JP2006311515A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、入射光量に対して対数変換した電気信号を出力する光電変換動作を行うとともに、グローバルシャッター方式による撮像動作を行う際にｋＴＣノイズの除去が可能となる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 全画素同時に撮像動作を行うグローバルシャッター方式で動作することによって、埋込型フォトダイオードＰＤへの入射光に応じたポテンシャルをＮ型浮遊拡散層ＦＤに保持する。そして、ノイズ信号を出力した後、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに保持したポテンシャルをＮ型浮遊拡散層ＦＤ１に転送し、画像信号を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、入射光に対する電気信号を出力する画素を備える固体撮像装置に関するもので、特に構成される各画素がトランジスタによって構成される固体撮像装置に関する。

種々の用途に供されている固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手段によってＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、ＣＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して直接読み出すようになっていた。

又、従来のＣＭＯＳ型の固体撮像素子として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。

これらに対して、本出願人は、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献２参照）。又、本出願人は、このような線形変換動作と対数変換動作とを自動的に切り換えるために、光電変換動作を行うフォトダイオードに接続されたトランジスタのポテンシャル状態を適当な状態に設定するＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３による固体撮像装置は、トランジスタのポテンシャル状態を変更することにより、その光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を変化させることができる。

又、従来の固体撮像装置として、図１１のような埋込型フォトダイオードＰＤが用いられた画素を備える固体撮像装置が提供されている。この図１１の画素は、Ｐ型基板２０上に形成されたＰ型ウェル層２１に対してＰ型層１０をその表面に形成してＮ型埋込層１１を埋め込むことによって構成される埋込型フォトダイオードＰＤと、埋込型フォトダイオードＰＤが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁膜１２を介して構成されたゲート電極１３を備える転送ゲートＴＧと、転送ゲートＴＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型浮遊拡散層ＦＤと、を備える。

この図１１のような構成部分を備える画素において、転送ゲートＴＧにおけるポテンシャル状態を決定するゲート電極１３でのゲート電圧を中間電位とすることで、入射光量に対して線形的に変化する電気信号を生成する線形変換動作と、入射光量に対して対数的に変化する電気信号を生成する対数変換動作とを、切り換えて動作させることができる。このとき、画素における埋込型フォトダイオードＰＤ及び転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャル状態の関係を、図１２（ａ）に示す。

埋込型フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電荷が発生し、発生した光電荷に応じて埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが上がる。ここで、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積される電荷は、入射光量の積分値に対して線形的に比例した値となる。又、被写体の輝度が高いとき、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが高くなって転送ゲートＴＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくと、制御ゲートＴＧがサブスレッショルド領域で動作し、埋込型フォトダイオードＰＤより電流が流れる。そして、図１２（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

そして、このように埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが入射光量に応じて変化した後、ゲート電極１３のゲート電圧を低くすることによって、図１２（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くする。このようにすることで、埋込型フォトダイオードＰＤの電荷が、図１２（ｂ）のように保持されることとなる。その後、この保持された埋込型フォトダイオードＰＤの電荷が、転送ゲートＴＧを通じて、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに転送されるとともに、この転送された電荷によりＮ型浮遊拡散層ＦＤで発生する電圧による電気信号が画像信号として出力される。

このような撮像動作を行う固体撮像装置において、全画素同一タイミングで撮像動作を行うためのグローバル露光を実現する方式として、グローバルシャッター方式とグローバルリセット方式とがある。このうち、グローバルシャッター方式においては、上述のような埋込型フォトダイオードＰＤへの光電荷の蓄積動作を同一期間に行った後、同一タイミングで転送ゲートＴＧにおけるポテンシャルを低くすることで、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積した光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送する。このようにして、全画素同時に撮像動作を行ったときの光電荷を各画素毎にＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送した後、この転送した光電荷に応じた画像信号を１画素毎に出力する。

又、グローバルリセット方式においては、機械的な遮光手段としてメカシャッターが用いられる。即ち、全画素に露光する期間をメカシャッターが開いている期間によって決定する。そして、メカシャッターが閉じて埋込型フォトダイオードＰＤに光電荷が実質的に蓄積されない状態になったときに、各画素毎に、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤをリセットして、このＮ型浮遊拡散層ＦＤのリセットレベルに応じたノイズ信号を出力する。その後、転送ゲートＴＧを通じて、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積した光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送した後、この各画素における撮像時の光電荷に応じた画像信号を１画素毎に出力する。
特開平１１−３１３２５７号公報 特開２００２−７７７３３号公報 特開２００２−３００４７６号公報

