專利名稱：固態(tài)成像裝置的驅(qū)動方法以及相機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本公開涉及有效地放電累積在大容量的光電換能器中的信號電荷的固態(tài)成像裝置的驅(qū)動方法以及相機系統(tǒng)。
背景技術：
在相關技術中，CMOS (互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器使用復位晶體管來操作從像素信號中去除噪聲的CDS(相關雙采樣)電路。此外，進行放電累積在光電換能器(例如，光電二極管)中的信號電荷的快門操作，該光電換能器被安排在與讀出行(或列，或像素)不同的任意位置上。在如下描述中，將CMOS圖像傳感器縮寫成CIS(CM0S Image Sensor)，將光電二極管縮寫成H) (Photo Diode)。并且，在日本專利第4048415號中公開了一般CIS的配置和操作例子。這里，將描述來自相關技術的CISlOO的配置和操作例子。圖10是示出來自相關技術的CISlOO的配置例子的電路圖。CISlOO包括像素部分101和CDS部分102。像素部分101包括構成PD—光電換能器的4種類型MOS晶體管(轉(zhuǎn)移晶體管Trl、復位晶體管Tr2、放大晶體管Tr3、和選擇晶體管Tr4)、和H)的讀出電路。這里，轉(zhuǎn)移晶體管具有的柵極被稱為轉(zhuǎn)移柵極，其他晶體管的柵極以相似的方式稱呼。并且，像素部分101包括作為浮置擴散區(qū)的浮置擴散部分(在下文中，稱為FD (Floating Diffusion)部分)。PD生成與接收光量相對應的信號電荷，轉(zhuǎn)移晶體管Trl根據(jù)轉(zhuǎn)移脈沖將H)的信號電荷轉(zhuǎn)移到FD部分。復位晶體管Tr2根據(jù)接通復位柵極的柵極驅(qū)動脈沖，將FD部分的電壓定期復位成電源電壓Vdd。這個Vdd的電壓值是，例如，1.8V或2.7V，當像素尺寸增加時，也可以使用5V0放大晶體管Tr3輸出與連接到這個柵極的FD部分的電壓起伏相對應的輸出信號。選擇晶體管Tr4根據(jù)選擇像素行的選擇脈沖，將放大晶體管Tr3的輸出信號輸出到垂直信號線。垂直信號線被安排在每個像素列中，一端連接到用作成像區(qū)域外部的恒流源的負載晶體管Tr5。并且，垂直信號線的另一端連接到安排在成像區(qū)域外部的每個像素列中的信號處理電路。這個圖像處理電路包括⑶S部分102，通過對安排在成像區(qū)域的下一級中的像素信號進行各種信號處理輸出成像信號。CDS部分102包括將SHR和SHS用作柵極信號的晶體管Tr6和Tr7，具有Cs和Cr的靜電電容的電容器、獲取輸出信號的電平之間的差值的差分放大器、和安排在差分放大器與水平信號線之間的晶體管Tr8。這個CDS部分102是輸出與按時序輸入的兩個信號之差成正比的信號的電路。這里，將描述CISlOO的操作例子。首先，CISlOO進 行從為任意行(快門行、列、或像素)累積信號電荷開始的快門操作。已經(jīng)變成快門行的像素部分101同時接通復位柵極和轉(zhuǎn)移柵極，將累積在ro中的所有信號電荷放電到電源漏極。信號電荷得到放電，當再次接通轉(zhuǎn)移電極時，已經(jīng)變空的ro開始累積信號電荷。之后，當經(jīng)過了固定時間時，為希望結(jié)束信號電荷的累積的任意行進行讀取操作。接通選擇晶體管的選擇柵極，以便選擇在進行這種讀出操作的行(讀出行、列、或像素)上與CDS部分102進行連接的信號線。之后，依次接通復位柵極時輸出的信號、和接通轉(zhuǎn)移柵極時輸出的信號兩者通過接通CDS部分102的SHS柵極和接通CDS部分102的SHR柵極來讀出。在這種情況下，當通過在FD部分中累積H)的信號電荷時的定時信號SHS接通晶體管Tr6時，電容器Cs保持輸出信號。另一方面，當通過復位FD部分時的定時信號SHR接通晶體管Tr7時，電容器Cr保持像素部分101的輸出信號。之后，CDS部分102將接通復位柵極時輸出的信號當作噪聲電平來對待，將接通轉(zhuǎn)換柵極時輸出的信號當作已經(jīng)疊加的噪聲電平來對待。此外，差分放大器比較保持在兩個電容器Cs和Cr中的輸出信號的電平，取兩者之間的差值，并通過晶體管TrS將差值輸出到水平信號線。在這種情況下，通過排除從接通復位柵極時輸出的信號與接通轉(zhuǎn)移柵極時輸出的信號之間的差值中獲得的噪聲電平，無噪聲地獲得高質(zhì)量圖像。并且，像顯示在JP2001-45383A中那樣的結(jié)構被認為是與改變信號電荷的累積時段，和讀出像素區(qū)的任意部分的相關技術的快門操作有關的技術。另外，在JP2006-310932A中公開了來自相關技術的CIS的配置的概況。

發(fā)明內(nèi)容
