JP4497366B2 - 光センサおよび固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は光センサおよび固体撮像装置に関し、特にＣＭＯＳ型あるいはＣＣＤ型の二次元ないしは一次元固体撮像装置と当該固体撮像装置の動作方法に関する。

ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサあるいはＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどのイメージセンサは、その特性向上とともに、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナなどの用途に幅広く使用されてきている。

上記のイメージセンサはさらなる特性向上が望まれており、そのひとつがダイナミックレンジを広くすることである。従来用いられているイメージセンサのダイナミックレンジは、例えば３〜４桁（６０〜８０ｄＢ）程度にとどまっており、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する５〜６桁（１００〜１２０ｄＢ）以上のダイナミックレンジをもつ高画質イメージセンサの実現が望まれている。

上記のイメージセンサの画質特性を向上させる技術として、例えば非文献１などに、高感度および高Ｓ／Ｎ比化するために、各画素のフォトダイオードに隣接したフローティングディフュージョンで発生するノイズ信号と当該ノイズ信号に光信号が加算された信号とをそれぞれ読み出し、両者の差分をとることでノイズを抑圧する技術が開発されている。しかしこの方法でもダイナミックレンジは８０ｄＢ程度以下であり、これより広いダイナミックレンジ化をすることが望まれている。

例えば特許文献１には、図３７に示すように、フォトダイオードＰＤに高感度低照度側の小容量Ｃ１のフローティングディフュージョンと低感度高照度側の大容量Ｃ２のフローティングディフュージョンを接続して、低照度側の出力ＯＵＴ１と高照度側出力ＯＵＴ２をそれぞれ出力することで広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。

また、特許文献２には、図３８に示すように、フローティングディフュージョンＦＤの容量ＣＳを可変とした広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。他には、短い露光時間による高照度側に対応した撮像と長い露光時間により低照度に対応した撮像の異なる２回以上の露光時間に分割する広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。

また、特許文献３および非特許文献２には、図３９に示すように、フォトダイオードＰＤと容量Ｃの間にトランジスタスイッチＴを設け、１回目の露光期間でスイッチＴをオンして光信号電荷をフォトダイオードＰＤと容量Ｃの両方に蓄積し、２回目の露光時間でスイッチＴをオフして前者の蓄積電荷に加えてフォトダイオードＰＤで光電荷を蓄積することで広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。ここで、飽和を上回る光照射があった場合、過剰電荷はリセットトランジスタＲを介して排出されることが開示されている。

また、特許文献４には、図４０に示すように、フォトダイオードＰＤとして容量Ｃを従来よりも大きなものを使用することで高照度撮像に対応できるようにする技術が開示されている。

また、非特許文献３には、図４１に示すように、フォトダイオードＰＤからの光電流信号を、ＭＯＳトランジスタを組み合わせて構成されている対数変換回路により、対数変換しながら蓄積および出力することで、広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。

特開２００３−１３４３９６号公報 特開２０００−１６５７５４号公報 特開２００２−７７７３７号公報 特開平５−９０５５６号公報 S. Inoue et al., IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001, pp.16-19. Y. Muramatsu et al., IEEE Journal of Sold-state Circuits, Vol.38, No.1, 2003. 映像情報メディア学会誌，Ｖｏｌ．５７，２００３．

しかしながら、上記の特許文献１、２、３および非特許文献２に記載の方法あるいは異なる２回以上の露光時間で撮像する方法では、低照度の撮像と高照度側の撮像を異なる時刻において行っているので、撮像時間にずれが生じ動画撮像の画質を損なうという問題がある。

また、上記の特許文献４および特許文献３に記載の方法では、高照度側の撮像に対応するようにして広ダイナミックレンジを達成できるものの、低照度側の撮像に関しては低感度、低Ｓ／Ｎ比となってしまい、画質を損なうという問題がある。

上記のように、ＣＭＯＳイメージセンサなどのイメージセンサにおいて、高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持したままで広ダイナミックレンジ化を達成することが困難になっていた。また、上記のことは二次元アレイに画素を配置したイメージセンサに限ったことではなく、画素を一次元に配置したリニアセンサや複数の画素を持たない光センサでも同様であった。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持したままで広ダイナミックレンジ化できる固体撮像素子とその動作方法を提供することである。
本発明の他の目的は、更に、電荷の蓄積時において、電荷をフォトダイオードから蓄積容量へスムーズに移動させることができる光センサ及び／又は固体撮像装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の光センサは、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を備えたことを特徴とする。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記画素が、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、をさらに有する。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、をそれぞれ有する複数の画素と、各画素の前記各転送トランジスタを介して前記各フォトダイオードに接続された一つのフローティング領域と、を有する画素ブロックを一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域に接続され前記蓄積容量および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、前記フローティング領域と前記蓄積容量との間に設けられたトランジスタと、前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、をさらに有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量に接続して形成され、前記蓄積容量および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、前記フローティング領域と前記蓄積容量との間に設けられたトランジスタと、前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、をさらに有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートがＭＯＳ型トランジスタまたは接合型トランジスタからなる。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートが接合型トランジスタからなり、該接合型トランジスタのゲートを形成する半導体領域は、前記フォトダイオードの表面領域を形成する半導体領域と、前記フォトダイオードおよび前記オーバーフローゲートが形成されるウェル領域と、に接続される。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記転送トランジスタが、前記転送トランジスタを構成する基板の表面または表面近傍から所定の深さまで形成された前記転送トランジスタのチャネルと同じ導電型の半導体層を有する埋め込みチャネル型である。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートが、前記オーバーフローゲートを構成する基板の所定の深さにおいて形成され、前記オーバーフローゲートのチャネルと同じ導電型であり、前記オーバーフローゲートのパンチスルーの障壁を低減する半導体層を有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量素子が、前記固体撮像装置を構成する半導体基板の表層部分に形成された下部電極となる半導体領域と、前記半導体領域上に形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量素子が、前記固体撮像装置を構成する基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量素子が、前記固体撮像装置を構成する半導体基板に形成されたトレンチの内壁に形成された下部電極となる半導体領域と、前記トレンチの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜を介して前記トレンチを埋め込んで形成された上部電極とを有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方に転送された光電荷から得られた電圧信号と、前記フローティング領域または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方のリセットレベルの電圧信号と、の差分を取るノイズキャンセル手段と、をさらに有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を記憶する記憶手段をさらに有する。
本発明の別の態様によれば、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、前記フォトダイオードと前記オーバーフローゲートとの間には、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させる領域とを含むことを特徴とする光センサが得られる。
本発明の他の態様によれば、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、前記フォトダイオードと前記オーバーフローゲートとの間には、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させるポテンシャル領域とを有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されたことを特徴とする固体撮像装置が得られる。
上記したオーバーフローゲートは、一導電型の半導体領域の表面に形成された逆導電型の半導体領域によって形成されたゲート領域を有し、前記ポテンシャル領域は、前記一導電型の半導体領域によって形成されている。
この場合、前記フォトダイオードが接合トランジスタによって形成され、前記一導電型の第１の領域と、当該第１の領域上に設けられた逆導電型のゲート領域とを備え、前記オーバフローゲートは前記ゲート領域と同一導電型のオーバーフロー半導体領域によって形成され、前記ポテンシャル領域は、前記オーバーフロー半導体領域の下部に設けられ、一導電型の半導体領域によって形成されている。
また、前記ポテンシャル領域は、前記第１の領域及び前記ゲート領域と深さ方向に一部重なるように形成されていてもよい。
更に、前記ポテンシャル領域は、前記第１の領域と所定の深さにおいて接続された部分を含んでいてもよいし、前記ポテンシャル領域は、所定の深さ位置において、前記ゲート領域を超えて延びていてもよい。

本発明の固体撮像装置によれば、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードによる低照度撮像において高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持し、さらに蓄積容量にオーバーフローゲートを通じてフォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積することで高照度における撮像を行って広ダイナミックレンジ化することができる。

