固体摄像装置、用于驱动固体摄像装置的方法及摄像装置的制作方法

专利名称：固体摄像装置、用于驱动固体摄像装置的方法及摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固体摄像装置、用于驱动固体摄像装置的方法，以及摄像装置 (摄像设备)。
背景技术：
典型地，固体摄像装置具有有用于输出黑色参考信号、光被遮蔽的像素的区域 (在下文中，称为"光学黑色像素区")，该区域设置在具有用于提供最终被用作图像信号的 信号的有效像素的区域(在下文中，称为有效像素区)的周围。 在具有光学黑色像素区的固体摄像装置中，光学黑色像素区的遮光部分的遮光层 的上层的布局不同于有效像素区的开口部分的遮光层的上层的布局。因此，有效像素区的 中心部分的遮光层的上层的膜厚度不同于有效像素区与光学黑色像素区之间的边界部分 的遮光层的上层的膜厚度。遮光层的上层的实例包括钝化膜、滤光器、透镜构件等。
由于遮光层的上层的膜厚度的不同影响光学特性，所以在有效像素区的外围部分 中会出现光学不均匀性。此外，由于有效像素区的开口部分的遮光金属的形状与光学黑色 像素区的遮光金属的形状不同，所以发生将氢基从钝化膜供应给硅界面的变化。界面状态 在硅界面末端处发生变化，并且发生暗电流或随机噪声的变化。 为了防止出现上述问题，至今，已经使用了这样的构造，其中将虚拟像素设置在光 学黑色像素区与有效像素区之间的边界部分中，即，遮光层的上层的膜厚度不同并且虚拟 像素的信号并不用作图像信号的区域。此外，在电荷耦合器件(CCD)固体摄像装置中，只 有当采用帧行间方案时，才会使用这样的构造设置在有效像素区的顶端和底端的虚拟像 素的电荷排出到水平转移区的外面，从而减少转移频率的增加(参见日本专利第3321787 号)。

发明内容
然而，当使用设置虚拟像素的构造时，输出信号数等于或大于用于提供最终被用 作图像信号的信号的有效像素数。因此，对于帧速率提高驱动频率是必要的。因此，在噪声、 功率消耗、电路面积等方面存在缺点。 此外，虽然CCD固体摄像装置被设计成使得电荷并不从设置在有效像素区的顶端 和底端的虚拟像素输出，但是很难设计CCD固体摄像装置，使得电荷并不从设置在有效像 素区的左侧和右侧的虚拟像素输出。另外，由于只有当采用帧行间方案时才可以使用用于 设置虚拟像素的技术，因此在面积方面存在缺点。 此外，光学不均匀性不一定出现在有效像素区的所有边上，并且在很多情况下出现在位于圆晶外围的芯片上的有效像素区的边上。对于此的原因在于遮光层的上层的膜层 是使用旋涂来形成的。当设计阶梯(st印，台阶)使得该阶梯的上面部分位于芯片的外围， 该膜显著受旋转的影响。因此，对于有效像素区的所有边设置虚拟像素(dummy pixel)是 必要的，并且这将导致芯片面积的增加。 期望提供一种可以减少有效像素区的外围部分中的光学不均匀性的发生而不增 加帧速率的驱动频率的固体摄像装置、用于驱动固体摄像装置的方法以及摄像装置。
根据本发明的一种实施方式，提供了一种用于驱动固体摄像装置的方法。该固体 摄像装置包括像素阵列部。像素阵列部包括有效像素区，该有效像素区具有用于提供被用 作图像信号的信号的像素；光学黑色像素区，其具有用于提供被用作黑色参考信号的信号 的遮光的像素；以及设置在有效像素区与光学黑色像素区之间的像素区，其具有与有效像 素区的遮光结构相同的遮光结构。用于驱动固体摄像装置的方法包括执行驱动，使得可以 跳过(skip，跳读)设置在有效像素区在垂直方向的侧的像素区的像素的信号，并读出有效 像素区和光学黑色像素区的像素的信号；以及执行驱动，使得从执行驱动以读出像素的信 号而选择的像素中，跳过设置在有效像素区在水平方向的侧的像素区的像素的信号，并读 出有效像素区和光学黑色像素区的像素的信号。 在包括有效像素区和光学黑色像素区的固体摄像装置中，有效像素区与光学黑色 像素区之间的边界部分是光学特性受到遮光层的上层的膜厚度不同的影响的部分。在有效 像素区与光学黑色像素区之间的边界部分中设置具有与有效像素区的遮光结构相同的遮 光结构的像素区，其中光学特性受到影响，由此在有效像素区的外围部分中可以减少光学 不均匀性的发生。此外，像素区的各像素的信号被跳过而不被选择，从而仅输出最终被用作 图像信号并且其数目等于有效像素的数目的信号。因此，不必提高帧速率的驱动频率。
根据本发明的实施方式，可以减少有效像素区的外围部分中光学不均匀性的发生 而无需提高帧速率的驱动频率。


图1是示意性地示出了根据本发明的实施方式的互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感器的系统构成的示图； 图2是示出了单位像素的电路构成的实例的电路图； 图3是示意性地示出了根据第一实施方式的CMOS图像传感器的构成的平面图；
图4是用于说明当进行旋涂时发生光学不均匀性的示意图；
图5是示出了列处理部的输出部分的电路构成的实例的电路图；
图6是示出了相关双采样(CDS)电路的电路构成的实例的电路图；
图7是单位像素的截面结构的实例的截面图； 图8是示意性地示出了根据第二实施方式的CMOS图像传感器的构成的平面图；
图9是示出了根据本发明的实施方式的摄像装置的构成的实例的框图。
具体实施例方式
在下文中，将结合附图详细地描述优选的实施方式(在下文中，称为"实施方 式")。应当注意，将按照以下部分标题的顺序描述实施方式
1.根据本发明的实施方式的固体摄像装置1-1.系统构成1-2.实施方式的特征部分1-3.第一实施方式1-4.第二实施方式2.变形例3.应用例(摄像装置)1.根据本发明的实施方式的固体摄像装置1-1.系统构成图1是示意性地示出了根据本发明的实施方式的固体摄像装置的构成的系统构
