JP2005012007A - 固体撮像素子、固体撮像装置及びカメラ - Google Patents
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Abstract
【課題】ダイナミックレンジが広く、Ｓ／Ｎ比の良好な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の画素が配列され、前記画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されている。前記複数の光電変換部は、ｐ型基板１１内で異なる深さ方向に複数のｎ＋型拡散層１２−ａ，１２−ｂが配置され、最も浅い方の光電変換部以外のｎ＋型拡散層には表面に設けられたｎ＋型拡散層１３と接続されている。前記複数の光電変換部から出力される複数の電気信号から、後段の電気回路により１つの画素信号を形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の画素が配列され、前記画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されている。前記複数の光電変換部は、ｐ型基板１１内で異なる深さ方向に複数のｎ＋型拡散層１２−ａ，１２−ｂが配置され、最も浅い方の光電変換部以外のｎ＋型拡散層には表面に設けられたｎ＋型拡散層１３と接続されている。前記複数の光電変換部から出力される複数の電気信号から、後段の電気回路により１つの画素信号を形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、幅広い露光ラチチュードに対応した広いダイナミックレンジを有する固体撮像素子及び固体撮像装置、更に、上記固体撮像装置を搭載したカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、画像を取得する通常の固体撮像装置は、シリコンプロセスの半導体微細加工技術を用いて、単結晶シリコン基板上に作成されている。
【０００３】
従来の広ダイナミックレンジ（以下「ＤＲ」）を有する固体撮像装置には、例えば下記特許文献１、下記特許文献２に記載の複数枚の画像からダイナミックレンジが拡大された１枚の画像を得る方法、下記特許文献３、下記特許文献４に記載の対数圧縮センサ、下記特許文献５、下記特許文献６に記載の複数回、あるいは時間の異なる読み出しをする方法、下記特許文献７、下記特許文献８に記載の画素に複数個の感光領域を設ける方法等が有る。
【０００４】
また、下記特許文献９におい、画素領域に縦方向に３つのホトダイオード（以下「ＰＤ」）を形成して、色分離、検出を行った例が知られている。
【０００５】
図１６は、下記特許文献９における固体撮像装置の画素領域での縦断面構造を示す図である。
【０００６】
ｎ型半導体基板上のｐ型不純物領域２０１内に、表面から異なる深さにｎ＋型不純物領域から成る画素領域２０２−ａ，２０２−ｂ，２０２−ｃが設けられている。２０３，２０４は信号を読み出すために表面に設けられたｎ＋型不純物領域である。２０５は、入射光である。基板表面からの深さによって分光感度特性が異なり、深いほど長波長成分の感度が高い。画素領域２０２−ａ，２０２−ｂ，２０２−ｃは、青、緑、赤に対応し、発生した信号電荷はそれぞれ独立して読み出される。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６４−８９７７０号公報
【特許文献２】
特開平７−２０３３２０号公報
【特許文献３】
特開平１−２５３９６０号公報
【特許文献４】
特開平６−３１０７００号公報
【特許文献５】
特開平２−５０５８４号公報
【特許文献６】
特開平６−１６５０２６号公報
【特許文献７】
特開平７−３８０８７号公報
【特許文献８】
特開２０００−１３６９０号公報
【特許文献９】
特開平７−７４３４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前述の複数枚の画像から１枚の画像を得る方法では、複数枚のイメージセンサや撮像のタイミングを変えて複数回撮像する必要が生じる。そして前者では固体撮像装置のシステムを複雑高価にし、後者では動画に対応することが困難となる。
【０００９】
また前記対数圧縮センサを用いる場合には前記画像の光電変換特性の傾き（γ）が寝てくるため、輝度再現性、色再現性と言った特性が悪化し、鑑賞に耐えない画像となりがちである。そのため前記センサは監視カメラ等の特殊用途でしか使用されることがない。
【００１０】
また前記複数回の読み出しを行う方法では、同様な理由で動画に対応することができない。また静止画においてもブレが生じてしまう。
【００１１】
その点、同一画素に複数個の感光領域、光電変換部を有するイメージセンサにおいては前述のようなことはなく、他の方法に比べて比較的良好な画像を取得することができる。
【００１２】
しかし複数個の光電変換部が同一画素に平面方向に配置されているため、
（１）面積効率が悪い
（２）各々の光電変換部の面積が小さくなる
（３）飽和電荷量が減る
（４）各々の光電変換部の重心位置が異なるため、空間周波数特性の悪化、モアレが生じる
等の問題が残存している。
【００１３】
他のセンサが画素の大部分に光電変換部であるＰＤを形成するのに対して、広ＤＲセンサでは複数個のＰＤを平面方向に形成する必要があることから、画素面積の有効利用がより困難となっている。
【００１４】
また、各々の光電変換部、ＰＤの面積が減少することにより、前記ＰＤに蓄積可能な電荷の最大値（飽和電荷量）も減少する。
【００１５】
これは同一光量の光を当てた場合には、より早く、低い光量で前記ＰＤが飽和することを意味し、前記ＤＲを広げるためには例えばＮＤフィルタを配置する等、新たな工夫も必要となる。
【００１６】
また前記飽和電荷量の低下は前記ＰＤに蓄積される電子数Ｎの減少を意味し、ランダムノイズ（√Ｎ／Ｎ）が悪化する。そしてこれは画質の低下を生じさせる。
【００１７】
また、画素内での各々の光電変換部、ＰＤの位置が異なっているため、前記各々の光電変換部の出力信号から作成した感度の異なる画像同士は、画素ピッチ以下の微小な空間的なずれを有している。そのため何らかの位置補正が必要となるが、場合によってはモアレ縞を生じることが有る。
【００１８】
また、画素領域に深さ方向に３つのＰＤを形成して、色分離、検出を行った例は、ダイナミックレンジを向上させることを目的としていないし、信号電荷を独立して読み出すものであり、複数の信号から１つの画素信号を形成していない。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、複数の画素が配列され、前記各画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されている。
【００２０】
本発明の固体撮像装置は、複数の画素が配列され、前記各画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されている固体撮像素子を用いて、前記複数の光電変換部から出力される複数の電気信号から、後段の電気回路により１つの画素信号を形成する。
【００２１】
更に、本発明のカメラは、固体撮像素子又は固体撮像装置を有する。
【００２２】
本発明による構成によれば、ダイナミックレンジが広く、Ｓ／Ｎ比の良好な固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図３、図４、図５、図７、図８において、図１と共通の箇所には同一の符号が付されている。また、図１２において、図１０と共通の箇所には同一の符号が付されている。
【００２５】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１である、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００２６】
