JP4618342B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特にＣＭＯＳ型あるいはＣＣＤ型の固体撮像装置に関する。

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画像入力イメージセンサは、その特性向上とともに、例えばデジタルカメラやカメラ付き携帯電話などの用途で需要が拡大してきている。

図３３は、上記のイメージセンサの画素を構成するシリコン・フォトダイオードにおいて不要な赤外線を除去する赤外線除去フィルタと各カラーフィルタを設けた場合の分光感度であり、Ｒは赤フィルタを設けた赤色画素、Ｇは緑フィルタを設けた緑色画素、Ｂは青フィルタを設けた青色画素の分光感度であり、Ｗはカラーフィルタなしの場合の分光感度である。

カラーフィルタなしの場合に対して、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のカラーフィルタを透過させることで、図３３中のＲ，Ｇ，Ｂで示す３原色の分光特性を実現できる。
単板式のカラーセンサでは、画素ごとに異なった色のカラーフィルタを搭載しているが、カラーフィルタにより減衰させている分、量子効率は低下している。光源、フォトダイオードおよびカラーフィルタの分光特性によって決定されるが、緑色画素で１／２〜１／３の減衰がある。

イメージセンサにおける画素は、通常、上記のＲ，Ｇ，Ｂの各色のカラーフィルタを有する画素で構成されている。
高感度化を目的として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のカラーフィルタを有する画素の他に、カラーフィルタを有さない白色画素（以降ホワイト（Ｗ）画素とも称する）を有するイメージセンサが開発されている。

図３４は、上記の各色の画素において、照度の対数（横軸）に対して信号電荷数の対数（縦軸）を示した出力特性であり、Ｒは赤フィルタを設けた赤色画素、Ｇは緑フィルタを設けた緑色画素、Ｂは青フィルタを設けた青色画素、Ｗはホワイト画素の出力特性である。
Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｗの各色の画素における出力特性は、それぞれ同じ傾きの直線となり、信号電化数が一定の値で飽和する。

低照度領域では信号電荷数の多いホワイト画素が高感度化に寄与しているが、高照度領域ではホワイト画素は量子効率の低いＲ，Ｇ，Ｂの画素より低照度で飽和するため、高照度域のダイナミックレンジが制限されてしまう。
上記のホワイト画素を有するイメージセンサにおいて、輝度情報のダイナミックレンジＤＲは、ホワイト画素のフロアノイズレベルＦＮから飽和レベルまでとなり、図３４の場合は８０ｄＢである。

ホワイト画素を除いたＲＧＢ画素のみを使用し画像を作成することもできるが、１画素分情報が少ないため解像度が劣化してしまう。

上記のように、従来のホワイト画素を有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素は低照度側の感度改善に有効であるが、高照度側においてはＲ，Ｇ，Ｂ画素より低照度で飽和するため、ダイナミックレンジが制限されるという欠点が存在する。

一方、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の画素を有するイメージセンサにおいて、特許文献１〜３などに、高感度かつ高Ｓ／Ｎ比を維持しながら、広ダイナミックレンジ化を実現した固体撮像装置が開示されている。
特開２００５−３２８４９３号公報 国際公開２００５／０８３７９０号パンフレット 特開２００６−２１７４１０号公報

解決しようとする問題点は、ホワイト画素を有するイメージセンサにおいて、高照度側でダイナミックレンジが制限される点である。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さない白色画素又は黄色のカラーフィルタを有する黄色画素と、少なくとも赤色、緑色または青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素または青色画素とがアレイ状に集積されており、前記白色画素または前記黄色画素が、光を受光して光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから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ディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンを介して前記フォトダイオードに接続可能に設けられ、前記転送トランジスタを通じて前記フォトダイオードから転送される光電荷を蓄積する付加容量素子と、前記フローティングディフュージョンと前記付加容量素子とを結合または分割する容量結合トランジスタと、前記付加容量素子または前記フローティングディフュージョンに接続され、前記付加容量素子及び／または前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタとを有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記白色画素又は前記黄色画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とが半導体基板にアレイ状に集積されている。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記赤色画素、緑色画素及び青色画素が、光を受光して光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから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ディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンを介して前記フォトダイオードに接続可能に設けられ、前記転送トランジスタを通じて前記フォトダイオードから転送される光電荷を蓄積する付加容量素子と、前記フローティングディフュージョンと前記付加容量素子とを結合または分割する容量結合トランジスタと、前記付加容量素子または前記フローティングディフュージョンに接続され、前記付加容量素子及び／または前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタとを有する。
さらに好適には、前記白色画素又は前記黄色画素の付加容量素子が、前記赤色画素、緑色画素及び青色画素の付加容量素子よりも大きい。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記赤色画素、緑色画素及び青色画素が、光を受光して光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから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ディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンに接続され、前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタとを有する。
さらに好適には、前記白色画素又は前記黄色画素と、前記赤色画素、緑色画素又は青色画素との間で、前記フローティングディフュージョンが共有されている。

