JP2006197392A - 固体撮像装置、カメラ、及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置、カメラ、及び固体撮像装置の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ダイナミックレンジを適切に拡大することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃから横型オーバーフロー領域１０１０ａ〜１０１０ｃに溢れた電荷と、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷とを、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送して、これらの電荷に基づく信号を合わせて信号レベル保持容量Ｃｓに保持して読み出すことにより、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置、カメラ、及び固体撮像装置の駆動方法に関し、特に、ＣＭＯＳエリアセンサに用いて好適なものである。
近年、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを１チップ化したＣＭＯＳエリアセンサが固体撮像素子として用いられている。ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤと比較して、消費電力が小さくなる、駆動電力が低くなる、高速化が可能になるなどの利点を有している。したがって、今後は、ＣＯＭＳエリアセンサの需要が拡大することが予想される。
そして、このようなＣＭＯＳエリアセンサを利用して、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大するという提案がなされている（特許文献１を参照）。
かかる提案におけるＣＭＯＳエリアセンサは、各画素が、フォトダイオードと、フローティングディフュージョン（floating diffusion；浮遊拡散、以下では必要に応じてＦＤと略称する）領域と、前記フォトダイオードから前記ＦＤ領域に電荷を転送するための転送トランジスタと、前記ＦＤ領域を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタとを有する複数の画素を、マトリックス（行列）状に形成して構成される。
このＣＭＯＳエリアセンサでは、まず、前記フォトダイオードに蓄積された電荷に基づく信号を読み出した後に、前記フォトダイオードから溢れて前記ＦＤ領域に蓄積された電荷に基づく信号とを読み出す。そして、読み出した信号を、アナログアンプを通して出力するようにしている。
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。
特開２００１−１８６４１４号公報 特開２００４−３３５８０２号公報
しかしながら、前述した従来の技術では、前記ＦＤ領域に蓄積される電荷の量を制御することができなかった。このため、ＣＭＯＳエリアセンサのダイナミックレンジを適切に拡大することが困難であるという問題点があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ダイナミックレンジを適切に拡大することができる固体撮像装置及びその駆動方法、並びにその固体撮像装置を用いたカメラを提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された電荷を転送するための第１の転送スイッチと、前記光電変換手段に蓄積された電荷が前記第１の転送スイッチを介して流入するフローティングディフュージョン領域と、前記光電変換手段から溢れた電荷の少なくとも一部が流入する横型オーバーフロードレイン領域と、前記横型オーバーフロードレイン領域に流入した電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送するための第２の転送スイッチとを有する画素を複数含み、前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間のポテンシャル障壁を、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くしたことを特徴とする。
また、本発明の他の態様では、光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された電荷を転送するための第１の転送スイッチと、前記光電変換手段に蓄積された電荷が前記第１の転送スイッチを介して流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、前記光電変換手段と、前記フローティングディフュージョン領域との間のポテンシャル障壁を、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くしたことを特徴とする。
本発明のカメラは、前記何れかの固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光学像を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。
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換手段と、前記光電変換手段から溢れた電荷の少なくとも一部が流入する横型オーバーフロードレイン領域と、前記光電変換手段に蓄積された電荷と、前記横型オーバーフロードレイン領域からの電荷とが流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間のポテンシャル障壁が、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くなるように構成された固体撮像装置の駆動方法であって、前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセットステップと、前記リセットステップによりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号を保持するリセットレベル保持ステップと、前記光電変換手段に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第１の転送ステップと、前記横型オーバーフロードレイン領域に流入した電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第２の転送ステップと、前記第１の転送ステップ及び前記第２の転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する信号レベル保持ステップとを有することを特徴とする。
また、本発明の他の態様では、光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された電荷が流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、前記光電変換手段と、前記フローティングディフュージョン領域との間のポテンシャル障壁が、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くなるように構成された固体撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換手段で光電変換された電荷の少なくとも一部を前記フローティングディフュージョン領域に転送する転送ステップと、前記転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する信号レベル保持ステップと、前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセットステップと、前記リセットステップによりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号を保持するリセットレベル保持ステップとを有することを特徴とする。
また、本発明のその他の態様では、光電変換手段と、前記光電変換手段から溢れた電荷の少なくとも一部が流入する横型オーバーフロードレイン領域と、前記光電変換手段に蓄積された電荷と、前記横型オーバーフロードレイン領域からの電荷とが流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間のポテンシャル障壁が、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くなるように構成された固体撮像装置の駆動方法であって、前記横型オーバーフロードレイン領域に流入した電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第１の転送ステップと、前記第１の転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する第１の信号レベル保持ステップと、前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセットステップと、前記リセットステップによりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号を保持するリセットレベル保持ステップと、前記光電変換手段に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第２の転送ステップと、前記第２の転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する第２の信号レベル保持ステップとを有することを特徴とする。
本発明によれば、光電変換手段から溢れた電荷を可及的に有効に利用することができ、固体撮像装置のダイナミックレンジを適切に拡大することができる。
（第１の実施形態）
次に、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。
図１において、本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオード１００３と、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６と、リセットＭＯＳトランジスタ１００７と、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８と、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２と、ソースフォロアＭＯＳトランジスタトランジスタ１０１３とを備える３つの画素を、１行×３列の１次元マトリックス状に配置して構成されている。