以下に本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図１に、また、概略平面図を図２に示す。

各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴ２と、転送トランジスタＴ２を介してフォトダイオードＰＤ１に接続して設けられたフローティング領域（フローティングディフュージョン）ＦＤ３と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートＬＯ４と、蓄積動作時に前記フォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷をオーバーフローゲートＬＯ４を通じて蓄積する蓄積容量ＣＳ５と、フローティングディフュージョンＦＤ３に接続して形成され、蓄積容量ＣＳ５およびフローティングディフュージョンＦＤ３内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳ５の間に設けられた蓄積トランジスタＳ７と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳ５の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ８と、増幅トランジスタに接続して設けられ前記画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ９とから構成されている。

本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、オーバーフローゲートＬＯ４、転送トランジスタＴ２、蓄積トランジスタＳ７、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φ_LO１０、φ_T１１、φ_S１２、φ_R１３の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ９のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφ_X１４が接続され、さらに、選択トランジスタＸ９の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１５が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。

選択トランジスタＸ９、駆動ラインφ_X１４については、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンＦＤ３の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。

図３−１は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードＰＤ１、オーバーフローゲートＬＯ４、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図であり、図３−２は、画素のフォトダイオードＰＤ１、転送トランジスタＴ２、フローティングディフュージョンＦＤ３、蓄積トランジスタＳ７、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図である。

例えば、ｎ型シリコン半導体基板（ｎ−ｓｕｂ）２０にｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）２１が形成されており、各画素および蓄積容量ＣＳ領域を区分するＬＯＣＯＳ法などによる素子分離絶縁膜（２２、２３、２４、２５）が形成され、さらに画素を分離する素子分離絶縁膜の下方に相当するｐ型ウェル２１中には、ｐ＋型分離領域（２６、２７、２８、２９）が形成されている。ｐ型ウェル２１に中にｎ型半導体領域３０が形成され、その表層にｐ＋型半導体領域３１が形成され、このｐｎ接合により電荷転送埋め込み型のフォトダイオードＰＤが構成されている。ｐｎ接合に適当なバイアスを印加して発生させた空乏層中に光ＬＴが入射すると、光電効果により光電荷が生じる。

ｎ型半導体領域３０の端部においてｐ＋型半導体領域３１よりはみ出して形成された領域があり、この領域から所定の距離を離間してｐ型ウェル２１の表層にｎ＋型半導体領域３２が形成されている。

また、ｎ型半導体領域３０の端部においてｐ＋型半導体領域３１よりはみ出して形成されたもうひとつの領域があり、この領域から所定の距離を離間してｐ型ウェル２１の表層にフローティングディフュージョンＦＤとなるｎ＋型半導体領域３３が形成され、さらにこの領域から所定の距離を離間して前記ｎ＋型半導体領域３４が形成されている。

ここで、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域３２に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜３５を介してポリシリコンなどからなるゲート電極３６が形成され、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域３２をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル２１の表層にチャネル形成領域を有するオーバーフローゲートＬＯが構成されている。

また、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域３３に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜３７を介してポリシリコンなどからなるゲート電極３８が形成され、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域３３をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル２１の表層にチャネル形成領域を有する転送トランジスタＴが構成されている。

また、ｎ＋型半導体領域３３とｎ＋型半導体領域３４に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜３９を介してポリシリコンなどからなるゲート電極４０が形成され、ｎ＋型半導体領域３３とｎ＋型半導体領域３４をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル２１の表層にチャネル形成領域を有する蓄積トランジスタＳが構成されている。

また、素子分離絶縁膜（２３、２４）で区分された領域において、ｐ型ウェル２１の表層に下部電極となるｐ＋型半導体領域４１が形成されており、この上層に酸化シリコンなどからなる容量絶縁膜４２を介してポリシリコンなどからなる上部電極４３が形成されており、これらから蓄積容量ＣＳが構成されている。

オーバーフローゲートＬＯ、転送トランジスタＴ、蓄積トランジスタＳおよび蓄積容量ＣＳを被覆して、酸化シリコンなどからなる絶縁膜４４が形成されており、ｎ＋型半導体領域３２、ｎ＋型半導体領域３３、ｎ＋型半導体領域３４、および上部電極４３に達する開口部が形成され、ｎ＋型半導体領域３２および上部電極４３を接続する配線４５と、ｎ＋型半導体領域３３に接続する配線４６とがそれぞれ形成されている。

また、転送トランジスタＴのゲート電極３８には駆動ラインφ_Tが接続して設けられており、また、蓄積トランジスタＳのゲート電極４０には駆動ラインφ_Sが接続して設けられている。

オーバーフローゲートＬＯのゲート電極３６には駆動ラインφ_LOが接続して設けられている。駆動ラインφ_LOには駆動パルス信号を印加してもよいが、ｐ型ウェル２１と同じゼロ電位に接続してもよい。オーバーフローゲートＬＯの閾値電圧は転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低い値に設定し、フォトダイオードＰＤの飽和を超える過剰電荷はオーバーフローゲートＬＯを通じて蓄積容量ＣＳに効率的に流れるようにする。また、オーバーフローゲートＬＯと転送トランジスタＴの閾値電圧を同一にする場合には、オーバーフローゲートＬＯの電位をゼロ電位より高く設定すれば、フォトダイオードＰＤの飽和を超える過剰電荷をオーバーフローゲートＬＯを通じて蓄積容量ＣＳに効率的に流すことができる。

上記の他の要素であるリセットトランジスタＲ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＸ、各駆動ライン（φ_R、φ_X）および出力ラインＯＵＴについては、例えば配線４６が不図示の増幅トランジスタＳＦに接続されるなど、図１の等価回路図に示す構成となるように、図３−１および図３−２に示す半導体基板２０上の不図示の領域において構成されている。

フォトダイオードＰＤは相対的に浅いポテンシャルの容量Ｃ_PDを構成し、フローティングディフュージョンＦＤおよび蓄積容量ＣＳは相対的に深いポテンシャルの容量（Ｃ_FD、Ｃ_CS）を構成する。

図１、図２、図３−１および図３−２で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図４は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。

まず、露光蓄積前に、蓄積トランジスタＳをオン、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。このとき、フォトダイオードＰＤは完全空乏化している。次にリセットスイッチＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳのリセットを行い（時刻ｔ₁）、次にリセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれたＦＤ＋ＣＳのリセットノイズをノイズ信号Ｎ２として読み出す（時刻ｔ₂）。この際ノイズ信号Ｎ２には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中（時刻ｔ₃）においては、蓄積トランジスタＳ、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸをオフした状態で、飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートＬＯを介して蓄積容量ＣＳに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。

蓄積終了後（時刻ｔ₄）に選択トランジスタＸをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンＦＤ部のリセットを行い（時刻ｔ₅）、リセット直後に取り込まれたＦＤリセットノイズをノイズ信号Ｎ１として読み出す（時刻ｔ₆）。この際ノイズ信号Ｎ１には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。

次に転送トランジスタＴをオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積された光信号をＦＤへ完全転送し（時刻ｔ₇）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタＳもオンして、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳへ完全転送し（時刻ｔ₈）、フォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。

図５に本実施形態の固体撮像装置のブロック図を示す。２次元に配置された画素アレイ（１００、１０１、１０２、１０３）の周辺部に行シフトレジスタ１０４、列シフトレジスタ１０５、信号およびノイズホールド部１０６、出力回路１０７を設けている。ここでは簡単のため２画素×２画素の画素アレイを示しているが、画素の数はこれに限定されない。

