KR20120067286A

KR20120067286A - 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기

Info

Publication number: KR20120067286A
Application number: KR1020110130243A
Authority: KR
Inventors: 유스께 오이께; 다까후미 다까쯔까; 이꾸히로 야마무라
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-06-25
Also published as: US20120154656A1; CN102572311A; CN202395873U; JP2012129799A; TW201246924A

Abstract

광전 변환부와, 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부; 및 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단을 포함하는 고체 촬상 소자가 제공되며, 구동 제어 수단은 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 리셋 수단이 단위 화소의 복수의 행 단위- 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어한다.

Description

고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT, DRIVING METHOD, AND ELECTRONIC APPARATUS}

본 발명은 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다.

일반적으로, 전형적인 이미지 센서(고체 촬상 소자)에서는, 일시적으로 전하를 유지할 목적으로, 수광부에서 축적된 전하를 전하-전압 변환부(소위 플로팅 디퓨전 영역; 경우에 따라 FD 영역이라고도 한다) 또는 FD 영역과는 별도로 각 픽셀마다 설치된 용량 소자 등의 전하 유지부에 보유하도록 구성되어 있다. 이런 구성의 주된 목적은, 노광 및 전하 유지 기간에 걸친 순차적인 신호 판독 동작에서의 픽셀 간의 어긋남을 최소화시키기 위한 것이다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2009-268083호 공보 및 일본 특허 공개 제2005-328493호 공보 참조).

또한, 전형적인 이미지 센서에 있어서는, 신호 판독 시에, 우선, 전하 유지부에 축적된 전하에 대응하는 전압(신호 레벨이라 함)을 판독하고, 이어서, 전하 유지부에 축적된 전하를 리셋했을 때의 실제 전압(리셋 레벨이라 함)을 판독한다. 이들 두 레벨 간의 차분에 기초하여, 이미지 센서는 노이즈를 제거한다.

이 경우, 수광부에서 축적된 전하가 전하 유지부에 전송되기 전에 전하 유지부의 전하를 리셋(초기화)했을 때의 실제 전압(이하, 전송 전 리셋 전압이라고 한다)은 신호 판독 시의 실제 리셋 레벨(이하, 판독 후 리셋 전압이라고 한다)과 일치하는 것이 바람직하다.

일본 특허 공개 제2009-268083호 공보 일본 특허 공개 제2005-328493호 공보

한편, 이미지 센서가 신호 전하의 유지 기간 동안 동시성을 유지하는 글로벌 셔터 동작이 행하여지는 경우(도 1 참조), 노광 개시 전의 전하 배출(도 1에서 삼각형으로 도시) 및 노광 종료 시의 전하 전송(사각형으로 도시)은 모든 화소에 대해 동시에 행해진다. 반면, 신호 레벨의 판독 및 리셋 레벨의 판독은 화소 행(row) 단위로 행해진다.

전하 전송 전의 전하 유지부의 초기화(원으로 표시)를 모든 화소에 대해 동시에 행할 경우, 전하 유지부를 초기화(즉, 리셋)하도록 설계된 리셋 트랜지스터의 전원의 전압 강 및 인접하는 각 행의 화소에 리셋 전압을 공급하는 리셋 신호선과 전하 유지부의 크로스토크로 인해, 전송 전 리셋 전압과 판독 후 리셋 전압 간에는 뚜렷한 차가 존재할 수 있다. 또한, 모든 화소를 동시 구동함에 의한 부하에 의해, 이 경우에서의 리셋 동작의 천이 타이밍이 신호 판독 시의 리셋 동작의 천이 타이밍과 상이해질 수 있다. 이 결과, 전송 전 리셋 전압과 판독 후 리셋 전압 간의 차가 크게 상이할 수 있다. 전송 전 리셋 전압과 판독 후 리셋 전압 간에서의 큰 차는 출력에 오프셋이 발생하는 것에 의한 노이즈(이하, 오프셋 노이즈라고 한다)을 발생시킴으로써, 촬상 화상의 화질이 손상되어버린다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전하 전송 전의 전하 유지부를 화소 행 단위(원으로 표시)로 순차로 초기화할 경우, 오프셋 노이즈를 저감시키는 것은 가능하게 되지만, 모든 화소 행에 대한 전하 유지부를 초기화하는데에는 오랜 시간이 걸린다. 이는 프레임 레이트를 저하시킬 수 있어, 촬상 화상(특히 동화상)의 화질이 손상되어버린다.

본 발명은, 상기와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있는 고체 촬상 소자, 구동 방법 및 전자 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 광전 변환부와, 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부; 및 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단을 포함하는 고체 촬상 소자가 제공된다. 고체 촬상 소자에서, 구동 제어 수단은 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 단위 화소의 복수의 행 단위- 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 리셋 수단이 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어한다.

바람직하게는, 구동 제어 수단은, 전송 수단에 의한 전하 전송을 화소 어레이부 내의 모든 단위 화소에 대해 동시에 행하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, 구동 제어 수단은, 광전 변환부의 전하 배출을 화소 어레이부 내의 모든 단위 화소에 대해 동시에 행하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, 구동 제어 수단은, 광전 변환부의 전하 배출 및 전송 수단에 의한 전하 전송을 화소 어레이부에서 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접함 - 로 행하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, 리셋 수단은 광전 변환부에 축적된 전하를 배출시킬 수 있고, 구동 제어 수단은, 리셋 수단에 의한 광전 변환부의 전하 배출 후 및 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 리셋 수단이 화소 어레이부에서 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 고체 촬상 소자는 광전 변환부에 축적된 전하를 배출하도록 구성된 전하 배출 수단을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 구동 제어 수단은, 전하 배출 수단에 의한 광전 변환부의 전하 배출 전에, 리셋 수단이 화소 어레이부에서 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, 구동 제어 수단은, 리셋 수단이 화소 어레이부에서의 단위 화소의 m행 간격의 n행 단위로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, m=1로 할 수 있다.

바람직하게는, 전하 유지부는 플로팅 확산 영역일 수 있다.

바람직하게는, 전하 유지부는 플로팅 확산 영역과는 별도로 마련된 용량 소자일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 고체 촬상 소자는, 전하 유지부의 전하에 따른 전압을 판독하도록 구성된 판독 수단을 더 포함할 수 있다. 고체 촬상 소자에서, 구동 제어 수단은, 전하 전송 후 전하 유지부에 축적된 전하에 따른 신호 레벨로서의 전압의 판독 수단에 의한 판독, 전하 전송 후 전하 유지부에 축적된 전하의 리셋 수단에 의한 리셋, 및 전하 리셋 후 전하 유지부의 전하에 따른 리셋 레벨로서의 전압의 판독 수단에 의한 판독을 단위 화소의 행 단위로 순차 행하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어시킬 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 고체 촬상 소자는 판독 수단에 의해 판독된 신호 레벨과 리셋 레벨 간의 차분을 산출하도록 구성된 산출 수단을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 광전 변환부와, 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부; 및 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단을 포함하는 고체 촬상 소자에서 사용하기 위한 구동 방법이 제공된다. 이 구동 방법은 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 리셋 수단이 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 구동 제어 수단으로 하여금 단위 화소의 구동을 제어하게 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 광전 변환부와, 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부 및, 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단을 포함하는 전자 기기가 제공되며, 구동 제어 수단은 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 리셋 수단이 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 단위 화소의 구동을 제어한다.

