1.发明领域

本发明涉及固体摄像装置，例如安装了具有放大型的象素结构的CMOS图 像传感器的固体摄像装置。

2.相关技术的描述

近年来，每个象素都具有输出部的所谓放大型固体摄像装置的一种即 CMOS图像传感器颇受瞩目。特别是在CMOS传感器中，广泛使用了电荷存储 部(光电二极管)和电荷检测部分开形成，电荷检测部形成在漂浮扩散领域中 的4晶体管型CMOS图像传感器(例如，参考特开2001-111900号公报)。4 晶体管型CMOS图像传感器可以进行电子快门动作，具有比较好的S/N特性。

在4晶体管型CMOS图像传感器中，如下所述进行电子快门动作。首先， 所有象素一齐从光点二极管向漂浮扩散领域运送电荷。接下来，按线依次读出 信号电荷。执行读出操作时，首先检测漂浮扩散领域中存储信号电荷时的电位， 接着执行从漂浮扩散领域排出信号电荷的复位动作，并检测复位动作后的电位。 然后，得出规定回路中这两个电位之差，并将这一电位差作为信号进行检测。

但是，因为检测上述两个电位期间执行的漂浮扩散领域的复位动作不可避 免地导入复位噪音或者KTC噪音，因此存在检测信号的S/N被损害的问题。

下面，参照附图，对已有的4晶体管型的CMOS图像传感器进行说明。图 1为已有的CMOS图像传感器的电路图，图2为动作时间以及输出波形图。

图1中，虚线内示出的是作为结构单位的一个象素，形成具有2×2共4个 象素P11、P12、P21、P22的区域传感器。这里描述象素P11的结构。

如图1所示，象素P11具有光电二极管101、传输门晶体管102、复位门晶 体管103、电源104、源极跟随器的驱动门晶体管105、寻址门晶体管106、浮 动接合部(漂浮扩散层)107、垂直信号线108、源极跟随器的电流源109、缓 冲电路110、扫描开关111、最终输出缓冲电路112以及扫描用寄存器113。

给象素P11、P12施加的脉冲是复位信号RS1、传输信号TG1、寻址信号 ADD1，给象素P21、P22施加的脉冲是复位信号RS2、传输信号TG2、寻址信 号ADD2，构成如图1所示的连线。将上述各信号施加给图1示出的晶体管的 栅极。由此，特别是垂直信号线108中产生图2所示的时间序列信号。

CMOS图像传感器的动作由从在象素中实施规定的时间积分，到传送并寄 存积分后的电荷的动作的积分模式，和根据该积分模式的操作依次读出存储的 电荷的读出模式构成。另外，存储从象素传送的电荷的存储节点(这里指图1 中的漂浮扩散层107)在图1中没有示出，其作为遮光物体，在该处不能进行光 电变换。

但是，图1所示的CMOS图像传感器中，存在下述问题。例如，从象素 P11中检测信号电荷期间，使寻址信号ADD1变为(高电平)“H”，在共同信号 线108中读出信号电荷。此时，首先检测漂移扩散层107处于存储电荷状态的 电位(图2中的A)，接下来将复位信号RS1变为“H”(图2中的B)，排出信 号电荷，检测变空的漂移扩散层107的电位(图2中的C)。然后，将电位A和 电位C的电位差作为信号电荷，在这两个电位信号期间加入复位动作，而且因 为漂移扩散层107不能处于全空状态，所以所说的复位噪音乃至KTC噪音与信 号电荷重叠，从而导致信号劣化这一问题。

发明概述

从某个方面来看，本发明的固体摄像装置，其特征在于，包括：光电二极 管，收集并存储根据入射光量产生的信号电荷；浮动门晶体管，具有选取被供 给信号的连接状态或者浮动状态中某一种状态的门极，在所述门极下产生的沟 道中存储所述信号电荷；切换电路，根据规定的时间将所述浮动门晶体管的门 极从连续状态切换到浮动状态；复位电路，排出所述浮动门晶体管的所述沟道 中存储的所述信号电荷；和电位检测电路，检测所述浮动门晶体管的门极电位。

