固體成像元件和拍攝裝置制造方法

固體成像元件和拍攝裝置制造方法
【專利摘要】固體成像元件的電壓限制部進行限制以使得信號線的電壓不成為規定值以下。信號處理部被經由信號線輸入像素信號。控制部在信號線上配置在電壓限制部和信號處理部之間。另外，控制部在像素的傳送部將由像素的光電轉換部轉換后的電荷向像素的浮置擴散區域傳送的期間使電壓限制部和信號處理部之間不導通。
【專利說明】固體成像元件和拍攝裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及固體成像元件和拍攝裝置。
【背景技術】
[0002]在CMOS(互補金屬氧化物半導體)型的固體成像元件中，已知有按列設置有將呈矩陣狀配置的各像素的像素信號放大的放大部(下面也稱為“列放大器”(Columnamplifier))的技術。另外，為了抑制列放大器的輸出急劇變動，也提出了在固體成像元件設置有在像素的傳送晶體管導通期間使垂直信號線和列放大器之間不導通的連接開關的技術。
[0003]現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2010 - 278786號公報
【發明內容】

[0006]但是，當高亮度光入射到CMOS型的固體成像元件時，高亮度光所入射的區域的水平方向(行方向)上產生電位的變動，在圖像中會產生筋狀的噪聲(拖影(smear))。特別是，在像素的傳送晶體管導通的期間使上述連接開關斷開時，存在列放大器的輸出電平穩定至規定的電壓為止的時間較長的情況。另外，若讀取高亮度入射區域的像素時，垂直信號線的電位接近GND電平，則該列的恒流源的動作點位于恒定電流動作范圍之外，因此電流值減少，電路的IR下降量發生變化，因此，電路的電壓值也發生變化。所以，例如在高速讀取圖像時容易產生上述的拖影。
[0007]用于解決技術問題的技術方案
[0008]本發明的一個方面的固體成像元件包括像素、電壓限制部、信號處理部和控制部。像素包括:將入射光轉換為電荷的光電轉換部；將由光電轉換部轉換后的電荷向浮置擴散區域傳送的傳送部；和將與傳送至浮置擴散區域的電荷對應的像素信號輸送到信號線的輸出部。電壓限制部與信號線連接，進行限制以使得信號線的電壓不成為規定值以下。信號處理部被經由信號線輸入像素信號。控制部，其在信號線上配置在電壓限制部和信號處理部之間，在傳送部將由光電轉換部轉換后的電荷向浮置擴散區域傳送的期間使電壓限制部和信號處理部之間不導通。
[0009]本發明的另一方面的固體成像元件包括第一像素、第二像素、第一電壓限制部、第二電壓限制部、信號處理部和控制部。第一像素包括:將入射光轉換為電荷的第一光電轉換部；將由第一光電轉換部轉換后的電荷向第一浮置擴散區域傳送的第一傳送部；和將與傳送至第一浮置擴散區域的電荷對應的第一像素信號輸送到第一信號線的第一輸出部。第二像素包括:將入射光轉換為電荷的第二光電轉換部；將由第二光電轉換部轉換后的電荷向第二浮置擴散區域傳送的第二傳送部；和將與傳送至第二浮置擴散區域的電荷對應的第二像素信號輸送到第二信號線的第二輸出部。第一電壓限制部與第一信號線連接，進行限制以使得第一信號線的電壓不成為規定值以下。第二電壓限制部與第二信號線連接，進行限制以使得第二信號線的電壓不成為規定值以下。信號處理部被經由第一信號線輸入第一像素信號并且被經由第二信號線輸入第二像素信號。控制部，其配置在第一電壓限制部和信號處理部之間且配置在第二電壓限制部和信號處理部之間。控制部在第一傳送部將由第一光電轉換部轉換后的電荷向第一浮置擴散區域傳送的第一傳送期間使第一電壓限制部和信號處理部之間不導通。另外，控制部在第二傳送部將由第二光電轉換部轉換后的電荷向第二浮置擴散區域傳送的第二傳送期間使第二電壓限制部和信號處理部之間不導通。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是表示第一實施方式中的固體成像元件的構成例的框圖。
[0011]圖2是表示像素、限幅部、行選擇開關部、列放大器的構成例的圖。
[0012]圖3是表示第一實施方式中的固體成像元件的動作例的圖。
[0013]圖4是表示第二實施方式中的固體成像元件的構成例的框圖。
[0014]圖5是表示第二實施方式中的固體成像元件的動作例的圖。
[0015]圖6是表示拍攝裝置的構成例的圖。
[0016]圖7是表示像素的變形例的圖。
[0017]圖8是表示像素的變形例的圖。
【具體實施方式】
[0018]<第一實施方式的說明>
[0019]圖1是表示第一實施方式中的固體成像元件的構成例的框圖。第一實施方式中的固體成像元件是通過在硅基板上使用CMOS工藝而形成的XY地址型的固體成像元件。第一實施方式的固體成像元件例如安裝于數碼相機、攝像機等拍攝裝置(此外，拍攝裝置的構成例在后文述說)中。
[0020]固體成像元件11例如包括像素陣列12、垂直掃描電路13、作為連接開關的一個例子的行選擇開關部14、限幅(Clip)部15、放大部16 (下面也稱為列放大器)、存儲信號選擇部17、信號存儲部18、水平選擇開關部19、水平掃描電路20、作為信號讀取線的一個例子的垂直信號線21、恒流源IS、成像元件控制電路22。
[0021]像素陣列12包括在第一方向Dl和第二方向D2上呈矩陣狀地配置的多個像素PX。下面，也將第一方向Dl和第二方向D2分別稱為行方向Dl和列方向D2。
