固体摄像装置以及使用了该固体摄像装置的摄像机系统的制作方法
【专利摘要】本发明的固体摄像装置具备半导体衬底(31)、多个像素(11)以及列信号线(141)，像素(11)具备放大晶体管(113)、选择晶体管(115)、复位晶体管(117)以及光电转换部(111)，光电转换部(111)具备光电转换膜(45)、透明电极(47)、像素电极(46)以及存储二极管，像素电极(46)以及存储二极管连接于放大晶体管(113)的栅极，在放大晶体管(113)中，源极连接于列信号线(141)，漏极与电源线连接，在复位晶体管(117)中，源极连接于像素电极(46)，选择晶体管(115)被插入在放大晶体管(113)的源极与列信号线(141)之间，放大晶体管(113)的阈值电压比存储二极管的电压低。
【专利说明】固体摄像装置以及使用了该固体摄像装置的摄像机系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及固体摄像装置，尤其涉及叠层型的固体摄像装置。
【背景技术】
[0002]近些年，在由结晶硅构成的半导体衬底的内部设置有光电二极管，将CXD(ChargeCoupled Device)或者 M0S(Metal Oxide Semiconductor)作为扫描电路的 CCD 型或者MOS型的固体摄像装置的像素的小型化进展显著。2000年时为3μπι的像素大小，在2007年时则减小到2μπι以下。在2010年预定将像素大小为1.4μπι的固体摄像装置实用化，若以这种速度像素大小不断地被小型化，则能够期待着在若干年内实现I μ m以下的像素大小。
[0003]但是，本发明人员发现，要想实现Iym以下的像素大小则必需要解决以下的两个课题，第一个课题是，因结晶硅的光吸收系数小而出现的课题，第二个课题是与处理的信号量相关的课题。详细而言，第一个课题是结晶硅的光吸收系数依赖于光的波长。决定固体摄像装置的灵敏度的波长550nm附近的绿色光几乎完全吸收，进行光电转换则需要厚度约为
3.5μπι的结晶硅。因此，作为被形成在半导体衬底的内部的光电转换部的光电二极管的深度需要3.5 μ m左右。在将平面上的像素大小作为I μ m的情况下，要想形成深度为3.5 μ m左右的光电二极管是非常困难的，假设即使形成了深度为3.5 μ m左右的光电二极管，从斜方向入射的光入射到相邻的像素的光电二极管的情况的发生率也会较高。若从斜方向入射的光入射到相邻的像素的光电二极管，则会产生混合色(串扰)，这样在彩色的固体摄像元件则是一个严重的问题。但是为了防止混合色的发生而将光电二极管形成得比较浅，则对绿色光的吸收效率降低，从而导致图像传感器的灵敏度的降低。在像素的微小化中，由于像素的大小变小，一个像素的灵敏度降低，这样，致命的问题则是光吸收效率的降低。
[0004]第二个课题的详细内容是，处理信号量取决于被用在一般的固体摄像装置的作为光电二极管结构的埋入型光电二极管的饱和电荷量。埋入型光电二极管所具有的优点是，被蓄积在内部的信号电荷几乎全部都能够被传送到相邻的电荷检测部(完全传送)。因此，在电荷传送时几乎不会发生噪声，埋入型光电二极管被广泛应用于固体摄像装置。但是，在埋入型光电二极管中，为了实现完全传送，则光电二极管的每单位面积的容量就不会增大。因此，在对像素进行微型化时，则会发生饱和电荷减少的问题。在小型数码相机技术中，每一像素中需要10000电子的饱和电子数量，在像素大小成为1.4μπι左右时，饱和电子数量的极限为5000电子左右。目前，利用数字信号处理技术，来进行噪声抑制处理等，并通过这种噪声抑制处理来制作图像，这样虽然能够相应地解决饱和电子数量的减少的问题，但是很难得到自然的再生图像。而且，在高级的单镜头反光照相机的情况下，一个像素所需要的饱和电子数量为30000电子左右。
[0005]并且，在采用了结晶硅衬底的MOS型图像传感器中探讨的一种结构是，通过将衬底切削变薄，从而使光不是从形成有像素电路的表面侧入射，而是从背面侧入射。但是，即使是这种结构也只不过是防止了因构成像素电路的配线等而对入射光造成的妨碍，但是并没能解决第一个课题以及第二个课题。[0006]作为能够解决这两个课题的技术，可以列举出叠层型的固体摄像装置(例如，参照专利文献I)。叠层型的固体摄像装置所具有的构成是，通过形成有像素电路的半导体衬底上的绝缘膜，来形成光电转换膜。因此，在光电转换膜中能够采用非晶硅等光吸收系数大的材料。例如，在非晶硅的情况下，波长550nm的绿色光在0.4nm左右的厚度中几乎能够被吸收。并且，由于没有采用埋入型光电二极管，因此能够使光电转换部的容量增大，从而能够使饱和电荷增大。而且，由于电荷不被完全传送，因此能够优选对容量的添加，这样，即使在被微型化的像素中，也能够实现充分大的容量，从而能够解决第二个课题。在动态随机存取存储器中也能够实现堆栈单元的结构。
[0007](现有技术文献)
[0008](专利文献)
[0009]专利文献I日本特开昭58-050030号公报
[0010]对于上述的叠层型的固体摄像装置中所使用的像素的电荷检测电路，可以考虑到由以下三种晶体管构成，即:放大晶体管、复位晶体管以及选择晶体管。
[0011]在这种构成中，在被层叠的光电转换膜得到的信号电荷为电子的情况下，连接于光电转换膜的电容(以下称为存储二极管)的电压与光入射量成比例地降低，另外，没有光入射的初始化电压被设定得较高。因此，存储二极管的PN结的施加电压差增大，从而容易发生暗电流。该暗电流在从没有光入射的黑暗时，到有微弱的光入射的低亮度的情况下，容易在视觉上感受到，并且，相对于信号成分的噪声成分增大，SN(信噪比)也变差。
[0012]并且，在将空穴作为信号电荷来处理的情况下，需要将连接于复位晶体管的复位漏极线的电压设定为低电压，在从没有光入射的黑暗时到有微弱的光入射的低亮度的情况下，与将电子作为信号电荷来处理的情况相比，能够抑制暗电流。然而，在具备了能够从低电压的存储二极管正常地检测信号的像素电路的技术中残存有上述的课题。
【发明内容】
[0013]因此，本发明鉴于上述的问题点，目的在于提供一种在叠层型的构成中能够抑制暗电流的増加的固体摄像装置、以及采用了该固体摄像装置的摄像机系统。
