(57)【要約】【課題】信号蓄積部に保持されている信号電荷に重畳するノイズに起因する画質の劣化を抑圧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】サンプルホールド容量Csh1に蓄積された信号電荷がクランプ電圧VDDでリセットされ、光電変換部PD1で発生した信号電荷が信号線Aを通ってサンプルホールド容量Csh1に蓄積された後、サンプルホールド容量Csh2の電圧が、第１の電圧から、光電変換部PD2で発生した信号電荷が信号線Aに出力されることにより第２の電圧に変化し、さらに第１の電圧により近い第３の電圧となった後、選択トランジスタMsel1は、第2の増幅トランジスタMa2_1から出力された画素信号を選択して垂直信号線VTLに読み出す。【選択図】図３
2014042211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の画素および第２の画素を含む複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれで発生した信号電荷を伝送する共通の信号線と、を有する画素グループを有し、
前記画素は、
光電変換部と、
前記光電変換部で発生した信号電荷を蓄積する信号蓄積部と、
前記光電変換部で発生した前記信号電荷を前記信号線に転送する転送部と、
前記信号線を伝送した前記信号電荷をサンプルホールドして前記信号蓄積部に蓄積するサンプルホールド部と、
前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷に基づく画素信号を出力する出力部と、
前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷をクランプ電圧でリセットするクランプ部と、
前記出力部から出力された前記画素信号を選択して垂直信号線に読み出す選択部と、
を有し、
前記第１の画素の前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷が前記クランプ電圧でリセットされ、前記第１の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されて前記信号蓄積部に蓄積された後、前記第１の画素の近傍の回路素子の電圧が、第１の電圧から、前記第２の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されることにより第２の電圧に変化し、さらに前記第１の電圧により近い第３の電圧となった後、前記第１の画素の前記選択部は、前記第１の画素の前記出力部から出力された前記画素信号を選択して前記垂直信号線に読み出す
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の画素の前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷が前記クランプ電圧でリセットされ、前記第２の画素の前記信号蓄積部の電圧が、前記クランプ電圧である第１の電圧から、前記第２の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されることにより第２の電圧に変化し、さらに前記第２の画素の前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷が前記クランプ電圧でリセットされ、前記第２の画素の前記信号蓄積部の電圧が前記クランプ電圧である第３の電圧になった後、前記第１の画素の前記選択部は、前記第１の画素の前記出力部から出力された前記画素信号を選択して前記垂直信号線に読み出し、
前記第２の画素の前記選択部は、前記第２の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されて前記信号蓄積部に蓄積された後、前記第２の画素の前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷が前記クランプ電圧でリセットされる前に、前記第２の画素の前記出力部から出力された前記画素信号を選択して前記垂直信号線に読み出す
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素グループは、２行以上にまたがる範囲内の複数の前記画素を有し、
前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されて前記信号蓄積部に蓄積される動作は複数の前記画素グループ間で共通の期間に行われ、
前記出力部から出力された前記画素信号が選択されて前記垂直信号線に読み出される動作は１行ごとに異なる期間に行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素グループはさらに、前記信号蓄積部と前記画素グループの外部の回路素子との間の寄生容量を抑圧する容量抑圧部を有し、
前記容量抑圧部の電圧は略一定値に固定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画素グループはさらに、
前記信号線に接続され、前記信号線を伝送した前記信号電荷を蓄積するクランプ容量と、
前記クランプ容量の入力電圧を略一定値に固定する電圧固定部と、
を有し、
前記クランプ容量の入力電圧が、第１の電圧から、前記第２の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されることにより第２の電圧に変化し、さらに前記クランプ容量の入力電圧が前記第１の電圧により近い第３の電圧に固定された後、前記第１の画素の前記選択部は、前記第１の画素の前記出力部から出力された前記画素信号を選択して前記垂直信号線に読み出す
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部が配置された第１の基板と、
前記信号蓄積部が配置された第２の基板と、
を有し、
前記第１の基板と前記第２の基板とが電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１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、光電変換部を有する画素が複数配置された固体撮像装置、およびこの固体撮像装置を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラなどの撮像装置は、光を電気信号に変換して画素信号を出力する固体撮像装置を用いている。固体撮像装置の一種として、CMOS（MOSを含む）集積回路と同様のプロセスで製造できる特徴を活かしたCMOS型固体撮像装置（以下、「CMOSイメージセンサ」と記述する）がある。
【０００３】
