JP2005286115A - 光電変換膜積層型固体撮像装置及びその駆動方法並びにデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 暗いシーンでは高感度の画像データが得られる様にする。
【解決手段】 半導体基板上に積層された一枚の光電変換膜が画素電極膜によって画素単位にアレイ状に区画され、光電変換膜によって光電変換され各画素電極膜で取り出された信号電荷に応じた信号を、半導体基板に形成されたトランジスタ回路による信号読出回路によって読み出す光電変換膜積層型固体撮像装置において、画素電極膜によって区画される画素のうち隣接する所定数の複数画素を１ユニット単位とし、半導体基板上に形成される信号読出回路が、ユニット対応に設けられ、各信号読出回路が、対応するユニット内の各画素からの信号電荷を個別に読み出す複数の画素選択トランジスタ１１８と、各画素選択トランジスタ１１８の出力に共通に接続される出力用トランジスタ１１５とで構成される。暗いシーンのときは、複数の画素の出力を加算し高感度の信号を得ることができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、受光量に応じた電荷を発生する光電変換膜を半導体基板上に積層した光電変換膜積層型固体撮像装置及びその駆動方法並びにデジタルカメラに係り、特に、光電変換膜で発生した信号電荷量に応じた信号を半導体基板上のトランジスタ回路で外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像装置及びその駆動方法並びにこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラに関する。

デジタルカメラに搭載されているＣＣＤ型固体撮像装置やＣＭＯＳ型固体撮像装置では、半導体基板の表面に、受光部となる多数の光電変換素子（フォトダイオード）と、各光電変換素子で得られた光電変換信号を外部に読み出す信号読出回路が形成されている。信号読出回路は、ＣＣＤ型であれば電荷転送回路と転送電極、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳ回路と信号配線で構成される。

従って、従来の固体撮像装置は、多数の受光部と信号読出回路とを同じ半導体基板の表面に形成しなければならず、受光部の面積を広くとることができないという問題がある。

また、従来の単板式の固体撮像装置は、各受光部に、例えば赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のカラーフィルタのうちの１つが積層され、各受光部が夫々１色の光信号を検出する構成になっている。このため、例えば赤色の光を検出する受光部位置における青色光の信号及び緑色光の信号は、周りの青色光，緑色光を検出する各受光部の検出信号を補間演算して求めており、これが偽色の原因となり、また、解像度を低下させている。しかも、赤色のカラーフィルタが形成された受光部に入射した青色光と緑色光は光電変換に寄与することなくカラーフィルタに熱として吸収されてしまい、このため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題もある。

従来の固体撮像装置は、上述したように様々な問題を抱えている一方、多画素化が進展して、現在では、数百万画素という多数の受光部を１チップの半導体基板上に集積しており、１つ１つの受光部の開口寸法が波長オーダに近づいている。このため、上述した各問題を解決し画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのが困難になっている。

そこで、例えば下記特許文献１に記載されている固体撮像装置の構造が見直されている。この固体撮像装置は、信号読出回路を表面に形成した半導体基板上に、赤色検出用の感光層と、緑色検出用の感光層と、青色検出用の感光層を成膜技術によって積層し、これらの感光層を受光部とし、各感光層で得られた光電変換信号を、信号読出回路によって外部に取り出すという構造、即ち、光電変換膜積層型の構造になっている。

斯かる構造にすれば、半導体基板表面に受光部を設ける必要が無くなるため、信号読出回路の設計上の制約が大幅になくなり、また、入射光の光利用効率が向上して感度が向上する。更に、１画素で赤色，緑色，青色の３原色の光を検出できるため、解像度が向上し、偽色もなくなり、上述した従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が抱えていた問題を解決することが可能となる。

そこで、近年では、下記特許文献２，３，４，５に記載されている光電変換膜積層型固体撮像装置が提案されるようになってきており、上記の感光層として、有機半導体を使用したり、ナノ粒子を使用したりしている。

特開昭５８―１０３１６５号公報 特開２００２―８３９４６号公報 特表２００２―５０２１２０号公報 特表２００３―５０２８４７号公報 特許第３４０５０９９号公報

光電変換膜積層型固体撮像装置は、受光部を半導体基板の表面に設ける必要がないため、ＣＭＯＳ型イメージセンサに比較して更なる多画素化を図ることができ、高解像度の画像を撮像することが可能になる。

しかし、多画素化を図ると、逆に、一画素当たりで得られる最大の電子数が少なくなり、光電変換膜積層型固体撮像装置であっても、非常に暗い撮影シーンを撮像した場合には出力信号が小さくなりすぎ、相対的に雑音が大きくなってＳ／Ｎの悪い画像になってしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、明るい撮影シーンでは高解像度の画像を撮像でき、暗い撮影シーンでは高感度の画像を撮像できる光電変換膜積層型固体撮像装置とこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラを提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、半導体基板上に積層された一枚の光電変換膜が画素電極膜によって画素単位にアレイ状に区画され、該光電変換膜によって光電変換され前記各画素電極膜で取り出された信号電荷に応じた信号を、前記半導体基板に形成されたトランジスタ回路による信号読出回路によって読み出す光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記画素電極膜によって区画される画素のうち隣接する所定数の複数画素を１ユニット単位とし、前記半導体基板上に形成される前記信号読出回路が、前記ユニット対応に設けられ、該各信号読出回路が、対応するユニット内の各画素からの信号電荷を個別に読み出す複数の画素選択トランジスタと、該各画素選択トランジスタの出力に共通に接続される出力用トランジスタとで構成されることを特徴とする。

