JP2006032538A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度時の感度を向上させると共に、ダイナミックレンジを向上させる。
【解決手段】 基板５０と、前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接配置される変調トランジスタを構成する環状のゲート１４と、前記環状のゲートの中央開口の前記基板表面に形成されるソース領域１５と、前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度領域であって、前記光電変換素子において発生した光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる第２キャリアポケット１９と、前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度領域であって、少なくとも一部が前記第２キャリアポケットのいずれの部分よりも前記光電変換素子に隣接して形成され、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる第１キャリアポケット１７と、前記第１キャリアポケットと前記第２キャリアポケットとの間に形成される電位障壁２とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高画質特性及び低消費電力特性を有する固体撮像装置に関する。

携帯電話などに搭載される固体撮像装置として、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサと、ＣＭＯＳ型のイメージセンサと、がある。ＣＣＤ型のイメージセンサは画質に優れ、ＣＭＯＳ型のイメージセンサは消費電力が少なく、プロセスコストが低い。近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置が提案されている。閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置については、例えば、特許文献１に開示されている。

イメージセンサは、センサセルをマトリクス状に配列し、初期化、蓄積、読み出しの３つの状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。特許文献１によって開示されたイメージセンサは、各単位画素が、蓄積を行うための受光ダイオードと、読み出しを行うためのトランジスタとを有している。

特許文献１のイメージセンサは、基板上において、各単位画素毎に、受光ダイオードと光信号検出用ＭＯＳトランジスタとが隣接配置されている。このトランジスタのゲート電極はリング状に形成されており、ゲート電極の中央の開口部分に、ソース領域が形成されている。ゲート電極の周辺にはドレイン領域が形成されている。

受光ダイオードの開口領域から入射した光によって発生した電荷（光発生電荷）は、ゲート電極下方のＰ型のウェル領域に転送されて、この部分に形成された第１キャリアポケットに蓄積される。第１キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によってトランジスタの閾値電圧が変化する。これにより、入射光に対応した信号（画素信号）を、トランジスタのソース領域から取り出すことができるようになっている。

なお、特許文献１の装置では、同一列に配列された単位画素の出力は、共通のソース線を介して取り出されるようになっている。トランジスタのゲートに印加する電圧をライン毎に制御することで、共通のソース線に接続された各単位画素のうち所定のラインの単位画素からの選択的な読み出しを可能にしている。即ち、読み出しを行う単位画素（選択画素）のトランジスタには比較的高いゲート電圧を印加し、他の読み出しを行わない単位画素（非選択画素）のトランジスタには比較的低いゲート電圧を印加する。高いゲート電圧を印加したトランジスタの出力の方が低いゲート電圧を印加したトランジスタの出力よりも高く、ソース線から選択画素の出力を得ることができる。
特開２００２−５７３１５号公報 特開２００４−８０１８９号公報 「ＣＣＤ/ＣＭＯＳイメージセンサの基礎と応用」（146頁〜,212頁〜）、米本和也著、2003. ＣＱ出版

ところで、現在、一般的な固体撮像素子を用いたイメージセンサにおいては、ダイナミックレンジは概ね７０ｄＢ程度である。人間の目や銀塩写真のネガフィルムで見られるような広いダイナミックレンジは得られていない。

非特許文献１には、イメージセンサにおけるダイナミックレンジの拡大方法が提案されている。非特許文献１には、例えば代表的なダイナミックレンジ拡大方法として、対数変換型が提案されている。

しかしながら、対数変換型のイメージセンサは、ダイナミックレンジを拡大することができる反面、十分なコントラストを得ることができず、また、カラー化が困難であるという欠点がある。また、対数変換をするために、画素内にトランジスタを付加しなくてはならず、画素サイズが大きくなってしまい、多画素化に対しては不利である。

また、非特許文献１に記載されたデュアルサンプリングを利用した方法や多重露光を利用した方法では、高輝度の撮像と、低輝度の被写体の撮像タイミングがずれることによる画像の不自然さがある上、２重、３重と撮像枚数を増やすことによるダイナミックレンジ拡大は図られる一方で、撮像のフレームレートが低下してしまうという欠点を含んでいる。

また、特許文献２においては、光電変換素子の非線形領域の出力を用いることにより、ダイナミックレンジを拡大する手法が採用されている。この手法は、画素に対して特別な配慮をする必要もなく、多重露光も不要であり、フレームレートを低下させることなくダイナミックレンジを拡大することができ、現実的である。