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記白色画素又は前記黄色画素の総数が、前記赤色画素、緑色画素または青色画素の総数より小さい。
あるいは好適には、前記白色画素又は前記黄色画素の総数が、前記赤色画素、緑色画素または青色画素の総数以上である。
また、あるいは好適には、前記受光面が中央部と周辺部に区分されており、前記周辺部における全画素に対する前記白色画素又は前記黄色画素の割合が、前記中央部における全画素に対する前記白色画素又は前記黄色画素の割合よりも高い。

本発明の固体撮像装置は、カラーフィルタを有さないホワイト画素を有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

以下、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
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さないホワイト画素（白色画素）と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。

本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサは、白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素が共通の回路構成を有しており、カラーフィルタの有無及び色が異なる構成となっている。

図１は１つの画素（ピクセル）ＰＸの等価回路図である。
各画素は、光を受光して光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードＰＤ、フォトダイオードＰＤからの光電荷を転送する転送トランジスタＴ、転送トランジスタＴを通じて光電荷が転送されるフローティングディフュージョンＦＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ、フローティングディフュージョンＦＤの容量と付加容量素子Ｃ_Ｓの容量とを結合または分割する容量結合トランジスタＳ、フローティングディフュージョンＦＤに容量結合トランジスタＳを介して接続して形成され、負荷容量素子Ｃｓ及びフローティングディフュージョンＦＤ内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタＲＳ、ゲート電極がフローティングディフュージョンＦＤに接続して形成され、フローティングディフュージョンＦＤ内の光電荷を電圧信号に増幅変換する増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦ、及び、増幅トランジスタに直列に接続して形成され、画素を選択するための選択トランジスタＸを有して構成されており、いわゆる５トランジスタ型のＣＭＯＳイメージセンサである。例えば、上記の５つのトランジスタはいずれもｎチャネルＭＯＳトランジスタである。

本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサは、上記の構成の画素が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Ｔ、容量結合トランジスタＳ、リセットトランジスタＲＳのゲート電極に、φ_T、φ_S、φ_ＲＳの各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ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ＳＬ（φ_X）が接続される。また、リセットトランジスタＲＳと選択トランジスタＸの一方の（出力側）ソース・ドレインに所定の電源電圧ＶＲが印加され、さらに、増幅トランジスタＳＦの出力側ソース・ドレインに出力ラインＶｏｕｔが接続され、列シフトレジスタにより制御されて電圧信号が出力される。
選択トランジスタＸ、駆動ラインφ_Ｘ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ＦＤ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、選択トランジスタＸについては、増幅トランジスタＳＦと出力ラインＶｏｕｔとの間に配置することも可能である。

図２は本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの１画素（１ピクセル）のレイアウト図の一例である。
フォトダイオードＰＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ及び５つのトランジスタ（転送トランジスタＴ、容量結合トランジスタＳ、リセットトランジスタＲＳ、増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦ、選択トランジスタＸ）を図のように配置し、さらに転送トランジスタＴと容量結合トランジスタＳの間のフローティングディフュージョンＦＤと増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦのゲートを配線Ｗ１で接続し、付加容量素子Ｃ_Ｓを構成する領域を配線Ｗ２で接続し、さらにリセットトランジスタＲＳと選択トランジスタＸの一方の拡散層にそれぞれ所定の電源電圧ＶＲの配線に接続して、図１に示す本実施形態の等価回路図に相当する回路を実現することができる。図２のレイアウトを繰り返して配置することで、隣り合う画素間において、一方の画素のリセットトランジスタＲＳと他方の画素の選択トランジスタＸの間の拡散層に電源電圧ＶＲが接続される構成となる。
このレイアウトにおいて、転送トランジスタＴのチャネルの幅は、フォトダイオードＰＤ側で広く、フローティングディフュージョンＦＤ側で狭くなるように形成されている。このため、フォトダイオードからフローティングディフュージョンへの光電荷の転送を滞りなく行うことができる。一方、フローティングディフュージョンＦＤ側で狭くすることで、フローティングディフュージョンＦＤの容量を小さくとることができ、フローティングディフュージョンＦＤ中に蓄積した電荷に対する電位の変動幅を大きくとることができる。

本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、フローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃ_ＦＤに特に限定はないが、例えば、フォトダイオードＰＤの容量Ｃ_ＰＤよりも小さい構成とすることができる。

図３（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各画素の一部（フォトダイオードＰＤ、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、容量結合トランジスタＳ及び付加容量素子Ｃ_Ｓを構成する拡散層）における模式的断面図であり、図２中のＡ−Ａ’における断面図に相当する。

例えば、ｎ型シリコン半導体基板（ｎ−ｓｕｂ）１０にｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）１１が形成されており、ｐ⁺型分離領域１２及びＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法などによる素子分離絶縁膜１３によって各画素及び付加容量素子Ｃ_Ｓ領域などが区分されている。
ｐ型ウェル１１中にｎ型半導体領域１４が形成され、その表層にｐ⁺型半導体領域１５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。

