CN101796822A - 固体摄像元件 - Google Patents

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CN101796822A CN200880105558A CN200880105558A CN101796822A CN 101796822 A CN101796822 A CN 101796822A CN 200880105558 A CN200880105558 A CN 200880105558A CN 200880105558 A CN200880105558 A CN 200880105558A CN 101796822 A CN101796822 A CN 101796822A
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须川成利
近藤泰志
富永秀树
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Tohoku University NUC
Shimadzu Corp
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Abstract

本发明提供一种固体摄像元件，在半导体基板上分开设置二维阵列状排列了包括光电二极管的像素(10)的像素区域(2a)、配置了保持连续摄影帧数份的在各像素中生成的信号的存储部的存储区域(3a)。所有像素同时执行光电荷蓄积，并使通过光电荷的蓄积而生成的信号通过分别独立的像素输出线(14)来并行输出。而且，在连接在一根像素输出线上的多个存储部中，通过在每次曝光时按顺序使不同存储部的采样晶体管导通来依次在各存储部的电容中保持信号，在结束连续摄影之后依次读取所有像素信号。由于不像CCD那样一齐驱动所有栅极负载，因此能抑制耗电且能进行高速驱动。另外，由于分开了存储区域和像素区域，因此也能防止因过剩的光电荷的流入而引起信号的劣化。由此，能进行比以往更高速的连续摄影同时能提高摄影图像的品质。

Description

固体摄像元件
技术领域
本发明涉及一种固体摄像元件，详细而言，涉及一种为了拍摄破坏、爆炸、燃烧等高速现象而能够进行最佳的高速动作的固体摄像元件。
背景技术
以往开发了用于在短时间内连续对例如爆炸、破坏、燃烧、冲突、放电等高速现象进行摄影的高速摄影装置(高速摄像机)(参照非专利文献1等)。在这样的高速摄影装置中，甚至需要100万帧/秒左右以上的极高速摄影。因此，利用了与以往一般摄相机或数码相机等中使用的摄像元件不同的、具有特殊结构的、能够进行高速动作的固体摄像元件。
作为这样的固体摄像元件，以往，利用了专利文献1等中记载的元件。这些元件被称作像素周边记录型摄像元件。针对该摄像元件进行示意说明。即，在作为受光部的每一个光电二极管上具备分别兼作记录张数(帧数)份的传送的蓄积用CCD，在摄影中，依次向蓄积用CCD传送由光电二极管进行了光电变换后的像素信号。而且，摄影结束后，统一读取存储在蓄积用CCD中的记录帧数份的像素信号，在摄像元件的外部再现记录帧数份的图像。在摄影中，超过了记录帧数份的像素信号按形成时间从早到晚的顺序被废弃，始终在蓄积用CCD中保存最新的规定帧数份的像素信号。因此，若在摄影结束时中止向蓄积用CCD传送像素信号，则获得时间上比该时刻早记录张数份的时间以后的最新的图像。
如上所述，在像素周边记录型摄像元件中，与每次获得一帧份的图像信号时需要向外部提取这些信号的一般性摄像元件不同，具有能够始终以高速获得多张连续图像的特征。但是，在上述像素周边记录型摄像元件中，很难满足如下的问题。
(1)在上述像素周边记录型摄像元件中，向CCD传送信号电荷时，由于必须一齐驱动具有大的容性负载的栅极电极和信号线，并且由于栅极驱动信号的电压振幅大，因此本身就耗电大。为了提高摄影速度而提高驱动速度时，耗电会进一步变大，存在发热量增加并超过放热的界限的隐患。另外，由于是大的容性负载，因此驱动信号的波形的钝化等波形变形会变大，并且提高速度时有时不能进行电荷传送本身。
(2)在上述像素周边记录型摄像元件中，由于半导体芯片上的相邻的光电二极管之间配置有蓄积用CCD，因此向光电二极管入射强光而生成大量的光电荷时，有时这些光电荷会流入蓄积用CCD中。因此，例如图像的S/N会劣化，严重时图像会变成重影照片。
(3)在蓄积用CCD中，由于在为了信号读取而待机的期间也会混入由暗电荷引起的伪信号，因此存在由此而图像的S/N劣化的隐患。
另一方面，在CMOS型的摄像元件中，例如公知有专利文献2所记载的元件。该摄像元件中，在各像素内设置多个存储用的电容器，在每一帧中，能够将在光电二极管中生成的光电荷连续地存储到不同的存储用电容器中。但是，在这样的构成中，虽然能够应对几帧左右的连续存储，但是在如上述的高速摄影装置中不能进行有意的多个连续镜头拍摄摄影。为了增加连续摄影帧数而增加存储用电容器的数量时，会使蓄积光电二极管中生成的电荷的检测节点的信号线的容性负载增大，很难提高速度。另外，不得不减少一个像素内的光电二极管的面积，由此数值孔径减小，无法避免灵敏度降低。
专利文献1：特开2001-345441号公报
专利文献2：特表2002-512461号公报
非专利文献1：近藤等5名，“高速摄像机HyperVision HPV-1的开发”，岛津评论，岛津评论编辑部，2005年9月30日发行，第62卷，第1、2号，p.79-86
发明内容
本发明鉴于上述课题而形成，其主要目的在于提供一种能够抑制耗电同时能够进行极高速连续摄影的固体摄像元件。本发明的另一目的在于提供一种通过在高速连续摄影时提高像素信号的S/N或动态范围而能够提高图像品质的固体摄像元件。
为了解决上述课题而构成的第一发明的固体摄像元件特征在于，具备：a)像素区域，排列有多个包括接受光而生成光电荷的光电变换元件的像素；和b)存储区域，该存储区域是与所述像素区域分离的区域，配置有用于保持对应于所述像素区域内的各像素而输出的信号的多个存储部；像素输出线从所述像素区域内的各像素分别独立地延伸到所述存储区域，所述像素输出线上分别连接所述多个存储部。
第一发明的固体摄像元件是CMOS结构，上述光电变换元件例如是光电二极管，能够优选嵌入型光电二极管。另外，存储部为了保持来自各像素的输出信号而能够使用电容。
在该发明的固体摄像元件中，构成为像素输出线从像素区域内的各像素分别独立地延伸到存储区域，各像素输出线上分别连接上述多个存储部。因此，能够使通过对各像素的光电变换元件所得到的光电荷进行蓄积而得到的电荷所对应的信号，通过按每个像素设置一根的像素输出线依次保持到多个存储部中。
因此，能够连续取入与存储部的数量相应的模拟信号，并在该取入结束后从各存储部依次将信号读到外部来进行处理。
即，第一发明的固体摄像元件中，在元件内具备对应于各像素的多个存储部，因此不需要像以往的使用蓄积用CCD的像素周边记录型摄像元件那样保持新的信号电荷时一齐驱动所有栅极负载。因此，只需消耗较少的电力，即使在高速驱动的情况下也能够抑制发热。另外，由于容性负载小，因此即使是高速驱动时驱动波形的变形也小，能够可靠地进行从各像素向存储部的信号输出。
