固体成像元件和拍摄装置制造方法
【专利摘要】固体成像元件的电压限制部进行限制以使得信号线的电压不成为规定值以下。信号处理部被经由信号线输入像素信号。控制部在信号线上配置在电压限制部和信号处理部之间。另外，控制部在像素的传送部将由像素的光电转换部转换后的电荷向像素的浮置扩散区域传送的期间使电压限制部和信号处理部之间不导通。
【专利说明】固体成像元件和拍摄装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及固体成像元件和拍摄装置。
【背景技术】
[0002]在CMOS(互补金属氧化物半导体)型的固体成像元件中，已知有按列设置有将呈矩阵状配置的各像素的像素信号放大的放大部(下面也称为“列放大器”(Columnamplifier))的技术。另外，为了抑制列放大器的输出急剧变动，也提出了在固体成像元件设置有在像素的传送晶体管导通期间使垂直信号线和列放大器之间不导通的连接开关的技术。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2010 - 278786号公报
【发明内容】
[0006]但是，当高亮度光入射到CMOS型的固体成像元件时，高亮度光所入射的区域的水平方向(行方向)上产生电位的变动，在图像中会产生筋状的噪声(拖影(smear))。特别是，在像素的传送晶体管导通的期间使上述连接开关断开时，存在列放大器的输出电平稳定至规定的电压为止的时间较长的情况。另外，若读取高亮度入射区域的像素时，垂直信号线的电位接近GND电平，则该列的恒流源的动作点位于恒定电流动作范围之外，因此电流值减少，电路的IR下降量发生变化，因此，电路的电压值也发生变化。所以，例如在高速读取图像时容易产生上述的拖影。
[0007]用于解决技术问题的技术方案
[0008]本发明的一个方面的固体成像元件包括像素、电压限制部、信号处理部和控制部。像素包括:将入射光转换为电荷的光电转换部；将由光电转换部转换后的电荷向浮置扩散区域传送的传送部；和将与传送至浮置扩散区域的电荷对应的像素信号输送到信号线的输出部。电压限制部与信号线连接，进行限制以使得信号线的电压不成为规定值以下。信号处理部被经由信号线输入像素信号。控制部，其在信号线上配置在电压限制部和信号处理部之间，在传送部将由光电转换部转换后的电荷向浮置扩散区域传送的期间使电压限制部和信号处理部之间不导通。
[0009]本发明的另一方面的固体成像元件包括第一像素、第二像素、第一电压限制部、第二电压限制部、信号处理部和控制部。第一像素包括:将入射光转换为电荷的第一光电转换部；将由第一光电转换部转换后的电荷向第一浮置扩散区域传送的第一传送部；和将与传送至第一浮置扩散区域的电荷对应的第一像素信号输送到第一信号线的第一输出部。第二像素包括:将入射光转换为电荷的第二光电转换部；将由第二光电转换部转换后的电荷向第二浮置扩散区域传送的第二传送部；和将与传送至第二浮置扩散区域的电荷对应的第二像素信号输送到第二信号线的第二输出部。第一电压限制部与第一信号线连接，进行限制以使得第一信号线的电压不成为规定值以下。第二电压限制部与第二信号线连接，进行限制以使得第二信号线的电压不成为规定值以下。信号处理部被经由第一信号线输入第一像素信号并且被经由第二信号线输入第二像素信号。控制部，其配置在第一电压限制部和信号处理部之间且配置在第二电压限制部和信号处理部之间。控制部在第一传送部将由第一光电转换部转换后的电荷向第一浮置扩散区域传送的第一传送期间使第一电压限制部和信号处理部之间不导通。另外，控制部在第二传送部将由第二光电转换部转换后的电荷向第二浮置扩散区域传送的第二传送期间使第二电压限制部和信号处理部之间不导通。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是表示第一实施方式中的固体成像元件的构成例的框图。
[0011]图2是表示像素、限幅部、行选择开关部、列放大器的构成例的图。
[0012]图3是表示第一实施方式中的固体成像元件的动作例的图。
[0013]图4是表示第二实施方式中的固体成像元件的构成例的框图。
[0014]图5是表示第二实施方式中的固体成像元件的动作例的图。
[0015]图6是表示拍摄装置的构成例的图。
[0016]图7是表示像素的变形例的图。
[0017]图8是表示像素的变形例的图。
【具体实施方式】
[0018]<第一实施方式的说明>
[0019]图1是表示第一实施方式中的固体成像元件的构成例的框图。第一实施方式中的固体成像元件是通过在硅基板上使用CMOS工艺而形成的XY地址型的固体成像元件。第一实施方式的固体成像元件例如安装于数码相机、摄像机等拍摄装置(此外，拍摄装置的构成例在后文述说)中。
[0020]固体成像元件11例如包括像素阵列12、垂直扫描电路13、作为连接开关的一个例子的行选择开关部14、限幅(Clip)部15、放大部16 (下面也称为列放大器)、存储信号选择部17、信号存储部18、水平选择开关部19、水平扫描电路20、作为信号读取线的一个例子的垂直信号线21、恒流源IS、成像元件控制电路22。
[0021]像素阵列12包括在第一方向Dl和第二方向D2上呈矩阵状地配置的多个像素PX。下面，也将第一方向Dl和第二方向D2分别称为行方向Dl和列方向D2。
[0022]在各个像素PX的前面以规定的颜色排列配置有分别使不同的颜色成分的光透过的多种彩色滤光片。所以，像素PX通过由彩色滤光片进行的颜色分解而输出与各色对应的电信号。由此，像素阵列12能够在拍摄时取得彩色的图像。
