JP4282521B2 - 固体撮像装置及び画像処理機能を有する携帯電話機 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置及び画像処理機能を有する携帯電話機に関する。
固体撮像装置は、一般にＣＣＤセンサ型とＣＭＯＳセンサ型とに大別される。ＣＭＯＳセンサは、ＣＣＤセンサのように転送電極に２種類のパルスを印加して半導体層内で信号電荷を転送する必要が無く、信号線により転送すればよいので、低消費電力という点で優れている。以下、従来のＣＭＯＳセンサ型固体撮像装置について述べる。
ＣＭＯＳセンサ型固体撮像装置には、光電変換により信号電荷を発生する光電変換部（フォトダイオード）と、この信号電荷を読み出す読出しトランジスタと、信号電荷を排出するリセットトランジスタと、信号電荷を与えられて増幅し、画素信号を出力する増幅トランジスタと、当該フォトダイオードが存在するアドレスを選択するアドレストランジスタとを含む単位画素が、撮像領域においてマトリクス状に配置されている。
ここで、フォトダイオードを形成する場合、半導体基板中にＰウエル（Ｐ型半導体領域）を形成し、フォトダイオードを形成する領域以外の部分を覆うように形成されたレジスト膜をマスクとして、例えばリン等の不純物をイオン注入する。そして、レジスト膜を剥離し熱処理を行うことで、フォトダイオードを形成していた。
また、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、読み出しトランジスタ等の各トランジスタについては、多結晶シリコン膜の堆積、反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥという）等による所望の形状へのパターニング加工を行うことで、形成していた。
しかしながら、素子の微細化、多画素化、高機能化が進むにつれて、次のような問題が顕在化してきた。
（１）フォトダイオードに強い光が照射され、発生した信号電荷をこのフォトダイオードにおいて収容しきれなくなると、隣接するフォトダイオードに信号電荷が洩れ込む、いわゆるブルーミング現象を防止することができなかった。
（２）電子シャッタ機能を付加すると、フォトダイオードの信号電荷を排出する、いわゆるリセット動作を行う必要がある。このとき、従来はリセットトランジスタ及び読み出しトランジスタを介して信号電荷を排出していた。しかしながらこのような手法では、信号電荷を排出するときの経路に存在するリセットトランジスタ及び読み出しトランジスタの動作の制御が煩雑であるという問題があった。特に画素数の増加に伴い、トランジスタの動作制御が複雑であると、装置全体の動作マージンに影響を与えていた。
上記（１）の問題を解決する手法の一つとして、後述する特許文献１により提案されたものがある。この手法は、複数回リン（Ｐ＋）をイオン注入することによりフォトダイオードを形成するというもので、半導体基板の深さ方向に沿ってフォトダイオードを形成する。
また、後述する特許文献２では、半導体基板の深い位置にフォトダイオードを形成することにより、フォトダイオードが信号電荷を蓄積することができる容量を増やしている。これにより、ブルーミングを抑制あるいは低減しようとしている。
また、一般にＣＣＤセンサでは、半導体基板としてＮ型基板を用いており、基板に例えば１５Ｖ程度の電圧を印加することで、フォトダイオードから溢れ出した信号電荷を基板に捨てるという、いわゆる縦型オーバフロードレイン構造が提案され、商品化されるに至っている。
しかし、いずれの手法においてもブルーミングの抑制を十分に行うことはできず、また上記（２）の電子シャッタに関する問題を解決することはできなかった。
以下、従来の固体撮像装置を開示する文献名を記載する。
特開平１１−７４４９９号公報
特開平１０−２５７３９４号公報
本発明は上記事情に鑑み、ブルーミングを十分に抑制すると共に、電子シャッタ動作を行う際に、フォトダイオードの信号電荷を排出するときの制御動作を簡易化することで、高画素化した場合にも動作マージンを確保することが可能な固体撮像装置及びこのような固体撮像装置を有する、画像処理機能付き携帯電話機を提供することを目的とする。
本発明の一態様による固体撮像装置は、
一導電型半導体基板の表面部分に形成されており、入射光を光電変換して信号電荷を発生して蓄積する逆導電型第１の半導体層を含むフォトダイオードと、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出して検出ノードに出力する読み出しトランジスタと、前記検出ノードに出力された前記信号電荷を増幅して画素信号を出力する増幅トランジスタと、前記検出ノードに存在する信号電荷を逆導電型第２の半導体層に排出するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードのアドレスを選択するアドレストランジスタとを有する単位画素がマトリクス状に配置された撮像領域と、
前記単位画素から前記増幅トランジスタにより出力された前記画素信号を読み出す信号出力線とを備え、
前記半導体基板の表面部分における所定の深さに、前記第１の半導体層が形成され、
前記半導体基板の表面部分に、前記第２の半導体層が形成されており、
前記第１の半導体層の少なくとも一部と前記第２の半導体層の少なくとも一部とが電気的に分離された状態で、前記半導体基板の深さ方向に沿って所定の間隔を空けて重なるように形成されており、
前記第２の半導体層は、前記リセットトランジスタのドレイン領域と兼用されており、