近年來，包括CIS的像素的小型化受到增加像素數(shù)量的推動，并且已經(jīng)作了改進，以便在提高分辨率的同時實現(xiàn)低功耗。但是，由于包括在小型化像素中的ro的面積減小，PD累積的信號電荷的電量與相關技術相比將減少。此外，當累積在ro中的電量減少時，產(chǎn)生像CIS輸出的信號的動態(tài)范圍減小那樣的現(xiàn)象，該現(xiàn)象變成CIS的特性惡化的因素。于是，對于小型化像素，也可以考慮在信號電荷變空的狀態(tài)下深度設置ro的電勢，以便容易增加PC累積的電量。`圖11示出了像素部分101的橫截面顯示例子、和電勢的例子。圖1lA示出了顯示在橫截面中的像素部分101的PD、轉(zhuǎn)移柵極、FD部分、復位柵極、和電源電壓Vdd的例子。圖1lB示出了像素部分101的電勢的例子。當通過如圖1lB所示加深ro的電勢增加累積的信號電荷的容量時，信號電荷處在空狀態(tài)下的ro與FD部分之間的電勢差Pl將減小。并且，當像素部分101的轉(zhuǎn)移柵極被接通時，轉(zhuǎn)移柵極與FD部分之間的電勢差P2也將變小。這里，如果變成快門行的像素部分101的轉(zhuǎn)移柵極和復位柵極同時被接通，則FD部分的電勢將固定在接近Vdd的數(shù)值(為了方便起見，在如下描述中就稱為“Vdd”)上。這里，即使信號電荷的累積時段之前累積在ro中的大量信號電荷被轉(zhuǎn)移到FD部分，F(xiàn)D部分的電勢也沒有變化。但是，當進一步使像素小型化時，在信號電荷變空的狀態(tài)下ro的電勢將變深，PD的電勢將接近Vdd的電勢，認為不能從ro轉(zhuǎn)移的信號電荷有點保留在ro中。并且，當轉(zhuǎn)移柵極從接通變成斷開時，發(fā)生FD部分中的信號電荷通過轉(zhuǎn)移柵極流回到ro的現(xiàn)象，信號電荷不可能完全從]3D中放電。
當在發(fā)生信號電荷流回到ro的現(xiàn)象的狀態(tài)下CIS輸出的視頻圖像輸出到監(jiān)視器等時，存在在顯示的視頻中產(chǎn)生余像的情況。并且，還存在由在信號輸出期間由于流回到ro的信號電荷的電量變化引起的偏移在視頻圖像中造成點缺陷的情況。通過提升電源電壓Vdd或FD部分的復位電源加深電源電壓的電勢被認為是對付這些問題的措施。但是，為了提升電源電壓，可能有必要提高晶體管的氧化膜的電阻性能和增加包含在CIS中的布線，這將增加制造期間的工藝數(shù)量，成為小型化的負面效應。本公開就是考慮到這樣的狀況進行的，需要的是即使在ro由于像素的小型化而具有大容量的情況下，也有效放電累積在ro中的信號電荷。按照本公開的一個實施例，提供了驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述固態(tài)成像裝置包括含有在半導體基板上形成的多個像素的成像像素部分、和控制所述成像像素部分的外圍電路部分。所述成像像素部分的每個像素含有產(chǎn)生與接收光量相對應的信號電荷的光電換能器、將所述光電換能器產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置擴散部分的轉(zhuǎn)移柵極、將與包括在選擇部分選擇的像素行中的所述浮置擴散部分的電壓相對應的電信號輸出到輸出信號線的放大部分、和使所述浮置擴散部分的電壓復位的復位部分。所述驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法包括在斷開所述選擇部分的同時開始為所述光電換能器累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移柵極和接通所述復位部分，從所述光電換能器中放電信號電荷；在接在所述第一定時之后的第二定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移柵極和斷開所述復位部分，使所述浮置擴散部分升壓；以及在所述轉(zhuǎn)移柵極接通的狀態(tài)下，由所述外圍電路部分取入輸出到輸出信號線的電信號，并從取入信號中生成像素信號。按照本公開的實施例，通過在所述轉(zhuǎn)移柵極與所述FD部分之間生成的耦合電容，可以無需使電源電壓變成高壓地使所述FD部分升壓。于是，在使光電換能器的電勢變深的情況下，可以使累積在所述光電換能器中的信號電荷放電到所述FD部分，并且可以使所述光電換能器具有大容量。



圖1是示出本公開第一實施例中的固態(tài)成像裝置的整體配置例子的示意性平面圖；圖2是示出本公開第一實施例中的成像像素部分的快門行、讀出行和累積時段的例子的說明圖；圖3是本公開第一實施例中的成像像素部分的驅(qū)動模式的示意圖；圖4是示出本公開第一實施例中的像素部分的示范性橫截面顯示和電勢的例子的說明圖；圖5是示出本公開第二實施例中的成像像素部分的快門行和讀出行的例子的說明圖；圖6是本公開第二實施例中的成像像素部分的驅(qū)動模式的示意圖；圖7是本公開第二實施例的第一修改例中的成像像素部分的驅(qū)動模式的示意圖；圖8是本公開第二實施例的第二修改例中的成像像素部分的驅(qū)動模式的示意圖；圖9是示出本公開第一和第二實施例的修改例中的攝像機的內(nèi)部配置例子的框圖10是示出來自相關技術的CIS的配置例子的電路圖；以及圖11是示出來自相關技術的像素部分的示范性橫截面顯示和電勢的例子的說明圖。
具體實施例方式在下文中，將參考附圖詳細說明本公開的優(yōu)選實施例。注意，在本說明書和附圖中，具有基本相同功能和結(jié)構的結(jié)構元件用相同標號表示，從而省略對這些結(jié)構元件的重復說明。在下文中，將描述實施本公開的方式(在下文中，叫做實施例)。注意，該描述將按如下次序作出:1.第一實施例(來自ro的信號電荷的放電控制:進行放電操作兩次的例子)2-1.第二實施例(來自ro的信號電荷的放電控制:進行放電操作三次的例子)2-2.第二實施例的第一修改例(接通第三快門行三次或更多次的例子)2-3.第二實施例的第二修改例(通過所有快門行進行放電操作兩次的例子)3.應用例子(將固態(tài)成像裝置應用于攝像機的例子)4.修改例〈1.第一實施例>[進行放電操作兩·次的例子]在下文中，將參考圖1-4描述本公開的第一實施例。在本實施例中,將描述應用于MOS傳感器型固態(tài)成像裝置的例子。