본 발명의 측면에 따르면, 단위 화소의 구동은 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 리셋 수단이 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 제어된다.

이와 같이, 본 발명의 측면에 다르면, 촬상 화상의 고화질화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 종래의 고체 촬상 소자의 동작에 대해서 설명하는 도면이다.
도 2는 종래의 고체 촬상 소자의 동작에 대해서 설명하는 다른 도면이다.
도 3은 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 전형적인 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 단위 화소의 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 5는 단위 화소의 전형적인 구동을 설명하는 타이밍 챠트이다.
도 6은 고체 촬상 소자의 전형적인 구동을 설명하는 도면이다.
도 7은 고체 촬상 소자의 전형적인 구동 예를 설명하는 다른 도면이다.
도 8은 단위 화소의 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 9는 단위 화소의 또 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 10은 단위 화소의 또 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 11은 단위 화소의 또 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 12는 단위 화소의 전형적인 구동을 설명하는 다른 타이밍 챠트이다.
도 13은 고체 촬상 소자의 전형적인 구동을 설명하는 다른 도면이다.
도 14는 고체 촬상 소자의 전형적인 구동을 설명하는 또 다른 도면이다.
도 15는 고체 촬상 소자의 전형적인 구동을 설명하는 또 다른 도면이다.
도 16은 단위 화소의 또 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 17은 단위 화소의 또 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 18은 단위 화소의 또 다른 전형적인 구성을 도시하는 개략도이다.
도 19는 본 발명을 적용한 전자 기기의 전형적인 구성을 도시하는 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

[고체 촬상 소자의 구성]

도 3은 본 발명이 적용되는 고체 촬상 소자로서의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서(30)의 전형적인 구성을 도시하는 블록도이다.

CMOS 이미지 센서(30)는 화소 어레이부(41), 수직 구동부(42), 칼럼 처리부(43), 수평 구동부(44) 및 시스템 제어부(45)을 포함하여 구성된다. 화소 어레이부(41), 수직 구동부(42), 칼럼 처리부(43), 수평 구동부(44) 및 시스템 제어부(45)는 도시하지 않은 반도체 기판(칩) 상에 형성되어 있다.

화소 어레이부(41)에는, 입사 광량에 따른 광 전하량을 발생하여 발생된 광 전하를 내부에 축적하는 광전 변환 소자를 갖는 단위 화소들(그 중 하나를 도 4에서 참조부호(50)로 표시함)이 행렬 형상으로 2차원 배치되어 있다. 이하에서는, 경우에 따라, 입사 광량에 따른 광 전하량을 간단히 전하라고 기술하고, 단위 화소를 간단히 화소라 기술한다.

또한, 화소 어레이부(41)에는 화소의 행마다 수평으로(화소 행들이 배열되는 방향으로) 화소 구동선(46)이 형성되어 있고, 화소의 열마다 수직으로(화소 열들이 배열되는 방향으로) 수직 신호선(47)이 형성되어 있다. 화소 구동선(46)의 일단부는 수직 구동부(42)의 각 행의 출력 단부에 접속되어 있다.

CMOS 이미지 센서(30)은 또한, 신호 처리부(48) 및 데이터 저장부(49)을 포함한다. 신호 처리부(48) 및 데이터 저장부(49)는, CMOS 이미지 센서(30)와는 다른 기판 상에 설치되는 외부 신호 처리부, 예를 들어 DSP(Digital Signal Processor)나 소프트웨어의 형태로 제공될 수 있거나, 또는 CMOS 이미지 센서(30)와 동일한 기판 상에 제공될 수 있다.

수직 구동부(42)는 시프트 레지스터 및 어드레스 디코더로 구성될 수 있다. 그래서, 수직 구동부(42)는 화소 어레이부(41)의 각 화소를 모두 동시에 또는 행 단위로 구동하는 화소 구동부로서 기능한다. 수직 구동부(42)는 그 구체적인 구성에 대해서는 도시를 생략하지만, 판독 주사계와, 소거(sweep out) 주사계(또는, 동시 소거계) 및 동시 전송계를 포함한다.

판독 주사계는 단위 화소로부터 신호를 판독하기 위해서, 화소 어레이부(41)의 단위 화소를 행 단위로 순차 및 선택적으로 주사한다. 행 구동(롤링 셔터 동작)의 경우, 소거 주사는 판독 주사계에 의해 해당 행에 대해 수행되는 판독 주사보다도 셔터 스피드의 시간만큼 이르게 각 행에 대해 행해진다. 글로벌 노광(글로벌 셔터 동작)의 경우에는, 동시 소거는 동시 전송보다도 셔터 스피드의 시간만큼 이르게 행해진다.

소거는 판독 중인 행의 각 단위 화소의 광전 변환 소자로부터 불필요한 전하를 배출시킨다(즉, 리셋한다). 불필요한 전하의 소거(즉, 리셋)에 의해, 소위 전자 셔터 동작이 행해진다. 전자 셔터 동작이란, 광전 변환 소자의 광 전하를 버리고, 새롭게 노광을 개시(즉, 광 전하의 축적을 개시)하는 동작을 말한다.

판독 주사계에 의한 판독 동작 시에 판독되는 신호는, 가장 최근의 판독 동작 또는 전자 셔터 동작 이후에 입사한 광량을 반영한다. 행 구동의 경우에는, 소거를 위해 가장 최근의 판독 동작 또는 전자 셔터 동작에 의한 단위 화소의 판독 시간부터 금회 판독 동작에 의한 단위 화소의 판독 시간까지의 기간은 해당 단위 화소에 대한 광 전하의 축적 시간(노광 시간)이 된다. 글로벌 노광의 경우에는, 동시 소거로부터 동시 전송까지의 기간이 전하 축적 시간(노광 시간)이 된다.

수직 구동부(42)에 의해 선택 주사된 화소 행의 각 단위 화소로부터 출력되는 화소 신호는, 수직 신호선(47)을 통해 칼럼 처리부(43)에 공급된다. 칼럼 처리부(43)는 화소 어레이부(41)의 각 화소 열마다, 선택된 화소 행의 각 단위 화소로부터 수직 신호선(47)을 통해 출력되는 화소 신호에 대하여 소정의 신호 처리를 행한다. 또한, 칼럼 처리부(43)는 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 보유한다.

보다 구체적으로는, 칼럼 처리부(43)는 신호 처리의 일부로서 적어도 노이즈 제거 처리(예를 들어, 상관 이중 샘플링; CDS)를 행한다. 칼럼 처리부(43)에 의한 상관 이중 샘플링에 의해, 리셋 노이즈 및 증폭 트랜지스터의 임계값 변동 등의 화소에 고유한 고정 패턴 노이즈가 제거된다. 노이즈 제거 기능 이외에, 칼럼 처리부(43)는 AD(아날로그- 디지털) 변환 기능을 갖추어 신호 레벨을 디지털 신호의 형태로 출력시킬 수 있다.

