JP2006050403A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像装置において、全ての光電変換セルからの信号読み出しを高速に行なう。
【解決手段】 固体撮像装置は、行列を成すように配列され且つ光電変換を行なう光電変換部１０１ａ等を有する光電変換セルＣ１等を備えている。同一の列に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セルによって列グループが形成され、同一の列グループ中の光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３等が有する転送トランジスタ１２１ａ、２２１ａ及び３２１ａ等は、共通の読み出しパルス線１３１ａによって制御されている。このような構成により、３行同時に信号を読み出すことができるようになっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の光電変換部が配置された固体撮像装置に関する。

従来のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型イメージセンサ（例えば特許文献１に記載）の構成の一例を、回路図として図１０に示す。

図１０に示した従来のＭＯＳ型イメージセンサーは、複数の光電変換セル１１がマトリックス状に配列された撮像領域１２と、配列された複数の光電変換セル１１のうちから垂直方向の選択を行なう垂直シフトレジスタ１３と、配列された複数の光電変換セル１１のうちから水平方向の選択を行なう水平シフトレジスタ１４と、垂直シフトレジスタ１３及び水平シフトレジスタ１４対してパルスを供給するタイミング発生回路１５とを基板（図示省略）上に備えている。

また、垂直シフトレジスタ１３に接続された読み出しパルス線２１、リセットパルス線２２及び選択パルス線２３と、電源線２４と、水平シフトレジスタ１４に接続された信号線２５とが基板上に形成されている。

更に、撮像領域１２中に配列されている各光電変換セル１１は、フォトダイオードからなる光電変換部３１と、光電変換部３１において発生する電荷を転送する転送トランジスタ３２と、光電変換部３１において発生する電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（以下ＦＤと略す：Floating Diffusion）部３３と、ＦＤ部３３に蓄積された電荷を掃き出すリセットトランジスタ３４と、ＦＤ部３３に蓄積された電荷を検出し、信号を出力する増幅トランジスタ３５と、増幅トランジスタ３５が信号を出力するタイミングを制御する選択トランジスタ３６とを備えている。

ここで、光電変換部３１は、陽極が接地され、陰極が転送トランジスタ３２のソースと接続されている。

また、転送トランジスタ３２は、ソースが光電変換部３１の陰極と接続され、ドレインがＦＤ部３３、リセットトランジスタ３４のソース及び増幅トランジスタ３５のゲートと接続され且つゲートが読み出しパルス線２１と接続されている。

また、リセットトランジスタ３４は、ソースが転送トランジスタ３２のドレイン、ＦＤ部３３及び増幅トランジスタ３５のゲートと接続され、ドレインが電源線２４及び増幅トランジスタ３５のドレインと接続され且つゲートがリセットパルス線２２と接続されている。

また、増幅トランジスタ３５は、ソースが選択トランジスタ３６のドレインと接続され、ドレインが電源線２４及びリセットトランジスタ３４のドレインと接続され且つゲートが転送トランジスタ３２のドレイン、ＦＤ部３３及びリセットトランジスタ３４のソースと接続されている。

また、選択トランジスタ３６は、ソースが信号線２５に接続され、ドレインが増幅トランジスタ３５のソースと接続され且つゲートが選択パルス線２３と接続されている。

以上説明した従来のＭＯＳ型イメージセンサーは、次のようにして入力された光を信号として検出する。

光電変換部３１において、入力された光は電荷に変換される。信号線２５に所定の電圧が印加された状態において、該電荷は、転送トランジスタ３２がＯＮになった際にＦＤ部３３に転送され、ＦＤ部３３の電位を変化させる。ＦＤ部３３の電位は増幅トランジスタ３５によって検出され、増幅トランジスタ３５は、検出した電位に基づく信号を選択トランジスタ３６がＯＮになった際に、信号線２５を介して出力する。

また、このような電荷の読み出しは、垂直シフトレジスタ１３及び水平シフトレジスタ１４によって個々の光電変換部３１を順に選択することにより、１行ごとに行なわれるようになっている。
ＵＳＰ５４７１５１５

しかしながら、前記従来の固体撮像装置は、配列された光電変換部からの信号を１行ごとに読み出すようになっているため、個々の光電変換部ごとに読み出しの行なわれる時刻にずれが生じることになる。この結果、高速移動する対象を撮影する際には、１画面に相当する電荷の読み出しが完了する間に対象の位置が変化するため、撮像される画像に歪みが生じることになる。

上記の課題に鑑み、本発明は、電荷の高速な読み出しを可能とする固体撮像装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、行列を構成するように配列されており、光電変換を行なう光電変換部をそれぞれ有する複数の光電変換セルを備えた固体撮像装置であって、複数の光電変換セルのうち、同一の列に含まれ且つ隣り合う行に配列されている一組の光電変換セル毎に複数の列グループが構成されており、複数の光電変換部に接続され且つ該複数の光電変換部から電荷が転送される複数のフローティングディフュージョン部と、複数の光電変換部と複数のフローティングディフュージョン部との間に設けられ且つ複数の光電変換部から複数のフローティングディフュージョン部に電荷を転送する複数の転送トランジスタと、複数の列グループ中の複数の転送トランジスタを共通して制御する読み出しパルス線と、複数のフローティングディフュージョン部の電位を検出し、信号として出力する複数の画素アンプトランジスタと、複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するための複数の信号線とを備えている。