成的示图，例如，一种X-Y型寻址固体摄像装置的CMOS图像传感器。 如图1所示，根据实施方式的CMOS图像传感器10包括像素阵列部11，其形成在半 导体基板(芯片)18上；以及外围电路部，其与像素阵列部11中的情况一样，均集成在半导 体基板18上。作为外围电路部，例如，设置了垂直驱动部12、列处理部13、水平驱动部14 以及系统控制部15。 在像素阵列部11中，单位像素(未示出)(在下文中，在某些情况下简称为"像 素")以矩阵形式二维布置，单位像素中的每一个包括执行光电转换以将入射可见光转换成 光电荷的光电转换元件，使得光电荷的量将根据可见光的量来确定。单位像素中的每一个 的具体构造将在下面描述。 在像素阵列部11中，对于矩阵形式的像素布置，沿图1中的左右方向(以像素行 布置像素的方向/水平方向)的行中各相应行形成各像素驱动线16。沿图l中的上下方向 (以像素列布置像素的方向/垂直方向)的列中的各相应列形成各垂直信号线17。在图1 中，尽管像素驱动线16的数目是l，但其数目并不限于1。各像素驱动线16的末端连接至 为相应列提供的垂直驱动部12的输出端。 垂直驱动部12使用移位寄存器、地址解码器等构造。这里，没有示出垂直 驱动部12的具体构造。然而，垂直驱动部12包括读出扫描系统和扫除扫描系统 (swe印ing-out-scanning system)。读出扫描系统执行以行的单位顺序选择将从其读出信 号的的单位像素的读出扫描操作。 另一方面，扫除扫描系统在将要通过读出扫描系统执行读出扫描操作的行上在快
门速度早于执行读出扫描操作的时间时，执行从行的单位像素的光电转换元件扫除不必要
的电荷(复位光电转换元件)的扫除扫描操作。所谓的电子快门操作通过使用扫除扫描系
统扫除不必要的电荷(使用复位)的扫除扫描操作来进行。这里，电子快门操作是从光电
转换元件中排出光电荷并且重新开始曝光(光电荷的累积开始)的操作。 通过由读出扫描系统执行的读出扫描操作读出的信号根据在执行先前的读出扫
描操作或电子快门操作后进入的光的量来设置。从通过先前的读出扫描操作读出信号的时
间或通过电子快门操作扫除电荷的时间到通过当前读出扫描操作读出信号的时间段是光
电荷在单位像素中累积的累积时间(曝光时间)。 从通过由垂直驱动部12执行的垂直扫描操作选择的像素行的各单位像素输出的 各信号经由相应的垂直信号线17之一供给至列处理部13。列处理部13为像素阵列部11的各像素列执行对模拟像素信号的预定信号处理，其中模拟像素信号从所选的像素行的相 应的单位像素20之一输出。 通过列处理部13进行的信号处理的实例包括CDS处理。在CDS处理中，读出从所 选的行的各像素输出的复位电平和信号电平，并且获得复位电平与信号电平之间的差异， 从而获得一行像素的信号。同样在CDS处理中，可以除去像素的固定图像噪声。列处理部 13可以具有将模拟像素信号转换为数字信号的模数(AD)转换功能。换句话说，列处理部 13具有噪声降低功能和AD转换功能中的至少一种。 水平驱动部14使用移位寄存器、地址解码器等来构造。水平驱动部14执行顺序 选择与像素列相对应的列处理部13的电路部分的水平扫描操作。通过列处理部13以像素 行的单位进行信号处理的像素信号通过选择像素的水平扫描操作顺序输出，该水平扫描操 作通过水平驱动部14执行。 系统控制部15接收从在半导体基板18外设置的单元供应的时钟信号，用于指定 操作模式的数据等。另外，系统控制部15输出数据，如关于CM0S图像传感器10的内部信 息。系统控制部15进一步包括生成各种定时信号的定时发生器，并且根据通过定时发生器 生成的各种定时信号来执行驱动垂直驱动部12、列处理部13、水平驱动部14等的控制。
单位像素的电路构成 图2是示出了单位像素20的电路构成的实例的电路图。如图2所示，该电路构成 的实例中的单位像素20包括光电转换元件，例如，光电二极管21和4个晶体管，如转移晶 体管22、复位晶体管23、放大晶体管24以及选择晶体管25。 此处，作为4个晶体管22 25，例如，可以使用N沟道M0S晶体管。然而，，作为实 例提供的导电晶体管的组合，即，转移晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体 管25的组合仅是一个实例。组合并不限于上述的组合。 关于单位像素20，作为一个像素驱动线16，通常为相同像素行的各像素提供三个 用于驱动的配线图案，例如，转移线161、复位线162和选择线163。转移线161、复位线162 和选择线163的端部均连接至为像素行提供的垂直驱动部12的输出端。各组的转移线161、 复位线162和选择线163提供给相应的像素行。 关于光电二极管21 ，其阳极连接至负侧电源(例如，地)。光电二极管21执行将接 收的光转换为光电荷(此处为光电子)的光电转换，使得光电荷的量将根据接收的光的量 来确定。光电二极管21的阴极经由转移晶体管22电连接至放大晶体管24的栅电极。电 连接至放大晶体管24的栅电极的节点(结点，node) 26称作浮动扩散(FD)单元。
转移晶体管22连接在光电二极管21的阴极与FD单元26之间。其高电平(例 如，Vdd电平)是有效电平(active level)(在下文中，称为高有效)的转移脉冲小TRF经 由转移线161施加至转移晶体管22的栅电极。转移晶体管22通过转移脉冲小TRF接通， 使得转移晶体管22将通过光电二极管21的光电转换获得的光电荷转移至FD单元26。
关于复位晶体管23，其漏电极和源电极分别连接至像素电源Vdd和FD单元26。高 有效的复位脉冲小RST经由复位线162施加至复位晶体管23的栅电极。复位晶体管23通 过复位脉冲小RST接通，使得复位晶体管23在将信号电荷从光电二极管21转移至FD单元 26之前，通过将FD单元26中的电荷排入到像素电源Vdd中而使FD单元26复位。
关于放大晶体管24，其栅电极和漏电极分别连接至FD单元26和像素电源Vdd。放
