CN1926688A - 固体摄像装置及其工作方法、线传感器、光传感器 - Google Patents

Abstract

为了提供在维持高灵敏度、高S/N比的同时能实现宽动态范围的固体摄像装置、线传感器、光传感器，和在维持高灵敏度、高S/N比的同时能实现宽动态范围的固体摄像装置的工作方法，采用以下的结构，把多个像素集成为阵列状，该像素包括：接收光，生成光电荷的光电二极管PD；转送光电荷的转送晶体管Tr1；至少经由转送晶体管Tr1与光电二极管PD连接而设置，并且在积蓄动作时将从光电二极管PD溢出的光电荷至少通过转送晶体管Tr1积蓄的积蓄电容元件C_S。

Description

固体摄像装置及其工作方法、线传感器、光传感器

技术领域

本发明涉及固体摄像装置、线传感器、光传感器以及固体摄像装置的工作方法，特别是涉及CMOS或CCD型的固体摄像装置、线传感器、光传感器以及该固体摄像装置的工作方法。

背景技术

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器或CCD(Charge Coupled Device)图像传感器等图像输入图像传感器在特性提高的同时，在数码相机和带相机的移动电话等用途上需要扩大起来。

所述图像传感器希望进一步的特性提高，其一是扩大动态范围。

以往使用的图像传感器的动态范围停留在例如3～4位(60～80dB)左右，现状是到大不了肉眼或银盐薄膜的5～6位(100～120dB)。

因此，希望具有与肉眼或氯化银胶片同等的5～6位(100～120dB)的动态范围的高图像质量的图像传感器的开发。具有这样宽的动态范围的图像传感器除了数码相机和带相机的移动电话，还期待着向PDA(PersonalDigital Assistant)用图像输入相机、高度交通管理系统用相机、监视相机、FA(Factory Automation)用相机或医疗用相机等的应用。

作为提高所述图像传感器的特性的技术，例如在非专利文献1等中开发了为了实现高灵敏度和高S/N比，分别读出各像素的光电二极管中产生的噪声和把该噪声与光信号相加后的信号，取两者的差分，从而除去噪声成分，只取出光信号的称作单片噪声消除的技术。

可是，即使用该方法，动态范围也是80dB以下，希望比它更宽的动态范围。

在专利文献1中，如图34所示，描述在光电二极管PD上连接高灵敏度低照度一侧的小电容C₁的浮置区和低灵敏度高照度一侧的大电容C₂的浮置区，分别输出低照度一侧的输出outl和高照度一侧的输出out2，从而扩大动态范围的技术。

此外，专利文献2中，如图35所示，描述使浮置区FD的电容C_S可变，覆盖从低照度到高照度，扩大动态范围的技术。

此外，还开发基于短曝光时间的高照度所对应的摄像、由于长曝光时间而与低照度对应的摄像等用不同的短曝光时间2次摄像的技术。

此外，在专利文献3和非专利文献2中，如图36所示，开发了在光电二极管PD和电容C之间设置晶体管开关T，在第一次的曝光期间使开关T导通，在光电二极管PD和电容C双方中积蓄光电荷信号，在第二次的曝光期间使开关T断开，加上前者的积蓄电荷，用光电二极管PD积蓄光电荷信号，从而扩大动态范围的技术。这里，当存在超过饱和的光照射时，过剩电荷经由复位晶体管R排出。

此外，在专利文献4中，如图37所示，描述作为光电二极管PD，采用电容C比以往大的，能应对高照度摄像的技术。

此外，在非专利文献3中，如图38所示，描述把来自光电二极管PD的信号通过组合MOS晶体管构成的对数变换电路，一边进行对数变换，一边输出，从而能应对高照度摄像的技术。

可是，所述专利文献1、2、3以及非专利文献2中描述的方法或用不同的曝光时间2次摄像的方法中，必须在不同的时刻进行低照度一侧的摄像和高照度一侧的摄像，所以如果拍摄动画，在与两照度对应的摄像的图像中产生偏移，存在无法使两图像匹配的问题。

此外，在所述专利文献4以及非专利文献3中记载的方法中，能应对高照度一侧的摄像，实现宽动态范围，但是关于低照度一侧的摄像，成为低灵敏度、低S/N比，无法提高图像的质量。

如上所述，在CMOS图像传感器等图像传感器中，难以在维持高灵敏度、高S/N比的同时，实现宽动态范围。

此外，所述的事实并不局限于图像传感器，作为把像素配置为直线状的线传感器和不具有多个像素的光传感器，也难以在维持高灵敏度、高S/N比的同时，实现宽动态范围。

专利文献1：特开2003-134396号公报

专利文献2：特开2000-165754号公报

专利文献3：特开2002-77737号公报

专利文献4：特开平5-90556号公报

非专利文献1：S.Inoue et al.，IEEE Workshop on CCDs and AdvancedImage Sensors 2001，page 16-19

非专利文献2：Yoshinori Muramatsu et al.，IEEE Journal of Solid-stateCircuits，vol.38，No.1，January 2003

非专利文献3：图像信息媒体学会杂志，57(2003)

发明内容

本发明是鉴于所述的状况而提出的，本发明的目的在于，提供在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能实现宽动态范围的固体摄像装置、线传感器、光传感器、用于在维持高灵敏度、高S/N比的同时实现宽动态范围的固体摄像装置的工作方法。

为了实现所述的目的，本发明的固体摄像装置把多个像素集成为阵列状，该像素包括：接收光，生成光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管；至少经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接，并且在积蓄动作时至少通过所述转送晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件。

所述本发明的固体摄像装置把接收光并且生成光电荷的光电二极管、积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件经由转送晶体管连接的结构的像素集成为阵列状。

所述本发明的固体摄像装置优选在所述转送晶体管和所述积蓄电容元件之间还具有：通过所述转送晶体管转送所述光电荷的浮置区；把所述浮置区和所述积蓄电容元件的电势结合或分割的积蓄晶体管。

还具有：与所述浮置区连接形成，用于排出所述浮置区内的光电荷的复位晶体管；把所述浮置区内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管；与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素的选择晶体管。

此外，包含：对所述积蓄电容元件中积蓄的光电荷进行对数变换，读出的对数变换电路。

或者包含：对从所述光电二极管溢出的光电荷进行对数变换，在所述积蓄电容元件中积蓄的对数变换电路。

所述本发明的固体摄像装置还具有：与所述积蓄电容元件和所述积蓄晶体管的连接部连接形成，用于排出所述积蓄电容元件以及所述浮置区内的光电荷的复位晶体管；把所述浮置区内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管；与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素的选择晶体管。

在所述本发明的固体摄像装置中，所述转送晶体管是具有构成所述转送晶体管的基板的表面或从表面附近到给定深度形成的与所述转送晶体管的沟道相同导电型的半导体层的嵌入沟道型。

所述转送晶体管具有：在构成所述转送晶体管的基板的给定深度形成，并且为与所述转送晶体管的沟道相同导电型，减少所述转送晶体管的穿通势垒的半导体层。

所述本发明的固体摄像装置中，所述积蓄电容元件具有在构成所述固体摄像装置的半导体基板的表层部分上形成的成为下部电极的半导体区、形成在所述半导体区上的电容绝缘膜、形成在所述电容绝缘膜上的上部电极。

或者所述积蓄电容元件具有：在构成所述固体摄像装置的基板上形成的下部电极、形成在所述下部电极上的电容绝缘膜、形成在所述电容绝缘膜上的上部电极。

或者所述积蓄电容元件具有：在形成在构成所述固体摄像装置的半导体基板上的沟内壁上所形成的成为下部电极的半导体区、覆盖所述沟内壁而形成的电容绝缘膜、经由所述电容绝缘膜掩埋所述沟而形成的上部电极。

第一导电型半导体区、与所述第一导电型半导体区接合的第二导电型半导体区嵌入构成所述固体摄像装置的半导体基板，构成所述积蓄电容元件。

或者，构成所述固体摄像装置的基板是在半导体基板上经由绝缘膜形成半导体层的SOI(Semiconductor on Insulator)基板，使用经由所述绝缘膜相对的所述半导体基板和所述半导体层之间的绝缘膜电容，构成所述积蓄电容元件。

所述本发明的固体摄像装置还具有：取得从转送给所述浮置区或转送给所述浮置区以及所述积蓄电容元件的光电荷得到的电压信号、与所述浮置区或所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分的噪声消除部件。

还具有：存储所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的存储部件。

所述本发明的固体摄像装置还具有：取得从转送给所述浮置区的光电荷得到的电压信号与所述浮置区的所述转送前的电平的电压信号之间的差分的噪声消除部件。

还具有：取得从转送给所述浮置区以及所述积蓄电容元件的光电荷得到的电压信号与所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分的噪声消除部件。

还具有：存储所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的存储部件。

所述本发明的固体摄像装置中，转送所述光电二极管内的光电荷的第一电荷耦合转送路线与所述光电二极管连接形成，所述积蓄电容元件在相邻的像素间连接，构成与所述第一电荷耦合转送路线不同的转送所述积蓄电容元件内的光电荷的第二电荷耦合转送路线。

还具有：与所述光电二极管连接形成，转送所述光电二极管内的光电荷的电荷耦合转送路线；与所述积蓄电容元件连接形成，用于排出所述积蓄电容元件内的光电荷的复位晶体管；把所述积蓄电容元件内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管；与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素的选择晶体管。

所述本发明的固体摄像装置中，构成所述像素的晶体管是n沟道MOS晶体管。或者，构成所述像素的晶体管是p沟道MOS晶体管。

此外，为了实现所述的目的，本发明的线传感器把多个像素集成为直线状，该像素包括：接收光，生成光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管；与所述光电二极管至少经由所述转送晶体管连接而设置，在积蓄动作时至少通过所述转送晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件。

所述本发明的线传感器把接收光并且生成光电荷的光电二极管、积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件经由转送晶体管连接的结构的像素集成为线状。

此外，为了实现所述的目的，本发明的光传感器具有：接收光，生成光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管；与所述光电二极管至少经由所述转送晶体管连接，在积蓄动作时至少通过所述转送晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件。

所述本发明的光传感器把接收光并且生成光电荷的光电二极管、积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件经由转送晶体管连接。

为了实现所述的目的，本发明的固体摄像装置的工作方法中，固体摄像装置把多个像素集成为阵列状，该像素包括：接收光，生成光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管和积蓄晶体管；经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置的浮置区；在积蓄动作时通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷，通过所述积蓄晶体管控制与所述浮置区的电势结合或分割的积蓄电容元件；所述固定摄像装置的工作方法包括：在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置区以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；读出所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；把由所述光电二极管产生的光电荷中饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置区以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；使所述积蓄晶体管截止，分割所述浮置区以及所述积蓄电容元件的电势，排出所述浮置区内的光电荷的步骤；读出所述浮置区的复位电平的电压信号的步骤；使所述转送晶体管导通，把所述饱和前电荷向所述浮置区转送，读出所述饱和前电荷的电压信号的步骤；使所述积蓄晶体管导通，把所述浮置区和所述积蓄电容元件的电势结合，混合所述饱和前电荷和所述过饱和信号，读出所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的步骤。

