JP4459099B2 - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関する。

図７は下記の非特許文献１の固体撮像装置の回路図、図８はその動作を示すタイミングチャートである。以下、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを単にトランジスタという。

まず、図９（Ａ）に示すように、タイミングｔ２では、トランジスタＭ３がオンし、フローティングディフュージョン（浮遊拡散部）ＦＤ及び付加容量ＣＳにはリセット後のノイズＮ２が蓄積され、そのノイズＮ２が読み出される。

次に、図９（Ｂ）に示すように、タイミングｔ３では、フォトダイオードＰＤに光が照射され、フォトダイオードＰＤに電荷が蓄積される。フォトダイオードＰＤの蓄積電荷が一杯になった後は、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷がフローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量ＣＳに流入する。

次に、電荷蓄積終了後、図９（Ｃ）に示すように、タイミングｔ４では、トランジスタＭ３がオフになり、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量ＣＳに電荷が所定の比率で分配される。付加容量ＣＳには、画素信号Ｓ２及びノイズＮ２’が蓄積される。フォトダイオードＰＤには、画素信号Ｓ１が蓄積される。

次に、図９（Ｄ）に示すように、タイミングｔ５では、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。フローティングディフュージョンＦＤには、ノイズＮ１のみが残る。その後、フローティングディフュージョンＦＤからノイズＮ１が読み出される。

次に、図９（Ｅ）では、トランジスタＭ１をオンし、フォトダイオードＰＤの画素信号Ｓ１の電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョンＦＤには、ノイズＮ１及び画素信号Ｓ１が蓄積される。

次に、図９（Ｆ）では、トランジスタＭ３をオンする。フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量ＣＳには、画素信号Ｓ１，Ｓ２及びノイズＮ１及びＮ２’の電荷が蓄積され、この電荷が読み出される。

また、下記の特許文献１及び２には、ダイナミックレンジを拡大するための固体撮像装置が記載されている。

Shigetoshi Sugawa, 外５名, "A 100dB Dynamic Range CMOS Image Sensor Using a Lateral Overflow Integration Capacitor", ISSCC 2005/SESSION 19/IMAGERS/19.4, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, 2005 IEEE International Solid-State Circuit Conference, February 8, 2005, P.352-353,603. 特開２００１−１８６４１４号公報 特開２００４−３３５８０２号公報

図７の回路は、１画素の回路であり、トランジスタＭ２，Ｍ４及びＭ５を複数画素に対して共通で使用し、トランジスタ数を減らすことが困難である。図７の回路では、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷は、フローティングディフュージョンＦＤを介して付加容量ＣＳに流入される。そのため、トランジスタＭ２，Ｍ４及びＭ５を共用しようとすると、複数の画素のフローティングディフュージョンＦＤが相互に接続され、複数画素の画素信号が混ざってしまい、各画素の信号を読み出すことができなくなってしまう。そのため、トランジスタＭ２，Ｍ４及びＭ５を共用し、トランジスタ数を減らすことができない。

また、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷は、フローティングディフュージョンＦＤを介して付加容量ＣＳに流入されるので、フローティングディフュージョンＦＤの欠陥（傷）の影響でノイズが発生しやすい。フローティングディフュージョンＦＤは、フォトダイオードＰＤに比べて欠陥が多数存在する。そのため、フローティングディフュージョンＦＤでは蓄積した電荷がその欠陥により消滅し、多大な固定パターンノイズが発生する。

本発明の目的は、回路素子数を減らし、ノイズが少ない画素信号を生成することができる固体撮像装置及びカメラを提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成して蓄積するための複数の光電変換部と、少なくとも２つの光電変換部に共通して設けられた、電荷を増幅するための一の増幅部と、第１の光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第１の転送部と、第１の固定電位障壁を介して前記第１の光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積するための第１の電荷蓄積部と、前記第１の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第２の転送部と、第２の光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第３の転送部と、第２の固定電位障壁を介して前記第２の光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積するための第２の電荷蓄積部と、前記第２の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第４の転送部と、を有し、前記第１の固定電位障壁は、前記第１の光電変換部及び前記第１の電荷蓄積部の間の非アクティブ領域に配され、前記第２の固定電位障壁は、前記第２の光電変換部及び前記第２の電荷蓄積部の間の非アクティブ領域に配されたことを特徴とする。

