(57)【要約】【課題】画素の色成分に依存した出力リニアリティの特性を改善する。【解決手段】固体撮像装置１０は、画素から転送される信号電荷を順次に蓄積するフローティングディフュージョン（ＦＤ）部１６と、ＦＤ部１６にゲート電極が接続された駆動トランジスタ２０ａを有し、ＦＤ部１６の電位（ＶＦＤ）に応じた信号電圧（Ｖｏｕｔ）を出力するソースフォロア型の出力回路１７とを備え、さらに、駆動トランジスタ２０ａのバックバイアス電圧（ＶＢＢ）を制御するための制御端子２２が設けられている。バックバイアス電圧（ＶＢＢ）を、ＦＤ部１６に蓄積された画素の色成分に応じて変更し、駆動トランジスタ２０ａの閾値電圧を変化させる。【選択図】図１
2009081634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素から転送される信号電荷を順次に蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部にゲート電極が接続された駆動トランジスタを有し、前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号電圧を出力するソースフォロア型の出力回路とを備えた固体撮像装置において、
前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を制御するための制御端子を設けたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
画素から転送される信号電荷を順次に蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部にゲート電極が接続された駆動トランジスタを有し、前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号電圧を出力するソースフォロア型の出力回路とを備えた固体撮像装置の制御方法において、
前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された画素の色成分に応じて変更することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【請求項３】
前記フローティングディフュージョン部の電位の各色成分ごとの最大値が等しい信号電圧に変換されるように前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を変更することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項４】
前記フローティングディフュージョン部の電位の各色成分ごとの最大値が、前記駆動トランジスタの入出力特性が線形となる飽和特性領域にて変換されるように前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を変更することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換により生成された信号電荷を、フローティングディフュージョン（ＦＤ）アンプにより信号電圧に変換して出力する固体撮像装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ等の電子式カメラには、ＣＣＤ（charge coupled device）型やＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）型の固体撮像装置が組み込まれている。これらの固体撮像装置は、２次元状に複数配設された受光素子（光電変換素子）にて受光を行う。受光素子は、光電変換により入射光の光量に応じた信号電荷を生成し蓄積する。受光素子に蓄積された信号電荷は出力アンプに転送され、出力アンプにより信号電圧に変換され外部出力される。例えば、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより電荷転送を行うＣＣＤ型固体撮像装置の場合には、出力アンプは水平ＣＣＤの出力端に配置され、水平ＣＣＤから転送された信号電荷を順次に信号電圧に変換して出力する。
【０００３】
この出力アンプとしては、ＦＤアンプが広く用いられている。ＦＤアンプは、信号電荷を蓄積するためのＦＤ部と、ＦＤ部にゲート電極が電気的に接続された駆動トランジスタを含むソースフォロア型の出力回路とからなり、出力回路は、電荷蓄積量に応じて生じるＦＤ部の電位を緩衝増幅（インピーダンス変換）して生成した信号電圧を出力する。
【０００４】