[0022]在各個像素PX的前面以規定的顏色排列配置有分別使不同的顏色成分的光透過的多種彩色濾光片。所以，像素PX通過由彩色濾光片進行的顏色分解而輸出與各色對應的電信號。由此，像素陣列12能夠在拍攝時取得彩色的圖像。
[0023]例如，在第一實施方式中，紅色(R)、綠色(Gr、Gb)、藍色(B)的彩色濾光片按照2行2列的拜耳陣列配置于各像素PX。此外，圖1中，各個像素PX中一并標記彩色濾光片的顏色。另外，也將具有紅(R)、綠(Gr、Gb)、藍⑶的濾光片的像素PX分別稱為紅像素(R)，藍像素(B)、綠像素(Gr, Gb) ο
[0024]當著眼于行方向Dl時，例如在像素陣列12的第η行中，紅像素(R)和綠像素(Gr)交替配置。另外，例如在像素陣列12的第n+1行中，綠像素(Gb)和藍像素(B)交替配置。[0025]另外，當著眼于列方向D2時，例如在像素陣列12的第m列中，綠像素(Gb)和紅像素(R)交替配置。另外，例如在像素陣列12的第m+1列中，藍像素(B)和綠像素(Gr)交替配置。
[0026]此外，配置在列方向D2上的多個像素PX通過按列設置的垂直信號線21相互連接。即，像素陣列12經由公用的垂直信號線21輸出來自配置在相同列的多個像素PX中的
像素號。
[0027]另外，為了讀取來自各像素PX的像素信號，各垂直信號線21按像素陣列12的像素的每列分別與恒流源IS連接。
[0028]垂直掃描電路13使用 控制信號Φ SEL、Φ RST、Φ TX按每行控制像素陣列12的像素PX。例如，垂直掃描電路13控制控制信號(tSEL(n)、(tRST(n)、Φ TX (η)，將第η行的各像素PX的像素信號輸出至各垂直信號線21。另外，例如，垂直掃描電路13控制控制信號Φ SEL (η+1)、Φ RST (η+1)、Φ TX (n+1)，將第n+1行的各像素PX的像素信號輸出至各垂直信號線21。下面，也將控制信號(tSEL、c^RST、ΦΤΧ分別稱為選擇信號c^SEL、重置信號ΦΙ?Τ、傳送信號ΦΤΧ。
[0029]行選擇開關部14設置在列放大器16的輸入側，按像素陣列12的像素的列而具有多個行選擇開關MLS。行選擇開關MLS切換垂直信號線21和列放大器16之間的導通/不導通。
[0030]另外，限幅部15在各個垂直信號線21中分別設置于行選擇開關部14的輸入側(像素PX和行選擇開關部14之間)。這些限幅部15將垂直信號線21的電壓限幅(限制)為規定值。
[0031]列放大器16例如為使用運算放大器構成的反轉放大器，按像素陣列12的像素PX的每列而設置。各列放大器16經由各垂直信號線21按列對從各像素PX輸出的像素信號進行反轉放大。
[0032]在此，參照圖2說明像素ΡΧ、限幅部15、行選擇開關部14、列放大器16的構成例。
[0033]像素PX分別具有光電二極管PD、傳送晶體管ΤΧ、重置晶體管RST、放大晶體管AMP、選擇晶體管SEL和浮置擴散區域FD。
[0034]光電二極管ro為光電轉換元件的一個例子，根據入射光的光量通過光電轉換生成電荷。傳送晶體管TX為傳送開關的一個例子，在傳送信號ΦΤΧ的高電平期間導通，將光電二極管ro所存儲的電荷傳送到浮置擴散區域FD。
[0035]傳送晶體管TX的源極為光電二極管PD，傳送晶體管TX的漏極為浮置擴散區域FD。浮置擴散區域FD例如為對半導體襯底導入雜質而形成的擴散區域。此外，浮置擴散區域FD分別與放大晶體管AMP的柵極和重置晶體管RST的源極連接。
[0036]重置晶體管RST在重置信號(tRST的高電平期間導通，將浮置擴散區域FD重置為電源電壓VDD。另外，放大晶體管AMP中，漏極與電源電壓VDD連接，柵極與浮置擴散區域FD連接，源極與選擇晶體管SEL的漏極連接，構成以與垂直信號線21連接的恒流源IS為負載的源極跟隨電路。放大晶體管AMP根據浮置擴散區域FD的電壓值經由選擇晶體管SEL輸出讀取電壓。選擇晶體管SEL在選擇信號Φ SEL的高電平期間導通，使放大晶體管AMP的源極與垂直信號線21連接。
[0037]限幅部15具有共源共柵(Cascode)連接的限幅電壓生成晶體管MCl和限幅電壓控制晶體管MC2。限幅電壓生成晶體管MCl中，漏極與電源電壓VDD連接，源極與限幅電壓控制晶體管MC2的漏極連接，通過柵極接收限幅電壓VCRef。另外，限幅電壓控制晶體管MC2的源極與垂直信號線21連接，限幅電壓控制晶體管MC2的柵極接收控制信號c^Clip。也將限幅電壓生成晶體管MC1、限幅電壓控制晶體管MC2分別稱為晶體管MC1、MC2。
[0038]在控制信號CtClip為高電平時，限幅部15將所連接的垂直信號線21的電壓限幅至由限幅電壓VCref決定的規定值。即，在像素的輸出電壓高的情況下，輸出原來的電壓，但在像素的輸出電壓比規定值低的情況下，輸出由限幅部15決定的規定電壓，使得垂直信號線21的電壓不低于規定值。此外，上述的規定值為例如從VCRef的施加電壓減去晶體管MCl的柵極一源極間電壓(閾電壓)，進一步減去晶體管MC2導通時的漏極一源極間電壓而得到的值。另外，在控制信號AClip為低電平時，由限幅部15進行的垂直信號線21的電壓的限幅不進行。
[0039]另外，行選擇開關部14的行選擇開關MLS例如為nMOS晶體管，源極與列放大器16的輸入連接，漏極與垂直信號線21連接，通過柵極接收控制信號c^LSW。在該情況下，設置在垂直信號線21和列放大器16之間的行選擇開關MLS，在控制信號CtLSW為高電平的期間導通，將被傳送至垂直信號線21的像素信號輸出至列放大器16的輸入端子。另外，在控制信號ALSW為低電平的期間，行選擇開關MLS斷開，所以，被傳送至垂直信號線21的像素信號不被輸出至列放大器16。下面，將行選擇開關MLS稱為晶體管MLS。