なお、図１では、複数の画素を１行×３列の１次元マトリクス状に配置するようにしたが、画素の配置数はこれに限定されるものではない。例えば、１０８０行×１９６０列の２次元マトリクス状に複数の画素を配置して、解像度を向上させるようにしてもよい。
フォトダイオード１００３は、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６を介して、ＦＤ領域１００５に接続されている。ＦＤ領域１００５は、リセットＭＯＳトランジスタ１００７、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１０１３、及び第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８と相互に接続されている。また、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８に隣接して横型オーバーフロー領域（ラテラルオーバーフロー領域）１０１０が形成されている。
ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１０１３は、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２と相互に接続されており、ＦＤ領域１００５に転送された電荷に基づく信号を増幅する。
第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６、リセットＭＯＳトランジスタ１００７、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８、及び選択ＭＯＳトランジスタ１０１２は、それぞれゲートに供給される制御信号（ゲート信号）によりオン、オフ制御される。なお、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６、リセットＭＯＳトランジスタ１００７、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８、及び選択ＭＯＳトランジスタ１０１２は、ハイレベルのゲート信号がゲートに供給されるとオン（導通）状態となり、ロウレベルのゲート信号がゲートに供給されるとオフ（遮断）状態となるものとする。
具体的に、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６のゲートには、制御信号ＴＸ１が供給され、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８には、制御信号ＴＸ２が供給され、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２のゲートには、制御信号ＳＥＬが供給され、リセットＭＯＳトランジスタ１００７のゲートには、制御信号ＰＲＥＳが供給される。
ここで、制御信号ＴＸ１は、フォトダイオード１００３に蓄積された電荷をＦＤ領域１００５に転送するための制御信号である。制御信号ＴＸ２は、フォトダイオード１００３から溢れて横型オーバーフロー領域１０１０に蓄積された電荷をＦＤ領域１００５に転送するための制御信号である。制御信号ＳＥＬは、画素を選択するための制御信号である。制御信号ＰＲＥＳは、ＦＤ領域１００５の電位を電源電位ＶDD（例えば＋５Ｖ）にリセットするための制御信号である。
また、本実施形態の固体撮像装置には、ＦＤ領域１００５に転送された信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とを加算したレベルの信号を保持する信号レベル保持容量Ｃｓと、リセットレベル（Ｎ）の信号を保持するリセットレベル保持容量Ｃｎとを有する行メモリ回路が設けられている。
本実施形態では、制御信号ＰＴＳに基づいて信号レベル保持容量Ｃｓへの保持動作を行い、制御信号ＰＴＮに基づいてリセットレベル保持容量Ｃｎへの保持動作を行うものとする。
水平走査回路（ＨＳＲ）１０１４は、前記行メモリ回路で保持された１行分の信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とを転送するための回路である。
差動アンプ１０１５は、信号レベル保持容量Ｃｓに保持された、信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とが加算された信号と、リセットレベル保持容量Ｃｎに保持されたリセットレベル（Ｎ）の信号との差分信号（信号レベル（Ｓ）の信号）を増幅して出力信号ＯＵＴを出力する。
なお、本実施形態では、１行×３列の３つの画素を有する固体撮像装置の場合を例に挙げて説明しているので、垂直走査回路が不要であるが、２行以上の２次元マトリクス状に画素を配置する場合には、画素を行単位で順次選択する垂直走査回路が必要になるということは言うまでもない。
ここで、図２のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の固体撮像装置の動作の一例について説明する。
まず、時刻Ｔ１において、ハイレベルの制御信号ＳＥＬを、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃのゲートに供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃがオンする。すなわち、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２が、前記マトリクスの行単位で選択される。なお、本実施形態では、１行の１次元マトリクス状に画素が配置された場合を例に挙げて説明しているので、全ての選択ＭＯＳトランジスタ１０１２が選択されることになる。
時刻Ｔ２において、ハイレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給する。そうすると、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃがオンする。これにより、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃの電位が電源電位ＶDDにリセットされる。そして、時刻Ｔ３において、ロウレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給して、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃをオフし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃのリセット動作を終了する。
時刻Ｔ４において、ハイレベルの制御信号ＰＴＮを、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、リセットレベル保持容量Ｃｎとの間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、リセット動作により得られたリセットレベル（Ｎ）の信号が、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１０１３ａ〜１０１３ｃ及び選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃを介して、リセットレベル保持容量Ｃｎに伝達され保持される。
そして、時刻Ｔ５において、ロウレベルの制御信号ＰＴＮを、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、リセットレベル保持容量Ｃｎとの間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフし、リセットレベル（Ｎ）の信号をリセットレベル保持容量Ｃｎに保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ６において、ハイレベルの制御信号ＴＸ１を第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃに供給する。そうすると、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃがオンする。これにより、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷が、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。そして、時刻Ｔ７において、ロウレベルの制御信号ＴＸ１を第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃに供給して、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃをオフし、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷の転送動作を終了する。
時刻Ｔ８において、ハイレベルの制御信号ＴＸ２を第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃに供給する。そうすると、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃがオンする。これにより、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃから溢れて横型オーバーフロー領域１０１０ａ〜１０１０ｃに蓄積された電荷が、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。そして、時刻Ｔ９において、ロウレベルの制御信号ＴＸ２を第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃに供給して、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃをオフして、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃから溢れた電荷の転送動作を終了する。