この構成により、各画素の信号電荷に応じた信号を個々に読み出して高解像度の画像データを得ることも、各画素の信号電荷を加算して感度を向上させた高感度の画像データを得ることも可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記各画素選択トランジスタに過剰電荷を排出する電荷排出手段を設けたことを特徴とする。

この構成により、混色や飽和出力低下という画質劣化を回避可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記電荷排出手段は、前記画素選択トランジスタのソースと前記画素電極膜との接続部にソースが接続されゲートとドレインが直流電源に接続された電荷排出用トランジスタであることを特徴とする。

この構成により、電荷排出手段の製造が容易になる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記電荷排出手段は、縦型オーバーフロードレインであることを特徴とする。

この構成により、電荷排出手段が半導体基板内部になるため、集積度の低下が起きない。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、異なる色の入射光によって光電変換を行う複数種類の光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、前記ユニット単位の信号読出回路は、ユニット毎に色別の信号を出力する前記出力用トランジスタを備えることを特徴とする。

この構成により、カラー画像の撮像が可能となり、しかも、各信号読出回路からの画像信号出力線の数を減らすことが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、異なる色の入射光によって光電変換を行う複数種類の光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、前記ユニット単位の信号読出回路は、ユニット毎に１つの前記出力用トランジスタを備えることを特徴とする。

この構成により、更に、信号読出回路からの画像信号出力線数を減らすことが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記複数層設ける光電変換膜は、赤色に分光感度特性のピークが有る第１の光電変換膜と、緑色に分光感度特性のピークがある第２の光電変換膜と、青色に分光感度特性のピークがある第３の光電変換膜とを備えることを特徴とする。

この構成により、３原色によるカラー画像の撮像が可能になり、しかも、既存の３原色用の信号処理回路を利用できる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記複数層設ける光電変換膜は、青色と緑色の中間色に分光感度特性のピークがある第４の光電変換膜を備えることを特徴とする。

この構成により、第４の光電変換膜で得られた信号を第１の光電変換膜で得られた信号から減算し、人間の視感度に応じた赤色を得ることが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の駆動方法は、前記ユニット毎にユニット内の複数の画素の信号電荷に応じた信号を個別に前記出力用トランジスタから出力させる高解像度読出モードと、ユニット内の複数の画素の信号電荷を加算した信号電荷量に応じた信号を前記出力用トランジスタから出力させる高感度読出モードのいずれかを選択して駆動することを特徴とする。

この構成により、高解像度読出モードで高解像度の画像データを得ることも、高感度読出モードで高感度の画像データを得ることも可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の駆動方法は、前記ユニット毎にユニット内の複数の画素の信号電荷に応じた信号を個別に前記出力用トランジスタから出力させる高解像度読出モードと、ユニット内の複数の同一色の画素の信号電荷を加算した信号電荷量に応じた信号を前記出力用トランジスタから出力させる高感度読出モードのいずれかを選択して駆動することを特徴とする。

この構成により、高解像度読出モードで高解像度のカラー画像データを得ることも、高感度読出モードで高感度のカラー画像データを得ることも可能となる。

本発明のデジタルカメラは、上述したいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置と、上述した高解像度読出モードと高感度読出モードのいずれかを選択する制御手段とを搭載したことを特徴とする。

この構成により、明るいシーンでは高解像度の画像を撮像でき、暗いシーンでは高感度の画像を撮像できるデジタルカメラが実現できる。

本発明によれば、明るい撮影シーンでは高解像度の画像を撮像でき、暗い撮影シーンでは高感度の画像を撮像できる光電変換膜積層型固体撮像装置やデジタルカメラを提供できる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置を搭載したデジタルカメラのブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮影レンズや絞り等の結像光学系１と、詳細は後述する光電変換膜積層型固体撮像装置１００と、光電変換膜積層型固体撮像装置１００から出力されるアナログの画像信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器２と、デジタルの画像信号を画像処理して記録メディアに格納したり表示装置に表示させたりする画像信号処理部３と、光電変換膜積層型固体撮像装置１００の駆動制御を行う駆動部４と、シャッタボタン等の操作部からの信号を取り込んで画像信号処理部３や駆動部４及び結像光学系１を制御する制御部５とを備える。

尚、光電変換膜積層型固体撮像装置１００の出力段にアナログ／デジタル変換装置が一体に設けられる場合には、上記のアナログ／デジタル変換器２は不要となる。

図２は、図１に示す光電変換膜積層型固体撮像装置１００の表面模式図である。光電変換膜積層型固体撮像装置１００には、多数の受光部１０２が、この例では正方格子状に配列されている。本実施形態では、縦横に隣接する４つの受光部１０２―１，１０２―２，１０２―３，１０２―４を１組のユニット１０１とし、各ユニット１０１も正方格子状となるように配列される。

