JP2005065184A - 固体撮像装置及びその駆動方法、並びにそれを用いたビデオカメラ及びスチルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 出力のＳＮが劣化することなく、全画素の信号蓄積開始と終了のタイミングを同時リセットスイッチＱ１０２に行うことが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 画素内にフォトダイオードＰＤ、フォトダイオードをリセットするＰＤリセットスイッチＱ１０５、転送スイッチＱ１０１、選択スイッチＱ１０４、ソースフォロワの入力トランジスタＱ１０３、ソースフォロワの入力をリセットするリセットスイッチＱ１０２を具備する。また、ＰＤリセットスイッチＱ１０５と転送スイッチＱ１０１のゲート電極がフォトダイオードＰＤのｎ層３０３の同一の辺に接するように配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ用等のイメージ入力装置等として広範に用いられる固体撮像装置及びその駆動方法、並びにその固体撮像装置を用いたビデオカメラ及びスチルカメラに関するものである。

近年、高解像化のため、微細化プロセスを用いた光電変換素子のセルサイズ縮小が精力的に行われる一方、光電変換信号出力が低下すること等から、光電変換信号を増幅して出力することが可能な増幅型の光電変換装置が注目されている。このような増幅型光電変換装置には、ＭＯＳ型、ＡＭＩ、ＣＭＤ、ＢＡＳＩＳ等がある。

このうち、ＭＯＳ型はフォトダイオードで発生した光キャリアをＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄積し、走査回路からの駆動タイミングに従ってその電位変化を出力部へ電荷増幅して出力するものである。近年、このＭＯＳ型のうち光電変換部やその周辺回路部を含め全てＣＭＯＳプロセスで実現するＣＭＯＳ型光電変換装置が特に注目されている。

ところが、ＣＭＯＳ型光電変換装置は画素内の電荷増幅アンプで信号電荷の増幅を行う反面、電荷増幅アンプの入力ＭＯＳのＶｔｈやアンプゲインのバラツキが、信号のＳＮの劣化を招くという課題があった。

そこで、本願発明者等は、この課題を解決した固体撮像装置を特開平１１−２７４４５４号公報で提案している（特許文献１参照）。図１０は同公報の画素構成を示す等価回路図、図１１は図１０の画素を用いた光電変換装置を示す等価回路図である。

まず、同公報のものは、図１０に示すようにフォトダイオードＰＤ、ＭＯＳトランジスタから成る転送スイッチＱ１を備えている。また、Ｑ２は拡散浮遊領域をリセットするためのリセットＭＯＳトランジスタのリセットスイッチ、Ｑ３は拡散浮遊領域がゲートに接続され、ソース側の負荷として定電流源８１２が接続されたソースフォロワ増幅回路の入力ＭＯＳトランジスタ、Ｑ４は読み出し画素を選択するための選択スイッチである。

図１１はこの画素セルを用いた固体撮像装置を示す等価回路図であるが、簡単のため画素を３行３列として示す。動作を説明すると、まず、リセットスイッチＱ２によりソースフォロワ増幅回路の入力ゲートにリセット電圧を入力するリセット動作と、選択スイッチＱ４による行選択を行う。

次に、ソースフォロワ増幅回路の入力ノードにおける拡散浮遊領域のゲートをフローティングにし、リセットノイズ及びソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタＱ３の閾値電圧のばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分の読み出しを行い、その情報を信号蓄積部８０５に一旦保持する。その後、転送スイッチＱ１を開閉し、光信号により生成されたフォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワ増幅回路の入力ノードに転送し、前述のノイズ成分と光信号成分の和を読み出し、信号蓄積部８０５に保持する。

次いで、転送スイッチ８０８、８０８′を介して共通信号線８０９、８０９′にノイズ成分の信号と、ノイズ成分と光信号成分の和の信号とをそれぞれ読み出し、各出力アンプ８１０、８１０′を介して出力８１１、８１１′として出力する。その後、出力８１１、８１１′の差をとることでリセットノイズ及び固定パターンノイズを除去して、光信号成分のみを取り出すことで、ＳＮの高い画像信号が得られる。

