固体撮像装置
【課題】ＲＴＳノイズに起因する欠陥画素検出を短い時間で検出することを課題とする。
【解決手段】入射光を電荷に変換する光電変換部（２）と、入力部の電位に基づく信号を出力する増幅部（３）と、前記光電変換部に保持された電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部（４）と、前記増幅部の入力部の電位をリセットするリセット部（５）とを有する画素部（１）と、前記画素部から出力される出力信号に対してバッファ動作するバッファ部（１０）と、前記出力信号を蓄積するメモリ部（１２）とを有する固体撮像装置であって、前記バッファ部は、前記出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、前記出力信号の一定期間における最大値又は最小値を検出する第２のモードと、を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【解決手段】入射光を電荷に変換する光電変換部（２）と、入力部の電位に基づく信号を出力する増幅部（３）と、前記光電変換部に保持された電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部（４）と、前記増幅部の入力部の電位をリセットするリセット部（５）とを有する画素部（１）と、前記画素部から出力される出力信号に対してバッファ動作するバッファ部（１０）と、前記出力信号を蓄積するメモリ部（１２）とを有する固体撮像装置であって、前記バッファ部は、前記出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、前記出力信号の一定期間における最大値又は最小値を検出する第２のモードと、を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置を搭載したデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラの市場が拡大している。市場からの高画質化に対する要求に応えるべく、固体撮像装置としては多画素微細化と高Ｓ／Ｎ化が行なわれている。固体撮像装置の多画素微細化において、下記の非特許文献１に示すように、ランダムテレグラフシグナル（Random Telegraph Signal）ノイズと呼ばれる新たなノイズが問題となっている。以下、ランダムテレグラフシグナルノイズをＲＴＳノイズという。ＲＴＳノイズは、画素を構成するトランジスタのうち、ゲート電極に光電変換信号を蓄積し、ソースフォロア回路で信号増幅を行うＭＯＳトランジスタで発生することが知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１によれば、ＲＴＳノイズは、ＭＯＳトランジスタのシリコンとシリコン酸化膜界面近傍のトラップに電荷が捕獲されているか放出されているかによって、増幅後の信号出力が変動することによって起こる。同一画素の出力を繰り返し読み出すと、出力がランダムに変動する。特に動画像では、当該画素が点滅を繰り返すように視認される。ＲＴＳノイズは、上記トラップの充放電の時定数により変動周期が決まり、長いものは秒単位の周期を有することも知られている。従って、ＲＴＳノイズによる欠陥画素を高い確率で検出するために、長い時間同一画素の出力を観測する必要がある。
【０００３】
下記の特許文献１は、このＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を固体撮像装置の特性検査で行うものである。特許文献１によると、出力オフセット及び感度差補正が施された固体撮像装置の撮像出力を複数フレームにわたり監視し、当該複数フレーム中における出力値変動の大きさ又は頻度が判定基準を上回った画素を検出することにより欠陥画素を特定、検出している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９８９４９号公報
【非特許文献１】X. Wang, P.R. Rao, A. Mierop, A.J.P. Theuwissen, “Random Telegraph Signal in CMOS Image Sensors Pixels”, IEEE Proceedings, IEDM 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の欠陥画素検出方法では、長い周期の点滅欠陥を検出するために数１００フレームに渡る撮像を行っている。欠陥画素検出は複数フレームを撮像するために、フレーム数増加とともに検出時間も増大する。また、固体撮像装置の多画素微細化に伴い１フレーム撮像時間も増大する。
【０００６】
本発明は、ＲＴＳノイズに起因する欠陥画素検出をより短い時間で検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換部と、入力部の電位に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部に保持された電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、前記増幅部の入力部の電位をリセットするリセット部とを有する画素部と、前記画素部から出力される出力信号に対してバッファ動作するバッファ部と、前記出力信号を蓄積するメモリ部とを有する固体撮像装置であって、前記バッファ部は、前記出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、前記出力信号の一定期間における最大値又は最小値を検出する第２のモードと、を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第２のモードでは最大値又は最小値を検出することにより、少ないフレーム数又は短い検査時間でＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。説明の便宜上、２次元アレイ状に配置された複数の画素のうち１画素分の回路と、列毎の信号線及び読み出し回路を取り出して図示している。
【００１０】
１は画素部である。２は入射光を電荷に変換するフォトダイオード（光電変換部）である。以下、フォトダイオードをＰＤという。３は入力部（ゲート）の電荷に基づく信号を出力する画素ソースフォロア（ＳＦ）トランジスタ（増幅部）である。４はＰＤ２の電荷を画素ＳＦトランジスタ３の入力部へ転送する転送ＭＯＳトランジスタ（転送部）である。５は画素ＳＦトランジスタ３の入力部を所定の電位にリセットするリセットＭＯＳトランジスタ（リセット部）である。６はＰＤ２を選択する選択ＭＯＳトランジスタ（画素選択部）である。
【００１１】
画素部１は、ＰＤ２、画素ＳＦトランジスタ３、転送ＭＯＳトランジスタ４、リセットＭＯＳトランジスタ５、及び選択ＭＯＳトランジスタ６で構成される。但し、本実施形態は、選択ＭＯＳトランジスタ６のない構成でも成り立つため選択ＭＯＳトランジスタ６の有無にはかかわらない。７は画素ＳＦトランジスタ３の出力信号を伝達する信号線である。ここでは説明を簡略にするために、信号線７には画素部１が１個接続された状態を示しているが、複数の画素部１が設けられている場合には、複数の画素部１が信号線７に接続される。８はクランプ動作をするクランプ部（差動演算部）である。９はクランプ動作をするためのＭＯＳスイッチ（ＰＣ０Ｒ）である。１０は信号線７の出力信号を処理する信号処理回路部（バッファ部）である。１１はバッファ動作と最大値保持動作の切り替えを行う動作切り替え制御端子である。１２は信号処理回路部１０の出力信号を蓄積するラインメモリ部である。ラインメモリ部１２は、容量１４とＭＯＳスイッチ１３とＭＯＳスイッチ１５で構成される。
【００１２】
図２は、図１の固体撮像装置の第１のモードの駆動パルスタイミングを示す図である。第１のモードは、通常撮像動作モードである。図２中のパルス名称の括弧内に付された符号は図１の構成の符号と同じである。図３のＭＯＳスイッチ１１は、時刻ｔ１〜ｔ１３において、ゲート電圧がハイレベルであり、オンである。
