(57)【要約】【課題】  １画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができると共に、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができ、しかもブルーミング現象を防止できる増幅型固体撮像装置を提供すること。【解決手段】  複数の画素１０からなる画素群Ｘ（ｎ，ｊ）が複数設定されている。各画素群に対応してそれぞれ、画素群の画素からの信号を信号線上に読み出すためのスイッチトキャパシタアンプ部２０が設けられている。各スイッチトキャパシタアンプ部２０は、対応する画素群に含まれた各転送トランジスタ２の出力端子が共通に接続された電荷検出ノード８と、反転増幅器３と、リセットトランジスタ５Ａと、キャパシタンス素子４とを有する。リセットトランジスタ５Ａのオフ時のチャネルポテンシャルが、転送トランジスタ２のオフ時のチャネルポテンシャルより深い。【選択図】図１
2005347920.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の信号電荷を転送する転送トランジスタとをそれぞれ有する複数の画素からなる複数の画素群と、
上記各画素群に対応してそれぞれ設けられ、上記対応する画素群の画素からの信号を信号線上に読み出すためのスイッチトキャパシタアンプ部を備え、
上記各スイッチトキャパシタアンプ部は、上記対応する画素群に含まれた各転送トランジスタの出力端子が共通に接続された電荷検出ノードと、上記電荷検出ノード上の信号を入力し増幅して上記信号線上へ出力する反転増幅器と、上記反転増幅器の入力端子と出力端子との間に接続されたリセットトランジスタおよびキャパシタンス素子とを有し、
上記リセットトランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルより深いことを特徴とする、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、上記反転増幅器の出力端子と上記信号線との間に接続された選択トランジスタを備え、
上記選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルより深いことを特徴とする、増幅型固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
信号の読み出しのために各画素を走査するとともに、或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その信号線の電位を一定電位に固定する制御を行う制御部を備えたことを特徴とする、増幅型固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記各スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器のための負荷部を備え、
信号の読み出しのために各画素を走査するとともに、或る信号線に対応する画素の信号を読み出す期間には、その信号線と電源との間に上記負荷部を接続する一方、或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その信号線から上記負荷部を切り離すとともにその信号線の電位を一定電位に固定する制御を行う制御部を備えたことを特徴とする、増幅型固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記リセットトランジスタまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタがデプレッション型であることを特徴とする、増幅型固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記転送トランジスタのオフ時のゲート電圧を接地電圧に設定する一方、上記リセットトランジスタまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタのオフ時のゲート電圧を接地電圧と電源電圧との中間の値に設定する制御部を備えたことを特徴とする、増幅型固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子が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。
【請求項８】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置を駆動する増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、
上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオンしてリセット動作を行う第１ステップと、
上記第１ステップの後に、上記リセットトランジスタをオフしてリセットレベルのみの読み出し動作を行う第２ステップと、
上記第２ステップの後に、上記画素の転送トランジスタをオンして、上記画素から上記スイッチトキャパシタアンプ部に電荷転送を行う第３ステップと、
上記第３ステップの後に、上記転送トランジスタをオフし、信号レベルの読み出し動作を行う第４ステップとを有し、
上記各画素群で各画素毎に上記第１ステップから第４ステップまでの動作を繰り返すことを特徴とする増幅型固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
請求項２に記載の増幅型固体撮像装置を駆動する増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、
上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオンしてリセット動作を行う第１ステップと、
上記第１ステップの後に、上記選択トランジスタをオンし、上記リセットトランジスタをオフしてリセットレベルのみの読み出し動作を行う第２ステップと、
上記第２ステップの後に、上記画素の転送トランジスタをオンして、上記画素から上記スイッチトキャパシタアンプ部に電荷転送を行う第３ステップと、
上記第３ステップの後に、上記転送トランジスタをオフし、上記選択トランジスタをオンして、信号レベルの読み出し動作を行う第４ステップとを有し、
