固体撮像装置及びカメラシステム
【課題】画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】駆動回路は、所定の画素セル１１に対して、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすることで、増幅トランジスタ１１３のゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、電子シャッター動作が行われた所定の画素セル１１に対して、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた増幅トランジスタ１１３のゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として画素セル１１から列信号線１４１に出力させるリセット信号の信号読み出し動作を行い、電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７がＯＮ状態とされている時に選択トランジスタ１１５がＯＮ状態とされる。
【解決手段】駆動回路は、所定の画素セル１１に対して、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすることで、増幅トランジスタ１１３のゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、電子シャッター動作が行われた所定の画素セル１１に対して、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた増幅トランジスタ１１３のゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として画素セル１１から列信号線１４１に出力させるリセット信号の信号読み出し動作を行い、電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７がＯＮ状態とされている時に選択トランジスタ１１５がＯＮ状態とされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に積層型及び裏面照射型の固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、結晶シリコンからなる半導体基板の内部にフォトダイオード（光電変換部）が設けられ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）を走査回路とするＣＣＤ型又はＭＯＳ型の固体撮像装置の画素セルは急速に微細化されている。２０００年頃には３μｍであった画素サイズは、２００７年には２μｍ以下となった。２０１０年には画素サイズが１．４μｍの固体撮像装置が実用化される予定であり、このペースで画素サイズの微細化が進むと、数年以内に１μｍ以下の画素サイズを実現できると期待される。
【０００３】
しかし、１μｍ以下の画素サイズを実現するためには結晶シリコンの光吸収係数が小さいことにより生じる第１の課題と、取り扱い信号量に関する第２の課題とを解決する必要があることを本願発明者は見出した。
【０００４】
まず、第１の課題について詳細に述べる。結晶シリコンの光吸収係数は光の波長に依存する。固体撮像装置の感度を決める波長５５０ｎｍ近傍の緑色の光をほぼ完全に吸収し光電変換するには約３．５μｍの厚さの結晶シリコンが必要である。従って、半導体基板の内部に形成するフォトダイオードの深さを３．５μｍ程度とする必要がある。平面的な画素サイズを１μｍとした場合には、深さが３．５μｍ程度のフォトダイオードを形成することは非常に困難である。仮に深さが３．５μｍ程度のフォトダイオードを形成できたとしても斜めに入射する光が隣接する画素セルのフォトダイオードに入射するという問題が発生するおそれが高い。斜めに入射する光が隣接する画素セルのフォトダイオードに入射すると、混色（クロストーク）が生じ、カラーの固体撮像装置においては大きな問題である。混色を防ぐためにフォトダイオードをこれより浅く形成すると緑の光吸収効率が劣化し固体撮像装置の感度が劣化する。画素セルの微細化では画素サイズが小さくなって１つの画素セルの感度が低下するため、これに加えて光吸収効率が低下することは致命的である。
【０００５】
次に、第２の課題について詳細を述べる。取り扱い信号量は、一般的な固体撮像装置に用いられているフォトダイオード構造である埋め込みフォトダイオードの飽和電荷量により決まる。埋め込みフォトダイオードは、内部に蓄積された信号電荷をほぼ完全に隣接する電荷検出部に転送できる（完全転送）という長所がある。このため、電荷転送に関わる雑音がほとんど発生せず、埋め込みフォトダイオードは広く固体撮像装置に採用されている。しかし、完全転送を実現するためにフォトダイオードの単位面積あたりの容量を大きくできない。このため画素セルを微細化すると飽和電荷の減少が問題となる。コンパクトデジタルカメラにおいては、１つの画素セルあたり１００００電子の飽和電子数が必要であったが、画素サイズが１．４μｍ程度となると飽和電子数は５０００電子程度が限界となる。現在は、デジタル信号処理技術による雑音抑圧処理等により画像を作製することにより、飽和電子数の減少に対応しているが、自然な再生画像を得ることは困難である。さらに、高級な一眼レフカメラの場合には、１つの画素セルあたり３００００電子程度の飽和電子数が必要であると言われている。
【０００６】
なお、結晶シリコン基板を用いたＭＯＳ型イメージセンサにおいて、基板を薄く削ることにより画素回路が形成された表面側ではなく裏面側から光を入射させる構造が検討されている。しかし、この構造でも、画素回路を構成する配線等により入射する光が妨げられることを回避できるだけであり、第１の課題及び第２の課題を解決することはできない。
【０００７】
これら２つの課題を解決する有望な技術として、積層型の固体撮像装置があげられる。積層型の固体撮像装置は、画素回路が形成された半導体基板の上に絶縁膜を介して光電変換膜が形成された構成を有している。このため、光電変換膜にアモルファスシリコン等の光吸収係数が大きい材料を用いることが可能となる。例えば、アモルファスシリコンの場合、波長５５０ｎｍの緑色の光は、０．４ｎｍ程度の厚さでほとんど吸収することができる。また、埋め込みフォトダイオードを用いないため、光電変換部の容量を大きくすることが可能であり、飽和電荷を大きくすることができる。さらに、電荷を完全転送しないため付加容量を積極的に付加することも可能であり、微細化された画素セルにおいても十分な大きさの容量が実現でき、第２の課題も解決できる。ダイナミックランダムアクセスメモリにおけるスタックセルのような構造とすることも可能である。
【０００８】
なお、近年の埋め込みフォトダイオードを用いたＭＯＳ型の固体撮像装置は、例えば特許文献１に記載されているように、画素セルが選択トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの４つのトランジスタで構成されているものが一般的である。しかし、例えば特許文献２に記載されているように、転送トランジスタが除かれて画素セルが３つのトランジスタで構成されているものもある。そして、上記の積層型の固体撮像装置に用いる画素セルは、電荷検出回路により光電変換膜で発生した電荷を直接画素アンプで検出するために、３つのトランジスタで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−９９９７号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、画素セルが３つのトランジスタで構成される回路構成では、電子シャッター動作を行う場合、次の問題が発生する。すなわち、選択トランジスタがＯＮ状態にあるかＯＦＦ状態にあるかに依存して画素セル内のフローティングディフュージョン（ＦＤ）の電位が変化するため、電子シャッター後のＦＤの電位とリセット信号読み出し時のＦＤの電位とが異なり、これに起因して横引きノイズが発生する。以下で、この問題を詳細に説明する。
【００１１】
まず、画素セルが４つのトランジスタで構成される固体撮像装置について述べる。
【００１２】
図１１は埋め込みフォトダイオードを用いたＭＯＳ型の固体撮像装置の回路構成の一例を示す図であり、図１２は図１１の固体撮像装置の電子シャッター動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【００１３】
図１１の固体撮像装置では、画素セル２０１がフォトダイオード（ＰＤ）と、選択トランジスタ２０９、転送トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２０４及び増幅トランジスタ２０５の４つのトランジスタとで構成されている。そして、電子シャッター動作を行う場合に、行毎の画素セル２０１の行リセット信号ＲＥＳＥＴと転送信号Ｔｘとを列方向に順番に駆動してローリングシャッターが行われる。
【００１４】
このとき、図１２に示されるように、ＰＤの光電変換信号の読み出しをするｎ＋１行（ｎは１以上の自然数）の画素セル２０１では行選択信号ＳＥＬｎ＋１が駆動されるが、電子シャッターが行われているｎ行の画素セル２０１では行選択信号ＳＥＬｎは駆動されない。その理由は、画素セル２０１でＰＤとＦＤ（電荷検出素子）とが電気的に分離可能な状態で個別に設けられており、電子シャッター動作はＰＤの光電変換信号を掃き捨てる動作をするだけでよく、行選択信号ＳＥＬは駆動しなくても良いからである。
【００１５】
図１１の固体撮像装置では、電子シャッター動作でリセットした時期を蓄積開始時期とし、ある蓄積期間が経過した後で各画素セル２０１から光電変換信号を読み出す駆動が行われるので、各画素セル２０１でＦＤを先にリセット（初期化）して基準信号を生成し、そこにＰＤに蓄積された光電変換信号が転送信号Ｔｘで転送される。カラムＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路では、このＦＤを先にリセッした時に増幅トランジスタ２０５から出力されたリセット信号と光電変換信号をＦＤに転送した時に増幅トランジスタ２０５から出力された画素信号とを相関二重サンプリングして、差分を信号成分として検出しているので、ノイズは相殺される。
【００１６】
次に、画素セルが３つのトランジスタで構成される固体撮像装置について述べる。
【００１７】
図１３は積層型の固体撮像装置の全体の回路構成の一例を示す図であり、図１４は図１３の画素セル及びその周辺の回路構成の一例を示す図であり、図１５は図１３の固体撮像装置の動作を説明するための回路図である。
【００１８】
図１３の固体撮像装置（センサチップ）２５２は、アドレス制御線１２１、リセット制御線１２３、列信号線１４１、リセットドレイン線１２６、列選択トランジスタ１２７、列走査回路（水平走査部）２２９、水平信号線２３０、出力アンプ２３１、行走査回路（垂直走査部）２３３、マルチプレクサ回路（ＭＵＸ）２４１、水平出力端子（ＶＯＵＴ端子）１４２、画素部２４３、列信号処理部（カラムＣＤＳ回路）２１及びタイミング制御回路２５０を備える。
【００１９】
画素部２４３には、複数の画素セル１１が半導体基板で行列状に配置され、画素セル１１の列毎に列信号線１４１が設けられている。固体撮像装置２５２内において、画素部２４３の画素セル１１は行走査回路２３３とマルチプレクサ回路２４１とによって選択される。
【００２０】
画素セル１１は、光電変換部１１１と、ゲートが光電変換部１１１と接続された増幅トランジスタ１１３と、ドレインが光電変換部１１１と接続されたリセットトランジスタ１１７と、増幅トランジスタ１１３と直列に接続された選択トランジスタ１１５と、ＦＤ２とを有している。
【００２１】
タイミング制御回路２５０は、行走査回路２３３に垂直走査信号を供給し、マルチプレクサ回路２４１に行選択信号ＳＥＬ及び行リセット信号ＲＥＳＥＴを供給し、列走査回路２２９に水平走査信号を供給する。タイミング制御回路２５０は、行選択信号ＳＥＬ及び行リセット信号ＲＥＳＥＴを画素セル１１の駆動信号として生成し、駆動信号ＳＥＬ及びＣＬを列信号処理部２１の駆動信号として生成する。
【００２２】
マルチプレクサ回路２４１は、図１４に示されるように、画素リセット信号スイッチ２３７及び画素アドレス信号スイッチ２３８から構成され、行選択信号ＳＥＬ及び行リセット信号ＲＥＳＥＴの画素部２４３への出力を制御する。
【００２３】
列信号処理部２１は、図１５に示されるように、コンデンサ２１９及び２２５と、サンプルトランジスタ２２０と、クランプトランジスタ２２２とを有する。列信号処理部２１は、列信号線１４１毎に設けられ、対応する列信号線１４１における任意の異なる２つのタイミングにおける電位差、つまりＦＤ２をリセットした時に増幅トランジスタ１１３から出力されたリセット信号と光電変換部１１１の光電変換信号をＦＤ２に転送した時に増幅トランジスタ１１３から出力された画素信号との差に応じた信号をＣＤＳ出力ノード２２６から出力する。
【００２４】
蓄積ダイオード初期化電圧発生回路１５３は、リセットドレイン線１２６と接続され、リセットドレイン線１２６にＦＤ２の電位をリセット（初期化）するためのリセット電圧を供給する。
【００２５】
図１６は、図１３〜図１５の固体撮像装置の信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【００２６】
図１３〜図１５の固体撮像装置において、光電変換部１１１により光が光電変換信号に変換されて、光電変換信号はＦＤ２で蓄えられる。ここで、行選択信号ＳＥＬを駆動して選択トランジスタ１１５をＯＮ状態にすると、この光電変換信号は、増幅トランジスタ１１３と負荷トランジスタ１３０とにより形成されるソースフォロア回路でインピーダンス変換され、列信号線１４１を介して、列信号処理部２１に入力される。そして、列信号処理部２１で光電変換信号は一旦サンプルホールドされる。
【００２７】
次に、行リセット信号ＲＥＳＥＴが駆動されて、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態にすると、先ほどＦＤ２で蓄えられた光電変換信号がリセットされる。このとき、ＦＤ２には基準信号が蓄積される。
【００２８】
次に、行選択信号ＳＥＬを駆動して選択トランジスタ１１５をＯＮ状態にすると、基準信号は、列信号線１４１を介して列信号処理部２１に入力される。そして、列信号処理部２１で光電変換信号と基準信号とが差分されて、差分がＣＤＳ出力ノード２２６に出力され、信号成分として扱われる。
【００２９】