また、固体撮像装置の全行の蓄積タイミングを同時とする方法が、特開２００２−３２０１４１号公報で提案されている（特許文献２参照）。同公報の方法は、全行のフォトダイオードを同時にリセット解除することによって信号蓄積を開始し、全行のフォトダイオードの蓄積電荷を同時にソースフォロワ増幅回路の入力ノードに転送することによって信号蓄積を終了する。その後、一行毎にソースフォロワ増幅回路の出力を読み出し、次にソースフォロワ増幅回路の入力ゲートにリセット電圧を入力してリセット動作を行った後、ソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタの閾値電圧のばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分を読み出し、この２つの出力値の差分をとって信号を得るものである。
特開平１１−２７４４５４号公報 特開２００２−３２０１４１号公報

特許文献１の固体撮像装置は、一行づつ順次、読み出しを行うものである。このような固体撮像装置では、光信号により生成されたフォトダイオードの蓄積電荷がソースフォロワ増幅回路の入力ノードに転送されると、次の信号電荷蓄積が開始されるので、各行毎に信号蓄積開始、終了のタイミングがずれてしまう。そのため、撮像する被写体が早い動きをしている場合には、被写体の形状が歪んで捕らえられたり、蛍光灯のフリッカが画像に現れる場合があった。

また、特許文献２の方法は、差分をとるリセット出力が信号電荷が転送される前のリセットによるものではない。従って、拡散浮遊領域をリセットする時のリセットノイズを差し引くことができず、得られる出力のＳＮが悪くなってしまう問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、出力のＳＮが劣化することなく、全画素の信号蓄積開始と終了のタイミングを同時に行うことが可能な固体撮像装置及びその駆動方法、並びにそれを用いたビデオカメラ及びスチルカメラを提供することにある。

本発明の固体撮像装置は、上記目的を達成するため、光信号を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第一のリセット手段と、前記信号電荷を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段を通して読み出された信号電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の信号電荷をリセットする第二のリセット手段と、特定の画素を選択する選択手段とを画素の構成要素として含み、前記第一のリセット手段と前記読み出し手段が、光電変換手段の同一の辺に接して配置されていることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光信号を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第一のリセット手段と、前記信号電荷を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段を通して読み出された信号電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の信号電荷をリセットする第二のリセット手段と、特定の画素を選択する選択手段とを画素の構成要素として含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第二のリセット手段によって前記増幅手段の入力をリセットした後に、前記増幅手段の入力がフローティングの状態で行順次に画素からノイズ信号の読み出しを行い、
前記第一のリセット手段によって全画素の光電変換手段を同時にリセットし、
一定の蓄積期間の後に、前記読み出し手段によって前記光電変換手段に蓄積された信号電荷を全画素同時に前記増幅手段の入力に読み出し、
行順次に画素から前記ノイズ信号に重畳された光信号の読み出しを行い、
前記ノイズ信号と前記光信号の差分処理
を行うことを特徴とする。

本発明によれば、出力のＳＮが劣化することなく、全画素の蓄積開始及び終了のタイミングを同時とすることができる。そのため、動きの早い被写体を撮像する場合であっても、被写体の形状を歪んで捕らえたり、或いは蛍光灯のフリッカが画像に現われることがなく、良質の画像を撮像することができる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明による固体撮像装置の第１の実施形態を示す等価回路図である。図１は画素部の構成を示す。図中ＰＤはフォトダイオード、Ｑ１０１はＭＯＳトランジスタから成る転送スイッチである。Ｑ１０２は拡散浮遊領域をリセットするためのＭＯＳトランジスタから成るリセットスイッチ、Ｑ１０４は読み出し画素を選択するためのＭＯＳトランジスタから成る選択スイッチ、Ｑ１０３は拡散浮遊領域がゲートに接続され、ソースが選択スイッチＱ１０４のドレインに接続されたソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタ、Ｑ１０５はフォトダイオードＰＤをリセットするためのＭＯＳトランジスタから成るＰＤリセットスイッチである。

また、１０１はＰＤリセットスイッチＱ１０５を駆動するＰＤリセットスイッチ線、１０２は転送スイッチＱ１０１を駆動する転送スイッチ線、１０３はリセットスイッチＱ１０２を駆動するリセットスイッチ線、１０４は選択スイッチＱ１０４を駆動する選択スイッチ線、１０５は画素部の信号を読み出す信号出力線を示す。

次に、画素部の動作について説明する。まず、リセットスイッチ線１０３の駆動によりリセットスイッチＱ１０２をオンすることでソースフォロワの入力ゲートにリセット電圧を入力するリセット動作と、選択スイッチ線１０４の駆動に従い選択スイッチＱ１０４による行選択を行う。次に、ソースフォロワの入力ノードの拡散浮遊領域をフローティングにし、リセットノイズ及びソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分の読み出しを行う。

