JP4484449B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＣＤ等の固体撮像装置に係り、特に、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの固体撮像装置を用いて被写体を撮像する場合、撮像画像中の高輝度部分が白つぶれしたり低輝度部分が黒つぶれしないことが望ましい。すなわち、低輝度から高輝度にわたる撮像を可能にするため、固体撮像装置や信号処理回路において広いダイナミックレンジを実現する必要がある。
【０００３】
そこで、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大する方法が従来から種々提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された従来技術では、ＣＣＤセンサの表面に高感度画素と低感度画素の両方を設け、高感度画素による撮像画像と低感度画素による撮像画像とを合成することで、広ダイナミックレンジ化を実現している。
【０００４】
高感度画素と低感度画素の間に感度差を設ける方法としては、たとえば、一方の画素上にＮＤフィルタを積層する方法や、一方の画素上の遮光膜の開口を狭める方法などが考えられる。しかし、固体撮像装置表面において高感度画素と低感度画素とを隣接して設けるため、固体撮像装置表面への入射光角度や光強度分布によって、高感度画素と低感度画素の感度比が異なってしまうという問題がある。
【０００５】
下記特許文献２に記載された従来技術では、固体撮像装置を用いて同一画像を２回撮像し、各撮像画像を合成することで、ダイナミックレンジを拡大している。即ち、この従来技術では、露光時間の長短によって感度差を実現し、短時間露光（蓄積時間が短い）によって得られた低感度画像信号と、長時間露光（蓄積時間が長い）によって得られた高感度画像信号とを合成している。しかし、この従来技術では、短時間露光による画像情報と長時間露光による画像情報との間に時間的なずれが存在するため、特に静止画像を撮影する場合に、動く被写体の撮像、高速シャッタ動作やストロボ撮影等に適さないという問題がある。
【０００６】
下記特許文献３及び特許文献４に記載された従来技術では、高感度画像情報の特性曲線と低感度画像情報の特性曲線とが滑らかにつなぎ合わさる様に信号処理することで、低露光エネルギ領域では高感度画像情報を主に使用し、高露光エネルギ領域では低感度側の画像情報を主に使用するようにし、出力信号が飽和する露光エネルギ値を従来よりも高露光エネルギ側にシフトし、広ダイナミックレンジ化を実現している。
【０００７】
ＣＣＤセンサでは、半導体基板表面のうち受光部の面積を大きくして飽和電荷量を増大させダイナミックレンジの拡大を図ると、それと同等の電荷量を転送できる垂直転送ＣＣＤが必要になってしまう。言い換えると、受光部面積を大きくすると垂直転送路の転送容量たとえば転送路の幅も広げる必要が生じる。従って、半導体基板のチップサイズを大きくできない場合には、受光部の面積を一方的に拡大することができないという制約がある。また、転送電荷量の増大と電荷転送速度の高速化は、ＣＣＤ駆動時の消費電力を増大させるという問題を生じてしまう。
【０００８】
一方、画素を微細化し画素数を増大させていくと、受光部の面積は逆に小さくせざるを得ず、そのため、扱える信号電荷量は益々小さくなってしまうという問題にも直面する。しかも、出力信号に含まれるノイズ成分が画素の微細化に比例して低下しないため、ダイナミックレンジが狭まってしまう。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭５９―２１０７７５号公報
【特許文献２】
特開昭６２―１０８６７８号公報
【特許文献３】
特開平５―６４０８３号公報
【特許文献４】
特開平６―１４１２２９号公報
【非特許文献１】
C.H.Sequin Blooming Suppression in Charge Coupled Area Imaging Devices,Bell Syst.Tech.J.,51,pp1923-1926(1972)
【非特許文献２】
Y.Ishihara他 Interline CCD Image Sensor with Anti Blooming Structure,ISSCC Dig,Tech.Papers,pp168-169(1982)
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像装置は、銀塩フィルムに比べ、露光エネルギに対するラティチュード（許容範囲）が狭いと言われている。たとえば、固体撮像装置では、強い光が入射し、受光部に蓄積できる蓄積電荷量を超える電荷が発生すると、光が入射していない隣接画素にもあふれた電荷が流入し、このため、光が入射した部分を中心に白い領域が広がってしまうというブルーミング現象が知られている。
【００１１】
このブルーミング現象を改善するために、従来から、過剰電荷が隣接受光部に流入する前に、この過剰電荷を外部に排出する構造が採用されている。例えば、上記の非特許文献１にその構造の一例が記載されている。すなわち、受光部電荷蓄積部の横にオーバーフロードレイン（ＯＤ）と呼ばれる同じ導電型の別の電荷蓄積領域を設け、過剰な電荷をここに集め、素子外部に一括して掃き出すようにした構造である。この構造は、一般に、横型オーバーフロードレイン（ＬＯＤ）と呼ばれ、この構造により、上記のブルーミング現象は大幅に改善される。
【００１２】
しかし、横型オーバーフロードレイン構造をＣＣＤに採用する場合、半導体基板のチップ全体にオーバーフロードレインを格子状に敷設しなければならず、チップ面積を有効に利用できないという問題が生じる。
【００１３】