光電変換膜積層型固体撮像装置１００の各ユニット１０１の下側に設けられた半導体基板の表面には、後述するＭＯＳトランジスタ回路で構成された信号読出回路が形成されている。

各ユニット１０１毎に設けられた信号読出回路には、行選択走査回路１０３からユニット行選択信号１１１及びリセット信号１１２の他に、ユニット内受光部（画素）選択信号１１３―１，１１３―２，１１３―３，１１３―４が与えられ、信号読出回路から画像信号出力部１０４に、列信号（画像信号）１１０ｒ，１１０ｇ，１１０ｂが出力され、画像信号出力部１０４から出力信号１０５が出力される。画像信号出力部１０４は、取り込んだ画像信号１１０ｒ，ｇ，ｂをアナログ信号として出力するものでも、また、画像信号１１０ｒ，ｇ，ｂをデジタル変換してデジタル信号として出力するものでもよい。

本実施形態の信号読出回路は、各ユニット１０１から同時に３つの列信号１１０ｒ，ｇ，ｂを画像信号出力部１０３に出力する。尚、ｒ，ｇ，ｂの添え字は、以下も同様であるが、検出する入射光の色である赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）に対応する。

図２は、図１に示すユニット１０１の拡大模式図である。各ユニット１０１は正方配列された４つの受光部１０２―１，１０２―２，１０２―３，１０２―４を有し、各受光部１０２―１，１０２―２，１０２―３，１０２―４には、夫々、３つの接続部１２１―１ｒ，ｇ，ｂ，１２１―２ｒ，ｇ，ｂ，１２１―３ｒ，ｇ，ｂ，１２１―４ｒ，ｇ，ｂが設けられている。

図４は、図３のIV―IV線断面模式図である。半導体基板１２５の上部には、先ず透明絶縁膜１２４が積層され、その上に、受光部１０２―３，１０２―４毎に区分けされた電極膜（以下、画素電極膜という。）１２０―３ｒ，１２０―４ｒが積層され、その上部に、赤色（Ｒ）を検出する光電変換膜１２２ｒが積層される。この光電変換膜１２２ｒは受光部毎に区分けして設ける必要はなく、各受光部１０２が集合する受光面全面に対し１枚構成で積層される。

光電変換膜１２２ｒの上には、赤色信号を検出する各受光部１０２に共通の共通電極膜１２３ｒがこれも一枚構成で積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２４が積層される。尚、共通電極膜１２３ｒをパターニングして画素電極膜と同様に画素毎に区分けしても良いが、これらの共通電極膜１２３ｒには同一バイアス電圧が印加されるので、パターニングするとき各電極膜１２３ｒ間を接続する配線部分を残す。

絶縁膜１２４の上部には、受光部１０２―３，１０２―４毎に区分けされた画素電極膜１２０―３ｇ，１２０―４ｇが積層され、その上に、緑色（Ｇ）を検出する光電変換膜１２２ｇが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２３ｇが積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２４が積層される。

この絶縁膜１２４の上部には、受光部１０２―３，１０２―４毎に区分けされた画素電極膜１２０―３ｂ，１２０―４ｂが積層され、その上に、青色（Ｂ）を検出する光電変換膜１２２ｂが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２３ｂが積層される。

受光部１０２―３の画素電極膜１２０―３ｂ，１２０―３ｇ，１２０―３ｒは、入射光方向に整列して設けられる。同様に、受光部１０２―４の画素電極膜１２０―４ｂ，１２０―４ｇ，１２０―４ｒも入射光方向に整列して設けられる。即ち、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置１００では、１つの受光部１０２―ｉ（ｉ＝１〜４）で赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色を検出する構成であり、以下、単に「画素」と述べた場合には、３色を検出する受光部１０２―ｉを指し、色画素とか赤色画素，緑色画素，青色画素と述べた場合には、夫々の色を検出する部分画素（共通電極膜と１つの画素電極膜とで挟まれた光電変換膜の部分）というものとする。

図３に示す接続部１２１―ｉｂ（ｉ＝１〜４：以下同様）は青色画素電極膜１２０―ｉｂに接続され、接続部１２１―ｉｇは緑色画素電極膜１２０―ｉｇに接続され、接続部１２１―ｉｒは赤色画素電極膜１２０―ｉｒに接続される。

均質な透明の電極膜１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ，１２０―ｉｒ，１２０―ｉｇ，１２０―ｉｂとしては、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化インジウム（ＩｎＯ_２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。

光電変換膜１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂとしては、単層膜でも多層膜でもよく、膜材料としては、シリコンや化合物半導体等の無機材料，有機半導体，有機色素などを含む有機材料，ナノ粒子で構成した量子ドット堆積膜など種々の材料が使用できる。

図５は、図３のＶ―Ｖ線断面模式図である。半導体基板上に形成された後述のＭＯＳトランジスタ回路の赤色信号接続部と赤色画素電極膜１２０―ｉｒ（ｉ＝１〜４、図５の例では、ｉ＝３，４）に接続された接続部１２１―ｉｒとの間は縦配線１２７―ｉｒによって接続され、半導体基板上に形成された後述のＭＯＳトランジスタ回路の緑色信号接続部と緑色画素電極膜１２０―ｉｇに接続された接続部１２１―ｉｇとの間は縦配線１２７―ｉｇによって接続され、半導体基板上に形成された後述のＭＯＳトランジスタ回路の青色信号接続部と青色画素電極膜１２０―ｉｂに接続された接続部１２１―ｉｂとの間は縦配線１２７―ｉｂによって接続される。

