【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を光電変換するための複数の単位画素が配列された固体撮像装置、およびそれを用いたデジタルカメラ等のカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の固体撮像装置の構成を示す回路図である。この固体撮像装置は、単位画素が二次元状に配列された撮像領域７と、列方向に画素を選択する垂直シフトレジスタ８と、行方向に画素を選択する水平シフトレジスタ９と、垂直シフトレジスタ８と水平シフトレジスタ９に必要なパルスを供給するタイミング発生回路１０と、出力アンプ１１により構成されている。各単位画素は、フォトダイオード１と、転送トランジスタ２と、リセットトランジスタ３と、増幅トランジスタ４と、信号線５と、電源６により構成されている。
【０００３】
単位画素で光電変換により得られた画素信号は、行毎に垂直シフトレジスタ８により選択され、さらに水平シフトレジスタ９により画素毎に順次出力アンプ１１から取り出される。
【０００４】
図５は、図４に示した従来の固体撮像装置における単位画素の、半導体基板上での構造を、拡大して示す平面図である（例えば特許文献１参照）。また、図５のＡ−Ａ’断面を図６に示す。図４の回路図に示した要素に対応する部分が、同一の参照番号で示される。図６において、１４はＰ型基板である。フォトダイオード１、蓄積領域１３、電源６の拡散層は、ｎ型の不純物の注入により形成されている。
【０００５】
従来の単位画素では、フォトダイオード１上のみに開口部１２が設けられている。従って、開口部１２からフォトダイオード１に入射した光のみが光電変換され、信号電荷として転送トランジスタ２により蓄積領域１３のｎ型層に読み出される。蓄積領域１３に読み出された電荷が蓄積領域１３の電位を変化させ、その電位が検出トランジスタ４のゲートの電位を変化させる。その結果、信号線５の電位が変化し、信号線５から各画素で光電変換された信号として出力される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１４５４４４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構成の場合、単位画素内に、転送トランジスタ２、リセットトランジスタ３、増幅トランジスタ４、信号線５、電源６などが配置されるため、光電変換に寄与する開口部１２の領域の面積が小さく、感度が低く制限されてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、単位画素における光電変換に寄与する領域の面積を広げ、光電変換により得られる電荷の量を増大させて、感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、入射光を光電変換するための光電変換領域と、前記光電変換領域で得られた信号電荷を読み出すための転送トランジスタと、読み出された前記信号電荷を蓄えるための蓄積領域とを各々備えた複数の単位画素が、二次元状に配列された構成を有する。上記課題を解決するために、前記光電変換領域上に設けられた開口部に加えて、前記蓄積領域上の少なくとも一部に開口部が設けられ、前記各開口部を通った入射光により、前記光電変換領域及び前記蓄積領域において光電変換が行われる構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の固体撮像装置は、上記課題を解決するための手段に記載の構成を有することにより、通常の光電変換領域であるフォトダイオードにより得られる電荷とともに、その電荷を蓄積するための蓄積領域上にも開口部が設けられて、蓄積領域における光電変換による電荷も得られる。すなわち、フォトダイオード上と蓄積領域上の２ヵ所に開口部を設けることにより、単位画素の光電変換に寄与する領域が拡大される。従って例えば、フォトダイオードと蓄積領域とで光電変換した電荷を混合したのちに検出すれば、電荷の総量を増大させて感度を向上させることが可能となる。
【００１１】
本発明は、前記複数の単位画素が各々、前記蓄積領域の電位がゲートに加わることで前記読み出された信号電荷を検出するための検出トランジスタと、前記蓄積領域の信号電荷をリセットするためのリッセットトランジスタと、前記リセットトランジスタを介して前記蓄積領域へ電圧を供給するためのドレイン領域とを更に備えた構成にも適用することができる。
【００１２】
上記固体撮像装置において、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部が互いに分離されている構成とすることもできる。また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部が連続している構成とすることもできる。
【００１３】
また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部は、開口面積が互いに異なる構成とすることもできる。その場合、フォトダイオードと蓄積領域とで各々光電変換された電荷を混合せずに、高照度の信号は小さい開口部の電荷を検出して利用し、低照度の信号は大きい開口部の電荷を検出して利用し、２つの信号を固体撮像装置内または固体撮像装置から取り出した後に、組み合わせることで、広いダイナミックレンジの画像を実現することができる。
【００１４】
また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部は、開口面積が同一である構成とすることもできる。
【００１５】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部に、それぞれ同一の色のカラーフィルターを設けた構成とすることもできる。それにより、カラー信号を高感度で得ることができる。
【００１６】
また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部にそれぞれ異なる色のカラーフィルターを設けた構成とすることもできる。それにより、単位画素で２種類のカラー信号を取り出すことができ、色および輝度の解像度を改善することができる。
【００１７】
また、前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を別々に検出する構成とすることもできる。
