JP2006197383A - 固体撮像装置、その制御方法及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換部からあふれ出る電荷のうち一部を電荷保持部に流入させることにより、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることを課題とする。
【解決手段】 光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部（１０１）と、光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部（１０２）と、電荷を増幅するための増幅部（ＳＦ−ＭＯＳ）と、光電変換部に蓄積された電荷を増幅部に転送するための第１の転送部（Ｔｘ−ＭＯＳ）と、第１の電荷保持部に蓄積された電荷を増幅部に転送するための第２の転送部（Ｔｙ−ＭＯＳ）とを有する画素を有する固体撮像装置が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置、その制御方法及びカメラに関する。

下記の特許文献１には、光電荷が蓄積されている間にフォトダイオードからあふれ出た電荷は転送ゲート（ＴＧ）を介して浮遊拡散部（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に流入する固体撮像装置が記載されている。浮遊拡散部に流入した電荷を読み出すことにより、ダイナミックレンジを拡大している。

ＦＤの容量は増幅部での増幅率に寄与するため、大きな値にすることができない。したがって、フォトダイオード部からあふれ出た電荷も少量しか蓄積することができない。また、フォトダイオードは、画素内の増幅部の入力部に接続されるために、ＦＤを完全な埋め込み構造とすることは不可能である。ここで、埋め込み構造とは、ＦＤを形成するための不純物拡散領域の表面に、逆導電型の不純物拡散領域を形成した構成であって、このような構成によれば、ＦＤを形成するための不純物領域表面での暗電流発生が低減される。したがって、光電変換部と比べてＦＤを形成する不純物領域での暗電流が大きく、故にデータを保持するノードとしては適していない。ＦＤにあふれてきた電荷が、時間と共に失われるので、高輝度部の信号の高S/Nは期待できない。

また、下記の特許文献２には、半導体基板の表面に複数の受光部がアレー状に配列され各受光部の信号を受光部毎に読み出すＭＯＳ型固体撮像装置において、前記各受光部に、入射光量に応じた信号を検出する第１信号電荷検出部と、該第１信号電荷検出部による検出信号が飽和したとき該第１信号電荷検出部の過剰電荷の一部を捕獲し捕獲電荷量に応じた信号を検出する第２信号電荷検出部とを設けたことを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置が記載されている。

特許文献２は、その図２に示すように、第１信号電荷検出部（３１）で発生した電子が飽和したときにその一部を検出する第２信号電荷検出部（３８）を設けたことを特徴としている。また、一部の過剰電荷を捕獲し、残りを縦型オーバーフロードレインに捨てる構造になっている。また、第１及び第２の信号検出部を独立して持っている。

しかし、縦型オーバーフロードレインに一部を捨て、残りを第２信号電荷検出部（３８）に集める為にはバリア部（３３）と縦型オーバーフロードレインのポテンシャルの両方をきわめて高い精度で製造する技術が必要となる。この精度が十分でないと縦型オーバーフロードレインに捨てる量と検出部に流入する量にばらつきが生じてしまいサンプル毎にその流入割合が変わることとなり著しく量産性を欠くという欠点がある。

また、特許文献２では、電荷を捨てる側が縦型オーバーフロードレイン、捕獲する側が横型オーバーフロードレインの構造の為それぞれが異なる構造のバリア障壁を越えることが必要となる。即ち、あふれる割合を異なる半導体工程で決定された濃度プロファイルに基づくポテンシャル障壁で制御するわけである。加えて、一般にポテンシャル制御の電圧に対しあふれ出る電流量は指数関数的に変化するため、詳細かつ精度の高いあふれる割合の制御が困難という問題もある。上記の理由から、縦型オーバーフロードレインと横型オーバーフロードレインに流れ出る割合が温度依存性を持つという欠点もある。

更に、縦型オーバーフロードレインは、フォトダイオードの飽和電荷量を決定するため、ポテンシャルの制御できる範囲はかなりの制限が生じる。実用的には、これを補うためには横型オーバーフロードレイン構造にポテンシャル制御機構が必須となる。この結果、暗時の偽信号（暗電流）増加や制御線増加にともなう歩留り低下などの問題が生じる。

米国特許第６３０７１９５号明細書 特開２００４−３３５８０３号公報

本発明の目的は、光電変換部からあふれ出る電荷のうち一部を電荷保持部に流入させることにより、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることである。