另外，由于像素区域和存储区域分离，因此能够在不影响像素区域内的像素数量、光电变换元件的受光面的面积、像素区域整体的尺寸等的情况下增加对应于一个像素的存储部的数量。由此，能够充分确保高速连续摄影的帧数。
另外，由于像素区域和存储区域分离，因此即使向光电变换元件入射强光而产生了过剩的量的光电荷，也能够防止该过剩的电荷到达存储部。而且，在存储部中，采用通过例如双多晶硅结构或层叠结构等的电容保持信号的结构，从而不会在到信号读取为止的待机期间产生暗电荷。由此，能够提高信号的S/N，例如，能够提高根据读取的信号进行再现的图像的质量。
在上述第一发明的固体摄像元件中，能够构成为所述多个存储部分别至少包括一个存储元件，在各存储元件与所述像素输出线之间具有选通单元。由此，能够将从各像素向像素输出线输出的信号选择性地存储在任意一个存储元件中。
在上述第一发明的固体摄像元件中，能够构成为像素区域内的各像素具有：传送元件，其将由光电变换元件生成的光电荷传送给将所述光电荷从电荷信号变换为电压信号的检测节点；缓冲元件，其介于检测节点与各像素的像素输出线之间，并从所述检测节点向所述像素输出线送出信号；和重置元件，其至少对光电变换元件和所述检测节点进行重置。
另外，为了解决上述课题而构成的第二发明的固体摄像元件特征在于，具备：a)光电变换元件，其接受光而生成光电荷；b)传送元件，其将由所述光电变换元件生成的光电荷传送给将所述光电荷从电荷信号变换为电压信号的检测节点；c)缓冲元件，其从所述检测节点向像素输出线送出输出信号；d)重置元件，其至少对所述光电变换元件和所述检测节点进行重置；和e)多个存储部，对通过所述像素输出线从同一个缓冲元件送出的输出信号进行保持；将所述光电变换元件、所述传送元件、所述缓冲元件以及所述重置元件作为一个像素，在像素区域内二维阵列状地配置多个像素，并且将分别对应于各像素的所述多个存储部汇集起来配置到与所述像素区域分离的存储区域内。
在上述第一发明和第二发明的固体摄像元件中，检测节点例如能够设置成基于扩散层的浮动区域(浮动扩散区)。另外，传送元件、重置元件可分别由晶体管构成，缓冲元件可采用由一个或多个晶体管构成的源极跟随放大器。
在第二发明的固体摄像元件中，通过按每个像素设置的缓冲元件断开了像素输出线与检测节点，因此即使为了增加连续摄影帧数而增加与同一个像素输出线连接的存储部的数量，光电荷蓄积动作也不会受到影响。因此，能够增加对应于一个像素的存储部的数量，并能够充分确保可连续摄影帧数。
在该第二发明的固体摄像元件中，将光电变换元件、传送元件、缓冲元件以及重置元件作为一个像素，在像素区域内配置多个像素，并且汇集了分别对应于各像素的多个存储部。因此，能够构成为在与所述像素区域分离的存储区域内配置这些存储部。由此，能够得到与上述第一发明的固体摄像元件同样的分离了像素区域和存储区域的效果。
另外，在上述第一发明和第二发明的固体摄像元件中，优选所述像素区域内的各像素至少具有一个电荷蓄积元件，其对进行蓄积光电荷的光电荷蓄积动作时从所述光电变换元件通过所述传送元件后溢出的或从所述检测节点溢出的光电荷进行蓄积。这里，电荷蓄积元件可以是电容。
由光电变换元件生成的光电荷被保持在光电变换元件内的电容中，进行信号读取时，通过传送元件例如在浮动扩散区等检测节点中变换成电压信号。提高光电变换增益来提高光灵敏度时，期望浮动扩散区的变换电容小。但是，小变换电容的浮动扩散区不能会聚大量的信号电荷。另外，由于从光电变换元件溢出的光电荷会被废弃而不加以利用，因此结果会导致动态范围降低。对此，通过设置对从光电变换元件通过传送元件后溢出的光电荷、从检测节点溢出的光电荷进行蓄积的电荷蓄积元件，不会废弃入射强光而产生的过量的光电荷，能暂时留在电荷蓄积元件中而使其反映在信号中。
另外，通过使蓄积晶体管介于在检测节点与电荷蓄积元件之间，能够使在进行溢出后的信号读取时构成检测节点的一部分的电荷蓄积元件在进行溢出前的信号读取时被断开。因此，能够使小信号电荷时的检测节点(浮动扩散区)的变换电容较小，并且能够提高光点变换增益。另一方面，信号电荷大时，根据电荷蓄积元件与浮动扩散区的合成电容检测溢出后的信号。由此，强光入射时大量生成的光电荷也都无废弃地加以利用，能够实现宽的动态范围。
在第一发明的固体摄像元件中，也可以在像素区域内一维地排列所述多个像素，特别是能够排列成二维阵列状的结构。即，采用在像素区域内排列N行×M列(N、M是2以上的整数)的像素的结构为好。
另外，由于每个像素上分别具有独立的像素输出线，因此能够在所有像素上同时执行向存储部转移信号的读取动作。所以，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，使提供给各像素的控制信号通用化，从而在所有像素中同时执行各像素的光电荷蓄积动作和通过各像素输出线从各像素读取信号的读取动作。
由此，由于能够在短时间内进行从各像素向存储部输出信号的动作，因此能够以高速反复进行光电荷蓄积动作和读取动作的周期。另外，能够使一个周期中接受光并对由此生成的光电荷进行蓄积的动作期间相对长，因此有利于提高灵敏度。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，向各像素和存储部提供控制信号，使得在所有像素中同时并反复执行各像素的光电荷蓄积动作和通过各像素输出线从各像素读取信号的读取动作，并且每次进行信号的读取动作时通过各像素输出线而送出的信号依次保持在所述多个存储部中。
由此，能够将在某一时刻通过摄影而在各像素中获取的信号(像素信号)一齐转移到存储部，并能够尽快执行下一次摄影。由此，能够进行高速的连续摄影。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，优选一个像素所对应的多个存储部分别具有能够独立地保持来自各像素的输出信号的多个存储元件，在一次光电荷蓄积动作的周期中，按照各像素内光电变换元件和检测节点被重置时残留的噪声成分以及基于光电荷的蓄积的电荷所对应的信号保持在同一存储部的不同存储元件中的方式，向各像素和存储部提供控制信号。
在该构成中，例如，通过在外部(或通过内置的运算单元)进行从信号中除去噪声成分的运算，从而减轻来自各种元件的固定模式噪声的影响，能够得到进一步提高了纯度(即S/N高)的像素信号。因此，有利于摄影图像的高画质化。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，优选一个像素所对应的多个存储部分别具有能够独立地保持来自各像素的输出信号的多个存储元件，在一次光电荷蓄积动作的周期中，按照各像素内光电变换元件和检测节点被重置时残留的噪声成分、蓄积光电荷时溢出到所述电荷蓄积元件之前的电荷所对应的信号以及蓄积光电荷时溢出到所述电荷蓄积元件之后的电荷所对应的信号保持在同一存储部的不同存储元件中的方式，向各像素和存储部提供控制信号。
