(57)【要約】【課題】感度を一層の向上し、ノイズを低減した固体撮像素子の実現。【解決手段】２次元に配列された複数のピクセルを有するピクセルアレイ1と、各コラムごとに設けられた複数のコラム信号線52,53と、を備える固体撮像素子であって、各ピクセルは、フォトダイオードPD1A,PD1B,PD2A,PD2Bと、読み出し用トランジスタTrG1A,TrG1B,TrG2A,TrG2Bと、読み出し用トランジスタと基準信号線15の間に接続された基準用トランジスタTrR1,TrR2と、ゲートが読み出し用トランジスタおよび基準用トランジスタの接続ノードに接続される増幅用トランジスタTrA1,TrA2と、を備え、各コラムの隣接する２個のピクセルがグループをなし、各グループは、グループの２個の増幅用トランジスタの間に接続された選択用トランジスタTrSを備え、２個の増幅用トランジスタの一方がコラム信号線に接続され、他方が電源線に接続されている。【選択図】図１０
2010056297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元に配列された複数のピクセルを有するピクセルアレイと、
前記ピクセルアレイの各コラムごとに設けられた複数のコラム信号線と、を備える固体撮像素子であって、
各ピクセルは、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続された読み出し用トランジスタと、
前記読み出し用トランジスタと基準信号線の間に接続された基準用トランジスタと、
ゲートが前記読み出し用トランジスタおよび基準用トランジスタの接続ノードに接続された増幅用トランジスタと、を備え、
各コラムの隣接する２個の前記ピクセルがグループをなし、
各グループは、前記グループの２個の前記増幅用トランジスタの間に接続された選択用トランジスタを備え、
前記２個の増幅用トランジスタの一方が前記コラム信号線に接続され、他方が電源線に接続されている、ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
各グループの一方のピクセルの前記フォトダイオードの出力を読み出し時には、前記一方のピクセルの前記読み出し用トランジスタをオンし、前記基準用トランジスタをオフし、前記選択用トランジスタをオンし、他方のピクセルの前記読み出し用トランジスタをオフし、前記基準用トランジスタをオンして前記増幅用トランジスタをオンにする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
各ピクセルは、複数個の前記フォトダイオードと、前記複数個のフォトダイオードにそれぞれ対応する複数個の前記読み出し用トランジスタと、を備えるシェアードピクセルであり、前記複数個の読み出し用トランジスタは、前記基準用トランジスタに共通に接続される請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記電源線は、各コラムごとに設けられ、
各コラムごとに設けられた前記コラム信号線と前記電源線を、一方が電源に、他方が読出回路に接続された第１状態と、一方が読出回路に、他方が電源に接続された第２状態と、の間で切り替えるスイッチ回路を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
２次元に配列された複数のピクセルを有するピクセルアレイと、
前記ピクセルアレイの各コラムごとに設けられた複数のコラム信号線と、を備える固体撮像素子であって、
各ピクセルは、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続された読み出し用トランジスタと、
前記読み出し用トランジスタと基準信号線の間に接続された基準用トランジスタと、
ゲートが前記読み出し用トランジスタおよび基準用トランジスタの接続ノードに接続される増幅用トランジスタと、を備え、
各コラムの隣接する２個の前記ピクセルがグループをなし、
各グループの２個の前記増幅用トランジスタは接続され、
前記２個の増幅用トランジスタの一方が前記コラム信号線に接続され、他方が電源線に接続されている、ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
各グループの一方のピクセルの前記フォトダイオードの出力を読み出し時には、前記一方のピクセルの前記読み出し用トランジスタをオンし、前記基準用トランジスタをオフし、他方のピクセルの前記読み出し用トランジスタをオフし、前記基準用トランジスタをオンして前記増幅用トランジスタをオンにする請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
各ピクセルは、複数個の前記フォトダイオードと、前記複数個のフォトダイオードにそれぞれ対応する複数個の前記読み出し用トランジスタと、を備えるシェアードピクセルであり、前記複数個の読み出し用トランジスタは、前記基準用トランジスタに共通に接続される請求項５または６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記電源線は、各コラムごとに設けられ、
各コラムごとに設けられた前記コラム信号線と前記電源線を、一方が電源に、他方が読出回路に接続された第１状態と、一方が読出回路に、他方が電源に接続された第２状態と、の間で切り替えるスイッチ回路を備える請求項５から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特にＭＯＳ型固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラ、デジタルＴＶカメラ、携帯電話などに、固体撮像素子を使用した撮像装置が広く使用されている。
【０００３】
固体撮像素子は、複数のピクセルを２次元に配列したピクセルアレイと、コラムごとに設けられ、ピクセルからの検出信号が出力されるコラム信号線と、コラム信号線に出力された検出信号のＡＤ変換処理などを行う読出回路と、制御処理および信号処理を行う信号処理部と、を有する。
【０００４】
固体撮像素子の基本構成は、特許文献１から４などに記載されており、広く知られている。
【０００５】
ピクセル内の各トランジスタの閾値にバラツキがあると、読み出した検出信号がバラツキの分だけ変化する。また、各ピクセルから検出信号を読み出す前にピクセルを初期状態にリセットする必要がある。そこで、リセット信号を印加してピクセルを初期状態にすると共に初期状態に対応する検出信号を読み出して雑音（ノイズ）信号として記憶する。そして、検出信号を読み出し、検出信号から雑音信号を減算するＣＤＳ（二重相関サンプリング:Correlated Double Sampling)）処理を行った上で検出信号をＡＤ変換する。ＣＤＳ処理により、トランジスタの閾値のバラツキによる影響が除去される。ＣＤＳ処理を行う回路は各種提案されている。
【０００６】
図１は、ＣＤＳ処理を行う場合の、ピクセル１１とＡＤＣ２１の従来例の構成を示す図である。図１では、１個のピクセルのみを示したが、コラム方向に複数のピクセル１１が配列され、各ピクセルは共通のコラム信号線１３に接続され、１本のコラム信号線１３に１個のＡＤＣ回路２１が接続される。このようなピクセル１１、コラム信号線１３およびＡＤＣ回路２１の組みが、ロウ方向に複数組み配列される。
【０００７】
