JP2018191324A

JP2018191324A - 撮像装置、および、撮像システム

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Publication number: JP2018191324A
Application number: JP2018138770A
Authority: JP
Inventors: 市川　武史; Takeshi Ichikawa; 武史市川; 小林　昌弘; Masahiro Kobayashi; 昌弘小林; 裕介大貫; Yusuke Onuki; 小泉　徹; Toru Koizumi; 徹小泉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP6598941B2

Abstract

【課題】飽和電荷量を向上しつつ、画素のサイズを小さくすることができる撮像装置、及び撮像システムを提供する。【解決手段】撮像装置は、光電変換部から電荷を転送する保持部を持ち、複数の画素の露光期間が一致したグローバル電子シャッタ動作を行う。第１の期間に、光電変換部による電荷の蓄積が行われ、第２の期間に、複数の画素の保持部が電荷を保持する。保持部の飽和電荷量に対する光電変換部の飽和電荷量の比は、第１の期間と第２の期間の合計の長さに対する第１の期間の長さの比にほぼ等しい。【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置、および、撮像システムに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタを行うことが提案されている。特許文献１、および、特許文献２に記載された撮像装置には、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがまないという利点がある。

特開２００４−１１１５９０号公報

特許文献１に記載の撮像装置は、１つの画像、あるいは、１フレームを得るための光電変換によって生じた電荷の全部を光電変換部に蓄積している。その後、全画素同時に、光電変換部から保持部に電荷を転送し、次の画像、あるいは、次のフレームを得るための光電変換を開始している。そのため、画素の飽和電荷量を増やすためには、光電変換部の飽和電荷量と保持部の飽和電荷量との両方をほぼ同じ大きさで確保しなければならない。光電変換部の飽和電荷量を大きくするとその面積が増加する。したがって、画素サイズが大きくなるという課題がある。

以上に説明した通り、従来の技術では、画素の飽和電荷量を大きくすることが困難であった。上記の課題に鑑み、本発明は、グローバル電子シャッタを行うことができる撮像装置において、画素の飽和電荷量を向上させつつ、画素のサイズを小さくすることを目的とする。

本発明の１つの側面に係る実施形態は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第２の時刻から第３の時刻まで、前記複数の画素の前記保持部が、前記光電変換部において前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷、および、前記光電変換部において前記第２の時刻から前記第３の時刻までの第２の期間に生じた電荷を保持し、前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御され、前記光電変換部の飽和電荷量Ａ１、前記保持部の飽和電荷量Ａ２、前記第１の期間Ｐ１、前記第２の期間Ｐ２が、所定の関係を満たす、ことを特徴とする。

本発明によれば、飽和電荷量を向上しつつ、画素のサイズを小さくすることができる。

撮像装置の等価回路を表す図である。撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。撮像装置の駆動パルスを示す図である。撮像装置の駆動パルスを示す図である。撮像装置の動作を模式的に示す図である。撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。撮像装置の等価回路を表す図である。撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。撮像装置の駆動パルスを示す図である。撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。撮像装置の駆動パルスを示す図である。撮像装置の動作を模式的に示す図である。撮像システムの構成を示すブロック図である。

本発明に係る１つの実施形態は、複数の画素と、複数の画素からの信号が出力される出力線とを備える撮像装置である。複数の画素のそれぞれが、光電変換部と、電荷を保持する保持部と、電荷に基づく信号を出力する増幅部とを有する。さらに、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第１の転送スイッチと、保持部から増幅部へ電荷を転送する第２の転送スイッチとが配される。このような構成により、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御することである。

本発明に係るいくつかの実施例では、第１の時刻において、複数の画素の光電変換部が同時に電荷の蓄積を開始する。第１の時刻から第２の時刻まで、複数の画素において、第１の転送スイッチがオフに維持される。この期間に生じた電荷が光電変換部に蓄積される。第１の時刻から第２の時刻までの期間が第１の期間である。

第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間、複数の画素の保持部が電荷を保持する。このとき、保持部は、第１の期間で生じた電荷と第２の期間で生じた電荷とを保持する。第３の時刻に、複数の画素の第１の転送スイッチが同時にオンからオフに制御される。

本発明に係るいくつかの実施例では、保持部の飽和電荷量に対する光電変換部の飽和電荷量の比は、第１の期間と第２の期間の合計の長さに対する第１の期間の長さの比にほぼ等しい。

