固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备制造方法及图纸

提供一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法、以及电子设备，其能够降低低转换增益(LCG)信号的kTC噪声，防止高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号在耦合点处的SNR降低，进而可实现高画质化。在复位期间PR1的开始时刻，将第一复位用晶体管及第二复位用晶体管切换为导通状态，在复位期间PR1开始之后，在规定的第一期间PR11将第一复位线保持为与复位电位的连接状态，在经过第一期间PR11之后，将第二复位用晶体管切换为非导通状态，并将第一复位线切换为浮置状态，以使第一复位线的阻抗变高，在经过第二期间PR12后复位期间PR1结束的时刻，将第一复位用晶体管切换为非导通状态。态。态。

【技术实现步骤摘要】
固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备


[0001]本专利技术关于一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法、以及电子设备。

技术介绍

[0002]CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器已作为使用了检测光并产生电荷的光电转换元件的固体摄像装置(图像传感器)投入实际使用。CMOS图像传感器已被广泛用作数码相机、摄像机、监控相机、医疗用内窥镜、个人电脑(PC)、手机等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分。
[0003]CMOS图像传感器包括在每个像素中具有光电二极管(光电转换元件)及浮动扩散层(FD:Floating Diffusion，浮置扩散层)的FD放大器，该CMOS图像传感器的主流读取类型为列并列输出型，即，选择像素阵列中的某一行，同时向列(column)方向对这些行进行读取。
[0004]作为固体摄像装置(CMOS图像传感器)的像素结构，可以例举出四晶体管(4Tr)结构的基本像素，该四晶体管(4Tr)结构的基本像素例如相对于一个光电二极管(光电转换元件)分别具有作为传输元件的传输晶体管、作为复位元件的复位晶体管、作为源极跟随元件的源极跟随晶体管、以及作为选择元件的选择晶体管中的各一者。
[0005]传输晶体管在规定的传输期间被选择而成为导通状态，将由光电二极管进行光电转换而存储的电荷(电子)传输到浮置扩散层FD。复位晶体管在规定的复位期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散层FD复位为电源线的电位。选择晶体管在读取扫描时被选择而成为导通状态。由此，源极跟随晶体管将由浮置扩散层FD转换成电压信号的列输出读取信号输出到垂直信号线。
[0006]例如，在读取扫描期间，浮置扩散层FD在复位期间例如被复位为电源线的电位(基准电位)之后，浮置扩散层FD的电荷以具有与FD电容对应的增益的状态被转换为电压信号，并作为基准电平的读取复位信号(基准电平的信号)Vrst被输出到垂直信号线。随后，在规定的传输期间，由光电二极管进行光电转换而存储的电荷(电子)被传输到浮置扩散层FD。并且，浮置扩散层FD的电荷以具有与FD电容对应的增益的状态被转换为电压信号，并作为信号电平的读取信号(信号电平的信号)Vsig被输出到垂直信号线。像素的输出信号在列读取电路中作为差分信号(Vsig
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Vrst)进行CDS(相关双采样)处理。
[0007]如上，通常的像素读取信号(以下，有时也称为像素信号)PS由一个基准电平的读取复位信号Vrst和一个信号电平的读取信号Vsig形成。
[0008]为了改进特性，已经提出了各种实现具有高动态范围(HDR：High Dynamic Range)的高画质的固体摄像装置(CMOS图像传感器)的方法。
[0009]作为高动态范围化的方法之一，可以举出横向溢出集合电容(LOFIC：Lateral Overflow Integration Capacitor)结构(例如，参照专利文献1)。
LOFIC结构的像素除了上述的基本结构外，增加了作为存储电容元件的存储电容器以及作为存储连接元件的存储晶体管，在相同的曝光时间内从光电二极管溢出的过饱和电荷被存储到存储电容器中而不会被丢弃。
[0010]该LOFIC像素可具有两种转换增益，即浮置扩散层的电容Cfd1的转换增益(高增益侧：与1/Cfd1成正比)和浮置扩散层的电容Cfd1+存储电容器C2的LOFIC电容Clofic的转换增益(低增益侧：与1/(Cfd1+Clofic)成正比)。即，在LOFIC像素中分别使用了低转换增益(LCG)信号和高转换增益(HCG)信号，来实现高饱和度和低暗噪声。现有技术文献专利文献
[0011]专利文献1:日本特开2005
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328493号公报专利文献2:日本特开2020
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115603号公报