従来、一般的なCMOSイメージセンサは、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ごとに順次読み出すローリングシャッタ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、行ごとに露光のタイミングが異なる。このため、このようなCMOSイメージセンサ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という問題がある。そこで、近年、CMOSイメージセンサの各画素における信号電荷の蓄積の同時刻性を実現する同時撮像機能（グローバルシャッタ機能）を実現するために、画素内に信号蓄積部を備えたCMOSイメージセンサが提案されている。例えば、特許文献１では、光電変換部で発生した信号電荷が、複数の共通ノードを介して信号蓄積部にほぼ同時刻に保持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2009-177207号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
信号蓄積部として用いられる容量は、各画素内に配置され、容量の数は画素の数に等しく、各容量の間隔は各画素の間隔に等しい。各容量の間には寄生容量が生じる。この寄生容量は、画素の近傍に配置された回路素子の電圧の変化に起因するノイズを信号蓄積部に保持された信号電荷に重畳させ、この信号電荷に基づく画素信号の品質すなわち画質を劣化させる。
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、信号蓄積部に保持されている信号電荷に重畳するノイズに起因する画質の劣化を抑圧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】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、第１の画素および第２の画素を含む複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれで発生した信号電荷を伝送する共通の信号線と、を有する画素グループを有し、前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号電荷を蓄積する信号蓄積部と、前記光電変換部で発生した前記信号電荷を前記信号線に転送する転送部と、前記信号線を伝送した前記信号電荷をサンプルホールドして前記信号蓄積部に蓄積するサンプルホールド部と、前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷に基づく画素信号を出力する出力部と、前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷をクランプ電圧でリセットするクランプ部と、前記出力部から出力された前記画素信号を選択して垂直信号線に読み出す選択部と、を有し、前記第１の画素の前記信号蓄積部に蓄積された前記信号電荷が前記クランプ電圧でリセットされ、前記第１の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されて前記信号蓄積部に蓄積された後、前記第１の画素の近傍の回路素子の電圧が、第１の電圧から、前記第２の画素の前記光電変換部で発生した前記信号電荷が前記信号線に転送されることにより第２の電圧に変化し、さらに前記第１の電圧により近い第３の電圧となった後、前記第１の画素の前記選択部は、前記第１の画素の前記出力部から出力された前記画素信号を選択して前記垂直信号線に読み出すことを特徴とする固体撮像装置である。
【０００８】
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】
【０００９】
本発明によれば、第１の画素の信号蓄積部に蓄積された信号電荷がクランプ電圧でリセットされ、第１の画素の光電変換部で発生した信号電荷が信号線に転送されて信号蓄積部に蓄積された後、第１の画素の近傍の回路素子の電圧が、第１の電圧から第２の電圧に変化し、さらに第１の電圧により近い第３の電圧となった後、第１の画素の出力部から出力された画素信号が選択されて垂直信号線に読み出される。これによって、第１の画素の近傍の回路素子の電圧の変化によるノイズが信号蓄積部に保持されている信号電荷に重畳することに起因する画質の劣化を抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第1の実施形態による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が備える画素グループの構成を示す回路図である。
【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容量のレイアウトを示す平面図である。
【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サンプルホールド容量にかかる電圧の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図７】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グループの構成を示す回路図である。
【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容量のレイアウトを示す平面図である。
【図９】本発明の第2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１０】本発明の第2の実施形態による固体撮像装置が備えるサンプルホールド容量にかかる電圧およびクランプ容量の入力電圧の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第2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１２】本発明の第2の実施形態による固体撮像装置が備える容量のレイアウトを示す平面図である。
【図１３】本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の断面図である。
【図１４】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構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（第1の実施形態）
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本実施形態による撮像装置の構成を示している。本実施形態による撮像装置は、撮像機能を有する電子機器であればよく、デジタルスチルカメラのほか、デジタルビデオカメラ、内視鏡等であってもよい。
【００１３】
