CN107026961B - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够进行较宽动态范围摄影的摄像装置及摄像模块。摄像装置具有：半导体基板；第1摄像单元，包括所述半导体基板内的第1光电变换部、和一端与所述第1光电变换部电连接的第1电容元件；以及第2摄像单元，包括所述半导体基板内的第2光电变换部，在俯视观察时，所述第2光电变换部的面积大于所述第1光电变换部的面积。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及以CMOS图像传感器为代表的摄像装置及摄像模块。
背景技术
在自然界中存在明暗差异较大的被摄体。例如，在车载用的摄像装置中要求同时拍摄较明亮的被摄体和较暗的被摄体，以便应对明亮度时刻变化的被摄体(高动态范围)。为了实现高动态范围，专利文献1及2提出了如下所述的方法。
在专利文献1及2所公开的摄像装置中使用硅酮光电二极管。在专利文献1中，通过将曝光时间(以下有时称为“蓄积时间”)彼此不同的图像合成，能够得到较宽的动态范围。该方法已经得到实际应用。另外，在专利文献2中，将从在1像素内配置的灵敏度不同的多个摄像单元得到的图像合成，扩大动态范围。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开昭62－108678号公报
【专利文献2】日本特开2008－99073号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述以往的摄像装置中，要求进一步提高高动态范围摄影技术。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明的一个方式的摄像装置具有：半导体基板；第1摄像单元，包括半导体基板内的第1光电变换部、和一端与第1光电变换部电连接的第1电容元件；以及第2摄像单元，包括半导体基板内的第2光电变换部，在俯视观察时，第2光电变换部的面积大于第1光电变换部的面积。
另外，概括性的或具体的方式也可由元件、器件、系统、集成电路、及方法实现。并且，概括性的或具体的方式也可通过元件、器件、系统、集成电路、及方法的任意组合来实现。
所公开的实施方式的追加性效果及优点根据说明书及附图得到明确。效果及/或优点由在说明书及附图中公开的各个实施方式或者特征单独实现，为了得到这些效果及/或优点中一个以上的效果及/或优点，不一定需要上述全部要素。
发明效果
根据本发明的一个方式，提供能够进行较宽动态范围摄影的摄像装置及摄像模块。
附图说明
图1是示意地表示以往的摄像单元特性和优选的摄像单元特性的图。
图2是示意地表示以往的摄像单元特性和更优选的摄像单元特性的图。
图3是示意地表示示例性的第1实施方式的摄像装置100的构造的一例的块结构图。
图4是示例性的第1实施方式的单位像素30的电路图。
图5是示意地表示示例性的第1实施方式的摄像装置100中的单位像素30的器件构造的剖视图。
图6是示意地表示示例性的第1实施方式的摄像装置100中的单位像素30的另一器件构造的剖视图。
图7是示意地表示示例性的第1实施方式的摄像装置100中的单位像素30的另一器件构造的剖视图。
图8是示意地表示示例性的第1实施方式的摄像装置100中的单位像素30的另一器件构造的剖视图。
图9是示意地表示示例性的第1实施方式的摄像装置100中的单位像素30的又另一器件构造的剖视图。
图10是示例性的第1实施方式的摄像装置100的单位像素30的俯瞰观察时的布局图。
图11是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图12是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图13是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图14是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图15是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图16是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图17是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图18是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图19是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图20是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图21是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图22是示意地表示示例性的第1实施方式的单位像素30的变形的电路图。
图23是表示示例性的第1实施方式的摄像装置100的1个循环(1帧)期间的曝光及读出动作的定时的时序图。
图24示意地表示安装了摄像装置100的摄像模块200的功能单元。
标号说明
30单位像素；31第1摄像单元；31’第2摄像单元；45、45’垂直信号线；46、46’电源配线；47、47’复位信号线；48、48’地址信号线；49、49’反馈信号线；51第1电荷检测电路；51’第2电荷检测电路；52第1垂直扫描电路；52’第2垂直扫描电路；53第1水平扫描电路；53’第2水平扫描电路；54第1列AD变换电路；54’第2列AD变换电路；100摄像装置；200摄像模块；300半导体基板；301配线层；302A、302B微透镜；303STI；304触点；305滤色器；13、13’MIM电容元件；310下部电极；311上部电极；312绝缘体；400DSP；RSS、RSSL、RSSS复位晶体管；TX、TXL、TXS传输晶体管；SFS、SFSS、SFSL放大晶体管；SEL、SELS、SELL地址晶体管；PDS、PDL光电二极管；Csat、CsatS、CsatL、Cc、Cs电容元件；FBAMPS、FMAMPL反转放大电路。