技术实现思路

本专利技术所要解决的技术问题
[0012]但是，LOFIC中存在以下重要问题，即，SNR在高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号的耦合(接合)点处降低。即，仅由LOFIC结构无法去除低转换增益(LCG)信号的kTC噪声，从而降低了高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号在耦合点处的SNR。
[0013]高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号的信号方向彼此相反，由于在低转换增益(LCC)的读取处理中，读取复位信号VRL的复位噪声与读取亮度信号VSL的复位噪声不同，因此难以在被称为差动双采样(DDS)的减法处理中去除噪声。
[0014]本专利技术在读取转换增益不同且信号方向彼此不同的信号的情况下，能够降低低转换增益(LCG)信号的kTC噪声，防止高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号在耦合点处的SNR降低，进而提供一种可实现高画质化的固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法、以及电子设备。用于解决技术问题的技术方案
[0015]本专利技术第一观点的固体摄像装置具有:像素部，包含光电转换元件，并配置有像素，所述像素能够根据至少两个转换增益，将复位状态时的读取复位信号以及与所述光电转换元件的存储电荷对应的读取信号作为像素信号读取、降噪部，进行所述像素的至少复位期间时的降噪处理、以及读取部，在控制所述降噪部的降噪处理的同时，从所述像素部读取像素信号，所述像素包括：光电转换元件，在曝光期间存储与入射光量对应的电荷、浮置扩散层，保持传输的电荷以将传输的电荷作为电压信号读取并转换为与电容对应的电压、复位元件，能够进行复位处理，所述复位处理至少将所述浮置扩散层的存储电荷排出到复位电位、以及存储电容元件，根据转换增益被控制为与所述浮置扩散层的连接状态或非连接状态，所述复位元件包括：第一端子，与第一复位线连接，所述第一复位线连接在所述复位电位侧、以及第二端子，与第二复位线连接，所述第二复位线连接在复位对象即所述浮置扩散层以及所述存储电容元件中的至少任一者的一侧，若在复位期间施加规定电平的控制信号，则将所述第一端子与所述第二端子之间保持为导通状态，所述降噪部在所述两个转
换增益中的至少一个转换增益的读取处理中的至少复位期间，在复位期间开始之后，在规定的第一期间将所述第一复位线保持为与所述复位电位的连接状态，在经过所述第一期间之后的第二期间，将所述第一复位线切换为浮置状态，使得所述第一复位线的阻抗变高，所述读取部从所述复位期间的开始时刻，将所述复位元件保持为导通状态规定期间，在经过了所述第一期间以及所述第二期间的所述复位期间的结束时刻，将所述复位元件切换为非导通状态。
[0016]本专利技术的第二观点为一种固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有：像素部，包含光电转换元件，并配置有像素，所述像素能够根据至少两个转换增益，将复位状态时的读取复位信号以及与所述光电转换元件的存储电荷对应的读取信号作为像素信号读取、降噪部，进行所述像素的至少复位期间时的降噪处理、以及读取部，在控制所述降噪部的降噪处理的同时，从所述像素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体摄像装置，其特征在于，其具有:像素部，包含光电转换元件，并配置有像素，所述像素能够根据至少两个转换增益，将复位状态时的读取复位信号以及与所述光电转换元件的存储电荷对应的读取信号作为像素信号读取；降噪部，进行所述像素的至少复位期间时的降噪处理；以及读取部，在控制所述降噪部的降噪处理的同时，从所述像素部读取