JP2009296574A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 画素に電荷保持部を有する固体撮像装置において、電荷保持部へのノイズ混入を低減しつつ、途切れのない動画撮影を行なうことを目的とする。
【解決手段】 本発明は、光電変換部からの信号電荷を保持する第１の電荷保持部と、第１の電荷保持部の信号を増幅して読み出す増幅部と、光電変換部の電荷をＯＦＤ領域へ排出する電荷排出制御部と、を有する画素を複数有し、光電変換部と第１の電荷保持部との間の電荷経路が埋め込みチャネル構造である固体撮像装置であって、光電変換部の出力ノードから見て、第１の転送手段を介して前記第１の電荷保持部と電気的に並列に設けられた、第２の電荷保持部を有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に電子シャッタ動作を可能とする電荷保持部を画素に設けた固体撮像装置に関する。
従来、電子シャッタ動作を可能とする電荷保持部を画素に設けた固体撮像装置として特許文献１、２に記載された構成が知られている。
特許文献１においては、シャッタ制御部を有し、ＭＯＳトランジスタを介して、フォトダイオードの電荷を電源に転送する第１モードと、フォトダイオードで発生した電荷をコンデンサに転送する第２モードとを切り替える構成が開示されている。
また特許文献２には、光電変換期間の１部において、光電変換部で発生した電荷の１部を電荷蓄積領域へ転送する構成が開示されている。
特開２００６‐２６２０７０号公報 特開２００６‐２４６４５０号公報
例えば、特許文献１、２に記載された構成のように、光電変換期間中に光電変換期間に生じた信号電荷を電荷蓄積領域へ転送する構成の場合には、以下のような問題が生じる場合がある。電荷蓄積領域で保持された電荷に基づく信号を共通出力線へ読み出す際には線順次で読み出す。この場合、走査手段により画素が選択され共通出力線へ信号が読み出されるまで、電荷蓄積領域で電荷を保持する必要があり、このような状況において光電変換部へ光が入射している場合に、電荷蓄積領域へ電荷が移動する場合がある。このような電荷の移動が起こると、本来の光電変換期間中と異なる期間に生じた電荷が混入するためノイズとなる。またこの電荷混入量は、電荷蓄積領域において保持されている時間によって異なるため画像のシェーディングとして現れ、視認しやすく画質にとって好ましくない。
本発明はこのような課題に鑑み、例えば、光電変換期間中に電荷蓄積部へ電荷を転送する構成において、電荷蓄積領域へのノイズ混入を低減することを目的とする。
本発明は、光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を保持する第１の電荷保持部と、前記光電変換部で生成した信号電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、前記光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出制御部と、を有する画素を複数有し、前記光電変換部と前記第１の電荷保持部との間の電荷経路が埋め込みチャネル構造である固体撮像装置であって、前記第１の電荷保持部と前記増幅部の間の電荷経路に、第１の転送部を介して第２の電荷保持部が配されていることを特徴とする。
本発明によれば、画素に電荷保持部を有する固体撮像装置において、電荷保持部へのノイズ混入を低減しつつ、途切れのない動画撮影を行なうことが可能となる。
第１の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。 第１の実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図である。 第１の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスパターンである。 第２の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。 第２の実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図である。 第２の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスパターンの一例である。 第２の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスパターンの一例である。 第３の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。 第３の実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図である。 第３の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスパターンである。 第３の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスパターンである。 第４の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。 第４の実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図である。 第４の実施形態の固体撮像装置の駆動パルスパターンの一例である。
（第１の実施形態）
図１は本実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。ここでは６画素について示しているが、更に画素を複数有する構成としてもよい。
１０１は光電変換部である。ここでは例としてフォトダイオードを示している。Ｏ−ｎｏｄｅは光電変換部の出力ノードである。１０２は電荷転送部である。光電変換部１０１で生成した信号電荷を後段の回路素子へ転送可能な構成である。１０３は第１の電荷保持部である。光電変換部で生成した信号電荷を保持可能な構成となっている。１０４は第１の転送部である。第１の電荷保持部で保持した信号電荷を後段の回路素子へ転送可能な構成となっている。１０５は第２の電荷保持部である。第１の電荷保持部から第１の転送部を介して転送される信号電荷を保持可能な構成となっている。１０６は第２の転送部である。第２の電荷保持部で保持した信号電荷を後段の回路素子へ転送可能な構成となっている。