しかしながら、グローバルシャッター方式によると、グローバルリセット方式のように機械的な遮光手段を設置する必要がないが、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤをリセットしたときのリセットレベルに応じたノイズ信号が画像信号を読み出した後に読み出されるため、画像信号に含まれるｋＴＣノイズを完全に除去することができない。逆に、グローバルリセット方式によると、ノイズ信号を出力した後にＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送を行って画像信号を出力するため、ｋＴＣノイズの除去を行うことができるが、メカシャッターのような機械的な遮光手段が必要となる。

又、対数変換動作を行う画素を備えた固体撮像装置の場合、積分回路を具備しない場合においては、電荷蓄積性がなく、光電荷の保持する瞬間の入射光に応じた電荷量が埋込型フォトダイオードＰＤに保持されることとなる。よって、ｋＴＣノイズの除去のためにグローバルリセット方式を用いた場合、遮光手段による遮光するタイミングと埋込型フォトダイオードＰＤへの光電荷の保持を行うタイミングとのズレにより、入射光量に対して対数変換された光電荷の保持ができずに、撮像時の入射光に応じた画像信号を読み出すことができない。

このような問題を鑑みて、本発明は、入射光量に対して対数変換した電気信号を出力する光電変換動作を行うとともに、グローバルシャッター方式による撮像動作を行う際にｋＴＣノイズの除去が可能となる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する埋込型フォトダイオードを有する複数の画素を備える固体撮像装置において、前記画素が、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する第１転送ゲートと、該第１転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードより転送される電荷を蓄積する第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に蓄積された電荷を転送する第２転送ゲートと、該第２転送ゲートを介して前記第１浮遊拡散層より転送される電荷を蓄積する第２浮遊拡散層と、を備えるとともに、前記埋込型フォトダイオードと前記第１及び第２転送ゲートと前記第１浮遊拡散層とによって光電変換部を構成し、複数の前記画素全てが同時に前記光電変換部における撮像動作を行うことで、前記埋込型フォトダイオードへの入射光に応じた電荷を複数の前記画素全てが同時に前記第１浮遊拡散層に保持した後、前記各画素において、前記第２浮遊拡散層の初期化状態に応じたノイズ信号を出力した後、前記第１浮遊拡散層に保持された電荷を前記第２浮遊拡散層に転送するとともに転送された電荷量に応じた画像信号を出力することを特徴とする。

このような固体撮像装置において、前記光電変換部において撮像動作を行うとき、まず、前記埋込型フォトダイオードで発生した電荷を当該埋込型フォトダイオードに蓄積し、蓄積された電荷を前記第１転送ゲートを介して前記第１浮遊拡散層に転送した後、当該第１浮遊拡散層に保持するものとしても構わない。

即ち、前記第１転送ゲートに与える電圧を、導通状態とする第１電圧値と、非導通状態とする第２電圧値と、該第１及び第２電圧値の間の値となる第３電圧値と、の３値の電圧値とし、前記光電変換部において撮像動作を行うとき、まず、前記第２転送ゲートを導通状態とするとともに前記第１転送ゲートに与える電圧を前記第３電圧値として、前記埋込型フォトダイオードへの入射光の少なくとも一部の輝度範囲に対して、前記第１転送ゲート及び前記第１浮遊拡散層を構成に含むトランジスタをサブスレッショルド領域で動作させて、前記埋込型フォトダイオードに電荷を蓄積し、そして、前記第２転送ゲートを非導通状態とするとともに前記第１転送ゲートに与える電圧を第１電圧値として、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を前記第１浮遊拡散層に転送した後、前記第１転送ゲートに与える電圧を第２電圧値として、前記第１浮遊拡散層に転送された電荷を保持するものとしても構わない。

