JP5661260B2

JP5661260B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法

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Publication number: JP5661260B2
Application number: JP2009167950A
Authority: JP
Inventors: 篠原　真人; 真人篠原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: US8350942B2; US20110013065A1; JP2011023590A

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。

固体撮像装置にはその信号出力の仕方により、電荷転送型固体撮像装置、信号増幅型固体撮像装置があり、それぞれＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサが代表的なものである。増幅型固体撮像装置は、一般に画素内に光電変換部、増幅トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタを有する。光電変換部への入射光により発生しかつ蓄積される信号電荷は、増幅トランジスタの制御電極に接続するフローティングディフュージョン（以下、ＦＤと称する）に転送トランジスタによって転送され、増幅トランジスタによって増幅され出力される。信号転送の前にＦＤはリセットトランジスタによりリセットされる。

一般に、固体撮像装置の画素の光電変換部に大量の入射光が当たる場合に、信号電荷が光電変換部からあふれることがある。あふれた電荷が周辺隣接画素の光電変換部、あるいはＣＣＤの場合には垂直ＣＣＤに漏れこむと、ブルーミングと呼ばれる偽信号発生が起こり、画面上で白いにじみとなって現れることが知られている。入射光のない暗時において、光電変換部から発生する暗電流は画面では白点キズとなって現れるが、この暗電荷が大量に生じ、それによるブルーミングが生ずると、白点キズの範囲が拡がることになる。

このような画質低下をもたらすブルーミングへの対策として、増幅型固体撮像装置においては、光電変換部への信号電荷蓄積期間中、あふれそうな電荷を転送トランジスタを通してＦＤに排出するという動作がある。ＣＭＯＳセンサにおけるこのような動作の例が、特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１には、蓄積期間中に転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲートに供給される制御信号がバイアスされているため、転送トランジスタ及びリセットトランジスタは完全なオフ状態にならず、過剰電荷を電源に放出している。特許文献２によると、信号電荷蓄積期間中、転送トランジスタのゲートに信号電荷転送時の電位よりも低い電位のパルスを間欠的に印加し、この間欠パルス印加中に、光電変換部からあふれる電荷を転送トランジスタを通してＦＤに排出させている。

特開平１１−３５５６６４号公報特開２００８−０９９１５８号公報

しかしながら、上記の特許文献２ではブルーミングを抑止する反面、次のようなセンサ特性を低下させる欠点を有する。特許文献２では、上記の過剰電荷排出動作を、信号電荷蓄積期間中、間欠的でなく継続的にずっと行えばブルーミング抑止はほぼ完璧になる。しかし、そのためにはリセットトランジスタのゲートをハイレベル状態に、また転送トランジスタのゲートを過剰電荷排出のための中間電位Ｖｍに蓄積動作期間中保たねばならない。このような状態では、リセットトランジスタとフォトダイオード間にあってリセットトランジスタのゲートが載る素子分離領域のフォトダイオード側が弱反転に近い状態になって暗電流の発生が起こりやすくなる。また、転送トランジスタのゲート下は弱反転状態となり、転送トランジスタのゲート界面からの暗電流が増大する。このような暗電流はフォトダイオードに流れ込んでセンサ特性を低下させる。よって上記のような状態となる時間をできるだけ短くするため上記動作は間欠的に行うが、ブルーミング防止のためにできるだけ密に上記動作を行うと上に述べた理由によって暗電流が増加するという欠点がある。

さらに、上記間欠動作でのリセットパルス及び転送パルスはセンサの全画素に印加されるので、上記動作を密に行うと、消費電流の増大、及びその消費電流による発熱による暗電流の増加を招くという欠点を有している。さらに、フォトダイオードが本来蓄積できる限界の飽和電荷量は、上記のような部分的な電荷排出動作によって低下してしまうという欠点も有している。

