JP4264251B2 - 固体撮像装置とその動作方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置とその動作方法に関し、特に光ダイナミックレンジの広い固体撮像装置とその動作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤイメージセンサを代表とする固体撮像装置は、その構成単位である画素の高集積化、高感度化を最重要課題として発展してきた。その結果、画素数は、１００万画素をはるかに越える固体撮像装置も珍しくなくなった。種々の技術開発により高感度化においても著しい進歩を遂げている。デジタルカメラ応用では、解像度と感度において、従来の銀塩フィルムを上回る性能を達成するに到っている。
【０００３】
しかし、露光量に対するダイナミックレンジ（光ダイナミックレンジ）に関しては、固体撮像装置は従来の銀塩フィルムにはるかに及ばない。光ダイナミックレンジが狭いと、例えばカメラフラッシュを用いてウェディングドレスを撮影すると白いウェディングドレスのディテールが均一の白色で塗りつぶされる、顔を撮影した時鼻先や頬のハイライト部分が不自然に白く塗りつぶされる、等のいわゆる白とびや、室内の撮影において背景の窓外の景色が表現できない等の現象として現れる。
【０００４】
固体撮像装置のホトダイオードにおいては、露光量に比例して光励起の電荷が発生し、蓄積される。ホトダイオードが蓄積できる電荷には最大値があり、最大蓄積電荷量に達すると、それ以上の電荷は蓄積できない。ホトダイオードの特性は露光量に比例するリニア部分と最大蓄積電荷量に達し、蓄積電荷量がそれ以上増加しない飽和部分とを有する。感度が高いほど、出力電圧は低い露光量で飽和する。広い光ダイナミックレンジを実現するためには、感度は低いほうがよい。しかし、感度を低くすると、相対的に暗い被写体の撮影が困難になる。
【０００５】
図５は、固体撮像装置の光電変換特性を示す。横軸は（個々の光電変換素子ではなく）固体撮像装置への入射光量である露光量を示す。縦軸は光電変換素子に蓄積された電荷に基づき固体撮像装置が生成する出力電圧を示す。露光量の増加により出力電圧が飽和する時の出力電圧が飽和出力電圧である。飽和出力電圧の時、光電変換素子には最大蓄積電荷量が蓄積されている。飽和出力電圧に達する露光量が飽和露光量である。光ダイナミックレンジは飽和露光量によって決定される。飽和出力電圧が一定の２つの感度特性ＨＳとＬＳを示す。
【０００６】
曲線ＬＳは、単位露光量に対する出力電圧の増加、すなわち感度、が少なく、低感度である。飽和出力電圧に達する露光量、すなわち飽和露光量ＩＳＬは高く、広い光ダイナミックレンジＤＬを有する。
【０００７】
曲線ＨＳは、単位露光量に対する出力電圧の増加（感度）が大きく、高感度である。飽和出力電圧に達する飽和露光量ＩＳＨは低く、狭い光ダイナミックレンジＤＨを有する。図から明らかなように、高感度であることが、光ダイナミックレンジを狭くすることになる。
【０００８】
図６は、広い光ダイナミックレンジを実現する従来技術の１例を示す平面図である。半導体チップ上に複数のホトダイオード５１、５２が正方行列状に配列され、各ホトダイオード列に沿って、垂直電荷転送素子（ＶＣＣＤ）５５が配置されている。ホトダイオード５１とホトダイオード５２は、同一の面積を有し、同一の飽和出力電圧を有する。垂直電荷転送素子５５の一端は水平電荷転送素子（ＨＣＣＤ）５６に結合されている。水平電荷転送素子５６の出力は出力回路５７に供給される。
【０００９】
ホトダイオード上方に遮光膜が形成され各ホトダイオードに対応する開口を有する。奇数行のホトダイオード５１上の開口５３は広く、偶数行のホトダイオード５２上の開口５４は狭い。開口を通過する光は開口の面積に応じて変化する。同一露光量において、狭い開口５４を備えたホトダイオード５２が受ける光量は、広い開口５３を備えたホトダイオード５１が受ける光量より少ない。
【００１０】
従って、狭い開口５４を備えたホトダイオード５２は、広い開口５３を備えたホトダイオード５１より感度が低くなる。ホトダイオード５１は図５の高感度特性ＨＳに対応し、ホトダイオード５２は図５の低感度特性ＬＳに対応する。
【００１１】
高感度ホトダイオード５１の感度をＲ１とし、低感度ホトダイオード５２の感度をＲ２とする。両ホトダイオードの飽和出力電圧は等しいので、低感度ホトダイオード５２の飽和露光量は、高感度ホトダイオードの飽和露光量のＲ１／Ｒ２倍となる。
【００１２】
高感度ホトダイオード５１と低感度ホトダイオード５２で得られた画像信号を外部に読み出した後合成する。撮像シーンの内、光量が少ない暗い部分は、主として高感度ホトダイオード５１の信号から画像を生成し、光量の多い明るい部分は主として低感度ホトダイオード５２の信号から画像を生成することができる。この構成により、高感度でかつ光ダイナミックレンジの広い撮像装置を得ることができる。
【００１３】
図６の構成は、１つの高感度ホトダイオード５１と１つの低感度ホトダイオード５２によって１つの画素を構成する。２個のホトダイオードで１つの画素を構成するため、実効画素数が１／２に減少し、解像度が１／２に減少することになる。
【００１４】
広い光ダイナミックレンジを得る他の方法として、同じホトダイオードで同一シーンを２回撮像する方法がある。信号蓄積時間を異ならせて、露光時間の長い高感度撮像と露光時間の短い低感度撮像とを行う。２つの撮像を合成することにより、図６の構成同様に、高感度で広い光ダイナミックレンジを得ることができる。この方法は、静止した被写体には有効であるが、２回の撮像時刻が異なるため、動く被写体に対しては再生画像が破綻してしまう。
【００１５】
【特許文献１】
特開平０９−１１６８１５
【特許文献２】
特開平０９−２５２１０７
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高感度で光ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、高解像度、高感度、広い光ダイナミックレンジを有する固体撮像装置を提供することである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、このような固体撮像装置の新規な動作方法を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、解像度を犠牲にすることなく、同時刻性を保持しつつ、光ダイナミックレンジを拡大する技術を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の画素であって、各画素が電気的に分離された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子を有する複数の画素と、前記半導体基板上方に形成され、各画素の上方に１つの開口を有する遮光膜と、を有し、少なくとも第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは飽和露光量が異なり、さらに、前記各画素の近傍に配置された電荷読み出し手段と、前記第１の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷読み出し手段に転送するための第１の転送制御電極と、前記第１の転送制御電極とは電気的に分離され、前記第２の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷読み出し手段に転送するための第２の転送制御電極と、を有する固体撮像装置が提供される。