所述本发明的固体摄像装置的工作方法在电荷积蓄前，使转送晶体管截止，使积蓄晶体管导通，排出浮置区以及积蓄电容元件内的光电荷，读出浮置区和积蓄电容元件的复位电平的电压信号。

接着，把由光电二极管产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到光电二极管中，把从电二极管溢出的过饱和电荷在浮置区以及积蓄电容元件中积蓄。

接着，使积蓄晶体管截止，分割浮置区以及积蓄电容元件的电势，排出浮置区内的光电荷，读出浮置区的复位电平的电压信号。

接着，使转送晶体管导通，把饱和前电荷向浮置区转送，读出饱和前电荷的电压信号。

接着，使积蓄晶体管导通，把浮置区和积蓄电容元件的电势结合，混合饱和前电荷和过饱和信号，读出饱和前电荷和过饱和信号的和的电压信号。

所述本发明的固体摄像装置的工作方法还具有：取得所述饱和前电荷的电压信号和所述浮置区的复位电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷的电压信号消除噪声的步骤；取得所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号、与所述浮置区和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号消除噪声的步骤；调整所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的增益，使得成为与所述饱和前电荷的电压信号实质上相同的增益的步骤；与基准电压比较，选择消除了噪声的所述饱和前电荷的电压信号、消除了噪声的所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号中的任意一个的步骤。

所述本发明的固体摄像装置的工作方法在把所述光电二极管中产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，把从所述光电二极管溢出的过饱和电荷积蓄到所述浮置区以及所述积蓄电容元件中的步骤中，把所述转送晶体管部分的电势调节为使所述转送晶体管完全截止的电平或比它还低的电平。

为了实现所述的目的，本发明的固体摄像装置的工作方法中，固体摄像装置把多个像素集成为阵列状，该像素包括：接收光，生成光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管和积蓄晶体管；经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置的浮置区；在积蓄动作时通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷，通过所述积蓄晶体管控制与所述浮置区的电势结合或分割的积蓄电容元件；所述固定摄像装置的工作方法包括：在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置区以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；读出所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；把由所述光电二极管产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，把从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置区以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；使所述积蓄晶体管截止，分割所述浮置区以及所述积蓄电容元件的电势，读出所述浮置区的所述饱和前电荷的转送前电平的电压信号的步骤；使所述转送晶体管导通，把所述饱和前电荷向所述浮置区转送，读出所述饱和前电荷的转送后电平的电压信号的步骤；使所述积蓄晶体管导通，把所述浮置区和所述积蓄电容元件的电势结合，混合所述饱和前电荷和所述过饱和信号，读出所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的步骤。

所述本发明的固体摄像装置的工作方法在电荷积蓄前，使转送晶体管截止，使积蓄晶体管导通，排出所述浮置区以及所述积蓄电容元件内的光电荷，读出浮置区以及积蓄电容元件的复位电平的电压信号。

接着，把由光电二极管产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到光电二极管中，把从光电二极管溢出的过饱和电荷在浮置区以及积蓄电容元件中积蓄。

接着，使积蓄晶体管截止，分割浮置区以及积蓄电容元件的电势，读出饱和前电荷的转送前电平的电压信号。

接着，使转送晶体管导通，把饱和前电荷向浮置区转送，读出饱和前电荷的转送后电平的电压信号

接着，使积蓄晶体管导通，把浮置区和积蓄电容元件的电势结合，混合饱和前电荷和过饱和信号，读出饱和前电荷和过饱和信号的和的电压信号。

所述本发明的固体摄像装置的工作方法还具有：取得所述饱和前电荷的转送后电平的电压信号和所述饱和前信号的转送前电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷的电压信号消除噪声的步骤；取得所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号与所述浮置区和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号消除噪声的步骤；调整所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的增益，使得成为与所述饱和前电荷的电压信号实质上相同的增益的步骤；与基准电压比较，选择消除了噪声的所述饱和前电荷的电压信号、消除了噪声的所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号中的任意一个的步骤。

所述本发明的固体摄像装置的工作方法在把所述光电二极管中产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，把从所述光电二极管溢出的过饱和电荷积蓄到所述浮置区以及所述积蓄电容元件中的步骤中，把所述转送晶体管部分的电势调节为使所述转送晶体管完全截止的电平或比它还低的电平。

根据本发明的固体摄像装置，在基于接收光并且产生光电荷的光电二极管的低照度摄像中，维持高灵敏度、高S/N比，进一步通过积蓄电容元件，积蓄从光电二极管溢出的光电荷，从而进行高照度摄像中的摄像，能扩大动态范围。

根据本发明的线传感器，在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能扩大动态范围。

根据本发明的光传感器，在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能扩大动态范围。

根据本发明的固体摄像装置的工作方法，在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能扩大动态范围。

附图说明

图1是本发明实施方式1的CMOS图像传感器的一个像素的等价电路图。

图2-1是相当于本发明实施方式1的CMOS图像传感器的各像素一部分的模式剖视图。

图2-2是相当于图2-1的区域的模式电势图。

图3-1是本发明实施方式1的CMOS图像传感器的驱动线(φ_T、φ_S、φ_R)上外加的电压的时序图。

图3-2是表示饱和以下的光量时的与图3-1对应的电位(V_PD、V_FD、V_CS)变化的曲线图。

图3-3是表示饱和以上的光量时的与图3-1对应的电位(V_PD、V_FD、V_CS)变化的曲线图。

图4-1相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图4-2相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图4-3相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图4-4相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图5-1相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图5-2相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图5-3相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图5-4相当于图3-1的时序图的某时序的电势图。

图6是表示本发明实施方式1的CMOS图像传感器的全体电路结构的等价电路图。

图7是进行饱和前电荷信号+C_FD噪声、C_FD噪声、调制后的过饱和电荷信号+C_FD+C_S噪声和C_FD+C_S噪声等4个信号处理的电路图。

图8-1是对于相对光量，描绘使用电容C_FD时取得的电荷数的图。

图8-2是对于相对光量，描绘使用电容C_FD+C_S时取得的电荷数的图。

图8-3是把图8-1和图8-2的电荷数变换为电压，对于相对光量，重叠表示的曲线图。

图9-1是本发明实施方式2的CMOS图像传感器的1例子的一个像素量的等价电路图。

图9-2是本发明实施方式2的CMOS图像传感器的其他例子的一个像素量的等价电路图。

图10-1是本发明实施方式3的CMOS图像传感器的1例子的一个像素量的等价电路图。

图10-2是本发明实施方式3的CMOS图像传感器的其他例子的一个像素量的等价电路图。

图11-1是本发明实施方式4的CMOS图像传感器的1例子的一个像素量的等价电路图。

图11-2是本发明实施方式4的CMOS图像传感器的其他例子的一个像素量的等价电路图。

图12是本发明实施方式5的CMOS图像传感器的一个像素量的等价电路图。

图13是本发明实施方式5的CMOS图像传感器的主要部分的模式电势图。

图14-1是本发明实施方式5的CMOS图像传感器的驱动线(φ_T、φ_S、φ_R)上外加的电压的时序图。

图14-2是本发明实施方式5的CMOS图像传感器的驱动线(φ_T、φ_S、φ_R)上外加的电压的时序图。

图15-1相当于图14-1的时序图的某时序的电势图。

图15-2相当于图14-1的时序图的某时序的电势图。

图15-3相当于图14-1的时序图的某时序的电势图。

图16-1相当于图14-1的时序图的某时序的电势图。

图16-2相当于图14-1的时序图的某时序的电势图。

图16-3相当于图14-1的时序图的某时序的电势图。

图17是表示本发明实施方式5的CMOS图像传感器中，采用平面型积蓄电容元件时的约一个像素量的布局一例的图。

图18-1是详细表示本发明实施方式6的CMOS传感器的浮置区部分的剖视图。

图18-2是表示图18-1所示的CMOS传感器的制造步骤的剖视图。

图18-3是表示图18-1所示的CMOS传感器的制造步骤的剖视图。

图19-1是表示本发明实施方式7的CMOS传感器的构造的剖视图。

图19-2是表示本发明实施方式7的CMOS传感器的构造的剖视图。

图20-1是表示本发明实施方式7的CMOS传感器的构造的剖视图。

图20-2是表示本发明实施方式7的CMOS传感器的构造的剖视图。

图21-1是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图21-2是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图22-1是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图22-2是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图23-1是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图23-2是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图24是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图25-1是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图25-2是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图26-1是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图26-2是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图27是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图28是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图29是本发明实施方式8的CMOS传感器的积蓄电容元件的变形例的剖视图。

图30是实施方式2中采用沟型积蓄电容元件时的像素的概略平面图。

图31是说明实施方式2中假定的沟型积蓄电容元件的尺寸的模式图。

图32是实施例2中采用平面积蓄电容元件时的像素的布局图。

图33-1是对于光量(lux)，描绘实施例4中光电二极管饱和前的输出(V)的图。

图33-2是对于光量(lux)，描绘实施例4中光电二极管饱和后的输出(V)的图。

图34是以往例1的CMOS图像传感器的一个像素量的等价电路图。

图35是以往例2的CMOS图像传感器的一个像素量的等价电路图。

图36是以往例3的CMOS图像传感器的一个像素量的等价电路图。

图37是以往例4的CMOS图像传感器的一个像素量的等价电路图。

图38是以往例5的CMOS图像传感器的一个像素量的等价电路图。

符号的说明：

10-n型半导体基板；11-p型井；12、12a-p⁺型分离区；14、17、19-p⁺型半导体区；13、50、51、52-n型半导体区；15、16、16a、16b、18-n⁺型半导体区；15a-低浓度杂质区；15b-高浓度杂质区；20、21、22-元件分离绝缘膜；20a-元件分离绝缘膜的端部；23、24-栅绝缘膜；25、25a、25’-电容绝缘膜；30、31-栅极电极；30a-侧壁隔离块；32、38、38a、40-上部电极；33、34、35、36、39-布线；37、37a-下部电极；41-TiSi层(Ti层)；42-TiN层；43-钨插头；44-上层布线；60-p型半导体基板；61-p型外延层；61a-第一p型外延层；61b-第二p型外延层；62-n⁺型半导体区；63-p⁺型分离区；64-p型半导体层；65-n⁺型半导体区；66-低浓度半导体层；ADC1～3-A/D转换器；AP-放大器；C₁-小电容；C₂-大电容；C_FD、C_PD、C-电容；C_S-积蓄电容元件；Cap-积蓄电容元件；CCD1-第一电荷耦合转送路线；CCD2-第二电荷耦合转送路线；CH-芯片；CP-比较器；CT_a、CT_b-电路；DC1、DC2-差动放大器；DP1、2-导电性杂质；FD-浮置区；FM-帧存储器；GND-接地；LT-光；N₁-C_PD的复位电平的信号(噪声)；N₂-C_PD+C_S的复位电平的信号(噪声)；Noise-噪声；out-输出(线)；out1、out2-输出；PA-溢出路线；PC-像素电路；PD-光电二极管；Pixe1-像素；PR-抗蚀膜；Q_A-过饱和电荷；Q_A1、Q_A2-过饱和电荷的一部分；Q_B-饱和前电荷；R-复位晶体管；S₁-饱和前电荷信号；S₁’-调制后的饱和前电荷信号；S₂-过饱和电荷信号；S₂’-调制后的过饱和电荷信号；SE-选择器；SL-选择线；SR^H-列移位寄存器；SR^V-行移位寄存器；T-开关；T₁～T₄-时刻；TC-沟；Tr1-转送晶体管；Tr2-积蓄晶体管；Tr3-复位晶体管；Tr4-放大晶体管；Tr5-选择晶体管；Tr6～Tr10-晶体管；V_PD、V_FD、V_CS-电位；VDD-电源电压；φ_T、φ_S、φ_R、φ_X、φ_S1+N1、φ_N1、φ_{S1’+S2’+N2}、φ_N2、φ_V1、φ_V2-驱动线。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的固体摄像装置的实施方式。