そこで、上記の非特許文献２に記載されている様に、縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）が開発された。これは、受光部の基板深さ方向にＮ⁺ｐｎ構造を形成することにより、過剰電荷を基板側に流出させる構造である。すなわち、基板のｎ層とＰ―Ｗｅｌｌ層との間にバイアス電圧を印加することで、受光部ポテンシャルウエルから流出した過剰電荷をｎ型基板に排出するものである。
【００１４】
この縦型オーバーフロードレイン構造では、基板電位は各受光部について一様に制御することが容易なため、基板電圧および印加時間によってオーバーフローのレベルを制御することができる。また、チップ表面の面積を犠牲にすることがないため、現在のＣＣＤでは、殆ど全てが縦型オーバーフロードレイン構造を採用し、過大な入射光に対するブルーミングあるいはスミアと呼ばれる現象を大幅に改善している。
【００１５】
しかし、オーバーフロードレインの構造をＣＣＤに設けても、一定の光量を超える入射光に対しては出力信号が飽和するため、入射光エネルギの広い範囲において信号差（濃淡）を判別することができず、上述のラティチュードを狭くする原因の一つになっていることに変わりはない。
【００１６】
本発明の目的は、電荷転送路の幅を拡大せずに取り扱い可能な飽和電荷容量を増大させ、ダイナミックレンジを拡大できる構造を持った固体撮像装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の表面に複数の受光部がアレー状に配列される固体撮像装置において、前記受光部の各々に、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する第１信号電荷蓄積部と、該第１信号電荷蓄積部にバリアを介して隣接配置され該第１信号電荷蓄積部の蓄積電荷が該第１信号電荷蓄積部の飽和電荷量を超えたとき該飽和電荷量を超えた過剰電荷の一部を捕獲して蓄積する第２信号電荷蓄積部と、前記一部を除く前記過剰電荷を前記第１信号電荷蓄積部から前記半導体基板に廃棄するオーバーフロードレインとを設けたことを特徴とする。
【００１８】
この構成により、電荷転送路の幅を拡大せずに取り扱い可能な飽和電荷容量を増大させることが可能となり、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【００１９】
本発明の固体撮像装置は、前記半導体基板の表面側において前記第２信号電荷蓄積部が前記第１信号電荷蓄積部とバリアを介して隣接配置されることを特徴とする。この構成により、固体撮像装置の設計が容易となる。
【００２０】
本発明の固体撮像装置は、前記バリアの不純物濃度が前記半導体基板に設けたＰウェル層の不純物濃度より高く前記第１，第２信号電荷蓄積部の読み出しゲート部の不純物濃度より低いことを特徴とする。この構成により、第２信号電荷蓄積部の蓄積電荷量を調整することが容易となる。
【００２１】
本発明の固体撮像装置は、前記バリアの不純物濃度が前記第１，第２信号電荷蓄積部の読み出しゲート部の不純物濃度と同等であることを特徴とする。この構成により、バリアとを通した過剰電荷の拡散が阻止される。
【００２２】
本発明の固体撮像装置は、前記第２信号電荷蓄積部が前記第１信号電荷蓄積部の基板深さ方向に配置されることを特徴とする。この構成により、縦型オーバーフロードレイン構造によって廃棄される過剰電荷の一部を捕獲して第２信号電荷蓄積部に蓄積することができる。
【００２３】
本発明の固体撮像装置は、前記第２信号電荷蓄積部の不純物濃度が該第２信号電荷蓄積部の読み出しゲート部に近いほど高濃度に形成されていることを特徴とする。この構成により、基板の深い所に形成された第２信号電荷蓄積部から読み残し無しに信号電荷を読み出すことが容易となる。
【００２４】
本発明の前記固体撮像装置は電荷結合素子（ＣＣＤ）であり、前記第１信号電荷蓄積部の読み出しゲートと前記第２信号電荷蓄積部の読み出しゲートとが別々に設けられることを特徴とする。この構成により、信号電荷の読み出しが容易となる。
【００２５】
本発明の固体撮像装置は、前記第２信号電荷蓄積部が遮光膜の開口部を避けた下部に設けられることを特徴とする。この構成により、第２信号電荷蓄積部での光電変換による電荷蓄積を回避することができる。
【００２６】
本発明の前記第２信号電荷蓄積部は、前記遮光膜の開口部を避けた下部位置において前記第１信号電荷蓄積部の周囲を取り囲むように配置された構造を特徴とする。この構成により、製造が容易となる。
【００２７】
本発明の固体撮像装置は、前記の各受光部の上部に夫々オンチップ集光光学系が設けられ、前記の各受光部に夫々遮光膜の１つの開口部が対応し、各１つの開口部に対して前記第１信号電荷蓄積部と前記第２信号電荷蓄積部とが設けられることを特徴とする。この構成により、入射光のロスがなくなり、高感度化が可能になる。
【００２８】
本発明の固体撮像装置は、前記第２信号電荷蓄積部の面積が前記第１信号電荷蓄積部の面積よりも小さいことを特徴とする。この構成により、面積比によってダイナミックレンジの幅を容易に制御可能となる。
【００２９】
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、上記のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１信号電荷蓄積部の電荷信号と前記第２信号電荷蓄積部の電荷信号とを独立に読み出すことを特徴とする。この構成により、独立に読み出された信号電荷を、ユーザの好みに応じて加算処理することができ、ユーザのニーズに合わせることが容易となる。
【００３０】
本発明の固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１信号電荷蓄積部の蓄積電荷と前記第２信号電荷蓄積部の蓄積電荷とが別々に面順次に垂直転送路に読み出されて独立に垂直転送路，水平転送路を転送され出力されることを特徴とする。この構成によっても、ユーザのニーズに合わせた画像合成によるダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００３１】