１０７は後述する増幅部の入力ノードである。第２の電荷保持部から第２の転送部を介して転送される信号電荷を保持可能な構成となっている。例えば半導体基板に配されたフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）を用いることができる。１０８はリセット部である。増幅部の入力ノード１０７に基準電圧を供給可能な構成となっている。１０９は増幅部である。ＦＤ領域に転送された信号電荷に基づく信号を増幅して外部へ読み出す。ここでは例としてＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロワ回路を示している。このＭＯＳトランジスタのゲートとＦＤ領域とが電気的に接続された構成を用いることができる。
１１０は選択部である。各画素を選択して画素毎もしくは画素行ごとに外部へ読み出し可能な構成である。１１１は光電変換部１０１の電荷を排出可能な電荷排出制御部である。例えば電荷排出制御部としてはＭＯＳトランジスタを用いることができる。この場合には、光電変換部の一部を構成する信号電荷と同極性の半導体領域をソース、電源電圧が供給された半導体領域（オーバーフロードレイン領域：ＯＦＤ領域）をドレインとした構成となっている。
各転送部、リセット部、選択部、電荷排出制御部はＭＯＳトランジスタを用いることができる。
本発明においては、光電変換部と電荷保持部との間の電荷経路の構造に特徴がある。電荷転送部が非導通状態となる電圧が供給されている状態で、光電変換部から第１の電荷保持部へ電荷を転送可能な構造となっている。
例えば具体的な構成としては、電荷転送部をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタが埋め込みチャネル構造である。そして、非導通状態であっても表面よりも深い部位にエネルギー障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は積極的な制御を行なわずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。
このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生成した信号電荷の大半が光電変換部で蓄積されることなく第１の電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、ＭＯＳトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。
別の観点でいうと、光電変換部及び電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャルが光電変換部とＯＦＤ領域との間の電荷経路のポテンシャルよりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。
さらに駆動の観点では、１露光期間中に光電変換部から第１の電荷保持部に移動してきた電荷を第１の電荷保持部において保持し、画像信号として用いている。つまり、光電変換部での１露光期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお１露光期間とは１フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。
更に本実施形態の固体撮像装置は、各光電変換部に対して複数の電荷保持部が転送部を介して、光電変換部の出力ノードから見て並列に接続された構成となっている。光電変換部、電荷保持部及びそれらの間の電荷経路が上述したような状態の場合に、このような構成は特に有効である。以下、本実施形態の構成の効果を説明するために、比較例として、光電変換部に対して１つの電荷保持部のみを有する構成において動画撮影を行なった場合に関して説明する。
上述したように光電変換部に光が入射している期間において、光電変換により生成した信号電荷の所定量は、光電変換部から電荷保持部に移動する。しかし、電荷保持部には前フレームの信号電荷が保持されている状態の場合がある。これは、画素行ごとに外部へ読み出すため、選択動作が行なわれるまでは電荷保持部で一定時間保持された状態とする必要があるためである。このような状態で、光電変換部で生成した信号電荷が電荷保持部に混入した場合には、この混入した電荷は本来の露光期間ではない期間に生成された信号電荷（後フレームの電荷）であるためノイズとなる。このノイズとなる電荷が電荷保持部に混入しないようにするためには、電荷保持部で電荷を保持している期間中は電荷排出制御部により光電変換部で生成した信号電荷をＯＦＤ領域へ排出する必要がある。これにより、電荷保持部への電荷の混入を抑制することが可能となる。しかし、このような動作を行なうと、電荷排出制御部により電荷が排出されている期間中の画像情報が欠落した状態となってしまう。したがって動画撮影を行なった場合に。動画像がコマ切れのような状態で撮影されてしまう。
これに対して本実施形態の構成のように、光電変換部に対して電荷保持部を複数（第１、第２の電荷保持部）設けることにより、連続的な動画撮影が可能となる。つまり、光電変換部で生成した信号電荷を当該光電変換部及び第１の電荷保持部で保持している期間中に、第２の電荷保持部において、画素行が順次選択されるまで電荷を保持することが可能となるのである。
図２に本実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図を示す。図１と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。図２（ａ）の上面図において、各領域は説明のために矩形であるが、各構成が矩形をしているわけではなく、この領域に各構成が少なくとも配されていることを示している。他の実施形態においても同様である。また１画素のみ示したが、このような画素が複数配されて画素領域を構成する。
本実施形態においては、同一画素内において、第１の電荷保持部１０３は光電変換部１０１に対して第１の方向（図右方向）に配置されている。そしてＦＤ領域１０７は第１の電荷保持部１０３に対して、第１の方向に直交する第２の方向（図下方向）に配置されている。このように構成することでレイアウトの縮小化が可能となる。
図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。
以下では、半導体領域の導電型は信号電荷として電子を用いる場合に関して説明する。ホールを用いる場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。他の実施形態においても同様である。