更に、ＰＤリセットスイッチ線１０１の駆動によりＰＤリセットスイッチＱ１０５をオンすることでフォトダイオードＰＤをリセットし蓄積を開始する。所望の蓄積時間が経過すると、転送スイッチＱ１０１を開閉し、光信号により生成されたフォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワの入力ノードに転送し、前述のノイズ成分と光信号成分の和を読み出す。その後、両信号の差分をとることでリセットノイズ及び固定パターンノイズを除去して、光信号成分を取り出すことでＳＮの高い画像信号が得られる。

本実施形態の構成によれば、フォトダイオードＰＤへの信号電荷の蓄積開始と、フォトダイオードＰＤからソースフォロワの入力ノードへの蓄積電荷の転送とを独立に制御できるため、蓄積開始、終了を全行同時に行うことができる。

図２は図１の画素の各素子の配置を示す画素部の平面図、図３は図２をＡ−Ａ線で切断した場合の断面図である。図１と同一部位には同一符号を付している。図中３０１はｎ基板であり、そのｎ基板３０１上にｐ型ウエル３０２が形成され、その上にフォトダイオードのｎ層３０３が形成されている。また、その上にフォトダイオードのｐ層３０４が表面を濃くして形成され、転送スイッチＱ１０１及びＰＤリセットスイッチＱ１０５のゲート領域３０５、３０７がフォトダイオード側面に絶縁層３１６を介して形成され、更に、リセットスイッチＱ１０２のゲート領域３０６が絶縁層３１６を介して形成されている。

転送スイッチＱ１０１及びＰＤリセットスイッチＱ１０５のゲート領域３０５、３０７とフォトダイオード側面の間には、フォトダイオードのｎ層３０３から連続するバイパス領域３０８、３０９が形成されている。また、転送スイッチＱ１０１及びリセットスイッチＱ１０２のゲート領域３０５、３０６の側面下部に拡散浮遊領域３１０が形成されており、拡散浮遊領域３１０はコンタクト３１１、配線層３１２を介してソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートに接続され、ソースには選択スイッチＱ１０４のドレインが接続されている。

更に、ＰＤリセットスイッチＱ１０５及びリセットスイッチＱ１０２のゲート領域３０７、３０６の側面下部にｎ型のソースドレイン領域３１３が形成され、ソースドレイン領域３１３はコンタクト３１４、配線層３１５を介して電源ＶＤＤに接続されている。なお、ゲート領域３０５と３０７はその二つのＭＯＳトランジスタの特性を揃えるため、ゲート長、ゲート幅の少なくとも１つを等しくすることが望ましい。

次に、前述の読み出し動作に基づいて本実施形態による特徴について説明する。本実施形態による特徴は、拡散浮遊領域３１０のリセット直後の出力信号Ｖｒ１を一旦保持した後、転送スイッチＱ１０１のゲート領域３０５に正の電圧を印加してフォトダイオードＰＤのｎ層３０３の蓄積電荷を拡散浮遊領域３１０に転送し、リセット信号に転送電荷Ｑｓｉｇ／拡散浮遊領域容量Ｃｆｄ分だけ重畳された信号Ｖｓｉｇ１との差分（Ｖｓｉｇ１−Ｖｒ１）をとることで、拡散浮遊領域３１０のリセットノイズの大部分を除去することである。特に、フォトダイオードＰＤのｎ層３０３に蓄積された電荷をより高い割合でリセットし、且つ、拡散浮遊領域３１０に転送することが重要である。

フォトダイオードのｎ層３０３のリセット動作に関して更に説明すると、ＰＤリセットスイッチＱ１０５が充分なオン状態であるならば、フォトダイオードＰＤのｎ層３０３にはｐ型ウエル３０２と表面の濃いｐ層３０４のＧＮＤ電位に対し電源電圧ＶＤＤの逆バイアスが印加される。この時、フォトダイオードＰＤのｎ層３０３には、ｐ型ウエル３０２と表面の濃いｐ層３０４から空乏層が延び、フォトダイオードＰＤのｎ層３０３全体を空乏化させることでフォトダイオードＰＤに信号電荷をほとんど残さずにリセットすることができる。フォトダイオードＰＤのｎ層３０３から拡散浮遊領域３１０への転送についても同様にフォトダイオードＰＤに信号電荷をほとんど残さずに信号電荷を読み出すことができる。

