(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換によりフォトダイオードで得られた信号電荷を検出する検出ノードの電位変化に応じて感知した光を電気信号として読み出すセルが行列状に配置され、前記検出ノードは、リセット時にリセットトランジスタを介してリセット電圧を供給するドレイン線に接続され、同一行の前記リセットトランジスタのゲート端子は共通のリセット制御線に接続されてなる固体撮像装置において、
前記リセットトランジスタを導通制御する垂直走査回路と前記リセット制御線を接続制御し、選択行のセルのリセット時に前記垂直走査回路から非選択行の前記リセット制御線を切り離すトランジスタと、
前記リセット制御線と前記ドレイン線との間に接続され、選択行の前記セルのリセット時に非選択行の前記リセット制御線を前記ドレイン線の電位よりも低い電位に設定するカップリング容量と
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記カップリング容量と前記リセット制御線との間に分離トランジスタを挿入し、前記垂直走査回路による選択行の前記リセットトランジスタの駆動時に前記分離トランジスタにより選択行の前記リセット制御線と前記カップリング容量を分離してなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ソースフォロワ形式で信号を読み出すセルのリセット動作となる注入排出動作を改善した固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に増幅ＭＯＳ型のセルを備えた固体撮像装置の構成を示す。図３において、固体撮像装置は、入射光の光電変化を行うセルが行列状に配置され、フォトダイオード１、Ｎチャネルの転送トランジスタ２、Ｎチャネルのリセットトランジスタ３、検出ノード４、Ｎチャネルの増幅トランジスタ５、Ｎチャネルの選択トランジスタ６を備えてなるセルは、入射光量に応じてフォトダイオード１に蓄積された信号電子を転送トランジスタ２を介して検出ノード４に読み出し、ゲート端子が検出ノード３に接続された増幅トランジスタ５ならびに選択トランジスタ６を介して列方向のセルに共通したドレイン線７と垂直信号線８を導通制御することにより検出ノード４の電位変化を垂直信号線８に読み出し、それぞれのセルから垂直信号線８に読み出された信号は、水平読み出し回路９及び出力アンプ１０を介して外部に読み出される。
【０００３】
このような構成において、フォトダイオード１に蓄積された信号電子が読み出された後でも、フォトダイオード１にはまだ少量の信号電子が残存している。このような状態では、次の信号読み出しの際にこのフォトダイオード１に光が入射しなくとも残存していた信号電子が読み出されてしまう。特に、強い光が入射したセル、すなわち蓄積された信号電子の多いフォトダイオード１ほど残存信号電子数が多くなり、撮像結果を画面に表示した時に、明るい箇所の光が消えてからも残存信号電子によりうっすらと明るく見え、残像現象が生じることになる。
【０００４】
このような残像現象を防止するために、注入排出と呼ばれるリセット動作が行われている。これは、フォトダイオード１から信号電子を読み出した後多量の電子を一旦フォトダイオード１に注入し、その後フォトダイオード１から電子を排出する方法である。このような注入排出動作を行うことにより残像現象が防止される理由は、フォトダイオード１の前回の信号電子の読み出しにおける信号量の情報が注入排出によって消去されるためである。すなわち、全てのフォトダイオード１の読み出し毎に注入排出動作を行うことによって、全てのフォトダイオード１が毎回同じ残存信号電子にリセットされるので、フォトダイオード１から読み出された信号から残存信号電子数に対応する一定の信号を差し引くことにより残存信号電子の影響のない鮮明な画像を得ることができる。
【０００５】
次に、図３に示す構成において、上記残像現象を回避する注入排出の具体的な動作を、図４に示す動作タイミングを参照して説明する。
【０００６】
まず、選択行のフォトダイオード１から信号電子を読み出した後、図４に示すように、転送トランジスタ２に転送信号を与えて転送トランジスタを導通状態とし、リセットトランジスタ３に垂直走査回路１１からリセット制御線１２を介してリセット信号を与えてリセットトランジスタ３を導通状態とし、ドレイン駆動回路１３によりドレイン線７をハイレベルからロウレベルに駆動する。これにより、選択行のフォトダイオード１にロウレベルまで多量の電子が注入される。次に、ドレイン線７をロウレベルからハイレベルに駆動する。これにより、選択行のフォトダイオード１に注入された電子がドレイン線７に排出される。これらの動作はフォトダイオード１から信号電子を読み出す毎に行われる。一方、非選択行のフォトダイオード１では、そのセルの転送トランジスタ２ならびにリセットトランジスタ３を非導通状態にして、信号電子が読み出される前の非選択行のフォトダイオード１において、注入排出動作による電子が注入されないようにしなければならない。
【０００７】