[0040]返回圖1，存儲信號選擇部17按像素陣列12的像素PX的每列而分別各具有一組圖像信號選擇開關MSl和噪聲信號選擇開關麗I。例如，圖像信號選擇開關MSl為nMOS晶體管，源極與信號存儲部18的圖像信號存儲部CS連接，漏極與列放大器16的輸出連接，通過柵極接收控制信號0TS。此時，圖像信號選擇開關MS1，在控制信號CtTS為高電平的期間導通，將從列放大器16輸入的信號輸出至信號存儲部18。 [0041]另外，例如，噪聲信號選擇開關麗I為nMOS晶體管，源極與信號存儲部18的噪聲信號存儲部CN連接，漏極與列放大器16的輸出連接，通過柵極接收控制信號ΦΤΝ。在該情況下，噪聲信號選擇開關MNl,在控制信號ΦΤΝ為高電平的期間導通,將從列放大器16輸入的信號輸出至信號存儲部18。下面，也將圖像信號選擇開關MS1、噪聲信號選擇開關麗I分別稱為晶體管MS1、麗I。
[0042]信號存儲部18按像素陣列12的像素PX的每列而分別具有一組圖像信號存儲部CS和噪聲信號存儲部CN。例如，圖像信號存儲部CS為電容，一個端子與晶體管MSl的源極連接，另一個端子接地。另外，例如，噪聲信號存儲部CN為電容，一個端子與晶體管MNl的源極連接，另一個端子接地。下面，也將圖像信號存儲部CS、噪聲信號存儲部CN分別稱為電容 CS、CN。
[0043]水平選擇開關部19按像素陣列12的像素PX的每列而分別具有一組圖像信號輸出開關MS2和噪聲信號輸出開關麗2。例如，圖像信號輸出開關MS2和噪聲信號輸出開關麗2為nMOS晶體管。下面，也將圖像信號輸出開關MS2、噪聲信號輸出開關麗2分別稱為晶體管 MS2、MN2。
[0044]例如，晶體管MS2從源極輸出圖像信號0UTS，漏極與晶體管MSl的源極和電容CS的一個端子連接，通過柵極接收控制信號GH。另外，例如，晶體管MN2從源極輸出噪聲信號0UTN，漏極與晶體管麗I的源極和電容CN的一個端子連接，通過柵極接收控制信號Φ6Η。此外，晶體管MS2、麗2的柵極相互連接。
[0045]即，圖像信號輸出開關MS2在控制信號Φ GH為高電平的期間導通，將電容CS所保持的電壓作為圖像信號OUTS輸出。另外，噪聲信號輸出開關麗2在控制信號Φ6Η為高電平的期間導通，將電容CN所保持的電壓作為噪聲信號OUTN輸出。在此，噪聲信號OUTN例如為像素PX由重置晶體管RST重置、在傳送晶體管TX將要打開之前的圖像信號(暗信號)。所以，例如，圖像信號OUTS所包含的固定噪聲成分和像素的重置噪聲成分，能夠通過從圖像信號OUTS減去噪聲信號OUTN而除去。
[0046]水平掃描電路20使用控制信號Φ6Η，使晶體管MS2、麗2依次導通，依次輸出信號存儲部18的電容CS、CN各自所保持的信號OUTS、0UTN。例如，在分別輸出與從第m列的像素PX讀取的信號對應的圖像信號0UTS、噪聲信號OUTN時，水平掃描電路20將控制信號Φ6Η(πι)控制為高電平，將其它的控制信號Φ6Η控制為低電平。另外，例如，在分別輸出與從第m+1列的像素PX讀取的信號對應的圖像信號0UTS、噪聲信號OUTN時，水平掃描電路20將控制信號Φ6Η(πι+1)控制為高電平，將其它的控制信號Φ6Η控制為低電平。
[0047]成像元件控制電路22對垂直掃描電路13、行選擇開關部14、限幅部15、存儲信號選擇部17、水平掃描電路20分別供給控制信號。
[0048]此外，可以從安裝有第一實施方式的固體成像元件11的拍攝裝置的控制部供給上述的控制信號。在上述的情況下，能夠從固體成像元件11省略成像元件控制電路22。
[0049]接著，參照圖3說明第一實施方式的固體成像元件11中的像素ΡΧ、行選擇開關部
14、限幅部15的動作 例。此外，圖3是從圖1所示的像素陣列12的第η行的各像素PX分別讀取圖像信號OUTS和噪聲信號OUTN時的動作例。
[0050]例如，垂直掃描電路13根據成像元件控制電路22的指示，如圖3所示控制控制信號ΦΙ?Τ、(tSEL、ΦΤΧ，分別使上述的重置晶體管RST、選擇晶體管SEL、傳送晶體管TX動作。另外，例如，成像元件控制電路22如圖3所示控制控制信號ΦΤΝ、ΦΤΞ, (tLSW、AClip，分別使上述的晶體管MS1、MNl、MLS、MC1、MC2動作。
[0051]此外，訪問期間AP為用于將各像素PX的圖像信號OUTS和噪聲信號OUTN分別存儲于信號存儲部18的電容CS、CN的期間。另外，水平掃描期間HSN為用于將分別存儲于信號存儲部18的電容CS、CN的圖像信號OUTS和噪聲信號OUTN依次輸出的期間。例如，訪問期間AP (η)和水平掃描期間HSN(η)分別表示用于讀取第η行的像素PX的像素信號的訪問期間AP和水平掃描期間HSN。
[0052]另外，下面的說明中，有時對第η行的各像素PX的要素在附圖標記的末尾追加η進行稱呼。例如，也將第η行的各像素PX的放大晶體管AMP稱為放大晶體管AMPn。
[0053]在轉移至第η行的像素PX的訪問期間AP(n)之前，重置信號ΦΙ?Τ(η)被維持為高電平(圖3的(a))，重置晶體管RSTn導通。即，浮置擴散區域FDn的電壓，在轉移至訪問期間AP (η)之前被重置為初始狀態(下面也稱為重置狀態)。