本発明の固体撮像装置によると、１本の読み出しパルス線によって、１つの列グループに属する複数の転送トランジスタを同時に制御すると共に、該列グループに属する複数の画素アンプトランジスタが出力する出力信号をそれぞれ個別に形成された複数の信号線によって同時に出力することができる。これにより、複数行についての電荷の読み出しを同時に行なうことができるため、光電変換セル全てからの電荷の読み出しを高速に行うことができる。

尚、本発明の固体撮像装置において、複数の光電変換セルのうち、同一の行に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セル毎に複数の行グループが形成され、複数のフローティングディフュージョン部は、各行グループに含まれる各光電変換部から電荷が転送される共通のフローティングディフュージョン部であり、複数の読み出しパルス線は、各行グループに含まれる複数の転送トランジスタに対して個別に形成されている複数の読み出しパルス線であることが好ましい。

このようにすると、行グループ中において複数の光電変換セルに対して共通のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）が形成されているため、光電変換部１つあたりのＦＤ部の数が削減されている。このことから、全ての光電変換部からの電荷の読み出しを高速化する効果に加え、光電変換セルに対するＦＤ部の面積が小さくなり、この結果として、光電変換セルに対する光電変換部の面積（開口率）の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。

また、読み出しパルス線は１つの行グループに含まれる複数の転送トランジスタに対して個別に形成されている複数の読み出しパルス線となっているため、複数の光電変換部の電荷は個々に読み出すことができる。

また、本発明の固体撮像装置において、複数の画素アンプトランジスタ及び前記複数の信号線は、いずれも前記行グループ毎に共通して形成されていることが好ましい。

このようにすると、行グループ中において複数の光電変換セルによって画素アンプトランジスタ及び信号線が共有されるため、光電変換セル１つあたりの画素アンプトランジスタ及び信号線の数が削減される。このことから光電変換セルに対する画素アンプトランジスタ及び信号線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。

また、本発明の固体撮像装置は、行グループ毎に共通して形成された、複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御する複数のスイッチングトランジスタと、複数のスイッチングトランジスタを制御する複数の選択パルス線とを更に備えていることが好ましい。

このようにすると、選択パルス線によって制御されるスイッチングトランジスタを用い、画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御することができる。また、そのような構成を有する固体撮像装置において、スイッチングトランジスタ及び選択パルス線は行グループ中において複数の光電変換セルによって共有されるため、光電変換セル１つあたりのスイッチングトランジスタ及び選択パルス線の数が削減されている。このことから光電変換セルに対するスイッチングトランジスタ及び選択パルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。

また、本発明の固体撮像装置は、フ複数のローティングディフュージョン部の電位をリセットするための複数のリセット手段を更に備えることが好ましい。

このようにすると、光電変換部から電荷が転送されるフローティングディフュージョン部の電位を調節することができる。

また、リセット手段は、行グループ毎に共通して形成された、各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことが好ましい。

このようにすると、フローティングディフュージョン部の電位を確実に調節することができると共に、行グループ中において複数の光電変換セルによってリセットトランジスタ及びリセットパルス線が共有されるため、光電変換セル１つあたりのリセットトランジスタ及びリセットパルス線の数が削減される。このことから光電変換セルに対するリセットトランジスタ及びリセットパルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。

また、リセット手段は、列グループ毎に共通して形成された、各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことが好ましい。

このようにすると、フローティングディフュージョン部の電位を確実に調節することができると共に、列グループ中において複数の光電変換セルによってリセットトランジスタ及びリセットパルス線が共有されるため、光電変換セル１つあたりのリセットトランジスタ及びリセットパルス線の数が削減される。このことから光電変換セルに対するリセットトランジスタ及びリセットパルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。

また、本発明の固体撮像装置は、少なくとも複数の光電変換部の間のピッチについて、少なくとも水平方向又は垂直方向のいずれか一方の方向に関して等ピッチに形成されていることが好ましい。

このようにすると、等ピッチに形成された光電変換部を用いて検出される信号に基づき、高画質な画像を得ることができる。

また、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路を更に備えることが好ましい。

このようにすると、光電変換セルによって出力された信号を処理し、画像を得ることができる。

また、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換セルに電位を供給する複数の電源線を更に備え、複数の電源線はフローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能を有することが好ましい。

このようにすると、複数の電源線は、信号線等の他の配線とは異なる層に形成されることから、更なる光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。

本発明の固体撮像装置は、同一の列に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セルがそれぞれ有する転送トランジスタを、共通の読み出しパルス線によって制御することにより、該複数の光電変換セルからの出力信号を同時に読み出すことができる。これにより、複数の行を同時に読み出すことができるため、１行ずつ読み出しを行なっていた従来の固体撮像装置に比べて高速に全光電変換セルからの信号を読み出すことができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルの配列の一例を説明する図である。