時刻Ｔ１０において、ハイレベルの制御信号ＰＴＳを、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、信号レベル保持容量Ｃｓとの間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送された電荷に基づく信号（信号レベル（Ｓ）とリセットレベル（Ｎ）とが加算された信号）が信号レベル保持容量Ｃｓに伝達され保持される。そして、時刻Ｔ１１において、ロウレベルの制御信号ＰＴＳを、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、信号レベル保持容量Ｃｓとの間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフして、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送された電荷に基づく信号を信号レベル保持容量Ｃｓに保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ１２において、ハイレベルの制御信号ＰＲＥＳをリセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給すると共に、ハイレベルの制御信号ＴＸ２を第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃに供給する。そうすると、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃと、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃとがオンする。これにより、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃ及び横型オーバーフロー領域１０１０ａ〜１０１０ｃが電源電位ＶDDにリセットされる。
そして、時刻Ｔ１３において、ロウレベルの制御信号ＰＲＥＳをリセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給すると共に、ロウレベルの制御信号ＴＸ２を第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃに供給して、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃと第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃとをオフし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃと横型オーバーフロー領域１０１０ａ〜１０１０ｃとのリセット動作を終了する。なお、このリセット動作は、次回の読み出し動作を適切に行うための動作である。
時刻Ｔ１４において、ロウレベルの制御信号ＳＥＬを、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃのゲートに供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃがオフし、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２の選択動作を終了する。
時刻Ｔ１５において、ハイレベルの制御信号Ｂ１を前記行メモリ回路に供給する。そうすると、信号レベル保持容量Ｃｓと、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタと、リセットレベル保持容量Ｃｎと、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタとがオンする。これにより、差動アンプ１０１５の正側入力端子（＋）側には、信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とが加算された信号が入力され、差動アンプ１０１５の負側入力端子（−）側には、リセットレベル（Ｎ）の信号が入力される。
そして、時刻Ｔ１６において、ロウレベルの制御信号Ｂ１を前記行メモリ回路に供給して、信号レベル保持容量Ｃｓと、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタと、リセットレベル保持容量Ｃｎと、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタとをオフし、１列目の画素における読み出し動作を終了する。
時刻Ｔ１７において、ハイレベルの制御信号ＰＨＲＥＳを供給する。そうすると、差動アンプ１０１５は、１列目の画素における信号レベル（Ｓ）の信号ＯＵＴを出力する。そして、時刻Ｔ１８において、ロウレベルの制御信号ＰＨＲＥＳを供給し、１列目の画素における信号の出力動作を終了する。
時刻Ｔ１９〜Ｔ２２、及び時刻Ｔ２３〜Ｔ２６において、２列目及び３列目の画素における信号の出力動作を行う。これにより、信号を読み出して出力する動作を全ての画素で行ったことになる。
以上のように本実施形態では、横型オーバーフロー領域１０１０ａ〜１０１０ｃに溢れた電荷と、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷とを、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送して、これらの電荷に基づく信号を合わせて信号レベル保持容量Ｃｓに保持して読み出すことにより、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大するようにしている。
次に、以上のようにしてダイナミックレンジを拡大するための画素の構造の具体例について説明する。
（第１の例）
図３（ａ）は、本実施形態の第１の例を示し、固体撮像装置における画素の構成を示す平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。なお、図３では、本実施形態の説明に必要な部材のみを示しているが、図３に示した部材以外のものが画素に備わっていてもよい。また、図３では、１列目及び２列目の画素のみを示しているが、２列目の画素に隣接して３列目の画素が設けられているということは言うまでもない。
図３（ｂ）に示すように、ｎ型の半導体基板１００９の上部には、ｐ型のウェル（Ｐウェル）１００４が形成されている。ｐウェル１００４の表面側には、フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂを構成するｎ型領域１０１１が形成されており、ｎ型領域１０１１の表面には埋め込みフォトダイオード構造とするためのＰ型領域１０１４が形成されている。
このようなフォトダイオード１００３ａ、１００３ｂに隣接して第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ、１００６ｂが形成されている。この第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ、１００６ｂのゲートが設けられている部分を除き、フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂの周囲には、例えばＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法により形成された選択酸化膜（SiO2膜）等の絶縁膜１００１が形成されている。
また、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ、１００６ｂのゲート、及びそのゲートに隣接した絶縁膜１００１を介してフォトダイオード１００３ａ、１００３ｂと対向する位置に、ＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂが形成されている。ＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂには、ｐウェル１００４の表面に形成されたｎ型領域と、ｐウェル１００４との接合容量等からなる容量が形成されている。前述したように、フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂに蓄積された電荷は、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ、１００６ｂのゲートがオンすると、ＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに転送される。
ＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂの側端部には、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ、１００７ｂと、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ、１００８ｂとが形成されている。第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ、１００８ｂのゲートを介してＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂと対向する位置に、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂが形成されている。横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂには、ｐウェル１００４の表面に形成されたｎ型領域１０１６と、ｐウェル１００４との接合容量等からなる容量が形成されている。
前述したように、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂに蓄積された電荷は、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ、１００８ｂのゲートがオンすると、ＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに転送される。なお、本例では、ＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂと横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂとが同一の工程で形成されるようにしている。
フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂと、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂとに挟まれた領域と、その領域と第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ、１００６ｂとに挟まれた領域（他の領域と斜線の向きが異なっている領域、以下電荷転送領域と称する）とを除く領域に形成されている絶縁膜１００１の下端には、ｐウェル１００４よりも高濃度のｐ型領域であるチャネルストッパー領域１００２が形成されている。このチャネルストッパー領域１００２により、フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂに蓄積された電荷が他の画素に流入することを防ぐことができる。