[0023]例如，在第一实施方式中，红色(R)、绿色(Gr、Gb)、蓝色(B)的彩色滤光片按照2行2列的拜耳阵列配置于各像素PX。此外，图1中，各个像素PX中一并标记彩色滤光片的颜色。另外，也将具有红(R)、绿(Gr、Gb)、蓝⑶的滤光片的像素PX分别称为红像素(R)，蓝像素(B)、绿像素(Gr, Gb) ο
[0024]当着眼于行方向Dl时，例如在像素阵列12的第η行中，红像素(R)和绿像素(Gr)交替配置。另外，例如在像素阵列12的第n+1行中，绿像素(Gb)和蓝像素(B)交替配置。[0025]另外，当着眼于列方向D2时，例如在像素阵列12的第m列中，绿像素(Gb)和红像素(R)交替配置。另外，例如在像素阵列12的第m+1列中，蓝像素(B)和绿像素(Gr)交替配置。
[0026]此外，配置在列方向D2上的多个像素PX通过按列设置的垂直信号线21相互连接。即，像素阵列12经由公用的垂直信号线21输出来自配置在相同列的多个像素PX中的
像素号。
[0027]另外，为了读取来自各像素PX的像素信号，各垂直信号线21按像素阵列12的像素的每列分别与恒流源IS连接。
[0028]垂直扫描电路13使用 控制信号Φ SEL、Φ RST、Φ TX按每行控制像素阵列12的像素PX。例如，垂直扫描电路13控制控制信号(tSEL(n)、(tRST(n)、Φ TX (η)，将第η行的各像素PX的像素信号输出至各垂直信号线21。另外，例如，垂直扫描电路13控制控制信号Φ SEL (η+1)、Φ RST (η+1)、Φ TX (n+1)，将第n+1行的各像素PX的像素信号输出至各垂直信号线21。下面，也将控制信号(tSEL、c^RST、ΦΤΧ分别称为选择信号c^SEL、重置信号ΦΙ?Τ、传送信号ΦΤΧ。
[0029]行选择开关部14设置在列放大器16的输入侧，按像素阵列12的像素的列而具有多个行选择开关MLS。行选择开关MLS切换垂直信号线21和列放大器16之间的导通/不导通。
[0030]另外，限幅部15在各个垂直信号线21中分别设置于行选择开关部14的输入侧(像素PX和行选择开关部14之间)。这些限幅部15将垂直信号线21的电压限幅(限制)为规定值。
[0031]列放大器16例如为使用运算放大器构成的反转放大器，按像素阵列12的像素PX的每列而设置。各列放大器16经由各垂直信号线21按列对从各像素PX输出的像素信号进行反转放大。
[0032]在此，参照图2说明像素ΡΧ、限幅部15、行选择开关部14、列放大器16的构成例。
[0033]像素PX分别具有光电二极管PD、传送晶体管ΤΧ、重置晶体管RST、放大晶体管AMP、选择晶体管SEL和浮置扩散区域FD。
[0034]光电二极管ro为光电转换元件的一个例子，根据入射光的光量通过光电转换生成电荷。传送晶体管TX为传送开关的一个例子，在传送信号ΦΤΧ的高电平期间导通，将光电二极管ro所存储的电荷传送到浮置扩散区域FD。
[0035]传送晶体管TX的源极为光电二极管PD，传送晶体管TX的漏极为浮置扩散区域FD。浮置扩散区域FD例如为对半导体衬底导入杂质而形成的扩散区域。此外，浮置扩散区域FD分别与放大晶体管AMP的栅极和重置晶体管RST的源极连接。
[0036]重置晶体管RST在重置信号(tRST的高电平期间导通，将浮置扩散区域FD重置为电源电压VDD。另外，放大晶体管AMP中，漏极与电源电压VDD连接，栅极与浮置扩散区域FD连接，源极与选择晶体管SEL的漏极连接，构成以与垂直信号线21连接的恒流源IS为负载的源极跟随电路。放大晶体管AMP根据浮置扩散区域FD的电压值经由选择晶体管SEL输出读取电压。选择晶体管SEL在选择信号Φ SEL的高电平期间导通，使放大晶体管AMP的源极与垂直信号线21连接。
[0037]限幅部15具有共源共栅(Cascode)连接的限幅电压生成晶体管MCl和限幅电压控制晶体管MC2。限幅电压生成晶体管MCl中，漏极与电源电压VDD连接，源极与限幅电压控制晶体管MC2的漏极连接，通过栅极接收限幅电压VCRef。另外，限幅电压控制晶体管MC2的源极与垂直信号线21连接，限幅电压控制晶体管MC2的栅极接收控制信号c^Clip。也将限幅电压生成晶体管MC1、限幅电压控制晶体管MC2分别称为晶体管MC1、MC2。
[0038]在控制信号CtClip为高电平时，限幅部15将所连接的垂直信号线21的电压限幅至由限幅电压VCref决定的规定值。即，在像素的输出电压高的情况下，输出原来的电压，但在像素的输出电压比规定值低的情况下，输出由限幅部15决定的规定电压，使得垂直信号线21的电压不低于规定值。此外，上述的规定值为例如从VCRef的施加电压减去晶体管MCl的栅极一源极间电压(阈电压)，进一步减去晶体管MC2导通时的漏极一源极间电压而得到的值。另外，在控制信号AClip为低电平时，由限幅部15进行的垂直信号线21的电压的限幅不进行。
[0039]另外，行选择开关部14的行选择开关MLS例如为nMOS晶体管，源极与列放大器16的输入连接，漏极与垂直信号线21连接，通过栅极接收控制信号c^LSW。在该情况下，设置在垂直信号线21和列放大器16之间的行选择开关MLS，在控制信号CtLSW为高电平的期间导通，将被传送至垂直信号线21的像素信号输出至列放大器16的输入端子。另外，在控制信号ALSW为低电平的期间，行选择开关MLS断开，所以，被传送至垂直信号线21的像素信号不被输出至列放大器16。下面，将行选择开关MLS称为晶体管MLS。