最後に、列走査回路２２９からの列選択信号により列選択トランジスタ１２７がＯＮ状態となることで、先の信号成分は水平信号線２３０に読み出されて、出力アンプ２３１で増幅後に水平出力端子１４２から外部出力される。
【００３０】
図１７は、図１３〜図１５の固体撮像装置の光電変換部１１１の光電変換信号の蓄積開始時期を決める電子シャッター動作、及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。図１８は、図１３〜図１５の固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【００３１】
電子シャッター動作を行う場合、画素セル１１の行リセット信号ＲＥＳＥＴを列方向に順番に駆動してローリングシャッターを行う。この電子シャッター動作において、行選択信号ＳＥＬ１は、近年の埋め込みフォトダイオードを用いたＭＯＳ型の固体撮像装置と同様に駆動されない。これに対して、信号読み出し動作を行う画素セル１１では行選択信号ＳＥＬが駆動される。
【００３２】
以上のように、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合、ＰＤとＦＤとは同一の素子である（以降、ＰＤ及びＦＤを区別せずＰＤ及びＦＤをまとめて単にＦＤとも称する。）。そして、電子シャッター動作ではＦＤの光電変換信号を掃き捨てる動作が行われるが、この時に行選択信号ＳＥＬ１は駆動されない。そして、電子シャッター動作によりＦＤをリセットした時期を蓄積開始時期とし、ある蓄積期間後に各画素セルから光電変換信号が読み出される。各画素セルのＦＤの光電変換信号が読み出された後に、ＦＤが再びリセットされてリセット信号が読み出される。このリセット信号の読み出しでは、行選択信号ＳＥＬを駆動しないとリセット信号が読み出せないので、必然的に行選択信号ＳＥＬが駆動されて選択トランジスタがＯＮ状態とされる。従って、電子シャッター動作時のＦＤのリセット（１回目のリセット）とリセット信号の信号読み出し動作時のＦＤのリセット（２回目のリセット）とでは、選択トランジスタの状態が異なるため、ＦＤのリセット電位へのカップリング状態が異なり、この差がノイズ成分として残る。
【００３３】
カラムＣＤＳ回路では、２回目のリセットにより得られたリセット信号と画素信号とを相関二重サンプリングして、その差分を信号成分としているので、１回目及び２回目のリセットでＦＤのリセット電位へのカップリング状態が異なることに起因するノイズ成分が信号成分にも残る。このノイズ成分は、画像で見ると横引きノイズが目立つ画像となって表れる。
【００３４】
そこで、本発明は、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることが可能な固体撮像装置及びカメラシステム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】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に行列状に配置された複数の画素セルと、前記画素セルの列に対応して設けられ、対応する前記画素セルの列と接続された垂直信号線と、前記画素セルを駆動する駆動回路とを備え、前記画素セルは、光電変換部と、ゲートが前記光電変換部と直接接続された増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと接続された選択トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲートと接続されたリセットトランジスタとを有し、前記駆動回路は、所定の前記画素セルに対して、前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで、前記増幅トランジスタのゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、前記電子シャッター動作が行われた所定の画素セルに対して、前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで、前記光電変換部の信号が読み出された前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧を画素信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させた後、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させる信号読み出し動作を行い、前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタがＯＮ状態とされている時に前記選択トランジスタがＯＮ状態とされることを特徴とする。
【００３６】
ここで、前記光電変換部は、前記半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜の上方に形成された透明電極と、前記光電変換膜と前記半導体基板との間に形成された画素電極とを有し、前記画素電極が前記増幅トランジスタのゲートに接続されていてもよい。
【００３７】
本態様によれば、画素セルが３つのトランジスタで構成されるが、電子シャッター動作において選択トランジスタがＯＮ状態となっているため、ＦＤのリセット電位へのカップリング状態がリセット信号の信号読み出し動作におけるカップリング状態と同じになる。従って、リセット信号の信号読み出し動作と電子シャッター動作とで、カップリングによる差を生じさせることがないので、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【００３８】
また、前記駆動回路は、前記電子シャッター動作において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第１期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、前記リセット信号の出力において、前記選択トランジスタをＯＮ状態としてから前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とし、前記リセット信号の出力において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第２期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、前記第１期間と前記第２期間とは等しくてもよい。
【００３９】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作において、リセット直後に光電変換部の電荷蓄積が始まり、増幅トランジスタのゲート電位つまりリセット電位が変動する。しかし、本態様によれば、電子シャッター動作及び信号読み出し動作において、リセットトランジスタがＯＦＦ状態になってから選択トランジスタがＯＦＦ状態になるまでの期間が等しい。従って、電子シャッター動作でのリセット電位と信号読み出し動作のリセット信号出力時のリセット電位とが同じように変動するので、電子シャッター動作のリセット電位の変動が相殺され、正確な信号を検出できる。
【００４０】
また、前記駆動回路は、前記所定の画素セルと同じ列の異なる前記画素セルに対して前記信号読み出し動作を行った直後に、前記所定の画素セルに対して前記電子シャッター動作を行ってもよい。
【００４１】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作において、リセット直後に光電変換部の電荷蓄積が始まり、リセット電位が変動するが、選択トランジスタはＯＮ状態とされているため、このリセットレベル変動成分が垂直信号線に出力される。従って、先に所定の画素セルについて電子シャッター動作で増幅トランジスタのゲート電位をリセットしてから、所定の画素セルと同じ列の他の画素セルについてある蓄積期間後に光電変換部の信号に対応する画素信号を出力させる駆動を行うと、電子シャッター動作のリセットレベル変動成分が次に垂直信号線に出力される画素信号と垂直信号線上で混ざりあうことになる。その結果、電子シャッター動作を行っている行からのリセットレベル変動成分と画素信号の出力を行っている行からの画素信号が画面の垂直方向にゴースト状に重なって見える。しかし、本態様によれば、画素信号を出力する駆動の後で電子シャッター動作を行われ、ＣＤＳ回路のリセット動作により垂直信号線のリセットレベル変動成分が消されてから画素信号が出力されるので、ゴーストの発生を抑えることができる。
【００４２】
また、前記駆動回路は、前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタをＯＮ状態としてから前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態としてもよい。
【００４３】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作で選択トランジスタをリセットトランジスタより先にＯＮ状態とすると、リセットトランジスタをＯＮ状態とする前に垂直信号線に大きな電圧が出力され、垂直信号線の寄生容量を大きく充電する。従って、電子シャッター動作でリセットトランジスタをＯＮ状態としても、垂直信号線をリセットレベルに復帰させるまでに時間を要し、電子シャッター動作の期間内にリセットレベルに復帰しきれないため、ゴーストが発生する。しかし、本態様によれば、電子シャッター動作においてリセットトランジスタを先にＯＮ状態としてから選択トランジスタをＯＮ状態とする。従って、選択トランジスタをＯＮ状態とする前に増幅トランジスタのゲートの電荷を完全にリセットドレインに掃き捨てるため、ゴーストの発生を抑えることができる。
【００４４】
また、前記所定の画素セルにおいて、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタのゲートには共通の信号線が接続され、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタの閾値電圧は異なってもよい。
【００４５】
本態様によれば、選択トランジスタ及びリセットトランジスタでゲートに駆動信号を供給する信号線を共通化できるので、信号線の数を減らすことができる。
【００４６】
また、本発明の一態様に係るカメラシステムは、上記固体撮像装置を用いたことを特徴とする。
【００４７】
本態様によれば、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることができる。また、電子シャッター動作を行っている行からのリセットレベル変動成分と画素信号の出力を行っている行からの画素信号とが画面の垂直方向にゴースト状に重なって見えることを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図３Ａ】リセット電位の時間変動を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図４】ゴースト画像の一例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図９】本発明の第６の実施形態の係る撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第１〜６の実施形態の固体撮像装置の変形例に係る画素セル及びその周辺の回路構成の一例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第１〜６の実施形態の固体撮像装置の変形例に係る画素セルの構成の一例を示す断面図である。
【図１１】埋め込みフォトダイオードを用いた固体撮像装置の回路構成の一例を示す図である。
【図１２】埋め込みフォトダイオードを用いた固体撮像装置の電子シャッター動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図１３】積層型の固体撮像装置の全体の回路構成の一例を示す図である。
【図１４】積層型の固体撮像装置の画素セル及びその周辺の回路構成の一例を示す図である。
【図１５】積層型の固体撮像装置の動作を説明するための回路図である。
【図１６】積層型の固体撮像装置の信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図１７】積層型の固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図１８】積層型の固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００５１】
（第１の実施形態）
本実施形態の固体撮像装置は、図１３〜図１５で示した構成を有する積層型の固体撮像装置であるが、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路による電子シャッター動作及びリセット信号の信号読み出し動作が図１７及び図１８とは異なる。
【００５２】
本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に行列状に配置された複数の画素セル１１と、画素セル１１の列に対応して設けられ、対応する画素セル１１の列と接続された列信号線（垂直信号線）１４１と、画素セル１１を駆動する駆動回路であり、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路とを備え、画素セル１１は、光電変換部１１１と、ゲートが光電変換部１１１と直接接続された増幅トランジスタ１１３と、増幅トランジスタ１１３と接続された選択トランジスタ１１５と、増幅トランジスタ１１３のゲートと接続されたリセットトランジスタ１１７とを有し、駆動回路は、所定の画素セル１１に対して、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすることで、増幅トランジスタ１１３のゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、電子シャッター動作が行われた所定の画素セル１１に対して、選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とすることで、光電変換部１１１の信号が読み出された増幅トランジスタ１１３のゲートの電位に応じた電圧を画素信号として画素セル１１から列信号線１４１に出力させた後、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた増幅トランジスタ１１３のゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として画素セル１１から列信号線１４１に出力させるリセット信号の信号読み出し動作を行い、電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７がＯＮ状態とされている時に選択トランジスタ１１５がＯＮ状態とされる。なお、信号読み出し動作におけるリセット信号の出力は、電子シャッター動作が行われた後、さらに信号蓄積期間が経過して画素信号の読み出しが行われた後で行われる。
