(57)【要約】【課題】  動きのある被写体でも歪むことなく撮像することができると共に、リセットノイズが小さくてＳ／Ｎの良い画像を得ることができる増幅型固体撮像装置を提供する。【解決手段】  この増幅型固体撮像装置は、画素部１０と制御部２０とを備える。上記制御部２０は、フォトダイオード１に信号電荷を蓄積する制御を行うようになっている。その後、第１キャパシタンス素子７および第２キャパシタンス素子９に、反転増幅器の入力をリセットしたリセット信号を書き込む制御を行った後、上記制御部２０は、フォトダイオード１に蓄積された信号を第１キャパシタンス素子７のみに書き込む制御を行った後、第１キャパシタンス素子７に書き込まれたフォトダイオード１に蓄積された信号を、信号線１１に出力する制御と、第２キャパシタンス素子９に書き込まれたリセット信号を、信号線１１に出力する制御を行うようになっている。【選択図】  図１
2006067431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子とこの光電変換素子からの信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する画素と、
直列に接続された第１スイッチング素子および第１キャパシタンス素子を有する第１経路と、反転増幅器と、リセット用スイッチング素子とを並列に接続してなるスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記転送トランジスタをオフにして、上記光電変換素子に信号電荷を蓄積する制御を行った後、上記リセット用スイッチング素子により反転増幅器入力をリセットする第１のリセット動作を行い、その後上記第１スイッチング素子をオンにすると共に、上記リセット用スイッチング素子をオフにした状態で、上記転送トランジスタを所定時間の間オンにして、上記光電変換素子に蓄積されている信号電荷を、上記第１キャパシタンス素子に書き込む制御を行い、その後、上記第１スイッチング素子をオンにして、上記第１キャパシタンス素子に書き込まれた信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御を行う制御部と
を備えることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記第１経路に並列に接続されると共に、直列に接続された第２スイッチング素子および第２キャパシタンス素子を有する第２経路を備え、
上記制御部は、上記第１スイッチング素子および上記第２スイッチング素子をオンにすることによって、上記第１キャパシタンス素子および上記第２キャパシタンス素子に、上記第１のリセット動作した時のリセット信号を、書き込む制御を行った後、上記第１スイッチング素子をオンにすると共に上記第２スイッチング素子をオフにして、上記第１キャパシタンス素子のみに上記光電変換素子に蓄積された信号電荷を書き込む制御を行い、その後、上記第１スイッチング素子をオンにして上記第１キャパシタンス素子に書き込まれた信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御と、上記第２スイッチング素子をオンにして上記第２キャパシタンス素子に書き込まれたリセット信号を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御を行うことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記画素は複数存在し、
上記制御部は、上記複数の画素が有する全ての上記光電変換素子の信号を、上記第１キャパシタンス素子に同時に書き込む制御を行うことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項４】
請求項３に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記全ての光電変換素子の信号を上記第１キャパシタンス素子に同時に書き込む制御を行う前に、上記光電変換素子の信号をリセットする第２のリセット動作を全ての光電変換素子について同時に行う制御をすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記画素は複数存在し、
上記制御部は、上記複数の画素が有する全ての上記光電変換素子の信号を、上記第１キャパシタンス素子に順次書き込む制御を行うことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記全ての光電変換素子の信号を上記第１キャパシタンス素子に順次書き込む制御を行う前に、上記光電変換素子の信号をリセットする第２のリセット動作を全ての光電変換素子について順次行う制御をすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素部に増幅回路を有する増幅型固体撮像装置に関する。より詳しくは、本発明は、光電変換素子とこの光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する画素を複数備え、上記各画素からの信号をそれぞれ増幅して信号線上に読み出す増幅型固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが普及している。