[0040]返回图1，存储信号选择部17按像素阵列12的像素PX的每列而分别各具有一组图像信号选择开关MSl和噪声信号选择开关丽I。例如，图像信号选择开关MSl为nMOS晶体管，源极与信号存储部18的图像信号存储部CS连接，漏极与列放大器16的输出连接，通过栅极接收控制信号0TS。此时，图像信号选择开关MS1，在控制信号CtTS为高电平的期间导通，将从列放大器16输入的信号输出至信号存储部18。 [0041]另外，例如，噪声信号选择开关丽I为nMOS晶体管，源极与信号存储部18的噪声信号存储部CN连接，漏极与列放大器16的输出连接，通过栅极接收控制信号ΦΤΝ。在该情况下，噪声信号选择开关MNl,在控制信号ΦΤΝ为高电平的期间导通,将从列放大器16输入的信号输出至信号存储部18。下面，也将图像信号选择开关MS1、噪声信号选择开关丽I分别称为晶体管MS1、丽I。
[0042]信号存储部18按像素阵列12的像素PX的每列而分别具有一组图像信号存储部CS和噪声信号存储部CN。例如，图像信号存储部CS为电容，一个端子与晶体管MSl的源极连接，另一个端子接地。另外，例如，噪声信号存储部CN为电容，一个端子与晶体管MNl的源极连接，另一个端子接地。下面，也将图像信号存储部CS、噪声信号存储部CN分别称为电容 CS、CN。
[0043]水平选择开关部19按像素阵列12的像素PX的每列而分别具有一组图像信号输出开关MS2和噪声信号输出开关丽2。例如，图像信号输出开关MS2和噪声信号输出开关丽2为nMOS晶体管。下面，也将图像信号输出开关MS2、噪声信号输出开关丽2分别称为晶体管 MS2、MN2。
[0044]例如，晶体管MS2从源极输出图像信号0UTS，漏极与晶体管MSl的源极和电容CS的一个端子连接，通过栅极接收控制信号GH。另外，例如，晶体管MN2从源极输出噪声信号0UTN，漏极与晶体管丽I的源极和电容CN的一个端子连接，通过栅极接收控制信号Φ6Η。此外，晶体管MS2、丽2的栅极相互连接。
[0045]即，图像信号输出开关MS2在控制信号Φ GH为高电平的期间导通，将电容CS所保持的电压作为图像信号OUTS输出。另外，噪声信号输出开关丽2在控制信号Φ6Η为高电平的期间导通，将电容CN所保持的电压作为噪声信号OUTN输出。在此，噪声信号OUTN例如为像素PX由重置晶体管RST重置、在传送晶体管TX将要打开之前的图像信号(暗信号)。所以，例如，图像信号OUTS所包含的固定噪声成分和像素的重置噪声成分，能够通过从图像信号OUTS减去噪声信号OUTN而除去。
[0046]水平扫描电路20使用控制信号Φ6Η，使晶体管MS2、丽2依次导通，依次输出信号存储部18的电容CS、CN各自所保持的信号OUTS、0UTN。例如，在分别输出与从第m列的像素PX读取的信号对应的图像信号0UTS、噪声信号OUTN时，水平扫描电路20将控制信号Φ6Η(πι)控制为高电平，将其它的控制信号Φ6Η控制为低电平。另外，例如，在分别输出与从第m+1列的像素PX读取的信号对应的图像信号0UTS、噪声信号OUTN时，水平扫描电路20将控制信号Φ6Η(πι+1)控制为高电平，将其它的控制信号Φ6Η控制为低电平。
[0047]成像元件控制电路22对垂直扫描电路13、行选择开关部14、限幅部15、存储信号选择部17、水平扫描电路20分别供给控制信号。
[0048]此外，可以从安装有第一实施方式的固体成像元件11的拍摄装置的控制部供给上述的控制信号。在上述的情况下，能够从固体成像元件11省略成像元件控制电路22。
[0049]接着，参照图3说明第一实施方式的固体成像元件11中的像素ΡΧ、行选择开关部
14、限幅部15的动作 例。此外，图3是从图1所示的像素阵列12的第η行的各像素PX分别读取图像信号OUTS和噪声信号OUTN时的动作例。
[0050]例如，垂直扫描电路13根据成像元件控制电路22的指示，如图3所示控制控制信号ΦΙ?Τ、(tSEL、ΦΤΧ，分别使上述的重置晶体管RST、选择晶体管SEL、传送晶体管TX动作。另外，例如，成像元件控制电路22如图3所示控制控制信号ΦΤΝ、ΦΤΞ, (tLSW、AClip，分别使上述的晶体管MS1、MNl、MLS、MC1、MC2动作。
[0051]此外，访问期间AP为用于将各像素PX的图像信号OUTS和噪声信号OUTN分别存储于信号存储部18的电容CS、CN的期间。另外，水平扫描期间HSN为用于将分别存储于信号存储部18的电容CS、CN的图像信号OUTS和噪声信号OUTN依次输出的期间。例如，访问期间AP (η)和水平扫描期间HSN(η)分别表示用于读取第η行的像素PX的像素信号的访问期间AP和水平扫描期间HSN。
[0052]另外，下面的说明中，有时对第η行的各像素PX的要素在附图标记的末尾追加η进行称呼。例如，也将第η行的各像素PX的放大晶体管AMP称为放大晶体管AMPn。
[0053]在转移至第η行的像素PX的访问期间AP(n)之前，重置信号ΦΙ?Τ(η)被维持为高电平(图3的(a))，重置晶体管RSTn导通。即，浮置扩散区域FDn的电压，在转移至访问期间AP (η)之前被重置为初始状态(下面也称为重置状态)。
[0054]在访问期间AP (η)中，首先，重置信号(tRST(n)从高电平变化为低电平(图3的