圖1是示出固態(tài)成像裝置10的整體配置例子的示意性平面圖。固態(tài)成像裝置10包括含有在未顯示在圖中的半導體基板上形成的多個像素的成像像素部分2、和控制成像像素部分2的外圍電路部分。恒流部分1、CDS部分3、V選擇部分4、定時發(fā)生器5、水平信號線6、H選擇部分7、和輸出部分8都包括在外圍電路部分中。恒流部分I為成像像素部分2的每個像素列供應恒定電流。成像像素部分2由顯示在圖10中的上述CISlOO構成，含有排列成二維矩陣的多個像素部分101。此外，CISlOO還包括在成像像素部分2的每個像素中產(chǎn)生與接收光量相對應的信號電荷的H)、和將ro產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到FD部分的轉(zhuǎn)移晶體管(轉(zhuǎn)移部分)。并且，CISlOO還含有包括在選擇晶體管Tr4 (選擇部分)選擇的像素行中、將與包括在選擇晶體管Tr4 (選擇部分)選擇的像素行中的FD部分的電壓相對應的電信號輸出到輸出信號線的放大晶體管Tr3、和使FD部分的電壓復位的復位晶體管Tr2 (復位部分)。注意，如下描述將通過適當使用顯示在圖10中的標號來描述。并且，由V選擇部分4沿著垂直方向在水平線(像素行)單元中依次選擇成像像素部分2的每個像素。此外，由按照從定時發(fā)生器5接收的各種脈沖信號控制的每個像素的MOS晶體管通過垂直信號線為每個像素列將每個像素信號讀出到CDS部分3。注意，定時發(fā)生器5也將各種定時信號供應給除了成像像素部分2的每個像素之外的其他每個部分。⑶S部分3包括成像像素部分2的每個像素列中的顯示在圖10中的上述CDS部分102，為從成像像素部分2的每個像素列中讀出的像素信號進行CDS處理，并通過水平信號線6將像素信號輸出到輸出部分8。在這種情況下，外部電路部分取入轉(zhuǎn)移柵極將H)產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到FD部分時的信號電平、和在轉(zhuǎn)移接通的狀態(tài)下，復位部分使FD部分復位時的信號電平兩者。然后，輸出按照這個值差的像素信號。H選擇部分7沿著水平方向選擇⑶S部分輸出的像素信號，并將這些像素信號輸出到水平信號線6。通過對從⑶S部分102輸入的像素信號進行諸如自動增益控制(AGC)、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換、和放大的處理輸出視頻信號處理電路的每個電路都包括在輸出部分8中。輸出部分8將從水平信號線6發(fā)送的像素信號輸出到半導體基板的外部端子。注意，雖然這樣的配置本身基本上與相關技術的相同，但本公開的實施例包括下文將描述的驅(qū)動方法。圖2是示出成像像素部分2的快門行、讀出行和累積時段的例子的說明圖?？扉T行和讀出行被分別逐行安排在成像像素部分2中。在快門行中使H)的信號電荷復位，在讀出行中從ro放電信號電荷?？扉T行和讀出行在空出恒定間隔的同時沿著圖中的掃描方向移動。然后，在為某個行設置了快門行之后，直到設置了讀出行的地方的期間變成累積在ro中的信號電荷的累積時段。在按照第一實施例的成像像素部分2的快門行中，由成像像素部分2在斷開選擇晶體管Tr4的同時進行如下操作。也就是說，在開始為H)累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通轉(zhuǎn)移柵極和接通復位晶體管Tr2從H)放電信號電荷。接著，在接在第一定時之后的第二定時，通過接通轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2，使FD部分升壓。然后，由外圍電路部分取入在轉(zhuǎn)移柵極接通的狀態(tài)下輸出到輸出信號線的電信號，并從這個取入信號中生成像素信號。在下文中，將描述成像像素部分2的詳細操作例子。這里，將參考圖3和4描述第一和第二定時H)周圍的電勢。

圖3示出了按照第一實施例的成像像素部分2的驅(qū)動模式的示意圖。圖3A-3C示出了快門行中的驅(qū)動模式的例子，圖3D-3F示出了讀出行中的驅(qū)動模式的例子，以及圖3G和3H示出了 CDS部分3中的驅(qū)動模式的例子。圖4示出了按照第一實施例的像素部分101的示范性橫截面顯示和電勢的例子。圖4A示出了顯示在橫截面中的像素部分101的H)、轉(zhuǎn)移柵極、FD部分、復位柵極、和電源電壓Vdd的例子。圖4B示出了第一定時的像素部分101的電勢的例子，以及圖4C示出了第二定時的像素部分101的電勢的例子。在圖3中，在定時O上斷開快門行和讀出行的像素部分101和⑶S部分102。注意，在快門行中選擇晶體管Tr4將繼續(xù)斷開。接著，當在定時I上接通讀出行的選擇晶體管Tr4時，讀出行的像素部分101的放大晶體管Tr3與垂直信號線連接。然后，由負載晶體管Tr5決定的恒定電流沿著從Vdd(電源電壓端子)到放大晶體管Tr3，到垂直信號線，再到負載晶體管Tr5的路線流動。由于放大晶體管Tr3和負載晶體管Tr5構成源極跟隨器，也就是說，與FD部分的電壓相對應的電壓將出現(xiàn)在垂直信號線中。這種情況繼續(xù)到讀出行的選擇晶體管Tr4被接通。接著，在定時2上發(fā)送給復位晶體管Tr2的柵極驅(qū)動脈沖接通復位柵極，使快門行和讀出行的FD部分復位。這個定時2被叫做“第一定時”。第一定時的電勢如圖4B所示變化。在這種情況下，快門行中的轉(zhuǎn)移晶體管Trl被接通，以及快門行中的復位晶體管Tr2和讀出行中的復位晶體管Tr2兩者都被接通。