本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、電荷を増幅するための増幅部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第１の転送部と、前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第２の転送部とを有する画素を有することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の制御方法は、光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、電荷を増幅するための増幅部とを有する画素を有する固体撮像装置の制御方法であって、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路と前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路とを異ならせて電荷を転送することを特徴とする。

また、本発明のカメラは、前記固体撮像装置と、光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とする。

光電変換部からあふれ出る電荷のうち第１の電荷保持部に流入させる割合を高精度で制御することができるので、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。固体撮像装置は、複数の画素が２次元配列される。以下、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを単にＭＯＳトランジスタという。１つの画素は、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳ，Ｔｙ−ＭＯＳ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳ、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳ及びセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳを有する。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのソース及びドレインは、光電変換部（フォトダイオード）１０１及び浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）ＦＤに対応する。転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソース及びドレインは、電荷保持部１０２及び浮遊拡散部ＦＤに対応する。

光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の構造は、電荷を蓄積、保持する不純物領域の表面に逆導電型の不純物領域が形成された構造である。光電変換部１０１は開口され、電荷保持部１０２は遮光されている。光電変換部１０１は、その周囲を素子分離部１０３により囲まれている。素子分離部１０３は光電変換部１０１に蓄積される電荷から見て、光電変換部１０１よりもポテンシャル障壁が高いので、光電変換部１０１は所定量の電荷を蓄積することができる。光電変換部１０１は、素子分離部１０３を介して、図１でいうと、上方に排出部１０４ａが設けられ、左に排出部１０４ｂが設けられ、下に電荷保持部１０２が設けられる。電荷保持部１０２は、左に排出部１０４ｂが設けられ、下に排出部１０４ｃが設けられる。以下、排出部１０４ａ，１０４ｂ及び１０４ｃの個々を又はそれらの総称を排出部１０４という。排出部１０４は、固定電源電位ＶＤＤに接続される。排出部１０４ａは、例えばリセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのドレインである。排出部１０４の周囲は、素子分離部１０５により囲まれる。素子分離部１０５は、自己の画素から隣接画素への電荷の漏れを防止する。光電変換部１０１は平面形状が四角形であり、その２辺に対向して排出部１０４ａ，１０４ｂが設けられ、他の１辺に対向して電荷保持部１０２が設けられる。

素子分離１０５は広義には排出部１０４も含み、この排出部があるために隣接画素への漏れを更に抑制することが可能となる。また、この排出部は増幅部などに用いられるＭＯＳトランジスタのソースやドレインなどの不純物拡散領域を兼用することが可能である。このことは、本発明の構造、即ち横方向へのオーバーフロー機構を利用していることが、画素内にＭＯＳトランジスタを有する増幅型の固体撮像装置に適した構造であることを示している。

光電変換部１０１は、光電変換により電荷を生成して蓄積する。浮遊拡散部ＦＤは、電荷を蓄積し、電圧に変換するための拡散領域である。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートは、光電変換部１０１により生成された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送するためのゲートである。その転送ゲートを閉じることにより、光電変換部１０１は光電変換により電荷を生成して蓄積することができる。その蓄積時間が終了すると、転送ゲートを開けることにより、光電変換部１０１に蓄積された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する（読み出す）ことができる。

図２（Ａ）は、光電変換部１０１の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。光電変換部１０１は、蓄積できる信号電荷量Ａ１が決まっている。したがって、光電変換部１０１に強い光が照射されると、光電変換部１０１から電荷があふれ出て、光量ｔ１で光電変換部１０１は飽和する。光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部が電荷保持部１０２に流入し、残りの電荷は排出部１０４に排出される。

図２（Ｂ）は、電荷保持部１０２の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。さらに、電荷保持部１０２も蓄積できる信号電荷量Ａ２が決まっており、あふれ出た電荷は排出部１０４に排出される。

特性線２０１は、光電変換部１０１からあふれ出た電荷がすべて電荷保持部１０２に流入する場合を示す。電荷保持部１０２の特性線２０１の傾きは、図２（Ａ）の光電変換部１０１の特性線の傾きと同じである。しかし、この場合、電荷保持部１０２は比較的少ない光量で飽和してしまう。