(b))，重置晶体管RSTn截止。由此，浮置扩散区域FDn在传送晶体管TXn导通时，能够存储来自光电二极管I3Dn的信号电荷。此外，浮置扩散区域FDn的电压至从光电二极管PDn传送来信号电荷为止被维持为重置状态。
[0055]接着，选择信号Φ SEL (η)从低电平变化为高电平(图3的(c))，选择晶体管SELn导通。选择晶体管SELn导通，由此构成从放大晶体管AMPn的源极输出信号的源极跟随电路。由此，放大晶体管AMPn将与浮置扩散区域FDn的电压(重置状态的电压)对应的电压经由选择晶体管SELn输出到垂直信号线21。此外，输出到垂直信号线21的电压被列放大器16反转放大。
[0056]而且，控制信号ΦΤΝ从低电平变化为高电平(图3的(d))，晶体管丽I导通。由此，与第η行的像素PX的重置状态对应的信号(图1所示的噪声信号0UTN)被存储于信号存储部18的电容CN。之后，控制信号Φ TN从高电平变化为低电平(图3的(e))，晶体管丽I截止。由此，第η行的像素PX的噪声信号OUTN被保持于电容CN。此外，控制信号Φ TN为高电平的期间，控制信号Φ LSff被维持为高电平。
[0057]在控制信号Φ TN从高电平变化为低电平后，传送信号ΦΤΧ(η)从低电平变化为高电平(图3的(f))。而且，在经过一定期间后，传送信号ΦΤΧ(η)从高电平变化为低电平(图3的(g))。由此，传送晶体管TXn导通一定期间，由光电二极管PDn生成的信号电荷经由传送晶体管TXn被传送至浮置扩散区域FDn。而且，与浮置扩散区域FDn的电压(存储有信号电荷的电容CFD的电压)相应的电压从放大晶体管AMPn经由选择晶体管SELn被输出至垂直信号线21。
[0058]第一实施方式中,在传送信号ΦΤΧ(η)为高电平的期间,控制信号ΦLSW被维持为低电平(图3的(h、i))。
[0059]例如，传送信号ΦΤΧ(η)从低电平变化为高电平时，控制信号ΦLSW从高电平变化为低电平(图3的(h))，行选择晶体管MLS截止。
[0060]另一方面，例如，传送信号ΦΤΧ(η)从高电平变化为低电平时，控制信号C^LSW从低电平变化为高电平(图3的(i))，行选择晶体管MLS导通。
[0061]另外，垂直信号线21的电压被限幅部15限幅为不低于规定值。
[0062]此外，在图中以CtClip始终为高电平的情况为例进行了表示，但是也能够根据目的来控制脉冲。例如，准备2组限幅电路，一组如上述方式使得垂直信号线的电压始终不在规定值以下，另一组在Φ TN为高电平的期间使限幅有效，能够使得噪声信号读取时的垂直信号线电平不下降到固定电压以下。
[0063]这样，在传送信号Φ TX为高电平的期间中，行选择晶体管MLS成为断开，垂直信号线21和列放大器16之间成为不导通。另外，在传送信号ΦΤΧ(η)恢复到低电平之后，行选择晶体管MLS导通,所以，垂直信号线21和列放大器16之间导通。由此,列放大器16被输入所期望的电压。这样，传送至垂直信号线21的所期望的电压经由行选择晶体管MLS被输入列放大器16,被列放大器16反转放大。
[0064]在控制信号Φ LSff从低电平变化为高电平之后，控制信号Φ TS从低电平变化为高电平(图3的(j))，晶体管MSl导通。由此，与由第η行的像素PX的光电二极管H)生成的信号电荷对应的信号(图1所示的图像信号0UTS)被存储于信号存储部18的电容CS。之后，控制信号ΦΤ5从高电平变化为低电平(图3的(k))，晶体管MSl断开。由此，第η行的像素PX的图像信号OUTS被保持于电容CS。
[0065]在水平扫描期间HSN(n)中，控制信号Φ6Η依次变化为高电平。例如，水平扫描电路20在使与输出对象的列对应的控制信号ΦGH变化为高电平时，使与其它列对应的控制信号Φ GH变化为低电平。由此，晶体管MS2、丽2依次导通，将分别保持于信号存储部18的电容CS、CN的信号OUTS、OUTN依次输出。
[0066]此外，在访问期间AP (η)和水平扫描期间HSN (η)中，控制信号Φ RST (η)、(jiSEL (η)、ΦΤΧ (η)以外的控制信号ctRST、c^SEL、Φ TX分别被维持为高电平、低电平和低电平。
[0067]另一方面，访问期间AP (η+1)中的控制信号 Φ RST (η+1)、Φ SEL (η+1)、ΦΤΧ (η+1)被与访问期间AP (η)中的控制信号(tRST (n)、ctSEL(n)、ΦΤΧ (η)同样地控制。访问期间AP (η+1)和水平扫描期间 HSN(n+l)中，控制信号(tRST(n+l)、Φ SEL (η+1), ΦΤΧ (n+1)以外的控制信号0RST、(tSEL、ΦΤΧ分别被维持为高电平、低电平和低电平。此外，访问期间AP(η+1)中，控制信号ΦΤΝ、ΦΤΞ, ΦΙ^、ΦΟΙ?ρ的动作与AP(η)的情况共同。
[0068]下面，述说第一实施方式中的固体成像元件11的作用效果。
[0069]首先，作为说明的前提，述说一般的COMS型的固体成像元件中高亮度光入射时产生拖影的原理。
[0070]当高亮度光入射到某像素中时，与该像素的列对应的垂直信号线的电位降低。由此，电位降低的垂直信号线的恒流源在不饱和区域中进行动作。另外，恒流源的GND线中，电流值降低，恒流源的GND线的配线阻抗IR中的电压下降量变小(IR下降的变动)。而且，其它的列的垂直信号线中流动有比通常大的电流。即，在相对于高亮度光所入射的像素而位于水平方向上的像素 中，像素内的放大晶体管的栅极一源极间电压变大，输出比通常低的电压，所以，作为图像变得明亮。其结果，在高亮度光所入射的像素的水平方向上产生筋状的噪声(拖影)。