３０１はＰ型の半導体領域である。Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物イオンを注入して形成することもできるし、Ｐ型の半導体基板を用いてもよい。
３０２は光電変換部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）である。信号電荷である電子と同極性である。Ｐ型の半導体領域３０１（第２導電型の第２の半導体領域）の一部とＰＮ接合を構成する。
３０３はＮ型半導体領域３０２の表面に設けられたＰ型の半導体領域である。光電変換部を埋め込み型フォトダイオードとするために設けられ、界面準位の影響を低減し光電変換部表面で生じる暗電流の発生を抑制する。光電変換部は少なくともＰ型半導体領域３０１と、Ｐ型半導体領域３０１とＰＮ接合を形成するＮ型半導体領域３０２とを含んで構成される。
３０４はＮ型半導体領域３０２と後述するＮ型半導体領域３０５との間の電荷経路である。ここでは、低濃度のＮ型不純物がドープされ、埋め込みチャネル構造となっている。
３０５は第１の電荷保持部１０３の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第３の半導体領域）である。光電変換部１０１から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成である。
３０６は第２の電荷蓄積部１０５の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第４の半導体領域）である。第１の電荷保持部１０３から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成である。
３０７は第１導電型のフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）である。電荷電圧変換部として機能する。増幅ＭＯＳトランジスタのゲートとプラグ等を介して電気的に接続されている。
３０８は第１導電型のオーバーフロードレイン領域（ＯＦＤ領域）である。
３０９は第１の制御電極である。第３の半導体領域３０５上に絶縁膜を介して配され、第３の半導体領域３０５の、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。電荷保持部において電荷を保持する期間中に第１の制御電極３０９に電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域３０５の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。第１の電荷保持部１０３は、Ｎ型半導体領域３０５及び第１の制御電極３０９を含んで構成される。
なおここでは、第１の制御電極３０９はＮ型半導体領域３０４上まで延在して配置され、転送電極としての機能も有している。これらを別体で設けても良い。
３１０は第２の制御電極である。第４の半導体領域３０６上に絶縁膜を介して配され、第４の半導体領域３０６の、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。第２の電荷保持部において電荷を保持する期間中に第２の制御電極３１０に電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域３０６の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。第２の電荷保持部１０５は、Ｎ型半導体領域３０６及び第２の制御電極３１０を含んで構成される。
なおここでは、第２の制御電極３１０はＮ型半導体領域３０５、３０６の間の領域まで延在して配置され、転送電極としての機能も有している。これらを別体で設けても良い。
３１１は第３の制御電極である。Ｎ型半導体領域３０６とＦＤ領域３０７との間の電荷経路のポテンシャル状態を制御可能な構成である。
３１２は電荷排出制御電極である。光電変換部を構成するＮ型半導体領域３０２とＯＦＤ領域３０８との間の電荷経路のポテンシャルを制御可能な構成である。
次に、本実施形態における駆動方法に関して図３を用いて説明する。図１、２の各制御電極、転送電極に供給される駆動パルスの時系列の推移を示している。符号は図２と同様である。各制御配線の添字はｎ行目、ｎ＋１行目、ｎ＋２行目を示している。ここでは３行に関して説明するが、更に複数行を有する場合にも、この駆動パターンを繰り返すことにより対応可能である。また、Ｈｉｇｈアクティブである。
まずここでは初期状態として１フレーム目の蓄積期間が完了し、第２の電荷保持部において第１フレームの信号電荷が保持されている状態とする。
まずΦ３１１（ｎ）、Φ３１１（ｎ＋１）、Φ３１１（ｎ＋２）の順番で、各画素行の第２の転送部が導通状態となるパルスを供給する。これにより、第２の電荷保持部により保持されていた電荷が、増幅部の入力部へ転送され、選択部を導通させることにより信号を外部へ読み出す。これが第１フレームの読み出し動作である。この第１フレームの読み出し動作期間中においても光電変換部には光が入射し光電変換が行なわれており、第２フレームの蓄積期間となっている。第２フレームの信号電荷が光電変換部及び第１の電荷保持部において蓄積されている。
次に、Φ３０９を全画素行同時に導通させ第２フレームの蓄積期間を完了させる。その後、Φ３１２を全画素行同時に導通させることにより、光電変換部で生成した電荷をＯＦＤ領域へ排出する排出期間となる。
次に、Φ３１０を一括で導通させ、第１の電荷保持部に保持されていた第２フレームの信号電荷が第２の電荷保持部へ転送される。そしてΦ３１１を行順次に導通させ、第２の電荷保持部から増幅部の入力ノードへ電荷を転送する。またΦ３０９、Φ３１２を適宜調整することにより、各フレームの露光期間を変更することが可能である。この動作を繰り返すことで動画撮影が可能となる。Φ３０９とΦ３１０とを導通させる間隔を短くすれば、更に露光期間を長くすることも可能である。
以上述べたように本実施形態によれば、露光期間中に電荷保持部へ信号電荷が移動して蓄積されるような構成においても、撮影時間の切れ間を生じさせることなく電子シャッタ動作による撮影が可能となる。
（第２の実施形態）
本実施形態において第１の実施形態と異なるのは、複数の光電変換部に対応した電荷保持部の間に、両者を電荷が移動可能な電荷経路を配置した点である。つまりそれぞれの光電変換部に対して少なくとも一つの電荷保持部が設けられており、少なくとも一つの電荷保持部を複数の光電変換部（もしくは画素）で共有する構成であるといえる。このような構成にすることによって、第１の実施形態に比べて更に素子面積を小さくすることが可能となり、画素ピッチを微細化することが可能となる。