図１に示すように、ピクセル１１は、アノードがグランドに接続されたフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧと、リセット電圧線１５と読み出し用トランジスタＴｒＧの間に接続された基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲと、ゲートが読み出し用トランジスタＴｒＧと基準用トランジスタＴｒＲの接続ノードに接続され、一方の被制御電極が電源線１４に接続された増幅用トランジスタＴｒＡと、増幅用トランジスタＴｒＡの他方の被制御電極とコラム信号線１３の間に接続された選択用トランジスタＴｒＳと、を有する。図示していないピクセル制御回路は、読み出し信号ＴＧ、リセット信号ＲＳＴ、選択信号ＳＬＣＴを発生させ、ドライバ６を介して、同一ロウの全ピクセルの読み出し用トランジスタＴｒＧのゲート、基準用トランジスタＴｒＲのゲートおよび選択用トランジスタＴｒＳのゲートにそれぞれ印加する。リセット電圧線１５には常時リセット電圧ＶＲが供給され、電源線１４には常時電源電圧が供給される。なお、電源線１４にリセット電圧ＶＲが供給されるようにしてもよい。また、電源線１４は、ロウ方向に伸びるように配置したり、ロウ方向とコラム方向の両方に伸びる格子状としてもよい。
【０００８】
コラム信号線１３には、定電流源１２およびスイッチ１０を介してＡＤＣ回路２１が接続される。
【０００９】
ＡＤＣ回路２１は、比較回路２２と、比較回路２２の反転（−）入力ノードに接続された第１容量素子Ｃ１と、比較回路２２の出力ノードと反転入力ノード間に接続されたスイッチＳＷ１と、比較回路２２の非反転（＋）入力ノードに接続されたキャンセル用容量素子Ｃ１０と、指示された期間中クロックをカウントするカウンタ２４と、を有する。比較回路２２は、オペアンプなどで実現される。
【００１０】
ここでは、定電流源１２、スイッチ１０およびＡＤＣ回路２１を合わせて、読出回路２５と称する。
【００１１】
図２は、図１の従来例の動作を示すタイムチャートである。動作は、雑音（ノイズ）読み出し処理、信号（シグナル）読み出し処理、ＡＤ変換（ＡＤＣ）処理の順に行われる。
【００１２】
ノイズ読み出し処理では、スイッチＳＷ１０をオフ（Ｏｆｆ）（非導通）に、スイッチＳＷ１をオン（Ｏｎ）（導通）にし、選択信号ＳＬＣＴをオン（Ｏｎ）（「高（Ｈ）」）に、リセット信号ＲＳＴをオンにする。読み出し信号ＴＧはオフである。これにより、検出信号を読み出すピクセルのトランジスタＴｒＲおよびＴｒＳがオンする。ＴｒＡのゲートにはリセット電圧ＶＲが印加されるので、ＴｒＡがオンし、コラム信号線１３は雑音信号（リセットノイズ信号）の電圧（Ｎレベル）に設定される。そして、リセット信号ＲＳＴをオフにし、ＳＷ１およびＳＷ１０をオンにすると、比較回路２２の２つの入力ノードの電圧は共にＮレベルに設定される。この後、ＳＷ１およびＳＷ１０をオフする。これにより、Ｃ１にはＮレベルが保持される。なお、リセット信号ＲＳＴをオンにすることにより、ＴｒＡのゲート電圧はリセット電圧ＶＲになり、それまでの状態にかかわらず一定の状態にリセットされる。
【００１３】
シグナル読み出し処理では、読み出し信号ＴＧをオン（転送状態）にする。これによりＴｒＧがオンし、フォトダイオードＰＤの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡのゲートに転送して電圧に変換する。この電圧はＴｒＡで増幅されて、選択用トランジスタＴｒＳを介してコラム信号線１３に出力され、コラム信号線１３は仮検出信号の電圧に設定される。仮検出信号は、検出信号と雑音信号を合わせた信号で、その電圧は、雑音信号電圧と検出信号電圧の和（Ｎ＋Ｓレベル）となる。そして、読み出し信号ＴＧをオフした後、ＳＷ１０をオンすると、比較回路２２の非反転（＋）入力ノードの電圧はＳ＋Ｎレベルに設定される。この時比較回路２２の反転（−）入力ノードの電圧はＮレベルであり、比較回路２２の出力信号は、非反転入力ノードの電圧が反転入力ノードの電圧より低いことを示す低レベルに設定される。ここで、非反転入力ノードの電圧はＳ＋Ｎレベルであり、反転入力ノードの電圧はＮレベルであり、電圧差がＳレベル、すなわち仮検出信号電圧から雑音信号電圧を減じた検出信号の電圧に相当する。この状態で、選択信号ＳＬＣＴがオフされ、ＳＷ１０がオフされる。
【００１４】
ＡＤＣ処理では、電圧が所定の傾きで上昇する比較信号が容量Ｃ１０に印加され、Ｃ１０の容量カップリングにより、比較回路２２の非反転入力ノードの電圧がＳ＋Ｎレベルから上昇を始める。これと同時に、カウンタ２４はクロックＣＬＫのカウントを開始する。そして、比較回路２２の非反転入力ノードの電圧が反転入力ノードの電圧を上回ると、比較回路２２の出力信号が低レベルから高レベルに変化する。カウンタ２４は、この変化に応じてカウント動作を停止し、カウント値をＡＤ変換の結果であるデジタル検出データとして出力する。
【００１５】
ＰＤの信号電圧が同じであっても、増幅用トランジスタＴｒＡの閾値（Ｖｔｈ）のバラツキによりピクセルから読み出した検出信号にバラツキを生じるが、図１の従来例では、あらかじめ雑音レベル（Ｎレベル）を読み出して記憶しておき、読み出した仮検出信号から雑音レベルを除去して増幅用トランジスタＴｒＡの閾値（Ｖｔｈ）のバラツキの影響を低減している。
【００１６】
なお、上記のＡＤＣ回路は一例であり、ほかにも各種のＡＤＣ回路が知られている。
【００１７】
図１の構成例では、１個のピクセルは、１個のフォトダイオードと、４個のトランジスタを有する。言い換えれば、１個のフォトダイオードに対して４個のトランジスタが設けられる。このため、フォトダイオードの面積の比率が小さくなり、感度が低下するという問題があった。そこで、基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲと、増幅用トランジスタＴｒＡと、選択用トランジスタＴｒＳと、を共通化して、１個のフォトダイオード当たりのトランジスタ個数を低減することが行われている。
【００１８】
図３は、１ピクセル当たり、２個のフォトダイオードを設けた構成例を示す図である。ここでは、複数のフォトダイオードを有するピクセルをシェアードピクセルと称する。図示のように、各シェアードピクセル４０は、２個のフォトダイオードＰＤＡおよびＰＤＢ、２個の読み出し用トランジスタＴｒＧＡおよびＴｒＧＢと、基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲと、増幅用トランジスタＴｒＡと、選択用トランジスタＴｒＳと、を有する。
【００１９】
図４は、図３のシェアードピクセル４０のフォトダイオードの電荷を読み出す動作を示すタイムチャートである。１個のシェアードピクセル４０のフォトダイオードＰＤＡとフォトダイオードＰＤＢの読み出しは時分割で行われ、それぞれの読み出し動作は図２で説明した動作と同様にノイズ読み出し、シグナル読み出し、およびＡＤＣ動作で構成されるが、図４のタイムチャートではＡＤＣ動作は省略している。
【００２０】
フォトダイオードＰＤＡの電荷を読み出す時には、読み出し対象の行のシェアードピクセルのＳＬＣＴおよびＲＳＴをオンにし、ＴＧＡおよびＴＧＢをオフにする。この時、ほかの行のシェアードピクセルのＳＬＣＴ、ＲＳＴ、ＴＧＡおよびＴＧＢはすべてオフ状態にする。その後、ＲＳＴをオフにしてノイズ読み出し動作を行う。次に、ＴＧＡをオンにした後、再びＴＧＡをオフにしてシグナル読み出し動作を行う。この後、ＳＬＣＴ、ＲＳＴ、ＴＧＡおよびＴＧＢをオフにしてＡＤＣ動作を行い、フォトダイオードＰＤＡの電荷を読み出し動作が終了する。
【００２１】
次に、フォトダイオードＰＤＢの電荷を読み出す時には、読み出し対象の行のシェアードピクセルのＳＬＣＴおよびＲＳＴをオンにし、ＴＧＡおよびＴＧＢをオフにする。この時、ほかの行のシェアードピクセルのＳＬＣＴ、ＲＳＴ、ＴＧＡおよびＴＧＢはすべてオフ状態にする。その後、ＲＳＴをオフにしてノイズ読み出し動作を行う。次に、ＴＧＢをオンにした後、再びＴＧＢをオフにしてシグナル読み出し動作を行う。この後、ＳＬＣＴ、ＲＳＴ、ＴＧＡおよびＴＧＢをオフにしてＡＤＣ動作を行い、フォトダイオードＰＤＢの電荷を読み出し動作が終了する。以下、読み出し対象の列の位置を変化させて上記の動作を繰り返す。
【００２２】
図３のピクセル構成では、１シェアードピクセルに２個のフォトダイオードと５個のトランジスタが含まれるので、１個のフォトダイオード当たり２．５個のトランジスタが設けられることになり、フォトダイオードの面積の比率を相対的に大きくして、感度を向上することができる。なお、１シェアードピクセルに４個のフォトダイオードを設ける構成も提案されている。図３のピクセル構成は、フォトダイオードの寄生容量が小さく、変換ゲインが高いため、高感度であるという利点を有する。