在该构成中，通过将根据入射强光而产生的过剩的光电荷无浪费地反映在信号中来扩大动态范围，同时也能够减轻来自各种元件的固有噪声的影响。由此，有利于摄影图像的进一步的高画质化，例如能够向高速现象的物理性分析等提供有益的信息。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，能够构成为将属于同一列或行的多个像素的像素输出线按列或按行汇集起来配置到垂直方向或水平方向上。
另外，也可以将所述像素区域在垂直方向和/或水平方向上划分成多个，在各个划分像素区域中将属于同一列或行的多个像素的像素输出线按列或按行汇集起来配置到垂直方向或垂直方向上。
这样通过按列或按行将从各像素获取信号的像素输出线汇集起来配置，在像素区域内能够无偏斜而平衡性良好地配置多个像素，用于再现二维图像的图像处理容易并能够期待图像品质的提高。另外，制造该固体摄像元件时容易进行图案化。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，像素区域在俯视下为矩形状，存储区域配置在像素区域的四边中的一个或多个边的外侧。另外，也可以构成为与上述划分像素区域对应地分割存储区域，将该分割存储区域分别配置到像素区域的四边中的不同的边的外侧。由此，能够尽可能减小用于像素输出线的布线的区域。另外，例如，能够有效地进行半导体芯片整体上的布局。因此，在相同像素数、相同连续摄影帧数的条件下，能够减小半导体芯片面积，并且成本上也有利。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，也可以构成为在所述光电变换元件上配置多条所述像素输出线。而且，为了提高聚光率，也可以构成为按照在所述像素输出线间成像的方式在多条所述像素输出线上配置具有大致球面的一部分或大致圆柱的一部分的形状的多个片上微透镜。这样，通过在所述光电变换元件上配置多条所述像素输出线并按照在像素输出线间进行成像的方式配置多个片上微透镜，能够抑制有效数值孔径的劣化，并能够缩小像素间距。因此，有利于多像素化或芯片尺寸的缩小。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，显然可以构成为在同一个半导体芯片的同一个面上设置像素区域和存储区域，但是也可以采用除此之外的各种方式。作为一个方式，可以构成为将各像素的至少光电变换元件配置到半导体基板的与形成有存储区域的元件形成面相反侧的背面，并将该背面作为光入射面。
这样，通过使光电变换元件的配置面和存储区域为不同的面，能够确保扩大各光电变换元件的受光面，特别是能够提高量子效率和数值孔径，并能提高灵敏度。因此，能够缩短光电荷蓄积时间，且有利于连续摄影的高速化。另外，能够使像素区域和存储区域明确分离，并有利于提高像素信号的S/N。
另外，作为第一发明和第二发明的固体摄像元件的其它方式，可以构成为具有由绝缘物层分离的多个半导体层的三维集成电路，所述像素区域和所述存储区域形成在不同的半导体层上。而且，作为其它方式，也可以由多个半导体集成电路元件构成，所述像素区域和所述存储区域形成在不同的半导体集成电路元件上。
即，第一发明和第二发明的固体摄像元件不一定必须是由单一的半导体芯片构成的元件，也可以构成为使用多个半导体芯片并将其在横向(半导体芯片的延展方向)上排列或层叠在半导体芯片的厚度方向上。为了进行多个半导体芯片间的连线可以使用引线接合法，但是利用周知的倒装芯片技术时能够缩短芯片间的布线，而且有利于元件整体的小型化。
另外，在第一发明和第二发明的固体摄像元件中，也可以构成为所述存储部包括电容、将通过像素输出线而送出的来自各像素的输出信号送入电容中的开关元件。
(发明效果)
根据第一发明和第二发明的固体摄像元件，能够在抑制耗电的同时进行高速动作，例如能够充分确保100万帧/秒以上的高速的连续可摄影的帧数。由此，与使用以往的固体摄像元件时相比，能够进一步实现摄影的高速化，并能够得到有益于高速现象的分析的信息。另外，由于能减轻因暗电荷或过剩的光电荷的流入等引起的信号的劣化，因此能够改善S/M，提高高速摄影时的图像质量。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的固体摄像元件的半导体芯片上的大致布局的俯视图。
图2是在本实施例的固体摄像元件中表示像素区域内的一个像素的大致布局的俯视图。
图3是本实施例的固体摄像元件的主要部分的模块构成图。
图4是本实施例的固体摄像元件的一个像素的电路构成图。
图5是在本实施例的固体摄像元件中表示一个像素的光电变换部的大致布局的俯视图。
图6是图5中的A-A′向视线纵截面的示意电势图。
图7是在本实施例的固体摄像元件中对应于排列在垂直方向上的132个像素的一个存储部单元的示意构成图。
图8是本实施例的固体摄像元件的一个存储部的电路构成图。
图9是表示本实施例的固体摄像元件中的一个存储元件部的大致布局的俯视图。
图10是表示在本实施例的固体摄像元件中依次读取保持在各存储部中的信号的示意构成的模块图。
图11是在本实施例的固体摄像元件中光电荷蓄积时间短时的动作模式的驱动时序图。
图12是图11所示的动作中的各像素内的示意电势图。
图13是在本实施例的固体摄像元件中光电荷蓄积时间相对长时的动作模式的时序图。
图14图13所示的动作中的各像素内的示意电势图。
图15是本实施例的固体摄像元件的像素信号的依次读取时的动作时序图。
图16是本实施例的固体摄像元件的水平移位寄存器的主要部分的动作时序图。
图17是本实施例的固体摄像元件的垂直移位寄存器的主要部分的动作时序图。
图中：1-半导体基板；2、2a、2b-像素区域；3a、3b-存储区域；4a、4b-垂直扫描电路区域；5a、5b-水平扫描电路区域；6a、6b-电流源区域；10-像素；11-光电变换区域；12-像素电路区域；13-布线区域；14、141-像素输出线；15-驱动线；20-存储部单元；22-存储部；23、23a～23d-信号输出线；24、24a～24d-存储元件；25、25a～25d-电容；26、26a～26d-采样晶体管；27、27a～27d-读取晶体管；31-光电二极管；32-传送晶体管；33、331、332-浮动扩散区(floating diffusion)；333-金属布线；34-蓄积晶体管；35-重置晶体管；36-蓄积电容；37、40-晶体管；38、41-选择晶体管；39-电流源；43-源极跟随放大器；50-存储部单元模块；VSR1～104-垂直移位寄存器；HSR1～HSR320-水平移位寄存器。
具体实施方式
下面，参照附图说明作为本发明的一实施例的固体摄像元件。
首先，说明本实施例的固体摄像元件的整体的构成和结构。图1是表示本实施例的固体摄像元件的半导体芯片上的大致布局的俯视图，图3是本实施例的固体摄像元件的主要部分的模块构成图。