このように本例では、前記電荷転送領域に形成されている絶縁膜１００１の下端に、チャネルストッパー領域１００２を形成しないようにすることで、フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂから溢れた電荷を、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積することができるようにしている。
（第２の例）
図４（ａ）は、本実施形態の第２の例を示し、固体撮像装置における画素の構成を示す平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。なお、図４においても、図３と同様に、１列目及び２列目の画素における必要な部材のみを示している。また、第１の例と同じ部分については、図３に付した符号と同一の符号を付して説明を省略する。
第１の例では、前記電荷転送領域に形成されている絶縁膜１００１の下端の領域に、チャネルストッパー領域１００２を形成しないようにしたが、本例では、図４に示すように、前記電荷転送領域に形成されている絶縁膜１００１の下端に、ｐウェル１００４よりも高濃度であって、チャネルストッパー領域１００２よりも低濃度のｐ型領域２００１を形成するようにしている。
以上のようにすれば、ｐ型領域２００１の濃度により、フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂから溢れて、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積する電荷の量を可及的に簡単な構成で制御することが可能になる。
（第３の例）
図５（ａ）は、本実施形態の第３の例を示し、固体撮像装置における画素の構成を示す平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。なお、図５においても、図３と同様に、１列目及び２列目の画素における必要な部材のみを示している。また、第１及び第２の例と同じ部分については、図３及び図４に付した符号と同一の符号を付して説明を省略する。
本例では、図５に示すように、ｐウェル１００４内の領域であって、チャネルストッパー領域１００２の下方（フォトダイオード１００３ａとフォトダイオード１００３ｂとの間）に、ｐ型領域３００１を形成するようにしている。このように、本例の画素は、第２の例の構成に、ｐ型領域３００１を加えた構成を有する。なお、ｐ型領域３００１と、チャネルストッパー領域１００２との濃度差はどのようであってもよい。
以上のようにすれば、ｐ型領域２００１、３００１の２種類のＰ型領域の濃度により、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積する電荷の量を制御することができるので、第２の例よりも高精度に制御することが可能になる。
（第４の例）
図６（ａ）は、本実施形態の第４の例を示し、固体撮像装置における画素の構成を示す平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。なお、図６においても、図３と同様に、１列目及び２列目の画素における必要な部材のみを示している。また、第１〜第３の例と同じ部分については、図３〜図５に付した符号と同一の符号を付して説明を省略する。
本例では、図６に示すように、前記電荷転送領域に形成されている絶縁膜１００１の下端にも、チャネルストッパー領域１００２を形成するようにしている。このように、本例の画素は、第３の例の画素の構成におけるｐ型領域２００１を、チャネルストッパー領域１００２にした構成を有する。
以上のようにすれば、ｐ型領域３００２により、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積する電荷の量を制御することができる。第３の例に比べ、新たにｐ型領域２００１を形成する必要がなくなる。よって、本例においても、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積する電荷の量を可及的に簡単な構成で制御することが可能になる。
（第５の例）
図７（ａ）は、本実施形態の第７の例を示し、固体撮像装置における画素の構成を示す平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。なお、図７においても、図３と同様に、１列目及び２列目の画素における必要な部材のみを示している。また、第１〜第４の例と同じ部分については、図３〜図６に付した符号と同一の符号を付して説明を省略する。
本例では、図７に示すように、ｐウェル１００４内の領域であって、ｎ型領域１０１６の下方に、ｐウェル１００４よりも高濃度のｐ型領域５００１を形成するようにしている。このように、本例の画素は、第４の例の画素に、ｐ型領域５００１を加えた構成を有する。なお、本例では、ｐ型領域３００１と、そのｐ型領域３００１に最も近い位置にあるチャネルストッパー領域１００２との間隔よりも、ｐ型領域５００１と、そのｐ型領域５００１に最も近い位置にあるチャネルストッパー領域１００２との間隔が広くなるように画素を構成する。
以上のようにすれば、ｐ型領域５００１の濃度、大きさ、及び位置により、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積する電荷の量を制御することができる。これにより、可及的に簡単な構成で、横型オーバーフロー領域１０１０ａ、１０１０ｂやＦＤ領域１００５ａ、１００５ｂに蓄積する電荷の量を可及的に精度よく制御することが可能になる。なお、ｐ型領域５００１は、フォトダイオード１００３と、そのフォトダイオード１００３が属する画素内の横型オーバーフロー領域１０１０との間に形成されていてもよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、前述した第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図７に付した符号と同一の符号を付すなどして詳細な説明を省略する。
図８は、本実施形態の固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。
図８に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８を設けずに、横型オーバーフロー領域１０１０を形成しないようにしている。その他の回路構成は、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置と同じである。
ここで、図９のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の固体撮像装置の動作の一例について説明する。
まず、時刻Ｔ３１において、ハイレベルの制御信号ＳＥＬを、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃのゲートに供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃをオンし、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２を、前記マトリクスの行単位で選択する。
時刻Ｔ３２において、ハイレベルの制御信号ＰＴＸを第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃに供給する。そうすると、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃがオンする。これにより、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷が、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。また、このとき、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｂにおける電荷の蓄積期間中に、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに溢れた電荷もＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。このように、本実施形態では、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃがオンすると、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｂに蓄積された電荷と、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｂから溢れた電荷とがＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。
そして、時刻Ｔ３３において、ロウレベルの制御信号ＰＴＸを第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃに供給して、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃをオフし、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃからの電荷の転送動作を終了する。
時刻Ｔ３４において、ハイレベルの制御信号ＰＴＳを、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、信号レベル保持容量Ｃｓとの間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送された電荷に基づく信号（信号レベル（Ｓ）とリセットレベル（Ｎ）とが加算された信号）が信号レベル保持容量Ｃｓに伝達され保持される。そして、時刻Ｔ３５において、ロウレベルの制御信号ＰＴＳを、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、信号レベル保持容量Ｃｓとの間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフして、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送された電荷に基づく信号を信号レベル保持容量Ｃｓに保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ３６において、ハイレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給する。そうすると、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃがオンする。これにより、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃが電源電位ＶDDにリセットされる。そして、時刻Ｔ３７において、ロウレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給して、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃをオフし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃのリセット動作を終了する。