本発明の画像信号処理方法は、上記の駆動方法によって前記固体撮像装置から出力された前記第１信号電荷蓄積部からの出力信号と前記第２信号電荷蓄積部からの出力信号とを前記受光部毎に加算処理することを特徴とする。この構成により、面倒な信号処理を装置が自動的に行うため、ダイナミックレンジの広い撮像画像を得ることが可能となる。
【００３２】
本発明の固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１信号電荷蓄積部の蓄積電荷と前記第２信号電荷蓄積部の蓄積電荷とを垂直転送路に読み出し混合して該垂直転送路を転送させ水平転送路を転送させて固体撮像装置から出力させることを特徴とする。この方法により、広ダイナミックレンジの画像データを生成するときの信号処理負荷を軽減することができる。
【００３３】
本発明の固体撮像装置は、各受光部がハニカム配列されていることを特徴とする。この構成により、全画素読み出しのＣＣＤを２層ポリシリコンで実現でき、装置の低コスト化を図ることが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００３５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。図示において、各受光部２１は長方形で表され、これを単位画素として、多数の受光部２１が半導体基板２０の表面にアレー状に配列されている。本実施形態では、受光部２１は正方格子状に配列されている。左右方向に隣接する受光部２１間には垂直転送路２２が形成され、受光部２１から垂直転送路２２に読み出された信号電荷は、下方の水平転送路２３に転送される。
【００３６】
この図１において、受光部２１内の「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各受光部２１上部に設けたカラーフィルタの色（赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ））を表している。本実施形態では、赤色（Ｒ）の入射光量に応じた信号電荷を読み出すことができる受光部と、緑色（Ｇ）の入射光量に応じた信号電荷を読み出すことができる受光部とが横方向（水平方向）に交互に配置された行と、緑色（Ｇ）の入射光量に応じた信号電荷を読み出すことができる受光部と青色（Ｂ）の入射光量に応じた信号電荷を読み出すことができる受光部とが横方向に交互に配置された行とが縦方向（垂直方向）に交互に配置される構造となっている。
【００３７】
図２は、各カラーフィルタを搭載した受光部における光電変換特性の波長依存性を示すグラフである。Ｒ，Ｇ，Ｂの各分光特性は山形の分離した特性となっている。縦軸はＧを基準とした相対感度である。
【００３８】
図３は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置の転送電極を示す図であり、図１に示す垂直方向の２画素分（図示の例ではＧとＢの２つの受光部）の平面図である。本実施形態では、転送電極２５，２６，２７は３層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインＣＣＤを構成する。
【００３９】
垂直方向に連なる各受光部２１は、図示の例では右側の垂直転送路２２方向に開口を持つ櫛形状の素子分離帯２８で画成されている。そして、第２ポリシリコン電極２６または第３ポリシリコン電極２７が読み出しゲート電極を形成し、各読み出しゲート電極に読み出し電圧が印加されたとき、対応する信号電荷蓄積部から信号電荷が垂直転送路２２に読み出される。
【００４０】
図３の例では、緑色（Ｇ）の受光部２１から信号電荷ｇと信号電荷ｇ’とが垂直転送路２２に読み出され、青色（Ｂ）の受光部２１から信号電荷ｂと信号電荷ｂ’とが垂直転送路２２に読み出される。図示は省略したが、赤色（Ｒ）の受光部からは、信号電荷ｒと信号電荷ｒ’とが垂直転送路２２に読み出される。
【００４１】
図４は、受光部２１の１つ分の詳細平面模式図である。Ｒ，Ｇ，Ｂの各受光部は同一構造を有し、この図４では、Ｇの受光部を例として説明する。
【００４２】
受光部２１には、第１信号電荷蓄積部３１と、第２信号電荷蓄積部３２とが設けられている。第１信号電荷蓄積部３１から、信号電荷ｑ（ｒ，ｇ，ｂのいずれか）が読み出され、第２信号電荷蓄積部３２から、信号電荷ｑ’（ｒ’，ｇ’，ｂ’のいずれか）が読み出される。受光部２１には遮光膜３３が被せられており、第１信号電荷蓄積部３１の上方にのみ遮光膜３３の開口３３ａが設けられる。
【００４３】
第１信号電荷蓄積部３１は、開口３３ａを通して入射してくる光の光量に応じた電荷ｑを蓄積し、この第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷が飽和したとき、第１信号電荷蓄積部３１から溢れた過剰電荷の一部ｑ’が、第２信号電荷蓄積部３２に移動し、第１信号電荷蓄積部３１から溢れた過剰電荷の残りが、縦型オーバーフロードレイン構造によって基板側に廃棄される構造となっている。
【００４４】
図５は、図４のV―V線断面図である。本実施形態に係るＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、ｎ型半導体基板２０に形成される。ｎ型半導体基板２０の表面側にはＰウェル層３５が形成され、Ｐウェル層３５の表面側に第１信号電荷蓄積部３１が形成される。第１信号電荷蓄積部３１はＮ⁺領域（ｎ１層）で成り、入射光量に応じた信号電荷が蓄積される。
【００４５】