このような動作を実現するためには、ＰＤリセットスイッチＱ１０５及び転送スイッチＱ１０１を充分なオン状態にする必要がある。本実施形態では、そのための技術として、転送スイッチＱ１０１及びＰＤリセットスイッチＱ１０５と、埋め込み型のフォトダイオードとの間にバイパス領域３０８、３０９を形成している。

バイパス領域を形成する方法としては、フォトダイオードＰＤのｎ層３０３や表面の濃いｐ層３０４を、転送スイッチＱ１０１及びＰＤリセットスイッチＱ１０５のゲート領域、例えば、多結晶シリコンをマスク材にし、斜めにイオン注入することによって形成する方法がある。また、フォトダイオードＰＤのｎ層３０３を転送スイッチＱ１０１及びＰＤリセットスイッチＱ１０５のゲート領域をマスク材にしてセルフアラインで形成し、表面の濃いｐ層３０４をゲート領域に対してオフセットをつけて露光して形成する方法等がある。

前者の方法をとる場合には、転送スイッチＱ１０１のゲート領域３０５とバイパス領域３０８との位置関係と、ＰＤリセットスイッチＱ１０５のゲート領域３０７とバイパス領域３０９との位置関係が同一方向（即ち、フォトダイオードのｎ層３０３、ゲート領域３０５、コンタクト３１１の並び方向と、フォトダイオードのｎ層３０３、ゲート領域３０７、コンタクト３１４の並び方向が同一方向である）ことが重要となる。また、後者の方法をとる場合においても、両者を同一方向に配置することによって露光装置の位置合わせずれに対してバイパス領域の幅が同じように変化するため製造工程の管理が容易になる。

図４は図１〜図３の画素セルを用いた固体撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。なお、図４では簡単のため画素セルを３行３列としている。図中４０６は水平シフトレジスタ、４０７は垂直シフトレジスタ、４０８は共通信号出力線４１５への転送スイッチ、４０８＿１、４０８＿２、４０８＿３は水平シフトレジスタ４０６から転送スイッチ４０８への駆動パルスである。また、４０９は定電流源、４１０は出力アンプ、４１１は出力、４１２はＡＤコンバータ、４１３は信号蓄積部、４１４はフレームメモリを示す。

また、４０１はＰＤリセット線、４０２は転送スイッチ線、４０３はリセットスイッチ線、４０４は選択スイッチ線、４０５は信号出力線である。これらのＰＤリセット線４０１、転送スイッチ線４０２、リセットスイッチ線４０３、選択スイッチ線４０４、信号出力線４０５は、それぞれ図１のＰＤリセット線１０１、転送スイッチ線１０２、リセットスイッチ線１０３、選択スイッチ線１０４、信号出力線１０５に対応している。

次に、本実施形態の固体撮像装置の基本動作を図５のタイミング図を用いて説明する。まず、読み出しに先立ち、全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をハイレベル、転送スイッチ線４０２をロウレベル、リセットスイッチ線４０３をハイレベルとし、ＰＤリセットスイッチＱ１０５、リセットスイッチＱ１０２をオンし、転送スイッチＱ１０１をオフすることで、全画素のフォトダイオードＰＤとソースフォロワの入力ノードの拡散浮遊領域をリセット状態とする。ＰＤリセットスイッチ線１０１、転送スイッチ線１０２、リセットスイッチ線１０３、選択スイッチ線４０４は垂直シフトレジスタ４０７によって駆動される。

次に、図５に示すように全行のリセットスイッチ線４０３（図５の４０３＿１は１行目、４０３＿２は２行目、４０３＿３は３行目のリセットスイッチ線）をロウレベルとし、リセットスイッチＱ１０２をオフすることで、ソースフォロワの入力ノードの拡散浮遊領域をフローティングにする。その後、１行目の選択スイッチ線４０４＿１（図５の４０４＿２は２行目、４０４＿３は３行目の選択スイッチ線）をハイレベルとし、１行目の選択スイッチＱ１０４をオンして行選択を行い、リセットノイズ及びソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分を信号蓄積部４１３に読み出す。

次いで、図５に示すように水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３を順次ハイレベルとし、ＭＯＳトランジスタの転送スイッチ４０８を順次オンすることでアンプ４１０を介して出力４１１に１行目のノイズ成分を順次読み出す。読み出されたノイズ成分はＡＤ（Analog to Digital）コンバータ４１２によりＡＤ（Analog to Digital）変換され、フレームメモリ４１４に保持される。２行目以降についても図５に示すように同様に読み出され、全画素分のノイズ成分がフレームメモリ４１４に保持される。