【００２３】
図５は、図３の構成で、２個のシェアードピクセル４０のコラム信号線１３および電源線１４との接続コンタクトの配置および配線例を示す図である。図５において、参照番号３１は一方のシェアードピクセルのＴｒＡのゲート信号線を、３２は一方のシェアードピクセルのＴｒＳのゲート信号線を、３３は他方のシェアードピクセルのＴｒＡのゲート信号線を、３４は他方のシェアードピクセルのＴｒＳのゲート信号線を、示す。また、参照番号３７と３８はＴｒＡの電源線１４とのコンタクトを、３９はＴｒＳのコラム信号線１３とのコンタクトを、示す。図５に示すように、１個のシェアードピクセル４０に対して、２本のゲート信号線および２個（隣接のシェアードピクセルも考慮すれば、１．５個）のコンタクトを配置する必要があり、共有回路のレイアウト面積が大きくなる。共有回路のレイアウト面積が大きくなると、フォトダイオードの面積の比率が小さくなり、感度が低下するという問題を生じる。
【００２４】
図６は、感度を一層向上した固体撮像素子のピクセル構成例を示す図である。図６のピクセル構成例は、図３の構成例において、選択トランジスタＴｒＳを除いた構成を有する。なお、リセット電圧線１５は、行の端にスイッチを設けて、行ごとに独立して電圧を供給可能なように構成する。そこで、図６では、隣接する行の一方のシェアードピクセルを４０−１で、他方のシェアードピクセルを４０−２で表し、各シェアードピクセルの要素および信号に１または２を付して表している。
【００２５】
図７は、図６のシェアードピクセル４０のフォトダイオードの電荷を読み出す動作を示すタイムチャートである。各シェアードピクセル４０のフォトダイオードＰＤＡとフォトダイオードＰＤＢの読み出しは時分割で行われ、それぞれの読み出し動作は図２で説明した動作と同様にノイズ読み出し、シグナル読み出し、およびＡＤＣ動作で構成されるが、図７のタイムチャートではＡＤＣ動作は省略している。
【００２６】
シェアードピクセル４０−１のフォトダイオードＰＤ１Ａの電荷を読み出す時には、読み出し対象の行のシェアードピクセル４０−１のＶＲ１を高（Ｈｉｇｈ）にし、ＲＳＴ１をオンにし、ＴＧ１ＡおよびＴＧ１Ｂをオフにする。この時、シェアードピクセル４０−２を含むほかの行のシェアードピクセルのＶＲ２を低（Ｌｏｗ）にし、ＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにする。その後、ＲＳＴ１をオフにしてノイズ読み出し動作を行う。次に、ＴＧ１Ａをオンにした後、再びＴＧ１Ａをオフにしてシグナル読み出し動作を行う。この後、ＲＳＴ１をオンして、ＡＤＣ動作を行い、フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷を読み出し動作が終了する。
【００２７】
次に、シェアードピクセル４０−１のフォトダイオードＰＤ１Ｂの電荷を読み出す時には、読み出し対象の行のシェアードピクセル４０−１のＶＲ１をＨｉｇｈにし、ＲＳＴ１をオンにし、ＴＧ１ＡおよびＴＧ１Ｂをオフにする。この時、シェアードピクセル４０−２を含むほかの行のシェアードピクセルのＶＲ２を低（Ｌｏｗ）にし、ＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにする。その後、ＲＳＴ１をオフにしてノイズ読み出し動作を行う。次に、ＴＧ１Ｂをオンにした後、再びＴＧ１Ｂをオフにしてシグナル読み出し動作を行う。この後、ＲＳＴ１をオンして、ＡＤＣ動作を行い、フォトダイオードＰＤ１Ｂの電荷を読み出し動作が終了する。
【００２８】
以下、読み出し対象の列の位置を変化させて上記の動作を繰り返す。従って、次のシェアードピクセル４０−２のフォトダイオードＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂの電荷を読み出す時には、図６のＶＲ１をＬｏｗにし、ＲＳＴ１をオンにする。
【００２９】
以上のように、図６および図７に示した従来例では、読み出し対象外の行のシェアードピクセルでは、リセット電圧ＶＲをＬｏｗに、リセット用トランジスタＴｒＲをオンにすることにより、増幅用トランジスタＴｒＡのゲート電圧をＬｏｗにしてＴｒＡをオフに、すなわち高抵抗にすることで、読み出し対象のシェアードピクセルの信号のみがコラム信号線１３に出力される。
【００３０】
図６に示した従来例では、図３の従来例に比べて選択用トランジスタＴｒＳが除かれているので、１個のフォトダイオード当たりのトランジスタの個数は２個となる。これにより、フォトダイオードの面積の比率を高めて感度を向上できる。
【００３１】
しかし、読み出し対象外のシェアードピクセルのＶＲが低く過ぎると、露光中のフォトダイオードの電荷が読み出し用トランジスタＴｒＧＡまたはＴｒＧＢを通してコラム信号線に漏れることがある。逆に、ＶＲが高過ぎると、読み出し用トランジスタＴｒＧＡまたはＴｒＧＢの抵抗が十分に高くならず、読み出し時に対象外のシェアードピクセルからのノイズが増加するという問題があった。
【００３２】
図８は、図６の構成で、２個のシェアードピクセル４０−１、４０−２のコラム信号線１３および電源線１４との接続コンタクトの配置および配線例を示す図である。図８に示すように、図５の場合に比べて、配線が１本低減されるので、共有回路のレイアウト面積を小さくして、フォトダイオードの面積の比率を大きくして、感度を向上できる。
【００３３】
【特許文献１】特開２００６−２１７２４５号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５９９４号公報
【特許文献３】特開２０００−０７８４７５号公報
【特許文献４】特開２００１−０２４９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
上記のように、図６のピクセル構成は、少しではあるが共有回路のレイアウト面積を小さくして、感度を若干向上できるが、ノイズが増加するという問題がある。
【００３５】
固体撮像素子は、一層の感度向上と、ノイズの低減が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
第１の態様の固体撮像素子は、２次元に配列された複数のピクセルを有するピクセルアレイと、前記ピクセルアレイの各コラムごとに設けられた複数のコラム信号線と、を備える固体撮像素子であって、各ピクセルは、フォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続された読み出し用トランジスタと、前記読み出し用トランジスタと基準信号線の間に接続された基準用トランジスタと、ゲートが前記読み出し用トランジスタおよび基準用トランジスタの接続ノードに接続される増幅用トランジスタと、を備え、各コラムの隣接する２個の前記ピクセルがグループをなし、各グループは、前記グループの２個の前記増幅用トランジスタの間に接続された選択用トランジスタを備え、前記２個の増幅用トランジスタの一方が前記コラム信号線に接続され、他方が電源線に接続されている。
【００３７】
第２の態様の固体撮像素子は、２次元に配列された複数のピクセルを有するピクセルアレイと、前記ピクセルアレイの各コラムごとに設けられた複数のコラム信号線と、を備える固体撮像素子であって、各ピクセルは、フォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続された読み出し用トランジスタと、前記読み出し用トランジスタと基準信号線の間に接続された基準用トランジスタと、ゲートが前記読み出し用トランジスタおよび基準用トランジスタの接続ノードに接続される増幅用トランジスタと、を備え、各コラムの隣接する２個の前記ピクセルがグループをなし、各グループの２個の前記増幅用トランジスタは接続され、前記２個の増幅用トランジスタの一方が前記コラム信号線に接続され、他方が電源線に接続されている。