時刻Ｔ３８において、ハイレベルの制御信号ＰＴＮを、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、リセットレベル保持容量Ｃｎとの間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、リセット動作により得られたリセットレベル（Ｎ）の信号が、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１０１３ａ〜１０１３ｃ及び選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃを介して、リセットレベル保持容量Ｃｎに伝達され保持される。そして、時刻Ｔ３９において、ロウレベルの制御信号ＰＴＮを、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、リセットレベル保持容量Ｃｎとの間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフし、リセットレベル（Ｎ）の信号をリセットレベル保持容量Ｃｎに保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ４０において、ロウレベルの制御信号ＳＥＬを、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃのゲートに供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃがオフし、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２の選択動作を終了する。
その後、時刻Ｔ４１〜Ｔ５２において、第１の実施形態で説明した図２の時刻Ｔ１５〜Ｔ２６と同様に、１列目〜３列目の画素における信号の出力動作を、画素ごとに行う。
次に、本実施形態の画素の構造の一例について説明する。
図１０（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置における画素の構成の一例を示す平面図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。なお、図１０においても、第１の実施形態で説明した図３と同様に、１列目及び２列目の画素における必要な部材のみを示している。
前述したように、本実施形態では、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８を設けないようにし、横型オーバーフロー領域１０１０を画素内に形成しないようにしている（図１０（ａ）を参照）。
フォトダイオード１００３ａ、１００３ｂと、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ、１００７ｂとに挟まれた領域と、その領域と第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ、１００６ｂとに挟まれた領域（他の領域と斜線の向きが異なっている領域、以下第２の電荷転送領域と称する）とを除く領域に形成されている絶縁膜１００１の下端には、ｐウェル１００４よりも高濃度のｐ型領域であるチャネルストッパー領域１００２が形成されている。
また、前記第２の電荷転送領域に形成されている絶縁膜１００１の下端には、ｐウェル１００４よりも高濃度であって、チャネルストッパー領域１００２よりも低濃度のｐ型領域６００１が形成されている。
以上のように本実施形態では、前記第２の電荷転送領域に形成されている絶縁膜１００１の下端に、ｐウェル１００４よりも高濃度であって、チャネルストッパー領域１００２よりも低濃度のｐ型領域６００１を形成して、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｂに蓄積された電荷と、その電荷の蓄積期間中にフォトダイオード１００３ａ〜１００３ｂから溢れた電荷とをＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送するようにしたので、第１の実施形態よりも簡単な構成で、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができる。なお、図９で説明した固体撮像装置の駆動方法を適用すれば、例えば前述した特許文献１における従来の固体撮像装置と同じ回路であっても、固体撮像装置のダイナミックレンジを従来の固体撮像装置よりも拡大することができるようになる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、前述した第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図７に付した符号と同一の符号を付すなどして詳細な説明を省略する。
図１１は、本実施形態の固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。
第１の実施形態では、フォトダイオード１００３に蓄積された電荷と、フォトダイオード１００３から横型オーバーフロー領域１０１０に溢れた電荷とを、同一の信号レベル保持容量Ｃｓに保持するようにしたが（図２の時刻Ｔ５〜Ｔ１１）、本実施形態の固体撮像装置では、フォトダイオード１００３に蓄積された電荷を保持する容量と、フォトダイオード１００３から横型オーバーフロー領域１０１０に溢れた電荷を保持する容量とを別々に備えるようにしている。
具体的に本実施形態の固体撮像装置では、図１１に示すように、フォトダイオード１００３から横型オーバーフロー領域１０１０に溢れた電荷を保持する第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１と、フォトダイオード１００３に蓄積された電荷を保持する第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２とを備えている。
ここで、図１２のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の固体撮像装置の動作の一例について説明する。
まず、時刻Ｔ６１において、ハイレベルの制御信号ＳＥＬを、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃのゲートに供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃをオンし、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２を、前記マトリクスの行単位で選択する。
時刻Ｔ６２において、ハイレベルの制御信号ＴＸ２を第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃに供給する。そうすると、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃがオンする。これにより、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃから溢れて横型オーバーフロー領域１０１０ａ〜１０１０ｃに蓄積された電荷が、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。そして、時刻Ｔ６３において、ロウレベルの制御信号ＴＸ２を第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃに供給して、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１００８ａ〜１００８ｃをオフして、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃから溢れた電荷の転送動作を終了する。
時刻Ｔ６４において、ハイレベルの制御信号ＰＴＳ１を、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１との間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、ＦＤ領域１００５に転送された電荷に基づく信号（フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃから溢れた電荷に基づく信号レベルとリセットレベル（Ｎ）とが加算された信号）が第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１に伝達され保持される。
そして、時刻Ｔ６５において、ロウレベルの制御信号ＰＴＳ１を、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１との間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフして、ＦＤ領域１００５に転送された電荷に基づく信号を第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１に保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ６６において、ハイレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給する。そうすると、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃがオンする。これにより、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃが電源電位ＶDDにリセットされる。そして、時刻Ｔ６７において、ロウレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給して、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃをオフし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃのリセット動作を終了する。