具体实施方式
首先，说明本申请发明人发现的现有技术的问题。
在专利文献1所公开的图像合成中，多个图像数据是按照时间序列取得的。因此，为了取得一张合成图像，需要通常的摄像时间的数倍的时间。并且，由于将具有时间差的图像合成，因而破坏了图像的同时性，导致运动的被摄体的图像产生紊乱。
在专利文献2中使用灵敏度及饱和电子数相同的、且相同大小的多个光电二极管，并具有将入射到各个光电二极管的光量划分为大小两种的单片透镜。根据该结构，能够实现在多个摄像单元之间灵敏度实质上不同。由于在1像素上安装两个单元，因而能够同时进行摄像，确保图像的同时性。
另一方面，由于需要在1像素内配置两个单元，因而不得不将光电二极管的面积设为以往的1/2以下。光电二极管的面积、与灵敏度或者饱和电子数大致存在比例关系。其结果是，如果将光电二极管的面积设为1/2以下，则灵敏度及饱和电子数也成为以往的1/2以下。
图1示意地表示以往的摄像单元特性和优选的摄像单元特性。相对于在一个像素内具有一个摄像单元的通常的单元(以下称为“通常单元”)，在高动态范围摄影(HDR)中，使用一个像素内的两个摄像单元。优选这两个摄像单元分别具有(a)与通常单元大致相同的灵敏度及饱和电子数的摄像单元特性，(b)饱和电子数与通常单元大致相同、灵敏度比通常单元低的摄像单元特性。图中的“a”及“b”表示其优选的组合。
图1中的“a’”及“b’”表示专利文献2中的两个摄像单元的组合。如上所述，各摄像单元(光电二极管)的面积达到通常单元的1/2以下。因此，各摄像单元的灵敏度降低，饱和电子数也减少。这意味着偏离了优选的特性。这样，专利文献2的摄像单元的特性与所要求的特性相比明显变差。
图2示意地表示以往的摄像单元特性和更优选的摄像单元特性。如图2的“b”所示，通过降低灵敏度，入射光的光量较高时可能产生的饱和将减缓。此外，如果增大饱和电子数自身，动态范围进一步扩大。
本发明的一个方式的概要如在以下项目中记载的那样。
[项目1]
一种摄像装置，具有：
半导体基板；
第1摄像单元，包括所述半导体基板内的第1光电变换部、和一端与所述第1光电变换部电连接的第1电容元件；以及
第2摄像单元，包括所述半导体基板内的第2光电变换部，
在俯视观察时，所述第2光电变换部的面积大于所述第1光电变换部的面积。
[项目2]
根据项目1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还包括与所述第1光电变换部电连接的第1电荷检测电路，
所述第2摄像单元还包括与所述第2光电变换部电连接的第2电荷检测电路。
[项目3]
根据项目2所述的摄像装置，
所述第1电荷检测电路包括源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接的第1复位晶体管，
所述第2电荷检测电路包括源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接的第2复位晶体管。
[项目4]
根据项目2所述的摄像装置，
所述第1摄像单元具有源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接的第1传输晶体管，
所述第1电荷检测电路包括：
第1浮动扩散体，与所述第1传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接；以及
第1复位晶体管，源极及漏极中一方与所述第1浮动扩散体电连接。
[项目5]
根据项目4所述的摄像装置，
所述第2摄像单元具有源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接的第2传输晶体管，
所述第2电荷检测电路包括：
第2浮动扩散体，与所述第2传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接；以及
第2复位晶体管，源极及漏极中一方与所述第2浮动扩散体电连接。
[项目6]
根据项目1所述的摄像装置，
所述第2摄像单元包括：
传输晶体管，源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接；
浮动扩散体，与所述传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接。
[项目7]
根据项目1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还包括源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接的第1传输晶体管，
所述第2摄像单元还包括源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接的第2传输晶体管，
所述第1摄像单元及所述第2摄像单元包括浮动扩散体，该浮动扩散体与所述第1传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接和所述第2传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方双方电连接。
[项目8]
根据项目7所述的摄像装置，
所述第1摄像单元及所述第2摄像单元包括源极及漏极中一方与所述浮动扩散体电连接的复位晶体管。
[项目9]
根据项目1～8中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第2摄像单元没有电容元件。