【００５３】
光電変換部１１１は、半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上方（半導体基板と反対側）に光電変換膜と接する形で形成された透明電極と、光電変換膜と半導体基板との間（半導体基板側）に形成された画素電極とを有し、画素電極が増幅トランジスタ１１３のゲートに接続されている。透明電極及び画素電極は、光電変換膜に電圧を印加するものであり、光電変換膜と接している。透明電極は複数の画素セル１１に対して共通に設けられているのに対して、画素電極は各画素セル１１に対して個別に設けられている。また、透明電極は固定電位を供給する電源線に接続されているのに対し、画素電極はＦＤ２に接続されている。ＦＤ２は、半導体基板内に形成された蓄積ダイオードである。蓄積ダイオード及びＦＤ２の接続ノードに増幅トランジスタ１１３のゲートが接続されている。
【００５４】
増幅トランジスタ１１３は、ソースが選択トランジスタ１１５を介して列信号線１４１と接続され、ドレインが電源電圧Ｖｄｄを供給する電源線と接続されている。リセットトランジスタ１１７は、ゲートがリセット制御線１２３に接続され、ソースが光電変換部１１１の画素電極と接続され、ドレインがリセットドレイン線１２６と接続されている。選択トランジスタ１１５は、ゲートがアドレス制御線１２１に接続され、増幅トランジスタ１１３のソースと列信号線１４１との間に設けられている。なお、選択トランジスタ１１５は、増幅トランジスタ１１３のドレインと電源電圧Ｖｄｄを供給する電源線との間に設けられてもよい。負荷トランジスタ１３０は、列信号線１４１と接地線との間に設けられている。
【００５５】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動例を示している。図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００５６】
電子シャッター動作において、各行に対応して設けられたリセット制御線１２３の行リセット信号ＲＥＳＥＴ１、ＲＥＳＥＴ２・・・ＲＥＳＥＴｎを列方向に順番にハイレベルにしてローリングシャッターが行われる。このとき、行リセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルにされる行の行選択信号ＳＥＬも同時にハイレベルにされるように、行選択信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２・・・ＳＥＬｎが列方向に順番にハイレベルにされる。所定の画素セル１１について、行リセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルにされると、対応する行の増幅トランジスタ１１３のゲートの電位は、リセットされる。
【００５７】
電子シャッター動作でリセットされた時期を蓄積開始時期として所定の蓄積期間の経過後、電子シャッター動作によりリセットされた増幅トランジスタ１１３のゲートの電位は、光電変換部１１１による光電変換により生成された電荷の量に応じて変化する。この電荷量の変化は、行選択信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２・・・ＳＥＬｎのみを列方向に順番にハイレベルにすることで読み出される。所定の画素セル１１について、行選択信号ＳＥＬがハイレベル、行リセット信号ＲＥＳＥＴがローレベルにされると、選択トランジスタ１１５がＯＮ状態、リセットトランジスタ１１７がＯＦＦ状態とされて、変化したゲートの電位に応じた電圧（ＦＤ２の電圧）が画素信号として列信号線１４１に出力され、画素信号の信号読み出し動作が行われる。
【００５８】
画素信号が読み出された後でリセット信号の読み出しが行われ、行リセット信号ＲＥＳＥＴ１、ＲＥＳＥＴ２・・・ＲＥＳＥＴｎが列方向に順番にハイレベルにされる。所定の画素セル１１について、行選択信号ＳＥＬがハイレベル、行リセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルにされると、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７が同時にＯＮ状態とされ、変化したゲートの電位がリセットされると共にリセットされたゲートの電位に応じた電圧がリセット信号として列信号線１４１に出力され、リセット信号の信号読み出し動作が行われる。
【００５９】
ここで、リセット信号の信号読み出し動作の前で、列信号処理部２１が動かされる。具体的に、駆動信号ＣＬ及びＳＨはハイレベルにされ、サンプルトランジスタ２２０及びクランプトランジスタ２２２はＯＮ状態とされて、列信号線１４１の電位がリセットされる。
【００６０】
図１及び図２の電子シャッター動作及び信号読み出し動作は、第１行の画素セル１１の電子シャッター動作を行う第一の水平ブランキング期間と、第ｎ行の画素セル１１の信号読み出し動作を行う第二の水平ブランキング期間との両期間で、第１行及び第ｎ行に対応するリセット制御線１２３にハイレベルの行リセット信号ＲＥＳＥＴ１及びＲＥＳＥＴｎ、アドレス制御線１２１にハイレベルの行選択信号ＳＥＬ１及びＳＥＬｎが入力され、第一の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴ１及び行選択信号ＳＥＬ１の両方がハイレベルになる期間と、第二の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴｎ及び行選択信号ＳＥＬｎの両方がハイレベルになる期間とが同一であることを特徴としている。
【００６１】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、リセット信号の信号読み出し動作時にリセットトランジスタ１１７及び選択トランジスタ１１５がＯＮ状態とされるため、電子シャッター動作時においてもリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすると共に選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とする。従って、電子シャッター動作時とリセット信号の信号読み出し動作時とで選択トランジスタ１１５の状態は同じになるので、駆動信号のカップリングによるＦＤ電位の変動量を同じ状態にし、リセット電位の変動を同じにすることができる。その結果、ノイズ成分を小さくできるので、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の固体撮像装置において、撮像条件が強烈な光照射のもとでは、リセット直後に電荷蓄積が始まり、リセット電位も変動する。従って、リセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態としてから選択トランジスタ１１５をＯＦＦ状態とするまでのＯＦＦ期間が電子シャッター動作時と信号読み出し動作時とで異なると、リセット電位の変動量が電子シャッター動作と信号読み出し動作時とで異なることになる。つまり、図３Ａのリセット電位の時間変動に示されるように、ＯＦＦ期間が電子シャッター動作でＴ１であり、信号読み出し動作時でＴ２であり、Ｔ１及びＴ２が異なると、この違いがリセット電位のリセットレベル差として表れる。このリセットレベル差は画像上の目立つノイズとして表れるため、本実施形態の固体撮像装置において、リセットレベルの変動量が同量になるようにタイミング調整する。具体的には、Ｔ１＝Ｔ２に設定して、ノイズ成分を相殺する。
【００６３】
図３Ｂは、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００６４】
本実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路が、電子シャッター動作において、同時にＯＮ状態とされている選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７について、リセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態としてからＯＦＦ期間Ｔ１が経過した後で選択トランジスタ１１５をＯＦＦ状態とし、リセット信号の出力において、選択トランジスタ１１５をＯＮ状態としてからリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすることで選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とし、リセット信号の出力において、同時にＯＮ状態とされている選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７について、リセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態としてからＯＦＦ期間Ｔ２が経過した後で選択トランジスタ１１５をＯＦＦ状態とし、ＯＦＦ期間Ｔ１とＯＦＦ期間Ｔ２とは等しい点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００６５】
言い換えると、本実施形態に係る電子シャッター動作及び信号読み出し動作は、第一の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴ１をローレベルにしてから行選択信号ＳＥＬ１をローレベルにするまでのＯＦＦ期間Ｔ１と、第二の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴｎをローレベルにしてから行選択信号ＳＥＬｎをローレベルにするまでのＯＦＦ期間Ｔ２とが同一である点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００６６】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置によれば、電子シャッター動作及び信号読み出し動作において、リセットトランジスタ１１７がＯＦＦ状態になってから選択トランジスタ１１５がＯＦＦ状態になるまでのＯＦＦ期間が等しい。従って、強い光が入射し、電子シャッター動作においてリセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態にした後でＦＤ２に電荷が蓄積してリセットレベルが変動した場合でも、電子シャッター動作時と信号読み出し動作時とでリセットレベルの変動量を同じにできる。その結果、画像に黒切れが生じたたり、ダークノイズの重畳が生じたりするのを抑えることができる。
【００６７】
（第３の実施形態）
第２の実施形態の固体撮像装置においても、撮像条件がより強烈な光照射のもとでは、リセット直後に電荷蓄積が始まり、リセット電位も変動する。従って、先に所定の画素セル１１について電子シャッター動作でリセットしてから、所定の画素セル１１と同じ列の画素セル１１についてある蓄積期間後に信号読み出し動作を行うと、電子シャッター動作のリセットレベル変動成分が次に列信号線１４１に出力される画素信号と列信号線１４１上で混ざりあうことになる。この状態では、電子シャッター動作を行っている行からのリセットレベル変動成分と信号読み出し動作を行っている行からの画素信号が画面の垂直方向にゴースト状に重なって見えることがある。つまり、図４に示されるように、信号読み出し動作を行っている行の高輝度のヘッドライト部分のみが電子シャッター動作を行っている行で薄っすらと見えることがある。これを防止するために、本実施形態の固体撮像装置では、信号読み出し動作の後で、電子シャッター動作が行われる。
【００６８】
図５は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００６９】
本実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路が、所定の画素セル１１と同じ列の異なる画素セル１１に対して信号読み出し動作を行った直後に、所定の画素セル１１に対して電子シャッター動作を行う点が第２の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７０】
言い換えると、本実施形態に係る電子シャッター動作及びリセット信号の信号読み出し動作は、第一の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴｎ及び行選択信号ＳＥＬｎがそれぞれハイレベルになる時期が、第二の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴ１及び行選択信号ＳＥＬ１がそれぞれハイレベルになる時期よりも後である点が第２の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７１】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作でリセットトランジスタ１１７がＯＦＦ状態となった直後のＦＤ２の蓄積電荷による信号が列信号線１４１に出力されて、列信号線１４１の寄生容量が充電される。従って、電子シャッター動作の直後に信号読み出し動作を行い列信号線１４１に画素信号を出力させると先の寄生容量に充電された信号と画素信号とが列信号線１４１上で混ざり、ゴースト画像が出る。しかしながら、本実施形態の固体撮像装置によれば、信号読み出し動作の後で電子シャッター動作が行われるので、ゴースト画像の発生を抑えることができる。
【００７２】
（第４の実施形態）