【０００３】
そのような増幅型固体撮像装置の一例としては、画素部が周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。
【０００４】
上記ＡＰＳ型イメージセンサでは、２次元配列された多数の画素からの信号読出しは、行単位で順次読み出すのが一般的である。
【０００５】
上記ＡＰＳ型イメージセンサは、露光時間が短いシャッタ動作時に、各行での露光期間が行毎に異なることに起因し、動きのある被写体の場合、像の歪みが発生するという問題がある。このことを、以下の図７を用いて説明する。
【０００６】
図７は、従来の増幅型固体撮像装置の動作を示す図である。
【０００７】
図７において、直線形状の入力像（Ａ）が反時計方向に回転運動する場合、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５における位置を図のように各破線で示す。他方、ＡＰＳ型イメージセンサでの画像読み取りは、垂直走査方向に従い、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５において図示のような位置に変化する。このため、読み取られる画像は、各読み取り走査時刻での画像位置をトレースした位置となり、出力像は（Ｂ）にて実線で示すように歪んだ画像となる。
【０００８】
図８は、上記問題を回避できる４トランジスタ型構造（例えば、特開２００２−３２０１４１号公報（特許文献１））を示す図であり、図９は、この４トランジスタ型構造における種々の信号の動作タイミングを示す図である。
【０００９】
尚、図８において、ＣＳはキャパシタンスであり、ＶＲはリセットドレイン電源であり、ＶＤは出力ドレイン電源である。また、図８において、φＴＸは、転送部Ｍ１の駆動パルスであり、φＲＳは、リセット部Ｍ２の駆動パルスであり、φＳＬは、画素選択部Ｍ４の駆動パルスである。また、Ｖｏｕｔは、垂直信号線から出力される出力信号である。
【００１０】
図８に示すように、従来の４トランジスタ型構造は、光電変換部としてフォトダイオードＰＤを有している。また、従来の４トランジスタ型構造では、フォトダイオードＰＤに蓄積した信号電荷を転送するための転送部Ｍ１と、増幅部Ｍ３と、リセット部Ｍ２と、画素選択部Ｍ４とが、トランジスタで構成されている。
【００１１】
図８に示す従来の４トランジスタ型構造では、図９に示すように、先ず、期間ＴＲで、リセット部駆動パルスφＲＳをオン（ハイレベル）にすることにより、電荷検出部ＦＤの電位をＶＲに固定したまま、転送部駆動パルスφＴＸをオン（ハイレベル）として、フォトダイオードＰＤから電荷検出部ＦＤへ信号電荷を排出し、フォトダイオードのリセット動作を行う。
【００１２】
次いで、期間ＴＩＮＴの間に露光を行う。すなわち、転送部駆動パルスφＴＸをオフ（ローレベル）としてから次にφＴＸをオンとするまでの期間ＴＩＮＴの間、光電変換された信号電荷を、フォトダイオードＰＤに蓄積する。上記期間ＴＩＮＴは露光期間になっている。尚、上記期間ＴＩＮＴの最後に、パルスφＲＳをオンからオフにすることによって、電荷検出部ＦＤの電位をフォローティング状態にして、ＦＤ部のリセット動作を行うようになっている。
【００１３】
次いで、期間ＴＷにおいて、転送部駆動パルスφＴＸをオンとして、露光期間ＴＩＮＴの間にフォトダイオードに蓄積した信号電荷をＦＤ部へ転送して、フォトダイオードの信号電荷をＦＤ部へ書き込むようになっている。
【００１４】
尚、期間ＴＲ〜ＴＩＮＴ〜ＴＷでは、全ての画素を同時タイミングで動作させるようになっており、全画素共通に露光蓄積動作を行うようになっている。このようにして、例えば、露光期間ＴＩＮＴの短いシャッタ動作時でも、画面全体の同時性を確保して、動きのある被写体でも歪むことなく撮像できるようにしている。
【００１５】
次に、期間ＴＳで、ＦＤ部に書き込まれた信号電荷を、行単位で順次読み出すようにしている。詳細には、まず期間Ｔ１において、ＦＤ部に書き込まれた信号レベルを読み出す。次いで期間Ｔ２でパルスφＲＳをオンとし、ＦＤ部をリセットする。その後、期間Ｔ３でＦＤ部のリセットレベルを読み出す。この後、後段でよく知られた相関２重サンプリング（ＣＤＳ）動作により、期間Ｔ１の信号レベルと期間Ｔ３のリセットレベルの差を取ることにより、増幅トランジスタＭ３の閾値電圧が画素毎にばらつくこと等による固定パターンノイズを取り除くようにしている。
【００１６】
しかしながら、上記４トランジスタ型構造には以下の課題が存在する。
【００１７】