本実施形態による撮像装置100は、光学レンズ1と、固体撮像装置2と、固体撮像装置駆動部3と、画像信号処理部4とを有する。光学レンズ1は、被写体から入射した光（被写体光）を固体撮像装置2の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置2内に一定期間、信号電荷が蓄積される。固体撮像装置2は、固体撮像装置駆動部3によって駆動・制御され、光学レンズ1を介して固体撮像装置2に入射した被写体光を画素信号に変換するMOS型撮像素子である。
【００１４】
固体撮像装置駆動部3は、固体撮像装置2の転送動作およびシャッタ動作を制御する駆動制御信号を固体撮像装置2に供給する。固体撮像装置駆動部3から供給される駆動制御信号により、固体撮像装置2の制御が行われる。画像信号処理部4は、各種の画像信号処理を行う。画像信号処理が行われた画素信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
【００１５】
図2は、固体撮像装置2の構成を示している。固体撮像装置2は、垂直走査回路21と、画素部22と、カラム処理部23と、水平走査回路24と、出力端子25とを備えている。
【００１６】
垂直走査回路21は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、固体撮像装置2の外部の固体撮像装置駆動部3から与えられる駆動制御信号に基づいて、行単位で画素部22の画素222の駆動制御を行う。この駆動制御には、画素222のリセット動作、蓄積動作、信号読み出し動作等が含まれる。この駆動制御を行うため、垂直走査回路21は、それぞれの画素222へ制御信号を出力し、画素222を行ごとに独立して制御する。垂直走査回路21が駆動制御を行うことによって、画素222から垂直信号線VTLに画素信号が出力される。
【００１７】
画素部22は、複数の画素222を行方向および列方向の2次元状に配列して構成されている。それぞれの画素222は、複数の画素グループ221のいずれかに属しており、2行1列に配置された2つの画素222が1つの画素グループ221を構成している。画素222は、光学レンズ1により結像された被写体の光学像を光電変換により画素信号に変換し、垂直走査回路21が行う制御に基づいて、列ごとに設けられている垂直信号線VTLを介してカラム処理部23に画素信号を出力する。図2では、画素グループ221が2行1列の画素222で構成され、画素部22が6行6列の画素グループ221で構成されているが、図2に示す画素および画素グループの配列は一例であり、画素グループは2つ以上の画素で構成され、画素部は1つ以上の画素グループで構成されていればよい。
【００１８】
カラム処理部23は、画素部22から垂直信号線VTLに出力された画素信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。具体的には、カラム処理部23は、単位画素の画素信号に対して、例えばCDS（Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング）によるノイズ除去や、信号増幅、AD（アナログ−デジタル）変換等の信号処理を行う。ノイズ除去処理により、画素ごとに固有の固定パターンノイズが除去される。なお、ここで例示した信号処理は一例に過ぎず、信号処理はこれらに限られるものではない。
【００１９】
水平走査回路24は、カラム処理部23から出力された1行分の画素信号を水平方向に順次出力することにより、画素信号を読み出す。読み出された画素信号は出力端子25から固体撮像装置2の外部へ出力される。
【００２０】
図3は、画素グループ221の回路構成を示している。画素グループ221は2つの画素222で構成されており、光電変換部PD1，PD2と、転送トランジスタMtx1，Mtx2（転送部）と、第1の増幅トランジスタMa1と、第1の電流源IDD1と、電流源制御トランジスタMbenと、リセットトランジスタMrstと、クランプトランジスタMcl1，Mcl2（クランプ部）と、クランプ容量Cclと、サンプルホールドトランジスタMsh1，Msh2（サンプルホールド部）と、サンプルホールド容量Csh1，Csh2（信号蓄積部）と、第2の増幅トランジスタMa2_1，Ma2_2（出力部）と、選択トランジスタMsel1，Msel2（選択部）とで構成されている。
【００２１】
光電変換部PD1，PD2は、入射した光を光電変換して発生した信号電荷を蓄える。転送トランジスタMtx1，Mtx2は、垂直走査回路21からの制御信号φTX1，φTX2に基づいて、光電変換部PD1，PD2に蓄積された信号電荷を光電変換部PD1，PD2から第1の増幅トランジスタMa1のゲートに転送する。第1の増幅トランジスタMa1は、ゲートに転送された信号電荷に応じた増幅信号をソースから信号線Aに出力する。第1の増幅トランジスタMa1および信号線Aは、光電変換部PD1，PD2に蓄積された信号電荷に基づく信号をクランプ容量Cclに伝送する、2つの画素222で共通の伝送路である。
【００２２】
第1の電流源IDD1は、増幅トランジスタMa1の負荷として機能し、第1の増幅トランジスタMa1を駆動する電流を増幅トランジスタMa1に供給する。第1の増幅トランジスタMa1と第1の電流源IDD1はソースフォロワ回路を構成する。電流源制御トランジスタMbenは、垂直走査回路21からの制御信号φBENに基づいて、電流源IDD1から第1の増幅トランジスタMa1に供給される電流を制御することで、ソースフォロア回路の駆動を制御する。
【００２３】
リセットトランジスタMrstは、垂直走査回路21からの制御信号φRSTに基づいて、光電変換部PD1，PD2に蓄積された信号電荷と、第1の増幅トランジスタMa1のゲートに蓄積された信号電荷とを電源電圧VDDでリセットする。クランプトランジスタMcl1，Mcl2は、垂直走査回路21からの制御信号φCL1，φCL2に基づいて、サンプルホールド容量Csh1，Csh2を電源電圧VDD（クランプ電圧）でクランプ（リセット）する。
【００２４】
クランプ容量Cclは、一端が信号線Aに接続されており、サンプルホールドトランジスタMsh1，Msh2とクランプトランジスタMcl1，Mcl2を用いて、第1の増幅トランジスタMa1から信号線Aに出力された増幅信号のクランプ処理を行うことで、増幅信号のノイズを除去する。サンプルホールドトランジスタMsh1，Msh2は、垂直走査回路21からの制御信号φSH1，φSH2に基づいて、クランプ容量Cclとサンプルホールド容量Csh1，Csh2の接続を切り替え、クランプ容量Cclの他端の電圧レベルをサンプルホールドし、その電圧レベルに応じた信号電荷をサンプルホールド容量Csh1，Csh2に蓄積する。
【００２５】