第３の実施形態の固体撮像装置において、信号読み出し動作の後で電子シャッター動作を行った場合でも、電子シャッター動作で選択トランジスタ１１５をリセットトランジスタ１１７より先にＯＮ状態とすると、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とする前に列信号線１４１に大きな電圧が出力され、列信号線１４１の寄生容量を大きく充電する。特に電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とする前に列信号線１４１に出力される電圧は大きく、列信号線１４１の寄生容量に充電される電荷も大きい。従って、電子シャッター動作でリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態にして増幅トランジスタ及び負荷トランジスタ１３０からなるソースフォロア回路を形成し、これにより列信号線１４１をリセットレベルに復帰させるまでに時間を要し、電子シャッター動作期間内にリセットレベルに復帰しきれないため、ゴーストが発生する。特に、積層センサでは、強力光入射時にＦＤ２の電位は透明電極の電圧まで上昇する。そして、電源でクリップするまでソースフォロア回路により画素セル１１から列信号線１４１に電圧（約２Ｖｐｐ）が出力されるので、寄生容量に充電される電荷量が通常ＣＭＯＳセンサより格段に多く（約０．５Ｖｐｐ）、ゴーストが発生しやすい。これを防止するために、本実施形態の固体撮像装置は、電子シャッター動作においてリセットトランジスタ１１７を先にＯＮ状態としてＦＤ２の電荷を完全にリセットドレインに掃き捨ててから選択トランジスタ１１５をＯＮ状態としている。
【００７３】
図６は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００７４】
本実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路が、電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態としてから選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とすることで選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とする点が第３の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７５】
言い換えると、本実施形態に係る電子シャッター動作及びリセット信号の信号読み出し動作は、第二の水平ブランキング期間において行リセット信号ＲＥＳＥＴ１をハイレベルとした後で行選択信号ＳＥＬ１をハイレベルとし、行リセット信号ＲＥＳＥＴ１をローレベルとした後で行選択信号ＳＥＬ１をローレベルとする点が第３の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７６】
本実施形態の固体撮像装置によれば、電子シャッター動作において選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とした後でリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とするので、ゴーストの発生を抑えることができる。
【００７７】
（第５の実施形態）
図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動例を示している。図８は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００７８】
本実施形態に係る固体撮像装置は、所定の画素セル１１において、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７のゲートには共通の画素操作信号線１５０が接続され、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の閾値電圧が異なる点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。ここで、画素操作信号線１５０には３値の画素操作信号ＥＲＳが入力され、画素操作信号ＥＲＳがローレベルのとき選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７は共にＯＦＦ状態であり、画素操作信号ＥＲＳがミドルレベルのとき選択トランジスタ１１５はＯＮ状態でリセットトランジスタ１１７はＯＦＦ状態であり、画素操作信号ＥＲＳがハイレベルのとき選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７は共にＯＮ状態である。
【００７９】
言い換えると、本実施形態に係る固体撮像装置は、リセット制御線１２３及びアドレス制御線１２１が共通の画素操作信号線１５０で与えられ、第一の水平ブランキング期間及び第二の水平ブランキング期間の両期間で画素操作信号ＥＲＳ１及びＥＲＳｎがハイレベルである点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００８０】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、行リセット信号ＲＥＳＥＴ及び行選択信号ＳＥＬが共通の画素セル１１においても、第１の実施形態の固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。また、リセット制御線１２３及びアドレス制御線１２１が共通の画素操作信号線１５０で与えられるので、配線数を削減することができる。
【００８１】
（第６の実施形態）
図９は、本実施形態の撮像装置（カメラシステム）の全体構成を示す図である。
【００８２】
この撮像装置は、大きく分けて固体撮像装置２５２、光学系３４０、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３５０、液晶画面等の画像表示デバイス３８０及び画像メモリ３９０から構成されている。
【００８３】
光学系３４０は、被写体からの光を集光して固体撮像装置２５２の画素部２４３上に画像イメージを形成するレンズ３４１を備えている。
【００８４】
固体撮像装置２５２は、第１〜５の実施形態で説明した固体撮像装置である。
【００８５】
ＤＳＰ３５０は、カメラシステム制御部３６０及び画像処理回路３７０を備えている。
【００８６】
画像処理回路３７０は、固体撮像装置２５２から出力されたデジタル信号を受けて、カメラ信号処理として必要な、ガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、及びオートホワイトバランス等の処理を行う。また、画像処理回路３７０は、ＪＰＥＧ等の圧縮フォーマットへの変換、画像メモリ３９０への記録、及び画像表示デバイス３８０への表示用信号処理等を行う。
【００８７】
カメラシステム制御部３６０は、ユーザＩ／Ｆ（図示せず）で指定された各種の設定に従って、光学系３４０、固体撮像装置２５２及び画像処理回路３７０の制御を行い、撮像装置の全体動作を統合するマイクロコンピュータ等である。ユーザＩ／Ｆは、例えば、ズーム倍率の変更及びレリーズボタンなどのリアルタイム指示を入力として受け、カメラシステム制御部３６０は、レンズ３４１のズーム倍率変更、幕シャッターの走行及び固体撮像装置２５２のリセット走査の制御を行う。
【００８８】
以上のように本実施形態の撮像装置によれば、第１〜５の実施形態で説明した固体撮像装置が用いられるため、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【００８９】
（変形例）
図１０Ａは、本発明の第１〜６の実施形態の固体撮像装置の変形例に係る画素セル１１及びその周辺の回路構成の一例を示す図である。
【００９０】
本変形例の固体撮像装置は、画素セル１１が埋め込みフォトダイオードを用いた構造を有し、光電変換部１１１がフォトダイオード１１１ａに置き換えられている点で第１〜６の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【００９１】
図１０Ｂは、本変形例に係る画素セル１１の構成の一例を示す断面図である。
【００９２】
埋め込みフォトダイオードを用いた構造で３つのトランジスタで構成される画素セル１１を実現しようとした場合、フォトダイオード１１１ａと増幅トランジスタ１１３のゲートとを接続する配線を半導体基板４６１上に形成する必要があり、通常の構成では、この配線によりフォトダイオード１１１ａへの光が遮光される。しかし、図１０Ａの画素セル１１は、図１０Ｂに示されるように、裏面照射型の構造を有し、半導体基板４６１の信号線等が形成された表面と反対側の裏面から入射光がフォトダイオード１１１ａに入るため、このような問題は生じない。また、裏面照射型の画素セル１１の場合は、半導体基板４６１の表面とは反対側の裏面からフォトダイオード１１１ａに光が入射されるため、コンタクト４５０及び導電線４５１を形成する領域の自由度が表面照射型の画素セル１１に対して向上する。
【００９３】
カラーフィルタ４６８およびマイクロレンズ４６９は、半導体基板４６１の裏面上に形成されている。これにより、入射光はカラーフィルタ４６８およびマイクロレンズ４６９を通過し、半導体基板４６１の裏面からフォトダイオード１１１ａに入る。
【００９４】
半導体基板４６１の表面上には、画素セル１１を構成するトランジスタ及びフォトダイオード１１１ａを電気的に接続し、画素セル１１の信号を出力するためのコンタクト４５０及び導電線４５１と、これらを覆う層間絶縁膜４６７とが形成されている。
【００９５】
以上、本発明の固体撮像装置及びカメラシステムについて、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、固体撮像装置に応用でき、特に高感度で飽和量が大きく高画質なデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯端末用カメラ、車載用カメラ、街頭カメラ、防犯用カメラ及び医療用カメラ等に応用できる。
【符号の説明】
【００９７】
２ ＦＤ
１１、２０１ 画素セル
２１ 列信号処理部
１１１ 光電変換部
１１１ａ フォトダイオード
１１３、２０５ 増幅トランジスタ
１１５、２０９ 選択トランジスタ
１１７、２０４ リセットトランジスタ
１２１ アドレス制御線
１２３ リセット制御線
１２６ リセットドレイン線
１２７ 列選択トランジスタ
１３０ 負荷トランジスタ
１４１ 列信号線
１４２ 水平出力端子
１５０ 画素操作信号線
１５３ 蓄積ダイオード初期化電圧発生回路
２０２ 転送トランジスタ
２１９、２２５ コンデンサ
２２０ サンプルトランジスタ
２２２ クランプトランジスタ
２２６ ＣＤＳ出力ノード
２２９ 列走査回路
２３０ 水平信号線
２３１ 出力アンプ
２３３ 行走査回路
２３７ 画素リセット信号スイッチ
２３８ 画素アドレス信号スイッチ
２４１ マルチプレクサ回路
２４３ 画素部
２５０ タイミング制御回路
２５２ 固体撮像装置
３４０ 光学系
３４１ レンズ
３５０ ＤＳＰ
３６０ カメラシステム制御部
３７０ 画像処理回路
３８０ 画像表示デバイス
３９０ 画像メモリ
４６１ 半導体基板
４６８ カラーフィルタ
４６９ マイクロレンズ
４５０ コンタクト
４５１ 導電線
４６７ 層間絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に積層型及び裏面照射型の固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、結晶シリコンからなる半導体基板の内部にフォトダイオード（光電変換部）が設けられ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）を走査回路とするＣＣＤ型又はＭＯＳ型の固体撮像装置の画素セルは急速に微細化されている。２０００年頃には３μｍであった画素サイズは、２００７年には２μｍ以下となった。２０１０年には画素サイズが１．４μｍの固体撮像装置が実用化される予定であり、このペースで画素サイズの微細化が進むと、数年以内に１μｍ以下の画素サイズを実現できると期待される。
【０００３】
しかし、１μｍ以下の画素サイズを実現するためには結晶シリコンの光吸収係数が小さいことにより生じる第１の課題と、取り扱い信号量に関する第２の課題とを解決する必要があることを本願発明者は見出した。
【０００４】
まず、第１の課題について詳細に述べる。結晶シリコンの光吸収係数は光の波長に依存する。固体撮像装置の感度を決める波長５５０ｎｍ近傍の緑色の光をほぼ完全に吸収し光電変換するには約３．５μｍの厚さの結晶シリコンが必要である。従って、半導体基板の内部に形成するフォトダイオードの深さを３．５μｍ程度とする必要がある。平面的な画素サイズを１μｍとした場合には、深さが３．５μｍ程度のフォトダイオードを形成することは非常に困難である。仮に深さが３．５μｍ程度のフォトダイオードを形成できたとしても斜めに入射する光が隣接する画素セルのフォトダイオードに入射するという問題が発生するおそれが高い。斜めに入射する光が隣接する画素セルのフォトダイオードに入射すると、混色（クロストーク）が生じ、カラーの固体撮像装置においては大きな問題である。混色を防ぐためにフォトダイオードをこれより浅く形成すると緑の光吸収効率が劣化し固体撮像装置の感度が劣化する。画素セルの微細化では画素サイズが小さくなって１つの画素セルの感度が低下するため、これに加えて光吸収効率が低下することは致命的である。
【０００５】
次に、第２の課題について詳細を述べる。取り扱い信号量は、一般的な固体撮像装置に用いられているフォトダイオード構造である埋め込みフォトダイオードの飽和電荷量により決まる。埋め込みフォトダイオードは、内部に蓄積された信号電荷をほぼ完全に隣接する電荷検出部に転送できる（完全転送）という長所がある。このため、電荷転送に関わる雑音がほとんど発生せず、埋め込みフォトダイオードは広く固体撮像装置に採用されている。しかし、完全転送を実現するためにフォトダイオードの単位面積あたりの容量を大きくできない。このため画素セルを微細化すると飽和電荷の減少が問題となる。コンパクトデジタルカメラにおいては、１つの画素セルあたり１００００電子の飽和電子数が必要であったが、画素サイズが１．４μｍ程度となると飽和電子数は５０００電子程度が限界となる。現在は、デジタル信号処理技術による雑音抑圧処理等により画像を作製することにより、飽和電子数の減少に対応しているが、自然な再生画像を得ることは困難である。さらに、高級な一眼レフカメラの場合には、１つの画素セルあたり３００００電子程度の飽和電子数が必要であると言われている。
【０００６】
なお、結晶シリコン基板を用いたＭＯＳ型イメージセンサにおいて、基板を薄く削ることにより画素回路が形成された表面側ではなく裏面側から光を入射させる構造が検討されている。しかし、この構造でも、画素回路を構成する配線等により入射する光が妨げられることを回避できるだけであり、第１の課題及び第２の課題を解決することはできない。
【０００７】
