(57)【要約】【課題】グローバルシャッターを実現可能にしつつ、リーク電流とノイズを低減する。【解決手段】実施形態の撮像装置は、複数の画素と、複数のサンプルホールド回路とを有する。複数の画素は、半導体基板に設けられ、光電変換及び電荷電圧変換を行って電圧を出力する。また、複数のサンプルホールド回路は、半導体基板に積層された酸化物半導体により形成され、画素それぞれが出力した電圧を保持する。画素は、光電変換素子と、蓄積した電荷を転送する転送トランジスタと、転送した電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、変換した電圧を増幅させて出力する増幅トランジスタと、フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、を有し、サンプルホールド回路は、増幅トランジスタが出力した電圧を保持する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられ、光電変換及び電荷電圧変換を行って電圧を出力する複数の画素と、
前記半導体基板に積層された酸化物半導体により形成され、前記画素それぞれが出力した電圧を保持する複数のサンプルホールド回路と、
を有する撮像装置。
【請求項２】
前記画素は、
光電変換を行って電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子が蓄積した電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタが転送した電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンが変換した電圧を増幅させて出力する増幅トランジスタと、
前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、
を有し、
前記サンプルホールド回路は、
前記増幅トランジスタが出力した電圧を保持する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記サンプルホールド回路は、
一端がスイッチを介して前記増幅トランジスタのゲート電極に接続されている
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記サンプルホールド回路は、
前記増幅トランジスタが出力する電圧をクランプするクランプ容量と、
前記クランプ容量を介して前記増幅トランジスタが出力する電圧を保持する保持容量と、
を有し、
前記クランプ容量は、
複数の前記画素によって共有されている
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記サンプルホールド回路が保持する電圧を出力するソースフォロワ
をさらに有し、
前記ソースフォロワは、
複数の前記サンプルホールド回路それぞれに対して設けられた複数のスイッチを介して、複数の前記サンプルホールド回路がそれぞれ保持する電圧を順次に出力する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記サンプルホールド回路は、
複数の階層に積層された容量を有する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記酸化物半導体は、
マイクロバンプを介して前記半導体基板に設けられている
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
請求項１に記載の撮像装置と、
前記撮像装置が出力する信号を処理する信号処理部と、
を有する撮像システム。
【請求項９】
半導体基板に設けられて光電変換及び電荷電圧変換を行った複数の画素から電圧を出力させる工程と、
前記半導体基板に積層された酸化物半導体により形成された複数のサンプルホールド回路に、前記画素それぞれが出力した電圧を保持させる工程と、
を含む撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、撮像装置、撮像システム及び撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置として、例えばＣＭＯＳイメージセンサが知られている。このＣＭＯＳイメージセンサは、マトリクス状に配置された複数の画素を有し、各画素内のフォトダイオードが入射光を信号電荷に変換し、この信号電荷の量に応じた電圧値を出力する。近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいてグローバルシャッターを実現するためのいくつかの方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来は、リーク電流を十分に低減できないことや、リセット時に生じるノイズを十分に抑えることができないことがあった。本発明が解決しようとする課題は、グローバルシャッターを実現可能にしつつ、リーク電流とノイズを低減することができる撮像装置、撮像システム及び撮像装置の駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の撮像装置は、複数の画素と、複数のサンプルホールド回路とを有する。複数の画素は、半導体基板に設けられ、光電変換及び電荷電圧変換を行って電圧を出力する。また、複数のサンプルホールド回路は、半導体基板に積層された酸化物半導体により形成され、画素それぞれが出力した電圧を保持する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態にかかる撮像装置の概要を示す図。