特性線２０２は、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、一部が電荷保持部１０２に流入し、残りが排出部１０４に排出される場合を示す。電荷保持部１０２の特性線２０２の傾きは、図２（Ａ）の光電変換部１０１の特性線の傾きよりも緩やかである。したがって、光電変換部１０１に強い光が照射されても、電荷保持部１０２は飽和し難い。これにより、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。

即ち、電荷保持部１０２へのあふれる割合を小さくできることが、ダイナミックレンジをより大きくすることができる。更に、本発明の特徴として、保持部を光電変換部と同じ構造を用いることが可能であるため、あふれる割合を小さくしても、ノイズに埋もれることなく検知することが可能である。

光電変換部１０１に光が照射されると、光量ｔ１までは光電変換部１０１に電荷が蓄積され、電荷保持部１０２には電荷が蓄積されない。光量ｔ１になると、光電変換部１０１は飽和し、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷が流入し、電荷保持部１０２は電荷を蓄積し始める。

電荷保持部１０２は、横方向の（横型）オーバーフロードレイン構造を有することにより、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部が電荷保持部１０２に流入する。また、排出部１０４も、横型オーバーフロードレイン構造を有することにより、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の他の一部が排出部１０４に排出される。すなわち、電荷保持部１０２及び排出部１０４は、半導体基板の主表面から同程度の深さに配置される。

図１において、長さＬ１は、光電変換部１０１が排出部１０４ａに対向する辺の長さである。長さＬ２は、光電変換部１０１が電荷保持部１０２に対向する辺の長さである。長さＬ３は、光電変換部１０１が排出部１０４ｂに対向する辺の長さである。光電変換部１０１が飽和し、光電変換部１０１からあふれ出る過剰電荷量をＱ０とすると、光電変換部１０１から電荷保持部１０２へ流入する過剰電荷量Ｑ１は、次式で表される。
Ｑ１＝Ｑ０×Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）

光電変換部１０１と電荷保持部１０２間、光電変換部１０１と電荷排出部１０４間の不純物プロファイルが略同一である場合に、単位辺当たりの流れ込み量は、各辺等価と考えられるため上記比率になる。プロセスバラツキにより、ポテンシャル障壁は多少ばらつくものの、前述の通り、単位辺当たりの流れ込み量は等価であるため、プロセスがばらついても、意図的に不純物プロファイルが異なるように設計しなければ上記比率が保持される。

排出部１０４は、ＭＯＳトランジスタ等の電源端子が接続された不純物領域を利用するため、特に新たな場所をとることはない。縦方向の（縦型）オーバーフロードレインは、電荷蓄積領域下部の不純物濃度を低くする必要があり、光電変換部１０１の飽和電荷量Ａ１が減少する。本実施形態は、横型オーバーフロードレイン構造であるので、光電変換部１０１の飽和電荷量Ａ１は減少せず、電荷保持部１０２により、ダイナミックレンジを拡大しても、あくまでも主たる光電変換部１０１の飽和電荷量Ａ１を高く維持できることは重要である。

本実施形態は、横型オーバーフロードレイン構造により、光電変換部１０１からあふれ出た電荷を、排出部１０４の固定電位に排出する経路と電荷保持部１０２に流す経路とをもつことを特徴とする。

横型オーバーフロードレインを並列に配置することにより、電荷保持部１０２に流入する電荷量を２次元配置で調整することが可能となる。例えば、（１）光電変換部１０１が排出部１０４に接する幅Ｌ１，Ｌ３、（２）排出部１０４の長さＷ１、（３）電荷保持部１０２の幅Ｌ２、（４）電荷保持部の長さＷ２等により調整することができる。また、各領域間の不純物プロファイルを異ならせて、所望の割合のあふれ出た電荷を電荷保持部１０２に送ることも可能である。

光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の構造は、電荷を蓄積、保持する不純物領域の表面に逆導電型の不純物領域が形成された構造である。光電変換部１０１は開口され、電荷保持部１０２は遮光されている。光電変換部１０１及び電荷保持部１０２は、構造が同じで、表面に逆導電型の不純物領域が形成されているため、光電変換部１０１の信号と電荷保持部１０２の信号を加算してもノイズがのり難い。また、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、電荷保持部１０２に流入させる割合は光電変換部１０１、電荷保持部１０２及び排出部１０４の面積及び周辺長により制御できるので、プロセスバラツキの影響を受け難い。