实施方式1

本实施方式的固体摄像装置是CMOS图像传感器，图1是一个像素量的等价电路图。

各像素由接收光并且生成光电荷的光电二极管PD、转送来自光电二极管PD的光电荷的转送晶体管Tr1、通过转送晶体管Tr1转送光电荷的浮置区FD、在积蓄动作时积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件C_S、把浮置区FD和积蓄电容元件C_S的电势结合或分割的积蓄晶体管Tr2、与浮置区FD连接形成并且用于排出浮置区FD内的光电荷的复位晶体管Tr3、把浮置区FD内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管Tr4、以及与放大晶体管连接形成并且用于选择像素的选择晶体管Tr5构成，是所谓的5晶体管型的CMOS图像传感器。例如所述5个晶体管都由n沟道MOS晶体管构成。

本实施方式的CMOS图像传感器把所述结构的多个像素集成为阵列状，在各像素中，在转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2、复位晶体管Tr3的栅极电极连接φ_T、φ_S、φ_R的各驱动线，此外，在选择晶体管Tr5的栅极电极连接由行移位寄存器驱动的像素选择线SL(φ_X)，在选择晶体管Tr5的输出一侧源极和漏极连接输出线out，通过列移位寄存器控制、输出。

关于选择晶体管Tr5、驱动线φ_X，为了能进行像素的选择、非选择动作，只要把浮置区FD的电压固定在适宜的值就可以了，所以也能省略它们。

图2-1是相当于本实施方式的CMOS图像传感器的各像素一部分(光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2、积蓄电容元件C_S)的模式剖视图。

例如在n型硅半导体基板(n-sub)10上形成p型井(p-well)11，形成区分各像素以及积蓄电容元件C_S区的基于LOCOS法等的元件分离绝缘膜(20、21、22)，在相当于分离像素的分离绝缘膜20的下方的p型井11中形成p⁺型分离区12。

在p型井11中形成n型半导体区13，在其表层形成p⁺型半导体区14，通过该pn结构成电荷输送嵌入型的光电二极管PD。如果光LT入射到在pn结上外加适当的偏压而产生的耗尽层中，由于光电效应，就产生光电荷。

在n型半导体区13的端部有从p⁺型半导体区14伸出形成的区，从该区离开给定的距离，在p型井11的表层形成成为浮置区FD的n⁺型半导体区15，再从该区离开给定的距离，在p型井11的表层形成n⁺型半导体区16。

这里，在与n型半导体区13和n⁺型半导体区15有关的区域中，在p型井11上面经由由氧化硅构成的栅绝缘膜23形成由多晶硅构成的栅极电极30，n型半导体区13和n⁺型半导体区15为源极和漏极，在p型井11的表层构成具有沟道形成区的转送晶体管Tr1。

此外，在与n⁺型半导体区15和n⁺型半导体区16有关的区域中，在p型井11上面经由由氧化硅构成的栅绝缘膜24形成由多晶硅构成的栅极电极31，n⁺型半导体区15和n⁺型半导体区16为源极和漏极，在p型井11的表层构成具有沟道形成区的积蓄晶体管Tr2。

此外，在由元件分离绝缘膜(21、22)区分的区域中，在p型井11的表层形成成为下部电极的p⁺型半导体区17，在其上层经由由氧化硅等构成的电容绝缘膜25形成由多晶硅等构成的上部电极32，由它们构成积蓄电容元件C_S。

覆盖转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2以及积蓄电容元件C_S，形成由氧化硅构成的绝缘膜，形成到达n⁺型半导体区15、n⁺型半导体区16和上部电极32的开口部，分别形成与n⁺型半导体区15连接的布线33、连接n⁺型半导体区16和上部电极32的布线34。

此外，在转送晶体管Tr1的栅极电极30上连接设置驱动线φ_T，此外，在积蓄晶体管Tr2的栅极电极31上连接设置驱动线φ_S。

关于所述其他要素的复位晶体管Tr3、放大晶体管Tr4、选择晶体管Tr5、各驱动线(φ_T、φ_S、φ_R、φ_X)和输出线out，在图2-1所示的半导体基板10上的未图示的区域中构成，从而成为布线连接在未图示的放大晶体管Tr4上等图1所示的等价电路图的结构。

图2-2是相当于所述光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2以及积蓄电容元件C_S的模式电势图。

光电二极管PD构成相对浅的电势的电容C_PD，浮置区FD和积蓄电容元件C_S构成相对深的电势的电容(C_FD、C_S)。

这里，转送晶体管Tr1和积蓄晶体管Tr2按照晶体管的on/off，能取2个能级。

说明图1的等价电路图、图2-1的剖视图以及图2-2的电势图中说明的本实施方式的CMOS图像传感器的驱动方法。

图3-1是用驱动线(φ_T、φ_S、φ_R)上外加的电压为on/off的2能级加上关于φ_T用(+α)表示的能级的3能级表示的时序图。

虽然驱动线φ_T上外加的电压为ON/OFF的2能级就可以，但是像本例子那样为3能级时，能更有效地把从光电二极管PD溢出的电荷捕获到浮置区FD和积蓄电容元件C_S中，积蓄。

图3-2和图3-3分别是所述时序的光电二极管PD、浮置区FD和积蓄电容元件C_S构成的电容(C_PD、C_FD、C_S)的电位(V_PD、V_FD、V_CS)的变化的曲线图，图3-2是由光电二极管PD产生的光电子为使C_PD饱和的量以下的光量时的曲线图，图3-3是使C_PD饱和的量以上的光量时的曲线图。

此外，图4-1～图4-4以及图5-1～图5-4相当于时序图的各时序的电势图。

首先，φ_T为off，φ_S为on的状态下，φ_R为on，把前半帧中产生的光电荷全部排出、复位，在时刻T1，下一半帧开始的同时，φ_R为off。

这时，如图4-1所示，φ_S为on，所以成为C_FD、C_S耦合的状态，在复位之后，伴随着复位动作，在C_FD+C_S中产生所谓的kTC噪声。这里，把C_FD+C_S的复位电平的信号作为噪声N₂读出。

读出噪声N₂，积蓄到后面描述的帧存储器(存储部件)中，在生成图像信号时，利用噪声N₂的方法是能使S/N比最好的方法，但是过饱和时，与饱和前电荷+过饱和电荷相比，噪声N₂足够小，所以可以代替噪声N₂，使用后面描述的噪声N₁。此外，代替当前帧的噪声N₂，可以使用下一帧的噪声N₂。

接着，在积蓄时间T_LT时，积蓄光电二极管PD中生成的光电荷。这时，关于φ_T，作为(+α)能级，把C_PD和C_FD之间的势垒稍微降低。

如图3-2所示，光电荷首先积蓄到C_PD中，伴随着此，C_PD的电位V_PD渐渐下降。当光电子为使C_PD饱和的量以下时，只有C_PD的电位V_PD变化，C_FD和C_S的电位(V_FD、V_CS)不变化。

而光电子为使C_PD饱和的量以上时，超越φ_T仅下降了(+α)能级的势垒，光电荷从C_PD溢出，有选择地积蓄到该像素的C_FD+C_S中。这时，如图3-3所示，在C_PD饱和之前，C_PD的电位V_PD渐渐下降，C_FD和C_S的电位(V_FD、V_CS)不变化，但是从C_PD饱和之后开始，C_PD的电位V_PD变为一定，C_FD和C_S的电位(V_FD、V_CS)渐渐下降。

当光电子为使光电二极管PD饱和的量以下时，只在C_PD中积蓄光电荷，当光电子为使光电二极管PD饱和的量以上时，除了C_PD，在C_FD和C_S中也积蓄光电荷。

图4-2表示C_PD饱和，在C_PD中积蓄饱和前电荷Q_B，在C_FD和C_S中积蓄过饱和电荷Q_A的状态。

在积蓄时间T_LT的结束时，φ_T从(+α)能级回到off，φ_S为off，如图4-3所示，分割C_FD和C_S的电势。

使φ_R为on，如图4-4所示，排出C_FD中的光电荷，复位。

接着，在时刻T₂，使φ_R为off，结束复位之后，如图5-1所示，kTC噪声在C_FD中新产生。这里，把C_FD的复位电平的信号作为噪声N₁读出。

接着，使φ_T为on，如图5-2所示，把C_PD中的饱和前电荷Q_B转送给C_FD。这里，C_PD的电势比C_FD更浅，转送晶体管的能级比C_PD深，所以能实现C_PD中的饱和前电荷Q_B全部转送给C_FD的完全电荷转送。

这里，在时刻T₃，φ_T回到off，从转送给C_FD的饱和前电荷Q_B读出饱和前电荷信号S₁。可是，这里，带有C_FD噪声，所以实际读出的成为S₁+N_i。图5-2表示使φ_T回到off之前的状态。

接着，使φ_S为on，接着使φ_T为on，从而把C_FD和C_S的电势结合，如图5-3所示，混合C_FD中的饱和前电荷Q_B和C_S中的过饱和电荷Q_A。

这里，在时刻T₄，使φ_T回到off，从扩展到C_FD+C_S的饱和前电荷Q_B和过饱和电荷Q_A读出饱和前电荷信号S₁和过饱和电荷信号S₂的和的信号。可是，这里带有C_FD+C_S噪声，因为从扩展到C_FD+C_S的电荷读取，所以实际读出的成为S₁’+S₂’+N₂(S₁’、S₂’分别是根据C_FD和C_S的电容比率，缩小调制后的S₁和S₂的值)。图5-3表示φ_T回到off之前的状态。

