는 랜덤 노이즈가 발생하는 물리 현상에 기인한다. 예를 들면, 10,000e-의 전하가 발생한 경우, 100e-rms의 랜덤 노이즈가 광 숏 노이즈로서 가해지는 것을 의미하고 있다. 한편, 회로에서 기인하는 랜덤 노이즈는 수 e-rms 정도인 것이 많고, 대략 화질에 영향을 주지 않는다.

한편, 입사광 휘도가 어둡게 발생 전하가 적은 경우는, 광 숏 노이즈 자체도 작아져, 리셋 노이즈 등의 영향이 지배적으로 되고, 화질을 열화시킨다.

본 실시예에서는, 입사광 휘도가 소정 휘도보다 낮고, 또한 발생 전하가 적은 경우에는, 포토다이오드(21)에만 전하가 축적되므로, 리셋 노이즈의 제거가 양호한 정밀도로 실행할 수 있어 화질의 열화가 발생하지 않는다. 입사광 휘도가 소정 휘도 이상인 밝은 경우에만, 메모리부(23)에서의 전하의 축적이 발생하고, 축적 전하(Qmem)로서 판독되므로, 상기 이유로부터 화질의 열화가 대략 없고, 양호한 촬 상이 가능해진다.

(본 실시예의 작용 효과)

이상 설명한 본 실시예에 관한 CMOS 이미지 센서(10)에 의하면, 모든 화소에 대해 동일한 노광(글로벌 노광) 기간으로 함으로써, 피사체가 움직이고 있는 경우 등에서도 불균일이 없는 촬상을 실현할 수 있다. 또한, 단위 화소(20A)가 부유 확산 영역(25)과는 별도로 신호 전하를 축적 및 유지할 수 있는 메모리부(23)를 갖는 구조를 채용함으로써 다음과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

입사광 휘도가 소정 휘도보다 낮은 저조도에서는, 광전 변환에 의한 발생 전하가 적고, 포토다이오드(21)에만 전하가 축적되어, 전하의 판독에 의한 신호 레벨에 대한 노이즈 제거 처리에서는 kTC 노이즈를 제거할 수 있는 처리가 된다. 따라서, kTC 노이즈도 포함한 노이즈 저감 처리를 실현할 수 있도록 높은 S/N 비를 확보할 수 있다.

입사광 휘도가 소정 휘도 이상의 고조도에서는, 광전 변환에 의한 발생된 전하가 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 양쪽에 축적 및 유지되므로, 포화 전하량을 증대시킬 수 있다. 그리고, 포토다이오드(21) 및 메모리부(23)에 유지된 전하를 판독하고, 이들 전하량에 대응하는 신호 레벨(Vpd, Vmem)을 가산 처리함으로써, 넓은 다이나믹 레인지를 확보할 수 있다.

화소 트랜지스터의 하나인 제1 전송 게이트(22)의 임계값의 불균일은 메모리부(23)에서의 축적을 이용하는 휘도 레벨에 영향을 주기는 하지만, 전술한 바와 같이, 최종적인 입출력 특성에는 영향을 주지 않는다. 따라서, 화소 사이의 화소 트 랜지스터의 임계값 불균일에 기인하는 노이즈를 저감할 수 있으므로, 촬상 화상의 화질의 향상을 도모할 수 있다.

포토다이오드(21) 및 메모리부(23)의 각각의 축적 전하(Qpd, Qmem)에 대응하는 2개의 신호 레벨(Vpd, Vmem)의 합은, 축적 전하 Qpd와 축적 전하 Qmem의 합에 상당하여, 전하의 합 Qpd＋Qmem는 입사광 강도 E에 비례하여 발생된 전하량이다. 따라서, 선형 응답의 입출력 특성이 나타나므로, 컬러 촬상 등의 신호 처리에 문제가 없다.

실제로, 입출력 특성이 선형 응답이 아닌 경우, 예를 들면 대수 응답인 경우, 컬러 촬상 등의 신호 처리에 적합하지 않다. 예를 들면, 조명의 RGB 비율이 1:2:1인 경우, 촬상면의 전부 또는 일부의 RGB 비율을 취득하고, R와 B를 2배가 되도록 하여, 화이트 밸런스를 조정한다. 그러나, 대수 응답인 경우에는, 조명의 RGB 비율이 일정하여도, 휘도에 의해 출력의 RGB 비율이 바뀌기 때문에, RGB 비율의 취득이 어렵다. 또한, 취득할 수 있다고 하여도, 비선형인 조정이 채용되어야 한다. 임계값 불균일에 의해 화소마다 입출력 특성이 상이한 것에 의해, 신호 처리는 더욱 곤란하게 된다.