サンプルホールド容量Csh1，Csh2は、ノイズが除去された信号電荷を保持する。第2の増幅トランジスタMa2_1，Ma2_2は、サンプルホールド容量Csh1，Csh2に保持された信号電荷に応じた画素信号をソースから出力する。第2の増幅トランジスタMa2_1，Ma2_2と、画素222の外部で垂直信号線VTLに接続された第2の電流源IDD2とはソースフォロア回路を構成する。選択トランジスタMsel1，Msel2は、垂直走査回路21からの制御信号φSEL1，φSEL2に基づいて、第2の増幅トランジスタMa2_1，Ma2_2から出力された画素信号を選択して垂直信号線VTLに読み出す。
【００２６】
図4は、本実施形態の画素グループ221内の容量のレイアウトを概略的に示している。画素グループ221内には、サンプルホールド容量Csh1，Csh2、クランプ容量Cclが配置され、さらに、サンプルホールド容量Csh1，Csh2を囲うように周辺電圧固定部Cgrd（容量抑圧部）が配置されている。サンプルホールド容量Csh1，Csh2、クランプ容量Ccl、周辺電圧固定部Cgrdはそれぞれ、対向する2枚の平板状の電極で構成されている。例えば、クランプ容量Cclは、2枚の電極Ccl-1，Ccl-2で構成されている。サンプルホールド容量Csh1，Csh2、周辺電圧固定部Cgrdについても同様である。
【００２７】
周辺電圧固定部Cgrdは、周辺電圧固定部Cgrd外の寄生容量を抑圧するための構成であり、サンプルホールド容量Csh1，Csh2がクランプ容量Cclとの間および画素グループ221外の回路素子との間で寄生容量を生成することを防ぐためのものである。周辺電圧固定部Cgrdの電圧は略一定値に固定されている。
【００２８】
図4に示すように、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量をCp1とし、サンプルホールド容量Csh1，Csh2と周辺電圧固定部Cgrdの間の寄生容量をCp2とする。後述する図6の説明を行う際に、これらの影響について説明する。
【００２９】
次に、固体撮像装置2の動作を説明する。図5は固体撮像装置2の動作を示している。最初に、全ての画素グループ221の制御信号φTX1，φRSTが同時にHレベルとなることで、転送トランジスタMtx1とリセットトランジスタMrstがオン状態となる。これによって、全ての画素グループ221の光電変換部PD1の信号電荷がリセットされる。続いて、制御信号φTX1，φRSTが同時にLレベルとなることで、全ての画素グループ221の光電変換部PD1における信号電荷の蓄積が開始される。続いて、制御信号φTX2，φRSTに対して、上記の制御信号φTX2，φRSTの制御と同様の制御を行うことにより、全ての画素グループ221の光電変換部PD2の信号電荷がリセットされ、信号電荷の蓄積が開始される。
【００３０】
全ての画素グループ221の光電変換部PD1における信号電荷の蓄積の開始から一定期間が経過した後（任意の露光時間が経過した後）に、制御信号φBENがHレベルとなることで、第1の増幅トランジスタMa1と第1の電流源IDD1を含むソースフォロア回路がアクティブ状態となる。その後、全ての画素グループ221の制御信号φSH1，φCL1，φCL2が同時にHレベルとなることで、サンプルホールドトランジスタMsh1とクランプトランジスタMcl1，Mcl2がオン状態となる。これによって、全ての画素グループ221のクランプ容量Cclとサンプルホールド容量Csh1がクランプ電圧VDDでクランプされる。
【００３１】
続いて、全ての画素グループ221の制御信号φRSTがHレベル、Lレベルとパルス状に変化することで、リセットトランジスタMrstがオン状態、オフ状態と変化する。これによって、全ての画素グループ221の第1の増幅トランジスタMa1のゲートに蓄積された信号電荷がリセットされる。続いて、全ての画素グループ221の制御信号φCL1がLレベルとなることで、クランプトランジスタMcl1がオフ状態となる。さらに、全ての画素グループ221の制御信号φTX1がHレベル、Lレベルとパルス状に変化することで、転送トランジスタMtx1がオン状態、オフ状態と変化する。
【００３２】
これによって、全ての画素グループ221において、光電変換部PD1をリセットしたときの光電変換部PD1の信号電荷に基づく第1の増幅トランジスタMa1の増幅信号と、光電変換部PD1に蓄積された信号電荷に基づく第1の増幅トランジスタMa1の増幅信号とがクランプ容量Cclに出力され、クランプ容量Cclによりこれらの増幅信号の差分をとることでノイズの除去が行われ、ノイズ除去後の増幅信号がサンプルホールド容量Csh1に転送される。その後、全ての画素グループ221の制御信号φSH1がLレベルとなることで、サンプルホールドトランジスタMsh1がオフ状態となる。これによって、全ての画素グループ221において、ノイズ除去後の増幅信号がサンプルホールド容量Csh1に保持される。
【００３３】
続いて、全ての画素グループ221の制御信号φSH2がHレベルとなることで、サンプルホールドトランジスタMsh2がオン状態となる。これによって、全ての画素グループ221のクランプ容量Cclとサンプルホールド容量Csh2がクランプ電圧VDDでクランプされる。
【００３４】
続いて、全ての画素グループ221の制御信号φRSTがHレベル、Lレベルとパルス状に変化することで、リセットトランジスタMrstがオン状態、オフ状態と変化する。これによって、全ての画素グループ221の第1の増幅トランジスタMa1のゲートに蓄積された信号電荷がリセットされる。続いて、全ての画素グループ221の制御信号φCL2がLレベルとなることで、クランプトランジスタMcl2がオフ状態となる。さらに、全ての画素グループ221の制御信号φTX2がHレベル、Lレベルとパルス状に変化することで、転送トランジスタMtx2がオン状態、オフ状態と変化する。
【００３５】
これによって、全ての画素グループ221において、光電変換部PD2をリセットしたときの光電変換部PD2の信号電荷に基づく第1の増幅トランジスタMa1の増幅信号と、光電変換部PD2に蓄積された信号電荷に基づく第1の増幅トランジスタMa1の増幅信号とがクランプ容量Cclに出力され、クランプ容量Cclによりこれらの増幅信号の差分をとることでノイズの除去が行われ、ノイズ除去後の増幅信号がサンプルホールド容量Csh2に転送される。その後、全ての画素グループ221の制御信号φSH2がLレベルとなることで、サンプルホールドトランジスタMsh2がオフ状態となる。これによって、全ての画素グループ221において、ノイズ除去後の増幅信号がサンプルホールド容量Csh2に保持される。
【００３６】
続いて、制御信号φBENがLレベルとなることで、第1の増幅トランジスタMa1と第1の電流源IDD1を含むソースフォロア回路が非アクティブ状態となり、信号電荷の転送が完了する。
【００３７】