しかしながら、特許文献２の方法では、光電変換素子の線形領域に比べて比較的狭い範囲の非線形領域を利用するのみであり、ダイナミックレンジを十分に拡大させることはできない。また、低照度時において、十分な感度を得ることができないという問題点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、キャリアポケットを分割して形成することにより、低照度時の感度を向上させると共に、光のダイナミックレンジを大きくすることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、
基板と、
前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接配置される変調トランジスタを構成する環状のゲートと、
前記環状のゲートの中央開口の前記基板表面に形成されるソース領域と、
前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度領域であって、前記光電変換素子において発生した光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる第２キャリアポケットと、
前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度領域であって、少なくとも一部が前記第２キャリアポケットのいずれの部分よりも前記光電変換素子に隣接して形成され、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる第１キャリアポケットと、
前記第１キャリアポケットと前記第２キャリアポケットとの間に形成される電位障壁とを含む。

本発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、入射した光に応じた光発生電荷を発生する。光電変換素子には変調トランジスタが隣接配置されており、変調トランジスタを構成する環状のゲートの中央開口には、ソース領域が形成される。ゲート下方には、少なくとも一部が光電変換素子に隣接した第１キャリアポケットが設けられる。これにより、光電変換素子からの光発生電荷は、先ず第１キャリアポケットに保持される。電位障壁によって、第１キャリアポケットの光発生電荷がオーバーフローするまでは第２キャリアポケットには光発生電荷は蓄積されない。従って、入射光量が比較的小さい範囲では、第１キャリアポケットに基づく閾値変調が行われて、入射光量に応じた変調出力が得られる。第１キャリアポケットから光発生電荷がオーバーフローすると、オーバーフローした光発生電荷は第２キャリアポケットに蓄積される。これにより、以後、第２キャリアポケットに基づく閾値変調が行われて、入射光量に応じた変調出力が得られる。第１キャリアポケット及び第２キャリアポケットの特性を適宜設定することによって、所望の出力特性の変調出力を得ることができる。

また、前記第１キャリアポケットは、前記第２キャリアポケットよりも容量が小さい。

本発明の実施の形態によれば、第１キャリアポケットは少ない入射光量の変化で大きな変調出力を得ることができ、低照度時においてもリニアリティに優れた高感度出力を得ることができる。また、第２キャリアポケットは大きな入射光量に対してもリニアリティに優れた変調出力を得ることができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。

また、前記第１キャリアポケットは、前記第２キャリアポケットよりも専有面積が小さい。

本発明の実施の形態によれば、第１キャリアポケットによる基板変調によって高感度出力を得、第２キャリアポケットによる基板変調によって高ダイナミックレンジを得ることができる。

また、前記第２キャリアポケットは、前記第１キャリアポケットからオーバーフローした光発生電荷を保持する。

本発明の実施の形態によれば、第２キャリアポケットは第１キャリアポケットがオーバーフローした光発生電荷を保持するので、第１キャリアポケットによる変調特性と第２キャリアポケットによる変調特性とを別々に制御可能であり、所望の変調特性を得ることができる。

また、本発明に係る固体撮像装置は、前記変調トランジスタの出力を前記第１キャリアポケットと第２キャリアポケットとの特性に応じて補正する補正手段を更に具備する。

本発明の実施の形態によれば、入射光量に応じて変調出力の特性が異なる場合でも、入射光量に比例した出力を得ることができる。

また、前記補正手段は、第１キャリアポケットに基づく入射光量と出力との関係及び第２キャリアポケットに基づく入射光量と出力との関係に応じて、前記変調トランジスタの出力を補正する。

本発明の実施の形態によれば、第１キャリアポケットに基づく特性と第２キャリアポケットに基づく特性に応じて、変調トランジスタの出力を簡単に補正することができ、高感度で、高ダイナミックレンジの入射光量に比例した出力を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図であり、図２はセンサセル１１の断面構造を示す模式的断面図である。図２は図１のＡ−Ａ’線の断面構造を示している。

本実施の形態における固体撮像装置は、単位画素であるセンサセルがマトリクス状に配列されて構成されたセンサセルアレイを有している。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を収集・蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで１画面の画像信号が得られる。