(더 높은 다이나믹 레인지)

지금까지의 동작 설명에서는, Qpd_sat＋Qmem_sat까지 최대 전하량을 확대함으로써, 모든 발생 전하를 신호로서 취득하고, Qpd_sat＋Qmem_sat에 상당하는 입사광 휘도까지 다이나믹 레인지를 확보하도록 하였다.

이하에서는, 발생된 전하의 일부를 버리고, 2종류의 노광 시간에 얻어지는 신호를 출력함으로써, 다이나믹 레인지를 더욱 확대하는 구동예에 대하여 설명한다. 여기서 나타내는 다이나믹 레인지 확대의 기본 원리는, 본 출원인에 의해 출원된 일본 특허 출원 번호 2006-280959호 및 2006-124699호 명세서에 기재되어 있는 원리를 글로벌 노광을 실현하는 본 발명의 실시예의 구조에 응용한 것이다.

도 32은 다이나믹 레인지 확대의 구동예를 나타낸다. 도 32에 도시된 구성은 전술한 본 실시예에 관한 구동예인 도 13에 메모리부(23)의 배출 구동 구간 (16)이 추가되어 있다.

이 구동예에서는, 모든 화소 공통의 노광 기간 중에, 제1 전송 게이트(22)에 대하여 2회 이상의 중간 전압(Vmid)에 의한 구동을 실행한다. 그리고, 최후의 중간 전압 구동(제1 중간 전압 구동)과 그 중간 전압 구동 이전의 중간 전압 구동(제2 중간 전압 구동) 사이의 기간에, 제2 전송 게이트(24)를 ON으로 한다. 이와 동시에 리셋 트랜지스터(26)는 ON으로 하여도 되고, ON으로 하지 않아도 상관없다. 또한, 2회 이상의 구동이 되는 중간 전압 구동에서의 각각의 중간 전압(Vmid)은 동일한 전압값인 것이 바람직하다.

도 33은 다이나믹 레인지 확대의 동작을 나타낸다. 메모리부(23)의 배출 구동 구간 (16)을 추가함으로써, 메모리부(23)에 축적된 전하가 배출 구동 구간 (16)까지 배출되고, 최후의 중간 전압 구동(제1 중간 전압 구동)으로 전송된 전하만이 축적 전하(Qmem)가 된다. 이 축적 전하(Qmem)는, 제1 전송 게이트(22)를 구동한 중간 전압이 동일한 경우에, 제1 중간 전압 구동 구간 (7) 및 그 전의 제2 중간 전압 구동 구간 (5)에서 포토다이오드(21)에 잔류하는 전하량이 각각 Qmid로 동일하 게 되도록 한다. 화소 간의 임계값 불균일로 인해 Qmid의 값이 상이한 경우에도, 구동 구간 (5)와 구동 구간 (7)의 잔류 전하량이 Qmid로 동일하게 되는 것에는 변함이 없다.

제1 중간 전압 구동 구간 (7)의 직전에 포토다이오드(21)에 축적되어 있는 전하는, 제2 중간 전압 구동 구간 (5)으로부터 제1 중간 전압 구동 구간 (7)까지, 즉 제2 노광 기간에 축적된 전하 Qshort가 제2 중간 전압 구동 구간 (5)의 잔류 전하 Qmid에 추가됨으로써 얻어질 수 있는 값이 된다. 즉, 제1 중간 전압 구동 구간 (7)에 의해 전하 Qmid가 포토다이오드(21)에 잔류되므로, 축적 전하(Qmem)는 다음과 같이 된다:

Qmem = (Qmid ＋ Qshort) - Qmid

전체 노광 기간 Tlong(=제1 노광 기간)에 발생되는 전체 전하를 Qlong로 하면, 전하 Qshort는 다음과 같이 된다:

Qshort = (Tshort/Tlong) × Qlong

즉, 중간 전압 구동 기간 Tshort와 전체 노광 기간 Tlong의 비율인 노광 비율만큼 작은 값이 전하 Qshort로서 출력된다.