これら２つの課題を解決する有望な技術として、積層型の固体撮像装置があげられる。積層型の固体撮像装置は、画素回路が形成された半導体基板の上に絶縁膜を介して光電変換膜が形成された構成を有している。このため、光電変換膜にアモルファスシリコン等の光吸収係数が大きい材料を用いることが可能となる。例えば、アモルファスシリコンの場合、波長５５０ｎｍの緑色の光は、０．４ｎｍ程度の厚さでほとんど吸収することができる。また、埋め込みフォトダイオードを用いないため、光電変換部の容量を大きくすることが可能であり、飽和電荷を大きくすることができる。さらに、電荷を完全転送しないため付加容量を積極的に付加することも可能であり、微細化された画素セルにおいても十分な大きさの容量が実現でき、第２の課題も解決できる。ダイナミックランダムアクセスメモリにおけるスタックセルのような構造とすることも可能である。
【０００８】
なお、近年の埋め込みフォトダイオードを用いたＭＯＳ型の固体撮像装置は、例えば特許文献１に記載されているように、画素セルが選択トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの４つのトランジスタで構成されているものが一般的である。しかし、例えば特許文献２に記載されているように、転送トランジスタが除かれて画素セルが３つのトランジスタで構成されているものもある。そして、上記の積層型の固体撮像装置に用いる画素セルは、電荷検出回路により光電変換膜で発生した電荷を直接画素アンプで検出するために、３つのトランジスタで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−９９９７号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、画素セルが３つのトランジスタで構成される回路構成では、電子シャッター動作を行う場合、次の問題が発生する。すなわち、選択トランジスタがＯＮ状態にあるかＯＦＦ状態にあるかに依存して画素セル内のフローティングディフュージョン（ＦＤ）の電位が変化するため、電子シャッター後のＦＤの電位とリセット信号読み出し時のＦＤの電位とが異なり、これに起因して横引きノイズが発生する。以下で、この問題を詳細に説明する。
【００１１】
まず、画素セルが４つのトランジスタで構成される固体撮像装置について述べる。
【００１２】
図１１は埋め込みフォトダイオードを用いたＭＯＳ型の固体撮像装置の回路構成の一例を示す図であり、図１２は図１１の固体撮像装置の電子シャッター動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【００１３】
図１１の固体撮像装置では、画素セル２０１がフォトダイオード（ＰＤ）と、選択トランジスタ２０９、転送トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２０４及び増幅トランジスタ２０５の４つのトランジスタとで構成されている。そして、電子シャッター動作を行う場合に、行毎の画素セル２０１の行リセット信号ＲＥＳＥＴと転送信号Ｔｘとを列方向に順番に駆動してローリングシャッターが行われる。
【００１４】
このとき、図１２に示されるように、ＰＤの光電変換信号の読み出しをするｎ＋１行（ｎは１以上の自然数）の画素セル２０１では行選択信号ＳＥＬｎ＋１が駆動されるが、電子シャッターが行われているｎ行の画素セル２０１では行選択信号ＳＥＬｎは駆動されない。その理由は、画素セル２０１でＰＤとＦＤ（電荷検出素子）とが電気的に分離可能な状態で個別に設けられており、電子シャッター動作はＰＤの光電変換信号を掃き捨てる動作をするだけでよく、行選択信号ＳＥＬは駆動しなくても良いからである。
【００１５】
図１１の固体撮像装置では、電子シャッター動作でリセットした時期を蓄積開始時期とし、ある蓄積期間が経過した後で各画素セル２０１から光電変換信号を読み出す駆動が行われるので、各画素セル２０１でＦＤを先にリセット（初期化）して基準信号を生成し、そこにＰＤに蓄積された光電変換信号が転送信号Ｔｘで転送される。カラムＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路では、このＦＤを先にリセッした時に増幅トランジスタ２０５から出力されたリセット信号と光電変換信号をＦＤに転送した時に増幅トランジスタ２０５から出力された画素信号とを相関二重サンプリングして、差分を信号成分として検出しているので、ノイズは相殺される。
【００１６】
次に、画素セルが３つのトランジスタで構成される固体撮像装置について述べる。
【００１７】
図１３は積層型の固体撮像装置の全体の回路構成の一例を示す図であり、図１４は図１３の画素セル及びその周辺の回路構成の一例を示す図であり、図１５は図１３の固体撮像装置の動作を説明するための回路図である。
【００１８】
図１３の固体撮像装置（センサチップ）２５２は、アドレス制御線１２１、リセット制御線１２３、列信号線１４１、リセットドレイン線１２６、列選択トランジスタ１２７、列走査回路（水平走査部）２２９、水平信号線２３０、出力アンプ２３１、行走査回路（垂直走査部）２３３、マルチプレクサ回路（ＭＵＸ）２４１、水平出力端子（ＶＯＵＴ端子）１４２、画素部２４３、列信号処理部（カラムＣＤＳ回路）２１及びタイミング制御回路２５０を備える。
【００１９】
画素部２４３には、複数の画素セル１１が半導体基板で行列状に配置され、画素セル１１の列毎に列信号線１４１が設けられている。固体撮像装置２５２内において、画素部２４３の画素セル１１は行走査回路２３３とマルチプレクサ回路２４１とによって選択される。
【００２０】
画素セル１１は、光電変換部１１１と、ゲートが光電変換部１１１と接続された増幅トランジスタ１１３と、ドレインが光電変換部１１１と接続されたリセットトランジスタ１１７と、増幅トランジスタ１１３と直列に接続された選択トランジスタ１１５と、ＦＤ２とを有している。
【００２１】
タイミング制御回路２５０は、行走査回路２３３に垂直走査信号を供給し、マルチプレクサ回路２４１に行選択信号ＳＥＬ及び行リセット信号ＲＥＳＥＴを供給し、列走査回路２２９に水平走査信号を供給する。タイミング制御回路２５０は、行選択信号ＳＥＬ及び行リセット信号ＲＥＳＥＴを画素セル１１の駆動信号として生成し、駆動信号ＳＥＬ及びＣＬを列信号処理部２１の駆動信号として生成する。
【００２２】
マルチプレクサ回路２４１は、図１４に示されるように、画素リセット信号スイッチ２３７及び画素アドレス信号スイッチ２３８から構成され、行選択信号ＳＥＬ及び行リセット信号ＲＥＳＥＴの画素部２４３への出力を制御する。
【００２３】
列信号処理部２１は、図１５に示されるように、コンデンサ２１９及び２２５と、サンプルトランジスタ２２０と、クランプトランジスタ２２２とを有する。列信号処理部２１は、列信号線１４１毎に設けられ、対応する列信号線１４１における任意の異なる２つのタイミングにおける電位差、つまりＦＤ２をリセットした時に増幅トランジスタ１１３から出力されたリセット信号と光電変換部１１１の光電変換信号をＦＤ２に転送した時に増幅トランジスタ１１３から出力された画素信号との差に応じた信号をＣＤＳ出力ノード２２６から出力する。
【００２４】
蓄積ダイオード初期化電圧発生回路１５３は、リセットドレイン線１２６と接続され、リセットドレイン線１２６にＦＤ２の電位をリセット（初期化）するためのリセット電圧を供給する。
【００２５】
図１６は、図１３〜図１５の固体撮像装置の信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【００２６】
図１３〜図１５の固体撮像装置において、光電変換部１１１により光が光電変換信号に変換されて、光電変換信号はＦＤ２で蓄えられる。ここで、行選択信号ＳＥＬを駆動して選択トランジスタ１１５をＯＮ状態にすると、この光電変換信号は、増幅トランジスタ１１３と負荷トランジスタ１３０とにより形成されるソースフォロア回路でインピーダンス変換され、列信号線１４１を介して、列信号処理部２１に入力される。そして、列信号処理部２１で光電変換信号は一旦サンプルホールドされる。
【００２７】
次に、行リセット信号ＲＥＳＥＴが駆動されて、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態にすると、先ほどＦＤ２で蓄えられた光電変換信号がリセットされる。このとき、ＦＤ２には基準信号が蓄積される。
【００２８】
次に、行選択信号ＳＥＬを駆動して選択トランジスタ１１５をＯＮ状態にすると、基準信号は、列信号線１４１を介して列信号処理部２１に入力される。そして、列信号処理部２１で光電変換信号と基準信号とが差分されて、差分がＣＤＳ出力ノード２２６に出力され、信号成分として扱われる。
【００２９】
最後に、列走査回路２２９からの列選択信号により列選択トランジスタ１２７がＯＮ状態となることで、先の信号成分は水平信号線２３０に読み出されて、出力アンプ２３１で増幅後に水平出力端子１４２から外部出力される。
【００３０】
図１７は、図１３〜図１５の固体撮像装置の光電変換部１１１の光電変換信号の蓄積開始時期を決める電子シャッター動作、及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。図１８は、図１３〜図１５の固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【００３１】
電子シャッター動作を行う場合、画素セル１１の行リセット信号ＲＥＳＥＴを列方向に順番に駆動してローリングシャッターを行う。この電子シャッター動作において、行選択信号ＳＥＬ１は、近年の埋め込みフォトダイオードを用いたＭＯＳ型の固体撮像装置と同様に駆動されない。これに対して、信号読み出し動作を行う画素セル１１では行選択信号ＳＥＬが駆動される。
【００３２】
以上のように、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合、ＰＤとＦＤとは同一の素子である（以降、ＰＤ及びＦＤを区別せずＰＤ及びＦＤをまとめて単にＦＤとも称する。）。そして、電子シャッター動作ではＦＤの光電変換信号を掃き捨てる動作が行われるが、この時に行選択信号ＳＥＬ１は駆動されない。そして、電子シャッター動作によりＦＤをリセットした時期を蓄積開始時期とし、ある蓄積期間後に各画素セルから光電変換信号が読み出される。各画素セルのＦＤの光電変換信号が読み出された後に、ＦＤが再びリセットされてリセット信号が読み出される。このリセット信号の読み出しでは、行選択信号ＳＥＬを駆動しないとリセット信号が読み出せないので、必然的に行選択信号ＳＥＬが駆動されて選択トランジスタがＯＮ状態とされる。従って、電子シャッター動作時のＦＤのリセット（１回目のリセット）とリセット信号の信号読み出し動作時のＦＤのリセット（２回目のリセット）とでは、選択トランジスタの状態が異なるため、ＦＤのリセット電位へのカップリング状態が異なり、この差がノイズ成分として残る。
【００３３】
カラムＣＤＳ回路では、２回目のリセットにより得られたリセット信号と画素信号とを相関二重サンプリングして、その差分を信号成分としているので、１回目及び２回目のリセットでＦＤのリセット電位へのカップリング状態が異なることに起因するノイズ成分が信号成分にも残る。このノイズ成分は、画像で見ると横引きノイズが目立つ画像となって表れる。
【００３４】
そこで、本発明は、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることが可能な固体撮像装置及びカメラシステム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】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に行列状に配置された複数の画素セルと、前記画素セルの列に対応して設けられ、対応する前記画素セルの列と接続された垂直信号線と、前記画素セルを駆動する駆動回路とを備え、前記画素セルは、光電変換部と、ゲートが前記光電変換部と直接接続された増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと接続された選択トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲートと接続されたリセットトランジスタとを有し、前記駆動回路は、所定の前記画素セルに対して、前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで、前記増幅トランジスタのゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、前記電子シャッター動作が行われた所定の画素セルに対して、前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで、前記光電変換部の信号が読み出された前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧を画素信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させた後、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させる信号読み出し動作を行い、前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタがＯＮ状態とされている時に前記選択トランジスタがＯＮ状態とされることを特徴とする。
【００３６】
ここで、前記光電変換部は、前記半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜の上方に形成された透明電極と、前記光電変換膜と前記半導体基板との間に形成された画素電極とを有し、前記画素電極が前記増幅トランジスタのゲートに接続されていてもよい。
【００３７】
本態様によれば、画素セルが３つのトランジスタで構成されるが、電子シャッター動作において選択トランジスタがＯＮ状態となっているため、ＦＤのリセット電位へのカップリング状態がリセット信号の信号読み出し動作におけるカップリング状態と同じになる。従って、リセット信号の信号読み出し動作と電子シャッター動作とで、カップリングによる差を生じさせることがないので、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【００３８】