固体撮像装置から出力される信号電圧は、入射光量に比例した線形特性（いわゆる、出力リニアリティ）を有することが好ましい。しかし、この出力リニアリティを実現することは容易ではなく、特に、各受光素子上にカラーフィルタが配設されたカラー固体撮像装置では、カラーフィルタの色成分に依存した透過率（分光光透過率）と、受光素子の色成分に依存した光電変換特性（分光感度）とにより決まる分光感度特性により、同じ入射光量であっても色成分によって感度が異なるため、分光感度特性の高い色成分の受光素子では、信号電荷の蓄積電荷量が飽和電荷量に達しやすく、出力リニアリティが損なわれやすいといった問題があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１では、ＦＤアンプのダイナミックレンジよりも受光素子の飽和電荷量を大きく設定することで、信号電圧の上限値をＦＤアンプのダイナミックレンジの上限値によって規定し、出力リニアリティを向上させることが提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１０１８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＦＤアンプの入出力特性（駆動トランジスタのゲート電極への入力電圧（ＦＤ部の電位）とソース電極からの出力電圧（信号電圧）との関係）は、図８に示すように、飽和特性領域ａでは線形変換（ほぼ電圧増幅率１）となっているが、飽和特性領域ａを超えた領域ｂでは非線形変換となっているため、特許文献１に記載のようにＦＤアンプのダイナミックレンジにより規定を行ったとしても、飽和特性領域ａを超える入力信号は非線形変換されることになり、出力リニアリティは損なわれたままである。
【０００７】
同図では、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の色成分からなる原色カラーフィルタを用いた場合における所定の入射光量範囲での各入力信号幅（Ｒ信号幅，Ｇ信号幅，Ｂ信号幅）を示している。各入力信号幅は、前述の分光感度特性により色成分に応じて異なっている。図示した例では、Ｂ信号は、ほぼ線形変換が行われ出力リニアリティが保たれるが、Ｒ信号及びＧ信号は、非線形変換により出力リニアリティが損なわれる。
【０００８】
つまり、画素の色成分に依存した出力リニアリティの特性が問題として挙げられ、これは偽色の発生に起因するため、改善が望まれる。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、画素の色成分に依存した出力リニアリティの特性を改善することが可能な固体撮像装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、画素から転送される信号電荷を順次に蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部にゲート電極が接続された駆動トランジスタを有し、前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号電圧を出力するソースフォロア型の出力回路とを備えた固体撮像装置において、前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を制御するための制御端子を設けたことを特徴とする。前記駆動トランジスタは、バックバイアス電圧に応じて閾値電圧が変更される。
【００１１】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、画素から転送される信号電荷を順次に蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部にゲート電極が接続された駆動トランジスタを有し、前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号電圧を出力するソースフォロア型の出力回路とを備えた固体撮像装置の制御方法において、前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された画素の色成分に応じて変更することを特徴とする。
【００１２】
なお、前記フローティングディフュージョン部の電位の各色成分ごとの最大値が等しい信号電圧に変換されるように前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を変更することが好ましい。これにより、各色成分ごとの信号電圧の幅（振幅）が一致する。