各画素から点順次に読み出される信号は、雑音信号Ｎ１、およびＦＤで電荷電圧変換された飽和前の光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｎ１、雑音信号Ｎ２およびＦＤ＋ＣＳで電荷電圧変換された飽和前と飽和後の加算された光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２となる。減算回路により飽和前側のノイズ除去（Ｓ１＋Ｎ１）−Ｎ１の動作を行い、ランダムノイズ成分および固定パターンノイズ成分の両方を除去する。一方、過飽和側のノイズＮ２は蓄積開始直後に読み出されるので、ランダムノイズ成分および固定パターンノイズ成分の両方を除去する場合には、フレームメモリに一旦保存した後、減算回路によりノイズ除去（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２）−Ｎ２の動作を行なう。このようにして、ノイズ除去された飽和前側信号Ｓ１および過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２を得られる。減算回路、フレームメモリは、イメージセンサチップ上に形成しても、また別チップとして形成してもどちらでも構わない。

ダイナミックレンジの拡大率は、フローティングディフュージョンＦＤの容量をＣ_FD、蓄積容量ＣＳの容量をＣ_CSとすると、簡単には（Ｃ_FD＋Ｃ_CS）／Ｃ_FDと表せる。実際には、ＦＤをリセットするときよりもＦＤ＋ＣＳをリセットするときの方がリセットトランジスタＲのクロックフィードスルーの影響を受けにくくなり、飽和前側信号Ｓ１の飽和電圧よりも過飽和側信号Ｓ２の飽和電圧のほうが高くなるので、ダイナミックレンジはこれ以上の比率で拡大する。高いフォトダイオード開口率を維持した上で画素サイズを拡大せずダイナミックレンジを効果的に拡大するためには、面積効率の良い大きな蓄積容量を形成できることが求められる。

広ダイナミックレンジ信号の合成は、ノイズ除去された飽和前側信号Ｓ１および過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２のいずれかの信号を選択することで実現する。Ｓ１とＳ１＋Ｓ２の選択は、予め設定したＳ１／（Ｓ１＋Ｓ２）切り替え基準電圧とＳ１の信号出力電圧を比較してＳ１またはＳ１＋Ｓ２のいずれかの信号を選択することで実現する。切り替え基準電圧は、飽和前信号Ｓ１の飽和電圧ばらつきの影響を受けないようにＳ１飽和電圧よりも低くし、かつ切り替え点における過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２のＳ／Ｎ比を高く維持するような電圧に設定すればよい。ここで、過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２のゲインに（Ｃ_FD＋Ｃ_CS）／Ｃ_FD比を乗じることで飽和前側信号Ｓ１のゲインに合せることができる。このようにして低照度から高照度までリニアな信号で選択合成された広ダイナミックレンジ拡大された映像信号を得ることができる。

上述した動作からも明らかなように、本固体撮像装置では飽和前側と過飽和側の信号電荷を混合して過飽和側の信号Ｓ１＋Ｓ２としているので、Ｓ１＋Ｓ２には、最低でも飽和前側光信号Ｓ１のＰＤ飽和に近い信号電荷が存在し、過飽和側におけるリセットノイズ、暗電流などのノイズ成分に対する許容度が高くなる。過飽和側Ｓ１＋Ｓ２信号に対するノイズ許容度が高くなることを利用して、次フィールドのフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳのリセット直後の電位をＮ２’として読み出し前フィールドのＳ１＋Ｓ２＋Ｎ２との差分を取り固定パターン雑音成分を除去しても（（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２）−Ｎ２’）、飽和前側と過飽和側信号の選択切り替え点付近においても、十分なＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。したがって必ずしもフレームメモリは必要ではない。

飽和前側の信号Ｓ１＋Ｎ１およびノイズ信号Ｎ１の読み出し動作は、フローティングディフュージョンＦＤリセットノイズおよびソースフォロアアンプ閾値値電圧ばらつき補正動作を行なうため、低照度領域では、高感度、高Ｓ／Ｎ（低ノイズ）特性を実現でき、また残像の発生も無い。過飽和側の動作では、同一蓄積期間中にフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を、オーバーフローゲートＬＯを介して、蓄積容量ＣＳに蓄積した後、低照度側の信号読み出しが終了してから、時刻ｔ₈に、ＦＤに残存している飽和前信号電荷を過飽和信号電荷と混合して読み出す。また、この時刻ｔ₈においては蓄積トランジスタＳがオンしたときにＦＤが大きな容量ＣＳに接続されＦＤ＋ＣＳの電位が正の方向に向う。したがって、ＰＤが飽和状態でもＰＤの光電荷が効率よくＦＤ＋ＣＳに完全転送されるようになるので、ＰＤ飽和付近でも残像発生は起こらない。

更に、ＣＳ容量が飽和した場合でもリセットトランジスタＲと蓄積トランジスタＳの閾値電圧を調整することで効率よく余剰電荷をＶＤＤに排出することが可能となるためｐ型シリコン半導体基板を使用した場合でもブルーミングを抑制することができる。また、リセットトランジスタＲと蓄積トランジスタＳのＬｏｗ側電位をゼロ電位より高く設定しても構わない。

このように、フォトダイオードＰＤが飽和していない低照度撮像においてはノイズをキャンセルして得た飽和前電荷信号（Ｓ１）により高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持することができ、さらにフォトダイオードＰＤが飽和した高照度撮像においては、フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積容量により蓄積してこれを取り入れ、上記同様にノイズをキャンセルして得た信号（飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和（Ｓ１＋Ｓ２））により、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に広ダイナミックレンジ化を実現できる。

本実施形態の固体撮像装置は、上記のように低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。

また、フローティグディフュージョンＦＤのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではＳ１＋Ｓ２の最小信号がフォトダイオードＰＤからの飽和電荷となってＦＤリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、ＦＤリークの影響を受け難いという利点がある。

第２実施形態
本実施形態は、第１実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図６は本実施形態の一画素の等価回路図、また、図７はその概略平面図である。

各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴ２と、転送トランジスタＴ２を介してフォトダイオードＰＤ１に接続して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ３と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートＬＯ４と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷をオーバーフローゲートＬＯ４を通じて蓄積する蓄積容量ＣＳ５と、蓄積容量ＣＳ５に接続して形成され、蓄積容量ＣＳ５およびフローティングディフュージョンＦＤ３内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳ５の間に設けられた蓄積トランジスタＳ７と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳ５の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ８と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ９とから構成されている。

本実施形態に係る固体撮像装置は、前記第１実施形態と同様に、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、オーバーフローゲートＬＯ４、転送トランジスタＴ２、蓄積トランジスタＳ７、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φ_LO１０、φ_T１１、φ_S１２、φ_R１３の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ９のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφ_X１４が接続され、さらに、選択トランジスタＸ９の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１５が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。

選択トランジスタＸ９、駆動ラインφ_X１４については、前記第１実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンＦＤ３の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。

本実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードＰＤ１、オーバーフローゲートＬＯ４、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図と画素のフォトダイオードＰＤ１、転送トランジスタＴ２、フローティングディフュージョンＦＤ３、蓄積トランジスタＳ７、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図は図３−１および図３−２と同様である。

図６、図７で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図８は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。

まず、蓄積前に、蓄積トランジスタＳをオン、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。このとき、フォトダイオードＰＤは完全空乏化している。

次にリセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳのリセットを行い（時刻ｔ₁’）、次にリセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれたＦＤ＋ＣＳのリセットノイズをノイズ信号Ｎ２として読み出す（時刻ｔ₂’）。この際ノイズ信号Ｎ２には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中（時刻ｔ₃’）においては、蓄積トランジスタＳ、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸをオフにした状態で、飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰電荷は、オーバーフローゲートＬＯを介して蓄積容量ＣＳに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。

蓄積終了後（時刻ｔ₄’）に選択トランジスタＸをオンした後、ＦＤに蓄積されたノイズ信号Ｎ１を読み出す。この際ノイズ信号Ｎ１には増幅トランジスタのＳＦの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。次に転送トランジスタＴをオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積された光信号をＦＤへ完全転送し（時刻ｔ₅’）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタＳもオンして（時刻ｔ₆’）、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳへ完全転送し、フォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。