光電変換部の飽和電荷量、および、保持部の飽和電荷量に合わせた駆動を行うことにより、それぞれのサイズを小さくすることができる。したがって、このような構成により、小さな画素サイズと高い飽和電荷量とを両立しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。もちろん、本発明に係る実施例は、以下に説明される実施例のみに限定されない。例えば、以下のいずれかの実施例の一部の構成を、他の実施例に追加した例、あるいは他の実施例の一部の構成と置換した例も本発明の実施例である。また、以下の実施例では、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型である。しかし、第１導電型がＰ型であり、第２導電型がＮ型であってもよい。

実施例１について説明する。図１は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図１には４個の画素２０が示されているが、撮像装置はさらに多くの画素を有している。

各画素２０は、光電変換部１、保持部２、増幅部１０、第１の転送スイッチ４、および、第２の転送スイッチ５を含む。さらに、画素２０は、リセットトランジスタ９、選択トランジスタ７を含む。

光電変換部１は、入射光によって生じた電荷を蓄積する。第１の転送スイッチ４は、光電変換部１の電荷を保持部２に転送する。保持部２は、入射光によって生じた電荷を、光電変換部１とは別の場所で保持する。第２の転送スイッチ５は、保持部２の電荷を増幅部１０の入力ノード３に転送する。リセットトランジスタ９は、増幅部１０の入力ノード３の電圧をリセットする。選択トランジスタ７は、出力線８に信号を出力する画素２０を選択する。増幅部１０は、入射光によって生じた電荷に基づく信号を出力線８に出力する。増幅部１０は、例えばソースフォロアである。また、第１の転送スイッチ４、および、第２の転送スイッチ５は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタである。

第１の転送スイッチ４には、制御線Ｔｘ１が接続される。第２の転送スイッチ５には、制御線Ｔｘ２が接続される。本実施例では、複数の画素が行列状に配される。１つの行に含まれる画素には共通の制御線が接続される。そこで、例えばｎ行目の画素については、制御線Ｔｘ１（ｎ）と表記する。

このような構成により、保持部２が電荷を保持している間に生じた電荷を、光電変換部１が蓄積することができる。そのため、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。

図２は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図２には１つの画素の断面が示されている。図１と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。図２は表面照射型の撮像装置を示しているが、裏面照射型としてもよい。

光電変換部１は埋め込み型のフォトダイオード構造を有する。光電変換部１は、Ｎ型の半導体領域１１、および、Ｐ型の半導体領域１２を含む。Ｎ型の半導体領域１１、および、Ｐ型の半導体領域１２がＰＮ接合を構成する。Ｐ型の半導体領域１２により界面のノイズを抑制することが可能となる。

Ｐ型の半導体領域１４はウェルである。Ｎ型の半導体領域１１の下に、Ｎ型の半導体領域１３が配される。Ｎ型の半導体領域１３の不純物濃度は、Ｎ型の半導体領域１１の不純物濃度より低い。これにより、深い位置で生じた電荷がＮ型の半導体領域に収集される。ここでは、Ｎ型の半導体領域１３はＰ型でもよい。Ｎ型の半導体領域１３の下には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるＰ型の半導体領域１７が配される。

保持部２は、Ｎ型の半導体領域２０１を含む。Ｎ型の半導体領域２０１に、信号となる電荷が保持される。Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度は、Ｎ型の半導体領域１１の不純物濃度より高い。

ゲート電極４０は、第１の転送スイッチ４のゲートを構成する。また、ゲート電極５０は、第２の転送スイッチ５のゲートを構成する。Ｎ型の半導体領域２０１の上に、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極４０の一部が配される。ゲート電極４０に負の電圧を与えることにより、Ｎ型の半導体領域２０１の表面にホールを誘起することができる。これにより、界面で発生するノイズを抑制することができる。

保持部２は、遮光部２０３によって遮光される。遮光部２０３は、タングステンやアルミニウム等の可視光にとって光を通しにくい金属で形成される。遮光部２０３の開口の上に、カラーフィルタ１００、マイクロレンズ１０１が配される。

光電変換部１および保持部２は半導体基板に配される。この実施例では、半導体基板の表面と平行な面への光電変換部１の正射影の面積が、当該面への保持部２の正射影の面積より小さい。このような構成によれば、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができるという効果が得られる。