遮光膜３３で覆われ開口３３ａから外れた遮光位置に設けられる第２信号電荷蓄積部３２もＮ⁺領域（ｎ２層）で成り、第１信号電荷蓄積部３１と第２信号電荷蓄積部３２との間は、逆導電型すなわちＰ型半導体層３６で分離される。本実施形態では、Ｐ型半導体層３６も遮光位置に設けられる。第２信号電荷蓄積部３２と垂直転送路２２を構成する埋め込みチャネルとの間にはＰ⁺領域でなる読み出しゲート部３７が形成され、第１信号電荷蓄積部３１と垂直転送路２２を構成する埋め込みチャネルとの間にもＰ⁺領域でなる読み出しゲート部３８が形成される。読み出し電極２６は読み出しゲート部３７を覆う位置まで延在され、読み出し電極２７は読み出しゲート部３８を覆う位置まで延在される。
【００４６】
第１信号電荷蓄積部３１の大部分は表面Ｐ⁺層３９で覆われ、最表面にはＳｉＯ₂膜４０が設けられる。そして、その上部に遮光膜３３が配置され、更にその上方に、図示しないカラーフィルタ及びマイクロレンズが配置される。また、Ｐウェル層３５は、第１信号電荷蓄積部３１の形成位置において第１信号電荷蓄積部３１に近くなるように盛り上がる様に形成され、基板２０のＰウェル層３５との間に印加されるバイアス電圧Ｖsubにより、第１信号電荷蓄積部３１から溢れた過剰電荷の大部分が速やかに基板２０側に廃棄される構造になっている。
【００４７】
第１信号電荷蓄積部３１及び第２信号電荷蓄積部３２の不純物濃度は、例えば、５×１０¹⁶〜１×１０¹⁸／ｃｍ³に設定される。また、逆導電型のＰ型半導体層３６の不純物濃度は、Ｐウェル層３５の不純物濃度よりも高く、且つ読み出しゲート部３７，３８の不純物濃度よりも低く設定される。Ｐウェル層３５の不純物濃度は、例えば１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵／ｃｍ³の間に設定され、読み出しゲート部３７，３８の不純物濃度は、例えば５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷／ｃｍ³の間に設定される。
【００４８】
本実施形態の固体撮像装置は、上述したように、第１信号電荷蓄積部３１及び第２信号電荷蓄積部３２が夫々異なる読み出しゲート部３８，３７を介して垂直電荷転送路２２に蓄積電荷を読み出す構造となっている。そして、第２信号電荷蓄積部３２は、平面形状が図４に示されるように、受光部２１の第１信号電荷蓄積部３１に隣接し一定の面積を有するように形成される。
【００４９】
この様に、本実施形態では、第２信号電荷蓄積部３２を半導体基板２０の表面に形成するため、受光部２１を形成するレイアウトパターンを変えるだけで第２信号電荷蓄積部３２を第１信号電荷蓄積部３１に隣接して設けることができる。即ち、第１信号電荷蓄積部３１と第２信号電荷蓄積部３２を一度に形成できるという製造上の利点があると共に、第２信号電荷蓄積部３２の面積を設計時に自由に変更できるので、飽和露光量の設定値に従ってレイアウトを決めることができる。
【００５０】
図６（ａ）は、図５のＸ点からＹ点方向（基板横方向）のポテンシャルプロファイルを示し、図６（ｂ）は、図５のＺ点における基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。図６（ａ）に示す様に、第１信号電荷蓄積部３１に電荷ｑが蓄積され、この電荷ｑが第１信号電荷蓄積部３１の飽和電荷量を超えたときに、過剰な電荷の一部ｑ’が拡散によりＰ⁺層３６を通り第２信号電荷蓄積層３２に蓄積される。
【００５１】
一方、Ｚ点では、図６（ｂ）に示す様に、ｎ１層３１―Ｐウェル層３５―ｎ型基板２０でなる縦型オーバーフロードレイン構造により、第１信号電荷蓄積部３１から溢れた過剰電荷がそのまま基板２０側に排出される。
【００５２】
図７は、上述した実施形態に係る固体撮像装置を搭載したデジタルスチルカメラによって被写体を撮像するときのシーケンス図である。上述した実施形態に係る固体撮像装置を搭載したデジタルスチルカメラでは、先ず、垂直転送路上に残留する暗電荷すなわち不要電荷が掃き出され（ステップＳ１）、次に、メカニカルシャッタが「開」になって露光を開始する（ステップＳ２）。これにより、受光部（第１信号電荷蓄積部３１）に入射光量に応じた信号電荷ｑが蓄積され、また、信号電荷ｑが飽和量を超えた場合には第２信号電荷蓄積部３２に過剰電荷の一部ｑ’が蓄積される（ステップＳ３）。
【００５３】
自動露光制御によって決められた露光時間が経過した後は、メカニカルシャッタが「閉」となる（ステップＳ４）。そして、本実施形態では、先ず、第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷ｑが読み出され（ステップＳ５）、この信号電荷ｑが垂直転送路，水平転送路を転送されて固体撮像装置から出力される（ステップＳ６）。
【００５４】
次に、第２信号電荷蓄積部３２の蓄積電荷ｑ’が読み出され（ステップＳ７）、この信号電荷ｑ’が垂直転送路，水平転送路を転送されて固体撮像装置から出力される（ステップＳ８）。
【００５５】
図８は、上述したデジタルスチルカメラにおける信号処理手順を示すフローチャートである。図７で説明したステップＳ６，Ｓ８によって信号電荷ｑ，ｑ’が出力されると（ステップＳ１１）、これらの信号電荷ｑ，ｑ’に対してアナログ信号処理（例えばサンプルホールド処理やアナログ／デジタル変換処理）が施され（ステップＳ１２）、各画素毎の画像信号ｑ，ｑ’がメモリに蓄積される（ステップＳ１３）。
【００５６】
そして、図示しないデジタル信号処理回路がメモリに格納されている画像信号ｑと画像信号ｑ’とを加算処理して合成し、更にガンマ補正やホワイトバランス補正を行って画像データを生成し（ステップＳ１４）、最後に画像データを出力する（ステップＳ１５）。
【００５７】
図９は、本実施形態に係る固体撮像装置によって撮影され出力される信号電荷の特性を示すグラフである。図９の特性線Ｉは、第１信号電荷蓄積部３１に蓄積される電荷量ｑ（出力）の特性を示し、入射光量に応じて出力（即ち蓄積される信号電荷量ｑ）は増大している。しかし、蓄積電荷量ｑが第１信号電荷蓄積部３１の飽和電荷量Ｑ１に達すると、それ以上の電荷を第１信号電荷蓄積部３１に蓄積することはできない。