各縦配線１２７―ｉｒ，ｇ，ｂは、接続部１２１―ｉｒ，ｇ，ｂ及びＭＯＳトランジスタ回路の各色信号接続部以外との電気接触を防止する構造になっている。このため、上層の画素電極膜１２０―ｉｇ，ｂに接続される縦配線１２７―ｉｇ，ｂの周りには絶縁膜１２６が施される。

尚、縦配線１２７―ｉｇ，ｂは光学的に透明な材料で形成するのが良く、また、絶縁膜１２６も透明な材料で形成するのが良い。

図６は、半導体基板１２５上に形成される信号読出回路の回路構成図であり、ユニット１０１毎に設けられる。この信号読出回路は、ユニット１０１内の４つの赤色画素から赤色信号を読み出す赤色用信号読出回路と、ユニット１０１内の４つの緑色画素から緑色信号を読み出す緑色用信号読出回路と、ユニット１０１内の４つの青色画素から青色信号を読み出す青色用信号読出回路で構成される。各色用の信号読出回路は同一構成であるので、赤色用信号読出回路についてその構成を説明し、緑色用と青色用の信号読出回路については赤色用信号読出回路の構成部材の符号にｇ，ｂの符号を付けてその説明は省略する。

赤色用信号読出回路は、電荷検出セル１０９ｒを備える。この電荷検出セル１０９ｒは、出力用トランジスタ１１５ｒと、ユニット行選択用トランジスタ１１６ｒと、リセット用トランジスタ１１７ｒを備える。出力用トランジスタ１１５ｒのソースは列信号線１１０ｒに接続され、ゲートは、リセット用トランジスタ１１７ｒのソースに接続され、ドレインはユニット行選択用トランジスタ１１６ｒのソースに接続される。

そして、ユニット行選択用トランジスタ１１６ｒ及びリセット用トランジスタ１１７ｒの各ドレインが直流電源線１１４に接続され、ユニット行選択用トランジスタ１１６ｒのゲートがユニット行選択信号線１１１に接続され、リセット用トランジスタ１１７ｒのゲートがリセット信号線１１２に接続される。

赤色用信号読出回路は、電荷検出セル１０９ｒの他に、４つのユニット内画素選択用トランジスタ１１８―１ｒ，１１８―２ｒ，１１８―３ｒ，１１８―４ｒを備える。トランジスタ１１８―１ｒのゲートはユニット内画素選択信号線１１３―１に接続され、ソースは、図５で説明した縦配線１２７―１ｒが接続される受光部１０２―１の赤色信号接続部１１９―１ｒに接続される。同様に、トランジスタ１１８―２ｒのゲートはユニット内画素選択信号線１１３―２に接続され、ソースは、図５で説明した縦配線１２７―２ｒが接続される受光部１０２―２の赤色信号接続部１１９―２ｒに接続され、トランジスタ１１８―３ｒのゲートはユニット内画素選択信号線１１３―３に接続され、ソースは、図５で説明した縦配線１２７―３ｒが接続される受光部１０２―３の赤色信号接続部１１９―３ｒに接続され、トランジスタ１１８―４ｒのゲートはユニット内画素選択信号線１１３―４に接続され、ソースは、図５で説明した縦配線１２７―４ｒが接続される受光部１０２―４の赤色信号接続部１１９―４ｒに接続される。

これらの４つのトランジスタ１１８―１ｒ，１１８―２ｒ，１１８―３ｒ，１１８―４ｒのドレインは、共通に、出力用トランジスタ１１５ｒのゲート及びリセット用トランジスタ１１７ｒのソースに接続される。

図７は、上述した構成の信号読出回路によって各ユニット１０１内の個々の受光部１０２―１，１０２―２，１０２―３，１０２―４から別々に信号を読み出すときの動作（高解像度読出モード）説明図である。

図７（ａ）は１フレームの出力信号を示し、図７（ｂ）はユニット１行の出力信号を示す。ＶＤは垂直同期パルスであり、ユニット１行の出力信号は、次の動作により得られる。

まず、第１の水平同期パルスＨＤ１３０―１に同期して、ユニット行選択信号１１１により、読み出すユニット行が選択される。続いて、リセット信号１１２により、選択されたユニット行の電荷検出セル１０９ｒ，ｇ，ｂがリセットされる。

次に、ユニット内画素選択信号１１３―１をオンにすると、ユニット１０１内の第１画素（受光部）１０２―１のユニット内画素選択用トランジスタ１１８―１ｒ，ｇ，ｂのゲートが開き、赤色信号電荷が電荷検出セル１０９ｒに読み出され、緑色信号電荷が電荷検出セル１０９ｇに読み出され、青色信号電荷が電荷検出セル１０９ｂに読み出される。これにより、列信号線１１０ｒ，ｇ，ｂには夫々、各色信号電荷量に応じた信号が出力される。