前記画素は２次元アレイ状に配列している。前記画素の大きさは１０μｍ角であり、その中に２つの光電変換部であるＰＤが形成されている。１１は、半導体基板、例えば前記固体撮像素子が形成されている不純物濃度１０−１６／ｃｍ−３のｐ型単結晶シリコン基板であり、その表面には大きさ５μｍ角、深さ１μｍのｎ＋拡散層１２−ａと、深さ２から３μｍのｎ＋拡散層１２−ｂが形成されている。
【００２７】
前記両ｎ＋拡散層１２は前記ｐ型基板１１とｐ−ｎ接合を形成し、光電変換部であるＰＤを形成している。両者のＰＤの重心は、平面方向では同じ位置になるように設計されている。
【００２８】
前記ＰＤの接合容量は、１２−ａに相当するものが７ｆＦ、１２−ｂのものが１４ｆＦである。
【００２９】
また、前記ｎ＋拡散層１２−ａの電位は、図示しない表面電極によって引き出されている。また前記ｎ＋拡散層１２−ｂは表面に設けられたｎ＋拡散層１３と電気的に接続されており、この電位も同様に図示しない表面電極によって引き出されている。
【００３０】
１４は入射光である撮像光であり、緑（Ｇ）のカラーフィルタ１５によって波長５５０ｎｍ近傍の光のみが透過され、前記２つのＰＤに入射するようになっている。
【００３１】
また、１６はアルミ膜からなる、不要光を遮光する遮光膜であり、１７は、バリアである。
【００３２】
また、前記Ｇ画素の周囲には、赤（Ｒ）、青（Ｂ）の各画素が、前記カラーフィルタ１５の組成のみを代えて配置されている。
【００３３】
図２は、本実施形態における画素部分の深さ方向のポテンシャル分布図である。
【００３４】
図中の１２−ａは前記図１のｎ＋拡散層１２−ａに相当する部分であり、光蓄積開始時にはｐ型基板１１に対して＋１Ｖの逆バイアスが印加されている。
【００３５】
同様に１２−ｂはｎ＋拡散層１２−ｂに相当する部分であり、同様な＋１Ｖの逆バイアスが印加されている。
【００３６】
図１に示した２つのＰＤに撮像光が入射すると、前記２つのＰＤにおいて光電変換が行われ、その結果、光電荷である電子が前記２つのＰＤに蓄積する。
【００３７】
図９は、本実施形態における、固体撮像素子の２つのＰＤから成る光電変換部の光電変換特性（出力特性）を示す図である。
【００３８】
横軸は前記固体撮像素子の画素に入射する入射光量であり、縦軸は各ＰＤの出力電圧である。また１２１は浅い方のＰＤ１２−ａの特性であり、１２２は深い方のＰＤ１２−ｂのそれである。
【００３９】
シリコン界面から近く浅い方のＰＤ１２−ａにはより多くの光が当たるため、こちらの方が早く飽和レベルに達する。次いで深い方のＰＤ１２−ｂが飽和するため、こちらの方が広いＤＲを有している。但し低照度側ではシグナルレベルがノイズレベルと近いため、Ｓ／Ｎ比が悪い。
【００４０】
また前記ＰＤ１２から溢れ出る飽和電荷量を超えた電子は、前記ｐ型基板１１によって吸い上げられるか、あるいは存在するホールと再結合し消滅する。
【００４１】
図１０は、本実施形態における固体撮像装置の駆動回路図である。
【００４２】
９１は、１つの画素であり、その中には前述したように深さ方向に２つのＰＤ９２（ＰＤ−ａ，ＰＤ−ｂ）が形成されている。
【００４３】
各々のＰＤ９２は、表面から電極によって引き出され、マトリクストランジスタ９９を介して垂直信号線１０３に接続されている。
【００４４】
トランジスタ９９はスイッチとして機能するＭＯＳＦＥＴであり、水平線選択レジスタ（以下「ＨＳＲ」）１０２により水平線１０１−ａ，１０１−ｂを介してトランジスタ９９が制御される。
【００４５】
前記垂直信号線１０３には２つのトランジスタ１０５，１０７を介して、蓄積容量１０８が接続されている。２つの蓄積容量１０８は、それぞれトランジスタ１１０を介してコンパレータ１１１とトランジスタ１１４、一方は乗算器１１３とトランジスタ１１５に接続されている。
【００４６】
１０４，１０６，１０９は端子である。
【００４７】
前記コンパレータ１１１の出力はトランジスタ１１４のゲートとインバータ１１２に入力し、インバータ１１２の出力はトランジスタ１１５のゲートに入力している。
【００４８】
また、トランジスタ１１４，１１５の主電極は、画素信号出力端子１１６に接続されている。
【００４９】
図１４は、本実施形態における固体撮像装置の動作フローを示す図である。
【００５０】
以下、図１４を用いて、本実施形態の固体撮像装置の動作を説明する。図１４に示したフローは、１画素分の画素信号を取得するための動作フローである。
【００５１】
まず垂直信号線１０３を用いて、２つのＰＤ９２のリセットを行う。これにより、前記２つのＰＤ９２は基板に対して＋１Ｖに逆バイアスされる。（画素リセットステップ）
次に撮像光が画素に照射されることによってシリコン基板内部で光電変換が行われ、前記ＰＤ９２に光電荷の蓄積が行われる。図２で説明したように、蓄積される電荷は１２−ａ＞１２−ｂである。（光電荷蓄積ステップ）
次に電荷を読み出す前に、信号処理系のリセットが行われる。
【００５２】
トランジスタ９９，１１０を非導通の状態で垂直信号線１０３を用いて、蓄積容量１０８やその他の寄生容量の電位をＧＮＤ電位に固定する。（処理系リセットステップ）
次いでまず浅い側のＰＤ−ａの蓄積電荷を読み出す。
【００５３】
一方のトランジスタ９９を導通して垂直信号線１０３、トランジスタ１０５，１０７を介して一方の容量１０８に容量分割で移動、蓄積される。（ＰＤ−ａ読出ステップ）
次に同様にして深い側のＰＤ−ｂの読み出しを行う。（ＰＤ−ｂ読出ステップ）
各々の蓄積容量中に蓄積されたＰＤ信号は、トランジスタ１１０を同時に開くことによりＰＤ−ａはコンパレータ１１１とトランジスタ１１４の主電極に、ＰＤ−ｂは乗算器１１３を通り予め決められた係数倍の掛け算が行われてトランジスタ１１５の主電極に印加される。前記係数とは、図９に示されたカーブ１２１と１２２のスロープ部分の傾きの比である。（乗算ステップ）
次いで前記コンパレータ１１１において０Ｖに近い値のＶｒｅｆと比較され、それよりも入力電圧であるＰＤ−ａ蓄積電圧が高い場合（不飽和状態）には正の電圧を、低い場合（飽和状態）には負の電圧を出力する。前記出力された電圧はインバータ１１２において正負反転され、トランジスタ１１５のゲートに入力する。（信号比較、選択ステップ）
従って前記ＰＤ−ａが不飽和な場合には、前記トランジスタ１１４のみが導通し、前記ＰＤ−ａの蓄積電圧はそのまま画素信号出力端子１１６に出力される。それに対して、前記ＰＤ−ａが飽和した場合には、前記トランジスタ１１５のみが導通し、代わりに前記ＰＤ−ｂの蓄積電圧が前記端子１１６に出力される。（画素信号読出ステップ）
以上の動作が画素数分繰り返される。前記動作はＨＳＲ１０２や垂直線駆動回路、前述の各制御端子を駆動することで行われる。これにより各画素信号から１枚のフレーム画像を形成することができる。
【００５４】
図１１は、実施形態１における固体撮像装置の駆動回路の光電変換特性を示す図である。
【００５５】
本実施形態によれば、前記画素から出力される画素信号は、図１１に示したようなものになる。ここでＩａはＰＤ−ａの飽和光量、ＩｂはＰＤ−ｂの飽和光量である。
【００５６】
本実施形態によれば、高照度側では感度が低くＤＲが広いＰＤを用い、低照度側では感度が高くＳ／Ｎ比が良いＰＤを切り替えて用いることにより、幅広いレインジで良好なＳ／Ｎ比を確保している。このようにして得られたフレーム画像は、公知の一般画像と比べるとＤＲやＳ／Ｎ比が改善されている。
【００５７】
また本実施形態の光電変換部の面積効率は５μｍ角／１０μｍ角＝２５％と、満足できる値である。また前記２つのＰＤを深さ方向に重ね合わせて配置したため、それによるＰＤ面積の減少は生じない。また前記ＰＤを重ね合わせたことにより生じる飽和電荷量の低下も、無視できる値である。
【００５８】
またＰＤ重心の空間方向の位置も２つのそれで一致しているため、モアレの発生は生じない。
【００５９】
また本実施形態に用いた画素の色配置はＲ，Ｇ，Ｂに限らず公知の任意のそれで良い。
【００６０】
また前記各画素の深さ方向に形成するＰＤの数は２つに限ることは無く、任意の個数で良い。
【００６１】
また前記各ＰＤの形成する深さは任意であるが、少なくとも前記各色の光が前記ＰＤに到達しないとその効果は無い。このような到達深さとは、可視光の長波長側では１０μｍ、短波長側では１μｍ程度である。従って前記ＲやＢ画素においては、前記各ＰＤ深さをＧのそれとは変えることもかなり有効である。