【発明の効果】
【００３８】
第１の実施形態の固体撮像素子は、コラム方向に隣接する２個のピクセルがグループをなし、各グループの選択用トランジスタを共有にし、共有回路部分のレイアウト面積を低減してフォトダイオードの面積比率を大きくすることにより、感度が一層向上する。
【００３９】
第２の実施形態の固体撮像素子は、コラム方向に隣接する２個のピクセルがグループをなし、各グループの増幅用トランジスタの出力ノードを共有することにより、読み出し対象外のグループの読み出し経路を一層高抵抗にして、ノイズを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図９は、実施形態の固体撮像素子の一般的な構成を示すブロック図である。図９に示すように、固体撮像素子は、複数のピクセルを２次元に配列したピクセルアレイ１と、制御処理および信号処理を行うシグナルプロセッサ２と、内部で使用する各種電圧を発生する内部電圧発生回路３と、シグナルプロセッサ２からの信号に従って検出データ読み出す行（ロウ）を選択する選択信号を出力するシフトレジスタ４と、選択信号からピクセルの検出信号を読み出すための各種制御信号を生成するピクセル制御回路列５と、制御信号をピクセル内のトランジスタに印加するドライバ列６と、ピクセルアレイ１から１行のピクセルの検出信号を同時に読み出すピクセル読出し回路列７と、読み出した１行のピクセルの検出信号をデジタルデータ（検出データ）に変換するＡＤＣ回路列８と、ＡＤＣ回路列８でＡＤ変換された１行のピクセルの検出データをシグナルプロセッサに転送するバス回路９と、バス回路９を動作させるためのシフトレジスタ１０と、を有する。
【００４１】
ピクセルアレイ１は、横方向を行（ロウ）方向と称し、縦方向を列（コラム）方向と称する。ピクセル制御回路列５およびドライバ列は、コラム方向に同一の回路が行数分配列されており、活性化される回路が１つずつシフトする。ピクセル読出し回路列７およびＡＤＣ回路列８は、ロウ方向に同一の回路が列数分配列されており、すべての回路が並列で動作する。
【００４２】
固体撮像素子の基本構成は、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００４３】
図１０は、第１実施形態の固体撮像素子のピクセルアレイ１を形成するピクセルグループ５１の構成を示す図である。図１０では、１個のピクセルグループのみを示したが、コラム方向に複数のピクセルグループ５１が配列され、各ピクセルグループは共通の第１コラム線５２および第２コラム線５３に接続される。２本のコラム線５２および５３は、スイッチユニット５４および５５を介して電源ＶＤＤまたは読出回路５５に接続される。スイッチユニット５４は２個のスイッチＳＷ１１とＳＷ１２を有し、スイッチユニット５５は２個のスイッチＳＷ２１とＳＷ２２を有し、スイッチＳＷ１１とＳＷ２１が対応した動作を行い、スイッチＳＷ１２とＳＷ２２が対応した動作を行う。すなわち、スイッチＳＷ１１とＳＷ２１が導通（オン）状態の時には、スイッチＳＷ１２とＳＷ２２が非導通（オフ）状態になり、第１コラム線５２は読出回路２５に接続した状態になり、第２コラム線５３は電源ＶＤＤに接続された状態になる。スイッチＳＷ１１とＳＷ２１がオフ状態の時には、スイッチＳＷ１２とＳＷ２２がオン状態になり、第１コラム線５２は電源ＶＤＤに接続した状態になり、第２コラム線５３は読出回路２５に接続された状態になる。
【００４４】
上記のようなピクセルグループ５１の列、第１および第２コラム線５２、５３および読出回路２５の組みが、ロウ方向に複数組み配列される。
【００４５】
図１０に示すように、ピクセルグループ５１は、第１シェアードピクセルと、第２シェアードピクセルと、選択用トランジスタＴｒＳと、を有する。第１シェアードピクセルは、アノードがグランドに接続された２個のフォトダイオードＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂと、フォトダイオードＰＤ１Ａのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ１Ａと、フォトダイオードＰＤ１Ｂのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ１Ｂと、リセット電圧線１５と２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ１ＡおよびＴｒＧ１Ｂの間に接続された基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲ１と、ゲートが２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ１ＡおよびＴｒＧ１Ｂと基準用トランジスタＴｒＲ１の接続ノードに接続され、一方の被制御電極が第２コラム線５３に接続された増幅用トランジスタＴｒＡ１と、を有する。第２シェアードピクセルは、アノードがグランドに接続された２個のフォトダイオードＰＤ２Ａ、ＰＤ２Ｂと、フォトダイオードＰＤ２Ａのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ２Ａと、フォトダイオードＰＤ２Ｂのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ２Ｂと、リセット電圧線１５と２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ２ＡおよびＴｒＧ２Ｂの間に接続された基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲ２と、ゲートが２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ２ＡおよびＴｒＧ２Ｂと基準用トランジスタＴｒＲ２の接続ノードに接続され、一方の被制御電極が第１コラム線５２に接続された増幅用トランジスタＴｒＡ２と、を有する。増幅用トランジスタＴｒＡ１の他方の被制御電極は選択用トランジスタＴｒＳの非制御電極の一方に、増幅用トランジスタＴｒＡ２の他方の被制御電極は選択用トランジスタＴｒＳの非制御電極の他方に、それぞれ接続される。従って、１個のピクセルグループ５１は、４個のフォトダイオードＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂを有し、４個のフォトダイオードＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂに蓄積された電荷は時分割で読み出される。
【００４６】
図示していないピクセル制御回路は、読み出し信号ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２Ａ、ＴＧ２Ｂ、リセット信号ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、選択信号ＳＬＣＴを発生させ。発生されたこれらの信号は、図９のドライバ列６の対応するドライバを介して、同一ロウの全ピクセルグループの読み出し用トランジスタのゲート、基準用トランジスタのゲートおよび選択用トランジスタのゲートに所定のタイミングでそれぞれ印加される。リセット電圧線１５には常時リセット電圧ＶＲが供給される。
【００４７】
図１１は、図１０の第１実施形態の構成で、１個のピクセルグループ５１の第１および第２コラム線５２、５３との接続コンタクトの配置および配線例を示す図である。図１１において、参照番号３１は一方のシェアードピクセルのＴｒＡ１のゲート信号線を、３４は他方のシェアードピクセルのＴｒＡ２のゲート信号線を、５６はＴｒＳのゲート信号線を、示す。また、参照番号５７はＴｒＡ１の第２コラム線５３とのコンタクトを、５８はＴｒＡ２の第１コラム線５２とのコンタクトを、示す。図１１に示すように、４個のフォトダイオード（ピクセル）を有する１個のピクセルグループ５１に対して、２本のゲート信号線および２個のコンタクトを配置する。図５の従来例に比べて、共有回路のレイアウト面積が小さい。これにより、フォトダイオードの面積の比率を大きくでき、感度が向上する。