すなわち、期間Ｔ１の信号レベルには、その前の期間ＴＷでリセットされた時のリセットノイズＶｎ１が重畳し、期間Ｔ３のリセットレベルには、直前の期間Ｔ２でリセットされた時のリセットノイズＶｎ２が重畳する。また、リセットノイズはリセットされる度にランダムに変動し、Ｖｎ１とＶｎ２との間には相関がない。このため、リセットノイズは、Ｖｎ１とＶｎ２との差を取っても消えず、むしろ（Ｖｎ１２＋Ｖｎ２２）１／２となって増大し、リセットノイズが消えないという問題がある。そして、このノイズは、画像においてランダムに変動するノイズとなり、画像のＳ／Ｎを著しく阻害するという問題がある。
【００１８】
更に別の問題点として以下の点が挙げられる。
【００１９】
図９において、期間ＴＷに書き込まれた信号電荷は、期間ＴＳを通してＦＤ部に保持されている間、保持信号が変化してはならないが、上記４トランジスタ型構造では、図８に示すように、ＦＤ部はフォトダイオード部ＰＤに転送ゲートＭ１を介して隣接しているので、ＦＤ部での保持期間ＴＳの間に、信号が劣化（保持信号が変化）するという問題がある。
【００２０】
図１０は、この問題を説明する図である。
【００２１】
図１０に示すように、Ｐ型基板１０１の上に、フォトダイオードとして、Ｎ型の光電変換蓄積部１０２、および表面電位を固定するピンニング層１０３が形成されている。また、フォトダイオードに隣接して転送ゲート１０６および電荷検出部１０４が形成されている。また、電荷検出部１０４の上には、遮光層１０７が形成されている。
【００２２】
このことから、ＦＤ部での保持期間ＴＳにおいて、斜め入射光があると、入射光の一部が電荷検出部１０４に達し、ここで光電変換された電荷が、電荷検出部１０４に保持された信号を汚す（保持信号を変化させる）という問題がある。更に、光電変換蓄積部１０２の下側まで達した入射光が、そこで光電変換して、発生した電荷が拡散により電荷検出部１０４まで達して、この電荷が、電荷検出部１０４での保持期間ＴＳの間に、信号を汚すという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−３２０１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
そこで、この発明の課題は、動きのある被写体でも歪むことなく撮像することができると共に、リセットノイズを抑えることができてＳ／Ｎの良い画像を得ることができ、更に、保持期間での信号の汚染を防止できる増幅型固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、
光電変換素子とこの光電変換素子からの信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する画素と、
直列に接続された第１スイッチング素子および第１キャパシタンス素子を有する第１経路と、反転増幅器と、リセット用スイッチング素子とを並列に接続してなるスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記転送トランジスタをオフにして、上記光電変換素子に信号電荷を蓄積する制御を行った後、上記リセット用スイッチング素子により反転増幅器入力をリセットする第１のリセット動作を行い、その後上記第１スイッチング素子をオンにすると共に、上記リセット用スイッチング素子をオフにした状態で、上記転送トランジスタを所定時間の間オンにして、上記光電変換素子に蓄積されている信号電荷を、上記第１キャパシタンス素子に書き込む制御を行い、その後、上記第１スイッチング素子をオンにして、上記第１キャパシタンス素子に書き込まれた信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御を行う制御部と
を備えることを特徴としている。
【００２５】
本発明によれば、光電変換素子の信号を上記第１キャパシタンス素子に書き込んだ後、上記第１キャパシタンス素子からの信号を読み出すようにしているので、所望のタイミングで信号を読み出すことができると共に、保持期間における信号の汚染を抑制できる。
なお本発明では、リセット動作は２種類ある。第１のリセット動作は反転増幅器の入力をリセットするもので、この直後に反転増幅器入力へ光電変換素子からの信号電荷を転送し、これらリセット後信号と信号電荷転送後信号を別々に読み出して、後段でその変化分を取れば、正味の信号として検出される。他方、光電変換素子を初期状態にリセットする動作が第２のリセット動作で、第１のリセット動作とは異なる動作となる。
【００２６】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記第１経路に並列に接続されると共に、直列に接続された第２スイッチング素子および第２キャパシタンス素子を有する第２経路を備え、
上記制御部は、上記第１スイッチング素子および上記第２スイッチング素子をオンにすることによって、上記第１キャパシタンス素子および上記第２キャパシタンス素子に、上記第１のリセット動作した時のリセット信号を、書き込む制御を行った後、上記第１スイッチング素子をオンにすると共に上記第２スイッチング素子をオフにして、上記第１キャパシタンス素子のみに上記光電変換素子に蓄積された信号電荷を書き込む制御を行い、その後、上記第１スイッチング素子をオンにして上記第１キャパシタンス素子に書き込まれた信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御と、上記第２スイッチング素子をオンにして上記第２キャパシタンス素子に書き込まれたリセット信号を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御を行うことを特徴としている。