【００６２】
また前記各ＰＤからの読み出し方法は、上述のそれに限らず任意の公知のそれで良い。
【００６３】
前記深い方のＰＤにより沢山の蓄積電荷がたまるように設計すれば、それだけＤＲが拡大する。
【００６４】
［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００６５】
３２−ａは浅い方のＰＤを形成するｎ＋拡散層であり、拡散深さ０．８μｍで形成されている。３２−ｂは深い方のそれであり、拡散深さ１．８μｍから３．０μｍで形成されている。後者は前者に比べてｎ＋拡散層の厚さが厚く、より大きな容量を有している。そのため多くの光電荷を蓄積可能であり、より高照度の光を照射しても飽和することがない。
【００６６】
３３は、ｎ＋拡散層３２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。３７は、バリアである。
【００６７】
［実施形態３］
図４は、本発明の実施形態３における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００６８】
４２−ａは浅い方のＰＤを形成するｎ＋拡散層であり、大きさ４μｍ角で形成されている。４２−ｂは深い方のそれであり、大きさ６μｍ角で形成されている。
【００６９】
４３は、ｎ＋拡散層４２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。４７は、バリアである。
【００７０】
本実施形態では浅い方のｎ＋拡散層４２−ａの大きさが平面上小さく、深い方のそれが平面上大きく形成されている。本実施形態でも実施形態２と同様により高照度の光で飽和することがない。
【００７１】
これら２つの実施形態は、ＤＲの更なる拡大に有効である。
【００７２】
また前記ＰＤの幾何学的な形状を変える以外に、前記ＰＤに印加する逆バイアスを変更することでも前記飽和電荷量、飽和光量を変えることができる。即ち、前記ｎ＋拡散層に印加する逆バイアスをより大きくすればそれだけ多くの光電荷蓄積が可能となり、飽和光量、ＤＲが向上する。
【００７３】
［実施形態４］
図５は、本発明の実施形態４における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００７４】
本実施形態では早く飽和する方の浅い方のｎ＋拡散層５２−ａの周囲に、過剰電荷を吸収するためのｎ＋オーバーフロードレイン５８（以下「ＯＦＤ」）が形成されている。５２−ｂは深い方のｎ＋拡散層である。
【００７５】
５３は、ｎ＋拡散層５２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。５７は、バリアである。
【００７６】
図６は、本実施形態における画素部分の水平方向のポテンシャル分布図である。
【００７７】
前記ＯＦＤ５８の電位は前記浅いＰＤを形成するｎ＋拡散層５２−ａのリセット電位とほぼ同等な電位に固定されている。従って前記拡散層５２−ａに光電荷が蓄積してそのポテンシャルが上昇しても、前記ＯＦＤの電位は変化しないため、効率良く前記飽和により周囲に溢れる過剰電荷を吸収することができる。
【００７８】
これにより未だ飽和していない深い方のＰＤを形成するｎ＋拡散層５２−ｂには前記過剰電荷が混入せず、従って従来問題となっていたブルーミングやスミアと同等の現象は生じない。
【００７９】
本実施形態によれば、ノイズの少ないＤＲの広い光電変換特性を有する固体撮像素子を提供することができる。
【００８０】
［実施形態５］
図７は、本発明の実施形態５における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００８１】
７９はＭＯＳトランジスタのゲートであり、７８はＯＦＤである。
【００８２】
７３は、ｎ＋拡散層７２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。７７は、バリアである。
【００８３】
本実施形態では前記ゲート７９の電位を制御することで、ｎ＋拡散層７２−ａ，７２−ｂと前記ＯＦＤ７８との間のリーク電流を制御することができる。
【００８４】
本実施形態によれば、公知の対数圧縮センサに見られるような、γ特性が寝たＤＲの広い光電変換特性を前記ｎ＋拡散層／ＰＤに持たせることが可能となる。これにより更にＤＲが拡大する。
【００８５】
［実施形態６］
図８は、本発明の実施形態６における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００８６】
本実施形態では半導体基板にＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を使用している。前記基板はｐ型のシリコン半導体基板１１上に、厚さ１００ÅのＳｉＯ２からなる絶縁層８７、厚さ１μｍの単結晶シリコン薄膜８９を有する。
ＰＤを構成するｎ＋拡散層８２−ａ，８２−ｂは、各々加速電圧を変えたイオン注入によって形成を行う。８８はｐ型シリコンである。
【００８７】
８３は深い方の拡散層８２−ｂから電気的接続を行うためのプラグである。前記プラグ８３は主にｎ＋拡散層であるが、前記絶縁層８７部分には電気的導通を図るために、シリコンイオンが過剰に注入されている。
【００８８】
本実施形態によれば、前記ｎ＋拡散層の拡散が自動的に前記絶縁層部分で止まるため、前記拡散層の深さを精度良く制御することができる。これにより前記拡散層／ＰＤの精度が向上する。また前記深い方のＰＤとの電気的絶縁性も向上し、クロストークが減少するため光電変換特性が改善される。
【００８９】
また前記絶縁層８７の厚さや単結晶シリコン薄膜８９の厚さを各色の光で最適化することにより、特定の波長の光のみが共鳴する共鳴箱を形成することが可能である。これにより、前記特定の波長の光がそこに長く滞在するようになり、更に光電変換特性が改善される。これはより高感度な浅いＰＤを提供する。
【００９０】
次に、光電変換特性を改善した別の固体撮像装置の駆動回路について述べる。
【００９１】
図１２は、本実施形態における別の固体撮像装置の駆動回路図である。
【００９２】
本実施形態は実施形態１で存在した、２つのＰＤ出力に存在するレベル差（図１１）を解消するものであり、複数の光電変換部がそれぞれ有する光電変換特性同士の整合をとるための補正が行われている。
【００９３】
図１２に示したように、乗算器１１３の後に加算器１２７が挿入されており、その一方の端子ΔＶには、前記レベル差を解消するための補正電圧を印加できるようになっている。
【００９４】
本実施形態の構成により、図１１に示したレベル差を解消することができる。
【００９５】
これにより光電変換特性はなだらかになり、前記固体撮像素子が出力するフレーム画像においても、色飛びのない美しい画像を得ることができる。
【００９６】
前記補正電圧ΔＶの値は、予め設定された固定値でも良いし、各画素、各色における連続性を考慮して、リアルタイムに変更できるような構成で有っても良い。
【００９７】
［実施形態７］
図１３は、本発明の実施形態７における、固体撮像素子の画素構成を示す図である。
【００９８】
本構成はアクティブピクセルと呼ばれる、増幅型センサを構成する画素構成である。
【００９９】
１６１は、１つの画素であり、１６２は、ＰＤ−ａ，ＰＤ−ｂから成る２つのＰＤであり、トランジスタ１６９は水平線１７１−ａ，１７１−ｂを介してＨＳＲ１７２からの信号で制御される。１７７は、アンプと呼ばれる増幅用トランジスタである。
【０１００】
ＰＤ１６２からの出力はアンプ１７７のゲートに接続されており、電源から供給される電流を変調して垂直信号線１７３に出力する。
【０１０１】
トランジスタ１７８は、水平線１７５を介して制御され、トランジスタ１７６は、水平線１７４を介して制御される。
【０１０２】
本構成によれば、前述の実施形態に見られた容量分割による信号電圧の低下と言った悪影響がなく、その分光信号のＳ／Ｎ比が向上する。
【０１０３】