光電変換部１０１で光電変換された負電荷は、光電変換部１０１の第１導電型（ｎ型）の電荷蓄積領域に蓄積される。電荷保持部１０２は、光電変換部１０１とは別に遮光された領域である。光電変換部１０１の飽和電荷量を超えたとき該飽和電荷量を超えた過剰電荷の一部を画素内の第１導電型の排出部１０４に排出する第１の経路と他の一部を電荷保持部１０２に排出する第２の経路とを有する。光電変換部１０１は、第１の転送部（ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート）を介し、ソースフォロアアンプを構成するソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳに接続されている。電荷保持部１０２は、第２の転送部（ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート）を介し、ソースフォロアアンプを構成するソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳに接続されている。ソースフォロアアンプは、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の信号電荷を増幅する。

図３は図１の固体撮像装置の等価回路図であり、図４は図３の回路の動作例を示すタイミングチャートである。電位φｒｅｓはリセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｘは転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｙは転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｓｅｌはセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳのゲート電位、電位φＣｔｓＦＤはＭＯＳトランジスタ４１１のゲート電位、電位φＣｔｎはＭＯＳトランジスタ４１３のゲート電位、電位φＣｔｓＰＤはＭＯＳトランジスタ４１２のゲート電位を示す。

タイミングＴ１より前では、電位φｒｅｓは正電位であり、電位φｔｘ，φｔｙ，φｓｅｌ，φＣｔｓＦＤ，φＣｔｎ，φＣｔｓＰＤは０Ｖである。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳがオンし、浮遊拡散部ＦＤに電源電位ＶＤＤが供給される。

次に、タイミングＴ１では、電位φｔｘ及びφｔｙとして正パルスを印加する。トランジスタＴｘ−ＭＯＳ及びＴｙ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤ、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２に電源電位ＶＤＤが印加されてリセットされる。リセット後、電位φｒｅｓを０Ｖに下げ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳをオフにする。そして、電位φｔｘ及びφｔｙを例えば−１．３Ｖにし、光電変換部１０１、電荷保持部１０２及び浮遊拡散部ＦＤをフローティング状態にする。ただし、このとき外部の機械的なシャッタはまだ開いておらず、光電変換部１０１において光電荷の蓄積は始まっていない。

次に、タイミングＴ２では、機械的なシャッタ５３（図７）が開き、光電変換部１０１に光が照射され、光電変換部１０１は光電荷の生成及び蓄積を開始する。光電変換部１０１に弱い光が照射されたときには、光電変換部１０１は飽和せず、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷が流入しない。これに対し、光電変換部１０１に強い光が照射されたときには、光電変換部１０１は飽和し、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に一部の電荷が流入する。

次に、タイミングＴ３では、シャッタ５３が閉じ、光電変換部１０１は遮光され、光電変換部１０１の光電荷の生成が終了する。

次に、タイミングＴ４では、電位φｔｙとして正パルスを印加する。転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳはオンし、電荷保持部１０２に蓄積された負電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。浮遊拡散部ＦＤの電位の実線は、弱い光が照射され、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷があふれ出なかった場合を示す。浮遊拡散部ＦＤの電位の点線は、強い光が照射され、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷があふれ出た場合を示す。電荷保持部１０２から浮遊拡散部ＦＤに負電荷が読み出されると、浮遊拡散部ＦＤの電位が下がる。

次に、タイミングＴ５では、電位φｓｅｌを０Ｖから正電位にする。セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオンし、信号出力線４０１をアクティブ状態にする。ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、ソースフォロアアンプを構成し、浮遊拡散部ＦＤの電位に応じて、信号出力線４０１に出力電圧を出力する。

次に、タイミングＴ６では、電位φＣｔｓＦＤとして正パルスが印加される。トランジスタ４１１がオンし、容量ＣｔｓＦＤに浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた信号出力線４０１の電位が蓄積される。光電変換部１０１が飽和していない画素には、電荷保持部１０２に電荷があふれ出ないので、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤに応じた出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。また、光電変換部１０１に強い光が照射され、光電変換部１０１が飽和した場合は、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤより低い出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。

次に、タイミングＴ７では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤは再度電源電位ＶＤＤにリセットされる。