[0054]在訪問期間AP (η)中，首先，重置信號(tRST(n)從高電平變化為低電平(圖3的
(b))，重置晶體管RSTn截止。由此，浮置擴散區域FDn在傳送晶體管TXn導通時，能夠存儲來自光電二極管I3Dn的信號電荷。此外，浮置擴散區域FDn的電壓至從光電二極管PDn傳送來信號電荷為止被維持為重置狀態。
[0055]接著，選擇信號Φ SEL (η)從低電平變化為高電平(圖3的(c))，選擇晶體管SELn導通。選擇晶體管SELn導通，由此構成從放大晶體管AMPn的源極輸出信號的源極跟隨電路。由此，放大晶體管AMPn將與浮置擴散區域FDn的電壓(重置狀態的電壓)對應的電壓經由選擇晶體管SELn輸出到垂直信號線21。此外，輸出到垂直信號線21的電壓被列放大器16反轉放大。
[0056]而且，控制信號ΦΤΝ從低電平變化為高電平(圖3的(d))，晶體管麗I導通。由此，與第η行的像素PX的重置狀態對應的信號(圖1所示的噪聲信號0UTN)被存儲于信號存儲部18的電容CN。之后，控制信號Φ TN從高電平變化為低電平(圖3的(e))，晶體管麗I截止。由此，第η行的像素PX的噪聲信號OUTN被保持于電容CN。此外，控制信號Φ TN為高電平的期間，控制信號Φ LSff被維持為高電平。
[0057]在控制信號Φ TN從高電平變化為低電平后，傳送信號ΦΤΧ(η)從低電平變化為高電平(圖3的(f))。而且，在經過一定期間后，傳送信號ΦΤΧ(η)從高電平變化為低電平(圖3的(g))。由此，傳送晶體管TXn導通一定期間，由光電二極管PDn生成的信號電荷經由傳送晶體管TXn被傳送至浮置擴散區域FDn。而且，與浮置擴散區域FDn的電壓(存儲有信號電荷的電容CFD的電壓)相應的電壓從放大晶體管AMPn經由選擇晶體管SELn被輸出至垂直信號線21。
[0058]第一實施方式中,在傳送信號ΦΤΧ(η)為高電平的期間,控制信號ΦLSW被維持為低電平(圖3的(h、i))。
[0059]例如，傳送信號ΦΤΧ(η)從低電平變化為高電平時，控制信號ΦLSW從高電平變化為低電平(圖3的(h))，行選擇晶體管MLS截止。
[0060]另一方面，例如，傳送信號ΦΤΧ(η)從高電平變化為低電平時，控制信號C^LSW從低電平變化為高電平(圖3的(i))，行選擇晶體管MLS導通。
[0061]另外，垂直信號線21的電壓被限幅部15限幅為不低于規定值。
[0062]此外，在圖中以CtClip始終為高電平的情況為例進行了表示，但是也能夠根據目的來控制脈沖。例如，準備2組限幅電路，一組如上述方式使得垂直信號線的電壓始終不在規定值以下，另一組在Φ TN為高電平的期間使限幅有效，能夠使得噪聲信號讀取時的垂直信號線電平不下降到固定電壓以下。
[0063]這樣，在傳送信號Φ TX為高電平的期間中，行選擇晶體管MLS成為斷開，垂直信號線21和列放大器16之間成為不導通。另外，在傳送信號ΦΤΧ(η)恢復到低電平之后，行選擇晶體管MLS導通,所以，垂直信號線21和列放大器16之間導通。由此,列放大器16被輸入所期望的電壓。這樣，傳送至垂直信號線21的所期望的電壓經由行選擇晶體管MLS被輸入列放大器16,被列放大器16反轉放大。
[0064]在控制信號Φ LSff從低電平變化為高電平之后，控制信號Φ TS從低電平變化為高電平(圖3的(j))，晶體管MSl導通。由此，與由第η行的像素PX的光電二極管H)生成的信號電荷對應的信號(圖1所示的圖像信號0UTS)被存儲于信號存儲部18的電容CS。之后，控制信號ΦΤ5從高電平變化為低電平(圖3的(k))，晶體管MSl斷開。由此，第η行的像素PX的圖像信號OUTS被保持于電容CS。
[0065]在水平掃描期間HSN(n)中，控制信號Φ6Η依次變化為高電平。例如，水平掃描電路20在使與輸出對象的列對應的控制信號ΦGH變化為高電平時，使與其它列對應的控制信號Φ GH變化為低電平。由此，晶體管MS2、麗2依次導通，將分別保持于信號存儲部18的電容CS、CN的信號OUTS、OUTN依次輸出。
[0066]此外，在訪問期間AP (η)和水平掃描期間HSN (η)中，控制信號Φ RST (η)、(jiSEL (η)、ΦΤΧ (η)以外的控制信號ctRST、c^SEL、Φ TX分別被維持為高電平、低電平和低電平。
[0067]另一方面，訪問期間AP (η+1)中的控制信號 Φ RST (η+1)、Φ SEL (η+1)、ΦΤΧ (η+1)被與訪問期間AP (η)中的控制信號(tRST (n)、ctSEL(n)、ΦΤΧ (η)同樣地控制。訪問期間AP (η+1)和水平掃描期間 HSN(n+l)中，控制信號(tRST(n+l)、Φ SEL (η+1), ΦΤΧ (n+1)以外的控制信號0RST、(tSEL、ΦΤΧ分別被維持為高電平、低電平和低電平。此外，訪問期間AP(η+1)中，控制信號ΦΤΝ、ΦΤΞ, ΦΙ^、ΦΟΙ?ρ的動作與AP(η)的情況共同。
[0068]下面，述說第一實施方式中的固體成像元件11的作用效果。
[0069]首先，作為說明的前提，述說一般的COMS型的固體成像元件中高亮度光入射時產生拖影的原理。
[0070]當高亮度光入射到某像素中時，與該像素的列對應的垂直信號線的電位降低。由此，電位降低的垂直信號線的恒流源在不飽和區域中進行動作。另外，恒流源的GND線中，電流值降低，恒流源的GND線的配線阻抗IR中的電壓下降量變小(IR下降的變動)。而且，其它的列的垂直信號線中流動有比通常大的電流。即，在相對于高亮度光所入射的像素而位于水平方向上的像素 中，像素內的放大晶體管的柵極一源極間電壓變大，輸出比通常低的電壓，所以，作為圖像變得明亮。其結果，在高亮度光所入射的像素的水平方向上產生筋狀的噪聲(拖影)。
