專利名稱：固體攝像裝置、固體攝像裝置的驅(qū)動方法以及電子設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固體攝像裝置、固體攝像裝置的驅(qū)動方法以及電子設備，特別涉及具 有全局快門(global shutter)功能的X-Y地址方式的固體攝像裝置、該固體攝像裝置的驅(qū) 動方法以及具有該固體攝像裝置的電子設備。
背景技術：
固體攝像裝置被大致分為以 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器為代表的X-Y地址方式的固體攝像裝置、與以 (XD(Charge Coupled Device，電荷耦合器件)圖像傳感器為代表的電荷傳送方式的固體攝 像裝置。此處，CMOS圖像傳感器可以實現(xiàn)像素信號的隨機訪問，進而具有與CCD圖像傳感 器相比像素信號的讀出為高速且低功耗這樣的特長。另外，大部分的CMOS圖像傳感器將積蓄在光電變換部中的信號電荷傳送給電荷 電壓變換部，將通過該電荷電壓變換部得到的電壓作為輸出。電子快門功能是通過周期性 地對電荷電壓變換部進行復位而實現(xiàn)的。CMOS圖像傳感器的電子快門功能的快門方式是對 于二維排列的多個像素針對每個像素行進行曝光的開始以及結束的設定的所謂卷簾快門 (rolling shutter)(還稱為焦平面快門(focal planeshutter))方式。因此，卷簾快門方式的CMOS圖像傳感器與對所有像素在同一定時進行曝光的全 局快門方式的CCD圖像傳感器不同，針對每個像素行曝光期間被錯開(不同)。于是，在針 對每個像素行錯開曝光期間時，在對移動著的物體進行攝影的情況下，在攝像圖像中產(chǎn)生 失真。為了實現(xiàn)全局快門功能，以往，采用如下結構在像素內(nèi)相對將電荷變換為信號電 壓的浮動擴散(floating diffusion)部并聯(lián)地連接電荷積蓄用電容器，在該電容器中積蓄 電荷(例如參照專利文獻1)。進而，為了實現(xiàn)全局快門功能，并且在像素內(nèi)可以放大信號電壓，采用如下結構 針對一個像素設置兩個電荷積蓄用電容器，根據(jù)這些兩個電容器的電容比具有放大功能 (例如參照專利文獻2)。專利文獻1 日本特開平11-177076號公報專利文獻2 日本特開2005-65074號公報在專利文獻1記載的以往技術中，為了實現(xiàn)電荷保持時間的延長、抗擾性的提高， 需要將電荷積蓄用電容器的電容值設定得較大。但是，在增大電荷積蓄用電容器的電容值 時，浮動擴散部的電容增加而電荷電壓的變換效率降低。即，電荷積蓄用電容器的電荷保持 時間與浮動擴散部的變換效率處于折衷(trade off)的關系。另外，電荷積蓄用電容器必需可以保持從光電變換部完全傳送的所有電荷。因此， 作為電荷積蓄用電容器的面積，需要與光電變換部相同程度的面積，所以專利文獻1記載 的以往技術無法應對像素的縮小化。進而，由于是對信號進行對數(shù)壓縮，并通過電流鏡電路 進行放大的結構，所以需要抑制放大晶體管的閾值電壓Vth的偏差，為了提高放大率而需
4要增大放大晶體管的尺寸，故無法應對小型化。而且，由于無法去除復位時的KTC噪聲，所 以無法抑制像素固有的固定圖案噪聲。另一方面，在專利文獻2記載的以往技術中，進而需要對兩個電荷積蓄用電容器 分別進行復位的兩個復位晶體管，所以必需集成到一個像素中的元件數(shù)變多，所以難以實 現(xiàn)高集成化。另外，關于像素的復位，對于復位信號，也需要兩個系統(tǒng)，所以驅(qū)動像素的周邊 的驅(qū)動電路的結構變得復雜。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種固體攝像裝置、該固體攝像裝置的驅(qū)動方法以 及具有該固體攝像裝置的電子設備，不會降低將電荷變換為電壓時的變換效率，而可以實 現(xiàn)高集成化。本發(fā)明的固體攝像裝置成為配置有單位像素的結構，其特征在于，該單位像素包 括傳送晶體管，從光電變換部向浮動擴散部(FD部)傳送電荷；第一復位晶體管，對上述浮動擴散部進行復位；電荷積蓄用電容器；充電晶體管，根據(jù)上述浮動擴散部的電荷，對上述電荷積蓄用電容器進行充電；第二復位晶體管，對上述電荷積蓄用電容器進行復位；放大晶體管，輸出與上述電荷積蓄用電容器的電荷對應的電信號；以及選擇晶體管，將上述放大晶體管選擇性地設為動作狀態(tài)。在上述結構的固體攝像裝置中，充電晶體管存在于用于實現(xiàn)全局快門功能的電荷 積蓄用電容器與FD部之間，從而電荷積蓄用電容器與FD部的電容沒有并聯(lián)連接，不會通過 插入電荷積蓄用電容器而使FD部的電容值大幅變化。由此，可以同時滿足處于折衷關系的 電荷積蓄用電容器的電荷保持時間與FD部的變換效率。具體而言，通過將電荷積蓄用電容 器的電容值設定得較大，不會降低FD部的變換效率，而可以實現(xiàn)電荷積蓄用電容器的電荷 保持時間的延長、抗擾性的提高。而且，在單位像素各自中，僅追加一個電荷積蓄用電容器 與兩個晶體管(充電晶體管以及第二復位晶體管)，從而可以通過少的元件數(shù)實現(xiàn)全局快 門功能。根據(jù)本發(fā)明，可以同時滿足處于折衷關系的電荷積蓄用電容器的電荷保持時間與 FD部的變換效率，并且可以通過少的元件數(shù)實現(xiàn)全局快門功能，所以不會降低FD部的變換 效率，而可以實現(xiàn)高集成化。