図１及び図２に示すセンサセル１１は、半導体基板上に半導体プロセスによって構成されている。センサセル１１は、フォトダイオード形成領域１２において、入射光に応じて光発生電荷を発生させるフォトダイオードが形成されている。また、センサセル１１は、このフォトダイオード形成領域１２に隣接して、光発生電荷に応じた画素信号を出力するための変調トランジスタＴＭの形成領域（変調トランジスタ形成領域）が設けられる。

＜各センサセルの断面構造＞
先ず、図２を参照してセンサセル１１の断面構造を詳細に説明する。本実施の形態は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。

各セルは、フォトダイオード形成領域と変調トランジスタ形成領域とを有している。Ｐ型基板５０の全域にＮ型ウェル５１，５２が形成されている。フォトダイオード形成領域のＮ型ウェル５１上には、Ｐ型の収集ウェル５３が形成されている。収集ウェル５３上の基板表面側には、ピニング層であるＮ型の拡散層５５が形成されている。Ｎ型ウェル５１は基板の比較的深い位置まで形成されている。

一方、変調トランジスタＴＭ形成領域においては、Ｎ型ウェル５２は基板５０の比較的浅い位置までに制限される。Ｎ型ウェル５２上には、Ｐ型の変調用ウェル５４が形成されている。本実施の形態においては、変調用ウェル５４内には、２つに分割された第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９が形成されている。第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９は、Ｐ⁺拡散による比較的濃い濃度の拡散層である。基板表面の変調トランジスタ形成領域には、環状のリングゲート１４が形成されている。図１の例ではリングゲート１４は平面的には８角形状に形成されている。

リングゲート１４の中央開口５７の基板表面にはＮ⁺拡散層が形成されてソース領域１５を構成する。また、リングゲート１４の周囲の基板表面にはＮ型拡散層が形成されてドレイン領域１３を構成する。

リングゲート１４下の基板表面にはチャネルを構成するＮ型の拡散層５６が形成され、Ｎ型拡散層５６はソース領域１５とドレイン領域１３とに電気的に接続される。このように、変調トランジスタＴＭとしては、例えば、ＮチャネルディプレッションＭＯＳトランジスタが用いられる。

ドレイン領域１３、ウェル５１、ウェル５２及び拡散層５５がドレイン電圧の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードの開口領域下方においては、拡散層５５と収集ウェル５３との境界面、ウェル５１と収集ウェル５３の境界面から空乏層が収集ウェル５３の全体およびその周囲に広がる。空乏領域において、開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は収集ウェル５３に収集され、更に変調用ウェル５４に転送されて第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９に保持される。

第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９相互間には、電位障壁２０が形成される。第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９のポテンシャルは、光発生電荷が蓄積されることで変化する。これにより、基板バイアスが変化して、変調トランジスタの閾値を変化させる。

第１キャリアポケット１７は、第２キャリアポケット１９よりもフォトダイオード形成領域側に形成されており、フォトダイオード形成領域側からの光発生電荷は、先ず第１キャリアポケット１７に蓄積されるようになっている。第１キャリアポケット１７に保持される光発生電荷が電位障壁２０を超えてオーバーフローすると、次に、光発生電荷は第２キャリアポケット１９に蓄積されるようになっている。

即ち、変調トランジスタは、第１キャリアポケット１７ によって閾値変調される領域（以下、高感度領域という）と、第２キャリアポケット１９によって閾値変調される領域（以下、高ダイナミック領域という）とに分けて駆動される。こうして、変調トランジスタＴＭのソース電位は、変調用ウェル５４に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードＰＤへの入射光に応じたものとなる。

＜装置全体の回路構成＞
図３はセンサセル１１をマトリクス状に配置して構成したセンサセルアレイを用いた固体撮像装置全体の回路構成を等価回路によって示す回路ブロック図である。

図３に示すように、図１のセンサセル１１をマトリクス状に配置してセンサセルアレイ６２が構成される。本実施の形態における固体撮像装置６１は、センサセルアレイ６２とセンサセルアレイ６２中の各センサセル１１を駆動する回路６３〜６５とを有している。センサセルアレイ６２は、例えば、６４０×３×４８０のセル１１と、オプティカルブラック（ＯＢ）のための領域（ＯＢ領域）を含む。ＯＢ領域を含めると、センサセルアレイ６２は例えば７１２×５００のセル１１で構成される。