その後、画像信号出力部１０４（図２）から列信号線１１０ｂ，ｇ，ｒの信号に応じた出力信号１０５（図７（ａ）の１３２ｂ，ｇ，ｒ）が順次出力される。これが、図７（ｂ）に示す出力信号１３１―１である。

次に、第２の水平同期パルスＨＤ１３０―２に同期してリセット信号１１２により、選択されているユニット行の電荷検出セル１０９ｒ，ｇ，ｂがリセットされる。続いて、ユニット内画素選択信号１１３―２により、ユニット１０１内の第２画素１０２―２の赤色信号電荷，緑色信号電荷，青色信号電荷が対応の電荷検出セル１０９ｒ，ｇ，ｂに読み出され、各電荷検出セル１０９ｒ，ｇ，ｂは、その信号電荷量に応じた信号を列信号線１１０ｒ，ｇ，ｂに出力する。その後、画像信号出力部１０４から列信号線１１０ｒ，ｇ，ｂの信号に応じた出力信号１３１―２が出力される。

以下、同じ動作を繰り返し、ユニット内の第３画素１０２―３，第４画素１０２―４の各信号電荷に応じた出力信号１３１―３，１３１―４が出力される。この動作で、１行のユニットの４つの画素１０２―ｉの全ての信号電荷が読み出されたことになる。

出力信号１３１―ｉは、青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）が繰り返えす（１３２ｂ，１３２ｇ，１３２ｒ）時系列信号となる。このユニット１行の読出し動作を各行で順次繰り返し、１フレームの全画素の出力信号が得られる。全信号数は、図２の光電変換膜積層型固体撮像装置１００の場合、受光部１０２が２Ｍ行，２Ｎ列設けられているため、３×（２Ｍ）×（２Ｎ）となる。この出力信号を画像信号処理すると、高解像度の画像が得られる。

図８は、暗い撮影シーンを撮像したときの動作（高感度読出モード）の説明図である。図８（ａ）は１フレームの出力信号を示し、図８（ｂ）はユニット１行の出力信号を示す。ＶＤは垂直同期パルスであり、ユニット１行の出力信号は、次の動作により得られる。

先ず、水平同期パルスＨＤに同期して、ユニット行選択信号１１１により読み出すユニット行が選択される。続いて、リセット信号１１２により、選択されたユニット行の各電荷検出セル１０９ｒ，ｇ，ｂがリセットされる。

次に、ユニット内画素選択信号１１３―１〜１１３―４を同時にオンし、または短期間で連続的に順番にオンする。これにより、赤色用信号読出回路においては、４つのトランジスタ１１８―１ｒ〜１１８―４ｒが導通して、ユニット１０１内の同一色画素の信号電荷が、対応する電荷検出セル１０９ｒの出力用トランジスタ１１５ｒのゲート部分に読み出される。つまり、４つの赤色画素の信号電荷は加算され、その加算電荷量に応じた信号が、列信号線１１０ｒに出力される。

同様に、緑色信号読出回路においても、４つの緑色画素から読み出された信号電荷が電荷検出セル１０９ｇの出力用トランジスタ１１５ｇのゲート部分に読み出されることで加算され、その加算電荷量に応じた信号が列信号線１１０ｇに出力される。

同様に、青色信号読出回路においても、４つの青色画素から読み出された信号電荷が電荷検出セル１０９ｂの出力用トランジスタ１１５ｂのゲート部分に読み出されることで加算され、その加算電荷量に応じた信号が列信号線１１０ｂに出力される。

その後、画像信号出力部１０４から、列信号線１１０ｂ，ｇ，ｒの信号に応じた出力信号１３３が順次出力される。この出力信号１３３は、青色（Ｂ），緑色（Ｇ）．赤色（Ｒ）が繰り返えす信号１３４ｂ，１３４ｇ，１３４ｒの時系列信号となる。

この出力信号は、同一色で４画素加算した信号であり、４倍の感度の信号となっている。この出力信号を画像信号処理すると、４倍感度の画像が得られる。この高感度読出モードにおいては、全出力信号数は、３×Ｍ×Ｎとなり、全画素読出しの場合の１／４となる。この様に画像の解像度は低くなるが、４倍の高感度で高Ｓ／Ｎの画像が得られ、特に暗いシーンの撮影に極めて有効である。

この第１の実施形態では、高感度読出モードで４画素加算動作のみを行ったが、例えば、ユニット１０１内の第１画素と同一ユニット１０１内の第２画素の信号電荷を読み出して加算すれば、２倍感度の信号が得られる。つまり、ユニット１０１の画素選択信号を適宜選択すれば、２倍、３倍、４倍の高感度の出力信号が得られる。

また、第１の実施形態では、ユニット１０１内の画素数を２×２としたが、当然のことながら、３×３，３×４，４×３等、任意のＩ×Ｊ（Ｉ，Ｊは正整数、但し、Ｉ＝Ｊ＝１を除く）の画素を含むユニットでもよく、この場合は、２倍からＩ×Ｊ倍までの高感度出力信号を得ることができる。