ｎ型半導体領域１４の端部において、ｐ⁺型半導体領域１５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１１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１６が形成され、さらにこの領域から所定の距離を離間してｐ型ウェル１１の表層に付加容量素子Ｃ_Ｓを構成するｎ⁺型半導体領域１７が形成されている。

ここで、ｎ型半導体領域１４とｎ⁺型半導体領域１６に係る領域において、ｐ型ウェル１１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜１８を介してポリシリコンなどからなるゲート電極１９が形成され、ｎ型半導体領域１４とｎ⁺型半導体領域１６をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル１１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１６とｎ⁺型半導体領域１７に係る領域において、ｐ型ウェル１１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜１８を介してポリシリコンなどからなるゲート電極２０が形成され、ｎ⁺型半導体領域１６とｎ⁺型半導体領域１７をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル１１の表層にチャネル形成領域を有する容量結合トランジスタＳが構成されている。

また、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴ、容量結合トランジスタＳなどを被覆して、酸化シリコンなどからなる絶縁膜２１が形成されており、ｎ⁺型半導体領域１６に達する開口部が形成され、プラグ２２が埋めこまれてその上層に上層配線２３が形成されている。上層配線２３は、例えば不図示の領域において増幅トランジスタＳＦのゲート電極（不図示）に接続されている。
また、不図示の領域においてｎ⁺型半導体領域１７に達する開口部が形成されており、後述のような構成の付加容量素子Ｃ_Ｓに接続する配線が形成されている。
また、転送トランジスタＴのゲート電極１９には駆動ラインφ_Tが接続して設けられており、また、容量結合トランジスタＳのゲート電極２０には駆動ラインφ_Sが接続して設けられている。

上記の他の要素であるリセットトランジスタＲＳ、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_T，φ_S，φ_ＲＳ，φ_X）及び出力ラインＶｏｕｔについては、図１の等価回路図に示す構成となるように、図３（Ａ）に示す半導体基板１０上の不図示の領域において構成されている。

また、図３（Ｂ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各画素の一部（フォトダイオードＰＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ及び隣接画素のフォトダイオードＰＤ）における模式的断面図であり、図２中のＢ−Ｂ’における断面図に相当する。

例えば、ｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）１１に形成されたｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤと、隣接画素におけるｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤの間の領域が素子分離領域となっており、ｐ⁺型分離領域１２及びＳＴＩ型の素子分離絶縁膜１３が形成されている。

素子分離絶縁膜１３の上層において、例えばポリシリコンなどから構成される第１電極３０、容量絶縁膜３１、ポリシリコンなどから構成される第２電極３２が積層されており、付加容量素子Ｃ_Ｓに構成されている。
例えば、上記の付加容量素子Ｃ_Ｓを被覆して、上記の絶縁膜２１が形成されており、上記のｎ⁺型半導体領域１７に接続する配線が、コンタクトなどを介して第１電極３０又は第２電極３２に接続されている。

例えば、付加容量素子は、上記のように絶縁膜を介して１対の電極を対向させてなる構成の他に、半導体基板に形成された不純物拡散層の容量などにより構成されてもよい。

図４（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの２行×２列の４画素分のレイアウト図である。
本実施形態においては、ホワイト画素Ｗの総数が、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数より小さい構成であり、具体的には、ホワイト画素：赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数＝１：３である。
即ち、ホワイト画素（白色画素）Ｗ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）を１組として、実際の受光面においては、図４（Ａ）の構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。
上記のレイアウトにおいては、ホワイト画素Ｗと緑色画素Ｇが対角に配置され、赤色画素Ｒと青色画素Ｂが対角に配置されている。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の変形例であり、図４（Ａ）のレイアウトに対してホワイト画素Ｗと緑色画素Ｇが入れ替えられた構成としてもよい。

図５は、図４（Ａ）に示すレイアウトの４つの画素の組において、図２に示すレイアウトを適用したときのレイアウト図である。
４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）のそれぞれにおいて、フォトダイオードＰＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ、転送トランジスタＴ、容量結合トランジスタＳ、リセットトランジスタＲＳ、増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦ、選択トランジスタＸがそれぞれ配置されている。行方向に隣接する画素間でリセットトランジスタＲＳと選択トランジスタＸに接続する電源電圧ＶＲのコンタクトが共有されている。

次に、上記の構成の画素をアレイ状に集積したＣＭＯＳイメージセンサ全体の回路構成について説明する。
図６は本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの全体の回路構成を示す等価回路図である。
受光面において複数個の画素がアレイ状に配置されている。図面上は代表して図４（Ａ）及び図５に示す４個の画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）の組を示しており、この構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。
各画素ＰＸには行シフトレジスタＳＲ^Vで制御された駆動ライン（φ_T，φ_S，φ_ＲＳ，φ_X）と、電源電圧ＶＲ及びグラウンドＧＮＤなどが接続されている。
各画素は列シフトレジスタＳＲ^H及び駆動ライン（φ_S1+N1，φ_N1，φ_S1'+S2'+N2，φ_N2）で制御されて、後述のようにして、各画素から、駆動ラインφ_XCLRによってメモリをクリア可能に構成されたアナログメモリＡＭを経て、飽和前電荷信号（Ｓ₁）＋Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）、Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）、変調された飽和前電荷信号（Ｓ_１’）＋変調された過飽和電荷信号（Ｓ₂’）＋Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）及びＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）の各信号がそれぞれのタイミングで各出力ラインに出力される。