接着，如上所述，在φ_T为off，φ_S为on的状态下，使φ_R为on，把该半帧中产生的光电荷全部排出，复位(图5-4)，转移到下一半帧。

下面说明把所述结构的像素集成为阵列状的CMOS图像传感器全体的电路结构。

图6是表示本实施方式的CMOS图像传感器的全体电路结构的等价电路图。

多个(图上4个)的像素(Pixel)配置为阵列状，在各像素(Pixel)上连接由行移位寄存器SR^V控制的驱动线(φ_T、φ_S、φ_R、φ_X)、电源VDD和接地GND。

从各像素(Pixel)用列移位寄存器SR^H和驱动线(φ_S1+N1、φ_N1、φ_{+S1’S2’+N2}、φ_N2)控制，如上所述，把饱和前电荷信号(S₁)+C_FD噪声(N₁)、C_FD噪声(N₁)、调制后的饱和前电荷信号(S₁’)+调制后的过饱和电荷信号(S₂’)+C_FD+C_S噪声(N₂)、以及C_S噪声(N₂)等4个值在各时序对各输出线输出。

这里，饱和前电荷信号(S₁)+C_FD噪声(N₁)、C_FD噪声(N₁)的各输出端部分CT_a如以下说明的那样，取得它们的差分，所以可以在CMOS图像传感器芯片上形成包含差动放大器DC1的电路CT_b。

图7是进行按所述输出的饱和前电荷信号(S₁)+C_FD噪声(N₁)、C_FD噪声(N₁)、调制后的饱和前电荷信号(S₁’)+调制后的过饱和电荷信号(S₂’)+C_FD+C_S噪声(N₂)、以及C_FD+C_S噪声(N₂)等4个信号的处理的电路。

从所述的输出，对差动放大器DC1输入饱和前电荷信号(S₁)+C_FD噪声(N₁)、C_FD噪声(N₁)，取得它们的差分，从而消除C_FD噪声(N₁)，取得饱和前电荷信号(S₁)。饱和前电荷信号(S₁)可以由按照必要设置的A/D转换器ADC1数字化，也可以不设置ADC1，保持模拟信号。

而把调制后的饱和前电荷信号(S₁’)+调制后的过饱和电荷信号(S₂’)+C_FD+C_S噪声(N₂)、C_FD+C_S噪声(N₂)对差动放大器DC2输入，取得它们的差分，从而消除C_FD+C_S噪声(N₂)，通过放大器AP，根据C_FD和C_S的电容比率复原，调整为与饱和前电荷信号(S₁)相同的增益，取得饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)。在把S₁’+S₂’+N₂信号和N₂信号输入差动放大器DC2之前，通过按照必要设置的A/D转换器ADC2、3分别数字化，或者不设置ADC2、3，保持模拟信号，对差动放大器DC2输入。

这里，如图3-1～图3-3的时序图所示，C_FD+C_S噪声(N₂)与其它信号相比，相对取得快，所以在取得其他信号之前，暂时储存在存储部件中，在取得其他信号的时序从帧存储器FM读出，进行以下的处理。

说明所述的调制的饱和前电荷信号(S₁’)+调制后的过饱和电荷信号(S₂’)的复原。

S₁’、S₂’、α(从C_FD向C_FD+C_S的电荷分配比)以及β(从C_S向C_FD+C_S的电荷分配比)由以下的表达式表示。

S₁’＝S₁×α       (1)

S₂’＝S₂×α×β   (2)

α＝C_FD/(C_FD+C_S)  (3)

β＝C_S/(C_FD+C_S)   (4)

因此，从C_FD和C_S的值，从所述表达式(3)和(4)求出α和β，把它代入所述表达式(1)和(2)，复原为S₁+S₂，能调整为与另外取得的S₁相同的增益。

如图7所示，选择按所述取得的S₁和S₁+S₂，作为最终的输出。

首先把S₁对比较器CP输入，与预先设定的基准电位V₀比较。而把S₁和S₁+S₂对选择器SE输入，按照所述的比较器CP的输出，选择S₁和S₁+S₂的任意一方输出。按照光电二极管PD的电容选择饱和前的电位，例如基准电位V₀为0.3V左右。

即如果把S₁减去V₀，为负，即S₁比V₀小，就判断为光电二极管PD不饱和，输出S₁。

相反，如果把S₁减去V₀，为正，即S₁比V₀大，就判断为光电二极管PD饱和，输出S₁+S₂。

例如，在CMOS图像传感器芯片CH上形成到该输出，以外带实现差动放大器DC1和帧存储器FM以后的电路。此外，如上所述，关于差动放大器DC1，也可以在CMOS图像传感器芯片CH上形成。

此外，关于差动放大器DC1和帧存储器FM以后的电路，因为处理的模拟数据增大，所以在对差动放大器DC1和帧存储器FM输入之前，进行A/D转换，把差动放大器DC1和帧存储器FM以后进行数字化处理。这时，可以按照使用的A/D转换器的输入范围，预先通过未图示的放大器放大。

如上所述，在本实施方式的CMOS图像传感器中，在一个像素中，每半帧，取得饱和前电荷信号(S₁)、饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)等2个信号，实际判断光电二极管PD(C_FD)是否为饱和或接近它的状态，选择S₁和S₁+S₂的任意一个。

图8-1是对于相对光量，描绘使用C_FD时取得的电荷数的图，它相当于信号S₁。而图8-2是对于相对光量，描绘使用C_FD+C_S时取得的电荷数的图，它相当于信号S₁+S₂。

作为基准电位V₀(例如0.3V)，在低照度一侧使用图8-1所示的信号S₁，在高照度一侧使用图8-2所示的信号S₁+S₂。

这时，两曲线图中，在低照度区出现噪声Noise，但是信号S₁比信号S₁+S₂小，在低照度一侧采用信号S₁，所以没有提高噪声水平的问题。

此外，C_FD的饱和电位在各像素具有偏移，在电荷数上，为1×10⁴～2×10⁴，但是在进入该区域之前，切换为使用C_FD+C_S的信号S₁+S₂，所以有不受C_FD的饱和电位的偏移的影响的优点。

此外，即使基准电位V₀偏移，在基准电位的附近一带，C_FD的电荷数和C_FD+C_S的电荷数一致，所以在基准电位附近，无论使用信号S₁，还是信号S₁+S₂都没有问题。

图8-3是重叠表示对于相对光量，描绘使用图8-1所示的电容C_FD时的浮置区的电压的曲线图(表示为C_FD)，对于相对光量描绘使用图8-2所示的电容C_FD+C_S时的浮置区的电压的曲线图的图。分别对应于把图8-1和图8-2所示的曲线图从电荷数变换为电压。

可是，如果使用电容C_FD+C_S，则即使照射相同的光量，取得相同的电荷数，C_S的电容值也增大，所以变换后的电压按该部分下降。

如上所述，在超过基准电位0.3V之前的低照度一侧，使用由C_FD表示的曲线图的信号S₁，在超过0.3V的高照度一侧，切换为由C_FD+C_S表示的曲线图的信号S₁+S₂。

根据本实施方式的CMOS图像传感器的结构和所述的动作方法，从分别消除噪声而取得的饱和前电荷信号(S₁)、饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)的2个信号，如果光电二极管PD(C_PD)未饱和，就采用饱和前电荷信号(S₁)，如果饱和，就采用饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)。

在光电二极管PD未饱和的低照度摄像中，通过消除噪声而取得的饱和前电荷信号(S₁)，能维持高灵敏度、高S/N比，在光电二极管PD饱和的高照度摄像中，把从光电二极管溢出的光电荷通过积蓄电容元件积蓄，取入它，与所述同样，通过消除噪声而取得的信号(饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂))，能维持高S/N比，在高照度一侧扩大动态范围。

本实施方式的CMOS图像传感器除了如上所述，不降低低照度一侧的灵敏度，提高高照度一侧的灵敏度，扩大动态范围，电源电压也不从通常使用的范围上升，所以能对应于将来的图像传感器的微细化。

元件的追加抑制得极小，不引起像素尺寸的扩大。

不用像以往的实现宽动态范围的图像传感器那样在高照度一侧和低照度一侧分割积蓄时间，即不跨帧地在同一积蓄时间中积蓄，所以能应对动画的摄像。

此外，关于浮置区FD的漏电流(FD泄漏)，在本实施方式的图像传感器中，C_FD+C_S的最小信号成为过饱和电荷+来自光电二极管PD的饱和电荷，处理比FD泄漏的电荷还大的电荷量，所以具有难以受FD泄漏的影响的优点。

实施方式2

本实施方式是把实施方式1的CMOS图像传感器的像素的电路结构变形的形态。

图9-1是本实施方式的CMOS图像传感器的一个例子的一个像素部分的等价电路图。实质上与图1的等价电路图同样，但是放大晶体管Tr4以及选择晶体管Tr5的连接不同，是把选择晶体管Tr5配置在放大晶体管Tr4的上级一侧，放大晶体管Tr4的输出与输出线out连接的形态。

通过这样连接，能提高放大晶体管Tr4的放大器的增益。

此外，图9-2是本实施方式的CMOS图像传感器的其他例子的一个像素部分的等价电路图。实质上与图1的等价电路图同样，但是关于转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2、复位晶体管Tr3、放大晶体管Tr4、选择晶体管Tr5等5个晶体管，是用p沟道MOS晶体管置换n沟道MOS晶体管的结构。

据此，能实现空穴的完全电荷转送型的图像传感器，例如作为硅基板，适合于使用p型的情况等。

其他结构能采用与实施方式1的CMOS图像传感器同样的结构。

根据本实施方式的CMOS图像传感器，与实施方式1同样，在光电二极管PD不饱和的低照度摄像中，通过消除噪声而取得的饱和前电荷信号，能维持高灵敏度、高S/N比，在光电二极管PD饱和的高照度摄像中，通过积蓄电容元件积蓄从光电二极管溢出的光电荷，取入它，与所述同样，通过消除噪声而取得的信号(饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和)，维持高S/N比，在高照度一侧，能实现宽动态范围。

实施方式3

本实施方式的固体摄像装置是CCD图像传感器。

图10-1是本实施方式的CCD图像传感器的一个例子的一个像素量的等价电路图。

φ_V1和φ_V2的2相驱动的第一电荷耦合转送路线CCD1和第二电荷耦合转送路线CCD2在垂直方向延伸配置，光电二极管PD与第一电荷耦合转送路线CCD1直接连接，而经由转送晶体管Tr1与第二电荷耦合转送路线CCD2连接。