也就是說，在第一定時，在快門行中同時接通轉(zhuǎn)移柵極和復位柵極(圖3A和3B)。這樣，開始快門操作之前收集的ro的信號電荷通過FD部分放電到電源電壓Vdd。這里，如圖4B所示，在第一定時，通過復位柵極將FD部分的電勢固定在電源電壓Vdd上。于是，即使在快門操作之前在H)中臨時收集了大量信號電荷，也可以允許保證在來自ro的信號電荷上FD部分的電勢變淺的電勢差。但是，當ro的信號電荷接近變空狀態(tài)，以及ro的電勢變深時，PD與FD部分之間的電勢差變小。于是，在正好在定時2之后的定時3上，再次接通快門行中的轉(zhuǎn)移晶體管Trl。這個定時3叫做“第二定時”。在第二定時，通過接通轉(zhuǎn)移晶體管Trl的轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2的復位柵極放電來自H)的信號電荷。在這種情況下，F(xiàn)D部分變成隔絕結(jié)構，處在電勢不固定的浮置狀態(tài)下。然后，如圖4C所示，通過轉(zhuǎn)移柵極與FD部分之間的耦合電容將FD部分設置成比Vdd深的電勢。另外，在第二定時，與FD部分的電勢相對應的電壓(復位電平)出現(xiàn)在垂直信號線中。于是，在定時4上通過輸入SHS脈沖保持⑶S部分102的電容器Cs的電壓。接著，在定時5上，將讀出行中的H)的信號電荷發(fā)送到FD部分。在這種情況下，F(xiàn)D部分的電勢與信號電荷成比例地移動到負側(cè)。然后，由于與FD部分的電勢相對應的電壓(信號電平)出現(xiàn)在垂直信號線中，所以通過輸入SHR脈沖保持⑶S部分102的電容器Cr的電壓。⑶S部分102的差分放大器輸出與電容器Cs和Cr的每一個中的信號電平和復位電勢之差成比例的電壓。之后，在定時7上斷開讀出行的選擇晶體管Tr4，并將放大晶體管Tr3與垂直信號線分開。之后，通過來自選擇部分7的晶體管Tr8的控制，將⑶S部分102的差分放大器的輸出讀出到水平信號線。

通過如圖4B所示第一定時的操作，在ro中收集的大部分信號電荷已經(jīng)放電，ro幾乎是空的。但是，通過使用轉(zhuǎn)移柵極與FD部分之間的耦合電容加深ro的電勢，在第二定時放電在ro中少量收集的信號電荷。這樣，對于電源電壓無需伴隨高壓地保證了 ro與FD部分之間的電勢差。并且，可以防止信號電荷保留在ro中，以及當轉(zhuǎn)移柵極被斷開時，可以防止信號電荷流回到ro。并且，通過將第一定時(轉(zhuǎn)移柵極接通，復位柵極接通)上信號電荷的轉(zhuǎn)移與第二定時(轉(zhuǎn)移柵極接通，復位柵極斷開)上信號電荷的轉(zhuǎn)移之間的間隔分開I微秒或更長，可以有效減少轉(zhuǎn)移的擴散。雖然使其變成I微秒的這個間隔是經(jīng)驗值，但可以通過實驗確認使轉(zhuǎn)移柵極的接口順序達到穩(wěn)定所需的長度。這樣第一和第二定時之間的間隔的排空取決于如下原因。也就是說，當在第一定時轉(zhuǎn)移信號電荷時，存在不能充分保證ro與FD部分之間的電勢差的情況，不能達到通過耦合電容提升FD部分的電壓的效果。在這種情況下，通過接口電平捕獲在轉(zhuǎn)移柵極下進入的信號電荷，和通過設置第二定時保證ro與FD部分之間的足夠電勢差，以便抑制放電引起的擴散的影響。對于按照上述第一實施例的成像像素部分2，在不使用耦合電容地通過固定Vdd放電信號電荷的情況下，以及在不能通過改變FD部分從ro轉(zhuǎn)移的信號電荷通過使用耦合電容放電的情況下，進行兩階段放電處理。這里，在第一定時事先放電大量信號電荷，以便在進行快門操作之前在ro中存在大量信號電荷的情況下改變FD部分的電勢，此后在第二定時驅(qū)動快門。在這種情況下，使FD部分保持在浮置狀態(tài)下，驅(qū)動快門以便使用轉(zhuǎn)移柵極與FD部分之間的電容耦合提升FD部分的電勢。于是，在H)與FD部分之間形成足夠電勢差，以及使累積在H)中的少量信號電荷也放電到FD部分。并且，由于ro可以保證足夠電勢，所以即使對于小型化像素部分101，也可以使ro具有累積大量信號電荷的大容量?？梢愿倪M像在快門操作期間將信號電荷從FD部分吸引到ro，和無法將累積在ro中的信號電荷轉(zhuǎn)移到FD部分的缺陷。并且，通過進行使用轉(zhuǎn)移柵極與FD部分的耦合電容的FD部分的提升，可以無需提高電源電壓地提升FD部分的電勢，以便使牽涉到小型化的ro的容量較大。<2-1.第二實施例 >[進行放電操作三次的例子]接著，參考圖5和6描述本公開的第二實施例。在本實施例中，將描述通過控制接通多個相鄰快門行中的轉(zhuǎn)移柵極的定時從ro放電信號電荷的例子。在如下描述中，將相同標號附在與上面通過第一實施例已經(jīng)描述過的圖1的那些相對應的部分上，并省略對這些部分的詳細描述。在使用多個相繼快門行從ro放電信號電荷的情況下，按照第二實施例的成像像素部分2具有與除了最后行之外的其他快門行的定時不同的至少接通最后行的轉(zhuǎn)移柵極的定時。在這種情況下，在第一定時，為除了最后行之外的其他快門行接通轉(zhuǎn)移柵極和接通復位晶體管Tr2，以及為最后快門行斷開轉(zhuǎn)移柵極和接通復位晶體管Tr2。然后，在第二定時，通過為除了最后行之外的其他快門行斷開轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2，以及為最后快門行接通轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2，從每個快門行的H)放電信號電荷。