【００２７】
上記実施形態によれば、光電変換素子のリセット信号を、第１キャパシタンス素子および第２キャパシタンス素子に書き込んだ後、上記第１キャパシタンス素子のみに上記光電変換素子に蓄積された信号電荷を書き込む制御を行い、その後、上記第１キャパシタンス素子に書き込まれた信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御と、上記第２キャパシタンス素子に書き込まれたリセット信号を上記スイッチトキャパシタアンプ部から出力する制御を行うので、この実施形態の増幅型固体撮像装置は、例えば、後段にてＣＤＳ動作によりリセット信号と光電変換素子の信号との差を取ることにより、リセットノイズを取り除くことができる。したがって、動きのある被写体でも歪むことなく撮影できると共に、ノイズを格段に低減できて、画像をノイズがなくて良質なものにすることができる。
【００２８】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記画素が複数存在し、上記制御部が、上記複数の画素が有する全ての上記光電変換素子の信号を、上記第１キャパシタンス素子に同時に書き込む制御を行うようになっている。
【００２９】
上記実施形態によれば、上記制御部が、全ての上記光電変換素子の信号を上記キャパシタンス素子に同時に書き込む制御を行うようになっているので、信号を書き込む時間を短くすることができる。
【００３０】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部は、上記全ての光電変換素子の信号を上記第１キャパシタンス素子に同時に書き込む制御を行う前に、上記光電変換素子の信号をリセットする第２のリセット動作を全ての光電変換素子について同時に行う制御をするようになっている。
【００３１】
上記実施形態によれば、全ての光電変換素子について同時に第２のリセット動作を行っているので、その後全ての光電変換素子の信号を同時に書き込むことを可能にすることができる。また、全ての光電変換素子の画像情報を同じタイミングで取り込むことにより、動きのある被写体でも全く歪むことなく撮像することが可能になる。
【００３２】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記画素が複数存在し、上記制御部は、上記複数の画素が有する全ての上記光電変換素子の信号を、上記第１キャパシタンス素子に順次書き込む制御を行うようになっている。
【００３３】
上記実施形態によれば、上記制御部が、上記全ての光電変換素子の信号を上記キャパシタンス素子に順次書き込む制御を行うようになっているので、駆動電流の集中を防止することができて、構成部品の破壊を防止することができる。
【００３４】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記全ての光電変換素子の信号を上記第１キャパシタンス素子に順次書き込む制御を行う前に、上記光電変換素子の信号をリセットする第２のリセット動作を全ての光電変換素子について順次行うようになっている。
【００３５】
上記実施形態によれば、全ての光電変換素子について順次第２のリセット動作を行った後、全ての光電変換素子の信号を順次書き込むようにしているので、第２のリセット動作や書き込み動作を高速に行うことにより、読み出し電流の集中を防止しながら、全ての光電変換素子の画像情報を短い時間内で取り込むことができる。
【００３６】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記光電変換素子が、埋め込み型のフォトダイオードである。
【００３７】
上記実施形態によれば、上記光電変換素子が、埋め込み型のフォトダイオードであるので、上記光電変換素子で発生する暗電流によるノイズを大幅に低減できる。したがって、後段のＣＤＳ動作によるリセットノイズの低減との相乗効果により、画素部全体のノイズを格段に低減することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、光電変換素子の信号を第１キャパシタンス素子に書き込んだ後、上記第１キャパシタンス素子からの信号を読み出すようにしているので、所望のタイミングで信号を読み出すことができると共に、保持期間における信号の汚染を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、この発明の増幅型固体撮像装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態の増幅型固体撮像装置の一部を示す回路図である。
【００４１】
この増幅型固体撮像装置は、画素部１０と、制御部２０とを備える。
