(57)【要約】【課題】  ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を削減して画素サイズの小型化が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）が複数設定され、各画素群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（ｎ）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、増幅部３と、リセットトランジスタ６と、第１キャパシタンス素子７と、選択トランジスタ５を有する。各スイッチトキャパシタアンプ部２０に対して共通の負荷部２１が設けられている。負荷部２１は、各スイッチトキャパシタアンプ部２０の増幅部３と組み合わされてそれぞれ反転増幅器を構成する。【選択図】図１
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【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上記各画素に対して共通の信号線に出力する増幅型固体撮像装置であって、
複数の画素からなる画素群が複数設定され、
上記各画素群に対応してそれぞれスイッチトキャパシタアンプ部が設けられ、
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の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する増幅部と、上記電荷検出ノードと上記増幅部の出力端子との間に接続されたリセットトランジスタと、上記電荷検出ノードと上記増幅部の出力端子との間に接続された第１キャパシタンス素子と、上記増幅部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とを有し、
上記信号線と所定電位の電源との間に、上記各スイッチトキャパシタアンプ部の増幅部と組み合わされてそれぞれ反転増幅器を構成するように、上記各スイッチトキャパシタアンプ部に対して共通の負荷部が接続されてい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３】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記負荷部は、定電流負荷として働くトランジスタからなる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に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記負荷部は、半導体に不純物を拡散させた拡散層からな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、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の接地端子は、全画素共通の遮光用配線パターンで構成された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に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記増幅部と負荷部とでカスコード型反転増幅器を構成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制御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。
【請求項９】
請求項１の増幅型固体撮像装置において、
上記電荷検出ノードに片端子が接続された第２キャパシタンス素子と、
上記第２キャパシタンス素子の他端子に接続され、上記第２キャパシタンス素子を介した容量結合によって上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くするための第１昇圧手段を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項９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、上記第１昇圧手段によって上記第２キャパシタンス素子を介した容量結合により上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くした状態で、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により、上記画素群の各光電変換素子から信号を読み出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１１】
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に含まれた上記リセットトランジスタおよび第１キャパシタンス素子の、上記電荷検出ノードに接続された端子とは反対側の端子はそれぞれ、上記増幅部の出力端子に代えて、上記信号線に接続されており、
上記信号線に接続され、上記第１キャパシタンス素子を介した容量結合によって上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くするための第２昇圧手段を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１２】
請求項１１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、上記第２昇圧手段によって上記第１キャパシタンス素子を介した容量結合により上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くした状態で、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、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上記各画素に対して共通の信号線に出力する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ＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)が用いられている。