수평 구동부(44)는 시프트 레지스터 및 어드레스 디코더로 구성된다. 그래서, 수평 구동부(44)는 칼럼 처리부(43)의 화소 열에 대응하는 단위 회로를 순차로 선택한다. 수평 구동부(44)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(43)에 의해 신호 처리된 화소 신호가 순차로 신호 처리부(48)에 출력된다.

시스템 제어부(45)는 각종 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 발생기 및 다른 소자로 구성된다. 타이밍 발생기에 의해 생성되는 각종 타이밍 신호에 기반하여, 시스템 제어부(45)는 특히, 수직 구동부(42), 칼럼 처리부(43) 및 수평 구동부(44)에 대한 구동 제어를 행한다.

신호 처리부(48)는 적어도 가산 처리 기능을 갖추어, 칼럼 처리부(43)로부터 출력되는 화소 신호에 대하여 가산 처리를 포함한 다양한 신호 처리를 행한다. 데이터 저장부(49)는 신호 처리부(48)에 의한 신호 처리 동안, 그 처리에 필요한 데이터를 일시적으로 저장한다.

[단위 화소의 전형적인 회로 구성]

이하에서, 도 3의 화소 어레이부(41)에 행렬 형상으로 배치되어 있는 단위 화소(50) 중 하나의 전형적인 회로 구성에 대해서 설명하기로 한다.

도 4의 단위 화소(50)는 포토다이오드(PD; 61), 전송 게이트(62), 부유 확산 영역(FD; 63), 리셋 트랜지스터(64), 증폭 트랜지스터(65), 선택 트랜지스터(66) 및 수직 신호선(67)으로 구성된다.

포토다이오드(61)의 애노드는 접지되어 있고, 포토다이오드(61)의 캐소드는 전송 게이트(62)의 소스에 접속되어 있다. 전송 게이트(62)의 드레인은 리셋 트랜지스터(64)의 드레인 및 증폭 트랜지스터(65)의 게이트에 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(64)의 드레인과 증폭 트랜지스터(65)의 게이트 간의 접속점이 부유 확산 영역(63)을 구성한다.

리셋 트랜지스터(64)의 소스는 소정의 전원 Vrst에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(65)의 소스는 소정의 전원 Vdd에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(65)의 드레인은 선택 트랜지스터(66)의 소스에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(66)의 드레인은 수직 신호선(VSL; 67)에 접속되어 있다. 수직 신호선(67)은 소스 폴로워 회로의 정전류원에 접속되어 있다.

전송 게이트(62)의 게이트, 리셋 트랜지스터(64)의 게이트 및 선택 트랜지스터(66)의 게이트는, 도시하지 않은 제어선을 통해 도 3의 수직 구동부(42)에 접속된다. 이들 게이트에는 구동 신호로서 기능하는 펄스가 공급된다.

포토다이오드(61)는 입사광을 광전 변환시켜, 그 광량에 따른 전하를 생성하고, 생성된 전하량을 축적한다.

전송 게이트(62)는 수직 구동부(42)로부터 공급되는 구동 신호 TRG에 따라, 포토다이오드(61)로부터 부유 확산 영역(63)로의 전하의 전송을 온 또는 오프한다. 예를 들어, 전송 게이트(62)는, 하이-레벨(H)의 구동 신호 TRG가 공급되면, 포토다이오드(61)에 축적되어 있는 전하를 부유 확산 영역(63)에 전송하고; 로우-레벨(L)의 구동 신호 TRG가 공급되면, 전하의 전송을 정지한다. 전송 게이트(62)가 부유 확산 영역(63)에 전하를 전송하고 있지 않는 동안, 포토다이오드(61)는 광전 변환으로부터 얻어진 전하를 축적한다.

부유 확산 영역(63)은 포토다이오드(61)로부터 전송 게이트(62)를 통해 전송되는 전하를 축적하고, 축적된 전하를 전압으로 변환한다. 부유 확산 영역(63)은 CMOS 이미지 센서(30)가 글로벌 셔터 동작을 행하는 경우, 노광 기간 중에 포토다이오드(61)에 축적된 전하를 유지하는 전하 유지부로서 기능한다.

리셋 트랜지스터(64)는 수직 구동부(42)로부터 공급되는 구동 신호 RST에 따라, 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하의 배출을 온 또는 오프한다. 예를 들어, 리셋 트랜지스터(64)는 하이-레벨의 구동 신호 RST가 공급되면, 부유 확산 영역(63)을 전원 전압 Vrst로 클램프시켜 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하를 배출(즉, 리셋) 한다. 리셋 트랜지스터(64)는 로우-레벨의 구동 신호 RST가 공급되면, 부유 확산 영역(63)을 전기적으로 부유 상태로 한다.

증폭 트랜지스터(65)는 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하에 따른 전압을 증폭한다. 증폭 트랜지스터(65)에 의해 증폭된 전압(전압 신호)은 선택 트랜지스터(66)를 통해 수직 신호선(67)에 출력된다.

선택 트랜지스터(66)는 수직 구동부(42)로부터 공급되는 구동 신호 SEL에 따라, 증폭 트랜지스터(65)로부터 나오는 전압 신호의 수직 신호선(67) 상으로의 출력을 온 또는 오프한다. 예를 들어, 선택 트랜지스터(66)는 하이-레벨의 구동 신호 SEL이 공급되면, 전압 신호를 수직 신호선(67)에 출력한다. 선택 트랜지스터(66)는 로우-레벨의 구동 신호 SEL이 공급되면, 전압 신호의 출력을 정지한다.

상술한 바와 같이, 단위 화소(50)는 수직 구동부(42)로부터 공급되는 구동 신호 TRG, 구동 신호 RST 및 구동 신호 SEL에 따라 구동한다.

[단위 화소의 구동 예]

이하에서는, 도 5의 타이밍 차트를 참조하여, 단위 화소(50)의 전형적인 구동 방법에 대해서 설명하기로 한다.

우선, 시각 t1 내지 t2의 기간에서, 구동 신호 RST 및 TRG가 펄스 형상으로 인가된다. 이로 인해, 포토다이오드(61) 및 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하가 배출되게 된다.

포토다이오드(61)에 축적되어 있었던 전하가 소거된 후, 시각 t2 내지 t5의 기간 사이에, 새로운 피사체로부터 나오는 광으로부터 얻어진 전하가 포토다이오드(61)에 축적되게 된다. 시각 t3 내지 t4의 기간에 구동 신호 RST가 펄스 형상으로 인가되면, 전하 유지부로 기능하는 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하가 초기화(즉, 리셋)된다.

시각 t5 내지 t6의 기간에, 구동 신호 TRG가 펄스 형상으로 인가되면, 포토다이오드(61)에 축적된 전하가 전송 게이트(62)를 통해 부유 확산 영역(63)에 전송된다. 그 후, 시각 t6 내지 t7의 기간은 전하 유지 기간으로 된다.

시각 t7 내지 t8의 기간에서, 구동 신호 SEL이 L 레벨로부터 H 레벨로 구동면, 시각 t9와 시각 t10 사이에 구동 신호 RST가 H 레벨로 구동될 때까지 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하에 따른 전압이 신호 레벨로서 판독된다.