又、前記光電変換部において撮像動作を行うとき、前記第１転送ゲートを導通状態として前記埋込型フォトダイオードで発生した電荷を前記第１浮遊拡散層に流れ込む状態とし、前記第１浮遊拡散層に蓄積させた後、当該第１浮遊拡散層に保持するものとしても構わない。

即ち、前記第２転送ゲートに与える電圧を、導通状態とする第１電圧値と、非導通状態とする第２電圧値と、該第１及び第２電圧値の間の値となる第３電圧値と、の３値の電圧値とし、前記光電変換部において撮像動作を行うとき、まず、前記第１転送ゲートを導通状態とするとともに前記第２転送ゲートに与える電圧を前記第３電圧値として、前記埋込型フォトダイオードへの入射光の少なくとも一部の輝度範囲に対して、前記第２転送ゲートと前記第１及び第２浮遊拡散層とで構成されるトランジスタをサブスレッショルド領域で動作させて、前記第１浮遊拡散層に電荷を蓄積し、そして、前記第１転送ゲートを非導通状態とするとともに前記第２転送ゲートに与える電圧を第２電圧値として前記第１浮遊拡散層に蓄積された電荷を保持するものとしても構わない。

更に、上述の固体撮像装置において、前記第２浮遊拡散層と接続されて該第２浮遊拡散層をリセットするリセットゲートと、前記第２浮遊拡散層に接続された増幅器と、前記増幅器で増幅された出力信号を読み出すための読み出し用スイッチと、を備えるものとしても構わない。このとき、前記リセットゲートと前記第１及び第２転送ゲートとを導通状態とすることで、前記第１及び第２浮遊拡散層と前記埋込型フォトダイオードとをリセットする。

又、上述の撮像装置それぞれにおいて、前記画素での撮像動作を垂直ブランク期間で行うものとしても構わないし、更に、前記画素からの信号の読み出し動作を水平ブランク期間で行うものとしても構わない。

本発明によると、光電変換部で撮像動作を行ったとき、入射光に応じて発生した電荷を第１浮遊拡散層に保持するため、蓄積性のない対数変換領域における入射光に応じた電荷を第１浮遊拡散層に保持させることができる。又、画像信号の読み出しを行う際は、第２浮遊拡散層をリセットしたときのノイズ信号を出力した後に、第１浮遊拡散層に保持された電荷を第２浮遊拡散層に転送するため、リセット動作などが原因となるｋＴＣノイズを除去することができる。よって、全画素同時に露光動作を行うとともにメカシャッターを必要としないグローバルシャッター方式による撮像動作を採用することができるとともに、露光終了直後の電荷を保持することができる。

＜固体撮像装置の構成＞
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。

図１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していく。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線４−１、４−２、・・・、４−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎや出力信号線４−１〜４−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。

又、出力信号線４−１〜４−ｍのそれぞれには、定電流源６−１〜６−ｍが接続されるとともに、信号線４−１〜４−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路７−１〜７−ｍが設けられる。そして、補正回路８に選択回路７−１〜７−ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路８で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源６−１〜６−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。

このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線４−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線４−ａに接続された定電流源６−ａと画素Ｇab内部の回路により構成される増幅回路によって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路７−ａに送出されるとともに、この選択回路７−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。

その後、選択回路７−ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路８に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路８に送出される。補正回路８では、選択回路７−ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路７−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路７−１〜７−ｍ及び補正回路８それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路７−１〜７−ｍの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。

＜画素の構成＞
図１に示した構成の固体撮像装置内に設けられる各画素の構成について、図２を参照して説明する。図２は、画素の各素子の関係を示す概略構成図である。尚、図２の構成において、図１１の画素構成と同一の部分及び素子については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図２に示す画素は、図１１と同様の構成の埋込型フォトダイオードＰＤ及び転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤを備えるとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに蓄積された光電荷を転送する転送ゲートＴＧ１と、この転送ゲートＴＧ１から転送された光電荷を蓄積するＮ型浮遊拡散層ＦＤ１とをも備えた構成となる。即ち、Ｐ型ウェル層２１とＰ型層１０とＮ型埋込層１１とから構成される埋込型フォトダイオードＰＤと、埋込型フォトダイオードＰＤが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁膜１２を介して構成されたゲート電極１３を備える転送ゲートＴＧと、転送ゲートＴＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型浮遊拡散層ＦＤと、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに隣接する領域表面に絶縁膜１４を介して構成されたゲート電極１５を備える転送ゲートＴＧ１と、転送ゲートＴＧ１が構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型拡散層ＦＤ１と、を備える。