圖1是示出應用了本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的結構的概略的系統(tǒng)結構圖。圖2是示出第一實施方式的單位像素的電路結構的電路圖。圖3是用于說明第一實施方式的單位像素的電路動作的時序圖。圖4是示出第二實施方式的像素共用的電路結構的電路圖。圖5是用于說明第一實施方式的像素共用的電路動作的時序圖。圖6是示出背面入射型的像素結構的一個例子的剖面圖。
圖7是示出使用疊層型電容器形成了電荷積蓄用電容器時的像素布局的概略俯 視圖。圖8是示出沿著圖7的A-A’線的剖面結構的剖面圖。圖9是示出本發(fā)明的攝像裝置的結構例的框圖。
標號說明10CM0S圖像傳感器11像素陣列部12垂直驅(qū)動部13 列(column)處理部14水平驅(qū)動部15系統(tǒng)控制部16像素驅(qū)動線17垂直信號線18半導體基板(芯片)20 (20-1 20-4)單位像素21 (21-1 21-4)光電二極管22 (22-1 22-4)第一傳送晶體管23第一復位晶體管24(24-1 24-4)充電晶體管25放大晶體管26選擇晶體管27第二復位晶體管28 (28-1 28-4)電荷積蓄用電容器29 (29-1 29-4)浮動擴散部(FD 部)30共用電路部31-1 31-4第二傳送晶體管
具體實施例方式以下，使用附圖，對用于實施發(fā)明的方式(以下記述為“實施方式”)進行詳細說 明。另外，按照以下順序進行說明。1.應用了本發(fā)明的固體攝像裝置(CMOS圖像傳感器的例子)2.第一實施方式(像素單獨的例子)3.第二實施方式(像素共用的例子)4.電荷積蓄用電容器(疊層型電容器的例子)5.變形例6.本發(fā)明的電子設備(攝像裝置的例子)(1.本發(fā)明的固體攝像裝置)(系統(tǒng)結構)圖1是示出應用了本發(fā)明的固體攝像裝置、例如X-Y地址型固體攝像裝置的一種即CMOS圖像傳感器的結構的概略的系統(tǒng)結構圖。此處，CMOS圖像傳感器是指，使用CMOS工 藝、或者部分地使用CMOS工藝而制作的圖像傳感器。如圖1所示，本應用例的CMOS圖像傳感器10的結構具有形成在半導體基板(芯 片)18上的像素陣列部11 ；以及在與該像素陣列部11相同的半導體基板18上集成的周邊 電路部。作為周邊電路部，例如設置有垂直驅(qū)動部12、列處理部13、水平驅(qū)動部14以及系 統(tǒng)控制部15。在像素陣列部11中，矩陣狀地二維配置有未圖示的單位像素(以下還有時簡單地 記述為“像素”)，該單位像素包括將入射的可見光光電變換為與其光量對應的電荷量的光 電變換部(例如光電二極管)。而且，雖然省略了圖示，但在每個像素中，分別設置有對入射 光進行聚光的透鏡即所謂的微透鏡、彩色應對時的濾色片等。對于單位像素的具體結構，將 在后面敘述。在像素陣列部11中，還相對矩陣狀的像素排列，針對每個行，沿著圖的左右方向 (像素行的像素排列方向/水平方向)，形成有像素驅(qū)動線16，針對每個列，沿著圖的上下方 向(像素列的像素排列方向/垂直方向)，形成有垂直信號線17。在圖1中，作為像素驅(qū)動 線16僅示出了一根線，但不限于一根線。像素驅(qū)動線16的一端和與垂直驅(qū)動部12的各行 對應的輸出端連接。垂直驅(qū)動部12由移位寄存器、地址解碼器等構成。此處，對于具體的結構雖然省 略了圖示，但垂直驅(qū)動部12具有讀出掃描系統(tǒng)與掃掠掃描(swe印scanning)系統(tǒng)。讀出 掃描系統(tǒng)針對讀出信號的單位像素按照行單位依次進行選擇掃描。另一方面，掃掠掃描系統(tǒng)針對由讀出掃描系統(tǒng)進行讀出掃描的讀出行，進行如下 掃掠掃描與該讀出掃描相比提前快門速度的時間量而從該讀出行的單位像素的光電變換 元件中掃出(復位)不需要的電荷。通過該掃掠掃描系統(tǒng)掃出(復位)不需要電荷，進行 所謂的電子快門動作。此處，電子快門動作是指，去除光電變換元件的光電荷，而重新開始 曝光(開始積蓄光電荷)的動作。通過由讀出掃描系統(tǒng)實現(xiàn)的讀出動作而讀出的信號對應于在其前一讀出動作或 電子快門動作以后入射的光量。于是，從前一讀出動作的讀出定時或電子快門動作的掃出 定時至本次的讀出動作的讀出定時為止的期間成為單位像素中的光電荷的積蓄時間(曝 光時間)。從由垂直驅(qū)動部12選擇掃描的像素行的各單位像素中輸出的信號通過各垂直信 號線17而被供給列處理部13。列處理部13針對像素陣列部11的像素列的每一個，對從選 擇行的各像素20中輸出的模擬的像素信號進行預定的信號處理。作為列處理部13中的信號處理，例如可以舉出CDS(CorrelatedDouble Sampling:相關雙采樣)處理。⑶S處理是如下的處理取入從選擇行的各像素中輸出的復 位電平和信號電平，并取得這些電平之差，從而得到一行的像素的信號，并且去除像素的固 定圖案噪聲。在列處理部13中，還有時具有對模擬的像素信號進行數(shù)字化的AD變換功能。水平驅(qū)動部14由移位寄存器、地址解碼器等構成，對與列處理部13的像素列對應 的電路部分依次進行選擇掃描。