시각 t9 내지 t10의 기간에서 구동 신호 RST가 H 레벨로 구동되면, 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하가 리셋 트랜지스터(64)에 의해 리셋(배출)된다. 이 리셋 상태는, 시각 t11에서 구동 신호 SEL이 L 레벨로 구동될 때까지 지속된다. 리셋 상태 동안, 리셋 레벨을 나타내는 전압이 판독된다. 이것이, 이와 같이 하여 판독된 리셋 레벨과 신호 레벨 간의 차분을 취하여 노이즈를 제거하는 CDS 프로세스를 행함으로써 노이즈가 제거된 화소 신호를 판독하는 방법이다.

[고체 촬상 소자의 구동 예]

이하에서는, 도 6을 참조하여, CMOS 이미지 센서(30)에서의 단위 화소(50)를 행 단위로 전형적으로 구동시키는 방법에 대해서 설명하기로 한다.

도 6에서, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 CMOS 이미지 센서(30)에서 2차원으로 배열된 단위 화소(50)의 행을 나타내고 있다. 도 5를 참조하여 앞서 설명한 단위 화소(50)의 전하 배출, 전하 유지부의 초기화, 전하 전송 및 신호 레벨 판독은 행 단위로 행해진다. 도 6에서, 단위 화소(50)의 전하 배출은 삼각형으로 표시되고, 전하 유지부의 초기화는 원으로 표시되고, 전하 전송은 사각형으로 표시되고, 판독된 신호 레벨은 가로로 긴 육각형으로 표시되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전하 배출 및 전하 전송은 모든 행에 대해 동시에 행해진다. 신호 레벨은 행 단위로 판독된다. 즉, 도 6은 모든 화소의 동시성 전하 배출 및 전하 전송에 관련된 글로벌 셔터 동작을 행하는 CMOS 이미지 센서(30)의 구동 예를 나타내고 있다.

도 5를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 부유 확산 영역(63)의 초기화는 전하 배출 후 및 전하 전송 전에 행해진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 부유 확산 영역(63)의 초기화는 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로, 보다 구체적으로는, 2 행 간격의 3 행을 1 세트의 단위(increments)로 이루어진다.

이상의 동작을 수행하면, 글로벌 셔터 동작을 행하는 CMOS 이미지 센서에서 전하 유지부로서 기능하는 부유 확산 영역(63)의 초기화는 모든 화소에 대해 동시에 행해지는 것이 아니라, 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로 행해진다. 이로써, 리셋 트랜지스터의 전원의 전압 강하를 방지하고, 한편의 인접하는 리셋 신호선과 다른 한편의 전하 유지부 간의 크로스토크를 억제시킬 수 있으며, 모든 행에 대해 동시에 이루어지는 전하 유지부의 초기화에 기인할 수 있는 전위 불이익 현상이 억제된다. 리셋 동작에서 모든 화소의 동시 구동으로 인한 부하를 저감할 수 있게 되므로, 리셋 동작의 천이 타이밍을 신호 판독 시의 리셋 동작과 동기화시킬 수 있다. 이는, 차례로 전송 전 리셋 전압과 판독 후 리셋 전압 간의 차의 최소화로 이어져 오프셋 노이즈의 발생을 억제할 수 있고, 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있다.

부유 확산 영역(63)의 초기화 동작을 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로 행하면, 초기화를 행 단위로 순차 행해지도록 하는 경우보다, 모든 행에 대한 전하 유지부의 초기화에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다. 이는, 프레임 레이트의 저하를 억제하고, 촬상 화상의 고화질화를 도모하는 것을 가능하게 한다.

상술한 글로벌 셔터 동작에서는, 모든 행의 전하 배출 및 전하 전송이 동시에 행해진다. 그것은, 전송 게이트(62) 및 리셋 트랜지스터(64) 각각에 구동 신호 TRG 및 RST를 공급하는 구동 회로가 롤링 셔터 동작 시보다도 더 큰 부하를 받게 되는 것을 의미한다. 부하의 증가는 전송 게이트(62) 및 리셋 트랜지스터(64) 각각에 구동 신호 TRG 및 RST를 공급하는 전원의 전압 강하를 초래하고, 전하 배출 및 전하 전송의 천이 타이밍의 지연이 커져 버린다. 그것은, 각 구동 신호의 펄스폭의 연장을 필요로 하여, 전하 배출부터 전하 전송까지의 기간(즉, 노광 및 축적 기간)의 단축을 방해한다.

이하에서는, 노광 및 축적 기간을 단축하도록 한 CMOS 이미지 센서의 전형적인 구동 방법에 대해서 설명하기로 한다.

[고체 촬상 소자의 다른 구동 예]

도 7은 CMOS 이미지 센서(30)에서의 단위 화소(50)가 행 단위로 구동되는 다른 예에 대해서 설명하는 도면이다.

도 7에 도시된 구동 예는 전하 배출 및 전하 전송이 서로 인접하는 복수의 행 단위로, 보다 구체적으로는, 인접한 3 행을 1 세트로 하는 단위로 행해지는 점에서, 도 6에 도시된 구동 예와 상이하다.

또한, 도 7에서는, 도 6에 도시된 구동 예에서와 같이, 부유 확산 영역(63)의 초기화는 전하 배출 후 및 전하 전송 전에, 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로, 보다 구체적으로는, 2 행 간격의 3 행을 1 세트로 하는 단위로 행해진다.

이상의 동작이 행해지면, 전하 유지부로서 기능하는 부유 확산 영역(63)의 초기화는 모든 화소에 대해 동시에 행해지지 않고, 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로 행해진다. 이는, 상술한 바와 같이, 오프셋 노이즈의 발생을 억제할 수 있고, 촬상 화상의 고화질화를 도모하는 것을 가능하게 한다.

또한, 전하 배출 및 전하 전송을 모든 화소에 대해 동시에 행하지 않고, 서로 인접하는 복수의 행 단위로 행하므로, 전송 게이트(62) 및 리셋 트랜지스터(64) 각각에 구동 신호 TRG 및 RST를 공급하는 구동 회로는 글로벌 셔터 동작 동안보다도, 부하가 감소된다. 부하의 감소로, 구동 신호 TRG 및 RST를 공급하는 전원의 전압 강하를 억제시킬 수 있고, 전하 배출 및 전하 전송의 천이 타이밍의 지연을 최소화할 수 있다. 이는, 각 구동 신호의 펄스폭을 짧게 할 수 있어, 노광 및 축적 기간을 단축하는 것이 가능하게 된다.

전하 배출 및 전하 전송의 동작을 서로 인접하는 복수의 행 단위로 행하도록 했으므로, 롤링 셔터 동작에서의 전하 배출 및 전하 전송이 행해질 때보다도, 행 간의 전하의 노광 및 축적 기간의 어긋남을 작게 할 수 있다. 이는 결국 촬상 화상에서의 왜곡을 최소화시킨다.

전하 배출 및 전하 전송을 전하 유지부의 초기화 시에 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로 행할 경우에는, 여러 행 걸러 노광 및 축적 기간의 어긋남이 발생할 수 있다. 이는, 움직임이 있는 피사체의 촬상 화상의 고주파수 영역에서의 눈에 띄는 왜곡이 일으킬 수 있다. 이런 이유로, 전하 배출 및 전하 전송을 서로 인접하는 복수의 행 단위로 순차로 행한다.