本実施形態の固体撮像装置の等価回路図を図４に示す。添字ａ、ｂは各構成が図５に示したいずれの光電変換部に対応しているかを示している。
７０１ａ、７０１ｂは光電変換部である。７０２ａ、７０２ｂは第１の転送部である。７０３ａ、７０３ｂは第１の電荷保持部である。７０４は第２の転送部である。光電変換部７０２ｂからみると、第１の電荷保持部７０３ａ、７０３ｂが第２の転送部７０４を介して直列に接続されている。７０６は第３の転送部である。７０７は増幅部の入力ノードである。７０８はリセット部である。７０９は増幅部である。７１０は選択部である。第１の実施形態と同様の名称の部材は同様の機能を有するものとし詳細な説明は省略する。
次に、本実施形態の固体撮像装置の上面図を図５（ａ）に、図５（ａ）のＢ−Ｂ´における断面図を図５（ｂ）に、図５（ａ）のＣ−Ｃ´における断面図を図５（ｃ）に示す。図４と同様の構成には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
第１の転送部７０２は光電変換部７０１と第１の電荷保持部７０３との間の領域に配される。７０３は各光電変換部に対応して設けられた第１の電荷保持部である。７０４は２つの第１の電荷保持部７０３ａ、７０３ｂの間の電荷経路のポテンシャルを制御する第２の転送部である。本実施形態によれば、第２の転送部７０４により、第１の光電変換部電７０１ａに対応した第１の電荷保持部７０３ａを、第２の光電変換部７０１ｂで生成した信号電荷に基づく信号を読み出す際の第２の電荷保持部として用いることが可能となる。３１３は第２の転送部を構成する制御電極である。本実施形態においては、第２の転送部７０４を構成する制御電極３１３が制御電極３０９ａと電気的に分離して設けられている。第１の電荷保持部７０３ａと第２の電荷保持部７０３ｂの間の電荷経路のポテンシャル状態を制御可能な構成である。より具体的には、Ｎ型半導体領域３０５と３０６との間の半導体領域のポテンシャル状態を制御している。
次に本実施形態における駆動方法に関して図６を用いて説明する。各供給パルスは図５の各制御電極に供給されるパルスである。添字ｎは画素の行数である。ここでは垂直方向に隣接した２つの光電変換部を含む単位を水平方向に複数配置された単位を１画素行とする。更に複数行を有する場合にも、この駆動パターンを繰り返すことにより対応可能である。また、Ｈｉｇｈアクティブである。
まず初期状態として第１フレーム目の信号が第２の電荷保持部７０３ｂに蓄積されている。この状態においてΦ３１１を画素行ごとに導通させることにより、第２の電荷保持部に保持されていた電荷が、増幅部の入力部へ転送される。そして、選択部を導通させることにより信号を外部へ読み出す。これが第１フレームの読み出し動作である。ここで、第１フレームの読み出し期間中における電荷排出制御電極に供給されるΦ３１２に関して説明する。Φ３１２ａ、つまり、第１の光電変換部に対応した電荷排出制御部は非導通状態であり、Φ３１２ｂ、つまり第２の光電変換部に対応した電荷排出制御部は導通状態となっている。つまり、第１の光電変換部７０１ａにおいて生成した信号電荷を画像信号として用いることが可能な状態であり、第２の光電変換部７０１ｂにおいて生成した信号電荷をＯＦＤ領域に排出している状態である。この第１の光電変換部７０１ａで生成した信号電荷を第２のフレームの画像信号として用いる。その後、Φ３１１（ｎ＋２）が非導通となり、所定の時間が経過し第１フレームの信号読み出しが完了した後、Φ３０９ａを一括で導通させ、第１の光電変換部７０１ａの電荷を第１の電荷保持部７０３ａへ転送する。その後、第１の光電変換部７０１ａに対応する電荷排出制御部３１２ａを導通状態とする。全ての電荷排出制御部が導通状態となっているため、この期間に生成した信号電荷はＯＦＤ領域へ排出される。そして所定の時間経過後、Φ３１３を導通状態とすることにより、第１の電荷保持部７０３ａの電荷を第２の電荷保持部７０３ｂへ転送する。この時Φ３０９ｂも同時に導通状態とする。その後、Φ３１１を順次導通状態とすることにより、電荷を増幅部の入力部へ転送する。そして、選択部を導通させることにより信号を外部へ読み出す。これが第２フレームの読み出し動作である。ここで、Φ３１１を順次導通させている期間中に、Φ３０９を導通させ、Φ３１２ａを導通させている。この動作により第１の光電変換部７０１ａ及び第１の電荷保持部７０２ａの蓄積期間を決めることができる。つまり各フレームの蓄積時間に応じて、Φ３０９、Φ３１２ａの導通させるタイミングを変更させればよい。このような動作を連続して行なうことにより動画撮影が可能となる。
図６の駆動においては２つの光電変換部の少なくとも一方で生成した信号電荷を用いて撮影を行っている。
図７に図４、５の構成を用いた他の駆動方法を示す。図６においては、第２の光電変換部で生成した信号電荷は電荷排出制御部により全てＯＦＤ領域へ排出していたが、図７では第２の光電変換部で生成した信号電荷も画像用の信号として用いる。Φ３１２を非導通状態として、第１、第２の光電変換部及び第１の電荷保持部を用いて電荷の蓄積を行なう。所定の時間経過後に、Φ３０９を一括で導通させることにより、光電変換部から第１の電荷保持部へ電荷を転送するのと同時に、Φ３１２を導通させ、その後光電変換部で生成した電荷をＯＦＤ領域へ排出する。そして、Φ３１１を順次導通させることにより、第２の光電変換部で生成した信号電荷に基づく信号を読み出す。この読み出し完了後に、Φ３１３を導通させた後、再びΦ３１１を順次導通させて、第１の光電変換部で生成した信号電荷に基づく信号を読み出す。図７の駆動方法は、図６に比べて、全ての光電変換部の信号を利用可能なため、高画質な撮影を行なうことが可能となる。したがって主に静止画撮影を行なう際に好適な駆動方法である。
図６、７に示した駆動方法を一つの固体撮像装置において、第１の駆動モード、第２の駆動モードとして有し、適宜切り替え可能な構成とすれば、動画、静止画両者に適した撮影が可能となる。
本発明によれば、例えば、画素に設けた電荷保持部へのノイズ混入を低減しつつ、途切れのない動画撮影を行なうことが可能となる。
（第３の実施形態）
図８は本実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。ここでは４画素について示しているが、更に画素を複数有する構成としてもよい。