画素の飽和電荷量を向上させるためには、保持部２が大きな飽和電荷量を持つことが好ましい。保持部２のＮ型の半導体領域２０１の不純物濃度を高くすること、あるいは、平面視におけるＮ型の半導体領域２０１の面積を大きくすることにより、保持部２の飽和電荷量を増やすことができる。しかし、Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度が高いと、リーク電流などが大きくなりやすく、ノイズが大きくなる可能性がある。そのため、平面視におけるＮ型の半導体領域２０１の面積を大きくすることで、Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度を抑えつつ、飽和電荷量を増やすことができる。

このように、平面視における保持部２の面積、つまり、保持部２の正射影の面積を大きくすることで、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができる。そうすると、相対的に、平面視における光電変換部１の面積が小さくなりやすく、光電変換部１の飽和電荷量を増やすことが困難になる。したがって、光電変換部１の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を維持できるという効果がより顕著になる。

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図３は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図３では、ｎ〜ｎ＋２行目の画素の、第１の転送スイッチ４の制御線Ｔｘ１と第２の転送スイッチ５の制御線Ｔｘ２に供給される駆動パルスが示されている。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

まず、時刻Ｔ１より前に、前フレームの露光が行われている。露光とは、光電変換によって生じた電荷が信号として蓄積または保持されることを意味する。時刻Ｔ１より前に生じた電荷は、保持部２に保持されている。前フレームの露光の終了は、光電変換部１から保持部２への電荷の第１の転送スイッチ４を全画素同時にオンからオフへ制御することである（図１の時刻Ｔ１）。

また、時刻Ｔ１においては、光電変換部１の電荷が全て保持部に転送される。つまり、光電変換部１が初期状態になる。そのため、時刻Ｔ１において、３行の画素の光電変換部１が同時に電荷の蓄積を開始する。このように、本実施例では、第１の転送スイッチ４がオフすることで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。

時刻Ｔ１から第１の期間が経過する時刻Ｔ２までは、第１の転送スイッチ４がオフに維持される。この実施例では、全ての画素の第１の転送スイッチ４がオフに維持される。しかし、少なくとも１つの画素において、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、第１の転送スイッチ４がオフに維持されていればよい。

時刻Ｔ１から第１の期間が経過した時が時刻Ｔ２である。すなわち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間が第１の期間である。第１の期間においては、当該第１の期間に生じる電荷が光電変換部１に蓄積される。一方、第１の期間には、保持部２は前フレームで生じた電荷を保持している。

そして、第１の期間に、保持部２の電荷が増幅部１０の入力ノード３に順次読み出される。具体的には、ｎ行目の第２の転送スイッチ５をオンとすることで、ｎ行目の画素の保持部２の電荷を入力ノード３に転送する。入力ノード３の容量と転送された電荷の量に応じて、入力ノード３の電圧が変化する。増幅部１０によって、入力ノードの電圧に基づく信号が出力線８に出力される。次にｎ＋１行目の画素について同様の動作が行われる。この動作が、１行目の画素から最後の行の画素までのそれぞれにおいて行われる。最後の画素で読み出しが行われた後には、全ての画素の第１の転送スイッチ４および第２の転送スイッチ５がオフしている。

時刻Ｔ２に、第１の転送スイッチ４をオンにする。これにより、光電変換部１の電荷が保持部２に転送される。つまり、時刻Ｔ２以降は、第１の期間に生じた電荷が、保持部２によって保持される。この実施例では、全ての画素の第１の転送スイッチ４が同時にオフからオンに遷移する。しかし、時刻Ｔ２までに、複数の画素の第１の転送スイッチ４がオンしていればよく、遷移のタイミングは互いに異なっていてもよい。たとえば、上述の読み出し動作が終わった画素から順に、第１の転送スイッチ４をオンにしてもよい。

その後、時刻Ｔ２から第２の期間が経過する時刻Ｔ３まで、保持部が、第１の期間に生じた電荷と、第２の期間に生じた電荷との両方を保持する。この実施例では、第２の期間において第１の転送スイッチ４がオンに維持される。そのため、第２の期間に生じた電荷は、即座に保持部２に転送される。なお、光電変換部１から保持部２に電荷を転送する期間は自由に設定することができる。第２の期間の一部で、第１の転送スイッチ４がオフしていてもよい。

時刻Ｔ３において、全ての行の画素の第１の転送スイッチ４がオンからオフに同時に制御される。これにより、１フレームの露光期間が終了する。このように、全ての画素の間で、露光期間が互いに一致している。つまり、全ての画素において、時刻Ｔ１に露光が開始し、時刻Ｔ３に露光が終了する。また、時刻Ｔ３において、次フレームの露光が開始され、以降、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの動作が繰り返される。