도 6 및 도 7의 예에서는, 전하 유지부의 초기화를 3 행 단위로 동시에 행하고, 전하 배출 및 전하 전송 또한 3 행 단위로 동시에 행한다. 이와는 다르게, 관련되는 동작들은 다른 행 수의 단위로 행해질 수 있다. 또 다른 대안으로서는, 동작들은 각각 다른 행 수의 단위로 행해질 수 있다.

상술한 동작을 행하는 이미지 센서를 구성하는 단위 화소의 구조는, 도 4에 도시된 구와는 다르게 할 수 있다. 이하에서는, 본 발명이 적용가능한 몇몇 다른 단위 화소의 구조에 대해서 설명하기로 한다. 이하에서 인용된 도면 및 도 4에서,동일한 참조부호는 동일 또는 대응하는 부분을 가리키므로, 그에 대한 설명은 중복될 경우 생략하기로 한다.

[단위 화소의 다른 전형적인 회로 구조]

도 8은 단위 화소(50)의 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 8의 단위 화소(50B)에는, 도 4의 구조 외에, 포토다이오드(61)와 전송 게이트(62) 사이에 전송 게이트(81) 및 메모리부(MEM; 82)이 설치되어 있다.

전송 게이트(81)의 게이트 전극에 구동 신호 TRX가 인가되면, 포토다이오드(61)에 의한 광전 변환으로부터 생성된 전하 및 포토다이오드(61)의 내부에 축적된 전하는 전송 게이트(81)를 통해 전송된다. 메모리부(82)는 전송 게이트(81)를 통해 포토다이오드(61)로부터 전송된 전하를 축적한다.

또한, 전송 게이트(62)의 게이트 전극에 구동 신호 TRG가 인가되면, 메모리부(82)에 축적된 전하는 전송 게이트(62)를 통해 부유 확산 영역(63)에 전송된다.

즉, 도 8의 단위 화소(50B)에서, 부유 확산 영역(63) 및 메모리부(82)는 전하 유지부로서 기능한다. 이 전하 유지부는 구동 신호 RST 및 구동 신호 TRG가 펄스 형상으로 인가될 때 초기화된다.

[단위 화소의 또 다른 전형적인 회로 구조]

도 9는 단위 화소(50)의 또 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 9의 단위 화소(50C)에는, 도 4의 구조 외에, 전송 게이트(62)와 부유 확산 영역(63) 사이에 전송 게이트(91)와 용량 소자(CAP; 92)가 설치되어 있다.

전송 게이트(91)의 게이트 전극에 구동 신호 CRG가 인가되면, 포토다이오드(61)로부터 전송 게이트(62)을 통해 전송되는 전하는 전송 게이트(91)를 통해 용량 소자(92)에 전송된다. 용량 소자(92)는 포토다이오드(61)로부터 전송 게이트(62)을 통해 전송되고 전송 게이트(91)를 통해 전달되는 전하를 축적한다.

전송 게이트(62)는 전송 게이트(62)의 게이트 전극에 구동 신호 TRG가 인가되면, 포토다이오드(61)에 축적된 전하를 부유 확산 영역(63)에 전송함과 함께, 전송 게이트(91)를 통해 용량 소자(92)에도 전송한다.

즉, 도 9의 단위 화소(50C)에는, 부유 확산 영역(63) 및 용량 소자(92) 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 전하 유지부로서 기능한다. 부유 확산 영역(63)만이 전하 유지부로서 기능하는 경우, 그 전하 유지부의 초기화는 구동 신호 RST가 펄스 형상으로 인가될 때 행해진다. 용량 소자(92)만이 전하 유지부로서 기능하거나, 부유 확산 영역(63) 및 용량 소자(92)의 양쪽이 전하 유지부로서 기능하는 경우, 그 전하 유지부의 초기화는 구동 신호 RST 및 구동 신호 CRG의 양쪽이 펄스 형상으로 인가될 때 행해진다.

[단위 화소의 또 다른 전형적인 회로 구조]

도 10은 단위 화소(50)의 또 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 10의 단위 화소(50D)에는, 도 4의 구조 외에, 포토다이오드(61)와 전송 게이트(62) 사이에 전송 게이트(81) 및 메모리부(MEM; 82)가 설치되고, 또한 전송 게이트(62)와 부유 확산 영역(63) 사이에 전송 게이트(91) 및 용량 소자(CAP; 92)가 설치되어 있다.

도 10의 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)는 도 8의 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)와 동일하며, 도 10의 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)은 도 9의 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)와 동일한 것을 알 수 있다. 따라서, 이들 구성 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

전송 게이트(91)의 게이트 전극에 구동 신호 CRG가 인가되면, 포토다이오드(61)로부터 전송 게이트(81)을 통해 전송되는 전하는 전송 게이트(91)를 통해 용량 소자(92)에 전달된다. 용량 소자(92)는 전송 게이트(81)를 통해 포토다이오드(61)로부터 전송되고 전송 게이트(91)를 통해 전달되는 전하를 축적한다.

즉, 도 10의 단위 화소(50D)에서는, 부유 확산 영역(63)이 메모리부(82) 및 용량 소자(92) 중 어느 한쪽 또는 양쪽과 결합되어 전하 유지부로서 기능한다. 부유 확산 영역(63) 및 메모리부(82)가 전하 유지부로서 기능하는 경우, 구동 신호 RST 및 구동 신호 TRG를 펄스 형상으로 인가하는 것에 의해 이 전하 유지부의 초기화가 행해진다. 부유 확산 영역(63) 및 용량 소자(92)가 전하 유지부로서 기능하는 경우나, 부유 확산 영역(63), 메모리부(82) 및 용량 소자(92)가 전하 유지부로서 기능하는 경우, 구동 신호 RST, 구동 신호 TRG 및 구동 신호 CRG를 펄스 형상으로 인가하는 것에 의해 이 전하 유지부의 초기화가 행해진다.

상술한 단위 화소에 있어서는, 전하 유지부의 초기화는 전하 배출 후 및 전하 전송 전에 행해지는 것으로 했다. 이와는 다르게, 포토다이오드(61)에 축적된 전하를 배출하는 전하 배출 수단을 새롭게 설치하면, 전하 유지부의 초기화를 전하 배출 전에 행해지도록 할 수 있다.

[단위 화소의 또 다른 전형적인 회로 구조]

도 11은 전하 유지부의 초기화를 전하 배출 전에 행해지도록 구성한 단위 화소의 또 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 11의 구성 요소들 중, 도 4에서도 도시된 구조 상 대응하는 부분에는 동일한 부호를 병기하며, 중복될 경우, 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 11에 도시하는 단위 화소(100)에는, 도 4에 도시한 단위 화소(50)와 비교하여, 전형적으로 트랜지스터로 이루어지는 오버플로우 게이트(121)가 설치되어 있다. 도 11에서, 오버플로우 게이트(121)는 전원 Vdd와 포토다이오드(61) 사이에 접속되어 있다. 오버플로우 게이트(121)는, 수직 구동부(42)로부터 화소 구동선(46)을 통해 구동 신호 OFG가 공급되면 포토다이오드(61)를 리셋한다. 즉, 오버플로우 게이트(121)는 포토다이오드(61)에 축적되어 있는 전하를 배출한다.