[0014]为了达成上述的目的，本发明的一个实施方式所涉及的固体摄像装置具备:半导体衬底；以矩阵状被配置在所述半导体衬底的多个像素；以及被形成在所述像素的每个列的垂直信号线；所述像素具有:放大晶体管、选择晶体管、复位晶体管、以及光电转换部，所述光电转换部具有:被形成在所述半导体衬底上方的光电转换膜、被形成在所述光电转换膜的上方的透明电极、被形成在所述光电转换膜的下方的像素电极、以及与所述像素电极连接的存储二极管，所述像素电极以及所述存储二极管被连接在所述放大晶体管的栅极，在所述放大晶体管，源极与所述垂直信号线连接，漏极与电源线连接，在所述复位晶体管，源极与所述像素电极连接，所述选择晶体管被插入在，所述放大晶体管的源极与所述垂直信号线之间，或者被插入在所述放大晶体管的漏极与所述电源线之间，所述放大晶体管的阈值电压比所述存储二极管的电压低。
[0015]根据这样的构成，放大晶体管的阈值电压由于能够被设定成比存储二极管的电位低，因此，能够将施加到存储二极管的PN结的电压设定为低值。这样，在叠层型的构成中能够抑制暗电流的増加。[0016]在此，也可以是，所述选择晶体管被插入在，所述放大晶体管的源极与所述垂直信号线之间，所述电源线，在所述选择晶体管导通的期间中提供规定的电压，在所述选择晶体管断开的期间中提供比所述规定的电压低的电压。
[0017]根据此构成，能够使存储二极管的电压上升幅度降低，因此能够抑制暗电流増加。
[0018]并且，也可以是，比所述规定的电压低的电压，比在所述复位晶体管以及所述选择晶体管导通期间中，从所述放大晶体管输出到所述垂直信号线的电压低。
[0019]根据此构成，由于不会发生存储二极管的电压上升，因此能够进一步抑制暗电流的増加。
[0020]并且，也可以是，所述固体摄像装置还具备负载晶体管，该负载晶体管被插入在所述垂直信号线与固定电位之间，所述选择晶体管被插入在所述放大晶体管的漏极与所述电源线之间，在所述选择晶体管断开的期间中，所述负载晶体管断开，所述垂直信号线的电压比所述放大晶体管的漏极的电压低。
[0021]根据此构成，由于能够使存储二极管的电压上升幅度降低，因此能够抑制暗电流的増加。
[0022]并且，也可以是，所述固定电位为负电位。
[0023]根据此构成，由于不会发生存储二极管的电压上升，因此能够进一步抑制暗电流的増加。
[0024]并且，本发明的一个实施方式所涉及的摄像机系统能够采用上述的固体摄像装置。
[0025]根据此构成，能够提供一种高画质的摄像机系统。
[0026]根据本发明，能够使用暗电流少的存储二极管来检测在被层叠的光电转换膜得到的信号电荷。并且能够减少暗电流以及斑痕，从而显著地提高画质。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1示出了本发明的实施方式I所涉及的叠层型固体摄像装置的概略构成。
[0028]图2是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的结构的截面图。
[0029]图3A是本实施方式所涉及的固体摄像装置的最基本的拍摄工作的时间图。
[0030]图3B示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的电位(沿着图2的X-Y线的部分的电位)。
[0031]图4A示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置的详细的电路构成。
[0032]图4B示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置在读出一行的像素信号时的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、电源线的电位以及FD的电位的时间变化。
[0033]图5A示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置的变形例中的针对复位频率f的复位噪声En。
[0034]图5B是示出该变形例所涉及的固体摄像装置的基本的拍摄工作的时间图。
[0035]图6示出了该变形例所涉及的固体摄像装置的复位晶体管的电阻值R的范围与复位噪声En的关系。
[0036]图7示出了该变形例所涉及的固体摄像装置的全体构成。
[0037]图8A示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置的比较例子中的、读出一帧的像素信号的构成。
[0038]图SB示出了该比较例子所涉及的固体摄像装置在读出一行的像素信号时的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、电源线的电位以及FD的电位的时间变化。
[0039]图9A示出了本发明的实施方式2所涉及的叠层型固体摄像装置的详细的电路构成。
[0040]图9B示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置在读出一行的像素信号时的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、驱动信号LGCELL、电源线的电位以及FD的电位的时间变化。
[0041]图1OA示出了本发明的实施方式3所涉及的叠层型固体摄像装置的详细的电路构成。
[0042]图1OB示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置在读出一行的像素信号时的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、驱动信号LGCELL、电源线的电位以及FD的电位的时间变化。
[0043]图11示出了本发明的实施方式4所涉及的叠层型固体摄像装置的芯片构成。
[0044]图12详细示出了本实施方式所涉及的像素部以及该像素部的周边电路的构成。
[0045]图13是用于说明本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作的电路图。