【００２１】
本発明の他の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の画素であって、各画素が電気的に分離された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子を有する複数の画素と、前記半導体基板上方に形成され、各画素の上方に１つの開口を少なくとも有する遮光膜と、を有し、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは飽和露光量が異なる固体撮像装置の動作方法であって、第１の信号読み出し期間に前記第１の光電変換素子から第１の信号電荷を読み出す工程と、第１の信号読み出し期間に続く第２の信号読み出し期間に前記第２の光電変換素子から第２の信号電荷を読み出す工程と、を含む固体撮像装置の動作方法が提供される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２４】
図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置の平面図および断面図である。図１（Ａ）は、複数の画素を有する固体撮像装置の概略平面図であり、図１（Ｂ）は、その１つの画素のホトダイオード部の拡大図である。図１（Ｃ）は、１画素分の断面図である。
【００２５】
図１（Ａ）に示すように、シリコン基板上に複数の画素８が配置され、各画素上に１つの開口９が形成されている。各画素列の右側に電荷読み出し手段である垂直電荷転送素子（ＶＣＣＤ）１０が配置され、画素８から読み出した電荷を垂直方向に転送する。複数のＶＣＣＤの出力端に１つの水平電荷転送素子（ＨＣＣＤ）１１が配置され、ＶＣＣＤから１行分づつ信号電荷を受け取り、高速転送して出力回路１２に提供する。
【００２６】
図１（Ｂ）に示すように、各画素８は、分離領域１４で分離された光電変換素子である主ホトダイオード１と副ホトダイオード２とを含む。理解を容易にするため、ホトダイオードの領域にハッチングを付して示す。主ホトダイオード１、副ホトダイオード２は、その右側に転送部１５、１６を備える。転送部１５、１６に接する部分では、主ホトダイオード１、副ホトダイオード２は、ほぼ同一の垂直方向寸法を有し、転送部１５、１６を介して、ＶＣＣＤ１０の転送段に対向する。主ホトダイオード１、副ホトダイオード２に蓄積された電荷は矢印で示すように転送部１５、１６を介してＶＣＣＤ１０に読み出される。
【００２７】
転送部１５，１６から離れた領域においては、主ホトダイオード１の垂直方向寸法が拡大され、それに応じて副ホトダイオード２の垂直方向寸法は減少している。したがって、主ホトダイオード１の面積は広く、副ホトダイオード２の面積は狭い。面積に対応して、飽和出力電圧は相異する。主ホトダイオードの相対的に高い飽和出力電圧をＶｓａｔ１，副ホトダイオードの相対的に低い飽和出力電圧をＶｓａｔ２とする。
【００２８】
遮光膜の開口９は、１画素に１つ設けられ、その下に主ホトダイオード１、副ホトダイオード２の各一部を露出する。主ホトダイオード１は、その面積の大部分が開口９内に露出されるが、副ホトダイオード２はその面積の限られた一部のみが開口９内に露出される。副ホトダイオード２は遮光膜によってその平面領域の半分以上が覆われている。開口内露出面積のホトダイオード面積に対する比（開口率）の相異により主ホトダイオードは高感度Ｒ１を有し、副ホトダイオード２は低感度Ｒ２を有する（Ｒ１＞Ｒ２）。
【００２９】
飽和露光量ＳＥは、感度Ｒに逆比例し、最大蓄積電荷量従って飽和出力電圧Ｖｓａｔに比例する。ここで、係数を省略し、ＳＥ＝Ｖｓａｔ／Ｒと略記する。主ホトダイオード１の飽和露光量ＳＥ１は、ＳＥ１＝Ｖｓａｔ１／Ｒ１，副ホトダイオードの飽和露光量はＳＥ２＝Ｖｓａｔ２／Ｒ２となる。
【００３０】
図１（Ｃ）は、１画素分の断面構造を示す。ｎ型シリコン基板２０は、その表面にｐ型層２１を備える。ｐ型層２１表面にｎ型領域が形成され、主ホトダイオード１、副ホトダイオード２を構成する。その間にはｐ型の分離領域１４が形成される。副ホトダイオード２の右側には、転送部１６を介して、ＶＣＣＤ用のｎ型チャネル領域２２が形成される。主ホトダイオード１の左側には隣接列のＶＣＣＤとの間にｐ型の素子分離領域１３が形成される。
【００３１】
ＶＣＣＤのチャネル領域２２、転送部１６の上方に読み出し時のホトダイオードからの転送制御、ＶＣＣＤ内の転送兼用の転送電極２３が配置される。転送電極は公知の２層ポリシリコン電極で構成できる。３層ポリシリコン電極を用いてもよい。ＶＣＣＤ１０、ＨＣＣＤ１１を覆ってＷ等の遮光膜１９が形成され、開口９が遮光膜１９中にパターニングされる。
【００３２】
遮光膜１９を覆って、平坦な表面を有する絶縁層２４が形成され、その上にカラーフィルタＣＦが配置される。カラーフィルタＣＦ上方にはマイクロレンズＭＣが形成される。カラーフィルタＣＦ、マイクロレンズＭＣは、１つの開口に１つづつ対応して形成される。固体撮像素子上方にはメカニカルシャッタＳが配置される。なお、全構成要素が必ずしも必須ではない。白黒画像用固体撮像装置にはカラーフィルタは不要である。電子シャッタのみで、機械式シャッタは省略してもよい。目的によって、マイクロレンズも省略可能である。
【００３３】
図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で示した構成は、１画素に分離領域１４で分離された２つのホトダイオードを含む点以外は公知の正方配列ＣＣＤ固体撮像装置と同様である。別の見方をすれば、公知のＣＣＤ固体撮像装置の各ホトダイオードが複数部分に分割された構造である。
【００３４】
主ホトダイオード１と副ホトダイオード２を一体化したホトダイオードを考える。すなわち、分離領域１４を取り去り、主ホトダイオード１と副ホトダイオード２とが連続する構造とした、従来同様の非分割ホトダイオードである。この非分割ホトダイオードの感度をＲ０，飽和出力をＶｓａｔ０、飽和露光量をＳＥ０とする。
【００３５】
感度は露光量に対する発生電荷量であるので、
Ｒ０ ＝ Ｒ１ ＋ Ｒ２ （１）
が成立する。飽和出力電圧は最大蓄積電荷量に比例するので、
Ｖｓａｔ０ ＝ Ｖｓａｔ１ ＋ Ｖｓａｔ２ （２）
が成立する。飽和露光量は、
となる。
【００３６】
Ｖｓａｔ１／Ｖｓａｔ２＝ｘ、Ｒ１／Ｒ２＝ｙとすると、
Ｖｓａｔ１＋Ｖｓａｔ２ ＝ （ｘ＋１）Ｖｓａｔ２、
Ｒ１＋Ｒ２ ＝ （ｙ＋１）Ｒ２
となる。従って、非分割ホトダイオードの飽和露光量は、
となる。
【００３７】
書き直すと、
ＳＥ２／ＳＥ０ ＝ （ｙ＋１）／（ｘ＋１） （５）
となる。式（５）の値を１よりも大きくすることが、光ダイナミックレンジの拡大になる。式（５）から、ｙを大きく、ｘを小さくするほど、非分割ホトダイオードの飽和露光量ＳＥ０に比べ、分割ホトダイオードの副ホトダイオードの飽和露光量ＳＥ２を大きくできることが判る。ホトダイオードを分割し、副ホトダイオードの飽和露光量を増大することにより、光ダイナミックレンジを飛躍的に拡大することができる。
【００３８】
この時、主ホトダイオードは高感度とすることができるので、主ホトダイオードと副ホトダイオードとから読み出した画像信号を合成することにより、高感度で広い光ダイナミックレンジを有する画像信号を得ることができる。ｙ＝１５、ｘ＝３とすると、ＳＥ２／ＳＥ０＝１６／４＝４となり、非分割ホトダイオードに比較して、光ダイナミックレンジを４倍に拡大することができる。