【００１３】
時刻ｔ１以降、選択ＭＯＳトランジスタ６のゲート電圧がハイレベルとなることで、選択ＭＯＳトランジスタ６はオンとなる。選択ＭＯＳトランジスタ６は当該画素部１を選択する。これにより、選択された画素部１に含まれる画素ＳＦＭＯＳトランジスタ３のゲート電位に応じて信号線７の電位が変化する。時刻ｔ２〜ｔ３において、リセットＭＯＳトランジスタ５のゲート電圧がハイレベルとなることで、リセットＭＯＳトランジスタ５がオンとなる。リセットＭＯＳトランジスタ５は、画素ＳＦトランジスタ３の入力部を所定の電位（例えば電源電位）にリセットする。時刻ｔ４〜ｔ５までの期間、ＭＯＳスイッチ９のゲート電圧がハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ９がオンし、クランプ部８はノイズ信号のクランプ動作を行う。クランプ動作では、画素部１の画素ＳＦＭＯＳトランジスタ３のゲートがリセットされたことに対応するノイズ信号Ｎがクランプされる。次に、転送ＭＯＳトランジスタ４のゲート電圧が時刻ｔ６にハイレベルになることで、転送ＭＯＳトランジスタ４がオンになる。転送ＭＯＳトランジスタ４は信号ＰＴＸがハイレベルである期間に、ＰＤ２に蓄積された光信号電荷を画素ＳＦトランジスタ３の入力部に転送する。これにより、画素ＳＦトランジスタ３のゲート電位は、リセットＭＯＳトランジスタ５によってリセットした直後の電位に対して、ＰＤ２に蓄積された光信号電荷の電荷量に応じた分だけ変動する。画素ＳＦトランジスタ３は、入力部の光信号電荷に基づく信号Ｓを出力し、信号Ｓは信号線７へ送られる。なお、信号Ｓには、ノイズ信号Ｎに相当する成分が重畳されている。この結果、クランプ部８では、信号Ｓからクランプされたノイズ信号Ｎが減算される。すなわち、クランプ部（差分演算部）８は、リセットＭＯＳトランジスタ５によりリセットされた時の画素ＳＦトランジスタ３が出力するノイズ信号Ｎと、転送ＭＯＳトランジスタ４により転送された時の画素ＳＦトランジスタ３が出力する光信号との差分演算を行う。減算された信号（Ｓ−Ｎ）は信号処理回路部１０を通り、ラインメモリ部１２へ出力される。この時、信号処理回路部（バッファ部）１０は、クランプ部８の出力信号に対してバッファ動作する。ＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧が時刻ｔ９にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ１３がオンし、信号線７の出力が容量１４に蓄積される。ＭＯＳスイッチ１５のゲート電圧が時刻ｔ１２にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ１５がオンし、容量１４に蓄積された信号が外部へ出力される。
【００１４】
図３は、図１の信号処理回路部１０の回路図である。信号処理回路部１０は、差動増幅回路１１ａと、差動増幅回路１１ａの出力信号を入力とするソースフォロア回路１１ｂと、バッファ動作と最大値保持動作の切り替えを行うＭＯＳスイッチ（切り替え手段）１１で構成される。ＭＯＳスイッチ１１はＮＭＯＳトランジスタであり、その制御端子（ゲート）が図１の制御端子１１に接続される。ノードａは差動増幅回路１１ａの出力、ｉｎ及びノードｂは差動増幅回路１１ａの入力端子である。ｉｎは非反転入力端子であり、ｂは反転入力端子である。入力ｉｎにはクランプ部８の出力端子が接続される。ソースフォロア回路１１ｂの出力端子ｏｕｔは、差動増幅回路１１ａの反転入力端子（ノード）ｂとＭＯＳスイッチ１１のドレイン端子とに接続されている。また、ＭＯＳスイッチ１１のゲート端子に所定の電圧を印加することで、ＭＯＳスイッチ１１はソースフォロア回路１１ｂの定電流源として動作する。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。ＭＯＳスイッチ１１は、ソースフォロア回路１１ｂの出力端子と基準電位ノード（グランド電位ノード）との導通又は遮断を切り替える。
【００１５】
次に、ランダムテレグラフシグナルノイズ（ＲＴＳノイズ）を起因とする欠陥画素検出動作の説明をする。図４は、第２のモード（欠陥画素検出モード）時の駆動パルスタイミング図である。図２の通常撮像動作モード時における動作タイミングとの違いは、ＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧のハイレベル期間である時刻ｔ８からｔ１１の間、ＭＯＳスイッチ１１をオフ（遮断）にすることである。ＭＯＳスイッチ１１をオフにすることで、出力ｏｕｔの電圧を下げるためのソースフォロアの電流供給がなくなる。ソースフォロアの電流供給がなくなることで、出力ｏｕｔの電圧は低下することができず、出力ｏｕｔの電位は上昇しかできなくなる。そのため、信号処理回路部１０は、時刻ｔ８からｔ１１までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最大値を保持することが可能となる。時刻ｔ８〜ｔ１０の期間を充分長く設定することで、その間にＲＴＳノイズによって生じた出力変動を、出力の最大値として検出することができる。
【００１６】
ＲＴＳノイズは、電荷の捕獲状態と放出状態を交互に繰り返す。捕獲状態と放出状態によって信号出力にＲＴＳノイズ信号ΔＮが重畳するかしないかが決まる。ノイズ信号ＮにＲＴＳノイズΔＮが加算されると、クランプ部８にはノイズ信号（Ｎ＋ΔＮ）がクランプされる。ＲＴＳノイズΔＮが加算されないと、クランプ部８にはノイズ信号Ｎがそのままクランプされる。光出力信号Ｓを読み出す際にも、同様に、ＲＴＳノイズ信号ΔＮが重畳する場合としない場合がある。光出力信号ＳにＲＴＳノイズΔＮ信号が重畳されると、信号出力はＳ＋ΔＮとなり、重畳されないと信号出力はＳのままである。ノイズ信号Ｎの読み出し時と光信号Ｓの読み出し時にＲＴＳノイズΔＮはランダムに発生するので、クランプ部８を介して読み出される信号（Ｓ−Ｎ）は以下の３通りの出力値をとる。第一は、ノイズ信号がＮのままで光信号が（Ｓ＋ΔＮ）の場合であり、クランプ動作後の出力は、（Ｓ＋ΔＮ）−Ｎ＝（Ｓ−Ｎ）＋ΔＮとなる。第二は、ノイズ信号が（Ｎ＋ΔＮ）で光信号がＳのままの場合であり、この場合、クランプ動作後の出力は、Ｓ−（Ｎ＋ΔＮ）＝（Ｓ−Ｎ）−ΔＮとなる。第三は、ノイズ信号及び光信号がそれぞれＮ及びＳのままの場合と、ノイズ信号及び光信号がそれぞれ（Ｎ＋ΔＮ）及び（Ｓ＋ΔＮ）の場合であり、この場合、クランプ動作後の出力は、（Ｓ−Ｎ）となる。
【００１７】
本実施形態では、上記の３値のうち、ΔＮ＞０とし、（Ｓ−Ｎ）＋ΔＮの場合を検知するものである。その特徴は信号処理回路部１０のＭＯＳスイッチ１１をオン、オフ切り替えることで、ＲＴＳノイズΔＮに起因する欠陥画素検出回路として用いることである。欠陥画素検出時には、信号処理回路部１０により時刻ｔ８からｔ１１までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最大値をラインメモリ部１２の容量１４に蓄積することができる。出力の最大値が大きい画素は点滅欠陥画素として判断できる。時刻ｔ８〜ｔ１０を充分に長く設定することにより、１回の検出動作でも欠陥画素を検出することができる。
【００１８】
図５は、図１の信号処理回路部１０の別の構成例である。この構成は差動増幅回路１１ａのみであり、ＭＯＳスイッチ１１は差動増幅回路１１ａ内のＭＯＳトランジスタとなる。ＭＯＳスイッチ１１のゲート端子に所定の電圧を印加することで、ＭＯＳスイッチ１１は差動増幅回路１１ａの定電流源として動作する。差動増幅回路１１ａの反転入力端子（ノード）ｂは差動増幅回路１１ａの出力端子ｏｕｔ（ノードａ）と短絡されている。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力（非反転入力端子）ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。点滅欠陥画素検出には、図４のＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧のハイレベル期間である時刻ｔ８からｔ１１の間、ＭＯＳスイッチ１１をオフにする。これにより信号処理回路部１０は時刻ｔ８からｔ１０までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最大値を保持し続けることになるため、１回の撮像でも欠陥画素を検出することが可能となる。