次に、タイミングＴ８では、電位φＣｔｎとして正パルスを印加する。ＭＯＳトランジスタ４１３はオンし、浮遊拡散部ＦＤがリセットされた状態での信号出力線４０１のオフセットノイズ電圧が容量Ｃｔｎに蓄積される。

次に、タイミングＴ９では、電位φｔｘとして正パルスを印加する。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳはオンし、光電変換部１０１に蓄積された電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。

次に、タイミングＴ１０では、電位φＣｔｓＰＤとして正パルスを印加する。ＭＯＳトランジスタ４１２はオンし、光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤに読み出された電荷に応じた信号出力線４０１の電圧が容量ＣｔｓＰＤに蓄積される。

次に、タイミングＴ１１では、電位φｓｅｌを０Ｖにする。セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオフし、信号出力線４０１は非アクティブ状態になる。

次に、タイミングＴ１２では、電位φｒｅｓを正電位にする。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤの電位を電源電位ＶＤＤに固定する。

以上の処理により、容量Ｃｔｎにはオフセットノイズに対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＦＤには光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出た電荷に対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＰＤには光電変換部１０１の蓄積電荷に対応する電圧が蓄積される。

図９に別の例を示す。本例において、図３の構成に更に、オフセットノイズに対応する電圧を蓄積するための容量Ｃｔｎを、光電変換部１０１用容量ＣｔｎＰＤ及び電荷保持部１０２用容量ＣｔｎＦＤの二つの容量を設けた構成での動作例を示すタイミングチャートである。同様に、ＭＯＳトランジスタ４１３も２つ設けられ、一方がゲート電位φＣｔｎＰＤで制御され、他方がゲート電位φＣｔｎＦＤで制御される。

タイミングＴ１は、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２のリセット期間である。タイミングＴ２〜Ｔ３は、光照射期間である。タイミングＴ４は、読み出し開始（リセット解除）期間である。タイミングＴ５は、電荷保持部１０２読み出し用のノイズ電圧書き込み期間である。タイミングＴ６は、電荷保持部１０２の信号を浮遊拡散部ＦＤに転送する期間である。タイミングＴ７は、電荷保持部１０２読み出し用の信号電圧書き込み期間である。タイミングＴ８は、浮遊拡散部ＦＤをリセットする期間である。タイミングＴ９は、光電変換部１０１読み出し用のノイズ電圧書き込み期間である。タイミングＴ１０は、光電変換部１０１の信号を浮遊拡散部ＦＤに転送する期間である。タイミングＴ１１は、光電変換部１０１読み出し用の信号電圧書き込み期間である。タイミングＴ１２は、読み出し終了（リセットオン）期間である。以下、より詳細に説明する。

まず、タイミングＴ１において、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２のリセットを行うために、電位φｒｅｓを正電位とし、電位φｔｘ、電位φｔｙとして正パルスを印加する。

次に、タイミングＴ２〜Ｔ３において、メカシャッタ５３が開いて光電変換部１０１が露光される。タイミングＴ４において、電位φｒｅｓが０Ｖとなり、読み出しが開始される。

まずはタイミングＴ５において、電位φＣｔｎＦＤに正パルスが印加され、電荷保持部１０２のＮ信号（オフセットノイズ）が蓄積される。タイミングＴ６において、電位φｔｙとして正パルスを印加して、電荷保持部１０２に蓄積された信号電荷を転送し、タイミングＴ７において電位φＣｔｓＦＤに正パルスを印加して、容量ＣｔｓＦＤにＳ信号（正規信号）を蓄積する。

次にタイミングＴ８において、浮遊拡散部ＦＤをリセットするために、電位φｒｅｓを正電位とする。そしてタイミングＴ９〜Ｔ１１において、光電変換部１０１に蓄積された電荷を読み出す。これは、タイミングＴ５〜Ｔ７の電荷保持部１０２からのＮ信号、Ｓ信号の読み出しと同様のシーケンスで、電位φＣｔｓＦＤ、φＣｔｎＰＤ、φｔｘにパルスを印加すればよい。図９の浮遊拡散部ＦＤの電位は浮遊拡散部ＦＤに溢れだす電荷量を示している。

図３において、差動アンプ４２１は、容量ＣｔｓＦＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。差動アンプ４２２は、容量ＣｔｓＰＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。アンプ４２３は、差動アンプ４２１の出力信号を増幅する。アンプ４２４は、差動アンプ４２２の出力信号を増幅する。

