固體攝像裝置及其驅動方法

2023-08-04 12:00:31

專利名稱：固體攝像裝置及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及MOS型固體攝像裝置，特別涉及具備即使在外部光沒有入 射的黑暗時也能夠判別是沒有入射光還是故障的保障故障安全的機構的固 體攝像裝置及其驅動方法。
背景技術：
圖6是表示固體攝像裝置1具備的像素區域(受光區域)2和信號處理 區域4的結構的概略圖。在像素區域2中，沿行方向及列方向排列有包括 光電二極體的像素單元5。在信號處理區域4中，設有從像素單元5經由垂 直信號線7讀出的信號的處理電路，具備噪音去除電路6。在信號處理區域 4中被處理後的圖像信號經由水平信號線8被向外部輸出。
像素區域2大體分為由內側的虛線包圍的有效像素區域3、和外側的虛 線與內側的虛線之間的非有效像素區域20。非有效像素區域20是為了生成 從構成有效像素區域3的像素單元5輸出的圖像信號水平的參照信號而設 置的。有效像素區域3的像素單元5輸出對應於入射到光電二極體中的光 量的電信號，相對於此，非有效像素區域20的像素單元5為由遮光膜(通 過實施陰影而表示)使光不入射到光電二極體中的構造，輸出光學黑的信 號。在有效像素區域3和非有效像素區域20中，除了遮光膜的有無以外， 沒有構造的差異。
圖7表示圖6所示的像素單元5的具體的電路圖的一例。像素單元5 具備光電二極體9、傳送門極IO、浮置擴散器(FD) 11、具備復位門極12 的復位電晶體13、具備放大門極14的放大電晶體15、以及電容器16。傳 送門極10連接在供給TRANS信號的TRANS信號線18上，復位門極12 連接在供給RSCELL信號的RSCELL信號線17上。放大電晶體15連接在 供給VDD電壓的電源VDD線19與垂直信號線7之間。
該固體攝像裝置如圖8的時間圖所示那樣被驅動。即，在儲存在光電 二極體9中的圖像數據的讀出操作之前，通過在定時a時RSCELL信號變為High,復位電晶體13被控制為ON狀態。由此，FD11的電位變為Ereset， 成為讀出準備狀態。從該狀態開始，如果在定時b對傳送門極10施加 TRANS信號電壓High,則在光電二極體9中通過光電變換得到的光電子 被傳送給FDll。由此，FD11的電位降低到對應於儲存在光電二極體9中 的電荷量的大小，在定時c成為Esig。 FD11的電位是施加在放大門極14 上的電位。在垂直信號線7中，出現將電源電壓VDD根據放大門極14的 電位的大小而通過放大電晶體5變壓的大小的電壓信號。最後，在定時d， 使電源電壓VDD降低到Low水平，通過將復位電晶體13控制為ON狀態， 使FDll的電位降低到En，成為非選擇狀態。
近年來，使用CCD型或MOS型的固體攝像裝置的產品應用領域擴大， 搭載在汽車上、在車內外的監視用等中使用。這樣的用於車載用途的固體 攝像裝置以及組裝在該固體攝像裝置中的照相機系統與以往的數位照相機 或攝像機等的用於民生用途的情況相比，在故障時給生命帶來危險的可能 性較高。因此，對系統自身要求較高的可靠性，並且即使在萬一發生故障 的情況下也變得故障安全的機構是必須的。
另一方面，在特開2003-234966號公報中表示了通過將圖6所示的固 體攝像裝置中的非有效像素區域20的、將來自外部的光截斷的遮光膜的一 部分以規定的排列圖案成為多個開口、將對應於該多個開口排列圖案的信 息作為攝像信號的一部分輸出的固體攝像裝置。具體而言，每當從有效像 素區域3的像素單元5的讀出動作時，通過不僅是有效像素區域3、還讀出 來自該非有效像素區域20的像素單元5的對應於特定的排列圖案的信號， 能夠總是使特定的排列圖案的信息輸出到各幀的攝像信號中。
特開2003-234966號公報的這樣的結構的目的是，將由特定的排列圖 案產生的影像信號作為序列號碼，通過在影像輸出信號中包含該序列號碼， 進行固體攝像元件的分別的確定。因而，此情況下的特定的排列圖案並不 是設置成為故障安全那樣的機構的意圖。