[项目10]
根据项目1～9中任意一个项目所述的摄像装置，
在俯视观察时，所述第2光电变换部的形状与所述第1光电变换部的形状不同。
[项目11]
根据项目1～10中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还具有位于所述第1光电变换部的光入射侧的第1微透镜，
所述第2摄像单元还具有位于所述第2光电变换部的光入射侧的第2微透镜，
所述第2微透镜的聚光面积大于所述第1微透镜的聚光面积。
[项目12]
根据项目1～11中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻配置，
所述第1摄像单元及所述第2摄像单元还包括位于所述第1光电变换部及所述第2光电变换部的光入射侧的共用的微透镜，
所述第2光电变换部位于所述微透镜的光轴上。
[项目13]
根据项目1～12中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1电容元件包括下部电极、上部电极、以及被夹在所述下部电极和所述上部电极之间的绝缘体，
所述下部电极和所述上部电极任意一方与所述第1光电变换部电连接。
[项目14]
根据项目1～13中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻配置，
在俯视观察时，所述第1电容元件位于所述第1光电变换部和所述第2光电变换部之间。
[项目15]
根据项目1～14中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻配置，
在俯视观察时，所述第1电容元件至少一部分与所述第1光电变换部及所述第2光电变换部一方或者双方重叠。
[项目16]
根据项目1～15中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1摄像单元在第1蓄积时间期间蓄积所述第1光电变换部生成的第1电荷，
所述第2摄像单元在第2蓄积时间期间蓄积所述第2光电变换部生成的第2电荷，
所述第2蓄积时间比所述第1蓄积时间长。
[项目17]
根据项目2～16中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1电荷检测电路在1帧期间中，不将所述第1光电变换部生成的第1电荷复位而至少两次读出所述第1电荷。
[项目18]
一种摄像装置，具有第1摄像单元和第2摄像单元，
所述第1摄像单元包括：
第1光电变换部，将入射光变换为第1电荷；
第1蓄积电容，与所述第1光电变换部电连接，蓄积所述第1电荷；
第1电荷检测电路，与所述第1蓄积电容连接，读出在所述第1蓄积电容蓄积的所述第1电荷，
所述第2摄像单元包括：
第2光电变换部，将入射光变换为第2电荷；
第2蓄积电容，与所述第2光电变换部连接，蓄积所述第2电荷；
第2电荷检测电路，与所述第2蓄积电容连接，读出在所述第2蓄积电容蓄积的所述第2电荷，
所述第2光电变换部构成为接受比所述第1光电变换部多的光，
所述第1蓄积电容的电容值大于所述第2蓄积电容的电容值。
[项目19]
根据项目18所述的摄像装置，
所述第1蓄积电容包括电容元件，所述第2蓄积电容不包括电容元件。
[项目20]
根据项目18或19所述的摄像装置，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻配置，
所述第1及第2摄像单元还包括位于所述第1及第2光电变换部的光入射侧的共用的微透镜，
所述第2光电变换部位于所述微透镜的光轴上。
[项目21]
根据项目1～11中任意一个项目所述的摄像装置，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻配置，
所述第1及第2摄像单元还包括位于所述第1光电变换部及第2光电变换部的光入射侧的共用的微透镜，
所述第2光电变换部配置在通过所述微透镜将光聚光的区域中。
[项目22]
根据项目1～21中任意一个项目所述的摄像装置，
所述摄像装置具有多个的所述第1摄像单元及第2摄像单元，
多个的第1及第2摄像单元在俯视观察时排列成一维状或者二维状。
[项目23]
根据项目2所述的摄像装置，在俯视观察时，所述第2电荷检测电路的面积大于所述第1电荷检测电路的面积。
[项目24]
根据项目3所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还具有第1反馈循环，
所述第1反馈循环包括第1反转放大电路、所述第1复位晶体管、和所述第1电荷检测电路，
所述第2摄像单元还具有第2反馈循环，
所述第2反馈循环包括第2反转放大电路、所述第2复位晶体管、和所述第2电荷检测电路。
下面，参照附图说明本发明的实施方式。另外，本发明不限于以下的实施方式。并且，能够在不脱离发挥本发明的效果的范围的范围内进行适当变更。并且，也能够将一个实施方式和另一个实施方式进行组合。在下面的说明中，对相同或相似的构成要素标注相同的参照标号。并且，存在省略重复的说明的情况。
(第1实施方式)
图3示意地表示摄像装置100的构造的一例。摄像装置100具有呈二维状排列的多个单位像素30。另外，实际上能够将数百万个单位像素30排列成二维状，但在图3中示出了其中被配置成2行2列的矩阵状的单位像素30。另外，摄像装置100也可以是线传感器。在这种情况下，多个单位像素30呈一维状(行方向或者列方向)排列。
单位像素30包括第1摄像单元31和第2摄像单元31’。第1摄像单元31是对应于高饱和的摄像单元。第2摄像单元31’是对应于低噪声的摄像单元。典型地讲，第1摄像单元31作为低灵敏度用的摄像单元发挥作用，第2摄像单元31’作为高灵敏度用的摄像单元发挥作用。摄像装置100具有第1摄像单元31用的按每行配置的复位信号线47和地址信号线48、并具有按每列配置的垂直信号线45和电源配线46。并且，摄像装置100具有第2摄像单元31’用的按每行配置的复位信号线47’和地址信号线48’、以及按每列配置的垂直信号线45’和电源配线46’。