図１に示すように、第１の実施形態の固体撮像装置においては、基板Ｓ上に、入射された光を強度に応じて光電変換する機能を有する光電変換セルＣが配列され、行列を形成している。また、同一列に含まれ且つ隣接する３つの光電変換セルＣにより、列グループＣＧが形成されている。

次に、図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を示している。図２には、３行１列の３つの光電変換セル、言い換えると、１つの列グループに含まれる３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３を拡大して示している。

まず、光電変換セルＣ１の構成を説明する。

光電変換セルＣ１において、光電変換部１０１ａと、光電変換セル１０１ａから電荷を転送する転送トランジスタ１２１ａと、光電変換部１０１ａから電荷が転送されるＦＤ部１１１と、ＦＤ部１１１の電荷を排出する、言い換えると、ＦＤ部１１１の電位をリセットする、リセットトランジスタ１２２とが形成されている。

また、光電変換セルＣ１において、ＦＤ部１１１の電位を検出し、検出した電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタ１２３と、画素アンプトランジスタ１２３が信号を出力するタイミングを制御するスイッチングトランジスタ１２４とが形成されている。

更に、光電変換セルＣ１に対応する読み出しパルス線（READ）１３１ａと、画素アンプトランジスタ１２３の出力する信号を伝達する信号線１３２ａと、画素アンプトランジスタ１２３を駆動するためのロードトランジスタ１２５ａと、ロードトランジスタ１２５ａを制御するロードゲート線（LGCELL）１３３と、ロードトランジスタ１２５ａのソース電源線（SCELL ）１３４とが形成されている。また、図示は一部省略しているが、リセットトランジスタ１２２を制御するリセットパルス線１３５と、スイッチングトランジスタ１２４を制御する選択パルス線１３６と、光電変換セルに電源を供給するセル電源線（VDDCELL ）vdd も形成されている。

ここで、光電変換部１０１ａは、例えばフォトダイオード等からなり、陽極が接地され且つ陰極が転送トランジスタ１２１ａのソースに接続されている。

また、転送トランジスタ１２１ａは、ソースが光電変換部１０１ａの陰極に接続され、ドレインがＦＤ部１１１、リセットトランジスタ１２２のソース及び画素アンプトランジスタ１２３のゲートに接続され且つゲートが読み出しパルス線１３１ａに接続されている。

また、リセットトランジスタ１２２は、ソースが転送トランジスタ１２１ａのドレイン、ＦＤ部１１１及び画素アンプトランジスタ１２３のゲートと接続され、ドレインがセル電源線vdd 及び画素アンプトランジスタ１２３のドレインと接続され且つゲートがリセットパルス線１３５と接続されている。

また、画素アンプトランジスタ１２３は、ソースがスイッチングトランジスタ１２４のドレインと接続され、ドレインがセル電源線vdd 及び転送トランジスタのドレインと接続され且つゲートが転送トランジスタ１２１ａのドレイン、ＦＤ部１１１及びリセットトランジスタ１２２のソースと接続されている。

また、スイッチングトランジスタ１２４は、ソースが信号線１３２ａと接続され、ドレインが画素アンプトランジスタ１２３のソースと接続され且つゲートが選択パルス線１３６と接続されている。

また、光電変換セルＣ２は、光電変換セルＣ１と同様の構成を有している。つまり、光電変換部２０１ａと、転送トランジスタ２２１ａと、ＦＤ部２１１と、リセットトランジスタ２２２と、画素アンプトランジスタ２２３と、スイッチングトランジスタ２２４とを備えている。更に、光電変換セルＣ２において、読み出しパルス線１３１ａ、信号線１３２ｂ、リセットパルス線２３５、選択パルス線２３６及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続され、信号線１３２ｂにはロードトランジスタ１２５ｂが接続されている。これらの構成は光電変換セルＣ１と同様であるため、詳しい説明は省略する。

また、光電変換セルＣ３も、光電変換セルＣ１と同様の構成を有している。つまり、光電変換部３０１ａと、転送トランジスタ３２１ａと、ＦＤ部３１１と、リセットトランジスタ３２２と、画素アンプトランジスタ３２３と、スイッチングトランジスタ３２４とを備えている。更に光電変換セルＣ３において、読み出しパルス線１３１ａ、信号線１３２ｃ、リセットパルス線３３５、選択パルス線３３６及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続され、信号線１３２ｃにはロードトランジスタ１２５ｃが接続されている。これらの構成は光電変換セルＣ１と同様であるため、詳しい説明は省略する。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置における同じ列グループに含まれる３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３においては、それぞれの転送トランジスタ１２１ａ、２２１ａ及び３２１ａは、それぞれのゲートがいずれも共通の読み出しパルス線１３１ａに接続され且つ読み出しパルス線１３１ａによって一括して制御されている。また、それぞれのスイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４は、それぞれのソースが順に信号線１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃに接続され、３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３がそれぞれ個別に信号を出力できるようになっている。

このような構成をとることにより、同じ列グループに含まれる３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３について同時に信号の読み出しを行うことができる。この結果、３行同時に信号を読み出すことができ、光電変換セル１つ毎に、つまり１行ずつ信号の読み出しを行なっていた従来の固体撮像装置に比べて３倍の速さで信号を読み出すことができる。