アンプ４２３及び４２４の増幅度（ゲイン）は、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、電荷保持部１０２に流入する量と排出部１０４に排出する量の比率により決まる。例えば、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、１／３が電荷保持部１０２に流入し、２／３が排出部１０４に排出される場合を説明する。その場合は、アンプ４２３は入力信号を３倍して出力し、アンプ４２４は入力信号を１倍して出力する。すなわち、電荷保持部１０２にあふれ出た電荷量の３倍が、光電変換部１０１からあふれ出た電荷量であることを意味する。

電荷保持部１０２の信号と光電変換部１０１の信号を読み出す画素内の増幅回路を共通にする、即ち読み出し経路を同一にすることで、経路の違いによるわずかな感度のズレ、オフセットズレを抑制することができる。この結果、後段アンプでの増幅も可能となる。特に、ダイナミックレンジを拡大するためには、この後段アンプでの増幅を大きくする必要があり、経路を同一にすることで増幅が可能となる。

加算器４２５は、アンプ４２３及び４２４の出力信号を加算して画素信号を出力する。画素信号は、光電変換部１０１の蓄積電荷及び電荷保持部１０２にあふれ出た電荷を基に生成されるので、光電変換部１０１の蓄積電荷のみを用いる場合に比べ、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。

アンプ４２６は、ＩＳＯ感度に応じて、加算器４２５の出力信号を増幅して出力する。ＩＳＯ感度値が小さいときには増幅度が小さく、ＩＳＯ感度値が大きいときには増幅度が大きい。

上記の素子が画素信号生成部を構成する。画素信号生成部は、光電変換部１０１に蓄積された電荷及び電荷保持部１０２に蓄積された電荷に応じて画素信号を生成する。本実施形態によれば、光電変換部１０１からあふれ出る電荷のうち電荷保持部１０２に流入させる割合を高精度で制御することができ、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。また、光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出る構造と光電変換部１０１から排出部１０２にあふれ出る構造は、共に横型オーバーフロードレイン構造なので、両者にあふれ出る電荷量の比率を容易に制御することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。図５が図１と異なる点を説明する。本実施形態は、図１の電荷保持部１０２の代わりに、第１の電荷保持部１０２ａ及び第２の電荷保持部１０２ｂを設ける。以下、電荷保持部１０２ａ及び１０２ｂの個々を又はそれらの総称を電荷保持部１０２という。

転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソース及びドレインは、第１の電荷保持部１０２ａ及び浮遊拡散部ＦＤに対応する。ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲートを制御することにより、第１の電荷保持部１０２ａの蓄積電荷を浮遊拡散部ＦＤに読み出すことができる。

また、転送ＭＯＳトランジスタＴｚ−ＭＯＳのソース及びドレインは、第２の電荷保持部１０２ｂ及び浮遊拡散部ＦＤに対応する。ＭＯＳトランジスタＴｚ−ＭＯＳのゲートを制御することにより、第２の電荷保持部１０２ｂの蓄積電荷を浮遊拡散部ＦＤに読み出すことができる。

排出部１０４ｄは、光電変換部１０１及び第１の電荷保持部１０２ａの間に設けられ、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部を排出する。排出部１０４ｅは、第１の電荷保持部１０２ａ及び第２の電荷保持部１０２ｂの間に設けられ、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出る電荷の一部を排出する。以下、排出部１０４ａ〜１０４ｅの個々を又はそれらの総称を排出部１０４という。

光電変換部１０１からあふれ出る電荷のうち、一部は第１の電荷保持部１０２ａに流入し、他の一部は第２の電荷保持部１０２ｂに流入し、残りは排出部１０４に排出される。また、第１の電荷保持部１０２ａが飽和すると、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出た電荷のうち、一部が第２の電荷保持部１０２ｂに流入し、残りが排出部１０４に排出される。

なお、光電変換部１０１から直接第２の電荷保持部１０２ｂに流入する経路は必ずしも必要でない。例えば、光電変換部１０１からあふれ出た電荷量の１／２が第１の電荷保持部１０２ａに流入させ、さらに第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出た電荷量の１／２が第２の電荷保持部１０２ｂに流入させることができる。