如图1所示，在该固体摄像元件中，在半导体基板1上用于接受光来生成每一个像素的信号的像素区域2(2a、2b)和用于将所述信号保持规定帧数份的存储区域3a、3b未混在一起而完全分离，并分别作为统一的区域来设置。在大致矩形状的像素区域2内，二维阵列状地配置有N行、M列的共N×M个像素10，该像素区域2被分割成分别配置了(N/2)×M个像素10的第一像素区域2a、第二像素区域2b这两个区域。该第一像素区域2a、第二像素区域2b分别相当于本发明的划分像素区域。
在第一像素区域2a的下侧，隔着小面积的第一电流源区域6a而配置有第一存储区域3a，在第二像素区域2b的上侧，同样隔着小面积的第二电流源区域6b而配置有第二存储区域3b。该第一存储区域3a、第二存储区域3b分别相当于本发明的分割存储区域。第一和第二存储区域3a、3b中分别设有第一和第二垂直扫描电路区域4a、4b以及第一和第二水平扫描电路区域5a、5b，其中以上两个扫描区域中分别设有用于控制从存储区域3a、3b中读取信号的移位寄存器或译码器等电路。即，以将像素区域2划分成上下两个部分的水平线作为边界，构成为大致上下对称的结构。由于该上下部分的结构或动作相同，因此在以下的说明中，主要描述下方的第一像素区域2a、第一存储区域3a、第一垂直扫描电路区域4a、第一水平扫描电路区域5a的结构以及动作。
像素数即上述N、M值可以分别任意地决定，这些值越大，则图像的分辨率就越大，但是，另一方面会导致整体的芯片面积变大或者每一个像素的芯片面积变小。这里，作为以高速度摄影为目的的固体摄像元件，设N＝264、M＝320。因此，如图3所示，分别配置在第一、第二像素区域2a、2b中的像素数是132×320。
图2是表示像素区域2(2a、2b)中的一个像素10的大致布局的俯视图。一个像素10所占的区域是大致正方形，其内部大致分成三个区域，即，光电变换区域11、像素电路区域12以及布线区域13。在布线区域13中，(N/2)+α根像素输出线14配置成沿纵向延伸。这里，α可以是0，此时，在本例中布线根数是132根。但是，一般形成多个这样平行延伸的布线(例如，Al等金属布线)时，两端布线的宽度或寄生电容很容易就会变得不同，因此，实际上，在两端各设置一根虚拟布线。此时，α＝2，布线总数是134根。
图4是图2所示的一个像素10的电路构成图。如图4所示，各像素10包括接受光来生成光电荷的光电二极管(相当于本发明的光电变换元件)31、靠近光电二极管31而设置的用于传送光电荷的传送晶体管(相当于本发明的传送元件)32、通过传送晶体管32与光电二极管31连接且暂时蓄积光电荷并将其变换为电压信号的浮动扩散区FD(相当于本发明的检测节点)33、进行光电荷的蓄积动作时用于蓄积从光电二极管31经过传送晶体管32溢出的电荷的蓄积晶体管34以及蓄积电容(相当于本发明的电荷蓄积元件)36、用于排出蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷的重置晶体管(相当于本发明的重置元件)35、用于将蓄积在浮动扩散区33中的电荷或蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36两者中的电荷作为电压信号进行输出的由被串联连接的两个PMOS型晶体管37、38和同样被串联连接的两个NMOS型晶体管40、41这两级构成的源极跟随放大器(相当于本发明的缓冲元件)而构成。
另外，图4中，在像素10内表示了用于向源极跟随放大器43的前一级的两个晶体管37、38提供电流的电流源39，但是实际上也可以不配置在各像素10内而是配置在第一电流源区域6a或第二电流源区域6b中。
在传送晶体管32、蓄积晶体管34、重置晶体管35以及源极跟随放大器43的选择晶体管38、41的栅极端子上分别连接用于提供由φT、φC、φR、φX构成的控制信号的驱动线15。如图3所示，这些驱动线在所有像素(也包括第二像素区域2b内的像素)中共用。
源极跟随放大器43的第二级的选择晶体管41的输出42与配置在上述的布线区域13中的132根像素输出线14中的一根(在图4中用符号141表示的像素输出线)连接。由于在每一个像素10中各设置1根该像素输出线141，因此在一根像素输出线141上只连接一个像素10(即源极跟随放大器43)。
源极跟随放大器43具有用于以高速驱动像素输出线141的电流缓冲器的功能。如图3所示，由于各像素输出线141从像素区域2a延伸到存储区域3a，因此会成为某种程度的大的容性负载，为了以高速对该像素输出线141进行驱动，需要能够使大电流流过的大尺寸的晶体管。但是，为了提高检测灵敏度而提高光电变换增益，则用于将光电荷变换为电压的浮动扩散区33的电容越小越好。由于连接在浮动扩散区33的晶体管的栅极端子的寄生电容会使浮动扩散区33的电容有效增加，因此由于上述原因，期望该晶体管是栅极输入电容小的小型晶体管。所以，为了满足输出侧中的大电流的提供和输入侧中的低电容，将源极跟随放大器43设置成两级构成，通过使前一级的晶体管37为小型晶体管来抑制输入栅极电容，后一级的晶体管40、41使用大的晶体管来确保大的输出电流。
另外，在源极跟随放大器43中，也可不设置前一级的选择晶体管38，但是，通过在后一级的选择晶体管41为截止状态时同时使选择晶体管38也处于截止状态来不让电流从电流源39流向晶体管37，从而能够抑制对应量的电流消耗。
图5是表示一个像素10的光电变换区域11的大致布局的俯视图，图6是图5中的A-A′向视线纵截面的示意电势图。具有大致矩形状的受光面的光电二极管31是嵌入型光电二极管结构。由于在高速摄影中曝光时间极其短，因此为了确保适当的曝光，需要尽量使各像素的光电二极管的受光面的面积大，并且需要尽量增加入射(受光)的光量。但是，一般，扩大光电二极管的受光面的面积时，特别是在其周边侧所生成的光电荷向作为检测节点的浮动扩散区移动所需时间成为问题，在高速摄影的短短一个周期期间不能被传送的光电荷会被浪费，或者会成为引起残像现象的原因。因此，在本实施例的固体摄像元件中，通过采用如下的特殊结构来提高电荷传送的速度。
通常，浮动扩散区被配置在光电二极管的侧方，如图5所示，在该固体摄像元件中，光电二极管31的大致中央部形成有小面积的浮动扩散区331，按照包围该浮动扩散区331的方式环状地设有传送晶体管32的栅极。由此，能够尽量缩短从光电二极管31的周边部到浮动扩散区331的光电荷的移动距离。
而且，形成光电二极管31时，通过使用多个光掩模，从光电二极管31的周边部向中央(即浮动扩散区331)设置杂质的掺入量或杂质注入深度的梯度。因此，如图6(a)所示，在向光电二极管31的pn结施加适当的偏压的状态下，会形成从外侧向内侧向下倾斜的电势梯度。根据该形成的即由工序上的方法形成的电势梯度，由受光而生成的光电荷越在周边部生成的电荷越被较大程度地加速，从而向中央侧前进。因此，若传送晶体管32为截止状态，则如图6(a)所示，在传送晶体管32的环状的栅极的周围会聚光电荷，若传送晶体管32为导通状态，则如图6(b)所示，光电荷经过传送晶体管32落入浮动扩散区331中。在何种情况下都能够以高的概率且迅速向浮动扩散区331传送光电二极管31中生成的光电荷。
