JP2002142155A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サンプリング画素の間引きを行って低消費電
力動作を維持しつつ、解像力の低下や折り返しノイズの
発生を抑制することができる固体撮像装置を提供する。 【解決手段】 列と行に配列された複数の単位画素１０
１と、単位画素１０１からの電気信号を入力し、処理す
る、列毎に設けられた積分回路１０６ａ、１０６ｂとを
有する固体撮像装置において、少なくとも２つの積分回
路１０６ａ、１０６ｂ間に積分回路１０６ａ、１０６ｂ
間を接続し、或いは非接続とする画素間信号転送スイッ
チ素子ＳＭが介在してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置及び
その駆動方法に関し、より詳しくは、ビデオカメラ、電
子カメラ、画像入力カメラ、スキャナ又はファクシミリ
等に用いられる閾値電圧変調方式のＭＯＳ型イメージセ
ンサを備えた固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ型イメージセンサやＭＯＳ型イメ
ージセンサなどの半導体イメージセンサは量産性に優れ
ているため、パターンの微細化技術の進展に伴い、多く
の画像入力デバイス装置に適用されている。特に、近
年、ＣＣＤ型イメージセンサと比べて、消費電力が小さ
く、かつセンサ素子と周辺回路素子とを同じＣＭＯＳ技
術によって作成できるという利点を有することから、Ｍ
ＯＳ型イメージセンサが注目されている。

【０００３】このような世の中の動向に鑑み、本願発明
者らはＭＯＳ型イメージセンサの改良を行い、キャリア
ポケット（高濃度埋込層）を有するセンサ素子を提案し
た（特許登録番号２９３５４９２号）。このＭＯＳ型イ
メージセンサは図８（ａ）に示す回路構成を有し、その
動作においては、図８（ｂ）に示すように、初期化期間
（掃出期間）−蓄積期間−読出期間を経る。初期化期間
に各電極に高い逆電圧を印加して空乏化させ、ホールポ
ケットに残る光発生正孔を放出させる。その後、蓄積期
間に光照射により光発生正孔を生じさせてホールポケッ
トに蓄積させ、読出期間に光発生正孔の蓄積量に比例し
た光信号を検出する。

【０００４】この特許（登録番号２９３５４９２号）に
係る発明では、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、光信
号検出用ＭＯＳトランジスタと外部に設けられた定電流
源等の能動負荷との組み合わせで、ソースフォロワによ
り電圧信号を出力している。ところで、多数の単位画素
を水平方向及び垂直方向に配列した固体撮像装置では、
動画再生時にサンプリング画素を間引きして残りの画素
の検出信号のみを出力させ、フレームレートを増加させ
るようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、サンプリング
画素を間引きするため、ＭＴＦ（Modulation TransferF
unction：解像力）が劣化し、モアレの多い画像にな
る。また、サンプリング画素を間引きしたため、サンプ
リング画素間隔の逆数に比例するサンプリング周波数が
被測定信号の周波数の２倍以下に低下すると、そのため
折り返しノイズが発生する虞がある。さらに、画素数に
応じて高速にイメージセンサを動作させる必要があるた
め、消費電力が大きくなってしまう。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
創作されたものであり、サンプリング画素の間引きを行
って低消費電力動作を維持しつつ、解像力の低下や折り
返しノイズの発生を抑制することができる固体撮像装置
及びその駆動回路を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の固体撮像装置は、図１、図２に示すよう
に、光信号を電気信号に変換し、出力する、列と行に配
列された複数の単位画素１０１と、電気信号を入力し、
処理する、列毎に設けられた積分回路１０６ａ、１０６
ｂと、積分回路１０６ａ、１０６ｂの出力側に繋がって
光信号に対応する映像信号を出力する映像信号出力端子
１０７とを有し、少なくとも２つの積分回路１０６ａ、
１０６ｂ間に積分回路１０６ａ、１０６ｂ間を接続し、
或いは非接続とする画素間信号転送スイッチ素子ＳＭが
介在してなる。

【０００８】積分回路１０６ａ、１０６ｂは、例えば、
基準電圧Ｖref が印加される正入力端子（＋）、負入力
端子（−）及び出力端子を有する演算増幅器３１と、単
位画素１０１と演算増幅器３１の負入力端子（−）との
間に直列接続された第１のスイッチ素子ＳＬ、第２のス
イッチ素子ＳＳ及び入力容量素子Ｃ１と、第２のスイッ
チ素子ＳＳ及び入力容量素子Ｃ１に並列接続された第３
のスイッチ素子ＳＲＭと、演算増幅器３１の負入力端子
と出力端子との間に並列接続された帰還容量素子Ｃ２及
び第４のスイッチ素子ＳＲとを有している。

【０００９】単位画素１０１は、例えば、図７に示すよ
うに、受光ダイオード１１１を備え、更に、受光ダイオ
ード１１１に隣接して形成され、受光ダイオード１１１
で発生した光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層２５がゲ
ート電極１９下方のチャネル領域下に形成された光信号
検出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタ１１２を備え
ている。