本実施形態は、２次元上で第２の電荷保持部１０２ｂを設置することができ、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出た電荷をさらに第２の電荷保持部１０２ｂに取り込むことができ、更にダイナミックレンジを拡大することができる。

図６（Ａ）は、本実施形態による固体撮像装置の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。信号電荷は、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２ａ，１０２ｂの合計蓄積電荷量を示す。光量が増加するに従い、信号電荷は領域６０１〜６０３に推移する。領域６０１は、光電変換部１０１が飽和する前の光電変換部１０１に蓄積される信号電荷を示す。領域６０２は、光電変換部１０１が飽和し、光電変換部１０１から第１の電荷保持部１０２ａに一部の電荷が流入する領域を示す。領域６０３は、第１の電荷保持部１０２ａが飽和し、第１の電荷保持部１０２ａから第２の電荷保持部１０２ｂに一部の電荷が流入する領域を示す。領域６０１〜６０３は、徐々に特性線の傾きが緩やかになる。人間の視感度特性は、光量が多い（明るい）ときには光量の変化を比較的認識し難い。したがって、この信号電荷をそのまま画素信号としてもよい。すなわち、図３のアンプ４２３，４２４は、必ずしも必要でない。

図６（Ｂ）は、本実施形態による固体撮像装置の光量と画素信号との関係を示すグラフである。画素信号は、図６（Ａ）の各領域６０１〜６０３の信号電荷をアンプ４２３，４２４等によりゲイン補正したものである。全領域６０１〜６０３において、画素信号は光量に対して線形特性を保つことができる。

本実施形態によれば、第１の電荷保持部１０２ａ及び第２の電荷保持部１０２ｂを容易に段階的に設けることができ、図６（Ａ）の線形特性に連続性を持たせることができる。

なお、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートのローレベル電位を制御することにより、光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤに一部の電荷を流入させ、第１の電荷保持部１０２ａへ流入する割合を制御することもできる。しかし、過剰電荷の５０％程度の漏れ制御はできるものの、より少ない漏れ量を制御するのはバラツキが問題となり困難である。そこで、それに本実施形態を併用することで、より高精度の制御が可能となる。

また、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートのローレベル電位を制御する場合、第１の電荷保持部１０２ａへの漏れこみを抑制、すなわち光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤへの漏れ込みを増大させると、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳの暗電流という問題が生じるため、大幅なダイナミックレンジ拡大は困難である。

光電変換部１０１の蓄積電荷は、電荷保持部１０２ａ，１０２ｂの蓄積電荷に比べ、重要な信号電荷である。したがって、光電変換部１０１の転送ゲート（トランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート）を十分にオフし、第１の電荷保持部１０２ａの転送ゲート（トランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート）のローレベル電位を制御することにより、第２の電荷保持部１０２ｂに流入する電荷量の割合を制御することが好ましい。

また、第１及び第２の実施形態では、電荷保持部に流入する割合に応じて、アンプ４２３，４２４により信号電荷を増幅補正して画素信号を生成する場合を説明したが、アンプ４２３，４２４を用いずに、容量ＣｔｓＦＤ及びＣｔｓＰＤの容量値（サイズ）等を調整して電圧増幅するようにしてもよい。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図７に基づいて、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の一例について詳述する。固体撮像素子５４及び撮像信号処理回路５５は上記の固体撮像装置に対応する。

図７において、５１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、５２は被写体の光学像を固体撮像素子５４に結像させるレンズ、５３はレンズ５２を通った光量を可変するための絞り及びシャッタ、５４はレンズ５２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、５５は固体撮像素子５４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路、５６は撮像信号処理回路５５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部、５７はＡ／Ｄ変換部５６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、５８は固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換部５６、信号処理部５７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、５９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、６０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、６１は記録媒体６２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部、６２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、６３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。

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５１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変換部５６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部５９は絞り５３を開放にし、固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６で変換された後、信号処理部５７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部５９で行う。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５９は絞り５３を制御する。

次に、固体撮像素子５４から出力された信号を基に、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５９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。そして、合焦が確認された後に、シャッタ５３を開いて本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子５４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部５７を通り全体制御・演算部５９によりメモリ部６０に書き込まれる。その後、メモリ部６０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部６３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よい。