这里，第二电荷耦合转送路线CCD2在光电二极管PD饱和时，作为积蓄从光电二极管PD溢出的光电荷的积蓄电容元件C_S起作用。

在所述的结构的CCD图像传感器中，通过第一电荷耦合转送路线CCD1转送低照度一侧的饱和前信号，通过CCD的驱动读出，而用积蓄电容元件C_S积蓄高照度一侧的过饱和信号，通过积蓄电容元件C_S构成的第二电荷耦合转送路线CCD2的驱动，原封不动读出。

通过分别读出低照度一侧的饱和前信号、把从光电二极管溢出的光电荷由积蓄电容元件积蓄的高照度一侧的过饱和信号，能在高照度一侧实现宽动态范围。

图10-2是本实施方式的CCD图像传感器的其他例子的一个像素部分的等价电路图。

相当于在实施方式1的CMOS图像传感器中，通过第一电荷耦合转送路线CCD1转送低照度一侧的饱和前信号，通过CCD的驱动读出的结构。高照度一侧的过饱和信号的读出能与实施方式1的CMOS图像传感器的信号读出同样进行。

这时，不需要混合饱和前信号和过饱和信号的步骤，所以可以不设置浮置区FD和积蓄电容元件C_S之间的积蓄晶体管Tr2。

通过分别读出低照度一侧的饱和前信号、把从光电二极管溢出的光电荷由积蓄电容元件积蓄的高照度一侧的过饱和信号，能在高照度一侧实现宽动态范围。

实施方式4

本实施方式是把实施方式1的CMOS图像传感器的像素的电路结构变形的形态。

图11-1是本实施方式的CMOS图像传感器的一个例子的一个像素量的等价电路图。实质上与图1的等价电路图同样，但是，是追加构成把积蓄电容元件C_S中积蓄的光电荷作对数变换，读出的对数变换电路的晶体管Tr6～8的形态。

通过一边进行对数变换，一边读出，能应对高照度摄像，能实现宽动态范围。在光电二极管PD的饱和附近，通过混合饱和前信号和过饱和信号，能提高S/N。

图11-2是本实施方式的CMOS图像传感器的其他例子的一个像素量的等价电路图。

是追加构成把从光电二极管PD溢出的光电荷作对数变换，积蓄到积蓄电容元件C_S中的对数变换电路的晶体管Tr6、7、9、10的形态。

通过一边进行对数变换，一边读出，能应对高照度摄像，能实现宽动态范围。进行对数变换，积蓄到积蓄电容元件C_S中，所以即使积蓄电容元件C_S小，也能有助于宽动态范围化。

实施方式5

本实施方式的固体摄像装置是与实施方式1同样的CMOS图像传感器，图12是一个像素量的等价电路图。

各像素由接收光并且生成光电荷的光电二极管PD、转送来自光电二极管PD的光电荷的转送晶体管Tr1、通过转送晶体管Tr1转送光电荷的浮置区FD、在积蓄动作时积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件C_S、把浮置区FD和积蓄电容元件C_S的电势结合或分割的积蓄晶体管Tr2、与积蓄电容元件C_S直接连接并且经由积蓄晶体管Tr2与浮置区FD连接形成，并且用于排出积蓄电容元件C_S以及浮置区FD内的光电荷的复位晶体管Tr3、把浮置区FD内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管Tr4、以及与放大晶体管连接形成并且用于选择像素的选择晶体管Tr5构成，是所谓的5晶体管型的CMOS图像传感器。例如所述5个晶体管都由n沟道MOS晶体管构成。

本实施方式的CMOS图像传感器把所述结构的多个像素集成为阵列状，在各像素中，在转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2、复位晶体管Tr3的栅极电极连接φ_T、φ_S、φ_R的各驱动线，此外，在选择晶体管Tr5的栅极电极连接由行移位寄存器驱动的像素选择线SL(φ_X)，在选择晶体管Tr5的输出一侧源极和漏极连接输出线out，通过列移位寄存器控制、输出。

关于选择晶体管Tr5、驱动线φ_X，为了能进行像素的选择、非选择动作，只要把浮置区FD的电压固定在适宜的值就可以了，所以也能省略它们。

图13是相当于所述的光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2、积蓄电容元件C_S的模式电势图。

光电二极管PD构成相对浅的电势的电容C_PD，浮置区FD和积蓄电容元件C_S构成相对深的电势的电容(C_FD、C_S)。

这里，转送晶体管Tr1和积蓄晶体管Tr2按照晶体管的on/off，能取2个能级。

说明图12的等价电路图、图13的电势图中说明的本实施方式的CMOS图像传感器的驱动方法。

图14-1是用驱动线(φ_T、φ_S、φ_R)上外加的电压为on/off的2能级加上关于φ_T用(+α)表示的能级的3能级表示的时序图。

虽然驱动线φ_T上外加的电压为ON/OFF的2能级就可以，但是像本例子那样为3能级时，能更有效地把从光电二极管PD溢出的电荷捕获到浮置区FD和积蓄电容元件C_S中，积蓄。

此外，图15-1～图15-3以及图16-1～图16-3相当于时序图的各时序的电势图。

首先，在一个半帧(1F)的开始，φ_T为off，φ_S为on的状态下，φ_R为on，把前半帧中产生的光电荷全部排出，复位，在时刻T₁，φ_R为off。

这时，如图1 5-1所示，φ_S为on，所以成为C_FD、C_S耦合的状态，在复位之后，伴随着复位动作，在C_FD+C_S中产生所谓的kTC噪声。这里，把C_FD+C_S的复位电平的信号作为噪声N₂读出。

接着，在积蓄时间T_LT时，积蓄光电二极管PD中生成的光电荷。这时，关于φ_T，作为(+α)能级，把C_PD和C_FD之间的势垒稍微降低。

如果电荷的积蓄开始，光电荷首先积蓄到C_PD中，当光电子为使C_PD饱和的量以上时，如图15-2所示，超越φ_T仅下降了(+α)能级的势垒，光电荷从C_PD溢出，有选择地积蓄到该像素的C_FD+C_S中。

当光电子为使C_PD饱和的量以下时，只在C_PD中积蓄光电荷，当光电子为使C_PD饱和的量以上时，除了C_PD，在C_FD和C_S中也积蓄光电荷。

图15-2表示C_PD饱和，在C_PD中积蓄饱和前电荷Q_B，在C_FD和C_S中积蓄过饱和电荷Q_A的状态。

在积蓄时间T_LT的结束时，φ_T从(+α)能级回到off，在时刻T₂，φ_S为off，如图15-3所示，分割C_FD和C_S的电势。这时，过饱和电荷Q_A按照C_FD和C_S的电容比，分割为Q_A1和Q_A2。这里，把保持过饱和电荷的一部分Q_A1的C_FD的电平信号作为噪声N₁读出。

接着使φ_T为on，如图16-1所示，把C_PD中的饱和前电荷Q_B向C_FD转送，与原来C_FD中保持的过饱和电荷的一部分Q_A1混合。

这里，C_PD的电势比C_FD浅，转送晶体管的能级比C_PD深，所以能实现把位于C_PD中的饱和前电荷Q_B全部转送给C_FD的完全电荷转送。

在时刻T₃，φ_T回到off，从转送给C_FD的饱和前电荷Q_B读出饱和前电荷信号S₁。可是，这里，在C_FD中存在饱和前电荷Q_B与过饱和电荷的一部分Q_A1的和的电荷，实际读出的成为S₁+N₁。图16-1表示使φ_T回到off之前的状态。

接着，使φ_S为on，接着使φ_T为on，从而把C_FD和C_S的电势结合，如图16-2所示，混合C_FD中的饱和前电荷Q_B与过饱和电荷的一部分Q_A1的和的电荷、C_S中的过饱和电荷的一部分Q_A2。过饱和电荷的一部分Q_A1和过饱和电荷的一部分Q_A2的和相当于分割前的过饱和电荷Q_A，所以成为在C_FD和C_S结合的电势中保持饱和前电荷Q_B与过饱和电荷Q_A的状态。

这里，在时刻T₄，使φ_T回到off，从扩展到C_FD+C_S的饱和前电荷Q_B和过饱和电荷Q_A读出饱和前电荷信号S₁与过饱和电荷信号S₂的和的信号。可是，这里带有C_FD+C_S噪声，因为从扩展到C_FD+C_S的电荷读取，所以实际读出的成为S₁’+S₂’+N₂(S₁’、S₂’分别是根据C_FD和C_S的电容比率，缩小调制后的S₁和S₂的值)。图16-2表示φ_T回到off之前的状态。

以上，半帧(1F)结束，转移到下一半帧，在φ_T为off，φ_S为on的状态下，使φ_R为on，如图16-3所示，把以前的半帧中产生的光电荷全部排出，复位。

从按所述取得的4个信号N₂、N₁、S₁+N₁、S₁’+S₂’+N₂，通过与实施方式1同样的步骤，取得饱和前电荷信号(S₁)、饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)。根据是饱和前还是饱和后，选择任意的信号。

在所述的说明中，读出噪声N₂，积蓄到帧存储器中，在生成图像信号时利用噪声N₂，但是在过饱和时，与饱和前电荷+过饱和电荷相比，噪声N₂足够小，所以代替当前帧的噪声N₂，可以使用下一帧的噪声N₂。

此外，能根据图14-2所示的时序图驱动。对于图14-1的时序图，在各半帧的复位动作期间中，设置使φ_T为on的期间不同。这时，连C_PD中的电荷都能可靠地复位。

除了所述，全体的电路结构与实施方式1是同样的结构。

图17是在本实施方式的CMOS固体摄像装置中，采用平面积蓄电容元件时的约一个像素量的布局图的一例。

如图那样配置光电二极管PD、积蓄电容元件C_S以及5个晶体管Tr1～Tr5，用布线W1连接晶体管Tr1和晶体管Tr2之间的浮置区FD和晶体管Tr4的栅极，用布线W2连接晶体管Tr2和晶体管Tr3之间的扩散层与积蓄电容元件C_S的上部电极，能实现相当于图13所示的本实施方式的等价电路图的电路。

在该布局中，转送晶体管Tr1的沟道宽度在光电二极管PD一侧宽，在浮置区FD一侧窄。因此，能高效使从光电二极管溢出的电荷溢出到浮置区一侧。而在浮置区FD一侧变窄，能减小浮置区FD的电容，能增大电位对于浮置区FD中积蓄的电荷的变动幅度。

根据本实施方式的CMOS图像传感器，与实施方式1同样，从分别消除噪声而取得的饱和前电荷信号(S₁)、饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)的2个信号，如果光电二极管PD(C_PD)未饱和，就采用饱和前电荷信号(S₁)，如果饱和，就采用饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂)。