図７は上記の構成の画素におけるフォトダイオードＰＤ、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、容量結合トランジスタＳ及び付加容量素子Ｃ_Ｓに相当する模式的なポテンシャル図である。
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及び付加容量素子Ｃ_Ｓは相対的に深いポテンシャルの容量（Ｃ_ＦＤ、Ｃ_Ｓ）を構成する。

ここで、転送トランジスタＴ及び容量結合トランジスタＳは、φ_Tとφ_Sによるトランジスタのｏｎ／ｏｆｆに応じて２準位を取りうる。
例えば、転送トランジスタＴのｏｆｆ電位としては、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤへのオーバーフローを考慮して、半導体基板に印加される電圧に対して所定の電圧α_１を印加する。また、例えば、容量結合トランジスタＳのｏｆｆ電位としては、所定の電圧α_２（＝０Ｖ）を印加する。あるいは、α_１とα_２は同じ電圧を印加して同じ高さのポテンシャルとしてもよい。

図１の等価回路図と図７のポテンシャル図により本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの駆動方法について説明する。
図８は、駆動ライン（φ_Ｘ，φ_Ｔ，φ_Ｓ，φ_Ｒ，φ_ＸＣＬＲ）に印加する電圧を、ｏｎ／ｏｆｆの２準位、φ_Ｔについてはさらに（＋α）で示す準位を加えた３準位で示したタイミングチャートである。
駆動ラインφ_Ｔに印加する電圧はｏｎ／（＋α）の２準位でもよいが、本例の如く３準位とした方がフローティングディフュージョンＦＤにおける最大信号電圧を大きく取ることができる。φ_Ｔを２準位で駆動する場合、図７中のｏｆｆ準位を（＋α）準位とすればよい。

また、図９（Ａ）〜（Ｃ）および図１０（Ｄ）〜（Ｆ）はタイミングチャートの各タイミングにおけるポテンシャル図に相当する。

まず、１つのフィールド（１Ｆ）の始まりにおいて、φ_Ｘ，φ_Ｓをｏｎとした状態でφ_Ｔ，φ_Ｒをｏｎとして、前フィールドで生じた光電荷を全て排出してリセットし、時刻Ｔ_１においてφ_Ｔ，φ_Ｒをｏｆｆとする。但し、φ_Ｔについては、その後に（＋α）準位とする。また、φ_Ｔを（＋α）準位とするときに、φ_Ｘをｏｆｆとすると共にφ_ＸＣＬＲをｏｎとする。
このとき、図９（Ａ）に示すように、φ_ＳがｏｎとなっているのでＣ_ＦＤとＣ_Ｓが結合した状態となっており、リセット直後にはリセット動作に伴ういわゆるｋＴＣノイズがＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓに発生する。ここで、φ_Ｎ２をｏｎとして、このＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓのリセットレベルの信号をノイズＮ_２として読み出す。

次に、φ_Ｒがｏｆｆに変化（Ｔ_１）することで開始される蓄積時間の間、フォトダイオードＰＤにおいて生成される光電荷を蓄積する。このとき、φ_Ｔについては（＋α）準位としてＣ_ＰＤとＣ_ＦＤ間の障壁をわずかに下げておく。
電荷の蓄積が開始すると、光電荷はまずＣ_ＰＤに蓄積していき、光電子がＣ_ＰＤを飽和させる量以上である場合には、図９（Ｂ）に示すように、φ_Ｔを（＋α）準位としてわずかに下げられた障壁を乗り越えて光電荷がＣ_ＰＤから溢れ、この画素のＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓに選択的に蓄積されていく。
このようにして、光電子がフォトダイオードＰＤを飽和させる量以下である場合にはＣ_ＰＤのみに光電荷が蓄積し、光電子がフォトダイオードＰＤを飽和させる量以上である場合にはＣ_ＰＤに加えてＣ_ＦＤとＣ_Ｓにも光電荷が蓄積する。
図９（Ｂ）は、Ｃ_ＰＤが飽和しており、Ｃ_ＰＤに飽和前電荷Ｑ_Ｂが蓄積し、Ｃ_ＦＤとＣ_Ｓに過飽和電荷Ｑ_Ａが蓄積している状態を示す。

次に、φ_Ｔを（＋α）準位からｏｆｆに戻し、さらに時刻Ｔ_２において、φ_Ｓをｏｆｆとして、図９（Ｃ）に示すように、Ｃ_ＦＤとＣ_Ｓのポテンシャルを分割する。φ_Ｔをｏｆｆする際、同時に、φ_Ｘをｏｎとすると共にφ_ＸＣＬＲをｏｆｆとする。このとき、過飽和電荷Ｑ_ＡがＣ_ＦＤとＣ_Ｓの容量比に応じて、Ｑ_Ａ１とＱ_Ａ２に分割される。ここで、φ_Ｎ１をｏｎとして、過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ１を保持しているＣ_ＦＤのレベルの信号をノイズＮ_１として読み出す。