第１実施形態においては、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳに蓄積されていたノイズ信号Ｎ２の一部が時刻ｔ₅おいてフローティングディフュージョンＦＤのリセット動作の際に捨てられていた。この際に捨てられるノイズ信号の量はフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳに蓄積されていたノイズ信号Ｎ２のＣ_FD／（Ｃ_FD＋Ｃ_CS）倍となる。本実施形態の固体撮像装置においてはノイズ信号の一部が捨てられることはない。

本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第１実施形態で示した図５と同様である。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成についても第１実施形態で説明したものと同様である。

本実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態と同様に、上記のように低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。また、素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。

また、フローティグディフュージョンＦＤのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳの容量Ｃ_FD＋Ｃ_CSで読み出される最小信号が過飽和電荷＋フォトダイオードＰＤからの飽和電荷となってＦＤリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、ＦＤリークの影響を受け難いという利点がある。

第３実施形態
本実施形態は、第１および第２実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素のオーバーフローゲートを変形した形態である。図９、図１０は本実施形態の、第１実施形態に対応した、一画素の等価回路図、概略平面図である。また、図１１、図１２は本実施形態の、第２実施形態に対応した、一画素の等価回路図、概略平面図である。

各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴ２と、転送トランジスタＴ２を介してフォトダイオードＰＤ１に接続して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ３と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートＬＯ４’と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷をオーバーフローゲートＬＯ４’を通じて蓄積する蓄積容量ＣＳ５と、蓄積容量ＣＳ５に接続して形成され、フローティングディフュージョンＦＤ３（図９）または蓄積容量ＣＳ５（図１１）内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳ５の間に設けられた蓄積トランジスタＳ７と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳ５の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ８と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ９とから構成されている。

本実施形態に係る固体撮像装置は、前記第１および第２実施形態と同様に、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、転送トランジスタＴ２、蓄積トランジスタＳ７、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φ_T１１、φ_S１２、φ_R１３の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ９のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφ_X１４が接続され、さらに、選択トランジスタＸ９の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１５が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。

選択トランジスタＸ９、駆動ラインφ_X１４については、前記第１実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンＦＤ３の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。また、図９及び図１１に示されるように、オーバーフローゲートＬＯ４’のゲートは接地されている。

本実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードＰＤ１、オーバーフローゲートＬＯ４’、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図を図１３に示す。ここで、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域３２に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面にｐ＋半導体領域５０が形成され、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域３２をソース・ドレインとし、ｐ＋型半導体領域５０をゲートとする接合トランジスタ型のオーバーフローゲートＬＯが構成されている。他の構造は前記第１実施形態と同様である。ｐ＋半導体領域５０はｐ＋型半導体領域３１およびｐ型ウェル領域２１に電気的に接続されている。

本実施形態の固体撮像装置の動作方法は第１および第２実施形態と同様である。本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第１実施形態で示した図５と同様である。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成についても第１実施形態で説明したものと同様である。

本実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を発現することに加えて、ｐ＋半導体領域５０がｐ＋型半導体領域３１およびｐ型ウェル領域２１に電気的に接続されているので、第１実施形態および第２実施形態よりも駆動信号配線の数を減らすことができ、より高密度な画素を実現することができる。

第４実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の第３実施形態の固体撮像装置において、電荷の蓄積時にフォトダイオードからあふれる電荷をフローティングディフュージョンへとよりスムーズに移動させることができる構造とした固体撮像装置である。

図１４に示す固体撮像装置は、オーバーフローゲートＬＯが、接合トランジスタを構成する基板の表面または表面近傍から所定の深さまで形成された接合トランジスタのチャネルと同じ導電型の半導体層を有する埋め込みチャネル型の一例の断面図であり、フォトダイオードＰＤ、オーバーフローゲートＬＯ、蓄積容量ＣＳの部分に相当する。

ここで、オーバーフローゲートＬＯのゲートｐ＋型半導体領域５０の下部における基板の表面から所定の深さまで、ｎ型半導体領域３０とｎ⁺型半導体領域３２に一部重なるように、ｎ型半導体領域５１が形成されている。ｎ型半導体領域５１は、ｎ型半導体領域３０およびｎ⁺型半導体領域３２よりも不純物の実効濃度が低いｎ型の領域である。

上記の構造は、フォトダイオードＰＤと蓄積容量ＣＳ間のポテンシャル障壁を下げることに相当する。従って、電荷の蓄積時においてフォトダイオードＰＤからあふれる電荷を蓄積容量ＣＳへとスムーズに移動させることができる。

図１５および図１６に示す固体撮像装置は、オーバーフローゲートＬＯが、オーバーフローゲートＬＯのゲート下部と並列して、基板の所定の深さにおいて形成され、フォトダイオードＰＤと蓄積容量ＣＳ間のパンチスルーの障壁を低減する半導体層を有する構成である。

図１５は、本実施形態に係る固体撮像装置の一例の断面図であり、フォトダイオードＰＤ、オーバーフローゲートＬＯ、蓄積容量ＣＳの部分に相当する。ここで、オーバーフローゲートＬＯのゲート電極５０の下部における所定の深さの領域において、ｎ型半導体領域３０に接続して、ｎ型半導体領域５２が形成されている。

上記の構造は、オーバーフローゲートＬＯのパンチスルーの障壁を低くしていることに相当する。このｎ型半導体領域５２からｎ＋型半導体領域３２への斜め方向のパンチスルーのルートが、フォトダイオードＰＤから蓄積容量ＣＳへのオーバーフローパスとなり、電荷の蓄積時においてフォトダイオードＰＤからあふれる電荷をパンチスルーさせて蓄積容量ＣＳへとスムーズに移動させることができる。

図１６は、本実施形態に係る固体撮像装置の一例の断面図であり、図１５の固体撮像装置と同様に、オーバーフローゲートＬＯのゲート電極５０の下部における所定の深さの領域において、ｎ型半導体領域３０に接続して、ｎ型半導体領域５３が形成されている。本実施形態においては、ｎ型半導体領域５３が、さらにｎ＋型半導体領域３２の下方にまで延伸して形成されている。

上記の構造は、オーバーフローゲートＬＯのパンチスルーの障壁を低くしていることに相当する。このｎ型半導体領域５３からｎ＋型半導体領域３２へのほぼ垂直方向のパンチスルーのルートが、フォトダイオードＰＤから蓄積容量ＣＳへのオーバーフローパスとなり、電荷の蓄積時においてフォトダイオードＰＤからあふれる電荷をパンチスルーさせて蓄積容量ＣＳへとスムーズに移動させることができる。

第５実施形態
本実施形態は、第１実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図１７は本実施形態の二画素の等価回路図、また、図１８はその概略平面図である。

本実施形態は、２つのフォトダイオードと蓄積容量をもつ画素ａ、ｂから構成される画素ブロックを基本単位とする固体撮像装置である。各画素ブロックは、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’と、フォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’と、転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’それぞれを介してフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’それぞれに接続して設けられた一つのフローティングディフュージョンＦＤ３と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’それぞれからあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’それぞれからあふれる光電荷をオーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’を通じて蓄積する蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’と、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’それぞれに接続して形成され、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’およびフローティングディフュージョンＦＤ３内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’の間に設けられた蓄積トランジスタＳａ７、Ｓｂ７と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’それぞれの信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ８と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ９とから構成されている。このようにして、２つのフォトダイオードと蓄積容量に、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸを持つ基本単位の画素ブロックが構成される。

本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素ブロックにおいて、オーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’、転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’、蓄積トランジスタＳａ７、Ｓｂ７’、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φ_LOa、φ_LOb、φ_Ta、φ_Tb、φ_Sa、φ_Sb、φ_Rの各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ９のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφ_Xが接続され、さらに、選択トランジスタＸ９の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１５が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。

選択トランジスタＸ９、駆動ラインφＸについては、前記第１実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンＦＤ３の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。