【００４８】
図１２は、図１０に示した第１実施形態のピクセルグループ５１の４個のＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂに蓄積された電荷を読み出す動作を示すタイムチャートである。４個のフォトダイオードＰＤの読み出しは時分割で行われ、それぞれの読み出し動作は図２で説明した動作と同様にノイズ読み出し、信号（シグナル）読み出し、およびＡＤＣ動作で構成される。図１２のタイムチャートではＡＤＣ動作は省略している。
【００４９】
フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷を読み出す時には、ＳＷ１１とＳＷ２１をオンに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオフにする。これにより、第１コラム線５２は読出回路２５に、第２コラム線５３は電源ＶＤＤに接続された状態になる。言い換えれば、ＴｒＡ１の一方の制御電極はＶＤＤに接続され、ＴｒＡ２の他方の制御電極は読出回路２５に接続され、電源ＶＤＤ、第２コラム線５３、ＴｒＡ１、ＴｒＳ、ＴｒＡ２、第１コラム線５２、読出回路２５に至る経路が形成される。
【００５０】
この状態で読み出し処理を行う。ノイズ読み出し処理では、読み出し対象の行のピクセルグループ５１のＳＬＣＴ、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにする。これにより、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２のゲートに基準電圧ＶＲが印加されるので、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２がオンし、電源ＶＤＤから第２コラム線５３、ＴｒＡ１、ＴｒＳおよびＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に至る経路が形成され、第１コラム線５２は雑音信号（リセットノイズ信号）の電圧（Ｎレベル）に設定される。読出回路２５は、雑音信号の電圧を記憶する。そして、ＲＳＴ１をオフにする。なお、ＲＳＴ１をオンにすることにより、ＴｒＡ１のゲート電圧はリセット電圧ＶＲになり、それまでの状態にかかわらず一定の状態にリセットされる。
【００５１】
次に信号（シグナル）読み出し処理を行う。この処理では、前の状態から、ＴＧ１Ａをオンにする。これによりＴｒＧ１Ａがオンし、フォトダイオードＰＤ１Ａの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ１のゲートに転送する。これに応じて、ＴｒＡ１がオンし、電源ＶＤＤから第２コラム線５３、ＴｒＡ１、ＴｒＳおよびＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に至る経路が形成される。ＴｒＡ１は、転送された電荷に対応する電圧を増幅してＴｒＳおよびＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に出力する。これにより、第１コラム線５２は仮検出信号の電圧に設定される。仮検出信号は、検出信号と雑音信号を合わせた信号で、その電圧は、雑音信号電圧と検出信号電圧の和となる。その後、再びＴＧ１Ａをオフにしてシグナル読み出し動作が終了する。
【００５２】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＬＣＴ、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２ＢをオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷読み出し動作が終了する。
【００５３】
次に、フォトダイオードＰＤ１Ｂの電荷を読み出す時には、フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷を読み出す時と同様に、ＳＷ１１とＳＷ２１をオンに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオフにして、第１コラム線５２は読出回路２５に、第２コラム線５３は電源ＶＤＤに接続された状態にする。この状態で、読み出し対象の行のピクセルグループ５１のＳＬＣＴ、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにする。その後、ＲＳＴ１をオフにして、ノイズ読出処理を行う。続いて、前の状態から、ＴＧ１Ｂをオンにする。これによりＴｒＧ１Ｂがオンし、フォトダイオードＰＤ１Ｂの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ１のゲートに転送して電圧に変換する。この電圧はＴｒＡ１で増幅されて、ＴｒＳおよびＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に仮検出信号として出力される。その後、再びＴＧ１Ａをオフにしてシグナル読み出し動作を行う。
【００５４】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＬＣＴ、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２ＢをオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ１Ｂの電荷読み出し動作が終了する。
【００５５】
フォトダイオードＰＤ２Ａの電荷を読み出す時には、ＳＷ１１とＳＷ２１をオフに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオンにする。これにより、第１コラム線５２は電源ＶＤＤに、第２コラム線５３は読出回路２５に接続された状態になる。言い換えれば、ＴｒＡ１の一方の制御電極は読出回路２５に接続され、ＴｒＡ２の他方の制御電極は電源ＶＤＤに接続され、電源ＶＤＤ、第１コラム線５２、ＴｒＡ２、ＴｒＳ、ＴｒＡ１、第２コラム線５３、読出回路２５に至る経路が形成される。
【００５６】
ノイズ読み出し処理では、読み出し対象の行のピクセルグループ５１のＳＬＣＴ、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにする。これにより、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２のゲートに基準電圧ＶＲが印加されるので、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２がオンし、電源ＶＤＤから第１コラム線５２、ＴｒＡ２、ＴｒＳおよびＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に至る経路が形成され、第２コラム線５３は雑音信号の電圧に設定される。読出回路２５は、雑音信号の電圧を記憶する。そして、ＲＳＴ２をオフにする。なお、ＲＳＴ２をオンにすることにより、ＴｒＡ１のゲート電圧はリセット電圧ＶＲになり、それまでの状態にかかわらず一定の状態にリセットされる。
【００５７】