따라서, 전하 Qshort가 메모리부(23)의 최대 전하량 Qmem_sat를 초과하는 입사광 휘도까지 신호를 취득할 수 있으므로, 노광 비율의 배수(multiple)의 다이나믹 레인지 확대가 실현될 수 있다. 즉, (Tlong/Tshort)×Qmem_sat에 상당하는 입사광 휘도까지 촬상을 행할 수 있게 된다.

도 34a 내지 도 34c는 다이나믹 레인지 확대 동작 시의 입출력 특성을 나타 낸다. 도 34a 내지 도 34c에서, E0는 제1 중간 전압 구동으로 전송이 시작되는 휘도 레벨, 즉 제1 중간 전압 구동시까지의 전체 발생 전하가 Qmid이 되는 휘도 레벨이다. E1은 제2 중간 전압 구동으로 전송이 시작되는 휘도 레벨, 즉 제2 중간 전압 구동시까지의 전체 발생 전하가 Qmid이 되는 휘도 레벨이다.

E0 이하의 휘도 레벨에서는, 발생된 전하는 모두 포토다이오드(21)에 축적되어 축적 전하 Qpd로서 출력된다. 이 때, Qmem=0이다.

Qout = Qpd (E＜E0)

= Qlong

E0에서부터 E1까지의 휘도 레벨에서는, 제2 중간 전압 구동시에는 전송이 발생하지 않고, 제1 중간 전압 구동 시에, 제2 노광 기간 Tshort에서의 축적이 추가 되고, Qmid를 초과하는 만큼이 전송되어 Qmem이 된다. 이 경우, 메모리부(23)의 배출 구동 구간 (16)의 시점에서는, Qmem=0이므로, 모든 발생 전하가 전하 Qpd 및 Qmem로서 축적되고, 전체 발생 전하는 출력 Qout로서 Qpd＋Qmem로 얻어질 수 있다.

Qout = Qpd ＋ Qmem (E0≤E＜E1)

= Qlong

E1를 초과하는 휘도 레벨에서는, 제2 중간 전압 구동에 의해 전송이 발생하고, 이 과정에서 전송된 전하는 배출 구동 구간 (16)에 의해 버려진다. 그러므로, Qpd ＋ Qmem에서는 전체 발생 전하를 얻을 수 없다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제2 중간 전압 구동에서 전송이 발생함으로써, 포토다이오드(21) 내의 잔류 전하는 Qmid이 된다. 또한, 제1 중간 전압 구동에 의해 동일하게 잔류 전하가 Qmid로 되 므로, 제2 노광 기간 Tshort에서 축적된 전하 Qshort가 메모리부(23)에 전송 및 유지된다.

이 경우, 출력 Qout로서는, 노광 비율 Tlong/Tshort의 게인이 승산되므로, 전체 전하 Qlong에 상당하는 신호를 얻을 수 있다.

Qout = (Tlong/Tshort) × Qmem (E≥E1)

= (Tlong/Tshort) × Qshort

= Qlong

즉,

Qout = Qpd (E＜E0)

= Qpd ＋ Qmem (E0≤E＜E1)

= (Tlong/Tshort) × Qmem ……(16)

로 함으로써, 도 34c에 나타낸 바와 같은 선형 특성을 얻을 수 있다. 이 때의 다이나믹 레인지는 (Tlong/Tshort)×Qmem_sat에 상당하는 입사광 휘도 Emax까지 확대될 수 있다.

또한, 상기한 처리에 대하여는 실제로는 다음과 같이 실행하여도 동일한 이점을 얻을 수 있다.

Qout = Qpd (Qpd＜Qpd_th)

Qout = MAX(Qpd ＋ Qmem(Tlong/Tshort) × Qmem) (Qpd≥Qpd_th)

여기서, Qpd_th는 E0보다 작은 입사광 휘도에 상당하는 축적 전하량이다. E＜E0에서, Qmem은 0를 유지하며, 가산될 수도 있지만, 신호가 특히 작은 영역에서 는 전하(Qmem)에 포함된 노이즈가 출력에 가산될 수도 있으며, 이로써 임계값 Qpd_th가 제공되고 있다.

MAX(A, B)는 A와 B 중의 큰 쪽을 선택하는 함수이다. E0≤E＜E1에서, 얻어지는 전하(Qmem)는 제2 노광 기간 Tshort에서 축적된 전하 Qshort 보다 작으므로, Qpd＋Qmem이 선택된다. 또한, E≥E1에서, 제2 전송 구동에 의해 전하가 배출되므로, Qpd＋Qmem는 Qlong 보다 작게 된다. 그러므로, (Tlong/Tshort)×Qmem가 선택되고, 식 (16)과 등가가 된다.