尚、光電変換セルに電位を供給するセル電源線vdd が、ＦＤ部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての役割を果たす構造とすると、光電変換セルの縮小及び開口率の向上を実現でき、例えば開口率は８％になる。例えば、信号線１３２ａ等とは異なる面内であり且つＦＤ部を覆うような位置にセル電源線vdd を配置すれば良い。このようにしない場合の開口率は５％程度であったから、３％の開口率向上が実現している。

次に、図３は、図２に示した回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示している。ここで、図３におけるそれぞれの構成要素には、図２に示した回路構成の構成要素と対応する同じ符号を付して示している。但し、ロードトランジスタ１２５ａ、１２５ｂ及び１２５ｃと、ロードゲート線１３３と、ソース電源線１３４と、リセットパルス線１３５、２３５及び３３５と、選択パルス線１３６、２３６及び３３６とについては省略している。

このようなレイアウトとすると、光電変換部のピッチを水平方向及び垂直方向において等間隔にすることができる。これによって、高画質の画像を得ることが容易になる。但し、このようなレイアウトに限るものではない。

次に、第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。

図４は、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ及び転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。

動作の初期の状態においては、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ及び転送トランジスタはいずれもオフ状態である。

本実施形態の固体撮像装置においては、１つの列グループに含まれる３つの光電変換セルから同時に信号を読み出すことにより、３行同時に信号の読み出しを行なうようになっている。

また、一連の動作は、水平ブランキング期間内に完結するから、図２に示した３つの光電変換セルについて電荷を検出する１回の水平ブランキング期間の動作について説明する。

光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａの電荷を転送するため、ロードトランジスタ１２５ａ、１２５ｂ及び１２５ｃに所定の一定電荷を印加しておく。また、セル電源線vdd には、常に一定の電圧が印可されている。本実施形態においては、電源電圧が３．３Ｖであるため、セル電源線vdd には３．３Ｖの電圧が印可されている。

この状態で、選択パルス線１３６、２３６及び３３６を用いてそれぞれスイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をオン状態とし（時刻Ｔ₁ ）、更にリセットパルス線１３５、２３５及び３３５を用いてそれぞれリセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２をオン状態とする（時刻Ｔ₂ ）。これによって、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１の電荷を掃き出し、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１をリセットする。これと共に、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１のリセット時の信号レベルがそれぞれ画素アンプトランジスタ１２３、２２３及び３２３によって検出され、更にスイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４と、信号線１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃとを通じて出力され、ノイズキャンセル回路（図示省略）においてそれぞれ参照レベルとしてクランプされる。

次に、リセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２をオフ状態にした後、３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３に共通する読み出しパルス線１３１ａにパルス電圧を供給し、転送トランジスタ１２１ａ、２２１ａ及び３２１ａを全てオン状態とする（時刻Ｔ₃ ）。これによって光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａに蓄積されている電荷をそれぞれＦＤ部１１１、２１１及び３１１に転送する。これと共に、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１に転送された電荷がそれぞれ画素アンプトランジスタ１２３、２２３及び３２３によって検出され、更にそれぞれスイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４と、信号線１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃとを通じて信号が出力され、ノイズキャンセル回路においてそれぞれ蓄積信号レベルとしてサンプリングされる。このようにして、参照レベルと信号レベルの差を取ることにより、画素アンプトランジスタ１２４等の有する閾値ばらつき及びノイズ成分等を除去した出力信号を検出することができる。

次に、スイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をオフ状態にする（時刻Ｔ₄ ）ことにより、それぞれ画素アンプトランジスタ１２３、２２３及び３２３が信号を出力しない状態とする。

以上により、３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３について光電変換部の電荷を検出する動作は終了する。

この後、次に３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３の含まれる３行が選択されるまでの間、該３行に含まれる光電変換部は非選択状態となり、動作しない。

また、該３行以降についても、該３行と同様に３行ずつ同時に出力信号が検出される。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置は、３行ずつ同時に出力信号の読み出しを行うことができるため、１行ずつ出力信号の読み出しを行なっていた従来の固体撮像装置と比較すると、３倍の速さで全光電変換セルからの信号を読み出すことができる。

尚、本実施形態の固体撮像装置においては、同じ列グループに含まれる３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３はそれぞれ順にリセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２を有し、それぞれリセットパルス線１３５、２３５及び３３５が接続されている。また、このような３つのリセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２によって、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１をそれぞれ個別にリセットするようになっている。

しかし、１つの列グループにおいて共有する１つのリセットトランジスタを形成し、該１つのリセットトランジスタによって３つのＦＤ部１１１、２１１及び３１１をリセットするようにしても良い。

このようにすると、リセットトランジスタの数を削減することができ、光電変換セルのサイズを縮小することができると共に、光電変換部の開口率を向上できる。

また、本実施形態の固体撮像装置においては、１つの列グループには３つの光電変換セルが含まれており、これによって３行ずつ同時に出力信号の読み出しを行ないようになっている。しかし、１つの列グループに含まれる光電変換セルの数は３つには限られず、２つ以上であれば良い。例えば２つとすると、２行ずつ同時に読み出すことができ、読み出し速度は２倍となる。ここで、信号線は、同時に読み出す行の数と同数必要になる。