本実施形態に係る固体撮像装置の画素ブロックにおける、画素ａ、画素ｂのフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、オーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’の部分に相当する模式的断面図と画素のフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’、フローティングディフュージョンＦＤ３、蓄積トランジスタＳａ７、Ｓｂ７’、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５の部分に相当する模式的断面図は図３−１および図３−２と同様である。

図１７、図１８で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図１９は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。各画素ブロックにおいて、画素ａ、画素ｂを読み出す時、同一のフローティンディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸを用いて読み出す。

まず、露光蓄積前に、画素ａの蓄積トランジスタＳａをオン、転送トランジスタＴａ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。このとき、画素ａのフォトダイオードＰＤａは完全空乏化している。次にリセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと画素ａの蓄積容量ＣＳａのリセットを行い（時刻ｔ₁）、リセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれたＦＤ＋ＣＳａのリセットノイズをノイズ信号Ｎ２として読み出す（時刻ｔ₂）。この際ノイズ信号Ｎ２には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中（時刻ｔ₃）においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤａで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートＬＯａを介して蓄積容量ＣＳａに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。

蓄積終了後（時刻ｔ₄）に選択トランジスタＸをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンＦＤ部のリセットを行い（時刻ｔ₅）、リセット直後に取り込まれたＦＤリセットノイズをノイズ信号Ｎ１として読み出す（時刻ｔ₆）。この際ノイズ信号Ｎ１には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。次に転送トランジスタＴａをオンしてフォトダイオードＰＤａに蓄積された光信号をＦＤへ完全転送し（時刻ｔ₇）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタＳａもオンして（時刻ｔ₈）、フォトダイオードＰＤａに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳａへ完全転送し、フォトダイオードＰＤａおよびフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳａに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。画素ｂにおいても、露光蓄積前に、蓄積トランジスタＳｂをオン、転送トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＲをオフにセットし、リセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳｂのリセットを行い、リセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれたＦＤ＋ＣＳｂのリセットノイズをノイズ信号Ｎ２として読み出す。この際ノイズ信号Ｎ２には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。

蓄積期間中（時刻ｔ₉）においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤｂで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートＬＯｂを介して蓄積容量ＣＳｂに蓄積する。

蓄積終了後（時刻ｔ₁₀）に選択トランジスタＸをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンＦＤ部のリセットを行い（時刻ｔ₁₁）、リセット直後に取り込まれたＦＤリセットノイズをノイズ信号Ｎ１として読み出す（時刻ｔ₁₂）。

次に転送トランジスタＴｂをオンしてフォトダイオードＰＤｂに蓄積された光信号をＦＤへ完全転送し（時刻ｔ₁₃）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタＳｂもオンして（時刻ｔ₁₄）、フォトダイオードＰＤｂに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳｂへ完全転送し、フォトダイオードＰＤｂおよびフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳｂに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。

本実施形態の固体撮像装置は、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸが２画素に１組の割合で設けられているので、一画素あたりの画素面積を小さくすることができる。

本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第１実施形態で示した図５と同様であるが、出力線は二画素に一つとなる。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成については、第１実施形態で説明したものと同様である。

上記の動作では、各画素ブロックに設けられた画素を順次駆動しすべての画素から得られる信号を利用する場合を示しているが、間引き動作として各画素ブロックからいずれかの画素を選択し、その画素から得られる信号を利用しても構わないし、また平均化動作として各画素ブロック内で画素信号を混合加算し、その信号を利用しても構わない。

本実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態と同様に、低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。また、素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。

また、フローティグディフュージョンＦＤのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではＳ１＋Ｓ２の最小信号がフォトダイオードＰＤからの飽和電荷となってＦＤリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、ＦＤリークの影響を受け難いという利点がある。

第６実施形態
本実施形態は、第１実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図２０は本実施形態の画素の等価回路図、また、図２１はその概略平面図である。

本実施形態は、４つのフォトダイオードと蓄積容量をもつ画素ａ、ｂ、ｃ、ｄから構成される画素ブロックを基本単位とする固体撮像装置である。各画素ブロックは、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''と、フォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’、Ｔｃ２''、Ｔｄ２'''と、転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’、Ｔｃ２''、Ｔｄ２'''それぞれを介してフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''それぞれに接続して設けられた一つのフローティングディフュージョンＦＤ３と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１’、ＰＤｄ１'''それぞれからあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’、ＬＯｃ４''、ＬＯｄ４'''と、蓄積動作時にフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''それぞれからあふれる光電荷をオーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’、ＬＯｃ４''、ＬＯｄ４'''を通じて蓄積する蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ５''、ＣＳｄ５'''と、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ５''、ＣＳｄ５'''それぞれに接続して形成され、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ５''、ＣＳｄ５'''およびフローティングディフュージョンＦＤ３内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ５''、ＣＳｄ５'''の間に設けられた蓄積トランジスタＳａ７、Ｓｂ７’、Ｓｃ７''、Ｓｄ７'''と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ５''、ＣＳｄ５'''それぞれの信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ８と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ９とから構成されている。このようにして、４つのフォトダイオードと蓄積容量に、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸを持つ基本単位の画素ブロックが構成される。

本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素ブロックにおいて、オーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’、ＬＯｃ４''、ＬＯｄ４'''、転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’、Ｔｃ２''、Ｔｄ２'''、蓄積トランジスタＳａ７、Ｓｂ７’、Ｓｃ７''、Ｓｄ７'''、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φ_LOa、φ_LOb、φ_LOc、φ_LOd、φ_Ta、φ_Tb、φ_Tc、φ_Td、φ_Sa、φ_Sb、φ_Sc、φ_Sd、φ_Rの各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ９のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφ_Xが接続され、さらに、選択トランジスタＸ９の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１５が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。

選択トランジスタＸ９、駆動ラインφ_Xについては、前記第１実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンＦＤ３の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。

本実施形態に係る固体撮像装置の画素ブロックにおける、画素ａ、画素ｂ、画素ｃ、画素ｄのフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''、オーバーフローゲートＬＯａ４、ＬＯｂ４’、ＬＯｃ４''、ＬＯｄ４'''、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ５''、ＣＳｄ５'''の部分に相当する模式的断面図と画素のフォトダイオードＰＤａ１、ＰＤｂ１’、ＰＤｃ１''、ＰＤｄ１'''、転送トランジスタＴａ２、Ｔｂ２’、Ｔｃ２''、Ｔｄ２'''、フローティングディフュージョンＦＤ３、蓄積トランジスタＳａ７、Ｓｂ７’、Ｓｃ７''、Ｓｄ７'''、蓄積容量ＣＳａ５、ＣＳｂ５’、ＣＳｃ６''、ＣＳｄ７'''の部分に相当する模式的断面図は図３−１および図３−２と同様である。

図２０、図２１で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図２２は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。各画素ブロックにおいて、画素ａ、画素ｂ、画素ｃ、画素ｄを読み出す時、同一のフローティンディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸを用いて読み出す。

まず、露光蓄積前に、画素ａの蓄積トランジスタＳａをオン、転送トランジスタＴａ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。このとき、画素ａのフォトダイオードＰＤａは完全空乏化している。

次にリセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと画素ａの蓄積容量ＣＳａのリセットを行い（時刻ｔ₁）、リセットトランジスタＲをオフした直後にとりこまれたＦＤ＋ＣＳａのリセットノイズをノイズ信号Ｎ２として読み出す（時刻ｔ₂）。この際ノイズ信号Ｎ２には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。

蓄積期間中（時刻ｔ₃）においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤａで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートＬＯａを介して蓄積容量ＣＳａに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。

蓄積終了後（時刻ｔ₄）に選択トランジスタＸをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンＦＤ部のリセットを行い（時刻ｔ₅）、リセット直後に取り込まれたＦＤリセットノイズをノイズ信号Ｎ１として読み出す（時刻ｔ₆）。この際ノイズ信号Ｎ１には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。