図１のフォトダイオード形成領域１２に構成されるフォトダイオードは、図３におけるフォトダイオードＰＤに相当する。また、センサセル１１の変調トランジスタ形成領域（図２参照）に構成される変調トランジスタは、図３において変調トランジスタＴＭで示している。

上述したように、各センサセル１１は、光電変換を行うフォトダイオードＰＤと、光信号を検出して読み出すための変調トランジスタＴＭとを含む。フォトダイオードＰＤは入射光に応じた電荷（光発生電荷）を生じさせ、生じた電荷は収集ウェル５３（図３では接続点ＰＤＷに相当）を介して変調トランジスタＴＭの閾値変調用の変調用ウェル５４（図３では接続点ＴＭＷに相当）内の第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９に転送されて保持される。

変調トランジスタＴＭは、第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９に光発生電荷が保持されることで、夫々高感度領域と高ダイナミック領域とにおいてバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が夫々変化する。これにより、変調トランジスタＴＭのソース電圧は、第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードＰＤの入射光の明るさに対応したものとなる。

このように各セル１１は、変調トランジスタＴＭのリングゲート１４、ソース領域１５及びドレイン領域１３に駆動信号が印加されることで、蓄積、転送、読み出し及びクリア等の動作を呈する。セル１１の各部には図３に示すように、垂直駆動走査回路６３、ドレイン駆動回路６４及び水平駆動走査回路６５から信号が供給されるようになっている。垂直駆動走査回路６３は、各行のゲート線６７に走査信号を供給し、ドレイン駆動回路６４は各列のドレイン領域１３にコンタクト部１８を介してドレイン電圧を印加する。また、水平駆動走査回路６５は、各ソース線６６に接続されたスイッチ６８に駆動信号を供給する。

各セル１１は、センサセルアレイ６２に水平方向に配列された複数のソース線６６と垂直方向に配列された複数のゲート線６７との交点に対応して設けられている。水平方向に配列された各ラインの各セル１１は、変調トランジスタＴＭのリングゲート１４が共通のゲート線６７に接続され、垂直方向に配列された各列の各セル１１は、変調トランジスタＴＭのソース領域１５がコンタクト部１６を介して共通のソース線６６に接続される。

複数のゲート線６７の１つにオン信号（選択ゲート電圧）を供給することで、オン信号が供給されたゲート線６７に共通接続された各セルが同時に選択されて、これらの選択されたセルの各ソース領域１５から各ソース線６６を介して画素信号が出力される。垂直駆動走査回路６３は１フレーム期間においてゲート線６７にオン信号を順次シフトさせながら供給する。オン信号が供給されたラインの各セルからの画素信号が１ライン分同時に各ソース線６６から読み出されて各スイッチ６８に供給される。１ライン分の画素信号は水平駆動走査回路６５によって、スイッチ６８から画素毎に順次出力（ライン出力）される。

各ソース線６６に接続されたスイッチ６８は、共通の定電流源（負荷回路）６９を介して映像信号出力端子７０に接続されている。各センサセル１１の変調トランジスタＴＭのソース領域１５は定電流源６９に接続されることになり、センサセル１１のソースフォロワ回路が構成される。

本実施の形態においては、水平駆動走査回路６５の出力は補正回路７１に供給されるようになっている。第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９との特性に応じて、高感度領域と高ダイナミック領域とにおける変調トランジスタの出力特性が異なる。例えば、第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９とのポテンシャルが同様である場合には、第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９との容量は面積に応じたものとなり、容量に応じて感度が異なる。即ち、この場合には、高感度領域と高ダイナミック領域とは、入射光量に対する出力の傾斜が異なることになる。

本実施の形態においては、第２キャリアポケット１９には、第１キャリアポケット１７がオーバーフローした後に光発生電荷が蓄積されるようになっている。従って、第１キャリアポケット１７の光発生電荷がオーバーフローするまでの入射光量の範囲（以下、高感度範囲という）は、第１キャリアポケット１７に基づく特性で水平駆動走査回路６５から出力が発生する。また、第１キャリアポケット１７の光発生電荷がオーバーフローした以後の入射光量の範囲（以下、高ダイナミック範囲という）には、第２キャリアポケット１７に基づく特性に応じて水平駆動走査回路６５から出力が発生する。

特性設定部７２は、高感度範囲における入射光と画素信号レベルとの関係、高ダイナミック範囲における入射光と画素信号レベルとの関係を示す補正制御信号を補正回路７１に出力するようになっている。補正回路７１は、特性設定部７２からの補正制御信号に基づいて、水平駆動走査回路６５の出力を補正して出力することで、高感度範囲から高ダイナミック範囲までの全範囲において、出力のリニアリティを確保するようになっている。