在光电二极管PD未饱和的低照度摄像中，通过消除噪声而取得的饱和前电荷信号(S₁)，能维持高灵敏度、高S/N比，在光电二极管PD饱和的高照度摄像中，把从光电二极管溢出的光电荷通过积蓄电容元件积蓄，取入它，与所述同样，通过消除噪声而取得的信号(饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S₁+S₂))，能维持高S/N比，在高照度一侧扩大动态范围。

本实施方式的CMOS图像传感器除了如上所述，不降低低照度一侧的灵敏度，提高高照度一侧的灵敏度，扩大动态范围，电源电压也不从通常使用的范围上升，所以能对应于将来的图像传感器的微细化。

元件的追加抑制得极小，不引起像素尺寸的扩大。

不用像以往的实现宽动态范围的图像传感器那样在高照度一侧和低照度一侧分割积蓄时间，即不跨帧地在同一积蓄时间中积蓄，所以能应对动画的摄像。

此外，关于浮置区FD的漏电流(FD泄漏)，在本实施方式的图像传感器中，C_FD+C_S的最小信号成为过饱和电荷+来自光电二极管PD的饱和电荷，处理比FD泄漏的电荷还大的电荷量，所以具有难以受FD泄漏的影响的优点。

本实施方式的CMOS图像传感器与第一实施方式相同地，不受PD的饱和偏移的影响。

实施方式6

本实施方式的CMOS传感器是在所述的实施方式1～5的CMOS传感器中，通过采用以下的结构，能抑制浮置区的泄漏的CMOS传感器。

图18-1是详细表示本实施方式的CMOS传感器的浮置区部分的剖视图。

P型井(p-well)11的有源区由基于LOCOS法的氧化硅的元件分离绝缘膜20分离，在相当于元件分离绝缘膜20的下方的P型井11中形成p⁺型分离区12。此外，在称作鸟嘴的LOCOS元件分离绝缘膜20的端部20a的下方形成p⁺型分离区12a。

从元件分离绝缘膜20的端部20a离开给定的距离，在P型井11的表面经由由氧化硅构成的栅绝缘膜23形成多晶硅的栅极电极30。在栅极电极的侧部形成氮化硅的侧壁隔离块30a。

在栅极电极30和元件分离绝缘膜20之间的P型井11的表层形成成为浮置区FD的n⁺型半导体区15。n⁺型半导体区15由低浓度杂质区15a和高浓度杂质区15b构成。这里，成为低浓度杂质区15a从高浓度杂质区15b的端部伸出的所谓LDD(Lightly Doped Drain)构造，在元件分离绝缘膜20的端部20a附近和栅极电极30附近，在元件分离绝缘膜20的端部20a以及栅极电极30一侧更广泛形成低浓度杂质区15a。

由所述的栅极电极30和n⁺型半导体区15构成的源极和漏极构成在P型井11的表层具有沟道形成区的转送晶体管Tr1。

覆盖栅极电极30、n⁺型半导体区15以及元件分离绝缘膜20，形成由氧化硅构成的层间绝缘膜，形成到达n⁺型半导体区15的触点，在触点底部的n⁺型半导体区15的上层层叠TiSi层(或者Ti层)41和TiN层42，在其上层嵌入触点，形成钨插头43。与钨插头43连接，在层间绝缘膜的上层形成上层布线44。以覆盖n⁺型半导体区15的面积形成上层布线44，此外由触点连接，成为与n⁺型半导体区15相同的电位。

在具有图18-1所示的构造的CMOS传感器中，在LOCOS元件分离绝缘膜20的鸟嘴的下部形成p⁺型分离区12a，n⁺型半导体区15成为LDD构造，缓和n⁺型半导体区15的端部特别是应力大的LOCOS元件分离绝缘膜20的鸟嘴附近的电场集中，所以能抑制n⁺型半导体区15(浮置区FD)中的泄漏。

此外，覆盖n⁺型半导体区15(浮置区FD)形成同电位的上层部线44，通过基于上层部线44的屏蔽效应，能抑制成为泄漏的原因的n⁺型半导体区15(浮置区FD)的表面的耗尽化。

如上所述，是能大幅度抑制n⁺型半导体区15(浮置区FD)的泄漏的构造。

图18-2以及图18-3是表示图18-1所示的CMOS传感器的制造步骤的剖视图。

如图18-2所示，在p型井11的元件分离区形成成为沟道截断部的p⁺型分离区12，通过LOCOS法，形成元件分离绝缘膜20，在元件分离绝缘膜20的鸟嘴下部形成p⁺型分离区12a。

接着通过热氧化法在p型井11的表面形成栅绝缘膜23，构图形成栅极电极30，为了通过栅极电极以及元件分离绝缘膜20的鸟嘴而规定端部，离子注入n型的导电性杂质DP1，形成低浓度杂质区15a。

接着如图18-3所示，通过CVD法(化学气相沉积)，全面形成氮化硅膜，通过蚀刻，在栅极电极30的侧部形成侧壁隔离块30a。此外，从鸟嘴伸出某种程度，以覆盖元件分离绝缘膜20的图案来形成抗蚀膜PR。

为了由所述侧壁隔离块30a和抗蚀膜PR规定端部，离子注入n型的导电性杂质DP2，形成高浓度杂质区15b。

通过所述的步骤，不仅栅极电极易侧，在LOCOS元件分离绝缘膜20一侧也能成为LDD构造。

接着通过CVD法，全面把氧化硅成膜，形成层间绝缘膜，对于取得的层间绝缘膜，形成到达n⁺型半导体区的触点，例如通过溅射法，在触点底部形成TiSi层(或者Ti)层41，再形成TiN层42，在触点中嵌入形成钨插头43。通过金属材料，以覆盖n⁺型半导体区15的宽度形成上层布线44，成为图18-1所示的构造。

根据本实施方式的CMOS传感器，与所述的各实施方式同样，能在高照度一侧实现宽动态范围，并且能抑制浮置区的泄漏电流。

实施方式7

本实施方式的CMOS传感器是在所述实施方式1～6的CMOS传感器中，驱动线φ_T上外加的电压不是用图3-1所示的(+α)表示的能级，只用on/off的2能级，就能使在电荷的积蓄时从光电二极管溢出的电荷向浮置区顺利移动的构造的CMOS传感器。

图19-1以及图19-2所示的CMOS传感器中，转送晶体管是具有构成转送晶体管的基板的表面或从表面附近到给定深度形成的与转送晶体管的沟道相同导电型的半导体层的嵌入沟道型。

图19-1是本实施方式的CMOS传感器的一例的剖视图，相当于光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2的部分。成为积蓄晶体管Tr2的源极和漏极的n⁺型半导体区16与未图示的积蓄电容元件C_S连接。

这里，从转送晶体管Tr1的栅极电极30下部的基板的表面到给定深度，与n型半导体区13和n⁺型半导体区15局部重叠，形成n型半导体区50。n型半导体区50是比n型半导体区13和n⁺型半导体区15的杂质的有效浓度低的n型区。

在所述的构造中，转送晶体管Tr1嵌入沟道化，这相当于降低光电二极管和浮置区之间的势垒。因此，即使在驱动线φ_T上不外加由图3-1的(+α)表示的电位，也能取得同等的电势，在电荷的积蓄时，能把从光电二极管溢出的电荷顺利地向浮置区移动。

图19-2是本实施方式的CMOS传感器的一例的剖视图，与图19-1的CMOS传感器同样，从转送晶体管Tr1的栅极电极30下部的基板的表面到给定深度，与n型半导体区13和n⁺型半导体区15局部重叠，形成n型半导体区50。直到转送晶体管Tr1的栅极电极30下部区域，延伸形成在光电二极管PD的表层形成的p⁺型半导体区14。

通过形成n型半导体区50和p⁺型半导体区14，转送晶体管Tr1嵌入沟道化，这相当于降低光电二极管和浮置区之间的势垒。因此，即使在驱动线φ_T上不外加由图3-1的(+α)表示的电位，也能取得同等的电势，在电荷的积蓄时，能把从光电二极管溢出的电荷顺利地向浮置区移动。

图20-1和图20-2所示的CMOS传感器是转送晶体管具有在构成转送晶体管的基板的给定深度形成，与转送晶体管的沟道相同型，降低转送晶体管的穿通势垒的半导体层的结构。

图20-1是本实施方式的CMOS传感器的一例的剖视图，相当于光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2的部分。成为积蓄晶体管Tr2的元件和漏极的n⁺型半导体区16与未图示的积蓄电容元件C_S连接。

在转送晶体管Tr1的栅极电极30下部的给定深度的区域中，与n型半导体区13连接，形成n型半导体区51。

所述的构造相当于降低转送晶体管Tr1的穿通势垒。从n型半导体区51到浮置区FD的斜向穿通路线成为从光电二极管到浮置区FD的溢出路线PA，即使在驱动线φ_T上不外加由图3-1的(+α)表示的电位，在电荷的积蓄时，也能把从光电二极管溢出的电荷穿通，顺利地向浮置区移动。

图20-2是本实施方式的CMOS传感器的一例的剖视图，与图20-1的CMOS传感器同样，在转送晶体管Tr1的栅极电极30下部的给定深度的区域中，与n型半导体区13连接，形成n型半导体区52。在本实施方式，n型半导体区52延伸形成到浮置区的下方。

所述的构造相当于降低转送晶体管Tr1的穿通势垒。从n型半导体区52到浮置区FD的几乎垂直方向的穿通路线成为从光电二极管到浮置区FD的溢出路线PA，即使在驱动线φ_T上不外加由图3-1的(+α)表示的电位，在电荷的积蓄时，也能把从光电二极管溢出的电荷穿通，顺利地向浮置区移动。

实施方式8

本实施方式表示在所述的各实施方式中，用于积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件的形态的变形例。

作为积蓄电容元件，考虑结型积蓄电容元件时，考虑条件，1μm²的静电电容是0.3～3fF/μm²左右，面积效率不太好，难以扩大动态范围。

而在平面型积蓄电容元件中，为了抑制电容绝缘膜的绝缘膜漏电流，使绝缘膜电场为3～4MV/cm以下，最大外加电压为2.5～3V，电容绝缘膜的厚度设定为7nm左右时，电容绝缘膜的材料的介电常数为3.9，为4.8fF/μm²，介电常数为7.9，为9.9fF/μm²，介电常数为20，为25fF/μm²，介电常数为50，为63fF/μm²。

除了氧化硅(介电常数为3.9)，通过使用氮化硅(7.9)、Ta₂O₅(20～30)、HfO₂(30)、ZrO₂(30)、Ra₂O₃(40～50)左右的所谓高k材料，能实现更大的静电容量，能实现比较单纯构造的平面型的100～120dB的宽动态范围的图像传感器。