上記各画素群で各画素毎に上記第１ステップから第４ステップまでの動作を繰り返すことを特徴とする増幅型固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、画素部に増幅回路を有する増幅型固体撮像装置およびその駆動方法に関する。より詳しくは、この発明は、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およびその駆動方法に関する。
【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。特に、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。
【０００３】
上記ＡＰＳ型イメージセンサは、通常１画素内に光電変換部と増幅部と画素選択部およびリセット部を含む。このため、ＡＰＳ型イメージセンサを構成するには、通常フォトダイオード(ＰＤ)からなる光電変換部の他に３個〜４個のエンハンスメントＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)が用いられている。なお、以下では、特に断らない限り、ＭＯＳ型トランジスタはエンハンスメント型のものを指す。
【０００４】
例えば、図１０に示すように、１個のフォトダイオード(ＰＤ)と４個のＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)を用いて、ＰＤ＋４Ｔr方式としたＡＰＳ型イメージセンサが知られている（例えば、非特許文献１（I.Inoue et al., IEDM Technical Digest, p.883 (1999)）参照。）。このＰＤ＋４Ｔr方式のＡＰＳ型イメージセンサは、「ＰＤ」としてフォトダイオード２０１を備え、「４Ｔr」としては、フォトダイオード２０１に蓄積した信号電荷を転送するための転送トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２、画素選択トランジスタ２３３を備えている。ここで、フォトダイオード２０１を埋め込み型とし、フォトダイオード２０１からの信号電荷転送を完全とすれば、極めて低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となる。
【０００５】
なお、上記転送トランジスタ２０２の駆動パルスはφTで表され、リセットトランジスタ２３１の駆動パルスはφRで表され、画素選択トランジスタ２３３の駆動パルスはφSで表されている。また、垂直信号線２３５は、駆動パルスφLが印加される定電流負荷トランジスタ２３４を介して接地され、出力信号ＶSを出力するようになっている。なお、ＶDDは電源電圧(一定電圧)である。
【０００６】
このように１画素当たり３〜４個のＭＯＳトランジスタを設ければ、画素サイズの小型化に制約となる。このため最近、図１１に示す増幅型固体撮像装置のように、１画素当たりのトランジスタの数を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１（特開平９−４６５９６号公報）参照。）。この増幅型固体撮像装置は、フォトダイオード２０１と転送トランジスタ２０２とからなる複数の組（以下では、フォトダイオードと転送トランジスタとからなる各組をそれぞれ「画素」と呼ぶ。図１１中には２個の画素を示す。）に対して、共通の電荷検出ノード２０８、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２、画素選択トランジスタ２３３を備えている。
【０００７】
この提案された増幅型固体撮像装置は、例えば２画素当たり１個の共通部（つまり、電荷検出ノード２０８、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２、画素選択トランジスタ２３３）を設けるものとすると、１画素当たり２．５個のトランジスタで構成される。また、４画素当たり１個の共通部を設けるものとすると、１画素当たり１．７５個のトランジスタで構成される。したがって、１画素当たり３個〜４個のＭＯＳ型トランジスタで構成される一般的なＡＰＳ型イメージセンサに比して、１画素当たりのトランジスタの数が削減される。
【０００８】
しかしながら、特許文献１（特開平９−４６５９６号公報）の技術では、次のような問題が生じる。即ち、フォトダイオード２０１からの信号電荷Ｑsigを電圧信号Ｖsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、共通の電荷検出ノード２０８の容量をＣFDとすると、
η  ＝  Ｇ・Ｖsig／Ｑsig  ＝  Ｇ／ＣFD                …（１）
となる。ここで、Ｇは増幅用トランジスタ２３２と定電流負荷トランジスタ２３４とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、１より小さい値を示す。
上記式（１）から明らかなように、電荷電圧変換効率ηを大きくするには、容量ＣFDを小さくする必要がある。上記共通の電荷検出ノード２０８の容量ＣFDは、電荷検出ノード２０８に接続された転送トランジスタ２０２のドレイン側接合容量と増幅トランジスタ２３２のゲート容量の和である。従って、共通の電荷検出ノードに接続されるフォトダイオードおよび転送トランジスタの数が多くなる程、転送トランジスタのドレイン接合容量が増大するために、電荷電圧変換効率ηが低下するという問題がある。
【特許文献１】特開平９−４６５９６号公報
【非特許文献１】井上（I.Inoue）ら, アイ・トリプルイー・インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・テクニカル・ダイジェスト（IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Technical Digest）, pp.883-886 (1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような問題を解決する手段として、本出願人は先に、図１２に示すような増幅型固体撮像装置を提案した（特願２００４−０４９４８２号）。この増幅型固体撮像装置では、それぞれフォトダイオード１と転送トランジスタ１２とからなる複数の画素１０が行列状に配置されている。図１２では、複数行,複数列に配置された画素群のうちの第ｊ列と第（ｊ＋１）列の２列のみを示している。各列において、画素群としてのｋ個の画素１０毎に、画素１０からの信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部２０が設けられている。なお、ｋは２以上の整数であるが、図１２ではｋ＝４の例を示している。