【００１３】
また、前記フローティングディフュージョン部の電位の各色成分ごとの最大値が、前記駆動トランジスタの入出力特性が線形となる飽和特性領域にて変換されるように前記駆動トランジスタのバックバイアス電圧を変更することが好ましい。これにより、各色成分について、出力リニアリティが実現される。上記の各色成分ごとの最大値は、実施形態中の電位（Ｖｒ１，Ｖｇ１，Ｖｂ１）に対応する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、出力回路の駆動トランジスタの閾値電圧を変更することが可能となり、画素の色成分に応じて駆動トランジスタの閾値電圧を変更することで、色成分に依存した出力リニアリティの特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１において、本発明に係わる固体撮像装置１０は、半導体基板（シリコン基板）をベースとして形成され、画素単位で２次元配列され、光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積する複数の受光素子（光電変換素子）１１と、受光素子１１の垂直列ごとに設けられ、受光素子１１から信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直ＣＣＤ１２と、各垂直ＣＣＤ１２の出力端に共通に接続され、信号電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ１３と、水平ＣＣＤ１３の出力端に接続され、信号電荷を信号電圧に変換して外部に出力する出力部１４とから構成されている。垂直ＣＣＤ１２には、４相の電荷転送を行い得るように、４相の駆動パルス（φＶ１〜φＶ４）が入力される。また、水平ＣＣＤ１３には、２相の電荷転送を行い得るように、２相の駆動パルス（φＨ１，φＨ２）が入力される。なお、符号２は１画素を示しており、図１では４×４の画素領域のみを示している。
【００１６】
受光素子１１は半導体基板内にフォトダイオードとして設けられており、その上方（入射側）には、図２に示す原色のカラーフィルタ３０が設けられている。カラーフィルタ３０は、赤色（Ｒ）の光を透過させるＲフィルタ３１ｒと、緑色（Ｇ）の光を透過させるＧフィルタ３１ｇと、青色（Ｂ）の光を透過させるＢフィルタ３１ｂとが画素単位で２次元配列されており、この配列は、Ｇフィルタ３１ｇとＲフィルタ３１ｒとがＸ方向（水平転送方向）に交互に並んだ行と、Ｂフィルタ３１ｂとＧフィルタ３１ｇとがＸ方向に交互に並んだ行とがＹ方向（垂直転送方向）に交互に配列された、いわゆるベイヤー配列となっている。入射光は、カラーフィルタ３０により各色成分に分光された後、対応する受光素子１１に入射する。なお、図２では、８×８の画素領域のみを示している。
【００１７】
図１に戻り、出力部１４は、水平ＣＣＤ１３の出力端に隣接して設けられた出力ゲート１５と、出力ゲート１５に隣接して設けられたＦＤ部１６と、ＦＤ部１６に接続されたソースフォロア型の出力回路１７と、ＦＤ部１６に隣接して設けられたリセットゲート１８と、リセットゲート１８に隣接して設けられたリセットドレイン１９とからなる。出力ゲート１５には、所定のゲート電圧（ＶＯＧ）が印加されており、水平ＣＣＤ１３に印加される駆動パルス（φＨ１，φＨ２）に応じて水平ＣＣＤ１３から出力ゲート１５を介してＦＤ部１６に信号電荷が転送される。ＦＤ部１６には、信号電荷の蓄積電荷量に応じた電位（ＶＦＤ）が生じる。出力回路１７は、ＦＤ部１６に生じた電位（ＶＦＤ）を検出し、これを緩衝増幅して生成した信号電圧（Ｖｏｕｔ）を出力する。リセットゲート１８は、信号電圧（Ｖｏｕｔ）の出力が行われるたびに入力されるリセットパルス（φＲＧ）に応じて、ＦＤ部１６内の信号電荷をリセットドレイン１９へ排出する。なお、リセットドレイン１９には、リセットドレイン電圧（ＶＲＤ）が印加されている。
【００１８】
ＦＤ部１６及び出力回路１７により前述のＦＤアンプが構成されている。出力回路１７は、ｎチャネルＭＯＳ型トランジスタからなる駆動トランジスタ２０ａ，２０ｂと、ｎチャネルＭＯＳ型トランジスタからなる負荷トランジスタ２１ａ，２１ｂとから構成された２段のソースフォロア回路である。駆動トランジスタ２０ａ，２０ｂのドレイン電極は共通に接続され、電源電圧（ＶＤＤ）が印加されている。駆動トランジスタ２０ａ，２０ｂの各ソース電極は、それぞれ負荷トランジスタ２１ａ，２１ｂの各ドレイン電極に接続されている。負荷トランジスタ２１ａ，２１ｂのソース電極は共通に接続され、接地電圧（ＧＮＤ）が印加されている。また、負荷トランジスタ２１ａ，２１ｂのゲート電極は共通に接続され、所定のバイアス電圧（ＶＬＧ）が印加されている。なお、負荷トランジスタ２１ａ，２１ｂに代えて、抵抗を用いることも可能である。