次に、１画素からの信号の読み出しの動作を簡単に説明する。図４は、撮像装置に用いられる駆動パルスを模式的に示している。図４には、選択トランジスタ７に供給される駆動パルスＳＥＬ、リセットトランジスタ９に供給される駆動パルスＲＥＳ、及び、第２の転送スイッチ５に供給される駆動パルスＴｘ２が示される。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。

図４に示される駆動パルスにしたがって、画素の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ読み）、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が行われる。出力された信号は、撮像装置の外部でＡＤ変換されてもよい。撮像装置の内部でＡＤ変換されてもよい。

図５は、撮像装置の動作を模式的に示している。図５には、第ｎフレームから第ｎ＋１フレームまでの撮像動作が示されている。第ｎフレームに関する動作は実線で、第ｎ＋１フレームに関する動作は点線で示されている。

図５には、各フレームでの露光期間、光電変換部１が電荷を蓄積している期間、および、保持部２が電荷を保持している期間が示されている。また、図５は、第１の期間において、複数の画素の読み出し動作が行われていることを示している。図５における読み出し動作とは、図３および図４で説明した、第２の転送スイッチ５による電荷の転送と、増幅部１０による信号の出力とを含む動作である。

図５が示すように、１フレームの露光が終了してからすぐに、次の露光を開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができるため、画質を向上させることができる。

また、図５が示すように、光電変換部１が電荷を蓄積している第１の期間に、複数の画素のそれぞれに対して読み出し動作が行われる。このため、光電変換部１の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を増加させることができる。画素の飽和電荷量は、１回の露光で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。光電変換部１の飽和電荷量、および、保持部２の飽和電荷量は、それぞれ、光電変換部１が蓄積できる電荷量の最大値、および、保持部２が保持できる電荷量の最大値である。

１回の露光期間は、第１の期間と第２の期間の合計である。ここで、保持部２に保持された前フレームの電荷は、第１の期間に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部２が電荷を保持することができる。したがって、光電変換部１は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間に生じる電荷の量は、１回の露光期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部１の飽和電荷量を小さくすることができるのである。

図５が示すように、本実施例では、保持部２が電荷を保持している第２の期間の方が、第１の期間よりも長い。そのため、光電変換部１の飽和電荷量をより小さくできる。しかし、第１の期間が第２の期間と等しくてもよいし、第１の期間が第２の期間より長くてもよい。

図５では、１行目から順に読み出し動作を行う例を示している。しかし、読み出し動作を行う順序はこの例に限られない。第１の期間に、１フレームを構成する画素のそれぞれに対して少なくとも１回ずつ読み出しが行われればよい。また、少なくとも一部の画素においては、あるフレームで保持部２が電荷の保持を開始してから、次のフレームで当該保持部２が電荷の保持を開始するまでの期間が、露光期間に等しい。

第１の期間と第２の期間との合計に対する第１の期間の比と、保持部２の飽和電荷量に対する光電変換部１の飽和電荷量の比が、ほぼ等しいことが好ましい。より詳細には、光電変換部１の飽和電荷量をＡ_１、保持部２の飽和電荷量をＡ_２、第１の期間をＰ_１、第２の期間をＰ_２とする。そうすると、Ａ_１、Ａ_２、Ｐ_１、Ｐ_２が次の式（１）の関係を満たす。ここで、第１の期間Ｐ_１と第２の期間Ｐ_２との合計は、１回の露光期間Ｐ_１＋Ｐ_２のことである。

より好適には、第１の期間と第２の期間との合計に対する第１の期間の比と、保持部２の飽和電荷量に対する光電変換部１の飽和電荷量の比が等しい。すなわち、Ａ_１、Ａ_２、Ｐ_１、Ｐ_２が次の式（２）の関係を満たす。

この実施例では、第１の期間に対する１回の露光期間の比は４である。つまり、第１の期間は、１回の露光期間の１／４である。例えば、毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、露光期間は１／６０秒であり、第１の期間は１／２４０秒である。

そのため、保持部２の飽和電荷量に対する、光電変換部１の飽和電荷量の比は１／４に近いことが好ましい。これは、保持部２は１回の露光期間で生じた電荷の全部を保持するのに対し、光電変換部１はその１／４の量の電荷を保持すればよいからである。具体的には、保持部２の飽和電荷量が４００００電子の場合、光電変換部１の飽和電荷量は、５０００電子以上、２５０００電子以下の範囲であるとよい。好適には、光電変換部１の飽和電荷量は１００００電子である。