次に、図５に示すように全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をロウレベルとし、ＰＤリセットスイッチＱ１０５をオフすることでフォトダイオードＰＤのｎ層３０３に光電変換された信号電荷の蓄積を開始する。所望の蓄積時間が経過すると、全行の転送スイッチ線４０２の駆動により転送スイッチＱ１０１を開閉することでフォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワの入力ノードに転送する。図５の矢印で示す範囲は蓄積期間である。

次いで、ノイズ成分の読み出しと同様に１行目の選択スイッチ線４０４＿１をハイレベルとして行選択を行い、前述のノイズ成分と光信号成分の和を信号蓄積部４１３に読み出す。次に、水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１、４０８＿２、４０８＿３を順次ハイレベルとし、転送スイッチ４０８を順次オンすることで、出力４１１に出力アンプ４１０を介して１行目のノイズ成分と光信号成分の和を順次読み出す。読み出されたノイズ成分と光信号成分の和はＡＤコンバータ４１２によりＡＤ変換され、予めフレームメモリ４１４に保持されている１行目のノイズ成分との差分をとることで、リセットノイズ及び固定パターンノイズを除去して、光信号成分のみを取り出す。２行目以降についても同様に読み出され、ＳＮの高い画像信号が得られる。

上記動作によれば、全行の信号蓄積開始、終了のタイミングは同時であり、被写体が早い動きをしている場合でも、被写体の形状が歪んで捕らえられたり、或いは蛍光灯のフリッカが画像に現れることがなく、良質の画像を撮像することが可能である。

また、蓄積期間以外は全行のＰＤリセットスイッチ線４０１がハイレベルにあり、全画素のＰＤリセットスイッチＱ１０５がオン状態であるため、蓄積以外の期間に光が入射し、蓄積電荷がフォトダイオードＰＤのｎ層３０３の飽和電荷量を超えたとしても、溢れ出て隣接する拡散浮遊領域やフォトダイオードＰＤに混入してしまうブルーミング現象が起きることはない。

更に、各行の拡散浮遊領域がフローティングとなっている時間が、ノイズ成分読み出しの時（リセットスイッチが閉じてから転送スイッチが開くまでの期間）と信号成分読み出しの時（転送スイッチが閉じてから信号蓄積部に読み出されるまでの期間）とで等しいため、拡散浮遊領域への光の漏れ込みによる光電荷や暗電流による影響も前述の差分処理で除去することが可能である。なお、本実施形態では、簡易的に画素が３行３列の場合を説明したが、これに限るものではない。

（第２の実施形態）
図６は図１〜３の画素を用いた固体撮像装置の他の実施形態を示すブロック図である。図６では図４と同一部分は同一符号を付している。また、簡単のため画素セルを３行３列としている。図４の実施形態とは後述するように読み出し方法が異なっている。図中４０８はノイズ成分を読み出す転送スイッチ、４０８′はノイズ成分と光信号成分との和を読み出す転送スイッチ、４１０、４１０′は出力アンプ、４１１、４１１′は出力である。

次に、図７のタイミング図を用いて本実施形態の基本的な動作を説明する。まず、読み出しに先立ち、全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をハイレベル、転送スイッチ線４０２をロウレベル、リセットスイッチ線４０３をハイレベルとすることにより、全画素のフォトダイオードＰＤとソースフォロワの入力ノードの拡散浮遊領域をリセット状態とする。

次いで、図７に示すように１行目のリセットスイッチ線４０３＿１をロウレベルとし、リセットスイッチＱ１０２をオフすることでソースフォロワの入力ノードの拡散浮遊領域をフローティングとする。その後、１行目の選択スイッチ線４０４＿１をハイレベルとして行選択を行い、リセットノイズ及びソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタの閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分を信号蓄積部４１３に読み出す。

次に、２行目、３行目のリセットスイッチ線４０３＿２、４０３＿３を順次ロウレベルとし、選択スイッチ線４０４＿２、４０４＿３を順次ハイレベルとして行選択を行い、信号蓄積部４１３にノイズ成分を順次読み出す。この時点で信号蓄積部４１３には３行分のノイズ成分が保持される。次に、図７に示すように全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をロウレベルとし、ＰＤリセットスイッチＱ１０５をオフすることでフォトダイオードＰＤのｎ層３０３に光電変換された信号電荷の蓄積を開始する。