【００１９】
以上のように、信号処理回路１０は、クランプ部８の出力信号に対してバッファ動作する第１のモード（図２）と、クランプ部８の出力信号の一定期間中の最大値を検出する第２のモード（図４）とを切り替えるＭＯＳスイッチ（切り替え手段）１１を有する。第１のモードは、通常の撮像動作として使用する。第２のモードは、ＲＴＳノイズに起因する欠陥画素の検出に使用する。
【００２０】
特許文献１に記載の技術によれば、点滅欠陥画素を検出するために複数フレームにわたって撮像動作を繰り返す。そのため、繰り返すフレーム数に応じて検出に要する時間が増大する。特に、固体撮像装置から信号を取り出すのに要する時間は無視できない。これに対して、本発明は、信号処理回路部で最大値を検出する期間を十分に長くすることで欠陥画素を検出することができるので、固体撮像装置から信号を読み出すのに要する時間を削減することが可能になる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の等価回路図は図１と同じである。図６は、本発明の第２の実施形態の信号処理回路部１０の回路図である。信号処理回路部１０は、バッファ動作と最小値保持動作の切り替えを行う。信号処理回路部１０は、差動増幅回路１１ａとソースフォロア回路１１ｂと、バッファ動作と最小値保持動作の切り替えを行うＭＯＳスイッチ１１で構成される。第１の実施形態と異なり、ＭＯＳスイッチ１１はＰＭＯＳトランジスタである。ノードaは差動増幅回路１１ａの出力、ｉｎ及びノードｂは差動増幅回路１１ａの入力端子である。ｉｎは非反転入力、ｂは反転入力端子である。入力ｉｎにはクランプ部８の出力端子が接続される。ソースフォロア回路１１ｂの出力端子ｏｕｔは、差動増幅回路１１ａの反転入力端子（ノード）ｂとＭＯＳスイッチ１１のドレイン端子とに接続されている。ＭＯＳスイッチ１１は、ソースフォロア回路１１ｂの出力端子と電源電位ノードとの導通又は遮断を切り替える。
【００２２】
本実施形態での通常時の駆動パルスタイミング図は、第１の実施形態の駆動タイミングの図２と、ＭＯＳスイッチ１１を駆動する信号の極性が逆転する以外は全く同じである。ＭＯＳスイッチ１１はＰＭＯＳトランジスタであり、ゲート電圧がハイレベルの時には、オフしている。ＭＯＳスイッチ１１をオンすることで、ソースフォロアの電流源として動作する。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。
【００２３】
ＲＴＳノイズに起因する画素欠陥を検出する駆動パルスタイミング図は第１の実施形態の図４と、ＭＯＳスイッチ１１を駆動する信号の極性が逆転する以外は全く同じである。以下、図４を用いて動作を説明する。ＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧のハイレベル期間である時刻ｔ８からｔ１１の間、ＭＯＳスイッチ１１をオフ（遮断）にすることで、出力ｏｕｔの電圧を上げるためのソースフォロアの電流供給が遮断される。ソースフォロアの電流供給がなくなることで、出力ｏｕｔの電圧は上昇することができなくなり、出力ｏｕｔの電圧は低下しかできなくなる。そのため、信号処理回路部１０は時刻ｔ８からｔ１１までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最小値を保持することが可能となる。時刻ｔ８〜ｔ１１の期間を充分長く設定することで、その間にＲＴＳノイズによって生じた出力変動を、出力の最小値として検出することができる。
【００２４】
第１の実施形態で述べたように、クランプ動作後の出力は、（Ｓ−Ｎ）と（Ｓ―Ｎ＋ΔＮ）と（Ｓ−Ｎ−ΔＮ）の３値をとる。本実施形態では、このうち（Ｓ−Ｎ−ΔＮ）（ただしΔＮ＞０）を、最小値回路を用いて検出することで、ＲＴＳノイズに起因する画素欠陥を検出する。その特徴は信号処理回路部１０のＭＯＳスイッチ１１をオン、オフ切り替えることで欠陥画素検出回路として用いることである。欠陥画素検出時には、信号処理回路部１０により時刻ｔ８からｔ１０までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最小値をラインメモリ部１２の容量１４に蓄積することができる。時刻ｔ８〜ｔ１０までの期間を充分長く設定することにより、従来方法と比較して短時間ながら同じ検出確率で欠陥画素を検出することができる。例えば、画素数１０００万個の固体撮像装置のＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を１．２秒で検出することができた。
【００２５】
以上のように、信号処理回路１０は、クランプ部８の出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、クランプ部８の出力信号の一定期間中の最小値を検出する第２のモードとを切り替えるＭＯＳスイッチ（切り替え手段）１１を有する。
【００２６】
時間短縮の効果は、第１の実施形態の最大値検出回路を用いた場合と同様であり、回路構成の違い以外に得失はない。
【００２７】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。図１と同様に、説明の便宜上、アレイ状に配置された複数画素のうち１画素分の回路と、列毎の信号線及び読み出し回路を取り出して図示している。本実施形態は、列毎の読み出し回路に列アンプ部を付加することで、回路ノイズが小さい段階で信号を増幅し、Ｓ／Ｎを向上させている。
【００２８】
画素部１、フォトダイオード２、画素ＳＦトランジスタ３、転送ＭＯＳトランジスタ４、リセットＭＯＳトランジスタ５の構成と役割は、図１と全く同じである。１６は画素ＳＦトランジスタ３から出力された信号を増幅する列アンプ部である。列アンプ部１６は２段構成となっており、列アンプ前段１７と列アンプ後段に位置する信号処理回路部１０で構成される。列アンプ前段１７は、容量フィードバック型の差動アンプ及びクランプ部を有する。１１はバッファ動作と最大値保持動作の切り替えを行うＭＯＳスイッチの制御端子である。ラインメモリ部１２は容量（ＣＴＮ）１９、ＭＯＳスイッチ１８、容量（ＣＴＳ）２１、ＭＯＳスイッチ２０で構成される。容量１９は列アンプ部１６のオフセット電圧のみを蓄積する。容量２１は列アンプ部１６のオフセット電圧を含んだ光信号を蓄積する。そして、２２は列アンプ部１６のオフセット電圧を除去した光信号を出力する出力段である。
【００２９】
図８は、図７の固体撮像装置の第１のモード（通常撮像動作モード）駆動パルスタイミング図である。ＭＯＳスイッチ１１は、ゲート電圧がハイレベルであり、オンである。リセットＭＯＳトランジスタ５のゲート電圧が時刻ｔ２からｔ３までの期間ハイレベルとなることで、リセットＭＯＳトランジスタ５がオンとなる。リセットＭＯＳトランジスタ５が画素ＳＦトランジスタ３の入力部を所定の電位にリセットする。ＭＯＳスイッチ９のゲート電圧が時刻ｔ４にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ９がオンし、列アンプ前段（クランプ部）１７は信号線７のノイズ信号に対してクランプ動作を行う。クランプ動作は画素部１のノイズ信号Ｎがクランプされる。ＭＯＳスイッチ１８のゲート電圧が時刻ｔ６にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ１８がオンし、ラインメモリ部１２の容量１９に列アンプ部１６のオフセット電圧が蓄積させる。次に、転送ＭＯＳトランジスタ４のゲート電圧が時刻ｔ８にハイレベルになることで、転送ＭＯＳトランジスタ４がオンになる。転送ＭＯＳトランジスタ４はＰＤ２に蓄積された光信号電荷を画素ＳＦトランジスタ３の入力部に転送する。画素ＳＦトランジスタ３は、入力部の光信号電荷に基づく信号Ｓを出力し、信号Ｓは信号線７へ伝達される。列アンプ前段１７は、信号Ｓからクランプされたノイズ信号Ｎを減算する。すなわち、列アンプ前段１７は、差分演算部を有する。差分演算部１７は、リセットＭＯＳトランジスタ５によりリセットされた時の画素ＳＦトランジスタ３が出力するノイズ信号Ｎと、転送ＭＯＳトランジスタ４により転送された時の画素ＳＦトランジスタ３が出力する光信号Ｓとの差分演算を行う。減算された信号（Ｓ−Ｎ）は列アンプ部１６で増幅される。増幅された信号はラインメモリ部１２の容量２１に蓄積される。この時、容量２１に蓄積された信号は列アンプ部１６のオフセット電圧が含まれた光信号である。出力段２２は、容量２１に蓄積された信号から容量１９に蓄積された信号を減算することで、列アンプ部１６のオフセット電圧を除去し、ノイズが減算された光信号（Ｓ−Ｎ）を出力する。