7大晶体管24输出在FD单元26被复位晶体管23复位后的FD单元26的电压作为复位信号 (具有复位电平)Vreset。放大晶体管24进一步输出在信号电荷通过转移晶体管22转移 后的FD单元26的电压作为光累积信号(具有信号电平)Vsig。 关于选择晶体管25，例如，其漏电极和源电极分别连接至放大晶体管24的源电极 和垂直信号线17。高有效的选择脉冲小SEL经由选择线163施加至选择晶体管25的栅电 极。选择晶体管25通过选择脉冲小SEL接通，使得选择晶体管25使单位像素20进入所选 的状态，并将从放大晶体管24输出的信号传送至垂直信号线17。 注意到，关于选择晶体管25，也可以采用这样的电路构成其中选择晶体管25连 接在像素电源Vdd与放大晶体管24的漏电极之间。 此外，单位像素20并不限于具有这样的像素构造的单位像素，其中使用了具有上 述构造的4个晶体管。例如，单位像素20可以是具有这样的像素构造的单位像素，其中使 用了通过使用一个晶体管同时作为放大晶体管24和选择晶体管25而获得的3个晶体管。 对于单位像素的电路可以采用任何构造。
1-2.实施方式的特征部分 如上所述，X-Y地址固体摄像装置，如具有上述构造的CMOS图像传感器10包括在 具有用于提供最终被用作图像信号的信号的像素的有效像素区周围的光学黑色像素区，该 光学黑色像素区具有遮光并用来输出黑色参考信号的像素。关于具有光学黑色像素区的 X-Y地址固体摄像装置，在本实施方式中采用了下面的构造。 换句话说，在光学黑色像素区与有效像素区之间的边界部分中设置具有与有效像
素区的遮光结构相同的遮光结构的虚拟像素(虚拟像素区)。当执行扫描操作时，进行驱
动，使得通过跳过而不被选择，从而不能输出虚拟像素的信号。执行后使得虚拟像素的信号
被跳过的驱动可以使用通过垂直驱动部12执行的垂直扫描操作以及使用通过水平驱动部
14执行的水平扫描操作来实现，因为该装置是X-Y地址固体摄像装置。 如上所述，在光学黑色像素区与有效像素区之间的边界部分中设置具有与有效像
素区的遮光结构相同的遮光结构的虚拟像素区。执行使得虚拟像素区的各开口虚拟像素的
信号将被跳过的驱动。因此，可以获得以下作用效果。换句话说，具有与有效像素区的遮光
结构相同的遮光结构的虚拟像素区设置在有效像素区与光学黑色像素区之间的边界部分
中，其中，光学特性受到遮光层的上层的膜厚度不同的影响，由此可以降低有效像素区的外
围部分中光学不均匀性的发生。 这里，有效像素区的中心部分的遮光层的上层的膜厚度不同于有效像素区与光学 黑色像素之间的边界部分的遮光层的上层的膜厚度的原因如下。换句话说，同样如前所述， 由于光学黑色像素区的遮光部分的遮光层的上层的布局不同于有效像素区的开口部分的 遮光层的上层的布局，因此出现有效像素区的中心部分的遮光层的上层的膜厚度与有效像 素区与光学黑色像素区之间的边界部分的遮光层的上层的膜厚度不同。遮光层的上层的实 例包括钝化膜、滤光器、透镜构件等。 此外，使设置在有效像素区的上侧、下侧、左侧和右侧的虚拟像素区的各开口虚拟 像素的信号被跳过而不被选择，从而仅输出最终被用作图像信号并且其数量等于有效像素 的数量的信号。因此，不必提高帧速率的驱动频率。此外，在光学黑色像素区与有效像素区 之间的边界部分中设置虚拟像素，由此可以减小由有效像素区的开口部分的遮光金属的形
8状与光学黑色像素区的遮光金属的形状不同引起的界面状态的变化所导致的暗电流或随 机噪声的变化。 在下文中，将描述用于执行驱动使得虚拟像素区的各开口虚拟像素的信号在执行
扫描操作时被跳过而不被选择的具体实施方式
。
1-3.第一实施方式 图3是示意性地示出了根据第一实施方式的CM0S图像传感器的构成的平面图。在 图3中，相同的参考标号用于与图1中相同的元件。 在根据第一实施方式的CMOS图像传感器10A中，像素阵列部11包括有效像素区 111以及光学黑色像素区112，其中，有效像素区111具有用于提供最终被用作图像信号的 信号的像素，光学黑色像素区112设置在有效像素区111的外围部分的周围，并且具有用于 输出黑色参考信号的像素。有效像素区111的尺寸根据水平方向的像素数和垂直方向的像 素数预先确定为固定的尺寸。 光学黑色像素区112包括例如光学黑色像素区112a和112b，它们设置在有效像 素区111的上侧和下侧；以及光学黑色像素区112c和112d，它们设置在有效像素区111的 左侧和右侧。光学黑色像素区112a 112d的所有面都通过遮光金属遮光。关于光学黑色 像素区112，不必采用光学黑色像素区112中包括的光学黑色像素区设置在有效像素区111 的所有上侧、下侧、左侧和右侧上的构造。 除了有效像素区111和光学黑色像素区112之外，像素阵列部11还包括位于有效 像素区111与光学黑色像素区112之间的虚拟像素区113。虚拟像素区113包括虚拟像素区 113a 113d，并且上、下、左和右虚拟像素区113a 113d分别提供给上、下、左和右光学黑 色像素区112a 112d。当包括在光学黑色像素区112中的光学黑色像素区没有设置在像 素阵列部111的所有上侧、下侧、左侧和右侧上时，包括在虚拟像素区113中的虚拟像素区 没有必要设置在所有的上侧、下侧、左侧和右侧上。基本上，虚拟像素区113(113a 113d) 的各虚拟像素具有与有效像素区111的各像素的像素结构相同的开口像素结构(即，非遮 光结构)。 如上所述，虚拟像素区113设置在有效像素区111与光学黑色像素区112之间的 边界部分中，其中光学特性受到遮光层的上层的膜厚度不同的影响，由此可以减少有效像 素区111的外围部分中光学不均匀性的发生。如前所述，虚拟像素区113具有与有效像素 区111的遮光结构相同的遮光结构。 这里，在有效像素区111与光学黑色像素区112之间的边界部分中发生光学不均 匀性的原因之一在于，使用了利用旋涂施加的膜。在这种情况下，因为施加的膜在晶圆上形 成为放射状，当设计阶梯部分使得该阶梯部分的上部位于芯片的外侧时，位于晶圆外侧的 芯片上的有效像素区边上的膜厚度倾向于显著增加。因此，如图4所示，在与晶圆的外侧接 触的芯片上的有效像素区的边上容易出现光学不均匀性。 在这种情况下，为了通过使用虚拟像素区113的开口虚拟像素来降低阶梯部分中 的光学不均匀性的发生，有必要在各边上设置数量基本相同的光学虚拟像素。