這種情況的成像像素部分2的詳細操作例子將參考圖5和6來描述。圖5是示出成像 像素部分2的快門行和讀出行的例子的說明圖。成像像素部分2設置相繼第I到第3行、變成累積時段的行、和讀出行。第三快門行和讀出行在空出恒定間隔的同時沿著掃描方向移動。此外，第三快門行之后直到輸入讀出行時的期間變成信號電荷的累積時段。圖6示出了按照第二實施例的成像像素部分2的驅(qū)動模式的示意圖。圖6A-6C示出了第一快門行中的驅(qū)動模式的例子，6D-6F示出了第二快門行中的驅(qū)動模式的例子，以及6G-6I示出了第三快門行中的驅(qū)動模式的例子。此外，6J-6L示出了讀出門行中的驅(qū)動模式的例子，以及圖6M和6N示出了 CDS部分102中的驅(qū)動模式的例子。如圖5所示，在成像像素部分2中作為例子設置了三個相繼快門行。這里，如日本專利第4243870號所述，通過使兩個或更多個相鄰列成為成像像素部分2中的一個群體，在信號電荷的累積之前在以群體為單位進行不必要信號電荷的放電，并且進一步以群體為單位放電信號電荷。這種固態(tài)成像裝置通過將預快門脈沖應用于下一個群體中，屬于至少與前一個群體相鄰的I行或列的像素，在前一個群體的讀出定時之前，進行累積在該像素中的不必要電荷的放電。但是，當在開始快門操作時在H)中累積了大量信號電荷時，存在FD部分的電勢隨PD的信號電荷轉(zhuǎn)移而改變，以及可能無法充分保證ro與FD部分之間的電勢差的情況。于是，按照第二實施例的成像像素部分2進行如下操作。也就是說，在顯示在定時2中的第一定時，接通從作為初始快門行的第一快門行到作為正好在最后快門行之前的行的第二快門行的轉(zhuǎn)移柵極，并在接通復位柵極的狀態(tài)下放電ro的信號電荷。在這種情況下，通過保持作為最后快門行的第三快門行只接通復位柵極的狀態(tài)放電累積在ro中的大量信號電荷。之后，當通過快門操作將信號電荷從H)放電到FD部分時，斷開復位柵極，并設置接通轉(zhuǎn)移柵極的期間。于是，在顯示在定時3中的第二定時，接通開始最后累積信號電荷的最后快門行的轉(zhuǎn)移柵極，并在斷開復位柵極的狀態(tài)下放電來自ro的信號電荷。這樣，可以以與上述第一實施例相同的方式從ro放電幾乎所有信號電荷。在這種情況下，可以讓快門行的FD部分處在浮置狀態(tài)下，以及通過轉(zhuǎn)移柵極與FD部分之間的耦合電容將FD部分提升到比Vdd深的電勢。對于上述第二實施例中的成像像素部分2，設置相繼快門行1-3。然后，在第一定時，接通從初始快門行到作為正好在最后快門行之前的行的第二快門行的轉(zhuǎn)移柵極，并在接通復位柵極的狀態(tài)下放電ro的信號電荷。之后，在第二定時，接通第三快門行中的轉(zhuǎn)移柵極，并斷開其他快門行的轉(zhuǎn)移柵極和復位柵極。這樣，通過控制多個快門行的轉(zhuǎn)移柵極的接通或斷開，可以肯定地放電累積在ro中的信號電荷。此外，對于電源電壓可以無需伴隨高壓地在快門操作期間保證ro與FD部分之間的電勢差?！?-2.第二實施例的第一修改例〉[接通第三快門行三次或更多次的例子]注意，在上述第二實施例中的成像像素部分2中，雖然在第二定時接通第三快門行的轉(zhuǎn)移柵極，但在接在第二定時之后的第三定時也可能接通第三快門行的轉(zhuǎn)移柵極。于是，在按照第二實施例的第一修改例的成像像素部分2中，在第一定時，為多個快門行接通轉(zhuǎn)移柵極和接通復位晶體管Tr2。接著，在第二定時，為除了最后行之外的其他快門行斷開轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2，以及為最后快門行接通轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2。然后，在接在第二定時之后的定時，通過至少一次地接通轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2，從每個快門行的H)放電信號電荷。這種情況的成像像素部分2的詳細驅(qū)動模式將參考圖7來描述。圖7示出了成像像素部分2的驅(qū)動模式的示意圖。雖然顯示在圖7中的成像像素部分2的驅(qū)動模式幾乎與顯示在圖6中的上述驅(qū)動模式相同，但接通用作最后行的第三快門行中的轉(zhuǎn)移柵極的定時不同。這里，除了第一和第二定時之外，在新設置的第三定時接通第三快門行中的轉(zhuǎn)移柵極。在第二和第三定時期間，其他快門行中的轉(zhuǎn)移晶體管Trl、復位晶體管Tr2、和選擇晶體管Tr4都斷開。這樣，通過在第三快門行中相繼接通轉(zhuǎn)移柵極三次，可以肯定地放電累積在H)中的信號電荷?！?-3.第二實施例的第二修改例〉[在所有快門行中進行放電操作兩次的例子]進一步，在上述第二實施例中的成像像素部分2中，雖然只在第二定時接通第三快門行的轉(zhuǎn)移柵極，但也可以在第一和第二定時相繼接通第一到第三快門行的轉(zhuǎn)移柵極。于是，在按照第二實施例的第二修改例的成像像素部分2中，在第一定時，為所有快門行接通轉(zhuǎn)移柵極和接通復位晶體管Tr2。在第二定時，通過為所有快門行接通轉(zhuǎn)移柵極和斷開復位晶體管Tr2，從每個快門行的H)放 電信號電荷。這種情況的成像像素部分2的詳細驅(qū)動模式將參考圖8來描述。