以上は一般的に知られた欠点であるが、さらに次のような欠点があることも本発明者の検討により明らかになった。転送トランジスタのゲートに印加する中間電位Ｖｍのパルスが印加されない期間は転送パルス、リセットパルスともローレベルであるので、ＦＤは０Ｖからリセット電位の間で浮遊状態となる。ダーク又は入射光量が少なくダークに近い画素に着目した時、この画素のＦＤも浮遊状態で０Ｖに近くなることがありうる。ＦＤはその一般的構造上暗電流が大きく、この暗電流がＦＤに蓄積されていくことがあるのと、また着目するダーク画素の隣接画素への入射光量が多い場合、この隣接画素のフォトダイオードから溢れた電荷が着目画素のＦＤへ流れ込むことがありうるからである。このようにＦＤが０Ｖか０Ｖに近い状態で中間電位Ｖｍのパルスが印加されると、ＦＤの電荷がフォトダイオードに逆転送されてしまうことが生ずる。このように、従来のブルーミング抑制動作では、ＦＤの暗電流による白点キズの増加、またブルーミングがかえって拡がってしまいかねないメカニズムを有する、という欠点がある。

本発明の目的は、ブルーミングを抑制することができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、電荷を蓄積するためのフローティングディフュージョン部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送するための転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅するための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部に蓄積された電荷に応じた電圧をリセットするためのリセットトランジスタと、前記光電変換部に電荷を蓄積中、前記転送トランジスタのゲートには電荷を転送する転送電位と電荷を非転送とする非転送電位との中間となる第１の電位を有するパルスを間欠的に印加し、前記リセットトランジスタのゲートには前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするパルスの電位よりも低く、前記第１の電位よりも高い第２の電位を印加する駆動回路とを有することを特徴とする。

消費電力が抑制され、暗電流が低減されるので、フローティングディフュージョン部の暗電流による白点キズの増加を防止し、フローティングディフュージョン部を通したブルーミングの拡がりを防止し、ブルーミング現象を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態の画素部の等価回路図である。本発明の第１の実施形態の駆動パルスタイミング図である。本発明の第２の実施形態の飽和電荷のグラフである。本発明の第２の実施形態の固体撮像装置のブロック図である。本発明の第２の実施形態の駆動パルスタイミング図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の画素部の構成例を示す図である。１は単位画素である。２は入射光に応じた電荷を生成して蓄積するための光電変換部となるフォトダイオードである。３はフォトダイオード２に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部７へ転送するための転送トランジスタである。４はフローティングディフュージョン部７に蓄積された電荷に応じた電圧をリセットするためのリセットトランジスタである。５はフローティングディフュージョン部７に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅するための増幅トランジスタである。６は選択トランジスタである。７は電荷を蓄積するためのフローティングディフュージョン（ＦＤ）部である。８は増幅画素信号を出力する垂直信号線である。９は転送パルスＴＲＧを転送トランジスタ３のゲートに印加する転送制御線である。１０はリセットパルスＲＳＴをリセットトランジスタ４のゲートに印加するリセット制御線である。１１は出力選択パルスＳＥＬを選択トランジスタ６のゲートに印加する転送制御線である。

図２は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すパルスタイミング図である。リセットパルスＲＳＴは、リセットトランジスタ４のゲートに印加されるパルスである。転送パルスＴＲＧは、転送トランジスタ３のゲートに印加されるパルスである。ＶｆｄはＦＤ部７の電位変化を表す。リセットパルスＲＳＴのローレベル電位Ｖｒｍは、リセットパルスＲＳＴのハイレベル電位Ｖｒｈより低く、接地電位ＧＮＤである画素のウエル電位よりも高く、かつ中間電位Ｖｍよりも高い電位である。また、Ｖｒｍは画素分離領域からの暗電流を増加させないような値が望ましい。転送パルスＴＲＧの電位Ｖｍは、過剰電荷排出のための転送トランジスタ３のゲートの中間電位である。

リセット期間では、リセットパルスＲＳＴは、ハイレベル電位Ｖｒｈになり、その後にローレベル電位Ｖｒｍになる。これにより、リセットトランジスタ４がオンし、ＦＤ部７の電位Ｖｆｄは電源電位ＶＤＤになる。次に、転送期間では、転送パルスＴＲＧは、ハイレベルになり、その後にローレベルになる。これにより、転送トランジスタ３はオンし、フォトダイオード３により生成及び蓄積された電荷がＦＤ部７に転送される。次に、信号蓄積期間では、転送パルスＴＲＧは、間欠的に中間電位Ｖｍのパルスになり、フォトダイオード３の電荷の生成及び蓄積が行われる。垂直駆動回路１６（図４）は、フォトダイオード２に電荷を蓄積中、転送トランジスタ３のゲートには電荷を転送する転送電位と電荷を非転送とする非転送電位との中間となる第１の電位Ｖｍを有するパルスを間欠的に印加する。上記の転送電位はハイレベル、上記の非転送電位はローレベルである。また、垂直駆動回路１６（図４）は、フォトダイオード２に電荷を蓄積中、リセットトランジスタ４のゲートにはＦＤ部７の電圧をリセットするパルスの電位Ｖｒｈよりも低く、第１の電位Ｖｍよりも高い第２の電位Ｖｒｍを印加する。