[0046]图14是用于说明本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作的时间图。
[0047]图15是用于说明作为比较例子中的固体摄像装置的工作的时间图。
[0048]图16示出了作为比较例子中的固体摄像装置以及该实施方式所涉及的固体摄像装置中的复位信号的波形。
[0049]图17示出了本发明的实施方式5所涉及的摄像装置的全体构成。
【具体实施方式】
[0050](实施方式I)
[0051]图1示出了本发明的实施方式I所涉及的叠层型固体摄像装置的概略构成，图2是示出图1的像素11的结构的截面图。
[0052]固体摄像装置具备:由硅构成的半导体衬底31、以矩阵状被配置在半导体衬底31的多个像素11、向像素11提供各种定时信号的垂直扫描部(也称为行扫描部)13、依次将像素11的信号读出到水平输出端子142的水平扫描部(也称为列扫描部、水平信号读出部)15、按像素11的每一个列形成的列信号线(垂直信号线)141、与电源端子143以及列信号线141连接的反馈电路(反转放大器)23以及列信号处理部21，并且具备反馈线126，该反馈线126按每个列而被设置，用于将反馈电路23的输出信号反馈到相对应的列的像素
11。并且，在图1中所示出的像素11虽然仅记载了 “两行两列”，不过行数以及列数可以任意设定。
[0053]并且，各个像素11具备:光电转换部111、栅极与光电转换部111连接的放大晶体管113、漏极与光电转换部111连接的复位晶体管117、以及与放大晶体管113串联连接的选择晶体管115。复位晶体管117的漏极通过反转放大器与列信号线141连接。
[0054]如图2所示，光电转换部111具备:由非晶硅等构成的光电转换膜45，被形成在半导体衬底31的上方,对入射光进行光电转换；像素电极46,被形成在光电转换膜45的下方，即光电转换膜45的面向半导体衬底31 —侧的下表面；透明电极47,被形成在光电转换膜45的上方，即光电转换膜45的与像素电极46相反一侧的上表面；以及存储二极管，即与像素电极46连接的FD (浮动扩散部)。
[0055]在半导体衬底31内形成有放大晶体管113、选择晶体管115、以及复位晶体管117。放大晶体管113具有:栅极电极41、作为漏极的扩散层51以及作为源极的扩散层52。选择晶体管115具有:栅极电极42、作为漏极的扩散层52以及作为源极的扩散层53。放大晶体管113的源极与选择晶体管115的漏极为共用的扩散层52。复位晶体管117具有:栅极电极43、作为漏极的扩散层54以及作为源极的扩散层55。扩散层51与扩散层54由元件分离区域33而被分离。
[0056]放大晶体管113、选择晶体管115、以及复位晶体管117均由N型MOS晶体管构成。
[0057]在半导体衬底31上形成有用于覆盖各个晶体管的绝缘膜35。在绝缘膜35上形成有光电转换膜45。像素电极46通过触头36与放大晶体管113的栅极电极41以及作为复位晶体管117的源极的扩散层54连接。与像素电极46连接的扩散层54作为存储二极管来发挥作用。存储二极管与放大晶体管113的栅极连接。选择晶体管115被插入在放大晶体管113的源极与列信号线141之间。
[0058]光电转换部111被连接在放大晶体管113的栅极以及复位晶体管117的漏极、与光电转换部控制线131之间。放大晶体管113具有与像素电极46连接的栅极，将与像素电极46的电位相应的信号电压，经由选择晶体管115输出到列信号线141。复位晶体管117的源极与像素电极46连接，漏极与相对应的反馈线126连接。选择晶体管115的栅极经由地址控制线121与垂直扫描部13连接。复位晶体管117的栅极经由复位控制线123与垂直扫描部13连接。地址控制线121以及复位控制线123在像素11中彼此交替隔行设置。放大晶体管113的漏极与电源线125连接，源极与列信号线141连接。在本实施方式中，复位晶体管117是η型MOS晶体管，被输入到其栅极的复位信号中所包含的复位脉冲为正脉冲(朝上的脉冲)。选择晶体管115以及复位晶体管117的导通与断开工作通过行复位信号RESET以及行选择信号SEL，由垂直扫描部13控制。
[0059]光电转换部控制线131在所有的像素11中是共通的。列信号线141按像素11的每个列而被设置，通过列信号处理部21与水平扫描部15连接。列信号处理部21进行以相关双重采样为代表的噪声抑制信号处理，以及模拟-数字转换等。
[0060]并且，在按每个列而设置的列信号线141分别连接有反馈电路23，在反馈电路23由基准电压端子133也被输入有所有像素共通的基准电压(VR) 133，反馈电路23的输出与复位晶体管117的源极连接。反馈电路23在选择晶体管115与复位晶体管117为导通的状态时，接受选择晶体管115的输出，为了使放大晶体管113的栅极电位稳定而进行反馈工作。此时，反馈电路23的输出成为OV或者OV附近的正电压。
[0061]图3A是示出图1的固体摄像装置的最基本的拍摄工作的时间图。并且，该图的SELl表不第一行的行选择信号(通过地址控制线121而被提供的信号)。RSTl表不第一行的行复位信号(通过复位控制线123而被提供的信号)。SEL2、RST2也表示同样的意思，只是对应的行不同。一个水平周期是指，从行选择信号成为有效开始，到下一个行的行选择信号成为有效为止(从SELl的上升沿至SEL2的上升沿)的期间，并且是从一行的像素11中读出信号电压所需要的期间。一个垂直周期是指，从所有的行的像素11中读出信号电压所需要的期间。
[0062]反馈工作在行选择信号与行复位信号同时成为有效时开始工作。即，选择晶体管115与复位晶体管117同时成为导通时开始工作。垂直扫描部13进行的控制是，在从像素11读出信号之后进行复位(反馈工作)。首先，通过在选择晶体管115的栅极使行选择信号成为有效，从而将放大晶体管113的输出信号输出到列信号线141，接着，在行选择信号成为有效并经过一定时间之后使行复位信号成为有效，从而通过复位晶体管117将反馈电路23的输出反馈到像素电极46。
[0063]通过该反馈工作，在复位晶体管117对信号电荷进行复位时所发生的复位噪声得到抑制，在下一个信号电荷中的复位噪声的重叠得到减轻，这样能够抑制随机噪声。