摄像装置100具有独立的对来自第1摄像单元31的信号进行处理的第1周边电路、和对来自第2摄像单元31’的信号进行处理的第2周边电路。第1周边电路具有第1垂直扫描电路52、第1水平扫描电路53和第1列AD变换电路54。第2周边电路具有第2垂直扫描电路52’、第2水平扫描电路53’和第2列AD变换电路54’。其中，第1摄像单元31的地址信号线和第2摄像单元31’的地址信号线能够根据像素的结构而共用。
着重于第1摄像单元31时，第1垂直扫描电路52控制多条复位信号线47和多条地址信号线48。垂直信号线45与第1水平扫描电路53连接，将像素信号传递给第1水平扫描电路53。电源配线46对所有的单位像素30供给电源电压。
(第1摄像单元31及第2摄像单元31’的电路结构)
下面，参照图4说明第1摄像单元31及第2摄像单元31’的电路结构的一例。
图4是单位像素30的电路图，示意地示出了第1摄像单元31及第2摄像单元31’的电路结构。第1摄像单元31包括第1光电变换部PDS和第1电荷检测电路51。第2摄像单元31’包括第2光电变换部PDL和第2电荷检测电路51’。第1光电变换部PDS及第2光电变换部PDL是受光元件，典型地讲是光电二极管(PD)。并且，第1光电变换部PDS也可以具有与第2光电变换部PDL不同的平面形状。在俯视观察时，第2电荷检测电路51’的面积大于第1电荷检测电路51的面积。
在第1摄像单元31及第2摄像单元31’中，将设于半导体基板的第1光电变换部PDS配置成比设于半导体基板的第2光电变换部PDL小。因此，第2光电变换部PDL针对同一光量的产生电荷量比第1光电变换部PDS多，因而是高灵敏度。
在第1摄像单元31中，第1光电变换部PDS与电容元件Csat电连接，第1光电变换部PDS和电容元件Csat的连接点，与复位晶体管RSS的源极电极、及成为源极跟随电路的输入的放大晶体管SFS的栅极电极连接。复位晶体管RSS将在第1光电变换部PDS蓄积的电荷复位(初始化)。换言之，复位晶体管RSS将放大晶体管SFS的栅极电极的电位复位。
第1摄像单元31具有所谓3晶体管型的CMOS图像传感器像素的结构。以往，在3晶体管型的像素结构中，通过复位晶体管RSS的导通-截止动作，产生被称为复位噪声的热噪声。但是，第1摄像单元31具有能够通过与第1光电变换部PDS连接的电容元件Csat接受更多的光量的高饱和特性。在光量较多的状态下，在取得图像中光散粒噪声占主导。即，光散粒噪声大于电路噪声，因而在第1摄像单元31中复位噪声的影响较小。
这样，第1摄像单元31能够作为高饱和单元发挥作用。第1摄像单元31不需要在以往的CMOS图像传感器中需要的传输晶体管，因而在硅酮基板中相应地空出空间。其结果是，能够使用该空间确保第2摄像单元31’的第2光电变换部PDL的面积。
第2摄像单元31’具有第2光电变换部PDL、传输晶体管TX及浮动扩散体FD。第2光电变换部PDL通过传输晶体管TX与浮动扩散体(以下表述为“FD”)连接。第2摄像单元31’采用所谓4晶体管型的像素电路结构。在第2光电变换部PDL产生的电荷通过传输晶体管TX完全传输给FD，因而由复位晶体管RSL产生的噪声也能够通过相关双重采样(correlateddouble sampling：CDS)动作来减除噪声。
这样，通过削减光电二极管面积将第1单元31设为低灵敏度，并且设置使用了配线层的电容元件Csat的饱和电荷蓄积部，使第1单元31成为高饱和单元。由于对噪声要求不怎么高，因而能够减少使用硅酮基板制作的降噪用的晶体管等元件的数量，扩大第2摄像单元31’的第2光电变换部PDL的面积。
由于第2摄像单元31’是高灵敏度用单元，因而要充分确保光电二极管面积。另外，通过采用以往的晶体管结构，第2摄像单元31’能够具有低噪声特性。
通过第1摄像单元31拍摄高照度被摄体，同时通过第2摄像单元31’拍摄低照度被摄体。由此，能够实现完全同时拍摄，而且实现较宽动态范围化。
下面，参照图3及图4并着重于第1摄像单元31来说明单位像素30的电路结构。
第1电荷检测电路51包括放大晶体管SFS、复位晶体管RSS、地址晶体管SELS。
第1光电变换部PDS与复位晶体管RSS的源极电极及放大晶体管SFS的栅极电极电连接。第1光电变换部PDS将入射到第1摄像单元31的光(入射光)变换为电荷。第1光电变换部PDS生成与入射光的光量对应的信号电荷。在电荷蓄积节点44蓄积所生成的信号电荷。
电源配线46与放大晶体管40的漏极电极连接。电源配线46沿列方向进行配线。这基于如下的理由。因为第1摄像单元31是以行单位选择的。因此，将电源配线46沿行方向进行配线时，一行的量的像素驱动电流全部在一条电源配线46中流过，导致压降增大。通过电源配线46，对摄像装置100中的所有的第1摄像单元31内的放大晶体管SFS施加共同的源极跟随电源电压。
放大晶体管SFS将与在电荷蓄积节点44蓄积的信号电荷的量对应的信号电压放大。地址晶体管SELS的栅极电极通过地址信号线48与第1垂直扫描电路52连接。地址晶体管SELS的漏极电极通过垂直信号线VSIGS与第1水平扫描电路53连接。垂直信号线VSIGS、VSIGL分别相当于图3所示的垂直信号线45、45’。地址晶体管SELS将放大晶体管SFS的输出电压选择性地输出给垂直信号线VSIGS。
第1垂直扫描电路52将用于控制地址晶体管SELS的导通及截止的行选择信号施加给地址晶体管SELS的栅极电极。由此，沿垂直方向(列方向)扫描读出对象的行，并选择读出对象的行。从所选择的行的单位像素30的第1摄像单元31，将信号电压读出到垂直信号线VSIGS。并且，第1垂直扫描电路52将用于控制复位晶体管RSS的导通及截止的复位信号施加给复位晶体管RSS的栅极电极。由此，选择成为复位动作的对象的单位像素30的第1摄像单元31的行。