８０１は光電変換部である。ここでは例としてフォトダイオードを示している。Ｏ−ｎｏｄｅは光電変換部の出力ノードである。８０２、８０３は第１、第２の電荷転送部である。光電変換部８０１で生じた信号電荷を後段の回路素子へ転送可能な構成である。８０４は光電変換部８０１の電荷を排出可能な電荷排出制御部である。例えば電荷排出制御部としてはＭＯＳトランジスタを用いることができる。この場合には、光電変換部の一部を構成する信号電荷と同極性の半導体領域をソース、電源電圧が供給された半導体領域（オーバーフロードレイン領域：ＯＦＤ領域）８０５をドレインとした構成となっている。
８０６、８０７は第１、第２の電荷保持部である。光電変換部で生じた信号電荷を保持可能な構成である。８０８、８０９は第１、第２の転送部である。第１、第２の電荷保持部で保持した電荷を後段の回路素子へ転送可能な構成となっている。８１０は後述する増幅部の入力ノードである。第１、第２の電荷保持部から第１，第２の転送部を介して転送される電荷を保持可能な構成となっている。例えば半導体基板に配されたフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）を用いることができる。８１１はリセット部である。増幅部の入力ノード８１０に基準電圧を供給可能な構成となっている。８１２は増幅部である。ＦＤ領域に転送された信号電荷に基づく信号を増幅して外部へ読み出す。ここでは例としてＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロワ回路を示している。このＭＯＳトランジスタのゲートとＦＤ領域とが電気的に接続された構成を用いることができる。
８１３は選択部である。各画素を選択して画素毎もしくは画素行ごとに外部へ読み出し可能な構成である。
各転送部、リセット部、選択部、電荷排出制御部はＭＯＳトランジスタを用いることができる。
本実施形態は、光電変換部と第１、第２の電荷保持部との間の電荷経路の構造に特徴がある。第１、第２の電荷転送部が非導通状態となる電圧が供給されている状態で、光電変換部から第１、第２の電荷保持部へ電荷を転送可能な構造となっている。
例えば、第１、第２の電荷転送部をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタが埋め込みチャネル構造で、非導通状態で表面よりも深い部位にエネルギー障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は積極的な制御を行なわずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。
このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生じた信号電荷の大半が光電変換部で蓄積されることなく第１の電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、ＭＯＳトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。
別の観点でいうと、光電変換部及び第１、第２の電荷保持部の少なくとも一方で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャルが光電変換部とＯＦＤ領域との間の電荷経路のポテンシャルよりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。
さらに駆動という観点では、１露光期間中に光電変換部から第１、第２の電荷保持部の少なくとも一方に移動してきた電荷を保持し、画像信号として用いている。つまり、光電変換部での１露光期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお１露光期間とは１フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。
次に具体的に１画素の各構成の関係を説明する。本実施形態においては、１つの光電変換部８０１に対して複数の電荷保持部が設けられており、フレームごとに異なる電荷保持部を用いて電荷の保持を行なうことにより、途切れのない動画撮影を行なうことが可能となる。
これまで述べた実施形態と同様に、光電変換部、電荷保持部及びそれらの間の電荷経路が上述したような状態の場合に、このような構成は特に有効である。以下、本実施形態の構成の効果を説明するために、比較例として光電変換部に対して１つの電荷保持部のみを有する構成において動画撮影を行なった場合に関して説明する。
上述したように光電変換部に光が入射している期間において、光電変換により生じた電荷の所定量は、光電変換部から電荷保持部に移動する。しかし、電荷保持部には前フレームの信号電荷が保持されている状態の場合がある。これは、画素行ごとに外部へ読み出すため、選択動作が行なわれるまでは電荷保持部で一定時間保持された状態とする必要があるためである。このような状態で、光電変換部に生じた電荷が電荷保持部に混入した場合には、この混入した電荷は本来の露光期間ではない期間に生じた電荷（後フレームの電荷）であるためノイズとなる。このノイズとなる電荷が電荷保持部に混入しないようにするためには、電荷保持部で電荷を保持している期間中は電荷排出制御部により光電変換部で生じた電荷をＯＦＤ領域へ排出する必要がある。これにより、電荷保持部への電荷の混入を抑制することが可能となる。しかし、このような動作を行なうと、電荷排出制御部により電荷が排出されている期間中の画像情報が欠落した状態となってしまう。したがって動画撮影を行なった場合に。動画像がコマ切れのような状態で撮影されてしまう。
これに対して本実施形態の構成のように、光電変換部に対して電荷保持部を複数（第１、第２の電荷保持部）設けることにより、連続的な動画撮影が可能となる。つまり、光電変換部で生じた電荷を当該光電変換部及び第１の電荷保持部で保持している期間中に、第２の電荷保持部において、画素行が順次選択されるまで電荷を保持することが可能となるのである。
図９に本実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図を示す。図８と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。図９（ａ）の上面図において、各領域は説明のために矩形であるが、各構成が矩形をしているわけではなく、この領域に各構成が少なくとも配されていることを示している。他の実施形態においても同様である。また１画素のみ示したが、このような画素が複数配されて画素領域を構成する。