信号蓄積期間では、転送トランジスタ３は、まずフォトダイオード２に蓄積されている飽和に近いあるレベル以上の電荷のみをＦＤ部７に間欠的に排出し、フォトダイオード２から電荷があふれ出るのを防ぐという従来のブルーミング抑制効果は同じである。しかるに信号蓄積期間中、リセットパルスＲＳＴは一定電位Ｖｒｍを保つため、従来動作に比べて消費電力が抑えられ、したがって発熱による暗電流増加も抑えられる。また転送トランジスタ３及びリセットトランジスタ４のしきい電圧をＶｔｈとすると、ＦＤ部７の電位は（Ｖｒｍ−Ｖｔｈ）以上の電位に保たれる。ＦＤ部７に電荷が流れ込んでＦＤ部７の電位が下がろうとすると、リセットトランジスタ４がオン状態となり、ＦＤ部７に流れ込む電荷はリセットトランジスタ４のドレインに排出されるからである。一方、転送パルスＴＲＧの間欠パルスによって転送トランジスタ３のゲート電位が電位Ｖｍになるとき、転送トランジスタ３のチャンネル電位は（Ｖｍ−Ｖｔｈ）を超えることはない。そのため、電位が（Ｖｒｍ−Ｖｔｈ）以上であるＦＤ部７の電荷が転送トランジスタ３を通してフォトダイオード２に逆転送されることは決してない。よって従来動作のようなＦＤ部７の暗電流による白点キズの増加、及びＦＤ部７を通したブルーミングの拡がりが生じることなく、確実にブルーミング現象を抑制することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による固体撮像装置を説明する。図３は、電位Ｖｍの間欠転送パルスＴＲＧを印加することでフォトダイオード２の一部電荷が排出されたときのフォトダイオード２の飽和電荷Ｑを表すグラフであり、横軸に電位Ｖｍ、縦軸に飽和電荷Ｑをとっている。同図において、Ｑ０はＶｍ＝０、すなわち間欠転送パルスを印加しないときのフォトダイオード２の飽和電荷である。Ｑ１は映像信号電圧にかけられるゲインＧが１の時の、映像信号入力側にとって必要最小限度の飽和電荷である。Ｖｍ２はフォトダイオード２の飽和電荷がＱ２＝Ｑ０／２となるようなＶｍの値を示す。Ｖｍ２はフォトダイオード２と転送トランジスタ３の構造によって決まる。厳密には飽和電荷は最終間欠転送パルスから信号読み出しの時間間隔にも依存するが、簡単のため、間欠転送パルス印加直後の飽和電荷を考える。Ｖｍ＞ＶｔｈにおいてＱはＶｍに対して線形関係にあり、簡単な計算から、式（１）が成り立つことがわかる。
Ｑ＝Ｑ０｛１＋（Ｖｔｈ−Ｖｍ）／２（Ｖｍ２−Ｖｔｈ）｝（１）

一方、映像信号入力電圧はある決まった値であるのが一般的であり、ゲインＧの時の必要最小限度の飽和電荷はＱ１／Ｇである。よって、式（２）を満たすＶｍを設定する。
Ｑ１／Ｇ＜＝Ｑ０｛１＋（Ｖｔｈ−Ｖｍ）／２（Ｖｍ２−Ｖｔｈ）｝（２）