【０００４】
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１２に示すように、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。）。
【０００５】
図１２に示す増幅型固体撮像装置は、フォトダイオード１０１および転送トランジスタ１０２からなる画素を複数備え、列方向に並ぶ複数の画素に対して共通の電荷検出ノード１０８、リセットトランジスタ１３１、増幅用トランジスタ１３２および選択トランジスタ１３３を備えている。垂直信号線１３５とグランド（接地）との間には定電流負荷トランジスタ１３４が介挿されている。上記トランジスタ１０２、１３１、１３２および１３３はいずれもｎチャネル型トランジスタであり、それぞれゲート駆動信号の高、低に応じてオン、オフされる。
【０００６】
図１３に示すように、期間Ｔ１では、リセットトランジスタ１３１に印加されるゲート駆動信号φＲ（ｍ）が高レベルとなり、ゲート下のポテンシャルが深くなるため、電荷検出ノード１０８からリセットトランジスタ１３１のドレイン側へ電荷移動が起こり、電荷検出ノード１０８の電位が電源電位ＶＤＤ（リセットレベル）にリセットされる。
【０００７】
次の期間Ｔ２では、ゲート駆動信号φＲ（ｍ）が低レベルとなって、リセットトランジスタ１３１がオフ状態になる。一方、選択トランジスタ１３３に印加されるゲート駆動信号φＳ（ｍ）が高レベルになるため、上記リセットレベルが増幅用トランジスタ１３２、オン状態の選択トランジスタ１３３を介して垂直信号線１３５に読み出される。この時、増幅用トランジスタ１３２と定電流負荷トランジスタ１３４とでソースフォロワ回路を形成している。
【０００８】
次の期間Ｔ３では、ゲート駆動信号φＳ（ｍ）が低レベルとなって、選択トランジスタ１３３はオフ状態になる。一方、第ｍ行の第１ラインの転送トランジスタ１０２に印加されるゲート駆動信号φＴ（ｍ,１）が高レベルになるため、ゲート下のポテンシャルが深くなって、第ｍ行の第１ラインのフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷（電子）が電荷検出ノード１０８へ転送される。
【０００９】
次の期間Ｔ４では、ゲート駆動信号φＴ（ｍ,１）が低レベルとなって、第ｍ行の第１ラインの転送トランジスタ１０２はオフ状態となり、電荷検出ノード１０８では信号電荷転送時の電位が保持される。一方、ゲート駆動信号φＳ（ｍ）が高レベルになるため、第ｍ行の信号レベルが増幅用トランジスタ１３２、オン状態の選択トランジスタ１３３を介して垂直信号線１３５に読み出される。
【００１０】
１水平走査期間（１Ｈ期間）後、第ｍ行の第２ラインの画素に対して、第ｍ行の第２ラインのフォトダイオード１０１からの信号電荷が、第ｍ行の第２ラインの転送トランジスタ１０２を介して、リセットトランジスタ１３１、増幅用トランジスタ１３２、選択トランジスタ１３３へ導かれ、上記期間Ｔ１からＴ４における同様の動作が行われる。
【００１１】
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１０８、リセットトランジスタ１３１、増幅用トランジスタ１３２および選択トランジスタ１３３）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。
【特許文献１】特開平９−４６５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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１０１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１０８の容量をＣFDとすると、
η＝Ｇ・Ｖsig／Ｑsig＝Ｇ／ＣFD
となる。ここで、Ｇは増幅用トランジスタ１３２と定電流負荷トランジスタ１３４とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、通常は１より小さい値を示す。
【００１３】
上記式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１０８の容量ＣFDは、電荷検出ノード１０８に接続された複数の転送トランジスタ１０２のドレイン側接合容量、増幅用トランジスタ１３２のゲート容量、およびリセットトランジスタ１３１のノード側の接合容量の総和である。従って、共通の電荷検出ノード１０８に接続される画素（フォトダイオード１０１および転送トランジスタ１０２）の数が多くなる程、容量ＣFDが増大して、電荷電圧変換効率ηが低下するという問題がある。
【００１４】
そこで、この発明の課題は、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を削減して画素サイズの小型化が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】
【００１５】
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上記各画素に対して共通の信号線に出力する増幅型固体撮像装置であって、
複数の画素からなる画素群が複数設定され、
上記各画素群に対応してそれぞれスイッチトキャパシタアンプ部が設けられ、
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の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する増幅部と、上記電荷検出ノードと上記増幅部の出力端子との間に接続されたリセットトランジスタと、上記電荷検出ノードと上記増幅部の出力端子との間に接続された第１キャパシタンス素子と、上記増幅部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とを有し、