所望の蓄積時間が経過すると、図７に示すように全行の転送スイッチ線４０２の駆動により転送スイッチＱ１０１を開閉することで、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワの入力ノードに転送する。図７の矢印で示す範囲は蓄積期間である。

次いで、ノイズ成分の読み出しと同様に１行目の選択スイッチ線４０４＿１をハイレベルとして行選択を行い、ノイズ成分と光信号成分の和を信号蓄積部４１３に読み出す。次に、水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３、駆動パルス４０８′＿１〜４０８′＿３を順次ハイレベルとすることで、転送スイッチ４０８と転送スイッチ４０８′を順次オンする。転送スイッチ４０８はノイズ成分の転送、転送スイッチ４０８′はノイズ成分と光信号成分との和の転送に用いられ、水平シフトレジスタ１０６からの駆動パルス４０８＿１と駆動パルス４０８′＿１、駆動パルス４０８＿２と駆動パルス４０８′＿２、駆動パルス４０８＿３と駆動パルス４０８′＿３はそれぞれ同時にハイレベルになる。

このように転送スイッチ４０８、４０８′を駆動することで、予め信号蓄積部４１３に保持されていた１行目のノイズ成分が出力４１１に、ノイズ成分と信号成分の和が出力４１１′に順次読み出される。なお、図７には駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３のみしか示していないが、駆動パルス４０８′＿１〜４０８′＿３のハイレベルとロウレベルのタイミングは駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３と同様である。

次に、２行目以降についても同様に選択スイッチをオンし、駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３、駆動パルス４０８′＿１〜４０８′＿３を順次ハイレベルとすることで、転送スイッチ４０８と転送スイッチ４０８′を順次オンする。これにより、信号蓄積部４１３に蓄積されていたノイズ成分が出力４１１に、ノイズ成分と信号成分の和が出力４１１′に順次読み出される。また、両信号の差分をとることでリセットノイズ及び固定パターンノイズを除去して、光信号成分のみを取り出すことで、ＳＮの高い画像信号が得られる。

上記動作によれば、全行の信号蓄積開始、終了のタイミングは同時であり、撮像する被写体が早い動きをしている場合でも、被写体の形状が歪んで捕らえられることはなく、蛍光灯のフリッカが画像に現れることもない。

また、蓄積期間以外は全行のＰＤリセットスイッチ線４０１がハイレベルにあり、全画素のＰＤリセットスイッチＱ１０５がオン状態であるため、蓄積以外の期間に光が入射し、蓄積電荷がフォトダイオードＰＤのｎ層３０３の飽和電荷量を超えたとしても、溢れ出て隣接する拡散浮遊領域３１０やフォトダイオードＰＤに混入してしまうようなブルーミング現象が起きることはない。なお、本実施形態においても簡易的に画素を３行３列としているが、これに限ることはない。また、本実施形態の信号蓄積部４１３は画素部と同一半導体基板上に配置することが配線接続を簡単化する上で望ましい。

なお、図６の実施形態では全画素のノイズ成分を保持するためのフレームメモリ及び信号蓄積部が必要となる。一方で、全行の信号蓄積開始、終了のタイミングを同時とすることが必要なモードは動画を撮像するモードである場合が多く、この場合には、全行を読み出さずに不要な行を間引くことにより、読み出す画素数を削減し、フレームレートを向上させることが可能である。また、不要な行を間引いて読み出す場合には、必要な画素数分のフレームメモリ及び信号蓄積部があれば良い。

また、このような間引き動作において、読み出さない行のＰＤリセットスイッチ線４０１やリセットスイッチ線４０３を常にハイレベルとすることにより、不要な行のフォトダイオードＰＤのｎ層３０３に蓄積された電荷が飽和電荷量を超えたとしても、溢れ出て隣接する拡散浮遊領域やフォトダイオードに混入してしまうブルーミング現象が起きることはない。

（第３の実施形態）
図８は本発明の固体撮像装置をビデオカメラに使用した場合の一実施形態を示すブロック図である。図中１Ａは撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ、１Ｂはズーム動作を行うズームレンズ、１Ｃは結像用のレンズである。また、２は絞り、３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像装置であり、図４或いは図６の実施形態で説明した固体撮像装置を用いるものとする。

４は固体撮像装置３から出力された撮像信号をサンプルホールドし、更に、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。５はサンプルホールド回路４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙ及びクロマ信号Ｃを出力する。