【００３９】
ｘの値は小さいほど光ダイナミックレンジを大きくすることができる。しかし、ｘは、副ホトダイオードに対する主ホトダイオードの面積比に対応する値である。ｘを小さくすることは、副ホトダイオードの面積比を大きくすることになる。主ホトダイオードの特性を劣化しないようにするためには、副ホトダイオードの面積はあまり大きくせず、主ホトダイダイオードの面積減少を抑えることが好ましい。
【００４０】
ｙの値は、感度比であり、ホトダイオードの開口内面積によって調整することができる。主ホトダイオードの開口内面積を広く、副ホトダイオードの開口内面積を狭くすることにより、ｙの値を大きくすることができる。
【００４１】
この光ダイナミックレンジの拡大は原理的にはいくらでも可能である。しかし、発明者の知見によれば、２倍〜１０倍の光ダイナミックレンジの拡大が、拡大効果を顕在化し、かつ画像に不自然さを招かない適正範囲である。特に３倍〜６倍の拡大が効果的である。
【００４２】
実際の動作においては、まず第１の転送部１５を制御することにより主ホトダイオードの信号電荷を読み出し、外部に出力した後、第２の転送部１６を制御して副ホトダイオードの信号電荷を読み出す。その後、外部で両画像信号を合成する。
【００４３】
主ホトダイオードが飽和するまでは、主として高感度の主ホトダイオードからの信号電荷により画像信号を形成することができる。主ホトダイオードが飽和しても、副ホトダイオードが飽和するまでは、露光量に応じた信号が得られるので、信号電荷から得た画像信号を合成することにより、広い光ダイナミックレンジの画像信号を生成することができる。
【００４４】
図２は、光ダイナミックレンジ拡大の原理を説明するためのグラフである。横軸は、露光量を示し、縦軸は出力電圧を示す。簡単化のため、主ホトダイオードと副ホトダイオードの飽和出力電圧を等しい（ｘ＝１）とし、感度比ｙを１０とする。
【００４５】
曲線ｖ１が主ホトダイオードの特性を示し、曲線ｖ２が副ホトダイオードの特性を示す。主ホトダイオードは感度が高いので、低い露光量で飽和露光量となる。副ホトダイオードは感度が低く、高い露光量で飽和露光量となる。両特性を加算した合成特性が、曲線ｃで示されている。立ち上がりの高感度特性が、折れ曲がり点Ｋで低感度特性に変化する。副ホトダイオードの飽和露光量まで露光量に応じた画像信号が得られる。
【００４６】
曲線ｐは、比較のための非分割ホトダイオードの特性を示す。ホトダイオードへの全入射光量は同一とした。立ち上がりの特性は合成特性ｃと同一であるが、折れ曲がり点を持たない。曲線ｃの飽和露光量よりはるかに低い露光量Ｌで飽和し、その後は露光量によらず出力電圧は一定である。高感度の露光量領域は曲線ｃより広いが、得られる光ダイナミックレンジは狭い。別の表現をすれば、本発明の実施例によりホトダイオードを分割し、副ホトダイオードの感度を低くすることにより光応答特性に折れ曲がり点Ｋが生じ、光ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４７】
なお、全主ホトダイオードの特性を同一と見なすことができれば、ＶＣＣＤ内で主ホトダイオードからの信号電荷と副ホトダイオードからの信号電荷とを加算してもよい。ＶＣＣＤから合成信号が直接提供され、信号処理は簡単化される。
【００４８】
現在の技術レベルにおいては、主ホトダイオードの特性にある程度のバラツキが生じることは止むを得ない。主ホトダイオードの飽和出力に副ホトダイオードの信号を加算する時、主ホトダイオードからの信号のバラツキは増幅された影響を持つ。主ホトダイオードの信号電荷を読み出した後、一定のレベルでカットすることにより、主ホトダイオードの飽和出力を均一化できる。その後画像信号の合成を行うことにより、主ホトダイオードの特性のバラツキが最終画像信号に与える影響を抑制することができる。
【００４９】
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２の実施例による固体撮像装置の構成を示す平面図である。図３（Ｂ）は、１画素分のホトダイオードの構成を示す。理解を容易にするため、ホトダイオード領域は、ハッチングを付して示す。
【００５０】
図３（Ａ）において、画素８は、いわゆる画素ずらし配列、又はハニカム配列で配列されている。すなわち、奇数行の画素と偶数行の画素は水平方向で半ピッチずれて配置され、奇数列の画素と偶数列の画素は垂直方向で半ピッチずれて配置されている。
【００５１】
各画素８は、基本的に菱形であるが、その頂部が面取りされた（厳密には８角形の）形状を有する。ハニカム配列の菱形画素を採用することで、無効領域を減少させ、ＶＣＣＤの転送路の幅を広く形成できる。
【００５２】
図３（Ｂ）に示すように、各画素８は、主ホトダイオード１と副ホトダイオード２が分離領域１４で電気的に分離された構成を有する。画素上の遮光膜は開口９を有し、主ホトダイオード１と副ホトダイオード２の各一部を露出する。主ホトダイオード１は画素の菱形領域の略３辺に対応して配置され、副ホトダイオード２は、残り１辺に沿って配置されている。第１の実施例同様、主ホトダイオードの開口内面積は広く、副ホトダイオードの開口内面積は狭く設定されている。
【００５３】
図３（Ａ）に示すように、ＶＣＣＤ２７、２８は、各列の画素に沿って蛇行しつつ垂直方向に延在し、転送領域１５、１６を介して主ホトダイオード１、副ホトダイオード２と対向する。１画素当たり４つの転送電極２９，３０，３１，３２がＶＣＣＤ２７、２８の上に配置される。ＶＣＣＤ２７とＶＣＣＤ２８とは左右で対称的な形状を有するが、１行ずらして見れば同一形状である。
【００５４】
転送電極２９〜３２は、２ポリ構造のシリコン電極で構成できる。ＶＣＣＤの延在方向に対し転送電極のエッジは垂直ではなく、斜めに配置される。このため、転送段間の電荷転送の際の断面積が広くなり、転送効率を高くすることができる。さらに、転送段の幅の変化により挟チャネル効果が生じ、電荷がドリフトによっても輸送される。このため、ＶＣＣＤは蛇行しているが電荷転送効率は高い。また、転送電極は配線としてのみ機能する部分がほとんどなく、面積利用効率が高い。
【００５５】
転送電極に所定の転送制御信号を印加することにより、各画素に蓄積された信号電荷を主ホトダイオード１と副ホトダイオード２に分けて、矢印方向に転送領域１５または１６を介してＶＣＣＤ２７，２８に読み出すことができる。読み出された電荷は、各ＶＣＣＤ内で矢印で示すように上から下に電荷が転送される。
【００５６】
各画素を、主ホトダイオードと副ホトダイオードに分割することにより、解像度を犠牲にすることなく、高感度と広い光ダイナミックレンジを得る点は第１の実施例同様である。
【００５７】
各画素とＶＣＣＤが対向する距離が長く、主ホトダイオード１、副ホトダイオード２に対向してそれぞれ１つの転送電極が配置される。主ホトダイオード１、副ホトダイオード２からＶＣＣＤへの電荷読み出しを独立にかつ円滑に行うことが容易になる。各ＶＣＣＤの右側には素子分離領域２５が配置され列間を電気的に分離している。
【００５８】
１画素当たり４つの転送電極がＶＣＣＤの上に配置されているので、全主ホトダイオードの信号電荷を同時にＶＣＣＤに読み出し、周知の４相駆動により全信号電荷を同時に転送し、外部に読み出すことができる。同様、全副ホトダイオードの信号電荷を同時にＶＣＣＤに読み出し、同時に転送し、外部に読み出すことが容易にできる。この場合、所定の撮像期間の後、機械式シャッタなどで撮像領域を遮光し、その後１連の転送動作を行うことが好ましい。