【００１０】更に、固体撮像装置は、高濃度埋込層２５
に受光ダイオード１１１で発生した光発生電荷を蓄積す
る蓄積期間と、高濃度埋込層２５に蓄積された電荷に応
じた第１の信号を単位画素から出力する読出期間と、高
濃度埋込層２５に残留する電荷を排出し、単位画素を初
期化する初期化期間と、及び単位画素が初期化された状
態における第２の信号を単位画素から出力するブランキ
ング期間とのそれぞれの期間に応じた走査信号を供給す
る走査回路１０２，１０３，１０８を備えていることが
好ましい。

【００１１】更にまた、本発明の駆動方法は、上記の固
体撮像装置を用いて、少なくとも２つの列にわたる単位
画素１０１から出力された電気信号を積分回路１０６
ａ、１０６ｂを通して混合し、該混合した信号を混合に
係る各単位画素１０１の映像信号として随時読み出すこ
とを特徴としている。具体的には、読出期間に、第１の
スイッチ素子ＳＬ、第２のスイッチ素子ＳＳ及び第４の
スイッチ素子ＲＳＴを閉じ、かつ第３のスイッチ素子Ｓ
ＲＭ及び画素間信号転送スイッチ素子ＳＭを開放して、
光照射による光発生電荷の蓄積量に対応する第１の信号
を積分回路１０６ａ、１０６ｂの入力容量素子Ｃ１を通
して演算増幅器３１に入力し、ブランキング期間に、第
１のスイッチ素子ＳＬ、第２のスイッチ素子ＳＳ及び画
素間信号転送スイッチ素子ＳＭを閉じ、かつ第３のスイ
ッチ素子ＳＲＭ及び第４のスイッチ素子ＳＲを開放し
て、単位画素１０１を初期化した状態での第２の信号を
積分回路１０６ａ、１０６ｂの入力容量素子Ｃ１を通し
て演算増幅器３１に入力するとともに、単位画素１０１
から出力された第１の信号と第２の信号との差信号を少
なくとも２つの単位画素１０１にわたって混合した第３
の信号を１つの積分回路１０６ａの演算増幅器３１の帰
還容量素子Ｃ２を通して演算増幅器３１から出力するこ
とを特徴としている。

【００１２】さらに、場合により、積分回路１０６ａ、
１０６ｂを通して混合した信号をさらに平均化し、該平
均化した信号を前記混合に係る各単位画素の映像信号と
して随時読み出すことを特徴としている。本発明によれ
ば、少なくとも２つの列の積分回路１０６ａ、１０６ｂ
間、詳しくは少なくとも２つの列の積分回路１０６ａ、
１０６ｂの演算増幅器３１同士の負入力端子間にこれら
の間を接続し、或いは非接続とする画素間信号転送スイ
ッチ素子ＳＭを設けている。この構成は、動画を扱う固
体撮像装置の場合に最適である。

【００１３】そして、上記構成で、画素間信号転送スイ
ッチ素子ＳＭをオンにして少なくとも２つの単位画素１
０１からの信号を混合することにより、間引き動作を行
なうことができる。さらに、混合した信号を平均化して
いる。この場合に、走査上間引きを行なっても、走査上
間引きされた画素１０１位置における信号として平均化
された信号が出力されるので、サンプリング周波数は低
下しない。従って、解像力の低下を防止し、折り返しノ
イズの発生を防止することができ、良質な画像をが得ら
れる。また、間引きに応じて信号処理回数が減るので、
消費電力が低減される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。図１を参照して本発
明の実施の形態におけるＭＯＳ型イメージセンサの全体
の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態
におけるＭＯＳ型イメージセンサの回路構成図を示す。

【００１５】図１に示すように、このＭＯＳ型イメージ
センサは、２次元アレーセンサの構成を採っており、上
記した構造の単位画素１０１が列方向及び行方向にマト
リクス状に配列されている。また、垂直走査信号（ＶＳ
ＣＡＮ）の駆動走査回路１０２及びドレイン電圧（ＶＤ
Ｄ）の駆動走査回路１０３が画素領域を挟んでその左右
に配置されている。

【００１６】垂直走査信号供給線２１ａ，２１ｂは垂直
走査信号（ＶＳＣＡＮ）の駆動走査回路１０２から行毎
に一つずつでている。各垂直走査信号供給線２１ａ，２
１ｂは行方向に並ぶ全ての単位画素１０１内のＭＯＳト
ランジスタ１１２のゲートに接続されている。また、ド
レイン電圧供給線（ＶＤＤ供給線）２２ａ，２２ｂはド
レイン電圧（ＶＤＤ）の駆動走査回路１０３から行毎に
一つずつでている。各ドレイン電圧供給線（ＶＤＤ供給
線）２２ａ，２２ｂは、行方向に並ぶ全ての単位画素１
０１内の光信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２のドレ
インに接続されている。

