(57)【要約】【課題】素子数の増加を抑えつつ黒沈み現象の発生を低減することができる固体撮像装置および撮像装置を提供する。【解決手段】クリップトランジスタ265は、第１増幅トランジスタ240のゲート端子に接続されている電荷保持部230がリセットされたときに、ゲート端子に入力された所定のクリップ電圧によって、ドレイン端子の電圧を固定する。電圧出力トランジスタ266は、電荷保持部230がリセットされたときに垂直信号線120に電源電圧VDDを出力する。スイッチトランジスタ267は、電荷保持部230がリセットされたときにオフであり、電流源130を垂直信号線120から切り離す。【選択図】図４
2014154975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、
前記第１の基板の前記画素に含まれる光電変換素子と、
第１の電流源と、
ソースまたはドレインが前記第１の電流源に接続され、前記光電変換素子で発生した信号がゲートに入力される第１の増幅トランジスタと、
第２の電流源と、
垂直信号線と前記第２の電流源との接続のオンとオフを切り替え、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時にオフとなるスイッチと、
前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に前記垂直信号線に電源電圧を出力する電圧出力回路と、
ソースおよびドレインの一方が前記垂直信号線に、ソースおよびドレインの他方が前記第１の電流源に接続され、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に、ソースおよびドレインの他方から出力される電圧を固定するための所定電圧がゲートに入力されるクリップトランジスタと、
前記第２の基板の前記画素に含まれ、前記第１の増幅トランジスタおよび前記クリップトランジスタで増幅された信号を蓄積する蓄積回路と、
ソースおよびドレインの一方が前記垂直信号線に接続され、前記蓄積回路に蓄積された信号がゲートに入力される第２の増幅トランジスタと、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、
前記第１の基板の前記画素に含まれる光電変換素子と、
第１の電流源と、
ソースまたはドレインが前記第１の電流源に接続され、前記光電変換素子で発生した信号がゲートに入力される第１の増幅トランジスタと、
垂直信号線に接続され、オンとオフを切り替え可能であって、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時にオフとなる第２の電流源と、
前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に前記垂直信号線に電源電圧を出力する電圧出力回路と、
ソースおよびドレインの一方が前記垂直信号線に、ソースおよびドレインの他方が前記第１の電流源に接続され、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に、ソースおよびドレインの他方から出力される電圧を固定するための所定電圧がゲートに入力されるクリップトランジスタと、
前記第２の基板の前記画素に含まれ、前記第１の増幅トランジスタおよび前記クリップトランジスタで増幅された信号を蓄積する蓄積回路と、
前記蓄積回路に蓄積された信号を増幅して前記垂直信号線に出力する第２の増幅トランジスタと、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、
前記第１の基板の前記画素に含まれる光電変換素子と、
電流源と、
ソースまたはドレインが前記電流源に接続され、前記光電変換素子で発生した信号がゲートに入力される増幅トランジスタと、
ソースおよびドレインの一方が、テスト時にリセットレベルおよび信号レベルに相当するテスト電圧に接続され、前記増幅トランジスタのゲートのリセット時に電源電圧に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電流源に接続され、前記増幅トランジスタのゲートのリセット時に、ソースおよびドレインの他方から出力される電圧を固定するための所定電圧がゲートに入力されるテストトランジスタと、
前記第２の基板の前記画素に含まれ、前記増幅トランジスタおよび前記テストトランジスタで増幅された信号を蓄積する蓄積回路と、
前記蓄積回路に蓄積された信号を出力する出力回路と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体撮像装置を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD（Charge Coupled Device）型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。増幅型の固体撮像装置は、光が入射する画素の光電変換部が生成・蓄積した信号電荷を、画素に設けられた増幅部に導き、増幅部が増幅した信号を画素から出力する。増幅型の固体撮像装置では、このような画素が二次元マトリクス状に複数配置されている。増幅型の固体撮像装置には、例えばCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを用いたCMOS型固体撮像装置等がある。
【０００３】
従来、一般的なCMOS型固体撮像装置は、二次元マトリクス状に配列された各画素の光電変換部が生成した信号電荷を行毎に順次読み出す方式を採用している。この方式では、各画素の光電変換部における露光のタイミングは、信号電荷の読み出しの開始と終了によって決まるため、行毎に露光のタイミングが異なる。このため、このようなCMOS型固体撮像装置を用いて動きの速い被写体を撮像すると、撮像した画像内で被写体が歪んでしまう。
【０００４】
この被写体の歪みを無くすために、信号電荷の蓄積の同時性を実現する同時撮像機能（グローバルシャッタ機能）が提案されている。また、グローバルシャッタ機能を有するCMOS型固体撮像装置の用途が多くなりつつある。グローバルシャッタ機能を有するCMOS型固体撮像装置では、通常、光電変換部が生成した信号電荷を、読み出しが行われるまで蓄えておくために、遮光性を持った蓄積容量部を有することが必要となる。このような従来のCMOS型固体撮像装置は、全画素を同時に露光した後、各光電変換部が生成した信号電荷を全画素で同時に各蓄積容量部に転送して一旦蓄積しておき、この信号電荷を所定の読み出しタイミングで順次画素信号に変換して読み出している。
【０００５】
ただし、従来のグローバルシャッタ機能を有するCMOS型固体撮像装置では、光電変換部と蓄積容量部とを同一基板の同一平面上に作りこまねばならず、チップ面積の増大が避けられない。さらに、蓄積容量部に蓄積された信号電荷を読み出すまでの待機期間中に、光に起因するノイズや、蓄積容量部で発生するリーク電流（暗電流）に起因するノイズにより信号の品質が劣化してしまうという問題がある。
【０００６】
この問題を解決するために、光電変換部が形成された第１の基板と、複数のMOSトランジスタが形成された第２の基板とを貼り合わせた構造によりチップ面積の増大を防ぐと共に信号品質の劣化を防ぐことができる固体撮像装置が特許文献１に開示されている。
【０００７】
しかし、この固体撮像装置に強い光が入射した場合、光の影響により、基準電位であるリセットレベルが理想的なレベルとは異なるレベルに変化し、光電変換部に蓄積された信号電荷に基づく信号レベルとリセットレベルとの差分がなくなる黒沈み現象が発生してしまう。この問題を解決するため、特許文献２には、2枚の基板を貼り合わせた構造を有する固体撮像装置において、リセットレベルを固定するクリップ回路を設けることにより黒沈み現象の発生を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２４８９５２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５７０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に記載の固体撮像装置では、クリップ回路として、リセットレベルを固定するトランジスタと、そのトランジスタの機能の有効・無効を制御するトランジスタとの2つのトランジスタがそれぞれの画素に設けられている。複数の画素を含む画素セルで一部の回路を共有するように固体撮像装置を構成した場合でも、１つの画素セル当たり2つのトランジスタが必要となる。このため、素子数が非常に多くなり、画素の微細化が困難であった。