（第１の実施形態の変形例）
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。

第１の実施形態の固体撮像装置においては、光電変換セルはそれぞれスイッチングトランジスタを備えており、これによって出力信号を出力するタイミングを制御するようになっている。

これに対し、第１の実施形態の変形例においては、スイッチングトランジスタを用いない回路構成としている。具体的には、図２に示した回路構成から、スイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をいずれも取り除いた回路構成となっている。ここで、第１の実施形態においてはスイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４のドレインにそれぞれ接続されている画素アンプトランジスタ１２３、２２３及び３２３のソースは、それぞれ信号線１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃに接続するようにする。

このような回路構成とする場合の１回の水平ブランキング期間の動作について、図５を用い、図４と比較して説明する。

図５は、セル電源線vdd 、リセットトランジスタ及び転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。

動作の初期の状態においては、セル電源線vdd にはLow 電圧が供給されており、またリセットトランジスタ及び転送トランジスタはいずれもオフ状態である。

第１の実施形態の場合にはスイッチングトランジスタをオン状態とした時刻である時刻Ｔ₁ （図４参照）において、本変形例の場合には、それまでLow 電圧を供給していたセル電源線vdd にHigh電圧を供給する。

時刻Ｔ₂ においては、第１の実施形態と同様に、本変形例においてもリセットトランジスタをオン状態とする。これにより、第１の実施形態と同様に、ＦＤ部をリセットすると共に参照レベルの信号をノイズキャンセル回路においてクランプする。この後、リセットトランジスタはオフ状態に戻す。

次に、時刻Ｔ₃ において転送トランジスタをオン状態として、光電変換部からＦＤ部に電荷を転送する。これと共に、蓄積信号レベルをノイズキャンセル回路においてサンプリングする。この後、転送トランジスタをオフ状態に戻し、更にその後、セル電源線vdd にLow 電圧を供給する。

続いて、第１の実施形態では選択トランジスタをオフ状態とした時刻Ｔ₄ において、本変形例においては、リセットトランジスタをオン状態とする。これによって、ＦＤ部はセル電源線vdd と同じLow 電圧となるから、画素アンプトランジスタは動作しない状態となる。この後、リセットトランジスタをオフ状態に戻す。

以上のようにすると、第１の実施形態の変形例におけるスイッチングトランジスタを用いない回路構成を有する固体撮像装置においても、出力信号を適切に読み出すことができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。

図６は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルの配列の一例を説明する図である。

図６に示すように、第２の実施形態の固体撮像装置においては、基板Ｓ上に、入射された光を強度に応じて光電変換する機能を有する光電変換セルＣが配列され、行列を形成している。また、同一列に含まれ且つ隣接する３つの光電変換セルＣによって列グループＣＧが形成されていると共に、同一行に含まれ且つ隣接する２つの光電変換セルＣによって、行グループＲＧが形成されている。

次に、図７は、第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を示している。図７には、３行２列、言い換えると、３つの行グループＲＧ１、ＲＧ２及びＲＧ３属する６つの光電変換セルを拡大して示している。また、これら６つの光電変換セルは、列グループは図示はしていないが、２つの列グループに属することにもなる。

図７に示す第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成は、同一の行グループに含まれる複数の光電変換セルによって回路構成の一部が共有されている点において図２に示した第１の実施形態の場合の回路構成と異なっている。これについて、以下に、具体的に説明する。

行グループＲＧ１は、同一列に含まれ且つ隣接する２つの光電変換セルからなる行グループである。ここで、行グループＲＧ１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルＣ１と同様に、光電変換部１０１ａと、転送トランジスタ１２１ａと、ＦＤ部１１１と、リセットトランジスタ１２２と、画素アンプトランジスタ１２３と、スイッチングトランジスタ１２４とを備えている。更に、行グループＲＧ１において、読み出しパルス線１３１ａ、信号線１３２ａ、リセットパルス線１３５、選択パルス線１３６及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続され、信号線１３２ａにはロードトランジスタ１２５ａが接続されている。これらの構成は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルＣ１と同様であるため、詳しい説明は省略する。

以上の構成に加え、行グループＲＧ１は、光電変換部１０１ｂと転送トランジスタ１２１ｂとを備え且つ読み出しパルス線１３１ｂが接続されている。ここで、光電変換部１０１ｂは、光電変換部１０１ａと同様に陽極が接地され且つ陰極が転送トランジスタ１２１ｂのソースに接続されている。また、転送トランジスタ１２１ｂは、ソースが光電変換部１０１ｂの陰極に接続され、ドレインがＦＤ部１１１、リセットトランジスタ１２２のソース及び画素アンプトランジスタ１２３のゲートに接続され且つゲートが読み出しパルス線１３１ａに接続されている。