전술한 산출식은 각각의 화소에서 엄밀하게 바뀌는 포인트 E0 및 E1를 설정할 필요가 없고, E0보다 충분히 낮은 휘도 레벨에 상당하는 임계값 Qpd_th만을 설정하면 되며, 그에 따라 현실적인 처리가 실행될 수 있다.

(변형예)

상기 실시예에서는, 데이터 저장부(19)를 컬럼 처리부(13)의 후단에서 신호 처리부(18)에 대하여 병렬로 설치하는 구성으로 하였으나, 상기 실시예는 이러한 구성으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 35에 나타낸 바와 같이, 데이터 저장부(19)를 컬럼 처리부(13)와 병렬로 설치하고, DH 기간의 데이터 Ddh와 DL 기간의 데이터 Ddl를 수평 주사부(14)에 의한 수평 주사에 의해 동시에 판독하여, 후단의 신호 처리부(18)에서 신호 처리를 실행하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.

또한, 도 36에 나타낸 바와 같이, 화소 어레이부(11)의 각각의 열마다 또는 복수의 열마다 AD 변환하는 AD 변환 기능을 컬럼 처리부(13)에 제공하는 동시에, 컬럼 처리부(13)에 대하여 데이터 저장부(19) 및 신호 처리부(18)를 병렬로 설치하 여, 신호 처리부(18)에서 아날로그 또는 디지털로 노이즈 제거 처리를 행한 후, 데이터 저장부(19) 및 신호 처리부(18)에서의 처리를 각각의 열마다 또는 복수의 열마다 실행하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는, 가시광의 광량에 따른 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬형으로 배치되는 CMOS 이미지 센서에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 CMOS 이미지 센서에의 적용에 한정되지 않고, 화소 어레이부의 화소열마다 컬럼 처리부가 배치되는 컬럼 방식의 고체 촬상 장치 전반에 대하여 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은, 가시광의 입사 광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되지 않고, 적외선, X선 또는 입자 등의 입력량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치, 및 광의의 의미로서 압력, 정전 용량, 및 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대하여 적용할 수 있다.

그리고, 고체 촬상 장치는 하나의 칩으로서 형성된 형태이어도 되고, 촬상부, 신호 처리부 또는 광학계 등이 함께 패키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형의 형태이어도 된다.

또한, 본 발명은 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되지 않고, 디지털 스틸 카메라 및 비디오 카메라 등의 촬상 장치, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 휴대 단말기 장치, 화상 판독부용으로 고체 촬상 장치를 이용하는 복사기 등과 같은, 화상 획득부(광전 변환부)로 고체 촬상 장치를 이용하는 전자 기기 전반에 대하여 적용할 수 있다. 본 발명은 또한 상기한 모듈형의 형태, 즉 카메라 모듈이 전자 기기에 탑재되는 촬상 장치에도 적용할 수 있다.

(응용예)

도 37은 본 발명에 관한 전자 기기, 예를 들면 촬상 장치의 구성의 일례를 나타낸 블록도이다. 도 37에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 촬상 장치(50)는, 렌즈군(51) 등을 포함하는 광학계, 촬상 소자(52), 카메라 신호 처리 회로인 DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 조작 시스템(57) 및 전원 시스템(58) 등을 포함하고, DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 조작 시스템(57) 및 전원 시스템(58)이 버스 라인(59)을 통해 서로 접속된 구성으로 되어 있다.

렌즈군(51)은 피사체로부터의 입사광(이미지 광)을 입수하여 촬상 소자(52)의 촬상면 상에 결상한다. 촬상 소자(52)는 렌즈군(51)에 의해 촬상면 상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다. 이 촬상 소자(52)로서 전술한 실시예에 관한 CMOS 이미지 센서(10) 등의 고체 촬상 장치, 즉 글로벌 노광에 의해 불균일이 없는 촬상을 실현할 수 있는 고체 촬상 장치를 사용할 수 있다.

표시 장치(55)는 액정 표시 장치 또는 유기 EL(electroluminescence) 표시 장치 등의 패널형 표시 장치로 이루어지고, 촬상 소자(52)로 촬상된 동영상 또는 정지 화상을 표시한다. 기록 장치(56)는 촬상 소자(52)로 촬상된 동영상 또는 정 지 화상을 비디오 테이프 또는 DVD(Digital Versatile Disk) 등의 기록 매체에 기록한다.