第１の光電変換部及び第１の電荷蓄積部が１画素を構成し、第２の光電変換部及び第２の電荷蓄積部が他の１画素を構成する。増幅部は、それらの２画素に対して共用することができるので、使用する素子数を減らし、コストを低減することができる。また、第１及び第２の光電変換部からあふれ出る電荷は、それぞれ第１及び第２の固定電位障壁を介して第１及び第２の電荷蓄積部に流入するので、フローティングディフュージョンの欠陥の影響を受けず、画素信号のノイズを低減することができる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の全体構成例を示すレイアウト図であり、図２は図１の固体撮像装置の等価回路図である。以下、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを単にトランジスタという。

図１において、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２等を示すハッチは、半導体不純物拡散領域（アクティブ領域）ＡＣＴを示す。付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２等を示すハッチは、ポリシリコンＰＯＬを示す。配線４０１等を示すハッチは、アルミニウム配線ＡＬを示す。配線４０１と不純物拡散領域ＡＣＴ等を接続する部分のハッチはコンタクト部ＣＮＴを示す。

図２の構成を説明する。まず、第１の画素構造を説明する。フォトダイオード（第１の光電変換部）ＰＤ１は、光電変換により電荷を生成して蓄積する。転送トランジスタ（第１の転送部）Ｔｘ−ＭＯＳ１は、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷をソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳに転送するための転送ゲートである。付加容量（第１の電荷蓄積部）Ｃｓ１は、第１の固定電位障壁１０１を介してフォトダイオードＰＤ１からあふれ出る電荷を蓄積するための電荷蓄積部である。転送トランジスタ（第２の転送部）Ｃｓ−ＭＯＳ１は、付加容量Ｃｓ１に蓄積された電荷をソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳに転送するための転送ゲートである。トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１は、ゲートが電位φｔｘ１に接続され、ソースがフォトダイオードＰＤ１のカソードに接続され、ドレインがトランジスタＳＦ−ＭＯＳのゲートに接続される。トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１のドレインは、浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）ＦＤに相当し、電荷を蓄積可能である。フォトダイオードＰＤ１のアノードはグランドＧＮＤに接続される。トランジスタＣｓ−ＭＯＳ１は、ゲートが電位φｃｓ１に接続され、ソースが付加容量Ｃｓ１の一端の電極に接続され、ドレインがトランジスタＳＦ−ＭＯＳのゲートに接続される。付加容量Ｃｓ１の他端の電極は、グランドＧＮＤに接続される。

次に、第２の画素構造を説明する。フォトダイオード（第２の光電変換部）ＰＤ２は、光電変換により電荷を生成して蓄積する。転送トランジスタ（第３の転送部）Ｔｘ−ＭＯＳ２は、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷をソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳに転送するための転送ゲートである。付加容量（第２の電荷蓄積部）Ｃｓ２は、第２の固定電位障壁１０２を介してフォトダイオードＰＤ２からあふれ出る電荷を蓄積するための電荷蓄積部である。転送トランジスタ（第４の転送部）Ｃｓ−ＭＯＳ２は、付加容量Ｃｓ２に蓄積された電荷をソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳに転送するための転送ゲートである。トランジスタＴｘ−ＭＯＳ２は、ゲートが電位φｔｘ２に接続され、ソースがフォトダイオードＰＤ２のカソードに接続され、ドレインがトランジスタＳＦ−ＭＯＳのゲートに接続される。トランジスタＴｘ−ＭＯＳ２のドレインは、フローティングディフュージョンＦＤに相当し、電荷を蓄積可能である。フォトダイオードＰＤ２のアノードはグランドＧＮＤに接続される。トランジスタＣｓ−ＭＯＳ２は、ゲートが電位φｃｓ２に接続され、ソースが付加容量Ｃｓ２の一端の電極に接続され、ドレインがトランジスタＳＦ−ＭＯＳのゲートに接続される。付加容量Ｃｓ２の他端の電極は、グランドＧＮＤに接続される。

トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１及びＴｘ−ＭＯＳ２のフローティングディフュージョンＦＤは、相互に接続され、フローティングディフュージョンＦＤを共有する。ソースフォロアトランジスタ（増幅部）ＳＦ−ＭＯＳは、ドレインが電源電位ＶＤＤに接続され、ソースがトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳのドレインに接続され、ゲートに供給される電荷を増幅して出力する。選択トランジスタＳＥＬ−ＭＯＳは、ゲートが電位φｓｅｌに接続され、ソースが信号配線４０１に接続される。リセットトランジスタ（リセット部）ＲＥＳ−ＭＯＳは、ゲートが電位φｒｅｓに接続され、ソースがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレインが電源電位ＶＤＤに接続される。電流源４０２は、信号配線４０１及びグランドＧＮＤ間に接続される。

固体撮像装置は、複数の画素が２次元配列される。図２では、第１の画素及び第２の画素の２画素のみを例に示す。付加容量Ｃｓ１及びＣｓ２は、それぞれフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に隣接する。第１の画素（フォトダイオードＰＤ１及び付加容量Ｃｓ１）は、例えば奇数ラインの画素を示す。第２の画素（フォトダイオードＰＤ２及び付加容量Ｃｓ２）は、例えば偶数ラインの画素を示す。すなわち、ライン毎に第１の画素及び第２の画素が順番に並ぶ。トランジスタＳＦ−ＭＯＳ，ＳＥＬ−ＭＯＳ及びＲＥＳ−ＭＯＳは、２画素に対して共通で使用されるので、使用する素子数を減らし、コストを低減することができる。本実施形態は、２画素を１単位として、多数の画素が２次元配列される。

図３は、図１中のＯ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ線に沿った断面の電荷蓄積期間（図４のタイミングＴ２〜Ｔ３）中のポテンシャル図である。

Ｏ−Ａ線で示すポテンシャルバリア（電位障壁）ａは、固定電位障壁領域１０１及び１０２の固定電位障壁の高さを示す。領域１０１は、フォトダイオードＰＤ１及び付加容量Ｃｓ１の間の領域である。領域１０２は、フォトダイオードＰＤ２及び付加容量Ｃｓ２の間の領域である。領域１０１及び１０２は、周囲に対して半導体不純物濃度差が異なる領域として形成される。ポイントＯは、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の電位障壁の高さを示す。ポイントＡは、付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２の電位障壁の高さを示す。

Ｏ−Ｂ線で示すポテンシャルバリアｂは、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及びフローティングディフュージョンＦＤ間の転送ゲート下の電位障壁の高さを示す。すなわち、転送トランジスタＴｘ―ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２のチャネル領域の電位障壁の高さを示す。ポイントＢは、フローティングディフュージョンＦＤの電位障壁の高さを示す。

Ｏ−Ｃ線で示すポテンシャルバリアｃは、ある画素のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２とそれに隣接する他の画素との間の素子分離障壁の高さを示す。この部分の電位障壁ｃを形成する領域は電位障壁ａ及びｂに比べ、高い電位障壁を必要とする。そのようにすることにより隣接画素領域への電荷のもれこみを抑制することができる。

電位障壁ｃは、電位障壁ｂ及びｃよりも高い。電位障壁ａは、電位障壁ｂよりも低い。これにより、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の蓄積電荷が一杯になった場合に、あふれ出る電荷は転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２の電位障壁ｂではなく、最も電位障壁が低い領域１０１及び１０２の電位障壁ａを介して付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に流入する。

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、ｎ型領域である。電位障壁ｃの素子分離領域、電位障壁ｂの領域、電位障壁ａの領域１０１，１０２のそれぞれはｐ型領域であり、蓄積期間中の実効的なキャリア濃度はａ＜ｂ＜ｃであることが望ましい。その半導体不純物濃度を調整すること、および電位障壁ｂをコントロールするゲート電圧φｔｘ１，φｔｘ２の蓄積期間中の電位により、電位障壁ａ，ｂ，ｃの高さを制御する。