通过应用抑制占有面积，能扩大有助于电容的面积的积层型或沟型等构造，能实现120dB的宽动态范围，通过组合所述的高k材料，用积层型能实现140dB，用沟型能实现160dB。

以下表示本实施方式中能应用的积蓄电容元件的例子。

图21-1是与第一实施方式相同的平面型MOS积蓄电容元件的剖面图。

即积蓄电容元件C_S是例如具有形成在积蓄电容元件10的表层部分的成为下部电极p⁺型半导体区17、形成在p⁺型半导体区17上的氧化硅的电容绝缘膜25、形成在电容绝缘膜25上的多晶硅等的上部电极32的结构。

图21-2是平面型MOS及结型的积蓄电容元件的剖面图。

例如，形成在n型半导体基板10上的p型井11的表层部分，与成为积蓄晶体管的源极和漏极的n⁺型半导体区16a一体形成成为下部电极的n⁺型半导体区16b，经由其上的氧化硅的电容绝缘膜25形成上部电极32，构成积蓄电容元件C_S。这时，在上部电极32外加电源电压VDD或接地GND。

图22-1的剖视图所示的积蓄电容元件是与图21-1同样的平面型MOS积蓄电容元件。

可是，电容绝缘膜25a由氮化硅或Ta₂O₅等高k材料构成，比图21-1的积蓄电容元件的电容更大。

图22-2的剖视图所示的积蓄电容元件是与图21-2同样的平面型MOS和结型的积蓄电容元件。

可是，电容绝缘膜25a由氮化硅或Ta₂O₅等高k材料构成，比图21-2的积蓄电容元件的电容更大。

图23-1是积层型积蓄电容元件的剖视图。

例如，是具有形成在n型半导体基板10上的元件分离绝缘膜上形成的下部电极37、形成在下部电极37上的电容绝缘膜25、形成在电容绝缘膜25上的上部电极38的结构。

这里，成为积蓄晶体管的源极和漏极的n⁺型半导体区16和下部电极37由布线36连接。这时，在上部电极38上外加电源电压VDD或接地GND。

图23-2是圆筒形状的积层型积蓄电容元件的剖视图。

例如，是具有与成为积蓄晶体管的源极和漏极的n⁺型半导体区16连接形成的圆筒形状的下部电极37a、在圆筒形状的下部电极37a的内壁面上形成的电容绝缘膜25、以掩埋下部电极37a的圆筒的内侧部分的方式经由电容绝缘膜25而形成的上部电极38a的结构。

这里，在上部电极38a上外加电源电压VDD或接地GND。

圆筒形状的下部电极37a和以掩埋下部电极37a的圆筒的内侧部分的方式形成的上部电极38a的构造与通常的积层型相比，更能增大有助于静电电容的相对面积。

图24是组合平面MOS型和积层型的复合积蓄电容元件的剖视图。根据本例，能形成面积效率高的大电容。

图25-1是沟型积蓄电容元件的剖视图。

贯通n型半导体基板10的p型井11，形成到达n型基板的沟TC，是具有在沟TC的内壁形成的成为下部电极的n⁺型半导体区1 8、覆盖沟TC的内壁而形成的电容绝缘膜25、经由电容绝缘膜25掩埋沟TC而形成的上部电极40的结构。

这里，成为积蓄晶体管的源极和漏极的n⁺型半导体区16和上部电极40由布线34连接。

图25-2是具有结的沟型积蓄电容元件的剖视图。

是在n型半导体基板的p型井11内形成沟TC，在沟TC的内壁与成为积蓄晶体管的源极和漏极的n⁺型半导体区16c一体形成成为下部电极的n⁺型半导体区16d，覆盖沟TC的内壁形成电容绝缘膜25，经由电容绝缘膜25掩埋沟TC而形成上部电极40的结构。

图26-1是沟型积蓄电容元件的剖视图。

是贯通n型半导体基板10的p型井11，形成到达n型基板的沟TC，在沟TC的比某深度更深的区域中，具有形成在其内壁的成为下部电极的n⁺型半导体区18、覆盖沟TC的内壁而形成的电容绝缘膜25、经由电容绝缘膜25掩埋沟TC而形成的上部电极40的结构。

这里，成为积蓄晶体管的源极和漏极的n⁺型半导体区16和上部电极40由布线34连接。

图26-2是沟型积蓄电容元件的剖视图。

是贯通n型半导体基板10的p型井11，形成到达n型基板的沟TC，具有形成在沟TC内壁的成为下部电极的p⁺型半导体区19、覆盖沟TC的内壁而形成的电容绝缘膜25、经由电容绝缘膜25掩埋沟TC而形成的上部电极40的结构。

在此，由布线34连接成为积蓄晶体管的源极、漏极的n⁺型半导体区16和上部电极40。

图27是具有使用结电容的嵌入积蓄电容元件的CMOS传感器的剖视图。

例如，在p型硅半导体基板(p-sub)60上形成p型外延层61，跨p型半导体基板60和p型外延层61，形成n⁺型半导体区62。即，n⁺型(第一导电型)半导体区和与它接合的p型(第二导电型)半导体区嵌入构成固体摄像装置的半导体基板的内部，形成使用结电容的嵌入积蓄电容元件。

在p型半导体基板60和p型外延层61区中进一步形成p⁺型分离区63。

在p型外延层61上形成p型半导体层64，对于p型半导体层64，与所述的各实施方式同样，形成光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2。

例如，成为积蓄电容元件的n⁺型半导体区62跨所述的光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置区FD、积蓄晶体管Tr2的各形成区而被广泛形成。

此外，成为积蓄晶体管Tr2的源极和漏极的n⁺型半导体区16通过在p型半导体层64中垂直延伸的n⁺型半导体区65，与构成积蓄电容元件的n⁺型半导体区62连接。

图28是具有使用绝缘膜电容和结电容的嵌入积蓄电容元件的CMOS传感器的剖视图。

虽然是与图27同样的构造，但是成为在p型半导体基板(p-sub)60上，经由绝缘膜60a形成第一p型外延层61a和第二p型外延层61b，在半导体基板上经由绝缘膜形成半导体层的SOI(Semiconductor on Insulator)基板。

这里，跨第一p型外延层61a和第二p型外延层61b，到达与绝缘膜60a接触的区域，形成n⁺型半导体区62，使用经由绝缘膜相对的半导体基板和半导体层之间的绝缘膜电容，构成积蓄电容元件。

与图27的积蓄电容元件同样，在n⁺型半导体区62、第一p型外延层61a和第二p型外延层61b之间形成结电容。

关于其他构造，与图27的CMOS传感器同样。

图29是具有使用绝缘膜电容和结电容的嵌入积蓄电容元件的CMOS传感器的剖视图。

虽然是与图28同样的构造，但是在构成光电二极管PD的n型半导体区13和构成积蓄电容元件的n⁺型半导体区62之间形成低浓度半导体层(i层)66。

所述的构造相当于降低n型半导体区13和n⁺型半导体区62之间的势垒，成为从光电二极管到浮置区FD的溢出路线PA。据此，即使在驱动线φ_T上不外加由图3-1的(+α)表示的电位，在电荷的积蓄时，也能把从光电二极管溢出的电荷穿通，向浮置区移动。

所述各种积蓄电容元件在上述的实施方式1～7中都能应用，如上所述，通过这些形状的积蓄电容元件积蓄从光电二极管溢出的光电荷，能在高照度一侧实现宽动态范围。

(实施例1)

在本发明的CMOS图像传感器中，在使C_FD和C_S的饱和电压、C_S的静电电容值变化为各种值时，通过仿真求出能实现的动态范围。这里，噪声电平为2e^-。

C_FD和C_S的饱和电压为500mV，C_S为64fF的静电电容时，或者C_FD和C_S的饱和电压为1V，C_S为32fF的静电电容时，包含C_S的饱和时的电子数为2×10⁵e^-，能实现100dB的动态范围。

此外，C_FD和C_S的饱和电压为500mV，C_S为200fF的静电电容时，或者C_FD和C_S的饱和电压为1V，C_S为100fF的静电电容时，包含C_S的饱和时的电子数为6.3×10⁵e^-，能实现110dB的动态范围。

C_FD和C_S的饱和电压为500mV，C_S为640fF的静电电容时，或者C_FD和C_S的饱和电压为1V，C_S为320fF的静电电容时，包含C_S的饱和时的电子数为2×10⁶e^-，能实现120dB的动态范围。

(实施例2)

通过仿真求出在本发明的CMOS图像传感器中应用所述沟型积蓄电容元件时能实现的动态范围。

图30是采用沟型积蓄电容元件时的像素的概略平面图。

各像素由光电二极管PD、像素电路PC和沟型的积蓄电容元件Cap构成。

这里，如果假定各像素的一边为5μm左右，沟型积蓄电容元件的平面图上的长度为4μm×2左右。

图31是说明假定的沟型积蓄电容元件的尺寸的模式图。

是在n型半导体基板10的p型井11内形成沟TC，在沟TC的内壁形成成为下部电极的p型半导体区19，覆盖沟TC的内壁，形成氧化硅的电容绝缘膜25，经由电容绝缘膜25掩埋沟TC而形成上部电极40的结构。

这里，长度L如上所述为4μm×2。

如果沟的深度D为2μm，氧化硅(介电常数3.9)的电容绝缘膜25的膜厚T_ox为7nm，则只考虑沟的侧面时，电容为160fF，饱和时的电子数为5×10⁵e^-，能实现100～108dB的动态范围。

(实施例3)

求出在本发明的CMOS图像传感器中应用所述的平面积蓄电容元件时能实现的动态范围。

图32是采用平面积蓄电容元件时的像素的布局图。

配置光电二极管PD、浮置区FD、积蓄电容元件C_S和其他像素电路，取得图32的布局。

如果像素的一边是8.2μm，平面积蓄电容元件的电容绝缘膜为7nm膜厚的氧化硅，就取得C_S＝38fF。这时，C_FD＝4.2Ff(除了边缘电源)，作为动态范围，取得88～96dB。

(实施例4)

在本发明的CMOS图像传感器中，假定一边为3μm的像素的光电二极管PD的面积以开口率为25％，再在光电二极管PD中组入微型透镜，实质成为开口率80％的像素。

这里，作为积蓄从光电二极管PD溢出的光电子的积蓄电容元件，设定64fF和640fF等2种，在两者中，用仿真求出在光电二极管PD饱和前和饱和后的输出(V)和光量(lux)的线性。

图33-1是对于光量(lux)，描绘光电二极管PD饱和前的输出(V)的图，因为是饱和前，所以积蓄电容元件为64fF和640fF时都一致，确认输出(V)和光量(lux)的相关具有高的线性。