【００４２】
上記画素部１０は、１個の画素と、１個のスイッチトキャパシタアンプ部と、選択部５とを備える。
【００４３】
上記画素は、光電変換素子の一例としての埋め込み型のフォトダイオード１と、このフォトダイオード１の信号電荷を検出部ＦＤへ転送する役割を果たしていると共に、図８のＭ１のような構造を有する転送トランジスタで構成される転送部２とからなっている。
【００４４】
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、転送部２からの信号をキャパシタンス素子に転送する反転増幅器３と、反転増幅器３の入出力間をショートした電位に検出部ＦＤをリセットするリセット用スイッチング素子で構成されるリセット部４と、信号電荷を蓄積するキャパシタンス素子とからなる。そして、上記キャパシタンス素子は、フォトダイオード１からの信号を保持する第１キャパシタンス素子７と、リセットレベルを保持する第２キャパシタンス素子９とを備えている。そして、第１キャパシタンス素子７にはそれを制御する第１スイッチング素子６、第２キャパシタンス素子９にはそれを制御する第２スイッチング素子８がそれぞれ直列に接続されている。
【００４５】
上記リセットトランジスタから成るリセット部４は、スイッチング素子としての役割を果たしている。また、上記第１キャパシタンス素子７と第１スイッチング素子６とは、第１経路を構成し、上記第２キャパシタンス素子９と第２スイッチング素子８とは、第２経路を構成している。上記第１スイッチング素子６および第２スイッチング素子８は、トランジスタで構成されている。
【００４６】
上記選択部５は、トランジスタで構成されるスイッチング素子である。上記選択部５は、第１キャパシタンス素子７および第２キャパシタンス素子９からの信号を、信号線１１へ出力する役割を果たしている。
【００４７】
また、制御部２０は、転送部２、リセット部４、選択部５、第１スイッチング素子６、第２スイッチング素子８の夫々に、信号φＴｉ、φＲｉ、φＳｉ、φＷｉ、φＤｉを印加することによって、転送部２、リセット部４、選択部５、第１スイッチング素子６、第２スイッチング素子８の駆動を制御するようになっている（ここで、サフィックスｉはｉ行目画素部を示す。）。
【００４８】
図２は、図１に一画素部の構成を示す増幅型固体撮像装置の一実施形態のタイミングチャートである。
【００４９】
以下に、図２を用いて上記増幅型固体撮像装置の動作について説明する。
【００５０】
先ず、期間ＴＷにおいて、全ての画素の書き込み動作と画素リセット（第２のリセット）動作を一括して同時に行う。ここで、１フレーム（Ｔｉｎｔ）前の期間ＴＷにも同じ動作が行われるから、期間ＴＷの最初には光電変換素子には期間Ｔｉｎｔの間、フォトダイオードに発生した信号電荷が蓄積している。
【００５１】
詳細には、ＴＷにおける最初の期間Ｔ１において、リセットパルスφＲｉをオンにすることによって、検出部ＦＤの電位をリセット（第１のリセット）動作すると共に、スイッチφＷｉ、φＤｉをオンにすることによって、ＦＤのリセットレベルを第１キャパシタンス素子７および第２キャパシタンス素子９に保持するようにする。
【００５２】
次に、期間Ｔ１後の期間Ｔ２において、パルスφＤｉをオフ（ローレベル）にして、第２キャパシタンス素子９にＦＤのリセットレベルを書き込んだ後、期間Ｔ３において、転送パルスφＴｉをオンにして、Ｔｉｎｔの間にフォトダイオードに露光蓄積された信号電荷をＦＤ部に転送する。この時、パルスφＷｉをオンにすることによって、ＦＤの信号レベルを第１キャパシタンス素子７に保持するようにする。
【００５３】
最後に、期間Ｔ３後の期間Ｔ４において、パルスφＷｉをオフにして、第１キャパシタンス素子７にＦＤの信号レベルを書き込むようにする。以上の動作を、全ての画素で同時に行う。
【００５４】
以上の書き込み動作において、ＦＤ部のリセットは期間Ｔ１での１回のみであり、この時、書き込み時リセットノイズＶｎｗが発生する。そして、第２キャパシタンス素子９に保持されたリセットレベルと第１キャパシタンス素子７に保持された信号レベルは、同じリセットノイズＶｎｗを有することになる。また、期間Ｔ１において、第１キャパシタンス素子７および第２キャパシタンス素子９をリセットする際、第１スイッチング素子６および第２スイッチング素子８が共にオンとなるから、第１キャパシタンス素子７および第２キャパシタンス素子９には、共通のｋＴＣノイズＶｋｔｃが書き込まれるようになっている。
【００５５】
この増幅型固体撮像装置では、各画素において、リセットレベルと信号レベルを同時に書き込んだ後、期間ＴＳにおいて、各画素からの読み出し動作を、１行おきに順次行うようになっている。詳細には、先ず、ｉ行目画素において、期間Ｔ５にリセットパルスφＲｉをオンにすることによって、検出部ＦＤの電位をリセットするようになっている。その後、期間Ｔ６においてパルスφＤｉ等をオンにして、第２キャパシタンス素子９に保持されたリセットレベルを読み出した後、期間Ｔ７においてパルスφＷｉをオンにして、第１キャパシタンス素子７に保持された信号レベルを読み出すようになっている。そして、図２に１Ｈで示す１水平走査期間が終了した後、ｉ＋１行目画素において、上記と同様の動作を繰り返すようになっている。