【００５８】
図９の特性線IIは、第２信号電荷蓄積部３２に蓄積される電荷量ｑ’の特性を示し、入射光量に応じた信号電荷量ｑが第１信号電荷蓄積部３１に蓄積される間は第２信号電荷蓄積部３２には信号電荷ｑ’は蓄積されず、第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷が溢れた以降、徐々に蓄積電荷量ｑ’は増大する。即ち、第１信号電荷蓄積部３１が飽和する以上の光が入射したとき、その過剰な入射光量に応じた信号電荷ｑ’が第２信号電荷蓄積部３２に蓄積されることになる。
【００５９】
図９に示す特性線IIIは、本実施形態に係る固体撮像装置の出力特性を示している。即ち、第１信号電荷蓄積部３１が飽和する以降における出力値として、第２信号電荷蓄積部３２の蓄積電荷量ｑ’を加算している。このため、本実施形態に係る固体撮像装置では、第１信号電荷蓄積部３１の飽和電荷量の数倍から数百倍（何倍にするかは、第２信号電荷蓄積部３２の面積やＰ⁺層３６の不純物濃度の値すなわち設計値による。）の電荷量に対しても入射光量に応じた出力信号を得ることができ、ダイナミックレンジを大幅に拡大することができる。
【００６０】
例えば、第２信号電荷蓄積部３２に蓄積する電荷量と基板に排出する過剰電荷量との比を１対４となるように設計すると、第２信号電荷蓄積部３２の飽和電荷量の４倍の電荷が第１信号電荷蓄積部３１から排出された場合においても、第２信号電荷蓄積部３２からの出力信号の増加率を抑えられるので、高輝度の入射光に対しても固体撮像装置からの出力信号の飽和点を約４倍程度増大させることができ、広い入射光エネルギの範囲において入射光に対応した出力信号を得ることができる。
【００６１】
この場合、信号電荷蓄積部から垂直電荷転送路への信号電荷の読み出しおよび電荷転送、信号出力を面順次に行うとき、すなわち第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷を先ず全て読み出した後に、第２信号電荷蓄積部３２の電荷を読み出すときは、垂直電荷転送路の転送容量を増大させる必要がなく、受光部の面積および垂直電荷転送路の幅を従来通りとしても、最終的な撮像可能な入射光強度範囲を拡大させることができる。
【００６２】
また、第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷と第２信号電荷蓄積部３２の蓄積電荷とを垂直転送路上で混合する場合であっても、第２信号電荷蓄積部３２の蓄積電荷量を抑制できるため、垂直転送路の容量を若干増大させるだけで、ダイナミックレンジを大幅に拡大することが可能となる。
【００６３】
この様に、本実施形態では、入射光量の高エネルギ（高輝度）側においては、光電変換効率を低くして第２信号電荷蓄積部３２に信号電荷を蓄積するため、特性曲線の傾きが小さくなり、この結果、従来の飽和露光量の４倍以上の入射光エネルギに対しても出力信号の飽和点を高エネルギ側に設定でき、白つぶれのない画像データを得ることが可能となる。
【００６４】
尚、上述した実施形態では、メカニカルシャッタを搭載したデジタルスチルカメラを例に説明したが、メカニカルシャッタを搭載しない電子シャッタのみを搭載したデジタルカメラ一般に本実施形態の固体撮像装置を搭載し、同様の効果を得ることが可能である。
【００６５】
また、本実施形態では、第１信号電荷蓄積部３１と第２信号電荷蓄積部３２の夫々の蓄積電荷を別々に読み出し信号処理によって加算合成しているが、信号電荷ｑと信号電荷ｑ’を垂直転送路において混合して転送し、固体撮像装置から出力させる構成でもよい。
【００６６】
本実施形態においては、第１信号電荷蓄積部３１が飽和するまでは、第２信号電荷蓄積部３２には信号電荷が蓄積されず、更に、第２信号電荷蓄積部３２に蓄積される電荷量は、第１信号電荷蓄積部３１において飽和した過剰電荷の一部すなわち一定比率減少させたものである。このため、第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷と第２信号電荷蓄積部３２に蓄積される信号電荷とを加算合成することにより、ダイナミックレンジを拡大させることができるのである。
【００６７】
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置における受光部の断面図であり、第１実施形態の図５に相当する図である。尚、図５と同様に、図１０においても、カラーフィルタ及びマイクロレンズは図示を省略している。
【００６８】
本実施形態では、第１実施形態の第２信号電荷蓄積部３２に代えて、第１信号電荷蓄積部３１の下側の基板深部にＮ⁺層でなる第２信号電荷蓄積部４０を設け、第２信号電荷蓄積部４０の端部においてＮ⁺層４０ａを半導体基板表面まで立ち上げ、Ｐ⁺層（読み出しゲート部）３７を介して垂直転送路の埋め込みチャネル２２に接続するようにしている点のみが第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同様である。
【００６９】
この第２実施形態では、第２信号電荷蓄積部４０が基板深さ方向の深部に設けられている。第２信号電荷蓄積部３１と第２信号電荷蓄積部４０の不純物濃度は、例えば５×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３に設定される。なお、基板表面近くに設けられ第１信号電荷蓄積部３１と第２信号電荷蓄積部４０とを分離する逆導電型すなわちＰ型半導体（Ｐ^＋）層３６の不純物濃度は、Ｐウェル層の不純物濃度よりも高く、読み出しゲート部３７の不純物濃度と同等かそれよりも高く設定される。Ｐウェル層３５の不純物濃度は、例えば１×１０^１４〜５×１０^１５／ｃｍ^３の間に設定され、読み出しゲート部３７，３８の不純物濃度は、例えば５×１０^１５〜１×１０^１７／ｃｍ^３の間に設定される。