通過該水平驅(qū)動部14進行的選擇掃描，由列處理部13針 對每個像素列依次輸出信號處理后的像素信號。系統(tǒng)控制部15接收從半導體基板18的外部提供的時鐘、指令動作模式的數(shù)據(jù)等，并且輸出該CMOS圖像傳感器10的內(nèi)部信息等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制部15進而具有生 成各種定 時信號的定時發(fā)生器，根據(jù)由該定時發(fā)生器生成的各種定時信號，進行垂直驅(qū)動部12、列處 理部13以及水平驅(qū)動部14等的驅(qū)動控制。在上述結構的CMOS圖像傳感器10中，對單位像素20附加臨時積蓄電荷的電荷積 蓄用電容器，從而可以實現(xiàn)對所有像素在同一定時進行曝光的全局快門功能。此處，對所 有像素在同一定時進行曝光是指，所有像素同時開始曝光，并同時結束曝光。以下，對附加 了用于實現(xiàn)全局快門功能的電荷積蓄用電容器時的單位像素20的具體的實施方式進行說 明。(2.第一實施方式)(電路結構)圖2是示出第一實施方式的單位像素20的電路結構的電路圖。如圖2所示，本實 施方式的單位像素20除了作為光電變換部的例如光電二極管21以外，例如還具有六個晶 體管22 27與一個電容器28。此處，電容器28是用于實現(xiàn)全局快門功能的電荷積蓄用電容器。此處，例如，作為晶體管22、23、25 27，使用N溝道的M0S晶體管，作為晶體管24 使用耗盡(expression)型的M0S晶體管。但是，此處例示的晶體管22 27的導電型的組 合只不過是一個例子，不限于這些組合。針對該單位像素20，作為像素驅(qū)動線16，例如對于同一像素行的各像素共用地布 線傳送線161、第一復位線162、選擇線163以及第二復位線164這四個像素驅(qū)動線。傳送 線161、第一復位線162、選擇線163以及第二復位線164的各一端按照像素行單位和與垂 直驅(qū)動部12的各像素行對應的輸出端連接。以下，在六個晶體管22 27中，將晶體管22稱為傳送晶體管，將晶體管23稱為 第一復位晶體管，將晶體管24稱為充電晶體管。進而，將晶體管25稱為放大晶體管，將晶 體管26稱為選擇晶體管，將晶體管27稱為第二復位晶體管。光電二極管21的陽極電極被接地，將受光的光光電變換為與其光量對應的電荷 量的光電荷(此處為光電子)并積蓄該光電荷。光電二極管21的陰極電極與作為傳輸門 的傳送晶體管22的一個主電極(漏電極/源電極)連接。傳送晶體管22的另一個主電極(源電極/漏電極)與作為傳輸門的充電晶體管 24的柵電極連接。將傳送晶體管22的另一個主電極與充電晶體管24的柵電極電連接的節(jié) 點29稱為FD(浮動擴散)部。即，傳送晶體管22連接在光電二極管21的陰極電極與FD 部29之間。向傳送晶體管22的柵電極，經(jīng)由傳送線161，提供高電平(例如Vdd電平，Vdd是 正的電源電平)為激活(以下記述為“High激活”)的傳送信號TG。由此，傳送晶體管22 成為導通狀態(tài)，將由光電二極管21光電變換并積蓄在該光電二極管21中的光電荷傳送給 FD 部 29。第一復位晶體管23的漏電極與正側電源Vdd連接，源電極與FD部29連接。向第 一復位晶體管23的柵電極，經(jīng)由第一復位線162，提供High激活的第一復位信號FRST。由 此，第一復位晶體管23成為導通狀態(tài)，將FD部29的電荷提供(丟棄)給像素電源Vdd，從 而對該FD部29進行復位。
充電晶體管24的柵電極與FD部29連接，漏電極與負側電源Vss連接。該充電晶 體管24例如由耗盡型的M0SFET(Field Effect Transistor，場效應晶體管)構成，根據(jù)FD 部29的電荷，對連接在源電極與基準電位節(jié)點(例如接地)之間的電荷積蓄用電容器28 進行充電。對于電荷積蓄用電容器28的詳細內(nèi)容，在后面敘述。作為充電晶體管24，優(yōu)選為閾值電壓是負的常導通類型并且導電性根據(jù)輸入電壓 而變化的元件，例如可以使用埋入溝道型的MOSFET、J (Junction，結型)FET。放大晶體管25的柵電極與電荷積蓄用電容器的一個端子(充電晶體管24的源電 極)連接，漏電極與正側電源Vdd連接。于是，放大晶體管25輸出與積蓄在電荷積蓄用電 容器中的電荷對應的電信號。例如，選擇晶體管26的漏電極與放大晶體管25的源電極連接，源電極與垂直信號 線17連接。選擇晶體管26通過對柵電極經(jīng)由選擇線163提供High激活的選擇信號SEL 而成為導通狀態(tài)，使放大晶體管25成為動作狀態(tài)。即，選擇晶體管26使單位像素20成為選擇狀態(tài)而將從放大晶體管25輸出的信號 向垂直信號線17中繼。另外，對于選擇晶體管26，還可以采用連接在正側電源Vdd與放大 晶體管25的漏極之間的電路結構。第二復位晶體管27的漏電極與電荷積蓄用電容器的一個端子(充電晶體管24的 源電極)連接，源電極被接地。在第二復位晶體管27中，向柵電極經(jīng)由第二復位線164提 供High激活的第二復位信號CRST。由此，第二復位晶體管27成為導通狀態(tài)，將電荷充電用 電容器28的電荷供給(丟棄)給接地，從而對該電容器28進行復位。