【００５６】
この実施形態の増幅型固体撮像装置では、読み出し動作は１行おきに順次実施されるが、各画像は同時に取り込んだものであるので、動きのある被写体でも歪むことなく撮像することができる
以上の読み出し動作において、ＦＤ部のリセットは期間Ｔ５での１回のみであり、この時、読み出し時リセットノイズＶｎｒが発生する。第２キャパシタンス素子９から読み出されたリセットレベルと第１キャパシタンス素子７から読み出された信号レベルには同じリセットノイズＶｎｒが重畳していることになる。
【００５７】
上述のように、この増幅型固体撮像装置では、２つの信号、すなわち、第２キャパシタンス素子９に保持されたリセットレベルと、第１キャパシタンス７に保持された信号レベルに、共通の書き込み時リセットノイズＶｎｗ、ｋＴＣノイズＶｋｔｃ、および、読み出し時リセットノイズＶｎｒが重畳している。したがって、図示しないが、後段のＣＤＳ動作において上記２つの信号の間の差を取ることにより、両リセットノイズおよびｋＴＣノイズを共に取り除くことができて、信号成分のみを取り出すことができる。したがって、従来よりも格段にノイズが少なくて明瞭な画像を獲得することができる。
【００５８】
なお、期間ＴＷにおいて、画素リセット（第２のリセット）動作は、期間Ｔ３において、転送パルスφＴをオンにしてフォトダイオードに露光蓄積された信号電荷をＦＤ部に転送することにより行われる。しかし、フォトダイオードに蓄積された信号電荷が非常に多い場合、本動作のみでは画素リセット動作が不十分となることもあり得る。この場合、図２の破線で示したように、期間ＴＲにおいて、更にリセットパルスφＲおよび転送パルスφＴをオンさせることにより、補強の画素リセット動作を行っても良い。
【００５９】
図２に示すタイミングチャートを採用した場合、両リセットノイズおよびｋＴＣノイズを共に取り除くことができる等の作用効果を獲得できる一方、期間ＴＷ（および期間ＴＲ）での画素リセット動作時および書き込み動作時に、全ての画素部内反転増幅器を同時に駆動する必要があり、駆動電流が集中して瞬間的に大きな電流が流れるという問題がある。
【００６０】
図３は、図１に構成を示す増幅型固体撮像装置の他の実施形態のタイミングチャートであり、上記瞬間的で大きな電流を回避できるタイミングチャートである。
【００６１】
先ず、期間ＴＷにおいて、全ての画素の書き込み動作と画素リセット（第２のリセット）動作を１行当たり期間Ｔ０で順次高速に繰り返し行う。ここで、１フレーム（Ｔｉｎｔ）前の期間ＴＷにも同じ動作が行われるから、各行ともに期間Ｔ０の最初には光電変換素子には期間Ｔｉｎｔの間、フォトダイオードに発生した信号電荷が蓄積している。
【００６２】
期間ＴＷにおいて、ｉ行目の画素の反転増幅器を駆動するのはパルスＶＤｉがハイレベルの期間のみである。また、この中の期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４における動作は、図２の場合と同様である。即ち、期間Ｔｉｎｔの間にフォトダイオードに発生・蓄積した信号電荷の書き込みと、画素リセット（第２のリセット）動作を、行毎に行う。これら動作を１行当たり期間Ｔ０で順次高速に繰り返し、ｎ行からなる全画素の書き込み動作をｎＴ０期間で終了するようになっている。この動作タイミングチャートでは、書き込みおよび画素リセット時にも反転増幅器の駆動を１行毎で行うようにしているので、駆動電流の集中を確実に防止することができる。
【００６３】
続いて、期間ＴＳにおいては、図２の場合と全く同様に、各画素からの読み出し動作を１行おきに順次行うようになっている。
【００６４】
図３に示した動作において、画面全体の第２のリセットおよび書き込み動作には、期間ｎＴ０を要する。より具体的には、Ｔ０は通常１ｕｓ程度であるから、ＶＧＡ（６４０×４８０）画素程度であれば、画面全体の第２のリセットおよび書き込み動作を、０.５ｍｓ程度で終えることができる。したがって、この時間は、シャッタ時間１／２０００ｓに相当する時間であるので、動きのある被写体の撮像でも歪み量を非常に小さくすることができる。
【００６５】
なお、図２の場合と同様、期間ＴＷにおいて、画素リセット（第２のリセット）動作は、期間Ｔ３において、転送パルスφＴをオンにしてフォトダイオードに露光蓄積された信号電荷をＦＤ部に転送することにより行われる。しかし、フォトダイオードに蓄積された信号電荷が非常に多い場合、本動作のみでは画素リセット動作が不十分となることもあり得る。この場合、図３の破線で示したように、期間ＴＲにおいて、パルスＶＤがハイレベルの期間であって、更にリセットパルスφＲおよび転送パルスφＴをオンさせることにより、補強の画素リセット動作を行っても良い。
【００６６】
尚、図１に示す増幅型固体撮像装置は、画素部１０に１個の画素と１個のスイッチトキャパシタアンプ部を備える構成であったが、本発明の増幅型固体撮像装置はこの構成に限定されるものではないことは勿論である。
【００６７】