すなわち、Ｖｍ＜＝Ｖｔｈ＋２（Ｖｍ２−Ｖｔｈ）｛１−Ｑ１／（Ｇ・Ｑ０）｝になるようにＶｍを設定すれば、映像信号として必要な飽和電荷をなんら損なうことなく、ブルーミング抑制動作を行うことができる。このときも、やはり、Ｖｍ＜Ｖｒｍは成り立っている必要はある。上記の式（２）のＶｍはゲインＧに依存し、ゲインＧが高いほど高いＶｍ、すなわちブルーミング抑制効果を高く設定できるということを示している。本実施形態は、以上に導いたようなゲインＧ依存の式（２）を満たすように、ゲインＧの設定値にしたがってＶｍの値を制御するような増幅型固体撮像装置である。

図４は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置のブロック図であり、図１と同じ部品には同じ番号を付して再度の説明は省略する。同図において、画素領域は簡単のため、２×２の画素１の配列で示す。１２は各画素１の列が有する垂直信号線８と接続し、各列の画素１の信号を増幅するための列アンプである。１３は各列アンプ１２により増幅された信号を出力するための列アンプ出力線である。１４は列毎の列アンプ出力線１３を順次選択する水平走査回路である。１５は水平走査回路１４の走査にしたがって増幅された画素１の信号が出力される水平出力線である。１６は各画素１の行が有する転送制御線９、リセット制御線１０、選択制御線１１と接続し、それぞれの制御線に、転送パルスＴＲＧ、リセットパルスＲＳＴ、出力選択パルスＳＥＬを各行毎に供給する垂直駆動回路である。１７は垂直駆動回路１６内において生成される過剰電荷排出用転送パルスの電位Ｖｍを供給する配線である。１８は電位Ｖｍを可変にし、選択された電位Ｖｍを配線１７に供給するＶｍ設定回路である。１９は列アンプ１２とＶｍ設定回路１８とに接続され、列アンプ１２のゲインＧとＶｍ設定回路１８で設定される電位Ｖｍとを連携させて同時に設定するためのゲイン制御線である。ゲインＧに対して、式（２）を満たす電位Ｖｍの範囲の中でもっとも高い電位Ｖｍを設定するようにすることができる。

このような固体撮像装置においては、実質上の飽和を損なうことのない範囲で、特にゲインが高い場合におけるブルーミング抑制効果を最大限に高めることができる。なお、図４においては、列アンプ１２のゲインを電位Ｖｍと連携させているが、列アンプ１２に限らず画素出力信号を増幅するどんな増幅器も、そのゲインと電位Ｖｍとを連携させることができる。増幅器は、増幅トランジスタ５の後段に接続され、増幅トランジスタ５の出力信号を増幅するものであればよい。

図５は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すパルスタイミング図であり、同図において図２と共通するものについては同一の番号、記号を付し詳細説明は省略する。図５は画素出力信号を増幅する増幅器の設定ゲインがＧ０からＧ１に切り変わるとき、信号電荷蓄積中に転送トランジスタ３のゲートに印加される間欠パルス電位がＶｍ０からＶｍ１に変わる状況を表している。Ｇ０＜Ｇ１ならば、Ｖｍ０＝＜Ｖｍ１である。信号蓄積に引き続き、ＦＤ部７のリセット、信号電荷の転送が行われる。実際のＣＭＯＳセンサでは信号電荷転送の前後、ＦＤ部７のリセット電位と信号電荷転送直後の電位とを画素の増幅用トランジスタ５によって出力するという動作が行われるが、このような動作は自明なので図２、図５では省いている。設定ゲインＧの切り替えは、信号蓄積に引き続く信号転送前後の信号読み出しが終了し、その信号に対して設定ゲインＧでの増幅がなされた後に行われる。垂直駆動回路１６は、フォトダイオード２に電荷を蓄積中、増幅器のゲインＧに応じて、転送トランジスタ３のゲートに印加する第１の電位Ｖｍを可変制御する。

以上、設定ゲインＧとそれに連携する電位Ｖｍの設定を説明したが、ブルーミング抑制効果を左右するものに、転送トランジスタ３のゲートに印加される過剰電荷排出パルスの周波数があり、周波数が高いほど過剰電荷排出効果が高くなる。よって、画素信号を増幅するゲインと、このパルス周波数とを連携させて、パルス周波数をゲインの値にしたがって制御するような構成も考えられる。この場合、図４における１７は転送トランジスタ３のゲートに印加する過剰電荷排出パルスの周波数を決める制御線、１８はこの周波数選択回路となる。この場合も、周波数選択回路１８は、設定ゲイン値が高いほど高い周波数を選択し、やはり実質上の飽和を損なうことのない範囲で、特にゲインが高い場合におけるブルーミング抑制効果を最大限に高めることができる。垂直駆動回路１６は、フォトダイオード２に電荷を蓄積中、増幅器のゲインＧに応じて、転送トランジスタ３のゲートに印加する過剰電荷排出パルスの周波数を可変制御する。