此外，在某种 程度上，可以预测容易发生光学不均匀性的区域。通过该预测，在像素阵列部11上除了容 易发生光学不均匀性的区域之外的区域中设置具有预定尺寸的有效像素区111。然后，将具 有预定的像素数(预定的尺寸)的虚拟像素区113 (113a 113d)设置在有效像素区lll的周围。 在图3所示的实例中，有效像素区111的左下角上的像素被设置为扫描起始像素 (扫描起始位置)。关于扫描起始像素的地址信息项预先存储在设置在图1所示的系统控 制部15中的存储单元，例如存储器中。此外，为了跳过虚拟像素区113a 113d的各开口 像素的信号而不选择它们，关于虚拟像素区113a 113d的起始像素和终止像素的地址信 息项也预先存储在设置在系统控制部15中的存储器中。 关于预先存储在设置在系统控制部15中的存储器中的地址信息项，一旦设定了 地址信息项，则它们将作为固定信息项成为不变的。换句话说，有效像素区111的扫描起始 位置(在图3中通过符号"X"示出的位置)以及虚拟像素区113(113a 113d)在像素阵 列部11上的位置和尺寸变得恒定并且固定。 注意到，由于地址信息项是固定的，因此在使用地址解码器构造垂直驱动部12和 水平驱动部14的情况下，可以生成用于地址解码器的定时图案，使得当运行(run)定时图 案时将跳过虚拟像素。因此，存储地址信息项的存储器变成不必要的。 为了不使用虚拟像素区113a 113d的各开口虚拟像素的信号作为图像信号，通 过垂直驱动部12和水平驱动部14来执行使开口虚拟像素的信号被跳过而不被选择的驱 动。垂直驱动部12执行使得设置在有效像素区111的上下侧(垂直方向上的侧)上的虚 拟像素区113a和113b的各开口虚拟像素的信号将被跳过的驱动。此外，水平驱动部14执 行使得设置在有效像素区111的左侧和右侧(水平方向上的侧)上的虚拟像素区113c和 113d的各开口虚拟像素的信号将被跳过的驱动。 在图3中，设置在下侧的虚拟像素区113b的起始像素(起始行)地址和终止像素 地址分别由vl和v2表示。设置在上侧的虚拟像素区113a的起始像素地址和终止像素地 址分别由v3和v4表示。关于这些地址vl v4的地址信息项预先存储在设置在系统控制 部15中的存储器中。系统控制部15通过使用关于地址vl v4的地址信息项的垂直驱动 部12来执行跳过信号的控制。 更具体地说，系统控制部15执行控制，使得转移脉冲小TRF、复位脉冲小RST以及 选择脉冲小SEL将不会为属于在有效像素区111的上侧和下侧设置的虚拟像素区113a和 113b的像素行从垂直驱动部12输出。在该控制的情况下，跳过而不输出虚拟像素区113a 和113b的各开口虚拟像素的信号是可能的。 此外，在图3中，设置在左侧的虚拟像素区113c的起始像素(起始列)地址和终 止像素地址分别由hi和h2表示。设置在右侧的虚拟像素区113d的起始像素地址和终止 像素地址分别由h3和h4表示。关于这些地址hi h4的地址信息项预先存储在设置在系 统控制部15中的存储器中。系统控制部15通过使用关于地址hi h4的地址信息项的水 平驱动部14来执行跳过信号的控制。 以下列方式执行利用水平驱动部14跳过信号的控制。换句话说，信号从像素阵列 部11基于逐行读出。当通过水平驱动部14选择暂时保持在列处理部13中的一行的像素 信号时，执行水平扫描操作，使得设置在左侧和右侧上的虚拟像素区113c和113d的各开口 虚拟像素的信号被跳过。 图5示出了列处理部13的输出部分的电路构成的实例。在列处理部13的输出部 分中，数据保持单元131-l、131-2...等均提供给相应的像素列，并且水平选择开关132-1、132-2...等均设置在相应的数据保持单元131-1、131-2...等与信号输出线19之间。从像 素阵列部11读出的一行的像素信号暂时保持在数据保持单元131-l、131-2...等中。
水平选择开关132-1 、132-2...等在响应于从水平驱动部14顺序输出的水平扫描 脉冲小H1、小H2...等依次接通，从而将保持在数据保持单元131-1、131-2...等中的像素 信号输出至信号输出线19。当执行水平扫描操作时，系统控制部15执行使得水平扫描脉冲 小H不会为属于设置在左侧和右侧上的虚拟像素区113c和113d的像素列从水平驱动部14 输出的控制。在该控制的情况下，使虚拟像素区113c和113d的各开口虚拟像素的信号被 跳过而不被输出是可能的。 这里，数据保持单元131-1、131-2...等设置在列处理部13的输出部分中，并且一 行的像素信号暂时保持在数据保持单元131-1、131-2...等中。然而，这仅是一个实例。
当列处理部13具有可以暂时保持像素信号的电路部分如CDS电路或A/D转换器 时，该电路部分也可以用作数据保持单元131-1、 131-2...等。 图6示出了 CDS电路的电路构成的实例。在图6中，相同的参考标号用于与图5 中相同的元件。该实例中的CDS电路133包括两个电容器1331和1332、采样晶体管1333 和钳位晶体管1334，并且为各垂直信号线17设置一个CDS电路133。 关于电容器1331，其一端连接至垂直信号线17。关于采样晶体管1333，其漏电极 连接至电容器1331的另一端，并且采样脉冲小SP经由控制线1336施加至采样晶体管1333 的栅电极。关于电容器1332，其一端连接至采样晶体管1333的源电极，而另一端连接至地。