【００１０】
上記画素１０をなすフォトダイオード１のアノードはグランドに接続されている。上記フォトダイオード１のカソードに転送トランジスタ１２のドレインが接続されている。また、上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、反転アンプ３と、上記反転アンプ３の入出力端子間に接続されたリセットトランジスタ１５およびキャパシタ４と、反転アンプ３の出力端子と垂直信号線７との間に挿入された選択トランジスタ１６からなる。また、上記反転アンプ３の入力端子は、４個の画素１０の出力側(転送トランジスタ２のソース)が共通接続された電荷検出ノード８上の信号を入力するようになっている。ここで、電荷検出ノード８の容量をＣFD、キャパシタ４の容量をＣinで表す。なお、電荷検出ノード８は、ｋ個の画素１０を含む画素群毎に分割されている。
【００１１】
また、制御部の一例としての垂直走査回路２５から転送トランジスタ駆動信号ライン２１、選択トランジスタ駆動信号ライン２２、リセットトランジスタ駆動信号ライン２３が行方向に延びている。上記転送トランジスタ駆動信号ライン２１を、行方向に配列された各画素１０の転送トランジスタ１２のゲートに接続している。また、上記選択トランジスタ駆動信号ライン２２を、スイッチトキャパシタアンプ部２０の選択トランジスタ１６のゲートに接続している。また、上記リセットトランジスタ駆動信号ライン２３を、スイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランンジスタ１５のゲートに接続している。
【００１２】
例えば第ｊ列、第（ｊ＋１）列に設けられた第ｎ群の４個の画素１０の各転送トランジスタ２のゲートには、それぞれ垂直走査回路２５からの駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,４)が各転送トランジスタ駆動信号ライン２１を介して印加される。また、第ｊ列、第（ｊ＋１）列に設けられたｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０、２０の各リセットトランジスタ５のゲートに駆動パルスφR(ｎ)がリセットトランジスタ駆動信号ライン２３を介して印加され、各選択トランジスタ１６の駆動パルスφS(ｎ)が選択トランジスタ駆動信号ライン２２を介して印加される。これにより、第ｊ列の出力信号線７からは出力信号Ｖs,jが得られ、第（ｊ＋１）列の出力信号線１１からは出力信号Ｖs,j+1が得られる。
【００１３】
なお、反転アンプ３のゲインＧは可能な限り大きい値とする。ゲインＧが十分大であれば、反転アンプ３、リセットスイッチ１５、キャパシタ４はスイッチトキャパシタアンプを構成することになる。従って、電荷検出ノード８の信号電荷は、キャパシタ４(容量Ｃin)に転送され、蓄積される。即ち、信号電荷を電圧に変換する容量は実効的にＣFDからＣinになり、ＣFD≫Ｃinとすることにより電荷電圧変換効率を大きくすることが可能となる。
【００１４】
更に、フォトダイオード１を埋め込み型とし、フォトダイオード１から転送トランジスタ１２を介して電荷検出ノード８への電荷転送を完全とすれば、光電変換部で発生するノイズを大幅に抑えることができる。
【００１５】
しかしながら、この図１２の増幅型固体撮像装置では、フォトダイオード１と転送トランジスタ１２からなる画素１０がｋ個共通に電荷検出ノード８を介してスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続されているため、特定のフォトダイオード１に過大光が入射すると、電荷検出ノード８の電位が低下して転送トランジスタ１２のチャネルポテンシャル以下になることがある。このため、他のフォトダイオードへ電荷が逆流して、ブルーミング現象を引き起こすという問題がある。
【００１６】
そこで、この発明の課題は、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができると共に、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができ、しかもブルーミング現象を防止できる増幅型固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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の信号電荷を転送する転送トランジスタとをそれぞれ有する複数の画素からなる複数の画素群と、
上記各画素群に対応してそれぞれ設けられ、上記対応する画素群の画素からの信号を信号線上に読み出すためのスイッチトキャパシタアンプ部を備え、
上記各スイッチトキャパシタアンプ部は、上記対応する画素群に含まれた各転送トランジスタの出力端子が共通に接続された電荷検出ノードと、上記電荷検出ノード上の信号を入力し増幅して上記信号線上へ出力する反転増幅器と、上記反転増幅器の入力端子と出力端子との間に接続されたリセットトランジスタおよびキャパシタンス素子とを有し、
上記リセットトランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルより深いことを特徴とする。
【００１８】
この発明の増幅型固体撮像装置では、上記各画素群で各画素毎に上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して信号を読み出す動作を繰り返すように、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を適切に制御することによって、各画素からの信号をそれぞれ増幅して上記信号線へ出力することができる（詳しくは、後述する。）。この発明の増幅型固体撮像装置では、各画素群に含まれた複数の画素に対してスイッチトキャパシタアンプ部（反転増幅器を含む。）が共通になっているので、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記アンプ部をスイッチトキャパシタ型としているので、上記電荷検出ノードの容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換効率を高めることができる。したがって、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができる。しかも、この発明の増幅型固体撮像装置では、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルよりも上記リセットトランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが深いので、上記信号線上の電荷のポテンシャルが上記リセットトランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルよりも十分深くなるように上記信号線の電位を設定しておけば、特定の光電変換素子に過大光が入射して過剰電荷がその画素の転送トランジスタをオーバーフローして電荷検出ノードの電位が低下しても、過剰電荷は上記リセットトランジスタを介して信号線上へ排出される。すなわち、転送トランジスタを介して他の画素のフォトダイオードへ電荷が逆流することが防止される。これにより、ブルーミング現象が抑圧される。