이와 같이, 단위 화소(100)는 수직 구동부(42)로부터 공급되는 구동 신호 TRG, RST, SEL 및 OFG에 따라 구동된다.

[단위 화소의 구동 예]

도 12의 타이밍 차트를 참조하여, 단위 화소(100)의 전형적인 구동 방법에 대해서 설명하기로 한다.

우선, 시각 t21 내지 t22 사이에, 구동 신호 RST가 펄스 형상으로 인가된다. 이로써, 부유 확산 영역(63)에 축적되어 있는 전하가 배출(즉, 리셋)되게 된다.

이어서, 시각 t23 내지 t24 사이에, 구동 신호 OFG가 펄스 형상으로 인가된다. 이로써, 포토다이오드(61)에 축적되어 있는 전하가 배출되게 된다.

포토다이오드(61)에 축적되어 있던 전하가 소거된 후, 시각 t24 내지 t25 사이에, 새로운 피사체로부터의 나오는 광으로부터 얻어진 전하가 포토다이오드(61)에 축적된다.

시각 t25 내지 t31 사이에 행해지는 동작은, 도 5의 시각 t5 내지 t11 사이에 행해지는 동작과 동일하므로, 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상술한 바와 같이, 단위 화소(100)에 포토다이오드(61)의 전하를 배출하는 오버플로우 게이트(121)를 설치할 수 있다. 이런 구성에 의해, 전하 유지부의 초기화는 전하 배출 전에 행해질 수 있게 된다.

[고체 촬상 소자의 구동 예]

도 13을 참조하여, CMOS 이미지 센서(30)에서의 단위 화소(100)의 행 단위의 전형적인 구동 방법에 대해서 설명하기로 한다.

도 13에서는, 도 6 및 도 7에서와 같이, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 CMOS 이미지 센서(30)에서 2차원으로 배열된 단위 화소(100)의 행을 나타낸다. 도 12를 참조하여 앞서 설명한, 단위 화소(100)의 전하 유지부의 초기화, 전하 배출, 전하 전송 및 신호 레벨 판독은 행 단위로 행해진다. 도 13에서, 전하 유지부의 초기화는 원으로, 전하 배출은 삼각형으로, 전하 전송은 사각형으로, 신호 레벨 판독은 가로로 긴 육각형으로 표시되어 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 전하 배출 및 전하 전송은 모든 행에 대해 동시에 행해진다. 신호 레벨 판독은 행 단위로 행해진다. 즉, 도 13은 모든 화소의 동시성 전하 배출 및 전하 전송에 관련된 글로벌 셔터 동작을 행하는 CMOS 이미지 센서(30)의 구동 예를 나타내고 있다.

도 12를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 전하 전송 전의 부유 확산 영역(63)의 초기화는 전하 배출 전에 행해진다. 도 13에 도시된 바와 같이, 부유 확산 영역(63)의 초기화는 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로, 보다 구체적으로는, 2 행 간격의 3 행을 1 세트로 하는 단위로 행해진다.

이상의 동작이 행해지면, 글로벌 셔터 동작을 행하는 CMOS 이미지 센서에서 전하 유지부로서 기능하는 부유 확산 영역(63)의 초기화는 모든 화소에 대해 동시에 행해지는 것이 아니라, 서로 인접하지 않는 복수의 행마다 행해진다. 이는, 이로써, 리셋 트랜지스터의 전원의 전압 강하를 방지하고, 한편의 인접하는 리셋 신호선과 다른 한편의 전하 유지부 간의 크로스토크를 억제시킬 수 있으며, 모든 행에 대해 동시에 이루어지는 전하 유지부의 초기화에 기인할 수 있는 전위 불이익 현상이 억제된다. 리셋 동작에서 모든 화소의 동시 구동으로 인한 부하를 저감할 수 있게 되므로, 리셋 동작의 천이 타이밍을 신호 판독 시의 리셋 동작과 동기화시킬 수 있다. 이는, 차례로 전송 전 리셋 전압과 판독 후 리셋 전압 간의 차의 최소화로 이어져 오프셋 노이즈의 발생을 억제할 수 있고, 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있다.

상술한 글로벌 셔터 동작에서는, 도 6의 예에서와 같이, 각 행의 전하 배출 및 전하 전송이 동시에 행해진다. 그것은, 전송 게이트(62) 및 리셋 트랜지스터(64) 각각에 구동 신호 TRG 및 RST를 공급하는 구동 회로가 롤링 셔터 동작 시보다도 더 큰 부하를 받게 되는 것을 의미한다. 부하의 증가는 전송 게이트(62) 및 리셋 트랜지스터(64) 각각에 구동 신호 TRG 및 RST를 공급하는 전원의 전압 강하를 초래하고, 전하 배출 및 전하 전송의 천이 타이밍의 지연이 커져 버린다. 그것은, 각 구동 신호의 펄스폭의 연장을 필요로 하여, 전하 배출부터 전하 전송까지의 기간(즉, 노광 및 축적 기간)의 단축을 방해한다.

[고체 촬상 소자의 다른 구동 예]

도 14는 CMOS 이미지 센서(30)에서의 단위 화소(100)가 행 단위로 구동되는 다른 예에 대해서 설명하는 도면이다.

도 14에 도시된 구동 예는 전하 배출 및 전하 전송이 서로 인접하는 복수의 행 단위로, 보다 구체적으로는, 인접한 3 행을 1 세트로 하는 단위로 행해지는 점에서, 도 13에 도시된 구동 예와 상이하다.

또한, 도 14에서는, 도 13에 도시된 구동 예에서와 같이, 부유 확산 영역(63)의 초기화는 전하 배출 후 및 전하 전송 전에, 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로, 보다 구체적으로는, 2 행 간격의 3 행을 1 세트로 하는 단위로 행해진다.

도 13 및 도 14의 구동 예에서는, 전하 유지부(부유 확산 영역(63))의 초기화를 2 행 간격의 3 행을 1 세트로 하는 단위로 순차 행해지도록 했다. 이와는 다르게, 초기화는 원하는 행 수만큼 간격의 다른 행 수의 단위로 행해질 수 있다.

예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 전하 유지부의 초기화는 1 행 간격의 3 행을 1 세트의 단위로 순차 행해지도록 해도 좋다. 초기화되는 행간의 행 수를 이처럼 적게 하고, 전하 배출 및 전하 전송을 서로 인접하는 복수 행 단위로 순차 행할 경우, 전하 유지부의 초기화부터 전하 배출(또는 전하 전송)까지의 기간을 단축할 수 있다. 이로써, 전하 유지부에서의 암전류의 축적을 저감하는 것이 가능하게 된다.