附图的简要描述

图1为现有的CMOS图像传感器的结构的示意图；

图2为现有的上述CMOS图像传感器中，动作时间及输出波形的时间图。

图3是本发明第一实施例的CMOS图像传感器的结构的电路图；

图4是上述第一实施例的CMOS图像传感器中动作时间及输出波形的时间 图；

图5是上述第一实施例的CMOS图像传感器的平面图；

图6是上述第一实施例的CMOS图像传感器的截面图；

图7是本发明第二实施例的CMOS图像传感器的结构的电路图；

图8是上述第二实施例的CMOS图像传感器中动作时间及输出波形的时间 图；

图9是上述第二实施例的CMOS图像传感器的平面图；

图10是本发明第三实施例的CMOS图像传感器的结构的电路图；

图11是上述第三实施例的CMOS图像传感器中动作时间及输出波形的时 间图。

图12是在上述第三实施例的CMOS图像传感器的读出模式中电势的示意 图。

发明的详细描述

下面，参考附图对本发明的实施例进行说明。说明时，附图中相同的部分 采用相同的附图标记。

第一实施例

首先，说明作为本发明第一实施例的固体摄像装置的CMOS图像传感器。

图3是本发明第一实施例的CMOS图像传感器的结构的电路图。图4是上 述CMOS图像传感器中动作时间及输出波形的图形。

图3中，虚线内示出的是作为结构单位的一个象素，形成具备2×2共4个 象素P11、P12、P21、P22的区域传感器。这里描述象素P11的结构。

如图3所示，象素P11中配置有光电二极管11、传输门晶体管12、浮动门 晶体管13、复位门晶体管14、源极跟随器的驱动门晶体管15、电源16以及浮 动门电位设定晶体管17。这些传输门晶体管12、浮动门晶体管13、复位门晶体 管14、驱动门晶体管15以及浮动门电位设定晶体管17由例如n沟道MOS晶 体管构成。

光电二极管11由pn(或者pnp、npn、np)结合而成，收集并存储根据入 射光量产生的信号电荷。浮动门晶体管13具有选取供给信号的连接状态或者浮 动状态中某一种状态的门电极，在上述门电极下生成的沟道中存储信号电荷。 传输门晶体管12控制光电二极管11和浮动门晶体管13之间的信号电荷的传送。 浮动门电位设定晶体管(以下称为电位设定晶体管)17根据规定的时间选择将 浮动门晶体管13的门电极从连接状态切换到浮动状态。复位门晶体管14排出 浮动门晶体管的沟道中存储的信号电荷。驱动门晶体管15检测浮动门晶体管13 的门电极电位。

光电二极管11的阴极连接传输门晶体管12的源极，该晶体管12的漏极连 接浮动门晶体管13的源极。晶体管13的漏极连接复位门晶体管14的源极，该 晶体管14的漏极与电源16相连。浮动门晶体管13的门电极与电位设定晶体管 17的源极和驱动门晶体管15的门电极相连接。驱动门晶体管15的漏极连接到 电源16，该晶体管15的源极通过垂直信号线18与缓冲电路19的输入端相连。 缓冲电路19的输出端通过扫描开关晶体管20与最终输出缓冲电路21相连。晶 体管15的源极还与电流源22连接。而且，扫描开关晶体管20的门电极连接到 扫描用寄存器23。

给象素P11、P12施加的脉冲是复位信号RS1、控制信号FGC1、复位信号 FGRS1、传输信号TG1，给象素P21、P22施加的脉冲是复位信号RS2、控制信 号FGC2、复位信号FGRS2、传输信号TG2。