【００７０】
本実施形態では、第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷が、Ｐ⁺層３６を通して第２信号電荷蓄積部４０に横方向に拡散することがないように不純物濃度が設定される。
【００７１】
本実施形態において、第２信号電荷蓄積部４０の面積は、第１信号電荷蓄積部３１の面積よりも小さく設定される。第２信号電荷蓄積部４０は、過剰電荷が第１信号電荷蓄積部３１から縦型オーバーフロードレイン構造によって基板２０側に掃き出される途中に設けられ、第２信号電荷蓄積部４０に過剰電荷の一部が蓄積される。この第２信号電荷蓄積部４０に蓄積される電荷量は、上記の面積の比によって決定される。更に、本実施形態では、基板２０に印加するバイアス電位Ｖsubを変えることによっても、第２信号電荷蓄積部４０に蓄積される電荷量を制御できるという特徴がある。
【００７２】
本実施形態では、第２信号電荷蓄積部４０の蓄積電荷が飽和した場合にも、縦型オーバーフロードレイン構造によって過剰電荷を基板２０側に容易に排出可能であり、過大な高輝度信号が入射した場合においても、オーバーフロードレインによる過剰電荷が周辺画素部に混入することがないという利点を有する。
【００７３】
図１０に示す実施形態では、第２信号電荷蓄積部４０の一部の端部が開口３３ａの真下内に出っ張る構成としているが、この出っ張った部分のＮ⁺領域４０に大量の入射光が入り込まないのであれば問題はない。しかし、第２信号電荷蓄積部４０は、遮光膜３３の開口部３３ａの真下ではなく、例えば図１１に示す様に、完全に遮光膜３３で遮光された領域に設けるのが好ましい。これにより、深部に到達する入射光や迷光の影響を受け難くすることができる。
【００７４】
尚、図１１には、１つの開口に対してカラーフィルタ４５と１つのオンチップ光学系（この例ではマイクロレンズ４６）とを図示しているが（図１０では図示を省略しているだけである。）、オンチップ光学系を設けることで、入射光を開口３３ａ内に集光することができ、入射光のロスがなくなり、高感度化を図ることが可能となる。
【００７５】
さらに好適には、第２信号電荷蓄積部４０の不純物濃度は、読み出しゲート部３７に近い部分ほどより高濃度となるように濃度勾配を設けるのがよい。例えば、読み出しゲート部３７の近傍では、不純物濃度を１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³に設定する。これにより、信号電荷の読み出しが容易になり、第２信号電荷蓄積部４０内の電荷読み残しを防止することが可能となる。
【００７６】
図１２（ａ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置において第２信号電荷蓄積部４０が第１信号電荷蓄積部３１の下に存在する部分における基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示し、図１２（ｂ）は、第１信号電荷蓄積部３１の下に第２信号電荷蓄積部４０が存在しない部分における基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【００７７】
入射光量が過大となり第１信号電荷蓄積部３１の蓄積電荷量が飽和し過剰電荷が基板２０側に排出されるとき、基板２０側に第２信号電荷蓄積部４０が形成されている部分では、図１２（ａ）に示されるように、過剰電荷の一部が第２信号電荷蓄積部４０に蓄積され、第２信号電荷蓄積部４０が形成されていない部分では、図１２（ｂ）に示されるように、過剰電荷はそのまま基板２０側に廃棄される。
【００７８】
この結果、本実施形態においても、第１信号電荷蓄積部３１の飽和電荷量の数倍から数百倍の電荷量に対しても出力信号を得ることができ、ダイナミックレンジを大幅に拡大することができる。
【００７９】
また、本実施形態では、第１信号電荷蓄積部３１と第２信号電荷蓄積部４０の読み出し口とが二次元平面上のほぼ同じ位置にあり、第２信号電荷蓄積部４０が基板深さ方向に分布し且つ遮光膜３３によって光学的に遮光されているので、受光部への光入射角や光強度が一受光部内で不均一になることがないという利点がある。
【００８０】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置における受光部の断面図であり、第２実施形態の図１０に相当する図である。尚、図１０と同様に、図１２においても、カラーフィルタ及びマイクロレンズは図示を省略している。
【００８１】
本実施形態では、第２実施形態の第２信号電荷蓄積部４０に代えて、第２信号電荷蓄積部４１を設けている点が異なる。この第２信号電荷蓄積部４１の形状は、図１０の第２信号電荷蓄積部４０と異なるが、これは、第１信号電荷蓄積部３１の面積に対する第２信号電荷蓄積部４１の面積を第２実施形態よりも小面積にしているだけであり、本質的な違いではない。尚、本実施形態では、第２信号電荷蓄積部４１を、遮光膜３３によって完全に遮光される位置に設けている。本実施形態の特徴は、第１実施形態と第２実施形態を併せ持った構成した点を特徴とする。
【００８２】
即ち、本実施形態では、第１信号電荷蓄積部３１からオーバーフローした過剰電荷の一部を、第２実施形態と同様に第１信号電荷蓄積部３１の下側に設けた第２信号電荷蓄積部４１で捕獲すると共に、第１信号電荷蓄積部３１からオーバーフローし、Ｐ⁺層３６を通して横方向に拡散してきた過剰電荷の一部を第２信号電荷蓄積部４１で捕獲する構成にしたことを特徴とする。
【００８３】
本実施形態では、第２信号電荷蓄積部４１への電荷蓄積は、主に過剰電荷の横方向拡散成分によって支配されるが、同時に基板バイアス電圧値により、第１信号電荷蓄積部３１及び第２信号電荷蓄積部４１における過剰電荷を縦型オーバーフロードレイン構造によって基板２０側に排出させることができるので、ダイナミックレンジの拡大と特性制御の容易化とを図ることが可能となる。