조작 시스템(57)은 사용자에 의한 조작 하에 본 촬상 장치가 갖는 다양한 기능에 대하여 조작 지시를 제공한다. 전원 시스템(58)은 DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56) 및 조작 시스템(57)의 동작 전원이 되는 각종의 전원을 이들 공급 대상에 적합하게 공급한다.

전술한 바와 같이, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치에서, 그 촬상 소자(52)로서 전술한 실시예에 관한 CMOS 이미지 센서(10)를 사용함으로써, CMOS 이미지 센서(10)에서는, 화소 트랜지스터의 임계값 불균일에 기인하는 노이즈가 저감되어, 높은 S/N 비를 확보할 수 있으므로, 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있다.

본 출원은 2008년 4월 3일자로 출원된 일본 특허 출원 번호 2008-096884호에 개시된 내용과 관련된 기술 요지를 포함하고 있으며, 상기 특허 출원의 전체 내용이 본 명세서에 발명의 일부로서 원용되어 있다.

본 기술 분야에 익숙한 사람은 첨부된 청구범위 또는 그 등가물의 범위 내에서 설계 조건 및 기타 요인에 따라 다양한 수정, 조합, 부분조합 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 CMOS 이미지 센서의 구성을 개략적으로 나타내는 시스템 구성도이다.

도 2는 제1 구조예에 따른 단위 화소의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3은 제1 구조예의 변형예에 따른 단위 화소의 구성을 나타낸 도면이다.

도 4는 전하 배출부를 이용하지 않는 경우의 동작 설명도이다.

도 5는 도 2에 도시된 Z-Z' 방향에서의 포텐셜 도면이다.

도 6은 게이트 전압과 표면 전위 간의 관계를 예시하는 도면이다.

도 7은 제2 구조예에 따른 단위 화소의 구성을 나타낸 도면이다.

도 8은 제3 구조예에 따른 단위 화소의 구성을 나타낸 도면이다.

도 9는 제1 내지 제3 구조예에 따른 단위 화소의 각 부분의 포텐셜을 나타내는 포텐셜 도면이다.

도 10a 내지 도 10e는 본 실시예의 제1 내지 제5 특징에 대한 동작 설명도이다.

도 11은 통상의 글로벌 노광 동작에서 수행된 동작의 설명을 위한 타이밍도이다.

도 12는 통상의 글로벌 노광 동작의 동작 설명도이다.

도 13은 제1 구조예에 따른 단위 화소를 사용하는 경우의 구동 타이밍을 나타내는 타이밍도이다.

도 14는 축적 기간에서의 입사광이 밝은 경우의 광전하의 전송을 나타낸 동 작 설명도이다.

도 15는 축적 기간에서의 입사광이 어두운 경우의 광전하의 전송을 나타낸 동작 설명도이다.

도 16은 판독 기간에서의 동작을 예시하는 동작 설명도이다.

도 17a 및 도 17b는 글로벌 노광을 위한 구동 타이밍을 나타내는 도면으로, 도 17a는 통상의 글로벌 노광의 경우를 나타내고, 도 17b는 본 실시예에 따른 글로벌 노광의 경우를 나타내고 있다.

도 18은 본 실시예에 따른 글로벌 노광의 다른 구동 타이밍을 나타낸 도면이다.

도 19는 제4 구조예에 따른 단위 화소의 구성을 나타낸 도면이다.

도 20a는 도 19의 X 방향의 포텐셜을 나타내고, 도 20b는 Z 방향의 포텐셜을 나타내는 포텐셜 도면이다.

도 21은 제4 구조예에 따른 단위 화소의 다른 구성을 나타낸 도면이다.

도 22는 도 19에 도시된 오버플로우 패스를 나타낸 도면이다.

도 23a 내지 도 23c는 단위 화소의 평면 구조를 나타낸 평면도이다.

도 24는 제4 구조예에 따른 단위 화소를 사용하는 경우의 구동 타이밍을 나타내는 타이밍도이다.

도 25는 음의 전위(피닝 전압)로 구동 시에 과도적으로 상이한 전압(예컨대, 0V)을 경유하여 구동하는 예를 나타낸 타이밍도이다.