光電変換部８０１に対して第１の電荷保持部８０６が第１の方向（図下方向）に隣接して配置され、第２の電荷保持部８０７が第１の方向と直交する第２の方向（図右方向）に隣接して配置されている。このような構成とすることにより、効率良く各素子を配置することが可能となり、画素ピッチの微細化が可能となる。
図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ´における断面図、図９（ｃ）は図９のＡ−Ｂにおける断面図である。
９０１はＰ型の半導体領域である。Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物イオンを注入して形成することもできるし、Ｐ型の半導体基板を用いてもよい。
９０２は光電変換部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）である。信号電荷である電子と同極性である。Ｐ型の半導体領域９０１（第２導電型の第２の半導体領域）の一部とＰＮ接合を構成する。
９０３はＮ型半導体領域９０２の表面に設けられたＰ型の半導体領域である。光電変換部を埋め込み型フォトダイオードとするために設けられ、界面準位の影響を低減し光電変換部表面で生じる暗電流の発生を抑制する。光電変換部は少なくともＰ型半導体領域９０１と、Ｐ型半導体領域９０１とＰＮ接合を形成するＮ型半導体領域９０２とを含んで構成される。
９０４ａ，ｂはＮ型半導体領域９０２と後述するＮ型半導体領域９０５ａ，ｂとの間の電荷経路である。ここでは、低濃度のＮ型不純物がドープされ、埋め込みチャネル構成となっている。
９０５ａ，ｂは第１、第２の電荷保持部８０６、８０７の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第３、第４の半導体領域）である。光電変換部１０１から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成となっている。
９０６は第１導電型のフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）である。電荷電圧変換部として機能する。増幅ＭＯＳトランジスタのゲートとプラグ等を介して電気的に接続されている。
９０９は第１導電型のオーバーフロードレイン領域（ＯＦＤ領域）である。
９０７ａは第１の制御電極である。Ｎ型半導体領域９０５ａ上に絶縁膜を介して配され、Ｎ型半導体領域９０５ａの、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。第１の電荷保持部において電荷を保持する期間中に第１の制御電極９０７ａに電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域９０５の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。第１の電荷保持部８０６は、Ｎ型半導体領域９０５ａ及び第１の制御電極９０７ａを含んで構成される。
なおここでは、第１の制御電極９０７ａはＮ型半導体領域９０４ａ上まで延在して配置され、転送電極としての機能も有している。これらを別体で設けても良い。
９０７ｂは第２の制御電極である。Ｎ型半導体領域９０５ｂ上に絶縁膜を介して配され、Ｎ型半導体領域９０５ｂの、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。第２の電荷保持部８０７において電荷を保持する期間中に第２の制御電極９０７ｂに電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域９０５ｂの表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。第２の電荷保持部８０７は、Ｎ型半導体領域９０５ｂ及び第２の制御電極９０７ｂを含んで構成される。
なおここでは、第２の制御電極９０７ｂはＮ型半導体領域９０４ｂ上まで延在して配置され、転送電極としての機能も有している。これらを別体で設けても良い。
９０８ａ，ｂは第３、第４の制御電極である。Ｎ型半導体領域９０５ａ，ｂとＦＤ領域９０６との間の電荷経路のポテンシャル状態を制御可能な構成となっている。
９１０は電荷排出制御電極である。光電変換部を構成するＮ型半導体領域９０２とＯＦＤ領域９０９との間の電荷経路のポテンシャルを制御可能な構成となっている。
次に、本実施形態における駆動方法に関して図１０を用いて説明する。図８、９の各制御電極、転送電極に供給される駆動パルスの時系列の推移を示している。符号は図９と同様である。各制御配線の添字はｎ行目、ｎ＋１行目、ｎ＋２行目を示している。ここでは３行に関して説明するが、更に複数行を有する場合にも、この駆動パターンを繰り返すことにより対応可能である。また、Ｈｉｇｈアクティブである。ここでΦ８０２に３値のパルスを与えることが可能な構成となっている。パルス高が高い順から第１のパルス、第２のパルス、第３のパルスとする。
まず初期状態として１フレーム目の蓄積期間が完了し、第２の電荷保持部において電荷が保持されている状態とする。
このような状態で全行のΦ８０２に第１のパルスを供給し、Φ８０８及びΦ８０４に導通パルスを供給する。この動作により光電変換部及び第１の電荷保持部の電荷をＯＦＤ領域へ排出する。また不図示のリセット部を導通させることにより、ＦＤ領域８１０及び第１の電荷保持部の電荷をリセット電源に排出してもよい。この時、Φ８０３には第３のパルスが供給されており、第２の電荷転送部８０３は非導通状態となっている。その後、Φ８０２に第２のパルスを供給し、Φ８０８には非導通となるパルスを供給する。この動作により、光電変換部と第１の電荷保持部において第２フレームの信号電荷の蓄積を開始する。またΦ８０２に第２のパルスを供給することにより、第１の電荷転送部における電荷の経路は表面から所定距離基板内部に埋め込まれた領域に存在する（埋め込みチャネル）。
次にΦ８０９に行順次に導通パルスを供給する。これにより、第２の電荷保持部により保持されていた信号電荷が増幅部の入力部へ転送され、選択部を導通させることにより信号を外部へ読み出す。これが第１フレームの読み出し動作である。上述したようにこの第１フレームの読み出し動作期間中においても光電変換部には光が入射し光電変換が行なわれており、第２フレームの蓄積期間中となっている。