次に、φ_Ｔをｏｎとして、図１０（Ｄ）に示すように、Ｃ_ＰＤ中の飽和前電荷Ｑ_ＢをＣ_ＦＤに転送し、元からＣ_ＦＤに保持されていた過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ１と混合する。
ここで、Ｃ_ＰＤのポテンシャルがＣ_ＦＤよりも浅く、転送トランジスタの準位がＣ_ＰＤより深くなっているので、Ｃ_ＰＤ中にあった飽和前電荷Ｑ_Ｂを全てＣ_ＦＤに転送する完全電荷転送を実現できる。
次に、時刻Ｔ_３においてφ_Ｔをｏｆｆに戻し、φ_{Ｓ１＋Ｎ１}をｏｎとして、Ｃ_ＦＤに転送された飽和前電荷Ｑ_Ｂから飽和前電荷信号Ｓ_１を読み出す。但し、Ｃ_ＦＤには飽和前電荷Ｑ_Ｂと過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ１の和の電荷が存在しており、実際に読みだされるのはＳ_１＋Ｎ_１となる。図１０（Ｄ）は、φ_Ｔをｏｆｆに戻す前の状態を示している。

次に、φ_Ｓ，φ_ＴをｏｎとすることでＣ_ＦＤとＣ_Ｓのポテンシャルを結合させ、図１０（Ｅ）に示すように、Ｃ_ＦＤ中の飽和前電荷Ｑ_Ｂと過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ１の和の電荷と、Ｃ_Ｓ中の過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ２を混合する。過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ１と過飽和電荷の一部Ｑ_Ａ２との和は分割前の過飽和電荷Ｑ_Ａに相当するので、Ｃ_ＦＤとＣ_Ｓの結合したポテンシャル中に飽和前電荷Ｑ_Ｂと過飽和電荷Ｑ_Ａの和の信号が保持された状態となる。
ここで、時刻Ｔ_４においてφ_Ｔをｏｆｆに戻し、φ_{Ｓ１’＋Ｓ２’＋Ｎ２}をｏｎとして、Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓに広がる飽和前電荷Ｑ_Ｂ＋過飽和電荷Ｑ_Ａから飽和前電荷信号Ｓ_１と過飽和電荷信号Ｓ_２の和の信号を読み出す。但し、ここではＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズが乗っており、さらにＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓに広がった電荷から読み取っていることから、実際に読みだされるのはＳ_１’＋Ｓ_２’＋Ｎ_２（Ｓ_１’とＳ_２’はそれぞれＣ_ＦＤとＣ_Ｓの容量比率によって縮小変調されたＳ_１とＳ_２の値）となる。図１０（Ｅ）は、φ_Ｔをｏｆｆに戻す前の状態を示している。

以上で１つのフィールド（１Ｆ）が終了し、次のフィールドに移って、φ_Ｓをｏｎとした状態でφ_Ｔ，φ_Ｒをｏｎとして、図１０（Ｆ）に示すように、前のフィールドで生じた光電荷を全て排出してリセットする。

上記のようにして、Ｃ_ＰＤに蓄積されていた光電荷ＱがＣ_ＦＤを超えた場合、超えていない場合のいずれの場合にも、飽和前電荷信号（Ｓ₁）＋Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）、Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）、変調された飽和前電荷信号（Ｓ_１’）＋変調された過飽和電荷信号（Ｓ₂’）＋Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）及びＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）の各信号が読み出され、各信号から、以下のようにして当該画素の出力を得る。

即ち、上記の出力から、飽和前電荷信号（Ｓ₁）＋Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）とＣ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）を差動アンプなどに入力し、差分を取ることでＣ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）をキャンセルし、飽和前電荷信号（Ｓ₁）を得る。
一方、変調された飽和前電荷信号（Ｓ₁’）＋変調された過飽和電荷信号（Ｓ₂’）＋Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）とＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）を差動アンプなどに入力し、差分を取ってＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）をキャンセルし、さらにアンプなどによりＣ_ＦＤとＣ_Ｓの容量比率によって復元し、飽和前電荷信号（Ｓ₁）と同じゲインに調整することで、飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和（Ｓ₁＋Ｓ₂）を得る。

上記の変調された飽和前電荷信号（Ｓ₁’）＋変調された過飽和電荷信号（Ｓ₂’）の復元について説明する。
Ｓ₁’、Ｓ₂’、α（Ｃ_ＦＤからＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓへの電荷分配比）は以下の数式により表される。

［数１］
Ｓ₁’＝Ｓ₁×α （１）
Ｓ₂’＝Ｓ₂×α （２）
α＝Ｃ_ＦＤ／（Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓ） （３）

従って、Ｃ_ＦＤとＣ_Ｓの値から上記式（３）よりαを求め、それを上記式（１）及び（２）に代入することで、Ｓ₁＋Ｓ₂に復元し、別途取得されたＳ₁と同じゲインに調整することができる。

次に、上記のように得られたＳ₁とＳ₁＋Ｓ₂のどちらか一方を選択して最終的な出力とする。
ここでは、例えば、第１信号（飽和前電荷信号Ｓ₁）が、フローティングディフュージョンＣ_ＦＤの飽和信号以下である場合には、この第１信号を当該画素の出力とし、また、第１信号（飽和前電荷信号Ｓ₁）が、フローティングディフュージョンＣ_ＦＤの飽和信号を超えた場合には第２信号（飽和前電荷信号Ｓ₁＋過飽和電荷信号Ｓ₂）を前記画素の出力とする。
上記のような第１信号（飽和前電荷信号Ｓ₁）と第２信号（飽和前電荷信号Ｓ₁＋過飽和電荷信号Ｓ₂）の選択は、例えば基準電位を設定したコンパレータなどにＳ₁を入力し、その比較結果によってセレクタなどでＳ₁とＳ₁＋Ｓ₂のいずれかを選択して出力する。

上記の構成のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、Ｓ₁とＳ₁＋Ｓ₂のいずれかの出力までをＣＭＯＳイメージセンサチップ上に形成してもよく、あるいは飽和前電荷信号（Ｓ₁）＋Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）、Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）、変調された飽和前電荷信号（Ｓ_１’）＋変調された過飽和電荷信号（Ｓ₂’）＋Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）及びＣ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓノイズ（Ｎ₂）の各信号の出力までをＣＭＯＳイメージセンサチップ上に形成して差動アンプなどの回路をチップ外に配置するようにしてもよい。

上記のようにフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃ_ＦＤがフォトダイオードＰＤの容量Ｃ_ＰＤよりも小さい（Ｃ_ＦＤ＜Ｃ_ＰＤ）場合、容量の小さいＣ_ＦＤのみの信号による第１信号（飽和前電荷信号Ｓ₁）を得ることで、低照度領域の信号の高感度化及び高Ｓ／Ｎ比化を実現でき、さらに、フローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃ_ＦＤと付加容量素子の容量Ｃ_Ｓの和が、フォトダイオードＰＤの容量Ｃ_ＰＤ以上である（Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓ≧Ｃ_ＰＤ）場合、第２信号（飽和前電荷信号Ｓ₁＋過飽和電荷信号Ｓ₂）を得ることで、上記の低照度領域のみならず、フォトダイオードＰＤの容量Ｃ_ＰＤの飽和量に相当する高照度領域まで高感度に信号を得ることができ、広ダイナミックレンジ化を実現できる。

特に、フローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃ_ＦＤが、付加容量素子の容量Ｃ_Ｓより小さい（Ｃ_ＦＤ＜Ｃ_Ｓ）とすることで、低照度領域の感度をさらに高めることができる。
例えば、電子一個を検出できるようにＣ_ＦＤを０．４ｆＦと設定し、Ｃ_ＦＤ：Ｃ_Ｓを１：７と設定することで、Ｃ_ＰＤが３〜４ｆＦ程度の領域まで照度領域で高感度な信号を得ることができる。

図１１は、上記の白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素を有するＣＭＯＳイメージセンサにおける各色の画素において、照度の対数（横軸）に対して信号電荷数の対数（縦軸）を示した出力特性であり、Ｒは赤フィルタを設けた赤色画素、Ｇは緑フィルタを設けた緑色画素、Ｂは青フィルタを設けた青色画素、Ｗはホワイト画素の出力特性である。
Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｗの各色の画素における出力特性は、それぞれ同じ傾きの直線となり、信号電化数が一定の値で飽和する。

本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素に付加容量素子が設けられてダイナミックレンジの拡大が図られており、いずれの色の画素においても、電荷信号数の飽和量は付加容量素子が設けられていない場合よりも多くなっている。
上記のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、輝度情報のダイナミックレンジＤＲは、ホワイト画素のフロアノイズレベルＦＮから飽和レベルまでとなり、図１１の場合は１００ｄＢ程度となり、従来の８０ｄＢよりもダイナミックレンジが拡大されている。

図１２は、上記の本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素から得られる信号から、画像データを加工し、カラー画像を再生するまでのフローを示す模式図である。
まず、第１ステップＳＴ１において、上述の構成の白色画素Ｗ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの各画素において光を受光して各画素の画素信号を得る。
次に、第２ステップＳＴ２として、各画素信号の色補間を行い、暫定輝度信号（Ｗ）と暫定カラー信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を得る。
次に、第３ステップＳＴ３として、上記のＷＲＧＢ信号をＹＣｂＣｒ信号に変換する。具体的には、暫定輝度信号Ｗを輝度信号Ｙに変換し、暫定カラー信号ＲＧＢをカラー信号ＣｂＣｒに変換する。
次に、第４ステップＳＴ４として、輝度信号Ｙのエッジ強調などのデータ処理を行う。
一方、第５ステップＳＴ５として、カラー信号ＣｂＣｒの色調整などのデータ処理を行う。
上記のようにして、輝度信号Ｙとカラー信号ＣｂＣｒからなる画像データが得られる。