【００３０】
信号処理回路部１０は、第１の実施形態で適用した図２、図３のどちらの回路でも可能である。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。
【００３１】
図９は、第２のモード（欠陥画素検出モード）時の駆動パルスタイミング図である。ＭＯＳスイッチ２０のゲート電圧がハイレベルとなる時刻ｔ１１からｔ１２までの期間において、ＭＯＳスイッチ１１をオフにすることで、欠陥画素検出動作をする。それ以外は図８と同様である。ＭＯＳスイッチ１１がオフとなる時刻ｔ１０からＭＯＳスイッチ２０がオフとなる時刻ｔ１２までの期間を充分長く設定することで、ＲＴＳノイズに起因する画素欠陥を最大値により検出する。最大値検出により、ＲＴＳノイズを検出する原理は第１の実施形態と全く同じである。本実施形態の読み出し部１０の代わりに、第２の実施形態の最小値回路を使用することで、最小値を検出する欠陥検査回路を構成することもできる。また、本実施形態による検査時間の短縮効果は第１の実施形態及び第２の実施形態と同じである。
【００３２】
本実施形態では、２次元固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上させる手段として列アンプ回路を用いた欠陥検出回路を示した。
【００３３】
以上のように、信号処理回路１０は、列アンプ前段１７の出力信号に対してバッファ動作する第１のモード（図８）と、列アンプ前段１７の出力信号の一定期間中の最大値又は最小値を検出する第２のモード（図９）とを切り替えるＭＯＳスイッチ１１を有する。
【００３４】
以上のように、第１〜第３の実施形態によれば、固体撮像装置の列読み出し回路中に最大値検出回路あるいは最小値検出回路を設けることによって、少ないフレーム数あるいは短い検査時間でＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を検出することが可能になる。これにより、短時間のＲＴＳノイズに起因する欠陥画素検出が可能となる。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【図２】第１の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスタイミング図である。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の信号処理回路図である。
【図４】第１の実施形態の固体撮像装置の欠陥画素検出動作の駆動パルスタイミング図である。
【図５】第１の実施形態の固体撮像装置の信号処理回路の別の例を示す回路図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の信号処理回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【図８】第３の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスタイミング図である。
【図９】第３の実施形態の固体撮像装置の欠陥画素検出動作の駆動パルスタイミング図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 画素部
２ フォトダイオード（ＰＤ）
３ 画素ソースフォロア（ＳＦ）トランジスタ
４ 転送ＭＯＳトランジスタ（ＰＴＸ）
５ リセットＭＯＳトランジスタ（ＰＲＥＳ）
６ 選択ＭＯＳトランジスタ（ＰＳＥＬ）
７ 信号線
８ クランプ部
９ ＭＯＳスイッチ（ＰＣ０Ｒ）
１０ 信号処理回路部
１１ ＭＯＳスイッチ（動作切り替え制御端子）
１２ ラインメモリ部
１３ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＣ１）
１４ 容量（ＣＴＣ）
１５ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＣ２）
１６ 列アンプ
１７ 列アンプ前段
１８ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＮ）
１９ 容量（ＣＴＮ）
２０ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＳ）
２１ 容量（ＣＴＳ）
２２ 出力段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置を搭載したデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラの市場が拡大している。市場からの高画質化に対する要求に応えるべく、固体撮像装置としては多画素微細化と高Ｓ／Ｎ化が行なわれている。固体撮像装置の多画素微細化において、下記の非特許文献１に示すように、ランダムテレグラフシグナル（Random Telegraph Signal）ノイズと呼ばれる新たなノイズが問題となっている。以下、ランダムテレグラフシグナルノイズをＲＴＳノイズという。ＲＴＳノイズは、画素を構成するトランジスタのうち、ゲート電極に光電変換信号を蓄積し、ソースフォロア回路で信号増幅を行うＭＯＳトランジスタで発生することが知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１によれば、ＲＴＳノイズは、ＭＯＳトランジスタのシリコンとシリコン酸化膜界面近傍のトラップに電荷が捕獲されているか放出されているかによって、増幅後の信号出力が変動することによって起こる。同一画素の出力を繰り返し読み出すと、出力がランダムに変動する。特に動画像では、当該画素が点滅を繰り返すように視認される。ＲＴＳノイズは、上記トラップの充放電の時定数により変動周期が決まり、長いものは秒単位の周期を有することも知られている。従って、ＲＴＳノイズによる欠陥画素を高い確率で検出するために、長い時間同一画素の出力を観測する必要がある。
【０００３】
下記の特許文献１は、このＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を固体撮像装置の特性検査で行うものである。特許文献１によると、出力オフセット及び感度差補正が施された固体撮像装置の撮像出力を複数フレームにわたり監視し、当該複数フレーム中における出力値変動の大きさ又は頻度が判定基準を上回った画素を検出することにより欠陥画素を特定、検出している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９８９４９号公報
【非特許文献１】X. Wang, P.R. Rao, A. Mierop, A.J.P. Theuwissen, “Random Telegraph Signal in CMOS Image Sensors Pixels”, IEEE Proceedings, IEDM 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の欠陥画素検出方法では、長い周期の点滅欠陥を検出するために数１００フレームに渡る撮像を行っている。欠陥画素検出は複数フレームを撮像するために、フレーム数増加とともに検出時間も増大する。また、固体撮像装置の多画素微細化に伴い１フレーム撮像時間も増大する。
【０００６】