[0071]在此，作為本發明的比較例，一并說明在行選擇晶體管的輸出側設置有限幅電路的情況。上述的比較例的結構中，在傳送晶體管導通的期間行選擇晶體管變為截止時，垂直信號線和限幅電路被阻斷。所以，在上述的期間中，在行選擇晶體管的輸入側，垂直信號線的電壓不被限幅，所以，當高亮度光入射到像素時，垂直信號線的電位降低至GND附近。
[0072]在比較例的結構中，之后，行選擇晶體管從截止成為導通時，垂直信號線和限幅電路被連接，所以，垂直信號線的電壓恢復至基于限幅電路的限幅電壓。但是，在比較例的情況下，行選擇晶體管成為導通時，沖擊電流從限幅電路瞬間流入垂直信號線。另外，與垂直信號線連接的恒流源也恢復至通常的電流值。
[0073]所以，可知在上述的比較例的情況下，在像素中入射有高亮度光時，比較容易產生向水平方向的拖影。另外，在比較例的情況下，由于行選擇晶體管的導通/截止，垂直信號線的電壓變動較大，至列放大器的輸出電平穩定為止的時間較長。例如，在比較例的結構中進行信號的高速讀取的情況下，更加容易產生上述的拖影。
[0074]另一方面，第一實施方式的固體成像元件11中，傳送晶體管TX導通的期間，行選擇晶體管MLS成為截止，垂直信號線21和列放大器16之間成為不導通。但是，在第一實施方式中，上述的期間中，從像素PX至行選擇晶體管MLS的輸入側為止的垂直信號線21的電壓被限幅部15限幅為規定值。所以，在第一實施方式的固體成像元件11中，當在像素PX中入射有高亮度光時，與該像素PX連接的垂直信號線21的電壓不低于被限幅的電壓，所以，能夠有效地抑制向水平方向的拖影的產生。另外，在第一實施方式中，在傳送晶體管TX導通的期間中，限幅部15也有效地發揮功能，所以在行選擇晶體管MLS從截止成為導通時，至列放大器16的輸出電平穩定的時間也變短。由此，在第一實施方式中，抑制拖影的產生，并且信號的高速讀取變得比較容易。
[0075]<第二實施方式的說明>
[0076]圖4表示第二實施方式中的固體成像元件的概要。第二實施方式的固體成像元件是第一實施方式的變形例，在像素陣列12的兩側(上下)分別設置有信號讀取的電路。
[0077]在此，在第二實施方式的固體成像元件11中設置有線路選擇器(lineselector) 23來替代圖1所示的行選擇開關部14。另外，在圖4中，位于放大部的后級的要素(存儲信號選擇部17、信號存儲部18、水平選擇開關部19、水平掃描電路20)和成像元件控制電路22的圖示均省略。此外，在第二實施方式中，對與第一實施方式共同的要素標注相同的附圖標記，省略重復說明。
[0078]線路選擇器23是切換在像素陣列12上相鄰的一對奇數列和偶數列的像素信號的開關。該線路選擇器23分別配置在像素陣列12中的列方向D2的一端側(圖中下側)和另一端側(圖中上側)。例如，設置在垂直信號線21和列放大器16之間的各線路選擇器23具有行選擇開關MLSl和行選擇開關MLS2。例如，行選擇開關MLS1、MSL2為nMOS晶體管，通過柵極分別接收控制信號LSW1、LSW2。下面，也將行選擇開關MLS1、MLS2稱為行選擇晶體管 MLS1、MLS2。
[0079]例如，位于像素陣列12的下側的線路選擇器23中，一對行選擇晶體管MLS1、MLS2的源極與公用的列放大器16的輸入連接。而且，例如，位于像素陣列12的下側的行選擇晶體管MLS1、MSL2的漏極分別與奇數列的垂直信號線21、偶數列的垂直信號線21連接。
[0080]另一方面，例如，位于像素陣列12的上側的線路選擇器23中，一對行選擇晶體管MLSUMLS2的源極與公用的列放大器16的輸入連接。而且，例如，像素陣列12的上側的行選擇晶體管MLS1，MSL2的漏極分別與偶數列的垂直信號線21、奇數列的垂直信號線21連接。
[0081]此外，線路選擇器23的行選擇晶體管MLS1、MLS2作為切換垂直信號線21和列放大器16之間的導通/不導通的連接開關發揮作用。
[0082]本實施方式中的列放大器16配置在像素陣列12的列方向D2的兩側(圖4的上側和下側)。配置在像素陣列12的下側的列放大器16從位于像素陣列12的下側的線路選擇器23接收信號，配置在像素陣列12的上側的列放大器16從位于像素陣列12的上側的線路選擇器23接收信號。另外，在像素陣列12的行方向Dl上，列放大器16按像素陣列12的每2列而設置一個。即，按像素的2列的寬度配置一個列放大器16，所以，在像素間距因多像素化而縮小的情況下，能夠確保列放大器16的布局空間。
[0083]另外，本實施方式中，限幅部15、存儲信號選擇部17、信號存儲部18、水平選擇開關部19、水平掃描電路20、恒流源IS分為像素陣列12的上側和下側而分別配置。限幅部15和恒流源IS相對于各個垂直信號線21在像素陣列12的上下各設置一個。在本實施方式中，限幅部15和恒流源IS分別設置在像素陣列12的上下，所以，能夠維持圖像的上下對稱性。此外，存儲信號選擇部17、信號存儲部18、水平選擇開關部19和水平掃描電路20的結構與上述的第一實施方式相同。
[0084]圖5表示第二實施方式中的固體成像元件11的動作例。圖5表示從上述圖4所示的像素陣列12的第η行的各像素分別讀取圖像信號OUTS和噪聲信號OUTN時的固體成像元件11的動作。此外，圖5所示的動作除了控制信號LSW(LSW1、LSW2)的動作之外，與上述圖3所示的動作相同。