(電路動作)矩陣狀地二維配置了上述結構的單位像素20而成的CMOS圖像傳感器10如上所 述，具有在由垂直驅(qū)動部12進行的驅(qū)動之下執(zhí)行的電子快門功能、特別是全局快門功能。該全局快門功能是在所有像素中通過利用第一復位晶體管23同時對FD部29進 行了復位之后，在所有像素中同時從光電二極管21進行電荷的讀出而實現(xiàn)的。此處的電荷 的讀出是指，從光電二極管21中讀出電荷并將該電荷保持在FD部29、作為存儲元件的電荷 積蓄用電容器28中。以下，使用圖3的時序圖，對上述結構的單位像素20的電路動作進行說明。在圖 3的時序圖中，示出傳送信號TG、選擇信號SEL、第一復位信號FRST以及第二復位信號CRST 這些各脈沖信號的定時關系。在說明電路動作時，將High(高)電平(以下記載為“‘H’電 平”)設為超過MOSFET的閾值電壓Vth的電壓、例如Vdd電平，將Low(低)電平(以下記 述為“‘L’電平”)設為0V。在曝光結束的時刻til傳送信號TG成為“H”電平時，傳送晶體管22成為導通狀態(tài) 而將積蓄在光電二極管21中的光電荷傳送給FD部29。于是，在FD部29中進行電荷-電 壓變換，產(chǎn)生與從光電二極管21傳送的電荷量對應的電壓。FD部29中的變換效率與該FD 部29的電容值成反比例。FD部29中產(chǎn)生的電壓作為輸入電壓被施加給充電晶體管24的 柵電極。一般來講，用作充電晶體管24的MOSFET的輸入阻抗非常大，所以FD部29內(nèi)的電 荷不會經(jīng)由充電晶體管24泄漏到基板而損失。因此，只要FD部29沒有被復位，F(xiàn)D部29內(nèi) 的電壓就被保持為由從光電二極管21傳送的電荷量與FD部29的電容值決定的電壓VFD。
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接下來，在時刻tl2第二復位信號CRST成為“H”電平時，第二復位晶體管27成為 導通狀態(tài)而對電荷積蓄用電容器28進行復位。即，電荷積蓄用電容器28內(nèi)的電荷經(jīng)由第 二復位晶體管27供給(丟棄)給接地側，從而對電荷積蓄用電容器28進行復位。即使電荷積蓄用電容器28被復位，由于充電晶體管24存在于FD部29與電荷積 蓄用電容器28之間，所以FD部29的電壓VFD也不變化。因此，在電荷積蓄用電容器28的 復位后與復位前，充電晶體管24的輸入電壓不變化。充電晶體管24通過向電荷積蓄用電容器28流過與FD部29的電荷即電壓VFD對 應的電流，而對該電容器28進行充電。然后，在充電晶體管24的輸入電壓VFD與電荷積蓄 用電容器28的端子間電壓成為相同時，充電晶體管24的漏極-源極間電壓成為0，所以充 電晶體管24成為截止(turn off)。通過充電晶體管24的截止，電荷積蓄用電容器28的充電結束。此時，在積蓄于電 荷積蓄用電容器28的電荷中，還包含由于充電晶體管24的閾值偏差而引起的變動量以及 KTC噪聲。此處，KTC噪聲是指，起因于對電荷積蓄用電容器28進行充電的開關動作而發(fā)生 的噪聲。如上所述，充電晶體管24由耗盡型的M0SFET構成。而且，充電晶體管24的閾值 電壓是負，所以該充電晶體管24在向漏極-源極間施加了電壓時，即使沒有施加輸入電壓 也在飽和區(qū)域中動作。即，并非通過輸入電壓而是通過漏極-源極間電壓，來進行充電晶體 管24的導通/截止控制。由此，可以校正充電晶體管24的閾值電壓Vth的偏差。相對耗盡型的M0SFET，在增強型的M0SFET中，如果不施加閾值電壓以上的輸入電 壓，則不進行飽和動作。即，在由增強型的M0SFET構成了充電晶體管24的情況下，通過輸 入電壓進行增強型的M0SFET的導通/截止控制。在該情況下，無法校正充電晶體管24的 Vth偏差。于是，當輸入電壓在增強型的M0SFET的閾值電壓附近變動時，頻繁地發(fā)生導通/ 截止動作的反復，開關噪聲被施加到信號上，所以SN比劣化。相對于此，耗盡型的M0SFET 的閾值電壓是負且是常導通狀態(tài)，所以不會由于輸入電壓的變動而發(fā)生開關噪聲。電荷積蓄用電容器28的端子間電壓被施加給放大晶體管25的柵電極。于是，在 時刻tl3選擇信號SEL成為“H”電平時，選擇晶體管26成為導通狀態(tài)，使放大晶體管25成 為動作狀態(tài)，從而進行像素選擇。由此，放大晶體管25對電荷積蓄用電容器28的端子間電 壓進行放大，經(jīng)由選擇晶體管26向垂直信號線17作為信號電壓輸出。接下來，在選擇信號SEL從“H”電平遷移到“L”電平的下降沿定時的時刻tl4第 二復位信號CRST成為“H”電平時，第二復位晶體管27再次成為導通狀態(tài)。由此，電荷積蓄 用電容器28的端子間電壓以及垂直信號線17的電壓成為接地電位。接下來，在第二復位信號CRST的下降沿定時的時刻tl5第一復位信號FRST成為 “H”電平時，第一復位晶體管23成為導通狀態(tài)而對FD部29進行復位。即，F(xiàn)D部29內(nèi)的電 荷通過第一復位晶體管23供給(丟棄)給正側電源Vdd，從而對FD部29進行復位。然后，在第一復位信號FRST的下降沿定時的時刻tl6選擇信號SEL成為“H”電平 時，選擇晶體管26再次成為導通狀態(tài)，從而FD部29的復位電壓經(jīng)由充電晶體管24通過放 大晶體管25進行放大并輸出給垂直信號線17。在該復位電壓中，還包含與FD部29的復位 相伴的KTC噪聲。