本発明は、ＲＴＳノイズに起因する欠陥画素検出をより短い時間で検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換部と、入力部の電位に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部に保持された電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、前記増幅部の入力部の電位をリセットするリセット部とを有する画素部と、前記画素部から出力される出力信号に対してバッファ動作するバッファ部と、前記出力信号を蓄積するメモリ部とを有する固体撮像装置であって、前記バッファ部は、前記出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、前記出力信号の一定期間における最大値又は最小値を検出する第２のモードと、を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第２のモードでは最大値又は最小値を検出することにより、少ないフレーム数又は短い検査時間でＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。説明の便宜上、２次元アレイ状に配置された複数の画素のうち１画素分の回路と、列毎の信号線及び読み出し回路を取り出して図示している。
【００１０】
１は画素部である。２は入射光を電荷に変換するフォトダイオード（光電変換部）である。以下、フォトダイオードをＰＤという。３は入力部（ゲート）の電荷に基づく信号を出力する画素ソースフォロア（ＳＦ）トランジスタ（増幅部）である。４はＰＤ２の電荷を画素ＳＦトランジスタ３の入力部へ転送する転送ＭＯＳトランジスタ（転送部）である。５は画素ＳＦトランジスタ３の入力部を所定の電位にリセットするリセットＭＯＳトランジスタ（リセット部）である。６はＰＤ２を選択する選択ＭＯＳトランジスタ（画素選択部）である。
【００１１】
画素部１は、ＰＤ２、画素ＳＦトランジスタ３、転送ＭＯＳトランジスタ４、リセットＭＯＳトランジスタ５、及び選択ＭＯＳトランジスタ６で構成される。但し、本実施形態は、選択ＭＯＳトランジスタ６のない構成でも成り立つため選択ＭＯＳトランジスタ６の有無にはかかわらない。７は画素ＳＦトランジスタ３の出力信号を伝達する信号線である。ここでは説明を簡略にするために、信号線７には画素部１が１個接続された状態を示しているが、複数の画素部１が設けられている場合には、複数の画素部１が信号線７に接続される。８はクランプ動作をするクランプ部（差動演算部）である。９はクランプ動作をするためのＭＯＳスイッチ（ＰＣ０Ｒ）である。１０は信号線７の出力信号を処理する信号処理回路部（バッファ部）である。１１はバッファ動作と最大値保持動作の切り替えを行う動作切り替え制御端子である。１２は信号処理回路部１０の出力信号を蓄積するラインメモリ部である。ラインメモリ部１２は、容量１４とＭＯＳスイッチ１３とＭＯＳスイッチ１５で構成される。
【００１２】
図２は、図１の固体撮像装置の第１のモードの駆動パルスタイミングを示す図である。第１のモードは、通常撮像動作モードである。図２中のパルス名称の括弧内に付された符号は図１の構成の符号と同じである。図３のＭＯＳスイッチ１１は、時刻ｔ１〜ｔ１３において、ゲート電圧がハイレベルであり、オンである。
【００１３】
時刻ｔ１以降、選択ＭＯＳトランジスタ６のゲート電圧がハイレベルとなることで、選択ＭＯＳトランジスタ６はオンとなる。選択ＭＯＳトランジスタ６は当該画素部１を選択する。これにより、選択された画素部１に含まれる画素ＳＦＭＯＳトランジスタ３のゲート電位に応じて信号線７の電位が変化する。時刻ｔ２〜ｔ３において、リセットＭＯＳトランジスタ５のゲート電圧がハイレベルとなることで、リセットＭＯＳトランジスタ５がオンとなる。リセットＭＯＳトランジスタ５は、画素ＳＦトランジスタ３の入力部を所定の電位（例えば電源電位）にリセットする。時刻ｔ４〜ｔ５までの期間、ＭＯＳスイッチ９のゲート電圧がハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ９がオンし、クランプ部８はノイズ信号のクランプ動作を行う。クランプ動作では、画素部１の画素ＳＦＭＯＳトランジスタ３のゲートがリセットされたことに対応するノイズ信号Ｎがクランプされる。次に、転送ＭＯＳトランジスタ４のゲート電圧が時刻ｔ６にハイレベルになることで、転送ＭＯＳトランジスタ４がオンになる。転送ＭＯＳトランジスタ４は信号ＰＴＸがハイレベルである期間に、ＰＤ２に蓄積された光信号電荷を画素ＳＦトランジスタ３の入力部に転送する。これにより、画素ＳＦトランジスタ３のゲート電位は、リセットＭＯＳトランジスタ５によってリセットした直後の電位に対して、ＰＤ２に蓄積された光信号電荷の電荷量に応じた分だけ変動する。画素ＳＦトランジスタ３は、入力部の光信号電荷に基づく信号Ｓを出力し、信号Ｓは信号線７へ送られる。なお、信号Ｓには、ノイズ信号Ｎに相当する成分が重畳されている。この結果、クランプ部８では、信号Ｓからクランプされたノイズ信号Ｎが減算される。すなわち、クランプ部（差分演算部）８は、リセットＭＯＳトランジスタ５によりリセットされた時の画素ＳＦトランジスタ３が出力するノイズ信号Ｎと、転送ＭＯＳトランジスタ４により転送された時の画素ＳＦトランジスタ３が出力する光信号との差分演算を行う。減算された信号（Ｓ−Ｎ）は信号処理回路部１０を通り、ラインメモリ部１２へ出力される。この時、信号処理回路部（バッファ部）１０は、クランプ部８の出力信号に対してバッファ動作する。ＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧が時刻ｔ９にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ１３がオンし、信号線７の出力が容量１４に蓄積される。ＭＯＳスイッチ１５のゲート電圧が時刻ｔ１２にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ１５がオンし、容量１４に蓄積された信号が外部へ出力される。
【００１４】
図３は、図１の信号処理回路部１０の回路図である。信号処理回路部１０は、差動増幅回路１１ａと、差動増幅回路１１ａの出力信号を入力とするソースフォロア回路１１ｂと、バッファ動作と最大値保持動作の切り替えを行うＭＯＳスイッチ（切り替え手段）１１で構成される。ＭＯＳスイッチ１１はＮＭＯＳトランジスタであり、その制御端子（ゲート）が図１の制御端子１１に接続される。ノードａは差動増幅回路１１ａの出力、ｉｎ及びノードｂは差動増幅回路１１ａの入力端子である。ｉｎは非反転入力端子であり、ｂは反転入力端子である。入力ｉｎにはクランプ部８の出力端子が接続される。ソースフォロア回路１１ｂの出力端子ｏｕｔは、差動増幅回路１１ａの反転入力端子（ノード）ｂとＭＯＳスイッチ１１のドレイン端子とに接続されている。また、ＭＯＳスイッチ１１のゲート端子に所定の電圧を印加することで、ＭＯＳスイッチ１１はソースフォロア回路１１ｂの定電流源として動作する。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。ＭＯＳスイッチ１１は、ソースフォロア回路１１ｂの出力端子と基準電位ノード（グランド電位ノード）との導通又は遮断を切り替える。
【００１５】
次に、ランダムテレグラフシグナルノイズ（ＲＴＳノイズ）を起因とする欠陥画素検出動作の説明をする。図４は、第２のモード（欠陥画素検出モード）時の駆動パルスタイミング図である。図２の通常撮像動作モード時における動作タイミングとの違いは、ＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧のハイレベル期間である時刻ｔ８からｔ１１の間、ＭＯＳスイッチ１１をオフ（遮断）にすることである。ＭＯＳスイッチ１１をオフにすることで、出力ｏｕｔの電圧を下げるためのソースフォロアの電流供給がなくなる。ソースフォロアの電流供給がなくなることで、出力ｏｕｔの電圧は低下することができず、出力ｏｕｔの電位は上昇しかできなくなる。そのため、信号処理回路部１０は、時刻ｔ８からｔ１１までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最大値を保持することが可能となる。時刻ｔ８〜ｔ１０の期間を充分長く設定することで、その間にＲＴＳノイズによって生じた出力変動を、出力の最大値として検出することができる。