【００１０】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、素子数の増加を抑えつつ黒沈み現象の発生を低減することができる固体撮像装置および撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、前記第１の基板の前記画素に含まれる光電変換素子と、第１の電流源と、ソースまたはドレインが前記第１の電流源に接続され、前記光電変換素子で発生した信号がゲートに入力される第１の増幅トランジスタと、第２の電流源と、垂直信号線と前記第２の電流源との接続のオンとオフを切り替え、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時にオフとなるスイッチと、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に前記垂直信号線に電源電圧を出力する電圧出力回路と、ソースおよびドレインの一方が前記垂直信号線に、ソースおよびドレインの他方が前記第１の電流源に接続され、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に、ソースおよびドレインの他方から出力される電圧を固定するための所定電圧がゲートに入力されるクリップトランジスタと、前記第２の基板の前記画素に含まれ、前記第１の増幅トランジスタおよび前記クリップトランジスタで増幅された信号を蓄積する蓄積回路と、ソースおよびドレインの一方が前記垂直信号線に接続され、前記蓄積回路に蓄積された信号がゲートに入力される第２の増幅トランジスタと、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
【００１２】
また、本発明は、複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、前記第１の基板の前記画素に含まれる光電変換素子と、第１の電流源と、ソースまたはドレインが前記第１の電流源に接続され、前記光電変換素子で発生した信号がゲートに入力される第１の増幅トランジスタと、垂直信号線に接続され、オンとオフを切り替え可能であって、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時にオフとなる第２の電流源と、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に前記垂直信号線に電源電圧を出力する電圧出力回路と、ソースおよびドレインの一方が前記垂直信号線に、ソースおよびドレインの他方が前記第１の電流源に接続され、前記第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に、ソースおよびドレインの他方から出力される電圧を固定するための所定電圧がゲートに入力されるクリップトランジスタと、前記第２の基板の前記画素に含まれ、前記第１の増幅トランジスタおよび前記クリップトランジスタで増幅された信号を蓄積する蓄積回路と、前記蓄積回路に蓄積された信号を増幅して前記垂直信号線に出力する第２の増幅トランジスタと、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
【００１３】
また、本発明は、複数の画素を備え、当該画素を構成する回路要素が配置された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、前記第１の基板の前記画素に含まれる光電変換素子と、電流源と、ソースまたはドレインが前記電流源に接続され、前記光電変換素子で発生した信号がゲートに入力される増幅トランジスタと、ソースおよびドレインの一方が、テスト時にリセットレベルおよび信号レベルに相当するテスト電圧に接続され、前記増幅トランジスタのゲートのリセット時に電源電圧に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電流源に接続され、前記増幅トランジスタのゲートのリセット時に、ソースおよびドレインの他方から出力される電圧を固定するための所定電圧がゲートに入力されるテストトランジスタと、前記第２の基板の前記画素に含まれ、前記増幅トランジスタおよび前記テストトランジスタで増幅された信号を蓄積する蓄積回路と、前記蓄積回路に蓄積された信号を出力する出力回路と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
【００１４】
また、本発明は、上記の固体撮像装置を有することを特徴とする撮像装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１の増幅トランジスタ毎にクリップトランジスタが設けられ、垂直信号線毎にスイッチおよび電圧出力回路が設けられるので、素子数の増加を抑えることができる。また、第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に、電圧出力回路によって電源電圧が出力され、クリップトランジスタのゲートに所定電圧が入力されることによって、リセットレベルが固定されるので、黒沈み現象の発生を低減することができる。
【００１６】
本発明によれば、第２の電流源のオンとオフを切り替え可能であって、第１の増幅トランジスタ毎にクリップトランジスタが設けられ、垂直信号線毎に電圧出力回路が設けられるので、素子数の増加を抑えることができる。また、第１の増幅トランジスタのゲートのリセット時に、電圧出力回路によって電源電圧が出力され、クリップトランジスタのゲートに所定電圧が入力されることによって、リセットレベルが固定されるので、黒沈み現象の発生を低減することができる。
【００１７】
本発明によれば、増幅トランジスタ毎にテストトランジスタが設けられるので、素子数の増加を抑えることができる。また、増幅トランジスタのゲートのリセット時にテストトランジスタのゲートに所定電圧が入力されることによって、リセットレベルが固定されるので、黒沈み現象の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置が備える画素の回路構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置が備える一部の回路構成を示す回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置が備える画素の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態による固体撮像装置が備える画素の回路構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による固体撮像装置が備える画素の回路構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施形態による固体撮像装置を適用した撮像装置の一例としてデジタルカメラの構成を示している。本発明の一態様に係る撮像装置は、撮像機能を有する電子機器であればよく、デジタルカメラのほか、デジタルビデオカメラ、内視鏡等であってもよい。図1に示すデジタルカメラ10は、レンズ部1、レンズ制御装置2、固体撮像装置3、駆動回路4、メモリ5、信号処理回路6、記録装置7、制御装置8、および表示装置9を備える。
【００２０】
レンズ部1はズームレンズやフォーカスレンズを備えており、被写体からの光を固体撮像装置3の受光面に被写体像として結像する。レンズ制御装置2は、レンズ部1のズーム、フォーカス、絞りなどを制御する。レンズ部1を介して取り込まれた光は固体撮像装置3の受光面で結像される。固体撮像装置3は、受光面に結像された被写体像を画像信号に変換して出力する。固体撮像装置3の受光面には、複数の画素が行方向および列方向に2次元的に配列されている。
【００２１】
駆動回路4は、固体撮像装置3を駆動し、その動作を制御する。メモリ5は、画像データを一時的に記憶する。信号処理回路6は、固体撮像装置3から出力された画像信号に対して、予め定められた処理を行う。信号処理回路6によって行われる処理には、画像信号の増幅、画像データの各種の補正、画像データの圧縮などがある。
【００２２】
記録装置7は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリなどによって構成されており、着脱可能な状態でデジタルカメラ10に内蔵される。表示装置9は、動画像（ライブビュー画像）の表示、静止画像の表示、記録装置7に記録された動画像や静止画像の表示、デジタルカメラ10の状態の表示などを行う。