このような注入排出動作において、ドレイン線７をロウレベルにした時に非選択のセルのリセットトランジスタ３が完全に非導通状態となるためには、リセットトランジスタ３のしきい値を高く設定しておく必要がある。しかしながら、リセットトランジスタ３のしきい値を高くした場合に、注入排出動作においてフォトダイオード１に注入された電子をドレイン線７に排出した後の検出ノード４の電位が低くなってしまう。検出ノード４の電位が低いと、セルから信号を読み出すための電圧マージンが小さくなる。これにより、電源電圧の低い、例えば３．３Ｖ程度あるいはそれ以下の増幅ＭＯＳ型の固体撮像装置を作成することが困難になっていた。
【０００８】
このような不具合を回避する１つの対策として、リセットトランジスタ３のゲート端子にドレイン線７にハイレベルとして与えられる高位電源電圧よりも高い電位を与える方法がある。このためには、高位電源電圧よりも高い電位を生成するための昇圧回路が必要になる。しかしながら、このような昇圧回路を用いると、チップ面積が増大する、動作が複雑になる、消費電力が増える、昇圧電位を受けるリセットトランジスタでは高耐圧のゲート酸化膜が必要になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の増幅ＭＯＳ型の固体撮像装置において、残像現象を回避するために必要不可欠な注入排出動作を行う際に非選択行のセルで注入排出の影響を受けないようにするために、検出ノードの電位が低くなっていた。このため、動作マージンが狭くなり、電源電圧の低電圧化が困難になっていた。
【００１０】
このような不具合を解決するために昇圧回路を用いる方法があるが、このような方法にあっては、構成の大型化や消費電力の増大といった不具合を招いていた。
【００１１】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、昇圧回路を使用することなくリセット時の検出ノードの電位を高め、動作マージンを広げて電源電圧の低電圧化を達成し得る固体撮像装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光電変換によりフォトダイオードで得られた信号電荷を検出する検出ノードの電位変化に応じて感知した光を電気信号として読み出すセルが行列状に配置され、前記検出ノードは、リセット時にリセットトランジスタを介してリセット電圧を供給するドレイン線に接続され、同一行の前記リセットトランジスタのゲート端子は共通のリセット制御線に接続されてなる固体撮像装置において、前記リセットトランジスタを導通制御する垂直走査回路と前記リセット制御線を接続制御し、選択行のセルのリセット時に前記垂直走査回路から非選択行の前記リセット制御線を切り離すトランジスタと、前記リセット制御線と前記ドレイン線との間に接続され、選択行の前記セルのリセット時に非選択行の前記リセット制御線を前記ドレイン線の電位よりも低い電位に設定するカップリング容量とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、前記カップリング容量と前記リセット制御線との間に分離トランジスタを挿入し、前記垂直走査回路による選択行の前記リセットトランジスタの駆動時に前記分離トランジスタにより選択行の前記リセット制御線と前記カップリング容量を分離してなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施形態を説明する。
【００１５】
図１は請求項１記載の発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図、図２は図１に示す装置における注入排出動作のタイミング図である。
【００１６】
図１において、この実施形態の特徴とするところは、図３に示す従来構成に比べて、リセットトランジスタ３を導通制御する垂直走査回路１１とリセット制御線１２を接続制御し、選択行のセルのリセット時に垂直走査回路１１から非選択行のリセット制御線１２を切り離すＮチャネルの接続制御トランジスタ１４と、リセット制御線１２とドレイン線７との間に接続され、選択行のセルの注入排出動作時に非選択行のリセット制御線１２をドレイン線７の電位よりも低い電位に設定するカップリング容量１５、ならびに垂直走査回路１１が選択行のリセット制御線１２をハイレベルに駆動する際にカップリング容量１５をリセット制御線１２から切り離すＮチャネルの分離トランジスタ１６と、それぞれのトランジスタ１４、１６の導通制御信号を生成する制御信号生成回路１７を加えて構成したことにあり、他の構成は図３に示す構成と同様であり、同符号は同一機能を有するものである。
【００１７】
次に、上記構成において、注入排出動作を図２の動作タイミングチャートを参照して説明する。
【００１８】
以下の説明において、この実施形態では、基準電位をロウレベルの０Ｖとし、高位電源電位をハイレベルの２．５Ｖとし、リセットトランジスタ３のしきい値を０．０Ｖ、転送トランジスタのしきい値を０．８Ｖ、増幅トランジスタ５のしきい値を０．０Ｖ、選択トランジスタ６のしきい値を０．５Ｖとし、カップリング容量１５の容量値を０．１ｐＦに設定し、リセット制御線１２の容量を０．４ｐＦ程度とする。
【００１９】
注入排出動作が行われる前には、ドレイン線７はハイレベルの電源電位となり、選択行ならびに非選択行のセルのリセットトランジスタ３、転送トランジスタ２、及び分離トランジスタ１６は非導通状態となり、接続制御トランジスタ１４は導通状態となっている。
【００２０】