タイミング発生部５８は、図４の電位φｒｅｓ、φｔｘ、φｔｙ、φｓｅｌ、φＣｔｓＦＤ、φＣｔｎ、φＣｔｓＰＤ等の信号を制御する。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図８に基づいて、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。

１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１Ｂ、結像用のレンズ１Ｃを備えている。２は絞り及びシャッタ、３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子、４は固体撮像素子３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。

５はサンプルホールド回路４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。

また、プロセス回路５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。

次いで、６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２の開口量を制御すべくｉｇメータ８を自動制御するものである。

１３及び１４は、サンプルホールド回路４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第１のバンドパスフィルタ１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路１７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、１９はズームレンズ１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２０は絞り２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路１７へと供給される。

論理制御回路１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ１３、１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路９にフォーカスモーター１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。

ズーム駆動回路１１は、ズームが指示されると、ズームモーター１２を回転させる。ズームモーター１２が回転すると、ズームレンズ１Ｂが移動し、ズームが行われる。

以上のように、第１〜第４の実施形態によれば、電荷保持部１０２は、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部を蓄積する。トランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートは、光電変換部１０１に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送するための第１の転送部である。トランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲートは、電荷保持部１０２に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送するための第２の転送部である。排出部１０４は、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の他の一部を排出する。光電変換部１０１に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する経路と電荷保持部１０２に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する経路とを異ならせて電荷を転送することが特徴である。

第２の実施形態では、第２の電荷保持部１０２ｂは、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出る電荷の一部を蓄積する。トランジスタＴｚ−ＭＯＳのゲートは、第２の電荷保持部１０２ｂに蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送するための第３の転送部である。

長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３等を調整することにより、光電変換部１０１からあふれ出る電荷のうち電荷保持部１０２に流入させる割合を高精度で制御することができ、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。また、光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出る構造と光電変換部１０１から排出部１０４にあふれ出る構造は、共に横型オーバーフロードレイン構造なので、両者にあふれ出る電荷量の比率を容易に制御することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 図２（Ａ）は光電変換部の光量と信号電荷との関係を示すグラフであり、図２（Ｂ）は電荷保持部の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。 図１の固体撮像装置の等価回路図である。 図３の回路の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 図６（Ａ）は第２の実施形態による固体撮像装置の光量と信号電荷との関係を示すグラフであり、図６（Ｂ）は第２の実施形態による固体撮像装置の光量と画素信号との関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 固体撮像装置の他の動作例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

５１ バリア
５２ レンズ
５３ 絞り（シャッタ）
５４ 固体撮像素子
５５ 撮像信号処理回路
５６ Ａ／Ｄ変換部
５７ 信号処理部
５８ タイミング発生部
５９ 全体制御・演算部
６０ メモリ部
６１ 記録媒体制御インタフェース部
６２ 記録媒体
６３ 外部インタフェース部
６４ 温度計
１０１ 光電変換部
１０２ 電荷保持部
１０３，１０５ 素子分離部
１０４ 排出部
４０１ 信号出力線
４１１〜４１３ ＭＯＳトランジスタ
４２１，４２２ 差動アンプ
４２３，４２４，４２６ アンプ
４２５ 加算器

Claims (10)

1. 光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、
   前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、
   電荷を増幅するための増幅部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第１の転送部と、
   前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第２の転送部と
   を有する画素を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. さらに、前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記光電変換部は開口され、前記第１の電荷保持部は遮光されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. さらに前記画素が、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の他の一部を排出するための排出部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記光電変換部は主要な１辺に対向して前記第１の電荷保持部が設けられ、その他の辺に対向して前記排出部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記排出部は、前記光電変換部及び前記第１の電荷保持部の間にも設けられることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記電荷保持部及び前記排出部は、半導体基板の主表面から同程度の深さに配置し、
   前記光電変換部及びを有することにより前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記第１の電荷保持部に流入し、
   前記光電変換部からあふれ出る電荷の他の一部が前記排出部に排出されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. さらに前記画素は、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記第１の電荷保持部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための第２の電荷保持部と、
   前記第２の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第３の転送部と
   を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、電荷を増幅するための増幅部とを有する画素を有する固体撮像装置の制御方法であって、
   前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路と前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路とを異ならせて電荷を転送することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、
    前記レンズを通る光量を可変するための絞りと
    を有することを特徴とするカメラ。

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