【００８４】
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。このＣＣＤ型カラー固体撮像装置も、第１実施形態の図１と同様に、半導体基板５０の表面側に多数の受光部５１がアレー状に形成されている。図示の例では、各受光部５１が夫々菱形で表され、各受光部５１が夫々単位画素として機能する。
【００８５】
本実施形態における画素配列は、特開平１０―１３６３９１号公報に記載されている画素配列、即ち、各受光部５１が垂直方向，水平方向に夫々１／２ピッチづつずらしたいわゆるハニカム画素配列となっている。そして、隣接する受光部５１間には垂直転送路（ＶＣＣＤ）５２が形成され、各受光部５１から垂直転送路５２に読み出された信号電荷ｑ，ｑ’が、図面上、蛇行しながら下方向に水平転送路（ＨＣＣＤ）５３まで転送される。
【００８６】
各受光部５１は、レッド（Ｒ），グリーン（Ｇ），ブルー（Ｂ）の３色の信号電荷ｒ，ｇ，ｂ（＝ｑと総称する。）の夫々と、過剰電荷の一部ｒ’，ｇ’，ｂ’（＝ｑ’と総称する。）の夫々を蓄積し、各色の信号電荷ｑ，ｑ’を別々に垂直転送路５２に読み出す様になっている。尚、第１実施形態で説明した様に、垂直転送路５２で信号電荷ｑと信号電荷ｑ’を混合することでもよい。
【００８７】
図１５は、図１４に示す受光部５１の４画素分と受光部５１間の垂直転送路５２の詳細パターンを示す平面図である。各受光部５１は、菱形の素子分離帯５４によって画成されており、菱形の４辺のうち、図示の例では右側２辺に素子分離帯５４が途切れたゲート部５４ａ，５４ｂが設けられている。
【００８８】
各受光部５１内には、中央部分に平面菱形形状の第１信号電荷蓄積部６１が形成されると共に、この第１信号電荷蓄積部６１を取り囲む様に第２信号電荷蓄積部６２が形成されており、第２信号電荷蓄積部６２の蓄積電荷ｑ’がゲート部５４ａから垂直転送路５２に読み出され、第１信号電荷蓄積部６１の蓄積電荷ｑがゲート部５４ｂから垂直転送路５２に読み出される。尚、各第１信号電荷蓄積部６１内に仮想線で図示する菱形部６３は、遮光膜の開口を示している。
【００８９】
図１６は、図１５に丸印XVIで示した範囲の転送電極を示す図である。本実施形態の転送電極は２層ポリシリコン構造でなり、垂直転送路５２に重ねて設けられる。１つの受光部５１に対して４本の転送電極５５，５６，５７，５８が対応付けられている。これにより、いわゆる全画素読み出し（プログレッシブ動作）可能なＣＣＤとなっている。
【００９０】
この第４実施形態の第２信号電荷蓄積部６２は、第１実施形態の第２信号電荷蓄積部３２と同様に、半導体基板の表面部分にのみ設けているが、勿論、第２実施形態や第３実施形態と同様に基板深部に分布させてオーバーフロードレインによって基板側に排出された過剰電荷の一部を捕獲する構造とすることでもよい。
【００９１】
図１７は、第２，第３実施形態と同様に基板深部に第２信号電荷蓄積部６２を分布させた変形例を示す表面図である。この図１７から分かる通り、第２信号電荷蓄積部６２を基板深部に分布させたため、第２信号電荷蓄積部６２の基板表面に露出する領域を削減でき、この削減した領域まで第１信号電荷蓄積部６１の領域を拡大できるため、基板表面の利用効率を上げることが可能となる。
【００９２】
本実施形態では、２層ポリシリコン構造でありながら、全画素（プログレッシブ）読み出し可能なＣＣＤが製造できる利点があり、さらに図１４から明らかなように、受光部５１と垂直転送路５２との間の接触部分を図１に示す正方格子配列のＣＣＤに比べ広く取れるので、読み出しゲート部５４ａ，５４ｂを複数（たとえば本実施形態のように２箇所）設けることが容易になるという利点がある。
【００９３】
また、本実施形態では、第１信号電荷蓄積部（Ｎ⁺領域）６１の周囲を取り囲むように第２信号電荷蓄積部（Ｎ⁺領域）６２を設けるのが容易となり、第１信号電荷蓄積部６１の過剰電荷が第２信号電荷蓄積部６２に流入する確率を精度よく制御できるという利点がある。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）入射光の角度依存性や輝度、色シェーディングの影響の少ない広ダイナミックレンジの固体撮像装置が得られる。
（２）同時刻性を有する広ダイナミックレンジの固体撮像装置が得られる。
（３）飽和露光量の設定が容易でかつ従来の撮像素子の飽和レベルの１０倍から数百倍の飽和露光量に容易に対応できる広ダイナミックレンジの固体撮像装置が得られる。
（４）高感度領域の特性曲線と低感度領域の特性曲線のつなぎ合わせ処理が簡単で、信号処理回路が簡略化できる。
（５）画素の微細化（多画素化）と広ダイナミックレンジ化を両立させる固体撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図２】図１に示すカラー固体撮像装置の分光感度の一例を示すグラフである。
【図３】図１に示す固体撮像装置の垂直方向２画素分の概略平面図である。
【図４】図１に示す固体撮像装置の１画素分の詳細平面図である。
【図５】図４のV―V線断面図である。
【図６】（ａ）は図４のX―Y線方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。（ｂ）は図４のＺ点における基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図７】図１に示す固体撮像装置を搭載したデジタルスチルカメラにおける撮像シーケンスの一例を示す図である。
【図８】図１に示す固体撮像装置を搭載したデジタルスチルカメラにおける信号処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】図１に示す本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の入射光量対出力信号を説明する特性グラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の受光部（画素）１つ分の断面図である。