次に信号（シグナル）読み出し処理を行う。この処理では、前の状態から、ＴＧ２Ａをオンにする。これによりＴｒＧ２Ａがオンし、フォトダイオードＰＤ２Ａの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ２のゲートに転送する。これに応じて、ＴｒＡ２がオンし、電源ＶＤＤから第１コラム線５２、ＴｒＡ２、ＴｒＳおよびＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に至る経路が形成される。ＴｒＡ２は、転送された電荷に対応する電圧を増幅してＴｒＳおよびＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に出力する。これにより、第１コラム線５２は仮検出信号の電圧に設定される。仮検出信号は、検出信号と雑音信号を合わせた信号で、その電圧は、雑音信号電圧と検出信号電圧の和となる。その後、再びＴＧ２Ａをオフにしてシグナル読み出し動作が終了する。
【００５８】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＬＣＴ、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２ＢをオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ２Ａの電荷読み出し動作が終了する。
【００５９】
次に、フォトダイオードＰＤ２Ｂの電荷を読み出す時には、フォトダイオードＰＤ２Ａの電荷を読み出す時と同様に、ＳＷ１１とＳＷ２１をオフに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオンにして、第１コラム線５２は電源ＶＤＤに、第２コラム線５３は読出回路２５に接続された状態にする。この状態で、読み出し対象の行のシェアードピクセル５１のＳＬＣＴ、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにする。その後、ＲＳＴ２をオフにして、ノイズ読出処理を行う。続いて、前の状態から、ＴＧ２Ｂをオンにする。これによりＴｒＧ２Ｂがオンし、フォトダイオードＰＤ２Ｂの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ２のゲートに転送して電圧に変換する。この電圧はＴｒＡ２で増幅されて、ＴｒＳおよびＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に仮検出信号として出力される。その後、再びＴＧ２Ａをオフにしてシグナル読み出し動作を終了する。
【００６０】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＬＣＴ、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２ＢをオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ２Ｂの電荷読み出し動作が終了する。
【００６１】
以上のようにして、シェアードピクセル５１の４個のフォトダイオードに蓄積された電荷が読み出される。なお、図の従来例では、読出動作時には電源線１４とコラム信号線１３の間は２個のトランジスタＴｒＡとＴｒＳが接続されたのに対して、第１実施形態では、第１および第２コラム線５２、５３の間には３個のトランジスタＴｒＡ１とＴｒＳとＴｒＡ２が接続される。しかし、ＴｒＡ１とＴｒＡ２の一方にはリセット電圧ＶＲが印加され、低抵抗状態になるので、従来例と同様の信号強度を得ることが可能である。
【００６２】
第１実施形態では、第１グループの２個のフォトダイオードＰＤ１ＡとＰＤ１Ｂの電荷を読み出す時と、第２グループの２個のフォトダイオードＰＤ２ＡとＰＤ２Ｂの電荷を読み出す時とで、スイッチユニット５４、５５により第１および第２コラム線５２、５３の接続を切り替えて、ＴｒＡ１とＴｒＡ２の電源ＶＤＤおよび読出回路２５に対する関係が対称になるようにしている。
【００６３】
なお、対称性を維持する必要がない場合には、スイッチユニット５４、５５を設けずに、第１および第２コラム線５２、５３と電源ＶＤＤおよび読出回路２５に対する関係が固定であるように構成することも可能である。言い換えれば、第１コラム線５２をコラム信号線として読出回路２５に接続し、第２コラム線５３を電源線として電源ＶＤＤに接続する。
【００６４】
図１３は、第２実施形態の固体撮像素子のピクセルアレイ１を形成するピクセルグループ６１の構成を示す図である。図１３では、１個のピクセルグループのみを示したが、コラム方向に複数のピクセルグループ６１が配列され、各ピクセルグループは共通の第１コラム線５２および第２コラム線５３に接続される。２本のコラム線５２および５３は、スイッチユニット５４および５５を介して電源ＶＤＤまたは読出回路５５に接続される。スイッチユニット５４は２個のスイッチＳＷ１１とＳＷ１２を有し、スイッチユニット５５は２個のスイッチＳＷ２１とＳＷ２２を有し、スイッチＳＷ１１とＳＷ２１が対応した動作を行い、スイッチＳＷ１２とＳＷ２２が対応した動作を行う。すなわち、スイッチＳＷ１１とＳＷ２１が導通（オン）状態の時には、スイッチＳＷ１２とＳＷ２２が非導通（オフ）状態になり、第１コラム線５２は読出回路２５に接続した状態になり、第２コラム線５３は電源ＶＤＤに接続された状態になる。スイッチＳＷ１１とＳＷ２１がオフ状態の時には、スイッチＳＷ１２とＳＷ２２がオン状態になり、第１コラム線５２は電源ＶＤＤに接続した状態になり、第２コラム線５３は読出回路２５に接続された状態になる。
【００６５】
上記のようなピクセルグループ６１の列、第１および第２コラム線５２、５３および読出回路２５の組みが、ロウ方向に複数組み配列される。
【００６６】
図１３に示すように、ピクセルグループ６１は、第１シェアードピクセルと、第２シェアードピクセルと、を有する。第１シェアードピクセルは、アノードがグランドに接続された２個のフォトダイオードＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂと、フォトダイオードＰＤ１Ａのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ１Ａと、フォトダイオードＰＤ１Ｂのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ１Ｂと、リセット電圧線１５と２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ１ＡおよびＴｒＧ１Ｂの間に接続された基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲ１と、ゲートが２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ１ＡおよびＴｒＧ１Ｂと基準用トランジスタＴｒＲ１の接続ノードに接続され、一方の被制御電極が第２コラム線５３に接続された増幅用トランジスタＴｒＡ１と、を有する。第２シェアードピクセルは、アノードがグランドに接続された２個のフォトダイオードＰＤ２Ａ、ＰＤ２Ｂと、フォトダイオードＰＤ２Ａのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ２Ａと、フォトダイオードＰＤ２Ｂのカソードに接続された読み出し用トランジスタＴｒＧ２Ｂと、リセット電圧線１５と２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ２ＡおよびＴｒＧ２Ｂの間に接続された基準用（リセット用）トランジスタＴｒＲ２と、ゲートが２個の読み出し用トランジスタＴｒＧ２ＡおよびＴｒＧ２Ｂと基準用トランジスタＴｒＲ２の接続ノードに接続され、一方の被制御電極が第１コラム線５２に接続された増幅用トランジスタＴｒＡ２と、を有する。増幅用トランジスタＴｒＡ１の他方の被制御電極は増幅用トランジスタＴｒＡ２の他方の被制御電極に接続される。従って、１個のピクセルグループ６１は、４個のフォトダイオードＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂを有し、４個のフォトダイオードＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂに蓄積された電荷は時分割で読み出される。なお、図示の第１および第２シェアードピクセルのリセット電圧線１５を含むリセット電圧線は、行の端にスイッチを設けて、行ごとに独立して電圧を供給可能なように構成されている。ここでは、第１シェアードピクセルのリセット電圧線１５に印加する電圧をＶＲ１で、第２シェアードピクセルのリセット電圧線１５に印加する電圧をＶＲ２で表す。