尚、光電変換膜積層型固体撮像装置１００から、高解像度読出モードでカラー画像信号を読み出すか、高感度読出モードでカラー画像信号を読み出すかは、図１に示す制御部５が各種センサの検出信号やユーザの指示入力に基づいて判断し、駆動部４を制御して行う。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の信号読出回路の回路図である。この第２の実施形態は、信号読出回路の構成だけが第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。

図７の第１の実施形態に係る信号読出回路では、赤色信号用の電荷検出セル１０９ｒと緑色信号用の電荷検出セル１０９ｇと青色信号用の電荷検出セル１０９ｂとを分けて赤色，緑色，青色の各信号を同時に読み出す構成としたが、この第２の実施形態では、電荷検出セル１０９を各色用に共通に設け、電荷検出セル１０９の出力用トランジスタ１１５のゲートとリセット用トランジスタ１１７のソースとの接続部に、ユニット内画素選択用の計１２個のトランジスタ１１８―ｉｒ，１１８―ｉｇ，１１８―ｉｂのドレインを共通に接続している点が異なる。

斯かる構成にした関係で、ユニット内画素選択信号線を２００―１〜２００―１２と１２本に増やしているが、これらの信号線は、多層メタル配線でユニット行選択走査回路１０２に接続すれば済むため、製造が困難になることはない。

斯かる構成の信号読出回路を持った光電変換膜積層型固体撮像装置１００で、高解像度読出モードを実行する場合には、水平同期信号に同期して１２個のユニット内画素選択信号２００―１〜２００―１２を順次各トランジスタ１１８―ｉｒ，ｇ，ｂに印加して読出し動作を行い、以下、この動作をユニット行順に繰り返すことで、高解像度の画像信号が得られる。

また、４画素加算の高感度読出モードで動作させる場合には、第１の水平同期パルスに同期して、ユニット内画素選択信号２００―１，２００―４，２００―７，２００―１０を同時に該当トランジスタ１１８―ｉｂに印加して（または短時間で順番に印加して）、青色の４画素加算信号電荷を電荷検出セル１０９の出力用トランジスタ１１５のゲート部分に読み出し、列信号線１１０を通しこの４画素加算信号電荷量に応じた信号を画像信号出力部１０４に出力し、画像信号出力部１０４からこの４画素加算信号を外部に出力する。

次に、第２の水平同期パルスに同期して、ユニット内画素選択信号２００―２，２００―５，２００―８，２００―１１を同時に印加して（または短時間で順番に印加して）、緑色の４画素加算信号電荷を電荷検出セル１０９の出力用トランジスタ１１５のゲート部分に読み出し、列信号線１１０を通しこの４画素加算信号電荷量に応じた信号を画像信号出力部１０４に出力し、画像信号出力部１０４からこの４画素加算信号を外部に出力する。

更に次に、第３の水平同期パルスに同期して、ユニット内画素選択信号２００―３，２００―６，２００―９，２００―１２を同時に印加して（または短時間で順番に印加して）、上記と同様に、赤色の４画素加算信号を出力する。

以下、この動作をユニット行順に繰り返すことで、４倍感度のカラー画像信号が出力される。この実施形態では、第１の実施形態に比較して、ユニット内画素選択信号線数が４本から１２本に増加するが、ユニット内トランジスタ数は２１個から１５個に減少する利点がある。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る信号読出回路の構成図である。この第３の実施形態は、第１，第２の実施形態と比べ、信号読出回路の構成のみが異なり、他の構成は同じである。

上述した第１，第２の実施形態の場合、次のような不都合が起きることがある。１枚の静止画を撮る場合に、メカニカルシャッタを使用し、撮影後、メカニカルシャッタを閉じてから画像信号を出力すれば、何も問題は起きない。しかし、メカニカルシャッタを使用できない場合、例えば動画を撮影する場合に、問題が起きる。

非常に明るい被写体の場合、ある色の画素で信号電荷が過剰になっている状態では、過剰電荷が画素選択用トランジスタを介して出力用トランジスタのゲートに流入する。その過剰電荷が他の色信号に加算されるため、混色が起き、画質劣化が起きる。

また、過剰電荷はリセット直後にも起きる。リセット直後の信号は、ゼロ信号状態の基準信号であり、この基準信号が大きくなる。そのため、飽和出力信号が、流入する過剰信号分だけ小さくなるという現象が起きる。非常に明るい丸い電球を撮影すると、非常に明るい中心部が黒くなるとうい不自然な画像となる。

そこで、本実施形態の信号読出回路では、第１の実施形態の信号読出回路（図６）に対し、ユニット内画素選択用トランジスタ対応に計１２個の電荷排出用トランジスタ１４０ｒ，ｇ，ｂを追加した点が異なる。

赤色用信号読出回路の４個の電荷排出用トランジスタ１４０ｒの各ソースは、対応するユニット内画素選択用トランジスタ１１８―ｉｒのソースが接続された接続部１１９―ｉｒに接続され、ゲートとドレインは直流電源線１１４に接続されている。緑色用信号読出回路と青色用信号読出回路の電荷排出用トランジスタ１４０ｇ，ｂの接続も赤色用信号読出回路と同一である。