此外，图33-2是对于光量(lux)，描绘饱和后的输出(V)的图，相同的光量时，积蓄电容元件为640fF时比64fF输出低，确认在输出饱和之前的具有线性的部分取得宽。

这时，例如在10²lux以下，采用饱和前的输出，在10²lux以上，采用饱和后的输出，联系光电二极管PD的饱和前后，对于光量，在宽的范围中能取得具有高线性的输出。

此外，在表1中总结本发明的CMOS图像传感器的性能。

[表1]

项目	各元素
					CFD	3.2fF		6.4fF
CS	32fF	320fF	64fF	640fF
					像素尺寸	≤5μm
PD尺寸	≤3μm
					输入换算灵敏度	50μv/e-		25μv/e-
CFD饱和电荷量	1×104e-		2×104e-
					饱和电压	500mVmin@CFD、CS
饱和电荷量	1×105e-	1×106e-	2×105e-	2×106e-

动态范围

88dB

106dB

100dB

120dB

本发明并不局限于所述的说明。

例如，在实施方式中，说明固体摄像装置，但是并不局限于此，关于把各固体摄像装置的像素配置为直线状的线传感器、把各固体摄像装置的像素单独构成而取得的光传感器，也能实现以往不能取得的宽动态范围和高灵敏度、高S/N比。

此外，积蓄电容元件的形状未特别限定，在DRAM的存储器积蓄电容元件中，为了提高电容，能采用此前开发的各种方法。

作为固体摄像装置，如果是经由转送晶体管连接光电二极管和积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件的结构，就可以，除了CMOS图像传感器，也能应用于CCD。

在不脱离本发明的宗旨的范围中，能进行各种变更。

工业上的可利用性

本发明的固体摄像装置能应用于数码相机或带相机的移动电话等中搭载的CMOS图像传感器或CCD图像传感器等希望宽动态范围的图像传感器中。

本发明的线传感器能应用于希望宽动态范围的线传感器中。

本发明的光传感器能应用于希望宽动态范围的光传感器中。

本发明的固体摄像装置的工作方法能应用于希望宽动态范围的图像传感器的工作方法。

Claims (30)

1.一种固体摄像装置，将多个像素集成为阵列状，

所述像素包括：

光电二极管，接收光，生成光电荷；

转送晶体管，转送所述光电荷；和

积蓄电容元件，至少经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置，并且在积蓄动作时至少通过所述转送晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。

2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

在所述转送晶体管和所述积蓄电容元件之间还具有：

浮置区，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；和

积蓄晶体管，将所述浮置区与所述积蓄电容元件的电势结合或分割。

3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中：

还具有：

复位晶体管，与所述浮置区连接而形成，用于排出所述浮置区内的光电荷；

放大晶体管，将所述浮置区内的光电荷放大变换为电压信号；和

选择晶体管，与所述放大晶体管连接而形成，用于选择所述像素。

4.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中：

具有对数变换电路，其对所述积蓄电容元件中积蓄的光电荷进行对数变换而读出。

5.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中：

具有对数变换电路，其对从所述光电二极管溢出的光电荷进行对数变换，积蓄到所述积蓄电容元件中。

6.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中：

还具有：

复位晶体管，与所述积蓄电容元件和所述积蓄晶体管的连接部连接而形成，用于排出所述积蓄电容元件以及所述浮置区内的光电荷；

放大晶体管，将所述浮置区内的光电荷放大变换为电压信号；和

选择晶体管，与所述放大晶体管连接而形成，用于选择所述像素。

7.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

所述转送晶体管是具有从构成所述转送晶体管的基板的表面或表面附近形成至给定的深度为止的与所述转送晶体管的沟道相同的导电型的半导体层的嵌入沟道型。

8.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

所述转送晶体管具有半导体层，其在构成所述转送晶体管的基板的给定的深度形成，并且为与所述转送晶体管的沟道相同的导电型，减少所述转送晶体管的穿通势垒。

9.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

所述积蓄电容元件具有：在构成所述固体摄像装置的半导体基板的表层部分上形成的成为下部电极的半导体区；形成在所述半导体区上的电容绝缘膜；和形成在所述电容绝缘膜上的上部电极。

10.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

所述积蓄电容元件具有：在构成所述固体摄像装置的基板上形成的下部电极；形成在所述下部电极上的电容绝缘膜；和形成在所述电容绝缘膜上的上部电极。

11.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

所述积蓄电容元件具有：在形成在构成所述固体摄像装置的半导体基板上的沟内壁上所形成的成为下部电极的半导体区；覆盖所述沟内壁而形成的电容绝缘膜；和经由所述电容绝缘膜掩埋所述沟而形成的上部电极。

12.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

第一导电型半导体区、与所述第一导电型半导体区接合的第二导电型半导体区嵌入构成所述固体摄像装置的半导体基板的内部，构成所述积蓄电容元件。

13.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

构成所述固体摄像装置的基板是在半导体基板上经由绝缘膜形成半导体层的绝缘半导体基板，

使用经由所述绝缘膜而相对的所述半导体基板和所述半导体层之间的绝缘膜电容，构成所述积蓄电容元件。

14.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中：

还具有噪声消除部件，其取得从转送给所述浮置区或转送给所述浮置区以及所述积蓄电容元件的光电荷所得到的电压信号、与所述浮置区或所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分。

15.根据权利要求14所述的固体摄像装置，其中：

还具有存储部件，其存储所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号。

16.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其中：

还具有噪声消除部件，其取得从转送给所述浮置区的光电荷所得到的电压信号、与所述浮置区的所述转送前的电平的电压信号之间的差分。

17.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其中：

还具有噪声消除部件，其取得从转送给所述浮置区以及所述积蓄电容元件的光电荷所得到的电压信号、与所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分。

18.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其中：

还具有存储部件，其存储所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号。

19.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

转送所述光电二极管内的光电荷的第一电荷耦合转送路线与所述光电二极管连接而形成，

所述积蓄电容元件在相邻的像素间连接，构成与所述第一电荷耦合转送路线不同的转送所述积蓄电容元件内的光电荷的第二电荷耦合转送路线。

20.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：

还具有：

电荷耦合转送路线，与所述光电二极管连接而形成，转送所述光电二极管内的光电荷；

复位晶体管，与所述积蓄电容元件连接而形成，用于排出所述积蓄电容元件内的光电荷；

放大晶体管，将所述积蓄电容元件内的光电荷放大变换为电压信号；和

选择晶体管，与所述放大晶体管连接而形成，用于选择所述像素。

21.根据权利要求1～20中任意一项所述的固体摄像装置，其中：

构成所述像素的晶体管是n沟道MOS晶体管。

22.根据权利要求1～20中任意一项所述的固体摄像装置，其中：

构成所述像素的晶体管是p沟道MOS晶体管。

23.一种线传感器，将多个像素集成为直线状，

所述像素包括：

光电二极管，接收光，生成光电荷；

转送晶体管，转送所述光电荷；和

积蓄电容元件，至少经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置，在积蓄动作时至少通过所述转送晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。

24.一种光传感器，具有：

光电二极管，接收光，生成光电荷；

转送晶体管，转送所述光电荷；和

积蓄电容元件，至少经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置，在积蓄动作时至少通过所述转送晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。

25.一种固体摄像装置的工作方法，所述固体摄像装置将多个像素集成为阵列状，所述像素包括：光电二极管，接收光，生成光电荷；转送晶体管和积蓄晶体管，转送所述光电荷；浮置区，经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置；和积蓄电容元件，在积蓄动作时通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷，通过所述积蓄晶体管控制与所述浮置区的电势的结合或分割，

所述固体摄像装置的工作方法包括：

在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置区以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；

读出所述浮置区和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；

由所述光电二极管产生的光电荷中将饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置区以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；

使所述积蓄晶体管截止，分割所述浮置区和所述积蓄电容元件的电势，排出所述浮置区内的光电荷的步骤；

读出所述浮置区的复位电平的电压信号的步骤；

使所述转送晶体管导通，将所述饱和前电荷向所述浮置区转送，读出所述饱和前电荷的电压信号的步骤；和

使所述积蓄晶体管导通，将所述浮置区与所述积蓄电容元件的电势结合，混合所述饱和前电荷和所述过饱和信号，读出所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的步骤。

26.根据权利要求25所述的固体摄像装置的工作方法，其中，

还包括：

取得所述饱和前电荷的电压信号和所述浮置区的复位电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷的电压信号消除噪声的步骤；

取得所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号、与所述浮置区和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号消除噪声的步骤；

调整所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的增益，使得成为与所述饱和前电荷的电压信号实质上相同的增益的步骤；和

与基准电压进行比较，选择消除了噪声的所述饱和前电荷的电压信号、消除了噪声的所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号中的任意一个的步骤。

27.根据权利要求25所述的固体摄像装置的工作方法，其中：

在由所述光电二极管产生的光电荷中将饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置区以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤中，所述转送晶体管部分的电势调节为使所述转送晶体管完全截止的电平或比它还低的电平。

28.一种固体摄像装置的工作方法，所述固体摄像装置将多个像素集成为阵列状，所述像素包括：光电二极管，接收光，生成光电荷；转送晶体管和积蓄晶体管，转送所述光电荷；浮置区，经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置；和积蓄电容元件，在积蓄动作时通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷，通过所述积蓄晶体管控制与所述浮置区的电势的结合或分割，

所述固体摄像装置的工作方法包括：

在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置区以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；

读出所述浮置区以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；

在由所述光电二极管产生的光电荷中将饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置区以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；

使所述积蓄晶体管截止，分割所述浮置区和所述积蓄电容元件的电势，读出所述浮置区的所述饱和前电荷的转送前电平的电压信号的步骤；

使所述转送晶体管导通，将所述饱和前电荷向所述浮置区转送，读出所述饱和前电荷的转送后电平的电压信号的步骤；和

使所述积蓄晶体管导通，将所述浮置区与所述积蓄电容元件的电势结合，混合所述饱和前电荷和所述过饱和信号，读出所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的步骤。

29.根据权利要求28所述的固体摄像装置的工作方法，其中：

还包括：

取得所述饱和前电荷的转送后电平的电压信号和所述饱和前信号的转送前电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷的电压信号消除噪声的步骤；

取得所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号、与所述浮置区和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分，对所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号消除噪声的步骤；

调整所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号的增益，使得成为与所述饱和前电荷的电压信号实质上相同的增益的步骤；和

与基准电压进行比较，选择消除了噪声的所述饱和前电荷的电压信号、消除了噪声的所述饱和前电荷和所述过饱和信号的和的电压信号中的任意一个的步骤。

30.根据权利要求28所述的固体摄像装置的工作方法，其中：

在由所述光电二极管产生的光电荷中将饱和前电荷积蓄到所述光电二极管中，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置区以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤中，所述转送晶体管部分的电势调节为使所述转送晶体管完全截止的电平或比它还低的电平。

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