关于钳位晶体管1334，其源电极连接至采样晶体管1333的源电极。钳位电压Vclp 施加至钳位晶体管1334的漏电极，而钳位脉冲小CLP经由控制线1337施加至钳位晶体管 1334的栅电极。这里，采样晶体管1333的源电极、电容器1332的一端以及钳位晶体管1334 的源电极共同连接在一起的节点称作节点N。 上面提及的水平选择开关132设置在CDS电路133的输出侧。换句话说，关于水 平选择开关132，其漏电极连接至CDS电路133的输出端，即，节点N，并且其源电极连接至 信号输出线19。与水平扫描操作同步地从水平驱动部14顺序输出的相应的水平选择脉冲 小H(小H1、小H2、...等)施加至水平选择开关132的栅电极。 在具有上述构造的CDS电路133中，像素信号可以暂时保持在电容器1332中。因 此，CDS电路133也可以用作各数据保持单元131-1、131-2...等。因此，与其中设置数据保 持单元131-1、131-2...等的情况相比，数据保持单元131-1、131-2...等仅为保持数据而 提供是不必要的，可以减小CDS电路133的电路规模，并且进一步可以减小列处理部13的 电路规模。 另外，为了跳过从设置在左侧和右侧的虚拟像素区113c和113d输出的像素信号， 并不使用与属于虚拟像素区113c和113d的像素列i相对应的CDS电路133i读出像素信 号。因此，可以采用CDS电路133i的电路操作停止的构造。因此，与并不停止对应于属于 虚拟像素区113c和113d的像素列i的CDS电路133i的电路操作的情况相比，可以降低列 处理部13的功率消耗，并且另外，可以降低CMOS图像传感器10A的功率消耗。
如上所述，在光学黑色像素区112a 112d与有效像素区111之间的边界部分中 设置虚拟像素区113a 113d，并且执行驱动，使得跳过开口虚拟像素的信号，由此可以获 得以下作用效果。换句话说，在有效像素区111与光学黑色像素区112a 112d之间的边界部分中设置虚拟像素区113a 113d，其中光学特性受到遮光层的上层的膜厚度不同的 影响，由此可以减少有效像素区111的外围部分中光学不均匀性的发生。
此夕卜，由于设置在上侧、下侧、左侧和右侧的虚拟像素区113a 113d的各开口虚 拟像素的信号被跳过而不被选择，因此没有必要提高帧速率的驱动频率。换句话说，开口虚 拟像素的信号并不从CMOS图像传感器10A输出，并且最终输出的信号仅是被用于图像信号 且其数量与有效像素的数量相等的信号。因此，没有必要提高帧速率的驱动频率。
此外，设置虚拟像素区113a 113d，由此可以降低由界面状态的变化引起的暗电 流或随机噪声的变化，该界面状态的变化是由有效像素区111的开口部分的遮光金属的形 状与光学黑色像素区112a 112d的遮光金属的形状之间的不同而引起的。对于此的原因 在于设置在光学黑色像素区112a 112d与有效像素区lll之间的边界部分中的虚拟像素 区113a 113d具有与有效像素区111的遮光结构相同的遮光结构。 上面描述了一种读出有效像素区111的各有效像素的信号，并且读出虚拟像素区 113a 113d的各开口虚拟像素的信号的情况。然而，光学黑色像素区112a 112d的遮光 的各像素的信号还与有效像素的信号的情况中一样被读出。光学黑色像素区112a 112d 的遮光的各像素的信号用作图像信号的黑色参考信号。
防止高光溢出(blooming) 当具有高强度的光进入虚拟像素区113(113a 113d)的各开口虚拟像素时，电荷 从虚拟像素溢出。从开口虚拟像素溢出的过量电荷流入开口虚拟像素邻近的像素，从而出 现了高光溢出。高光溢出不利地影响有效像素区111的有效像素。 这里，在根据第一实施方式的CMOS图像传感器10A中，虚拟像素区113a 113d 的位置固定为预定的位置。如前所述，当固定虚拟像素区113a 113d的位置时，可以通过 设计单位像素20的像素结构来降低由从开口虚拟像素泄露的电荷或入射光引起的高光溢 出对有效像素的影响。 图7是示出了单位像素20的截面结构的实例的截面图。在图7中，相同的参考标 号用于与图2中相同的元件。 参照图7，光电二极管21使用在N型半导体基板31上的P阱32与作为在P阱32 中形成的N型层33之间的PN结来形成。光电二极管21包括作为设置在N型层33的基板 表面侧上的P型层，即，空穴累积层34。注意到，具有的杂质浓度低于P阱32的传感器P阱 39在光电二极管21的下面形成。 转移晶体管22具有用作FD单元26的N型层35作为漏区(drainregion)，并且具 有其中栅电极36形成在光电二极管21的N型层33与N型层35之间的沟道上的构造，使 得在沟道与栅电极36之间设置绝缘膜(未示出)。复位晶体管23具有作为漏区的N型层 37，并且具有其中栅电极38形成在作为FD单元26的N型层35与N型层37之间的沟道上 的构造，使得在沟道与栅电极38之间设置绝缘膜(未示出)。 在具有上述构造的单位像素20的像素结构中，为了防止高光溢出采用了以下技 术，由此可以降低由从虚拟像素区113a 113d的各开口虚拟像素泄漏的电荷或入射光引 起的高光溢出对有效像素的影响。 作为第一种技术，改变转移晶体管22的栅极长度。更具体地说，减小栅电极36的 配线图案的宽度(图7中的左右方向的栅电极36的宽度)，使得配线图案的宽度窄于防止
12高光溢出之前设置的配线图案的宽度，从而减小转移栅极长度。由于转移栅极长度减小，所 以用作FD单元26的N型层35的位置更靠近光电二极管21移动。因此，形成从光电二极 管21至FD单元26的所谓的水平型溢出通路。因此，从虚拟像素区113a和113b的各开口 虚拟像素溢出的电荷经由水平型溢出通路流入FD单元26。因此，可以降低由从开口虚拟像 素泄漏的电荷或入射光引起的高光溢出对有效像素的影响。 作为第二种技术，改变设置在光电二极管21下方的杂质的杂质分布(电压分布)。 更具体地说，将在光电二极管21下面形成的传感器P阱39的杂质浓度设定为低于杂质分 布改变之前的杂质浓度。可替换地，省略了传感器P阱39。从光电二极管21到N型半导体 基板31的所谓的垂直型溢出通路通过改变设置在光电二极管21下面的杂质的杂质分布来 形成。因此，从虚拟像素区113a和113b的各开口虚拟像素溢出的电荷经由垂直型溢出通 路而流入半导体基板31。因此，可以降低由从开口虚拟像素泄漏的电荷或入射光引起的高 光溢出对有效像素的影响。 可以采用上述用于设计单位像素20的像素结构的第一和第二种技术，因为设置 在有效像素区111的上侧、下侧、左侧和右侧的虚拟像素区113a 113d的位置被确定为固 定位置。 1-4.第二实施方式 图8是示意性地示出了根据第二实施方式的CM0S图像传感器的构成的平面图。在 图8中，相同的参考标号用于与图3中相同的元件。 根据第一实施方式的CMOS图像传感器10A具有这样的构造，其中有效像素区111 的位置以及设置在有效像素区111的上侧、下侧、左侧和右侧的虚拟像素区113a 113d的 位置被确定为固定位置。这里，将这些位置确定为固定位置意味着这些位置在确定后是不 变的。因此，关于扫描起始位置(设置在左下角的像素的位置)的地址信息项也被固定。