[0071]在此，作为本发明的比较例，一并说明在行选择晶体管的输出侧设置有限幅电路的情况。上述的比较例的结构中，在传送晶体管导通的期间行选择晶体管变为截止时，垂直信号线和限幅电路被阻断。所以，在上述的期间中，在行选择晶体管的输入侧，垂直信号线的电压不被限幅，所以，当高亮度光入射到像素时，垂直信号线的电位降低至GND附近。
[0072]在比较例的结构中，之后，行选择晶体管从截止成为导通时，垂直信号线和限幅电路被连接，所以，垂直信号线的电压恢复至基于限幅电路的限幅电压。但是，在比较例的情况下，行选择晶体管成为导通时，冲击电流从限幅电路瞬间流入垂直信号线。另外，与垂直信号线连接的恒流源也恢复至通常的电流值。
[0073]所以，可知在上述的比较例的情况下，在像素中入射有高亮度光时，比较容易产生向水平方向的拖影。另外，在比较例的情况下，由于行选择晶体管的导通/截止，垂直信号线的电压变动较大，至列放大器的输出电平稳定为止的时间较长。例如，在比较例的结构中进行信号的高速读取的情况下，更加容易产生上述的拖影。
[0074]另一方面，第一实施方式的固体成像元件11中，传送晶体管TX导通的期间，行选择晶体管MLS成为截止，垂直信号线21和列放大器16之间成为不导通。但是，在第一实施方式中，上述的期间中，从像素PX至行选择晶体管MLS的输入侧为止的垂直信号线21的电压被限幅部15限幅为规定值。所以，在第一实施方式的固体成像元件11中，当在像素PX中入射有高亮度光时，与该像素PX连接的垂直信号线21的电压不低于被限幅的电压，所以，能够有效地抑制向水平方向的拖影的产生。另外，在第一实施方式中，在传送晶体管TX导通的期间中，限幅部15也有效地发挥功能，所以在行选择晶体管MLS从截止成为导通时，至列放大器16的输出电平稳定的时间也变短。由此，在第一实施方式中，抑制拖影的产生，并且信号的高速读取变得比较容易。
[0075]<第二实施方式的说明>
[0076]图4表示第二实施方式中的固体成像元件的概要。第二实施方式的固体成像元件是第一实施方式的变形例，在像素阵列12的两侧(上下)分别设置有信号读取的电路。
[0077]在此，在第二实施方式的固体成像元件11中设置有线路选择器(lineselector) 23来替代图1所示的行选择开关部14。另外，在图4中，位于放大部的后级的要素(存储信号选择部17、信号存储部18、水平选择开关部19、水平扫描电路20)和成像元件控制电路22的图示均省略。此外，在第二实施方式中，对与第一实施方式共同的要素标注相同的附图标记，省略重复说明。
[0078]线路选择器23是切换在像素阵列12上相邻的一对奇数列和偶数列的像素信号的开关。该线路选择器23分别配置在像素阵列12中的列方向D2的一端侧(图中下侧)和另一端侧(图中上侧)。例如，设置在垂直信号线21和列放大器16之间的各线路选择器23具有行选择开关MLSl和行选择开关MLS2。例如，行选择开关MLS1、MSL2为nMOS晶体管，通过栅极分别接收控制信号LSW1、LSW2。下面，也将行选择开关MLS1、MLS2称为行选择晶体管 MLS1、MLS2。
[0079]例如，位于像素阵列12的下侧的线路选择器23中，一对行选择晶体管MLS1、MLS2的源极与公用的列放大器16的输入连接。而且，例如，位于像素阵列12的下侧的行选择晶体管MLS1、MSL2的漏极分别与奇数列的垂直信号线21、偶数列的垂直信号线21连接。
[0080]另一方面，例如，位于像素阵列12的上侧的线路选择器23中，一对行选择晶体管MLSUMLS2的源极与公用的列放大器16的输入连接。而且，例如，像素阵列12的上侧的行选择晶体管MLS1，MSL2的漏极分别与偶数列的垂直信号线21、奇数列的垂直信号线21连接。
[0081]此外，线路选择器23的行选择晶体管MLS1、MLS2作为切换垂直信号线21和列放大器16之间的导通/不导通的连接开关发挥作用。
[0082]本实施方式中的列放大器16配置在像素阵列12的列方向D2的两侧(图4的上侧和下侧)。配置在像素阵列12的下侧的列放大器16从位于像素阵列12的下侧的线路选择器23接收信号，配置在像素阵列12的上侧的列放大器16从位于像素阵列12的上侧的线路选择器23接收信号。另外，在像素阵列12的行方向Dl上，列放大器16按像素阵列12的每2列而设置一个。即，按像素的2列的宽度配置一个列放大器16，所以，在像素间距因多像素化而缩小的情况下，能够确保列放大器16的布局空间。
[0083]另外，本实施方式中，限幅部15、存储信号选择部17、信号存储部18、水平选择开关部19、水平扫描电路20、恒流源IS分为像素阵列12的上侧和下侧而分别配置。限幅部15和恒流源IS相对于各个垂直信号线21在像素阵列12的上下各设置一个。在本实施方式中，限幅部15和恒流源IS分别设置在像素阵列12的上下，所以，能够维持图像的上下对称性。此外，存储信号选择部17、信号存储部18、水平选择开关部19和水平扫描电路20的结构与上述的第一实施方式相同。
[0084]图5表示第二实施方式中的固体成像元件11的动作例。图5表示从上述图4所示的像素阵列12的第η行的各像素分别读取图像信号OUTS和噪声信号OUTN时的固体成像元件11的动作。此外，图5所示的动作除了控制信号LSW(LSW1、LSW2)的动作之外，与上述图3所示的动作相同。