그러나, 전하 유지부가 초기화되는 행간의 행 수를 너무 적게 하면, 한 측 상의 인접하는 리셋 신호선과 다른 측 상의 전하 유지부 간의 크로스토크에 의해, 오프셋 노이즈가 발생할 수 있다. 따라서, 구동되는 화소의 초적의 행 수는, 한 측 상의 전하 유지부의 초기화부터 전하 배출(또는 전하 전송)까지의 기간과, 구동되는 행들의 다른 측 상의 인접하는 리셋 신호선과 전하 유지부 간의 크로스토크 간에서의 상반 관계를 통해 설정되도록 하는 것이 바람직하다.

도 15를 참조하면서 앞에서는, 전하 배출 전에 전하 유지부의 초기화를 줄어든 행간 수의 단위로 수행한 구동 예에 대해서 설명했다. 명백하게, 도 6 및 도 7을 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 전하 배출 후 및 전하 전송 전에 행해지는 전하 유지부의 초기화를 줄어든 행간 수의 단위로도 행할 수 있다.

상술한 동작을 행하는 이미지 센서를 구성하는 단위 화소 각각의 구조는, 도 11에 도시된 구조와는 다를 수 있다. 이하, 본 발명이 적용가능한 기타의 단위 화소의 구조에 대해서 설명하기로 한다. 이하의 도면 및 도 11에서, 동일 참조부호는 동일하거나 대응하는 부분을 가리키므로, 중복될 경우, 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

[단위 화소의 다른 전형적인 회로 구조]

도 16은 단위 화소(100)의 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 16의 단위 화소(100B)에는, 도 11의 구조 이외에, 포토다이오드(61)와 전송 게이트(62) 사이에 전송 게이트(81) 및 메모리부(MEM; 82)가 설치되어 있다. 도 16의 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)는 도 8의 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)과 동일하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이들 구성 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

즉, 도 16의 단위 화소(100)B에서, 부유 확산 영역(63) 및 메모리부(82)는 전하 유지부로서 기능한다. 이 전하 유지부의 초기화는, 구동 신호 RST 및 구동 신호 TRG가 펄스 형상으로 인가될 때 행해진다.

[단위 화소의 또 다른 전형적인 회로 구조]

도 17은 단위 화소(100)의 또 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 17의 단위 화소(100C)에는, 도 11의 구조 이외에, 전송 게이트(62)와 부유 확산 영역(63) 사이에 전송 게이트(91) 및 용량 소자(CAP; 92)가 설치되어 있다. 도 17의 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)는, 도 9의 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)와 동일하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이들 구성 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

즉, 도 16의 단위 화소(100C)에서는, 부유 확산 영역(63) 및 용량 소자(92) 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 전하 유지부로서 기능한다. 확산 영역(63)만이 전하 유지부로서 기능하는 경우, 그 전하 유지부의 초기화는 구동 신호 RST가 펄스 형상으로 인가될 때 행해진다. 용량 소자(92)만이 전하 유지부로서 기능하거나, 부유 확산 영역(63) 및 용량 소자(92)의 양쪽이 전하 유지부로서 기능하는 경우, 그 전하 유지부의 초기화는 구동 신호 RST 및 구동 신호 CRG의 양쪽이 펄스 형상으로 인가될 때 행해진다.

[단위 화소의 또 다른 전형적인 회로 구조]

도 18은 단위 화소(100)의 또 다른 전형적인 회로 구조를 도시하는 도면이다.

도 18의 단위 화소(100D)에는, 도 11의 구조 이외에, 포토다이오드(61)와 전송 게이트(62) 사이에 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)가 설치되고, 또한 전송 게이트(62)와 부유 확산 영역(63)과의 사이에 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)가 설치되어 있다. 도 18의 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)는 도 10의 전송 게이트(81) 및 메모리부(82)와 동일하며, 도 18의 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)는 또한 도 10의 전송 게이트(91) 및 용량 소자(92)와 동일하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이들 구성 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

즉, 도 18의 단위 화소(100D)에서는, 부유 확산 영역(63)이 메모리부(82) 및 용량 소자(92) 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 결합되어 전하 유지부로서 기능한다. 그 전하 유지부의 초기화는, 부유 확산 영역(63) 및 메모리부(82)가 전하 유지부로서 기능하는 경우, 구동 신호 RST 및 구동 신호 TRG가 펄스 형상으로 인가됨으로써 행해진다. 부유 확산 영역(63) 및 용량 소자(92)가 전하 유지부로서 기능하거나, 부유 확산 영역(63), 메모리부(82) 및 용량 소자(92)가 전하 유지부로서 기능하는 경우, 구동 신호 RST, 구동 신호 TRG 및 구동 신호 CRG를 펄스 형상으로 인가함으로써 행해진다.

단위 화소에 대한 이상의 설명에서는, 오버플로우 게이트(121)를 설치하여 도 12 내지 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이, 전하 배출 전에 전하 유지부의 초기화를 행하였다. 이와는 다르게, 오버플로우 게이트(121)를 디스에이블시킴으로써, 도 5 내지 도 7를 참조하여 설명한 바와 같이, 전하 배출 후 및 전하 전송 전에 전하 유지부의 초기화를 행하도록 해도 좋다.

[본 발명을 적용한 전자 기기의 전형적인 구조]

본 발명은 고체 촬상 소자의 구현에만 한정되는 것이 아니다. 이와는 다르게, 본 발명은 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치, 및 화상 판독부에 고체 촬상 소자를 사용하는 복사기 등의 촬상부(광전 변환부)에 고체 촬상 소자를 사용하는 각종의 전자 기기 중 임의 기기로서 구현가능하다. 고체 촬상 소자는 원-칩으로 형성될 수도 있고, 또는 촬상부 및 신호 처리부 또는 광학계를 통합하여 패키징된 촬상 기능을 갖는 모듈로 형성될 수도 있다.

도 19는 본 발명을 적용한 전자 기기로서의 촬상 장치(600)의 전형적인 구조를 도시하는 블록도다.

도 19의 촬상 장치(600)는 통상적으로 렌즈군으로 이루어지는 광학부(601), 상술한 단위 화소(50)의 각 구조를 채용한 고체 촬상 소자(촬상 디바이스; 602) 및 카메라 신호 처리 회로로서 기능하는 DSP 회로(603)를 포함한다. 또한, 촬상 장치(600)는 프레임 메모리(604), 표시부(605), 기록부(606), 조작부(607) 및 전원부(608)도 포함한다. DSP 회로(603), 프레임 메모리(604), 표시부(605), 기록부(606), 조작부(607) 및 전원부(608)는 버스 라인(609)을 통해 서로 접속되어 있다.

광학부(601)는 피사체로부터의 입사광(화상 광)을 받아들여 고체 촬상 소자(602)의 촬상면 상에 결상한다. 고체 촬상 소자(602)는 광학부(601)에 의해 촬상면 상에 결상된 입사광의 광량을 화소 당 전기 신호로 변환해서 화소 신호로서 출력한다. 이런 기구(setup)에서 고체 촬상 소자(602)는 상술한 구조의 CMOS 이미지 센서(30) 등의 고체 촬상 소자, 즉 글로벌 노광 시 왜곡이 없는 촬상을 실현할 수 있는 고체 촬상 소자를 사용하여 구현될 수 있다.