ユニット１０１内の色画素で発生した過剰な電荷が、ユニット内画素選択用トランジスタ１１８―ｉｒ，ｇ，ｂを経て電荷検出セル１０９ｒ，ｇ，ｂの出力用トランジスタのゲートに流出しないように、そして、過剰な電荷が電荷排出用トランジスタ１４０ｒ，ｇ，ｂのドレインに排出されるように、電荷排出用トランジスタ１４０ｒ，ｇ，ｂのゲート膜厚やゲート下の半導体基板表面の不純物濃度が選択されている。

これにより、各色画素で発生した過剰な電荷は、電荷排出用トランジスタ１４０ｒ，ｇ，ｂのゲート下のチャネルを通って直流電源線１１４に排出され、飽和出力低下現象は起きない。

（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の半導体基板に設けたＭＯＳトランジスタ部分の要部断面模式図である。

ｎ型半導体基板１５０の表面部にはＰウェル層１５１が形成され、Ｐウェル層１５１の表面部に、ユニット内画素選択用トランジスタ１１８のソース（ｎ^＋領域）１５５と、ユニット内画素選択用トランジスタ１１８のドレイン（ｎ^＋領域）及びリセット用トランジスタ１１７のソース（ｎ^＋領域）を兼用する領域１５７と、リセット用トランジスタ１１７のドレイン（ｎ^＋領域）１５９が形成されている。領域１５７は、出力用トランジスタ１１５のゲートと電気的に接続されている。

これらの領域１５５，１５７，１５９の表面にはゲート絶縁膜１５２が形成され、その上に、領域１５５，１５７間を接続するユニット内画素選択用トランジスタ１１８のゲート１５６が形成され、領域１５７と領域１５９を接続するリセット用トランジスタ１１７のゲート１５８が形成されている。

ゲート絶縁膜１５２の表面には絶縁膜１５３が積層されて平坦化され、その中に、光遮蔽膜１５４が積層され、その上に、図５に示す最下層の絶縁膜１２４が積層される。

本実施形態のＰウェル層１５１では、領域１５５の下側に、領域１５５と離間したｎ型半導体領域１６０がイオンインプランテーションなどで形成され、このｎ型半導体領域１６０は、リセット用トランジスタ１１７のドレイン１５９にｎ層領域１６１，１６２にて接続される。

ｎ型半導体領域１６０は、オーバーフロードレインとして機能し、リセット用トランジスタ１１７のドレインを介して直流電源線１１４に電気的に接続されている。

オーバーフロードレイン１６０近傍のＰウェル層部分１５１ａは空乏化しており、過剰電荷がドレイン１５５に入ると、過剰電荷はこの空乏化した部分１５１ａを通って、オーバーフロードレイン１６０に排出され、領域１６１，１６２からリセット用トランジスタ１１７のドレインを通り、直流電源線１１４に排出される。従って、本実施形態では、混色と飽和出力低下という画質劣化は起きない。

尚、上述した各実施形態では、電荷検出セルの回路構成が直流電源線、行選択トランジスタ、出力用トランジスタ、列信号線の接続順になっているが、直流電源線、出力用トランジスタ、行選択トランジスタ、列信号線の接続順にしてもよい。

尚、上述した各実施形態では、光電変換膜を３層とし、入射光をＲ，Ｇ，Ｂの３原色に分けて検出したが、例えばＲ，Ｇ，Ｂの他に緑色と青色の中間色を検出する４番目の光電変換膜を設け、入射光を４色に分けて検出する構成でもよい。これにより、色分解が細かくなり、色の再現性が向上する。

また、上述した実施形態では、固体撮像装置の上から順に、入射光の波長が短い青色，緑色，赤色の各色検出用の光電変換膜を設けたが、この順に限るものではない。更に、各光電変換膜を挟むように設けた共通電極膜と画素電極膜とは、必ずしも共通電極膜を光電変換膜の上側に設けなくてもよく、下側に設けることでもよい。

更にまた、画素電極膜と共通電極膜はすべて透明、または光吸収が少ない材料で形成したが、半導体基板に最も近い電極膜だけは、不透明な材料で形成しても良い。

尚、上述した各実施形態では、電子シャッタに関しては触れていないが、当然のことながら、本発明に通常のＣＭＯＳ型イメージセンサと同様な電子シャッタ機能を持たすことができる。

また、上述した各実施形態では、高解像度読出モード，高感度読出モード共に、全ての画素の信号電荷を読み出しているが、高速フレームレートを実現するために、一部の画素の信号電荷の読み出しを行わず、読み出し画素を間引いてもよいことはいうまでもない。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像装置は、多画素化を図っても高感度画像データを出力させることができるため、デジタルカメラに搭載すると有用である。

本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置を搭載したデジタルカメラのブロック構成図である。 図１に示す光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。 図２に示す光電変換膜積層型固体撮像装置の１ユニットの拡大模式図である。 図３のIV―IV線断面模式図である。 図３のＶ―Ｖ線断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の信号読出回路の回路構成図である。 図６に示す信号読出回路が高解像度読出モードによって信号を読み出す動作説明図である。 図６に示す信号読出回路が高感度読出モードによって信号を読み出す動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の信号読出回路の回路構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の信号読出回路の回路構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の半導体基板の要部断面模式図である。