電位障壁は a＜ｂ＜ｃの関係になるようにすることにより、さらに以下のような利点が生じる。すなわちフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２があふれ、付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に電荷が流入するような強い光をさらに上回る、もしくはその強い光を長時間蓄積する場合、付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２が溢れるほど電荷が流入してくる場合が想定される。その際に、a＜ｂ＝ｃのような関係、あるいはａ＜ｃ＜ｂの場合、隣接画素に電荷が流入してしまい混色が生じ著しく画質を劣化させてしまう。そこでa＜ｂ＜ｃの関係になるように電位障壁をつくると付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２から溢れ出た電荷は、蓄積期間中に電圧ＶＤＤ付近にリセットされているフローティングディフュージョンＦＤ側に流出し速やかに過剰な電荷を捨てることができる。そのため混色が生じることはなく高画質な画像が得られる。

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、蓄積できる電荷の量が決まっている。したがって、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に強い光が照射されると、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から電荷があふれ出る。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からあふれ出る電荷が付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に流入する。

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からあふれた電荷は、それぞれ最も低い電位障壁aを通り付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に流入する。電荷蓄積期間中に転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２を介してフローティングディフュージョンＦＤに電荷が流入しないようにする必要がある。なぜならば、フローティングディフュージョンＦＤはリセット状態にあるため、転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２を介して流入した電荷はリセットにより速やかに捨てられてしまうからである。

上記の本実施形態の特徴が図７及び図８の固体撮像装置と異なる。図７及び図８の固体撮像装置では、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷は、転送トランジスタＭ１を介して、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量ＣＳに蓄積される。したがって、フォトダイオードＰＤに比べて欠陥が多数存在するフローティングディフュージョンＦＤでは蓄積した電荷が欠陥により消滅し、多大な固定パターンノイズが発生する。

これに対し、本実施形態では、転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２及びフローティングディフュージョンＦＤを介さず、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から直接付加容量Ｃｓに電荷を流入させることができる。したがって、電荷蓄積期間中にフローティングディフュージョンＦＤの欠陥に起因する電荷の消失が発生することがなく、固定パターンノイズの小さな固体撮像装置が得られる。

図４は、図２の回路の動作例を示すタイミングチャートである。メカシャッタ５３（図５）は、ハイレベルが開いていることを示し、ローレベルが閉じていることを示す。電位φｒｅｓはリセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｘ１は転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１のゲート電位、電位φｔｘ２は転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ２のゲート電位、電位φｓｅｌは選択トランジスタＳＥＬ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｃｓ１は転送トランジスタＣｓ−ＭＯＳ１のゲート電位、電位φｃｓ２は転送トランジスタＣｓ−ＭＯＳ２のゲート電位、電位φＣｔｎ１はトランジスタ４１３のゲート電位、電位φＣｔｓ１はトランジスタ４１１のゲート電位、電位φＣｔｓ２はトランジスタ４１２のゲート電位、電位φＣｔｎ２はトランジスタ４１４のゲート電位を示す。

タイミングＴ１より前では、メカシャッタ５３は閉じ、電位φｒｅｓ，φｔｘ１，φｔｘ２，φｃｓ１，φｃｓ２はハイレベルであり、φｓｅｌ，φｃｔｎ１，φｃｔｓ１，φｃｔｓ２，φｃｔｎ２はローレベルである。リセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳがオンし、転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２，Ｃｓ−ＭＯＳ１，Ｃｓ−ＭＯＳ２がオンする。これにより、フローティングディフュージョンＦＤ、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及び付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に電源電位ＶＤＤが供給され、その蓄積電荷が電源電位ＶＤＤにリセットされる。

次に、タイミングＴ１では、電位φｔｘ１，φｔｘ２，φｃｓ１，φｃｓ２をローレベルにする。すると、転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１，Ｔｘ−ＭＯＳ２，Ｃｓ−ＭＯＳ１，Ｃｓ−ＭＯＳ２がオフし、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及び付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２が電荷蓄積可能になる。

次に、タイミングＴ２では、メカシャッタ５３を開く。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に光が照射され、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は負電荷の生成及び蓄積を開始する。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に強い光が照射されると、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が飽和し、負電荷がフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に流入する。付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２は、あふれ出た電荷を蓄積する。