プロセス回路５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２１でホワイトバランス及び色バランスの補正が施され、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。また、プロセス回路５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。このテレビジョン信号は図示しないビデオレコーダ或いは電子ビューファインダ等のモニタＥＶＦへと供給される。更に、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙは、ゲート回路２２でゲートされ、積分回路２５で積分値が検出されて論理制御回路１７に入力される。この信号は、主にホワイトバランスの調節（不図示）に利用される。

６はアイリス制御回路であり、サンプルホールド回路４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように絞り２の開口量を制御すべくｉｇメータ８を自動制御する。１３、１４はサンプルホールド回路４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する、異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。

第一のバンドパスフィルタ１３（ＢＰＦ１）及び第二のバンドパスフィルタ１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１５及びフォーカスゲート枠信号で各々ゲートされ、ピーク検出回路１６でピーク値が検出されてホールドされると共に論理制御回路１７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、１９はズームレンズ１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２０は絞り２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値はシステムコントロールを行う論理制御回路１７へ供給される。論理制御回路１７は設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。

即ち、各々のバンドパスフィルタ１３、１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路９にフォーカスモータ１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。

（第４の実施形態）
図９は本発明の固体撮像装置をスチルカメラに使用した場合の一実施形態を示すブロック図である。図中３１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、３２は被写体の光学像を固体撮像装置３４に結像させるレンズ、３３はレンズ３２を通った光量を可変するための絞り、３４はレンズ３２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像装置であり、図４或いは図６の実施形態で説明したものを用いるものとする。

３６は固体撮像装置３４から出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、３７はＡ／Ｄ変換器３６から出力された画像データに各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする信号処理部、３８は固体撮像装置３４、撮像信号処理回路３５、Ａ／Ｄ変換器３６、信号処理部３７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。

また、３９は各種演算とスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部、４０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、４１は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御Ｉ／Ｆ（インターフェース）部、４２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、４３は外部コンピュータ等と通信する為の外部Ｉ／Ｆ（インターフェース）部である。

次に、スチルカメラの撮影時の動作について説明する。まず、バリア３１がオープンされると、メイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更に、Ａ／Ｄ変換器３６等の撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部３９は絞り３３を開放にし、固体撮像装置３４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器３６で変換された後、信号処理部３７に入力される。

全体制御・演算部３９ではそのデータに基づいて露出の演算を行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部３９は絞り３２を制御する。次に、固体撮像装置３４から出力された信号をもとに高周波成分を取り出し、被写体までの距離の演算を全体制御・演算部３９で行う。その後、レンズ３２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ３２を駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置３４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器３６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部３７を通り全体制御・演算部３９によりメモリ部４０に書き込まれる。その後、メモリ部４０に蓄積されたデータは全体制御・演算部３９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部４１を通り、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体４２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部４３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行っても良い。

本発明に係る固体撮像装置の画素部を示す等価回路図である。 図１の画素部の素子配置を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の固体撮像装置の一実施形態を示す等価回路図である。 図４の固体撮像装置の動作を示すタイミング図である。 本発明の固体撮像装置の他の実施形態を示す等価回路図である。 図６の固体撮像装置の動作を示すタイミング図である。 本発明の固体撮像装置をビデオカメラに使用した場合の一実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の固体撮像装置をスチルカメラに使用した場合の一実施形態の構成を示すブロック図である。 従来例の固体撮像装置の画素部を示す等価回路図である。 図１０の画素部を用いた固体撮像装置を示す等価回路図である。