另一方面，根据第二实施方式的CMOS图像传感器IOB具有这样的构造，其中有 效像素区111的位置以及设置在有效像素区111的上侧、下侧、左侧和右侧的虚拟像素区 113a 113d的位置可以任意设定。由于有效像素区111的位置和虚拟像素区113a 113d 的位置可以任意设定，因此关于有效像素区111的扫描起始位置(在图8中用符号"X"表 示的位置)的地址信息项可以是变化的。然而，与在第一实施方式的情况中一样，根据水平 方向上的像素数和垂直方向上的像素数确定的有效像素区111的尺寸是固定的。
为了减少有效像素区111的外围部分中的光学不均匀性的发生，以下列方式设定 虚拟像素区113a 113d的位置和尺寸。这里，虚拟像素区113a 113d的位置是在像素 阵列部11上的绝对位置。此外，虚拟像素区113a 113d的尺寸根据水平方向上的像素数 和垂直方向上的像素数来确定。 虚拟像素区113a 113d具有与有效像素区111的遮光结构相同的遮光结构。基 本上，虚拟像素区113a 113d的各像素均具有与有效像素区111的各开口像素相同的结 构。因此，可以容易地产生像素阵列部ll。然而，设计虚拟像素使得连续性在虚拟像素与有 效像素区111的像素之间不丧失是必要的。换句话说，与有效像素区111的各像素相同的 结构的概念还包括当出瞳距离较短时，芯片上透镜等的位置移动(进行瞳孔校正)，从而改 善遮蔽特性的像素结构。 关于虚拟像素区113a 113d的尺寸(虚拟像素区113a 113d的开口虚拟像素的数量)，在CMOS图像传感器10B的检查步骤中进行尺寸的测量，以确定该尺寸是否满足 规格，并且基于测量结果来确定该尺寸。进行确定尺寸是否满足规格的尺寸的测量，例如， 当像素用具有固定强度的光照射时，通过检查各像素的信号电平是否落在定义的电平范围 内。利用该测量，从除光学黑色像素区112a 112d之外的所有区中，信号电平落在定义的 电平范围内的像素区被设定为具有预定尺寸的有效像素区111。 然后，有效像素区111与光学黑色像素区112a 112d之间的剩余区域被设定为 虚拟像素区113a 113d。因此，例如，在假定光学黑色像素区112a 112d的各尺寸相同 的情况下，当有效像素区111的中心与像素阵列部11的中心重合时，虚拟像素区113a 113d的各尺寸变得相同。相反，当有效像素区111的位置设定成使得有效像素区111的中 心从像素阵列部11的中心偏移时，与有效像素区111的位置一致，虚拟像素区113a 113d 的各尺寸变得彼此不同。 以这种方式，首先，通过确定有效像素区111在像素阵列部11上的位置来确定有 效像素区111的扫描起始位置。然后，关于扫描起始位置的地址信息项存储在设置在图l所 示的系统控制部15中的存储单元中，例如使用来自外部装置的通信的寄存器。换句话说， 存储在设置在系统控制部15中的寄存器中的关于扫描起始位置的地址信息项可以任意设 定，并可以使用来自外部装置的通信而改变。 此外，虚拟像素区113a 113d的位置和尺寸通过确定有效像素区111在像素阵 列部11上的位置而确定。然后，为了跳过虚拟像素区113a 113d的各开口像素的信号而 不选择它们，关于虚拟像素区113a 113d的起始像素和终止像素的地址信息项也存储在 设置在系统控制部15中的例如使用来自外部装置的通信的寄存器中。换句话说，存储在设 置在系统控制部15中的寄存器中的关于虚拟像素区113a 113d的地址信息项也可以任 意设定，并使用来自外部装置的通信来改变。 为了不使用虚拟像素区113a 113d的各开口虚拟像素的信号作为图像信号，与 第一实施方式的情况中一样，可以通过垂直驱动部12和水平驱动部14来执行使开口虚拟 像素的信号被跳过而不被选择的驱动。垂直驱动部12执行使设置在有效像素区111的上 侧和下侧的虚拟像素区113a和113b的各开口虚拟像素的信号被跳过的驱动。水平驱动部 14执行使设置在有效像素区111的左侧和右侧的虚拟像素区113c和113d的各开口虚拟像 素的信号被跳过的驱动。 在图8中，设置在下侧的虚拟像素区113b的起始像素(起始行)地址和终止像素 地址分别由vl和v2表示。设置在上侧的虚拟像素区113a的起始像素地址和终止像素地 址分别由v3和v4表示。关于这些地址vl v4的地址信息项预先存储在设置在系统控制 部15中的存储器中。系统控制部15通过使用关于地址vl v4的地址信息项的垂直驱动 部12来执行跳过信号的控制。跳过信号的控制的细节与第一实施方式中描述的那些相同。
此外，在图8中，设置在左侧的虚拟像素区113c的起始像素(起始列)地址和终 止像素地址分别由hl和h2表示。设置在右侧上的虚拟像素区113d的起始像素地址和终 止像素地址分别由h3和h4表示。关于这些地址hl h4的地址信息项预先存储在设置在 系统控制部15中的存储器中。系统控制部15通过使用关于地址hl h4的地址信息项的 水平驱动部14来执行跳过信号的控制。跳过信号的控制的细节与第一实施方式中描述的 那些相同。