【００５９】
第１、第２の実施例においては副ホトダイオードの面積を主ホトダイオードの面積より小さくした。高露光量領域の特性を重んじる場合、副ホトダイオードの面積を大きくすることもできる。
【００６０】
図４（Ａ）は、画素構造の変形例を示す。第２の実施例に示したハニカム配列のＣＣＤ型固体撮像装置に用いるのに適した構成である。第１のホトダイオード４１と第２のホトダイオード４２が、分離領域１４で電気的に分離されている。遮光膜の開口９内に、第１のホトダイオード４１と第２のホトダイオード４２の各一部が露出されている。
【００６１】
第１のホトダイオード４１が開口９の大部分を占める。従って、感度は高い。第２のホトダイオード４２は、開口９内でわずかな面積のみを占める。従って、感度は低い。第２のホトダイオード４２は、遮光膜下で広い領域を占めている。第２のホトダイオードの面積は、第１のホトダイオードの面積と比べ同等以上である。従って、第２のホトダイオードは、飽和出力が高い。式（５）におけるｙを大きく、かつｘを小さく設計でき、光ダイナミックレンジを容易に広くすることができる。
【００６２】
さらに、菱形開口の対角線上で対向する２つの角部分に第２のホトダイオードの露出部分を配置したため、開口内面積が狭くても、入射光の傾きによる受光量の変化を抑制できる。遮光膜下の領域にも光は回りこむので、菱形の３辺に亘る第２のホトダイオードの配置は、入射光の傾きによる受光量の変化をさらに抑制できる。このように、図４（Ａ）の構成は、入射光が傾いた時の感度変化を極力小さくする効果を有する。
【００６３】
図４（Ｂ）は、他の変形例を示す。図４（Ａ）の画素同様、第１のホトダイオード４１と第２のホトダイオード４２が分離領域１４で電気的に分離されている。第２のホトダイオード４２は、開口内面積が狭く低感度であるが、遮光膜下に配置された面積が大きく飽和出力が大きく設定されている。画素および開口の形状は菱形の頂部を面取りした形状である。第１および第２のホトダイオード４１，４２は、ＭＯＳトランジスタ回路Ｑ１，Ｑ２に接続され、これらのＭＯＳトランジスタ回路Ｑ１，Ｑ２によって信号電荷の読み出しが行われる。
【００６４】
図４（Ｃ）は、１画素を３つのホトダイオード４１，４２，４３に分割した構成を示す。開口９内に第１のホトダイオード４１の広い面積が露出し、第２のホトダイオード４２の狭い面積が露出し、第３のホトダイオード４３の極めて狭い面積が露出する。第１のホトダイオード４１は高感度であるが、光ダイナミックレンジは最も狭い。第２のホトダイオード４２は、中間の感度と光ダイナミックレンジを有する。第３のホトダイオード４３は、感度が最も低く、光ダイナミックレンジは最も広い。
【００６５】
以上説明したように、各画素内の感光領域を分割することにより、光ダイナミックレンジの拡大が可能となる。１画素を分割するため、空間的に同一位相のサンプリング画像を主、副ホトダイオードに分配、入射させることができる。主ホトダイオードから得られる画像と副ホトダイオードから得られる非飽和画像は、信号電荷量の違いを除いて同一にすることができる。
【００６６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、カラーフィルタを省略して白黒画像用固体撮像装置を構成してもよい。３板式カラー撮像装置に用いてもよい。これらの場合にも光ダイナミックレンジ拡大の効果は同様に得られる。画素内の分割ホトダイオードの分割数も変えることができる。その他、種々の変更、改良、組合せが可能なことは当業者に自明であろう。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体撮像装置の光ダイナミックレンジを拡大することができる。高感度で光ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を提供することができる。
【００６８】
解像度を犠牲にすることなくかつ撮像の同時性を維持することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例による固体撮像装置を示す平面図および断面図である。
【図２】 実施例による光ダイナミックレンジの拡大を説明するためのグラフである。
【図３】 本発明の第２の実施例による固体撮像装置を示す平面図である。
【図４】 変形例を示す平面図である。
【図５】 従来技術による固体撮像装置の特性を示すグラフである。
【図６】 従来技術による光ダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 主ホトダイオード
２ 副ホトダイオード
８ 画素
９ 開口
１０ ＶＣＣＤ
１１ ＨＣＣＤ
１２ 出力回路
１３ 素子分離領域
１４ 分離領域
１５、１６ 転送部
１９ 遮光膜
２０ シリコン基板
２１ ｐ型層
２２ チャネル
２３ 転送電極
２４ 絶縁層
２５ 素子分離領域
２７、２８ ＶＣＣＤ
２９〜３２ 転送電極
４１〜４３ ホトダイオード
ＣＦ カラーフィルタ
ＸＬ マイクロレンズ
Ｓ シャッタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置とその動作方法に関し、特に光ダイナミックレンジの広い固体撮像装置とその動作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤイメージセンサを代表とする固体撮像装置は、その構成単位である画素の高集積化、高感度化を最重要課題として発展してきた。その結果、画素数は、１００万画素をはるかに越える固体撮像装置も珍しくなくなった。種々の技術開発により高感度化においても著しい進歩を遂げている。デジタルカメラ応用では、解像度と感度において、従来の銀塩フィルムを上回る性能を達成するに到っている。
【０００３】
しかし、露光量に対するダイナミックレンジ（光ダイナミックレンジ）に関しては、固体撮像装置は従来の銀塩フィルムにはるかに及ばない。光ダイナミックレンジが狭いと、例えばカメラフラッシュを用いてウェディングドレスを撮影すると白いウェディングドレスのディテールが均一の白色で塗りつぶされる、顔を撮影した時鼻先や頬のハイライト部分が不自然に白く塗りつぶされる、等のいわゆる白とびや、室内の撮影において背景の窓外の景色が表現できない等の現象として現れる。
【０００４】
固体撮像装置のホトダイオードにおいては、露光量に比例して光励起の電荷が発生し、蓄積される。ホトダイオードが蓄積できる電荷には最大値があり、最大蓄積電荷量に達すると、それ以上の電荷は蓄積できない。ホトダイオードの特性は露光量に比例するリニア部分と最大蓄積電荷量に達し、蓄積電荷量がそれ以上増加しない飽和部分とを有する。感度が高いほど、出力電圧は低い露光量で飽和する。広い光ダイナミックレンジを実現するためには、感度は低いほうがよい。しかし、感度を低くすると、相対的に暗い被写体の撮影が困難になる。
【０００５】
図５は、固体撮像装置の光電変換特性を示す。横軸は（個々の光電変換素子ではなく）固体撮像装置への入射光量である露光量を示す。縦軸は光電変換素子に蓄積された電荷に基づき固体撮像装置が生成する出力電圧を示す。露光量の増加により出力電圧が飽和する時の出力電圧が飽和出力電圧である。飽和出力電圧の時、光電変換素子には最大蓄積電荷量が蓄積されている。飽和出力電圧に達する露光量が飽和露光量である。光ダイナミックレンジは飽和露光量によって決定される。飽和出力電圧が一定の２つの感度特性ＨＳとＬＳを示す。