このように上述の式（１）で表される飽和電荷量の比とすることで、光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。

また、保持部２が光電変換部１から溢れた電荷を保持するように構成する場合は、Ａ_１、Ａ_２、Ｐ_１、Ｐ_２が次の式（３）を満足するとよい。

具体的に、保持部２の飽和電荷量が４００００電子の場合、光電変換部１の飽和電荷量が、５０００電子以上、１００００電子未満での範囲である。このような構成により、光電変換部１から溢れた電荷を保持部２が保持することができるため、電荷の混入を低減できる。

一方、Ａ１、Ａ２、Ｐ１、Ｐ２が次の式（４）を満足する場合、光電変換部１の飽和電荷量に余裕を持たせることができるため、電荷の溢れ出しを低減できる。

なお、本実施例の撮像装置は、ローリングシャッタを行う動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタの動作モードでは、複数の画素の光電変換部１による電荷の蓄積を、順次、開始する。その後、複数の画素の第１の転送スイッチ４を、順次、オンに制御する。また、別の方式のグローバル電子シャッタを行う動作モードを有していてもよい。別の方式のグローバル電子シャッタとは、光電変換部１が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作である。

以上に説明した通り、本実施例の撮像装置によれば、飽和電荷量を向上しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、保持部の構造が実施例１と異なる。そこで、実施例１と異なる点のみを説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の等価回路は、実施例１と同じである。すなわち、図１は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図１についての説明は、実施例１と同様なので、省略する。

本実施例の駆動方法は、実施例１と同じである。すなわち、図３および図４は、それぞれ、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。また、図５は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に示している。図３〜５についての説明は、実施例１と同様なので、省略する。

図６は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図６には１つの画素の断面が示されている。図１〜５と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。

保持部２は、Ｎ型の半導体領域２０１と、Ｐ型の半導体領域２０２を含む。Ｐ型の半導体領域２０２は、Ｎ型の半導体領域２０１の上に配される。Ｐ型の半導体領域２０２により界面のノイズを抑制することが可能となる。

また、第１の転送スイッチ４のゲート電極４０は、Ｎ型の半導体領域２０１の上に延在していない。このため、レイアウトの制約が少なくなるため、設計の自由度を高めることができる。

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ノイズを低減することができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、画素が排出スイッチを有する点が実施例１および実施例２と異なる。そこで、実施例１および実施例２と異なる点のみを説明し、実施例１あるいは実施例２と同様の部分についての説明は省略する。

図７は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図１と同様の部分には同じ符号を付してある。なお、図面の簡略化のため、制御線Ｔｘ１、および、制御線Ｔｘ２の符号は省略してある。制御線Ｔｘ１、および、制御線Ｔｘ２は実施例１と同様の構成である。

各画素は、排出スイッチ１８を有している。排出スイッチ１８は、光電変換部１の電荷をオーバーフロードレインなどの電源ノードに排出する。排出スイッチ１８には、制御線ＯＦＧが接続される。排出スイッチ１８は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。

実施例１では、光電変換部１による電荷の蓄積が、第２の転送スイッチ５をオンからオフへ制御することによって開始される。本実施例では、図９で示すように、排出スイッチ１８を制御して、露光開始を制御することも可能である。具体的には、排出スイッチ１８をオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。これにより、露光時間を自由に設定することが可能である。

図８は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図１および図２と同様の機能を有する部分には同じ符号を付してある。図８は、実施例２と同様に、保持部２がＰ型の半導体領域２０２を含む例を示している。図１のように、保持部２にＰ型の半導体領域２０２が含まれなくてもよい。

排出スイッチ１８は、オーバーフロー制御電極１６とオーバーフロードレイン１５とを有する。オーバーフロー制御電極１６に供給される電圧に応じて、光電変換部１の電荷がオーバーフロードレイン１５に排出される。オーバーフロードレイン１５には、所定の電圧が供給される。オーバーフロー制御電極１６とオーバーフロードレイン１５は、遮光部２０３によって遮光される。

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図９は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図９では、ｎ〜ｎ＋２行目の画素の、制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、および、制御線ＯＦＧに供給される駆動パルスが示されている。制御線Ｔｘ１、および、制御線Ｔｘ２に供給される駆動パルスは、実施例１と同じである。

駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

図９（ａ）と図９（ｂ）とは、排出スイッチ１８の動作するタイミングを変更している。図９（ａ）では、時刻Ｔ４に排出スイッチ１８をオンからオフに制御している。排出スイッチ１８がオンしている間は生じた電荷が排出される。そのため、図９（ａ）の駆動によれば、露光期間は時刻Ｔ４から時刻Ｔ３である。図９（ｂ）では、時刻Ｔ５に排出スイッチ１８をオンからオフに制御している。そのため、図９（ｂ）の駆動によれば、露光期間は時刻Ｔ５から時刻Ｔ３である。

本実施例によれば、被写体の明るさに応じて、駆動方法を変えることができる。例えば、通常は図３の駆動パルスを用い、明るい時は図９（ａ）の駆動パルスを用い、さらに明るい時は図９（ｂ）の駆動パルスを用いる。

なお、図９（ａ）においては、時刻Ｔ４に光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。そして、時刻Ｔ４から時刻Ｔ３までの間、排出スイッチ１８はオフに維持される。また、読み出し動作は、図４に示された駆動パルスに基づいて行われる。

このように、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、露光期間を自由に設定することができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、光電変換部に光を導く導波路が設けられた点が実施例１乃至実施例３と異なる。そこで、実施例１乃至実施例３と異なる点のみを説明し、実施例１乃至実施例３のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の等価回路は、実施例１あるいは実施例３と同じである。すなわち、図１および図７は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図１および図７についての説明は、それぞれ、実施例１および実施例３と同様なので、省略する。

本実施例の駆動方法は、実施例１あるいは実施例３と同じである。すなわち、排出スイッチがない場合には、図３および図４に示される駆動パルスが用いられる。画素が排出スイッチを有する場合には、図９および図４に示される駆動パルスが用いられる。また、図５は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に示している。図３〜５、および、図９についての説明は、それぞれ、実施例１および実施例３と同様なので、省略する。

図１０は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図１、図２、図６、図７、または、図８と同様の部分には同じ符号を付してある。図１０は、実施例２と同様に、保持部２がＰ型の半導体領域２０２を含み、かつ、実施例３と同様に、画素が排出スイッチ１８を含む例を示している。しかし、Ｐ型の半導体領域２０２および排出スイッチ１８は省略されてもよい。

本実施例では、光電変換部１に対応して導波路３０１が配される。導波路３０１は、入射した光を光電変換部１に導く。これにより、感度を向上させることができる。特に、斜めに入射する光に対しての感度低下を低減することができる。

導波路３０１には、公知の構造が用いられる。本実施例では、導波路３０１は、周囲の絶縁膜よりも高い屈折率を有する材料で構成される。例えば、周囲の絶縁膜としては、シリコン酸化膜で構成された層間絶縁膜が用いられ、導波路３０１にはシリコン窒化膜が用いられる。あるいは、導波路３０１の周囲に反射層が設けられる。導波路３０１は、全ての画素の光電変換部１に対応して配されてもよいし、一部の画素の光電変換部１にのみ配されてもよい。

カラーフィルタ１００と導波路３０１との間に、層内レンズ３０２が配されてもよい。層内レンズ３０２は、カラーフィルタ１００を通過した光を導波路３０１に集光する。層内レンズ３０２により、感度を向上させることができる。特に、斜めに入射する光に対しての感度低下を低減することができる。

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、感度を向上させることができる。特に、平面視における保持部２の面積を大きくするため、平面視における光電変換部１の面積を小さくした場合に、感度を向上の効果が顕著である。

別の実施例を説明する。本実施例では、保持部の構造が実施例１乃至実施例４と異なる。そこで、実施例１乃至実施例４と異なる点のみを説明し、実施例１乃至実施例４のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の駆動方法は、実施例１あるいは実施例３と同じである。すなわち、排出スイッチがない場合には、図３および図４に示される駆動パルスが用いられる。排出スイッチを有する場合には、図９よび図４に示される駆動パルスが用いられる。また、図５は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に示している。図３〜５、および、図９についての説明は、それぞれ、実施例１および実施例３と同様なので、省略する。