符号の説明

１０１ ユニット
１０２―ｉ（ｉ＝１〜４） 受光部（画素）
１０９，１０９ｒ，１０９ｇ，１０９ｂ 電荷検出セル
１１０，１１０ｒ，１１０ｇ，１１０ｂ 列信号線（画像信号出力線）
１１１ ユニット行選択線
１１２ リセット信号線
１１３―ｉ（ｉ＝１〜４） ユニット内画素選択信号線
１１４ 直流電源線
１１５，１１５ｒ，１１５ｇ，１１５ｂ 出力用トランジスタ
１１６，１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂ 行選択用トランジスタ
１１７，１１７ｒ，１１７ｇ，１１７ｂ リセット用トランジスタ
１１８―ｉｒ（ｉ＝１〜４） 赤色画素選択用トランジスタ
１１８―ｉｇ（ｉ＝１〜４） 緑色画素選択用トランジスタ
１１８―ｉｂ（ｉ＝１〜４） 青色画素選択用トランジスタ
１２０―ｉｒ（ｉ＝１〜４） 赤色画素電極膜
１２０―ｉｇ（ｉ＝１〜４） 緑色画素電極膜
１２０―ｉｂ（ｉ＝１〜４） 青色画素電極膜
１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ 光電変換膜
１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ 共通電極膜
１２４ 透明絶縁膜
１２５，１５０ ｎ型半導体基板
１２７―３ｒ，１２７―３ｇ，１２７―３ｂ 縦配線
１２７―４ｒ，１２７―４ｇ，１２７―４ｂ 縦配線
１４０ｒ，１４０ｇ，１４０ｂ 電荷排出用トランジスタ
１５１ Ｐウェル層
１６０ オーバーフロードレイン

Claims (12)

1. 半導体基板上に積層された一枚の光電変換膜が画素電極膜によって画素単位にアレイ状に区画され、該光電変換膜によって光電変換され前記各画素電極膜で取り出された信号電荷に応じた信号を、前記半導体基板に形成されたトランジスタ回路による信号読出回路によって読み出す光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記画素電極膜によって区画される画素のうち隣接する所定数の複数画素を１ユニット単位とし、前記半導体基板上に形成される前記信号読出回路が、前記ユニット対応に設けられ、該各信号読出回路が、対応するユニット内の各画素からの信号電荷を個別に読み出す複数の画素選択トランジスタと、該各画素選択トランジスタの出力に共通に接続される出力用トランジスタとで構成されることを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置。
2. 前記各画素選択トランジスタに過剰電荷を排出する電荷排出手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
3. 前記電荷排出手段は、前記画素選択トランジスタのソースと前記画素電極膜との接続部にソースが接続されゲートとドレインが直流電源に接続された電荷排出用トランジスタであることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
4. 前記電荷排出手段は、縦型オーバーフロードレインであることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
5. 異なる色の入射光によって光電変換を行う複数種類の光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、前記ユニット単位の信号読出回路は、ユニット毎に色別の信号を出力する前記出力用トランジスタを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
6. 異なる色の入射光によって光電変換を行う複数種類の光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、前記ユニット単位の信号読出回路は、ユニット毎に１つの前記出力用トランジスタを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
7. 前記複数層設ける光電変換膜は、赤色に分光感度特性のピークが有る第１の光電変換膜と、緑色に分光感度特性のピークがある第２の光電変換膜と、青色に分光感度特性のピークがある第３の光電変換膜とを備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
8. 前記複数層設ける光電変換膜は、青色と緑色の中間色に分光感度特性のピークがある第４の光電変換膜を備えることを特徴とする請求項７に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
9. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置の駆動方法であって、前記ユニット毎にユニット内の複数の画素の信号電荷に応じた信号を個別に前記出力用トランジスタから出力させる高解像度読出モードと、ユニット内の複数の画素の信号電荷を加算した信号電荷量に応じた信号を前記出力用トランジスタから出力させる高感度読出モードのいずれかを選択して駆動することを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置の駆動方法。
10. 請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置の駆動方法であって、前記ユニット毎にユニット内の複数の画素の信号電荷に応じた信号を個別に前記出力用トランジスタから出力させる高解像度読出モードと、ユニット内の複数の同一色の画素の信号電荷を加算した信号電荷量に応じた信号を前記出力用トランジスタから出力させる高感度読出モードのいずれかを選択して駆動することを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置の駆動方法。
11. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置と、前記ユニット毎にユニット内の複数の画素の信号電荷に応じた信号を個別に前記出力用トランジスタから出力させる高解像度読出モードとユニット内の複数の画素の信号電荷を加算した信号電荷量に応じた信号を前記出力用トランジスタから出力させる高感度読出モードのいずれかを選択して前記光電変換膜積層型固体撮像装置を駆動する制御手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。
12. 請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置と、前記ユニット毎にユニット内の複数の画素の信号電荷に応じた信号を個別に前記出力用トランジスタから出力させる高解像度読出モードとユニット内の複数の同一色の画素の信号電荷を加算した信号電荷量に応じた信号を前記出力用トランジスタから出力させる高感度読出モードのいずれかを選択して前記光電変換膜積層型固体撮像装置を駆動する制御手段とを備えることを特徴とするのデジタルカメラ。

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