第1列AD变换电路54对按照每行从第1摄像单元31读出到垂直信号线VSIGS的信号，进行例如以相关双重采样为代表的噪声抑制信号处理及模拟-数字变换(AD变换)。第1水平扫描电路53读出在第1列AD变换电路54进行处理后的信号。
在摄像装置100中，在传输信号电荷时或者将信号电荷复位时可能产生随机噪声。这里，在本申请说明书中，把在将信号电荷复位时产生的复位噪声作为随机噪声进行说明。当在复位时残留有随机噪声时，所残留的随机噪声将与下一个在电荷蓄积节点44蓄积的信号电荷相加。在这种情况下，在读出信号电荷时，将输出被叠加了随机噪声的信号。
(单位像素30的器件构造)
图5示意地表示本实施方式的摄像装置100中的单位像素30的器件构造的截面。
在单位像素30中，第1摄像单元31和第2摄像单元31’彼此相邻地配置。单位像素30典型地讲具有N型硅酮基板300、第1摄像单元31、第2摄像单元31’、第1光电变换部PDS、第2光电变换部PDL、滤色器305及微透镜302A、302B。另外，在仅进行单色摄像的情况下，也可以不设置滤色器305。并且，在不进行微透镜的聚光的情况下，也可以不设置微透镜302A、302B。第1及第2光电变换部PDS、PDL通常通过向硅酮基板注入杂质而形成，其深度和扩散性不限于图5所示。
在本实施方式中，第1摄像单元31的灵敏度比第2摄像单元31’的灵敏度低。微透镜302A形成为覆盖第1光电变换部PDS整体。微透镜302B形成为覆盖第2光电变换部PDL整体。在俯视观察时，第1光电变换部PDS的面积与第2光电变换部PDL的面积不同。具体而言，第1光电变换部PDS的面积小于第2光电变换部PDL的面积。
图6及图7示意地表示本实施方式的摄像装置100中的单位像素30的另一器件构造的截面。如图6所示，第1摄像单元31及第2摄像单元31’也可以具有共用的微透镜302。微透镜302使向单位像素30的入射光聚光于各光电变换部。如图7所示，也可以仅在作为高灵敏度用单元的第2摄像单元31’配置微透镜302。第2光电变换部PDL也可以位于微透镜302的光轴上。
第1光电变换部PDS及第2光电变换部PDL也可以通过在硅酮基板中形成的STI(Shallow Trench Isolation：浅沟槽绝缘)分离层303而分离。由此，电气性地实现混色的降低。但是，根据微细化等目的，也能够选择没有STI层303的结构。
在本实施方式中，利用第1光电变换部PDS及第2光电变换部PDL之间的尺寸差实现灵敏度差。并且，第1摄像单元31的电荷蓄积节点44(参照图4)通过触点304与在配线层301中形成的电容元件Csat电连接。通过使用电容元件Csat增大电荷蓄积容量，能够增大第1摄像单元31的饱和电子数。第1摄像单元31作为对应高饱和的摄像单元发挥作用。能够以低灵敏度取得高饱和的电荷。换言之，能够在不使更高灵敏度的被摄体饱和的情况下进行摄像。在本发明中，“蓄积电容(storage capacitance)”是指与PD连接的所有的电容成分。
在俯视观察时，电容元件Csat位于第1摄像单元31和第2摄像单元31’之间。电容元件Csat在俯视观察时至少一部分与第1摄像单元31和第2摄像单元31’一方或者双方重叠。作为电容元件Csat，能够使用如图5所示在不同的配线层之间具有平行平板电容器的结构的MIM(Metal Insulator Metal：金属-绝缘体-金属)电容。在这种情况下，电容元件Csat包括下部电极311、上部电极310、以及被夹在下部电极311和上部电极310之间的绝缘体312。下部电极311及上部电极310任意一方与第1光电变换部PDS电连接。
图8示意地表示本实施方式的摄像装置100中的单位像素30的另一器件构造的截面。作为电容元件Csat，也可以使用如图8所示在相同层的配线之间形成电容的MOM(MetalOxide Metal：金属-氧化物-金属)电容。另外，作为电容元件Csat，也能够选择使用硅酮基板300的DMOS(Depletion Metal Oxide Semiconductor：耗尽型金属氧化物半导体)型的电容。
图6～图8所示的器件构造通常被称为“背面照射型(BSI：Back SideIllumination)”的构造。背面照射型的构造具有如下优点：能够使用配线区域作为电容，而且即使配置电容元件Csat也能够确保较宽的开口率。
图9示意地表示本实施方式的摄像装置100中的单位像素30的又另一器件构造的截面。图示的器件构造通常被称为“表面照射型(FSI：Front Side Illumination)”的构造。在该构造中，在硅酮基板300的表面侧配置光电变换层，检测来自该表面侧的入射光。本发明的摄像装置也是表面照射型的器件构造的范畴。
图10示意地表示本实施方式的摄像装置100的单位像素30的俯瞰观察时的布局示例。在图10中示出了3行3列的单位像素30。另外，图5或者图8示意地表示沿着图10所示的A-A’线的单位像素30的截面。顶部微透镜302A形成为诸如使光聚光于第1光电变换部PDS的结构。顶部微透镜302B形成为诸如使光聚光于第2光电变换部PDL的结构。顶部微透镜302B的聚光面积大于顶部微透镜302A的聚光面积。另外，也可以如图7所示，在第1光电变换部PDS不设置微透镜302A，第1摄像单元31选择更低灵敏度的结构。并且，也可以如图6所示，在第1光电变换部PDS及第2光电变换部PDL配置共用的微透镜，并放宽微透镜的间距，由此实现聚光特性的提高。
另外，作为单位像素30的各材料，也能够广泛利用在硅酮半导体器件的制造中通常使用的材料。
下面，参照图11～图21说明单位像素30的电路结构的各种变形。
图11～图22示意地表示本实施方式的单位像素30的电路结构(具体地讲是各摄像单元的电路结构)的各种变形。如图所示，本实施方式的单位像素30的电路结构存在各种变形。除图示的结构以外，例如也能够将各种变形进行组合。