圖8示出了成像像素部分2的驅(qū)動模式的示意圖。雖然顯示在圖8中的成像像素部分2的驅(qū)動模式幾乎與顯示在圖6中的上述驅(qū)動模式相同，但存在在接在第一定時之后的第二定時在所有快門行(第一到第三快門行)中接通轉(zhuǎn)移柵極的差異點。在這種情況下，在不使用耦合電容地通過固定Vdd放電信號電荷的情況下，以及在不能通過改變FD部分從ro轉(zhuǎn)移的信號電荷通過使用耦合電容放電的情況下，在第一到第三快門行中進行兩階段放電處理。于是，在ro與FD部分之間形成足夠電勢差，以及使累積在ro中的少量信號電荷也放電到FD部分。于是，在第一和第二定時，通過在第一到第三快門行中相繼接通轉(zhuǎn)移柵極兩次可以肯定地放電累積在ro中的信號電荷?！磻美印礫將固態(tài)成像裝置應用于攝像機的例子]針對上述的各種實施例和修改例可以應用Cu-Cu鍵合技術的固態(tài)成像裝置可以應用于像數(shù)字相機、攝像機等的相機系統(tǒng)、具有成像功能的移動電話、或包括成像功能的其他裝置那樣的電子裝置。在這種應用例子中，例如，相機系統(tǒng)被描述成電子裝置的示范性配置。圖9示出了按照應用例子的相機11的示意性配置。注意，顯示在圖9中的相機11是可以拍攝靜止圖像或運動圖像的攝像機的配置例子。相機11包括固態(tài)成像裝置10、包括將入射光引導到固態(tài)成像裝置10的光接收傳感器部分的光學透鏡的光學系統(tǒng)12、安排在固態(tài)成像裝置10與光學系統(tǒng)12之間的快門設備13、和驅(qū)動固態(tài)成像裝置10的驅(qū)動電路15。另外，相機11還包括處理固態(tài)成像裝置10的輸出信號的信號處理電路14。固態(tài)成像裝置10是使用Cu-Cu鍵合技術制造的。其他部分每一個的配置和功能如下。光學系統(tǒng)12形成從被攝物體到固態(tài)成像裝置10的成像表面(在圖中未示出)的圖像光(入射光)。這樣，在固態(tài)成像裝置10中在固定期間內(nèi)累積信號電荷。注意，光學系統(tǒng)10可以由包括多個光學透鏡的光學透鏡組構成。并且，快門設備13控制固態(tài)成像裝置10的入射光的光照期和遮光期。驅(qū)動電路15將驅(qū)動信號供應給固態(tài)成像裝置10和快門設備13。此外，驅(qū)動電路15按照供應的驅(qū)動信號，控制對固態(tài)成像裝置10的信號處理電路14的信號輸出操作、和快門設備13的快門操作。也就是說，在本例中，按照驅(qū)動電路15供應的驅(qū)動信號(定時信號)，進行從固態(tài)成像裝置10到信號處理電路14的信號傳送操作。驅(qū)動電路15在快門操作期間，對按照上述第一和第二實施例、和第二實施例的第一修改例的固態(tài)成像裝置10進行控制轉(zhuǎn)移柵極和復位柵極的接通或斷開的處理。信號處理電路14將各種信號處理應用于從固態(tài)成像裝置10傳送的信號。此外，將已經(jīng)應用了各種信號處理的信號(視頻信號)存儲在像存儲器那樣的存儲媒體(在圖中未示出)中，或輸出到監(jiān)視器(在圖中未示出)?！?.修改例〉

注意，第二實施例的上述第一和第二修改例控制第一到第三快門行的三個相繼行的快門操作。但是，快門操作可以通過兩個相繼快門行或不止三個相繼快門行來控制。并且，不僅可以設置兩個或三個相繼時間的定時，而且可以設置四個或更多個時間的定時，這也與第一實施例中定時的設置相同。并且，固態(tài)成像裝置的上述驅(qū)動方法可以應用于CCD成像器，以及CMOS傳感器的電路配置可以應用CXD成像器的電路配置。并且，在上述實施例中，雖然假設像素部分101的晶體管是NM0S，但如果切換電壓的極性，它們也與PMOS相同。并且，光電換能器可以不是光電二極管，而可以是，例如，光電門。并且，在上述實施例中，雖然從垂直信號線中的像素輸出電壓，但輸出信號線也可以是沿著水平方向的線，以及輸出信號可以是電流信號。并且，像上述那樣由四個晶體管構成的系統(tǒng)不局限于像素結(jié)構。并且，雖然⑶S電路是下一級上的信號處理電路的例子，但也可以是，例如，具有CDS作用的A/D轉(zhuǎn)換器。并且，作為簡單保持復位電平和信號電平的電路，可以使CDS采用放置在進一步隨后級中的配置。這樣，本公開不局限于上述實施例，不用說，只要它們不偏離上述本公開的內(nèi)容，可以提供各種應用例子和修改例。本領域的普通技術人員應該明白，只要在所附權利要求書或其等效物的范圍之內(nèi)，視設計要求和其它因素而定，可以想到各種各樣的修改、組合、分組合和變更。另外，本技術也可以按如下構成。
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(1) 一種驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述固態(tài)成像裝置包括:含有在半導體基板上形成的多個像素的成像像素部分；以及控制所述成像像素部分的外圍電路部分，其中所述成像像素部分的每個像素含有:產(chǎn)生與接收光量相對應的信號電荷的光電換能器；將所述光電換能器產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置擴散部分的轉(zhuǎn)移部分；將與包括在選擇部分選擇的像素行中的所述浮置擴散部分的電壓相對應的電信號輸出到輸出信號線的放大部分；以及使所述浮置擴散部分的電壓復位的復位部分，所述驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法包括:在斷開所述選擇部分的同時開始為所述光電換能器累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和接通所述復位部分，從所述光電換能器中放電信號電荷；在接在所述第一定時之后的第二定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和斷開所述復位部分，使所述浮置擴散部分升壓；以及在所述轉(zhuǎn)移部分接通的狀態(tài)下，由所述外圍電路部分取入輸出到輸出信號線的電信號，并從取入信號中生成像素信號。