上記信号線と所定電位の電源との間に、上記各スイッチトキャパシタアンプ部の増幅部と組み合わされてそれぞれ反転増幅器を構成するように、上記各スイッチトキャパシタアンプ部に対して共通の負荷部が接続されていることを特徴とする。
【００１６】
この明細書で「接続されている」とは、電気的に接続されていることを意味する。
【００１７】
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に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によれば、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(増幅部を含む。) 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。しかも、上記負荷部は上記各スイッチトキャパシタアンプ部に対して共通に設けられているので、各スイッチトキャパシタアンプ部にそれぞれ負荷部を設ける場合に比して、各スイッチトキャパシタアンプ部の構成が簡素化される。したがって、さらに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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記負荷部は、定電流負荷として働くトランジスタからなることを特徴とする。
【００２２】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記増幅部と負荷部とで定電流負荷型反転増幅器が構成されて、安定に動作する。
【００２３】
一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記負荷部は、半導体に不純物を拡散させた拡散層からなることを特徴とする。
【００２４】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記負荷部は、半導体に不純物を拡散させた拡散層からなるので、比較的高抵抗に形成される。この場合も、上記増幅部と負荷部とで反転増幅器が構成されて、安定に動作する。
【００２５】
上記スイッチトキャパシタアンプ部の接地端子は、全画素共通の遮光用配線パターンで構成されているのが望ましい。
【００２６】
一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記増幅部と負荷部とでカスコード型反転増幅器を構成す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、上記増幅部と負荷部とでカスコード型反転増幅器を構成するので、定電流負荷ソース接地型に比して、ゲインが大きくなる。したがって、さらに電荷電圧変換効率を高めることができ、さらにノイズの少ない高画質の画像を得ることができる。
【００２８】
一実施形態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制御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、上記制御部が、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制御する。これにより、各画素からの信号をそれぞれ増幅して上記信号線に出力することができる。
【００３０】
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。
【００３１】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
上記電荷検出ノードに片端子が接続された第２キャパシタンス素子と、
上記第２キャパシタンス素子の他端子に接続され、上記第２キャパシタンス素子を介した容量結合によって上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くするための第１昇圧手段を備えたことを特徴とする。
【００３２】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記第１昇圧手段によって上記第２キャパシタンス素子を介した容量結合により上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くすることによって、上記光電変換素子から電荷検出ノードへの電荷転送が促進される。したがって、さらに低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となる。
【００３３】
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、この一実施形態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、上記第１昇圧手段によって上記第２キャパシタンス素子を介した容量結合により上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くした状態で、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により、上記画素群の各光電変換素子から信号を読み出すことを特徴とする。
【００３４】
一実施形態の増幅型固体撮像装置では、
上記スイッチトキャパシタアンプ部に含まれた上記リセットトランジスタおよび第１キャパシタンス素子の、上記電荷検出ノードに接続された端子とは反対側の端子はそれぞれ、上記増幅部の出力端子に代えて、上記信号線に接続されており、
上記信号線に接続され、上記第１キャパシタンス素子を介した容量結合によって上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くするための第２昇圧手段を備えたことを特徴とする。