また、前記駆動回路は、前記電子シャッター動作において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第１期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、前記リセット信号の出力において、前記選択トランジスタをＯＮ状態としてから前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とし、前記リセット信号の出力において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第２期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、前記第１期間と前記第２期間とは等しくてもよい。
【００３９】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作において、リセット直後に光電変換部の電荷蓄積が始まり、増幅トランジスタのゲート電位つまりリセット電位が変動する。しかし、本態様によれば、電子シャッター動作及び信号読み出し動作において、リセットトランジスタがＯＦＦ状態になってから選択トランジスタがＯＦＦ状態になるまでの期間が等しい。従って、電子シャッター動作でのリセット電位と信号読み出し動作のリセット信号出力時のリセット電位とが同じように変動するので、電子シャッター動作のリセット電位の変動が相殺され、正確な信号を検出できる。
【００４０】
また、前記駆動回路は、前記所定の画素セルと同じ列の異なる前記画素セルに対して前記信号読み出し動作を行った直後に、前記所定の画素セルに対して前記電子シャッター動作を行ってもよい。
【００４１】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作において、リセット直後に光電変換部の電荷蓄積が始まり、リセット電位が変動するが、選択トランジスタはＯＮ状態とされているため、このリセットレベル変動成分が垂直信号線に出力される。従って、先に所定の画素セルについて電子シャッター動作で増幅トランジスタのゲート電位をリセットしてから、所定の画素セルと同じ列の他の画素セルについてある蓄積期間後に光電変換部の信号に対応する画素信号を出力させる駆動を行うと、電子シャッター動作のリセットレベル変動成分が次に垂直信号線に出力される画素信号と垂直信号線上で混ざりあうことになる。その結果、電子シャッター動作を行っている行からのリセットレベル変動成分と画素信号の出力を行っている行からの画素信号が画面の垂直方向にゴースト状に重なって見える。しかし、本態様によれば、画素信号を出力する駆動の後で電子シャッター動作を行われ、ＣＤＳ回路のリセット動作により垂直信号線のリセットレベル変動成分が消されてから画素信号が出力されるので、ゴーストの発生を抑えることができる。
【００４２】
また、前記駆動回路は、前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタをＯＮ状態としてから前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態としてもよい。
【００４３】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作で選択トランジスタをリセットトランジスタより先にＯＮ状態とすると、リセットトランジスタをＯＮ状態とする前に垂直信号線に大きな電圧が出力され、垂直信号線の寄生容量を大きく充電する。従って、電子シャッター動作でリセットトランジスタをＯＮ状態としても、垂直信号線をリセットレベルに復帰させるまでに時間を要し、電子シャッター動作の期間内にリセットレベルに復帰しきれないため、ゴーストが発生する。しかし、本態様によれば、電子シャッター動作においてリセットトランジスタを先にＯＮ状態としてから選択トランジスタをＯＮ状態とする。従って、選択トランジスタをＯＮ状態とする前に増幅トランジスタのゲートの電荷を完全にリセットドレインに掃き捨てるため、ゴーストの発生を抑えることができる。
【００４４】
また、前記所定の画素セルにおいて、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタのゲートには共通の信号線が接続され、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタの閾値電圧は異なってもよい。
【００４５】
本態様によれば、選択トランジスタ及びリセットトランジスタでゲートに駆動信号を供給する信号線を共通化できるので、信号線の数を減らすことができる。
【００４６】
また、本発明の一態様に係るカメラシステムは、上記固体撮像装置を用いたことを特徴とする。
【００４７】
本態様によれば、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることができる。また、電子シャッター動作を行っている行からのリセットレベル変動成分と画素信号の出力を行っている行からの画素信号とが画面の垂直方向にゴースト状に重なって見えることを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図３Ａ】リセット電位の時間変動を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図４】ゴースト画像の一例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図９】本発明の第６の実施形態の係る撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第１〜６の実施形態の固体撮像装置の変形例に係る画素セル及びその周辺の回路構成の一例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第１〜６の実施形態の固体撮像装置の変形例に係る画素セルの構成の一例を示す断面図である。
【図１１】埋め込みフォトダイオードを用いた固体撮像装置の回路構成の一例を示す図である。
【図１２】埋め込みフォトダイオードを用いた固体撮像装置の電子シャッター動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図１３】積層型の固体撮像装置の全体の回路構成の一例を示す図である。
【図１４】積層型の固体撮像装置の画素セル及びその周辺の回路構成の一例を示す図である。
【図１５】積層型の固体撮像装置の動作を説明するための回路図である。
【図１６】積層型の固体撮像装置の信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図１７】積層型の固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例である。
【図１８】積層型の固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００５１】
（第１の実施形態）
本実施形態の固体撮像装置は、図１３〜図１５で示した構成を有する積層型の固体撮像装置であるが、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路による電子シャッター動作及びリセット信号の信号読み出し動作が図１７及び図１８とは異なる。
【００５２】
本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に行列状に配置された複数の画素セル１１と、画素セル１１の列に対応して設けられ、対応する画素セル１１の列と接続された列信号線（垂直信号線）１４１と、画素セル１１を駆動する駆動回路であり、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路とを備え、画素セル１１は、光電変換部１１１と、ゲートが光電変換部１１１と直接接続された増幅トランジスタ１１３と、増幅トランジスタ１１３と接続された選択トランジスタ１１５と、増幅トランジスタ１１３のゲートと接続されたリセットトランジスタ１１７とを有し、駆動回路は、所定の画素セル１１に対して、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすることで、増幅トランジスタ１１３のゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、電子シャッター動作が行われた所定の画素セル１１に対して、選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とすることで、光電変換部１１１の信号が読み出された増幅トランジスタ１１３のゲートの電位に応じた電圧を画素信号として画素セル１１から列信号線１４１に出力させた後、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた増幅トランジスタ１１３のゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として画素セル１１から列信号線１４１に出力させるリセット信号の信号読み出し動作を行い、電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７がＯＮ状態とされている時に選択トランジスタ１１５がＯＮ状態とされる。なお、信号読み出し動作におけるリセット信号の出力は、電子シャッター動作が行われた後、さらに信号蓄積期間が経過して画素信号の読み出しが行われた後で行われる。
【００５３】
光電変換部１１１は、半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上方（半導体基板と反対側）に光電変換膜と接する形で形成された透明電極と、光電変換膜と半導体基板との間（半導体基板側）に形成された画素電極とを有し、画素電極が増幅トランジスタ１１３のゲートに接続されている。透明電極及び画素電極は、光電変換膜に電圧を印加するものであり、光電変換膜と接している。透明電極は複数の画素セル１１に対して共通に設けられているのに対して、画素電極は各画素セル１１に対して個別に設けられている。また、透明電極は固定電位を供給する電源線に接続されているのに対し、画素電極はＦＤ２に接続されている。ＦＤ２は、半導体基板内に形成された蓄積ダイオードである。蓄積ダイオード及びＦＤ２の接続ノードに増幅トランジスタ１１３のゲートが接続されている。
【００５４】
増幅トランジスタ１１３は、ソースが選択トランジスタ１１５を介して列信号線１４１と接続され、ドレインが電源電圧Ｖｄｄを供給する電源線と接続されている。リセットトランジスタ１１７は、ゲートがリセット制御線１２３に接続され、ソースが光電変換部１１１の画素電極と接続され、ドレインがリセットドレイン線１２６と接続されている。選択トランジスタ１１５は、ゲートがアドレス制御線１２１に接続され、増幅トランジスタ１１３のソースと列信号線１４１との間に設けられている。なお、選択トランジスタ１１５は、増幅トランジスタ１１３のドレインと電源電圧Ｖｄｄを供給する電源線との間に設けられてもよい。負荷トランジスタ１３０は、列信号線１４１と接地線との間に設けられている。
【００５５】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動例を示している。図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００５６】
電子シャッター動作において、各行に対応して設けられたリセット制御線１２３の行リセット信号ＲＥＳＥＴ１、ＲＥＳＥＴ２・・・ＲＥＳＥＴｎを列方向に順番にハイレベルにしてローリングシャッターが行われる。このとき、行リセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルにされる行の行選択信号ＳＥＬも同時にハイレベルにされるように、行選択信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２・・・ＳＥＬｎが列方向に順番にハイレベルにされる。所定の画素セル１１について、行リセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルにされると、対応する行の増幅トランジスタ１１３のゲートの電位は、リセットされる。
【００５７】
電子シャッター動作でリセットされた時期を蓄積開始時期として所定の蓄積期間の経過後、電子シャッター動作によりリセットされた増幅トランジスタ１１３のゲートの電位は、光電変換部１１１による光電変換により生成された電荷の量に応じて変化する。この電荷量の変化は、行選択信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２・・・ＳＥＬｎのみを列方向に順番にハイレベルにすることで読み出される。所定の画素セル１１について、行選択信号ＳＥＬがハイレベル、行リセット信号ＲＥＳＥＴがローレベルにされると、選択トランジスタ１１５がＯＮ状態、リセットトランジスタ１１７がＯＦＦ状態とされて、変化したゲートの電位に応じた電圧（ＦＤ２の電圧）が画素信号として列信号線１４１に出力され、画素信号の信号読み出し動作が行われる。
【００５８】
画素信号が読み出された後でリセット信号の読み出しが行われ、行リセット信号ＲＥＳＥＴ１、ＲＥＳＥＴ２・・・ＲＥＳＥＴｎが列方向に順番にハイレベルにされる。所定の画素セル１１について、行選択信号ＳＥＬがハイレベル、行リセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルにされると、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７が同時にＯＮ状態とされ、変化したゲートの電位がリセットされると共にリセットされたゲートの電位に応じた電圧がリセット信号として列信号線１４１に出力され、リセット信号の信号読み出し動作が行われる。
【００５９】
ここで、リセット信号の信号読み出し動作の前で、列信号処理部２１が動かされる。具体的に、駆動信号ＣＬ及びＳＨはハイレベルにされ、サンプルトランジスタ２２０及びクランプトランジスタ２２２はＯＮ状態とされて、列信号線１４１の電位がリセットされる。
【００６０】
図１及び図２の電子シャッター動作及び信号読み出し動作は、第１行の画素セル１１の電子シャッター動作を行う第一の水平ブランキング期間と、第ｎ行の画素セル１１の信号読み出し動作を行う第二の水平ブランキング期間との両期間で、第１行及び第ｎ行に対応するリセット制御線１２３にハイレベルの行リセット信号ＲＥＳＥＴ１及びＲＥＳＥＴｎ、アドレス制御線１２１にハイレベルの行選択信号ＳＥＬ１及びＳＥＬｎが入力され、第一の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴ１及び行選択信号ＳＥＬ１の両方がハイレベルになる期間と、第二の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴｎ及び行選択信号ＳＥＬｎの両方がハイレベルになる期間とが同一であることを特徴としている。