前記半導体基板の表面部分において、前記半導体基板の深さ方向における前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の位置に形成された一導電型第３の半導体層をさらに備え、
通常動作モードでは、前記第２の半導体層に所定電圧が印加され、前記フォトダイオードにおいて光電変換により発生し前記第１の半導体層の容量を超える信号電荷が、前記読み出しトランジスタを介すことなく前記第３の半導体層を介して前記第２の半導体層に排出され、
電子シャッタ動作モードでは、前記第２の半導体層に前記所定電圧より高い電圧がパルス状に印加され、前記フォトダイオードにおいて光電変換により発生し前記第１の半導体層に蓄積されていた信号電荷が、前記読み出しトランジスタを介すことなく前記第３の半導体層を介して前記第２の半導体層に排出されることを特徴とする。
一導電型半導体基板の表面部分に形成されており、入射光を光電変換して信号電荷を発生して蓄積する逆導電型第１の半導体層を含むフォトダイオードと、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出して検出ノードに出力する読み出しトランジスタと、前記検出ノードに出力された前記信号電荷を増幅して画素信号を出力する増幅トランジスタと、前記検出ノードに存在する信号電荷を逆導電型第２の半導体層に排出するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードのアドレスを選択するアドレストランジスタとを有する単位画素がマトリクス状に配置された撮像領域と、
前記単位画素から前記増幅トランジスタにより出力された前記画素信号を読み出す信号出力線とを備え、
前記半導体基板の表面部分における所定の深さに、前記第１の半導体層が形成され、
前記半導体基板の表面部分に、前記第２の半導体層が形成されており、
前記第１の半導体層の少なくとも一部と前記第２の半導体層の少なくとも一部とが電気的に分離された状態で、前記半導体基板の深さ方向に沿って所定の間隔を空けて重なるように形成されており、
前記第２の半導体層は、前記リセットトランジスタのドレイン領域と兼用されており、
前記半導体基板の表面部分において、前記半導体基板の深さ方向における前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の位置に形成された一導電型第３の半導体層をさらに備え、
通常動作モードでは、前記第２の半導体層に所定電圧が印加され、前記フォトダイオードにおいて光電変換により発生し前記第１の半導体層の容量を超える信号電荷が、前記読み出しトランジスタを介すことなく前記第３の半導体層を介して前記第２の半導体層に排出され、
電子シャッタ動作モードでは、前記第２の半導体層に前記所定電圧より高い電圧がパルス状に印加され、前記フォトダイオードにおいて光電変換により発生し前記第１の半導体層に蓄積されていた信号電荷が、前記読み出しトランジスタを介すことなく前記第３の半導体層を介して前記第２の半導体層に排出されることを特徴とする。
また本発明の一態様による画像処理機能を有する携帯電話機は、
光を入射されて光電変換を行い、前記画素信号を出力する前記固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された前記画素信号を与えられて画像処理を行い、画像信号を出力する画像信号処理部と、
前記画像信号を与えられて画像表示を行う画像表示部と、
音声を入力して音声信号を生成し信号処理を行って外部へ送信し、外部から受信した信号に信号処理を行って音声として出力する電話機モジュールと、
を備えることを特徴とする。
光を入射されて光電変換を行い、前記画素信号を出力する前記固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された前記画素信号を与えられて画像処理を行い、画像信号を出力する画像信号処理部と、
前記画像信号を与えられて画像表示を行う画像表示部と、
音声を入力して音声信号を生成し信号処理を行って外部へ送信し、外部から受信した信号に信号処理を行って音声として出力する電話機モジュールと、
を備えることを特徴とする。
本発明によれば、ブルーミングを抑制することができると共に、電子シャッタ動作を簡易な制御動作により実現し、装置全体の動作マージンを向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（１）第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置について説明する。
本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置について説明する。
先ず、本実施の形態による固体撮像装置の回路構成を図１に示す。
半導体基板の撮像領域において、単位画素２２Ａがマトリクス状に配置されており、それぞれの単位画素２２Ａは、フォトダイオードＤ１、読み出しトランジスタ２４、リセットトランジスタ２５、アドレストランジスタ２６、増幅トランジスタ２７、さらに通常動作モードにおいてフォトダイオードＤ１から溢れた余分な信号電荷を排出するため、あるいは電子シャッタ動作モードにおいて信号電荷蓄積期間前に一旦フォトダイオードＤ１に蓄積されている信号電荷を後述する半導体層に排出するためダイオードＤ２１、Ｄ２２を有している。尚、本実施の形態では、信号電荷排出用の半導体層を、リセットトランジスタ２５のドレイン領域と兼ねている。