然后，在選擇信號SEL的下降沿定時的時刻tl7第二復位信號CRST成為“H”電平， 第二復位晶體管27再次成為導通狀態(tài)，從而對電荷積蓄用電容器28進行復位。以上，一幀 期間的用于讀出信號電壓以及復位電壓的一系列的動作結束。在時刻tl3的定時輸出的信號電壓、與在時刻tl6的定時輸出的復位電壓經(jīng)由垂 直信號線17被依次供給給圖1所示的列處理部13。然后，在列處理部13中，進行相關雙采 樣(⑶S)處理，從而去除像素固有的固定圖案噪聲、Vth偏差。噪聲去除后的信號例如通過 設置在列處理部13內(nèi)的AD變換器變換為數(shù)字信號后被輸出。(第一實施方式的作用效果)如上所述，在CMOS圖像傳感器10等X-Y地址方式的固體攝像裝置中，對單位像素 20附加臨時積蓄電荷的電荷積蓄用電容器28，從而可以實現(xiàn)對所有像素在同一定時進行 曝光的全局快門功能。而且，通過采用使充電晶體管24存在于FD部29與電荷積蓄用電容器28之間，利 用該充電晶體管24以與FD部29的電荷對應的電流對電荷積蓄用電容器28進行充電這樣 的結構，可以得到如下那樣的作用效果。即，由于電荷積蓄用電容器28沒有相對FD部29 并聯(lián)地連接，所以電荷積蓄用電容器28的電容值不會對FD部29的電容值造成影響。由此，可以同時滿足處于折衷關系的電荷積蓄用電容器28的電荷保持時間與FD 部29的變換效率。具體而言，通過將電荷積蓄用電容器28的電容值設定得較大，不會降低 FD部29的變換效率，而可以謀求電荷積蓄用電容器28的電荷保持時間的延長、抗擾性的提 尚o另外，在單位像素20各自中，僅追加一個電荷積蓄用電容器28與兩個晶體管24、 27，從而可以通過少的元件數(shù)來實現(xiàn)全局快門功能，所以不會降低FD部29的變換效率，而 可以實現(xiàn)高集成的固體攝像裝置。進而，關于驅(qū)動單位像素20的信號，也僅追加第二復位 信號CRST即可，所以垂直驅(qū)動部12的電路結構的變更也被限制為最小限。(3 第二實施方式)在第一實施方式中，成為包括電荷積蓄用電容器28的各單位像素20的電路結構 的例子。相對于此，在第二實施方式中，成為在多個像素間共用單位像素20的結構要素的 一部分的電路結構的例子。此處，例如以在同一像素列的相鄰的四個像素間共用結構要素 的一部分的情況為例子。(電路結構)圖4是示出第二實施方式的單位像素20的電路結構的電路圖，在圖中，對與圖2 等同的部分附加同一標號而示出。在四個像素20-1 20-4間共用單位像素20的結構要素的一部分時，設為在四個 像素間至少共用放大晶體管25以及選擇晶體管26這兩個結構要素。在本例子的情況下， 對于第一復位晶體管23以及第二復位晶體管27，也采用在四個像素間共用的結構。但是， 不限于第一復位晶體管23以及第二復位晶體管27這兩方的共用，而還可以采用共用某一 個的結構。單位像素20-1具有光電二極管21-1、第一傳送晶體管22-1、充電晶體管24-1、電 荷積蓄用電容器28-1以及第二傳送晶體管31-1。光電二極管21-1的陽極電極被接地，陰極電極與第一傳送晶體管22-1的一個主電極連接。第一傳送晶體管22-1的另一個主電極與FD部29-1連接。充電晶體管24-1的 柵電極與FD部29-1連接，漏電極與負側電源Vss連接。電荷積蓄用電容器28-1連接在充 電晶體管24的源電極與接地間。作為傳輸門的第二傳送晶體管31-1是為了像素共用而設置的，連接在電荷積蓄 用電容器28-1的一個端子(第一傳送晶體管22-1的源電極)與共用節(jié)點N之間。該第二 傳送晶體管31-1通過向柵電極提供High激活的第二傳送信號TG21而成為導通狀態(tài)，將單 位像素20-1的信號供給給共用電路部30。
對于單位電路20-2、20_3、以及20_4，也成為與單位像素20_1同樣的結構。共用電路部30由第一復位晶體管23、放大晶體管25、選擇晶體管26以及第二復 位晶體管27構成。第一復位晶體管23的漏電極與正側電源Vdd連接，源電極與單位電路
20-1 20-4的各FD部29-1 29_4分別連接。放大晶體管25的柵電極與共用節(jié)點N連接，漏電極與正側電源Vdd連接。選擇晶 體管26的漏電極與放大晶體管25的源電極連接，源電極與垂直信號線17連接。第二復位 晶體管27的漏電極與共用節(jié)點N連接，源電極被接地。(電路動作)接下來，使用圖5的時序圖，對上述像素共用時的單位像素20 (20-1 20-4)的電 路動作進行說明。在圖5的時序圖中，示出第一傳送信號TG1(TG11 TG14)、第二傳送信 號TG21 TG24、選擇信號SEL、第一復位信號FRST以及第二復位信號CRST這些各脈沖的 定時關系。在曝光結束的時刻t21第一傳送信號TG1成為“H”電平時，第一傳送晶體管 22-1 22-4成為導通狀態(tài)而將積蓄在光電二極管21-1 21-4中的電荷傳送給FD部 29-1 29-4。于是，通過FD部29-1 29-4進行電荷-電壓變換，產(chǎn)生與從光電二極管