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如上所述，在光学黑色像素区112a 112d与有效像素区lll之间的边界部分中 设置虚拟像素区113a 113d，执行驱动使得开口虚拟像素的信号将被跳过，由此可以获得 与第一实施方式相类似的作用效果。换句话说，可以减少有效像素区111的外围部分中光 学不均匀性的发生，而无需提高帧速率的驱动频率。此外，可以减少由界面状态的变化引起 的暗电流或随机噪声的变化。 在第二实施方式中，除了第一实施方式的作用效果之外，可以获得以下的作用效 果。换句话说，由于有效像素区111的位置可以任意设置在像素阵列部11上，因此有效像 素区111的位置可以设定成使得并不起像素作用并且具有其它某些缺陷的像素将不会被 包括在有效像素区111中。因此，不仅可以实现光学不均匀性的降低，而且可以改善CMOS 图像传感器的产率。 与在第一实施方式中的情况一样，在有效像素区111的位置被设定为像素阵列部 11上的固定位置的情况下，当具有某些缺陷的像素存在于有效像素区111中时，对C0MS图 像传感器进行放电是必要的。因此，CM0S图像传感器的产量被降低。 此外，由于存储在设置在系统控制部15(其安装在CM0S图像传感器IOB上)中的 寄存器中的关于扫描起始位置的地址信息项可以任意设定，并使用来自外部装置的通信来 改变，因此可以获得以下作用效果。换句话说，当执行将模具粘结至封装时或者当进行芯片 上透镜的位置的确定时，光学位置可以容易地进行调整。
防止高光溢出 在第二实施方式中，采用了其中有效像素区111的位置可以任意设置在像素阵列 部11上的构造。因此，与在第一实施方式中的情况一样，很难使用单位像素20的像素结构 的设计来提供防止高光溢出。由于该原因，在第二实施方式中，采用了以下技术来防止高光 溢出。 关于设置在有效像素区111的左侧和右侧的虚拟像素区113c和113d的开口虚 拟像素，与将脉冲施加至有效像素的情况中一样，将转移脉冲小TRF、复位脉冲小RST和选 择脉冲小SEL施加至开口虚拟像素。因此，设计开口像素使得与在有效像素的情况中一样 对开口像素执行电子快门操作。由于通过电子快门操作，所以可以防止电荷从虚拟像素区 113c和113d的开口虚拟像素溢出，可以减小由从开口虚拟像素泄漏的电荷或入射光引起 的高光溢出对有效像素的影响。 相反，关于设置在有效像素区111的上侧和下侧的虚拟像素区113a和113b的开 口虚拟像素，比在有效像素区111的各像素行处于累积状态的情况中的电压值高的电压值 作为转移脉冲小TRF施加至各开口虚拟像素。换句话说，光电二极管21与FD单元26之间 的转移栅极(转移晶体管22)的栅极电压设定成高于在各有效像素处于累积状态的情况中 的栅极电压。 因此，参照图2，低于转移晶体管22的栅极的电压被降低至低于有效像素区111的 各像素行处于累积状态的情况中的电压，从而形成从光电二极管21到FD单元26的溢出通 路。结果，从虚拟像素区113a和113b的各开口虚拟像素溢出的电荷经由溢出通路流入FD 单元26。因此，可以减小由从开口虚拟像素泄漏的电荷或入射光引起的高光溢出对有效像 素的影响。 注意到，防止高光溢出的技术可以应用于根据第一实施方式的具有有效像素区111的位置固定在像素阵列部11上的构造的CMOS图像传感器IOA。 此外，在上述第一和第二实施方式中，有效像素区111的像素不必限于有效像素 区111中的像素。作为一个实例，在具有滤光器和支持彩色显示的CMOS图像传感器中，当 进行诸如边缘增强或轮廓校正的着色处理时，存在其中使用了靠近设置在有效像素区111 的边缘部分中的有效像素定位，设置在虚拟像素区113中，以及具有与有效像素区111的有 效像素的颜色相同的颜色的虚拟像素的信号的情况。在这样的情况下，设置在虚拟像素区 113中并具有与有效像素区111的有效像素的颜色相同的颜色的虚拟像素也被包括在有效
像素区111的像素中。
2.变形例 在上面描述的实施方式中，描述了这样的实例，其中本发明应用于CMOS图像传感
器，在该CMOS图像传感器中，检测电荷使得电荷的物理量将根据可见光的量确定的单位像
素以矩阵的形式设置。然而，本发明并不限于应用于CMOS图像传感器。此外，本发明并不
限于对设置在像素阵列部中的各像素进行扫描操作以便顺序以行的单位选择像素，并且信
号从所选的行的各像素读出的固体摄像装置。本发明可以应用于像素以像素的单位被任意
选择，并且信号以像素的单位从所选的像素中读出的X-Y地址固体摄像装置。 注意到，关于上述固体摄像装置的任何形式，固体摄像装置可以作为其中摄像单
元和信号处理单元或光学系统集成封装的单一芯片或具有摄像功能的模块而提供。 此外，本发明并不限于应用于固体摄像装置。本发明可以应用于摄像装置。这里，
摄像装置可以是照相机系统如数码照相机或摄像机，或具有摄像功能的电子装置如移动电
话。注意到，安装在电子装置中的上述模块，B卩，照相机模块，可以认为是摄像装置。 3.应用例 摄像装置 图9是示出了根据本发明的实施方式的摄像装置的构成的实例的框图。如图9所 示，根据本发明的实施方式的摄像装置100包括具有一组透镜101等的光学系统，摄像元 件102，作为照相机信号处理电路的数字信号处理(DSP)电路103，帧存储器104，显示装置 105，记录装置106，操作系统107，电源系统108等。摄像装置100具有其中DSP电路103、 帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107以及电源系统108经由总线109 彼此连接的构造。 —组透镜101从目标接收入射光(图像光)，并在摄像元件102的摄像面上形成图
像。摄像元件102将入射光的量转换为像素单位的电子信号，并输出电子信号作为像素信
号，其中，利用入射光图像通过一组透镜101形成在摄像面上。作为摄像元件102，使用了具
有列处理部的根据上述第一至第三实施方式的任何一种CMOS图像传感器。 显示装置105使用面板显示装置，如液晶显示装置或有机电致发光(EL)显示装置
来构造，并显示通过摄像元件102摄取的运动图像或静止图像。记录装置106将通过摄像