在象素P11中，将复位信号RS1提供给复位门晶体管14的门电极，通过 电位设定晶体管17将控制信号FGC1提供给浮动门晶体管13的门电极。将复 位信号FGRS1提供给电位设定晶体管17的门电极，将传输信号TG1提供给传 输门晶体管12的门电极。在象素P12中，也以与上述提供方式相同的方式提供 上述各种信号。而且，在象素P21、P22中，也以与上述提供方式相同的方式来 提供复位信号RS2、控制信号FGC2、复位信号FGRS2以及传输信号TG2。

CMOS图像传感器中的动作在积分模式和读出模式是相区别的。积分模式 是在象素中实施规定的时间积分，传输并存储积分后的信号电荷的动作。读出 模式是依次读出由积分模式存储的信号电荷的动作。

图3示出的CMOS图像传感器中的动作时间在图4中示出，将各信号施加 给图3所示的晶体管的门电极，在垂直信号线18中产生如图4所示的时间序列 的信号。

检测来自象素P11的信号电荷的读出动作如下所述。在积分模式，将光电 二极管11中存储的信号电荷传输给浮动门晶体管13的门电极下的沟道。

首先，使控制信号FGC1为“L”(低电平)，复位信号FGRS1为“H”(高 电平)，复位信号RS1为“L”，传输信号为“L”。接下来，使控制信号为“H”， 浮动门晶体管13以及驱动门晶体管15导通。由此，使得来自电流源2的电流 (电子电流)处于选择性地仅流入驱动门晶体管15的门电极下形成的沟道中的 状态。在这一状态时，垂直信号线中产生的电位反应了驱动门晶体管15的门电 极下形成的沟道的电位。

接下来，使复位信号FGRS1为“L”，打开电位设定晶体管17，使浮动门 晶体管13的门电极为浮动状态。由此，在垂直信号线18中产生图4中A所示 的电位。这一电位是与浮动门晶体管13的门电极下的沟道中存储的信号电荷对 应的电位。

接下来，按图4中所示时间选择使复位信号RS1为“H”，打开复位门晶体 管14。从而，排出浮动门晶体管13的门电极下的沟道中存储的电荷(图4所示 的B)。这一动作之后，垂直信号线18变为图4中C所示的电位，这是浮动门 晶体管13的门电极下的沟道中没有存储信号电荷的状态时的电位。来自象素 P11的检测信号是该电位差(A-C)。

根据上述读出动作，不会发生现有的CMOS图像传感器中的复位噪音乃至 KTC噪音的问题。即对浮动门晶体管13的门电极下的沟道中存储的电荷执行复 位操作时，可以完全排出这些存储电荷。从而，由电子快门动作检测来自象素 的信号时，能够得到不被叠加复位噪音乃至KTC噪音的具有良好品质的信号。

图5是第一实施例的CMOS图像传感器的平面图，图6是上述CMOS图 像传感器的截面图。

如图5所示，活性区域(半导体区域)31上分别配置有传输门晶体管12 的门电极12A、浮动门晶体管13的门电极13A、复位晶体管14的门电极14A。 浮动门晶体管13的门电极13A与电位设定晶体管17的源极相连接，将控制信 号FGC1提供给该晶体管17的漏极。浮动门晶体管13的门电极13A还与驱动 门晶体管15的门电极相连接。

图6是沿图5中的4-4线的截面图。P型半导体基板41的表面区域上形 成有n+型区域42。而且将光电二极管11的n型区域43埋入到p型半导体基 板41中。n+型区域42和n型区域43之间的p型半导体基板41上形成有门电 极氧化膜44，该门电极氧化膜44上分别形成有传输门晶体管12的门电极12A、 浮动门晶体管13的门电极13A、以及复位门晶体管14的门电极14A。根据需 要，还可以在门电极12A、门电极13A以及门电极14A下的p型半导体基板上， 设置用于对阈值进行调整的半导体区域。而且，也可以设置图中没有示出的溢 漏，排出光电二极管11中存储的过剩的电荷。