在通常的照相機系統中，僅將對應於入射到形成在固體攝像裝置的有 效像素區域中的光電二極體中的光的量的信號向外部輸出。因此，在因故 障而來自圖像傳感器的信號什麼都不輸出的情況下，有不能區別它是故障 帶來的、還是沒有向光電二極體的入射的黑暗時的狀態的問題。因此，在故障的情況下不能檢測到是故障，不能用於必須有故障安全機構的車載用 途。
作為實現故障安全的方法，可以考慮利用特開2003-234966號公報中 公開的方法。但是，特定圖案的信息形成在非有效像素區域20中，依存於 從以特定的排列圖案被開口的遮光膜開口部入射到其下方的像素單元5的 光電二極體中的光量。因而，在夜間行駛時那樣的黑暗時的情況下，由於 沒有特定圖案的向光電二極體的電荷的儲存，所以不能輸出特定圖案的信 息。因此，有儘管圖像傳感器正常地動作、但是不能輸出特定圖案的信息 的情況，不能將特定圖案的信號的有無用於故障檢測。

發明內容
本發明為了解決上述問題，目的是提供一種即使在夜間行駛時那樣的 黑暗的環境下，也能夠檢測到來自圖像傳感器的信號完全沒有輸出的故障的 固體攝像裝置。
本發明的固體攝像裝置具備有效像素區域，沿行方向及列方向配置 有具有光電二極體(PD)的多個像素，能夠使光從外部入射到上述各光電 二極體中、通過光電變換生成電信號；非有效像素區域，配置有用遮光膜 覆蓋的多個像素，形成作為子區域的參照區域及故障檢測用圖案區域；上 述參照區域的上述像素分別具有光電二極體；上述故障檢測用圖案區域具 有以預定的排列圖案組合了具有光電二極體的PD具備像素和沒有形成光 電二極體的PD不具備像素的結構；構成為，對於有效像素區域的上述各 像素進行使其輸出像素信號的驅動，並且對於包括上述故障檢測用圖案區 域的上述非有效像素區域的上述各像素也能夠進行使其輸出像素信號的驅 動。
根據本發明，即使在黑暗的環境下，也能夠得到基於PD具備像素和 PD不具備像素的輸出信號，所以能夠檢測到來自圖像傳感器的信號完全沒 有輸出的故障，能夠具備故障安全功能。


圖1是表示本發明的實施方式的固體攝像裝置的概略結構的俯視圖。圖2是本發明的實施方式的固體攝像裝置的像素區域的布置圖。
圖3A是表示本發明的實施方式的固體攝像裝置的具有光電二極體的 PD具備像素的剖視圖。
圖3B是表示本發明的實施方式的固體攝像裝置的沒有光電二極體的 PD不具備像素的剖視圖。
圖4是本發明的實施方式的固體攝像裝置的PD不具備像素的等價電 路圖。
圖5是用來驅動有關本發明的故障檢測用圖案區域的像素的控制時間圖。
圖6是表示以往例的固體攝像裝置的概略結構的俯視圖。 圖7是以往例的固體攝像裝置的PD具備像素的等價電路圖。 圖8是用來驅動以往例的固體攝像裝置的像素的控制時間圖。
具體實施例方式
本發明以上述結構為基本，可以採取以下這樣的形態。 艮P，在本發明的固體攝像裝置中，也可以是，上述故障檢測用圖案區 域將上述PD具備像素和上述PD不具備像素排列為一列而構成。
此外，可以為以下的結構上述有效像素區域的像素具備能夠將入射
光進行光電變換而儲存電荷的上述光電二極體、暫時儲存電荷的浮置擴散 器、將上述光電二極體的電荷傳送給上述浮置擴散器的傳送電晶體、將上 述浮置擴散器的電荷復位的復位電晶體、和將上述浮置擴散器的電位放大
的放大電晶體；配置在上述參照區域中的上述像素及配置在上述故障檢測 用圖案區域中的PD具備像素具有與上述有效像素區域的上述像素相同的 結構；配置在上述故障檢測用圖案區域中的上述PD不具備像素具有上述 浮置擴散器、上述復位電晶體、和上述放大電晶體。