(第1变形)
图11表示单位像素30的电路结构的第1变形。第1摄像单元31与图4所示的第1摄像单元31的结构不同，不设置与电荷蓄积节点44连接的电容元件Csat作为电荷蓄积电容。第1摄像单元31是3晶体管型的单元，由复位晶体管RSS、放大晶体管SFS、地址晶体管SELS及第1光电变换部PDS构成。第2摄像单元31’的结构与图4所示的结构相同。
根据第1变形，从复位晶体管RSS的源极电极观察的寄生电容和放大晶体管SFS的栅极电容是第1光电变换部PDS附带的。因此，能够利用寄生附带的这些电容，不需另外设置电容元件。
(第2变形)
图12表示单位像素30的电路结构的第2变形。第1摄像单元31与图4所示的第1摄像单元31的结构不同，还具有反馈环路(列反馈电路)。列反馈电路包括放大晶体管SFS、地址晶体管SELS、反转放大电路FBAMP1及复位晶体管RSS。通过列反馈电路，第1摄像单元31被反馈复位。第2摄像单元31’的结构与图4所示的结构相同。
在第1摄像单元31中，在复位动作时，将复位晶体管RSS导通，将电荷蓄积节点44固定为复位晶体管RSS的漏极端子的电压。电荷蓄积节点44与放大晶体管SFS的栅极电极连接，电荷蓄积节点44的信号电压通过被导通的地址晶体管SELS输出给垂直信号线VSIGS。将输出给垂直信号线VSIGS的信号输入到设于列的列反馈电路的第1反转放大电路FBAMP1。将通过第1反转放大电路FBAMP1施加了负的增益得到的电压，通过列反馈信号线FBS提供给复位晶体管RSS的漏极端子。
根据第2变形，能够通过负反馈降低电荷蓄积节点44的复位电压的波动即复位噪声。另外，在如图5所示的背面照射型的传感器中，也可以不在硅酮基板300形成传输晶体管TX，因而相应地能够提高开口率。
另外，在负反馈时，也能够采用楔形复位方式，对复位晶体管RSS的栅极施加在时间上电压渐增或者渐减的楔形电压。并且，也能够采用为降低3晶体管型CMOS图像传感器的复位噪声而通常使用的驱动方法，如将强反转复位和弱反转复位进行组合的闪光复位方式等。
(第3变形)
图13表示单位像素30的电路结构的第3变形。第1摄像单元31与图4所示的第1摄像单元31的结构不同，具有传输晶体管TXS。第2摄像单元31’的结构与图4所示的结构相同。在该结构中，第1摄像单元31及第2摄像单元31’都具有传输晶体管，形成为4晶体管型的结构。只有第1摄像单元31具有高饱和用的电容元件Csat。
根据第3变形，通过将在所有像素单元产生的电荷临时传输给电荷保存部即浮动扩散体FDS及FDL，能够实现全局快门(global shutter)动作。
第1摄像单元31也可以与第2变形一样还具有列反馈电路。即，也可以对复位晶体管RSS、RSL设计图12所示的反馈电路，形成降低复位噪声的结构。
(第4变形)
图14表示单位像素30的电路结构的第4变形。与图4所示的电路结构不同，第1摄像单元31及第2摄像单元31’都具有3晶体管型的结构，具有包括反转放大电路FBAMPS或者反转放大电路FBAMPL的列反馈电路。
根据第4变形，第1摄像单元31及第2摄像单元31’都没有传输晶体管，因而能够进一步增大被要求高灵敏度的第2摄像单元31’的第2光电变换部PDL的面积。
(第5及第6变形)
图15表示单位像素30的电路结构的第5变形。与图12所示的结构相比，第1摄像单元31的结构不同。第1摄像单元31还具有电容元件Cc、电容元件Cs及反馈控制晶体管FBS。优选电容元件Cc的电容值小于电容元件Cs的电容值。第1摄像单元31不具有图12中的电容元件Csat。
图16表示单位像素30的电路结构的第5变形的变形例。在第5变形的变形例中，第1光电变换部PDS与电容元件Csat连接。
根据第5变形及其变形例，能够按照电容元件Cc的电容值与电容元件Cs的电容值的比率使噪声衰减。其结果是，与图12所示的结构相比，能够进一步获得复位噪声的降低效果。
图17表示单位像素30的电路结构的第6变形。在第6变形中，复位晶体管RSS的源极或者漏极的连接对象与第5变形不同。根据第6变形，也能够获得与第5变形相同的效果。
(第7及第8变形)
图18表示单位像素30的电路结构的第7变形。与图15所示的结构相比，第1摄像单元31具有在像素内进行负反馈的像素内反馈电路。像素内反馈电路包括放大晶体管SFS、反馈控制晶体管FBS、电容元件Cs及电容元件Cc。按照动作模式对放大晶体管SFS的漏极VB10施加多种基准电压。
根据第7变形，能够按照电容元件Cs的电容值与电容元件Cc的电容值的比率使噪声衰减，而且不存在使用列反馈电路时的速度降低，因而能够实现高速驱动。
图19表示单位像素30的电路结构的第8变形。在第8变形中，复位晶体管RSS的源极或者漏极的连接对象与第7变形不同。根据第8变形，与第7变形一样也能够通过像素内反馈复位实现复位噪声降低及高速动作。
(第9及第10变形)
图20表示单位像素30的电路结构的第9变形。与图4所示的结构相比，第2摄像单元31’与第1摄像单元31一样也具有与第2光电变换部PDL连接的电容元件CsatL。电容元件CsatL与信号线VPUMP连接。
根据第9变形，通过电容元件CsatL对信号线VPUMP进行脉冲电压驱动，由此能够进行高灵敏度单元的第2光电变换部PDL的电压电平的上拉。其结果是，即使是低电压动作时，也能够确保足够的信号范围。另外，作为高灵敏度单元的第2摄像单元31’也可以具有反馈电路。在这种情况下，除进行低电压驱动以外，还能够通过降低复位噪声进行低噪声驱动。反馈电路除复位晶体管RSL以外，还具有多个电容元件、电阻元件及晶体管元件，由此能够以更高的增益进行负反馈。
图21表示单位像素30的电路结构的第10变形。作为高灵敏度单元的第2摄像单元31’也可以具有列反馈电路。根据该结构，能够选择性地降低第2摄像单元31的噪声，实现高灵敏度化。此时的复位方式可以是上述的图16、图17所示的高增益的列反馈复位、或者图18、图19所示的像素内反馈复位的方式。