第２フレームの蓄積時間の経過後、全行のΦ８０２に第１のパルスを供給し、光電変換部に残っていた第２フレームの信号電荷を一括で第１の電荷保持部に転送する。この動作により第２フレームの蓄積期間が終了する。その後、Φ８０４に導通パルスを供給する。Φ８０４は第３フレームの蓄積開始時間まで導通状態となっている。Φ８０４の導通時間は各フレームの蓄積時間（露光時間）に応じて適宜変更可能である。
そしてΦ８０８に行順次に導通パルスを供給する。これにより、第１の電荷保持部により保持されていた信号電荷が増幅部の入力部へ転送され、選択部を導通させることにより信号を外部へ読み出す。これが第２フレームの読み出し動作である。第２フレームの読み出し動作期間中においても光電変換部には光が入射し光電変換が行なわれており、第３フレームの蓄積期間とすることが可能である。第３フレームの蓄積は、Φ８０４に導通パルスが供給されている状態で、Φ８０３に第１のパルス、Φ８０９に導通パルスを供給した後に、Φ８０４に非導通パルス、Φ８０３に第２のパルス、Φ８０９に非導通パルスを供給することにより開始する。またΦ８０３に第２のパルスを供給することにより、第２の電荷転送部における電荷の経路は表面から所定距離基板内部に埋め込まれた領域に存在する（埋め込みチャネル）。
この動作を繰り返すことで動画撮影が可能となる。上述したように各フレームの蓄積期間はΦ１０４Φ８０４の導通時間により適宜設定可能である。
次に図１１において静止画撮影に適した駆動方法について説明する。図４本図においては、第１、第２の電荷保持部に保持された電荷を加算して画像信号として用いる例である。図１０においてはΦ８０２、Φ８０３に対して３値のパルスを供給したが、本例においては２値のパルスでよい。ここでは説明のため、パルス高が高い方から第１のパルス、第２のパルスとする。
まず、Φ８０２、Φ８０３に第１のパルス、Φ８０８，Φ８０９、Φ８０４に導通パルスを供給する。その後、Φ８０２、Φ８０３に第２のパルス、Φ８０８，Φ８０９、Φ８１０に非導通パルスを供給する。これにより光電変換部、第１の電荷保持部、第２の電荷保持部において、信号電荷の蓄積を行なう。その後所定の蓄積時間の経過後、Φ８０２、Φ８０３に第１のパルスを供給し、光電変換部に残った信号電荷を各電荷保持部に転送する。その後、Φ８０４を導通させることにより光電変換部の電荷をＯＦＤ領域へ排出する。そして不図示のリセット部を導通させることによりＦＤ領域に基準電圧を供給する。その後、同一行のΦ８０８、Φ８０９を同時に導通させることによりＦＤ領域で信号電荷の加算を行い、外部へ信号を読み出す。図１１の読み出し方法によれば、特に静止画撮影の際に、更にダイナミックレンジを拡大した撮影を行なうことが可能となる。
なお、図１０、１１の駆動方法はたとえば動画撮影、静止画撮影などを切り替える際に切り替えて用いることが可能である。
以上述べたように本実施形態によれば、露光期間中に電荷保持部へ信号電荷が移動して蓄積されるような構成においても、撮影時間の切れ間を生じさせることなく電子シャッタ動作による撮影が可能となる。
（第４の実施形態）
図１２に本実施形態の固体撮像装置の等価回路図を示す。第１の実施形態と異なる点は、一の光電変換部の出力ノードが転送部を介して複数の電荷保持部と電気的に接続可能な構成となっている点である。すなわち、第２の光電変換部に対応して設けられた第１の電荷保持部を第１の光電変換部の第２の電荷保持部として用いることが可能となっている。本実施形態においては２画素行で一組の動作をしており、一方の行の光電変換部で生じた電荷はＯＦＤを介して常に排出される。
図１２において、１２０１ａが第１の光電変換部、１２０１ｂが第２の光電変換部である。１２０６ａが第１の光電変換部１２０１ａに対応して設けられた電荷保持部である。１２０６ｂが第２の光電変換部１２０１ｂに対応して設けられた電荷保持部である。以後、便宜的に、１２０６ａを第１の電荷保持部、１２０６ｂを第２の電荷保持部とする。
第１の光電変換部１２０１ａの出力ノードＯ−ｎｏｄｅと第１の電荷保持部１２０６ａとの間に第１の電荷転送部１２０２ａを配している。そして、第１の光電変換部１２０１ａの出力ノードＯ−ｎｏｄｅと第２の電荷保持部１２０６ｂとの間に第２の電荷転送部１２１４を配している。第２の電荷転送部１２１４を配することにより、第１の光電変換部からの信号電荷を第１、第２の電荷保持部で保持可能となる。このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様に、第１のフレームの信号電荷を第１の電荷保持部１２０６ａで保持し、第１のフレームよりも時間的に後の第２のフレームの信号電荷を第２の電荷保持部１２０６ｂで保持することが可能である。
１２０２は電荷転送部、１２０４は電荷排出制御部、１２０５はＯＦＤ領域、１２０６は電荷保持部、１２０８は第１の転送部である。１２１０はＦＤ領域、１２１１はリセット部、１２１２は増幅部、１２１３は選択部である。第１の光電変換部に対応して設けられている構成に添え字ａ、第２の光電変換部に対応して設けられている構成に添え字ｂを付している。また第１、第２の光電変換部に共通して設けられている構成には添え字は付していない。これら各構成は実施形態１の構成と同様の機能を有する。
図１３に本実施形態の固体撮像装置の上面図及び断面図を示す。図１２と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
第１の光電変換部１２０１ａの図面上下方向に、電荷転送部を介して、第１の電荷保持部１２０６ａ、第２の電荷保持部１２０６ｂとが配されている。
電荷転送部１２０２ａ，ｂ及び１２１４は低濃度のＮ型不純物がドープされ、埋め込みチャネル構造となっている。
次に本実施形態の固体撮像装置の駆動方法に関して図１４を用いて説明する。これまで説明した実施形態と異なる点を中心に重複する部分の説明は省略する。
Φ１２０２ａ，Φ１２１４にはそれぞれ３値パルスが供給可能となっている。第１フレーム読み出し期間、その次フレームの第２フレーム蓄積期間において、第１フレームの信号は第２の電荷保持部に保持され、第２フレームの信号は第１の電荷保持部に保持される。したがって、Φ１２０２ｂ及びΦ１２１４には第３のパルスが供給され強くオフされており、第２の電荷保持部に電荷が流入しないようにしている。それに対してΦ１２０２ａには、第２のパルスが供給され、光電変換部で生じた電荷が第１の電荷保持部に流入する。この期間中にΦ１２０８ｂには順次行ごとにパルスが供給され電荷保持部の電荷がＦＤ領域に転送される。そして読み出しが必要な行の転送が終了した時点で、リセット部を導通してＦＤ領域の電荷をリセットする。