上面说明的第一实施例中，因为用于检测信号电荷的检测节点不是漂移扩 散层而是漂移门电极结构，即在具有成为漂移状态的门电极的晶体管的沟道中 构成检测节点，所以检测节点中没有信号的场合漂移门电极下的半导体区域为 全空，能够避免复位噪音或者KTC噪音的产生。因此，能够从象素中检测到没 有被叠加复位噪音或者KTC噪音的具有良好品质的信号。

第二实施例

接下来，说明作为本发明第二实施例的固体摄像装置的CMOS图像传感 器。和上述第一实施例中的结构相同的部分采用相同的附图标记。

图7是本发明第二实施例的CMOS图像传感器的结构的电路图。图8是上 述CMOS图像传感器中动作时间及输出波形图。

如图7所示，象素P11中配置有光电二极管51、传输门晶体管52、浮动门 晶体管53、复位门晶体管54、源极跟随器的驱动门晶体管55、电源56、寻址 门晶体管57以及浮动门电位设定晶体管(下文中称之为电位设定晶体管)58。 这些传输门晶体管52、浮动门晶体管53、复位门晶体管54、驱动门晶体管55、 寻址门晶体管57以及电位设定晶体管58由例如n沟道MOS晶体管构成。

光电二极管51的阴极连接传输门晶体管52的源极，该晶体管52的漏极连 接浮动门晶体管53的源极。晶体管53的漏极连接复位门晶体管54的源极，该 晶体管54的漏极与电源56相连。浮动门晶体管53的门电极与电位设定晶体管 58的源极连接，该晶体管58的漏极与电源56连接。浮动门晶体管53的门电极 还与驱动门晶体管55的门电极相连接。驱动门晶体管55的漏极连接到电源56， 该晶体管55的源极与寻址门晶体管57的漏极相连。寻址门晶体管57的源极通 过垂直信号线18与缓冲电路19的输入端相连。缓冲电路19的输出端通过扫描 开关晶体管20与最终输出缓冲电路21相连。寻址门晶体管57的源极还与电流 源22连接。而且，扫描开关晶体管20的门电极连接到扫描用寄存器23。

在象素P11中，将复位信号RS1提供给复位门晶体管54的门电极。将传 输信号TG1分别提供给传输门晶体管52以及电位设定晶体管58的门电极。而 且，将寻址信号ADD1提供给寻址门晶体管57的门电极。在象素P12中，也以 与上述提供方式相同的方式提供上述各种信号。而且，在象素P21、P22中，也 以与上述提供方式相同的方式来提供复位信号RS2、传输信号TG1以及寻址信 号ADD1。

检测来自象素P11的信号电荷的读出动作如下所述。在积分模式，将光电 二极管51中存储的信号电荷传输给浮动门晶体管53的门电极下的沟道。

首先，使复位信号RS1为“L”，传输信号TG1为“L”，而且使寻址信号 ADD1为“L”，使寻址门晶体管53的门电极为浮动状态。接下来，使寻址信号 ADD1为“H”，打开寻址门晶体管57。因此，来自电流源22的电流(电子电 流)成为选择性地仅流入驱动门晶体管55的门电极下形成的沟道中的状态。在 这一状态时，垂直信号线18中产生的电位反应了驱动门晶体管55的门电极下 形成的沟道的电位。因此，垂直信号线18中产生图8中A所示的电位。这一电 位是与浮动门晶体管53的门电极下的沟道中存储的信号电荷对应的电位。

接下来，按图8中所示时间选择使复位信号RS1为“H”，排出浮动门晶体 管53的门电极下的沟道中存储的信号电荷(图8所示的B)。这一动作之后， 垂直信号线18变为图8中C所示的电位，这是浮动门晶体管53的门电极下的 沟道中没有存储信号电荷的状态时的电位。来自象素P11的检测信号是该电位 差(A-C)。