像素信号，所述像素包括：光电转换元件，在曝光期间中存储与入射光量对应的电荷；浮置扩散层，保持传输的电荷以将传输的电荷作为电压信号读取并转换为与电容对应的电压；复位元件，至少能够进行复位处理，所述复位处理将所述浮置扩散层的存储电荷排出到复位电位；以及存储电容元件，根据转换增益被控制为与所述浮置扩散层的连接状态或非连接状态，所述复位元件包括：第一端子，与第一复位线连接，所述第一复位线连接在所述复位电位侧；以及第二端子，与第二复位线连接，所述第二复位线连接在复位对象即所述浮置扩散层以及所述存储电容元件中的至少任一者的一侧，若在复位期间施加规定电平的控制信号，则将所述第一端子与所述第二端子之间保持为导通状态，所述降噪部在所述两个转换增益中的至少一个转换增益的读取处理中的至少复位期间，在复位期间开始之后，在规定的第一期间将所述第一复位线保持为与所述复位电位的连接状态，在经过所述第一期间之后的第二期间，将所述第一复位线切换为浮置状态，以使所述第一复位线的阻抗变高，所述读取部从所述复位期间的开始时刻，将所述复位元件保持为导通状态规定期间，在经过了所述第一期间以及所述第二期间的所述复位期间的结束时刻，将所述复位元件切换为非导通状态。2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素的复位元件由第一复位用晶体管形成，所述第一复位用晶体管根据第一复位控制信号切换导通状态及非导通状态，所述降噪部包括：第二复位用晶体管，连接在所述第一复位线和所述复位电位之间，根据第二复位控制信号切换导通状态及非导通状态；以及复位控制用电容元件，与所述第一复位线连接。3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述复位用电容元件的电容比复位对象的电容大。4.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，在包括所述降噪处理的第一复位处理中，在所述读取部以及所述降噪部的控制下，在所述复位期间的开始时刻，将所述第一复位用晶体管及所述第二复位用晶体管切换为导通状态，将连接有复位对象的所述第二复位线和所述第一复位线切换为连接状态，并且将所
述第一复位线和所述复位电位切换为连接状态，开始所述复位对象的电荷的排出处理，复位期间开始之后，在规定的第一期间，将所述第一复位线保持为与所述复位电位的连接状态，在经过所述第一期间后，将所述第二复位用晶体管切换为非导通状态，将所述第一复位线切换为浮置状态，以使所述第一复位线的阻抗变高，在经过所述第二期间后复位期间结束的时刻，将所述第一复位用晶体管切换为非导通状态。5.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素还包括：传输元件，能够在所述存储期间之后的传输期间传输存储在所述光电转换元件中的电荷；存储连接元件，选择性地连接所述浮置扩散层和所述存储电容元件；以及源极跟随元件，放大并输出由所述浮置扩散层转换的电压信号，在不包括所述降噪处理的第二复位处理中，在所述读取部以及所述降噪部的控制下，在曝光后的第一次复位读取处理中，所述第一复位用晶体管保持非导通状态，将所述存储连接元件切换为非导通状态，并将所述存储电容元件与所述浮置扩散层分离，使所述浮置扩散层的电荷与所述存储电容元件的电荷分离，将所述浮置扩散层的增益设定为由第一电容确定的第一转换增益，进行第一转换增益复位读取处理。6.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，能够将与两个转换增益对应的信号方向为相反方向的第一转换增益信号及第二转换增益信号作为像素信号读取，所述读取部在转换增益信号读取模式时，在将所述第一复位用晶体管、所述第二复位用晶体管、所述存储连接元件以及所述传输元件保持为导通状态规定期间，将所述浮置扩散层、所述存储电容元件以及所述光电转换元件复位，将所述传输元件设为非导通状态，进行所述第一复位处理，开始曝光期间之后，依序进行第一转换增益复位读取处理、第一转换增益信号读取处理、第二转换增益信号读取处理以及第二转换增益复位读取处理，在所述第二转换增益复位读取处理中，进行所述第一复位处理。