[0085]在转移至第η行的像素的访问期间AP(n)之前，重置信号ΦΙ?Τ(η)被维持为高电平(图5的(a))，控制信号CtLSWl被维持为低电平。另外，在转移至访问期间AP(n)之前，控制信号$LSW2从高电平变化为低电平(图5的(al))，行选择晶体管MLS2截止。
[0086]在访问期间AP (η)中，控制信号Φ LSffl从低电平变化为高电平(图5的(bI))，控制信号Φ TN从低电平变化为高电平(图5的(d))。即，行选择晶体管MLSl和晶体管丽I导通。由此，第η行的红像素(R)的噪声信号OUTN被存储于在像素阵列12的下侧配置的信号存储部18的电容CN。另外，第η行的绿像素(Gr)的噪声信号OUTN被存储于在像素阵列12的上侧配置的信号存储部18的电容CN。
[0087]而且，传送信号ΦΤΧ(η)从低电平变化为高电平时(图5的(f))，控制信号(^LSWl从高电平变化为低电平(图5的(h))，行选择晶体管MLSl截止。另外，例如，传送信号ΦΤΧ(η)从高电平变化为低电平时(图5的(g))，控制信号CtLSWl从低电平变化为高电平(图5的⑴)，行选择晶体管MLSl导通。此外，访问期间AP(n)和水平扫描期间HSN(η)中，控制信号ΦΙ^2被维持为低电平。即，传送信号ΦΤΧ(η)为高电平的期间中，控制信号Φ LSffU Φ LSW2被维持为低电平，行选择晶体管MLS1、MLS2这两方断开。
[0088]如上所述，在本实施方式中，传送信号ΦΤΧ(η)为高电平的期间中，垂直信号线21和列放大器16之间也不导通。所以，本实施方式中，能够防止高电平的传送信号TX(η)的馈通导致的垂直信号线的电压上升传递至列放大器16。另外，在传送信号ΦΤΧ(η)恢复为低电平之后，行选择晶体管MLSl导通，所以，垂直信号线21和列放大器16之间导通。由此，列放大器16被输入所期望的电压。
[0089]例如，与由第η行的红像素(R)的光电二极管H)生成的信号电荷对应的信号经由行选择晶体管MLSl被输入于配置在像 素阵列12的下侧的列放大器16，被列放大器16反转放大。另外，例如，与由第η行的绿像素(Gr)的光电二极管H)生成的信号电荷对应的信号经由行选择晶体管MLSl被输入于配置在像素阵列12的上侧的列放大器16，被列放大器16反转放大。
[0090]在传送信号ΦΤΧ(η)从低电平变化为高电平时，控制信号CtLSWl从高电平变化为低电平(图5的(h))，行选择晶体管LSWl截止。
[0091]另外，垂直信号线21的电压被限幅部15限幅为垂直信号线21的电压不低于规定值。
[0092]在控制信号CtLSWl从低电平变化为高电平之后，控制信号0TS从低电平变化为高电平(图5的(j))，存储信号选择部17的晶体管MSl导通。由此，第η行的红像素(R)的图像信号OUTS被存储于配置在像素阵列12的下侧的信号存储部18的电容CS。另外，第η行的绿像素(Gr)的图像信号OUTS被存储于配置在像素阵列12的上侧的信号存储部18的电容CS。
[0093]水平扫描期间HSN(n)中，从配置在像素阵列12的下侧的信号存储部18经由水平选择开关部19依次输出第η行的红像素(R)的信号0UTS、0UTN。另外，从配置在像素阵列12的上侧的信号存储部18经由水平选择开关部19依次输出第η行的绿像素(Gr)的信号0UTS、0UTN。此外，控制信号ΦLSWl在转移至第n+1行的像素的访问期间AP(n+1)之前，从高电平变化为低电平(图5的(a2))。[0094]此外，在访问期间AP (η)和水平扫描期间HSN (η)中，控制信号Φ RST (η)、(jiSEL (η)、ΦΤΧ (η)以外的控制信号ctRST、c^SEL、Φ TX分别被维持为高电平、低电平和低电平。
[0095]另一方面，访问期间AP (η+1)中的控制信号 Φ RST (η+1)、Φ SEL (η+1)、Φ TX (η+1)、(tLSW2被与访问期间AP (η)中的控制信号Φ RST (η)、(^SEL(η)、ΦΤΧ(η), Φ LSffl同样地控制。访问期间ΑΡ(η+1)和水平扫描期间HSN(n+l)中，控制信号(tRST(n+l)，Φ SEL (n+1),ΦΤΧ (n+1)以外的控制信号ctRST、(j5SEL、(j5TX分别被维持为高电平、低电平和低电平。访问期间AP(n+l)和水平扫描期间HSN(n+l)中，控制信号ΦLSWl被维持为低电平。此外，访问期间AP(n+1)中，控制信号ΦΤΝ、ΦΤΞ, c^LSW、ΦΟΙ?ρ的动作与AP(η)的情况共同。
[0096]即，访问期间AP (η+1)中，控制信号Φ LSW2被与访问期间AP (η)的控制信号ΦLSffl同样地控制。所以，水平扫描期间HSN(η+1)中，从配置在像素阵列12的下侧的信号存储部18经由水平选择开关部19依次输出第η+1行的蓝像素(B)的信号0UTS、0UTN。另外，水平扫描期间HSN(n+1)中，从配置在像素阵列12的上侧的信号存储部18经由水平选择开关部19依次输出第n+1行的绿像素(Gb)的信号0UTS、0UTN。
[0097]以上，在第二实施方式的固体成像元件11中，至少在传送信号ΦΤΧ为高电平的期间，控制信号LSW1、LSW2这两方被维持为低电平，并且垂直信号线21的电压被限幅部15限幅为不低于规定值。所以，第二实施方式中，也能够获得与上述第一实施方式相同的效果。