【００１９】
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、上記反転増幅器の出力端子と上記信号線との間に接続された選択トランジスタを備え、上記選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルより深いことを特徴とする。
【００２０】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルよりも上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが深いので、上記信号線上の電荷のポテンシャルが上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルよりも十分深くなるように上記信号線の電位を設定しておけば、特定の光電変換素子に過大光が入射して過剰電荷がその画素の転送トランジスタをオーバーフローして電荷検出ノードの電位が低下しても、過剰電荷は上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタを介して信号線上へ排出される。すなわち、転送トランジスタを介して他の画素のフォトダイオードへ電荷が逆流することが防止される。これにより、ブルーミング現象がさらに抑圧される。
【００２１】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、信号の読み出しのために各画素を走査するとともに、或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その信号線の電位を一定電位に固定する制御を行う制御部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、制御部は、信号の読み出しのために各画素を走査するとともに、或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その信号線の電位を一定電位に固定する制御を行う。したがって、或る信号線の電位は、その信号線が信号の読み出しに関わらない期間（大部分の期間）には、一定電位に固定される。これにより、ブルーミング現象が効果的に抑圧される。
【００２３】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記各スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器のための負荷部を備え、信号の読み出しのために各画素を走査するとともに、或る信号線に対応する画素の信号を読み出す期間には、その信号線と電源との間に上記負荷部を接続する一方、或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その信号線から上記負荷部を切り離すとともにその信号線の電位を一定電位に固定する制御を行う制御部を備えたことを特徴とする。
【００２４】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、制御部は、信号の読み出しのために各画素を走査するとともに、或る信号線に対応する画素の信号を読み出す期間には、その信号線と電源との間に上記負荷部を接続する一方、或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その信号線から上記負荷部を切り離すとともにその信号線の電位を一定電位に固定する制御を行う。したがって、或る信号線に対応する画素の信号を読み出す期間には、スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器によって反転増幅された信号が、その信号線に接続された負荷部に取り出される。また、或る信号線の電位は、その信号線が信号の読み出しに関わらない期間（大部分の期間）には、一定電位に固定される。これにより、ブルーミング現象が効果的に抑圧される。
【００２５】
或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間には、その画素につながるスイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器はオフ状態であることが望ましい。消費電力低減のためである。
【００２６】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記リセットトランジスタまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタがデプレッション型であることを特徴とする。
【００２７】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記転送トランジスタが画素を構成するのに一般的に用いられるエンハンスメント型であれば、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルよりも、上記リセットトランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルまたは上記リセットトランジスタおよび上記選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが深くなる。
【００２８】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記転送トランジスタのオフ時のゲート電圧を接地電圧に設定する一方、上記リセットトランジスタまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタのオフ時のゲート電圧を接地電圧と電源電圧との中間の値に設定する制御部を備えたことを特徴とする。