【００３５】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記第２昇圧手段によって上記第１キャパシタンス素子を介した容量結合により上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くすることによって、上記光電変換素子から電荷検出ノードへの電荷転送が促進される。したがって、さらに低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となる。
【００３６】
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、この一実施形態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、上記第２昇圧手段によって上記第１キャパシタンス素子を介した容量結合により上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くした状態で、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。
【００３７】
以上により、小型・高性能イメージセンサの形成に本発明は極めて有用となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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。
【００３９】
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。）の画素からなる画素群Ｘ（ｎ−１）、Ｘ（ｎ）、Ｘ（ｎ＋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、１列（この例では第Ｉ列）内のｎ番目（ただし、ｎ≧２である。）の画素群Ｘ（ｎ）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。
【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】
Ｔ（ｎ，１）、Ｔ（ｎ，２）、…、Ｔ（ｎ，ｋ）は画素群Ｘ（ｎ）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であり、それぞれ制御部９０によってゲート駆動信号φＴ（ｎ，１）、φＴ（ｎ，２）、…、φＴ（ｎ，ｋ）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１１との間にそれぞれ介挿されている。
【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）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増幅部としての増幅トランジスタ３と、電荷検出ノード８と増幅トランジスタ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６と、電荷検出ノード８と増幅トランジスタ３の出力端子３０との間に接続された第１キャパシタンス素子としてのキャパシタ７（その容量をＣinで表す。）と、増幅トランジスタ３の出力端子３０と垂直信号線１１との間に接続された選択トランジスタ５とを有している。
【００４４】
Ｒ（ｎ）はリセットトランジスタ６のためのゲート駆動信号線であり、制御部９０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。
【００４５】
Ｓ（ｎ）は選択トランジスタ５のためのゲート駆動信号線であり、制御部９０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。
【００４６】
垂直信号線１１と電位ＶＤＤの電源との間に、負荷部２１が介挿して接続されている。負荷部２１は、定電流負荷トランジスタ４は、１列（この例では第Ｉ列）に対応する各スイッチトキャパシタアンプ部２０の増幅トランジスタ３に対して共通の負荷として働く。この例では、負荷部２１は定電流負荷トランジスタ４からなる。
【００４７】
動作時には、この定電流負荷トランジスタ４のゲートに、このトランジスタに一定電流を流すための一定のバイアス電位Ｂｉａｓ＿ｐが印加される。これにより、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４とによって定電流負荷型ソース接地反転増幅器が構成される。そして、増幅トランジスタ３、定電流負荷トランジスタ４、キャパシタ７によって、スイッチトキャパシタアンプが構成される。なお、負荷部２１は、定電流負荷トランジスタ４でなくとも良く、拡散層などで構成される高抵抗であっても同様の目的を達することができる。また増幅トランジスタの接地端子は各画素共通の遮光メタルにて配線が可能である。
【００４８】
Ｃ（ｎ）は昇圧信号線であり、制御部９０によって昇圧信号φＣ（ｎ）が印加されるようになっている。この昇圧信号線Ｃ（ｎ）と電荷検出ノード８との間に、第２キャパシタンス素子としてのキャパシタ９（その容量をＣｕｐで表す。）が接続されている。動作時には、制御部９０によって所定のタイミングで昇圧信号φＣ（ｎ）が高電位に持ち上げられる。これにより、昇圧信号線Ｃ（ｎ）と制御部９０とが第１昇圧手段として働いて、キャパシタ９を介した容量結合によって電荷検出ノード８のポテンシャルを深くすることができる。
【００４９】
図２は、制御部９０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）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。
【００５０】
期間Ｔ１では、選択トランジスタ５に印加されるゲート駆動信号φＳ（ｎ）が高レベル、リセットトランジスタ６に印加されるゲート駆動信号φＲ（ｎ）が高レベルとなり、それらのトランジスタ５，６がオン状態になる。これにより、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４とで構成される定電流負荷型ソース接地反転増幅器の働きによって、電荷検出ノード８の電位が或る一定の電位Ｖｏ（リセットレベル）にリセットされる。