[0085]在轉移至第η行的像素的訪問期間AP(n)之前，重置信號ΦΙ?Τ(η)被維持為高電平(圖5的(a))，控制信號CtLSWl被維持為低電平。另外，在轉移至訪問期間AP(n)之前，控制信號$LSW2從高電平變化為低電平(圖5的(al))，行選擇晶體管MLS2截止。
[0086]在訪問期間AP (η)中，控制信號Φ LSffl從低電平變化為高電平(圖5的(bI))，控制信號Φ TN從低電平變化為高電平(圖5的(d))。即，行選擇晶體管MLSl和晶體管麗I導通。由此，第η行的紅像素(R)的噪聲信號OUTN被存儲于在像素陣列12的下側配置的信號存儲部18的電容CN。另外，第η行的綠像素(Gr)的噪聲信號OUTN被存儲于在像素陣列12的上側配置的信號存儲部18的電容CN。
[0087]而且，傳送信號ΦΤΧ(η)從低電平變化為高電平時(圖5的(f))，控制信號(^LSWl從高電平變化為低電平(圖5的(h))，行選擇晶體管MLSl截止。另外，例如，傳送信號ΦΤΧ(η)從高電平變化為低電平時(圖5的(g))，控制信號CtLSWl從低電平變化為高電平(圖5的⑴)，行選擇晶體管MLSl導通。此外，訪問期間AP(n)和水平掃描期間HSN(η)中，控制信號ΦΙ^2被維持為低電平。即，傳送信號ΦΤΧ(η)為高電平的期間中，控制信號Φ LSffU Φ LSW2被維持為低電平，行選擇晶體管MLS1、MLS2這兩方斷開。
[0088]如上所述，在本實施方式中，傳送信號ΦΤΧ(η)為高電平的期間中，垂直信號線21和列放大器16之間也不導通。所以，本實施方式中，能夠防止高電平的傳送信號TX(η)的饋通導致的垂直信號線的電壓上升傳遞至列放大器16。另外，在傳送信號ΦΤΧ(η)恢復為低電平之后，行選擇晶體管MLSl導通，所以，垂直信號線21和列放大器16之間導通。由此，列放大器16被輸入所期望的電壓。
[0089]例如，與由第η行的紅像素(R)的光電二極管H)生成的信號電荷對應的信號經由行選擇晶體管MLSl被輸入于配置在像 素陣列12的下側的列放大器16，被列放大器16反轉放大。另外，例如，與由第η行的綠像素(Gr)的光電二極管H)生成的信號電荷對應的信號經由行選擇晶體管MLSl被輸入于配置在像素陣列12的上側的列放大器16，被列放大器16反轉放大。
[0090]在傳送信號ΦΤΧ(η)從低電平變化為高電平時，控制信號CtLSWl從高電平變化為低電平(圖5的(h))，行選擇晶體管LSWl截止。
[0091]另外，垂直信號線21的電壓被限幅部15限幅為垂直信號線21的電壓不低于規定值。
[0092]在控制信號CtLSWl從低電平變化為高電平之后，控制信號0TS從低電平變化為高電平(圖5的(j))，存儲信號選擇部17的晶體管MSl導通。由此，第η行的紅像素(R)的圖像信號OUTS被存儲于配置在像素陣列12的下側的信號存儲部18的電容CS。另外，第η行的綠像素(Gr)的圖像信號OUTS被存儲于配置在像素陣列12的上側的信號存儲部18的電容CS。
[0093]水平掃描期間HSN(n)中，從配置在像素陣列12的下側的信號存儲部18經由水平選擇開關部19依次輸出第η行的紅像素(R)的信號0UTS、0UTN。另外，從配置在像素陣列12的上側的信號存儲部18經由水平選擇開關部19依次輸出第η行的綠像素(Gr)的信號0UTS、0UTN。此外，控制信號ΦLSWl在轉移至第n+1行的像素的訪問期間AP(n+1)之前，從高電平變化為低電平(圖5的(a2))。[0094]此外，在訪問期間AP (η)和水平掃描期間HSN (η)中，控制信號Φ RST (η)、(jiSEL (η)、ΦΤΧ (η)以外的控制信號ctRST、c^SEL、Φ TX分別被維持為高電平、低電平和低電平。
[0095]另一方面，訪問期間AP (η+1)中的控制信號 Φ RST (η+1)、Φ SEL (η+1)、Φ TX (η+1)、(tLSW2被與訪問期間AP (η)中的控制信號Φ RST (η)、(^SEL(η)、ΦΤΧ(η), Φ LSffl同樣地控制。訪問期間ΑΡ(η+1)和水平掃描期間HSN(n+l)中，控制信號(tRST(n+l)，Φ SEL (n+1),ΦΤΧ (n+1)以外的控制信號ctRST、(j5SEL、(j5TX分別被維持為高電平、低電平和低電平。訪問期間AP(n+l)和水平掃描期間HSN(n+l)中，控制信號ΦLSWl被維持為低電平。此外，訪問期間AP(n+1)中，控制信號ΦΤΝ、ΦΤΞ, c^LSW、ΦΟΙ?ρ的動作與AP(η)的情況共同。
[0096]即，訪問期間AP (η+1)中，控制信號Φ LSW2被與訪問期間AP (η)的控制信號ΦLSffl同樣地控制。所以，水平掃描期間HSN(η+1)中，從配置在像素陣列12的下側的信號存儲部18經由水平選擇開關部19依次輸出第η+1行的藍像素(B)的信號0UTS、0UTN。另外，水平掃描期間HSN(n+1)中，從配置在像素陣列12的上側的信號存儲部18經由水平選擇開關部19依次輸出第n+1行的綠像素(Gb)的信號0UTS、0UTN。
[0097]以上，在第二實施方式的固體成像元件11中，至少在傳送信號ΦΤΧ為高電平的期間，控制信號LSW1、LSW2這兩方被維持為低電平，并且垂直信號線21的電壓被限幅部15限幅為不低于規定值。所以，第二實施方式中，也能夠獲得與上述第一實施方式相同的效果。