次に、本発明の固体撮像素子又は固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の実施形態について説明する。
【０１０４】
図１５は、本発明の固体撮像素子又は固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。（以下の説明は、固体撮像素子を適用したとして記載する。）
【０１０５】
図１５において、３０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、３０２は被写体の光学像を固体撮像素子３０４に結像させるレンズ、３０３はレンズ３０２を通った光量を可変するための絞り、３０４はレンズ３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、３０６は固体撮像素子３０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、３０７はＡ／Ｄ変換器３０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、３０８は固体撮像素子３０４、撮像信号処理回路３０５、Ａ／Ｄ変換器３０６、信号処理部３０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、３０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、３１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、３１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うためのインターフェース部、３１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、３１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【０１０６】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
バリア３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器３０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【０１０７】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部３０９は絞り３０３を開放にし、固体撮像素子３０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器３０６で変換された後、信号処理部３０７に入力される。
【０１０８】
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部３０９で行う。
【０１０９】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部３０９は絞りを制御する。
【０１１０】
次に、固体撮像素子３０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部３０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
【０１１１】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【０１１２】
露光が終了すると、固体撮像素子３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部３０７を通り全体制御・演算部３０９によりメモリ部に書き込まれる。
【０１１３】
その後、メモリ部３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部３０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体３１２に記録される。
【０１１４】
また、外部Ｉ／Ｆ部３１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行っても良い。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比の良好でＤＲの広い固体撮像素子がえられ、かつ前記固体撮像素子が出力するフレーム画像において、色飛びのない美しい画像が得られる固体撮像装置及びカメラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図２】本発明の実施形態１における、画素部分の深さ方向のポテンシャル分布図
【図３】本発明の実施形態２における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図４】本発明の実施形態３における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図５】本発明の実施形態４における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図６】本発明の固体撮像素子の実施形態４を説明するポテンシャル分布図
【図７】本発明の実施形態５における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図８】本発明の実施形態６における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図９】本発明の実施形態１における、固体撮像素子の２つのＰＤから成る光電変換部の光電変換特性（出力特性）を示す図
【図１０】本発明の実施形態１における、固体撮像装置の駆動回路図
【図１１】本発明の実施形態１における、固体撮像装置の駆動回路の光電変換特性を示す図
【図１２】本発明の実施形態６における、別の固体撮像装置の駆動回路図
【図１３】本発明の実施形態７における、固体撮像素子の画素構成を示す図
【図１４】本発明の実施形態１における、固体撮像装置の動作フローを示す図
【図１５】本発明の固体撮像素子又は固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図
【図１６】従来の技術の説明図
【符号の説明】
１１ ｐ型基板
１２，３２，４２，５２，７２，８２ ｎ＋拡散層
１３，３３，４３，５３，７３，８３ ｎ＋拡散層
１４ 入射光
１５ カラーフィルタ
１６ 遮光膜
１７，３７，４７，５７，７７，８７ バリア
５８，７８ ＯＦＤ
７９ ゲート
８８ ｐ型シリコン
８９ 単結晶シリコン薄膜
９１，１６１ 画素
９２，１６２ ＰＤ
１０２，１７２ ＨＳＲ
１０３，１７３ 垂直信号線
１０８ 容量
１１１ コンパレータ
１１２ インバータ
１１３ 乗算器
１２７ 加算器
１７７ アンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、幅広い露光ラチチュードに対応した広いダイナミックレンジを有する固体撮像素子及び固体撮像装置、更に、上記固体撮像装置を搭載したカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、画像を取得する通常の固体撮像装置は、シリコンプロセスの半導体微細加工技術を用いて、単結晶シリコン基板上に作成されている。
【０００３】
従来の広ダイナミックレンジ（以下「ＤＲ」）を有する固体撮像装置には、例えば下記特許文献１、下記特許文献２に記載の複数枚の画像からダイナミックレンジが拡大された１枚の画像を得る方法、下記特許文献３、下記特許文献４に記載の対数圧縮センサ、下記特許文献５、下記特許文献６に記載の複数回、あるいは時間の異なる読み出しをする方法、下記特許文献７、下記特許文献８に記載の画素に複数個の感光領域を設ける方法等が有る。
【０００４】
また、下記特許文献９におい、画素領域に縦方向に３つのホトダイオード（以下「ＰＤ」）を形成して、色分離、検出を行った例が知られている。
【０００５】