図４は、この発明の図１と異なる構成の増幅型固体撮像装置を示す図である。
【００６８】
この増幅型固体撮像装置の画素部４０は、２個の画素と、１個のスイッチトキャパシタアンプ部とを備えている。
【００６９】
上記２個の画素は並列に接続されている。上記２個の画素は、光電変換素子の一例としての埋め込み型のフォトダイオード４１と、このフォトダイオード４１の信号電荷を検出部ＦＤへ転送する役割を果たすと共に、転送トランジスタからなる転送部２１とを有する画素と、光電変換素子の一例としての埋め込み型のフォトダイオード４２と、このフォトダイオード４２の信号電荷を検出部ＦＤへ転送する役割を果たすと共に、転送トランジスタからなる転送部２２とを有する画素からなっている。
【００７０】
また、スイッチトキャパシタアンプ部は、転送部２１,２２からの信号をキャパシタンス素子に転送する反転増幅器３３と、反転増幅器３３の入出力間をショートした電位に検出部ＦＤをリセットするリセット用スイッチング素子からなるリセット部４４と、信号電荷を蓄積するキャパシタンス素子とからなっている。
【００７１】
また、キャパシタンス素子は、フォトダイオードからの信号を保持する第１キャパシタンス素子７１および７２と、リセットレベルを保持する第２キャパシタンス素子９１および９２とを備えている。第１キャパシタンス素子７１には、第１キャパシタンス素子７１の動作を制御する第１スイッチング素子６１が直列に接続され、第１キャパシタンス素子７２には、第１キャパシタンス素子７２の動作を制御する第１スイッチング素子６２が直列に接続されている。また、第２キャパシタンス素子９１には、第２キャパシタンス素子９１の動作を制御する第２スイッチング素子８１が直列に接続され、第２キャパシタンス素子９２には、第２キャパシタンス素子９２の動作を制御する第２スイッチング素子８２が直列に接続されている。上記第１スイッチング素子６１、第１スイッチング素子６２、第２スイッチング素子８１および第２スイッチング素子８２は、トランジスタで構成されている。また、第１キャパシタンス素子７１および第１スイッチング素子６１は、第１経路を構成すると共に、第１キャパシタンス素子７２および第１スイッチング素子６２は、第１経路を構成している。また、第２キャパシタンス素子９１および第１スイッチング素子８１は、第２経路を構成すると共に、第１キャパシタンス素子９２および第１スイッチング素子８２は、第２経路を構成している。
【００７２】
また、画素部４０は、選択部５５を有している。上記選択部５５は、トランジスタで構成されるスイッチング素子である。上記選択部５５は、第１キャパシタンス素子７１、第１キャパシタンス素子７２、第２キャパシタンス素子９１および第１キャパシタンス素子９２からの信号を、信号線に出力する役割を果たしている。
【００７３】
尚、図４において、φＴ１ｉ，φＴ２ｉ、φＲｉ、φＳｉ、φＷ１ｉ、φＷ２ｉ、φＤ１ｉ、φＤ２ｉは、図示しない駆動部から転送部２１、転送部２２、リセット部４４、選択部５５、スイッチング素子６１、スイッチング素子６２、スイッチング素子８１およびスイッチング素子８２にそれぞれ印加されるパルス信号である。また、サフィックスｉは、ｉ行目の画素部を示している。
【００７４】
図４に示す増幅型固体撮像装置は、２行分を同じスイッチトキャパシタアンプ部を用いる点のみが図１に示す増幅型固体撮像装置と異なっている。
【００７５】
図４に示す増幅型固体撮像装置は、書き込み動作時においては、先ず奇数行についてキャパシタンス素子７１,９１について図１と同様の動作を行った後、偶数行についてキャパシタンス素子７２,９２について図１と同様の動作を行うようになっており、これを２行単位で順次繰り返すようになっている。また、読み出しも図１と同様、奇数行について図１と同様の動作をキャパシタンス素子７１,９１について行った後、偶数行について図１と同様の動作をキャパシタンス素子７２,９２について行うようになっており、これを２行単位で順次繰り返すようになっている。
【００７６】
図４に示す増幅型固体撮像装置は、一つのスイッチトキャパシタアンプ部が、２つの画素の信号処理を行うようになっているので、１画素当たりのトランジスタ数を削減することができる。
【００７７】
尚、図４に示す増幅型固体撮像装置では、２画素を共有していることによりスイッチトキャパシタアンプ部の入力容量が増大するが、ゲインが十分高い反転増幅器を用いることにより、入力容量の影響を抑制することができる。
【００７８】
図１および図４に示す増幅型固体撮像装置では、１個の画素当たりのキャパシタンス素子が２つであったが、１個の画素当たりキャパシタンス素子が１つであっても良く、この場合においても、受光領域全体で一度に書き込みを行い、順次読み出し動作を行うことができる。
【００７９】
図５（Ａ）、（Ｂ）は、１個の画素当たりのキャパシタンス素子が１つである増幅型固体撮像装置の部分回路図である。
【００８０】