[0098]此外，第二實 施方式中，當著眼于某垂直信號線21時，通過行選擇晶體管MLS1、MLS2的控制，能夠按每一行切換奇數列的信號讀取和偶數列的信號讀取。由此，例如，能夠經由配置在像素陣列12的上側的列放大器16讀取來自綠像素(Gr、Gb)的信號，例如，能夠經由配置在像素陣列12的下側的列放大器16讀取來自紅像素(R)和藍像素(B)的信號。所以，本實施方式中，能夠減小綠像素(Gr)和綠像素(Gb)的信號的電平差。
[0099]<拍攝裝置的構成例>
[0100]圖6是表示作為拍攝裝置的一個例子的電子照相機的構成例的圖。
[0101]電子照相機包括成像光學系統31、上述的第一實施方式或第二實施方式的固體成像元件32、模擬前端電路33 (AFE電路)、圖像處理部34、監視器35、記錄I/F36、控制部37和操作部38。在此，固體成像元件32、模擬前端電路33、圖像處理部34、操作部38分別與控制部37連接。
[0102]成像光學系統31例如由包括變焦透鏡、聚焦透鏡的多個透鏡構成。此外，為了簡單，圖6中用一個透鏡圖示成像光學系統31。
[0103]固體成像元件32對通過了成像光學系統31的光束形成的被攝體的成像進行拍攝。該成像元件的輸出與模擬前端電路33連接。
[0104]電子照相機的拍攝模式中，固體成像元件32根據操作部38的輸入，對伴隨對非易失性的存儲介質(39)的記錄的記錄用靜態圖像、動態圖像進行拍攝。另外，固體成像元件32在記錄用靜態圖像的拍攝待機時也按規定間隔對觀測用的圖像(實時取景)進行連續拍攝。按時間序列取得的實時取景的數據(或者，上述的動態圖像的數據)，用于在監視器35中的動態圖像顯示、由控制部37進行的各種運算處理。此外，在動態圖像攝影時，電子照相機可以記錄實時取景。
[0105]模擬前端電路33是對以管線(pipeline)式輸入的圖像信號依次實施模擬信號處理、A/D轉換處理的電路。模擬前端電路33的輸出與圖像處理部34連接。
[0106]圖像處理部34對從模擬前端電路33輸入的數字的圖像信號進行圖像處理(顏色插補處理、灰度轉換處理、輪廓強調處理、白平衡調整等)。此外，圖像處理部34與監視器35和記錄I/F36連接。
[0107]監視器35是顯示各種圖像的顯示器件。例如，監視器35通過控制部37的控制進行拍攝模式下的實時取景的動態圖像顯示(取景器顯示)。
[0108]記錄I/F36具有用于連接非易失性的存儲介質39的連接器。而且，記錄I/F36對與連接器連接的存儲介質39執行數據的寫入/讀取。上述的存儲介質39由硬盤、內置有半導體存儲器的存儲卡等構成。此外，圖6中作為存儲介質39的一個例子而圖示出存儲卡。
[0109]控制部37是統一控制電子照相機的動作的處理器。操作部38從用戶接收記錄用靜態圖像的取得指示(例如釋放按鈕的全按操作)。
[0110]上述的電子照相機適用上述的第一實施方式或者第二實施方式的固體成像元件32，所以，例如在靜態圖像的連寫拍攝時、動態圖像攝影時，能夠抑制拍攝高亮度的被攝體時拖影的產生。
[0111]<實施方式的補充事項>
[0112](補充I):第一實施方式中，說明了從像素陣列12的一端側讀取圖像信號的例子。但是，第一實施方式中，也可以從像素陣列12的兩端讀取圖像信號。例如，在第一實施方式中，在像素陣列12的列方向D2的兩端側分別設置一組行選擇開關部14、列放大器16、存儲信號選擇部17、信號存儲 部18、水平選擇開關部19和水平掃描電路20。此時，例如，只要從像素陣列12的上側讀取奇數列的圖像信號，從像素陣列12的下側讀取偶數列的圖像信號即可(此外，補充I的構成例的圖示省略)。
[0113](補充2):上述實施方式中，說明了一個像素由4個晶體管構成的例子。但是，本發明的固體成像元件，可以在多個像素間共有重置晶體管RST，放大晶體管AMP和選擇晶體管SEL (例如,在2像素中具有5個晶體管的2.5Tr結構,或者,在4像素中具有7個晶體管的1.75Tr結構)。
[0114]圖7表示像素PX的變形例。圖7所示的像素PX的構成，除了放大晶體管AMP、選擇晶體管SEL、重置晶體管RST和浮置擴散區域FD在像素陣列12的列方向D2上相鄰的2個像素(PXl~PX2)中共用這點之外，與上述圖2的像素PX相同。此外，對于圖7所示的像素PX，用開關連接在列方向D2上相鄰的多個浮置擴散區域FD，能夠進一步進行列方向D2上的加法運算讀取(該情況下的圖示省略)。
[0115]圖8表示像素PX的變形例。圖8所示的像素PX的構成，除了放大晶體管AMP、選擇晶體管SEL、重置晶體管RST和浮置擴散區域FD在像素陣列12的列方向D2上相鄰的4個像素(PXl~PX4)中共用這點之外，與上述圖2的像素PX相同。
[0116](補充3):上述實施方式中，作為拍攝裝置的一個例子說明了電子照相機的構成。但是，本發明的拍攝裝置，可以利用片裝(on chip)將固體成像元件和各種信號處理電路一體化。
[0117](補充4):上述實施方式中，固體成像元件的彩色濾光片陣列不限于拜耳配列，可以為其它的彩色濾光片陣列(例如，品紅色、綠色、青綠色和黃色的互補色系彩色濾光片
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寸/ ο[0118](補充5):上述實施方式中，說明了固體成像元件為在水平掃描電路中將OUTS、OUTN以模擬信號的狀態進行輸出的構成。但是，本發明的固體成像元件，作為在各個列放大器16中配置有AD轉換器的列ADC方式可以采用數字輸出。在該情況下，拍攝裝置中，只要配置數字前端DFE來替代模擬前端AFE33即可。