21-1 21-4傳送的電荷量對應的電壓。由FD部29-1 29_4產(chǎn)生的電壓作為輸入電壓被 施加給充電晶體管24-1 24-4的各柵電極。接下來，在第一傳送信號TG1的下降沿定時的時刻t22第二傳送信號TG21 TG24 一起成為“H”電平，接下來，在時刻t23第二復位信號CRST成為“H”電平。于是，第二復位 晶體管27成為導通狀態(tài)而對電荷積蓄用電容器28-1 28-4 —起進行復位。此時，對于FD部29-1 29-4，由于沒有被復位，所以在這些FD部29_1 29_4 中，保持從光電二極管21-1 21-4傳送的電荷量。因此，在充電晶體管24-1 24-4的各 柵電極中，對FD部29-1 29-4持續(xù)施加與光電二極管21_1 21_4的電荷量對應的電壓 值的輸入電壓。然后，在時刻t24第二復位信號CRST從“H”電平遷移到“L”電平時，與此同時，充 電晶體管24-1 24-4向電荷積蓄用電容器28-1 28_4流過與FD部29_1 29_4的電 荷、即輸入電壓對應的電流，從而對這些電容器28-1 28-4進行充電。在電荷積蓄用電容器28-1 28-4的充電后，依次在時刻t25第二傳送信號TG21 成為“H”電平，在時刻t26第二傳送信號TG22成為“H”電平，在時刻t27第二傳送信號TG23 成為“H”電平，在時刻t28第二傳送信號TG24成為“H”電平。此時同時，選擇信號SEL也 成為“H”電平，從而電荷積蓄用電容器28-1 28-4的各端子間電壓通過放大晶體管25被 依次放大，經(jīng)由選擇晶體管26輸出給垂直信號線17。
然后，從第二傳送信號TG21上升的定時的時刻t22到第二傳送信號TG24下降的 定時的時刻t29為止的期間T1成為讀出四個單位像素20-1 20-4的各信號電壓的讀出 期間。在該信號電壓的讀出期間T1中，在第二傳送信號TG21 TG24的“H”電平期間，與 選擇信號SEL從“H”電平遷移到“L”電平的遷移定時同步地，第二復位信號CRST成為“H” 電平。接下來，在時刻t29第一復位信號FRST成為“H”電平，從而第一復位晶體管23成 為導通狀態(tài)而對FD部29-1 29-4進行復位。然后，依次在第一復位信號FRST的下降沿定 時的時刻t30第二傳送信號TG21成為“H”電平，在時刻t31第二傳送信號TG22成為“H”電 平，在時刻t32第二傳送信號TG23成為“H”電平，在時刻t33第二傳送信號TG24成為“H” 電平。此時同時，選擇信號SEL也成為“H”電平，從而FD部29-1 29_4的復位電壓被放 大晶體管25依次放大，經(jīng)由選擇晶體管26輸出給垂直信號線17。然后，從第二傳送信號TG21上升的定時的時刻t30到第二傳送信號TG24下降的 定時的時刻t34為止的期間成為讀出四個單位像素20-1 20-4的各復位電壓的讀出期間 T2。在該復位電壓的讀出期間T2中，在第二傳送信號TG21 TG24的“H”電平期間，與選 擇信號SEL從“H”電平遷移到“L”電平的遷移定時同步地，第二復位信號CRST成為“H”電平。(第二實施方式的作用效果)如上所述，即使在采用了在多個像素間共用單位像素20的結構要素的一部分的 電路結構的情況下，也可以通過在單位像素20各自中設置電荷積蓄用電容器28來實現(xiàn)全 局快門功能。而且，與第一實施方式的情況同樣地，充電晶體管24存在于FD部29與電荷 積蓄用電容器28之間，從而可以同時滿足處于折衷關系的電荷積蓄用電容器28的電荷保 持時間與FD部29的變換效率。而且，通過采用像素共用的電路結構，在本例子的情況下，針對每個像素附加一個 電容器28與三個晶體管22、24、31，從而可以通過極少的元件數(shù)來實現(xiàn)全局快門功能，所以 可以實現(xiàn)比第一實施方式集成度更高的固體攝像裝置。(4.電荷積蓄用電容器)接下來，對上述各實施方式的像素電路中使用的電荷積蓄用電容器28(28-1 28-4)進行說明。對于針對每個單位像素20附加的電荷積蓄用電容器28，對其結構沒有特別限 定，但在考慮了高集成化的情況下，優(yōu)選為疊層型電容器、深漕(trench)型電容器、以及結 (junction)型電容器。特別，疊層型電容器具有可以較大地確保每單位面積的電容值的優(yōu)
點o另外，通過將應用了本發(fā)明的CMOS圖像傳感器10的像素結構設為背面入射型 (背面照射型)的像素結構，作為電荷積蓄用電容器28的形成區(qū)域，與表面入射型的像素結 構相比可以確保更大的面積。如果可以將電荷積蓄用電容器28的形成區(qū)域的面積確保得 較大，則可以相應地將電荷積蓄用電容器28的電容值設定得較大，所以可以對電荷積蓄用 電容器28的電荷保持時間的延長、抗擾性的提高起到貢獻。此處，背面入射型的像素結構 是指，在將布線層側設為表面時，從與該布線側相反一側、即背面?zhèn)热∪肴肷涔獾慕Y構。(背面入射側的像素結構)