時刻Ｔ６８において、ハイレベルの制御信号ＰＴＮを、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、リセットレベル保持容量Ｃｎとの間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、リセット動作により得られたリセットレベル（Ｎ）の信号が、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１０１３ａ〜１０１３ｃ及び選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃを介して、リセットレベル保持容量Ｃｎに伝達され保持される。
そして、時刻Ｔ６９において、ロウレベルの制御信号ＰＴＮを、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、リセットレベル保持容量Ｃｎとの間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフし、リセットレベル（Ｎ）の信号をリセットレベル保持容量Ｃｎに保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ７０において、ハイレベルの制御信号ＴＸ１を第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃに供給する。そうすると、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃがオンする。これにより、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷が、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃに転送される。そして、時刻Ｔ７１において、ロウレベルの制御信号ＴＸ１を第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃに供給して、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１００６ａ〜１００６ｃをオフし、フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷の転送動作を終了する。
時刻Ｔ７２において、ハイレベルの制御信号ＰＴＳ２を、前記行メモリ回路に供給する。そうすると、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２との間に設けられたＭＯＳトランジスタがオンし、ＦＤ領域１００５に転送された電荷に基づく信号（フォトダイオード１００３ａ〜１００３ｃに蓄積された電荷に基づく信号レベルとリセットレベル（Ｎ）とが加算された信号）が第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２に伝達され保持される。
そして、時刻Ｔ７３において、ロウレベルの制御信号ＰＴＳ２を、前記行メモリ回路に供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃと、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２との間に設けられたＭＯＳトランジスタをオフして、ＦＤ領域１００５に転送された電荷に基づく信号を第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２に保持させるための動作を終了する。
時刻Ｔ７４において、ハイレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給して、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃがオンし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃを電源電位ＶDDにリセットする。そして、時刻Ｔ７５において、ロウレベルの制御信号ＰＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃに供給して、リセットＭＯＳトランジスタ１００７ａ〜１００７ｃをオフし、ＦＤ領域１００５ａ〜１００５ｃのリセット動作を終了する。
時刻Ｔ７６において、ロウレベルの制御信号ＳＥＬを、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃのゲートに供給して、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２ａ〜１０１２ｃがオフし、選択ＭＯＳトランジスタ１０１２の選択動作を終了する。
時刻Ｔ７７において、ハイレベルの制御信号Ｂ１を前記行メモリ回路に供給する。そうすると、第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１と、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタと、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２と、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタと、リセットレベル保持容量Ｃｎと、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタとがオンする。これにより、差動アンプ１０１５の正側入力端子（＋）側には、フォトダイオード１００３ａに蓄積された電荷と、１００３ａから横型オーバーフロー領域１０１０ａに溢れた電荷とに基づく信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とが加算された信号が入力され、差動アンプ１０１５の負側入力端子（−）側には、リセットレベル（Ｎ）の信号が入力される。
そして、時刻Ｔ７８において、ロウレベルの制御信号Ｂ１を前記行メモリ回路に供給して、第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１と、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタと、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２と、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタと、リセットレベル保持容量Ｃｎと、差動アンプ１０１５との間に設けられたＭＯＳトランジスタとをオフし、１列目の画素における読み出し動作を終了する。
時刻Ｔ７９において、ハイレベルの制御信号ＰＨＲＥＳを供給する。そうすると、差動アンプ１０１５は、１列目の画素における信号レベル（Ｓ）の信号ＯＵＴを出力する。そして、時刻Ｔ８０において、ロウレベルの制御信号ＰＨＲＥＳを供給し、１列目の画素における信号の出力動作を終了する。
時刻Ｔ８１〜Ｔ８４、及び時刻Ｔ８５〜Ｔ８８において、２列目及び３列目の画素における信号の出力動作を行う。これにより、信号を読み出して出力する動作を全ての画素で行ったことになる。
ここで、差動アンプ１０１５から出力される電圧について説明する。
第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１の容量をＣ１［Ｆ］、リセットレベル保持容量Ｃｎの容量をＣ２［Ｆ］、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２の容量をＣ３［Ｆ］とする。また、第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１の電圧をＶ１［Ｖ］、リセットレベル保持容量Ｃｎの電圧をＶ２［Ｖ］、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２の電圧をＶ３［Ｖ］とする。さらに、差動アンプ１０１５の正側入力端子（＋）及び負側入力端子（−）に接続されている水平出力線の容量をＣｈ［Ｆ］とする。そうすると、差動アンプ１０１５の正側入力端子（＋）に入力される電圧ＶＳ［Ｖ］、及び負側入力端子（−）に入力されるＶＮ［Ｖ］は、それぞれ以下の（１式）及び（２式）により表される。ただし、第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１の容量Ｃ１と、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２の容量Ｃ３とが等しく、且つ第１の信号レベル保持容量Ｃｓ１の容量Ｃ１と、第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２の容量Ｃ３とが、リセットレベル保持容量Ｃｎの容量Ｃ２の半分であるとする（Ｃ２＝２×Ｃ１＝２×Ｃ３）。
ＶＳ＝（Ｖ１×Ｃ１＋Ｖ３×Ｃ３）／Ｃｈ＝（Ｖ１＋Ｖ３）×Ｃ１／Ｃｈ・・・（１式）
ＶＮ＝Ｖ２×Ｃ２／Ｃｈ＝２×Ｖ２×Ｃ１／Ｃｈ・・・（２式）
よって、前記（１式）と（２式）との差に基づく電圧が、差動アンプ１０１５から出力される。
以上のように本実施形態では、フォトダイオード１００３に蓄積された電荷を保持する容量（第２の信号レベル保持容量Ｃｓ２）と、フォトダイオード１００３から横型オーバーフロー領域１０１０に溢れた電荷を保持する容量（第１の信号レベル保持容量Ｃ１）とを別々に設けるようにしたので、前述した第１の実施形態で説明した効果に加え、差動アンプ１０１５から出力される電圧（信号）のノイズをより低減させることができるという効果がある。
なお、本実施形態の画素の構造は、第１の実施形態と同じであり、前述した第１〜第５の例の何れの構造を採用してもよい（図３〜図７を参照）。
（他の実施形態）
図１３に基づいて、前述した各実施形態の固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施形態について詳述する。
図１３は、前述した各実施形態の固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
図１３において、１３０１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であり、１３０２は、被写体の光学像を固体撮像素子１３０４に結像させるレンズであり、１３０３は、レンズ１３０２を通った光量を可変するための絞りであり、１３０４は、レンズ１３０２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であり、１３０６は、固体撮像素子１３０４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変換器である。