ここまで、信号電荷のリセット、蓄積開始、転送、保持の動作について説明した。ここまでの動作は、全ての画素グループ221で同時に行われる。以下で説明する画素信号の読み出しは、全ての画素グループ221ではなく、行ごとの画素グループ221で個別に行われる。また、以下で説明するように、それぞれの画素グループ221内の2つの画素222の画素信号の読み出しを行う順番は、信号電荷を転送した順番と反対の順番である。より具体的には、それぞれの画素グループ221では、上側の画素222、下側の画素222の順に信号電荷の転送が行われ、その後、下側の画素222、上側の画素222の順に画素信号の読み出しが行われる。
【００３８】
画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号φSEL2がHレベルとなることで、選択トランジスタMsel2がオン状態となる。これによって、サンプルホールド容量Csh2に保持された信号に基づく画素信号が選択トランジスタMsel2を介して垂直信号線VTLに読み出される。さらに、画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号φCL2がHレベルとなることで、クランプトランジスタMcl2がオン状態となる。これによって、サンプルホールド容量Csh2のクランプ信号（クランプ電圧VDD）に基づく画素信号が選択トランジスタMsel2を介して垂直信号線VTLに読み出される。
【００３９】
上記のようにして垂直信号線VTLに読み出された2つの信号の差分をカラム処理部23でとることでノイズの除去が行われる。そして、画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号φSEL2がLレベルとなることで、選択トランジスタMsel2がオフ状態となり、サンプルホールド容量Csh2に保持された信号に基づく画素信号の読み出しが完了する。
【００４０】
続いて、サンプルホールド容量Csh1に保持された信号に基づく画素信号の読み出しが行われる。画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号φSEL1がHレベルとなることで、選択トランジスタMsel1がオン状態となる。これによって、サンプルホールド容量Csh1に保持された信号に基づく画素信号が選択トランジスタMsel1を介して垂直信号線VTLに読み出される。さらに、画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号φCL1がHレベルとなることで、クランプトランジスタMcl1がオン状態となる。これによって、サンプルホールド容量Csh1のクランプ信号（クランプ電圧VDD）に基づく画素信号が選択トランジスタMsel1を介して垂直信号線VTLに読み出される。
【００４１】
上記のようにして垂直信号線VTLに読み出された2つの信号の差分をカラム処理部23でとることでノイズの除去が行われる。そして、画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号φSEL1がLレベルとなることで、選択トランジスタMsel1がオフ状態となり、サンプルホールド容量Csh1に保持された信号に基づく画素信号の読み出しが完了する。
【００４２】
画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221内の2つの画素222の画素信号の読み出しが完了したら、画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221の制御信号 φCL1，φCL2がLレベルとなり、クランプトランジスタMcl1，Mcl2がオフ状態となる。これによって、画素信号を読み出す対象の行の画素グループ221における画素信号の読み出しが完了する。続いて、次の行の画素グループ221を対象として画素信号の読み出しが行われる。
【００４３】
上記の動作を全ての画素グループ221について行単位で行うことで、全ての画素222の画素信号が読み出される。
【００４４】
図6は、クランプ容量Cclとサンプルホールド容量Csh1，Csh2がクランプされてから、サンプルホールド容量Csh1に保持された信号に基づく画素信号が読み出されるまでの信号保持期間のサンプルホールド容量Csh1にかかる電圧（図3の信号線Bの電圧）、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧（図3の信号線Cの電圧）を示している。図6中の時刻T1〜T5は図5中の時刻T1〜T5に対応している。以下では、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の容量値をCshとし、図4に示した寄生容量Cp1，Cp2の容量値をそれぞれCp1，Cp2とする。
【００４５】
まず、時刻T1に制御信号φCL1，φCL2がHレベルとなることで、サンプルホールド容量Csh1，Csh2にかかる電圧はクランプ電圧VDDとなる。
【００４６】
その後、制御信号φCL1がLレベルとなり、時刻T2に制御信号φTX1がHレベルとなることで、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから、光電変換部PD1に蓄積された信号電荷に対応する電圧V1（ノイズ除去後）だけ下がった電圧となる。このとき、制御信号φCL2がHレベルのままなので、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧はクランプ電圧VDDである。
【００４７】
その後、制御信号φCL2がLレベルとなり、時刻T3に制御信号φTX2がHレベルとなることで、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧は、クランプ電圧VDD（第１の電圧）から、光電変換部PD2に蓄積された信号電荷に対応する電圧V2（ノイズ除去後）だけ下がった電圧（第２の電圧）となる。このとき、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧が変化することで、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1にかかる電圧が変化し、寄生容量Cp1に蓄積された電荷量が変化する。これによって、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDからV1’（以下の(1)式）だけ下がった電圧となる。
【００４８】
【数１】
2014042211.tif 000003
【００４９】
なお、(1)式に示す電圧V1’は、サンプルホールド容量Csh1に蓄積された信号電荷と、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1に蓄積された信号電荷と、サンプルホールド容量Csh1と周辺電圧固定部Cgrdの間の寄生容量Cp2に蓄積された信号電荷との合計が時刻T3の前後の駆動で保存されることから求まる。