【０００６】
曲線ＬＳは、単位露光量に対する出力電圧の増加、すなわち感度、が少なく、低感度である。飽和出力電圧に達する露光量、すなわち飽和露光量ＩＳＬは高く、広い光ダイナミックレンジＤＬを有する。
【０００７】
曲線ＨＳは、単位露光量に対する出力電圧の増加（感度）が大きく、高感度である。飽和出力電圧に達する飽和露光量ＩＳＨは低く、狭い光ダイナミックレンジＤＨを有する。図から明らかなように、高感度であることが、光ダイナミックレンジを狭くすることになる。
【０００８】
図６は、広い光ダイナミックレンジを実現する従来技術の１例を示す平面図である。半導体チップ上に複数のホトダイオード５１、５２が正方行列状に配列され、各ホトダイオード列に沿って、垂直電荷転送素子（ＶＣＣＤ）５５が配置されている。ホトダイオード５１とホトダイオード５２は、同一の面積を有し、同一の飽和出力電圧を有する。垂直電荷転送素子５５の一端は水平電荷転送素子（ＨＣＣＤ）５６に結合されている。水平電荷転送素子５６の出力は出力回路５７に供給される。
【０００９】
ホトダイオード上方に遮光膜が形成され各ホトダイオードに対応する開口を有する。奇数行のホトダイオード５１上の開口５３は広く、偶数行のホトダイオード５２上の開口５４は狭い。開口を通過する光は開口の面積に応じて変化する。同一露光量において、狭い開口５４を備えたホトダイオード５２が受ける光量は、広い開口５３を備えたホトダイオード５１が受ける光量より少ない。
【００１０】
従って、狭い開口５４を備えたホトダイオード５２は、広い開口５３を備えたホトダイオード５１より感度が低くなる。ホトダイオード５１は図５の高感度特性ＨＳに対応し、ホトダイオード５２は図５の低感度特性ＬＳに対応する。
【００１１】
高感度ホトダイオード５１の感度をＲ１とし、低感度ホトダイオード５２の感度をＲ２とする。両ホトダイオードの飽和出力電圧は等しいので、低感度ホトダイオード５２の飽和露光量は、高感度ホトダイオードの飽和露光量のＲ１／Ｒ２倍となる。
【００１２】
高感度ホトダイオード５１と低感度ホトダイオード５２で得られた画像信号を外部に読み出した後合成する。撮像シーンの内、光量が少ない暗い部分は、主として高感度ホトダイオード５１の信号から画像を生成し、光量の多い明るい部分は主として低感度ホトダイオード５２の信号から画像を生成することができる。この構成により、高感度でかつ光ダイナミックレンジの広い撮像装置を得ることができる。
【００１３】
図６の構成は、１つの高感度ホトダイオード５１と１つの低感度ホトダイオード５２によって１つの画素を構成する。２個のホトダイオードで１つの画素を構成するため、実効画素数が１／２に減少し、解像度が１／２に減少することになる。
【００１４】
広い光ダイナミックレンジを得る他の方法として、同じホトダイオードで同一シーンを２回撮像する方法がある。信号蓄積時間を異ならせて、露光時間の長い高感度撮像と露光時間の短い低感度撮像とを行う。２つの撮像を合成することにより、図６の構成同様に、高感度で広い光ダイナミックレンジを得ることができる。この方法は、静止した被写体には有効であるが、２回の撮像時刻が異なるため、動く被写体に対しては再生画像が破綻してしまう。
【００１５】
【特許文献１】
特開平０９−１１６８１５
【特許文献２】
特開平０９−２５２１０７
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高感度で光ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、高解像度、高感度、広い光ダイナミックレンジを有する固体撮像装置を提供することである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、このような固体撮像装置の新規な動作方法を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、解像度を犠牲にすることなく、同時刻性を保持しつつ、光ダイナミックレンジを拡大する技術を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の画素であって、各画素が電気的に分離された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子を有する複数の画素と、前記半導体基板上方に形成され、各画素の上方に１つの開口を有する遮光膜と、を有し、少なくとも第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは飽和露光量が異なり、さらに、前記各画素の近傍に配置された電荷読み出し手段と、前記第１の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷読み出し手段に転送するための第１の転送制御電極と、前記第１の転送制御電極とは電気的に分離され、前記第２の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷読み出し手段に転送するための第２の転送制御電極と、を有する固体撮像装置が提供される。
【００２１】
本発明の他の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の画素であって、各画素が電気的に分離された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子を有する複数の画素と、前記半導体基板上方に形成され、各画素の上方に１つの開口を少なくとも有する遮光膜と、を有し、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは飽和露光量が異なる固体撮像装置の動作方法であって、第１の信号読み出し期間に前記第１の光電変換素子から第１の信号電荷を読み出す工程と、第１の信号読み出し期間に続く第２の信号読み出し期間に前記第２の光電変換素子から第２の信号電荷を読み出す工程と、を含む固体撮像装置の動作方法が提供される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２４】
図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置の平面図および断面図である。図１（Ａ）は、複数の画素を有する固体撮像装置の概略平面図であり、図１（Ｂ）は、その１つの画素のホトダイオード部の拡大図である。図１（Ｃ）は、１画素分の断面図である。
【００２５】
図１（Ａ）に示すように、シリコン基板上に複数の画素８が配置され、各画素上に１つの開口９が形成されている。各画素列の右側に電荷読み出し手段である垂直電荷転送素子（ＶＣＣＤ）１０が配置され、画素８から読み出した電荷を垂直方向に転送する。複数のＶＣＣＤの出力端に１つの水平電荷転送素子（ＨＣＣＤ）１１が配置され、ＶＣＣＤから１行分づつ信号電荷を受け取り、高速転送して出力回路１２に提供する。
【００２６】
図１（Ｂ）に示すように、各画素８は、分離領域１４で分離された光電変換素子である主ホトダイオード１と副ホトダイオード２とを含む。理解を容易にするため、ホトダイオードの領域にハッチングを付して示す。主ホトダイオード１、副ホトダイオード２は、その右側に転送部１５、１６を備える。転送部１５、１６に接する部分では、主ホトダイオード１、副ホトダイオード２は、ほぼ同一の垂直方向寸法を有し、転送部１５、１６を介して、ＶＣＣＤ１０の転送段に対向する。主ホトダイオード１、副ホトダイオード２に蓄積された電荷は矢印で示すように転送部１５、１６を介してＶＣＣＤ１０に読み出される。