[0064]图3B示出了沿着图2的X-Y线的部分中的电位。
[0065]首先，在没有信号的状态(被复位的状态)下，作为存储二极管的扩散层54的电位由于被施加有若干的反向偏压，因此几乎为OV。因热噪声而产生25mV左右的反向偏压的情况下，会出现存储二极管的电荷的一部分流入到衬底一侧的现象。因此，在蓄积信号电荷的期间中所施加的反向偏压最好是约为0.1V以上。通过将存储二极管的电位接近于0V，能够使在存储二极管与半导体衬底31之间流动的逆方向漏电流(暗电流)减小。另外，透明电极47被施加有正电压。从透明电极47的上部入射的光透过透明电极47而入射到光电转换膜45，在此被转换为电子空穴对。在被转换的电子空穴对之中的电子被移送到透明电极47—侧，并流入到与透明电极47连接的电源(未图示)。空穴作为信号电荷被移送到扩散层54—侧并在此蓄积。因此，扩散层54的电位变化为+方向(正方向)，在扩散层54与半导体衬底31之间被施加电压。据此，在扩散层54与半导体衬底31之间的逆方向漏电流(暗电流)则成为流动噪声。但是，在处于有信号的状态下，噪声就不显著，因此也就不会成为问题。
[0066]通过被蓄积在扩散层54的空穴而变化到+侧(正侧)的电压被传导到放大晶体管113的栅极电极41，由放大晶体管113放大的信号经由选择晶体管115被输出到列信号线 141。
[0067]在一般的固体摄像装置中，由于具有负的电荷的电子被蓄积到扩散层，因此在复位晶体管117的栅极需要施加振幅高的复位信号，从图3B的信号读出构成来看，具有正的电荷的空穴被蓄积到扩散层54，因此，只要在复位晶体管的栅极施加小振幅的复位信号即可。
[0068]图4A示出了图1的固体摄像装置的详细的电路构成。图4B示出了，在进行一行的像素信号的读出中，给予像素11的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、电源线125的电位(放大晶体管113的漏极的电位)VDD以及FD(存储二极管)的电位的时间变化。在图4A中，放大晶体管113构成源输出电路(以后称为SF电路)。并且，在图4B中，从时刻t0至t4是将像素信号(蓄积电荷)读出到列信号线141的电荷读出期间，从时刻t4至t5是将蓄积电荷蓄积到光电转换部111的电荷蓄积期间。此时，电荷蓄积期间因电子快门动作或帧速度而变化。并且，在图4B中示出了，A表示“通过将VDD降低到与节点A相同的电压以下，通过耦合将上升的FD电位返回到原来状态”，B表示“理想的电荷蓄积时的FD电位变化”，C表示“由于在电荷读出期间SF工作，因此放大晶体管的栅极容量不对工作造成影响”，D表示“由于在电荷蓄积期间SF不工作，因此，放大晶体管的栅极容量会对工作产生影响。并且，由于通过耦合而FD电位不上升，因此能够抑制暗电流”。
[0069]如以上所述，作为造成画质恶化的原因的暗电流，在向存储二极管的PN结施加的电压差大时増加。在图4B中，使复位晶体管117导通，在将与像素电极46连接的存储二极管的N型扩散层(扩散层54)初始化为复位漏极电压(反馈线126的电位)时，将复位漏极电压设定到GND电平付近(在图4B中为0.2V)。被施加到存储二极管的PN结的电压之中，由于P型扩散层(半导体衬底31)通常与GND连接，因此若进行此设定，在初始化时则不会产生大的电压差。因此，存储二极管的暗电流变小，这样得到的优点是在黑暗时以及低亮度时的噪声或白斑痕不会显著。对存储二极管的电位变动进行检测的放大晶体管113，会相对于从复位漏极电压的GND电平发生了变化的电压来工作，因此用于放大晶体管113的N型MOS晶体管的阈值电压被设定为，比电荷读出期间以及电荷蓄积期间中的存储二极管的PN结的电压(存储二极管的电位)低。
[0070]本实施方式所涉及的固体摄像装置由于采用了光吸收系数大的光电转换部，因此量化效率非常高，从而随机噪声降低时的效果非常大。
[0071]并且，本实施方式所涉及的固体摄像装置能够使光电转换部的面积变小，使电路上的转换增益加大，从而能够大幅度地增加随机噪声下降时的效果。而且在结构上，由于在半导体衬底内没有进行光电转换，因此能够大幅度地增加随机噪声被抑制时的効果。
[0072]而且，通过利用各个列信号线上的反转放大器来进行反馈工作，从而能够抑制叠层型的固体摄像装置的复位噪声，对重叠有复位噪声的信号电荷的读出工作也得到减轻，从而能够抑制随机噪声。
[0073](变形例)
[0074]在本实施方式的固体摄像装置中，虽然能够抑制光电导膜叠层传感器中的复位噪声，而且还有进一步抑制复位噪声的方法。本实施方式的复位噪声被称为kTC噪声，其电压(En)由以下的式(I)来表示。
[0075]En2=kT/C
[0076]En= V (kT/C) = V (4kTR Δ f)......(I)
[0077]k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度(K)，R是复位晶体管117的电阻值(Ω )，C是复位晶体管117的寄生电容(F)，Af为复位晶体管117的复位频率(Hz)，根据式(I)，在将4kTR设为常数，根据复位晶体管117的复位频率的带宽(Af)，可以知道在复位晶体管117产生的复位噪声的电压(En)被限定(即在Af小时，En也变小)。在此，复位频率主要是指，行复位信号中包含的脉冲的后沿中的频率成分。图5A示出了针对复位频率f的复位噪声En。
[0078]501表示在将复位晶体管117的复位频率记录到横轴时的复位噪声电压(En)，502表示反馈电路23的反馈频带，501与502相交的区域503是能够抑制的复位噪声的区域，504是不能完全抑制的复位噪声的区域。
[0079]在此，复位晶体管117的复位频率的带宽(Af)根据式(I)由下式来表现。
[0080]Af=I/(4CR)......(2)
[0081]复位晶体管117的复位频率的带宽(Af)通过式(2)，能够以时间常数1/CR来表现，复位晶体管117的寄生电容C在本实施方式中能够减轻，因此可以忽视，复位晶体管117的复位频率的带宽(Af)由复位晶体管117的电阻值R限定。[0082]S卩，电阻值R越大，Af就越小，这意味着频率(低频)。在此，复位晶体管117的电阻值R是指，复位晶体管117的“导通的难度”，其能够替换为提供给复位晶体管117的栅极上的复位信号的带宽(电阻值R越大，复位所需的时间就越长)。