フォトダイオードＤ１は、Ｐ型ウエルのアノード側が接地され、後述するＮ型半導体層のカソード側が読み出しトランジスタ２４のソースに接続されている。
ダイオードＤ２１は、読み出しトランジスタ２４のドレイン（Ｎ型半導体層）にカソード側が接続され、アノード側がダイオードＤ２２のアノードに接続されている。ダイオードＤ２２は、ダイオードＤ２１のアノードにアノード側が接続され、カソード側が後述するノードＮＤ１に接続されている。
読み出しトランジスタ２４は、ゲートが読み出し制御線ＨＬ２に接続され、ドレインが検出ノードＮＤ２を介して増幅トランジスタ２７のゲート及びリセットトランジスタ２５のソースに接続されている。
増幅トランジスタ２７は、ドレインが垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…のいずれかに接続され、ソースがアドレストランジスタ２６のドレインに接続されている。またリセットトランジスタ２５は、ゲートがリセット制御線ＲＬ１に接続され、ドレインがノードＮＤ１に接続されている。
アドレストランジスタ２６は、ゲートが水平ライン選択線ＨＳＬ１に接続され、電圧供給線ＨＬ３にソースが接続されている。この電圧供給線ＨＬ３は、通常動作モードにおいて、電源電圧と同等の例えば２．５Ｖを供給し、電子シャッタ動作モードでは、パルス状の例えば５Ｖの電圧を供給する。
垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…の図中上部において、負荷トランジスタ２９のドレイン、ソースが直列に接続され、図中下部において、水平ライン選択トランジスタ２８のドレインが接続されている。水平ライン選択トランジスタ２８のソースは、それぞれ信号出力線ＳＯＬに接続されている。
負荷トランジスタ２９のゲートは負荷トランジスタ駆動線ＨＬ１に接続され、水平ライン選択トランジスタ２９のゲートは水平レジスタ２１に接続されており、オン／オフが制御される。尚、負荷トランジスタ２９は、装置の動作時には常時オン状態にある。
また、負荷トランジスタ駆動線ＨＬ１、読み出し制御線ＨＬ２、リセット制御線ＲＬ１、水平ライン選択線ＨＳＬ１、電圧供給線ＨＬ３、信号出力線ＳＯＬはそれぞれ、垂直レジスタ２０に接続されており駆動される。
上記構成を備えたこの固体撮像装置は、通常動作モードでは次のように動作する。ここで、駆動電圧の波形の変化を図２のタイムチャートに示す。
先ず、読み出し動作を開始する前に、時点ｔ１から時点ｔ２の間、増幅トランジスタ２７のゲートに接続された検出ノードＮＤ２に蓄積されている余分な信号電荷を排出するため、リセット制御線ＲＬからハイレベルのφリセット信号がリセットトランジスタ２５のゲートに入力されてオンする。これにより、この電荷がトランジスタ２５を介して電圧供給線ＨＬ３に流れて排出される。
次に、時点ｔ２から時点ｔ３の間、フォトダイオードＤ１に存在する信号電荷を排出するため、読み出し制御線ＨＬ２からハイレベルのφ読み出し信号が読み出しトランジスタ２４のゲートに与えられてオンする。この信号電荷が、トランジスタ２４を介して検出ノードＮＤ２に蓄積される。
ここで、時点ｔ３から時点ｔ９までの期間が、通常動作モードにおける信号電荷蓄積期間Ｔ１に相当する。
さらに、時点ｔ６から時点ｔ８までの間、検出ノードＮＤ２に蓄積されていた余分な信号電荷を排出するため、ハイレベルのφリセット信号がリセットトランジスタ２５に与えられてオンし、電圧供給線ＨＬ３に排出される。
読み出すべき単位画素２２Ａが水平方向に接続されたアドレスを選択するため、１本の水平ライン選択線ＨＳＬ１が垂直レジスタ２０により立ち上げられる。これにより、時点ｔ７から時点ｔ９までの間、φアドレス信号がハイレベルになり、これをゲートに入力されたアドレストランジスタ２６がオンして、増幅トランジスタ２７が電圧供給線ＨＬ３といずれかの垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…との間に接続された状態になる。
選択された水平ライン選択線ＨＳＬ１に接続された単位画素２２Ａのうち、例えば図中左方向から順に、時点ｔ７から時点ｔ９までの間、読み出し制御線ＨＬ２からハイレベルのφ読み出し信号が読み出しトランジスタ２４のゲートに与えられてオンする。
信号電荷蓄積期間Ｔ１中にフォトダイオードＤ１において発生し蓄積した信号電荷が、読み出しトランジスタ２４がオンして増幅トランジスタ２７のゲートに供給される。蓄積された信号電荷の量に応じた電流が増幅トランジスタ２７において流れ、負荷トランジスタ２９により信号電荷量に応じた電圧となって画素信号として垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…に生じる。水平レジスタ２１により水平ライン選択トランジスタ２８が順次オンし、垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…が順次信号出力線ＳＯＬに接続され、画素信号が順次読み出される。
垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…の電圧が全て読み出された後、図示されていない次の水平ライン選択線ＨＳＬ２が垂直レジスタ２０により立ち上げられる。アドレストランジスタ２６がオンし、上記動作を同様に行って、水平ライン選択線ＨＳＬ２に接続された単位画素２２Ａから読み出された信号電荷に応じた画素信号が出力される。