次に、タイミングＴ３では、メカシャッタ５３が閉じ、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は遮光され、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の電荷生成が終了する。したがって、電荷蓄積期間は、タイミングＴ２〜Ｔ３の期間である。

次に、タイミングＴ４では、φｒｅｓをローレベルにし、電位φｓｅｌをハイレベルにする。リセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオフし、選択トランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオンし、信号配線４０１をアクティブ状態にする。ソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、ソースフォロアアンプを構成し、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じて、信号配線４０１に出力電圧を出力する。このフローティングディフュージョンＦＤには、リセット後のノイズ電荷が蓄積されている。

次に、タイミングＴ５では、電位φｃｔｎ１として正パルスを印加する。トランジスタ４１３がオンし、容量Ｃｔｎ１にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、フローティングディフュージョンＦＤのノイズ電荷に対応する。

次に、タイミングＴ６では、電位φｔｘ１をハイレベルにし、電位φｃｔｓ１として正パルスを印加する。転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ１がオンし、フォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。ソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じて、信号配線４０１に出力電圧を出力する。このフローティングディフュージョンＦＤには、フォトダイオードＰＤ１の画素信号電荷が蓄積されている。その後、トランジスタ４１１がオンし、容量Ｃｔｓ１にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、フォトダイオードＰＤ１の画素信号電荷に対応する。その後、電位φｔｘ１は、ローレベルに戻される。

次に、タイミングＴ７では、電位φｃｓ１をハイレベルにし、電位φｃｔｓ２として正パルスを印加する。転送トランジスタＣｓ−ＭＯＳ１はオンし、付加容量Ｃｓ１の蓄積電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。ソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じて、信号配線４０１に出力電圧を出力する。このフローティングディフュージョンＦＤには、付加容量Ｃｓ１の画素信号電荷が蓄積されている。トランジスタ４１２がオンし、容量Ｃｔｓ２にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、付加容量Ｃｓ１の画素信号電荷に対応する。

次に、タイミングＴ８では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。リセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ１が電源電位ＶＤＤにリセットされる。フローティングディフュージョンＦＤには、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ１のリセット後のノイズが蓄積される。ソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じて、信号配線４０１に出力電圧を出力する。このフローティングディフュージョンＦＤには、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ１のノイズ電荷が蓄積されている。

次に、タイミングＴ９では、電位φｃｔｎ２として正パルスを印加する。トランジスタ４１４がオンし、容量Ｃｔｎ２にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ１のノイズ電荷に対応する。

以上の処理により、容量Ｃｔｓ１にはフォトダイオードＰＤ１の画素信号が蓄積され、容量Ｃｔｎ１にはフローティングディフュージョンＦＤのノイズが蓄積され、容量Ｃｔｓ２には付加容量Ｃｓ１の画素信号が蓄積され、容量Ｃｔｎ２にはフローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ１のノイズが蓄積される。

また、本実施形態では電位φＣｓ１，φＣｓ２によるトランジスタＣｓ−ＭＯＳ１，Ｃｓ−ＭＯＳ２の駆動は、タイミングＴ１で全付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２を蓄積開始するために一斉に閉じた後、水平ブランキング期間中（例えば図４のタイミングＴ１１〜Ｔ１８の期間）に電位φＣｓ１，φＣｓ２によるトランジスタＣｓ−ＭＯＳ１，Ｃｓ−ＭＯＳ２は一度だけ開けば良い。

一方、従来例となる図８ではφＳは水平ブランキング期間中に一度トランジスタＭ３により付加容量Ｃｓを閉じ、再度開く動作が必要になる。なぜならば本実施形態では付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に蓄積される電荷はフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から直接付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に流入するのに対し、図７ではフローティングディフュージョンＦＤを経由する為に蓄積時間中はトランジスタＭ３を開いておかねばならない。したがって先にフォトダイオードＰＤの電荷を読み出す為には一度トランジスタＭ３を閉じる動作が不可欠になってしまう。