＜センサセルの平面形状＞
次に、センサセル１１の平面形状について説明する。図１の平面図に示すように、単位画素であるセンサセル１１内に、フォトダイオード形成領域１２と変調トランジスタＴＭの形成領域とが隣接して設けられている。上述したように、変調トランジスタＴＭとしては、例えば、ＮチャネルディプレッションＭＯＳトランジスタが用いられる。図１は変調トランジスタのリングゲート１４が８角形状の例を示している。

フォトダイオードＰＤ形成領域においては、基板５０の表面に配線層を形成する工程において、光を透過する開口領域が形成される。基板５０表面の比較的浅い位置には前記開口領域よりも広い領域にＰ型のウェルであり、光電変換素子によって発生した光発生電荷を収集する収集ウェル５３が形成されている。開口領域下のＮ型ウェル５１及び収集ウェル５３によってフォトダイオード形成領域１２が構成される。

フォトダイオード形成領域１２に隣接して、８角形状のリングゲート１４が配置される。リングゲート１４下方の基板の比較的浅い位置には、変調用ウェル５４が形成される。この変調用ウェル５４は、収集ウェル５３と略連続的に形成されており、収集ウェル５３において収集された光発生電荷が変調用ウェル５４に転送されるようになっている。なお、図２の例では、収集ウェル５３と変調用ウェル５４とは、一体的に形成されているが、別々に形成してもよい。

リングゲート１４の中央の開口部分の基板５０表面近傍領域には、高濃度Ｎ型領域であるソース領域１５が形成されている。リングゲート１４の周囲にはＮ型のドレイン領域１３が形成されている。ドレイン領域１３の所定位置には、基板５０表面近傍にＮ⁺層のコンタクト部１８が形成される。

変調用ウェル５４は変調トランジスタのチャネルの閾値電圧を制御するものである。変調用ウェル５４内には、リングゲート１４の下方にＰ型の高濃度領域である第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９が形成されている。第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９とは、８角形の環状の一部をなし、第１キャリアポケット１７は第２キャリアポケット１９に比べて、十分に小さい面積に形成される。また、第１キャリアポケット１７は、リングゲート１４のフォトダイオード形成領域１２に隣接して形成され、第２キャリアポケット１９は第１キャリアポケット１７のいずれの部分よりもフォトダイオード形成領域１２からの距離が大きい位置に形成される。

なお、電位障壁２０によってポテンシャル的に分割されていることから、第１キャリアポケット１７のいずれかの部分が第２キャリアポケット１９よりもフォトダイオード形成領域１２に隣接していればよい。これにより、光発生電荷は第２キャリアポケット１９よりも先に第１キャリアポケット１７に蓄積されて充満することになる。

図１の例では、８角形状のリングゲート１４の一辺とフォトダイオード形成領域１２の一辺とが対向しており、第１キャリアポケット１７は、この対向した一辺に沿って直線上に形成されている。第１キャリアポケット１７の両端に隣接して電位障壁２０が形成され、第２キャリアポケット１９の両端と第１キャリアポケット１７の両端とは、２カ所において電位障壁２０を介して隣接配置される。

平面的には、第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９とによって、略ソース領域１５が囲まれ、ドレイン領域１３からソース領域１５への表面チャネル電流は各位置において下方に形成された第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９とに基づいて制御される。第１キャリアポケット１７は、面積が比較的小さく、保持する光発生電荷の変化量に比べてポテンシャルの変化が大きく、低照度時から十分な変調出力を得る高感度領域を構成する。一方、第２キャリアポケット１９は、面積が比較的大きく、光発生電荷の保持容量が十分に大きく、光のダイナミックレンジを十分に向上させる高ダイナミック領域を構成する。

なお、図１においては変調トランジスタＴＭがリングゲート１４等の構成要素が平面的には８角形状を有する例について説明した。変調トランジスタのこのような平面形状は特に限定されるものではなく、任意の多角形状を採用することができる。例えば、図４は変調トランジスタの各部が４角形状を有する場合の例を示している。