【００６７】
第１実施形態と同様に、図示していないピクセル制御回路が、読み出し信号ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２Ａ、ＴＧ２Ｂ、リセット信号ＲＳＴ１、ＲＳＴ２を発生し、対応するトランジスタに印加される。
【００６８】
図１４は、図１３の第２実施形態の構成で、１個のピクセルグループ６１の第１および第２コラム線５２、５３との接続コンタクトの配置および配線例を示す図である。図１４において、参照番号３１は一方のシェアードピクセルのＴｒＡ１のゲート信号線を、３４は他方のシェアードピクセルのＴｒＡ２のゲート信号線を、示す。また、参照番号５７はＴｒＡ１の第２コラム線５３とのコンタクトを、５８はＴｒＡ２の第１コラム線５２とのコンタクトを、示す。図１４に示すように、４個のフォトダイオード（ピクセル）を有する１個のピクセルグループ６１に対して、２本のゲート信号線および２個のコンタクトを配置する。図８の従来例に比べて、コンタクト数が１個少ない分共有回路のレイアウト面積が小さい。これにより、フォトダイオードの面積の比率を大きくでき、感度が向上する。
【００６９】
図１５は、図１３に示した第２実施形態のピクセルグループ６１の４個のＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２ＡおよびＰＤ２Ｂに蓄積された電荷を読み出す動作を示すタイムチャートである。４個のフォトダイオードＰＤの読み出しは時分割で行われ、それぞれの読み出し動作は図２で説明した動作と同様にノイズ読み出し、シグナル読み出し、およびＡＤＣ動作で構成される。図１５のタイムチャートではＡＤＣ動作は省略している。
【００７０】
フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷を読み出す時には、ＳＷ１１とＳＷ２１をオンに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオフにする。これにより、第１コラム線５２は読出回路２５に、第２コラム線５３は電源ＶＤＤに接続された状態になる。言い換えれば、ＴｒＡ１の一方の制御電極はＶＤＤに接続され、ＴｒＡ２の他方の制御電極は読出回路２５に接続され、電源ＶＤＤ、第２コラム線５３、ＴｒＡ１、ＴｒＡ２、第１コラム線５２、読出回路２５に至る経路が形成される。
【００７１】
この状態で読み出し処理を行う。ノイズ読み出し処理では、読み出し対象の行のピクセルグループ５１のＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオン（高基準電圧）にする。これにより、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２のゲートに高基準電圧が印加されるので、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２がオンし、電源ＶＤＤから第２コラム線５３、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に至る経路が形成され、第１コラム線５２は雑音信号（リセットノイズ信号）の電圧（Ｎレベル）に設定される。読出回路２５は、雑音信号の電圧を記憶する。そして、ＲＳＴ１をオフにする。なお、ＲＳＴ１をオンにすることにより、ＴｒＡ１のゲート電圧は高基準電圧になり、それまでの状態にかかわらず一定の状態にリセットされる。なお、読み出し対象以外の行のピクセルグループのＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオフ（低電圧）にして、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２をオフ、すなわち高抵抗状態にする。以下、読み出し対象以外の行については、この条件が維持される。
【００７２】
次に信号（シグナル）読み出し処理を行う。この処理では、前の状態から、ＴＧ１Ａをオンにする。これによりＴｒＧ１Ａがオンし、フォトダイオードＰＤ１Ａの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ１のゲートに転送する。これに応じて、ＴｒＡ１がオンし、電源ＶＤＤから第２コラム線５３、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に至る経路が形成される。ＴｒＡ１は、転送された電荷に対応する電圧を増幅してＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に出力する。これにより、第１コラム線５２は仮検出信号の電圧に設定される。仮検出信号は、検出信号と雑音信号を合わせた信号で、その電圧は、雑音信号電圧と検出信号電圧の和となる。その後、再びＴＧ１Ａをオフにしてシグナル読み出し動作が終了する。
【００７３】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにして、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオフにして、ＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷読み出し動作が終了する。
【００７４】
次に、フォトダイオードＰＤ１Ｂの電荷を読み出す時には、フォトダイオードＰＤ１Ａの電荷を読み出す時と同様に、ＳＷ１１とＳＷ２１をオンに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオフにして、第１コラム線５２は読出回路２５に、第２コラム線５３は電源ＶＤＤに接続された状態にする。この状態で、読み出し対象の行のシェアードピクセル５１のＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオン（高基準電圧）にする。その後、ＲＳＴ１をオフにして、ノイズ読出処理を行う。続いて、前の状態から、ＴＧ１Ｂをオンにする。これによりＴｒＧ１Ｂがオンし、フォトダイオードＰＤ１Ｂの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ１のゲートに転送して電圧に変換する。この電圧はＴｒＡ１で増幅されて、ＴｒＡ２を介して第１コラム線５２に仮検出信号として出力される。その後、再びＴＧ１Ａをオフにしてシグナル読み出し動作を終了する。
【００７５】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、をオンにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ１Ｂの電荷読み出し動作が終了する。
【００７６】
フォトダイオードＰＤ２Ａの電荷を読み出す時には、ＳＷ１１とＳＷ２１をオフに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオンにする。これにより、第１コラム線５２は電源ＶＤＤに、第２コラム線５３は読出回路２５に接続された状態になる。言い換えれば、ＴｒＡ１の一方の制御電極は読出回路２５に接続され、ＴｒＡ２の他方の制御電極は電源ＶＤＤに接続され、電源ＶＤＤ、第１コラム線５２、ＴｒＡ２、ＴｒＡ１、第２コラム線５３、読出回路２５に至る経路が形成される。
【００７７】