このとき、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて、Ｎ型埋込層１１の表面に高濃度のＰ型層１０が形成される。又、Ｎ型埋込層１１とＮ型浮遊拡散層ＦＤと転送ゲートＴＧとによってＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１が構成される。更に、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ，ＦＤ１と転送ゲートＴＧ１とによってＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２が構成される。そして、このように埋込型フォトダイオードＰＤを画素内に構成することで、埋込型フォトダイオードＰＤを構成するＰ型層１０の表面における電位が、この埋込型フォトダイオードＰＤ周囲のＰ型層より成るチャンネルストッパ層と同一の電位に固定される。

更に、図２に示す画素は、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ１にソースが接続されるとともに直流電圧ＶPDがドレインに印加されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにゲートが接続されるとともに直流電圧ＶPDがドレインに印加されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ４と、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにドレインが接続されるとともにソースに出力信号線４が接続されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ５と、を備える。更に、転送ゲートＴＧ，ＴＧ１及びＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５のゲートそれぞれに、信号φＴＸ、φＴＸ１、φＲＳ、φＶそれぞれが与えられる。

＜動作例１＞
図２のように構成される画素Ｇ11〜Ｇmnを備える固体撮像装置の一動作例について、図面を参照して以下に説明する。図３は、本動作例において各画素に与えられる信号の変遷を示すタイミングチャートである。又、図４〜図７は、図３のタイミングチャートに従って動作するときの画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。

本動作例において、転送ゲートＴＧに与える信号φＴＸが、３値の電圧値ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ（ＶＨ＞ＶＭ＞ＶＬ）の間で変化させる信号となる。このとき、信号φＴＸの電圧値ＶＭを適切な値に設定することで、ＭＯＳトランジスタＴ１に、埋込型フォトダイオードＰＤにより発生する光電荷量がある値より大きくなるときに、サブスレッショルド領域で動作させることができ、入射光量に応じて光電変換動作を線形変換動作と対数変換動作とのいずれかに切りかわるようにすることができる。又、信号φＴＸの電圧値ＶＭを変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を変化させることができる。以下に、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作を説明する。

固体撮像装置の画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、まず、図３（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図３（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸ、φＴＸ１のタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。まず、信号φＴＸの電圧値をＶＬとするとともに信号φＴＸ１，φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３をＯＦＦとした状態から、信号φＲＳをハイに切り換えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとする。よって、図４（ａ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲート下領域であるリセットゲートＲＧのポテンシャルを低くする。

その後、信号φＴＸの電圧値をＶＨとするとともに信号φＴＸ１をハイとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をＯＮとする。よって、図４（ｂ）のように、更に、転送ゲートＴＧ，ＴＧ１それぞれのポテンシャルが低くなるため、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤ，ＦＤ１のポテンシャルが初期化される。このようにＮ型浮遊拡散層ＦＤ，ＦＤ１及び埋込型フォトダイオードＰＤそれぞれの初期化を行った後、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えて、埋込型フォトダイオードＰＤ、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ，ＦＤ１、転送ゲートＴＧ，ＴＧ１及びリセットゲートＲＧそれぞれのポテンシャル状態を図４（ｃ）のような関係にして、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。

そして、露光動作が開始して埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光が入射されると、その入射光量に応じた光電荷が発生して、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積されて、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが変化する。ここで、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤに光電荷が蓄積されて、図５（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤの電荷が入射光量の積分値に対して線形的に変化する。又、被写体の輝度が高いとき、図５（ｂ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが高くなって転送ゲートＴＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくため、転送ゲートＴＧを含むＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作し、電流が流れる。よって、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

その後、信号φＴＸ１をローとすることでＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとし、図５（ｃ）のように、転送ゲートＴＧ１のポテンシャルを高くした後、信号φＴＸの電圧値をＶＨとすることでＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとし、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くする。このように転送ゲートＴＧ，ＴＧ１のポテンシャル状態を変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送して、図６（ａ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを入射光量に応じたポテンシャルに変化させる。