図４のセンサセル１は、リングゲート４が４角形である点、及び各部がリングゲート４の形状に沿った形状となる点を除いて、図１のセンサセル１１と同様の構成である。即ち、図４中のフォトダイオード形成領域２、ドレイン領域３、リングゲート４、ソース領域５、コンタクト部６，８、第１キャリアポケット７、第２キャリアポケット９及び電位障壁１０は、夫々図１中のフォトダイオード形成領域１２、ドレイン領域１３、リングゲート１４、ソース領域１５、コンタクト部１６，１８、第１キャリアポケット１７、第２キャリアポケット１９及び電位障壁２０と同一の機能を有するものである。また、図４のセンサセル１についても、図４のＡ−Ａ’線で切断した断面形状は図２と同様である。

従って、本実施の形態に係る固体撮像装置としては、図３に示すように、図１のセンサセル１１だけでなく、図４のセンサセル１を採用してもよい。

＜動作＞
次に、このように構成された実施の形態の作用について図５及び図６を参照して説明する。図５は図２のＢ−Ｂ’線の位置におけるホールを基準としたポテンシャルを示す説明図であり、図５（ａ）乃至（ｃ）は夫々入射光量が少ない場合、高感度範囲である場合、又は高ダイナミック範囲である場合を示している。また、図６は横軸に光強度をとり縦軸に画素信号のレベルをとって、入射光の光強度と出力との関係を示すグラフである。

変調トランジスタＴＭのリングゲート１４に低いゲート電圧を印加し、ドレイン領域１３にトランジスタの動作に必要な例えば約２〜４Ｖの電圧（ＶＤＤ）を印加する。これにより、収集ウェル５３およびその周囲が空乏化する。また、ドレイン領域１３とソース領域１５との間に電界が生じる。

フォトダイオード形成領域１２に入射した光が、空乏化したＮ型ウェル５１に入射することで、電子−正孔対（光発生電荷）が生じる。Ｐ型の収集ウェル５３は高濃度のＰ型不純物が導入されてポテンシャルが低くなっており、Ｎ型ウェル５１に発生した光発生電荷は収集ウェル５３に収集される。更に、光発生電荷は収集ウェル５３から変調トランジスタ形成領域内の変調用ウェル５４に転送される。

トランジスタ形成領域には、高濃度拡散層である第１キャリアポケット１７及び第２キャリアポケット１９が形成されている。しかし、フォトダイオード形成領域に対向して近接する部分には第１キャリアポケット１７が形成されており、収集ウェル５３から変調用ウェル５４側に転送された光発生電荷は、先ず第１キャリアポケット１７に蓄積される。

図５（ａ）に示すように、第１キャリアポケット１７は、基板深さ方向にはＮ型ウェル５２の高いポテンシャルに比べて十分に低いポテンシャルとなっており、収集ウェル５３から転送されたホール（図５の黒丸）を順次蓄積する。また、第２キャリアポケット１９と第１キャリアポケット１７との間には、十分に高いポテンシャルの電位障壁２０が設けられており、基板水平方向においても、入射光量が高感度範囲内である場合には、第１キャリアポケット１７に転送された光発生電荷が、第２キャリアポケット１９側に流れ出すことはない。

第１キャリアポケット１７は、光発生電荷が蓄積されることで、ポテンシャルが高くなる。これにより、第１キャリアポケット１７上の高感度領域においては、変調トランジスタＴＭの閾値電圧が変化する。この状態で、選択画素のリングゲート１４に例えば約２〜４Ｖのゲート電圧（選択ゲート電圧）を印加し、ドレイン領域１３に例えば約２〜４Ｖの電圧ＶＤＤを印加する。更に、変調トランジスタＴＭのソース領域１５に定電流源６９によって一定の電流を流す。これにより、変調トランジスタＴＭはソースフォロワ回路を形成し、第１キャリアポケット１７に蓄積された光発生電荷による変調トランジスタＴＭの閾値電圧の変動に追随してソース電位が変化して、出力電圧が変化する。即ち、入射光に応じた出力が得られる。

この場合において、第１キャリアポケット１７は、比較的狭い面積に形成されており容量が小さい。従って、比較的少ない入射光量であっても、ポテンシャルの変化は比較的大きく、入射光量の変化に比べて閾値を大きく変化させることができる。従って、低照度時であっても、第１キャリアポケット１７に基づく高感度領域においては、入射光量に応じた十分なチャネル電流が流れることになり、低照度時のリニアリティに優れている。