圖6是示出背面入射型的像素結構的一個例子的剖面圖。此處，示出兩個像素的 剖面結構。在圖6中，在硅部(硅基板)41中，形成有光電二極管42、像素晶體管43。S卩，硅 部41是元件形成部。此處，光電二極管42相當于圖2的光電二極管21、圖4的光電二極 管21-1 21-4。另外，像素晶體管43相當于圖2的傳送晶體管22等、圖4的傳送晶體管 22-1 22-4 等。在硅部41的一個面?zhèn)?，隔著層間膜44形成了濾色片45。由此，從硅部41的一個 面?zhèn)热肷涞墓饨?jīng)由濾色片45導入到光電二極管42的受光面。另一方面，在硅部41的另一 面?zhèn)?，形成有在層間絕緣膜46內(nèi)對像素晶體管43的柵電極、金屬布線進行多層布線而成的 布線層47。在布線層47的硅部41的相反一側的面中，通過粘接劑48粘貼了支撐基板49。
在上述像素結構中，將形成有光電二極管42、像素晶體管43的硅部41的布線層 47側稱為表面?zhèn)?，將硅?1的布線層47的相反一側稱為背面?zhèn)?。在這樣的定義下，由于從 硅部41的背面?zhèn)热∪肴肷涔猓员鞠袼亟Y構成為背面入射型的像素結構。根據(jù)該背面入射型的像素結構，從與布線層47相反的面?zhèn)热∪肴肷涔?，所以可?將開口率設為100%。另外，由于在取入入射光的一側不存在布線層47，所以即使不使用片 上透鏡(On Chip-Lens)，也可以將入射光聚光到光電二極管42的受光面。(疊層型電容器)此處，作為一個例子，對應用于背面入射型的像素結構、使用疊層型電容器形成的 電荷積蓄用電容器28的結構進行說明。圖7是示出使用疊層型電容器形成了電荷積蓄用電容器28時的像素陣列的概略 俯視圖，在圖中，對與圖2等同的部分附加同一標號而示出。另外，圖8示出沿著圖7的A-A’ 線的剖面結構。從圖7可知，像素結構是背面入射型，所以沒有針對入射光的制約，所以可以在層 間絕緣膜54上，在光電二極管(PD)21的寬的區(qū)域配置由疊層型電容器構成的電荷積蓄用 電容器28。這樣，可以在光電二極管21上配置電荷積蓄用電容器28，從而可以提高每單位 單元的PD填充率。而且，特別將疊層型電容器用作電荷積蓄用電容器28，所以可以將電荷 積蓄用電容器28的電容值設定得較大。在圖8中，對與圖6等同的部分附加同一標號而示出。如圖8所示，疊層型電容器 的電荷積蓄用電容器28通過設為在下部電極51與上部電極52之間夾入電介體53的結構 而實現(xiàn)。作為下部電極51以及上部電極52的電極材料，優(yōu)選為鎢、氮化鉭等那樣地熔點高 且硅中的擴散系數(shù)小的材料。另外，作為電介體53的材料，優(yōu)選為二氧化硅、氮化硅、二氧 化鉿、二氧化鋯、以及五氧化鉭等那樣的介電常數(shù)高的材料且漏電流少的材料。下部電極51經(jīng)由形成在層間絕緣膜54(相當于圖6的層間絕緣膜46)中的接觸 通孔(via)55，與圖2所示的成為充電晶體管24的源區(qū)域的擴散層56電連接。上部電極 53被接地。在擴散層56與光電二極管42(圖2的光電二極管21)之間設置有元件分離區(qū) 域57。(5 變形例)在上述各實施方式中，設為首先讀出信號電壓，之后讀出復位電壓，但其讀出的順
14序也可以相逆。即，也可以設為首先讀出復位電壓，之后讀出信號電壓，按照該讀出順序， 在后級的信號處理系統(tǒng)中，也可以通過取得復位電壓與信號電壓的差分來進行噪聲去除處理。另外，在上述各實施方式中，以在列處理部13內(nèi)進行噪聲去除 處理、AD變換處理 為前提進行了說明，但還可以采用如下結構對于這些處理，在列處理部13的后級或半導 體基板(芯片)18的外部進行。進而，在上述各實施方式中，以應用于CMOS圖像傳感器的情況為例子進行了說 明，但不限于向CMOS圖像傳感器的應用。即，可以應用于所有矩陣狀地配置將與可見光的 光量對應的電荷作為物理量來檢測并作為電信號輸出的單位像素而成的X-Y地址型的固 體攝像裝置。另外，固體攝像裝置也可以是形成為一個芯片的方式，也可以是攝像部與信號處 理部或光學系統(tǒng)被集中封裝的具有攝像功能的模塊狀的方式。(6.電子設備)本發(fā)明不限于應用于固體攝像裝置，也可以應用于攝像裝置等電子設備。此處，電 子設備是指，數(shù)字靜止照相機(still camera)或攝像機等攝像裝置(照相機系統(tǒng))、具有 攝像功能的便攜電話機或PDA (Personal Digital Assistant，個人數(shù)字助理)等移動設備 等。另外，還有時將搭載于電子設備中的上述模塊狀的方式、即照相機模塊設為攝像裝置。(攝像裝置)圖9是示出本發(fā)明的電子設備的一個例子即攝像裝置的結構例的框圖。如圖9所 示，本發(fā)明的攝像裝置100具有包括透鏡群101等的光學系統(tǒng)、攝像元件102、作為照相機信 號處理部的DSP電路103、幀存儲器104、顯示裝置105、記錄裝置106、操作系統(tǒng)107以及電 源系統(tǒng)108等。而且，經(jīng)由總線109相互連接了 DSP電路103、幀存儲器104、顯示裝置105、 記錄裝置106、操作系統(tǒng)107以及電源系統(tǒng)108。透鏡群101取入來自被攝體的入射光(像光)而成像于攝像元件102的攝像面上。 攝像元件102將通過透鏡群101成像于攝像面上的入射光的光量按照像素單位變換為電信 號并作為像素信號而輸出。作為該攝像元件102，使用上述第一、第二實施方式的CMOS圖像 傳感器、即不降低FD部的變換效率而可以實現(xiàn)全局快門功能的CMOS圖像傳感器。