このような開閉動作が多いと水平ブランキング時間が長くなってしまい一定時間に読み出せる画像の枚数が減ってしまうという問題もある。本実施形態では前述したように電位φｃｓ１，φｃｓ２によるトランジスタＣｓ−ＭＯＳ１，Ｃｓ−ＭＯＳ２の動作は少なくて済む為水平ブランキング時間を短くすることが出来、一定時間により多くの画像を読み出すことができる。

次に、図２において、画素信号生成部の動作を説明する。差動アンプ４２１は、容量Ｃｔｓ１の画素信号電圧から容量Ｃｔｎ１のノイズ電圧を引いた電圧を出力する。差動アンプ４２２は、容量Ｃｔｓ２の画素信号電圧から容量Ｃｔｎ２のノイズ電圧を引いた電圧を出力する。アンプ４２３は、差動アンプ４２１の出力信号を増幅する。アンプ４２４は、差動アンプ４２２の出力信号を増幅する。

加算器４２５は、アンプ４２３及び４２４の出力信号を加算して画素信号を出力する。画素信号は、フォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷及び付加容量Ｃｓ１にあふれ出た電荷を基に生成されるので、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷のみを用いる場合に比べ、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。

アンプ４２６は、ＩＳＯ感度に応じて、加算器４２５の出力信号を増幅して出力する。ＩＳＯ感度値が小さいときには増幅度が小さく、ＩＳＯ感度値が大きいときには増幅度が大きい。

図４において、タイミングＴ４〜Ｔ１０は、第１の画素（フォトダイオードＰＤ１及び付加容量Ｃｓ１）の読み出し期間である。タイミングＴ１０〜Ｔ１１は、第１の画素の信号を水平方向に転送する期間である。

次に、タイミングＴ１１〜Ｔ１８では、上記のタイミングＴ４〜Ｔ１０と同様に、第２の画素についての読み出しを行う。

タイミングＴ１２では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。リセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳがオンし、フローティングディフュージョンＦＤが電源電位ＶＤＤにリセットされる。

次に、タイミングＴ１３では、電位φｃｔｎ１として正パルスを印加する。トランジスタ４１３がオンし、容量Ｃｔｎ１にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、フローティングディフュージョンＦＤのノイズ電荷に対応する。

次に、タイミングＴ１４では、電位φｔｘ２をハイレベルにし、電位φｃｔｓ１として正パルスを印加する。転送トランジスタＴｘ−ＭＯＳ２がオンし、フォトダイオードＰＤ２の蓄積電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。その後、トランジスタ４１１がオンし、容量Ｃｔｓ１にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、フォトダイオードＰＤ２の画素信号電荷に対応する。その後、電位φｔｘ２は、ローレベルに戻される。

次に、タイミングＴ１５では、電位φｃｓ２をハイレベルにし、電位φｃｔｓ２として正パルスを印加する。転送トランジスタＣｓ−ＭＯＳ２はオンし、付加容量Ｃｓ２の蓄積電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。その後、トランジスタ４１２がオンし、容量Ｃｔｓ２にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、付加容量Ｃｓ２の画素信号電荷に対応する。

次に、タイミングＴ１６では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。リセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ２が電源電位ＶＤＤにリセットされる。フローティングディフュージョンＦＤには、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ２のリセット後のノイズが蓄積される。

次に、タイミングＴ１７では、電位φｃｔｎ２として正パルスを印加する。トランジスタ４１４がオンし、容量Ｃｔｎ２にフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号配線４０１の電位が蓄積される。この電位は、フローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ２のノイズ電荷に対応する。

以上の処理により、容量Ｃｔｓ１にはフォトダイオードＰＤ２の画素信号が蓄積され、容量Ｃｔｎ１にはフローティングディフュージョンＦＤのノイズが蓄積され、容量Ｃｔｓ２には付加容量Ｃｓ２の画素信号が蓄積され、容量Ｃｔｎ２にはフローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量Ｃｓ２のノイズが蓄積される。