図１６は、下記特許文献９における固体撮像装置の画素領域での縦断面構造を示す図である。
【０００６】
ｎ型半導体基板上のｐ型不純物領域２０１内に、表面から異なる深さにｎ＋型不純物領域から成る画素領域２０２−ａ，２０２−ｂ，２０２−ｃが設けられている。２０３，２０４は信号を読み出すために表面に設けられたｎ＋型不純物領域である。２０５は、入射光である。基板表面からの深さによって分光感度特性が異なり、深いほど長波長成分の感度が高い。画素領域２０２−ａ，２０２−ｂ，２０２−ｃは、青、緑、赤に対応し、発生した信号電荷はそれぞれ独立して読み出される。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６４−８９７７０号公報
【特許文献２】
特開平７−２０３３２０号公報
【特許文献３】
特開平１−２５３９６０号公報
【特許文献４】
特開平６−３１０７００号公報
【特許文献５】
特開平２−５０５８４号公報
【特許文献６】
特開平６−１６５０２６号公報
【特許文献７】
特開平７−３８０８７号公報
【特許文献８】
特開２０００−１３６９０号公報
【特許文献９】
特開平７−７４３４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前述の複数枚の画像から１枚の画像を得る方法では、複数枚のイメージセンサや撮像のタイミングを変えて複数回撮像する必要が生じる。そして前者では固体撮像装置のシステムを複雑高価にし、後者では動画に対応することが困難となる。
【０００９】
また前記対数圧縮センサを用いる場合には前記画像の光電変換特性の傾き（γ）が寝てくるため、輝度再現性、色再現性と言った特性が悪化し、鑑賞に耐えない画像となりがちである。そのため前記センサは監視カメラ等の特殊用途でしか使用されることがない。
【００１０】
また前記複数回の読み出しを行う方法では、同様な理由で動画に対応することができない。また静止画においてもブレが生じてしまう。
【００１１】
その点、同一画素に複数個の感光領域、光電変換部を有するイメージセンサにおいては前述のようなことはなく、他の方法に比べて比較的良好な画像を取得することができる。
【００１２】
しかし複数個の光電変換部が同一画素に平面方向に配置されているため、
（１）面積効率が悪い
（２）各々の光電変換部の面積が小さくなる
（３）飽和電荷量が減る
（４）各々の光電変換部の重心位置が異なるため、空間周波数特性の悪化、モアレが生じる
等の問題が残存している。
【００１３】
他のセンサが画素の大部分に光電変換部であるＰＤを形成するのに対して、広ＤＲセンサでは複数個のＰＤを平面方向に形成する必要があることから、画素面積の有効利用がより困難となっている。
【００１４】
また、各々の光電変換部、ＰＤの面積が減少することにより、前記ＰＤに蓄積可能な電荷の最大値（飽和電荷量）も減少する。
【００１５】
これは同一光量の光を当てた場合には、より早く、低い光量で前記ＰＤが飽和することを意味し、前記ＤＲを広げるためには例えばＮＤフィルタを配置する等、新たな工夫も必要となる。
【００１６】
また前記飽和電荷量の低下は前記ＰＤに蓄積される電子数Ｎの減少を意味し、ランダムノイズ（√Ｎ／Ｎ）が悪化する。そしてこれは画質の低下を生じさせる。
【００１７】
また、画素内での各々の光電変換部、ＰＤの位置が異なっているため、前記各々の光電変換部の出力信号から作成した感度の異なる画像同士は、画素ピッチ以下の微小な空間的なずれを有している。そのため何らかの位置補正が必要となるが、場合によってはモアレ縞を生じることが有る。
【００１８】
また、画素領域に深さ方向に３つのＰＤを形成して、色分離、検出を行った例は、ダイナミックレンジを向上させることを目的としていないし、信号電荷を独立して読み出すものであり、複数の信号から１つの画素信号を形成していない。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、複数の画素が配列され、前記各画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されている。
【００２０】
本発明の固体撮像装置は、複数の画素が配列され、前記各画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されている固体撮像素子を用いて、前記複数の光電変換部から出力される複数の電気信号から、後段の電気回路により１つの画素信号を形成する。
【００２１】
更に、本発明のカメラは、固体撮像素子又は固体撮像装置を有する。
【００２２】
本発明による構成によれば、ダイナミックレンジが広く、Ｓ／Ｎ比の良好な固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図３、図４、図５、図７、図８において、図１と共通の箇所には同一の符号が付されている。また、図１２において、図１０と共通の箇所には同一の符号が付されている。
【００２５】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１である、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００２６】
前記画素は２次元アレイ状に配列している。前記画素の大きさは１０μｍ角であり、その中に２つの光電変換部であるＰＤが形成されている。１１は、半導体基板、例えば前記固体撮像素子が形成されている不純物濃度１０−１６／ｃｍ−３のｐ型単結晶シリコン基板であり、その表面には大きさ５μｍ角、深さ１μｍのｎ＋拡散層１２−ａと、深さ２から３μｍのｎ＋拡散層１２−ｂが形成されている。
【００２７】
前記両ｎ＋拡散層１２は前記ｐ型基板１１とｐ−ｎ接合を形成し、光電変換部であるＰＤを形成している。両者のＰＤの重心は、平面方向では同じ位置になるように設計されている。
【００２８】
前記ＰＤの接合容量は、１２−ａに相当するものが７ｆＦ、１２−ｂのものが１４ｆＦである。
【００２９】
また、前記ｎ＋拡散層１２−ａの電位は、図示しない表面電極によって引き出されている。また前記ｎ＋拡散層１２−ｂは表面に設けられたｎ＋拡散層１３と電気的に接続されており、この電位も同様に図示しない表面電極によって引き出されている。
【００３０】
１４は入射光である撮像光であり、緑（Ｇ）のカラーフィルタ１５によって波長５５０ｎｍ近傍の光のみが透過され、前記２つのＰＤに入射するようになっている。
【００３１】
また、１６はアルミ膜からなる、不要光を遮光する遮光膜であり、１７は、バリアである。
【００３２】
また、前記Ｇ画素の周囲には、赤（Ｒ）、青（Ｂ）の各画素が、前記カラーフィルタ１５の組成のみを代えて配置されている。
【００３３】
図２は、本実施形態における画素部分の深さ方向のポテンシャル分布図である。
【００３４】
図中の１２−ａは前記図１のｎ＋拡散層１２−ａに相当する部分であり、光蓄積開始時にはｐ型基板１１に対して＋１Ｖの逆バイアスが印加されている。
【００３５】
同様に１２−ｂはｎ＋拡散層１２−ｂに相当する部分であり、同様な＋１Ｖの逆バイアスが印加されている。
【００３６】
図１に示した２つのＰＤに撮像光が入射すると、前記２つのＰＤにおいて光電変換が行われ、その結果、光電荷である電子が前記２つのＰＤに蓄積する。
【００３７】
図９は、本実施形態における、固体撮像素子の２つのＰＤから成る光電変換部の光電変換特性（出力特性）を示す図である。
【００３８】
横軸は前記固体撮像素子の画素に入射する入射光量であり、縦軸は各ＰＤの出力電圧である。また１２１は浅い方のＰＤ１２−ａの特性であり、１２２は深い方のＰＤ１２−ｂのそれである。
【００３９】
シリコン界面から近く浅い方のＰＤ１２−ａにはより多くの光が当たるため、こちらの方が早く飽和レベルに達する。次いで深い方のＰＤ１２−ｂが飽和するため、こちらの方が広いＤＲを有している。但し低照度側ではシグナルレベルがノイズレベルと近いため、Ｓ／Ｎ比が悪い。
【００４０】
また前記ＰＤ１２から溢れ出る飽和電荷量を超えた電子は、前記ｐ型基板１１によって吸い上げられるか、あるいは存在するホールと再結合し消滅する。
【００４１】