このような状態において、分離トランジスタ１６を導通状態にして、カップリング容量１５のリセット制御線１２に接続された端子電極側をリセット制御線１２と同じ０Ｖに充電する。続いて、非選択行の接続制御トランジスタ１４を非導通状態とする。これにより、非選択行のリセット制御線１２は垂直走査回路１１から切り離されて、カップリング容量１５によりドレイン線７と容量結合される。
【００２１】
次に、従来と同様にして注入排出動作を行う。まず、選択行の転送トランジスタ２を導通状態とし、リセットトランジスタ３を導通状態とし、続いてドレイン線７を０Ｖにする。これにより、選択行のセルのフォトダイオード１にドレイン線７からロウレベルまで電子を注入する。この時に、非選択行のリセット制御線１２の電位、すなわちリセットトランジスタ３のゲート電位はカップリング容量１５により負の値となる。具体的には、ドレイン線７の電位変化が２．５Ｖで、リセット制御線１２とカップリング容量１５の容量比から非選択行のリセットトランジスタ３のゲート電位は−０．５Ｖ程度となる。これにより、リセットトランジスタ３のしきい値が０Ｖであっても、リセットトランジスタ３のリーク電流は１ｐＡ程度となり、ドレイン線７から非選択行の検出ノード４にリークする電流は無視することができる。一方、非選択行のリセット制御線１２が従来のように０Ｖである場合には、ドレイン線７から非選択行の検出ノード４にリークする電流は０．１μＡ程度となり、とても無視できる値ではなく、前述したような不具合が生じることになる。
【００２２】
次に、ドレイン線７をハイレベルに駆動して、選択行のフォトトランジスタ１に注入された電子をドレイン線７に排出する。続いて、リセットトランジスタ３を非導通状態とし、転送トランジスタ２を非導通状態とする。次に、非選択行の接続制御トランジスタ１４を導通状態とし、非選択行のリセット制御線１２が垂直走査回路１１と接続される。続いて、非選択行の分離トランジスタ１６を非導通状態にして、リセット制御線１２とドレイン線７との容量結合が解除され、選択行の注入排出動作が終了する。
【００２３】
このように、この実施形態では、リセットトランジスタ３のしきい値を０．０Ｖにできるので、２．５Ｖ程度の電源電圧で昇圧回路を使用することなく装置を動作させることが可能となる。ちなみに、垂直信号線８に読み出される信号は、電源電圧を５Ｖ以上とした場合と同等の７００ｍＶ程度の振幅の飽和信号量を得ることができる。この結果、上記実施形態においては、昇圧回路を使用することなく検出ノード４の電位低下が抑えられ、動作マージンが広がり、低電源電圧動作が可能となる。
【００２４】
なお、上記実施形態において、リセット制御線１２を例えば−０．５Ｖ程度の負電位に振り込む場合に、接続制御トランジスタ１４及び分離トランジスタ１６をＰチャネル型トランジスタで構成すると、リセット制御線１２からウェル（又は基板）への電子のリークによってリセット制御線電位が変動することがなくなるため、有利である。なお、この場合、リセット制御線電圧が電源電圧まで充電できるように、接続制御トランジスタ１４及び分離トランジスタ１６の駆動回路としては、ダイナミック型回路を用いるのが好ましい。
【００２５】
また、接続制御トランジスタ１４及び分離トランジスタ１６をＮチャネル型トランジスタで構成する場合は、そこのＰウェルをＮウェル中（又はＮｓｕｂ中）に構成し、他と分離して負の電位をかけると有利である。
【００２６】
さらに、上記実施形態において、上述した作用効果を得るために、トランジスタ１６を省いてもよい。また、カップリング容量１５はそれぞれのリセット制御線１２に対応して個別に設けられているが、複数又は全てのリセット制御線１２に共通に設けるようにしてもよい。さらに、カップリング容量１５に接続されるドレイン線７はセルのドレイン線７とは別のドレイン線７を設けているが、別のドレイン線７を設けることなくいずれかのセルのドレイン線７を用いるようにしてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、選択行のセルのリセット時に非選択行のリセット制御線をドレイン線の電位よりも低い電位に設定するようにしたので、昇圧回路を使用することなく検出ノードの電位の低下を抑えることが可能となり、動作マージンを広げて低電源電圧動作を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す装置の動作タイミングを示す図である。
【図３】従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示す装置の動作タイミングを示す図である。
【符号の説明】
１  フォトダイオード
２  転送トランジスタ
３  リセットトランジスタ
４  検出ノード
５  増幅トランジスタ
６  選択トランジスタ
７  ドレイン線
８  垂直信号線
９  水平読み出し回路
１０  出力アンプ
１１  垂直走査回路
１２  リセット制御線
１３  ドレイン駆動回路
１４  接続制御トランジスタ
１５  カップリング容量
１６  分離トランジスタ
１７  制御信号生成回路
【図１】
0003571226.tif 000002
【図２】
0003571226.tif 000003
【図３】
0003571226.tif 000004
【図４】
0003571226.tif 000005