[0098]此外，第二实 施方式中，当着眼于某垂直信号线21时，通过行选择晶体管MLS1、MLS2的控制，能够按每一行切换奇数列的信号读取和偶数列的信号读取。由此，例如，能够经由配置在像素阵列12的上侧的列放大器16读取来自绿像素(Gr、Gb)的信号，例如，能够经由配置在像素阵列12的下侧的列放大器16读取来自红像素(R)和蓝像素(B)的信号。所以，本实施方式中，能够减小绿像素(Gr)和绿像素(Gb)的信号的电平差。
[0099]<拍摄装置的构成例>
[0100]图6是表示作为拍摄装置的一个例子的电子照相机的构成例的图。
[0101]电子照相机包括成像光学系统31、上述的第一实施方式或第二实施方式的固体成像元件32、模拟前端电路33 (AFE电路)、图像处理部34、监视器35、记录I/F36、控制部37和操作部38。在此，固体成像元件32、模拟前端电路33、图像处理部34、操作部38分别与控制部37连接。
[0102]成像光学系统31例如由包括变焦透镜、聚焦透镜的多个透镜构成。此外，为了简单，图6中用一个透镜图示成像光学系统31。
[0103]固体成像元件32对通过了成像光学系统31的光束形成的被摄体的成像进行拍摄。该成像元件的输出与模拟前端电路33连接。
[0104]电子照相机的拍摄模式中，固体成像元件32根据操作部38的输入，对伴随对非易失性的存储介质(39)的记录的记录用静态图像、动态图像进行拍摄。另外，固体成像元件32在记录用静态图像的拍摄待机时也按规定间隔对观测用的图像(实时取景)进行连续拍摄。按时间序列取得的实时取景的数据(或者，上述的动态图像的数据)，用于在监视器35中的动态图像显示、由控制部37进行的各种运算处理。此外，在动态图像摄影时，电子照相机可以记录实时取景。
[0105]模拟前端电路33是对以管线(pipeline)式输入的图像信号依次实施模拟信号处理、A/D转换处理的电路。模拟前端电路33的输出与图像处理部34连接。
[0106]图像处理部34对从模拟前端电路33输入的数字的图像信号进行图像处理(颜色插补处理、灰度转换处理、轮廓强调处理、白平衡调整等)。此外，图像处理部34与监视器35和记录I/F36连接。
[0107]监视器35是显示各种图像的显示器件。例如，监视器35通过控制部37的控制进行拍摄模式下的实时取景的动态图像显示(取景器显示)。
[0108]记录I/F36具有用于连接非易失性的存储介质39的连接器。而且，记录I/F36对与连接器连接的存储介质39执行数据的写入/读取。上述的存储介质39由硬盘、内置有半导体存储器的存储卡等构成。此外，图6中作为存储介质39的一个例子而图示出存储卡。
[0109]控制部37是统一控制电子照相机的动作的处理器。操作部38从用户接收记录用静态图像的取得指示(例如释放按钮的全按操作)。
[0110]上述的电子照相机适用上述的第一实施方式或者第二实施方式的固体成像元件32，所以，例如在静态图像的连写拍摄时、动态图像摄影时，能够抑制拍摄高亮度的被摄体时拖影的产生。
[0111]<实施方式的补充事项>
[0112](补充I):第一实施方式中，说明了从像素阵列12的一端侧读取图像信号的例子。但是，第一实施方式中，也可以从像素阵列12的两端读取图像信号。例如，在第一实施方式中，在像素阵列12的列方向D2的两端侧分别设置一组行选择开关部14、列放大器16、存储信号选择部17、信号存储 部18、水平选择开关部19和水平扫描电路20。此时，例如，只要从像素阵列12的上侧读取奇数列的图像信号，从像素阵列12的下侧读取偶数列的图像信号即可(此外，补充I的构成例的图示省略)。
[0113](补充2):上述实施方式中，说明了一个像素由4个晶体管构成的例子。但是，本发明的固体成像元件，可以在多个像素间共有重置晶体管RST，放大晶体管AMP和选择晶体管SEL (例如,在2像素中具有5个晶体管的2.5Tr结构,或者,在4像素中具有7个晶体管的1.75Tr结构)。
[0114]图7表示像素PX的变形例。图7所示的像素PX的构成，除了放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、重置晶体管RST和浮置扩散区域FD在像素阵列12的列方向D2上相邻的2个像素(PXl~PX2)中共用这点之外，与上述图2的像素PX相同。此外，对于图7所示的像素PX，用开关连接在列方向D2上相邻的多个浮置扩散区域FD，能够进一步进行列方向D2上的加法运算读取(该情况下的图示省略)。
[0115]图8表示像素PX的变形例。图8所示的像素PX的构成，除了放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、重置晶体管RST和浮置扩散区域FD在像素阵列12的列方向D2上相邻的4个像素(PXl~PX4)中共用这点之外，与上述图2的像素PX相同。
[0116](补充3):上述实施方式中，作为拍摄装置的一个例子说明了电子照相机的构成。但是，本发明的拍摄装置，可以利用片装(on chip)将固体成像元件和各种信号处理电路一体化。
[0117](补充4):上述实施方式中，固体成像元件的彩色滤光片阵列不限于拜耳配列，可以为其它的彩色滤光片阵列(例如，品红色、绿色、青绿色和黄色的互补色系彩色滤光片