【００１７】また、列毎に異なる垂直出力線２０ａ，２
０ｂが設けられて、各垂直出力線２０ａ，２０ｂは列方
向に並ぶ全ての単位画素１０１内のＭＯＳトランジスタ
１１２のソースにそれぞれ接続されている。さらに、Ｍ
ＯＳトランジスタ１１２のソース領域は垂直出力線２０
ａ，２０ｂを通して信号出力回路１０５と接続してい
る。そして、ソース領域は上記の信号出力回路１０５内
の入力キャパシタからなるラインメモリ（記憶素子）と
直結している。なお、実際には垂直出力線２０ａ，２０
ｂの途中にはスイッチ素子等が設けられて信号の流れを
制御している。また、このイメージセンサは、ソース領
域に定電流源などの能動負荷を接続していないことを特
徴としている。

【００１８】垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）及び水平走査
信号（ＨＳＣＡＮ）により、遂次、各単位画素１０１の
ＭＯＳトランジスタ１１２を駆動して光の入射量に比例
した、残留電荷によるノイズ成分を含まない映像信号
（Ｖout ）が信号出力回路１０５から読み出される。ま
た、本実施の形態では昇圧走査回路１０８を有し、昇圧
走査回路１０８からの各昇圧電圧出力線３０ａ、３０ｂ
が各垂直出力線２０ａ，２０ｂに接続されている。即
ち、列毎に各単位画素１０１のＭＯＳトランジスタ１１
２のソース領域に昇圧された電圧が印加される。昇圧さ
れた電圧はさらに光信号検出用トランジスタ１１２のゲ
ート−ソース間の容量を通して結果的にゲートにかか
る。これにより、ウエル領域にかかる電界強度を増し
て、キャリアの掃き出しを促進することができる。

【００１９】次に、図６及び図７を参照して、固体撮像
装置（ＭＯＳ型イメージセンサ）の単位画素の詳細な構
造について説明する。図６は、本発明の実施の形態であ
る固体撮像装置（ＭＯＳ型イメージセンサ）の単位画素
内における素子レイアウトについて示す平面図である。
また、図７（ａ）は、図６のＩ−Ｉ線に沿う断面図に相
当する、本発明の実施の形態に係るＭＯＳ型イメージセ
ンサのデバイス構造について示す断面図であり、図７
（ｂ）は、半導体基板表面に沿うポテンシャルの様子を
示す図である。

【００２０】図６に示すように、単位画素１０１内に、
受光ダイオード１１１と光信号検出用ＭＯＳトランジス
タ１１２とが隣接して設けられている。これら受光ダイ
オード１１１とＭＯＳトランジスタ１１２は、それぞれ
異なるウエル領域、即ち第１のウエル領域１５ａと第２
のウエル領域１５ｂに形成され、それらのウエル領域１
５ａ、１５ｂは互いに接続されている。受光ダイオード
１１１の部分の第１のウエル領域１５ａは光照射による
電荷の発生領域の一部を構成している。ＭＯＳトランジ
スタ１１２の部分の第２のウエル領域１５ｂはこの領域
１５ｂに付与するポテンシャルによってチャネルの閾値
電圧を変化させることができるゲート領域を構成してい
る。

【００２１】ＭＯＳトランジスタ１１２のドレイン領域
１７ａはリング状のゲート電極１９の外周部を取り囲む
ように形成され、ソース領域１６はリング状のゲート電
極１９の内周に囲まれるように形成されている。ドレイ
ン領域１７ａが延在して受光ダイオード１１１の不純物
領域１７が形成されている。即ち、不純物領域１７と低
濃度のドレイン領域１７ａとは互いに接続した第１及び
第２のウエル領域１５ａ，１５ｂの表層に大部分の領域
がかかるように一体的に形成されている。

【００２２】さらに、このＭＯＳ型イメージセンサの特
徴であるキャリアポケット（高濃度埋込層）２５は、ゲ
ート電極１９下の第２のウエル領域１５ｂ内であって、
ソース領域１６の周辺部に、ソース領域１６を取り囲む
ように形成されている。ドレイン領域１７ａはドレイン
電圧（ＶＤＤ）供給線（又はドレイン電極）２２と接続
され、ゲート電極１９は垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）供
給線２１に接続され、ソース領域１６は垂直出力線（又
はソース電極）２０に接続されている。

【００２３】また、上記単位画素の構成要素は光透過性
の絶縁膜により被覆されており、受光ダイオード１１１
の受光窓２４以外の領域は絶縁膜の上に形成された金属
層（遮光膜）２３により遮光されている。次に、上記の
信号出力回路１０５の詳細を説明する。図２は信号出力
回路１０５の主要部分の回路構成図である。

【００２４】この実施の形態の信号出力回路１０５は、
各画素から出力される信号（光検出信号）を入力し、処
理する２つの積分回路１０６ａ，１０６ｂと、積分回路
１０６ａ，１０６ｂの出力信号から演算増幅器３１のノ
イズを除くオフセットキャンセル回路１０９と、光信号
の入力時及び非入力時でのオフセットキャンセル回路１
０９の出力をそれぞれ記憶する第１及び第２の記憶素子
（図示せず）と、これらの記憶素子の出力の差を演算す
る演算増幅器（図示せず）とを有する。