１３０７は、Ａ／Ｄ変換器１３０６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したりする信号処理部であり、１３０８は、固体撮像素子１３０４、撮像信号処理回路１３０５、Ａ／Ｄ変換器１３０６、及び信号処理部１３０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部であり、１３０９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・演算部であり、１３１０は、画像データを一時的に記憶する為のメモリ部であり、１３１１は、記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部であり、１３１２は、画像データの記録また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であり、１３１３は、外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
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１３０１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１３０６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１３０９は絞り１３０３を開放にし、固体撮像素子１３０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１３０６で変換された後、信号処理部１３０７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１３０９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１３０９は絞りを制御する。
固体撮像素子１３０４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１３０９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本露光が始まる。
露光が終了すると、固体撮像素子１３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１３０７を通り全体制御・演算部１３０９によりメモリ部に書き込まれる。
その後、メモリ部１３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１３０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１３１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１３１３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。
次に、図１４に基づいて、前述した各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。
図１４は、前述した各実施形態の固体撮像装置を「ビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。図１４において、１４０１は撮影レンズであり、焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１４０１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１４０１Ｂ、及び結像用のレンズ１４０１Ｃを備えている。
１４０２は絞りであり、１４０３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であり、１４０４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。
１４０５は、サンプルホールド回路１４０４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あり、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１４０５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路１４２１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１４０５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路１４２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）１４２４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ＥＶＦ（Electric View Finder）等の電子ビューファインダへと供給される。
１４０６はアイリス制御回路であり、サンプルホールド回路１４０４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路１４０７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１４０２の開口量を制御すべくｉｇメータを自動制御するものである。
１４１３、１４１４は、サンプルホールド回路１４０４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。第一のバンドパスフィルタ１４１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１４１５及びフォーカスゲート枠信号で各々ゲートされ、ピーク検出回路１４１６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１４１７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、１４１８はフォーカスレンズ１４０１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダであり、１４１９はズームレンズ１４０１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダであり、１４２０は絞り１４０２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１４１７へと供給される。
論理制御回路１４１７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１４１３、１４１４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１４０１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路１４０９にフォーカスモータ１４１０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。
なお、前述した各実施形態は、何れも本発明を実現するにあがっての具体化のほんの一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いはならない。
本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置の動作の一例を説明するタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置における画素の構成の第１の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置における画素の構成の第２の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置における画素の構成の第３の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置における画素の構成の第４の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、固体撮像装置における画素の構成の第５の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示し、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示し、固体撮像装置の動作の一例を説明するタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態を示し、固体撮像装置における画素の構成の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示し、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態を示し、固体撮像装置の動作の一例を説明するタイミングチャートである。 本発明の他の実施形態を示し、スチルビデオカメラの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態を示し、ビデオカメラの構成の一例を示すブロック図である。
符号の説明
１００５ ＦＤ領域
１００６ 第１の転送ＭＯＳトランジスタ
１００７ リセットＭＯＳトランジスタ
１００８ 第２の転送ＭＯＳトランジスタ
１０１０ 横型オーバーフロー領域
１０１４ 水平走査回路
１０１５ 差動アンプ
Ｃｓ 信号レベル保持容量
Ｃｎ リセットレベル保持容量

Claims (16)

  1. 光電変換手段と、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷を転送するための第１の転送スイッチと、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷が前記第１の転送スイッチを介して流入するフローティングディフュージョン領域と、
    前記光電変換手段から溢れた電荷の少なくとも一部が流入する横型オーバーフロードレイン領域と、
    前記横型オーバーフロードレイン領域に流入した電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送するための第２の転送スイッチとを有する画素を複数含み、