顯示裝置105由液晶顯示裝置、有機EL (electro luminescence,電致發(fā)光)顯示 裝置等平板型顯示裝置構成，顯示由攝像元件102攝像的運動圖像或靜止圖像。記錄裝置 106將由攝像元件102攝像的運動圖像或靜止圖像記錄在錄像帶、DVD(Digital Versatile Disk，數(shù)字通用光盤)等記錄介質(zhì)中。操作系統(tǒng)107在用戶的操作之下，針對本攝像裝置具有的各種功能發(fā)出操作指 令。電源系統(tǒng)108對DSP電路103、幀存儲器104、顯示裝置105、記錄裝置106、以及操作系 統(tǒng)107，適當?shù)毓┙o成為它們的動作電源的各種電源。這樣的攝像裝置100應用于攝像機、數(shù)字靜止照相機、進而面向便攜電話機等移 動設備的照相機模塊。而且，通過將第一、第二實施方式的CMOS圖像傳感器用作攝像元件 102，該CMOS圖像傳感器不會降低FD部的變換效率，而可以實現(xiàn)全局快門功能，所以可以得 到無失真的高畫質(zhì)的攝像圖像。
權利要求
一種配置有單位像素的固體攝像裝置，其特征在于，該單位像素包括傳送晶體管，從光電變換部向浮動擴散部傳送電荷；第一復位晶體管，對上述浮動擴散部進行復位；電荷積蓄用電容器；充電晶體管，利用與上述浮動擴散部的電荷對應的電流，對上述電荷積蓄用電容器進行充電；第二復位晶體管，對上述電荷積蓄用電容器進行復位；放大晶體管，輸出與上述電荷積蓄用電容器的電荷對應的電信號；以及選擇晶體管，將上述放大晶體管選擇性地設為動作狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，在上述充電晶體管中，閾值電壓 是負的，并且導電性根據(jù)輸入電壓而變化。
3.根據(jù)權利要求2所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述電荷積蓄用電容器連接在上述充電晶體管的源電極與基準電位節(jié)點之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，將多個上述單位像素設為組，并且具有由該多個單位像素共用的共用電路部， 上述多個單位像素分別具有第二傳送晶體管，該第二傳送晶體管選擇性地向上述放大 晶體管的柵電極傳送上述電荷積蓄用電容器的電荷，上述共用電路部至少具有上述放大晶體管以及上述選擇晶體管。
5.根據(jù)權利要求4所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述共用電路部具有上述第一復位晶體管以及上述第二復位晶體管中的至少一個。
6.根據(jù)權利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述單位像素是從與上述光電變換部的布線層側相反的一側取入入射光的背面入射 型的像素結構，針對每個上述單位像素在上述布線層側形成上述電荷積蓄用電容器。
7.根據(jù)權利要求6所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述電荷積蓄用電容器是疊層 型電容器。
8.—種固體攝像裝置的驅(qū)動方法，其特征在于，在從光電變換部被傳送電荷的浮動擴 散部與電荷積蓄用電容器之間存在充電晶體管，并且通過上述充電晶體管，利用與上述浮動擴散部的電荷對應的電流，對上述電荷積蓄用 電容器進行充電，將從上述光電變換部向上述浮動擴散部傳送了電荷時的上述電荷積蓄用電容器的端 子間電壓作為信號電壓而導出，將上述浮動擴散部被復位時的上述電荷積蓄用電容器的端 子間電壓作為復位電壓而導出。
9.一種電子設備，其特征在于，具有配置有單位像素的固體攝像裝置，該單位像素包括傳送晶體管，從光電變換部向浮動擴散部傳送電荷； 第一復位晶體管，對上述浮動擴散部進行復位； 電荷積蓄用電容器；充電晶體管，利用與上述浮動擴散部的電荷對應的電流，對上述電荷積蓄用電容器進行充電；第二復位晶體管，對上述電荷積蓄用電容器進行復位； 放大晶體管，輸出與上述電荷積蓄用電容器的電荷對應的電信號；以及 選擇晶體管，將上述放大晶體管選擇性地設為動作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體攝像裝置、固體攝像裝置的驅(qū)動方法以及電子設備。不會降低將電荷變換為電壓時的變換效率，可以實現(xiàn)高集成化。使充電晶體管(24)介于用于實現(xiàn)全局快門功能的電荷積蓄用電容器(28)與FD部(29)之間，并且通過該充電晶體管(24)利用與FD部(29)的電荷對應的電流對電荷積蓄用電容器(24)進行充電。然后，將通過傳送晶體管(22)從光電二極管(21)向FD部(29)傳送了電荷時的電荷積蓄用電容器(28)的端子間電壓作為信號電壓通過放大晶體管(25)輸出給垂直信號線(17)。另外，將FD部(29)被第一復位晶體管(23)復位了時的電荷積蓄用電容器(24)的端子間電壓，作為復位電壓通過放大晶體管(25)輸出給垂直信號線(17)。
文檔編號H04N5/353GK101835003SQ20101012886
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權日2009年3月12日
發(fā)明者渡邊一史 申請人:索尼公司