7.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，在所述第一转换增益复位读取处理中，进行所述第二复位处理。8.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，所述读取部在将作为复位元件的所述第一复位用晶体管、所述第二复位用晶体管、所述存储连接元件、以及所述传输元件保持为导通状态规定期间，将所述浮置扩散层、所述存储电容元件、以及所述光电转换元件复位，将所述传输元件设为非导通状态，开始曝光期间之后，将所述存储连接元件切换为非导通状态，将所述存储电容元件与所述浮置扩散层分离，使所述浮置扩散层的电荷与所述存储电容元件的电荷分离，将所述浮置扩散层的增益设定为由所述第一电容确定的第一转换增益，并进行：第一转换增益复位读取处理，在第一复位读取期间，从所述源极跟随元件读取以由所述浮置扩散层的第一电容确定的第一转换增益转换的第一读取复位信号，并进行针对该第
一读取复位信号的规定的处理；以及第一转换增益信号读取处理，在紧接所述第一复位读取期间后的第一传输期间之后的第一读取期间，从所述源极跟随元件读取以由所述浮置扩散层的第一电容确定的第一转换增益转换的第一读取信号，并进行针对该第一读取信号的规定的处理，接着，将所述存储连接元件切换为导通状态规定期间，将所述存储电容元件与所述浮置扩散层连接，使所述浮置扩散层的电荷和与溢出电荷相关的所述存储电容元件的电荷共享，将所述浮置扩散层的增益转换为由第二电容确定的第二转换增益，并进行第二转换增益信号读取处理，其在紧接所述第一读取期间后的第二传输期间之后的第二读取期间，从所述源极跟随元件读取以由所述浮置扩散层的第二电容确定的第二转换增益转换的第二读取信号，进行针对该第二读取信号的规定处理，接着，在复位期间的开始时刻，将所述第一复位用晶体管及所述第二复位用晶体管切换为导通状态，将连接有复位对象的所述第二复位线和所述第一复位线切换为连接状态，并且将所述第一复位线和所述复位电位切换为连接状态，开始所述复位对象的电荷的排出处理，复位期间开始之后，在规定的第一期间，将所述第一复位线保持为与所述复位电位的连接状态，在经过所述第一期间后，将所述第二复位用晶体管切换为非导通状态，将所述第一复位线切换为浮置状态，以使所述第一复位线的阻抗变高，在经过所述第二期间后复位期间结束的时刻，将所述第一复位用晶体管切换为非导通状态，能够在由所述第一复位处理将所述浮置扩散层复位之后，进行第二转换增益复位读取处理，在所述第二转换增益复位读取处理中，从所述源极跟随元件读取以由所述浮置扩散层的第二电容确定的第二转换增益转换的第二复位信号，并进行针对该第二读取信号的规定的处理。9.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，在所述像素中，所述光电转换元件和所述存储电容元件沿一个方向排列配置，所述像素部包括：像素阵列，排列有所述像素；以及缓冲器阵列，在所述像素阵列的像素之间排列有中继缓冲器，所述中继缓冲器产生至少驱动所述第一复位用晶体管的控制信号，所述中继缓冲器以与邻接一个方向的一侧的所述像素的所述存储电容元件邻接的方式配置，并且以与邻接该中继缓冲器的一个方向的另一侧的像素的所述光电转换元件邻接的方式配置有虚设的存储电容元件。10.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一复位用晶体管的所述第一端子及所述第二端子作为源极漏极扩散层发挥功能，并由...

【专利技术属性】
技术研发人员：立田一葵，大仓俊介，宫内健，大和田英树，韩相万，高柳功，
申请(专利权)人：学校法人立命馆，
类型：发明
国别省市：