【００２３】
制御装置8は、デジタルカメラ10全体の制御を行う。制御装置8の動作は、デジタルカメラ10が内蔵するROMに格納されているプログラムに規定されている。制御装置8は、このプログラムを読み出して、プログラムが規定する内容に従って、各種の制御を行う。
【００２４】
図2は、固体撮像装置3の構成を示している。図2に示す固体撮像装置は、画素部200（画素アレイ）、垂直走査回路300、列処理回路350、水平走査回路400、および出力アンプ410を備えている。図2に示す各回路要素の配置位置は実際の配置位置と必ずしも一致するわけではない。
【００２５】
画素部200は、2次元の行列状に配列された画素100と、列毎に設けられた電流源130とを有する。本実施形態では、固体撮像装置3が有する全画素からなる領域を画素信号の読み出し対象領域とするが、固体撮像装置3が有する全画素からなる領域の一部を読み出し対象領域としてもよい。読み出し対象領域は、少なくとも有効画素領域の全画素を含むことが望ましい。また、読み出し対象領域は、有効画素領域の外側に配置されているオプティカルブラック画素（常時遮光されている画素）を含んでもよい。オプティカルブラック画素から読み出した画素信号は、例えば暗電流成分の補正に使用される。
【００２６】
垂直走査回路300は行単位で画素部200の駆動制御を行う。この駆動制御を行うために、垂直走査回路300は、行数と同じ数の単位回路301-1，301-2，・・・，301-n（nは行数）で構成されている。
【００２７】
各単位回路301-i（i=1，2，・・・，n）は、1行分の画素100を制御するための制御信号を、行毎に設けられている信号線110へ出力する。信号線110は画素100に接続されており、単位回路301-iから出力された制御信号を画素100に供給する。図2では、各行に対応する各信号線110が1本の線で表現されているが、各信号線110は複数の信号線を含む。制御信号により選択された行の画素100の信号は、列毎に設けられている垂直信号線120へ出力されるようになっている。
【００２８】
電流源130は垂直信号線120に接続されており、画素100内の増幅トランジスタ（後述する第２増幅トランジスタ241，242，243，244）とソースフォロワ回路を構成する。列処理回路350は、垂直信号線120に出力された画素信号に対してノイズ抑圧などの信号処理を行う。水平走査回路400は、垂直信号線120に出力されて列処理回路350によって処理された1行分の画素100の画素信号を水平方向の並びの順で時系列に出力アンプ410へ出力する。出力アンプ410は、水平走査回路400から出力された画素信号を増幅し、画像信号として固体撮像装置3の外部へ出力する。
【００２９】
図3は固体撮像装置3の断面構造を示している。固体撮像装置3は、画素100を構成する回路要素（光電変換素子や、トランジスタ、容量等）が配置された2枚の基板（第１基板20、第２基板21）が重なった構造を有する。画素100を構成する回路要素は第１基板20と第２基板21に分配して配置されている。第１基板20と第２基板21は、画素100の駆動時に2枚の基板間で電気信号を授受可能なように電気的に接続されている。
【００３０】
第１基板20の2つの主面（側面よりも相対的に表面積が大きい表面）のうち、光Lが照射される側の主面側に光電変換素子が形成されており、第１基板20に照射された光は光電変換素子に入射する。第１基板20の2つの主面のうち、光Lが照射される側の主面とは反対側の主面には、第２基板21と接続するための接続部250が形成されている。第１基板20に配置されている光電変換素子で発生した信号電荷に基づく信号は、接続部250を介して第２基板21へ出力される。図3に示す例では第１基板20と第２基板21の主面の面積が異なるが、第１基板20と第２基板21の主面の面積が同じであってもよい。
【００３１】
画素100以外の垂直走査回路300、列処理回路350、水平走査回路400、出力アンプ410に関しては、それぞれ第１基板20と第２基板21のどちらに配置されていてもよい。また、垂直走査回路300、列処理回路350、水平走査回路400、出力アンプ410のそれぞれを構成する回路要素が第１基板20と第２基板21に分散して配置されていてもよい。
【００３２】
図4は、4画素分の画素100で構成された画素セルの回路構成を示している。本実施形態では、垂直方向に並んだ4画素で一部の回路要素を共有する例を説明する。4画素分の画素100で構成される画素セルは、光電変換素子201，202，203，204と、第１転送トランジスタ211，212，213，214と、電荷保持部230（フローティングディフュージョン）と、第１リセットトランジスタ220と、第１増幅トランジスタ240と、電流源280と、クランプ容量260と、第２転送トランジスタ271，272，273，274と、第２リセットトランジスタ221，222，223，224と、アナログメモリ231，232，233，234（蓄積回路）と、第２増幅トランジスタ241，242，243，244と、選択トランジスタ291，292，293，294（出力回路）とを有する。また、クリップトランジスタ265が設けられていると共に、垂直信号線120には電圧出力トランジスタ266（電圧出力回路）およびスイッチトランジスタ267（スイッチ）が接続され、スイッチトランジスタ267には電流源130（第２の電流源）が接続されている。図4に示す各回路要素の配置位置は実際の配置位置と必ずしも一致するわけではない。
【００３３】
画素セルには4つの画素100の回路要素が含まれる。第１画素は、光電変換素子201と、第１転送トランジスタ211と、電荷保持部230と、第１リセットトランジスタ220と、第１増幅トランジスタ240と、電流源280（第１の電流源）と、クランプ容量260と、第２転送トランジスタ271と、第２リセットトランジスタ221と、アナログメモリ231と、第２増幅トランジスタ241と、選択トランジスタ291とを有する。第２画素は、光電変換素子202と、第１転送トランジスタ212と、電荷保持部230と、第１リセットトランジスタ220と、第１増幅トランジスタ240と、電流源280と、クランプ容量260と、第２転送トランジスタ272と、第２リセットトランジスタ222と、アナログメモリ232と、第２増幅トランジスタ242と、選択トランジスタ292とを有する。
【００３４】
第３画素は、光電変換素子203と、第１転送トランジスタ213と、電荷保持部230と、第１リセットトランジスタ220と、第１増幅トランジスタ240と、電流源280と、クランプ容量260と、第２転送トランジスタ273と、第２リセットトランジスタ223と、アナログメモリ233と、第２増幅トランジスタ243と、選択トランジスタ293とを有する。第４画素は、光電変換素子204と、第１転送トランジスタ214と、電荷保持部230と、第１リセットトランジスタ220と、第１増幅トランジスタ240と、電流源280と、クランプ容量260と、第２転送トランジスタ274と、第２リセットトランジスタ224と、アナログメモリ234と、第２増幅トランジスタ244と、選択トランジスタ294とを有する。電荷保持部230と、第１リセットトランジスタ220と、第１増幅トランジスタ240と、電流源280と、クランプ容量260とは、4つの画素100で共有されている。
【００３５】
光電変換素子201，202，203，204の一端は接地されている。第１転送トランジスタ211，212，213，214のドレイン端子は光電変換素子201，202，203，204の他端に接続されている。第１転送トランジスタ211，212，213，214のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、転送パルスΦTX1-1，ΦTX1-2，ΦTX1-3，ΦTX1-4が供給される。
【００３６】
電荷保持部230の一端は第１転送トランジスタ211，212，213，214のソース端子に接続されており、電荷保持部230の他端は接地されている。第１リセットトランジスタ220のドレイン端子は電源電圧VDDに接続されており、第１リセットトランジスタ220のソース端子は第１転送トランジスタ211，212，213，214のソース端子に接続されている。第１リセットトランジスタ220のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、リセットパルスΦRST1が供給される。
【００３７】