次に、画像データを再生装置において再生するには、第６ステップＳＴ６として、輝度信号Ｙとカラー信号ＣｂＣｒからなる画像データをＲＧＢデータに変換する。
次に、第７ステップＳＴ７として、得られたＲＧＢデータを再生装置に入力し、カラー画像を得ることができる。

本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサは、カラーフィルタを有さないホワイト画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とを有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

第２実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さないホワイト画素（白色画素）と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。
本実施形態においては、ホワイト画素を構成する付加容量素子が、赤色画素、緑色画素及び青色画素を構成する付加容量素子よりも大きい構成となっている。
上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。

本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、以下のような構成を有して、ホワイト画素を構成する付加容量素子が、赤色画素、緑色画素及び青色画素を構成する付加容量素子よりも大きい構成となっている。
図１３は、ホワイト画素Ｗ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）の組が２行×２列に配置されているときのレイアウト図であり、実際の受光面においては、この４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。

４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）のそれぞれにおいて、フォトダイオードＰＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ（Ｃ_Ｓａ）、転送トランジスタＴ、容量結合トランジスタＳ、リセットトランジスタＲＳ、増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦ、選択トランジスタＸがそれぞれ配置されている。行方向に隣接する画素間でリセットトランジスタＲＳと選択トランジスタＸに接続する電源電圧ＶＲのコンタクトが共有されている。
但し、ホワイト画素Ｗ（ＰＸ３）においては、付加容量素子Ｃ_Ｓａは、他の画素（ＰＸ１，ＰＸ２，ＰＸ４）の付加容量素子Ｃ_Ｓより大きい構成である。

図１４（Ａ）は図１３中のＡ−Ａ’における断面図に相当する。
例えば、ｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）１１に形成されたｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤと、隣接画素におけるｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤの間の領域が素子分離領域となっており、ｐ⁺型分離領域１２及びＳＴＩ型の素子分離絶縁膜１３が形成されている。

素子分離絶縁膜１３の上層において、例えばポリシリコンなどから構成される第１電極３０、容量絶縁膜３１、ポリシリコンなどから構成される第２電極３２が積層されており、付加容量素子Ｃ_Ｓが構成されている。
例えば、上記の付加容量素子Ｃ_Ｓを被覆して、上記の絶縁膜２１が形成されており、上記のｎ⁺型半導体領域１７に接続する配線が、コンタクトなどを介して第１電極３０または第２電極３２に接続されている。

また、図１４（Ｂ）は図１３中のＢ−Ｂ’における断面図に相当する。
例えば、ｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）１１に形成されたｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤと、隣接画素におけるｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤの間の領域が素子分離領域となっており、ｐ⁺型分離領域１２が形成されている。

ｐ⁺型分離領域１２の上層において、ゲート絶縁膜１８を構成する絶縁膜を介して、例えばポリシリコンなどから構成される第１電極３０、容量絶縁膜３１、ポリシリコンなどから構成される第２電極３２が積層されている。ここで、例えば、第２電極３２はｐ⁺型分離領域１２に接続されている構成となっており、ｐ⁺型分離領域１２と第１電極３０の間の静電容量及び第１電極３０と第２電極３２の間の静電容量の和の容量を有する付加容量素子Ｃ_Ｓａが構成されている。例えば、第１電極３０と第２電極３２の間の静電容量が４ｆＦ／μｍ^２である場合、ｐ⁺型分離領域１２と第１電極３０の間の静電容量及び第１電極３０と第２電極３２の間の静電容量の和の容量は８ｆＦ／μｍ^２となり、容量を倍にすることが可能である。
例えば、上記の構成の付加容量素子Ｃ_Ｓａを被覆して、上記の絶縁膜２１が形成されており、上記のｎ⁺型半導体領域１７に接続する配線が、コンタクトなどを介して第１電極３０に接続されている。

また、第１電極と第２電極の対向する面を粗面化して対向する面積を拡大さえて容量を増大させる方法や、容量素子の形状をフィン型やクラウン型などの立体的な形状を有する素子とすることで、容量が付加容量素子Ｃ_Ｓより大きい付加容量素子Ｃ_Ｓａを実現できる。

あるいは、以下のような構成を有して、ホワイト画素を構成する付加容量素子が、赤色画素、緑色画素及び青色画素を構成する付加容量素子よりも大きい構成となっている。
図１５は、ホワイト画素Ｗ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）の組が２行×２列に配置されているときのレイアウト図であり、実際の受光面においては、この４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。

４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）のそれぞれにおいて、フォトダイオードＰＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ（Ｃ_Ｓａ）、転送トランジスタＴ、容量結合トランジスタＳ、リセットトランジスタＲＳ、増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦ、選択トランジスタＸがそれぞれ配置されている。行方向に隣接する画素間でリセットトランジスタＲＳと選択トランジスタＸに接続する電源電圧ＶＲのコンタクトが共有されている。
但し、ホワイト画素Ｗ（ＰＸ３）においては、付加容量素子Ｃ_Ｓａは、他の画素（ＰＸ１，ＰＸ２，ＰＸ４）の付加容量素子Ｃ_Ｓより大きい構成である。