根据上述读出动作，不会发生现有的CMOS图像传感器中的复位噪音乃至 KTC噪音的问题。这是由于对浮动门晶体管53的门电极下的沟道中存储的电荷 执行复位操作时，可以完全排出这些存储电荷。从而，由电子快门动作检测来 自象素的信号时，能够得到不被叠加复位噪音乃至KTC噪音的具有良好品质的 信号。

图9是第二实施例的CMOS图像传感器的平面图。

活性区域(半导体区域)31上分别配置有传输门晶体管52的门电极52A、 浮动门晶体管53的门电极53A、复位晶体管54的门电极54A。浮动门晶体管 53的门电极53A与电位设定晶体管58的源极相连接，该晶体管58的漏极与电 源56相连。浮动门晶体管53的门电极53A还与驱动门晶体管55的门电极相连 接。

上面说明的第二实施例中，因为用于检测信号电荷的检测节点不是漂移扩 散层而是漂移门电极结构，即在具有成为漂移状态的门电极的晶体管的沟道中 构成检测节点，所以检测节点中没有信号的场合漂移门电极下的半导体区域为 全空，能够避免复位噪音乃至KTC噪音的产生。因此，能够从象素中检测到没 有被叠加复位噪音或者KTC噪音的具有良好品质的信号。而且，与上述第一实 施例相比，具有能够减少用于对动作进行控制的信号的效果。

第三实施例

接下来，说明作为本发明第三实施例的固体摄像装置的CMOS图像传感 器。和上述第一实施例中的结构相同的部分采用相同的附图标记。

图10是本发明第三实施例的CMOS图像传感器的结构的电路图。图11是 上述CMOS图像传感器中动作时间及输出波形图。

如图10所示，象素P11中配置有光电二极管81、传输门晶体管和浮动门 晶体管共用的晶体管82、电位设定晶体管83、复位门晶体管84、源极跟随器的 驱动门晶体管85以及电源86。这些共用晶体管82、电位设定晶体管83、复位 门晶体管84以及驱动门晶体管85由例如n沟道MOS晶体管构成。

光电二极管81的阴极连接共用晶体管82的源极，该晶体管82的漏极连接 复位门晶体管84的源极。该晶体管84的漏极与电源86相连。共用晶体管82 的门电极与电位设定晶体管83的源极相连接，将控制信号FGC1提供给该晶体 管83的漏极。共用晶体管82的门极还与驱动门晶体管85的门极相连接。驱动 门晶体管85的漏极与电源86连接，该晶体管85的源极通过垂直信号线18与 缓冲电路19的输入端连接。缓冲电路19的输出端通过扫描开关晶体管20与最 终输出缓冲电路21相连。驱动门晶体管85的源极还与电流源22连接。而且， 扫描开关晶体管20的门电极连接到扫描用寄存器23。

在象素P11中，将复位信号RS1提供给复位门晶体管84的门电极。将控 制信号FGC1通过电位设定晶体管83分别提供给共用晶体管82以及驱动门晶 体管85的门电极。而且，将复位信号FGRS1提供给电位设定晶体管83的门电 极。在象素P12中，也以与上述提供方式相同的方式提供上述各种信号。而且， 在象素P21、P22中，也以与上述提供方式相同的方式来提供复位信号RS2、控 制信号FGC2以及复位信号FGRS2。

检测来自象素P11的信号电荷的读出动作如下所述。在积分模式，将光电 二极管81中存储的信号电荷传输给构成浮动门晶体管的共用晶体管82的门电 极下的沟道。

首先，使控制信号FGC1为“L”，复位信号FGRS1为“H”，使复位信号 RS1为“L”。接下来，使控制信号FGC1为“H”，打开传输门晶体管和浮动门 晶体管的共用晶体管82和驱动门晶体管85。接着，使复位信号FGRS1为“L”， 打开电位设定晶体管83，使传输门晶体管和浮动门晶体管的共用晶体管82的门 电极浮动化。因此，来自电流源2的电流(电子电流)成为选择性地仅流入驱 动门晶体管85的门电极下形成的沟道中的状态。在这一状态时，垂直信号线18 中产生的电位反应了驱动门晶体管85的门电极下形成的沟道的电位。因此，垂 直信号线18中产生图11中A所示的电位。这一电位是与共用晶体管82的门电 极下的沟道中存储的信号电荷对应的电位。