【００５１】
上記リセットレベルＶｏは、次のようにして定められる。すなわち、上述のようにトランジスタ５，６がオンして短絡すると、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４とで構成される定電流負荷型ソース接地反転増幅器の回路は、図３のように表される。ここで、この反転増幅器の入力をＶｉｎとし、出力をＶｏｕｔとし、また、図４に示すように、この反転増幅器の特性をＦ１とする。トランジスタ５，６がオンして短絡すると、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎとなるから、リセットレベルＶｏは、特性Ｆ１と、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎなる直線との交点として定められる。
【００５２】
次の期間Ｔ２では、ゲート駆動信号φＲ（ｎ）が低レベルとなって、リセットトランジスタ６はオフ状態になる。一方、ゲート駆動信号φＳ（ｎ）は高レベルのままであり、選択トランジスタ５はオン状態になっている。したがって、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Ｖｏが、オン状態の選択トランジスタ５を介して垂直信号線１１に読み出される。
【００５３】
次の期間Ｔ３では、ゲート駆動信号φＳ（ｎ）が低レベルとなって、選択トランジスタ５はオフ状態になる。ここで、ゲート駆動信号φＴ（ｎ，１）が高レベルとなって、画素群Ｘ（ｎ）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。更に、ゲート駆動信号φＴ（ｎ，１）に同期して、昇圧信号φＣ（ｎ）が高レベルとなる。これにより、キャパシタ９（容量Ｃｕｐ）を介した容量結合により、電荷検出ノード８のポテンシャルが深くなる。したがって、フォトダイオード１から電荷検出ノード８への電荷転送が促進される。
【００５４】
なお、電荷検出ノード８のポテンシャル変化は、昇圧信号線Ｃ（ｎ）の電位上昇分をキャパシタ９の容量Ｃｕｐと電荷検出ノード８の容量ＣFDとで分配したものに相当する。
【００５５】
次の期間Ｔ４では、ゲート駆動信号φＴ（ｎ，１）が低レベルになって、転送トランジスタ２がオフ状態になる。また、ゲート駆動信号φＣ（ｎ）が低レベルとなるので、キャパシタ９を介した容量結合による電荷検出ノード８のポテンシャル変化は解消される。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（電位Ｖｏ）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、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４とで構成される定電流負荷型ソース接地反転増幅器によって増幅され、オン状態の選択トランジスタ５（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１１に読み出される。
【００５６】
そして、制御部９０の制御によって、垂直信号線１１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）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。
【００５７】
１水平走査期間（１Ｈ期間）後、画素群Ｘ（ｎ）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。
【００５８】
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垂直信号線１１に出力することができる。垂直信号線１１に読み出された信号は、各垂直信号線に対して共通に設けられた図示しない水平信号線を通して順次出力される。
【００５９】
さて、フォトダイオード１から転送された電荷量Ｑsig、上記定電流負荷ソース接地型反転増幅器のゲインをＡとすれば、読み出される実効的な信号は、
Ｖsig＝Ａ・Ｑsig／［ＣFD＋Ｃup＋（１＋Ａ)Ｃin］        …（１）
となる。ここで上記定電流負荷ソース接地型反転増幅器のゲインＡは、
Ａ＝ｇｍ・（ｒon／／ｒop）                            …（２）
である。式（２）中のｇｍは増幅トランジスタ３のトランスコンダクタンス、ｒonは増幅トランジスタ３の出力抵抗、ｒopは定電流負荷トランジスタ４の出力抵抗である。
【００６０】
特に、アンプゲインＡが非常に大きい場合は、式（１）から
Ｖsig〜Ｑsig／Ｃin                                    …（３）
となる。したがって、電荷電圧変換効率ηは
η＝Ｖsig／Ｑsig＝１／Ｃin                            …（４）
となる。この式（４）から分かるように、アンプゲインＡが非常に大きい場合は、出力される信号に対する電荷検出ノード８の容量ＣFDの影響は、実質的に殆ど無くなる。したがって、列方向に接続される画素数が増加してＣFDが大きくなっても、電荷電圧変換効率ηの低下が発生しない。
【００６１】
しかも、この２次元増幅型固体撮像装置によれば、各画素群Ｘに含まれた複数（この例ではｋ個）の画素１０に対してスイッチトキャパシタアンプ部２０（増幅部を含む。) 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できる。しかも、負荷部２１は１列分の各スイッチトキャパシタアンプ部２０に対して共通に設けられているので、各スイッチトキャパシタアンプ部にそれぞれ負荷部２１を設ける場合に比して、各スイッチトキャパシタアンプ部２０の構成が簡素化される。したがって、さらに１画素当りのトランジスタ数を削減することができる。
【００６２】