その後、信号φＴＸの電圧値をＶＬとすることでＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとし、図６（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤより転送された入射光量に応じた電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに保持させる。このように、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの各素子が同時に動作することで、画素Ｇ11〜ＧmnのＮ型浮遊拡散層ＦＤに、埋込型フォトダイオードＰＤに対する入射光量に応じた電荷を同時に保持することができる。

この垂直ブランク期間における画素Ｇ11〜Ｇmn全ての撮像動作が行われて、画素Ｇ11〜Ｇmn全てのＮ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じた電荷が保持された後、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＴＸ１，φＲＳ，φＶを水平ブランク期間毎に図３（ｂ）のように変遷することで、画像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。尚、この画像信号及びノイズ信号の読み出しを行うとき、信号φＴＸの電圧値はＶＬのままである。このとき、まず、信号φＲＳをハイからローに切り換えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦとし、図６（ｃ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルを高くする。

そして、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとしたとき、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ１のリセットレベルがＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられて、定電流源６（図１の定電流源６−１〜６−ｍに相当する）とによってソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタＴ４によって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ１のリセットレベルに応じた電圧信号となるノイズ信号が出力される。

その後、信号φＴＸ１をハイとすることでＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとし、図７（ａ）のように、転送ゲートＴＧ１のポテンシャルを低くすることで、Ｎ型拡散層ＦＤに蓄積された光電荷をＮ型拡散層ＦＤ１に転送する。そして、信号φＴＸ１をローとすることでＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとし、図７（ｂ）のように、転送ゲートＴＧ１のポテンシャルを高くすることで、入射光量に応じた電荷をＮ型拡散層ＦＤ１に保持する。

このとき、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとしたとき、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ１に保持された入射光量に応じた電荷による電圧がＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられて、定電流源６とによってソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタＴ４によって、入射光量に応じた電圧信号となる画像信号が出力される。

＜動作例２＞
又、図２のように構成される画素Ｇ11〜Ｇmnの別の動作例について、図面を参照して以下に説明する。図８は、本動作例において各画素に与えられる信号の変遷を示すタイミングチャートである。又、図９及び図１０は、図８のタイミングチャートに従って動作するときの画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。

本動作例においては、動作例１と異なり、転送ゲートＴＧ１に与える信号φＴＸ１が、３値の電圧値ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ（ＶＨ＞ＶＭ＞ＶＬ）の間で変化させる信号となるとともに、信号φＴＸがハイ、ローの２値で変化する信号となる。このとき、信号φＴＸ１の電圧値ＶＭを適切な値に設定することで、ＭＯＳトランジスタＴ２に、埋込型フォトダイオードＰＤにより発生する光電荷量がある値より大きくなるときに、サブスレッショルド領域で動作させることができ、入射光量に応じて光電変換動作を線形変換動作と対数変換動作とのいずれかに切りかわるようにすることができる。又、信号φＴＸ１の電圧値ＶＭを変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ２とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を変化させることができる。以下に、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作を説明する。

固体撮像装置の画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、まず、図８（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図８（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸ、φＴＸ１のタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。まず、信号φＴＸ１の電圧値をＶＬとするとともに信号φＴＸ，φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３をＯＦＦとした状態から、信号φＲＳをハイに切り換えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとする。よって、図９（ａ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲート下領域であるリセットゲートＲＧのポテンシャルを低くする。

その後、信号φＴＸをハイとするとともに信号φＴＸ１の電圧値をＶＨとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をＯＮとし、図９（ｂ）のように、転送ゲートＴＧ，ＴＧ１それぞれのポテンシャルを低くして、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤ，ＦＤ１のポテンシャルが初期化される。そして、信号φＴＸ１の電圧値をＶＭに切り換えて、フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２によって光電変換動作が行えるように、図９（ｃ）のようなポテンシャル状態にして、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。

そして、露光動作が開始して埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光が入射されると、その入射光量に応じた光電荷が発生して、発生した光電荷が転送ゲートＴＸを介してＮ型浮遊拡散層ＦＤに流れ込み、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに蓄積されてＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが変化する。ここで、被写体の輝度が低いとき、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに光電荷が蓄積されて、図１０（ａ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤの電荷が入射光量の積分値に対して線形的に変化する。又、被写体の輝度が高いとき、図１０（ｂ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが高くなって転送ゲートＴＧ１のポテンシャルとの差が閾値に近づく。よって、転送ゲートＴＧ１を含むＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド電流が流れて、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