[0083]图5B是示出本变形例中的固体摄像装置的基本的拍摄工作的时间图。该图与图3A的不同之处是，行复位信号的复位脉冲的下降沿为倾斜。另外，在图5B中，复位脉冲的上升沿也为倾斜。不过，与图3A相同之处是，具有倾斜的边沿的复位脉冲的振幅小。
[0084]这样，行复位信号的下降沿被赋予了倾斜。换而言之，与急剧地下降相比，图5B的下降沿所包含的频率成分的频带比较窄。据此，能够抑制因下降沿而造成的随机噪声的发生。并且，由于行复位信号的振幅小，边沿被赋予倾斜，因此复位晶体管117不是作为具有单纯的导通与断开这两种状态的开关来工作，而是作为从导通到断开使电阻值连续发生变化的开关来工作。
[0085]图6示出了复位晶体管117的电阻值R的频带与复位噪声En的关系。在横轴为时间t的情况下，复位晶体管117的电阻值R大的情况下(a)，如601所示，复位晶体管117的栅极上的复位信号变得迟缓，复位信号的高电平(A伏)的期间能够表示为tl。相反，在复位晶体管117的电阻值R小的情况下(b)，如602所示，复位晶体管117的栅极上的复位信号陡峭，复位信号的高电平(A伏)的期间能够表示为t2。
[0086]在与图5A同样将横轴设为频率f时，在复位晶体管117的电阻值R大的情况下
(a)，复位噪声(En)如603所示，进入到反馈电路23的反馈频带(502)中的可能性高，通过本实施方式的反馈电路，复位噪声容易被抑制，在复位晶体管117的电阻值R小的情况下
(b),复位噪声(En)如604所示，出现在频带(606)的可能性比较高,频带(606)不在反馈电路23的反馈频带(502)内，复位噪声很难被抑制。并且，605是复位噪声(En)被抑制的区域，603与604的面积相同。
[0087]S卩，只要将输入到复位晶体管117的栅极的复位信号的复位时间像tl那样，设定得比t2长，在复位晶体管117发生的复位噪声就能够被抑制。
[0088]图7示出了本变形例所涉及的固体摄像装置的全体构成。
[0089]该固体摄像装置与图1的本实施方式的固体摄像装置的不同之处是，添加了复位信号控制元件151。
[0090]复位信号控制元件151是波形调整部，对应该施加到复位晶体管117的栅极的行复位信号的波形进行调整。复位信号控制元件(波形调整部)151对波形进行调整，以使行复位信号中所包含的复位脉冲的下降沿具有倾斜，并提供到复位晶体管117的栅极。换而言之，复位信号控制元件(波形调整部)151对行复位信号中的下降沿所具有的频带进行调
難
iF.0
[0091](比较例子)
[0092]在本实施方式的例子中，在检测存储二极管的电位的电荷读出期间，由于放大晶体管113作为源极输出来进行电路工作，因此不对存储二极管的电位产生影响，在不进行检测的期间，放大晶体管113的源极与漏极的影响集中出现在存储二极管的电位。图8A以及图8B的驱动对该原理进行说明。为了便于理解，将信号电荷视为空穴来进行以下的说明。
[0093]图8A示出了读出一帧的像素信号的构成。图SB示出了在一行的像素信号的读出中，给予像素11的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、电源线125的电位VDD以及FD的电位在时间上的变化。并且，在图8B中，从时刻tO至t3为电荷读出期间，从时刻t3至t4为电荷蓄积期间。并且，进行图8A以及图SB的驱动的像素的构成与图4A同样，不同之处是放大晶体管113的构成。并且，在图8B中，A表示“该电压AV取决于FD的暗电流”，B表示“发生了耦合的FD电位变化(比起理想的倾斜而言，暗电流部分的倾斜比较急剧)”，C表示“理想的FD电位变化”，D表示“由于在电荷蓄积期间，SF不工作，放大晶体管的栅极容量对工作产生影响。由于耦合而FD电位上升，暗电流増大”，E表示“在电荷读出期间，由于SF进行工作，因此放大晶体管的栅极容量不对工作产生影响”。
[0094]在时刻tO,将行选择信号SEL设为高电位,使选择晶体管115导通,将因蓄积电荷而增高的FD的电位读出到列信号线141。
[0095]在时刻tl，将行复位信号RESET设为高电位，使复位晶体管117导通，将在反馈线126设定的FD的电位读出到列信号线141。列信号线141被连接有CDS (相关双采样电路)，将上述的两个FD的电位(因蓄积电荷而增高的FD的电位与在反馈线126被设定的FD的电位)的差值输出到外部。到此为止，SF电路处于工作状态。
[0096]在时刻t2，将行复位信号RESET设定为低电位，在将复位晶体管117断开后，在时刻t3将行选择信号SEL设定为低电位，将选择晶体管115断开。据此，SF电路成为非工作状态，FD的电位从在反馈线126设定的电位向高电压侧偏移。其原因在于，放大晶体管113的阈值电压低之处。
[0097]在时刻t3之后，在SF电路为非工作的状态下，由于放大晶体管113的阈值电压较低，因此放大晶体管113的漏极与源极导通。并且，虽然成为导通，但是由于放大晶体管113的栅极电位因耦合而上升，源极的电位上升到漏极侧的电源电压VDD。因此，与放大晶体管113的栅极连接的FD的电位也上升。上升的电压以放大晶体管113的栅极的电容值与FD的电容值的分圧来表现。由于在图8B中设想的情况是，栅极的电容值与FD的电容值相同的情况，电源电压3.3V与复位漏极线的电压0.2V的差值为3.1V，因此上升该差值3.1V的一半，即FD的电位上升1.55V。当成为这种状态时，由于FD的初始电位为1.75V，因此施加给FD的电场强度增加，从而容易产生暗电流。这样，在图SB的时刻t3至t4的电荷蓄积期间中的FD的电位的倾斜，比因增加的暗电流而出现的理想的倾斜陡峭。当再次成为时刻tO时，FD的电位由于SF电路的工作而从浮动状态解放出来，比理想的FD的电位仅高AV。这是暗电流的成分。由于暗电流会因每个像素而产生的状况不同，因此助长了灵敏度的不均一性，成为与FD的初始化时的电位也不同的信号成分。因此，由于是作为在黑暗时具有不均一的暗电流的信号来出现的，因此画质降低。