符号の説明

１Ａ フォーカスレンズ
１Ｂ ズームレンズ
１Ｃ 結像用レンズ
２ 絞り
３ 固体撮像装置
４ サンプルホールド回路
５ プロセス回路
６ アイリス制御回路
７ アイリス駆動回路
８ ｉｇメータ
９ フォーカス駆動回路
１０、１２ モータ
１１ ズーム駆動回路
１３、１４ ＢＰＦ
１５、２２ ゲート回路
１６ ピーク検出回路
１７ 論理制御回路
１８ フォーカスエンコーダ
１９ ズームエンコーダ
２０ アイリスエンコーダ
２１ 色信号補正回路
２３ ゲートパルス発生回路
２４ ＥＮＣ回路
２５ 積分回路
３１ バリア
３２ レンズ
３３ 絞り
３４ 固体撮像装置
３５ 撮像信号処理回路
３６ Ａ／Ｄ変換器
３７ 信号処理回路
３８ タイミング発生部
３９ 全体制御・演算部
４０ メモリ部
４１ 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
４２ 記録媒体
４３ 外部Ｉ／Ｆ部
１０１、４０１ ＰＤリセットスイッチ線
１０２、４０２ 転送スイッチ線
１０３、４０３ リセットスイッチ線
１０４、４０４ 選択スイッチ線
１０５、４０５ 信号出力線
３０１ ｎ基板
３０２ ｐ型ウェル
３０３ フォトダイオードのｎ層
３０４ 表面の濃いｐ層
３０５ 転送スイッチのゲート領域
３０６ リセットスイッチのゲート領域
３０７ ＰＤリセットスイッチのゲート領域
３０８、３０９ バイパス領域
３１０ 拡散浮遊領域
３１１、３１４ コンタクト
３１２、３１５ 配線層
３１３ ソースドレイン領域
３１６ 絶縁層
４０６ 水平シフトレジスタ
４０７ 垂直シフトレジスタ
４０８、４０８′ 転送スイッチ
４０９ 定電流源
４１０、４１０′ 出力アンプ
４１１、４１１′ 出力
４１２ Ａ／Ｄコンバータ
４１３ 信号蓄積部
４１４ フレームメモリ
４１５、４１５′ 共通信号出力線
ＰＤ フォトダイオード
Ｑ１０１ 転送スイッチ
Ｑ１０２ リセットスイッチ
Ｑ１０３ 入力ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１０４ 選択スイッチ
Ｑ１０５ ＰＤリセットスイッチ

Claims (11)

1. 光信号を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第一のリセット手段と、前記信号電荷を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段を通して読み出された信号電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の信号電荷をリセットする第二のリセット手段と、特定の画素を選択する選択手段とを画素の構成要素として含み、前記第一のリセット手段と前記読み出し手段が、光電変換手段の同一の辺に接して配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光電変換手段はフォトダイオードであり、第１のリセット手段及び読み出し手段とフォトダイオードとの間に、当該フォトダイオードのｎ層から連続するバイパス領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第一のリセット手段と前記読み出し手段は、ソース領域を前記光電変換手段の信号電荷の蓄積領域とするＭＯＳトランジスタであり、前記第一のリセット手段と読み出し手段の２つのＭＯＳトランジスタのゲート電極が同一方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記２つのＭＯＳトランジスタのゲート長またはゲート幅の少なくとも一方が等しいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 行順次に画素から読み出したノイズ信号を保持するための第一の信号保持手段と、行順次で画素から読み出した光信号を保持するための第二の信号保持手段を、前記画素と同一の半導体基板上に有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 複数行のノイズ信号を保持する前記第一の信号保持手段と、一行分の光信号を保持する前記第二の信号保持手段とを有することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 光信号を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第一のリセット手段と、前記信号電荷を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段を通して読み出された信号電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の信号電荷をリセットする第二のリセット手段と、特定の画素を選択する選択手段とを画素の構成要素として含む固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記第二のリセット手段によって前記増幅手段の入力をリセットした後に、前記増幅手段の入力がフローティングの状態で行順次に画素からノイズ信号の読み出しを行い、
   前記第一のリセット手段によって全画素の光電変換手段を同時にリセットし、
   一定の蓄積期間の後に、前記読み出し手段によって前記光電変換手段に蓄積された信号電荷を全画素同時に前記増幅手段の入力に読み出し、
   行順次に画素から前記ノイズ信号に重畳された光信号の読み出しを行い、
   前記ノイズ信号と前記光信号の差分処理
   を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
8. 行順次に画素から読み出された前記ノイズ信号を第一の信号保持手段に保持し、画素から読み出された一行分の前記光信号を第二の信号保持手段に保持し、前期第一の信号保持手段に保持された前記光信号と同一行の前記ノイズ信号と共に、複数の共通信号線に順次読み出しながら、両信号の差分処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 行順次に画素から読み出された前記ノイズ信号を共通信号線に順次読み出し、ＡＤ変換した後に信号保持手段に保持し、行順次に画素から読み出された前記光信号を共通信号線に順次読み出し、ＡＤ変換した後に前記信号保持手段に保持された前記ノイズ信号との差分処理を行順次で行うことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像するレンズと、前記固体撮像装置からの映像信号に所定の信号処理を施し、輝度信号及びクロマ信号を生成する信号処理手段とを有することを特徴とするビデオカメラ。
11. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像するレンズと、前記固体撮像装置からの信号を処理する信号処理手段とを有することを特徴とするスチルカメラ。
    
    
    

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