以上のように、行グループＲＧ１に含まれる２つの光電変換セルは、ＦＤ部１１１、リセットトランジスタ１２２、画素アンプトランジスタ１２３、スイッチングトランジスタ１２４、信号線１２３ａ、リセットパルス線１３５及びスイッチングパルス線１３６を共有している。

次に、行グループＲＧ２は、行グループＲＧ１と同様の構成を有している。つまり、第１の実施形態に係る光電変換セルＣ２と同様の構成（図２と同じ符号を付けることによって説明を省略する）に加え、行グループＲＧ２は、光電変換部２０１ｂと転送トランジスタ２２１ｂとを備え且つ読み出しパルス線１３１ｂが接続されている。これらは、行グループＲＧ１と同様の構成であるため、詳しい説明は省略する。

また、行グループＲＧ３についても、行グループＲＧ１と同様の構成を有している。つまり、第１の実施形態に係る光電変換セルＣ３と同様の構成（図２と同じ符号を付けることによって説明を省略する）に加え、行グループＲＧ３は、光電変換部３０１ｂと転送トランジスタ３２１ｂとを備え且つ読み出しパルス線１３１ｃが接続されている。これらは、行グループＲＧ１と同様の構成であるため、詳しい説明は省略する。

以上の構成において、光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａをそれぞれ有する３つの光電変換セルは同一の列グループに含まれ、また、光電変換部１０１ｂ、２０１ｂ及び３０１ｂをそれぞれ有する３つの光電変換セルとは同一の列グループに含まれている。

以上のようにすることにより、第２の実施形態の固体撮像装置に係る撮像領域の回路構成において、同一の列グループに含まれる３つの光電変換セルがそれぞれ有する転送トランジスタ１２１ａ、２２１ａ及び３２１ａは、いずれもゲートが共通の読み出しパルス線１３１ａに接続され且つ読み出しパルス線１３１ａによって一括して制御されている。同様に、先とは別の同一の列グループに含まれる３つの光電変換セルがそれぞれ有する転送トランジスタ１２１ｂ、２２１ｂ及び３２１ｂについても、いずれもゲートが共通の読み出しパルス線１３１ｂに接続され且つ読み出しパルス線１３１ｂによって一括して制御されている。

また、スイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４は、ソースが順に信号線１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃに接続され、３つの行グループＲＧ１、ＲＧ２及びＲＧ３がそれぞれ個別に信号を出力できるようになっている。

このようにして、第１の実施形態の場合と同様に３行同時に信号を読み出すことができ、従来の固体撮像装置に比べて高速で信号を読み出すことができる。

これと共に、同じ行グループに含まれる複数の光電変換セルによって一部構成要素を共有することにより、トランジスタ及び配線等の構成要素の数を削減することができ、光電変換セルにおける光電変換部の占める割合（開口率）を上昇させることができる。具体的には、本実施形態においてはＦＤ部、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ、スイッチングトランジスタ、リセットパルス線及び選択パルス線等を１つの行グループにおいて共有している。このことにより、例えば光電変換セルの面積が４．１μｍ×４．１μｍである場合において、０．３５μｍルールで設計を行なうとすると、本実施形態の固体撮像装置の回路構成においては光電変換部の開口率は約２５％ととなる。第１の実施形態の固体撮像装置の場合には開口率は５％程度であったから、これに比べて２０％程度向上している。

尚、光電変換セルに電位を供給するセル電源線vdd が、ＦＤ部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての役割を果たす構造とすると、更なる光電変換セルの縮小及び開口率の向上を実現できる。このため、開口率は例えば２８％に向上する。このようにするには、信号線１３２ａ等とは異なる面内であり且つＦＤ部を覆うような位置にセル電源線vdd を配置すれば良い。

次に、図８は、図７に示した回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示している。ここで、図８におけるそれぞれの構成要素には、図７に示した回路構成の構成要素と対応する同じ符号を付して示している。但し、ロードトランジスタ１２５ａ、１２５ｂ及び１２５ｃと、ロードゲート線１３３と、ソース電源線１３４と、リセットパルス線１３５、２３５及び３３５と、選択パルス線１３６、２３６及び３３６とについては省略している。

このようなレイアウトとすると、光電変換部のピッチを水平方向及び垂直方向において等間隔にすることができる。これによって、高画質の画像を得ることが容易になる。但し、このようなレイアウトに限るものではない。

次に、第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。

図９は、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ、奇数列の転送トランジスタ及び偶数列の転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。

ここで、一連の動作は、水平ブランキング期間内に完結する。また、本実施形態においては、同じ列に含まれ且つ隣接する３つの光電変換セルを１つの列グループとすると共に、列グループ毎に信号の読み出しを行なっているから、３行同時に読み出しを行なうことになる。更に、本実施形態では、奇数列の光電変換セルと偶数列の光電変換セルとを交互に読み出すようになっている。

以上から、ある水平ブランキング期間において第１行から第３行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換セルについて出力信号の検出を行ない、次の水平ブランキング期間内において第１行から第３行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換セルについて出力信号の検出を行なう。第４行目以降においても同様に、３行ずつ同時に、奇数列と偶数列との光電変換セルについて交互に出力信号の検出を行なう。