【００２９】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、制御部は、上記転送トランジスタのオフ時のゲート電圧を接地電圧に設定する一方、上記リセットトランジスタまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタのオフ時のゲート電圧を接地電圧と電源電圧との中間の値に設定する。したがって、上記リセットトランジスタまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタが一般的に用いられているエンハンスメント型であっても、上記リセットトランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルまたは上記リセットトランジスタおよび選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルを、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルより深くすることが可能となる。
【００３０】
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ことを特徴とする。
【００３１】
ここで「埋め込み型のフォトダイオード」とは、半導体基板の表面から離れた半導体中にｐｎ接合を形成して、不純物受光部表面で発生する暗電流を読み出さないようにしたフォトダイオードを指す。
【００３２】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、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から、このフォトダイオードに蓄積された信号電荷が失われることなく転送される。したがって、低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となる。
【００３３】
この発明の増幅型固体撮像装置の駆動方法は、
上記発明の増幅型固体撮像装置を駆動する増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、
上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオンしてリセット動作を行う第１ステップと、
上記第１ステップの後に、上記リセットトランジスタをオフしてリセットレベルのみの読み出し動作を行う第２ステップと、
上記第２ステップの後に、上記画素の転送トランジスタをオンして、上記画素から上記スイッチトキャパシタアンプ部に電荷転送を行う第３ステップと、
上記第３ステップの後に、上記転送トランジスタをオフし、信号レベルの読み出し動作を行う第４ステップとを有し、
上記各画素群で各画素毎に上記第１ステップから第４ステップまでの動作を繰り返すことを特徴とする。
【００３４】
この発明の増幅型固体撮像装置の駆動方法によれば、上記発明の増幅型固体撮像装置を適切に駆動して、各画素からの信号をそれぞれ増幅して上記信号線へ出力することができる。
【００３５】
別の局面では、この発明の増幅型固体撮像装置の駆動方法は、上記発明の増幅型固体撮像装置であって、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記反転増幅器の出力端子と上記信号線との間に接続された選択トランジスタを備え、上記選択トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルが、上記転送トランジスタのオフ時のチャネルポテンシャルより深いものを適切に駆動する方法に係る。
【００３６】
すなわち、この増幅型固体撮像装置の駆動方法は、
上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオンしてリセット動作を行う第１ステップと、
上記第１ステップの後に、上記選択トランジスタをオンし、上記リセットトランジスタをオフしてリセットレベルのみの読み出し動作を行う第２ステップと、
上記第２ステップの後に、上記画素の転送トランジスタをオンして、上記画素から上記スイッチトキャパシタアンプ部に電荷転送を行う第３ステップと、
上記第３ステップの後に、上記転送トランジスタをオフし、上記選択トランジスタをオンして、信号レベルの読み出し動作を行う第４ステップとを有し、
上記各画素群で各画素毎に上記第１ステップから第４ステップまでの動作を繰り返すことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、この発明の増幅型固体撮像装置およびその駆動方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の一部を示す回路図である。この２次元増幅型固体撮像装置は、光電変換素子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の信号電荷を転送する転送トランジスタ２とをそれぞれ有する画素１０を複数備えている。それらの画素１０は、マトリクス（行列）状に２次元配列され、各列内でｋ個（ただし、ｋ≧２である。図１はｋ＝４の例を示す。）の画素からなる画素群Ｘ（ｎ−１，ｊ）、Ｘ（ｎ，ｊ）、Ｘ（ｎ＋１，ｊ）、Ｘ（ｎ−１，ｊ＋１）、Ｘ（ｎ，ｊ＋１）、Ｘ（ｎ＋１，ｊ＋１）、…に（以下、適宜「画素群Ｘ」と総称する。）分けられている。なお、この図１では、簡単のため、第ｊ列、第（ｊ＋１）内のｎ番目（ただし、ｎ≧２である。）の画素群Ｘ（ｎ，ｊ）、Ｘ（ｎ，ｊ＋１）のみを詳細に示している。このような画素群Ｘが、行方向、列方向にそれぞれ複数設定されている。
【００３９】
また、この２次元増幅型固体撮像装置は、この装置全体の動作を制御するＣＰＵ（中央演算処理装置）９０と、このＣＰＵ９０の制御に応じて画素を走査するための垂直走査回路２５とを備えている。これらのＣＰＵ９０と垂直走査回路２５は制御部として働く。
【００４０】
各画素群Ｘは、その画素群に属する各転送トランジスタ２の出力端子が共通に接続されて電荷検出ノード８を形成していることで定められている。電荷検出ノード８が持つ容量はＣFDで表されている。なお、画素群Ｘ同士の間では、電荷検出ノード８は互いに分離されている。
【００４１】