【００１９】
初段の駆動トランジスタ２０ａのゲート電極は、ＦＤ部１６に接続されており、ＦＤ部１６の電位（ＶＦＤ）が入力される。初段の駆動トランジスタ２０ａのソース電極は、後段の駆動トランジスタ２０ｂのゲート電極に接続されており、初段のソースフォロアの出力電圧（Ｖｏｕｔ１）が後段のソースフォロアに入力される。後段のソースフォロアの出力電圧は、信号電圧（Ｖｏｕｔ）として後段の駆動トランジスタ２０ｂのソース電極から出力される。
【００２０】
また、初段の駆動トランジスタ２０ａには、バックバイアス（基板バイアス）電圧（ＶＢＢ）が印加され、閾値電圧（Ｖｔ）の制御が行われる。固体撮像装置１０は、バックバイアス電圧（ＶＢＢ）を外部から印加するための制御端子２２を備えている。制御端子２２に印加するバックバイアス電圧（ＶＢＢ）を負方向に増していくと、閾値電圧（Ｖｔ）は正方向に増大し、図３に示すように、駆動トランジスタ２０ａの入出力特性（入力電圧（ＶＦＤ）と出力電圧（Ｖｏｕｔ１）との関係）が変化する。
【００２１】
図４は、ＦＤ部１６の周辺の平面構造を示す。図４において、ｎ型拡散層からなるチャネル領域４０は、水平ＣＣＤ１３の水平転送電極４１ａ，４１ｂ下から、出力ゲート１５のゲート電極４２下、リセットゲート１８のゲート電極４３下を延在し、リセットドレイン１９を形成している。ＦＤ部１６は、出力ゲート１５とリセットゲート１８との間のチャネル領域４０の表層に形成されており、ＦＤ部１６には、前述の駆動トランジスタ２０ａのゲート電極４４が接続されている。
【００２２】
駆動トランジスタ２０ａは、他の領域から電気的に孤立したｐ型のウェル領域４５内に形成されており、このウェル領域４５には、前述の制御端子２２からバックバイアス電圧（ＶＢＢ）が印加される。このバックバイアス電圧（ＶＢＢ）は、駆動トランジスタ２０ａのみに作用し、その閾値電圧（Ｖｔ）を前述のように変化させる。
【００２３】
図５は、上記のように構成された固体撮像装置１０を備えた撮影装置５０を模式的に示したものであり、撮影装置５０は、被写体光を固体撮像装置１０の受光面に結像させるレンズ等を含む光学系５１と、固体撮像装置１０の駆動を制御する駆動制御回路５２と、固体撮像装置１０から出力される信号電圧（Ｖｏｕｔ）を信号処理して画像データを生成する信号処理回路５３と、信号処理回路５３によって生成された画像データを記憶するメモリ回路５４と、カラーフィルタ３０の配列情報を記憶し、駆動制御回路５２によって参照されるカラーフィルタ配列情報記憶部５５とから構成されている。なお、カラーフィルタ配列情報記憶部５５には、図２に示した各フィルタ３１ｒ，３１ｇ，３１ｂの配列順序が記憶されている。
【００２４】
駆動制御回路５２は、タイミングジェネレータを備え、タイミングジェネレータにより生成されるクロック信号に基づき、垂直転送用の駆動パルス（φＶ１〜φＶ４）、水平転送用の駆動パルス（φＨ１，φＨ２）、リセットパルス（φＲＧ）、及びバックバイアス電圧（ＶＢＢ）を生成して固体撮像装置１０に入力し、固体撮像装置１０に撮像動作を実行させる。固体撮像装置１０に撮像動作は、垂直ブランキング期間と、水平ブランキング期間及び水平映像期間からなる複数の水平走査期間とを一垂直走査期間として繰り返し実行される。垂直ブランキング期間に受光素子１１から垂直ＣＣＤ１２に信号電荷の読み出しが行われ、垂直ＣＣＤ１２に読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間に一行ずつ水平ＣＣＤ１３に転送される。水平ＣＣＤ１３に転送された信号電荷は、水平映像期間に出力部１４に向けて水平転送され、出力部１４にて１画素ずつ信号電圧（Ｖｏｕｔ）に変換される。
【００２５】
駆動制御回路５２は、信号電圧（Ｖｏｕｔ）の出力を行う水平映像期間にカラーフィルタ配列情報記憶部５５を参照し、出力部１４にて電荷−電圧変換する画素の色成分（Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれか）に応じて、バックバイアス電圧（ＶＢＢ）を変更する。具体的には、駆動制御回路５２は、画素の色成分に応じてバックバイアス電圧（ＶＢＢ）を変更することによって、図６（ａ）〜（ｂ）に示すように、Ｂ信号幅の最大値に対応するＦＤ部１６の電位（Ｖｂ１）、Ｒ信号幅の最大値に対応するＦＤ部１６の電位（Ｖｒ１）、Ｇ信号幅の最大値に対応するＦＤ部１６の電位（Ｖｇ１）がそれぞれ飽和特性領域ａ内で変換され、変換後の各電圧値Ｖｂ２，Ｖｒ２，Ｖｇ２が一致するように、駆動トランジスタ２０ａの閾値電圧（Ｖｔ）を変化させる。これにより、出力リニアリティの色成分に関する依存性がなくなり、初段のソースフォロアの出力電圧（Ｖｏｕｔ１）の信号幅、及び後段のソースフォロアの出力電圧（Ｖｏｕｔ）の信号幅は、各色成分についてほぼ等しくなる。