ここで、信号電荷蓄積期間Ｔ１において、高輝度の光が入射し、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層の蓄積容量を超えた場合は、ダイオードＤ２１、Ｄ２２を介して電圧供給線ＨＬ３へ排出される。これにより、ブルーミングが抑制される。
次に、電子シャッタ動作モードにおける動作について説明する。
通常動作モードと同様に、読み出し動作を開始する前に、検出ノードＮＤ２に蓄積されている余分な電荷を排出するため、ハイレベルのφリセット信号がリセットトランジスタ２５のゲートに与えられてオンし、この信号電荷がトランジスタ２５を介して電圧供給線ＨＬ３に流れて排出される。
フォトダイオードＤ１に存在する信号電荷を排出するため、読み出しトランジスタ２４がオンし、この信号電荷がトランジスタ２４を介して検出ノードＮＤ２に蓄積される。
この後、通常動作モードでは信号電荷蓄積期間に移行するが、電子シャッタ動作モードではこの期間に移行する前に、電子シャッタ動作を行う。電圧供給線ＨＬ３の電位が、通常の電位２．５Ｖから期間ｔ４からｔ５までの間、パルス状に５Ｖに昇圧される。これにより、フォトダイオードＤ１に蓄積されていた信号電荷が、逆バイアスを印加されたダイオードＤ２１、Ｄ２２によって電圧供給線ＨＬ３に排出される。
この後、信号電荷蓄積期間Ｔ２に移行するが、この期間Ｔ２は通常動作モードにおける信号電荷蓄積期間Ｔ１よりも短い。この後の信号電荷の読み出し動作は通常動作モードと同様であり、説明を省略する。
このような回路構成を有する本実施の形態の固体撮像装置におけるフォトダイオード周辺部、即ちフォトダイオードＤ１におけるＰウエル（アノード側）及びＮ型半導体層（カソード側）、ダイオードＤ２１、Ｄ２２におけるＰ型半導体層（アノード側）、リセットトランジスタ２５のドレイン及びソース、読み出しトランジスタ２４のゲート、増幅トランジスタ２７のゲートに接続された検出ノードＮＤ２に関する平面構造を図３に示し、図３におけるＡ−Ａ線に沿う縦断面構造を図４に示す。
Ｐ型半導体基板の表面部分にＰウエル（Ｐ型半導体領域）１が形成されている。
このＰウエル１内における所定の深さの位置に、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２が形成されている。このＮ型半導体層２の少なくとも一部分と、リセットトランジスタ２５のドレイン領域（Ｎ型半導体層）４の少なくとも一部分とが、図３の平面図に示されたように、深さ方向に沿って重複するように形成されている。
さらに、Ｎ型半導体層２とリセットトランジスタ２５のドレイン領域４との深さ方向における中間位置に、ダイオードＤ２１、Ｄ２２のアノード側に相当するＰ型半導体層６が形成されている。このＰ型半導体層６は、Ｐウエル１よりも不純物濃度が高く設定されている。このようなＰ型半導体層６を形成する理由は、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２とリセットトランジスタ２５のドレイン領域４との間が、電圧供給線ＨＬ３に例えば２．５Ｖの電圧が印加されていない状態で電気的に繋がることを抑制するためである。
このような構成を有する本固体撮像装置を形成する方法について以下に述べる。
先ず、Ｐ型半導体基板の表面部分にＰ型不純物を導入してＰウエル１を形成する。
ＬＯＣＯＳ法による絶縁膜、あるいはＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）の絶縁層等による図示されていない素子分離層を形成し、フォトダイオードや各トランジスタ等の素子を形成する各々の素子領域を分離する。
素子分離法としては、上記ＬＯＣＯＳ法やＳＴＩを形成する方法以外に、Ｂ＋（ボロンイオン）を打ち込み、Ｐ型半導体層を形成するチャネルストップによる方法を用いてもよい。
次に、形成された素子領域内にフォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２を形成するため、所望の領域にレジストを塗布してパターニングを行い、マスクを形成する。このマスクを用いて、例えば１回目のイオン注入条件として、Ｐ＋（リンイオン）を３１０ＫｅＶのエネルギ、１．２Ｅ１２cm−２のドーズ量でイオン注入を行う。
この後、アッシャー（酸素ラジカル）を行い、あるいは硫酸と過酸化水素水との混合液を用いてレジスト膜を剥離する。
次にレジストを塗布し、所望のパターニングを行い、例えばＰ−イオンを４０KeVのエネルギ、１．３ｅ１３cm−２のドーズ量でイオン注入し、ドレイン領域（Ｎ型半導体層）４及びソース領域（Ｎ型半導体層）５を形成する。
ここで、リセットトランジスタ２５のドレイン領域（Ｎ型半導体層）４とフォトダイオードＤ１におけるＮ型半導体層２との深さ方向に沿う位置関係は、上述したようにＮ型半導体層２の少なくとも一部とドレイン領域４の少なくとも一部とが重複するように配置されている。
さらに、Ｎ型半導体層２とドレイン領域４との深さ方向における中間位置に、ダイオードＤ２１、Ｄ２２のアノード側に相当するＰ型半導体層６が形成される。このＰ型半導体層６は、例えば、Ｂ＋イオンを８０ＫｅＶのエネルギ、２ｅ１３cm−２のドーズ量で注入することにより形成が可能である。このようなＰ型半導体層６が存在することにより、Ｎ型半導体層２とドレイン領域４とが、電圧供給線ＨＬ３に例えば２．５Ｖの電圧が印加されていない状態では電気的に分離された状態になる。