【図２】実施形態にかかる撮像装置を備える集積回路の外観の概要を示す斜視図。
【図３】画素領域に形成された画素及びその周辺の構成を示す図。
【図４】実施形態にかかる撮像装置の駆動例を示すタイミングチャート。
【図５】実施形態にかかる撮像装置の部分断面図。
【図６】実施形態にかかる撮像装置の変形例における画素及びその周辺を示す図。
【図７】実施形態にかかる撮像システムとしての携帯端末の概要を示す図。
【図８】実施形態にかかる撮像システムとしての移動体の概要を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（実施形態）
図１は、実施形態にかかる撮像装置１０の概要を示す図である。撮像装置１０は、例えばＣＭＯＳにより画素及び回路等を構成された半導体基板（シリコンなど）に酸化物半導体が積層された積層型の固体撮像素子（イメージセンサ）である。ここで、酸化物半導体は、例えばインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）などの少なくともいずれかを含む酸化物材料などである。酸化物半導体は、マイクロバンプを介して半導体基板に積層されていてもよい。また、半導体基板は、画素及び回路等を構成された有機光電変換膜に替えられてもよい。撮像装置１０は、制御部１２、画素領域３及び読出部（出力部）５を有する。画素領域３及び読出部５に入力される各制御信号は、制御部１２が出力している。
【０００８】
画素領域３は、例えば半導体基板に形成された複数の画素３００（図３参照）が二次元方向にマトリクス状に配列され、上部に酸化物半導体が積層されている。読出部５は、画素領域３に配列された画素それぞれからの信号を読み出し、外部へ信号を出力する出力部となっている。また、読出部５は、例えば各画素のリセット信号と画像信号とを用いて相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を行うＣＤＳ部を備え、画像信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器や、その他の信号処理部などを有していてもよい。制御部１２は、画素領域３及び読出部５に対し、動作のタイミングなどを後述する各制御信号（パルス）によって制御する。
【０００９】
図２は、撮像装置１０を備える集積回路１００の外観の概要を示す斜視図である。集積回路１００は、撮像装置１０をパッケージ２０内に封止している。
【００１０】
次に、画素領域３の構成例について詳述する。図３は、画素領域３に形成された画素３００及びその周辺の構成を示す図である。画素３００は、例えば光電変換素子３０、第１転送トランジスタ３１、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３２、増幅トランジスタ（ＡＭＰ）３３、第１リセットトランジスタ３４、及び第１選択トランジスタ３５を有する。
【００１１】
光電変換素子３０は、例えばフォトダイオードであり、Ｒ，Ｇ，Ｂいずれかのフィルタを介して受光した光を電気信号に変換する光電変換を行って電荷を蓄積する。光電変換素子３０は、カソードが第１転送トランジスタ３１のソースに接続されている。
【００１２】
第１転送トランジスタ３１は、ドレインがフローティングディフュージョン３２に接続されており、ゲートに入力される制御信号ＴＸ（行選択信号）に応じて、光電変換素子３０が蓄積した電荷を転送する。行選択信号は、マトリクス状に配列された複数の画素３００の中から、同一の行に配列された複数の画素３００を選択する信号である。
【００１３】
フローティングディフュージョン３２は、第１転送トランジスタ３１が転送した電荷を電圧に変換するノードである。
【００１４】
増幅トランジスタ３３は、ドレインが電源ＶＤＤに接続され、ゲートがフローティングディフュージョン３２に接続されて、ソースが第１選択トランジスタ３５のドレイン及びサンプルホールド回路４００に接続されている。そして、増幅トランジスタ３３は、フローティングディフュージョン３２が変換した電圧（電気信号）を増幅させ、第１選択トランジスタ３５及びサンプルホールド回路４００に対して出力する。
【００１５】
第１リセットトランジスタ３４は、ソースがフローティングディフュージョン３２に接続され、ドレインが電源ＶＤＤに接続されて、ゲートに入力される制御信号ＲＳに応じて、フローティングディフュージョン３２の電位をリセットする。
【００１６】
第１選択トランジスタ３５は、増幅トランジスタ３３が増幅させて出力する電気信号を、ゲートに入力される制御信号ＳＥ（列選択信号）に応じて、ソースに接続された後段へ出力する（ＯＵＴ）。列選択信号は、マトリクス状に配列された複数の画素３００の中から、同一の列に配列された複数の画素３００を選択する信号である。
【００１７】
サンプルホールド回路４００は、画素３００が形成された半導体基板に積層された酸化物半導体に形成され、クランプ容量４０、保持容量４１、第２リセットトランジスタ４２、及び第２転送トランジスタ４３を有する。また、サンプルホールド回路４００の一端には、酸化物半導体に形成された第２選択トランジスタ（スイッチ）４４が接続されている。なお、サンプルホールド回路４００が有する容量は、複数の階層に積層されて構成されてもよい。
【００１８】