【００２６】
図７は、水平映像期間における駆動タイミング及び出力信号波形を示す。バックバイアス電圧（ＶＢＢ）は、水平転送用の駆動パルス（φＨ１，φＨ２）及びリセットパルス（φＲＧ）の入力周期Ｔに同期して、そのときに対応する画素の色成分（カラーフィルタ配列情報）に応じて３段階（ＶＢＢ１，ＶＢＢ２，ＶＢＢ３）に変更される。ＶＢＢ１は、色成分がＧ（緑色）の場合のバックバイアス電圧であり、図６（ｃ）に示したように閾値電圧（Ｖｔ）を変化させる。ＶＢＢ２は、色成分がＲ（赤色）の場合のバックバイアス電圧であり、図６（ｂ）に示したように閾値電圧（Ｖｔ）を変化させる。ＶＢＢ３は、色成分がＢ（青色）の場合のバックバイアス電圧であり、図６（ａ）に示したように閾値電圧（Ｖｔ）を変化させる。なお、電圧ＶＢＢ１〜ＶＢＢ３は、カラーフィルタ３０の透過率と、受光素子１１の光電変換特性との色成分の依存性（波長依存性）に基づいて決定すればよい。
【００２７】
なお、上記実施形態では、カラーフィルタの色成分をＲ，Ｇ，Ｂの原色により構成しているが、Ｃ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）の補色など、他の色成分により構成してもよい。また、色配列は、ベイヤー配列に限られず、適宜変更してよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、出力回路を２段のソースフォロア回路として構成しているが、３段以上のソースフォロア回路により構成してもよい。
【００２９】
また、上記実施形態では、画素の色成分に応じて駆動トランジスタのバックバイアス電圧（ＶＢＢ）を変化させているが、本発明の固体撮像装置は、ＦＤ部１６等の製造ばらつきに起因してＦＤ電位（ＶＦＤ）が変化したことによる信号電圧（Ｖｏｕｔ）の変動量を補正するようにバックバイアス電圧（ＶＢＢ）を調整するといった使い方も可能である。
【００３０】
また、上記実施形態では、固体撮像装置の駆動を制御する駆動制御回路を固体撮像装置とは別に設けているが、この駆動制御回路は、固体撮像装置内に形成してもよい。
【００３１】
また、上記実施形態では、ＣＣＤ型の固体撮像装置を例に挙げて説明しているが、本発明はこれに限定されず、ＦＤアンプを備えるものであれば、ＣＭＯＳ型等の他種の固体撮像装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係わる固体撮像装置の構成を示す概略平面図である。
【図２】カラーフィルタを示す概略平面図である。
【図３】ソースフォロア回路の初段駆動トランジスタの入出力特性を示すグラフである。
【図４】ＦＤ部の周辺の構造を示す概略平面図である。
【図５】本発明に係わる固体撮像装置を備えた撮影装置の構成を示すブロック図である。
【図６】変換する画素の色成分に応じて閾値電圧を変更した駆動トランジスタの入出力特性を示すグラフであり、（ａ）は色成分が赤色の場合、（ｂ）は色成分が青色の場合、（ｃ）は色成分が緑色の場合を示すグラフである。
【図７】水平映像期間における駆動タイミング及び出力信号波形を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の固体撮像装置におけるソースフォロア回路の初段駆動トランジスタの入出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０  固体撮像装置
１１  受光素子
１４  出力部
１６  フローティングディフュージョン部
１７  出力回路
２０ａ，２０ｂ  駆動トランジスタ
２１ａ，２１ｂ  負荷トランジスタ
２２  制御端子
３０  カラーフィルタ
５０  撮影装置
５２  駆動制御回路
５５  カラーフィルタ配列情報記憶部
【図１】
2009081634.tif 000003
【図２】
2009081634.tif 000004
【図３】
2009081634.tif 000005
【図４】
2009081634.tif 000006
【図５】
2009081634.tif 000007
【図６】
2009081634.tif 000008
【図７】
2009081634.tif 000009
【図８】
2009081634.tif 000010