在光电二极管31的中央部设置浮动扩散区331来得到了如上述的很大的优点，但是，与该浮动扩散区331靠近地配置蓄积溢出的光电荷的蓄积电容36等时，产生数值孔径降低的问题。因此，在像素电路区域12中，作为扩散层形成与上述浮动扩散区(以下称作第一浮动扩散区)331不同的第二浮动扩散区332，并且通过利用铝(Al)等金属布线333来连接第一浮动扩散区331与第二浮动扩散区332之间，使两者变成等电位。即，第一浮动扩散区331和第二浮动扩散区332构成一体，起到作为将电荷信号变换为电压信号的检测节点的浮动扩散区33的作用。
下面，详细说明第一和第二存储区域3a、3b的内部构成。如图3所示，第一和第二存储区域3a、3b内，沿着分别与排列在垂直方向上的132个像素10连接的132根像素输出线14的延伸方向，配置有蓄积帧数L份的存储部单元20。在该例中，蓄积帧数L即连续摄影帧数是104，在垂直方向上排列有104个存储部单元20，而且其在水平方向上排列有320个。因此，在第一存储区域3a中排列有104×320个存储部单元20。在第二存储区域3b中也排列有同样数量的存储部单元20。
图7是表示1个存储部单元20的内部构成的示意图。一个存储部单元20内排列有水平方向上的11个、垂直方向上的12个共计132个存储部22，各存储部22分别与不同的一根像素输出线141连接。通过像素输出线141，各存储部22分别与像素10一一对应，一个存储部单元20内的132个存储部22中分别保持有像素区域2a内的垂直方向的132个像素10的输出信号。因此，排列在水平方向上的320个存储部单元20(在图3中，用符号21表示的存储部单元行)中保持有由320×132像素(pixel)构成的1帧的像素信号，通过在垂直方向上排列104个该存储部20，能够保持104帧份的像素信号。
另外，在各存储部单元20中，132个存储部22的所有的信号输出线都被连接在一起构成一根信号输出线23。而且，如图3所示，排列在水平方向上的存储部单元20其相邻的每十个构成一组，每一组的十个存储部单元20的输出线被连接在一起形成一根信号输出线23，垂直方向上的104个存储部单元20的信号输出线23也被连接在一起。因此，信号输出线23的数量总共是上述组的数量即32根，这些并行进行输出。另外，由于从第二存储区域3b也抽出了同样数量的信号输出线，因此总共通过64根输出信号线来并行进行信号读取。
图8是表示一个存储部22的电路构成的图，图9是表示一个存储部22的大致布局的俯视图。由与一根像素输出线141连接的采样晶体管26(26a～26d)、通过采样晶体管26与像素输出线141连接的电容25(25a～25d)、用于读取保持在电容25中的模拟电压信号的读取晶体管27(27a～27d)构成作为最小存储单位的存储元件24(24a～24d)，一个存储部22由四个存储元件24a～24d形成一组而构成。因此，在一个存储部22中能够保持从同一个像素输出的四个不同的模拟电压信号。如图8、图9所示，由于通过四个读取晶体管27a～27d的信号输出线23a、23b、23c、24d分别被独立地设置，因此实际上具有四根(即，信号输出线23a、23b、23c、23d)信号输出线23。
这是因为，为了进行如后述的动态范围扩大处理，需要独立地保持对应于溢出前的电荷的信号、对应于溢出后的电荷的信号、包含在对应于溢出前的电荷的信号中的噪声信号、包含在对应于溢出后的电荷的信号中的噪声信号。但是，并不一定要拘泥于这样的目的，也能以其它动作方式利用各存储元件24a～24d。例如，若不利用各像素10的蓄积晶体管36，则无需考虑溢出后的信号或包含在溢出后的信号中的噪声信号，能够利用存储元件24来增加这部分的连续摄影的帧数。由此，能够进行两倍的208帧的连续摄影。另外，若也不进行噪声去除，则能够进行进一步的两倍的416帧的连续摄影。
与各像素10内的蓄积电容36相同，例如能够由双多晶硅栅极结构或层叠(stack)结构形成电容25a～25d。进行利用了CCD结构的电荷保持时，存在因热激励等引起暗电荷而导致的伪信号被附加在光信号中的问题，但是，使用双多晶硅栅极结构或层叠结构的电容25a～25d时，不会产生这样的暗电荷，因此不会附加伪信号，能够提高读取到外部的信号的S/N。
另外，由于期望电容25a～25d的每单位面积的电容大，因此可以使用高介电常数的绝缘膜。由此，能够抑制存储区域3a、3b的面积，也能够抑制该固体摄像元件的芯片面积。另外，为了进一步增加每单位面积的电容，也可以将电容25a～25d的绝缘膜设置成沟槽结构等非平面结构。
图10是表示用于使保持在存储区域3a内的各存储部中的信号通过如上述的信号输出线23来读取的示意构成的模块图。配置成二维阵列状的存储部单元20(20-01～20-10)的垂直方向的每一列上配置有水平移位寄存器HSR1～HSR320，水平方向的每一行上配置有垂直移位寄存器VSR1～VSR104。进行依次读取时，根据水平移位寄存器HSR1～HSR320和垂直移位寄存器VSR1～VSR104的组合选择存储部单元20，在被选择的存储部单元20中按顺序选择存储部22来读取像素信号。
接着，说明使用本实施例的固体摄像元件来进行高速摄影时的动作。首先，根据图11～图14说明各像素10中的光电变换动作和将根据此而生成的信号保存在一个存储部22中的动作。
在本实施例的固体摄像元件中，光电荷蓄积时间短时和光电荷蓄积时间相对长时能够选择不同的两个动作模式。作为目标，前者是光电荷蓄积时间为10μs程度以下的、能够忽略浮动扩散区中产生的暗电荷量的情况，进行100万帧/秒以上的高速摄影时，优选采用该动作模式。
(A)光电荷蓄积时间短时的动作模式
图11是光电荷蓄积时间短时的动作模式的驱动时序图，图12是该动作中的各像素10内的示意电势图。另外，在图12(后述的图14也相同)中CPD、CFD、CCS分别表示光电二极管31、浮动扩散区33、蓄积电容36的电容，CFD+CCS表示浮动扩散区33与蓄积电容36的合成电容。
此时，将提供给各像素10的共同的控制信号φX设为高电平，使源极跟随放大器43内的选择晶体管38、41一起维持导通状态。而且，在进行光电荷蓄积之前，同样地将共同的控制信号φT、φC、φR设为高电平，使传送晶体管32、蓄积晶体管34以及重置晶体管35均导通(时刻t0)。由此，重置(初始化)浮动扩散区33和蓄积电容36。另外，此时，光电二极管31处于完全被耗尽的状态。此时的电势状态如图12(a)所示。
之后，使φR置于低电平来使重置晶体管35截止时，浮动扩散区33中产生噪声信号N2，该噪声信号N2等效于包括在该浮动扩散区33和蓄积电容36中产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声(参照图12(b))，并且对应于该噪声信号N2的输出电流会流向像素输出线141。所以，通过在该定时(时刻t1)向存储部22赋予采样脉冲φN2来使采样晶体管26d导通，从而获取通过像素输出线141而被输出的噪声信号N2并将其保持在电容25d中。