ここで、奇数列の光電変換セルについて検出を行なう水平ブランキング期間を水平ブランキング１、偶数列の光電変換セルについて検出を行なう水平ブランキング期間を水平ブランキング２と呼ぶことにし、図９は、水平ブランキング１及び水平ブランキング２を一度ずつ行なう期間についてタイミングを示している。

また、図７に示した回路構成において、行グループＣＧ１、ＣＧ２及びＣＧ２は、順に光電変換セルからなる行列の第１行、第２行及び第３行に含まれるものとする。また、光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａを含む光電変換セルは奇数列に、光電変換部１０１ｂ、２０１ｂ及び３０１ｂを含む光電変換セルは偶数列に含まれるものとする。

まず、第１行から第３行までに含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換部（ここでは光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａ）の電荷を検出する動作（水平ブランキング１に相当する）について説明する。

水平ブランキング１において、まず、第１行から第３行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換部（ここでは光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａ）の電荷を転送するため、ロードトランジスタ１２５ａ、１２５ｂ及び１２５ｃに所定の一定電荷を印加しておく。また、水平ブランキング１の間を通じて、転送トランジスタ１２１ｂ、２２１ｂ及び３２１ｂはオフ状態としておく。また、セル電源線vdd には、本実施形態では３．３Ｖの一定電圧が印加されている。

このようにすると、水平ブランキング１は、図２に示した第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成における電荷の検出と同様に行うことができる。

つまり、前記の状態において、スイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をオン状態とし（時刻Ｔ₂₁）、更にリセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２をオン状態とする（時刻Ｔ₂₂）。これによって、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１をそれぞれリセットされる。また、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１のリセット時の信号レベルがそれぞれ信号線１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃを通じて出力され、ノイズキャンセル回路においてそれぞれ参照レベルとしてクランプされる。

次に、リセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２をオフ状態にした後、３つの光電変換セルＣ１、Ｃ２及びＣ３に共通する読み出しパルス線１３１ａにパルス電圧を供給し、３つの転送トランジスタ１２１ａ、２２１ａ及び３２１ａを全てオン状態とする（時刻Ｔ₂₃）。これによって光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａに蓄積されている電荷をそれぞれＦＤ部１１１、２１１及び３１１に転送する。また、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１の電荷を検出して、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングする。このようにして、第１の実施形態と同様に光電変換部１０１ａ、２０１ａ及び３０１ａからの出力信号をそれぞれ個別に検出することができる。

次に、スイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をオフ状態にする（時刻Ｔ₂₄）ことにより、それぞれ画素アンプトランジスタ１２３、２２３及び３２３が信号を出力しない状態とする。

以上により、第１行から第３行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換部の電荷を検出する作業（水平ブランキング１）は終了する。

次に、第１行から第３行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換部（ここでは光電変換部１０１ｂ、２０１ｂ及び３０１ｂ）の電荷を検出する作業（水平ブランキング２に相当する）について説明する。

光電変換部１０１ｂ、２０１ｂ及び３０１ｂの電荷を検出するため、水平ブランキング１と同様に、ロードトランジスタ１２５ａ、１２５ｂ及び１２５ｃには所定の一定電荷を印加しておく。また、水平ブランキング１の間を通じて、転送トランジスタ１２１ａ、２２１ａ及び３２１ａはオフ状態としておく。

この状態で、水平ブランキング１の際と同様にスイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をオン状態とし（時刻Ｔ₂₅）、更にリセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２をオン状態とする（時刻Ｔ₂₆）ことにより、ＦＤ部１１１の電荷を掃き出してリセットする。これと共に、水平ブランキング１の際と同様にＦＤ部１１１、２１１及び３１１のリセット時の信号レベルがそれぞれ出力され、ノイズキャンセル回路において参照レベルとしてクランプされる。

次に、リセットトランジスタ１２２、２２２及び３２２をオフにした後、水平ブランキング１の際とは異なり且つ３つの行グループＲＧ１、ＲＧ２及びＲＧ３に共通する読み出しパルス線１３１ｂにパルス電圧を供給し、水平ブランキング１の際とは異なる３つの転送トランジスタ１２１ｂ、２２１ｂ及び３２１ｂをオン状態とする（時刻Ｔ₂₇）。これにより、水平ブランキング１の際とは異なる光電変換部１０１ｂ、２０１ｂ及び３０１ａに蓄積されている電荷を、水平ブランキング１の際と同じＦＤ部１１１、２１１及び３１１にそれぞれ転送する。また、ＦＤ部１１１、２１１及び３１１の電荷を検出して、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングする。このようにして、第１の実施形態と同様に光電変換部１０１ｂ、２０１ｂ及び３０１ｂからの出力信号をそれぞれ個別に検出することができる。

次に、スイッチングトランジスタ１２４、２２４及び３２４をオフ状態にする（時刻Ｔ₂₈）ことにより、画素アンプトランジスタ１２３、２２３及び３２３が信号を出力しない状態とする。

以上により、第１行から第３行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換部の電荷を検出する動作（水平ブランキング２）は終了する。