図１０は、本実施形態における固体撮像装置の駆動回路図である。
【００４２】
９１は、１つの画素であり、その中には前述したように深さ方向に２つのＰＤ９２（ＰＤ−ａ，ＰＤ−ｂ）が形成されている。
【００４３】
各々のＰＤ９２は、表面から電極によって引き出され、マトリクストランジスタ９９を介して垂直信号線１０３に接続されている。
【００４４】
トランジスタ９９はスイッチとして機能するＭＯＳＦＥＴであり、水平線選択レジスタ（以下「ＨＳＲ」）１０２により水平線１０１−ａ，１０１−ｂを介してトランジスタ９９が制御される。
【００４５】
前記垂直信号線１０３には２つのトランジスタ１０５，１０７を介して、蓄積容量１０８が接続されている。２つの蓄積容量１０８は、それぞれトランジスタ１１０を介してコンパレータ１１１とトランジスタ１１４、一方は乗算器１１３とトランジスタ１１５に接続されている。
【００４６】
１０４，１０６，１０９は端子である。
【００４７】
前記コンパレータ１１１の出力はトランジスタ１１４のゲートとインバータ１１２に入力し、インバータ１１２の出力はトランジスタ１１５のゲートに入力している。
【００４８】
また、トランジスタ１１４，１１５の主電極は、画素信号出力端子１１６に接続されている。
【００４９】
図１４は、本実施形態における固体撮像装置の動作フローを示す図である。
【００５０】
以下、図１４を用いて、本実施形態の固体撮像装置の動作を説明する。図１４に示したフローは、１画素分の画素信号を取得するための動作フローである。
【００５１】
まず垂直信号線１０３を用いて、２つのＰＤ９２のリセットを行う。これにより、前記２つのＰＤ９２は基板に対して＋１Ｖに逆バイアスされる。（画素リセットステップ）
次に撮像光が画素に照射されることによってシリコン基板内部で光電変換が行われ、前記ＰＤ９２に光電荷の蓄積が行われる。図２で説明したように、蓄積される電荷は１２−ａ＞１２−ｂである。（光電荷蓄積ステップ）
次に電荷を読み出す前に、信号処理系のリセットが行われる。
【００５２】
トランジスタ９９，１１０を非導通の状態で垂直信号線１０３を用いて、蓄積容量１０８やその他の寄生容量の電位をＧＮＤ電位に固定する。（処理系リセットステップ）
次いでまず浅い側のＰＤ−ａの蓄積電荷を読み出す。
【００５３】
一方のトランジスタ９９を導通して垂直信号線１０３、トランジスタ１０５，１０７を介して一方の容量１０８に容量分割で移動、蓄積される。（ＰＤ−ａ読出ステップ）
次に同様にして深い側のＰＤ−ｂの読み出しを行う。（ＰＤ−ｂ読出ステップ）
各々の蓄積容量中に蓄積されたＰＤ信号は、トランジスタ１１０を同時に開くことによりＰＤ−ａはコンパレータ１１１とトランジスタ１１４の主電極に、ＰＤ−ｂは乗算器１１３を通り予め決められた係数倍の掛け算が行われてトランジスタ１１５の主電極に印加される。前記係数とは、図９に示されたカーブ１２１と１２２のスロープ部分の傾きの比である。（乗算ステップ）
次いで前記コンパレータ１１１において０Ｖに近い値のＶｒｅｆと比較され、それよりも入力電圧であるＰＤ−ａ蓄積電圧が高い場合（不飽和状態）には正の電圧を、低い場合（飽和状態）には負の電圧を出力する。前記出力された電圧はインバータ１１２において正負反転され、トランジスタ１１５のゲートに入力する。（信号比較、選択ステップ）
従って前記ＰＤ−ａが不飽和な場合には、前記トランジスタ１１４のみが導通し、前記ＰＤ−ａの蓄積電圧はそのまま画素信号出力端子１１６に出力される。それに対して、前記ＰＤ−ａが飽和した場合には、前記トランジスタ１１５のみが導通し、代わりに前記ＰＤ−ｂの蓄積電圧が前記端子１１６に出力される。（画素信号読出ステップ）
以上の動作が画素数分繰り返される。前記動作はＨＳＲ１０２や垂直線駆動回路、前述の各制御端子を駆動することで行われる。これにより各画素信号から１枚のフレーム画像を形成することができる。
【００５４】
図１１は、実施形態１における固体撮像装置の駆動回路の光電変換特性を示す図である。
【００５５】
本実施形態によれば、前記画素から出力される画素信号は、図１１に示したようなものになる。ここでＩａはＰＤ−ａの飽和光量、ＩｂはＰＤ−ｂの飽和光量である。
【００５６】
本実施形態によれば、高照度側では感度が低くＤＲが広いＰＤを用い、低照度側では感度が高くＳ／Ｎ比が良いＰＤを切り替えて用いることにより、幅広いレインジで良好なＳ／Ｎ比を確保している。このようにして得られたフレーム画像は、公知の一般画像と比べるとＤＲやＳ／Ｎ比が改善されている。
【００５７】
また本実施形態の光電変換部の面積効率は５μｍ角／１０μｍ角＝２５％と、満足できる値である。また前記２つのＰＤを深さ方向に重ね合わせて配置したため、それによるＰＤ面積の減少は生じない。また前記ＰＤを重ね合わせたことにより生じる飽和電荷量の低下も、無視できる値である。
【００５８】
またＰＤ重心の空間方向の位置も２つのそれで一致しているため、モアレの発生は生じない。
【００５９】
また本実施形態に用いた画素の色配置はＲ，Ｇ，Ｂに限らず公知の任意のそれで良い。
【００６０】
また前記各画素の深さ方向に形成するＰＤの数は２つに限ることは無く、任意の個数で良い。
【００６１】
また前記各ＰＤの形成する深さは任意であるが、少なくとも前記各色の光が前記ＰＤに到達しないとその効果は無い。このような到達深さとは、可視光の長波長側では１０μｍ、短波長側では１μｍ程度である。従って前記ＲやＢ画素においては、前記各ＰＤ深さをＧのそれとは変えることもかなり有効である。
【００６２】
また前記各ＰＤからの読み出し方法は、上述のそれに限らず任意の公知のそれで良い。
【００６３】
前記深い方のＰＤにより沢山の蓄積電荷がたまるように設計すれば、それだけＤＲが拡大する。
【００６４】
［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００６５】
３２−ａは浅い方のＰＤを形成するｎ＋拡散層であり、拡散深さ０．８μｍで形成されている。３２−ｂは深い方のそれであり、拡散深さ１．８μｍから３．０μｍで形成されている。後者は前者に比べてｎ＋拡散層の厚さが厚く、より大きな容量を有している。そのため多くの光電荷を蓄積可能であり、より高照度の光を照射しても飽和することがない。
【００６６】
３３は、ｎ＋拡散層３２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。３７は、バリアである。
【００６７】
［実施形態３］
図４は、本発明の実施形態３における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００６８】
４２−ａは浅い方のＰＤを形成するｎ＋拡散層であり、大きさ４μｍ角で形成されている。４２−ｂは深い方のそれであり、大きさ６μｍ角で形成されている。
【００６９】
４３は、ｎ＋拡散層４２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。４７は、バリアである。
【００７０】
本実施形態では浅い方のｎ＋拡散層４２−ａの大きさが平面上小さく、深い方のそれが平面上大きく形成されている。本実施形態でも実施形態２と同様により高照度の光で飽和することがない。
【００７１】
これら２つの実施形態は、ＤＲの更なる拡大に有効である。
【００７２】
また前記ＰＤの幾何学的な形状を変える以外に、前記ＰＤに印加する逆バイアスを変更することでも前記飽和電荷量、飽和光量を変えることができる。即ち、前記ｎ＋拡散層に印加する逆バイアスをより大きくすればそれだけ多くの光電荷蓄積が可能となり、飽和光量、ＤＲが向上する。
【００７３】
［実施形態４］
図５は、本発明の実施形態４における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００７４】
本実施形態では早く飽和する方の浅い方のｎ＋拡散層５２−ａの周囲に、過剰電荷を吸収するためのｎ＋オーバーフロードレイン５８（以下「ＯＦＤ」）が形成されている。５２−ｂは深い方のｎ＋拡散層である。
【００７５】
５３は、ｎ＋拡散層５２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。５７は、バリアである。