第１増幅トランジスタ240のドレイン端子は電源電圧VDDに接続されている。第１増幅トランジスタ240の入力部であるゲート端子は第１転送トランジスタ211，212，213，214のソース端子に接続されている。電流源280の一端は第１増幅トランジスタ240のソース端子に接続されており、電流源280の他端は接地されている。一例として、ドレイン端子が第１増幅トランジスタ240のソース端子に接続され、ソース端子が接地され、ゲート端子が垂直走査回路300に接続されたトランジスタで電流源280を構成してもよい。クランプ容量260の一端は、接続部250を介して第１増幅トランジスタ240のソース端子および電流源280の一端に接続されている。
【００３８】
第２転送トランジスタ271，272，273，274のドレイン端子はクランプ容量260の他端に接続されている。第２転送トランジスタ271，272，273，274のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、転送パルスΦTX2-1，ΦTX2-2，ΦTX2-3，ΦTX2-4が供給される。第２リセットトランジスタ221，222，223，224のドレイン端子は電源電圧VDDに接続されており、第２リセットトランジスタ221，222，223，224のソース端子は第２転送トランジスタ271，272，273，274のソース端子に接続されている。第２リセットトランジスタ221，222，223，224のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、リセットパルスΦRST2-1，ΦRST2-2，ΦRST2-3，ΦRST2-4が供給される。
【００３９】
アナログメモリ231，232，233，234の一端は第２転送トランジスタ271，272，273，274のソース端子に接続されており、アナログメモリ231，232，233，234の他端は接地されている。第２増幅トランジスタ241，242，243，244のドレイン端子は電源電圧VDDに接続されている。第２増幅トランジスタ241，242，243，244の入力部を構成するゲート端子は第２転送トランジスタ271，272，273，274のソース端子に接続されている。選択トランジスタ291，292，293，294のドレイン端子は第２増幅トランジスタ241，242，243，244のソース端子に接続されており、選択トランジスタ291，292，293，294のソース端子は垂直信号線120に接続されている。選択トランジスタ291，292，293，294のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、選択パルスΦSEL1，ΦSEL2，ΦSEL3，ΦSEL4が供給される。
【００４０】
クリップトランジスタ265のドレイン端子は、接続部250を介して第１増幅トランジスタ240のソース端子および電流源280の一端に接続されており、クリップトランジスタ265のソース端子は垂直信号線120に接続されている。クリップトランジスタ265のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、制御電圧ΦCLIPが供給される。電圧出力トランジスタ266のドレイン端子は電源電圧VDDに接続されており、電圧出力トランジスタ266のソース端子は垂直信号線120に接続されている。電圧出力トランジスタ266のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、制御電圧ΦSELVが供給される。
【００４１】
スイッチトランジスタ267のドレイン端子は垂直信号線120に接続されている。スイッチトランジスタ267のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、制御電圧ΦSELIが供給される。電流源130の一端はスイッチトランジスタ267のソース端子に接続されており、電流源130の他端は接地されている。一例として、ドレイン端子がスイッチトランジスタ267のソース端子に接続され、ソース端子が接地され、ゲート端子が垂直走査回路300に接続されたトランジスタで電流源130を構成してもよい。上述した各トランジスタに関しては極性を逆にし、ソース端子とドレイン端子を上記と逆にしてもよい。
【００４２】
光電変換素子201，202，203，204は、例えばフォトダイオードであり、入射した光に基づく信号電荷を生成（発生）し、生成（発生）した信号電荷を保持・蓄積する。第１転送トランジスタ211，212，213，214は、光電変換素子201，202，203，204に蓄積された信号電荷を電荷保持部230に転送するトランジスタである。第１転送トランジスタ211，212，213，214のオン／オフは、垂直走査回路300からの転送パルスΦTX1-1，ΦTX1-2，ΦTX1-3，ΦTX1-4によって制御される。電荷保持部230は、光電変換素子201，202，203，204から転送された信号電荷を一時的に保持・蓄積する浮遊拡散容量である。
【００４３】
第１リセットトランジスタ220は、電荷保持部230をリセットするトランジスタである。第１リセットトランジスタ220のオン／オフは、垂直走査回路300からのリセットパルスΦRST1によって制御される。第１リセットトランジスタ220と第１転送トランジスタ211，212，213，214を同時にオンにすることによって、光電変換素子201，202，203，204をリセットすることも可能である。電荷保持部230／光電変換素子201，202，203，204のリセットは、電荷保持部230／光電変換素子201，202，203，204に蓄積されている電荷量を制御して電荷保持部230／光電変換素子201，202，203，204の状態（電位）を基準状態（基準電位、リセットレベル）に設定することである。
【００４４】
第１増幅トランジスタ240は、ゲート端子に入力される、電荷保持部230に蓄積されている信号電荷に基づく信号を増幅した増幅信号をソース端子から出力するトランジスタである。電流源280は、第１増幅トランジスタ240の負荷として機能し、第１増幅トランジスタ240を駆動する電流を第１増幅トランジスタ240に供給する。第１増幅トランジスタ240と電流源280はソースフォロワ回路を構成する。
【００４５】
クランプ容量260は、第１増幅トランジスタ240から出力される増幅信号の電圧レベルをクランプ（固定）する容量である。第２転送トランジスタ271，272，273，274は、クランプ容量260の他端の電圧レベルをサンプルホールドし、アナログメモリ231，232，233，234に蓄積するトランジスタである。第２転送トランジスタ271，272，273，274のオン／オフは、垂直走査回路300からの転送パルスΦTX2-1，ΦTX2-2，ΦTX2-3，ΦTX2-4によって制御される。
【００４６】
第２リセットトランジスタ221，222，223，224は、アナログメモリ231，232，233，234をリセットするトランジスタである。第２リセットトランジスタ221，222，223，224のオン／オフは、垂直走査回路300からのリセットパルスΦRST2-1，ΦRST2-2，ΦRST2-3，ΦRST2-4によって制御される。アナログメモリ231，232，233，234のリセットは、アナログメモリ231，232，233，234に蓄積されている電荷量を制御してアナログメモリ231，232，233，234の状態（電位）を基準状態（基準電位、リセットレベル）に設定することである。アナログメモリ231，232，233，234は、第２転送トランジスタ271，272，273，274によってサンプルホールドされたアナログ信号を保持・蓄積する。
【００４７】
アナログメモリ231，232，233，234の容量は、電荷保持部230の容量よりも大きな容量に設定される。アナログメモリ231，232，233，234には、単位面積当たりのリーク電流（暗電流）の少ない容量であるMIM（Metal Insulator Metal）容量やMOS（Metal Oxide Semiconductor）容量を使用することがより望ましい。これによって、ノイズに対する耐性が向上し、高品質な信号が得られる。
【００４８】
第２増幅トランジスタ241，242，243，244は、ゲート端子に入力される、アナログメモリ231，232，233，234に蓄積されている信号電荷に基づく信号を増幅した増幅信号をソース端子から出力するトランジスタである。第２増幅トランジスタ241，242，243，244と、垂直信号線120に接続された電流源130とはソースフォロワ回路を構成する。選択トランジスタ291，292，293，294は、画素100を選択し、第２増幅トランジスタ241，242，243，244の出力を垂直信号線120に伝えるトランジスタである。選択トランジスタ291，292，293，294のオン／オフは、垂直走査回路300からの選択パルスΦSEL1，ΦSEL2，ΦSEL3，ΦSEL4によって制御される。