以上、第１及び第２の実施形態においてフォトダイオード２に蓄積される信号電荷は電子、画素１を構成するトランジスタはＮ型ＭＯＳトランジスタを想定しているが、これに限定されない。信号電荷がホール、画素１内トランジスタがＰ型ＭＯＳトランジスタであってもよく、この場合には駆動パルスの極性、パルス電位の大小関係が逆になる。また、各画素１が一つのフォトダイオード２、一つの転送トランジスタ３を持つ構造であれば、複数の画素１が増幅トランジスタ５を共通にもつような構成、選択トランジスタ６がない構成であってもよい。

信号電荷蓄積期間中、リセットトランジスタ４のゲートをハイレベルとローレベルの中間、かつリセットトランジスタ４とフォトダイオード２間の素子分離領域の下が十分エンハンスメント状態を保つような一定電位値Ｖｒｍにする。そして、信号電荷蓄積期間中、転送トランジスタ３のゲートのみ中間電位Ｖｍを持つ間欠パルス動作とする。この動作により、素子分離領域下からの暗電流発生とリセットパルスＲＳＴの印加による消費電流が抑えられる。さらに、固体撮像装置の映像信号に高ゲインをかける場合に、上記の転送トランジスタ３のゲートの間欠パルス動作を行う、又は映像信号にかけるゲインの値に応じてＶｍの値を制御すれば、飽和低下を抑えながら、ブルーミングを防止することができる。

第１及び第２の実施形態によって駆動の消費電力が抑制されることで、暗電流が低減され、かつＦＤ部７の暗電流による白点キズの増加、及びＦＤ部７を通したブルーミングの拡がりが生じることなく、確実に増幅型固体撮像装置のブルーミング現象が抑制される。また、映像信号にかかるゲインが高い場合に、ブルーミング現象に対するより大きな抑制効果が得られる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１画素、２フォトダイオード、３転送トランジスタ、４リセットトランジスタ、５増幅トランジスタ、６選択トランジスタ、７フローティングディフュージョン部、８画素出力線

Claims

入射光に応じた電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、
電荷を蓄積するためのフローティングディフュージョン部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送するための転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅するための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部に蓄積された電荷に応じた電圧をリセットするためのリセットトランジスタと、
前記光電変換部に電荷を蓄積中、前記転送トランジスタのゲートには電荷を転送する転送電位と電荷を非転送とする非転送電位との中間となる第１の電位を有するパルスを間欠的に印加し、前記リセットトランジスタのゲートには前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするパルスの電位よりも低く、前記第１の電位よりも高い第２の電位を印加する駆動回路と
を有することを特徴とする固体撮像装置。
さらに、前記増幅トランジスタの後段に接続され、前記増幅トランジスタの出力信号を増幅するための増幅器を有し、
前記駆動回路は、前記光電変換部に電荷を蓄積中、前記増幅器のゲインに応じて、前記転送トランジスタのゲートに印加する前記第１の電位を可変制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
さらに、前記増幅トランジスタの後段に接続され、前記増幅トランジスタの出力信号を増幅するための増幅器を有し、
前記駆動回路は、前記光電変換部に電荷を蓄積中、前記増幅器のゲインに応じて、前記転送トランジスタのゲートに印加するパルスの周波数を可変制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
入射光に応じた電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、
電荷を蓄積するためのフローティングディフュージョン部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送するための転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅するための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部に蓄積された電荷に応じた電圧をリセットするためのリセットトランジスタとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部に電荷を蓄積中、前記転送トランジスタのゲートには電荷を転送する転送電位と電荷を非転送とする非転送電位との中間となる第１の電位を有するパルスを間欠的に印加し、前記リセットトランジスタのゲートには前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするパルスの電位よりも低く、前記第１の電位よりも高い第２の電位を印加する駆動ステップを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。