【００２５】積分回路１０６ａ，１０６ｂは、正入力端
子と負入力端子と出力端子とを備えた演算増幅器３１を
有する。演算増幅器３１の正入力端子には一定の基準電
圧Ｖref が入力され、演算増幅器３１の出力端子が積分
回路１０６ａ，１０６ｂの出力となる。積分回路１０６
ａ，１０６ｂの入力から演算増幅器３１の負入力端子に
至る経路にスイッチ（第１のスイッチ素子）ＳＬとスイ
ッチ（第２のスイッチ素子）ＳＳと入力コンデンサ（入
力容量素子）Ｃ１とがこの順に直列接続されている。ス
イッチＳＳ及びコンデンサＣ１に並列にスイッチ（第３
のスイッチ素子）ＳRMが設けられている。また、演算増
幅器３１の負入力端子と出力端子との間に帰還コンデン
サ（帰還容量素子）Ｃ２とスイッチ（第４のスイッチ素
子）ＳＲが並列接続されている。コンデンサＣ１，Ｃ２
の容量値は例えば０．５ｐＦ程度でよいが、これに限定
するものではない。

【００２６】また、積分回路１０６ａの演算増幅器３１
の負入力端子と積分回路１０６ｂの演算増幅器３１の負
入力端子とは、回路を接続し、或いは非接続とするスイ
ッチ（画素間信号転送スイッチ）ＳＭを介して相互に接
続されている。スイッチＳＬ、ＳＳ、ＳＲＭ、ＳＲ、Ｓ
Ｍは積分回路１０６ａ，１０６ｂ内での光検出信号の流
れを制御する。

【００２７】スイッチＳＬは信号Loadにより駆動され、
スイッチＳＳは信号ＳＣＭにより駆動され、スイッチＳ
RMは信号ＲＳＭにより駆動され、スイッチＳＲは信号Ｒ
ＳＴにより駆動され、スイッチＳＭは信号MODEにより駆
動される。なお、上記信号出力回路１０５において、積
分回路の出力側に、図３に示すように、オフセットキャ
ンセル回路１０９や平均化回路１１０等が繋がってい
る。オフセットキャンセル回路１０９は第１及び第２の
記憶素子を有し、これらの記憶素子に記憶された電圧の
差電圧を出力するものであり、オフセットキャンセル回
路１０９を通すことにより積分回路１０６ａ、１０６ｂ
で生じた基準電圧Ｖrefや演算増幅器３１等の回路素子
固有のオフセット等のノイズを除く。また、平均化回路
１１０を通すことにより積分回路１０６ａ、１０６ｂの
出力信号を平均化して間引きに係る単位画素１０１の信
号にそれぞれ分ける。

【００２８】次に、図４及び図５を参照して本発明の実
施の形態に係る固体撮像装置の光検出動作を説明する。
光信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２がｎＭＯＳの場
合に適用し、ｐ型の第１及び第２のウエル領域１５ａ，
１５ｂを用いる。この場合、図１、図２、図６、図７も
同時に参照する。図２の積分回路１０６ａ、１０６ｂに
繋がる単位画素１０１は、ベイヤ方式の基本形の色フィ
ルタアレイ配列のように隣接する４つ領域に配列された
Ｒ，Ｇ，Ｂのうち相互に斜めに配列された「Ｇ」領域に
相当するものとする。

【００２９】図４は本発明に係るＭＯＳ型イメージセン
サを動作させるための各入出力信号のタイミングチャー
トを示す。また、図５は積分回路の間引き動作を行なう
ためのタイミングチャートを示す。図４において、Ｖp
g、Ｖpd及びＶpsは、それぞれ光信号検出用ＭＯＳトラ
ンジスタ１１２のゲート電極、ドレイン領域及びソース
領域における電圧を示している。

【００３０】光検出動作は、蓄積期間−読出期間−掃出
期間（初期化期間）−ブランキング期間からなる一連の
過程を繰り返し行う。ここでは、都合上、蓄積期間から
説明を始める。蓄積期間では、受光ダイオード１１１に
光照射を行って光発生電荷を生じさせ、さらにキャリア
ポケット２５に光発生正孔を蓄積する。これにより、Ｍ
ＯＳトランジスタ１１２の閾値電圧が変化するので、次
の読出期間においてその閾値電圧の変化をＶｐｓとして
出力させる。なお、この蓄積期間は映像信号を映像信号
出力端子１０７から出力する期間でもある。

【００３１】この場合、図４に示すように、Ｖｐｇを接
地電位とし、Ｖｐｄを２〜３Ｖとしてウエル領域１５
ａ、１５ｂ内に光発生正孔をキャリアポケット２５に向
かわせる電界を形成する。読出期間では、ＭＯＳトラン
ジスタ１１２を動作させて光発生正孔の蓄積量に比例し
た光信号としてＶｐｓを出力し、入力コンデンサＣ１に
記憶させる。このソース電圧Ｖｐｓは第１の信号Ｖｔを
構成し、光の強度に応じた信号成分Ｖｓの他に固定パタ
ーンノイズ成分Ｖｎが含まれている。