(2)按照(I)所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，其中，當使用多個連續(xù)快門行從所述光電換能器放電信號電荷時，至少接通最后行的轉(zhuǎn)移部分的定時不同于除了最后行之外的其他快門行的定時。(3)按照(I)或(2)所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法進一步包括:在第一定時，為除了最后行之外的其他快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分，以及為最后快門行斷開轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分；以及
在第二定時，通過為除了最后行之外的其他快門行斷開轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，以及為最后快門行接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，從每個快門行的光電換能器放電信號電荷。(4)按照(I)到(3)的任何一項所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法進一步包括:在第一定時，為多個快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分；在第二定時，為除了最后行之外的其他快門行斷開轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，以及為最后快門行接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分；以及在接在第二定時之后的定時，通過至少一次地接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，從每個快門行的光電換能器放電信號電荷。(5)按照(I)到(3)的任何一項所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法進一步包括:在第一定時， 為所有快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分；以及在第二定時，為所有快門行接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分。(6)按照(I)到(5)的任何一項所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，其中第一和第二定時之間的間隔是I微秒或更長。(7) 一種相機系統(tǒng),其包括:固態(tài)成像裝置，其包括:含有在半導體基板上形成的多個像素的成像像素部分；以及控制所述成像像素部分的外圍電路部分，其中所述成像像素部分的每個像素含有:產(chǎn)生與接收光量相對應的信號電荷的光電換能器；將所述光電換能器產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置擴散部分的轉(zhuǎn)移部分；將與包括在選擇部分選擇的像素行中的所述浮置擴散部分的電壓相對應的電信號輸出到輸出信號線的放大部分；以及使所述浮置擴散部分的電壓復位的復位部分；以及驅(qū)動電路，用于在斷開所述選擇部分的同時開始為所述光電換能器累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和接通所述復位部分，從所述光電換能器中放電信號電荷，以及在接在所述第一定時之后的第二定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和斷開所述復位部分，使所述浮置擴散部分升壓，其中，在所述轉(zhuǎn)移部分接通的狀態(tài)下，所述固態(tài)成像裝置通過所述外圍電路部分取入輸出到輸出信號線的電信號，并從取入信號中生成像素信號。本公開包含與公開在2012年2月14日向日本專利局提交的日本優(yōu)先權專利申請JP2012-029430中的主題有關的主題，特此通過引用并入其全部內(nèi)容。
權利要求
1.一種驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述固態(tài)成像裝置包括: 含有在半導體基板上形成的多個像素的成像像素部分；以及 控制所述成像像素部分的外圍電路部分， 其中所述成像像素部分的每個像素含有 產(chǎn)生與接收光量相對應的信號電荷的光電換能器； 將所述光電換能器產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置擴散部分的轉(zhuǎn)移部分； 將與包括在選擇部分選擇的像素行中的所述浮置擴散部分的電壓相對應的電信號輸出到輸出信號線的放大部分；以及 使所述浮置擴散部分的電壓復位的復位部分， 所述驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法包括: 