【００７６】
図６は、本実施形態における画素部分の水平方向のポテンシャル分布図である。
【００７７】
前記ＯＦＤ５８の電位は前記浅いＰＤを形成するｎ＋拡散層５２−ａのリセット電位とほぼ同等な電位に固定されている。従って前記拡散層５２−ａに光電荷が蓄積してそのポテンシャルが上昇しても、前記ＯＦＤの電位は変化しないため、効率良く前記飽和により周囲に溢れる過剰電荷を吸収することができる。
【００７８】
これにより未だ飽和していない深い方のＰＤを形成するｎ＋拡散層５２−ｂには前記過剰電荷が混入せず、従って従来問題となっていたブルーミングやスミアと同等の現象は生じない。
【００７９】
本実施形態によれば、ノイズの少ないＤＲの広い光電変換特性を有する固体撮像素子を提供することができる。
【００８０】
［実施形態５］
図７は、本発明の実施形態５における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００８１】
７９はＭＯＳトランジスタのゲートであり、７８はＯＦＤである。
【００８２】
７３は、ｎ＋拡散層７２−ｂと接続されているｎ＋拡散層である。７７は、バリアである。
【００８３】
本実施形態では前記ゲート７９の電位を制御することで、ｎ＋拡散層７２−ａ，７２−ｂと前記ＯＦＤ７８との間のリーク電流を制御することができる。
【００８４】
本実施形態によれば、公知の対数圧縮センサに見られるような、γ特性が寝たＤＲの広い光電変換特性を前記ｎ＋拡散層／ＰＤに持たせることが可能となる。これにより更にＤＲが拡大する。
【００８５】
［実施形態６］
図８は、本発明の実施形態６における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図である。
【００８６】
本実施形態では半導体基板にＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を使用している。前記基板はｐ型のシリコン半導体基板１１上に、厚さ１００ÅのＳｉＯ２からなる絶縁層８７、厚さ１μｍの単結晶シリコン薄膜８９を有する。
ＰＤを構成するｎ＋拡散層８２−ａ，８２−ｂは、各々加速電圧を変えたイオン注入によって形成を行う。８８はｐ型シリコンである。
【００８７】
８３は深い方の拡散層８２−ｂから電気的接続を行うためのプラグである。前記プラグ８３は主にｎ＋拡散層であるが、前記絶縁層８７部分には電気的導通を図るために、シリコンイオンが過剰に注入されている。
【００８８】
本実施形態によれば、前記ｎ＋拡散層の拡散が自動的に前記絶縁層部分で止まるため、前記拡散層の深さを精度良く制御することができる。これにより前記拡散層／ＰＤの精度が向上する。また前記深い方のＰＤとの電気的絶縁性も向上し、クロストークが減少するため光電変換特性が改善される。
【００８９】
また前記絶縁層８７の厚さや単結晶シリコン薄膜８９の厚さを各色の光で最適化することにより、特定の波長の光のみが共鳴する共鳴箱を形成することが可能である。これにより、前記特定の波長の光がそこに長く滞在するようになり、更に光電変換特性が改善される。これはより高感度な浅いＰＤを提供する。
【００９０】
次に、光電変換特性を改善した別の固体撮像装置の駆動回路について述べる。
【００９１】
図１２は、本実施形態における別の固体撮像装置の駆動回路図である。
【００９２】
本実施形態は実施形態１で存在した、２つのＰＤ出力に存在するレベル差（図１１）を解消するものであり、複数の光電変換部がそれぞれ有する光電変換特性同士の整合をとるための補正が行われている。
【００９３】
図１２に示したように、乗算器１１３の後に加算器１２７が挿入されており、その一方の端子ΔＶには、前記レベル差を解消するための補正電圧を印加できるようになっている。
【００９４】
本実施形態の構成により、図１１に示したレベル差を解消することができる。
【００９５】
これにより光電変換特性はなだらかになり、前記固体撮像素子が出力するフレーム画像においても、色飛びのない美しい画像を得ることができる。
【００９６】
前記補正電圧ΔＶの値は、予め設定された固定値でも良いし、各画素、各色における連続性を考慮して、リアルタイムに変更できるような構成で有っても良い。
【００９７】
［実施形態７］
図１３は、本発明の実施形態７における、固体撮像素子の画素構成を示す図である。
【００９８】
本構成はアクティブピクセルと呼ばれる、増幅型センサを構成する画素構成である。
【００９９】
１６１は、１つの画素であり、１６２は、ＰＤ−ａ，ＰＤ−ｂから成る２つのＰＤであり、トランジスタ１６９は水平線１７１−ａ，１７１−ｂを介してＨＳＲ１７２からの信号で制御される。１７７は、アンプと呼ばれる増幅用トランジスタである。
【０１００】
ＰＤ１６２からの出力はアンプ１７７のゲートに接続されており、電源から供給される電流を変調して垂直信号線１７３に出力する。
【０１０１】
トランジスタ１７８は、水平線１７５を介して制御され、トランジスタ１７６は、水平線１７４を介して制御される。
【０１０２】
本構成によれば、前述の実施形態に見られた容量分割による信号電圧の低下と言った悪影響がなく、その分光信号のＳ／Ｎ比が向上する。
【０１０３】
次に、本発明の固体撮像素子又は固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の実施形態について説明する。
【０１０４】
図１５は、本発明の固体撮像素子又は固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。（以下の説明は、固体撮像素子を適用したとして記載する。）
【０１０５】
図１５において、３０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、３０２は被写体の光学像を固体撮像素子３０４に結像させるレンズ、３０３はレンズ３０２を通った光量を可変するための絞り、３０４はレンズ３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、３０６は固体撮像素子３０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、３０７はＡ／Ｄ変換器３０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、３０８は固体撮像素子３０４、撮像信号処理回路３０５、Ａ／Ｄ変換器３０６、信号処理部３０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、３０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、３１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、３１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うためのインターフェース部、３１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、３１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【０１０６】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
バリア３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器３０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【０１０７】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部３０９は絞り３０３を開放にし、固体撮像素子３０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器３０６で変換された後、信号処理部３０７に入力される。
【０１０８】