【００３２】この場合、図４に示すように、Ｖｐｇを２
〜３Ｖとし、Ｖｐｄを２〜３Ｖに保持してＭＯＳトラン
ジスタ１１２を動作させる。初期化期間では、スイッチ
ＳＬをオフとし、単位画素を初期化する。この場合、図
４に示すように、初期化期間の立ち上がり時の期間にお
いて、Ｖｐｓを接地電位とし、Ｖｐｇ、Ｖｐｄを前の期
間の電圧に保持する。次いで、立ち上がり時の期間の経
過後にＶｐｇ、Ｖｐｄを５Ｖ以上としてウエル領域１５
ａ、１５ｂ内に光発生正孔がキャリアポケット２５から
基板１１側に排出されるような電界を形成する。

【００３３】ブランキング期間では、初期化された状態
でのＶｐｓを第２の信号（固定パターンノイズ）Ｖｎと
して単位画素１０１から出力し、信号出力回路１０５に
入力させて固定パターンノイズを除去した信号を取り出
す。さらに、この期間に間引き動作を行なう。そのた
め、２つの単位画素１０１からの信号を信号出力回路１
０５の積分回路１０６ａ、１０６ｂに入力させて混合す
る。さらに、その出力を図３に示すようにオフセットキ
ャンセル回路１０９及び平均化回路１１０を通して平均
化し、間引きに係る各単位画素の映像信号(第３の信号)
として信号出力回路１０５から出力させる。

【００３４】この場合、図４に示すように、ブランキン
グ期間の立ち上がり時の期間に、Ｖｐｇを接地電位と
し、Ｖｐｄを２〜３Ｖとする。次いで、立ち上がり時の
期間の経過後にＶｐｇを２〜３Ｖとし、Ｖｐｄを前の期
間の状態に保持してＭＯＳトランジスタ１１２を動作さ
せる。ブランキング期間終了後に再び上記した蓄積期間
に戻る。

【００３５】次に、図５を参照して、間引き動作につい
て詳細に説明する。蓄積期間では、信号ＳＣＭ，ＲＳＴ
をいずれもＨレベルとして、スイッチＳＳ，ＳＲをオン
状態とし、かつ信号Ｌｏａｄ，ＲＳＭをいずれもＬレベ
ルとして、スイッチＳＬ，ＳＲＭをオフ状態とする。蓄
積期間の終了時の期間（入力容量初期化期間）に、信号
Ｌｏａｄ，ＳＣＭ，ＲＳＭ，ＲＳＴをいずれもＨレベル
として、スイッチＳＬ，ＳＳ，ＳＲＭ，ＳＲをオン状態
とし、コンデンサＣ１，Ｃ２の電荷を初期化する。

【００３６】その後、センサ信号読込み期間（読出期
間）では、信号ＲＳＭをＬレベルとして、スイッチＳＲ
Ｍをオフ状態とする。他のスイッチＳＬ，ＳＳ，ＳＲは
前の状態のまま保持する。これにより、積分回路１０６
ａ，１０６ｂの各コンデンサＣ1 に、それぞれ単位画素
からの第１の信号Ｖｔが供給される。ここでは、一方の
単位画素の出力がＶta，他方の単位画素の出力がＶtbで
あるとする。但し、これらの信号Ｖta，Ｖtbには、光信
号成分Ｖsa，Ｖsbと、単位画素に固有の固定パターンノ
イズ成分Ｖna，Ｖnbが含まれている。

【００３７】このとき、積分回路１０６ａのコンデンサ
Ｃ１の両側の電位差がＶta−Ｖref、積分回路１０６ｂ
のコンデンサＣ２の両側の電位差がＶtb−Ｖrefとな
る。そして、スイッチＳＲがオン状態であるので、積分
回路１０６ａの演算増幅器３１の出力はＶref となり、
この電圧が、オフセットキャンセル回路１０９の第１の
記憶素子に記憶される。この場合、Ｖrefにさらに演算
増幅器３１固有のオフセットノイズΔＶｎが加わるが、
ここでは省略する。

【００３８】画素初期化期間（初期化期間）では、信号
LoadをＬレベルとして、スイッチＳＬをオフ状態とす
る。他のスイッチＳＳ，ＳＲＭ，ＳＲは前の状態のまま
保持される。この間に単位画素のソース領域１６、ドレ
イン領域１７ａ及びゲート電極１９に高電圧を印加し
て、画素を初期化する。即ち、キャリアポケット２５内
の蓄積電荷を空にする。

【００３９】その後、ブランキング期間では、立ち上が
り時の期間（信号線初期化期間）に、図示しないスイッ
チを介して垂直出力線２０ａ、２０ｂを接地電位とし、
スイッチＳＳをオフ、スイッチＳＬ，ＳＲＭをオンにし
て、積分回路１０６ａ，１０６ｂ内の信号線に蓄積され
ている電荷を初期化する。但し、スイッチＳＳはオフ状
態であるので、積分回路１０６ａのコンデンサＣ１の両
側の電位差はＶref −Ｖta、積分回路１０６ｂのコンデ
ンサＣ１の両側の電位差はＶref −Ｖtbに保たれてい
る。