【００１８】
また、前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を時間的に異ならせて検出する構成とすることもできる。それにより、２種類の時間をずらした情報を得ることができるため、高速の動画を検出することができ、動画の解像度を改善することができる。
【００１９】
本発明の固体撮像装置の他の形態として、半導体基板上に、光電変換領域を有する複数の単位画素を二次元状に配列し、前記各単位画素が、複数個の開口部と、前記開口部のそれぞれの下に設けられたフォトダイオードとを備え、前記複数個の開口部の面積が互いに異なる構成とすることもできる。この構成によれば、２つのフォトダイオードで光電変換した電荷を混合しないで、高照度の信号は小さい開口部の電荷を検出して利用し、低照度の信号は大きい開口部の電荷を検出して利用し、２つの信号を固体撮像装置内または固体撮像装置から取り出した後に、組み合わせることで、広いダインミックレンジの画像を実現することができる。
【００２０】
上記いずれかの構成の固体撮像装置を搭載してカメラを構成することができる。
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明の各実施の形態について説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置を構成する単位画素の、半導体基板上での構造を示す平面図である。回路構成は図４に示した従来例と同様である。従来例と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の重複を省略する。この単位画素が図５の従来例と相違する構成は、従来と同様にフォトダイオード１上に設けられた開口部１２ａに加えて、蓄積領域１３上にも開口部１２ｂを設けた点である。フォトダイオード１上と蓄積領域１３上の２ヵ所に開口部１２ａ、１２ｂを設けることにより、単位画素における光電変換用の領域を増大させることができる。
【００２３】
フォトダイオード１と蓄積領域１３とで光電変換された電荷を、混合した後に検出することで、合計の電荷量を増大させることができ、感度を向上させることができる。
【００２４】
また、図１に示すように、フォトダイオード１上の開口部１２ａと蓄積領域１３上の開口部１２ｂの大きさに差を設け、フォトダイオード１と蓄積領域１３において各々光電変換により得られる電荷を混合せず、次のように用いることもできる。すなわち、高照度の信号としては小さい開口部１２ｂの電荷を検出して利用し、低照度の信号としては大きい開口部１２ａの電荷を検出して利用し、２つの信号を固体撮像装置内または固体撮像装置から取り出した後に組み合わせる。それにより、広いダインミックレンジの画像を実現することができる。
【００２５】
また、フォトダイオード１上の開口部１２ａを通して入射し光電変換された電荷と、蓄積領域１３上の開口部１２ｂを通して入射し光電変換された電荷を、時間的に異ならせて検出することもできる。それにより検出信号として、２種類の時間をずらせた情報を得て、高速の動画を検出することができるため、動画の解像度を改善することができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置を構成する単位画素の、半導体基板上での構造を示す平面図である。図１の構成の場合は、フォトダイオード上と蓄積領域上に各々個別に開口部が設けられているのに対して、本実施の形態の場合は、フォトダイオード１上と蓄積領域１３上に、連続した１つの開口部１２ｃが設けられた構造を有する。
【００２７】
単位画素が小型化して、蓄積領域１３上に設けることが可能な開口部の領域が小さく制限される場合、蓄積領域１３上に開口部を単独で開口させる加工が困難になる。また転送トランジスタ２の幅が狭くなってくると、フォトダイオード１上の開口部と蓄積領域１３上の開口部を分離するための分離遮光膜の幅が小さくなり、加工が困難になる。そのような問題に対処するために、フォトダイオード１上の開口部と蓄積領域１３上の開口部を接続して一体とすれば、開口部１２ｃの面積をさらに大きくできる。それにより、単位画素が小型化した場合においても高感度を実現することができる。
【００２８】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における固体撮像装置を構成する単位画素の、半導体基板上での構造を示す平面図である。本実施の形態においては、フォトダイオード１上の開口部１２ｄと、蓄積領域１３上の開口部１２ｅの大きさがほぼ同等である。
【００２９】
この構造によれば、フォトダイオード１上の開口部１２ｄを通して入射し光電変換された電荷と、蓄積領域１３上の開口部１２ｅを通して入射し光電変換された電荷の量をほぼ同等にすることができる。その結果、単位画素内に２つのフォトダイオードが設けられたことと同等になる。したがって、フォトダイオード１上の開口部１２ｄと蓄積領域１３上の開口部１２ｅに、各々異なる色のカラーフィルターを形成し、単位画素内で２種類のカラー信号を取り出すことが可能となる。それにより、色および輝度の解像度を改善することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、フォトダイオード上と蓄積領域上の２ヵ所に開口部を設けることで、単位画素における感度を向上させることができる。
【００３１】
また、２つの開口部の使い方に応じて、広ダイナミックレンジ、高速化、高解像度化などの、高画質を実現することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の単位画素の平面図
【図２】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の単位画素の平面図
【図３】本発明の実施の形態３における固体撮像装置の単位画素の平面図
【図４】従来例の固体撮像装置の構成を示す回路図
【図５】従来例の固体撮像装置の単位画素の平面図
【図６】図５のＡ−Ａ’断面図
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ 転送トランジスタ
３ リセットトランジスタ
４ 増幅トランジスタ
５ 信号線
６ 電源
７ 撮像領域
８ 垂直シフトレジスタ
９ 水平シフトレジスタ
１０ タイミング発生回路