【００６１】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、リセット信号の信号読み出し動作時にリセットトランジスタ１１７及び選択トランジスタ１１５がＯＮ状態とされるため、電子シャッター動作時においてもリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすると共に選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とする。従って、電子シャッター動作時とリセット信号の信号読み出し動作時とで選択トランジスタ１１５の状態は同じになるので、駆動信号のカップリングによるＦＤ電位の変動量を同じ状態にし、リセット電位の変動を同じにすることができる。その結果、ノイズ成分を小さくできるので、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の固体撮像装置において、撮像条件が強烈な光照射のもとでは、リセット直後に電荷蓄積が始まり、リセット電位も変動する。従って、リセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態としてから選択トランジスタ１１５をＯＦＦ状態とするまでのＯＦＦ期間が電子シャッター動作時と信号読み出し動作時とで異なると、リセット電位の変動量が電子シャッター動作と信号読み出し動作時とで異なることになる。つまり、図３Ａのリセット電位の時間変動に示されるように、ＯＦＦ期間が電子シャッター動作でＴ１であり、信号読み出し動作時でＴ２であり、Ｔ１及びＴ２が異なると、この違いがリセット電位のリセットレベル差として表れる。このリセットレベル差は画像上の目立つノイズとして表れるため、本実施形態の固体撮像装置において、リセットレベルの変動量が同量になるようにタイミング調整する。具体的には、Ｔ１＝Ｔ２に設定して、ノイズ成分を相殺する。
【００６３】
図３Ｂは、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００６４】
本実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路が、電子シャッター動作において、同時にＯＮ状態とされている選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７について、リセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態としてからＯＦＦ期間Ｔ１が経過した後で選択トランジスタ１１５をＯＦＦ状態とし、リセット信号の出力において、選択トランジスタ１１５をＯＮ状態としてからリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とすることで選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とし、リセット信号の出力において、同時にＯＮ状態とされている選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７について、リセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態としてからＯＦＦ期間Ｔ２が経過した後で選択トランジスタ１１５をＯＦＦ状態とし、ＯＦＦ期間Ｔ１とＯＦＦ期間Ｔ２とは等しい点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００６５】
言い換えると、本実施形態に係る電子シャッター動作及び信号読み出し動作は、第一の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴ１をローレベルにしてから行選択信号ＳＥＬ１をローレベルにするまでのＯＦＦ期間Ｔ１と、第二の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴｎをローレベルにしてから行選択信号ＳＥＬｎをローレベルにするまでのＯＦＦ期間Ｔ２とが同一である点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００６６】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置によれば、電子シャッター動作及び信号読み出し動作において、リセットトランジスタ１１７がＯＦＦ状態になってから選択トランジスタ１１５がＯＦＦ状態になるまでのＯＦＦ期間が等しい。従って、強い光が入射し、電子シャッター動作においてリセットトランジスタ１１７をＯＦＦ状態にした後でＦＤ２に電荷が蓄積してリセットレベルが変動した場合でも、電子シャッター動作時と信号読み出し動作時とでリセットレベルの変動量を同じにできる。その結果、画像に黒切れが生じたたり、ダークノイズの重畳が生じたりするのを抑えることができる。
【００６７】
（第３の実施形態）
第２の実施形態の固体撮像装置においても、撮像条件がより強烈な光照射のもとでは、リセット直後に電荷蓄積が始まり、リセット電位も変動する。従って、先に所定の画素セル１１について電子シャッター動作でリセットしてから、所定の画素セル１１と同じ列の画素セル１１についてある蓄積期間後に信号読み出し動作を行うと、電子シャッター動作のリセットレベル変動成分が次に列信号線１４１に出力される画素信号と列信号線１４１上で混ざりあうことになる。この状態では、電子シャッター動作を行っている行からのリセットレベル変動成分と信号読み出し動作を行っている行からの画素信号が画面の垂直方向にゴースト状に重なって見えることがある。つまり、図４に示されるように、信号読み出し動作を行っている行の高輝度のヘッドライト部分のみが電子シャッター動作を行っている行で薄っすらと見えることがある。これを防止するために、本実施形態の固体撮像装置では、信号読み出し動作の後で、電子シャッター動作が行われる。
【００６８】
図５は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００６９】
本実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路が、所定の画素セル１１と同じ列の異なる画素セル１１に対して信号読み出し動作を行った直後に、所定の画素セル１１に対して電子シャッター動作を行う点が第２の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７０】
言い換えると、本実施形態に係る電子シャッター動作及びリセット信号の信号読み出し動作は、第一の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴｎ及び行選択信号ＳＥＬｎがそれぞれハイレベルになる時期が、第二の水平ブランキング期間における行リセット信号ＲＥＳＥＴ１及び行選択信号ＳＥＬ１がそれぞれハイレベルになる時期よりも後である点が第２の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７１】
撮像条件が強烈な光照射のもとでは、電子シャッター動作でリセットトランジスタ１１７がＯＦＦ状態となった直後のＦＤ２の蓄積電荷による信号が列信号線１４１に出力されて、列信号線１４１の寄生容量が充電される。従って、電子シャッター動作の直後に信号読み出し動作を行い列信号線１４１に画素信号を出力させると先の寄生容量に充電された信号と画素信号とが列信号線１４１上で混ざり、ゴースト画像が出る。しかしながら、本実施形態の固体撮像装置によれば、信号読み出し動作の後で電子シャッター動作が行われるので、ゴースト画像の発生を抑えることができる。
【００７２】
（第４の実施形態）
第３の実施形態の固体撮像装置において、信号読み出し動作の後で電子シャッター動作を行った場合でも、電子シャッター動作で選択トランジスタ１１５をリセットトランジスタ１１７より先にＯＮ状態とすると、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とする前に列信号線１４１に大きな電圧が出力され、列信号線１４１の寄生容量を大きく充電する。特に電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とする前に列信号線１４１に出力される電圧は大きく、列信号線１４１の寄生容量に充電される電荷も大きい。従って、電子シャッター動作でリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態にして増幅トランジスタ及び負荷トランジスタ１３０からなるソースフォロア回路を形成し、これにより列信号線１４１をリセットレベルに復帰させるまでに時間を要し、電子シャッター動作期間内にリセットレベルに復帰しきれないため、ゴーストが発生する。特に、積層センサでは、強力光入射時にＦＤ２の電位は透明電極の電圧まで上昇する。そして、電源でクリップするまでソースフォロア回路により画素セル１１から列信号線１４１に電圧（約２Ｖｐｐ）が出力されるので、寄生容量に充電される電荷量が通常ＣＭＯＳセンサより格段に多く（約０．５Ｖｐｐ）、ゴーストが発生しやすい。これを防止するために、本実施形態の固体撮像装置は、電子シャッター動作においてリセットトランジスタ１１７を先にＯＮ状態としてＦＤ２の電荷を完全にリセットドレインに掃き捨ててから選択トランジスタ１１５をＯＮ状態としている。
【００７３】
図６は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００７４】
本実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング制御回路２５０、行走査回路２３３及びマルチプレクサ回路２４１から構成される駆動回路が、電子シャッター動作において、リセットトランジスタ１１７をＯＮ状態としてから選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とすることで選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７を同時にＯＮ状態とする点が第３の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７５】
言い換えると、本実施形態に係る電子シャッター動作及びリセット信号の信号読み出し動作は、第二の水平ブランキング期間において行リセット信号ＲＥＳＥＴ１をハイレベルとした後で行選択信号ＳＥＬ１をハイレベルとし、行リセット信号ＲＥＳＥＴ１をローレベルとした後で行選択信号ＳＥＬ１をローレベルとする点が第３の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００７６】
本実施形態の固体撮像装置によれば、電子シャッター動作において選択トランジスタ１１５をＯＮ状態とした後でリセットトランジスタ１１７をＯＮ状態とするので、ゴーストの発生を抑えることができる。
【００７７】
（第５の実施形態）
図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成、電子シャッター動作及び信号読み出し動作を説明するための図であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動例を示している。図８は、本実施形態に係る固体撮像装置の電子シャッター動作及び信号読み出し動作を示す駆動タイミングチャートの一例であり、特に選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の駆動タイミングチャートの一例である。
【００７８】
本実施形態に係る固体撮像装置は、所定の画素セル１１において、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７のゲートには共通の画素操作信号線１５０が接続され、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７の閾値電圧が異なる点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。ここで、画素操作信号線１５０には３値の画素操作信号ＥＲＳが入力され、画素操作信号ＥＲＳがローレベルのとき選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７は共にＯＦＦ状態であり、画素操作信号ＥＲＳがミドルレベルのとき選択トランジスタ１１５はＯＮ状態でリセットトランジスタ１１７はＯＦＦ状態であり、画素操作信号ＥＲＳがハイレベルのとき選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７は共にＯＮ状態である。
【００７９】
言い換えると、本実施形態に係る固体撮像装置は、リセット制御線１２３及びアドレス制御線１２１が共通の画素操作信号線１５０で与えられ、第一の水平ブランキング期間及び第二の水平ブランキング期間の両期間で画素操作信号ＥＲＳ１及びＥＲＳｎがハイレベルである点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００８０】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、行リセット信号ＲＥＳＥＴ及び行選択信号ＳＥＬが共通の画素セル１１においても、第１の実施形態の固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。また、リセット制御線１２３及びアドレス制御線１２１が共通の画素操作信号線１５０で与えられるので、配線数を削減することができる。
【００８１】
（第６の実施形態）
図９は、本実施形態の撮像装置（カメラシステム）の全体構成を示す図である。
【００８２】
この撮像装置は、大きく分けて固体撮像装置２５２、光学系３４０、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３５０、液晶画面等の画像表示デバイス３８０及び画像メモリ３９０から構成されている。
【００８３】
光学系３４０は、被写体からの光を集光して固体撮像装置２５２の画素部２４３上に画像イメージを形成するレンズ３４１を備えている。
【００８４】
固体撮像装置２５２は、第１〜５の実施形態で説明した固体撮像装置である。
【００８５】
ＤＳＰ３５０は、カメラシステム制御部３６０及び画像処理回路３７０を備えている。
【００８６】