その後、まず、信号φＴＸ１の電圧値をＶＬとすることでＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとし、図１０（ｃ）のように、転送ゲートＴＧ１のポテンシャルを高くして、光電荷がＮ型拡散層ＦＤ１に流れ込むことを禁止する。そして、信号φＴＸをローとすることでＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとし、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤからの光電荷がＮ型拡散層ＦＤに流れ込むことを禁止することで、動作例１と同様、図６（ｂ）のように、入射光量に応じて変化したＮ型浮遊拡散層ＦＤの電荷を保持させる。このように、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの各素子が同時に動作することで、画素Ｇ11〜ＧmnのＮ型浮遊拡散層ＦＤに、埋込型フォトダイオードＰＤに対する入射光量に応じた電荷を同時に保持することができる。

この垂直ブランク期間における画素Ｇ11〜Ｇmn全ての撮像動作が行われて、画素Ｇ11〜Ｇmn全てのＮ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じた電荷が保持された後、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＴＸ１，φＲＳ，φＶを水平ブランク期間毎に図８（ｂ）のように変遷することで、画像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。尚、この画像信号及びノイズ信号の読み出しを行うとき、信号φＴＸはローのままである。このとき、信号φＴＸ１，φＲＳ，φＶは、動作例１と同様のタイミングで切り換えられる。

即ち、まず、信号φＲＳをハイからローに切り換えて、図６（ｃ）のようにリセットゲートＲＧのポテンシャルを高くした後、ハイとなるパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとし、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ１のリセットレベルに応じた電圧信号となるノイズ信号を出力する。その後、信号φＴＸ１をＶＨとし、図７（ａ）のように、転送ゲートＴＧ１のポテンシャルを低くすることで、Ｎ型拡散層ＦＤに保持されていた電荷をＮ型拡散層ＦＤ１に転送する。そして、信号φＴＸ１をＶＬとし、図７（ｂ）のように、転送ゲートＴＧ１のポテンシャルを高くすることで、入射光量に応じた電荷をＮ型拡散層ＦＤ１に保持する。このとき、ハイとなるパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとし、入射光量に応じた電圧信号となる画像信号が出力される。

このように、上述の各動作例によると、グローバルシャッター方式による撮像動作によって、埋込型フォトダイオードＰＤによって光電変換されて得られた電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤに保持される。その後、各行毎の読み出し動作を行うとき、リセットされたＮ型浮遊拡散層ＦＤ１のリセットレベルによるノイズ信号を出力した後、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに保持された電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤ１に転送して、転送された電荷に応じた画像信号を出力するため、後段の補正回路８でノイズ信号に基づいて画像信号を補正することで、ｋＴＣノイズを除去することができる。

尚、本実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５それぞれをＮチャネルのＭＯＳトランジスタによって構成されるものとした。このように、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５それぞれがＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるとき、Ｐ型ウェル層又はＰ型サブストレートに構成される。

又、各実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３をＮチャネルのＭＯＳトランジスタに構成するとともに、ＭＯＳトランジスタＴ４、Ｔ５をＰチャネルのＭＯＳトランジスタに構成するものとしても構わない。このとき、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるＭＯＳトランジスタＴ４、Ｔ５が、Ｎウェル層に構成されるものとしても構わない。又、このＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに、直流電圧ＶPSが印加される。

は、本発明の実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 は、図１の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示すブロック図である。 は、図１の固体撮像装置における一動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図１の固体撮像装置における別の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、従来の固体撮像装置における画素の構成を示すブロック図である。 は、図１１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を図である。

符号の説明

１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３−１〜３−ｎ ライン
４−１〜４−ｍ 出力信号線
５ 電源ライン
６−１〜６−ｍ 定電流源
７−１〜７−ｍ 選択回路
８ 補正回路
１０ Ｐ型層
１１ Ｎ型埋込層
１２，１４ 絶縁膜
１３，１５ ゲート電極
２０ Ｐ型基板
２１ Ｐ型ウェル層
ＦＤ，ＦＤ１ Ｎ型浮遊拡散層
ＰＤ 埋込型フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ５ ＭＯＳトランジスタ
ＴＧ，ＴＧ１ 転送ゲート