１１ 出力アンプ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ 開口部
１３ 蓄積領域
１４ Ｐ型基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels for photoelectrically converting incident light are arranged, and a camera such as a digital camera using the same.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional solid-state imaging device. The solid-state imaging device includes an imaging region 7 in which unit pixels are two-dimensionally arranged, a vertical shift register 8 for selecting pixels in a column direction, a horizontal shift register 9 for selecting pixels in a row direction, and a vertical shift register. 8, a timing generation circuit 10 for supplying necessary pulses to the horizontal shift register 9, and an output amplifier 11. Each unit pixel includes a photodiode 1, a transfer transistor 2, a reset transistor 3, an amplification transistor 4, a signal line 5, and a power supply 6.
[0003]
Pixel signals obtained by photoelectric conversion in unit pixels are selected by the vertical shift register 8 for each row, and are sequentially extracted from the output amplifier 11 for each pixel by the horizontal shift register 9.
[0004]
FIG. 5 is an enlarged plan view showing a structure of a unit pixel in a conventional solid-state imaging device shown in FIG. 4 on a semiconductor substrate (for example, see Patent Document 1). FIG. 6 shows an AA ′ cross section of FIG. Parts corresponding to the elements shown in the circuit diagram of FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 6, reference numeral 14 denotes a P-type substrate. The photodiode 1, the storage region 13, and the diffusion layer of the power supply 6 are formed by implanting n-type impurities.
[0005]
In the conventional unit pixel, the opening 12 is provided only on the photodiode 1. Therefore, only the light incident on the photodiode 1 from the opening 12 is photoelectrically converted and read out as signal charges by the transfer transistor 2 to the n-type layer of the accumulation region 13. The charge read into the storage region 13 changes the potential of the storage region 13, and the potential changes the potential of the gate of the detection transistor 4. As a result, the potential of the signal line 5 changes and is output from the signal line 5 as a signal photoelectrically converted by each pixel.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-11-145444
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the above configuration, since the transfer transistor 2, the reset transistor 3, the amplification transistor 4, the signal line 5, the power supply 6, and the like are arranged in the unit pixel, the area of the region of the opening 12 that contributes to photoelectric conversion is provided. However, there is a problem that the sensitivity is low and the sensitivity is limited.