【００４９】
クリップトランジスタ265は、第１増幅トランジスタ240のゲート端子に接続されている電荷保持部230がリセットされたときに、ゲート端子に入力された所定のクリップ電圧によって、ドレイン端子の電圧を固定するトランジスタである。クリップトランジスタ265の状態は、垂直走査回路300からの制御電圧ΦCLIPによって制御される。クリップトランジスタ265と電流源280はソースフォロワ回路を構成する。電圧出力トランジスタ266は、電荷保持部230がリセットされたときに垂直信号線120に電源電圧VDDを出力するトランジスタである。電圧出力トランジスタ266の状態は、垂直走査回路300からの制御電圧ΦSELVによって制御される。
【００５０】
スイッチトランジスタ267は、垂直信号線120と電流源130との接続のオンとオフを切り替えるトランジスタである。スイッチトランジスタ267は、電荷保持部230がリセットされたときにオフであり、電流源130を垂直信号線120から切り離す。スイッチトランジスタ267の状態は、垂直走査回路300からの制御電圧ΦSELIによって制御される。
【００５１】
図4に示す回路要素のうち、光電変換素子201，202，203，204、第１転送トランジスタ211，212，213，214、電荷保持部230、第１リセットトランジスタ220、第１増幅トランジスタ240、電流源280は第１基板20に配置されている。また、クランプ容量260、第２転送トランジスタ271，272，273，274、第２リセットトランジスタ221，222，223，224、アナログメモリ231，232，233，234、第２増幅トランジスタ241，242，243，244、選択トランジスタ291，292，293，294、クリップトランジスタ265、電圧出力トランジスタ266、スイッチトランジスタ267は第２基板21に配置されている。
【００５２】
第１基板20と第２基板21の間には、接続部250が配置されている。第１基板20の第１増幅トランジスタ240から出力された増幅信号は、接続部250を介して第２基板21へ出力される。
【００５３】
図4では、接続部250が第１増幅トランジスタ240のソース端子および電流源280の一端とクランプ容量260の一端との間の経路に配置されているが、これに限らない。接続部250は、第１転送トランジスタ211，212，213，214から第２転送トランジスタ271，272，273，274までの電気的に接続された経路上のどこに配置されていてもよい。
【００５４】
例えば、第１転送トランジスタ211，212，213，214のソース端子と、電荷保持部230の一端、第１リセットトランジスタ220のソース端子、および第１増幅トランジスタ240のゲート端子との間の経路に接続部250が配置されていてもよい。あるいは、クランプ容量260の他端と、第２転送トランジスタ271，272，273，274のドレイン端子との間の経路に接続部250が配置されていてもよい。
【００５５】
図4では、電流源280が第１基板20に配置されているが、電流源280が第２基板21に配置され、電流源280の一端がクランプ容量260の一端に接続されていてもよい。図4では、クリップトランジスタ265が第２基板21に配置されているが、クリップトランジスタ265が第１基板20に配置され、接続部を介して第２基板21の垂直信号線120に接続されていてもよい。図4では、電圧出力トランジスタ266が第２基板21に配置されているが、電圧出力トランジスタ266が第１基板20に配置され、接続部を介して第２基板21の垂直信号線120に接続されていてもよい。図4では、スイッチトランジスタ267および電流源130が第２基板21に配置されているが、スイッチトランジスタ267および電流源130が第１基板20に配置され、スイッチトランジスタ267が接続部を介して第２基板21の垂直信号線120に接続されていてもよい。
【００５６】
次に、図5を参照し、固体撮像装置3の動作を説明する。図5は、垂直走査回路300から行毎に画素100に供給される制御信号等を示している。以下では、図4に示した4画素で構成される画素セルの単位で動作を説明する。
【００５７】
［期間T1の動作］
まず、リセットパルスΦRST1が“L”（Low）レベルから“H”（High）レベルに変化することで、第１リセットトランジスタ220がオンとなる。同時に、転送パルスΦTX1-1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、第１転送トランジスタ211がオンとなる。これによって、第１画素の光電変換素子201がリセットされる。
【００５８】
続いて、リセットパルスΦRST1および転送パルスΦTX1-1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、第１リセットトランジスタ220および第１転送トランジスタ211がオフとなる。これによって、第１画素の光電変換素子201のリセットが終了し、第１画素の露光（信号電荷の蓄積）が開始される。上記と同様にして、第２画素の光電変換素子202、第３画素の光電変換素子203、第４画素の光電変換素子204が順にリセットされ、各画素の露光が開始される。図4では、転送パルスΦTX1-1，ΦTX1-2，ΦTX1-3，ΦTX1-4が“H”レベルになるタイミングでリセットパルスΦRST1が“H”レベルになっているが、光電変換素子201，202，203，204をリセットする期間中、リセットパルスΦRST1が常に“H”レベルであってもよい。
【００５９】
［期間T2の動作］
続いて、リセットパルスΦRST2-1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、第２リセットトランジスタ221がオンとなる。これによって、アナログメモリ231がリセットされる。同時に、転送パルスΦTX2-1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、第２転送トランジスタ271がオンとなる。これによって、クランプ容量260の他端の電位が電源電圧VDDにリセットされると共に、第２転送トランジスタ271がクランプ容量260の他端の電位のサンプルホールドを開始する。
【００６０】
リセットパルスΦRST2-1および転送パルスΦTX2-1が“L”レベルから“H”レベルに変化するのと同時に、制御電圧ΦCLIPが“L”レベルからクリップ電圧Vclipに変化することで、クリップトランジスタ265がドレイン端子の電圧を固定する。クリップ電圧Vclipは、リセットレベルの最小値として許容される値以上であって、電源電圧VDDを超えないように設定された電圧である。
【００６１】
制御電圧ΦCLIPが“L”レベルからクリップ電圧Vclipに変化するのと同時に、制御電圧ΦSELIが“H”レベルから“L”レベルに変化することで、スイッチトランジスタ267がオフとなる。これによって、電流源130が垂直信号線120から切り離される。同時に、制御電圧ΦSELVが“L”レベルから“H”レベルに変化することで、電圧出力トランジスタ266がオンとなる。これによって、垂直信号線120に電源電圧VDDが出力される。
【００６２】
続いて、リセットパルスΦRST1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、第１リセットトランジスタ220がオンとなる。これによって、電荷保持部230がリセットされる。続いて、リセットパルスΦRST1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、第１リセットトランジスタ220がオフとなる。これによって、電荷保持部230のリセットが終了する。電荷保持部230のリセットを行うタイミングは露光期間中であればよいが、露光期間の終了直前のタイミングで電荷保持部230のリセットを行うことによって、電荷保持部230のリーク電流によるノイズをより低減することができる。
【００６３】
図6は、図4に示した構成から第１増幅トランジスタ240、クリップトランジスタ265、電圧出力トランジスタ266、電流源280、クランプ容量260のみを抽出した図である。図6では接続部250は省略されている。第１増幅トランジスタ240と電流源280がソースフォロワ回路を構成しているため、第１増幅トランジスタ240は、ゲート端子に入力されている電荷保持部230の一端の電位Vfdとほぼ同じ電圧をソース端子から出力する。また、電圧出力トランジスタ266がオンであるとき、クリップトランジスタ265と電流源280がソースフォロワ回路を構成しているため、クリップトランジスタ265は、ゲート端子に入力されているクリップ電圧Vclipとほぼ同じ電圧をソース端子から出力する。