【図１１】図１０に示す実施形態の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の受光部（画素）１つ分の断面図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１５】図１３に示す受光部４個分の拡大説明図である。
【図１６】図１４の丸印XVI内の転送電極を示す図である。
【図１７】図１５に示す実施形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
２０，５０ 半導体基板
２１，５１ 受光部
２２，５２ 垂直転送路
２３，５３ 水平転送路
２５，２６，２７，５５，５６，５７，５８ 転送電極
３１，６１ 第１信号電荷蓄積部（Ｎ⁺層）
３２，４０，４１，６２ 第２信号電荷蓄積部（Ｎ⁺層）
３３ 遮光膜
３３ａ，６３ 開口
３５ Ｐウェル層
３６ バリア（Ｐ⁺層）
３７，３８ 読み出しゲート部（Ｐ⁺層）

Claims (16)

1. 半導体基板の表面に複数の受光部がアレー状に配列される固体撮像装置において、前記受光部の各々に、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する第１信号電荷蓄積部と、該第１信号電荷蓄積部にバリアを介して隣接配置され該第１信号電荷蓄積部の蓄積電荷が該第１信号電荷蓄積部の飽和電荷量を超えたとき該飽和電荷量を超えた過剰電荷の一部を捕獲して蓄積する第２信号電荷蓄積部と、前記一部を除く前記過剰電荷を前記第１信号電荷蓄積部から前記半導体基板に廃棄するオーバーフロードレインとを設けたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記半導体基板の表面側において前記第２信号電荷蓄積部が前記第１信号電荷蓄積部とバリアを介して隣接配置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記バリアの不純物濃度が前記半導体基板に設けたＰウェル層の不純物濃度より高く前記第１，第２信号電荷蓄積部の読み出しゲート部の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２信号電荷蓄積部が前記第１信号電荷蓄積部の基板深さ方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記バリアの不純物濃度が前記第１，第２信号電荷蓄積部の読み出しゲート部の不純物濃度と同等であることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第２信号電荷蓄積部の不純物濃度が該第２信号電荷蓄積部の読み出しゲート部に近いほど高濃度に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記固体撮像装置は電荷結合素子（ＣＣＤ）であり、前記第１信号電荷蓄積部の読み出しゲートと前記第２信号電荷蓄積部の読み出しゲートとが別々に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記第２信号電荷蓄積部が遮光膜の開口部を避けた下部に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 前記第２信号電荷蓄積部は、前記遮光膜の開口部を避けた下部位置において前記第１信号電荷蓄積部の周囲を取り囲むように配置された構造を特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の固体撮像装置。
10. 前記第２信号電荷蓄積部の面積が前記第１信号電荷蓄積部の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の固体撮像装置。
11. 前記の各受光部の上部には夫々オンチップ集光光学系が設けられ、前記の各受光部に夫々遮光膜の１つの開口部が対応し、各１つの開口部に対して前記第１信号電荷蓄積部と前記第２信号電荷蓄積部とが設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１信号電荷蓄積部の電荷信号と前記第２信号電荷蓄積部の電荷信号とを独立に読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
13. 請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１信号電荷蓄積部の蓄積電荷と前記第２信号電荷蓄積部の蓄積電荷とが別々に面順次に垂直転送路に読み出されて独立に垂直転送路，水平転送路を転送され出力されることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
14. 請求項１３の駆動方法によって前記固体撮像装置から出力された前記第１信号電荷蓄積部からの前記画像信号と前記第２信号電荷蓄積部からの前記画像信号とを前記受光部毎に加算処理することを特徴とする画像信号処理方法。
15. 請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１信号電荷蓄積部の蓄積電荷と前記第２信号電荷蓄積部の蓄積電荷とを垂直転送路に読み出し混合して該垂直転送路を転送させ水平転送路を転送させて固体撮像装置から出力させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
16. 各受光部がハニカム配列されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。

Images