接下来，按图11中所示时间选择使复位信号RS1为“H”，排出共用晶体 管82的门电极下的沟道中存储的信号电荷(图11所示的B)。这一动作之后， 垂直信号线18变为图11中C所示的电位，这是构成浮动门晶体管的共用晶体 管82的门电极下的沟道中没有存储信号电荷的状态时的电位。来自象素P11的 检测信号是该电位差(A-C)。

根据上述读出动作，不会发生现有的CMOS图像传感器中的复位噪音乃至 KTC噪音的问题。这是因为对传输门晶体管和浮动门晶体管的共用晶体管82 的门电极下(沟道)存储的电荷执行复位操作时，可以完全排出这些存储电荷。 从而，由电子快门动作检测来自象素的信号时，能够得到不被叠加复位噪音乃 至KTC噪音的具有良好品质的信号。

图12示出的是上述读出模式时的电势。

按照“HH(最高)”、“H”(高)、“L(低)”三个值(HH＞H＞L)，施加给传 输门晶体管和浮动门晶体管的共用晶体管82的控制信号FGC1的电压在图12 中分别引起如D、E、F示出的电势。即，当控制信号FGC1为“HH”时，将 来自光电二极管81的信号电荷传送给共用晶体管82的沟道，控制信号FGC1 为“H”或者“L”时，信号电荷都能够保持在共用晶体管82中。从而，由于 使执行读出操作的象素中的控制信号FGC1为“H”，没有执行读出操作的象素 中的控制信号FGC1为“L”，能够将共用晶体管82作为寻址门晶体管利用，所 以可以省略用于象素选择的寻址门晶体管。另外，图12中示出的G是上述溢漏 的电势，将光电二极管81中存储的过剩电荷排除到溢漏中。

上面说明的第三实施例中，因为用于检测信号电荷的检测节点不是漂移扩 散层而是漂移门电极结构，即在具有成为漂移状态的门电极的晶体管的沟道中 构成检测节点，所以检测节点中没有信号的场合漂移门电极下的半导体区域为 全空，能够避免复位噪音或者KTC噪音的产生。因此，能够从象素中检测到没 有被叠加复位噪音或者至KTC噪音的具有良好品质的信号。而且，由于共用晶 体管82具有前述第一实施例中的传输门晶体管12和浮动门晶体管13的功能， 所以能够去掉传输门晶体管12以及用于控制动作的传输信号TG1，从而能够达 到简化元件结构的效果。

本发明的实施例提供了一种伴随着电子快门动作检测信号电荷时，不将复 位噪音或者KTC噪音叠加到信号电荷中，从而能够得到具有良好品质的信号电 荷的固体摄像装置。

而且，上述各实施例不仅可以单独实施，也可以进行适当的组合后再实施。 另外，上述各实施例中包含发明的各个阶段，对各实施例中揭示的多个构成部 件进行适当组合也可以得出各阶段的发明。

本领域普通技术人员很容易得出本发明的其他优点或对其作出修改。因此， 本发明更广泛的方面不受这里描述的具体的细节和有代表性的实施例的限制。 相应地，在不脱离由附加权利要求及其等价体限定的一般发明理念的精神和范 围的情况下，可以作出各种修改。

对相关申请的引用

本申请基于2003年12月19日提交的日本专利申请2003-422550并且要 求该申请2003-422550的优先权。其全部内容在此引入作为参考。

发明背景