【００２７】
転送部１５，１６から離れた領域においては、主ホトダイオード１の垂直方向寸法が拡大され、それに応じて副ホトダイオード２の垂直方向寸法は減少している。したがって、主ホトダイオード１の面積は広く、副ホトダイオード２の面積は狭い。面積に対応して、飽和出力電圧は相異する。主ホトダイオードの相対的に高い飽和出力電圧をＶｓａｔ１，副ホトダイオードの相対的に低い飽和出力電圧をＶｓａｔ２とする。
【００２８】
遮光膜の開口９は、１画素に１つ設けられ、その下に主ホトダイオード１、副ホトダイオード２の各一部を露出する。主ホトダイオード１は、その面積の大部分が開口９内に露出されるが、副ホトダイオード２はその面積の限られた一部のみが開口９内に露出される。副ホトダイオード２は遮光膜によってその平面領域の半分以上が覆われている。開口内露出面積のホトダイオード面積に対する比（開口率）の相異により主ホトダイオードは高感度Ｒ１を有し、副ホトダイオード２は低感度Ｒ２を有する（Ｒ１＞Ｒ２）。
【００２９】
飽和露光量ＳＥは、感度Ｒに逆比例し、最大蓄積電荷量従って飽和出力電圧Ｖｓａｔに比例する。ここで、係数を省略し、ＳＥ＝Ｖｓａｔ／Ｒと略記する。主ホトダイオード１の飽和露光量ＳＥ１は、ＳＥ１＝Ｖｓａｔ１／Ｒ１，副ホトダイオードの飽和露光量はＳＥ２＝Ｖｓａｔ２／Ｒ２となる。
【００３０】
図１（Ｃ）は、１画素分の断面構造を示す。ｎ型シリコン基板２０は、その表面にｐ型層２１を備える。ｐ型層２１表面にｎ型領域が形成され、主ホトダイオード１、副ホトダイオード２を構成する。その間にはｐ型の分離領域１４が形成される。副ホトダイオード２の右側には、転送部１６を介して、ＶＣＣＤ用のｎ型チャネル領域２２が形成される。主ホトダイオード１の左側には隣接列のＶＣＣＤとの間にｐ型の素子分離領域１３が形成される。
【００３１】
ＶＣＣＤのチャネル領域２２、転送部１６の上方に読み出し時のホトダイオードからの転送制御、ＶＣＣＤ内の転送兼用の転送電極２３が配置される。転送電極は公知の２層ポリシリコン電極で構成できる。３層ポリシリコン電極を用いてもよい。ＶＣＣＤ１０、ＨＣＣＤ１１を覆ってＷ等の遮光膜１９が形成され、開口９が遮光膜１９中にパターニングされる。
【００３２】
遮光膜１９を覆って、平坦な表面を有する絶縁層２４が形成され、その上にカラーフィルタＣＦが配置される。カラーフィルタＣＦ上方にはマイクロレンズＭＣが形成される。カラーフィルタＣＦ、マイクロレンズＭＣは、１つの開口に１つづつ対応して形成される。固体撮像素子上方にはメカニカルシャッタＳが配置される。なお、全構成要素が必ずしも必須ではない。白黒画像用固体撮像装置にはカラーフィルタは不要である。電子シャッタのみで、機械式シャッタは省略してもよい。目的によって、マイクロレンズも省略可能である。
【００３３】
図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で示した構成は、１画素に分離領域１４で分離された２つのホトダイオードを含む点以外は公知の正方配列ＣＣＤ固体撮像装置と同様である。別の見方をすれば、公知のＣＣＤ固体撮像装置の各ホトダイオードが複数部分に分割された構造である。
【００３４】
主ホトダイオード１と副ホトダイオード２を一体化したホトダイオードを考える。すなわち、分離領域１４を取り去り、主ホトダイオード１と副ホトダイオード２とが連続する構造とした、従来同様の非分割ホトダイオードである。この非分割ホトダイオードの感度をＲ０，飽和出力をＶｓａｔ０、飽和露光量をＳＥ０とする。
【００３５】
感度は露光量に対する発生電荷量であるので、
Ｒ０ ＝ Ｒ１ ＋ Ｒ２ （１）
が成立する。飽和出力電圧は最大蓄積電荷量に比例するので、
Ｖｓａｔ０ ＝ Ｖｓａｔ１ ＋ Ｖｓａｔ２ （２）
が成立する。飽和露光量は、
【００３６】
Ｖｓａｔ１／Ｖｓａｔ２＝ｘ、Ｒ１／Ｒ２＝ｙとすると、
Ｖｓａｔ１＋Ｖｓａｔ２ ＝ （ｘ＋１）Ｖｓａｔ２、
Ｒ１＋Ｒ２ ＝ （ｙ＋１）Ｒ２
となる。従って、非分割ホトダイオードの飽和露光量は、
【００３７】
書き直すと、
ＳＥ２／ＳＥ０ ＝ （ｙ＋１）／（ｘ＋１） （５）
となる。式（５）の値を１よりも大きくすることが、光ダイナミックレンジの拡大になる。式（５）から、ｙを大きく、ｘを小さくするほど、非分割ホトダイオードの飽和露光量ＳＥ０に比べ、分割ホトダイオードの副ホトダイオードの飽和露光量ＳＥ２を大きくできることが判る。ホトダイオードを分割し、副ホトダイオードの飽和露光量を増大することにより、光ダイナミックレンジを飛躍的に拡大することができる。
【００３８】
この時、主ホトダイオードは高感度とすることができるので、主ホトダイオードと副ホトダイオードとから読み出した画像信号を合成することにより、高感度で広い光ダイナミックレンジを有する画像信号を得ることができる。ｙ＝１５、ｘ＝３とすると、ＳＥ２／ＳＥ０＝１６／４＝４となり、非分割ホトダイオードに比較して、光ダイナミックレンジを４倍に拡大することができる。
【００３９】
ｘの値は小さいほど光ダイナミックレンジを大きくすることができる。しかし、ｘは、副ホトダイオードに対する主ホトダイオードの面積比に対応する値である。ｘを小さくすることは、副ホトダイオードの面積比を大きくすることになる。主ホトダイオードの特性を劣化しないようにするためには、副ホトダイオードの面積はあまり大きくせず、主ホトダイダイオードの面積減少を抑えることが好ましい。
【００４０】
ｙの値は、感度比であり、ホトダイオードの開口内面積によって調整することができる。主ホトダイオードの開口内面積を広く、副ホトダイオードの開口内面積を狭くすることにより、ｙの値を大きくすることができる。
【００４１】
この光ダイナミックレンジの拡大は原理的にはいくらでも可能である。しかし、発明者の知見によれば、２倍〜１０倍の光ダイナミックレンジの拡大が、拡大効果を顕在化し、かつ画像に不自然さを招かない適正範囲である。特に３倍〜６倍の拡大が効果的である。
【００４２】
実際の動作においては、まず第１の転送部１５を制御することにより主ホトダイオードの信号電荷を読み出し、外部に出力した後、第２の転送部１６を制御して副ホトダイオードの信号電荷を読み出す。その後、外部で両画像信号を合成する。
【００４３】
主ホトダイオードが飽和するまでは、主として高感度の主ホトダイオードからの信号電荷により画像信号を形成することができる。主ホトダイオードが飽和しても、副ホトダイオードが飽和するまでは、露光量に応じた信号が得られるので、信号電荷から得た画像信号を合成することにより、広い光ダイナミックレンジの画像信号を生成することができる。
【００４４】
図２は、光ダイナミックレンジ拡大の原理を説明するためのグラフである。横軸は、露光量を示し、縦軸は出力電圧を示す。簡単化のため、主ホトダイオードと副ホトダイオードの飽和出力電圧を等しい（ｘ＝１）とし、感度比ｙを１０とする。
【００４５】
曲線ｖ１が主ホトダイオードの特性を示し、曲線ｖ２が副ホトダイオードの特性を示す。主ホトダイオードは感度が高いので、低い露光量で飽和露光量となる。副ホトダイオードは感度が低く、高い露光量で飽和露光量となる。両特性を加算した合成特性が、曲線ｃで示されている。立ち上がりの高感度特性が、折れ曲がり点Ｋで低感度特性に変化する。副ホトダイオードの飽和露光量まで露光量に応じた画像信号が得られる。