図６の特性Ｉは高感度範囲における光強度と出力（ソース電位）との関係を示している。特性Ｉに示すように、高感度範囲においては入射光量に比べて十分大きい出力を得ることができる。

図６の特性ＩＩは高感度範囲と高ダイナミック範囲との境界、即ち、第１キャリアポケット１７に光発生電荷が充満した状態を示している。図５（ｂ）はこの状態を示している。入射光量が特性ＩＩを超えると、第１キャリアポケット１７から光発生電荷がオーバーフローする。

第１キャリアポケット１７の両端部は、電位障壁２０を介して第２キャリアポケット１９に隣接しており、第１キャリアポケット１７からオーバーフローした光発生電荷は、ポテンシャルが低い第２キャリアポケット１９に流れ込む。図５（ｃ）はこの状態を示している。

第２キャリアポケット１９は、比較的広い面積に形成されており容量が大きい。従って、入射光量の変化が比較的大きい場合でも、ポテンシャルの変化は比較的小さく、入射光量の変化に比べて閾値の変化は小さい。従って、入射光量の変化が大きい場合でも、第２キャリアポケット１９上の高ダイナミック領域においては、入射光量に応じたチャネル電流が飽和しにくい。即ち、第２キャリアポケット１９によって、光のダイナミックレンジを十分に大きくすることができる。

図６の特性ＩＩＩは、高ダイナミック範囲における光強度と出力（ソース電位）との関係を示している。特性ＩＩＩに示すように、この範囲においては入射光量の大きな変化に対して、リニアリティを有する出力を得ることができる。

第１キャリアポケット１７から光発生電荷がオーバーフローし始めた後に、第２キャリアポケット１９に光発生電荷が保持されるようになっていることから、図６に示すように、光強度と出力との特性は、第１キャリアポケット１７から光発生電荷がオーバーフローし始める特性ＩＩの位置においてのみ変化する。そして、特性ＩＩ，ＩＩＩは夫々第１キャリアポケット１７又は第２キャリアポケット１９の特性に応じたものとなる。

なお、図６では第２キャリアポケット１９の容量が第１キャリアポケット１７の容量よりも十分に大きいので、高ダイナミック範囲は高感度範囲に比べて十分に大きく、第２キャリアポケット１９によるダイナミックレンジの拡大幅は極めて大きい。なお、第１の実施の形態においては、ダイナミックレンジの拡大幅は、第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９との容量比に基づいて決定される。

また、ダイナミックレンジの拡大幅は、第１キャリアポケット１７と第２キャリアポケット１９とのポテンシャル及び寸法等によっても変化することは明らかである。

図３においては、各画素のソース電位は、水平駆動走査回路６５に伝達される。水平駆動走査回路６５からの画素信号は補正回路７１に与えられ、補正回路７１において、特性設定部７２による補正制御信号に基づいて補正される。これにより、図６の特性Ｉ，ＩＩＩの傾斜が補正されて、入射光の光量に比例した出力が得られる。

なお、初期化時には、第１キャリアポケット１７、第２キャリアポケット１９、収集ウェル５３及び変調用ウェル５４内に残留する電荷は排出される。例えば、変調トランジスタＴＭのドレイン領域１３及びリングゲート１４に５Ｖ以上の正電圧を印加する。変調用ウェル５４下方のＮ型ウェル５２の厚さは薄く、リングゲート１４に印加した電圧は変調用ウェル５４及びその隣接領域にのみ作用する。即ち、変調用ウェル５４に急激なポテンシャル変化が生じ、光発生電荷を基板５０側に掃き出すような強い電界が主として変調用ウェル５４に印加されて、残留した光発生電荷は、比較的低いリセット電圧でより確実に基板５０に排出される。

このように、本実施の形態においては、キャリアポケットを、フォトダイオード形成領域に隣接した第１キャリアポケットと、フォトダイオード形成領域から離間した第２キャリアポケットとにポテンシャル的に分割して配置する。こうして、先ず、第１キャリアポケットに光発生電荷を蓄積させることで、入射光量に対して閾値電圧を大きく変化させて低照度時からリニアリティに優れた出力を得る。更に、入射光量が増大すると、第１キャリアポケットからオーバーフローした光発生電荷を第２キャリアポケットに蓄積させることで、大きな入射光量に対してリニアリティに優れた出力を得る。即ち、高感度で且つ高ダイナミックレンジの撮像装置を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、キャリアポケットを分割配置するのみの簡単な構成を採用しており、画素サイズ等に悪影響を与えることはない。また、多重露光も必要としないため、フレームレートが低下することもない。