元件102摄取的运动图像或静止图像记录到记录介质如录像带或数字通用光碟(DVD)上。 操作系统107根据用户操作发布摄像装置100具有的各种功能的操作命令。电源
系统108适当地向DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作系统107
供应各种电源，利用所述各种电源可以操作供给对象的这些装置对象。 本领域的普通技术人员应当理解，根据设计要求和其它因素，可以进行各种变形、组合、子组合以及改变，只要它们在所附权利要求书的范围内或其等同范围内,
权利要求
一种固体摄像装置，包括像素阵列部，所述像素阵列部包括有效像素区、光学黑色像素区以及设置在所述有效像素区与所述光学黑色像素区之间的像素区，所述有效像素区具有用于提供被用作图像信号的信号的像素，所述光学黑色像素区具有用于提供被用作黑色参考信号的信号的光被遮蔽的像素，所述像素区具有与所述有效像素区的遮光结构相同的遮光结构；垂直驱动部，被构造成执行驱动，使得跳过设置在所述有效像素区的垂直方向侧的所述像素区的像素的信号，并且读出所述有效像素区和所述光学黑色像素区的像素的信号；以及水平驱动部，被构造成执行驱动，使得从通过由所述垂直驱动部执行驱动以读出像素的信号而选择的像素中，跳过设置在所述有效像素区的水平方向侧的所述像素区的像素的信号，并且读出所述有效像素区和所述光学黑色像素区的像素的信号。
2. 根据权利要求1所述的固体摄像装置，进一步包括列处理部，所述列处理部被构造 成暂时保持通过由所述垂直驱动部执行驱动以读出像素的信号而选择的像素的信号，其中，所述水平驱动部从所述列处理部保持的像素的信号中跳过设置在所述有效像素 区的水平方向侧的所述像素区的像素的信号。
3. 根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中，停止所述列处理部的电路部分的操作， 所述电路部分保持设置在所述有效像素区的水平方向侧的所述像素区的像素的信号。
4. 根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，所述列处理部具有除去包括在像素信 号中的噪声成分的噪声降低功能以及将所述像素信号转换为数字信号的模数转换功能中 的至少一种。
5. 根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述有效像素区的位置和所述像素区 的位置被固定在所述像素阵列部上。
6. 根据权利要求5所述的固体摄像装置，其中，所述像素区的各像素具有溢出通路，在 光电转换元件中产生的过量电荷通过所述溢出通路排入到基板或浮动扩散单元中。
7. 根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述有效像素区的位置和所述像素区 的位置在所述像素阵列部上是可变的。
8. 根据权利要求5或7所述的固体摄像装置，其中，所述垂直驱动部将设置在所述有效 像素区的垂直方向侧的所述像素区的各像素的光电转换元件与浮动扩散单元之间的转移 栅极的栅极电压设置成高于所述有效像素区的各像素处于累积状态的情况下的栅极电压。
9. 根据权利要求7所述的固体摄像装置，其中，所述像素区的各像素具有与所述有效 像素区的各像素的结构相同的结构。
10. —种用于驱动固体摄像装置的方法，所述固体摄像装置包括像素阵列部，所述像素 阵列部包括有效像素区、光学黑色像素区以及设置在所述有效像素区与所述光学黑色像素 区之间的像素区，所述有效像素区具有用于提供被用作图像信号的信号的像素，所述光学 黑色像素区具有用于提供被用作黑色参考信号的信号的光被遮蔽的像素，所述像素区具有 与所述有效像素区的遮光结构相同的遮光结构，所述方法包括以下步骤执行驱动，使得跳过设置在所述有效像素区的垂直方向侧的所述像素区的像素的信 号，并且读出所述有效像素区和所述光学黑色像素区的像素的信号；以及执行驱动，使得从在通过执行驱动以读出像素的信号而选择的像素中，跳过设置在所述有效像素区的水平方向侧的所述像素区的像素的信号，并且读出所述有效像素区和所述 光学黑色像素区的像素的信号。
11. 一种使用固体摄像装置的摄像装置，所述固体摄像装置包括像素阵列部，所述像素阵列部包括有效像素区、光学黑色像素区以及设置在所述有效 像素区与所述光学黑色像素区之间的像素区，所述有效像素区具有用于提供被用作图像信 号的信号的像素，所述光学黑色像素区具有用于提供被用作黑色参考信号的信号的光被遮 蔽的像素，所述像素区具有与所述有效像素区的遮光结构相同的遮光结构；垂直驱动部，被构造成执行驱动，使得跳过设置在所述有效像素区的垂直方向侧的所 述像素区的像素的信号，并且读出所述有效像素区和所述光学黑色像素区的像素的信号； 以及水平驱动部，被构造成执行驱动，使得从通过由所述垂直驱动部执行驱动以读出像素 的信号而选择的像素中，跳过设置在所述有效像素区的水平方向侧的所述像素区的像素的 信号，并且读出所述有效像素区和所述光学黑色像素区的像素的信号。
全文摘要
本发明提供了一种固体摄像装置、用于驱动固体摄像装置的方法以及摄像装置。该固体摄像装置包括像素阵列部，所述像素阵列部包括有效像素区、光学黑色像素区以及设置在所述有效像素区与所述光学黑色像素区之间的像素区；垂直驱动部，执行使得跳过设置在所述有效像素区在垂直方向侧的像素区的像素的信号，并且读出所述有效像素区和所述光学黑色像素区的所述像素的信号的驱动；以及水平驱动部，执行从通过垂直驱动部所选的像素中，跳过设置在所述有效像素区在水平方向侧的所述像素区的像素的信号，并且读出有效像素区和光学黑色像素区的所述像素的信号的驱动。
文档编号H04N5/369GK101753860SQ20091024621
公开日2010年6月23日 申请日期2009年11月27日 优先权日2008年11月28日
发明者三品浩司, 土屋弘幸, 远山隆之, 铃木亮司 申请人:索尼株式会社