半導体基板上にゲート酸化膜を例えば５５Åの膜厚で形成し、さらにＣＶＤ法等を用いて多結晶シリコン膜を例えば３０００Åの膜厚で堆積する。
そして、多結晶シリコン膜にパターニングを行い、所望のゲート電極の形状に加工して、リセットトランジスタ２５のゲート電極１０を形成する。
ところで、Ｎ型半導体層２とドレイン領域４との間が深さ方向において十分に離れており、通常動作モードにおいて電気的に繋がらない状態であれば、Ｐ型半導体層６を間に挿入するように形成する必要は無い。しかし、Ｎ型半導体層２の空乏層とリセットトランジスタ２５のドレイン領域４が形成する空乏層とが繋がることを防ぐためには、両者の間にＰ型半導体層６を形成することが有効であり、好ましい。
以上の手順により、フォトダイオードＤ１におけるＮ型半導体層２の少なくとも一部分と、リセットトランジスタ２５のドレイン領域４の少なくとも一部分とが、深さ方向に沿って間にＰ型半導体層６を介して上下に重複するように形成される。
通常動作モードでは、リセットトランジスタ２５のドレイン領域４には、電圧供給線ＨＬ３を介して常に一定電圧、例えば２．５Ｖが印加されている。これにより、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２に強い光が入射し、Ｎ型半導体層２の容量を越える信号電荷が発生した場合、余剰の信号電荷がＰ型半導体層６を介してリセットトランジスタ２５のドレイン領域４に流れ込む。このドレイン領域４は電圧供給線ＨＬ３に接続されており、信号電荷が排出される。これにより、ブルーミングが抑制される。
電子シャッタ動作モードでは、信号電荷蓄積期間開始前に、電圧供給線ＨＬ３にパルス状に５Ｖの電圧が印加される。フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２に蓄積されていた信号電荷が、Ｐ型半導体層６を介してリセットトランジスタ２５のドレイン領域４に流れ込み、電圧供給線ＨＬ３に排出される。このように、読み出しトランジスタ２４やリセットトランジスタ２５を介すことなく信号電荷を排出することができるので、電子シャッタ動作を簡易な制御により実現することができる。よって、装置全体の動作マージンが向上する。
（２）第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置について説明する。
本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置について説明する。
先ず、本実施の形態による固体撮像装置の回路構成を図５に示す。
本実施の形態は上記第１の実施の形態と比較し、例えば２．５Ｖの一定電圧を供給する電圧供給線ＨＬ３の他に、電子シャッタ動作専用にパルス状に例えば５Ｖの電圧を供給する電圧供給線ＨＬ４が設けられている点、ダイオードＤ２２のカソードがこの電圧供給線ＨＬ４に接続されている点で相違する。
ここで、電圧供給線ＨＬ３は常時一定電圧、例えば２．５Ｖが印加されている。一方、電圧供給線ＨＬ４は、後述するように電子シャッタ動作モードにおいてパルス状に例えば５Ｖの電圧が印加され、それ以外の時間帯では０Ｖ、あるいは例えば２．５Ｖの一定電圧が印加されている。
以下、本実施の形態による固体撮像装置の通常動作モードについて、上記第１の実施の形態と同様に駆動電圧の波形を示した図２を用いて説明する。
先ず、読み出し動作を開始する前に、時点ｔ１から時点ｔ２の間、リセット制御線ＲＬ１からハイレベルのφリセット信号がリセットトランジスタ２５のゲートに入力されてオンする。これにより、増幅トランジスタ２７のゲートが接続された検出ノードＮＤ２に蓄積されている余分な電荷が、リセットトランジスタ２５を介して電圧供給線ＨＬ３に流れて排出される。
次に、時点ｔ２から時点ｔ３の間、読み出し制御線ＨＬ２からハイレベルのφ読み出し信号が読み出しトランジスタ２４のゲートに与えられてオンする。フォトダイオードＤ１に存在する信号電荷が排出され、読み出しトランジスタ２４を介して検出ノードＮＤ２に蓄積される。
ここで、時点ｔ３から時点ｔ９までの期間が、通常動作モードにおける信号電荷蓄積期間Ｔ１に相当する。
さらに、時点ｔ６から時点ｔ８までの間、検出ノードＮＤ２に蓄積されていた余分な信号電荷を排出するため、ハイレベルのφリセット信号がリセットトランジスタ２５に与えられてオンし、電圧供給線ＨＬ３に排出される。
読み出すべき単位画素２２Ａの水平方向におけるアドレスを選択するため、１本の水平ライン選択線ＨＳＬ１が垂直レジスタ２０により立ち上げられる。これにより、時点ｔ７から時点ｔ９までの間φアドレス信号がハイレベルになり、これをゲートに入力されたアドレストランジスタ２６がオンして、増幅トランジスタ２７が電圧供給線ＨＬ３といずれかの垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…との間に接続された状態になる。
選択された水平ライン選択線ＨＳＬ１に接続された単位画素２２Ａのうち、例えば図中左方向から順に、時点ｔ７から時点ｔ９までの間、読み出し制御線ＨＬ２からハイレベルのφ読み出し信号が読み出しトランジスタ２４のゲートに与えられてオンする。
信号電荷蓄積期間Ｔ１においてフォトダイオードＤ１に発生し蓄積した信号電荷が、読み出しトランジスタ２４がオンして検出ノードＮＤ２に供給される。蓄積された信号電荷量に応じた電流が増幅トランジスタ２７において流れ、負荷トランジスタ２９により信号電荷量に応じた電圧となって垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…に流れる。水平レジスタ２１により水平ライン選択トランジスタ２８が順次オンし、垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…が順次信号出力線ＳＯＬに接続され、信号電荷量に応じた電圧が読み出される。