図７及び図８は本発明の第２の実施の形態に係り、図７は第２の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図であり、図８は図７のセンサセルの断面形状を示す模式的な断面図である。図８は図７のＡ−Ａ’線の断面を示している。図７及び図８において、図１及び図２と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は第１キャリアポケットと第２キャリアポケットとの容量の分割比が第１の実施の形態と異なるのみであり、１対１の例を示している。即ち、図１の電位障壁２０を第１キャリアポケット１７’と第２キャリアポケット１９’との容量比（面積比）が１対１となるように移動させて、電位障壁２０’とした例である。

この構成においても、光発生電荷は、先ず第１キャリアポケット１７’に蓄積される。入射光量が増大して、第１キャリアポケット１７’がオーバーフローし始めると、第２キャリアポケット１９’に光発生電荷が蓄積され始める。

図９は横軸に光強度をとり縦軸に画素信号のレベルをとって、入射光の光強度と出力との関係を示すグラフである。図９の特性Ｉ’，ＩＩ’，ＩＩＩ’は夫々高感度範囲、第１キャリアポケット１７’に光発生電荷が充満した状態、高ダイナミック範囲を示している。

図９に示すように、本実施の形態においては、第１キャリアポケット１７’と第２キャリアポケット１９’との面積分割比が１対１であるので、高感度範囲と高ダイナミック範囲とで、入射光量と出力との関係は同一である。従って、この場合には、図３の補正回路７１及び特性設定部７２は省略可能である。

他の構成及び作用は第１の実施の形態と同様である。

このように本実施の形態においては、キャリアポケットを分割せずに設ける場合に比べて、第１キャリアポケットは高感度の出力を出力することができる。また、第２キャリアポケットによって、十分なダイナミックレンジを確保することも可能である。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、第１キャリアポケットと第２キャリアポケットとの容量の分割比は任意である。容量分割比を適宜設定することにより、所望の特性を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図。 センサセル１１の断面構造を示す模式的断面図。 センサセル１１をマトリクス状に配置して構成したセンサセルアレイを用いた固体撮像装置全体の回路構成を等価回路によって示す回路ブロック図。 変調トランジスタの各部が４角形状を有する場合の例を示す平面図。 図２のＢ−Ｂ’線の位置におけるホールを基準としたポテンシャルを示す説明図。 横軸に光強度をとり縦軸に画素信号のレベルをとって、入射光の光強度と出力との関係を示すグラフ。 第２の実施の形態に係る固体撮像装置の１センサセルの平面形状を示す平面図。 図７のセンサセルの断面形状を示す模式的な断面図。 第２の実施の形態において、横軸に光強度をとり縦軸に画素信号のレベルをとって、入射光の光強度と出力との関係を示すグラフ。

符号の説明

１１…センサセル、１２…フォトダイオード形成領域、１３…ドレイン領域、１４…リングゲート、１５…ソース領域、１７…第１キャリアポケット、１９…第２キャリアポケット。

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
   前記光電変換素子に隣接配置される変調トランジスタを構成する環状のゲートと、
   前記環状のゲートの中央開口の前記基板表面に形成されるソース領域と、
   前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度領域であって、前記光電変換素子において発生した光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる第２キャリアポケットと、
   前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度領域であって、少なくとも一部が前記第２キャリアポケットのいずれの部分よりも前記光電変換素子に隣接して形成され、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持して前記変調トランジスタの閾値を変化させる第１キャリアポケットと、
   前記第１キャリアポケットと前記第２キャリアポケットとの間に形成される電位障壁とを含む固体撮像装置。
2. 前記第１キャリアポケットは、前記第２キャリアポケットよりも容量が小さい請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１キャリアポケットは、前記第２キャリアポケットよりも専有面積が小さい請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２キャリアポケットは、前記第１キャリアポケットからオーバーフローした光発生電荷を保持する請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記変調トランジスタの出力を前記第１キャリアポケットと第２キャリアポケットとの特性に応じて補正する補正手段を更に具備した請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 前記補正手段は、第１キャリアポケットに基づく入射光量と出力との関係及び第２キャリアポケットに基づく入射光量と出力との関係に応じて、前記変調トランジスタの出力を補正する請求項５に記載の固体撮像装置。

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