【００４０】信号線初期化期間の経過後、スイッチＳＳ
をオンにし、スイッチＳＲＭ，ＳＲをオフ状態にする。
また、スイッチＳＭをオンにして２つの列の積分回路１
０６ａ、１０６ｂを接続する。これにより、積分回路１
０６ａのコンデンサＣ１の両側の電位差がＶref −Ｖta
からＶref −Ｖnaに変化し、積分回路１０６ｂのコンデ
ンサＣ１の両側の電位差がＶref −ＶtaからＶref −Ｖ
naに変化する。これに対応する電荷がコンデンサＣ２に
蓄積され、演算増幅器３１の出力は（Ｖta−Ｖna）＋
（Ｖtb−Ｖnb）−Ｖref となる。この２つの画素の出力
を混合した信号（電圧）が、オフセットキャンセル回路
１０９の第２の記憶素子に記憶される。この場合、Ｖre
fにさらに演算増幅器３１固有のオフセットノイズが加
わるが、ここでは省略する。

【００４１】そして、第１及び第２の記憶素子の差電圧
を演算器により演算して、２つの単位画素１０１からの
光信号を混合した信号がオフセットキャンセル回路１０
９から出力される。その後、その混合信号を平均化回路
１１０に通すことにより、その混合信号は平均化されて
間引きに係る単位画素１０１の信号に分割される。この
分割信号を「Ｇ」領域の映像信号として映像信号出力端
子１０７から出力する。

【００４２】ところで、従来の一般的な固体撮像装置で
は、サンプリング画素を間引きするため、ＭＴＦが劣化
してモアレの多い画像になったり、折り返しノイズが発
生したりする。また、イメージセンサを高速で動作させ
る必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。こ
れに対して、本実施の形態では、スイッチＳＭをオンに
することにより、空間的に離れた少なくとも２つの単位
画素１０１から出力される信号を混合して画素の間引き
を行なっている。さらに、混合した信号を平均化して間
引きに係る単位画素１０１の信号に分割している。

【００４３】従って、走査上間引きを行なっても、走査
上間引きされた画素１０１位置における信号として平均
化された信号が出力されるので、サンプリング周波数は
低下しない。これにより、折り返しノイズの発生を防止
することができ、またサンプリングに伴うＭＴＦの劣化
を防ぐことができる。また、間引きに応じて信号処理回
数が減るので、消費電力の増大が回避される。

【００４４】以上、実施の形態によりこの発明を詳細に
説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的
に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を
逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範
囲に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、ｐ型の
基板１１上のｎ型のエピタキシャル層１２内に第１及び
第２のウエル領域１５ａ、１５ｂを形成しているが、ｎ
型のエピタキシャル層１２の代わりに、ｐ型のエピタキ
シャル層にｎ型不純物を導入してｎ型ウエル層を形成
し、このｎ型ウエル層内に第１及び第２のウエル領域１
５ａ、１５ｂを形成してもよい。

【００４５】さらに、この発明が適用される固体撮像装
置の構造として種々の変形例が考えられるが、他の構造
はどうであれ、受光ダイオードと光信号検出用のＭＯＳ
トランジスタとが隣接して単位画素を構成し、かつＭＯ
Ｓトランジスタのチャネル領域下のｐ型のウエル領域内
であってソース領域の近傍に高濃度埋込層（キャリアポ
ケット）が設けられていればよい。

【００４６】さらに、ｐ型の基板１１を用いているが、
代わりにｎ型の基板を用いてもよい。この場合、上記実
施の形態と同様な効果を得るためには、上記実施の形態
等で説明した各層及び各領域の導電型をすべて逆転させ
ればよい。この場合、キャリアポケット２５に蓄積すべ
きキャリアは電子及び正孔のうち電子である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
列及び行に配列された単位画素と、単位画素からの出力
信号を処理する、列毎に設けられた積分回路とを有し、
かつ少なくとも２つ列の積分回路の演算増幅器の入力端
子間に画素間信号転送スイッチ素子を設けており、間引
き動作時にこのスイッチ素子をオンにして少なくとも２
つの単位画素の信号を混合し、平均化して各単位画素の
映像信号として出力しているので、折り返しノイズのな
い画像、即ちモアレのない画像を得ることができ、消費
電力も低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態に係る固体撮像装置の全
体の回路構成を示す図である。