【００４６】
曲線ｐは、比較のための非分割ホトダイオードの特性を示す。ホトダイオードへの全入射光量は同一とした。立ち上がりの特性は合成特性ｃと同一であるが、折れ曲がり点を持たない。曲線ｃの飽和露光量よりはるかに低い露光量Ｌで飽和し、その後は露光量によらず出力電圧は一定である。高感度の露光量領域は曲線ｃより広いが、得られる光ダイナミックレンジは狭い。別の表現をすれば、本発明の実施例によりホトダイオードを分割し、副ホトダイオードの感度を低くすることにより光応答特性に折れ曲がり点Ｋが生じ、光ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４７】
なお、全主ホトダイオードの特性を同一と見なすことができれば、ＶＣＣＤ内で主ホトダイオードからの信号電荷と副ホトダイオードからの信号電荷とを加算してもよい。ＶＣＣＤから合成信号が直接提供され、信号処理は簡単化される。
【００４８】
現在の技術レベルにおいては、主ホトダイオードの特性にある程度のバラツキが生じることは止むを得ない。主ホトダイオードの飽和出力に副ホトダイオードの信号を加算する時、主ホトダイオードからの信号のバラツキは増幅された影響を持つ。主ホトダイオードの信号電荷を読み出した後、一定のレベルでカットすることにより、主ホトダイオードの飽和出力を均一化できる。その後画像信号の合成を行うことにより、主ホトダイオードの特性のバラツキが最終画像信号に与える影響を抑制することができる。
【００４９】
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２の実施例による固体撮像装置の構成を示す平面図である。図３（Ｂ）は、１画素分のホトダイオードの構成を示す。理解を容易にするため、ホトダイオード領域は、ハッチングを付して示す。
【００５０】
図３（Ａ）において、画素８は、いわゆる画素ずらし配列、又はハニカム配列で配列されている。すなわち、奇数行の画素と偶数行の画素は水平方向で半ピッチずれて配置され、奇数列の画素と偶数列の画素は垂直方向で半ピッチずれて配置されている。
【００５１】
各画素８は、基本的に菱形であるが、その頂部が面取りされた（厳密には８角形の）形状を有する。ハニカム配列の菱形画素を採用することで、無効領域を減少させ、ＶＣＣＤの転送路の幅を広く形成できる。
【００５２】
図３（Ｂ）に示すように、各画素８は、主ホトダイオード１と副ホトダイオード２が分離領域１４で電気的に分離された構成を有する。画素上の遮光膜は開口９を有し、主ホトダイオード１と副ホトダイオード２の各一部を露出する。主ホトダイオード１は画素の菱形領域の略３辺に対応して配置され、副ホトダイオード２は、残り１辺に沿って配置されている。第１の実施例同様、主ホトダイオードの開口内面積は広く、副ホトダイオードの開口内面積は狭く設定されている。
【００５３】
図３（Ａ）に示すように、ＶＣＣＤ２７、２８は、各列の画素に沿って蛇行しつつ垂直方向に延在し、転送領域１５、１６を介して主ホトダイオード１、副ホトダイオード２と対向する。１画素当たり４つの転送電極２９，３０，３１，３２がＶＣＣＤ２７、２８の上に配置される。ＶＣＣＤ２７とＶＣＣＤ２８とは左右で対称的な形状を有するが、１行ずらして見れば同一形状である。
【００５４】
転送電極２９〜３２は、２ポリ構造のシリコン電極で構成できる。ＶＣＣＤの延在方向に対し転送電極のエッジは垂直ではなく、斜めに配置される。このため、転送段間の電荷転送の際の断面積が広くなり、転送効率を高くすることができる。さらに、転送段の幅の変化により挟チャネル効果が生じ、電荷がドリフトによっても輸送される。このため、ＶＣＣＤは蛇行しているが電荷転送効率は高い。また、転送電極は配線としてのみ機能する部分がほとんどなく、面積利用効率が高い。
【００５５】
転送電極に所定の転送制御信号を印加することにより、各画素に蓄積された信号電荷を主ホトダイオード１と副ホトダイオード２に分けて、矢印方向に転送領域１５または１６を介してＶＣＣＤ２７，２８に読み出すことができる。読み出された電荷は、各ＶＣＣＤ内で矢印で示すように上から下に電荷が転送される。
【００５６】
各画素を、主ホトダイオードと副ホトダイオードに分割することにより、解像度を犠牲にすることなく、高感度と広い光ダイナミックレンジを得る点は第１の実施例同様である。
【００５７】
各画素とＶＣＣＤが対向する距離が長く、主ホトダイオード１、副ホトダイオード２に対向してそれぞれ１つの転送電極が配置される。主ホトダイオード１、副ホトダイオード２からＶＣＣＤへの電荷読み出しを独立にかつ円滑に行うことが容易になる。各ＶＣＣＤの右側には素子分離領域２５が配置され列間を電気的に分離している。
【００５８】
１画素当たり４つの転送電極がＶＣＣＤの上に配置されているので、全主ホトダイオードの信号電荷を同時にＶＣＣＤに読み出し、周知の４相駆動により全信号電荷を同時に転送し、外部に読み出すことができる。同様、全副ホトダイオードの信号電荷を同時にＶＣＣＤに読み出し、同時に転送し、外部に読み出すことが容易にできる。この場合、所定の撮像期間の後、機械式シャッタなどで撮像領域を遮光し、その後１連の転送動作を行うことが好ましい。
【００５９】
第１、第２の実施例においては副ホトダイオードの面積を主ホトダイオードの面積より小さくした。高露光量領域の特性を重んじる場合、副ホトダイオードの面積を大きくすることもできる。
【００６０】
図４（Ａ）は、画素構造の変形例を示す。第２の実施例に示したハニカム配列のＣＣＤ型固体撮像装置に用いるのに適した構成である。第１のホトダイオード４１と第２のホトダイオード４２が、分離領域１４で電気的に分離されている。遮光膜の開口９内に、第１のホトダイオード４１と第２のホトダイオード４２の各一部が露出されている。
【００６１】
第１のホトダイオード４１が開口９の大部分を占める。従って、感度は高い。第２のホトダイオード４２は、開口９内でわずかな面積のみを占める。従って、感度は低い。第２のホトダイオード４２は、遮光膜下で広い領域を占めている。第２のホトダイオードの面積は、第１のホトダイオードの面積と比べ同等以上である。従って、第２のホトダイオードは、飽和出力が高い。式（５）におけるｙを大きく、かつｘを小さく設計でき、光ダイナミックレンジを容易に広くすることができる。
【００６２】
さらに、菱形開口の対角線上で対向する２つの角部分に第２のホトダイオードの露出部分を配置したため、開口内面積が狭くても、入射光の傾きによる受光量の変化を抑制できる。遮光膜下の領域にも光は回りこむので、菱形の３辺に亘る第２のホトダイオードの配置は、入射光の傾きによる受光量の変化をさらに抑制できる。このように、図４（Ａ）の構成は、入射光が傾いた時の感度変化を極力小さくする効果を有する。
【００６３】
図４（Ｂ）は、他の変形例を示す。図４（Ａ）の画素同様、第１のホトダイオード４１と第２のホトダイオード４２が分離領域１４で電気的に分離されている。第２のホトダイオード４２は、開口内面積が狭く低感度であるが、遮光膜下に配置された面積が大きく飽和出力が大きく設定されている。画素および開口の形状は菱形の頂部を面取りした形状である。第１および第２のホトダイオード４１，４２は、ＭＯＳトランジスタ回路Ｑ１，Ｑ２に接続され、これらのＭＯＳトランジスタ回路Ｑ１，Ｑ２によって信号電荷の読み出しが行われる。
【００６４】