以下、上記と同様に、差動アンプ４２１，４２２、アンプ４２３，４２４，４２６及び加算器４２５が動作し、第２の画素の信号を生成する。すなわち、フォトダイオードＰＤ２及び付加容量Ｃｓ２に蓄積された画素信号を基に、第２の画素の信号を生成する。図４において、タイミングＴ１１〜Ｔ１８は、第２の画素（フォトダイオードＰＤ２及び付加容量Ｃｓ２）の読み出し期間である。タイミングＴ１８〜Ｔ１９は、第２の画素の信号を水平方向に転送する期間である。

また本実施形態においては、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が一つの増幅部に接続された構成に関して説明したが、これに限られるものではなく、例えば、図１０に示すような４つのフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４で一つの増幅部を共通にする構成でもよく、共通とするフォトダイオードの数は適宜設定可能である。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図５に基づいて、第１の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の一例について詳述する。固体撮像素子５４及び撮像信号処理回路５５は第１の実施形態の固体撮像装置に対応する。

５１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、５２は被写体の光学像を固体撮像素子５４に結像させるレンズ、５３はレンズ５２を通った光量を可変するための絞り及びメカシャッタ、５４はレンズ５２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、５５は固体撮像素子５４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路、５６は撮像信号処理回路５５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部、５７はＡ／Ｄ変換部５６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する信号処理部、５８は固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換部５６、信号処理部５７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、５９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、６０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、６１は記録媒体６２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部、６２は画像データの記録又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、６３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。

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５１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変換部５６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５９は絞り（メカシャッタ）５３を開放にし、固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６で変換された後、信号処理部５７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５９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５９は絞り５３を制御する。

次に、固体撮像素子５４から出力された信号を基に、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５９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５４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部５７を通り全体制御・演算部５９によりメモリ部６０に書き込まれる。その後、メモリ部６０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部６３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。タイミング発生部５８は、図４の電位の信号を制御する。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図６に基づいて、第１の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。

１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１Ｂ、結像用のレンズ１Ｃを備えている。２は絞り及びメカシャッタ、３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、４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。

５はサンプルホールド回路４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、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５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２１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５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２４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、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。

次いで、６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路７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２の開口量を制御すべくｉｇメータ８を自動制御するものである。

１３及び１４は、サンプルホールド回路４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１のバンドパスフィルタ１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路１６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１７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、１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、１９はズームレンズ１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２０は絞り２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１７へと供給される。

論理制御回路１７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１３、１４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１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路９にフォーカスモーター１０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。

ズーム駆動回路１１は、ズームが指示されると、ズームモーター１２を回転させる。ズームモーター１２が回転すると、ズームレンズ１Ｂが移動し、ズームが行われる。

以上のように、第１〜第３の実施形態によれば、フォトダイオードＰＤ１及び付加容量Ｃｓ１が１画素を構成し、フォトダイオードＰＤ２及び付加容量Ｃｓ２が他の１画素を構成する。ソースフォロアトランジスタＳＦ−ＭＯＳ、選択トランジスタＳＥＬ−ＭＯＳ及びリセットトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳは、それらの２画素に対して共用することができるので、使用する素子数を減らし、コストを低減することができる。

また、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からあふれ出る電荷は、それぞれ固定電位障壁１０１，１０２を介して付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に流入するので、フローティングディフュージョンＦＤの欠陥の影響を受けず、画素信号のノイズを低減することができる。

また、上記のように、あふれ出る電荷を付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２に蓄積し、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及び付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２の蓄積電荷を基に、画素信号を生成することにより、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の蓄積電荷のみを用いる場合に比べ、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。

付加容量Ｃｓ１，Ｃｓ２は、ポリシリコン等の電極及び誘電体を用いて構成してもよいし、フォトダイオード構造の表面部を遮光することにより構成してもよく、電荷蓄積可能な電荷蓄積部であればよい。ただし、電極及び誘電体により構成した方が、大きな容量を実現することができるので、好ましい。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の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はならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の全体構成例を示すレイアウト図である。 図１の固体撮像装置の等価回路図である。 図１中のＯ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ線に沿った断面の電荷蓄積期間中のポテンシャル図である。 図２の回路の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 固体撮像装置の回路図である。 図７の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 図８の動作を説明するための図である。 ４つのフォトダイオードで１つの増幅部を共通に使用する固体撮像装置の等価回路図である。