また、フォトダイオード１は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可能となる。しかも、上記アンプ部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ＣFD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ηを高めることができる。したがって、さらにノイズの少ない高画質の画像を得ることができる。
【００６３】
なお、「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。一般的なフォトダイオードの受光部表面には、Ｓｉ−ＳｉＯ2界面があり結晶欠陥が生じやすい。ここに読み出し電圧をかけると暗時でも電荷が発生して、雑音源となる。これを抑えるため、例えばｐ型半導体基板の表面にｎ型領域を拡散して形成し、そのｎ型領域の表面を覆うようにさらにｐ+型領域を形成して、ｎ型領域を「埋め込み型」にする。すると、読み出し電圧がかかっても表面で発生した暗電流を読み出さないため、暗電流による雑音を低減できる。
【００６４】
図５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。この２次元増幅型固体撮像装置は、図１のものに対して、各スイッチトキャパシタアンプ部２０Ｂ内の増幅部とそれに組み合わされる負荷部２１Ｂの構成を変更したものに相当する。その他の構成要素や動作タイミングは、図１のものと同一である。なお、図５においては、図１中の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を用いており、個々の説明を省略する。
【００６５】
この図５の２次元増幅型固体撮像装置は、増幅部として、直列接続された増幅トランジスタ３１とｎチャネル型カスコードトランジスタ３２とを備えている。増幅トランジスタ３１のゲートには電荷検出ノード８上の信号が入力される。ｎチャネル型カスコードトランジスタ３２のゲートには、動作時に、このトランジスタをオンさせるための一定のバイアス電位Ｂｉａｓ＿ｎ１が印加される。
【００６６】
負荷部２１Ｂは、直列接続された定電流負荷トランジスタ４１とｐチャネル型カスコードトランジスタ４２とからなっている。定電流負荷トランジスタ４１、ｐチャネル型カスコードトランジスタ４２のゲートには、動作時に、それぞれそのトランジスタを定電流負荷とさせるための一定のバイアス電位Ｂｉａｓ＿ｐ１、Ｂｉａｓ＿ｐ２が印加される。
【００６７】
各スイッチトキャパシタアンプ部２０Ｂ内の増幅部と負荷部２１Ｂとを組み合わせて構成されるカスコード型反転増幅器の回路は、図６のように表される。ここで、この反転増幅器の入力をＶｉｎとし、出力をＶｏｕｔとし、また、図７に示すように、この反転増幅器の特性をＦ２とする。スイッチトキャパシタアンプ部２０Ｂ内の選択トランジスタ５，リセットトランジスタ６がオンして短絡すると、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎとなるから、リセットレベルＶｏは、特性Ｆ２と、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎなる直線との交点として定められる。
【００６８】
このカスコード型反転増幅器のゲインＡは、
Ａ＝ｇｍ1・［（ｇｍ2・ｒon1・ｒon2）／／（ｇｍ3・ｒop3・ｒop4）］                                                          …（５）
である。式（５）中のｇｍ1、ｇｍ2、ｇｍ3は増幅トランジスタ３１、ｎチャネル型カスコードトランジスタ３２、ｐチャネル型カスコードトランジスタ４２のそれぞれのトランスコンダクタンスである。またｒon1、ｒon2、ｒop3、ｒop4は増幅トランジスタ３１、ｎチャネル型カスコードトランジスタ３２、ｐチャネル型カスコードトランジスタ４２、定電流負荷トランジスタ４１のそれぞれの出力抵抗である。上記カスコード型反転増幅器のゲインＡは、図３に示される定電流負荷ソース接地型反転増幅型アンプのゲインより数十倍大きいため、（３）（４）で示されるＣinをより小さく設定できる。したがって、図５の２次元増幅型固体撮像装置では、電荷電圧変換効率ηをさらに大きくでき、さらに高感度化を図ることができる。
【００６９】
図８は、図１の２次元増幅型固体撮像装置のさらに別の変形例を示している。なお、図８においても、図１中の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を用いており、個々の説明を省略する。
【００７０】
この２次元増幅型固体撮像装置では、各スイッチトキャパシタアンプ部２０Ｃ内で、リセットトランジスタ６およびキャパシタ７の、電荷検出ノード８に接続された端子とは反対側の端子がそれぞれ、上記増幅トランジスタ３の出力端子３０に代えて、垂直信号線１１に接続されている。図１中のキャパシタ９および昇圧信号線Ｃ（ｎ）は省略されている。
【００７１】
また、この２次元増幅型固体撮像装置では、負荷部２１のｐチャネル型トランジスタ４のゲートに、一定バイアスではなく、制御部９０によって昇圧信号φＣ（ｎ）が印加される。これにより、垂直信号線１１の電位ＶＤが可変されるようになっている。
【００７２】
図９は、制御部９０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）およびそれに対応するスイッチトキャパシタアンプ部２０Ｃに注目して示している。
【００７３】
期間Ｔ１、Ｔ２の動作は、図２を用いて説明したのと同じである。この時、ｐチャネル型トランジスタ４に印加される昇圧信号φＣ（ｎ）は、定電流負荷となるようにバイアスレベルＢｉａｓ＿ｐに設定されている。
【００７４】
次の期間Ｔ３では、ゲート駆動信号φＴ（ｎ，１）に同期して、昇圧信号φＣ（ｎ）が接地レベルＧＮＤとなり、垂直信号線１１とＶＤ端子を短絡させる。これにより、垂直信号線１１と制御部９０とが第２昇圧手段として働いて、垂直信号線１１の電位ＶＤが２ＶＤＤに持ち上げられ、キャパシタ７（容量Ｃin）を介した容量結合により、電荷検出ノード８のポテンシャルが深くなる。したがって、フォトダイオード１から電荷検出ノード８への電荷転送が促進される。