【図２】この発明の実施の形態に係る固体撮像装置の信
号処理回路（積分回路）を示す回路図である。

【図３】この発明の実施の形態に係る固体撮像装置の信
号処理回路（オフセットキャンセル回路及び平均化回
路）を示す回路図である。

【図４】この発明の実施の形態の固体撮像装置を動作さ
せる際のタイミングチャートである。

【図５】この発明の実施の形態に係る固体撮像装置の間
引き動作時のタイミングチャートである。

【図６】この発明の実施の形態に係る固体撮像装置に用
いられる固体撮像素子の単位画素内の素子レイアウトを
示す平面図である。

【図７】（ａ）は図５のＩ−Ｉ線に沿う断面図、（ｂ）
は光発生ホールがキャリアポケットに蓄積し、チャネル
領域に電子が誘起されて反転領域が生じている状態のポ
テンシャルの様子を示す図である。

【図８】（ａ）は、従来例に係る固体撮像装置の全体の
回路構成を示す図であり、（ｂ）は、同じくその固体撮
像装置を動作させる際のタイミングチャートである。

【符号の説明】

１５ａ 第１のウエル領域 １５ｂ 第２のウエル領域 １５ｃ チャネルドープ層 １６ａ 低濃度のソース領域 １６ｂ 高濃度のソース領域（コンタクト層） １７ 不純物領域 １７ａ 低濃度のドレイン領域 １７ｂ 高濃度のドレイン領域（コンタクト層） １８ ゲート絶縁膜 １９ ゲート電極 ２０a 、２０ｂ 垂直出力線 ２１ａ、２１ｂ ＶＳＣＡＮ供給線 ２２ａ、２２ｂ ＶＤＤ供給線 ２５ キャリアポケット（高濃度埋込層） ２６ 水平出力線 ２７ａ、２７ｂ ＨＳＣＡＮ供給線 ３０ａ、３０ｂ 昇圧電圧供給線 ３１ 演算増幅器 １０１ 単位画素 １０２ ＶＳＣＡＮ駆動走査回路 １０３ ＶＤＤ駆動走査回路 １０４ ＨＳＣＡＮ入力走査回路 １０５ 信号出力回路 １０６ａ、１０６ｂ 積分回路 １０７ 映像信号出力端子 １０８ 昇圧走査回路 １０９ オフセットキャンセル回路 １１０ 平均化回路 １１１ 受光ダイオード １１２ 光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トランジス
タ（光信号検出用ＭＯＳトランジスタ） ＳＬ 第１のスイッチ ＳＳ 第２のスイッチ ＳＲＭ 第３のスイッチ ＳＲ 第４のスイッチ ＳＭ 画素間信号転送スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA04 AA05 BA14 CA03 CA19 CA40 DD11 DD12 FA06 FA34 FA42 5C024 BX01 CX14 CY09 CY42 GY31 HX31