[0098]对此，在图4B的驱动中，将与采用了阈值为负的耗尽型晶体管的放大晶体管113的漏极连接的电源线VDD设为，在作为电荷读出期间的时刻tO至时刻t4为高电平(图4B为3.3V)，将其他的期间(电荷蓄积期间)的时刻t4至t5 (tO)设为低电平(图4B为0.2V)。因此，电源线VDD在选择晶体管115导通的期间被提供有规定的电压，在选择晶体管115断开的期间被提供有比规定的电压低的电压。即，行选择信号SEL成为高电平，SF电路开始工作，仅在检测FD的电位的期间将电源线VDD设为高电平，行选择信号SEL为低电平，在SF电路非工作期间，将电源线VDD设为低电平。只要该低电平的电压比SF电路处于工作状态时的放大晶体管113的源极侧的电压低即可。换而言之，比规定的电压低的电压只要比以下的电压低即可，所述的电压是指，在复位晶体管117以及选择晶体管115为导通的期间中，从放大晶体管113输出到列信号线141的电压。低电平的电压例如也可以作为GND电平(VSS)。根据该驱动，即使采用了耗尽型晶体管的放大晶体管113的源极与漏极成为导通，在放大晶体管113的栅极也会因耦合而出现电位上升，因此在时刻t4至t5产生的暗电流被抑制。并且，对于由电源线VDD进行的规定的电压以及比规定的电压低的电压的提供，例如能够通过对与电源线VDD连接的电源所输出的电压进行变更来实现。
[0099]在以没有埋入光电二极管的三个晶体管构成的叠层型的MOS图像传感器的像素11中，由于蓄积空穴的方式能够使电荷蓄积容量(存储二极管)的初始化电位降低，因此能够提供暗电流以及斑痕少的图像。但是，对于检测低电位的低阈值电压的放大晶体管113而言，像素11在SF进行工作的情况下没有问题，但是在SF不进行工作的情况下，由于光电转换而放大晶体管113的栅极电位会上升，漏极-源极间易于接通，作为放大晶体管113的漏极侧电压的电源电压与源极侧相连。这样，放大晶体管113的栅极电位受到因电源电压进行耦合的影响而上升，与该栅极连接的电荷蓄积容量的电位也上升。由于电荷蓄积容量的电位的上升的现象，会使暗电流以及斑痕増加，因此是画质劣化的原因。对此，在图4B的驱动中，放大晶体管113作为SF在非工作时(行选择信号SEL为低电平时)，为了不使放大晶体管113的栅极电位上升而进行脉冲驱动，以使电源线VDD的电压下降。这样，电荷蓄积容量的电位的上升得到了抑制，电荷蓄积容量的泄漏减少。
[0100](实施方式2)
[0101]图9A示出了本发明的实施方式2所涉及的叠层型固体摄像装置的详细的电路构成。图9B示出了在一行的像素信号的读出中，给予像素11的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、给予负载晶体管130的栅极的驱动信号LGCELL、电源线125的电位(放大晶体管113的漏极的电位)VDD以及FD(存储二极管)的电位的时间变化。并且，在图9B中，时刻tO至t3是将像素信号读出到列信号线141的电荷读出期间，时刻t3至t4是将蓄积电荷蓄积到光电转换部111的电荷蓄积期间。并且，在图9B，A表示“因耦合而FD电位下降，FD暗电流减少”，B表示“理想的电荷蓄积时的FD电位变化”，C表示“由于在电荷读出期间SF不进行工作，因此放大晶体管的栅极容量不受工作的影响”，D表示“通过将LGCELL降低为0.0V，从而列信号线浮动。FD电位因耦合而降低。FD暗电流减少”。
[0102]本实施方式的固体摄像装置与实施方式I的固体摄像装置的不同之处是，在像素11中选择晶体管115被配置在VDD侧(电源线125侧)，即被插入在放大晶体管113的漏极与电源线125之间。并且，与实施方式I的固体摄像装置的不同之处还在于，电源线125的电压VDD被固定，作为被共同连接于像素11的列的源输出电路的驱动信号的驱动信号LGCELL,由任意的固定电压被变更为脉冲。而且，具备被插入在列信号线141与固定电位(接地电位GND)之间的负载晶体管130之处也与实施方式I的固体摄像装置不同。
[0103]只有在放大晶体管113在作为源输出电路来进行工作的时刻tO至t3的期间，驱动信号LGCELL被设定为任意的固定电压(在图9B为1.0V)，在源输出电路不进行工作的时刻t3至t4的期间，驱动信号LGCELL被设定为GND电平(VSS)。此时，由于放大晶体管113采用了耗尽型晶体管，不论在哪个期间图9B的节点B(放大晶体管113的漏极)与列信号线141均为导通。因此，在选择晶体管115为导通的期间，负载晶体管130断开，列信号线141的电压比放大晶体管113的漏极的电压低。节点B的电位与列信号线141的电位均为浮动的情况下，由于放大晶体管113为MOS晶体管，栅极部的电位通过耦合而变动。此时的存储二极管(FD)的电位成为由放大晶体管113的栅极容量与存储二极管(FD)的容量来分配的电位。在图9B中，由于使放大晶体管113的栅极容量与存储二极管的容量成为相同的容量，因此，FD的电位成为栅极电位变动的约50%。若节点B为2.5V，列信号线141为1.0V,则存储二极管(FD)的电位下降，成为作为差电压1.5V的50%的0.75V。由于FD的电位本来应该是0.2V却成为了 -0.55V，因此FD的暗电流减少。这样，通过在电荷读出期间以外，进行将列信号线141设定为GND电平(VSS)的脉冲驱动，从而即使在将选择晶体管115配置到VDD侧的像素电路中，也能够得到与实施方式I同样的效果。
[0104](实施方式3)
[0105]图1OA示出了本发明的实施方式3所涉及的叠层型固体摄像装置的详细的电路构成。图1OB示出了在一行的像素信号的读出中，给予像素11的行复位信号RESET以及行选择信号SEL、给予负载晶体管130的栅极的驱动信号LGCELL、电源线125的电位(放大晶体管113的漏极的电位)VDD以及FD(存储二极管)的电位的时间变化。并且，在图1OB中，时刻tO至t3为将像素信号读出到列信号线141的电荷读出期间，时刻t3至t4为将蓄积电荷蓄积到光电转换部111的电荷蓄积期间。并且，在图1OB中，A表示“因耦合而FD电位下降，FD泄漏得到改善”，B表示“理想的电荷蓄积时的FD电位变化”，C表示“由于电荷读出期间SF不进行工作，因此放大晶体管的栅极容量不对工作产生影响”，D表示“通过将LOW电位降低为-1.0V, SF的动态范围变大”，E表示“通过将LGCELL降低为0.0V,从而在垂直信号线产生浮动。FD电位因耦合而下降。FD暗电流减少”。