本發明的固體攝像裝置的驅動方法，是驅動上述基本結構的固體攝像 裝置的方法，包括第1步驟，從上述有效像素區域的像素讀出圖像信號; 第2步驟，對上述故障檢測用圖案區域內的上述像素進行用來從外部注入 電荷的動作；第3步驟，然後，從上述故障檢測用圖案區域內的上述各像 素讀出基於上述注入電荷的信號。可以將該驅動方法應用到具有以下的結構的固體攝像裝置中。g卩，上 述有效像素區域的像素具備能夠將入射光光電變換而儲存電荷的上述光電 二極體、暫時儲存電荷的浮置擴散器、將上述光電二極體的電荷傳送給上 述浮置擴散器的傳送電晶體、將上述浮置擴散器的電荷復位的復位電晶體、 和將上述浮置擴散器的電位放大的放大電晶體；配置在上述參照區域中的 上述像素及配置在上述故障檢測用圖案區域中的PD具備像素具有與上述 有效像素區域的上述像素相同的結構；配置在上述故障檢測用圖案區域中 的上述PD不具備像素具有上述浮置擴散器、上述復位電晶體、和上述放 大電晶體。
在此情況下，優選的是，上述第2步驟包括第2a步驟，將上述故障 檢測用圖案區域內的上述像素中的、上述復位電晶體及上述傳送電晶體控 制為ON狀態，通過電源電壓，經由上述復位電晶體及上述傳送電晶體將 電荷注入到上述浮置擴散器及上述光電二極體中；第2b步驟，在使上述傳 送電晶體成為OFF狀態後，使上述復位電晶體成為ON狀態，將上述浮置 擴散器的電位復位。
在該驅動方法中，優選的是，在上述第2a步驟中，上述電源電壓比在 從上述有效像素區域讀出像素信號時使用的任一種電壓都低。
以下，參照附圖對本發明的實施方式的固體攝像裝置及其驅動方法詳 細地說明。圖1是表示本實施方式的固體攝像裝置的結構的概略圖。對於 與圖6所示的以往例的固體攝像裝置相同的結構要素賦予相同的標號進行 說明。
固體攝像裝置1具備像素區域(受光區域)2和信號處理區域4。在像 素區域2中，沿行方向及列方向配置有具備光電二極體的像素單元5。像素 區域2大體分為由最內側的虛線包圍的範圍內的有效像素區域3、和在其周 圍的由最外側的虛線包圍的範圍內附加陰影表示的非有效像素區域20。在 信號處理區域4中，與有效像素區域3、非有效像素區域20無關地，設有 處理從像素單元5經由垂直信號線7讀出的信號的電路，具備噪音消除電 路6。由信號處理區域4處理後的圖像信號經由水平信號線8被向外部輸出。
非有效像素區域20為子區域，包括與以往例同樣的、生成從構成有效 像素區域3的像素單元5輸出的圖像信號水平的參照信號的參照區域，並且包括帶有與參照區域不同的陰影的故障檢測用圖案區域21。
有效像素區域3的像素單元5輸出對應於入射到光電二極體中的光量 的電信號，相對於此，非有效像素區域20的參照區域的像素單元5為由遮 光膜使光不入射到光電二極體中的構造，輸出光學黑的信號。故障檢測用 圖案區域21是對非有效像素區域20內的特定的一行加以變更而設計的， 如通常那樣形成了光電二極體(PD)的PD具備像素22、和沒有形成光電 二極體的PD不具備像素23以特定的排列圖案形成。
圖2是表示上述結構的固體攝像裝置的像素區域的、具體的圖案布置 的俯視圖。該圖案布置對應於與圖7所示的電路相同的結構。在有效像素 區域3及非有效像素區域20的兩者中基本上為相同的布置，但如後面說明 那樣，在故障檢測用圖案區域21的特定的像素單元中，圖案布置不同。此 外，雖然在圖2中沒有圖示，但非有效像素區域20整面被遮光膜覆蓋。
在圖2中，作為像素單元5而由虛線包圍的區域是1個像素單元的區 域，形成有光電二極體9、傳送電晶體的傳送門極IO、放大電晶體15的放 大門極14、 FDll、以及復位電晶體13的復位門極12。各元件按照圖7所 示的電路結構，主要用鋁配線連接。在像素單元5內的對應的元件上，連 接著垂直信號線7、 RSCELL信號線17、 TRANS信號線18、電源VDD線 19。
圖3是圖2的A-B剖視圖，表示故障檢測用圖案區域21的各像素的截 面構造。圖3A表示光電二極體如通常那樣形成的PD具備像素22 (參照圖 1)的截面，圖3B表示沒有形成光電二極體的PD不具備像素23的截面。
在圖3A所示的PD具備像素22中，在第1導電型的矽基板30之中， 形成有作為第2導電型的肼的光電二極體9和FD11、以及元件分離區域31。 此夕卜，在基板30上的、光電二極體9與FD11之間形成有傳送門極10。在 光電二極體9、 FDll、傳送門極10的上方，以接近於矽基板30的順序， 形成有由矽氧化膜構成的層間絕緣膜32、由例如鋁等的金屬構成的遮光膜 33、以及由矽氮化膜構成的封固膜34。遮光膜33在光電二極體9之上也不 開口 。 PD具備像素22的等價電路為圖7所示的電路結構那樣。