垂直信号線ＶＳＬ１、ＶＳＬ２、ＶＳＬ３、…の電圧が全て読み出された後、次の図示されていない水平ライン選択線ＨＳＬ２が垂直レジスタ２０により立ち上げられる。アドレストランジスタ２６がオンし、上記動作を同様に行って、水平ライン選択線ＨＳＬ２に接続された単位画素２２Ａの信号電荷が読み出される 尚、信号電荷蓄積期間Ｔ１において、高輝度の光が入射し、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層の蓄積容量を超えた場合は、ダイオードＤ２１、Ｄ２２を介して電圧供給線ＨＬ４へ排出される。これにより、ブルーミングが抑制される。
次に、第２の実施の形態における電子シャッタ動作モードについて説明する。
通常動作モードと同様に、読み出し動作を開始する前に、検出ノードＮＤ２に蓄積されている余分な電荷を排出するため、ハイレベルのφリセット信号がゲートに与えられてリセットトランジスタ２５がオンし、この電荷がトランジスタ２５を介して電圧供給線ＨＬ３に流れて排出される。
フォトダイオードＤ１に存在する信号電荷を排出するため、読み出しトランジスタ２４がオンし、この信号電荷がトランジスタ２４を介して検出ノードＮＤ２に蓄積される。
この後、通常動作モードでは信号電荷蓄積期間に移行するが、電子シャッタ動作モードではこの期間に移行する前に、電子シャッタ動作を行う。電圧供給線ＨＬ３とは独立して電子シャッタ専用に設けられた電圧供給線ＨＬ４の電位が、時点ｔ４から時点ｔ５までの間、２．５Ｖから５Ｖに昇圧される。これにより、フォトダイオードＤ１に蓄積されていた信号電荷が、逆バイアスを印加されたダイオードＤ２１、Ｄ２２によって電圧供給線ＨＬ４に排出される。
この後、信号電荷蓄積期間Ｔ２に移行する。この後の信号電荷の読み出し動作は通常動作モードと同様であり、説明を省略する。
このような回路構成を有する第２の実施の形態の固体撮像装置におけるフォトダイオードの周辺部分、即ちフォトダイオードＤ１におけるＰウエル及びＮ型半導体層、ダイオードＤ２１、Ｄ２２のアノードに相当するＰ型半導体層、読み出しトランジスタ２４のゲート、検出ノードＮＤ２、ダイオードＤ２１、Ｄ２２のアノード（Ｐ型半導体層）が接続されるノードＮＤ３（Ｎ型半導体層）に関する平面構造を図６に示し、図６におけるＢ−Ｂ線に沿う縦断面構造を図７に示す。
Ｐ型半導体基板の表面部分にＰウエル（Ｐ型半導体領域）１が形成されている。
このＰウエル１内における所定の深さの位置に、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２が形成されている。このＮ型半導体層２は少なくとも一部分が、深さ方向に沿って、ノードＮＤ３に相当するＮ型半導体層７の下方に位置するように形成されている。
さらに、Ｎ型半導体層７とＮ型半導体層２との深さ方向における中間位置に、上記第１の実施の形態と同様にダイオードＤ２１、Ｄ２２のアノードに相当するＰ型半導体層６が形成されている。このＰ型半導体層６は、Ｐウエル１よりも不純物濃度が高く設定されている。このようなＰ型半導体層６を形成することで、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２とノードＮＤ３のＮ型半導体層７とが、電圧供給線ＨＬ４に例えば１．５Ｖの電圧が印加されていない状態で電気的に繋がることを抑制することができる。
本実施の形態によれば、高輝度の光が照射されてフォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２から信号電荷が溢れた場合、上記第１の実施の形態のようにリセットトランジスタ２５のドレイン領域（Ｎ型半導体層２）に吸収するのでなく、このような信号電荷を吸収し排出するために専用に設けられ、通常動作モードにおいて一定電圧として例えば２．５Ｖが常時印加されているＮ型半導体層７（ノードＮＤ３）に吸収させる。これにより、輝度の高い光がフォトダイオードＤ１に入射されて信号電荷が溢れた場合であっても、このＮ型半導体層７が吸収しブルーミングを抑制することができる。
電子シャッタ動作モードにおいては、信号電荷蓄積期間の開始前に、電圧供給線ＨＬ４によりＮ型半導体層７（ノードＮＤ３）に５Ｖの電圧をパルス状に印加することで、フォトダイオードＤ１に蓄積されていた信号電荷をＮ型半導体層７に排出することができる。
よって、従来のように、フォトダイオードに溜まった余分な信号電荷を排出する際に、読み出しトランジスタやリセットトランジスタ等を介して排出しなければならない場合と異なり、信号電荷排出用のＮ型半導体層７にパルス状の電圧を印加するだけでよいので、リセット動作の制御機構を簡易化し装置全体の動作マージンを向上させることができる。
また、信号電荷排出用のＮ型半導体層７が、フォトダイオードＤ１のＮ型半導体層２に対して深さ方向に沿って上下に重なるように形成されている。よって、Ｎ型半導体層７を形成するために新たな面積を必要とせず、微細化に寄与することができる。