図１１は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図１、図２、図６、図７、図８、または、図１０と同様の部分には同じ符号を付してある。図１１は、実施例２と同様に、保持部２がＰ型の半導体領域２０２を含み、かつ、実施例３と同様に、画素が排出スイッチ１８を含む例を示している。しかし、Ｐ型の半導体領域２０２および排出スイッチ１８は省略されてもよい。また、図１１は、導波路３０１および層内レンズ３０２が配された例を示している。しかし、導波路３０１および層内レンズ３０２は省略されてもよい。

本実施例では、保持部２に含まれ、電荷を保持するＮ型の半導体領域２０１の下に、Ｐ型の半導体領域３０３、および、Ｐ型の半導体領域３０４が配される。Ｐ型の半導体領域３０４はＰ型の半導体領域３０３の下に配される。Ｐ型の半導体領域３０３の不純物濃度は、Ｐ型の半導体領域３０４の不純物濃度より高い。このような構成により、基板の深部の電荷がＮ型の半導体領域２０１に侵入することを防ぐことができる。結果として、ノイズを低減することができる。

また、本実施例では、Ｐ型の半導体領域３０４が、Ｐ型の半導体領域１７に到達するまで延在している。このような構成により、画素間の電荷の混色を低減することが可能である。

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、ノイズを低減することができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、駆動方法が実施例１乃至実施例５と異なる。そこで、実施例１乃至実施例５と異なる点のみを説明し、実施例１乃至実施例５のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の等価回路は、実施例１あるいは実施例３と同じである。すなわち、図１および図７は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図１および図７についての説明は、それぞれ、実施例１および実施例３と同様なので省略する。

本実施例の画素の断面構造は、実施例１乃至実施例５と同じである。すなわち、図２、図６、図８、図１０、および、図１１は、本実施例の画素の断面構造を模式的に示している。

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図１２は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図１２では、ｎ〜ｎ＋２行目の画素の、制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、および、制御線ＯＦＧに供給される駆動パルスが示されている。制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、および、制御線ＯＦＧに供給される駆動パルスは、実施例１または実施例３と同じである。なお、画素が排出スイッチ１８を有していない場合は、制御線ＯＦＧに供給する駆動パルスは不要である。

本実施例では、第２の期間の一部に、第１の転送スイッチ４がオフになる。具体的には、時刻Ｔ６において、第１の転送スイッチ４がオンからオフへ制御される。その後、時刻Ｔ７において、第１の転送スイッチ４がオフからオンへ制御される。このような構成により、第１の転送スイッチ４がオンしている期間を短くすることができる。その結果、第１の転送スイッチ４で生じるノイズを低減することができる。

本実施例では、時刻Ｔ８に、再び、第１の転送スイッチ４をオフからオンへ制御している。このように、第１の転送スイッチ４のオフからオンへの制御が、第２の期間に複数回行われる。このような構成により、さらにノイズを低減することができる。

また、このオフからオンへの制御の回数は、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比と同じか、それよりも大きいことが好ましい。本実施例では、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比が４である。そのため、第１の転送スイッチ４のオフからオンへの制御は、第２の期間に４回行われる。

別の実施例を説明する。本実施例では、駆動方法が実施例１と異なる。そこで、実施例１と異なる点のみを説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の等価回路は、実施例１と同じである。すなわち、図１は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図１についての説明は実施例１と同様なので省略する。

本実施例の画素の断面構造は、実施例１と同じである。すなわち、図２は、本実施例の画素の断面構造を模式的に示している。図２についての説明は実施例１と同様なので省略する。

図１３は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に表している。図１３には、第ｎフレームから第ｎ＋１フレームまでの撮像動作が示されている。第ｎフレームに関する動作は実線で、第ｎ＋１フレームに関する動作は点線で示されている。図１３には、各フレームでの露光期間、光電変換部１が電荷を蓄積している期間、および、保持部２が電荷を保持している期間が示されている。さらに、図１３は読み出し動作を示している。図１３における読み出し動作とは、図３および図４で説明した、第２の転送スイッチ５による電荷の転送と、増幅部１０による信号の出力とを含む動作である。なお、図１３では、第１の期間と第２の期間とが等しい。

図１３が示す通り、複数の画素の読み出し動作は、対応する露光期間が終了した後に、言い換えると、第１の期間と第２の期間とが経過した後に行われる。読み出し動作が行われる期間には、電荷が蓄積されない。この実施例において、露光期間は、第１の期間と第２の期間の合計である。