在斷開所述選擇部分的同時開始為所述光電換能器累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和接通所述復位部分，從所述光電換能器中放電信號電荷； 在接在所述第一定時之后的第二定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和斷開所述復位部分，使所述浮置擴散部分升壓；以及 在所述轉(zhuǎn)移部分接通的狀態(tài)下，由所述外圍電路部分取入輸出到輸出信號線的電信號，并從取入信號中生成像素信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法， 其中，當通過使用多個連續(xù)快門行從所述光電換能器放電信號電荷時，至少接通最后行的轉(zhuǎn)移部 分的定時不同于用于除了最后行之外的其他快門行的定時。
3.根據(jù)權利要求2所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法進一步包括: 在第一定時，為除了最后行之外的其他快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分，以及為最后快門行斷開轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分；以及 在第二定時，通過為除了最后行之外的其他快門行斷開轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，以及為最后快門行接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，從每個快門行的光電換能器放電信號電荷。
4.根據(jù)權利要求3所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法進一步包括: 在第一定時，為多個快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分； 在第二定時，為除了最后行之外的其他快門行斷開轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，以及為最后快門行接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分；以及 在接在第二定時之后的定時，通過至少一次地接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，從每個快門行的光電換能器放電信號電荷。
5.根據(jù)權利要求3所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法進一步包括: 在第一定時，為所有快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分；以及 在第二定時，為所有快門行接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分。
6.根據(jù)權利要求3所述的驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法， 其中第一和第二定時之間的間隔是I微秒或更長。
7.—種相機系統(tǒng),其包括: 固態(tài)成像裝置，其包括:含有在半導體基板上形成的多個像素的成像像素部分；以及 控制所述成像像素部分的外圍電路部分， 其中所述成像像素部分的每個像素含有: 產(chǎn)生與接收光量相對應的信號電荷的光電換能器； 將所述光電換能器產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置擴散部分的轉(zhuǎn)移部分； 將與包括在選擇部分選擇的像素行中的所述浮置擴散部分的電壓相對應的電信號輸出到輸出信號線的放大部分；以及 使所述浮置擴散部分的電壓復位的復位部分；以及 驅(qū)動電路，用于在斷開所述選擇部分的同時開始為所述光電換能器累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和接通所述復位部分，從所述光電換能器中放電信號電荷，以及在接在所述第一定時之后的第二定時，通過接通所述轉(zhuǎn)移部分和斷開所述復位部分，使所述浮置擴散部分升壓， 其中，在所述轉(zhuǎn)移部分接通的狀態(tài)下，所述固態(tài)成像裝置通過所述外圍電路部分取入輸出到輸出信號線 的電信號，并從取入信號中生成像素信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，其包括在斷開所述選擇部分的同時開始為光電換能器累積信號電荷的快門操作中，在第一定時，通過接通轉(zhuǎn)移部分和接通復位部分，從光電換能器中放電信號電荷；在接在第一定時之后的第二定時，通過接通轉(zhuǎn)移部分和斷開復位部分，使浮置擴散部分升壓；以及在轉(zhuǎn)移部分接通的狀態(tài)下，由外圍電路部分取入輸出到輸出信號線的電信號，并從取入信號中生成像素信號。
文檔編號H04N5/374GK103248841SQ20131004979
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權日2012年2月14日
發(fā)明者正垣敦, 阿部高志, 鈴木亮司 申請人:索尼公司