垂直走査回路２５からは、各行毎にそれぞれ行方向に、画素群Ｘに属する各転送トランジスタ２のためのゲート駆動信号線２１が延在している。例えば画素群Ｘ（ｎ，ｊ）、Ｘ（ｎ，ｊ＋１）に属する各転送トランジスタ２のための各ゲート駆動信号線２１には、それぞれ垂直走査回路２５によってゲート駆動信号φＴ（ｎ，１）、φＴ（ｎ，２）、…、φＴ（ｎ，４）が印加されるようになっている。
【００４２】
また、各画素群Ｘに対応してそれぞれスイッチトキャパシタアンプ部２０が設けられている。各スイッチトキャパシタアンプ部２０は、対応する画素群Ｘとその画素群Ｘが属する列に対して共通の垂直信号線との間にそれぞれ介挿されている。この例では、垂直信号線７は第ｊ列に対して共通の信号線であり、垂直信号線１１は第（ｊ＋１）列に対して共通の信号線である。
【００４３】
上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、対応する画素群Ｘ（以下、Ｘ（ｎ，ｊ）に注目して説明する。）の各転送トランジスタ２の出力端子が共通に接続された電荷検出ノード８と、電荷検出ノード８上の信号を入力する反転増幅器３と、電荷検出ノード８と反転増幅器３の出力端子３０との間に接続されたリセットトランジスタ５Ａと、電荷検出ノード８と反転増幅器３の出力端子３０との間に接続されたキャパシタンス素子の一例としてのキャパシタ４（その容量をＣinで表す。）と、反転増幅器３の出力端子と垂直信号線７との間に接続された選択トランジスタ６Ａとを有している。
【００４４】
この例では、転送トランジスタ２が一般的に用いられているエンハンスメント型であるのに対して、リセットトランジスタ５Ａおよび選択トランジスタ６Ａがデプレッション型となっている。そして、転送トランジスタ２、リセットトランジスタ５Ａおよび選択トランジスタ６Ａの閾値電圧Ｖt1，Ｖt2，Ｖt3が次の式（２）の関係を満たしている。
Ｖt1＞Ｖt2≧Ｖt3                                      …（２）
ここで、閾値電圧が小さいほど、トランジスタのチャネル部ポテンシルは深いことを意味している。
【００４５】
２３はリセットトランジスタ５Ａのためのゲート駆動信号線であり、垂直走査回路２５によってゲート駆動信号φR（ｎ）が印加されるようになっている。
【００４６】
２２は選択トランジスタ６Ａのためのゲート駆動信号線であり、垂直走査回路２５によってゲート駆動信号φS（ｎ）が印加されるようになっている。
【００４７】
また、各垂直信号線７、１１の出力側端部には、それぞれスイッチ駆動信号φBLによって制御されるスイッチ回路４０が設けられている。各スイッチ回路４０は、スイッチ駆動信号φBLのハイ（高）、ロー（低）に応じて、垂直信号線７、１１をそれぞれ出力信号線Ｖs,j、Ｖs,j+1または電源ＶDDに切り替えて接続する。
【００４８】
図２は、ＣＰＵ９０の制御による上記２次元増幅型固体撮像装置の動作タイミングを、画素群Ｘ（ｎ，ｊ）およびそれに対応するスイッチトキャパシタアンプ部２０に注目して示している。なお、以下の説明では、特に断らない限り、ハイレベルは電源電位ＶＤＤであり、ローレベルは接地電位（０Ｖ）である。
【００４９】
１水平走査期間（１Ｈ期間）のうち、注目する画素（最初は画素群Ｘ（ｎ，ｊ）内の１番目の画素）の信号を読み出すための期間（信号読み出し期間）Ｔ1〜Ｔ4には、スイッチ駆動信号φBLがハイレベルになって、その画素（スイッチトキャパシタアンプ部２０）に対応する垂直信号線７は出力信号線Ｖs,jに接続される。
【００５０】
まず、期間Ｔ1では、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５Ａに印加されるゲート駆動信号φR(ｎ)がハイレベルとなり、リセットトランジスタ５Ａがオン状態となって反転増幅器３の入出力端子間が短絡され、電荷検出ノード８の電位が或る一定の電位（リセットレベル）にリセットされる。
【００５１】
次の期間Ｔ2では、ゲート駆動信号φR(ｎ)がローレベルとなってリセットトランジスタ５Ａはオフ状態になる。一方、ゲート駆動信号φS(ｎ)がハイレベルになって、選択トランジスタ６Ａはオン状態となる。したがって、反転増幅器３が電荷検出ノード８の電位を反転増幅した出力、つまり上記リセットレベルが、オン状態の選択トランジスタ６Ａを介して垂直信号線７に読み出され、さらにスイッチ回路４０を通して出力信号線Ｖs,jに読み出される。
【００５２】
次の期間Ｔ3Bでは、ゲート駆動信号φS(ｎ)がローレベルとなって、選択トランジスタ６Ａはオフ状態になる。そして、この期間Ｔ3Bに含まれた期間Ｔ3A内に、ゲート駆動信号φT（ｎ，１）がハイレベルとなって、画素群Ｘ（ｎ，ｊ）内で１番目の画素１０の転送トランジスタ２がオン状態になる。これにより、１番目の画素１０のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が、オン状態の転送トランジスタ２を通して電荷検出ノード８に転送される。
【００５３】
次の期間Ｔ4では、ゲート駆動信号φT（ｎ，１）がローレベルになって、転送トランジスタ２がオフ状態になる。これにより、電荷検出ノード８には、期間Ｔ2でのリセットレベルから期間Ｔ3での信号電荷転送による変化分ずれた電位（信号レベル）が保持される。この信号レベルは、反転増幅器３によって増幅され、オン状態の選択トランジスタ６Ａ（ゲート駆動信号φＳ（ｎ）がオンになっているから）を通して垂直信号線７に読み出され、さらにスイッチ回路４０を通して出力信号線Ｖs,jに読み出される。
【００５４】
そして、制御部９０の制御によって、出力信号線Ｖs,jに読み出された期間Ｔ2のリセットレベルと期間Ｔ4の信号レベルとの間の差信号を取れば、画素群Ｘ（ｎ，ｊ）内で１番目の画素１０に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が得られる。
【００５５】
１水平走査期間（１Ｈ期間）のうち、注目する画素（最初は画素群Ｘ（ｎ，ｊ）内の１番目の画素）の信号を読み出すための期間Ｔ1〜Ｔ4が経過すると、スイッチ駆動信号φBLがローレベルになって、その画素（およびその画素につながるスイッチトキャパシタアンプ部２０）に対応する垂直信号線７の電位は一定電位ＶDDに固定される。
【００５６】
１水平走査期間（１Ｈ期間）後、画素群Ｘ（ｎ，ｊ）内の２番目の画素に対して、上記期間Ｔ1からＴ4における同様の動作が行われる。
【００５７】
このようにして、各画素群Ｘで各画素１０毎に期間Ｔ1からＴ4までの動作を繰り返せば、各画素１０からの信号をそれぞれ増幅して列毎に出力信号線Ｖs,jに出力することができる。各出力信号線に読み出された信号は、図示しない水平信号線を通して順次出力される。
【００５８】