    前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間のポテンシャル障壁を、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くしたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記横型オーバーフロードレイン領域は、前記第２の転送スイッチを介して前記フローティングディフュージョン領域に対向する位置に配置され、前記ポテンシャル障壁が低い領域を介して前記光電変換手段に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記光電変換手段は、キャリアとなる電荷を蓄積する第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第２の半導体領域とを含み、
    前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間に第２導電型の第３の半導体領域を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間に、前記第３の半導体領域よりも低濃度の第２導電型の第４の半導体領域を形成したことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する光電変換手段との間に、前記第３の半導体領域とは異なる第２導電型の第５の半導体領域を形成したことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記第３の半導体領域を、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する光電変換手段との間と、前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間に形成したことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記横型オーバーフロードレイン領域の下方に、前記第３の半導体領域とは異なる第２導電型の第６の半導体領域を形成したことを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記画素は、前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセット手段と、
    前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号を増幅する増幅手段とを有することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記リセット手段によりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電荷に基づく信号を、前記増幅手段を介して入力して保持するリセットレベル保持手段と、
    前記第１の転送手段により前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号と、前記第２の転送手段により前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号とを、前記増幅手段を介して入力して保持する信号レベル保持手段とを有することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 前記信号レベル保持手段は、前記第１の転送手段により前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号と、前記第２の転送手段により前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号とを個別に保持することを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
  11. 光電変換手段と、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷を転送するための第１の転送スイッチと、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷が前記第１の転送スイッチを介して流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、
    前記光電変換手段と、前記フローティングディフュージョン領域との間のポテンシャル障壁を、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くしたことを特徴とする固体撮像装置。
  12. 前記光電変換手段は、キャリアとなる電荷を生成する第１導電型の半導体領域と、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の半導体領域とを含み、
    前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間に第２導電型の第３の半導体領域を形成し、
    前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間に、前記第３の半導体領域よりも低濃度の第２導電型の第４の半導体領域を形成したことを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
  13. 前記請求項１〜１２の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置に光学像を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。
  14. 光電変換手段と、
    前記光電変換手段から溢れた電荷の少なくとも一部が流入する横型オーバーフロードレイン領域と、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷と、前記横型オーバーフロードレイン領域からの電荷とが流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、
    前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間のポテンシャル障壁が、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くなるように構成された固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセットステップと、
    前記リセットステップによりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号を保持するリセットレベル保持ステップと、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第１の転送ステップと、
    前記横型オーバーフロードレイン領域に流入した電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第２の転送ステップと、
    前記第１の転送ステップ及び前記第２の転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する信号レベル保持ステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  15. 光電変換手段と、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷が流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、
    前記光電変換手段と、前記フローティングディフュージョン領域との間のポテンシャル障壁が、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くなるように構成された固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記光電変換手段で光電変換された電荷の少なくとも一部を前記フローティングディフュージョン領域に転送する転送ステップと、
    前記転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する信号レベル保持ステップと、
    前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセットステップと、
    前記リセットステップによりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号を保持するリセットレベル保持ステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  16. 光電変換手段と、
    前記光電変換手段から溢れた電荷の少なくとも一部が流入する横型オーバーフロードレイン領域と、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷と、前記横型オーバーフロードレイン領域からの電荷とが流入するフローティングディフュージョン領域とを有する画素を複数含み、
    前記光電変換手段と、前記横型オーバーフロードレイン領域との間のポテンシャル障壁が、前記光電変換手段と、前記光電変換手段に隣接する画素の光電変換手段との間のポテンシャル障壁よりも低くなるように構成された固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記横型オーバーフロードレイン領域に流入した電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第１の転送ステップと、
    前記第１の転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する第１の信号レベル保持ステップと、
    前記フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするリセットステップと、
    前記リセットステップによりリセットされた前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号を保持するリセットレベル保持ステップと、
    前記光電変換手段に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第２の転送ステップと、
    前記第２の転送ステップにより前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷を保持する第２の信号レベル保持ステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
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