【００５０】
その後、時刻T4に制御信号φCL2がHレベルとなり、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧がクランプ電圧VDD（第３の電圧）となる。このとき、寄生容量Cp1にかかる電圧は時刻T2直後の電圧と同じ電圧に戻り、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧も時刻T2直後の電圧と同じ電圧に戻る。続いて、時刻T5に制御信号φCL1が再度Hレベルとなることで、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧がクランプ電圧VDDとなる。
【００５１】
サンプルホールド容量Csh1に保持された信号電荷に基づく画素信号が読み出されたときにサンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから電圧V1だけ下がった電圧である。この電圧は、サンプルホールド容量Csh2の電圧の変化に起因してサンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1に発生する電圧（ノイズ）に依存しない。上記のように、時刻T3から時刻T4までの期間に、サンプルホールド容量Csh2の電圧の変化に起因して寄生容量Cp1に発生したノイズがサンプルホールド容量Csh1に保持された信号電荷に重畳するが、時刻T4から時刻T5までの期間には、このノイズの影響がないので、時刻T4から時刻T5までの期間に画素信号が読み出される。
【００５２】
同様に、サンプルホールド容量Csh2に保持された信号電荷に基づく画素信号が読み出されたときにサンプルホールド容量Csh2にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから電圧V2だけ下がった電圧であり、サンプルホールド容量Csh1の電圧の変化に起因してサンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1に発生する電圧（ノイズ）に依存しない。
【００５３】
上述したように、本実施形態によれば、画素グループ221内のそれぞれの画素222で信号電荷を転送する順番と画素信号を読み出す順番とを入れ替えることで、近傍の回路素子の電圧（ここでは、隣り合うサンプルホールド容量に保持された電圧）の変化によるノイズがサンプルホールド容量に保持されている信号電荷に重畳することに起因する画素信号の品質（画質）の劣化を抑圧し、高品質な画素信号を得ることができる。
【００５４】
また、それぞれの画素222の光電変換部で発生した信号電荷をそれぞれの画素222のサンプルホールド容量に蓄積する動作を複数の画素グループ221間で共通の期間で行うことによって、固体撮像装置の各画素の信号電荷の蓄積の同時刻性を実現しつつ、画素信号の品質（画質）の劣化を抑圧し、高品質な画素信号を得ることができる。
【００５５】
また、サンプルホールド容量Csh1，Csh2とクランプ容量Cclおよび画素グループ221の外部の回路素子との間で形成される寄生容量を抑圧する周辺電圧固定部Cgrdが設けられていることによって、その寄生容量を介してノイズが信号電荷に重畳することに起因する画素信号の品質（画質）の劣化を抑圧し、高品質な画素信号を得ることができる。
【００５６】
上記の説明では、1つの画素グループに含まれる画素が2行に配置されているが、1つの画素グループに含まれる画素が3行以上に配置されていてもよい。1つの画素グループに含まれる画素が3行以上に配置されている場合も、画素グループ内のそれぞれの画素で信号電荷を転送する順番（行単位）と画素信号を読み出す順番（行単位）とを入れ替えればよい（順番を逆にすればよい）。この場合も、同一の画素グループにおいて任意の隣接する行の2つの画素に関して、信号電荷を転送する順番と画素信号を読み出す順番とが入れ替わる。
【００５７】
（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。本実施形態による撮像装置の構成は、画素グループ221内の回路構成と画素グループ221内の容量のレイアウトを除いて、第1の実施形態による撮像装置の構成と同様である。第1の実施形態では、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1の影響を抑圧する方法を示したが、本実施形態では、サンプルホールド容量Csh1，Csh2とクランプ容量Cclとの間の寄生容量Cp3の影響を抑圧する方法を示す。なお、本実施形態では、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1は無視できるものとする。
【００５８】
図7は、本実施形態における画素グループ221の回路構成を示している。図7に示す画素グループ221の構成は、第1の実施形態における図3に示した画素グループ221の構成にクランプ容量入力電圧制御トランジスタMvc（電圧固定部）を加えた構成である。クランプ容量入力電圧制御トランジスタMvcは、垂直走査回路21からの制御信号φVCに基づいて、クランプ容量Cclの電圧を電圧VCで固定する。他の構成については、第1の実施形態における図3に示した構成と同様なので、説明を省略する。
【００５９】
図8は、本実施形態の画素グループ221内の容量のレイアウトを概略的に示している。画素グループ221内には、サンプルホールド容量Csh1，Csh2、クランプ容量Cclが配置され、クランプ容量Cclはサンプルホールド容量Csh1，Csh2を囲うように配置されている。サンプルホールド容量Csh1，Csh2、クランプ容量Cclはそれぞれ、対向する2枚の平板状の電極で構成されている。
【００６０】
図8に示すように、サンプルホールド容量Csh1，Csh2とクランプ容量Cclとの間の寄生容量をCp3とする。後述する図10の説明を行う際に、これらの影響について説明する。
【００６１】
図9は固体撮像装置2の動作を示している。図9では、図5に対して制御信号φVCが追加されている。制御信号φBENがLレベルとなることで、第1の増幅トランジスタMa1と第1の電流源IDD1を含むソースフォロア回路が非アクティブ状態になった後、制御信号φVCがHレベルとなることで、クランプ容量入力電圧制御トランジスタMvcがオン状態となり、第1の増幅トランジスタMa1のソースおよびクランプ容量Cclの一端に接続された信号線Fの電圧を電圧VCで固定する。また、全ての画素222の画素信号の読み出しが完了した後に、制御信号φVCがLレベルとなることで、クランプ容量入力電圧制御トランジスタMvcがオフ状態となり、信号線Fの電圧の固定が解除される。図9において、制御信号φVC以外の制御信号については、第1の実施形態の図5における制御信号と同様なので、説明を省略する。