(第11变形)
图22表示单位像素30的电路结构的第11变形。第1摄像单元31及第2摄像单元31’共用具有放大晶体管SFL及地址晶体管SELL的电荷检测电路。作为复位用晶体管，在两个摄像单元之间共用复位晶体管RSL。关于将第1摄像单元31及第2摄像单元31’中哪一个单元复位或者读出，使用传输晶体管TXS、TXL进行选择。
根据第11变形，能够削减在单位像素30整体中使用的晶体管的数量。其结果是，在单位像素30中第2光电变换部PDL能够获取更大的面积。
(摄像装置100的驱动方法)
参照图23说明摄像装置100的动作程序的一例。
图23示意地表示摄像装置100的1个循环(1帧)期间的曝光及读出动作。横轴表示时间，纵轴表示读出行。图23表示所谓滚动快门读出的状态。在摄像装置100中，通过使用第1摄像单元31和第2摄像单元31’在相同的定时进行曝光及读出动作，能够扩大动态范围。
在图5所示的器件结构中，在第1摄像单元31和第2摄像单元31’之间产生了大约一位的灵敏度差异。由此，即使是进行相同的曝光及读出的情况下，对于通常像素也能够将动态范围提高大约一位。
在本实施方式中，为了进一步扩大动态范围，第1摄像单元31和第2摄像单元31’分别具有独立的曝光及读出定时。在摄像动作的1个循环中，使第2摄像单元31’在第1蓄积时间T1进行曝光，使第1摄像单元31在比第1蓄积时间T1短的第2蓄积时间T2、T3进行曝光。下面进行具体说明。
在本实施方式中，例如1个循环是1/60秒。首先，在第2摄像单元31’中，在接近1个循环的蓄积时间T1进行曝光，在经过蓄积时间后，按照每行依次读出第2摄像单元31’内的电荷(读出1)。在按每行的读出完成后，将在该读出对象的所有行的第2摄像单元31’蓄积的电荷复位。
在第1摄像单元31中，在1个循环中进行至少两次所谓非破坏读出。例如，在1个循环期间的1/30(1/1800秒)的蓄积时间T2进行第一次的曝光，在曝光完成后进行读出(读出2)。然后，不进行蓄积电荷的复位，在1个循环期间的1/2(1/120秒)的蓄积时间T3进行第二次的曝光，在曝光完成后进行读出(读出3)。在这样的动作程序中，能够在1个循环期间中取得曝光时间不同的3个摄像数据。在进行相同的曝光及读出的情况下，动态范围能够实现扩大大约一位，通过将这些摄像数据合成，能够进一步生成动态范围提高大约一位半、合计大约二位半的高动态范围的图像。
如上所述，第1摄像单元31作为拍摄光量较大且明亮的被摄体的摄像区域发挥作用。对第1摄像单元31要求的优选的特性是饱和电子数较高(高饱和)。另一方面，第2摄像单元31’作为拍摄光量较低且较暗的被摄体的摄像区域发挥作用。对第2摄像单元31’要求的优选的特性是随机噪声较小。第2摄像单元31’也可以是饱和电子数较小即低饱和。根据本实施方式，提供能够满足这些特性的摄像装置100。
(第2实施方式)
参照图24说明本实施方式的摄像模块200。
图24示意地表示安装了摄像装置100的摄像模块200的功能单元。
摄像模块200具有第1实施方式的摄像装置100、和DSP(Digital SignalProcessor：数字信号处理器)400。摄像模块200对在摄像装置100得到的信号进行处理并输出到外部。
DSP400作为对来自摄像装置100的输出信号进行处理的信号处理电路发挥作用。DSP400接收从摄像装置100输出的数字像素信号。DSP400进行例如伽玛校正、颜色插补处理、空间插补处理及自动白平衡等处理。另外，DSP400也可以是微型计算机等，按照由用户指定的各种设定控制摄像装置100，对摄像模块200的整体动作进行整合。
DSP400对从摄像装置100输出的数字像素信号进行处理，计算最佳的复位电压(VRG、VRB及VRR)。DSP400将该复位电压反馈给摄像装置100。其中，VRG、VRB及VRR分别表示有关G像素的复位电压、有关B像素的复位电压、及有关R像素的复位电压。另外，复位电压也可以是从反馈信号线49或者垂直信号线45传递的反馈信号。摄像装置100和DSP400也能够制造成一个半导体装置(所谓SoC(System on a Chip))。由此，能够将使用摄像装置100的电子设备小型化。
另外，当然也可以不模块化，而仅将摄像装置100产品化。在这种情况下，在外部将信号处理电路与摄像装置100连接，在摄像装置100的外部进行信号处理即可。
本发明的摄像装置应用于例如在数码相机及车载摄像机等摄像机中使用的图像传感器。
产业上的可利用性
本发明的摄像装置能够应用于各种摄像机系统及传感器系统，如数码相机、医疗用摄像机、监视用摄像机、车载用摄像机、数码单反摄像机、数码无反射镜单反摄像机等。

Claims (20)

1.一种摄像装置，具有：
半导体基板；
第1摄像单元，包括所述半导体基板内的第1光电变换部、和一端与所述第1光电变换部电连接的第1电容元件；以及
第2摄像单元，包括所述半导体基板内的第2光电变换部，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻，
所述半导体基板在所述第1光电变换部和所述第2光电变换部之间包含沟槽分离构造，
在俯视观察时，所述第2光电变换部的面积大于所述第1光电变换部的面积，
所述第1电容元件在俯视观察时至少一部分与所述沟槽分离构造重叠。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还包括与所述第1光电变换部电连接的第1电荷检测电路，
所述第2摄像单元还包括与所述第2光电变换部电连接的第2电荷检测电路。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，
所述第1电荷检测电路包括源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接的第1复位晶体管，