この後、次に第１行から第３行までが選択されるまでの間、第１行から第３行までに含まれる光電変換部は非選択状態となり、動作しない。

また、該３行以降についても、該３行と同様に３行ずつ同時に且つ奇数列と偶数列とを交互に出力信号が検出される。

以上のように、第２の実施形態の固体撮像装置においては、同じ列に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セル（列グループ）について同時に信号を検出することにより、同時に複数行の信号読み出しを可能とし、全光電変換セルからの信号読み出しを高速化している。また、同じ行に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セル（行グループ）によって構成要素の一部を共有することにより、構成要素の数を削減して光電変換部の開口率を向上している。この結果、奇数列と偶数列とを交互に読み出し且つ３行同時に読み出すことから、本実施形態の固体撮像装置は、光電変換セル１つずつ信号を読み出し且つ構成要素の共有をしていない従来の固体撮像装置と比較すると、１．５倍の速度で全光電変換セルからの信号読み出しを行うことができる。

尚、第２の実施形態においては、光電変換セルはそれぞれスイッチングトランジスタを備えており、これによって出力信号を出力するタイミングを制御するようになっている。しかし、第１の実施形態の変形例と同様に、スイッチングトランジスタを用いない回路構成とすると共に、セル電源線vdd の電圧の制御とリセットトランジスタを利用して、信号を出力するタイミングを制御してもよい。

また、本実施形態の固体撮像装置においては、１つの列グループには３つの光電変換セルが含まれており、これによって３行ずつ同時に出力信号の読み出しを行ないようになっている。しかし、１つの列グループに含まれる光電変換セルの数は３つには限られず、２つ以上であれば良い。ここで、信号線は、同時に読み出す行の数と同数必要になる。

本発明の固体撮像装置は、複数行同時に信号読みだしを行なうことを可能としており、高速に全光電変換セルからの信号を読み出すことのできる固体撮像装置として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における光電変換セルの配列を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置における撮像領域の回路の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における光電変換セルの配列を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路の動作を示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置における撮像領域の回路構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ 光電変換部
１１１、２１１、３１１ フローティングディフュージョン部
１２１ａ、１２１ｂ、２２１ａ、２２１ｂ、３２１ａ、３２１ｂ 転送トランジスタ
１２２、２２２、３２２ リセットトランジスタ
１２３、２２３、３２３ 画素アンプトランジスタ
１２４、２２４、３２４ スイッチングトランジスタ
１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ ロードトランジスタ
１３１ａ、１３１ｂ 読み出しパルス線
１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ 信号線
１３３ ロードゲート線
１３４ ソース電源線
１３５、２３５、３３５ リセットパルス線
１３６、２３６、３３６ 選択パルス線
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 光電変換セル
ＣＧ 列グループ
ＲＧ、ＲＧ１、ＲＧ２、ＲＧ３ 行グループ
Ｓ 基板

Claims (10)

1. 行列を構成するように配列されており、光電変換を行なう光電変換部をそれぞれ有する複数の光電変換セルを備えた固体撮像装置であって、
   前記複数の光電変換セルのうち、同一の列に含まれ且つ隣り合う行に配列されている一組の前記光電変換セル毎に複数の列グループが構成されており、
   前記複数の光電変換部に接続され且つ前記複数の光電変換部から電荷が転送される複数のフローティングディフュージョン部と、
   前記複数の光電変換部と前記複数のフローティングディフュージョン部との間に設けられ且つ前記複数の光電変換部から前記複数のフローティングディフュージョン部に電荷を転送する複数の転送トランジスタと、
   前記複数の列グループ中の前記複数の転送トランジスタを共通して制御する複数の読み出しパルス線と、
   前記複数のフローティングディフュージョン部の電位を検出し、信号として出力する複数の画素アンプトランジスタと、
   前記複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するための複数の信号線とを備えていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の光電変換セルのうち、同一の行に含まれ且つ隣接する複数の前記光電変換セル毎に複数の行グループが形成され、
   前記複数のフローティングディフュージョン部は、前記各行グループに含まれる前記各光電変換部から電荷が転送される共通のフローティングディフュージョン部であり、
   前記複数の読み出しパルス線は、前記各行グループに含まれる複数の前記転送トランジスタに対して個別に形成されている複数の読み出しパルス線であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素アンプトランジスタ及び前記複数の信号線は、いずれも前記行グループ毎に共通して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記行グループ毎に共通して形成された、
   前記複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御する複数のスイッチングトランジスタと、
   前記複数のスイッチングトランジスタを制御する複数の選択パルス線とを更に備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数のフローティングディフュージョン部をリセットする複数のリセット手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の記載の固体撮像装置。
6. 前記複数のリセット手段は、前記行グループ毎に共通して形成された、前記各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び前記複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記複数のリセット手段は、前記列グループ毎に共通して形成された、前記各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び前記複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
8. 少なくとも前記複数の光電変換部の間のピッチについて、少なくとも水平方向又は垂直方向のいずれか一方の方向に関して等ピッチに形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路を更に備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
10. 前記複数の光電変換セルに電位を供給する複数の電源線を更に備え、
    前記複数の電源線は前記フローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の固体撮像装置。

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