【００６４】
電荷保持部230のリセット時に強い光が入射した場合、その光によって発生する信号電荷により、電荷保持部230の一端の電位Vfdが低下し、リセットレベルとして第１増幅トランジスタ240のソース端子から出力される電圧が低下する。しかし、クリップトランジスタ265のソース端子から出力される電圧が、リセットレベルの最小値として許容される値以上のクリップ電圧Vclipとほぼ同じ電圧に固定されているため、クランプ容量260の一端の電位はこの電圧よりも小さくならない。これによって、黒沈み現象の発生を抑制することができる。
【００６５】
続いて、リセットパルスΦRST2-1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、第２リセットトランジスタ221がオフとなる。これによって、アナログメモリ231のリセットが終了する。この時点でクランプ容量260は、第１増幅トランジスタ240から出力される増幅信号（電荷保持部230のリセット後の増幅信号）をクランプしている。
【００６６】
リセットパルスΦRST2-1が“H”レベルから“L”レベルに変化するのと同時に、制御電圧ΦCLIPがクリップ電圧Vclipから“L”レベルに変化することで、クリップトランジスタ265がドレイン端子の電圧の固定を解除する。同時に、制御電圧ΦSELIが“L”レベルから“H”レベルに変化することで、スイッチトランジスタ267がオンとなる。これによって、電流源130が垂直信号線120に接続される。同時に、制御電圧ΦSELVが“H”レベルから“L”レベルに変化することで、電圧出力トランジスタ266がオフとなる。これによって、垂直信号線120への電源電圧VDDの出力が停止される。
【００６７】
［期間T3の動作］
まず、転送パルスΦTX1-1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、第１転送トランジスタ211がオンとなる。これによって、光電変換素子201に蓄積されている信号電荷が、第１転送トランジスタ211を介して電荷保持部230に転送され、電荷保持部230に蓄積される。これによって、第１画素の露光（信号電荷の蓄積）が終了する。期間T1における第１画素の露光開始から期間T3における第１画素の露光終了までの期間が露光期間（信号蓄積期間）である。続いて、転送パルスΦTX1-1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、第１転送トランジスタ211がオフとなる。
【００６８】
続いて、転送パルスΦTX2-1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、第２転送トランジスタ271がオフとなる。これによって、第２転送トランジスタ271がクランプ容量260の他端の電位のサンプルホールドを終了する。
【００６９】
［期間T4の動作］
上述した期間T2，T3の動作は第１画素の動作である。期間T4では、第２画素、第３画素、第４画素の各画素について、期間T2，T3の動作と同様の動作が行われる。各画素の露光期間の長さを同一とすることがより望ましい。
【００７０】
以下では、アナログメモリ231の一端の電位の変化について説明する。アナログメモリ232，233，234の一端の電位の変化についても同様である。電荷保持部230のリセットが終了した後に光電変換素子201から電荷保持部230に信号電荷が転送されることによる電荷保持部230の一端の電位の変化をΔVfd、第１増幅トランジスタ240のゲインをα1とすると、光電変換素子201から電荷保持部230に信号電荷が転送されることによる第１増幅トランジスタ240のソース端子の電位の変化ΔVamp1はα1×ΔVfdとなる。
【００７１】
アナログメモリ231と第２転送トランジスタ271の合計のゲインをα2とすると、光電変換素子201から電荷保持部230に信号電荷が転送された後の第２転送トランジスタ271のサンプルホールドによるアナログメモリ231の一端の電位の変化ΔVmemはα2×ΔVamp1、すなわちα1×α2×ΔVfdとなる。ΔVfdは、信号電荷の転送による電荷保持部230の一端の電位の変化量であり、電荷保持部230をリセットすることにより発生するリセットノイズを含んでいない。したがって、第２転送トランジスタ271がサンプルホールドを行うことによって、光電変換素子201で発生するノイズの影響を低減することができる。
【００７２】
アナログメモリ231のリセットが終了した時点のアナログメモリ231の一端の電位は電源電圧VDDであるため、光電変換素子201から電荷保持部230に信号電荷が転送された後、第２転送トランジスタ271によってサンプルホールドされたアナログメモリ231の一端の電位Vmemは以下の（１）式となる。（１）式において、ΔVmem<0、ΔVfd<0である。
Vmem＝VDD＋ΔVmem
＝VDD＋α1×α2×ΔVfd  ・・・（１）
【００７３】
また、α2は以下の（２）式となる。（２）式において、CLはクランプ容量260の容量値であり、CSHはアナログメモリ231の容量値である。ゲインの低下をより小さくするため、クランプ容量260の容量CLはアナログメモリ231の容量CSHよりも大きいことがより望ましい。
【００７４】
【数１】
2014154975.tif 000003
【００７５】
［期間T5の動作］
期間T5では、アナログメモリ231，232，233，234に蓄積されている信号電荷に基づく信号が行毎に順次読み出される。まず、第１画素からの信号の読み出しが行われる。選択パルスΦSET1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、選択トランジスタ291がオンとなる。これによって、（１）式に示した電位Vmemに基づく信号が選択トランジスタ291を介して垂直信号線120へ出力される。
【００７６】
続いて、リセットパルスΦRST2-1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、第２リセットトランジスタ221がオンとなる。これによって、アナログメモリ231がリセットされ、リセット時のアナログメモリ231の一端の電位に基づく信号が選択トランジスタ291を介して垂直信号線120へ出力される。
【００７７】
続いて、リセットパルスΦRST2-1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、第２リセットトランジスタ221がオフとなる。続いて、選択パルスΦSET1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、選択トランジスタ291がオフとなる。
【００７８】
列処理回路350は、（１）式に示した電位Vmemに基づく信号と、アナログメモリ231をリセットしたときのアナログメモリ231の一端の電位に基づく信号との差分をとった差分信号を生成する。この差分信号は、（１）式に示した電位Vmemと電源電圧VDDとの差分に基づく信号であり、光電変換素子201に蓄積された信号電荷が電荷保持部230に転送された直後の電荷保持部230の一端の電位と、電荷保持部230の一端がリセットされた直後の電荷保持部230の電位との差分ΔVfdに基づく信号である。したがって、アナログメモリ231をリセットすることによるノイズ成分と、電荷保持部230をリセットすることによるノイズ成分とを抑圧した、光電変換素子201に蓄積された信号電荷に基づく信号成分を得ることができる。
【００７９】
列処理回路350から出力された信号は、水平走査回路400によって出力アンプ410へ出力される。出力アンプ410は、水平走査回路400から出力された信号を処理し、画像信号として出力する。以上で、第１画素からの信号の読み出しが終了する。
【００８０】
［期間T6の動作］
続いて、第２画素、第３画素、第４画素の各画素について、期間T5における第１画素の動作と同様の動作が行われる。
【００８１】
上記の動作では、光電変換素子201，202，203，204から電荷保持部230に転送された信号電荷を電荷保持部230が各画素100の読み出しタイミングまで保持していなければならない。電荷保持部230が信号電荷を保持している期間中にノイズが発生すると、電荷保持部230が保持している信号電荷にノイズが重畳され、信号品質（S/N）が劣化する。