符号の説明

５１ バリア
５２ レンズ
５３ 絞り（シャッタ）
５４ 固体撮像素子
５５ 撮像信号処理回路
５６ Ａ／Ｄ変換部
５７ 信号処理部
５８ タイミング発生部
５９ 全体制御・演算部
６０ メモリ部
６１ 記録媒体制御インタフェース部
６２ 記録媒体
６３ 外部インタフェース部
１０１，１０２ 固定電位障壁
４０１ 信号配線
４０２ 電流源
４１１〜４１３ トランジスタ
４２１，４２２ 差動アンプ
４２３，４２４，４２６ アンプ
４２５ 加算器

Claims (12)

1. 光電変換により電荷を生成して蓄積するための複数の光電変換部と、
   少なくとも２つの光電変換部に共通して設けられた、電荷を増幅するための一の増幅部と、
   第１の光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第１の転送部と、
   第１の固定電位障壁を介して前記第１の光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積するための第１の電荷蓄積部と、
   前記第１の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第２の転送部と、
   第２の光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第３の転送部と、
   第２の固定電位障壁を介して前記第２の光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積するための第２の電荷蓄積部と、
   前記第２の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第４の転送部と、を有し、
   前記第１の固定電位障壁は、前記第１の光電変換部及び前記第１の電荷蓄積部の間の非アクティブ領域に配され、
   前記第２の固定電位障壁は、前記第２の光電変換部及び前記第２の電荷蓄積部の間の非アクティブ領域に配されたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記増幅部を複数有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１及び第２の固定電位障壁は、周囲に対して半導体不純物濃度差が異なる領域として形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の光電変換部に電荷を蓄積している期間では、前記第１の固定電位障壁は前記第１の転送部の電位障壁よりも低く、
   前記第２の光電変換部に電荷を蓄積している期間では、前記第２の固定電位障壁は前記第３の転送部の電位障壁よりも低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. さらに、前記第１〜第４の転送部に接続され、前記第１及び第２の光電変換部並びに前記第１及び第２の電荷蓄積部の蓄積電荷をリセットするための一のリセット部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. さらに、前記第１の光電変換部及び前記第１の電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記増幅部により増幅された電荷に応じて第１の画素信号を生成し、前記第２の光電変換部及び前記第２の電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記増幅部により増幅された電荷に応じて第２の画素信号を生成するための画素信号生成部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. さらに、第１のトランジスタを介して前記増幅部により増幅された電荷を蓄積する第１の容量と、
   第２のトランジスタを介して前記増幅部により増幅された電荷を蓄積する第２の容量と、
   第３のトランジスタを介して前記増幅部により増幅された電荷を蓄積する第３の容量と、
   第４のトランジスタを介して前記増幅部により増幅された電荷を蓄積する第４の容量と、
   前記第１の容量の電圧から前記第２の容量の電圧を引いた電圧を出力する第１の差動アンプと、
   前記第３の容量の電圧から前記第４の容量の電圧を引いた電圧を出力する第２の差動アンプと、
   前記第１の差動アンプ及び前記第２の差動アンプの出力信号を加算する加算器と、
   前記加算器により加算された信号を増幅するアンプとを有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
8. 前記アンプは、ＩＳＯ感度に応じて前記加算器により加算された信号を増幅することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
9. 前記第１の電荷蓄積部は、前記第１の固定電位障壁を介して電荷が流入する第１の半導体不純物領域とポリシリコンとを電極とする容量により構成され、
   前記第２の電荷蓄積部は、前記第２の固定電位障壁を介して電荷が流入する第２の半導体不純物領域とポリシリコンとを電極とする容量により構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記第２の転送部はトランジスタで構成され、
    前記第１の半導体不純物領域は、前記第２の転送部を構成するトランジスタのソースであり、
    前記第４の転送部はトランジスタで構成され、
    前記第２の半導体不純物領域は、前記第４の転送部を構成するトランジスタのソースであることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
11. 前記増幅部は、前記第１の光電変換部及び前記第１の電荷蓄積部を有する画素と前記第２の光電変換部及び前記第２の電荷蓄積部を有する画素との間に配されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    光学像を前記固体撮像装置に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。

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