之后，使φC处于低电平来使蓄积晶体管34截止时，根据浮动扩散区33和蓄积电容36的各自的电容CFD、CCS之比，分配该时刻蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的信号电荷(参照图12(c))。此时，浮动扩散区33中产生噪声信号N1，该噪声信号N1等效于包括使φC截止时所产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声，并且对应于该噪声信号N1的输出电流会流向像素输出线141。所以，通过在该定时(时刻t2)向存储部22赋予采样脉冲φN1来使采样晶体管26c导通，从而获取通过像素输出线141而被输出的噪声信号N1并将其保持在电容25c中。
由于传送晶体管32维持导通状态，因此通过入射到光电二极管31的光而产生的光电荷通过传送晶体管32(图6(b)所示的状态)流入浮动扩散区33中，与之前的噪声信号N1叠加并被蓄积在浮动扩散区33中(时刻t3)。假设入射强光而在光电二极管31中产生了大量的光电荷，并且浮动扩散区33已饱和，则溢出的电荷通过蓄积晶体管34被蓄积在蓄积电容36中(参照图12(d))。通过将蓄积晶体管34的阈值电压适当设定得较低，能够从浮动扩散区33向蓄积电容36有效地传送电荷。由此，即使浮动扩散区33的电容CFD较小而能够蓄积的最大饱和电荷较少，也能将饱和的电荷无废弃地有效进行利用。这样，浮动扩散区33中的电荷饱和(溢出)前和电荷饱和(溢出)后的任意情况下所产生的电荷都能被作为输出信号而加以利用。
若经过了规定的光电荷蓄积时间(曝光时间)，则在使蓄积晶体管34截止的状态下通过向存储部22赋予采样脉冲φS1来使采样晶体管26a导通，从而在该时刻(时刻t4)使对应于蓄积在浮动扩散区33中的电荷的信号通过像素输出线141输出，并将其保持在电容25a中(参照图12(e))。此时，由于蓄积在浮动扩散区33中的信号是在噪声信号N1上叠加了对应于溢出前的电荷的信号S1的信号，因此保持在电容25a中的是不反映蓄积在蓄积电容36中的电荷量的S1+N1。
紧接着，使φC处于高电平来使蓄积晶体管34导通时，在该时刻保持在浮动扩散区33中的电荷和保持在蓄积电容36中的电荷被混合(参照图12(f))。在该状态下，通过向存储部22赋予采样脉冲φS2来使采样晶体管26b导通(时刻t5)，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷的信号，即在噪声信号N2上叠加了溢出后的信号S2的信号通过像素输出线141输出，并将其保持在电容25b中。因此，保持在电容25b中的是反映了蓄积在蓄积电容36中的电荷量的S2+N2。
如上所述，在包括在一个存储部22中的四个电容25a、25b、25c、25d中分别保持信号S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此结束一个周期的图像信号的获取。如上所述，包括随机噪声和固定模式噪声的噪声信号N1、N2和包括这些噪声信号的信号是分别求出的。因此，通过从电容25a、25b、25c、25d读取各个信号之后对其进行减法运算处理，能够获得去除了噪声信号N1、N2的影响的高S/N的图像信号。另外，由于从浮动扩散区33溢出的电荷都能无废弃地加以利用，因此即使在强光入射的情况下也不易引起饱和，能够获得反映了该光的信号，并且能够确保大的动态范围。另外，关于能够扩大这样的动态范围的详细说明例如在特开2006-245522号公报等文献中有记载，因此在这里省略其说明。
(B)光电荷蓄积时间相对长时的动作模式
下面，说明光电荷蓄积时间相对长时的动作。图13是光电荷蓄积时间相对长时的驱动时序图，图14是该动作的各像素内的示意电势图。
与光电荷蓄积时间短时的最大的不同点是：在光电荷蓄积期间，使传送晶体管32截止并将在光电二极管31中产生的光电荷蓄积在耗尽层中；光电荷蓄积期间使传送晶体管截止；通过在光电荷蓄积期间的最后进行噪声信号N1的采样，使浮动扩散区33中产生的暗电荷(和光电荷)不包括在S1信号中。使传送晶体管32截止是因为为了使其栅极正下方的硅-绝缘膜界面处于蓄电状态，从而使硅表面被空穴填充并防止来自硅-绝缘膜界面的暗电荷的入侵。而且，由于光电荷蓄积时间长，因此为了抑制耗电而使源极跟随放大器43的选择晶体管38、41截止规定时间。
进行光电荷蓄积之前，使φT、φC、φR处于高电平，使传送晶体管32、蓄积晶体管34以及重置晶体管35均导通(时刻t10)。由此，对浮动扩散区33和蓄积电容36进行重置(初始化)。另外，此时，光电二极管31处于完全被耗尽的状态。此时的电势的状态如图14(a)所示。
之后，使φR处于低电平来使重置晶体管35截止时，在浮动扩散区33中产生噪声信号N2，该噪声信号N2等效于包括在该浮动扩散区33和蓄积电容36中产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声(参照图14(b))，并且对应于该噪声信号N2的输出电流流向像素输出线141中。所以，通过在该定时(时刻t11)向存储部22赋予采样脉冲φN2来使采样晶体管26d导通，从而在电容25d中保持通过像素输出线141被输出的噪声信号N2。到此为止的动作与上述的光电荷蓄积时间短时的动作模式相同。
之后，使φC处于低电平来使蓄积晶体管34截止时，根据浮动扩散区33和蓄积电容36的各自的电容CFD、CCS之比，分配该时刻蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷。而且，使φT处于低电平来使传送晶体管32截止，使φX也处于低电平来使源极跟随放大器43的两个选择晶体管38、41也截止(时刻t12)。由此，在光电二极管31和浮动扩散区33之间形成势垒，成为能够蓄积光电二极管31中的光电荷的状态(参照图14(c))。
通过入射到光电二极管31中的光而产生的光电荷被蓄积在光电二极管31的电容CPD中，但是若在光电二极管31中产生饱和，则以上的过剩的电荷会通过传送晶体管32叠加在如上电容比分配的噪声信号上，并被蓄积在浮动扩散区33中。而且，入射强光而使浮动扩散区33饱和时，电荷通过蓄积晶体管34被蓄积在蓄积晶体管36中(参照图14(d))。
通过将蓄积晶体管34的阈值电压适当设定得比传送晶体管32的阈值电压还低，能够将在浮动扩散区33中饱和的电荷有效地传送给蓄积电容36，而无需使其回到光电二极管31侧。由此，即使浮动扩散区33的电容CFD小而能够蓄积的电荷量少，也能无废弃地有效地利用溢出的电荷。这样，浮动扩散区33中的溢出前和溢出后的任意情况下所产生的电荷都能作为输出信号来加以利用。
若经过了规定的光电荷蓄积时间，则使φX处于高电平来使选择晶体管38、41导通之后，向存储部22赋予采样脉冲φN1来使采样晶体管26c导通，从而使对应于在该时刻(时刻t13)蓄积在浮动扩散区33中的信号电荷的噪声信号N1通过像素输出线141而输出，并将其保持在电容25c中。此时的噪声信号N1中包含有因源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声。