クランプ容量４０は、増幅トランジスタ３３が出力した電圧をクランプするＭＩＭ（Metal  Insulator  Metal）構造で形成されたキャパシタである（図５参照）。また、クランプ容量４０は、複数の画素３００によって共有されてもよい。この場合、１つの画素３００当たりのクランプ容量４０の容量を大きくすることが可能である。
【００１９】
保持容量（メモリ）４１は、増幅トランジスタ３３が出力した電圧を保持するＭＩＭ構造で形成されたキャパシタである（図５参照）。保持容量４１は、例えばグローバルシャッターを実現させるために必要な期間に、増幅トランジスタ３３が出力した電圧を保持する。また、保持容量４１は、フローティングディフュージョン３２と実装基板との間でリーク電流を抑制することができる。つまり、保持容量４１が保持する電位は、酸化物半導体の低リーク特性により、変化を抑えて保持される。
【００２０】
第２リセットトランジスタ４２は、例えば酸化物半導体ＴＦＴであり、ゲートに入力される制御信号ＣＬに応じて、クランプ容量４０の電位をリセットする。
【００２１】
第２転送トランジスタ４３は、例えば酸化物半導体ＴＦＴであり、ゲートに入力される制御信号ＳＨに応じて、増幅トランジスタ３３が出力した電圧を、クランプ容量４０を介して保持容量４１へ転送する。
【００２２】
第２選択トランジスタ４４は、例えば酸化物半導体ＴＦＴであり、ゲートに入力される所定の制御信号ＳＥＬに応じて、保持容量４１が保持した電圧をフローティングディフュージョン３２（即ち増幅トランジスタ３３のゲート）へ戻す。
【００２３】
図４は、撮像装置１０の駆動例を示すタイミングチャートである。撮像装置１０は、画素領域３の各画素３００の全行が一括して同時に露光される。撮像装置１０は、制御信号ＲＳにより動作する第１リセットトランジスタ３４により、フローティングディフュージョン３２のリセットを完了させる。また、撮像装置１０は、制御信号ＣＬにより動作する第２リセットトランジスタ４２により、クランプ容量４０のリセットを完了させる。つまり、クランプ容量４０の両端がリセットされる。
【００２４】
そして、撮像装置１０は、各画素３００の全行が一括して同時に第１転送トランジスタ３１をオンにすることにより、露光により各光電変換素子３０が蓄積した電荷を全行で同時に保持容量４１に保持させる。
【００２５】
保持容量４１が保持した電圧は、制御信号ＳＥＬに応じて動作する第２選択トランジスタ４４を介して順次に読み出される。
【００２６】
このように、撮像装置１０は、半導体基板に積層された酸化物半導体により形成された複数のサンプルホールド回路４００に、画素３００それぞれが出力した電圧を保持させるので、グローバルシャッターを実現可能にしつつ、リーク電流とノイズを低減することができる。
【００２７】
次に、撮像装置１０の変形例について説明する。図６は、撮像装置１０の変形例における画素３００及びその周辺を示す図である。図６に示すように、撮像装置１０の変形例は、複数の保持容量４１が保持した電圧を、第２選択トランジスタ４４を順次にオンにすることにより、共通のソースフォロワ回路３６を介して出力する。第３選択トランジスタ３７は、ゲートに入力される所定の制御信号ＳＥＬに応じて、定電流源３８をバイアス電流源として電圧を出力する。このように、撮像装置１０の変形例は、ソースフォロワ回路３６の数が画素３００の数よりも減らされて、小型化されている。
【００２８】
次に、実施形態にかかる撮像装置１０を備えて画像を撮像する撮像システムについて説明する。図７は、実施形態にかかる撮像システムとしての携帯端末９００の概要を示す図である。携帯端末９００は、携帯端末本体１１０に集積回路１００と、信号処理部２００とが実装されている。信号処理部２００は、例えば集積回路１００が有する撮像装置１０が出力する画像信号を画像処理する。携帯端末９００は、ネットワークを介して通信を行う機能を備えていてもよい。このように、携帯端末９００は、撮像装置１０が撮像した画像を処理するので、グローバルシャッターを実現可能にしつつ、リーク電流とノイズを低減することができる。
【００２９】
図８は、実施形態にかかる撮像システムとしての移動体９１０の概要を示す図である。移動体９１０は、例えば自動車であり、自動車本体１２０に集積回路１００と、信号処理部２１０とが実装されている。信号処理部２１０は、例えば集積回路１００が有する撮像装置１０が出力する画像信号を画像処理する。このように、移動体９１０は、撮像装置１０が撮像した画像を処理するので、グローバルシャッターを実現可能にしつつ、リーク電流とノイズを低減することができる。
【００３０】
また、本発明のいくつかの実施形態を複数の組み合わせによって説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
３  画素領域
１０  撮像装置
１２  制御部
３０  光電変換素子
３１  第１転送トランジスタ
３２  フローティングディフュージョン
３３  増幅トランジスタ
３４  第１リセットトランジスタ
３５  第１選択トランジスタ
３６  ソースフォロワ回路
４０  クランプ容量
４１  保持容量
４２  第２リセットトランジスタ
４３  第２転送トランジスタ
４４  第２選択トランジスタ
１００  集積回路
２００，２１０  信号処理部
３００  画素
４００  サンプルホールド回路
９００  携帯端末
９１０  移動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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