【００１６】
ＲＴＳノイズは、電荷の捕獲状態と放出状態を交互に繰り返す。捕獲状態と放出状態によって信号出力にＲＴＳノイズ信号ΔＮが重畳するかしないかが決まる。ノイズ信号ＮにＲＴＳノイズΔＮが加算されると、クランプ部８にはノイズ信号（Ｎ＋ΔＮ）がクランプされる。ＲＴＳノイズΔＮが加算されないと、クランプ部８にはノイズ信号Ｎがそのままクランプされる。光出力信号Ｓを読み出す際にも、同様に、ＲＴＳノイズ信号ΔＮが重畳する場合としない場合がある。光出力信号ＳにＲＴＳノイズΔＮ信号が重畳されると、信号出力はＳ＋ΔＮとなり、重畳されないと信号出力はＳのままである。ノイズ信号Ｎの読み出し時と光信号Ｓの読み出し時にＲＴＳノイズΔＮはランダムに発生するので、クランプ部８を介して読み出される信号（Ｓ−Ｎ）は以下の３通りの出力値をとる。第一は、ノイズ信号がＮのままで光信号が（Ｓ＋ΔＮ）の場合であり、クランプ動作後の出力は、（Ｓ＋ΔＮ）−Ｎ＝（Ｓ−Ｎ）＋ΔＮとなる。第二は、ノイズ信号が（Ｎ＋ΔＮ）で光信号がＳのままの場合であり、この場合、クランプ動作後の出力は、Ｓ−（Ｎ＋ΔＮ）＝（Ｓ−Ｎ）−ΔＮとなる。第三は、ノイズ信号及び光信号がそれぞれＮ及びＳのままの場合と、ノイズ信号及び光信号がそれぞれ（Ｎ＋ΔＮ）及び（Ｓ＋ΔＮ）の場合であり、この場合、クランプ動作後の出力は、（Ｓ−Ｎ）となる。
【００１７】
本実施形態では、上記の３値のうち、ΔＮ＞０とし、（Ｓ−Ｎ）＋ΔＮの場合を検知するものである。その特徴は信号処理回路部１０のＭＯＳスイッチ１１をオン、オフ切り替えることで、ＲＴＳノイズΔＮに起因する欠陥画素検出回路として用いることである。欠陥画素検出時には、信号処理回路部１０により時刻ｔ８からｔ１１までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最大値をラインメモリ部１２の容量１４に蓄積することができる。出力の最大値が大きい画素は点滅欠陥画素として判断できる。時刻ｔ８〜ｔ１０を充分に長く設定することにより、１回の検出動作でも欠陥画素を検出することができる。
【００１８】
図５は、図１の信号処理回路部１０の別の構成例である。この構成は差動増幅回路１１ａのみであり、ＭＯＳスイッチ１１は差動増幅回路１１ａ内のＭＯＳトランジスタとなる。ＭＯＳスイッチ１１のゲート端子に所定の電圧を印加することで、ＭＯＳスイッチ１１は差動増幅回路１１ａの定電流源として動作する。差動増幅回路１１ａの反転入力端子（ノード）ｂは差動増幅回路１１ａの出力端子ｏｕｔ（ノードａ）と短絡されている。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力（非反転入力端子）ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。点滅欠陥画素検出には、図４のＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧のハイレベル期間である時刻ｔ８からｔ１１の間、ＭＯＳスイッチ１１をオフにする。これにより信号処理回路部１０は時刻ｔ８からｔ１０までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最大値を保持し続けることになるため、１回の撮像でも欠陥画素を検出することが可能となる。
【００１９】
以上のように、信号処理回路１０は、クランプ部８の出力信号に対してバッファ動作する第１のモード（図２）と、クランプ部８の出力信号の一定期間中の最大値を検出する第２のモード（図４）とを切り替えるＭＯＳスイッチ（切り替え手段）１１を有する。第１のモードは、通常の撮像動作として使用する。第２のモードは、ＲＴＳノイズに起因する欠陥画素の検出に使用する。
【００２０】
特許文献１に記載の技術によれば、点滅欠陥画素を検出するために複数フレームにわたって撮像動作を繰り返す。そのため、繰り返すフレーム数に応じて検出に要する時間が増大する。特に、固体撮像装置から信号を取り出すのに要する時間は無視できない。これに対して、本発明は、信号処理回路部で最大値を検出する期間を十分に長くすることで欠陥画素を検出することができるので、固体撮像装置から信号を読み出すのに要する時間を削減することが可能になる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の等価回路図は図１と同じである。図６は、本発明の第２の実施形態の信号処理回路部１０の回路図である。信号処理回路部１０は、バッファ動作と最小値保持動作の切り替えを行う。信号処理回路部１０は、差動増幅回路１１ａとソースフォロア回路１１ｂと、バッファ動作と最小値保持動作の切り替えを行うＭＯＳスイッチ１１で構成される。第１の実施形態と異なり、ＭＯＳスイッチ１１はＰＭＯＳトランジスタである。ノードaは差動増幅回路１１ａの出力、ｉｎ及びノードｂは差動増幅回路１１ａの入力端子である。ｉｎは非反転入力、ｂは反転入力端子である。入力ｉｎにはクランプ部８の出力端子が接続される。ソースフォロア回路１１ｂの出力端子ｏｕｔは、差動増幅回路１１ａの反転入力端子（ノード）ｂとＭＯＳスイッチ１１のドレイン端子とに接続されている。ＭＯＳスイッチ１１は、ソースフォロア回路１１ｂの出力端子と電源電位ノードとの導通又は遮断を切り替える。
【００２２】
本実施形態での通常時の駆動パルスタイミング図は、第１の実施形態の駆動タイミングの図２と、ＭＯＳスイッチ１１を駆動する信号の極性が逆転する以外は全く同じである。ＭＯＳスイッチ１１はＰＭＯＳトランジスタであり、ゲート電圧がハイレベルの時には、オフしている。ＭＯＳスイッチ１１をオンすることで、ソースフォロアの電流源として動作する。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。
【００２３】
ＲＴＳノイズに起因する画素欠陥を検出する駆動パルスタイミング図は第１の実施形態の図４と、ＭＯＳスイッチ１１を駆動する信号の極性が逆転する以外は全く同じである。以下、図４を用いて動作を説明する。ＭＯＳスイッチ１３のゲート電圧のハイレベル期間である時刻ｔ８からｔ１１の間、ＭＯＳスイッチ１１をオフ（遮断）にすることで、出力ｏｕｔの電圧を上げるためのソースフォロアの電流供給が遮断される。ソースフォロアの電流供給がなくなることで、出力ｏｕｔの電圧は上昇することができなくなり、出力ｏｕｔの電圧は低下しかできなくなる。そのため、信号処理回路部１０は時刻ｔ８からｔ１１までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最小値を保持することが可能となる。時刻ｔ８〜ｔ１１の期間を充分長く設定することで、その間にＲＴＳノイズによって生じた出力変動を、出力の最小値として検出することができる。
【００２４】
第１の実施形態で述べたように、クランプ動作後の出力は、（Ｓ−Ｎ）と（Ｓ―Ｎ＋ΔＮ）と（Ｓ−Ｎ−ΔＮ）の３値をとる。本実施形態では、このうち（Ｓ−Ｎ−ΔＮ）（ただしΔＮ＞０）を、最小値回路を用いて検出することで、ＲＴＳノイズに起因する画素欠陥を検出する。その特徴は信号処理回路部１０のＭＯＳスイッチ１１をオン、オフ切り替えることで欠陥画素検出回路として用いることである。欠陥画素検出時には、信号処理回路部１０により時刻ｔ８からｔ１０までの期間における画素ＳＦトランジスタ３の最小値をラインメモリ部１２の容量１４に蓄積することができる。時刻ｔ８〜ｔ１０までの期間を充分長く設定することにより、従来方法と比較して短時間ながら同じ検出確率で欠陥画素を検出することができる。例えば、画素数１０００万個の固体撮像装置のＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を１．２秒で検出することができた。
【００２５】