図４（Ｃ）は、１画素を３つのホトダイオード４１，４２，４３に分割した構成を示す。開口９内に第１のホトダイオード４１の広い面積が露出し、第２のホトダイオード４２の狭い面積が露出し、第３のホトダイオード４３の極めて狭い面積が露出する。第１のホトダイオード４１は高感度であるが、光ダイナミックレンジは最も狭い。第２のホトダイオード４２は、中間の感度と光ダイナミックレンジを有する。第３のホトダイオード４３は、感度が最も低く、光ダイナミックレンジは最も広い。
【００６５】
以上説明したように、各画素内の感光領域を分割することにより、光ダイナミックレンジの拡大が可能となる。１画素を分割するため、空間的に同一位相のサンプリング画像を主、副ホトダイオードに分配、入射させることができる。主ホトダイオードから得られる画像と副ホトダイオードから得られる非飽和画像は、信号電荷量の違いを除いて同一にすることができる。
【００６６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、カラーフィルタを省略して白黒画像用固体撮像装置を構成してもよい。３板式カラー撮像装置に用いてもよい。これらの場合にも光ダイナミックレンジ拡大の効果は同様に得られる。画素内の分割ホトダイオードの分割数も変えることができる。その他、種々の変更、改良、組合せが可能なことは当業者に自明であろう。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体撮像装置の光ダイナミックレンジを拡大することができる。高感度で光ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を提供することができる。
【００６８】
解像度を犠牲にすることなくかつ撮像の同時性を維持することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例による固体撮像装置を示す平面図および断面図である。
【図２】 実施例による光ダイナミックレンジの拡大を説明するためのグラフである。
【図３】 本発明の第２の実施例による固体撮像装置を示す平面図である。
【図４】 変形例を示す平面図である。
【図５】 従来技術による固体撮像装置の特性を示すグラフである。
【図６】 従来技術による光ダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 主ホトダイオード
２ 副ホトダイオード
８ 画素
９ 開口
１０ ＶＣＣＤ
１１ ＨＣＣＤ
１２ 出力回路
１３ 素子分離領域
１４ 分離領域
１５、１６ 転送部
１９ 遮光膜
２０ シリコン基板
２１ ｐ型層
２２ チャネル
２３ 転送電極
２４ 絶縁層
２５ 素子分離領域
２７、２８ ＶＣＣＤ
２９〜３２ 転送電極
４１〜４３ ホトダイオード
ＣＦ カラーフィルタ
ＸＬ マイクロレンズ
Ｓ シャッタ
Claims (13)
- 半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の画素であって、各画素が電気的に分離された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子を有する複数の画素と、
前記半導体基板上方に形成され、各画素の上方に１つの開口を有する遮光膜と、
を有し、少なくとも第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは飽和露光量が異なり、さらに、
前記各画素の近傍に配置された電荷読み出し手段と、
前記第１の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷読み出し手段に転送するための第１の転送制御電極と、
前記第１の転送制御電極とは電気的に分離され、前記第２の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷読み出し手段に転送するための第２の転送制御電極と、
を有する固体撮像装置。 - 前記第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを併せた総体の形状が菱形又は面取りした菱形であり、その１辺に沿って前記第１の転送制御電極が配置され、他の１辺に沿って前記第２の転送制御電極が配置されている請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記第１の光電変換素子が画素の中央部と菱形の前記１辺に配置され、前記第２の光電変換素子が少なくとも前記他の１辺に配置されている請求項２記載の固体撮像装置。
- 前記第１の光電変換素子の露光量に対する信号電荷の発生量である感度をＲ１，最大蓄積電荷量による出力電圧である飽和出力をＶｓａｔ１，前記第２の光電変換素子の感度をＲ２，飽和出力をＶｓａｔ２、Ｖｓａｔ１／Ｖｓａｔ２＝ｘ、Ｒ１／Ｒ２＝ｙとした時、（ｙ＋１）／（ｘ＋１）が１より大きい請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像装置。
- 前記（ｙ＋１）／（ｘ＋１）が、２〜１０の範囲内である請求項４記載の固体撮像装置。
- 前記第２の光電変換素子は、前記遮光膜によってその平面領域の半分以上が覆われている請求項１〜５のいずれか１項記載の固体撮像装置。
- さらに、前記半導体基板上方に形成され、前記各画素において、前記開口の上方を覆うカラーフィルタを有する請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像装置。
- さらに、前記半導体基板上方に形成され、前記各画素において、前記開口の上方を覆うマイクロレンズを有する請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像装置。
- 前記複数の画素が、水平方向、垂直方向に２次元的に配置され、隣接する水平ライン上に配置された画素群の水平方向の位置がずれている請求項１〜８のいずれか１項記載の固体撮像装置。
- 半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の画素であって、各画素が電気的に分離された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子を有する複数の画素と、前記半導体基板上方に形成され、各画素の上方に１つの開口を少なくとも有する遮光膜と、を有し、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは飽和露光量が異なる固体撮像装置の動作方法であって、
第１の信号読み出し期間に前記第１の光電変換素子から第１の信号電荷を読み出す工程と、
第１の信号読み出し期間に続く第２の信号読み出し期間に前記第２の光電変換素子から第２の信号電荷を読み出す工程と、
を含む固体撮像装置の動作方法。 - 前記第１の信号読み出し期間の開始に際し、前記複数の画素を遮光状態にする請求項１０記載の固体撮像装置の動作方法。
- さらに、前記第１の信号電荷から生成された第１の画像信号と、前記第２の信号電荷から生成された第２の画像信号とを合成する工程を有する請求項１０または１１記載の固体撮像装置の動作方法。
- 前記第１の画像信号と前記第２の画像信号を合成する際、飽和露光量が相対的に小さい画像信号の所定のレベルを越える成分を切り取ることにより最大出力を均一化する請求項１２記載の固体撮像装置の動作方法。
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