另一方面，圖3B所示的PD不具備像素23的構造除了沒有形成光電 二極體9以外，與圖3A的PD具備像素22的構造相同，或者，在PD不具備像素23中，如圖4所示，也可以將傳送門極10也從電路中除去。
如上所述，對於處於非有效像素區域20內的特定的一行，以特定的排 列設置圖3A所示的PD具備像素22和圖3B所示的PD不具備像素23。PD 不具備像素23例如通過用掩模、不注入光電二極體形成所需要的雜質而形 成。將該PD具備像素22與PD不具備像素23的組合排列圖案作為故障檢 測用圖案。
為了讀出如上述那樣形成的故障檢測用圖案，在通常的讀出動作時， 在對每1幀從圖1所示的有效像素區域3的整個區域讀出圖像信號後，接 著切換為與從有效像素區域3的圖像信號讀出不同的驅動方法(後述)，進 行讀出動作。由此，從故障檢測用圖案區域21讀出對應於上述故障檢測用 圖案的電位信號圖案。這樣，總是確認對應於故障檢測用圖案區域21的特 定的排列圖案的信號，將沒有輸出對應於該特定的排列圖案的信號時判斷 為故障。
另外，在上述結構中，設想沿行方向依次讀出的動作，將故障檢測用 圖案區域21設為特定的一行。但是，本發明的效果並限於使故障檢測用圖 案區域21為特定的一行、在設在非有效像素中的任意的位置上的情況下也 同樣能夠得到。
接著，參照圖5，對驅動故障檢測用圖案區域21的像素單元的定時的 一例進行說明。在故障檢測用圖案區域21的各像素單元上，沿行方向共通 地連接著電源VDD線19、復位信號線(RSCELL信號線)17，在PD具備 像素上沿行方向共通地連接這TRANS信號線18。在讀出故障檢測用圖案 時，與通常的形成在有效像素區域3中的像素區域的讀出不同，預先將電 荷注入到光電二極體9中，進行與圖8所示的動作同樣的通常的讀出動作。 對於該驅動方法，參照圖5按照順序進行說明。
首先，使從電源VDD線19供給的電源VDD為比通常的非選擇動作 時的電壓L低的電壓LL，將復位電晶體13 (RSCELL)及傳送門極10 (TRANS)控制為ON狀態(定時x)。由此，通過電源VDD經由FD11 將電荷向光電二極體9注入。此時，在PD具備像素22中將電荷儲存在光 電二極體中，但在PD不具備像素23中不儲存電荷。接著，使電源電壓VDD 回到High，使傳送門極IO (TRANS)成為OFF狀態，另一方面，復位電晶體13 (RSCELL)繼續為ON狀態，由此使FD的電位為Ereset (定時a)。 如果在此狀態下使傳送門極10 (TRANS)成為ON狀態(定時b)，則 儲存在像素單元5的光電二極體9中的電荷(電子)被傳送給FDll。此時， 在PD具備像素22中在定時x讀出儲存在光電二極體中的電荷，所以在定 時c時FDll的電位降低到Esig。相對於此，在PD不具備像素23中沒有 電荷的變動，所以FDll的電位為Ereset的原樣而不變動。
以上，對應於光電二極體的有無的排列的信號經由圖7及圖4所示的 放大電晶體15被輸出到信號線7中。最後，通過使電源VDD的電壓降低 而成為Low水平，將復位電晶體13 (RSCELL)控制為ON狀態，使FDll 的電位降低到En，成為非選擇狀態(定時d)。
通過上述驅動方法，從PD具備像素22及PD不具備像素23輸出到垂 直信號線7中的信號被傳送到信號處理區域4中。進而，對於每幀確認從 水平信號線8輸出的、對應於PD具備像素22及PD不具備像素23的行方 向上的排列的信號的有無。由此，即使在沒有外部光入射的黑暗時，也能 夠確認是沒有入射光還是故障的、固體攝像裝置的故障的有無。因而，能 夠得到即使在固體攝像裝置故障的情況下也保障故障安全的機構。
權利要求