以上のように、信号処理回路１０は、クランプ部８の出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、クランプ部８の出力信号の一定期間中の最小値を検出する第２のモードとを切り替えるＭＯＳスイッチ（切り替え手段）１１を有する。
【００２６】
時間短縮の効果は、第１の実施形態の最大値検出回路を用いた場合と同様であり、回路構成の違い以外に得失はない。
【００２７】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。図１と同様に、説明の便宜上、アレイ状に配置された複数画素のうち１画素分の回路と、列毎の信号線及び読み出し回路を取り出して図示している。本実施形態は、列毎の読み出し回路に列アンプ部を付加することで、回路ノイズが小さい段階で信号を増幅し、Ｓ／Ｎを向上させている。
【００２８】
画素部１、フォトダイオード２、画素ＳＦトランジスタ３、転送ＭＯＳトランジスタ４、リセットＭＯＳトランジスタ５の構成と役割は、図１と全く同じである。１６は画素ＳＦトランジスタ３から出力された信号を増幅する列アンプ部である。列アンプ部１６は２段構成となっており、列アンプ前段１７と列アンプ後段に位置する信号処理回路部１０で構成される。列アンプ前段１７は、容量フィードバック型の差動アンプ及びクランプ部を有する。１１はバッファ動作と最大値保持動作の切り替えを行うＭＯＳスイッチの制御端子である。ラインメモリ部１２は容量（ＣＴＮ）１９、ＭＯＳスイッチ１８、容量（ＣＴＳ）２１、ＭＯＳスイッチ２０で構成される。容量１９は列アンプ部１６のオフセット電圧のみを蓄積する。容量２１は列アンプ部１６のオフセット電圧を含んだ光信号を蓄積する。そして、２２は列アンプ部１６のオフセット電圧を除去した光信号を出力する出力段である。
【００２９】
図８は、図７の固体撮像装置の第１のモード（通常撮像動作モード）駆動パルスタイミング図である。ＭＯＳスイッチ１１は、ゲート電圧がハイレベルであり、オンである。リセットＭＯＳトランジスタ５のゲート電圧が時刻ｔ２からｔ３までの期間ハイレベルとなることで、リセットＭＯＳトランジスタ５がオンとなる。リセットＭＯＳトランジスタ５が画素ＳＦトランジスタ３の入力部を所定の電位にリセットする。ＭＯＳスイッチ９のゲート電圧が時刻ｔ４にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ９がオンし、列アンプ前段（クランプ部）１７は信号線７のノイズ信号に対してクランプ動作を行う。クランプ動作は画素部１のノイズ信号Ｎがクランプされる。ＭＯＳスイッチ１８のゲート電圧が時刻ｔ６にハイレベルとなることで、ＭＯＳスイッチ１８がオンし、ラインメモリ部１２の容量１９に列アンプ部１６のオフセット電圧が蓄積させる。次に、転送ＭＯＳトランジスタ４のゲート電圧が時刻ｔ８にハイレベルになることで、転送ＭＯＳトランジスタ４がオンになる。転送ＭＯＳトランジスタ４はＰＤ２に蓄積された光信号電荷を画素ＳＦトランジスタ３の入力部に転送する。画素ＳＦトランジスタ３は、入力部の光信号電荷に基づく信号Ｓを出力し、信号Ｓは信号線７へ伝達される。列アンプ前段１７は、信号Ｓからクランプされたノイズ信号Ｎを減算する。すなわち、列アンプ前段１７は、差分演算部を有する。差分演算部１７は、リセットＭＯＳトランジスタ５によりリセットされた時の画素ＳＦトランジスタ３が出力するノイズ信号Ｎと、転送ＭＯＳトランジスタ４により転送された時の画素ＳＦトランジスタ３が出力する光信号Ｓとの差分演算を行う。減算された信号（Ｓ−Ｎ）は列アンプ部１６で増幅される。増幅された信号はラインメモリ部１２の容量２１に蓄積される。この時、容量２１に蓄積された信号は列アンプ部１６のオフセット電圧が含まれた光信号である。出力段２２は、容量２１に蓄積された信号から容量１９に蓄積された信号を減算することで、列アンプ部１６のオフセット電圧を除去し、ノイズが減算された光信号（Ｓ−Ｎ）を出力する。
【００３０】
信号処理回路部１０は、第１の実施形態で適用した図２、図３のどちらの回路でも可能である。信号処理回路部１０は出力ｏｕｔを入力ｉｎの電圧にフィードバックすることで、バッファ動作をする。
【００３１】
図９は、第２のモード（欠陥画素検出モード）時の駆動パルスタイミング図である。ＭＯＳスイッチ２０のゲート電圧がハイレベルとなる時刻ｔ１１からｔ１２までの期間において、ＭＯＳスイッチ１１をオフにすることで、欠陥画素検出動作をする。それ以外は図８と同様である。ＭＯＳスイッチ１１がオフとなる時刻ｔ１０からＭＯＳスイッチ２０がオフとなる時刻ｔ１２までの期間を充分長く設定することで、ＲＴＳノイズに起因する画素欠陥を最大値により検出する。最大値検出により、ＲＴＳノイズを検出する原理は第１の実施形態と全く同じである。本実施形態の読み出し部１０の代わりに、第２の実施形態の最小値回路を使用することで、最小値を検出する欠陥検査回路を構成することもできる。また、本実施形態による検査時間の短縮効果は第１の実施形態及び第２の実施形態と同じである。
【００３２】
本実施形態では、２次元固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上させる手段として列アンプ回路を用いた欠陥検出回路を示した。
【００３３】
以上のように、信号処理回路１０は、列アンプ前段１７の出力信号に対してバッファ動作する第１のモード（図８）と、列アンプ前段１７の出力信号の一定期間中の最大値又は最小値を検出する第２のモード（図９）とを切り替えるＭＯＳスイッチ１１を有する。
【００３４】
以上のように、第１〜第３の実施形態によれば、固体撮像装置の列読み出し回路中に最大値検出回路あるいは最小値検出回路を設けることによって、少ないフレーム数あるいは短い検査時間でＲＴＳノイズに起因する欠陥画素を検出することが可能になる。これにより、短時間のＲＴＳノイズに起因する欠陥画素検出が可能となる。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【図２】第１の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスタイミング図である。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の信号処理回路図である。
【図４】第１の実施形態の固体撮像装置の欠陥画素検出動作の駆動パルスタイミング図である。
【図５】第１の実施形態の固体撮像装置の信号処理回路の別の例を示す回路図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の信号処理回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【図８】第３の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスタイミング図である。
【図９】第３の実施形態の固体撮像装置の欠陥画素検出動作の駆動パルスタイミング図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 画素部
２ フォトダイオード（ＰＤ）
３ 画素ソースフォロア（ＳＦ）トランジスタ
４ 転送ＭＯＳトランジスタ（ＰＴＸ）
５ リセットＭＯＳトランジスタ（ＰＲＥＳ）
６ 選択ＭＯＳトランジスタ（ＰＳＥＬ）
７ 信号線
８ クランプ部
９ ＭＯＳスイッチ（ＰＣ０Ｒ）
１０ 信号処理回路部
１１ ＭＯＳスイッチ（動作切り替え制御端子）
１２ ラインメモリ部
１３ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＣ１）
１４ 容量（ＣＴＣ）
１５ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＣ２）
１６ 列アンプ
１７ 列アンプ前段
１８ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＮ）
１９ 容量（ＣＴＮ）
２０ ＭＯＳスイッチ（ＰＴＳ）
２１ 容量（ＣＴＳ）