[0008]
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of increasing the area of a region contributing to photoelectric conversion in a unit pixel, increasing the amount of charge obtained by photoelectric conversion, and improving sensitivity. .
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The solid-state imaging device according to the present invention includes, on a semiconductor substrate, a photoelectric conversion region for photoelectrically converting incident light, a transfer transistor for reading signal charges obtained in the photoelectric conversion region, and the read signal. It has a configuration in which a plurality of unit pixels each having a storage region for storing electric charges are two-dimensionally arranged. In order to solve the above problem, in addition to the opening provided on the photoelectric conversion region, an opening is provided in at least a part of the accumulation region, and the incident light passing through each of the openings, It has a configuration in which photoelectric conversion is performed in the photoelectric conversion region and the accumulation region.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The solid-state imaging device according to the aspect of the invention has the configuration described in Means for Solving the Problems, so that the charge obtained by the photodiode that is a normal photoelectric conversion region and the charge on the accumulation region for accumulating the charge are obtained. Also, an opening is provided, so that a charge due to photoelectric conversion in the accumulation region can be obtained. That is, by providing two openings on the photodiode and the storage region, the region contributing to the photoelectric conversion of the unit pixel is expanded. Therefore, for example, by detecting the charges photoelectrically converted in the photodiode and the storage region after mixing, the total amount of charges can be increased to improve the sensitivity.
[0011]
According to the present invention, the plurality of unit pixels each include a detection transistor for detecting the read signal charge by applying a potential of the accumulation region to a gate, and a reset transistor for resetting the signal charge of the accumulation region. The present invention can be applied to a configuration further including a reset transistor and a drain region for supplying a voltage to the storage region via the reset transistor.
[0012]
In the solid-state imaging device, an opening on the accumulation region and an opening on the photoelectric conversion region may be separated from each other. Further, an opening on the accumulation region and an opening on the photoelectric conversion region may be continuous.
[0013]
Further, the opening on the storage region and the opening on the photoelectric conversion region may have different opening areas. In this case, the high-illuminance signal detects and uses the charge in the small opening, and the low-illumination signal uses the charge in the large opening without mixing the photoelectrically converted charges in the photodiode and the storage region. By detecting and using the signals and combining them after extracting the two signals in or from the solid-state imaging device, an image with a wide dynamic range can be realized.
[0014]
Further, the opening on the accumulation region and the opening on the photoelectric conversion region may have the same opening area.
[0015]
A configuration in which color filters of the same color are provided in the opening on the accumulation region and the opening on the photoelectric conversion region, respectively, is also possible. Thereby, a color signal can be obtained with high sensitivity.
[0016]
Further, a configuration may be adopted in which color filters of different colors are provided in the opening on the accumulation region and the opening on the photoelectric conversion region. As a result, two types of color signals can be extracted from the unit pixel, and the resolution of color and luminance can be improved.
[0017]
Further, a configuration may be adopted in which the charge photoelectrically converted in the accumulation region and the charge photoelectrically converted in the photoelectric conversion region are separately detected.
[0018]
Further, a configuration may be adopted in which the charge photoelectrically converted in the accumulation region and the charge photoelectrically converted in the photoelectric conversion region are detected by making them temporally different. This makes it possible to obtain two types of information shifted in time, so that a high-speed moving image can be detected and the resolution of the moving image can be improved.
[0019]
As another mode of the solid-state imaging device of the present invention, a plurality of unit pixels having a photoelectric conversion region are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate, and each unit pixel has a plurality of openings and the opening. And a photodiode provided under each of the plurality of openings, and the areas of the plurality of openings may be different from each other. According to this configuration, the high illuminance signal detects and uses the charge in the small opening, and the low illuminance signal detects the charge in the large opening without mixing the charges photoelectrically converted by the two photodiodes. By combining the two signals after extracting them from the solid-state imaging device or from the solid-state imaging device, an image with a wide dynamic range can be realized.
[0020]
A camera can be configured by mounting the solid-state imaging device having any of the above configurations.