1、一種固體攝像裝置，其特徵在於，具備有效像素區域，沿行方向及列方向配置有具有光電二極體(PD)的多個像素，能夠使光從外部入射到上述各光電二極體中、通過光電變換生成電信號；非有效像素區域，配置有用遮光膜覆蓋的多個像素，形成作為子區域的參照區域及故障檢測用圖案區域；上述參照區域的上述像素分別具有光電二極體；上述故障檢測用圖案區域具有以預定的排列圖案組合了具有光電二極體的PD具備像素和沒有形成光電二極體的PD不具備像素的結構；構成為，對於有效像素區域的上述各像素進行使其輸出像素信號的驅動，並且對於包括上述故障檢測用圖案的上述非有效像素區域的上述各像素也能夠進行使像素信號輸出的驅動。
2、 如權利要求l所述的固體攝像裝置，其特徵在於，上述故障檢測用 圖案區域將上述PD具備像素和上述PD不具備像素排列為一列而構成。
3、 如權利要求l所述的固體攝像裝置，其特徵在於， 上述有效像素區域的像素具備能夠將入射光進行光電變換而儲存電荷的上述光電二極體、暫時儲存電荷的浮置擴散器、將上述光電二極體的電 荷傳送給上述浮置擴散器的傳送電晶體、將上述浮置擴散器的電荷復位的 復位電晶體、和將上述浮置擴散器的電位放大的放大電晶體；配置在上述參照區域中的上述像素及配置在上述故障檢測用圖案區域 中的PD具備像素，具有與上述有效像素區域的上述像素相同的結構；配置在上述故障檢測用圖案區域中的上述PD不具備像素具有上述浮 置擴散器、上述復位電晶體、和上述放大電晶體。
4、 一種固體攝像裝置的驅動方法，是驅動權利要求l所述的固體攝像 裝置的方法，其特徵在於，包括-第1步驟，從上述有效像素區域的像素讀出圖像信號；第2步驟，對上述故障檢測用圖案區域內的上述像素進行用來從外部注入電荷的動作；第3步驟，然後，從上述故障檢測用圖案區域內的上述各像素讀出基 於上述注入電荷的信號。
5、 如權利要求4所述的固體攝像裝置的驅動方法，是驅動以下固體攝 像裝置的方法上述有效像素區域的像素具備能夠將入射光進行光電變換而儲存電荷 的上述光電二極體、暫時儲存電荷的浮置擴散器、將上述光電二極體的電 荷傳送給上述浮置擴散器的傳送電晶體、將上述浮置擴散器的電荷復位的 復位電晶體、和將上述浮置擴散器的電位放大的放大電晶體；配置在上述參照區域中的上述像素及配置在上述故障檢測用圖案區域 中的PD具備像素具有與上述有效像素區域的上述像素相同的結構；配置在上述故障檢測用圖案區域中的上述PD不具備像素具有上述浮 置擴散器、上述復位電晶體、和上述放大電晶體；其特徵在於，上述第2步驟包括第2a步驟，將上述故障檢測用圖案區域內的上述像素中的、上述復位 電晶體及上述傳送電晶體控制為ON狀態，通過電源電壓，經由上述復位 電晶體及上述傳送電晶體將電荷注入到上述浮置擴散器及上述光電二極體 中；第2b步驟，在使上述傳送電晶體成為OFF狀態後，使上述復位晶體 管成為ON狀態，將上述浮置擴散器的電位復位。
6、 如權利要求5所述的固體攝像裝置的驅動方法，其特徵在於， 在上述第2a步驟中，上述電源電壓比在從上述有效像素區域讀出像素信號時使用的任一種電壓都低。
全文摘要
本發明涉及固體攝像裝置及其驅動方法，所述固體攝像裝置具備有效像素區域(3)，沿行方向及列方向配置有具有光電二極體(PD)的多個像素(5)，能夠使光從外部入射到各PD中、通過光電變換生成電信號；非有效像素區域(20)，配置有用遮光膜覆蓋的多個像素，形成作為子區域的參照區域及故障檢測用圖案區域(21)；參照區域的像素分別具有PD；故障檢測用圖案區域具有以預定的排列圖案組合了具有PD的PD具備像素(22)和沒有形成PD的PD不具備像素(23)的結構；構成為，對於有效像素區域的各像素進行使其輸出像素信號的驅動，並且對於包括故障檢測用圖案區域的非有效像素區域的各像素也能夠進行使其輸出像素信號的驅動。即使在黑暗的環境下也能夠檢測到完全沒有輸出來自圖像傳感器的信號的故障。
文檔編號H04N5/372GK101431619SQ200810170460
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月6日 優先權日2007年11月9日
發明者加納孝俊 申請人:松下電器產業株式會社