この増幅型固体撮像装置では、各画素群Ｘに含まれた複数の画素１０に対してスイッチトキャパシタアンプ部２０（反転増幅器３を含む。）が共通になっているので、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、アンプ部２０をスイッチトキャパシタ型としているので、電荷検出ノード８の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換効率を高めることができる。したがって、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができる。
【００５９】
さらに、この増幅型固体撮像装置では、図５に示すように、転送トランジスタ２のオフ時のチャネルポテンシャルよりもリセットトランジスタ５Ａおよび選択トランジスタ６Ａのオフ時のチャネルポテンシャルが深い（なお、図５では、リセットトランジスタを符号５、選択トランジスタを符号６で一般化して示している。）。したがって、垂直信号線７上の電荷のポテンシャルがリセットトランジスタ５Ａおよび選択トランジスタ６Ａのオフ時のチャネルポテンシャルよりも十分深くなるように垂直信号線７の電位ＶDDを設定しておけば、特定のフォトダイオード１に過大光が入射して過剰電荷がその画素の転送トランジスタ２をオーバーフローして電荷検出ノード８の電位が低下しても、過剰電荷はリセットトランジスタ５Ａおよび選択トランジスタ６Ａを介して垂直信号線７上へ排出される。すなわち、転送トランジスタ２を介して他の画素のフォトダイオード１へ電荷が逆流することが防止される。これにより、ブルーミング現象を抑圧できる。
【００６０】
しかも、垂直信号線７の電位は、それらが信号の読み出しに関わらない期間（大部分の期間）には、既述のようにスイッチ回路４０の切り替えによって、一定電位ＶDDに固定される。これにより、ブルーミング現象をさらに効果的に抑圧できる。
【００６１】
また、画素１０を構成する光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオード１であるから、このフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が失われることなく転送される。したがって、低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることができる。
【００６２】
図３は、上記２次元増幅型固体撮像装置の変形例を示している。なお、図面間で同じ符号は同一の要素を示している（以下同様。）。
【００６３】
上述の実施形態では、一般的に用いられているエンハンスメント型のリセットトランジスタおよび選択トランジスタに代えて、デプレッション型のリセットトランジスタ５Ａおよび選択トランジスタ６Ａを採用し、式（２）の関係を満たすことにより、リセットトランジスタ５Ａのオフ時のチャネルポテンシャルおよび選択トランジスタ６Ａのオフ時のチャネルポテンシャルを、転送トランジスタ２のオフ時のチャネルポテンシャルより深くした。
【００６４】
それに対して、この実施形態では、リセットトランジスタおよび選択トランジスタは一般的に用いられているエンハンスメント型のままとしている（図３中に、エンハンスメント型のリセットトランジスタ、選択トランジスタをそれぞれ符号５Ｂ，６Ｂで示す。）。そして、垂直走査回路２５によって、図４の動作タイミングに示すように、リセットトランジスタ５Ｂおよび選択トランジスタ６Ｂのオフ時のゲート電圧を接地電圧（０Ｖ）と電源電圧ＶDDとの中間の値Ｖ1，Ｖ2とし、転送トランジスタ２のオフ時のゲート電圧（０Ｖ；接地）に対して、次式（３）の関係を満たすように設定する。
０＜Ｖ1≦Ｖ2                                          …（３）
【００６５】
この式（３）の関係を満たすことにより、リセットトランジスタ５Ｂおよび選択トランジスタ６Ｂが一般的に用いられているエンハンスメント型であっても、図５に示すように、リセットトランジスタ５Ｂのオフ時のチャネルポテンシャルおよび選択トランジスタ６Ｂのオフ時のチャネルポテンシャルを、転送トランジスタ２のオフ時のチャネルポテンシャルより深くすることが可能となる（なお、図５では、リセットトランジスタを符号５、選択トランジスタを符号６で一般化して示している。）。
【００６６】
図５について詳しく説明すると、縦軸はポテンシャルを示し、横軸はフォトダイオード１、転送トランジスタ２、電荷検出ノード８、リセットトランジスタ５、選択トランジスタ６、垂直信号線７を模式的に示している。ここで各トランジスタはオフ状態、垂直信号線７は電源電圧ＶDDに固定されている場合を示す。
【００６７】
今、特定の画素のフォトダイオード１に過大光が入射し、フォトダイオード電位が低下してオフ状態の転送トランジスタ２から電荷が溢れると、電荷検出ノード８の電位が低下する。しかし、式（２）の関係または式（３）の関係を満たすことより、その特定の画素につながるリセットトランジスタ５のチャネルポテンシャルが、同じ電荷検出ノード８に接続された他の画素の転送トランジスタ２のチャネルポテンシャルより深くなっている。したがって、電荷検出ノード８上の電荷はリセットトランジスタ５を越えて出力側へ溢れる。また、リセットトランジスタ５よりもチャネルポテンシャルよりも選択トランジスタ６のチャネルポテンシャルの方が深いので、その溢れた電荷は選択トランジスタ６を越えて、電源電位ＶDDに固定された垂直信号線７へ排出される。このようにして、過大光による過剰電荷は速やかに排出され、ブルーミング現象が抑圧される。
【００６８】
図６は、１個の画素１０と１個のスイッチトキャパシタアンプ部２０とともに、上記スイッチ回路４０の具体的な回路構成を示している。この例では、スイッチトキャパシタアンプ部２０の反転増幅器３は、Ｎ型の増幅トランジスタ３１と定電流負荷として働く負荷部としてのＰ型のトランジスタ３２からなっている。スイッチ回路４０は、スイッチ駆動信号φBLの分岐された一方を反転させるインバータ４３と、互いに逆相で駆動されるＰ型のトランジスタ４１，４２とからなっている。既述のように、注目する画素の信号を読み出すための期間Ｔ1〜Ｔ4にはスイッチ駆動信号φBLがハイレベルとなる。スイッチ駆動信号φBLがハイレベルの時には、Ｐ型のトランジスタ４２がオンとなり、Ｎ型の駆動トランジスタ３１とＰ型のトランジスタ３２とからなる反転増幅器３がオンとなって、垂直信号線７上に信号Ｖsが出力される。一方、上記期間Ｔ1〜Ｔ4以外の期間（非信号読み出し期間）にはスイッチ駆動信号φBLがローレベルとなる。スイッチ駆動信号φBLがローレベルの時には、Ｐ型のトランジスタ４２がオフとなり、Ｎ型の駆動トランジスタ３１とＰ型のトランジスタ３２とからなる反転増幅器３はオフとなる。同時にＰ型のトランジスタ４１がオンとなって、垂直信号線７の電位がＶDDに固定される。これにより、非信号読み出し期間には、垂直信号線７がブルーミングを抑圧するためのドレインとして機能する。