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号を電気信号に変換し、出力する、
   列と行に配列された複数の単位画素と、前記電気信号を
   入力し、演算処理する、前記列毎に設けられた積分回路
   と、前記積分回路の出力側に繋がって前記光信号に対応
   する映像信号を出力する映像信号出力端子とを有し、 少なくとも２つの前記積分回路間に該積分回路間を接続
   し、或いは非接続とする画素間信号転送スイッチ素子が
   介在してなることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記各積分回路は、基準電圧が入力され
   る正入力端子、負入力端子及び出力端子を有する演算増
   幅器と、前記単位画素と前記演算増幅器の負入力端子の
   間に直列接続された第１のスイッチ素子、第２のスイッ
   チ素子及び入力容量素子と、前記第２のスイッチ素子及
   び前記入力容量素子に並列接続された第３のスイッチ素
   子と、前記演算増幅器の負入力端子と出力端子との間に
   並列接続された帰還容量素子及び第４のスイッチ素子と
   を有し、かつ前記画素間信号転送スイッチ素子は少なく
   とも２つの前記演算増幅器の負入力端子間に接続されて
   いることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記積分回路の出力端子と前記映像信号
   出力端子の間に、入力された信号を前記相互に接続され
   た積分回路の数で平均化する平均化回路を有することを
   特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記積分回路の出力端子と前記映像信号
   出力端子の間に前記積分回路から生じるノイズを除くオ
   フセットキャンセル回路を有することを特徴とする請求
   項１乃至３の何れか一に記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記単位画素は、前記受光ダイオードと
   前記受光ダイオードに隣接する光信号検出用絶縁ゲート
   型電界効果トランジスタとを備え、かつ前記光信号検出
   用絶縁ゲート型電界効果トランジスタはゲート電極下方
   のチャネル領域下に前記受光ダイオードで発生した光発
   生電荷を蓄積する高濃度埋込層を備えていることを特徴
   とする請求項１乃至４の何れか一に記載の固体撮像装
   置。
6. 【請求項６】 前記受光ダイオードで発生した光発生電
   荷を前記高濃度埋込層に蓄積する蓄積期間と、前記高濃
   度埋込層に蓄積された前記光発生電荷に応じた第１の信
   号を前記光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トランジス
   タから出力する読出期間と、前記高濃度埋込層に残留す
   る前記光発生電荷を排出し、前記単位画素を初期化する
   初期化期間と、及び前記単位画素が初期化された状態に
   おける第２の信号を前記光信号検出用絶縁ゲート型電界
   効果トランジスタから出力するブランキング期間とを順
   次繰り返すように走査信号を供給する走査信号駆動走査
   回路を有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像
   装置。
7. 【請求項７】 前記蓄積期間において、前記受光ダイオ
   ードで発生した光発生電荷を前記高濃度埋込層に蓄積す
   るとともに、前記映像信号出力端子から前記光信号に対
   応する映像信号を出力することを特徴とする請求項６記
   載の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 光信号を電気信号に変換し、出力する、
   列と行に配列された複数の単位画素と、前記電気信号を
   入力し、演算処理する、前記列毎に設けられた複数の積
   分回路と、前記積分回路の出力側に繋がって前記光信号
   に対応する映像信号を出力する映像信号出力端子とを有
   する固体撮像装置の駆動方法において、 少なくとも２つの前記列にわたる単位画素から出力され
   た電気信号を前記積分回路を通して混合し、該混合した
   信号を前記混合に係る各単位画素の映像信号として随時
   読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
9. 【請求項９】 前記積分回路を通して混合した信号を、
   さらに平均化し、該平均化した信号を前記混合に係る各
   単位画素の映像信号として随時読み出すことを特徴とす
   る請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 【請求項１０】 光信号を電気信号に変換し、出力す
    る、列と行に配列された複数の単位画素と、前記電気信
    号を入力し、演算処理する、前記列毎に設けられた複数
    の積分回路と、前記積分回路の出力側に繋がって前記光
    信号に対応する映像信号を出力する映像信号出力端子と
    を有する固体撮像装置の駆動方法において、 前記単位画素が、前記受光ダイオードと前記受光ダイオ
    ードに隣接する光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トラ
    ンジスタとを備え、かつ前記光信号検出用絶縁ゲート型
    電界効果トランジスタはゲート電極下方のチャネル領域
    下に前記受光ダイオードで発生した光発生電荷を蓄積す
    る高濃度埋込層を備え、 前記各積分回路が、基準電圧が入力される正入力端子、
    負入力端子及び出力端子を有する演算増幅器と、前記単
    位画素と前記演算増幅器の負入力端子の間に直列接続さ
    れた第１のスイッチ素子、第２のスイッチ素子及び入力
    容量素子と、前記第２のスイッチ素子及び前記入力容量
    素子に並列接続された第３のスイッチ素子と、前記演算
    増幅器の負入力端子と出力端子との間に並列接続された
    帰還容量素子及び第４のスイッチ素子とを有し、かつ前
    記画素間信号転送スイッチ素子が少なくとも２つの前記
    演算増幅器の負入力端子間に接続されてなり、 前記受光ダイオードで発生した光発生電荷を前記高濃度
    埋込層に蓄積する蓄積期間と、前記高濃度埋込層に蓄積
    された前記光発生電荷に応じた第１の信号を前記光信号
    検出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタから出力する
    読出期間と、前記高濃度埋込層に残留する前記光発生電
    荷を排出し、前記単位画素を初期化する初期化期間と、
    及び前記単位画素が初期化された状態における第２の信
    号を前記光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トランジス
    タから出力するブランキング期間とを順次繰り返すよう
    に走査し、 前記読出期間に、前記第１のスイッチ素子、第２のスイ
    ッチ素子及び第４のスイッチ素子を閉じ、かつ前記第３
    のスイッチ素子及び前記画素間信号転送スイッチ素子を
    開放して、前記第１の信号を前記積分回路の入力容量素
    子を通して前記演算増幅器に入力し、 前記ブランキング期間に、前記第１のスイッチ素子、第
    ２のスイッチ素子及び前記画素間信号転送スイッチ素子
    を閉じ、かつ前記第３のスイッチ素子及び第４のスイッ
    チ素子を開放して、前記第２の信号を前記積分回路の入
    力容量素子を通して前記演算増幅器に入力するととも
    に、２つの前記単位画素の第１の信号と第２の信号との
    差信号同士を混合した第３の信号を１つの前記演算増幅
    器の帰還容量素子を通して前記演算増幅器から出力し、
    前記混合した信号を前記混合に係る各単位画素の映像信
    号として随時読み出すことを特徴とする固体撮像装置の
    駆動方法。
11. 【請求項１１】 前記積分回路を通して混合した信号
    を、さらに平均化し、該平均化した信号を前記混合に係
    る各単位画素の映像信号として随時読み出すことを特徴
    とする請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
12. 【請求項１２】 前記蓄積期間において、前記受光ダイ
    オードで発生した光発生電荷を前記高濃度埋込層に蓄積
    するとともに、前記映像信号出力端子から前記光信号に
    対応する映像信号を出力することを特徴とする請求項１
    ０又は１１記載の固体撮像装置の駆動方法。
13. 【請求項１３】 前記積分回路を通して混合した信号又
    は前記第３の信号を平均化する前に、前記積分回路を通
    して混合した信号又は前記第３の信号から前記積分回路
    から生じるノイズを除くことを特徴とする請求項８乃至
    １２の何れか一に記載の固体撮像装置の駆動方法。