次に転送トランジスタＴａをオンしてフォトダイオードＰＤａに蓄積された光信号をＦＤへ完全転送し（時刻ｔ₇）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタＳａもオンして（時刻ｔ₈）、フォトダイオードＰＤａに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳａへ完全転送し、フォトダイオードＰＤａおよびフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳａに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。画素ｂにおいても、露光蓄積前に、蓄積トランジスタＳｂをオン、転送トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＲをオフにセットし、リセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳｂのリセットを行い、リセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれたＦＤ＋ＣＳｂのリセットノイズをノイズ信号Ｎ２として読み出す。この際ノイズ信号Ｎ２には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。

蓄積期間中（時刻ｔ₉）においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤｂで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートＬＯｂを介して蓄積容量ＣＳｂに蓄積する。蓄積終了後（時刻ｔ₁₀）に選択トランジスタＸをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンＦＤ部のリセットを行い（時刻ｔ₁₁）、リセット直後に取り込まれたＦＤリセットノイズをノイズ信号Ｎ１として読み出す（時刻ｔ₁₂）。次に転送トランジスタＴｂをオンしてフォトダイオードＰＤｂに蓄積された光信号をＦＤへ完全転送し（時刻ｔ₁₃）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタＳｂもオンして（時刻ｔ₁₄）、フォトダイオードＰＤｂに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳｂへ完全転送し、フォトダイオードＰＤｂおよびフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳｂに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。以下、ｃ、ｄの画素について上記と同様の動作が繰り返される。

本実施形態の固体撮像装置は、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸが４画素に１組の割合で設けられているので、一画素あたりの画素面積を小さくすることができる。

上記の動作では、各画素ブロックに設けられた画素を順次駆動しすべての画素から得られる信号を利用する場合を示しているが、間引き動作として各画素ブロックからいずれかの画素を選択し、その画素から得られる信号を利用しても構わないし、また平均化動作として各画素ブロック内で画素信号を混合加算し、その信号を利用しても構わない。

本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第１実施形態で示した図５と同様であるが、出力線は四画素に一つとなる。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成については、第１実施形態で説明したものと同様である。

本実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態と同様に、低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。また、素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。

また、フローティグディフュージョンＦＤのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではＣ_FD＋Ｃ_CSの最小信号が過飽和電荷＋フォトダイオードＰＤからの飽和電荷となってＦＤリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、ＦＤリークの影響を受け難いという利点がある。

第７実施形態
本実施形態は、上記の第１から第６の実施形態において、フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積するための蓄積容量の形態の変形例を示す。

蓄積容量として、ジャンクション型蓄積容量を考えた場合、条件を考慮しても１μｍ²あたりの静電容量は０．３〜３ ｆＦ／μｍ²程度であり、面積効率はあまりよくなく、ダイナミックレンジを広くするには困難が伴う。

一方、プレーナ型蓄積容量では、容量絶縁膜の絶縁膜リーク電流を抑制するために絶縁膜電界を３〜４ＭＶ／ｃｍ以下、最大印加電圧が２．５〜３Ｖ、容量絶縁膜厚が７ｎｍ程度と設定したとき、容量絶縁膜の材料の比誘電率が３．９で４．８ｆＦ／μｍ²、比誘電率が７．９で９．９ｆＦ／μｍ²、比誘電率が２０で２５ｆＦ／μｍ²、比誘電率が５０で６３ｆＦ／μｍ²となる。

酸化シリコン（比誘電率３．９）の他、窒化シリコン（同７．９）、Ｔａ₂Ｏ₅（同２０〜３０程度）、ＨｆＯ₂（同３０程度）、ＺｒＯ₂（同３０程度）、Ｌａ₂Ｏ₃（同４０〜５０程度）のいわゆるＨｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、より大きな静電容量を実現でき、比較的単純な構造であるプレーナ型でも１００〜１２０ｄＢ広ダイナミックレンジなイメージセンサを実現できる。

さらに、占有面積を抑制して容量の寄与する面積を拡大可能なスタック型やトレンチ型などの構造を適用することでも１２０ｄＢの広いダイナミックレンジを達成可能で、さらに上記のＨｉｇｈ−ｋ材料を組み合わせることで、スタック型では１４０ｄＢ、トレンチ型では１６０ｄＢを達成可能である。

以下に、本実施形態で適用できる蓄積容量の例を示す。図２３は第１実施形態と同様のプレーナ型ＭＯＳ蓄積容量の断面図である。即ち、蓄積容量ＣＳは、例えば、ｐ型半導体基板２０にｐ型ウェル２１の表層部分に形成された下部電極となるｎ＋型半導体領域６０と、ｎ＋型半導体領域６０上に形成された酸化シリコンの容量絶縁膜４２と、容量絶縁膜４２上に形成されたポリシリコンなどの上部電極４３とを有する構成である。

図２４はプレーナ型ＭＯＳおよびジャンクション型の蓄積容量の断面図である。例えば、ｐ型半導体基板２０に形成されたｐ型ウェル２１の表層部分に下部電極となるｎ＋型半導体領域６１が蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２と一体に形成されており、その上の酸化シリコンの容量絶縁膜４２を介して上部電極４３が形成されて、蓄積容量ＣＳが構成されている。この場合、上部電極４３には電源電圧ＶＤＤあるいはグラウンドＧＮＤが印加される。

図２５の断面図に示す蓄積容量は図２３と同様のプレーナ型ＭＯＳ蓄積容量である。但し、容量絶縁膜４２ａが窒化シリコンあるいはＴａ₂Ｏ₅などのＨｉｇｈ−ｋ材料から構成されており、図２３の蓄積容量よりも大容量化されている。

図２６の断面図に示す蓄積容量は図２４と同様のプレーナ型ＭＯＳおよびジャンクション型の蓄積容量である。但し、容量絶縁膜４２ａが窒化シリコンあるいはＴａ₂Ｏ₅などのＨｉｇｈ−ｋ材料から構成されており、図２４の蓄積容量よりも大容量化されている。

図２７はスタック型蓄積容量の断面図である。例えば、ｐ型半導体基板２０に形成された素子分離絶縁膜６２上に形成された下部電極６３と、下部電極６３上に形成された容量絶縁膜６４と、容量絶縁膜６４上に形成された上部電極６５とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２と下部電極６３が配線４５により接続されている。この場合、上部電極６５には電源電圧ＶＤＤあるいはグラウンドＧＮＤが印加される。

図２８はスタック型蓄積容量の断面図である。例えば、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２に接続するように形成された下部電極６７と、下部電極６７の内壁面上に形成された容量絶縁膜６８と、下部電極６７の内側の部分を埋め込むように容量絶縁膜６８を介して形成された上部電極６９とを有する構成である。ここでは、上部電極６９には電源電圧ＶＤＤあるいはグラウンドＧＮＤが印加される。下部電極６７と下部電極６７内側の部分を埋め込むように形成された上部電極６９の構造は、通常のスタック型よりも静電容量に寄与する対向面積を大きくとることができる。

図２９は、プレーナＭＯＳ型とスタック型とを組み合わせた複合蓄積容量の断面図である。本例によれば、面積効率の高い大きな容量を形成することができる。

図３０はトレンチ型蓄積容量の断面図である。ｎ型半導体基板２０のｐ型ウェル２１を貫通してｎ型基板に達するようトレンチＴＣが形成されており、トレンチＴＣの内壁に形成された下部電極となるｎ＋型半導体領域７０と、トレンチＴＣの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜７１と、容量絶縁膜７１を介してトレンチＴＣを埋め込んで形成された上部電極７２とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２と上部電極７２が配線４５により接続されている。

図３１はジャンクションを有するトレンチ型蓄積容量の断面図である。ｎ型半導体基板２０のｐ型ウェル２１内においてトレンチＴＣが形成されており、トレンチＴＣの内壁に下部電極となるｎ＋型半導体領域７３が蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２と一体に形成され、トレンチＴＣの内壁を被覆して容量絶縁膜７４が形成され、さらに容量絶縁膜７４を介してトレンチＴＣを埋め込んで上部電極７５が形成された構成である。