所述第2电荷检测电路包括源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接的第2复位晶体管。
4.根据权利要求2所述的摄像装置，
所述第1摄像单元具有源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接的第1传输晶体管，
所述第1电荷检测电路包括：
第1浮动扩散体，与所述第1传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接；以及
第1复位晶体管，源极及漏极中一方与所述第1浮动扩散体电连接。
5.根据权利要求2所述的摄像装置，
所述第2摄像单元具有源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接的第2传输晶体管，
所述第2电荷检测电路包括：
第2浮动扩散体，与所述第2传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接；以及
第2复位晶体管，源极及漏极中一方与所述第2浮动扩散体电连接。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第2摄像单元包括：
传输晶体管，源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接；以及
浮动扩散体，与所述传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接。
7.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还包括源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接的第1传输晶体管，
所述第2摄像单元还包括源极及漏极中一方与所述第2光电变换部电连接的第2传输晶体管，
所述第1摄像单元及第2摄像单元包括浮动扩散体，该浮动扩散体与所述第1传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方和所述第2传输晶体管的所述源极及所述漏极中另一方这双方电连接。
8.根据权利要求7所述的摄像装置，
所述第1摄像单元及第2摄像单元还包括源极及漏极中一方与所述浮动扩散体电连接的复位晶体管。
9.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第2摄像单元没有电容元件。
10.根据权利要求1所述的摄像装置，
在俯视观察时，所述第2光电变换部的形状与所述第1光电变换部的形状不同。
11.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元还具有位于所述第1光电变换部的光入射侧的第1微透镜，
所述第2摄像单元还具有位于所述第2光电变换部的光入射侧的第2微透镜，
所述第2微透镜的聚光面积大于所述第1微透镜的聚光面积。
12.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元及第2摄像单元还包括位于所述第1光电变换部及第2光电变换部的光入射侧的共用的微透镜，
所述第2光电变换部位于所述微透镜的光轴上。
13.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1电容元件包括下部电极、上部电极、以及被夹在所述下部电极和所述上部电极之间的绝缘体，
所述下部电极及所述上部电极任意一方与所述第1光电变换部电连接。
14.根据权利要求1所述的摄像装置，
在俯视观察时，所述第1电容元件位于所述第1光电变换部和第2光电变换部之间。
15.根据权利要求1所述的摄像装置，
在俯视观察时，所述第1电容元件至少一部分与所述第1光电变换部及所述第2光电变换部一方或者双方重叠。
16.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1摄像单元在第1蓄积时间期间蓄积所述第1光电变换部生成的第1电荷，
所述第2摄像单元在第2蓄积时间期间蓄积所述第2光电变换部生成的第2电荷，
所述第2蓄积时间比所述第1蓄积时间长。
17.根据权利要求2所述的摄像装置，
所述第1电荷检测电路在1帧期间中，不将所述第1光电变换部生成的第1电荷复位而至少两次读出所述第1电荷。
18.一种摄像装置，具有第1摄像单元和第2摄像单元，
所述第1摄像单元包括：
第1光电变换部，将入射光变换为第1电荷；
第1蓄积电容，与所述第1光电变换部电连接，蓄积所述第1电荷；
第1电荷检测电路，与所述第1蓄积电容连接，读出在所述第1蓄积电容蓄积的所述第1电荷，
所述第2摄像单元包括：
第2光电变换部，将入射光变换为第2电荷；
第2蓄积电容，与所述第2光电变换部连接，蓄积所述第2电荷；
第2电荷检测电路，与所述第2蓄积电容连接，读出在所述第2蓄积电容蓄积的所述第2电荷，
所述第2光电变换部构成为接受比所述第1光电变换部多的光，
所述第1蓄积电容的电容值大于所述第2蓄积电容的电容值，
在所述第1摄像单元和所述第2摄像单元接受到入射光时，在所述第2摄像单元生成的电荷的数量比在所述第1摄像单元生成的电荷的数量多，
所述第1摄像单元的饱和电子数比所述第2摄像单元的饱和电子数大。
19.根据权利要求18所述的摄像装置，
所述第1蓄积电容包括电容元件，所述第2蓄积电容不包括电容元件。
20.根据权利要求18所述的摄像装置，
所述第1摄像单元和所述第2摄像单元彼此相邻配置，
所述第1摄像单元及所述第2摄像单元还包括位于所述第1光电变换部及所述第2光电变换部的光入射侧的共用的微透镜，
所述第2光电变换部位于所述微透镜的光轴上。
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