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部３０９で行う。
【０１０９】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部３０９は絞りを制御する。
【０１１０】
次に、固体撮像素子３０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部３０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
【０１１１】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【０１１２】
露光が終了すると、固体撮像素子３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部３０７を通り全体制御・演算部３０９によりメモリ部に書き込まれる。
【０１１３】
その後、メモリ部３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部３０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体３１２に記録される。
【０１１４】
また、外部Ｉ／Ｆ部３１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行っても良い。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比の良好でＤＲの広い固体撮像素子がえられ、かつ前記固体撮像素子が出力するフレーム画像において、色飛びのない美しい画像が得られる固体撮像装置及びカメラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図２】本発明の実施形態１における、画素部分の深さ方向のポテンシャル分布図
【図３】本発明の実施形態２における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図４】本発明の実施形態３における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図５】本発明の実施形態４における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図６】本発明の固体撮像素子の実施形態４を説明するポテンシャル分布図
【図７】本発明の実施形態５における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図８】本発明の実施形態６における、固体撮像素子の１つの緑（Ｇ）画素の概略断面図
【図９】本発明の実施形態１における、固体撮像素子の２つのＰＤから成る光電変換部の光電変換特性（出力特性）を示す図
【図１０】本発明の実施形態１における、固体撮像装置の駆動回路図
【図１１】本発明の実施形態１における、固体撮像装置の駆動回路の光電変換特性を示す図
【図１２】本発明の実施形態６における、別の固体撮像装置の駆動回路図
【図１３】本発明の実施形態７における、固体撮像素子の画素構成を示す図
【図１４】本発明の実施形態１における、固体撮像装置の動作フローを示す図
【図１５】本発明の固体撮像素子又は固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図
【図１６】従来の技術の説明図
【符号の説明】
１１ ｐ型基板
１２，３２，４２，５２，７２，８２ ｎ＋拡散層
１３，３３，４３，５３，７３，８３ ｎ＋拡散層
１４ 入射光
１５ カラーフィルタ
１６ 遮光膜
１７，３７，４７，５７，７７，８７ バリア
５８，７８ ＯＦＤ
７９ ゲート
８８ ｐ型シリコン
８９ 単結晶シリコン薄膜
９１，１６１ 画素
９２，１６２ ＰＤ
１０２，１７２ ＨＳＲ
１０３，１７３ 垂直信号線
１０８ 容量
１１１ コンパレータ
１１２ インバータ
１１３ 乗算器
１２７ 加算器
１７７ アンプ
Claims (15)
- 複数の画素が配列され、前記各画素には各々異なる飽和光量を示す複数の光電変換部が半導体基板の異なる深さ方向に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記各画素はカラー画像における３原色の１つに対応していることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項１又は２のいずれかに記載の固体撮像素子において、前記各画素は２次元アレイ状に配列していることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子において、前記複数の光電変換部に印加する電圧がそれぞれ異なることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子において、前記最も深いところに位置する光電変換部は、光成分が到達する最大深さよりも浅いことに位置することを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子において、前記複数の光電変換部は、ｐ型基板内で異なる深さ方向に複数のｎ＋型拡散層が配置され、最も浅い方の光電変換部以外のｎ＋型拡散層には表面に設けられたｎ＋型拡散層と接続されていることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項６に記載の固体撮像素子において、最も浅い方の光電変換部であるｎ＋型拡散層の周囲には、過剰電荷を吸収するためのｎ＋オーバーフロードレインが形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項６に記載の固体撮像素子において、最も浅い方の光電変換部以外のｎ＋型拡散層に接続され表面に設けられたｎ＋型拡散層の周囲には、過剰電荷を吸収するためのｎ＋オーバーフロードレインが形成され、ゲートの電位を制御することにより、深さ方向に異なる複数のｎ＋型拡散層と前記ｎ＋オーバーフロードレインとの間のリーク電流を制御するＭＯＳトランジスタをｐ型基板上に設けたことを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項６に記載の固体撮像素子において、前記ｐ型基板上にＳＯＩを形成し、最も浅い方の光電変換部であるｎ＋型拡散層は、ｐ型シリコン内に形成され、深さ方向に異なる他のｎ＋型拡散層との間に絶縁層が配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の固体撮像素子を用いて、前記複数の光電変換部から出力される複数の電気信号から、後段の電気回路により１つの画素信号を形成することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１０に記載の固体撮像装置において、前記複数の光電変換部から出力された複数の電気信号の内、飽和している電気信号を除いた一番大きな電気信号を用いて、前記１つの画素信号を形成することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１０に記載の固体撮像装置において、前記一番大きな電気信号は、予め決められた係数が乗算されて出力されることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１０に記載の固体撮像装置において、前記複数の光電変換部がそれぞれ有する光電変換特性同士の整合をとるための補正が行われていることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１０に記載の固体撮像装置において、前記画素信号は複数集合されてフレーム画像を形成したことを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像素子又は固体撮像装置を有することを特徴とするカメラ。
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