之后，使φT处于高电平来使传送晶体管32导通，将蓄积在光电二极管31中的光电荷完全传送给浮动扩散区33(参照图14(e))。紧接着(时刻t14)，通过向存储部22赋予采样脉冲φS1来使采样晶体管26a导通，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33中的电荷的信号通过像素输出线141而输出，并将其保持在电容25a中。此时的信号是基于在之前的噪声信号N1上叠加了蓄积在光电二极管31中的电荷的信号，即叠加了溢出前的信号S1，因此是S1+N1。
之后，使φC处于高电平来使蓄积晶体管34导通时，在该时刻保持在浮动扩散区33中的电荷和保持在蓄积电容36中的电荷被混合(参照图14(f))。在该状态(时刻t15)下，通过向存储部22赋予采样脉冲φS2来使采样晶体管26b导通，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33以及蓄积电容36中的电荷的信号通过像素输出线141而输出，并将其保持在电容25b中。此时的信号是S2+N2。
如以上所述，在一个存储部22中包含的四个电容25a、25b、25c、25d中分别保持信号S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此结束一个周期的图像信号的获取。与光电荷蓄积时间短时的动作模式同样，由于分别求出包括随机噪声和固定模式噪声的噪声信号N1、N2和包括这些噪声信号的信号，因此从电容25a、25b、25c、25d读取各个信号之后，通过进行减法运算处理，能够获得去除了噪声信号N1、N2的影响的高S/N的像素信号。另外，由于也能无废弃地利用从浮动扩散区33溢出的电荷，因此即使在强光入射下也不易引起饱和，并且能够获得反映了该光的信号，并能确保大的动态范围。
如上所述，由于提供给各像素10的控制信号φX、φT、φR、φC相同，因此能在所有的像素10中同时进行如上述的光电荷蓄积动作以及从各像素10向存储部22的信号的传送动作。即，在上述一个周期中，一帧份的图像信号被保持在图3中的排列在存储区域3a的水平方向上的320个存储部单元20内的存储部22中。通过反复进行104次该动作，在所有的存储部单元20内的存储部22中保持像素信号。第105次以后，按照再次向最上面的存储部单元20中写入像素信号的方式循环执行保持动作。例如，直到从外部赋予摄影停止指示信号为止，反复进行这样的动作。赋予摄影停止指示信号来中止摄影时，那个时刻在存储区域3a、3b中保持最新的104帧份的像素信号。
另外，在各存储部22中，如上所述，在已保持有一些信号的电容25中保持新的信号时，为了废弃此前的信号而需要执行重置。因此，虽然未图示，但是，各像素输出线141上分别连接有重置用的晶体管，重置某一个存储部22的电容25时，使该存储部22的采样晶体管26导通并且使与对应的像素输出线141连接的重置用晶体管导通，蓄积在电容25上的信号通过采样晶体管26、像素输出线141被重置。执行这样的重置后，在电容25中保持新的信号。
保持在各存储部22的电容25中的信号通过依次使连接在同一个信号输出线23上的读取晶体管27导通来进行读取。由于同一个存储部22的四个读取晶体管27a～27d分别与不同的信号输出线23a～23d连接，因此能够同时读取分别保持在同一个存储部22内的四个电容25a～25d中的信号。而且，通过由未图示的减法运算电路进行(S1+N1)-N1、(S2+N2)-N2的减法运算处理，能够分别获取去除了随机噪声和固定模式噪声的S1信号、S2信号。另外，作为像素信号采用S1、S2的哪一个是按照以下方法进行的：以S1的饱和信号量以下的适当的信号电平为基准(阈值)，根据在阈值以上还是小于阈值来分别选择S1、S2。由于在饱和信号量以下实施这样的切换，能够避免信号S1的饱和偏差的影响。
下面，根据图15～图17说明从存储区域3a、3b依次读取信号的动作。图15是从存储区域3a、3b依次读取信号时的动作时序图，图16是水平移位寄存器HSR的主要部分的动作时序图，图17是垂直移位寄存器VSR的主要部分的动作时序图。
作为一个事例，在图10所示的第一帧的320个存储部单元20中说明左端侧的存储部单元模块50的读取顺序。首先，在左端的存储部单元20-01中，从左向右按顺序读取11像素份的图7所示的水平方向的第一行的存储部22的像素信号。通过激活水平移位寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR1来选择该存储部单元20-01，并根据水平方向的读取时钟H-CLK移动从水平方向的左到右方向逐个使存储部22的读取晶体管27导通的脉冲信号。该脉冲信号的一例是图16所示的y1、y2、y3。这样结束一行份的读取时，赋予向垂直方向进行读取的时钟V-CLK，由此向接下来的第二行的存储部22转移，同样从左向右进行移动并读取11像素份。根据该反复动作，一直到第十二行的结束为止进行像素信号的读取。激活该垂直方向的各行的读取晶体管27的信号的一例是图17所示的v1、v2、v3。
之后，这次通过激活水平移位寄存器HSR2和垂直移位寄存器VSR1，选择右边相邻的存储部单元20-02，如图16所示，读取对象向该存储部单元20-02转移。这样，与上述同样地，通过按行→列的顺序逐个像素使各存储部22的读取晶体管27导通，从而读取信号。这样，按顺序将存储部单元20的选择进行到存储部单元20-10，在结束所述存储部单元20-10的第十二行的存储部22的读取时，完成一帧份的读取。在其它存储部单元模块50中也与上述动作并行地执行从对应的存储部单元的存储部的信号的读取。
这样，结束第一帧的所有像素信号的读取后，接着开始第二帧的像素信号的读取。即，如图16所示，由于通过激活水平移位寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR2来选择图10所示的第二行的存储部单元中的左端的存储部，因此按照与第一帧相同的顺序执行读取，并通过反复进行该动作来完成104帧为止的读取。但是，这样的读取顺序并不仅限于此，能够进行适当的变更。
在上述实施例的固体摄像元件中，能够将像素输出线14构成为配置在光电变换区域11上的构成。而且，为了提高聚光率，也可以构成为在像素输出线14上使具有大致球面的一部分或大致圆柱的一部分的形状的多个片上微透镜(on-chip microlens)配置成在像素输出线14间成像。
在上述实施例的固体摄像元件中，将像素区域2(2a、2b)和存储区域3(3a、3b)作为分别独立的区域而分开设置在半导体基板1上的同一个面上，但是也可以是背面光入射型的结构。即，例如，也可以通过使二维阵列状配置了光电二极管31的光入射面为形成了晶体管等的布线面的相反侧，从而分开像素区域2(2a、2b)和存储区域3(3a、3b)。
另外，也可以构成为不在同一个半导体芯片上形成像素区域2(2a、2b)和存储区域3(3a、3b)，而是分别形成在不同的半导体芯片上，并用已知的方法连接两者。具体而言，可以构成为将各个半导体芯片搭载在不同的基板上并通过引线接合来进行两者间的信号的交换。另外，也可以不在水平方向上排列，而是例如通过倒装芯片安装来层叠成能够进行多个半导体芯片间的信号的交换的构成。