[0119](補充6):第二實施方式中，說明了按每一行切換線路選擇器23，Gr和Gb必須經由單方(例如上側)的列放大器16輸出的構成。但是，可以采用經由將線路選擇器的連接方向固定而例如R和Gb為下側、Gr和B為上側的列放大器輸出的構成。
[0120]通過以上的詳細的說明，實施方式的特征點和有利點應變得明確。權利要求書意圖涵蓋在不脫離其主旨和權利范圍的范圍內的上述的實施方式的特征點和有利點。另外，當在該【技術領域】中具有通常的知識的人，應該能夠想到所有的改良和變更，不意圖限定于具有發明性的實施方式的范圍，也能夠為實施方式所公開的范圍所包含的適當的改良物和等同物。
[0121]附圖標記說明
[0122]11……固體成像元件；12……像素陣列；13……垂直掃描電路；14……行選擇開關部；15……限幅部；16……列放大器；17……存儲信號選擇部；18……信號存儲部；19……水平選擇開關部；20……水平掃描電路；21……垂直信號線；22……成像元件控制電路；23……線路選擇器；31……成像光學系統；32……固體成像元件；33……模擬前端電路；34……圖像處理部；35……監視器；36……記錄Ι/F ；37……控制部；38……操作部；39……存儲介質； PX……像素；IS.......〖亙流源。
【權利要求】
1.一種固體成像元件，包括: 像素，其包括:將入射光轉換為電荷的光電轉換部；將由所述光電轉換部轉換得到的電荷向浮置擴散區域傳送的傳送部；和將與傳送至所述浮置擴散區域的電荷對應的像素信號向信號線輸出的輸出部； 電壓限制部，其與所述信號線連接，以使所述信號線的電壓不成為規定值以下的方式進行限制； 經由所述信號線而被輸入所述像素信號的信號處理部；和 控制部，其在所述信號線上配置在所述電壓限制部與所述信號處理部之間，在所述傳送部將由所述光電轉換部轉換得到的電荷向所述浮置擴散區域傳送的期間，使所述電壓限制部與所述信號處理部之間不導通。
2.如權利要求1所述的固體成像元件，其特征在于: 所述信號處理部包含運算放大器。
3.如權利要求1或2所述的固體成像元件，其特征在于: 所述電壓限制部進行限制，使得在所述傳送部將由所述光電轉換部轉換得到的電荷向所述浮置擴散區域傳送的期間的所述信號線的電壓不成為規定值以下。
4.如權利要求1至3中任一項所述的固體成像元件，其特征在于: 所述控制部在所述傳送部將由所述光電轉換部轉換得到的電荷向所述浮置擴散區域傳送的期間之后，使所述電壓限制部與所述信號處理部之間導通。
5.一種固體成像元件，其特征在于，包括: 第一像素，其包括:將入射光轉換為電荷的第一光電轉換部；將由所述第一光電轉換部轉換得到的電荷向第一浮置擴散區域傳送的第一傳送部；和將與傳送至所述第一浮置擴散區域的電荷對應的第一像素信號向第一信號線輸出的第一輸出部； 第二像素，其包括:將入射光轉換為電荷的第二光電轉換部；將由所述第二光電轉換部轉換得到的電荷向第二浮置擴散區域傳送的第二傳送部；和將與傳送至所述第二浮置擴散區域的電荷對應的第二像素信號向第二信號線輸出的第二輸出部； 第一電壓限制部，其與所述第一信號線連接，以使所述第一信號線的電壓不成為規定值以下的方式進行限制； 第二電壓限制部，其與所述第二信號線連接，以使得所述第二信號線的電壓不成為規定值以下的方式進行限制； 信號處理部，其經由所述第一信號線而被輸入所述第一像素信號并且經由所述第二信號線而被輸入所述第二像素信號；和 控制部，其配置在所述第一電壓限制部與所述信號處理部之間，在所述第一傳送部將由所述第一光電轉換部轉換得到的電荷向所述第一浮置擴散區域傳送的第一傳送期間，使所述第一電壓限制部與所述信號處理部之間不導通，并且，所述控制部配置在所述第二電壓限制部與所述信號處理部之間，在所述第二傳送部將由所述第二光電轉換部轉換得到的電荷向所述第二浮置擴散區域傳送的第二傳送期間，使所述第二電壓限制部與所述信號處理部之間不導通。
6.如權利要求5所述的固體成像元件，其特征在于: 所述信號處理部包含運算放大器。
7.如權利要求5或6所述的固體成像元件，其特征在于: 所述第一電壓限制部進行限制，以使得所述第一傳送期間中的所述第一信號線的電壓不成為規定值以下， 所述第二電壓限制部進行限制，以使得所述第二傳送期間中的所述第二信號線的電壓不成為規定值以下。
8.如權利要求5至7中任一項所述的固體成像元件，其特征在于: 所述控制部在所述第一傳送期間之后使所述第一電壓限制部與所述信號處理部之間導通，并且在所述第二傳送期間之后使所述第二電壓限制部與所述信號處理部之間導通。
9.如權利要求5至8中任一項所述的固體成像元件，其特征在于: 所述第一像素和所述第二像素還分別包括具有相同的光譜靈敏度的濾光片。
10.如權利要求5至8中任一項所述的固體成像元件，其特征在于: 所述第一浮置擴散區域和所述第二浮置擴散區域電連接。
11.一種拍攝裝置，其特征在于: 包括權利要求1至權 利要求10中任一項所述的固體成像元件。
【文檔編號】H04N5/351GK104025569SQ201280065106
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月27日 優先權日:2011年12月28日
【發明者】松田英明 申請人:株式會社尼康