도 26은 제4 구조예에 따른 단위 화소를 사용하는 경우에서의 입사광이 밝을 때의 노광 중의 동작 설명도이다.

도 27은 제4 구조예에 따른 단위 화소를 사용하는 경우에서의 입사광이 어두울 때의 노광 중의 동작 설명도이다.

도 28a 및 도 28b는 제4 구조예에 따른 단위 화소를 사용하는 경우에서의 글로벌 노광의 다른 구동 타이밍을 나타낸 도면이다.

도 29a 내지 도 29c는 통상의 글로벌 노광 동작에서의 전하 축적의 상태를 나타낸 도면이다.

도 30a 내지 도 30c는 본 실시예에 따른 글로벌 노광 동작에서의 전하 축적의 상태를 나타낸 도면이다.

도 31a 내지 도 31d는 단위 화소의 입출력 특성을 나타낸 도면이다.

도 32는 다이나믹 레인지가 확대된 구동예를 나타낸 타이밍도이다.

도 33은 다이나믹 레인지가 확대된 동작의 동작 설명도이다.

도 34a 내지 도 34c는 다이나믹 레인지가 확대된 동작 시의 입출력 특성을 나타낸 도면이다.

도 35는 본 실시예의 변형예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 개략적으로 나타내는 시스템 구성도이다.

도 36은 본 실시예의 다른 변형예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 개략적으로 나타내는 시스템 구성도이다.

도 37은 본 발명의 실시예에 따른 촬상 장치의 구성의 일례를 나타낸 블록도이다.

도 38은 종래 기술에 따른 단위 화소의 구성예를 나타낸 도면이다.

도 39는 종래 기술에 따른 단위 화소에서의 글로벌 노광의 동작 설명도이다.

도 40은 종래 기술에 따른 단위 화소에서의 글로벌 노광을 실행할 때의 타이밍도이다.

도 41은 메모리부를 갖는 종래 기술에 따른 단위 화소의 구성을 나타낸 도면이다.

도 42는 메모리부를 갖는 종래 기술에 따른 단위 화소에서의 글로벌 노광의 동작 설명도이다.

도 43은 대수 응답 동작의 동작 상태를 나타낸 동작 설명도이다.

도 44는 대수 응답 동작 시의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.

도 45는 입사광 휘도 E와 화소의 출력의 관계를 나타낸 도면이다.

도 46은 화소 사이의 트랜지스터의 임계값의 불균일에 의해 입출력 특성이 화소 간에 어떻게 상이한지를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : CMOS 이미지 센서

11 : 화소 어레이부

12 : 수직 구동부

13 : 컬럼 처리부

14 : 수평 구동부

15 : 시스템 제어부

18 : 신호 처리부

19 : 데이터 저장부

20, 20A, 20B, 20C : 단위 화소

21 : 포토다이오드(PD)

22 : 제1 전송 게이트

23 : 메모리부(MEM)

24 : 제2 전송 게이트

25 : 부유 확산 영역(FD)

26 : 리셋 트랜지스터

27 : 증폭 트랜지스터

28 : 선택 트랜지스터

30, 30' : 오버플로우 패스

Claims

고체 촬상 장치에 있어서,

입사광량에 따라 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 구성된 광전 변환 소자;

상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하도록 구성된 제1 전송 게이트;

상기 제1 전송 게이트에 의해 상기 광전 변환 소자로부터 전송되는 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지 영역;

상기 전하 유지 영역에 유지된 전하를 전송하는 제2 전송 게이트; 및

상기 제2 전송 게이트에 의해 상기 전하 유지 영역으로부터 전송되는 전하를, 신호로서 판독(전압으로 변환)하기 위해 유지하도록 구성된 부유 확산 영역

을 포함하는 복수의 단위 화소와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 광전 변환 소자에서 발생되고 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 중간 전하 전송부와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 제1 신호 전하를 상기 전하 유지 영역으로부터 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 광전 변환 소자에 축적되는 전하를 제2 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 화소 구동부

를 포함하며,

상기 화소 구동부는,

상기 노광 기간이 종료된 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로, 상기 제1 신호 전하를 제1 출력 신호로서 판독하고,

상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 리셋 신호로서 판독하고,

상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하여, 상기 제2 신호 전하를 상기 부유 확산 영역에 전송하고,

상기 제2 신호 전하를 제2 출력 신호로서 판독하는,

고체 촬상 장치.
고체 촬상 장치에 있어서,

입사광량에 따른 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 구성된 광전 변환 소자;