図３２はトレンチ型蓄積容量の断面図である。ｎ型半導体基板２０のｐ型ウェル２１を貫通してｎ型基板に達するようトレンチＴＣが形成されており、トレンチＴＣのある程度の深さよりも深い領域において、その内壁に形成された下部電極となるｎ＋型半導体領域７６と、トレンチＴＣの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜７７と、容量絶縁膜７７を介してトレンチＴＣを埋め込んで形成された上部電極７８とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２と上部電極７８が配線４５により接続されている。

図３３はトレンチ型蓄積容量の断面図である。ｎ型半導体基板２０のｐ型ウェル２１を貫通してｎ型基板に達するようトレンチＴＣが形成されており、トレンチＴＣの内壁に形成された下部電極となるｐ＋型半導体領域７９と、トレンチＴＣの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜８０と、容量絶縁膜８０を介してトレンチＴＣを埋め込んで形成された上部電極８１とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２と上部電極８１が配線４５により接続されている。

図３４はジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量を有するＣＭＯＳセンサの断面図である。例えば、ｐ型シリコン半導体基板（ｐ−ｓｕｂ）９０上にｐ型エピタキシャル層９１が形成されており、ｐ型シリコン半導体基板９０とｐ型エピタキシャル層９１にわたってｎ＋型半導体領域９２が形成されている。即ち、ｎ型（第１導電型）の半導体領域とこれに接合するｐ型（第２導電型）の半導体領域とが、固体撮像装置を構成する半導体基板の内部に埋め込まれて、ジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量が形成されている。ｐ型シリコン半導体基板９０とｐ型エピタキシャル層９１領域には、さらにｐ＋型分離領域９３が形成されている。ｐ型エピタキシャル層９１上にｐ型半導体層９４が形成されており、ｐ型半導体層９４に対して、上記の各実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ、オーバーフローゲートＬＯ、転送トランジスタＴ、フローティングディフュージョンＦＤ、蓄積トランジスタＳが形成されている。例えば、蓄積容量となるｎ＋型半導体領域９２は、上記のフォトダイオードＰＤ、オーバーフローゲートＬＯ、転送トランジスタＴ、フローティングディフュージョンＦＤ、蓄積トランジスタＴの各形成領域にわたって、広く形成されている。また、蓄積トランジスタＴのソース・ドレインとなるｎ＋型半導体領域３２は、ｐ型半導体層９４中を垂直に伸びるｎ＋型半導体領域９５により、蓄積容量を構成するｎ＋型半導体領域９２に接続している。

図３５は絶縁膜容量およびジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量を有するＣＭＯＳセンサの断面図である。図３４と同様の構造であるが、ｐ型シリコン半導体基板（ｐ−ｓｕｂ）９０上に、絶縁膜９０ａを介して、第１ｐ型エピタキシャル層９１ａと第２ｐ型エピタキシャル層９１ｂとが形成されており、半導体基板上に絶縁膜を介して半導体層が形成されているＳＯＩ（Semiconductor on Insulator）基板となっている。ここで、第１ｐ型エピタキシャル層９１ａと第２ｐ型エピタキシャル層９１ｂにわたり、絶縁膜９０ａに接する領域まで、ｎ＋型半導体領域９２が形成されており、絶縁膜を介して対向する半導体基板と半導体層の間の絶縁膜容量を用いて、蓄積容量が構成されている。さらに、図３４の蓄積容量と同様に、ｎ＋型半導体領域９２と、第１ｐ型エピタキシャル層９１ａおよび第２ｐ型エピタキシャル層９１ｂの間で、ジャンクション容量が形成されている。この他の構造については、図３４のＣＭＯＳセンサと同様である。

図３６は絶縁膜容量およびジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量を有するＣＭＯＳセンサの断面図である。図３５と同様の構造であるが、さらに、フォトダイオードＰＤを構成するｎ型半導体領域３０と蓄積容量を構成するｎ＋型半導体領域９２の間に、低濃度半導体層（ｉ層）９６が形成されている。上記の構造は、ｎ型半導体領域３０とｎ＋型半導体領域９２の間のポテンシャル障壁を低くすることに相当し、フォトダイオードＰＤから蓄積容量ＣＳへのオーバーフローパスとなる。これにより、電荷の蓄積時においてフォトダイオードからあふれる電荷をパンチスルーさせて蓄積容量へと移動させることができる。

上記の各種の蓄積容量は、上述の第１〜第６実施形態のいずれにも適用可能で、上述のようにこれらの形状の蓄積容量により、フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積することで、高照度側に広ダイナミックレンジ化を実現できる。

（実施例１）
本発明の固体撮像装置において、画素を２次元アレイに並べた、画素数横６４０×縦４８０、画素サイズ７．５μｍ角、フローティングディフュージョン容量Ｃ_FD＝４ｆＦ、蓄積容量Ｃ_CS＝６０ｆＦをもつ固体撮像素子を２層ポリシリコン３層メタル配線を持つ半導体製造方法で作成した。各蓄積容量はポリシリコン−シリコン酸化膜−シリコン容量とポリシリコン−シリコン窒化膜−ポリシリコン容量の並列容量で構成した。信号Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２の飽和信号電圧はそれぞれ５００ｍＶ、１０００ｍＶ、ノイズ除去後にＳ１、Ｓ１＋Ｓ２に残留する残留ノイズ電圧は等しく０．０９ｍＶであった。Ｓ１からＳ１＋Ｓ２への切り替え電圧はＳ１の飽和電圧よりも低く設定し４００ｍＶとした。

各切り替え点でのＳ１＋Ｓ２信号と残留ノイズとのＳ／Ｎ比はどちらも４０ｄＢ以上が得られており、高画質な性能を持つ固体撮像素子が実現できた。また、ダイナミックレンジ性能は１００ｄＢを得た。さらに、オーバーフローゲートＬＯにより高照度光照射時にフォトダイオードＰＤからあふれる過剰光電荷を効率的に蓄積容量に輸送できていることにより、隣接画素への過剰光電荷の漏れ込みも抑圧でき、優れたブルーミング耐性、スミア耐性を得ることができた。

本実施例において、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できている。

（実施例２）
本発明の固体撮像装置において、横３．５μｍ、縦７μｍの大きさの基本画素ブロックにフォトダイオードと蓄積容量は２つずつ設けられた画素ブロックを画素数横６４０×縦２４０の２次元アレイに並べた固体固体撮像装置を作成した。実効画素数は横６４０×縦４８０である。各画素ブロックのフローティングディフュージョン容量はＣ_FD＝３．４ｆＦ、蓄積容量はトレンチ型蓄積容量構造を適用してＣ_CS＝１００ｆＦとした。信号Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２の飽和信号電圧はそれぞれ５００ｍＶ、１０００ｍＶ、ノイズ除去後にＳ１、Ｓ１＋Ｓ２に残留する残留ノイズ電圧は等しく０．０９ｍＶであった。Ｓ１からＳ１＋Ｓ２への切り替え電圧はＳ１の飽和電圧よりも低く設定し４００ｍＶとした。

各切り替え点でのＳ１＋Ｓ２信号と残留ノイズとのＳ／Ｎ比はどちらも４０ｄＢ以上が得られており、高画質な性能を持つ固体撮像素子が実現できた。また、ダイナミックレンジ性能は１１０ｄＢを得た。さらに、オーバーフローゲートＬＯにより高照度光照射時にフォトダイオードＰＤからあふれる過剰光電荷を効率的に蓄積容量に輸送できていることにより、隣接画素への過剰光電荷の漏れ込みも抑圧でき、優れたブルーミング耐性、スミア耐性を得ることができた。