【００８２】
電荷保持部230が信号電荷を保持している期間（以下、保持期間と記載）中に発生するノイズの主な要因は、電荷保持部230のリーク電流による電荷（以下、リーク電荷と記載）と、光電変換素子201，202，203，204以外の部分に入射する光に起因する電荷（以下、光電荷と記載）である。単位時間に発生するリーク電荷と光電荷をそれぞれqid、qpnとし、保持期間の長さをtcとすると、保持期間中に発生するノイズ電荷Qnは（qid＋qpn）tcとなる。
【００８３】
電荷保持部230の容量をCfd、アナログメモリ231，232，233，234の容量をCmemとし、CfdとCmemの比（Cmem/Cfd）をAとする。また、前述したように、第１増幅トランジスタ240のゲインをα1、アナログメモリ231，232，233，234と第２転送トランジスタ271，272，273，274の合計のゲインをα2とする。露光期間中に光電変換素子201，202，203，204で発生した信号電荷をQphとすると、露光期間の終了後にアナログメモリ231，232，233，234に保持される信号電荷はA×α1×α2×Qphとなる。
【００８４】
光電変換素子201，202，203，204から電荷保持部230に転送された信号電荷に基づく信号は第２転送トランジスタ271，272，273，274によってサンプルホールドされ、アナログメモリ231，232，233，234に格納される。したがって、電荷保持部230に信号電荷が転送されてからアナログメモリ231，232，233，234に信号電荷が格納されるまでの時間は短く、電荷保持部230で発生したノイズは無視することができる。アナログメモリ231，232，233，234が信号電荷を保持している期間に発生するノイズを上記と同じQnと仮定すると、S/NはA×α1×α2×Qph/Qnとなる。
【００８５】
一方、従来技術のように、容量蓄積部に保持された信号電荷を、増幅トランジスタを介して画素から読み出す場合のS/NはQph/Qnとなる。したがって、本実施形態のS/Nは従来技術のS/NのA×α1×α2倍となる。A×α1×α2が1よりも大きくなるようにアナログメモリ231，232，233，234の容量値を設定する（例えば、アナログメモリ231，232，233，234の容量値を電荷保持部230の容量値よりも十分大きくする）ことによって、信号品質の劣化を低減することができる。
【００８６】
本実施形態では、垂直方向の位置（以下、垂直位置と記載）が同一である画素セルの動作のタイミングは同一であるが、垂直位置が異なる画素セルの動作のタイミングは異なる。図7は、垂直位置（V1，V2，・・・，Vn）が異なる画素セルの動作のタイミングを模式的に示している。図7の垂直方向の位置が画素セルの配列における垂直位置を示し、水平方向の位置が時間位置を示している。
【００８７】
リセット期間は図5の期間T1に相当し、信号転送期間は図5の期間T2，T3，T4に相当し、読み出し期間は図5の期間T5，T6に相当する。図6に示すように、垂直位置が異なる画素セルではリセット期間および信号転送期間は同一である。一方、垂直位置が異なる画素セルでは読み出し期間が異なる。上述した動作では、同一の画素セル内の画素毎に露光のタイミングが異なるが、画素セルの全体では露光の同時性を実現することができる。
【００８８】
上述したように、本実施形態によれば、第１増幅トランジスタ240のゲート端子に接続されている電荷保持部230のリセット時に、クリップトランジスタ265と電流源280がソースフォロワ回路を構成し、クリップトランジスタ265のゲート端子にクリップ電圧Vclipが入力されることによって、リセットレベルが固定されるので、黒沈み現象の発生を低減することができる。
【００８９】
本実施形態による固体撮像装置3では、第１増幅トランジスタ240と電流源280で構成されるソースフォロワ回路と対になるように、クリップトランジスタ265と電流源280で構成されるソースフォロワ回路が設けられているので、第１増幅トランジスタ240と同じ数のクリップトランジスタ265が必要となる。したがって、それぞれの画素が独立している場合には、画素毎にクリップトランジスタ265が必要となり、複数の画素で画素セルを構成する場合には、画素セル毎にクリップトランジスタ265が必要となる。また、垂直信号線120毎に電圧出力トランジスタ266およびスイッチトランジスタ267が必要となる。
【００９０】
特許文献２に記載の固体撮像装置では、リセットレベルを固定するトランジスタと、そのトランジスタの機能の有効・無効を制御するトランジスタとの2つのトランジスタがクリップ回路を構成している。したがって、それぞれの画素が独立している場合には、画素毎に2つのトランジスタが必要となり、複数の画素で画素セルを構成する場合には、画素セル毎に2つのトランジスタが必要となる。
【００９１】
複数の画素で画素セルを構成する場合を例として、リセットレベルの固定に必要なトランジスタの数を比較する。特許文献２に記載の固体撮像装置では、1列当たり、画素セルの数の2倍のトランジスタが必要となる。これに対して、本実施形態による固体撮像装置3では、1列当たり、画素セルの数と同じ数のトランジスタ（クリップトランジスタ265）と、2つのトランジスタ（電圧出力トランジスタ266およびスイッチトランジスタ267）とが必要となる。したがって、本実施形態によれば、素子数の増加を抑えることができる。
【００９２】
本実施形態では、複数の画素間で一部の回路要素を共有しているため、複数の画素間で回路要素を共有しない場合と比較して、チップ面積を低減することができる。さらに、複数の画素間で第１増幅トランジスタ240および電流源280を共有しているため、同時に動作する電流源の数を抑えることができる。このため、多数の電流源が同時に動作することによる電源電圧の電圧降下やGND（グランド）電圧の上昇等の発生を低減することができる。
【００９３】
また、画素の全ての回路要素を1枚の基板に配置する場合と比較して、第１基板20の光電変換素子の面積を大きくすることが可能となるため、感度が向上する。さらに、アナログメモリを用いることによって、第２基板21に設ける信号蓄積用の領域の面積を小さくすることができる。
【００９４】
また、アナログメモリ231，232，233，234を設けたことによって、信号品質の劣化を低減することができる。特に、アナログメモリの容量値を電荷保持部の容量値よりも大きくする（例えば、アナログメモリの容量値を電荷保持部の容量値の5倍以上にする）ことによって、アナログメモリが保持する信号電荷が、電荷保持部が保持する信号電荷よりも大きくなる。このため、アナログメモリのリーク電流による信号劣化の影響を小さくすることができる。
【００９５】
また、クランプ容量260および第２転送トランジスタ271，272，273，274を設けることによって、第１基板20で発生するノイズの影響を低減することができる。第１基板20で発生するノイズには、第１増幅トランジスタ240に接続される回路（例えば第１リセットトランジスタ220）の動作に由来して第１増幅トランジスタ240の入力部で発生するノイズ（例えばリセットノイズ）や、第１増幅トランジスタ240の動作特性に由来するノイズ（例えば第１増幅トランジスタ240の回路閾値のばらつきによるノイズ）等がある。
【００９６】
また、アナログメモリ231，232，233，234をリセットしたときの信号と、光電変換素子201，202，203，204から電荷保持部230へ信号電荷を転送することによって発生する第１増幅トランジスタ240の出力の変動に応じた信号とを時分割で画素100から出力し、画素100の外部で各信号の差分処理を行うことによって、第２基板21で発生するノイズの影響を低減することができる。第２基板21で発生するノイズには、第２増幅トランジスタ241，242，243，244に接続される回路（例えば第２リセットトランジスタ221，222，223，224）の動作に由来して第２増幅トランジスタ241，242，243，244の入力部で発生するノイズ（例えばリセットノイズ）等がある。
【００９７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図8は、本実施形態における画素セルの回路構成を示している。図4と異なるのは、スイッチトランジスタ267および電流源130の代わりに、オン／オフの切替が可能な電流源281が設けられていることである。電流源281は、ドレイン端子が垂直信号線120に接続され、ソース端子が接地され、ゲート端子が垂直走査回路300に接続されたトランジスタで構成されている。電流源281のオン／オフは、垂直走査回路300からの制御パルスΦBiasによって制御される。電流源281に関しては極性を逆にし、ソース端子とドレイン端子を上記と逆にしてもよい。上記以外の構成は、図4に示した構成と同様である。