画像処理回路３７０は、固体撮像装置２５２から出力されたデジタル信号を受けて、カメラ信号処理として必要な、ガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、及びオートホワイトバランス等の処理を行う。また、画像処理回路３７０は、ＪＰＥＧ等の圧縮フォーマットへの変換、画像メモリ３９０への記録、及び画像表示デバイス３８０への表示用信号処理等を行う。
【００８７】
カメラシステム制御部３６０は、ユーザＩ／Ｆ（図示せず）で指定された各種の設定に従って、光学系３４０、固体撮像装置２５２及び画像処理回路３７０の制御を行い、撮像装置の全体動作を統合するマイクロコンピュータ等である。ユーザＩ／Ｆは、例えば、ズーム倍率の変更及びレリーズボタンなどのリアルタイム指示を入力として受け、カメラシステム制御部３６０は、レンズ３４１のズーム倍率変更、幕シャッターの走行及び固体撮像装置２５２のリセット走査の制御を行う。
【００８８】
以上のように本実施形態の撮像装置によれば、第１〜５の実施形態で説明した固体撮像装置が用いられるため、画素セルが３つのトランジスタで構成される場合でも、横引きノイズの発生を抑えることができる。
【００８９】
（変形例）
図１０Ａは、本発明の第１〜６の実施形態の固体撮像装置の変形例に係る画素セル１１及びその周辺の回路構成の一例を示す図である。
【００９０】
本変形例の固体撮像装置は、画素セル１１が埋め込みフォトダイオードを用いた構造を有し、光電変換部１１１がフォトダイオード１１１ａに置き換えられている点で第１〜６の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【００９１】
図１０Ｂは、本変形例に係る画素セル１１の構成の一例を示す断面図である。
【００９２】
埋め込みフォトダイオードを用いた構造で３つのトランジスタで構成される画素セル１１を実現しようとした場合、フォトダイオード１１１ａと増幅トランジスタ１１３のゲートとを接続する配線を半導体基板４６１上に形成する必要があり、通常の構成では、この配線によりフォトダイオード１１１ａへの光が遮光される。しかし、図１０Ａの画素セル１１は、図１０Ｂに示されるように、裏面照射型の構造を有し、半導体基板４６１の信号線等が形成された表面と反対側の裏面から入射光がフォトダイオード１１１ａに入るため、このような問題は生じない。また、裏面照射型の画素セル１１の場合は、半導体基板４６１の表面とは反対側の裏面からフォトダイオード１１１ａに光が入射されるため、コンタクト４５０及び導電線４５１を形成する領域の自由度が表面照射型の画素セル１１に対して向上する。
【００９３】
カラーフィルタ４６８およびマイクロレンズ４６９は、半導体基板４６１の裏面上に形成されている。これにより、入射光はカラーフィルタ４６８およびマイクロレンズ４６９を通過し、半導体基板４６１の裏面からフォトダイオード１１１ａに入る。
【００９４】
半導体基板４６１の表面上には、画素セル１１を構成するトランジスタ及びフォトダイオード１１１ａを電気的に接続し、画素セル１１の信号を出力するためのコンタクト４５０及び導電線４５１と、これらを覆う層間絶縁膜４６７とが形成されている。
【００９５】
以上、本発明の固体撮像装置及びカメラシステムについて、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、固体撮像装置に応用でき、特に高感度で飽和量が大きく高画質なデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯端末用カメラ、車載用カメラ、街頭カメラ、防犯用カメラ及び医療用カメラ等に応用できる。
【符号の説明】
【００９７】
２ ＦＤ
１１、２０１ 画素セル
２１ 列信号処理部
１１１ 光電変換部
１１１ａ フォトダイオード
１１３、２０５ 増幅トランジスタ
１１５、２０９ 選択トランジスタ
１１７、２０４ リセットトランジスタ
１２１ アドレス制御線
１２３ リセット制御線
１２６ リセットドレイン線
１２７ 列選択トランジスタ
１３０ 負荷トランジスタ
１４１ 列信号線
１４２ 水平出力端子
１５０ 画素操作信号線
１５３ 蓄積ダイオード初期化電圧発生回路
２０２ 転送トランジスタ
２１９、２２５ コンデンサ
２２０ サンプルトランジスタ
２２２ クランプトランジスタ
２２６ ＣＤＳ出力ノード
２２９ 列走査回路
２３０ 水平信号線
２３１ 出力アンプ
２３３ 行走査回路
２３７ 画素リセット信号スイッチ
２３８ 画素アドレス信号スイッチ
２４１ マルチプレクサ回路
２４３ 画素部
２５０ タイミング制御回路
２５２ 固体撮像装置
３４０ 光学系
３４１ レンズ
３５０ ＤＳＰ
３６０ カメラシステム制御部
３７０ 画像処理回路
３８０ 画像表示デバイス
３９０ 画像メモリ
４６１ 半導体基板
４６８ カラーフィルタ
４６９ マイクロレンズ
４５０ コンタクト
４５１ 導電線
４６７ 層間絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に行列状に配置された複数の画素セルと、
前記画素セルの列に対応して設けられ、対応する前記画素セルの列と接続された垂直信号線と、
前記画素セルを駆動する駆動回路とを備え、
前記画素セルは、光電変換部と、ゲートが前記光電変換部と直接接続された増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと接続された選択トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲートと接続されたリセットトランジスタとを有し、
前記駆動回路は、
所定の前記画素セルに対して、前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで、前記増幅トランジスタのゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、
前記電子シャッター動作が行われた所定の画素セルに対して、前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで、前記光電変換部の信号が読み出された前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧を画素信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させた後、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させる信号読み出し動作を行い、
前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタがＯＮ状態とされている時に前記選択トランジスタがＯＮ状態とされる
固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、
前記電子シャッター動作において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第１期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、
前記リセット信号の出力において、前記選択トランジスタをＯＮ状態としてから前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とし、
前記リセット信号の出力において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第２期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、
前記第１期間と前記第２期間とは等しい
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、
前記所定の画素セルと同じ列の異なる前記画素セルに対して前記信号読み出し動作を行った直後に、前記所定の画素セルに対して前記電子シャッター動作を行う
請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記駆動回路は、
前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタをＯＮ状態としてから前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とする
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】
前記所定の画素セルにおいて、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタのゲートには共通の信号線が接続され、
前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタの閾値電圧は異なる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、
前記半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、
前記光電変換膜の上方に形成された透明電極と、
前記光電変換膜と前記半導体基板との間に形成された画素電極とを有し、
前記画素電極が前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を用いた
カメラシステム。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に行列状に配置された複数の画素セルと、
前記画素セルの列に対応して設けられ、対応する前記画素セルの列と接続された垂直信号線と、
前記画素セルを駆動する駆動回路とを備え、
前記画素セルは、光電変換部と、ゲートが前記光電変換部と直接接続された増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと接続された選択トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲートと接続されたリセットトランジスタとを有し、
前記駆動回路は、
所定の前記画素セルに対して、前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで、前記増幅トランジスタのゲートの電位をリセットする電子シャッター動作を行い、
前記電子シャッター動作が行われた所定の画素セルに対して、前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで、前記光電変換部の信号が読み出された前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧を画素信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させた後、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とすることで、リセットされた前記増幅トランジスタのゲートの電位に応じた電圧をリセット信号として前記画素セルから前記垂直信号線に出力させる信号読み出し動作を行い、
前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタがＯＮ状態とされている時に前記選択トランジスタがＯＮ状態とされる
固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、
前記電子シャッター動作において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第１期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、
前記リセット信号の出力において、前記選択トランジスタをＯＮ状態としてから前記リセットトランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とし、
前記リセット信号の出力において、同時にＯＮ状態とされている前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタについて、前記リセットトランジスタをＯＦＦ状態としてから第２期間が経過した後で前記選択トランジスタをＯＦＦ状態とし、
前記第１期間と前記第２期間とは等しい
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、
前記所定の画素セルと同じ列の異なる前記画素セルに対して前記信号読み出し動作を行った直後に、前記所定の画素セルに対して前記電子シャッター動作を行う
請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記駆動回路は、
前記電子シャッター動作において、前記リセットトランジスタをＯＮ状態としてから前記選択トランジスタをＯＮ状態とすることで前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタを同時にＯＮ状態とする
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】
前記所定の画素セルにおいて、前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタのゲートには共通の信号線が接続され、
前記選択トランジスタ及び前記リセットトランジスタの閾値電圧は異なる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、
前記半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、
前記光電変換膜の上方に形成された透明電極と、
前記光電変換膜と前記半導体基板との間に形成された画素電極とを有し、
前記画素電極が前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を用いた
カメラシステム。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−７０１８１（Ｐ２０１３−７０１８１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６３６０（Ｐ２０１１−２０６３６０）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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