Claims (7)

1. 入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する埋込型フォトダイオードを有する複数の画素を備える固体撮像装置において、
   前記画素が、
   前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する第１転送ゲートと、
   該第１転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードより転送される電荷を蓄積する第１浮遊拡散層と、
   前記第１浮遊拡散層に蓄積された電荷を転送する第２転送ゲートと、
   該第２転送ゲートを介して前記第１浮遊拡散層より転送される電荷を蓄積する第２浮遊拡散層と、
   を備えるとともに、
   前記埋込型フォトダイオードと前記第１及び第２転送ゲートと前記第１浮遊拡散層とによって光電変換部を構成し、
   複数の前記画素全てが同時に前記光電変換部における撮像動作を行うことで、前記埋込型フォトダイオードへの入射光に応じた電荷を複数の前記画素全てが同時に前記第１浮遊拡散層に保持した後、
   前記各画素において、前記第２浮遊拡散層の初期化状態に応じたノイズ信号を出力した後、前記第１浮遊拡散層に保持された電荷を前記第２浮遊拡散層に転送するとともに転送された電荷量に応じた画像信号を出力することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光電変換部において撮像動作を行うとき、まず、前記埋込型フォトダイオードで発生した電荷を当該埋込型フォトダイオードに蓄積し、蓄積された電荷を前記第１転送ゲートを介して前記第１浮遊拡散層に転送した後、当該第１浮遊拡散層に保持することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１転送ゲートに与える電圧を、導通状態とする第１電圧値と、非導通状態とする第２電圧値と、該第１及び第２電圧値の間の値となる第３電圧値と、の３値の電圧値とし、
   前記光電変換部において撮像動作を行うとき、
   まず、前記第２転送ゲートを導通状態とするとともに前記第１転送ゲートに与える電圧を前記第３電圧値として、前記埋込型フォトダイオードへの入射光の少なくとも一部の輝度範囲に対して、前記第１転送ゲート及び前記第１浮遊拡散層を構成に含むトランジスタをサブスレッショルド領域で動作させて、前記埋込型フォトダイオードに電荷を蓄積し、
   そして、前記第２転送ゲートを非導通状態とするとともに前記第１転送ゲートに与える電圧を第１電圧値として、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を前記第１浮遊拡散層に転送した後、
   前記第１転送ゲートに与える電圧を第２電圧値として、前記第１浮遊拡散層に転送された電荷を保持することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記光電変換部において撮像動作を行うとき、前記第１転送ゲートを導通状態として前記埋込型フォトダイオードで発生した電荷を前記第１浮遊拡散層に流れ込む状態とし、前記第１浮遊拡散層に蓄積させた後、当該第１浮遊拡散層に保持することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２転送ゲートに与える電圧を、導通状態とする第１電圧値と、非導通状態とする第２電圧値と、該第１及び第２電圧値の間の値となる第３電圧値と、の３値の電圧値とし、
   前記光電変換部において撮像動作を行うとき、
   まず、前記第１転送ゲートを導通状態とするとともに前記第２転送ゲートに与える電圧を前記第３電圧値として、前記埋込型フォトダイオードへの入射光の少なくとも一部の輝度範囲に対して、前記第２転送ゲートと前記第１及び第２浮遊拡散層とで構成されるトランジスタをサブスレッショルド領域で動作させて、前記第１浮遊拡散層に電荷を蓄積し、
   そして、前記第１転送ゲートを非導通状態とするとともに前記第２転送ゲートに与える電圧を第２電圧値として前記第１浮遊拡散層に蓄積された電荷を保持することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第２浮遊拡散層と接続されて該第２浮遊拡散層をリセットするリセットゲートと、
   前記第２浮遊拡散層に接続された増幅器と、
   前記増幅器で増幅された出力信号を読み出すための読み出し用スイッチと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記リセットゲートと前記第１及び第２転送ゲートとを導通状態とすることで、前記第１及び第２浮遊拡散層と前記埋込型フォトダイオードとをリセットすることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。

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