【００６９】
或る信号線に対応する画素の信号を読み出さない期間（非信号読み出し期間）には、その画素につながるスイッチトキャパシタアンプ部２０の反転増幅器３はオフ状態であることが望ましい。消費電力低減のためである。
【００７０】
上述の例では、スイッチトキャパシタアンプ部２０の反転増幅器３と垂直信号線７との間に選択トランジスタ６を設けたが、この選択トランジスタ６を省略することもできる。図７は、選択トランジスタを有しないスイッチトキャパシタアンプ部を符号２０′で示している。このスイッチトキャパシタアンプ部２０′は、上述のスイッチトキャパシタアンプ部２０に対して選択トランジスタが省略されているほか、定電流負荷３２との間で反転増幅器３を構成するＮ型の増幅トランジスタ３１の接地端子にゲート駆動信号φS′（後述する波形をもつ。）が印加されて、増幅トランジスタ３１がこのゲート駆動信号φS′により駆動される点が異なっている。
【００７１】
この例では、既述の例と同様に、ブルーミング現象を抑圧するために、リセットトランジスタ５をデプレッション型として、転送トランジスタ２の閾値電圧Ｖt1とトランジスタ５の閾値電圧Ｖt2とが次式（４）の関係を満たすものとする。
Ｖt1＞Ｖt2                                            …（４）
または、ブルーミング現象を抑圧するために、リセットトランジスタ５のオフ時のゲート電圧を接地電圧（０Ｖ）と電源電圧ＶDDとの中間の値Ｖ1とし、転送トランジスタ２のオフ時のゲート電圧（０Ｖ；接地）に対して、次式（５）の関係を満たすように設定する。
０＜Ｖ1                                                …（５）
なる関係を満たすものとする。
【００７２】
図９は、この場合、つまり、選択トランジスタを有しないスイッチトキャパシタアンプ部２０′を備えるとともに式（４）または式（５）を満たす場合の動作タイミングを、画素群Ｘ（ｎ，ｊ）およびそれに対応するスイッチトキャパシタアンプ部２０′に注目して示している。なお、画素の配列は、図１におけるのと同じものとする。図９と図２との相違は、ゲート駆動信号φS′の波形がゲート駆動信号φSの波形に対して逆相になっている点のみである。ここで、定電流負荷３２と増幅トランジスタ３１とで構成される反転増幅器３がオンとなるのはゲート駆動信号φS′ローレベルとなる期間、即ち期間Ｔ2および期間Ｔ4である。そして、この場合の画素から信号を読み出す全体としての動作は、図２を用いて説明した動作と一致する。
【００７３】
上述のように式（４）または式（５）の関係を満たす場合、図８に示すように、転送トランジスタ２のオフ時のチャネルポテンシャルよりもリセットトランジスタ５のオフ時のチャネルポテンシャルが深くなる。したがって、垂直信号線７上の電荷のポテンシャルがリセットトランジスタ５のオフ時のチャネルポテンシャルよりも十分深くなるように垂直信号線７の電位ＶDDを設定しておけば、特定のフォトダイオード１に過大光が入射して過剰電荷がその画素の転送トランジスタ２をオーバーフローして電荷検出ノード８の電位が低下しても、過剰電荷はリセットトランジスタ５を介して垂直信号線７上へ排出される。すなわち、転送トランジスタ２を介して他の画素のフォトダイオード１へ電荷が逆流することが防止される。これにより、ブルーミング現象を抑圧できる。
【００７４】
なお、垂直信号線７から増幅トランジスタ３１のゲートを介してゲート駆動信号φS′に接続されているチャネルが存在するが、オフ状態ではφS′＝ＶDDであるため、このチャネルに電流が流れることはない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図２】上記増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図３】上記増幅型固体撮像装置の変形例を示す図である。
【図４】図３に示した増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図５】図１と図３に示した増幅型固体撮像装置の動作をポテンシャルにより説明する図である。
【図６】図１と図３に示した増幅型固体撮像装置のスイッチ回路を具体的に示す図である。
【図７】図１または図３の増幅型固体撮像装置において選択トランジスタを省略した変形例を示す回路図である。
【図８】図７に示した増幅型固体撮像装置の動作をポテンシャルにより説明する図である。
【図９】図７に示した増幅型固体撮像装置の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における複数画素の回路図である。
【図１１】従来の他の増幅型固体撮像装置における複数画素の回路図である。
【図１２】本出願人が先に提案した増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  フォトダイオード
２  転送トランジスタ
３  反転増幅器
４  キャパシタ
５、５Ａ、５Ｂ  リセットトランジスタ
６、６Ａ、６Ｂ  選択トランジスタ
７，１１  垂直信号線
１０  画素
２０、２０′  スイッチトキャパシタアンプ部
２１  転送トランジスタ駆動信号ライン
２２、２６  選択トランジスタ駆動信号ライン
２３、２７  リセットトランジスタ駆動信号ライン
２５  垂直走査回路
４０  スイッチ回路
【図１】
2005347920.tif 000003
【図２】
2005347920.tif 000004
【図３】
2005347920.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005347920.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005347920.tif 000009
【図８】
2005347920.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005347920.tif 000012
【図１１】
2005347920.tif 000013
【図１２】
2005347920.tif 000014