[0021]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view showing a structure of a unit pixel constituting a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention on a semiconductor substrate. The circuit configuration is the same as that of the conventional example shown in FIG. The same elements as those in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. This unit pixel differs from the conventional example of FIG. 5 in that an opening 12b is provided on the accumulation region 13 in addition to the opening 12a provided on the photodiode 1 as in the related art. By providing the openings 12a and 12b at two positions on the photodiode 1 and the storage region 13, the area for photoelectric conversion in the unit pixel can be increased.
[0023]
By detecting the charges photoelectrically converted by the photodiode 1 and the storage region 13 after mixing, the total charge amount can be increased, and the sensitivity can be improved.
[0024]
As shown in FIG. 1, a difference is provided between the size of the opening 12 a on the photodiode 1 and the size of the opening 12 b on the storage region 13, and charges obtained by photoelectric conversion in the photodiode 1 and the storage region 13 are respectively transferred. Without mixing, it can also be used as follows. That is, the signal of the small opening 12b is detected and used as a signal of high illuminance, and the signal of the large opening 12a is detected and used as a signal of low illuminance. Combine after taking out from the imaging device. Thereby, an image with a wide dynamic range can be realized.
[0025]
Further, the charge incident and photoelectrically converted through the opening 12a on the photodiode 1 and the charge incident and photoelectrically converted through the opening 12b on the accumulation region 13 can be detected at different times. As a result, two types of information that are shifted in time can be obtained as a detection signal and a high-speed moving image can be detected, so that the resolution of the moving image can be improved.
[0026]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a plan view showing a structure of a unit pixel constituting a solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention on a semiconductor substrate. In the case of the configuration of FIG. 1, openings are individually provided on the photodiode and the storage region, whereas in the case of the present embodiment, the openings are provided on the photodiode 1 and the storage region 13. It has a structure in which one continuous opening 12c is provided.
[0027]
When the unit pixel is downsized and the area of the opening that can be provided on the accumulation region 13 is limited to a small size, it is difficult to form the opening alone on the accumulation region 13. Also, as the width of the transfer transistor 2 becomes narrower, the width of the separation light-shielding film for separating the opening on the photodiode 1 from the opening on the storage region 13 becomes smaller, which makes processing difficult. To cope with such a problem, if the opening on the photodiode 1 and the opening on the storage region 13 are connected and integrated, the area of the opening 12c can be further increased. Thereby, high sensitivity can be realized even when the unit pixel is downsized.
[0028]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a plan view showing a structure of a unit pixel constituting a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention on a semiconductor substrate. In the present embodiment, the size of the opening 12d on the photodiode 1 and the size of the opening 12e on the accumulation region 13 are substantially equal.
[0029]
According to this structure, the amount of charge incident and photoelectrically converted through the opening 12d on the photodiode 1 and the amount of charge incident and photoelectrically converted through the opening 12e on the accumulation region 13 can be made substantially equal. . As a result, this is equivalent to providing two photodiodes in a unit pixel. Therefore, it is possible to form color filters of different colors in the opening 12d on the photodiode 1 and the opening 12e on the accumulation region 13, respectively, and to take out two types of color signals within a unit pixel. Thereby, the resolution of color and luminance can be improved.
[0030]
【The invention's effect】
According to the solid-state imaging device of the present invention, the sensitivity at the unit pixel can be improved by providing openings at two locations on the photodiode and on the accumulation region.
[0031]
In addition, it is also possible to realize high image quality such as a wide dynamic range, high speed, and high resolution, depending on how the two openings are used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a unit pixel of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a plan view of a unit pixel of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention; FIG. 4 is a plan view of a unit pixel of a solid-state imaging device according to Embodiment 3. FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional solid-state imaging device. FIG. 5 is a plan view of a unit pixel of a conventional solid-state imaging device. 5 AA ′ sectional view [Explanation of reference numerals]
REFERENCE SIGNS LIST 1 photodiode 2 transfer transistor 3 reset transistor 4 amplifying transistor 5 signal line 6 power supply 7 imaging area 8 vertical shift register 9 horizontal shift register 10 timing generation circuit 11 output amplifiers 12, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e opening 13 accumulation Region 14 P-type substrate