[0106]本实施方式的固体摄像装置基于实施方式2的固体摄像装置，对信号检测工作进行了改善。本实施方式的固体摄像装置相对于实施方式2的固体摄像装置而言，共同之处是，列信号线141与固定电位之间连接有负载晶体管130，不同之处是固定电位不是接地电位GND，而是作为负电位的LOW电位。
[0107]在实施方式2的固体摄像装置的像素11中，由于选择晶体管115被配置在VDD侧，因此放大晶体管113的工作范围(动态范围)变窄。这是因为，作为放大晶体管113的漏极侧的节点B的电位下降了选择晶体管115的阈值电压部分。因此，在本实施方式的固体摄像装置中，通过将进行脉冲驱动的驱动脉冲LGCELL的电位偏移到低电压侧，并将与负载晶体管130连接的固定电位设定为负电压，因此，能够进行工作范围(动态范围)广的驱动。
[0108](实施方式4)
[0109]图11示出了本发明的实施方式4所涉及的叠层型固体摄像装置的芯片构成。图12示出了像素部243以及其周边电路的详细构成。图13是本实施方式所涉及的固体摄像装置的电路图。
[0110]本实施方式的固体摄像装置能够抑制暗电流，而且在基于上述的实施方式I至3的基础上，还具备了能够使在存储二极管的初始化时产生的热噪声降低的反馈电路23，而且进行软件复位工作这一点与实施方式I至3不同。据此，能够提供更高画质的固体摄像
>j-U ρ?α装直。
[0111]固体摄像装置即传感器芯片252具备:地址控制线121、复位控制线123、列信号线141、反馈线126、列选择晶体管127、列扫描电路(水平扫描部)229、水平信号线30、输出放大器231、行扫描电路(垂直扫描部)233、多路复用电路(MUX) 241、水平输出端子(VOUT端子)142、像素部243、反馈电路23、列信号处理部(CDS电路(Correlated DoubleSampling)) 21、定时控制电路250以及基准电压发生电路251。
[0112]定时控制电路250将垂直扫描信号提供到行扫描电路233，将行选择信号SEL以及行复位信号RESET提供到多路复用电路241，将水平扫描信号提供到列扫描电路229。定时控制电路250生成行选择信号SEL以及行复位信号RESET。
[0113]多路复用电路241由像素复位信号开关237以及像素地址信号开关238构成，对向行选择信号SEL以及行复位信号RESET的像素部243的输出进行控制。
[0114]基准电压发生电路251将反馈AMP基准信号REF提供给反馈电路23。
[0115]列信号处理部21具有电容器219以及225、采样晶体管220、以及钳位晶体管222。列信号处理部21按每个列信号线141而被设置，将与对应的列信号线141上的任意的两个定时的电位差相应的信号，从CDS输出节点226输出，所述的电位差是指，复位工作时的电位(复位晶体管117导通时的列信号线141的电位)与像素信号输出工作时的电位(复位晶体管117导通时的列信号线141的电位)的差。
[0116]反馈电路23具有:作为反转放大器的反馈放大器212、垂直信号线复位晶体管214、以及反馈线复位晶体管217。
[0117]在像素部243，多个像素11以矩阵状被配置在半导体衬底，列信号线141被设置在像素11的每个列。在传感器芯片252内，像素部243的像素11由行扫描电路233和多路复用电路241来选择。
[0118]接着，对本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作进行说明。
[0119]图14是用于说明本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作的时间图。图15是用于说明作为比较例子的固体摄像装置的工作的时间图。图16的(a)示出了作为比较例子的固体摄像装置中的复位信号的波形，图16的(b)示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置中的复位信号的波形。
[0120]在本实施方式所涉及的固体摄像装置中，由光电转换部111将光转换为电信号S，电信号S在蓄积部(存储二极管)2被蓄积。在此，在导通选择晶体管115时，该电信号S由源输出电路被电阻转换，并经由列信号线141被输入到列信号处理部21，所述源输出电路由放大晶体管113和负载晶体管130形成。并且，电信号S由列信号处理部21被取样保持。
[0121]接着，在像素11内经由复位控制线123被输入有行复位信号RESET，当复位晶体管117导通时，被蓄积在蓄积部2的电信号S被复位。
[0122]此时，在将复位时的蓄积部2的电信号设为N时，在反馈线126不是被施加一定的电压，而是将由反馈电路23对含有随机噪声的像素信号N进行反转放大后的信号输入到反馈线126，从而能够消除蓄积部2的热噪声。
[0123]然而，若以图16的(a)所示的陡峭的矩形波来施加行复位信号RESET，则如图15所示，在蓄积部2产生热噪声。也就是说，在蓄积部2本来是应该通过行复位信号RESET，以反馈线126的信号电平来复位，但是反而成为热噪声重叠的状态，这是造成随机噪声的原因。此时的电信号N是以载着随机噪声的状态，以与上述的电信号S相同的路径而被输入到列信号处理部21，以列信号处理部21而被取样保持。
[0124]对此，不是使行复位信号RESET成为陡峭的矩形波，而是像图16的(b)所示那样，使其成为在复位脉冲的后沿具有缓慢的倾斜的波形，通过以具有这种波形的行复位信号RESET来进行复位的软件复位工作，从而如图14所示，能够降低热噪声本身的产生量。据此，能够大幅度地减少电信号N的随机噪声。而且，如图16的(b)所示，通过以能够充分抑制热噪声的产生的时间，例如通过数百nsec到数十μ sec的期间来使软件复位工作中的复位脉冲的后沿成为所谓的梯形波形，这样能够更大地减少热噪声，从而确实地实现高画质。