ノイズ読み出し処理では、読み出し対象の行のピクセルグループ６１のＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオンにする。これにより、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２のゲートに基準電圧が印加されるので、ＴｒＡ１およびＴｒＡ２がオンし、電源ＶＤＤから第１コラム線５２、ＴｒＡ２およびＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に至る経路が形成され、第２コラム線５３は雑音信号の電圧に設定される。読出回路２５は、雑音信号の電圧を記憶する。そして、ＲＳＴ２をオフにする。なお、ＲＳＴ２をオンにすることにより、ＴｒＡ２のゲート電圧は基準電圧になり、それまでの状態にかかわらず一定の状態にリセットされる。
【００７８】
次に信号（シグナル）読み出し処理を行う。この処理では、前の状態から、ＶＲ２をオフし、ＴＧ２Ａをオンにする。これによりＴｒＧ２Ａがオンし、フォトダイオードＰＤ２Ａの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ２のゲートに転送する。これに応じて、ＴｒＡ２がオンし、電源ＶＤＤから第１コラム線５２、ＴｒＡ２、ＴｒＳおよびＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に至る経路が形成される。ＴｒＡ２は、転送された電荷に対応する電圧を増幅してＴｒＳおよびＴｒＡ１を介して第１コラム線５２に出力する。これにより、第１コラム線５２は仮検出信号の電圧に設定される。仮検出信号は、検出信号と雑音信号を合わせた信号で、その電圧は、雑音信号電圧と検出信号電圧の和となる。その後、再びＴＧ２Ａをオフにしてシグナル読み出し動作が終了する。
【００７９】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ２Ａの電荷読み出し動作が終了する。
【００８０】
次に、フォトダイオードＰＤ２Ｂの電荷を読み出す時には、フォトダイオードＰＤ２Ａの電荷を読み出す時と同様に、ＳＷ１１とＳＷ２１をオフに、ＳＷ１２とＳＷ２２をオンにして、第１コラム線５２は電源ＶＤＤに、第２コラム線５３は読出回路２５に接続された状態にする。この状態で、読み出し対象の行のシェアードピクセル５１のＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオンにする。その後、ＲＳＴ２をオフにして、ノイズ読出処理を行う。続いて、前の状態から、ＶＲ２をオフにし、ＴＧ２Ｂをオンにする。これによりＴｒＧ２Ｂがオンし、フォトダイオードＰＤ２Ｂの露光量に対応する電荷（検出信号）をＴｒＡ２のゲートに転送して電圧に変換する。この電圧はＴｒＡ２で増幅されて、ＴｒＡ１を介して第２コラム線５３に仮検出信号として出力される。その後、再びＴＧ２Ａをオフにしてシグナル読み出し動作を終了する。
【００８１】
この後、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＴＧ１Ａ、ＴＧ１Ｂ、ＴＧ２ＡおよびＴＧ２Ｂをオフにし、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２をオンにし、ＶＲ１およびＶＲ２をオフにしてＡＤＣ動作を行う。読出回路２５は、仮検出信号の電圧から、記憶してある雑音信号の電圧を減算して検出電圧を算出する。このようにして、フォトダイオードＰＤ２Ｂの電荷読み出し動作が終了する。
【００８２】
以上のようにして、シェアードピクセル５１の４個のフォトダイオードに蓄積された電荷が読み出される。なお、図６の従来例では、読出動作時には電源線１４とコラム信号線１３の間は１個のトランジスタＴｒＡが接続されたのに対して、第２実施形態では、第１および第２コラム線５２、５３の間には２個のトランジスタＴｒＡ１とＴｒＡ２が接続される。しかし、ＴｒＡ１とＴｒＡ２の一方にはリセット電圧ＶＲが印加され、低抵抗状態になるので、従来例と同様の信号強度を得ることが可能である。
【００８３】
第２実施形態では、第１グループの２個のフォトダイオードＰＤ１ＡとＰＤ１Ｂの電荷を読み出す時と、第２グループの２個のフォトダイオードＰＤ２ＡとＰＤ２Ｂの電荷を読み出す時とで、スイッチユニット５４、５５により第１および第２コラム線５２、５３の接続を切り替えて、ＴｒＡ１とＴｒＡ２の電源ＶＤＤおよび読出回路２５に対する関係が対称になるようにしている。
【００８４】
なお、対称性を維持する必要がない場合には、スイッチユニット５４、５５を設けずに、第１および第２コラム線５２、５３と電源ＶＤＤおよび読出回路２５に対する関係が固定であるように構成することも可能である。
【００８５】
さらに、第２実施形態では、読出し対象行以外のシェアードピクセルでは、第１および第２コラム線４２と５３の間に２個の高抵抗状態のＴｒＡ１およびＴｒＡ２が直列に接続されるので、１個のＴｒＡが接続される従来例に比べて高抵抗にできる。そのため、読出し対象行以外のシェアードピクセルからの電荷の漏れ出しやノイズの影響を低減するための制御が容易に行える。
【００８６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。
【００８７】
例えば、ＡＤＣ回路を含む読出回路はどのようなものを使用してもよく、ノイズ読出し処理を行わない方式のものでもよい。
【００８８】
また、１シェアードピクセルが有するフォトダイオードの個数は各種の変形例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、従来例の固体撮像素子のピクセルとＡＤＣ回路の部分の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の従来例の動作を示すタイムチャートである。
【図３】図３は、別の従来例の固体撮像素子のピクセルと読出回路の部分の構成を示す図である。
【図４】図４は、図３の従来例の動作を示すタイムチャートである。
【図５】図５は、図３の従来例の共有回路部分のレイアウト例を示す図である。
【図６】図６は、別の従来例の固体撮像素子のピクセルと読出回路の部分の構成を示す図である。
【図７】図７は、図６の従来例の動作を示すタイムチャートである。
【図８】図８は、図６の従来例の共有回路部分のレイアウト例を示す図である。
【図９】図９は、実施形態の固体撮像素子の一般的な構成を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、第１実施形態の固体撮像素子のピクセルと読出回路の部分の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０の第１実施形態の固体撮像素子の共有回路部分のレイアウト例を示す図である。
【図１２】図１２は、図１０の第１実施形態の固体撮像素子の動作を示すタイムチャートである。
【図１３】図１３は、第２実施形態の固体撮像素子のピクセルと読出回路の部分の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、図１３の第２実施形態の固体撮像素子の共有回路部分のレイアウト例を示す図である。
【図１５】図１５は、図１３の第１実施形態の固体撮像素子の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００９０】
１５    基準（リセット）電源線
２５    読出回路
５１、６１    ピクセルグループ
５２    第１コラム線
５３    第２コラム線
５４    第１スイッチ回路
５５    第２スイッチ回路
ＰＤ１Ａ、ＰＤ１Ｂ、ＰＤ２Ａ、ＰＤ２Ｂ    フォトダイオード
ＴｒＧ１Ａ、ＴｒＧ１Ｂ、ＴｒＧ２Ａ、ＴｒＧ２Ｂ    読出し用トランジスタ
ＴｒＲ１、ＴｒＲ２    リセット用トランジスタ
ＴｒＡ１、ＴｒＡ２    増幅用トランジスタ
ＴｒＳ    選択用トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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