次に第２フレーム読み出し、第３フレーム蓄積期間においては、Φ１２０２ａに第３のパルスを供給して強くオフし、Φ１２１４には第２のパルスを供給して、第２の電荷保持部で第３フレームの電荷を蓄積する。同時に、Φ１２０８ａに行順次にパルスを供給し第１の電荷保持部に保持されていた第２フレームの電荷をＦＤ領域へ転送する。
このような動作を繰り返すことにより、画像形成に用いる行数は減るが、途切れのない画像を得ることが可能となる。
用途に応じて図１４の駆動と第１、第２の電荷保持部をそれぞれに対応する光電変換部の電荷保持に用いる駆動を使い分けても良い。たとえば図１４の駆動は、動画画像を得る場合に用い、第１、第２の電荷保持部をそれぞれに対応する光電変換部の電荷保持に用いる駆動は静止画のように高解像度が必要な場合に用いる。
更に、Φ１２１４に対してΦ１２０２ａ，ｂと同期したパルスを供給することにより２つの光電変換部で生成した電荷を加算してもよい。
１０１ 光電変換部
Ｏ−ｎｏｄｅ 光電変換部の出力ノード
１０３ 第１の電荷保持部
１０４ 第１の転送部
１０５ 第２の電荷保持部
１０６ 第２の転送部
１０９ 増幅部

Claims (8)

  1. 光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を保持する第１の電荷保持部と、前記光電変換部で生成した信号電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、前記光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出制御部と、を有する画素を複数有し、前記光電変換部と前記第１の電荷保持部との間の電荷経路が埋め込みチャネル構造である固体撮像装置であって、
    前記第１の電荷保持部と前記増幅部の間の電荷経路に、第１の転送部を介して第２の電荷保持部が配されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を保持する第１の電荷保持部と、前記光電変換部で生成した信号電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、前記光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出制御部と、を有する画素を複数有し、
    前記光電変換部及び前記第１の電荷保持部での信号電荷の蓄積を行なっている期間中の、前記光電変換部と前記第１の電荷保持部との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャルに比べて、前記光電変換部と前記オーバーフロードレイン領域との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャルが高い固体撮像装置であって、
    前記第１の電荷保持部と前記増幅部の間の電荷経路に、第１の転送部を介して第２の電荷保持部が配されていることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記２の電荷保持部と前記増幅部の入力ノードとの間の電荷経路に、該第２の電荷保持部と前記増幅部との導通を制御する第２の転送部を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の固体撮像装置。
  4. 前記２の電荷保持部と前記増幅部の入力ノードとの間の電荷経路に、該第２の電荷保持部と前記増幅部との導通を制御する第２の転送部を有する請求項２に記載の固体撮像装置。
  5. 第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部からの信号電荷を保持する第１の電荷保持部と、
    第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部からの信号電荷を保持する第２の電荷保持部と、
    前記第１の電荷保持部と、前記第２の電荷保持部との導通を制御する第１の転送部と、前記第１もしくは第２の電荷保持部の少なくとも一方で保持した信号電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、前記第１及び第２の光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出制御部と、を有する画素を複数有し、
    前記第１の光電変換部と前記第１の電荷保持部との間の電荷経路及び前記第２の光電変換部と前記第２の電荷保持部との間の電荷経路が埋め込みチャネル構造であることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部からの信号電荷を保持する第１の電荷保持部と、
    第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部からの信号電荷を保持する第２の電荷保持部と、
    前記第１の電荷保持部と、前記第２の電荷保持部との導通を制御する第１の転送部と、前記第１もしくは第２の電荷保持部の少なくとも一方で保持した信号電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、前記第１及び第２の光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出制御部と、を有する画素を複数有し、
    少なくとも前記第１の光電変換部及び前記第１の電荷保持部において信号電荷の蓄積を行なっている期間中の、前記第１の光電変換部と前記第１の電荷保持部との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャルに比べて、前記第１の光電変換部と前記オーバーフロードレイン領域との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャルが高いことを特徴とする固体撮像装置。
  7. 前記１の電荷保持部と前記増幅部の入力ノードとの間の電荷経路に、該第２の電荷保持部と前記増幅部との導通を制御する第２の転送部を有することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
  8. 前記１の電荷保持部と前記増幅部の入力ノードとの間の電荷経路に、該第２の電荷保持部と前記増幅部との導通を制御する第２の転送部を有する請求項６に記載の固体撮像装置。
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