さらに、本実施の形態によれば上記第１の実施の形態と異なり、電子シャッタ動作専用に設けた電圧供給線ＨＬ３にパルス状の電圧５Ｖを印加することで、電圧供給線ＨＬ３には通常動作モードと同様に電子シャッタ動作モードにおいても常時２．５Ｖの電圧を印加することができる。よって、リセットトランジスタ２５のソース及びアドレストランジスタ２６のソースが接続されており、本来一定の電圧を印加するべき電圧供給線ＨＬ３に、電子シャッタ動作モードにおいても常時一定電圧を印加することができる。よって、安定した回路動作を確保することができる。
（３）第３の実施の形態
以下、本発明の第３の実施の形態による画像処理機能を有する携帯電話機について、その構成を示した図８を用いて説明する。
以下、本発明の第３の実施の形態による画像処理機能を有する携帯電話機について、その構成を示した図８を用いて説明する。
この携帯電話機１００は、バッテリ１１１、電源装置１１２、アンテナ２００、ＰＡ（Power Amplifier）／ＳＷ（Switching）１２１、ＲＦ（Radio Frequency）／ＩＦ（Interface）１２２、ＢＢ（Base Band）１２３ を含むワイヤレス通信デバイス１２０、上記第１又は第２の実施の形態による固体撮像装置１３１、画像信号処理部に相当するカメラＤＳＰ（Digital Signal Processor）１３２を含むカメラモジュール１３０、ＭＰＥＧソフトウェア１４０、ベースバンド信号処理回路１５１及びＣＰＵ１５２を含む信号処理部１５０、液晶コントローラ１６１及び液晶ドライバ１６２を含む画像表示部としての液晶モジュール１６０、マイクロフォン１７０、スピーカ１８０、操作盤１９０を備え、さらに携帯電話機１００外部にバッテリチャージャ１１３が設けられている。
バッテリチャージャ１１３により充電されたバッテリ１１１が一定電圧を出力し、この電圧を与えられて電源装置１１２が携帯電話機１００が動作するために必要な電源電圧を生成し供給する。
アンテナ２００が電波を送受信する。ワイヤレス通信デバイス１２０において、ＰＡ（Power Amp.）／ＳＷ（Switching）１２１はこの送受信を切り替えると共に、信号の増幅を行う。ＲＦ（Radio Frequency）／ＩＦ（Interface）１２２は無線周波数帯の信号を扱うインタフェースとして機能する。ＢＢ（Base Band）１２３は、携帯電話機１００と図示されていない無線ＬＡＮ（Local Area Network）との間の接続を行う。
信号処理部１５０は、ＣＰＵ１５２により携帯電話機１００全体の動作を制御・管理し、ベースバンド信号処理回路１５１により音声信号並びに画像信号の信号処理を行う。
操作盤１９０において操作者が入力したデータが、信号処理部１５０に送信される。
カメラモジュール１３０において、固体撮像装置１３１は上記第１又は第２の実施の形態による構成を備え、入射された光に光電変換を行って電気信号を生成し出力する。カメラＤＳＰ（Digital Signal Processor）１３２はＣＰＵ１５２と独立して画像処理専用に設けられた制御ユニットであり、固体撮像装置１３１から出力された電気信号に対して画像処理を行い得られた画像信号を出力する。この画像信号には、ＭＰＥＧソフトウェア１４０により圧縮／解凍処理が行われる。
信号処理部１５０から出力された画像信号は、液晶モジュール１６０に与えられて画像表示が行われる。液晶モジュール１６０では、液晶ドライバ１６２により液晶駆動を行い、液晶コントローラ１６１により液晶駆動に関する制御を行う。
また信号処理部１５０から出力された音声信号は、スピーカ１８０に与えられて音声出力が行われる。
マイクロフォン１７０から入力された音声信号は、信号処理部１５０に与えられ音声処理に用いられる。
また操作盤１９０には、通常の携帯電話機に設けられているスイッチ類の他に、電子シャッタ動作のオン／オフの切り替えを行うための切り替えスイッチ１９１が設けられている。
ここで、信号処理部１５０、ワイヤレス通信デバイス１２０、アンテナ２００、マイクロフォン１７０、スピーカ１８０、操作盤１９０、通話に必要な表示を行う液晶モジュール１６０を含む電話機モジュールが、携帯電話機として最小限備えるべき構成に相当する。
この携帯電話機１００では、上記第１又は第２の実施の形態による固体撮像装置１３１を用いてカメラモジュール１３０を構成している。よって、上述したように電子シャッタ動作が可能であり、通常動作モードと電子シャッタ動作モードとを切り替える必要がある。
光の輝度が高い場所においてカメラモジュール１３０を用いて撮影を行う場合は、ブルーミングを抑制するため切り替えスイッチ１９１を用いて電子シャッタ動作をオンする。逆に、輝度が低い場所にて撮影を行う場合は、必要な感度が得られるように電子シャッタ動作をオフし、通常動作モードを選択する。
本実施の形態による携帯電話機１００では、上記第１又は第２の実施の形態による固体撮像装置１３１を用いたことにより、通常動作においてもブルーミングを抑制することができると共に、電子シャッタ動作が簡易な制御動作により実現され、電話機全体の動作マージンが向上する。
上述した実施の形態は何れも一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲内において様々に変形することが可能である。例えば、図８に示された携帯電話機の構成は一例であってこれに限定されず、本発明による固体撮像装置を用いたものであればよい。
１ Ｐウエル
２ Ｎ型半導体層（フォトダイオードＤ１）
４ Ｎ型半導体層（リセットトランジスタ２５のドレイン領域）
５ Ｎ型半導体層（リセットトランジスタ２５のソース領域）
６ Ｐ型半導体層
８ ゲート電極（読み出しトランジスタ２４）