另外，也可以不在不同的半导体芯片上设置像素区域2(2a、2b)和存储区域3(3a、3b)，而是将二维阵列状的光电二极管31形成在一个半导体芯片上，将除光电二极管31之外的像素区域2(2a、2b)和存储区域3(3a、3b)形成在其他半导体芯片上，并通过引线接合或倒装芯片安装来连接两者。
另外，上述实施例是本发明所涉及的固体摄像元件的一例，显然，在本发明的宗旨范围内即使进行适当变形或修正、追加也会包括在本申请的保护范围内。

Claims (18)

1.一种固体摄像元件，其特征在于，具有：
a)像素区域，排列有多个包括接受光而生成光电荷的光电变换元件的像素；和
b)存储区域，该存储区域是与所述像素区域分离的区域，配置有用于保持对应于所述像素区域内的各像素而输出的信号的多个存储部；
像素输出线从所述像素区域内的各像素分别独立地延伸到所述存储区域，所述像素输出线上分别连接所述多个存储部。
2.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述多个存储部分别至少包括一个存储元件，在各存储元件与所述像素输出线之间具有选通单元。
3.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述像素区域内的各像素具有：
传送元件，其将由所述光电变换元件生成的光电荷传送给将所述光电荷从电荷信号变换为电压信号的检测节点；
缓冲元件，其介于所述检测节点与各像素的像素输出线之间，并从所述检测节点向所述像素输出线送出信号；和
重置元件，其至少对所述光电变换元件和所述检测节点进行重置。
4.一种固体摄像元件，其特征在于，具备：
a)光电变换元件，其接受光而生成光电荷；
b)传送元件，其将由所述光电变换元件生成的光电荷传送给将所述光电荷从电荷信号变换为电压信号的检测节点；
c)缓冲元件，其从所述检测节点向像素输出线送出输出信号；
d)重置元件，其至少对所述光电变换元件和所述检测节点进行重置；和
e)多个存储部，对通过所述像素输出线从同一个缓冲元件送出的输出信号进行保持；
将所述光电变换元件、所述传送元件、所述缓冲元件以及所述重置元件作为一个像素，在像素区域内二维阵列状地配置多个像素，并且将分别对应于各像素的所述多个存储部汇集起来配置到与所述像素区域分离的存储区域内。
5.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述像素区域内的各像素至少具有一个电荷蓄积元件，其对进行蓄积光电荷的光电荷蓄积动作时从所述光电变换元件通过所述传送元件后溢出的或从所述检测节点溢出的光电荷进行蓄积。
6.根据权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，
使提供给各像素的控制信号通用化，从而在所有像素中同时执行各像素的光电荷蓄积动作和通过各像素输出线从各像素读取信号的读取动作。
7.根据权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，
向各像素和存储部提供控制信号，使得在所有像素中同时并反复执行各像素的光电荷蓄积动作和通过各像素输出线从各像素读取信号的读取动作，并且每次进行信号的读取动作时通过各像素输出线而送出的信号依次保持在所述多个存储部中。
8.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
一个像素所对应的多个存储部分别具有能够独立地保持来自各像素的输出信号的多个存储元件，在一次光电荷蓄积动作的周期中，按照各像素内光电变换元件和检测节点被重置时残留的噪声成分以及基于光电荷的蓄积的电荷所对应的信号保持在同一存储部的不同存储元件中的方式，向各像素和存储部提供控制信号。
9.根据权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，
一个像素所对应的多个存储部分别具有能够独立地保持来自各像素的输出信号的多个存储元件，在一次光电荷蓄积动作的周期中，按照各像素内光电变换元件和检测节点被重置时残留的噪声成分、蓄积光电荷时溢出到所述电荷蓄积元件之前的电荷所对应的信号以及蓄积光电荷时溢出到所述电荷蓄积元件之后的电荷所对应的信号保持在同一存储部的不同存储元件中的方式，向各像素和存储部提供控制信号。
10.根据权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，
将属于同一列或行的多个像素的像素输出线按列或按行汇集起来配置到垂直方向或垂直方向上。
11.根据权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，
将所述像素区域在垂直方向和/或水平方向上划分成多个，在各个划分像素区域中将属于同一列或行的多个像素的像素输出线按列或按行汇集起来配置到垂直方向或水平方向上。
12.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述像素区域在俯视下为矩形状，所述存储区域配置在所述像素区域的四边中的一个或多个边的外侧。
13.根据权利要求11所述的固体摄像元件，其特征在于，
与所述划分像素区域对应地分割所述存储区域，将该分割存储区域分别配置到所述像素区域的四边中的不同的边的外侧。
14.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
在所述光电变换元件上配置多条所述像素输出线，按照在所述像素输出线间成像的方式在多条所述像素输出线上配置具有大致球面的一部分或大致圆柱的一部分的形状的多个片上微透镜。
15.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
将各像素的至少所述光电变换元件配置到半导体基板的与形成有所述存储区域的元件形成面相反侧的背面，并将该背面作为光入射面。
16.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
该固体摄像元件构成为具有由绝缘物层分离的多个半导体层的三维集成电路，所述像素区域和所述存储区域形成在不同的半导体层上。
17.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
该固体摄像元件由多个半导体集成电路元件构成，所述像素区域和所述存储区域形成在不同的半导体集成电路元件上。
18.根据权利要求3或4所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述存储部包括：
电容；和
开关元件，其将通过像素输出线传送的来自各像素的输出信号送入所述电容中。
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