本実施例において、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できている。

本発明は上記の説明に限定されない。例えば、実施形態においては、固体撮像装置について説明しているが、これに限らず、各固体撮像装置の画素を直線状に配したラインセンサや、各固体撮像装置の画素をそのまま単独で構成することで得られる光センサについても、従来には得られなかった広ダイナミックレンジ化と高感度、高Ｓ／Ｎ比を達成することができる。

また、蓄積容量の形状などは特に限定はなく、ＤＲＡＭのメモリ蓄積容量などで容量を高めるためにこれまでに開発された種々の方法を採用することができる。固体撮像装置としては、フォトダイオードとフォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する蓄積容量とがオーバーフローゲートを介して接続されている構成であればよく、ＣＭＯＳイメージセンサの他、ＣＣＤにも適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、監視カメラ、車載カメラ、スキャナなどの広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサに適応できる。

本発明の固体撮像装置の動作方法は広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサの動作方法に適応できる。

本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の一画素の概略平面図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードＰＤ１、オーバーフローゲートＬＯ４、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードＰＤ１、転送トランジスタＴ２、フローティングディフュージョンＦＤ３、蓄積トランジスタＳ７、蓄積容量ＣＳ５の部分に相当する模式的断面図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の一画素の概略平面図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の第１実施形態に対応した、一画素の等価回路図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の第１実施形態に対応した、一画素の概略平面図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の第２実施形態に対応した、一画素の等価回路図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の第２実施形態に対応した、一画素の概略平面図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の二画素の等価回路図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の二画素の概略平面図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。 本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置の四画素の等価回路図である。 本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置の四画素の概略平面図である。 本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。 従来例の特許文献１に対応する等価回路図である。 従来例の特許文献２に対応する等価回路図である。 従来例の特許文献３に対応する等価回路図である。 従来例の特許文献４に対応する等価回路図である。 従来例の非特許文献３に対応する等価回路図である。

１ フォトダイオード
２ 転送トランジスタ
３ フローティングディフュージョン
４，ＬＯ オーバーフローゲート
５ 蓄積容量
６ リセットトランジスタ
７ 蓄積トランジスタ
８ 増幅トランジスタ
９ 選択トランジスタ
１０ オーバーフローゲートの駆動ライン
１１ 転送トランジスタの駆動ライン
１２ 蓄積トランジスタの駆動ライン
１３ リセットトランジスタの駆動ライン
１４ 選択トランジスタの駆動ライン
１５ 画素出力ライン
２０ ｎ型半導体基板
２１ ｐ型ウェル
２２，２３，２４，２５ 素子分離絶縁膜
２６，２７，２８，２９，７９，９３ ｐ＋型分離領域
３０ ｎ型半導体領域
３１，４１，５０ ｐ＋型半導体領域
３２，３３，３４，６１，６１ａ，７０，７３，７６，９２，９５ ｎ＋型半導体領域
３５，３７，３９ ゲート絶縁膜
３６，３８，４０ ゲート電極
４２，４２ａ，６４，６８，７１，７４，７７，８０ 蓄積容量絶縁膜
４３，６５，６９，７２，７５，７８，８１ 蓄積容量上部電極
４４ 層間絶縁膜
４５，４６，６６ 配線
５１，５２，５３ ｎ型半導体領域
６０，６０ａ ｐ＋型半導体領域またはｎ＋型半導体領域
６２ 素子分離絶縁膜
６３，６７ 蓄積容量下部電極
９０ ｐ型半導体基板
９１ ｐ型エピタキシャル層
９１ａ 第１ｐ型エピタキシャル層
９１ｂ 第２ｐ型エピタキシャル層
９４ ｐ型半導体層
９６ 低濃度半導体層
１００，１０１，１０２，１０３ 画素アレイ
１０４ 行シフトレジスタ
１０５，ＨＳＲ 列シフトレジスタ
１０６ 信号およびノイズホールド部
１０７ 出力回路

Claims (15)

1. 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
   前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
   前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティング領域と、
   蓄積容量素子と、
   前記フローティング領域と前記蓄積容量素子の間に接続された蓄積トランジスタと、
   前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部との間に接続されたオーバーフローゲートとを有し、
   前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記蓄積容量素子に蓄積させ、
   前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間においてオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷をフローティング領域に転送してフローティング領域に蓄積させ、
   前記蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
   前記混合前に前記フローティング領域に蓄積されていた電荷を読み出すとともに、
   前記混合後に混合された電荷を読み出すことを特徴とする
   固体撮像装置。
2. 前記フローティング領域に接続され、
   前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フォトダイオードに蓄積され前記フローティング領域に転送された電荷を電圧信号に増幅変換し、次に、前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域に転送された電荷と前記フォトダイオードから溢れ前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷とを混合した電荷を電圧信号に増幅変換する、増幅トランジスタをさらに有する、請求項１に記載された固体撮像装置。
3. 少なくとも前記フォトダイオードと、前記転送トランジスタと、前記蓄積容量素子と、前記蓄積トランジスタと、前記オーバーフローゲートとが一画素に含まれ、
   前記画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されたことを特徴とする、
   請求項１または２に記載された固体撮像装置。
4. 前記各画素が、
   前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フローティング領域の電荷を排出し、
   前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の電荷を排出するリセットトランジスタをさらに有する、請求項３に記載された固体撮像装置。
5. 前記リセットトランジスタは、前記蓄積トランジスタがオフの状態で、前記フローティング領域の電荷を排出して、前記フローティング領域のノイズ電荷を読み出し、前記蓄積トランジスタがオンの状態で、前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の電荷を排出して前記フローティング領域および前記蓄積容量素子のノイズ電荷を読み出すことを特徴とする、請求項４に記載された固体撮像装置。
6. 前記増幅トランジスタに接続されると共に、画素出力ラインに接続され、前記各画素を選択する選択トランジスタを更に備えたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
7. 前記オーバーフローゲートは、ゲート電極、ソース、及びドレインを備えたトランジスタ素子によって構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
8. 前記オーバーフローゲートを構成する前記トランジスタ素子のソース及びドレインは、前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタの接続点に接続され、他方、前記ゲートは、当該トランジスタ素子を駆動する駆動ラインに接続されていることを特徴とする請求項７に記載された固体撮像装置。
9. 前記オーバーフローゲートを構成する前記トランジスタ素子のソース及びドレインは、前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタの接続点に接続され、他方、前記ゲートは、接地されていることを特徴とする請求項７に記載された固体撮像装置。
10. 前記トランジスタ素子は、ＭＯＳトランジスタ及び接合型トランジスタのいずれか一方によって構成されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
11. 前記オーバーフローゲートを構成する前記トランジスタ素子の閾値は、前記転送トランジスタの閾値よりも低い値に設定されていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
12. 前記リセットトランジスタは、当該リセットトランジスタを駆動する駆動ラインに接続されたゲート電極と、前記蓄積トランジスタと前記フローティング領域との接続点に接続されたソース又はドレインを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
13. 前記リセットトランジスタは、当該リセットトランジスタを駆動する駆動ラインに接続されたゲート電極と、前記蓄積トランジスタと前記蓄積容量素子との接続点に接続されたソース又はドレインを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
14. 前記フローティング領域は、複数の画素に共通に接続されていることを特徴とする請求項３〜１３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
15. 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
    前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
    前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティング領域と、
    蓄積容量素子と、
    前記フローティング領域と前記蓄積容量素子の間に接続された蓄積トランジスタと、
    前記フォトダイオードと、前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタとの接続部との間に接続されたオーバーフローゲートとを有し、
    前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記蓄積容量素子に転送して前記蓄積容量素子に蓄積させ、
    前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間においてオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷をフローティング領域に転送してフローティング領域に蓄積させ、
    前記蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記蓄積容量素子に蓄積されていた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
    前記混合前に前記フローティング領域に蓄積されていた電荷を読み出すとともに、
    前記混合後に混合された電荷を読み出すことを特徴とする光センサ。

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