２２ 出力段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換する光電変換部と、入力部の電位に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部に保持された電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、前記増幅部の入力部の電位をリセットするリセット部とを有する画素部と、
前記画素部から出力される出力信号に対してバッファ動作するバッファ部と、
前記出力信号を蓄積するメモリ部と
を有する固体撮像装置であって、
前記バッファ部は、前記出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、前記出力信号の一定期間における最大値又は最小値を検出する第２のモードと、を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記リセット部により前記入力部がリセットされたことに基づいて前記増幅部が出力するノイズ信号と、前記転送部により電荷が前記光電変換部から前記入力部に転送されたことに基づいて前記増幅部が出力する光信号との差分演算を行う差分演算部を有し、
前記差分演算部は、前記ノイズ信号をクランプするクランプ部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記差分演算部は、容量フィードバック型の差動アンプを有することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記バッファ部は、非反転入力端子に前記出力信号を受ける差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号を入力とするソースフォロア回路とを有し、前記ソースフォロア回路の出力端子が前記差動増幅回路の反転入力端子に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記切り替え手段は、前記第１のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と基準電位ノードとを導通させ、前記第２のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と基準電位ノードとを遮断することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記切り替え手段は、前記第１のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と電源電位ノードとを導通させ、前記第２のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と電源電位ノードとを遮断することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記バッファ部は、非反転入力端子に前記出力信号を受ける差動増幅回路を有し、
前記差動増幅回路は定電流源を含むとともに、
前記差動増幅回路の反転入力端子は前記差動増幅回路の出力端子と短絡されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記切り替え手段は、前記第１のモードにおいて前記定電流源を動作させ、前記第２のモードにおいて前記定電流源を遮断することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１のモードは通常の撮像動作として使用し、
前記第２のモードはランダムテレグラフシグナルノイズに起因する欠陥画素の検出に使用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１】
入射光を電荷に変換する光電変換部と、入力部の電位に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部に保持された電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、前記増幅部の入力部の電位をリセットするリセット部とを有する画素部と、
前記画素部から出力される出力信号に対してバッファ動作するバッファ部と、
前記出力信号を蓄積するメモリ部と
を有する固体撮像装置であって、
前記バッファ部は、前記出力信号に対してバッファ動作する第１のモードと、前記出力信号の一定期間における最大値又は最小値を検出する第２のモードと、を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記リセット部により前記入力部がリセットされたことに基づいて前記増幅部が出力するノイズ信号と、前記転送部により電荷が前記光電変換部から前記入力部に転送されたことに基づいて前記増幅部が出力する光信号との差分演算を行う差分演算部を有し、
前記差分演算部は、前記ノイズ信号をクランプするクランプ部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記差分演算部は、容量フィードバック型の差動アンプを有することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記バッファ部は、非反転入力端子に前記出力信号を受ける差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号を入力とするソースフォロア回路とを有し、前記ソースフォロア回路の出力端子が前記差動増幅回路の反転入力端子に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記切り替え手段は、前記第１のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と基準電位ノードとを導通させ、前記第２のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と基準電位ノードとを遮断することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記切り替え手段は、前記第１のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と電源電位ノードとを導通させ、前記第２のモードにおいて前記ソースフォロア回路の出力端子と電源電位ノードとを遮断することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記バッファ部は、非反転入力端子に前記出力信号を受ける差動増幅回路を有し、
前記差動増幅回路は定電流源を含むとともに、
前記差動増幅回路の反転入力端子は前記差動増幅回路の出力端子と短絡されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記切り替え手段は、前記第１のモードにおいて前記定電流源を動作させ、前記第２のモードにおいて前記定電流源を遮断することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１のモードは通常の撮像動作として使用し、
前記第２のモードはランダムテレグラフシグナルノイズに起因する欠陥画素の検出に使用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１０３８５５（Ｐ２０１０−１０３８５５Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７４７６７（Ｐ２００８−２７４７６７）
【出願日】平成２０年１０月２４日（２００８．１０．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２４日（２００８．１０．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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