図５（Ａ）,（Ｂ）において、２０１、３１１および３１２は、埋め込み型のフォトダイオードであり、２０２、３２１および３２２は、スイッチング素子で構成された転送部である。また、２０３および３０３は、反転増幅器であり、２０４および３０４は、リセット用スイッチング素子で構成されたリセット部である。また、２０５および３０５は、スイッチング素子で構成された選択部であり、２０６、３６１および３６２は、第１スイッチング素子であり、２０７、３７１および３７２は、第１キャパシタンス素子である。上記種々のスイッチング素子は、トランジスタからなっている。
【００８１】
また、上記第１スイッチング素子２０６および第１キャパシタンス素子２０７、第１スイッチング素子３６１および第１キャパシタンス素子３７１、および、第１スイッチング素子３６２および第１キャパシタンス素子３７２は、夫々第１経路を構成している。
【００８２】
また、信号φＴｉ、φＲｉ、φＳｉ、φＷｉ、φＴ１ｉ、φＴ２ｉ、φＲｉ、φＳｉ、φＷ１ｉ、φＷ２ｉは、図示しない駆動部から上記種々のスイッチング素子に出力されるパルス信号である。
【００８３】
図５（Ａ）,（Ｂ）に示す増幅型固体撮像装置は、リセットノイズの削減ができない一方、動きのある被写体でも歪むことなく撮像することができ、また、図１、図４の場合と比較して、画素当たりのキャパシタ数を低減できて、小型化を実現することができる。
【００８４】
尚、図４では、１個のスイッチトキャパシタアンプ部が、２つの画素の信号処理を行うようになっていたが、本発明では、１個のスイッチトキャパシタアンプ部が、もっと多くの画素、例えば、４画素ないし８画素の信号処理を行うようになっていても良く、この場合、１画素当たりのトランジスタ数を、更に減少させることができて、製造コストを更に削減することができる。
【００８５】
図６は、本発明の一実施形態の増幅型固体撮像装置の一部の断面図である。
【００８６】
以下に、図６を用いて、本発明の別の利点を説明することにする。
【００８７】
この増幅型固体撮像装置は、Ｐ型基板１０１と、Ｐ型基板１０１の上に形成されたフォトダイオードとしてのＮ型の光電変換蓄積部１０２と、光電変換蓄積部１０２上に形成された表面電位を固定するピンニング層１０３とを備える。
【００８８】
また、上記Ｐ型基板１０１上のフォトダイオードの隣接部には、転送ゲート１０６が形成されており、更に、上記Ｐ型基板１０１上の転送ゲート１０６の隣接部分には、電荷検出部１０４が形成されている。
【００８９】
また、電荷検出部１０４の上には、遮光層１０７が形成されている。図６に示す増幅型固体撮像装置では、電荷検出部１０４に隣接してスイッチゲート１０８があり、電荷検出部１０４はスイッチゲート１０８を介してキャパシタの端子１０９に接続されている。
【００９０】
したがって、斜め入射光がキャパシタの端子１０９まで達することを略完全に防止できると共に、光電変換蓄積部１０２の下側まで達した入射光により光電変換された電荷が、キャパシタの端子１０９まで達することも略完全に防止できる。したがって、電荷検出部１０４での保持期間ＴＳの間に、信号が入射光により汚染される程度を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施形態の増幅型固体撮像装置の一部を示す回路図である。
【図２】図１に構成を示す増幅型固体撮像装置の一実施形態のタイミングチャートである。
【図３】図１に構成を示す増幅型固体撮像装置の他の実施形態のタイミングチャートである。
【図４】この発明の図１と異なる構成の増幅型固体撮像装置を示す図である。
【図５】１個の画素当たりのキャパシタが１つである増幅型固体撮像装置の部分回路図である。
【図６】本発明の一実施形態の増幅型固体撮像装置の一部の断面図である。
【図７】従来の増幅型固体撮像装置の動作を示す図である。
【図８】従来の４トランジスタ型構造を示す図である。
【図９】上記４トランジスタ型構造における動作タイミングを示す図である。
【図１０】従来の増幅型固体撮像装置の層構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１,４１,４２,２０１,３１１,３１２  埋め込み型のフォトダイオード
２,２１,２２,２０２,３２１,３２２  転送部
３,３３,２０３,３０３  反転増幅器
４,４４,２０４,３０４  リセット部
５,５５,２０５,３０５  選択部
６,６１,６２,２０６,３６１,３６２  第１スイッチング素子
７,７１,７２,２０７,３７１,３７２  第１キャパシタンス素子
８,８１,８２  第２スイッチング素子
９,９１,９２  第２キャパシタンス素子
１０,４０  画素部
２０  制御部
【図１】
2006067431.tif 000003
【図２】
2006067431.tif 000004
【図３】
2006067431.tif 000005
【図４】
2006067431.tif 000006
【図５】
2006067431.tif 000007
【図６】
2006067431.tif 000008
【図７】
2006067431.tif 000009
【図８】
2006067431.tif 000010
【図９】
2006067431.tif 000011
【図１０】
2006067431.tif 000012