【００９８】
本実施形態による固体撮像装置3の動作は、図5において、制御信号ΦSELIが“H”レベルである期間と同じ期間に電流源281がオンとなり、制御信号ΦSELIが“L”レベルである期間と同じ期間に電流源281がオフとなる点を除いて、図5に示した動作と同様である。
【００９９】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、素子数の増加を抑えつつ黒沈み現象の発生を低減することができる。また、第１の実施形態よりも素子数を減らすことができる。
【０１００】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図9は、本実施形態における画素セルの回路構成を示している。図4と異なる点を説明する。図9では、クリップトランジスタ265、電圧出力トランジスタ266、スイッチトランジスタ267が設けられておらず、テストトランジスタ268が設けられている。テストトランジスタ268のドレイン端子はテスト電圧VTESTに接続されており、テストトランジスタ268のソース端子は、接続部250を介して第１増幅トランジスタ240のソース端子および電流源280の一端に接続されている。テストトランジスタ268のゲート端子は垂直走査回路300に接続されており、制御電圧ΦTESTが供給される。
【０１０１】
テストトランジスタ268は、例えば第１基板20と第２基板21を接合する前に第２基板21単独の機能を試験するためのテスト電圧を入力するためのトランジスタである。テスト時には、テストトランジスタ268のゲート端子に“H”レベルの制御電圧ΦTESTが入力され、テストトランジスタ268はオンとなる。また、テスト時には、テストトランジスタ268のドレイン端子に、リセットレベルに相当するテスト電圧VTEST、信号レベルに相当するテスト電圧VTESTがそれぞれ入力され、第２基板21の回路素子が動作する。
【０１０２】
一方、第１基板20と第２基板21が接合された後の画素100の動作時には、ソース端子から出力される電圧を固定するためのクリップ電圧がテストトランジスタ268のゲート端子に入力される。また、第１基板20と第２基板21が接合された後の画素100の動作時には、テストトランジスタ268のドレイン端子に、テスト電圧VTESTとして電源電圧VDDが入力される。このとき、テストトランジスタ268と電流源280はソースフォロワ回路を構成する。テストトランジスタ268に関しては極性を逆にし、ソース端子とドレイン端子を上記と逆にしてもよい。
【０１０３】
次に、図10を参照し、固体撮像装置3の動作を説明する。図10は、垂直走査回路300から行毎に画素100に供給される制御信号等を示している。以下では、期間T2におけるテストトランジスタ268の動作を説明する。
【０１０４】
期間T2では、リセットパルスΦRST2-1および転送パルスΦTX2-1が“L”レベルから“H”レベルに変化するのと同時に、制御電圧ΦTESTが“L”レベルからクリップ電圧Vclipに変化する。同時に、テスト電圧VTESTが“L”レベルから電源電圧VDDに変化する。これによって、テストトランジスタ268がソース端子の電圧を固定する。クリップ電圧Vclipは、リセットレベルの最小値として許容される値以上であって、電源電圧VDDを超えないように設定された電圧である。
【０１０５】
続いて、リセットパルスΦRST2-1が“H”レベルから“L”レベルに変化するのと同時に、制御電圧ΦTESTがクリップ電圧Vclip から“L”レベルに変化する。同時に、テスト電圧VTESTが電源電圧VDDから“L”レベルに変化する。これによって、テストトランジスタ268がソース端子の電圧の固定を解除する。上記以外の動作は、第１の実施形態で説明した動作と同様である。
【０１０６】
第１増幅トランジスタ240と電流源280がソースフォロワ回路を構成しているため、第１増幅トランジスタ240は、ゲート端子に入力されている電荷保持部230の一端の電位Vfdとほぼ同じ電圧をソース端子から出力する。また、テストトランジスタ268と電流源280がソースフォロワ回路を構成しているため、テストトランジスタ268は、ゲート端子に入力されているクリップ電圧Vclipとほぼ同じ電圧をソース端子から出力する。
【０１０７】
電荷保持部230のリセット時に強い光が入射した場合、その光によって発生する信号電荷により、電荷保持部230の一端の電位Vfdが低下し、リセットレベルとして第１増幅トランジスタ240のソース端子から出力される電圧が低下する。しかし、テストトランジスタ268のソース端子から出力される電圧が、リセットレベルの最小値として許容される値以上のクリップ電圧Vclipとほぼ同じ電圧に固定されているため、クランプ容量260の一端の電位はこの電圧よりも小さくならない。これによって、黒沈み現象の発生を抑制することができる。
【０１０８】
上述したように、本実施形態によれば、第１増幅トランジスタ240のゲート端子に接続されている電荷保持部230のリセット時に、テストトランジスタ268と電流源280がソースフォロワ回路を構成し、テストトランジスタ268のゲート端子にクリップ電圧Vclipが入力されることによって、リセットレベルが固定されるので、黒沈み現象の発生を低減することができる。
【０１０９】
本実施形態による固体撮像装置3では、第１増幅トランジスタ240と電流源280で構成されるソースフォロワ回路と対になるように、テストトランジスタ268と電流源280で構成されるソースフォロワ回路が設けられているので、第１増幅トランジスタ240と同じ数のテストトランジスタ268が必要となる。したがって、それぞれの画素が独立している場合には、画素毎にテストトランジスタ268が必要となり、複数の画素で画素セルを構成する場合には、画素セル毎にテストトランジスタ268が必要となる。
【０１１０】
前述したように、特許文献２に記載の固体撮像装置では、それぞれの画素が独立している場合には、画素毎に2つのトランジスタが必要となり、複数の画素で画素セルを構成する場合には、画素セル毎に2つのトランジスタが必要となる。したがって、本実施形態によれば、素子数の増加を抑えることができる。また、第１の実施形態、第２の実施形態よりも素子数を減らすことができる。
【０１１１】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。上記では、2枚の基板が接続部で接続されている固体撮像装置の構成を示したが、3枚以上の基板が接続部で接続されていてもよい。3枚以上の基板が接続部で接続される固体撮像装置の場合、3枚以上の基板のうち2枚の基板が第１の基板と第２の基板に相当する。
【符号の説明】
【０１１２】
1  レンズ部、2  レンズ制御装置、3  固体撮像装置、4  駆動回路、5  メモリ、6  信号処理回路、7  記録装置、8  制御装置、9  表示装置、100  画素、130，280，281  電流源、200  画素部、201，202，203，204  光電変換素子、211，212，213，214  第１転送トランジスタ、220  第１リセットトランジスタ、221，222，223，224  第２リセットトランジスタ、230  電荷保持部、231，232，233，234  アナログメモリ、240  第１増幅トランジスタ、241，242，243，244  第２増幅トランジスタ、250  接続部、260  クランプ容量、265  クリップトランジスタ、266  電圧出力トランジスタ、267  スイッチトランジスタ、268  テストトランジスタ、271，272，273，274  第２転送トランジスタ、291，292，293，294  選択トランジスタ、300  垂直走査回路、350  列処理回路、400  水平走査回路、410  出力アンプ
【図１】
2014154975.tif 000004
【図２】
2014154975.tif 000005
【図３】
2014154975.tif 000006
【図４】
2014154975.tif 000007
【図５】
2014154975.tif 000008
【図６】
2014154975.tif 000009
【図７】
2014154975.tif 000010
【図８】
2014154975.tif 000011
【図９】
2014154975.tif 000012
【図１０】
2014154975.tif 000013