표시부(605)는, 예를 들어, 액정 패널이나 유기 EL(Electroluminescence) 패널 등의 패널형 표시 장치로 이루어져 고체 촬상 소자(602)로 촬상된 동화상 또는 정지 화상을 표시할 수 있다. 기록부(606)는 고체 촬상 소자(602)로 촬상된 동화상 또는 정지 화상을, 비디오 테이프나 DVD(Digital Versatile Disk) 등의 적합한 기록 매체에 기록한다.

유저에 의해 조작되는 조작부(607)는, 촬상 장치(600)가 갖는 여러 가지 기능을 행하는 조작 명령을 내린다. 전원부(608)는 필요에 따라 DSP 회로(603), 프레임 메모리(604), 표시부(605), 기록부(606) 및 조작부(607)에 전력을 공급하는 전원으로서 기능한다.

상술한 바와 같이, 고체 촬상 소자(602)로서 본 발명을 적용한 CMOS 이미지 센서(30)을 사용함으로써, 전하 유지부의 초기화를 서로 인접하지 않는 복수의 행 단위로 행하도록 할 수 있다. 이런 구조에 의해, 전송 전 리셋 전압과 판독 후 리셋 전압 간의 차를 작게 할 수 있고, 오프셋 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 그로 인해, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 및 휴대 전화기를 포함한 모바일 장치용의 카메라 모듈과 같은 촬상 장치(600)에 의해 촬상된 화상의 고화질화를 도모할 수 있다.

상술한 설명에서는, 본 발명을 가시광의 광량에 따른 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬 형상으로 배치되어 이루어지는 CMOS 이미지 센서에 적용한 경우를 설명했다. 그러나, 본 발명은 CMOS 이미지 센서에의 적용에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 또한, 화소 어레이부를 구성하는 화소 열 각각에 칼럼 처리부를 할당 배치한 임의 칼럼 방식의 고체 촬상 소자에도 적용가능하다.

본 발명은 가시광의 입사 광량의 분포를 검지해서 검지된 광 분포를 화상으로 촬상하는 고체 촬상 소자에의 적용에만 한하지 않는다. 이와는 다르게, 본 발명은 적외선이나 X선, 혹은 입자 등의 입사량의 분포를 검지하여 검지된 분포를 화상으로 촬상하는 고체 촬상 소자에도 적용가능하다. 본 발명은 광의적으로는 압력 및 정전 용량 레벨을 포함한 다른 물리량의 분포를 검지해서 검지된 분포를 화상으로 촬상하는 지문 검출 센서 등의 물리량 분포 검지 기구로서 기능하는 임의 고체 촬상 소자에도 적용가능하다.

또한, 당업자라면, 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 있는 한 설계 요건 및 다른 요소들에 따라 다양한 변경, 조합, 서브-조합 및 대체가 행해질 수 있음을 이해할 수 있다.

본 발명은 2010년 12월 15일자로 일본 특허청에 출원된 일본 특허 공개 제2010-279509호 공보에 개시된 것과 관련된 요지를 포함하며, 그 전체 내용은 참조로서 본원에 원용된다.

30: CMOS 이미지 센서
41: 화소 어레이부
42: 수직 구동부
43: 칼럼 처리부
50: 단위 화소
61: 포토다이오드
62: 전송 게이트
63: 부유 확산 영역
64: 리셋 트랜지스터
82: 메모리부
92: 용량 소자
121: 오버플로우 게이트

Claims

고체 촬상 소자로서,
광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부; 및
상기 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단을 포함하며,
상기 구동 제어 수단은 상기 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 상기 리셋 수단이 상기 단위 화소의 복수의 행 단위(increments)- 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 구동 제어 수단은, 상기 전송 수단이 전하 전송을 상기 화소 어레이부 내의 모든 단위 화소에 대해 동시에 행하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 구동 제어 수단은, 상기 광전 변환부가 전하 배출을 상기 화소 어레이부 내의 모든 단위 화소에 대해 동시에 행하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 구동 제어 수단은, 상기 광전 변환부에 의한 전하 배출 및 상기 전송 수단에 의한 전하 전송을 상기 화소 어레이부에서 상기 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접함 - 로 행하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 리셋 수단은 상기 광전 변환부에 축적된 전하를 배출시키고,
상기 구동 제어 수단은, 상기 리셋 수단에 의한 상기 광전 변환부의 전하 배출 후 및 상기 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 상기 리셋 수단이 상기 화소 어레이부에서 상기 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 광전 변환부에 축적된 전하를 배출하도록 구성된 전하 배출 수단을 더 포함하는, 고체 촬상 소자.
제6항에 있어서,
상기 구동 제어 수단은, 상기 전하 배출 수단에 의한 상기 광전 변환부의 전하 배출 전에, 상기 리셋 수단이 상기 화소 어레이부에서 상기 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 구동 제어 수단은, 상기 리셋 수단이 상기 화소 어레이부에서 상기 단위 화소의 m행 간격의 n행 단위로 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제8항에 있어서,
m = 1인, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 전하 유지부는 플로팅 확산 영역인, 고체 촬상 소자.
제10항에 있어서,
상기 전하 유지부는 상기 플로팅 확산 영역과는 별도로 마련되는 용량 소자인, 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 전하 유지부의 전하를 반영하는(reflecting) 전압을 판독하도록 구성된 판독 수단을 더 포함하며,
상기 구동 수단은, 전하 전송 후 상기 전하 유지부에 축적된 전하를 반영하는 신호 레벨로서의 전압에 대한 상기 판독 수단에 의한 판독, 전하 전송 후 상기 전하 유지부에 축적된 전하의 상기 리셋 수단에 의한 리셋, 및 전하 리셋 후 상기 전하 유지부의 전하를 반영하는 리셋 레벨로서의 전압에 대한 상기 판독 수단에 의한 판독을 상기 단위 화소의 행 단위로 순차 행하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 고체 촬상 소자.
제12항에 있어서,
상기 판독 수단에 의해 판독된 상기 신호 레벨과 상기 리셋 레벨 간의 차분을 산출하도록 구성된 산출 수단을 더 포함하는, 고체 촬상 소자.
고체 촬상 소자에서 이용하기 위한 구동 방법으로서,
상기 고체 촬상 소자는
광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부; 및
상기 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단을 포함하며,
상기 구동 방법은 상기 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 상기 리셋 수단이 상기 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 상기 구동 제어 수단으로 하여금 상기 단위 화소의 구동을 제어하게 하는 단계를 포함하는, 고체 촬상 소자에서 이용하기 위한 구동 방법.
전자 기기로서,
광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 축적된 전하를 전하 유지부에 전송하도록 구성된 전송 수단과, 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하도록 구성된 리셋 수단을 구비하는 복수의 단위 화소가 2차원으로 배열되도록 구성된 화소 어레이부; 및
상기 단위 화소의 구동을 제어하도록 구성된 구동 제어 수단
을 포함하는 고체 촬상 소자를 포함하며,
상기 구동 제어 수단은, 상기 전송 수단에 의한 전하 전송 전에, 상기 리셋 수단이 상기 단위 화소의 복수의 행 단위 - 상기 복수의 행들은 서로 인접하지 않음 - 로 상기 전하 유지부의 전하를 리셋하는 방식으로 상기 단위 화소의 구동을 제어하는, 전자 기기.