９ Ｎ型半導体層（検出ノードＮＤ２）
１０ ゲート電極（リセットトランジスタ２５）
２０ 垂直レジスタ
２１ 水平レジスタ
２２Ａ、２２Ｂ 単位画素
２３ フォトダイオード
２４ 読み出しトランジスタ
２５ リセットトランジスタ
２６ アドレストランジスタ
２７ 増幅トランジスタ
２８ 水平ライン選択トランジスタ
２９ 負荷トランジスタ
１００ 固体撮像装置
１１１ バッテリ
１１２ 電源装置
１２０ ワイヤレス通信デバイス
１３０ カメラモジュール
１３１ 固体撮像装置
１５０ 信号処理部
１６０ 液晶モジュール
１９０ 操作盤
１９１ 切り替えスイッチ
Ｄ１ フォダイオード
Ｄ２１、Ｄ２２ ダイオード
ＮＤ２ 検出ノード
ＨＬ１ 負荷トランジスタ駆動線
ＨＬ２ 読み出し制御線
ＲＬ１ リセット制御線
ＨＳＬ１ 水平ライン選択線
ＨＬ３、ＨＬ４ 電圧供給線
ＶＳＬ１〜ＶＳＬ３ 垂直信号線
ＳＯＬ 信号出力線
２ Ｎ型半導体層（フォトダイオードＤ１）
４ Ｎ型半導体層（リセットトランジスタ２５のドレイン領域）
５ Ｎ型半導体層（リセットトランジスタ２５のソース領域）
６ Ｐ型半導体層
８ ゲート電極（読み出しトランジスタ２４）
９ Ｎ型半導体層（検出ノードＮＤ２）
１０ ゲート電極（リセットトランジスタ２５）
２０ 垂直レジスタ
２１ 水平レジスタ
２２Ａ、２２Ｂ 単位画素
２３ フォトダイオード
２４ 読み出しトランジスタ
２５ リセットトランジスタ
２６ アドレストランジスタ
２７ 増幅トランジスタ
２８ 水平ライン選択トランジスタ
２９ 負荷トランジスタ
１００ 固体撮像装置
１１１ バッテリ
１１２ 電源装置
１２０ ワイヤレス通信デバイス
１３０ カメラモジュール
１３１ 固体撮像装置
１５０ 信号処理部
１６０ 液晶モジュール
１９０ 操作盤
１９１ 切り替えスイッチ
Ｄ１ フォダイオード
Ｄ２１、Ｄ２２ ダイオード
ＮＤ２ 検出ノード
ＨＬ１ 負荷トランジスタ駆動線
ＨＬ２ 読み出し制御線
ＲＬ１ リセット制御線
ＨＳＬ１ 水平ライン選択線
ＨＬ３、ＨＬ４ 電圧供給線
ＶＳＬ１〜ＶＳＬ３ 垂直信号線
ＳＯＬ 信号出力線
Claims (3)
- 一導電型半導体基板の表面部分に形成されており、入射光を光電変換して信号電荷を発生して蓄積する逆導電型第１の半導体層を含むフォトダイオードと、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出して検出ノードに出力する読み出しトランジスタと、前記検出ノードに出力された前記信号電荷を増幅して画素信号を出力する増幅トランジスタと、前記検出ノードに存在する信号電荷を逆導電型第２の半導体層に排出するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードのアドレスを選択するアドレストランジスタとを有する単位画素がマトリクス状に配置された撮像領域と、
前記単位画素から前記増幅トランジスタにより出力された前記画素信号を読み出す信号出力線とを備え、
前記半導体基板の表面部分における所定の深さに、前記第１の半導体層が形成され、
前記半導体基板の表面部分に、前記第２の半導体層が形成されており、
前記第１の半導体層の少なくとも一部と前記第２の半導体層の少なくとも一部とが電気的に分離された状態で、前記半導体基板の深さ方向に沿って所定の間隔を空けて重なるように形成されており、
前記第２の半導体層は、前記リセットトランジスタのドレイン領域と兼用されており、
前記半導体基板の表面部分において、前記半導体基板の深さ方向における前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の位置に形成された一導電型第３の半導体層をさらに備え、
通常動作モードでは、前記第２の半導体層に所定電圧が印加され、前記フォトダイオードにおいて光電変換により発生し前記第１の半導体層の容量を超える信号電荷が、前記読み出しトランジスタを介すことなく前記第３の半導体層を介して前記第２の半導体層に排出され、
電子シャッタ動作モードでは、前記第２の半導体層に前記所定電圧より高い電圧がパルス状に印加され、前記フォトダイオードにおいて光電変換により発生し前記第１の半導体層に蓄積されていた信号電荷が、前記読み出しトランジスタを介すことなく前記第３の半導体層を介して前記第２の半導体層に排出されることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第２の半導体層に、前記通常動作モードでは前記所定電圧を印加し、前記電子シャッタ動作モードでは前記所定電圧より高い電圧をパルス状に印加する電圧供給線を、前記リセットトランジスタとは電気的に分離して備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 光を入射されて光電変換を行い、前記画素信号を出力する請求項１又は２記載の前記固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された前記画素信号を与えられて画像処理を行い、画像信号を出力する画像信号処理部と、
前記画像信号を与えられて画像表示を行う画像表示部と、
音声を入力して音声信号を生成し信号処理を行って外部へ送信し、外部から受信した信号に信号処理を行って音声として出力する電話機モジュールと、
を備えることを特徴とする画像処理機能を有する携帯電話機。
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