このような動作の場合、保持部２の飽和電荷量Ａ_２に対する光電変換部１の飽和電荷量Ａ_１の比は、第１の期間Ｐ_１と第２の期間Ｐ_２との合計に対する第１の期間Ｐ_１の比とほぼ等しいことが好ましい。つまり、Ａ１、Ａ２、Ｐ１、Ｐ２が式（５）を満足することが好ましい。

例えば、本実施例では、光電変換部１が電荷を蓄積する期間、つまり、第１の期間が、１回の露光期間の半分である。そうすると、保持部２の飽和電荷量は、光電変換部１の飽和電荷量の２倍程度でよい。保持部２がそれよりも大きな飽和電荷量を持っていても、光電変換部１において電荷があふれてしまうからである。したがって、上述の式（５）で表される飽和電荷量の比とすることで、光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。

本発明に係る撮像システムの実施例について説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１４に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

図１４において、１００１はレンズの保護のためのバリア、１００２は被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ、１００３はレンズ１００２を通った光量を可変するための絞りである。１００４は上述の各実施例で説明した撮像装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置１００４の半導体基板にはＡＤ変換部が形成されているものとする。１００７は撮像装置１００４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図１４において、１００８は撮像装置１００４および信号処理部１００７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１００９はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。１０１０は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリ部、１０１１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、１０１２は撮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る。そして、１０１３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。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。

本実施例では、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが同一の半導体基板に形成された構成を説明した。しかし、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

１光電変換部
２保持部
４第１の転送スイッチ
５第２の転送スイッチ
８出力線
１０増幅部

本発明の１つの側面に係る実施形態は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、前記第２の期間の少なくとも一部において、前記光電変換部が前記第２の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御され、前記光電変換部の飽和電荷量Ａ１、前記保持部の飽和電荷量Ａ２、前記第１の期間Ｐ１、前記第２の期間Ｐ２が、所定の関係を満たす、ことを特徴とする。

Claims

入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、
前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、
第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、
前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、
前記第２の時刻から第３の時刻まで、前記複数の画素の前記保持部が、前記光電変換部において前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷、および、前記光電変換部において前記第２の時刻から前記第３の時刻までの第２の期間に生じた電荷を保持し、
前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御され、
前記光電変換部の飽和電荷量Ａ１、前記保持部の飽和電荷量Ａ２、前記第１の期間Ｐ１、前記第２の期間Ｐ２が、次の関係を満たす、

ことを特徴とする撮像装置。
前記複数の画素のそれぞれが、前記光電変換部の電荷を排出する排出スイッチを有し、
前記第１の時刻から前記第２の時刻まで、前記少なくとも１つの画素の前記排出スイッチがオフに維持される、
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記排出スイッチをオンからオフへ制御することによって、前記電荷の蓄積を開始する、
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
前記第１の転送スイッチをオンからオフへ制御することによって、前記電荷の蓄積を開始する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
遅くとも前記第２の時刻までに、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンに制御され、
前記第２の期間の一部において、前記第１の転送スイッチがオフに制御される、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記第２の期間において、前記第１の転送スイッチのオフからオンへの制御を複数回行う、
ことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記複数回は、前記光電変換部の飽和電荷量に対する前記保持部の飽和電荷量の比よりも大きい、
ことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
前記第２の時刻から前記第３の時刻まで、前記複数の画素の前記第１のスイッチをオンに維持する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記保持部は、前記電荷を保持する第１導電型の第１の半導体領域を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記保持部は、前記第１の半導体領域の上に配された第２導電型の第２の半導体領域を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
前記保持部は、前記第１の半導体領域の下に配された第２導電型の第３の半導体領域、および、前記第３の半導体領域の下に配された第２導電型の第４の半導体領域を含み、
前記第３の半導体領域の不純物濃度が、前記第４の半導体領域の不純物濃度より高い、
ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の撮像装置。
前記複数の画素のそれぞれの前記光電変換部に対応して配された導波路を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが、順次、オンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が、順次、前記信号を前記出力線へ出力する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記第２の時刻に、前記複数の画素の前記第１のスイッチをオフからオンへ制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記第１の期間に、前記増幅部による前記信号の出力が終わった画素から順に、前記第１の転送スイッチがオフからオンへ制御される、
ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
前記光電変換部の飽和電荷量Ａ１、前記保持部の飽和電荷量Ａ２、前記第１の期間Ｐ１、前記第２の期間Ｐ２が、次の関係を満たす、

ことを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像装置。
請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置からの信号を処理する信号処理装置と、を備える、
ことを特徴とする撮像システム。