상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하도록 구성된 제1 전송 게이트;

상기 제1 전송 게이트에 의해 상기 광전 변환 소자로부터 전송되는 전 하를 유지하도록 구성된 전하 유지 영역;

상기 전하 유지 영역에 유지된 전하를 전송하도록 구성된 제2 전송 게이트; 및

상기 제2 전송 게이트에 의해 상기 전하 유지 영역으로부터 전송되는 전하를, 신호로서 판독(전압으로 변환)하기 위해 유지하도록 구성된 부유 확산 영역

을 포함하는 복수의 단위 화소와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 광전 변환 소자에서 발생되고 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 중간 전하 전송부와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 제1 신호 전하를 상기 전하 유지 영역으로부터 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 제2 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하는 화소 구동부

를 포함하며,

상기 화소 구동부는,

상기 노광 기간이 종료된 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로, 상기 제1 신호 전하를 제1 출력 신호로서 판독하고, 상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상 기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 제1 리셋 신호로서 판독하는 동작을, 모든 단위 화소에 대하여 순차적으로 실행하며,

그 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로, 상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 제2 리셋 신호로서 판독하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하고, 상기 제2 신호 전하를 상기 부유 확산 영역에 전송하며, 상기 제2 신호 전하를 제2 출력 신호로서 판독하는,

고체 촬상 장치.
고체 촬상 장치에 있어서,

입사광량에 따른 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 구성된 광전 변환 소자;

상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하도록 구성된 제1 전송 게이트;

상기 제1 전송 게이트에 의해 상기 광전 변환 소자로부터 전송되는 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지 영역;

상기 전하 유지 영역에 유지된 전하를 전송하도록 구성된 제2 전송 게이트; 및

상기 제2 전송 게이트에 의해 상기 전하 유지 영역으로부터 전송되는 전하를, 신호로서 판독(전압으로 변환)하기 위해 유지하도록 구성된 부유 확산 영역

을 포함하는 복수의 단위 화소와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 광전 변환 소자에서 발생되고 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 중간 전하 전송부와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 제1 신호 전하를 상기 전하 유지 영역으로부터 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 제2 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 화소 구동부

를 포함하는 고체 촬상 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하는 제1 전압값과 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하는 제2 전압값 사이의 제3 전압값을 중간 전압이라 할 때, 상기 중간 전하 전송부는, 상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제1 전송 게이트를 상기 중간 전압으로 1회 이상 구동하여, 상기 제3 전압값에 대응하는 상기 소정의 전하량을 초과하는 전하를 상기 제1 신호 전하로서 상기 광전 변환 소자로부터 상기 전하 유지 영역에 전송하는, 고체 촬상 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하는 제1 전압값과 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하는 제2 전압값 사이의 제3 전압값을 중간 전압이라 할 때,

상기 중간 전하 전송부는, 먼저,

상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고,

상기 제1 전송 게이트를 상기 중간 전압으로 2회 이상 구동하고,

상기 제1 전송 게이트를 상기 중간 전압으로 최종 구동하는 제1 중간 전압 구동과, 그 전에 상기 제1 전송 게이트를 상기 중간 전압으로 구동하는 제2 중간 전압 구동 사이의 기간 중에, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하여, 상기 전하 유지 영역의 축적 전하를 배출하며,

이어서, 상기 제1 중간 전압 구동에 의해 상기 제1 전송 게이트를 구동함으로써, 상기 제3 전압값에 대응하는 상기 소정의 전하량을 초과하는 전하를 상기 제1 신호 전하로서 상기 광전 변환 소자로부터 상기 전하 유지 영역에 전송하는,

고체 촬상 장치.
제3항에 있어서,

상기 중간 전하 전송부는, 상기 광전 변환 소자와 상기 전하 유지 영역 사이의 경계 부분에 상기 소정의 전하량을 결정하는 포텐셜로 형성되어, 상기 소정의 전하량을 초과하는 전하를 상기 제1 신호 전하로서 상기 광전 변환 소자로부터 상기 전하 유지 영역에 전송하는 오버플로우 패스(overflow path)인, 고체 촬상 장 치.
제3항에 있어서,

상기 화소 구동부는, 상기 노광 기간이 종료된 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로 상기 제1 신호 전하를 제1 출력 신호로서 판독하고, 상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 리셋 신호로서 판독하며, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하여 상기 제2 신호 전하를 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 그 후 상기 제2 신호 전하를 제2 출력 신호로서 판독하는, 고체 촬상 장치.
제3항에 있어서,