【００６２】
図10は、クランプ容量Cclとサンプルホールド容量Csh1，Csh2がクランプされてから、サンプルホールド容量Csh1に保持された信号に基づく画素信号が読み出されるまでの信号保持期間のサンプルホールド容量Csh1にかかる電圧（図7の信号線Dの電圧）、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧（図7の信号線Eの電圧）、クランプ容量Cclの入力電圧（図7の信号線Fの電圧）を示している。図10中の時刻T1〜T5は図9中の時刻T1〜T5に対応している。以下では、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の容量値をCshとし、クランプ容量Cclの容量値をCclとし、図8に示した寄生容量Cp3の容量値をCp3とする。
【００６３】
まず、時刻T1に制御信号φCL1，φCL2がHレベルとなることで、サンプルホールド容量Csh1，Csh2にかかる電圧はクランプ電圧VDDとなる。続いて、制御信号φRSTがHレベルとなることで、クランプ容量Cclの入力電圧は電圧VR（第1の増幅トランジスタMa1のゲートに蓄積された信号電荷がリセットされたときの図7の信号線Fの電圧）となる。
【００６４】
その後、制御信号φRSTがLレベル、制御信号φCL1がLレベルとなり、時刻T2に制御信号φTX1がHレベルとなることで、クランプ容量Cclの入力電圧が、電圧VRから、光電変換部PD1に蓄積された信号電荷に対応する電圧Vpixout1だけ下がる。これに伴い、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから、光電変換部PD1に蓄積された信号電荷に対応する電圧V1（ノイズ除去後）だけ下がった電圧となる。このとき、制御信号φCL2がHレベルのままなので、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧はクランプ電圧VDDである。
【００６５】
その後、制御信号φRSTがHレベルとなることで、クランプ容量Cclの入力電圧が電圧VRとなる。続いて、制御信号φRSTがLレベル、制御信号φCL2がLレベルとなり、時刻T3に制御信号φTX2がHレベルとなることで、クランプ容量Cclの入力電圧が、電圧VR（第１の電圧）から、光電変換部PD2に蓄積された信号電荷に対応する電圧Vpixout2だけ下がった電圧（第２の電圧）となる。これに伴い、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから、光電変換部PD2に蓄積された信号電荷に対応する電圧V2だけ下がった電圧となる。
【００６６】
クランプ容量Cclの入力電圧が変化することで、サンプルホールド容量Csh1，Csh2とクランプ容量Cclとの間の寄生容量Cp3にかかる電圧が変化し、寄生容量Cp3に蓄積された電荷量が変化する。これによって、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDからV1’’（以下の(2)式）だけ下がった電圧となる。
【００６７】
【数２】
2014042211.tif 000004
【００６８】
なお、(2)式に示す電圧V1’’は、サンプルホールド容量Csh1に蓄積された信号電荷と、サンプルホールド容量Csh1とクランプ容量Cclとの間の寄生容量Cp3に蓄積された信号電荷との合計が時刻T3の前後の駆動で保存されることから求まる。
【００６９】
その後、時刻T3.5で制御信号φVCがHレベルとなり、クランプ容量Cclの入力電圧が電圧VCで固定される。クランプ容量Cclの入力電圧の変化に伴い、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDからV1’’’（以下の(3)式）だけ下がった電圧となり、 サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧は、クランプ電圧VDDからV2’（以下の(4)式）だけ下がった電圧となる。ここで、(3)式と(4)式におけるΔVcnstは電圧VRと電圧VCとの差分の電圧である。
【００７０】
【数３】
2014042211.tif 000005
【００７１】
【数４】
2014042211.tif 000006
【００７２】
その後、時刻T4に制御信号φCL2がHレベルとなり、サンプルホールド容量Csh2にかかる電圧がクランプ電圧VDDとなる。続いて、時刻T5に制御信号φCL1が再度Hレベルとなることで、サンプルホールド容量Csh1にかかる電圧がクランプ電圧VDDとなる。
【００７３】
サンプルホールド容量Csh1に保持された信号電荷に基づく画素信号が読み出されたときにサンプルホールド容量Csh1にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから電圧V1’’’だけ下がった電圧である。この電圧は、サンプルホールド容量Csh2の電圧の変化（V2，Vpixout2）に起因してサンプルホールド容量Csh1，Csh2とクランプ容量Cclとの間の寄生容量Cp3に発生する電圧（ノイズ）に依存しない。 (3)式の右辺第3項は、以下で説明する暗時（V1=V2=Vpixout1=Vpixout=0）の画素信号との差分をとることで除去することができる。上記のように、時刻T3から時刻T3.5までの期間に、サンプルホールド容量Csh2の電圧の変化に起因して寄生容量Cp3に発生したノイズがサンプルホールド容量Csh1に保持された信号電荷に重畳するが、時刻T3.5でクランプ容量Cclの入力電圧が電圧VCで固定されることによって、時刻T4から時刻T5までの期間には、このノイズの影響が低減されるので、時刻T4から時刻T5までの期間に画素信号が読み出される。
【００７４】
同様に、サンプルホールド容量Csh2に保持された信号電荷に基づく画素信号が読み出されたときにサンプルホールド容量Csh2にかかる電圧は、クランプ電圧VDDから電圧V2’だけ下がった電圧であり、サンプルホールド容量Csh1の電圧の変化（V1，Vpixout1）に起因してサンプルホールド容量Csh1，Csh2とクランプ容量Cclとの間の寄生容量Cp3に発生する電圧（ノイズ）に依存しない。 (4)式の右辺第3項は、以下で説明する暗時（V1=V2=Vpixout1=Vpixout=0）の画素信号との差分をとることで除去することができる。
【００７５】
また、クランプ容量Cclの入力電圧を固定することで、転送から読み出しまでの期間に光電変換部PD1，PD2に光が入射することで発生する信号電荷の影響も抑圧することができる。
【００７６】