【００７５】
なお、電荷検出ノード８のポテンシャル変化は、垂直信号線１１の電位上昇分をキャパシタ７の容量Ｃinと電荷検出ノード８の容量ＣFDとで分配したものに相当する。電荷検出ノード８の必要なポテンシャル変化量に応じて、垂直信号線１１の電位上昇分を増やしても良い。
【００７６】
次の期間Ｔ４の動作は、図２を用いて説明したのと同じである。
【００７７】
この２次元増幅型固体撮像装置では、図１のものに比して、キャパシタ９および昇圧信号線Ｃ（ｎ）を省略できる。したがって、その分だけ、フォトダイオード１の面積を大きく設定でき、高感度化を図ることができる。
【００７８】
図１０は、図１の２次元増幅型固体撮像装置のさらに別の変形例を示している。なお、図１０においても、図１中の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を用いており、個々の説明を省略する。
【００７９】
図１の例では、画素群Ｘが各列内のｋ個（ただし、ｋ≧２である。）の画素からなっていたが、この図１０の例では、画素群ＸDが隣り合う２列（この例では第Ｉ列と第（Ｉ＋１）列）にまたがって設定されている。例えば、図示の列方向に関してｎ番目（ただし、ｎ≧２である。）の画素群ＸD（ｎ）は、第Ｉ列内のｋ個の画素１０と、それに隣り合う第（Ｉ＋１）列内のｋ個の画素１０−１とを含んでいる。
【００８０】
第Ｉ列内のｋ個の画素１０の各転送トランジスタ２の出力端子は共通に接続されて電荷検出ノード８を形成している。同様に、第（Ｉ＋１）列内のｋ個の画素１０−１の各転送トランジスタ２の出力端子は共通に接続されて電荷検出ノード８−１を形成している。それらの電荷検出ノード８、８−１は配線５０で互いに接続されており、実質的に一つの電荷検出ノードを構成している。
【００８１】
このような２列にまたがる画素群ＸDが、行方向、列方向にそれぞれ複数設定されている。そして、各画素群ＸD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。
【００８２】
Ｔ（ｎ，Ｏ１）、Ｔ（ｎ，Ｏ２）、…、Ｔ（ｎ，Ｏｋ）は奇数列の画素１０−１の各転送トランジスタ２のためのゲート駆動信号線であり、Ｔ（ｎ，Ｅ１）、Ｔ（ｎ，Ｅ２）、…、Ｔ（ｎ，Ｅｋ）は、偶数列の画素１０の各転送トランジスタ２のためのゲート駆動信号線である。それらのゲート駆動信号線には、それぞれ制御部９０によってゲート駆動信号φＴ（ｎ，Ｏ１）、φＴ（ｎ，Ｏ２）、…、φＴ（ｎ，Ｏｋ）、φＴ（ｎ，Ｅ１）、φＴ（ｎ，Ｅ２）、…、φＴ（ｎ，Ｅｋ）が印加されるようになっている。
【００８３】
図１１は、制御部９０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ＸD（ｎ）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。
【００８４】
この図１１の例では、１水平期間（１Ｈ期間）内で、偶数列の画素１０に対する期間Ｔ１からＴ４まで動作と、奇数列の画素１０−１に対する期間Ｔ１からＴ４まで動作とを２回繰り返して行う。期間Ｔ１からＴ４までの１回の動作は、図２を用いて説明したのと同じである。これにより、各画素群ＸDで各画素１０、１０−１毎に信号を読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】図１の２次元増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示すチャート図である。
【図３】図１中の要素で構成される定電流負荷型ソース接地反転増幅器の回路構成を示す図である。
【図４】図３の反転増幅器の特性を示す図である。
【図５】図１の２次元増幅型固体撮像装置の変形例を示す図である。
【図６】図５中の要素で構成されるカスコード型反転増幅器の回路構成を示す図である。
【図７】図６の反転増幅器の特性を示す図である。
【図８】図１の２次元増幅型固体撮像装置のさらに別の変形例を示す図である。
【図９】図８の２次元増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示すチャート図である。
【図１０】図１の２次元増幅型固体撮像装置のさらに別の変形例を示す図である。
【図１１】図１０の２次元増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示すチャート図である。
【図１２】従来の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１３】図１２の２次元増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示すチャート図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  フォトダイオード
２  転送トランジスタ
３  増幅トランジスタ
５  選択トランジスタ
６  リセットトランジスタ
８  電荷検出ノード
１０、１０−１  画素
１１  垂直信号線
２０  スイッチトキャパシタアンプ部
Ｘ（ｎ−１）、Ｘ（ｎ）、Ｘ（ｎ−１）、ＸD（ｎ）  画素群
【図１】
2005217607.tif 000003
【図２】
2005217607.tif 000004
【図３】
2005217607.tif 000005
【図４】
2005217607.tif 000006
【図５】
2005217607.tif 000007
【図６】
2005217607.tif 000008
【図７】
2005217607.tif 000009
【図８】
2005217607.tif 000010
【図９】
2005217607.tif 000011
【図１０】
2005217607.tif 000012
【図１１】
2005217607.tif 000013
【図１２】
2005217607.tif 000014
【図１３】
2005217607.tif 000015