상기 화소 구동부는,

상기 노광 기간이 종료된 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로 상기 제1 신호 전하를 제1 출력 신호로서 판독하고, 이어서 상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 제1 리셋 신호로서 판독하는 동작을 모든 단위 화소에 대하여 순차적으로 실행하며,

그리고나서, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로, 상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 제2 리셋 신호로서 판독하고, 이어서, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하여 상기 제2 신호 전하를 상기 부유 확산 영역에 전송하며, 그 후 상기 제2 신호 전하를 제2 출력 신호로서 판독하는,

고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,

상기 전하 유지 영역에 대응하는 게이트 전위가, 상기 제1 전송 게이트와 상기 제2 전송 게이트 중의 하나 이상의 전송 게이트를 비도통 상태로 하는 기간 동안, 피닝 상태(pinning state)를 실현하는 전압으로 설정되는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 전하 유지 영역의 가장자리측에 배치되는, 상기 전하 유지 영역에 대응하는 게이트 이외의 게이트의 전위가, 피닝 상태를 실현하는 전압으로 설정되는, 고체 촬상 장치.
제9항에 있어서,

상기 전하 유지 영역에 대응하는 게이트 전위를, 피닝 상태를 실현하는 전압으로 설정할 때, 과도적으로 상이한 전압을 경유하여 설정되는, 고체 촬상 장치.
고체 촬상 장치의 구동 방법에 있어서,

상기 고체 촬상 장치는,

입사광량에 따른 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 구성된 광전 변환 소자;

상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하도록 구성된 제1 전송 게이트;

상기 제1 전송 게이트에 의해 상기 광전 변환 소자로부터 전송되는 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지 영역;

상기 전하 유지 영역에 유지된 전하를 전송하도록 구성된 제2 전송 게이트; 및

상기 제2 전송 게이트에 의해 상기 전하 유지 영역으로부터 전송되는 전하를, 신호로서 판독(전압으로 변환)하기 위해 유지하도록 구성된 부유 확산 영역

을 포함하는 복수의 단위 화소에 의해 구동되며,

상기 고체 촬상 장치의 구동 방법은,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 광전 변환 소자에서 발생되고 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하는 단계;

상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하는 단계;

상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하는 단계;

상기 제1 신호 전하를 상기 전하 유지 영역으로부터 상기 부유 확산 영역에 전송하는 단계;

상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하는 단계;

상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하는 단계; 및

상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 제2 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하는 단계

를 포함하는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
전자 기기에 있어서,

입사광량에 따른 전기 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 구성된 광전 변환 소자;

상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전송하도록 구성된 제1 전송 게이트;

상기 제1 전송 게이트에 의해 상기 광전 변환 소자로부터 전송되는 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지 영역;

상기 전하 유지 영역에 유지된 전하를 전송하도록 구성된 제2 전송 게이트; 및

상기 제2 전송 게이트에 의해 상기 전하 유지 영역으로부터 전송되는 전하를, 신호로서 판독(전압으로 변환)하기 위해 유지하도록 구성된 부유 확산 영역

을 포함하는 복수의 단위 화소와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 광전 변환 소자에서 발생되고 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 중간 전하 전송부와,

상기 복수의 단위 화소의 모두가 동시에 촬상 동작을 행하는 노광 기간에서, 상기 제1 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 제1 신호 전하를 상기 전하 유지 영역으로부터 상기 부유 확산 영역에 전송하고, 상기 제2 전송 게이트를 비도통 상태로 하고, 상기 제1 전송 게이트를 도통 상태로 하며, 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 제2 신호 전하로서 상기 전하 유지 영역에 전송하도록 구성된 화소 구동부

를 포함하는 고체 촬상 장치를 구비하며,

상기 화소 구동부는,

상기 노광 기간이 종료된 후, 하나의 화소 또는 복수의 화소 단위로, 상기 제1 신호 전하를 제1 출력 신호로서 판독하고,

상기 부유 확산 영역을 리셋하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨을 리셋 신호로서 판독하고,

상기 제2 전송 게이트를 도통 상태로 하여, 상기 제2 신호 전하를 상기 부유 확산 영역에 전송하고,

상기 제2 신호 전하를 제2 출력 신호로서 판독하는,

전자 기기.