図11は、暗時（V1=V2=Vpixout1=Vpixout=0）の画素信号を取得するときの固体撮像装置2の動作を示している。図11に示す動作では、制御信号φTX1，φTX2を常にLレベルにすることで信号電荷のリセットと転送を行わないようにしている。信号電荷のリセットと転送以外の動作は、図9に示す動作と同様であるので、説明を省略する。また、図11に示す動作は、図9に示す動作の前または後に行われる。
【００７７】
上述したように、本実施形態によれば、サンプルホールド容量Csh1，Csh2を囲うようにクランプ容量Cclを配置し、画素信号の読み出し時にクランプ容量Cclの入力電圧を固定することで、近傍の回路素子の電圧の変化（ここでは、転送から読み出しまでの期間に光が光電変換部に入射することで発生する信号電荷に起因する電圧の変化）によるノイズがサンプルホールド容量に保持されている信号電荷に重畳することに起因する画素信号の品質（画質）の劣化を抑圧し、高品質な画素信号を得ることができる。
【００７８】
上記の説明では、画素グループ221内の容量のレイアウトが図8のようになっているが、図12のように、サンプルホールド容量Csh1，Csh2の間の寄生容量Cp1が無視できないように固体撮像装置2が構成されていても構わない。この場合、寄生容量Cp1に起因する画素信号の劣化は、第1の実施形態で示した駆動方法で抑圧することが可能である。
【００７９】
（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13は、本実施形態における固体撮像装置2の断面構造を示している。固体撮像装置2は、画素部22を構成する回路要素（光電変換部や、トランジスタ、容量等）が配置された2枚の基板（第1の基板201、第2の基板202）が重なった構造を有する。画素グループ221を構成する回路要素は第1の基板201と第2の基板202に分配して配置されている。第1の基板201と第2の基板202は、画素グループ221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。
【００８０】
第1の基板201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部が形成されており、第1の基板201に照射された光は光電変換部に入射する。第1の基板201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の基板202とを接続するための接続部203が配置されている。
【００８１】
画素部22以外の垂直走査回路21、カラム処理部23、水平走査回路24に関しては、それぞれ第1の基板201と第2の基板202のどちらに配置されていてもよい。また、垂直走査回路21、カラム処理部23、水平走査回路24のそれぞれを構成する回路要素が第1の基板201と第2の基板202に分散して配置されていてもよい。
【００８２】
図14は画素グループ221の回路構成を示している。図14には、第1の基板201内の画素グループ221の回路構成と、第2の基板202内の画素グループ221の回路構成とが示されている。これら両者は接続部203によって画素単位で電気的に接続されている。
【００８３】
第1の基板201側の画素グループ221は、光電変換部PD1，PD2と、転送トランジスタMtx1，Mtx2と、第1の増幅トランジスタMa1と、第1の電流源IDD1と、リセットトランジスタMrstとで構成されている。光電変換部PD1，PD2と、転送トランジスタMtx1，Mtx2（転送部）と、第1の増幅トランジスタMa1と、第1の電流源IDD1と、リセットトランジスタMrstの詳細については第2の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００８４】
第2の基板202側の画素グループ221は、クランプ容量入力電圧制御トランジスタMvc（電圧固定部）と、クランプトランジスタMcl（クランプ部）と、クランプ容量Cclと、サンプルホールド容量Csh1，Csh2（信号蓄積部）と、サンプルホールドトランジスタMsh1，Msh2（サンプルホールド部）と、第2の増幅トランジスタMa2_1，Ma2_2（出力部）と、選択トランジスタMsel1，Msel2（選択部）とで構成されている。クランプトランジスタMclと、クランプ容量Cclと、サンプルホールド容量Csh1，Csh2と、サンプルホールドトランジスタMsh1，Msh2と、第2の増幅トランジスタMa2_1，Ma2_2と、選択トランジスタMsel1，Msel2の詳細については第2の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００８５】
第1の基板201に配置された第1の増幅トランジスタMa1のソースと、第2の基板202に配置されたクランプ容量Cclとは、接続部203を介して接続されている。第1の基板201側の光電変換部PD1，PD2で得られた画素信号は、接続部203を介して、それぞれサンプルホールド容量Csh1，Csh2に転送される。
【００８６】
このように、第1の基板201の光が照射される側の主面側に光電変換部を形成し、第2の基板202に信号蓄積部を形成することで、光電変換部の受光面積を確保し、受光感度を向上することが可能となる。このため、受光感度を向上しつつ、第1の実施形態、第2の実施形態と同様の効果（隣り合う信号蓄積部に保持された電圧、および、転送から読み出しまでの間に光が光電変換部に入射することで発生する信号電荷に起因する電圧による画質の劣化の抑圧）を得ることができる。また、画素を構成する回路要素が、互いに重ねられた2枚の基板に分散して配置されるので、チップ面積の増大を抑制することができる。
【００８７】
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。
【符号の説明】
【００８８】
1・・・光学レンズ、2・・・固体撮像装置、3・・・固体撮像装置駆動部、4・・・画像信号処理部、21・・・垂直走査回路、22・・・画素部、23・・・カラム処理部、24・・・水平走査回路、25・・・出力端子、201・・・第1の基板、202・・・第2の基板、203・・・接続部、221・・・画素グループ、222・・・画素
【図１】
2014042211.tif 000007
【図２】
2014042211.tif 000008
【図３】
2014042211.tif 000009
【図４】
2014042211.tif 000010
【図５】
2014042211.tif 000011
【図６】
2014042211.tif 000012
【図７】
2014042211.tif 000013
【図８】
2014042211.tif 000014
【図９】
2014042211.tif 000015
【図１０】
2014042211.tif 000016
【図１１】
2014042211.tif 000017
【図１２】
2014042211.tif 000018
【図１３】
2014042211.tif 000019
【図１４】
2014042211.tif 000020