[0125]例如，从复位脉冲的后沿开始变化(下降)直到复位晶体管117成为断开为止的梯形波形的时间，即复位晶体管117的软件复位时间，从被提供到选择晶体管115的栅极的行选择信号SEL中所包含的行选择脉冲(对选择晶体管115的导通与断开进行控制的脉冲)的后沿发生变化(下降)开始直到选择晶体管115成为断开为止的时间，例如是数十nsec的十倍以上，例如长出100倍。
[0126]接着，在列信号处理部21求出电信号S与电信号N的差分，并将该差分输出到CDS输出节点226，作为像素信号P来进行处理。此时，在图15的像素信号P中残留有上述的随机噪声成分的影响。
[0127]最后，由来自列扫描电路229的列选择信号来使列选择晶体管127导通，从而，上述的像素信号P被读出到水平信号线30，在由输出放大器231放大后，从水平输出端子142输出到外部。
[0128]如以上所述，通过对软件复位工作以及反馈工作这两个工作同时进行，从而能够大幅度地降低电信号N的随机噪声，并且，在像素11内的复位晶体管117产生的热噪声也得到了降低，从而实现了高画质。这样，能够实现可以抑制在存储二极管产生的暗电流和热噪声的叠层型固体摄像装置。
[0129](实施方式5)
[0130]图17示出了本发明中的实施方式5的摄像装置(摄像机系统)的全体构成。
[0131]本实施方式的摄像装置从大体上来看，具备:固体摄像装置1200、光学系统1240、DSP (Digital Signal Processor:数字模拟处理器)1250、液晶画面等图像显示设备1280以及图像存储器1290。
[0132]光学系统1240具备透镜1241，使来自被摄体的光聚光，在固体摄像装置1200的像素配列上形成图像。
[0133]固体摄像装置1200是本发明的实施方式I至4所说明的固体摄像装置。固体摄像装置1200具备:摄像区域(像素部)1210，在该摄像区域(像素部)1210中，包含光电二极管等光感应元件以及MOS晶体管等的像素以二维矩阵状排列；垂直选择电路(行扫描部)1220，以行为单位来选择摄像区域1210的单位单元，并对单位单元的复位以及信号读出进行控制；以及定时控制电路1230，将驱动脉冲提供到垂直选择电路1220。
[0134]DSP1250具备摄像机系统控制部1260以及图像处理电路1270。
[0135]图像处理电路1270接受从固体摄像装置1200输出的数字像素信号，进行作为摄像机信号处理所必需的亮度校正、颜色插补处理、空间插补处理、以及自动白平衡等处理。并且，图像处理电路1270进行向JPEG等压缩格式的转换、向图像存储器1290的记录、以及向图像显示设备1280的显示等信号处理。
[0136]摄像机系统控制部1260是按照在用户I/F(未图示)指定的各种设定，对光学系统1240、固体摄像装置1200以及图像处理电路1270进行控制，并对摄像装置的全体工作进行统合的微型计算机等。用户Ι/F例如将变焦倍率的变更以及快门按键等即时指示作为输入来接受，摄像机系统控制部1260对透镜1241的变焦倍率的变更、帘幕快门的行进以及固体摄像装置1200的复位扫描进行控制。
[0137]以上根据实施方式对本发明的固体摄像装置以及采用了该固体摄像装置的摄像机系统进行了说明，本发明并非受这些实施方式所限。在不脱离本发明的主旨的范围内，本领域技术人员所能够想到的各种变形均包括在本发明的范围内。并且，在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以对多个实施方式中的各个构成要素进行任意地组合。
[0138]本发明能够利用于固体摄像装置，尤其是能够利用于灵敏度高、饱和量大、且暗电流少的高画质的数字静态相机、数字摄像机、便携式终端中的相机、车载用相机、街头摄像机、犯罪监视用相机以及医疗用相机等。
[0139]符号说明
[0140]
【权利要求】
1.一种固体摄像装置，具备: 半导体衬底； 以矩阵状被配置在所述半导体衬底的多个像素；以及 被形成在所述像素的每个列的垂直信号线； 所述像素具有:放大晶体管、选择晶体管、复位晶体管、以及光电转换部， 所述光电转换部具有:被形成在所述半导体衬底上方的光电转换膜、被形成在所述光电转换膜的上方的透明电极、被形成在所述光电转换膜的下方的像素电极、以及与所述像素电极连接的存储二极管， 所述像素电极以及所述存储二极管被连接在所述放大晶体管的栅极， 在所述放大晶体管，源极与所述垂直信号线连接，漏极与电源线连接， 在所述复位晶体管，源极与所述像素电极连接， 所述选择晶体管被插入在，所述放大晶体管的源极与所述垂直信号线之间，或者被插入在所述放大晶体管的漏极与所述电源线之间， 所述放大晶体管的阈值电压比所述存储二极管的电压低。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置， 所述选择晶体管被插入在，所述放大晶体管的源极与所述垂直信号线之间， 所述电源线，在所述选择晶体管导通的期间中提供规定的电压，在所述选择晶体管断开的期间中提供比所述规定的电压低的电压。
3.如权利要求2所述的固体摄像装置， 比所述规定的电压低的电压，比在所述复位晶体管以及所述选择晶体管导通期间中，从所述放大晶体管输出到所述垂直信号线的电压低。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置， 所述固体摄像装置还具备负载晶体管，该负载晶体管被插入在所述垂直信号线与固定电位之间， 所述选择晶体管被插入在所述放大晶体管的漏极与所述电源线之间， 在所述选择晶体管断开的期间中，所述负载晶体管断开，所述垂直信号线的电压比所述放大晶体管的漏极的电压低。
5.如权利要求4所述的固体摄像装置， 所述固定电位为负电位。
6.如权利要求1至5的任一项所述的固体摄像装置， 所述复位晶体管的漏极通过反转放大器，与所述垂直信号线连接。
7.一种摄像机系统，具备权利要求1至6的任一项所述的固体摄像装置。
【文档编号】H04N5/361GK103493475SQ201280020144
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月16日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】春日繁孝, 石井基范 申请人:松下电器产业株式会社