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寸/ ο[0118](补充5):上述实施方式中，说明了固体成像元件为在水平扫描电路中将OUTS、OUTN以模拟信号的状态进行输出的构成。但是，本发明的固体成像元件，作为在各个列放大器16中配置有AD转换器的列ADC方式可以采用数字输出。在该情况下，拍摄装置中，只要配置数字前端DFE来替代模拟前端AFE33即可。
[0119](补充6):第二实施方式中，说明了按每一行切换线路选择器23，Gr和Gb必须经由单方(例如上侧)的列放大器16输出的构成。但是，可以采用经由将线路选择器的连接方向固定而例如R和Gb为下侧、Gr和B为上侧的列放大器输出的构成。
[0120]通过以上的详细的说明，实施方式的特征点和有利点应变得明确。权利要求书意图涵盖在不脱离其主旨和权利范围的范围内的上述的实施方式的特征点和有利点。另外，当在该【技术领域】中具有通常的知识的人，应该能够想到所有的改良和变更，不意图限定于具有发明性的实施方式的范围，也能够为实施方式所公开的范围所包含的适当的改良物和等同物。
[0121]附图标记说明
[0122]11……固体成像元件；12……像素阵列；13……垂直扫描电路；14……行选择开关部；15……限幅部；16……列放大器；17……存储信号选择部；18……信号存储部；19……水平选择开关部；20……水平扫描电路；21……垂直信号线；22……成像元件控制电路；23……线路选择器；31……成像光学系统；32……固体成像元件；33……模拟前端电路；34……图像处理部；35……监视器；36……记录Ι/F ；37……控制部；38……操作部；39……存储介质； PX……像素；IS.......〖亘流源。
【权利要求】
1.一种固体成像元件，包括: 像素，其包括:将入射光转换为电荷的光电转换部；将由所述光电转换部转换得到的电荷向浮置扩散区域传送的传送部；和将与传送至所述浮置扩散区域的电荷对应的像素信号向信号线输出的输出部； 电压限制部，其与所述信号线连接，以使所述信号线的电压不成为规定值以下的方式进行限制； 经由所述信号线而被输入所述像素信号的信号处理部；和 控制部，其在所述信号线上配置在所述电压限制部与所述信号处理部之间，在所述传送部将由所述光电转换部转换得到的电荷向所述浮置扩散区域传送的期间，使所述电压限制部与所述信号处理部之间不导通。
2.如权利要求1所述的固体成像元件，其特征在于: 所述信号处理部包含运算放大器。
3.如权利要求1或2所述的固体成像元件，其特征在于: 所述电压限制部进行限制，使得在所述传送部将由所述光电转换部转换得到的电荷向所述浮置扩散区域传送的期间的所述信号线的电压不成为规定值以下。
4.如权利要求1至3中任一项所述的固体成像元件，其特征在于: 所述控制部在所述传送部将由所述光电转换部转换得到的电荷向所述浮置扩散区域传送的期间之后，使所述电压限制部与所述信号处理部之间导通。
5.一种固体成像元件，其特征在于，包括: 第一像素，其包括:将入射光转换为电荷的第一光电转换部；将由所述第一光电转换部转换得到的电荷向第一浮置扩散区域传送的第一传送部；和将与传送至所述第一浮置扩散区域的电荷对应的第一像素信号向第一信号线输出的第一输出部； 第二像素，其包括:将入射光转换为电荷的第二光电转换部；将由所述第二光电转换部转换得到的电荷向第二浮置扩散区域传送的第二传送部；和将与传送至所述第二浮置扩散区域的电荷对应的第二像素信号向第二信号线输出的第二输出部； 第一电压限制部，其与所述第一信号线连接，以使所述第一信号线的电压不成为规定值以下的方式进行限制； 第二电压限制部，其与所述第二信号线连接，以使得所述第二信号线的电压不成为规定值以下的方式进行限制； 信号处理部，其经由所述第一信号线而被输入所述第一像素信号并且经由所述第二信号线而被输入所述第二像素信号；和 控制部，其配置在所述第一电压限制部与所述信号处理部之间，在所述第一传送部将由所述第一光电转换部转换得到的电荷向所述第一浮置扩散区域传送的第一传送期间，使所述第一电压限制部与所述信号处理部之间不导通，并且，所述控制部配置在所述第二电压限制部与所述信号处理部之间，在所述第二传送部将由所述第二光电转换部转换得到的电荷向所述第二浮置扩散区域传送的第二传送期间，使所述第二电压限制部与所述信号处理部之间不导通。
6.如权利要求5所述的固体成像元件，其特征在于: 所述信号处理部包含运算放大器。
7.如权利要求5或6所述的固体成像元件，其特征在于: 所述第一电压限制部进行限制，以使得所述第一传送期间中的所述第一信号线的电压不成为规定值以下， 所述第二电压限制部进行限制，以使得所述第二传送期间中的所述第二信号线的电压不成为规定值以下。
8.如权利要求5至7中任一项所述的固体成像元件，其特征在于: 所述控制部在所述第一传送期间之后使所述第一电压限制部与所述信号处理部之间导通，并且在所述第二传送期间之后使所述第二电压限制部与所述信号处理部之间导通。
9.如权利要求5至8中任一项所述的固体成像元件，其特征在于: 所述第一像素和所述第二像素还分别包括具有相同的光谱灵敏度的滤光片。
10.如权利要求5至8中任一项所述的固体成像元件，其特征在于: 所述第一浮置扩散区域和所述第二浮置扩散区域电连接。
11.一种拍摄装置，其特征在于: 包括权利要求1至权 利要求10中任一项所述的固体成像元件。
【文档编号】H04N5/351GK104025569SQ201280065106
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】松田英明 申请人:株式会社尼康