図１５に示すＣＭＯＳイメージセンサにおいては、付加容量素子Ｃ_Ｓａは、ホワイト画素の実質開口率が小さくならない範囲で、付加容量素子Ｃ_Ｓより大きな面積で形成されており、これにより、付加容量素子Ｃ_Ｓより大きな容量を有する付加容量素子Ｃ_Ｓａを実現している。この場合、容量の占有する面積に比例して容量を拡大することが可能である。

ここで、付加容量素子Ｃ_Ｓａは付加容量素子Ｃ_Ｓに比べてフォトダイオードＰＤ側に張り出して形成されており、図１５に示すＣＭＯＳイメージセンサにおいて得られる画像データの並進対称性を劣化させないために、ホワイト画素Ｗを構成するフォトダイオードＰＤの付加容量素子Ｃ_Ｓａと反対側の端部からもフォトダイオードＰＤの面積を狭める必要がある。
図１５においては、上記のフォトダイオードＰＤの付加容量素子Ｃ_Ｓａと反対側の端部にｐ型ウェルコンタクトＣＴ_ＰＷを設けて、画素内の面積の有効利用を図っている。

図１６は図１５中のＡ−Ａ’における断面図に相当する。
例えば、ｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）１１に形成されたｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤと、隣接画素におけるｎ型半導体領域１４とｐ⁺型半導体領域１５を有するフォトダイオードＰＤの間の領域が素子分離領域となっており、ｐ⁺型分離領域１２及びＳＴＩ型の素子分離絶縁膜１３が形成されている。

素子分離絶縁膜１３の上層において、例えばポリシリコンなどから構成される第１電極３０、容量絶縁膜３１、ポリシリコンなどから構成される第２電極３２が積層されており、付加容量素子Ｃ_Ｓに構成されている。
例えば、上記の付加容量素子Ｃ_Ｓを被覆して、上記の絶縁膜２１が形成されており、上記のｎ⁺型半導体領域１７に接続する配線が、コンタクトなどを介して第１電極３０または第２電極３２に接続されている。

ホワイト画素Ｗを構成するフォトダイオードＰＤの付加容量素子Ｃ_Ｓａと反対側の端部においては、ｐ⁺型分離領域１２が基板表面にまで伸びて形成されている領域が設けられ、ｐ⁺型分離領域１２に達する開口部が形成され、配線３３が形成されて、ｐ型ウェルコンタクトＣＴ_ＰＷが形成されている。このようにｐ型ウェルコンタクトＣＴ_ＰＷとなる領域が設けられることにより、フォトダイオードＰＤの付加容量素子Ｃ_Ｓａと反対側の端部からフォトダイオードＰＤの面積が狭められている。

上記のように付加容量素子Ｃ_ＳａがフォトダイオードＰＤ側に張り出した構成とする場合、フォトダイオードＰＤに入射する光量が低下してしまうことが考えられるが、オンチップレンズを有する構成の画素において、一定の光を入射させたときにフォトダイオードにおいて得られる信号の大きさに相当する量子効率は、フォトダイオードに対する配線の開口率を変えると、開口率が４０％以上で一定となる傾向にある。従って、図１５にように付加容量素子Ｃ_ＳａがフォトダイオードＰＤ側に張り出した構成においても、オンチップレンズの調整などにより、入射光量の低下並びに得られる信号の低下が生じないようにすることができる。

図１７は、上記の白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素を有するＣＭＯＳイメージセンサにおける各色の画素において、照度の対数（横軸）に対して信号電荷数の対数（縦軸）を示した出力特性であり、Ｒは赤フィルタを設けた赤色画素、Ｇは緑フィルタを設けた緑色画素、Ｂは青フィルタを設けた青色画素、Ｗはホワイト画素の出力特性である。
Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｗの各色の画素における出力特性は、それぞれ同じ傾きの直線となり、信号電化数が一定の値で飽和する。

本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素において付加容量素子が設けられてダイナミックレンジの拡大が図られており、いずれの色の画素においても、電荷信号数の飽和量は付加容量素子が設けられていない場合よりも多くなっている。特に、ホワイト画素の付加容量素子が他の画素の付加容量素子より大きく形成されているので、ホワイト画素の電荷信号数の飽和量はさらに多くなっている。
従って、輝度情報のダイナミックレンジＤＲは、第１実施形態よりさらに拡大し、図１７の場合は１０６ｄＢ程度となる。

上記においては、ホワイト画素のみ付加容量素子の容量を増加させたが、感度の違いにより各色画素で付加容量素子の容量を最適化してもよい。例えば、環境光の色温度に大きく依存するが、赤色画素は小さめ、緑色画素は大きめにするとよい。

本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサは、カラーフィルタを有さないホワイト画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とを有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

第３実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さないホワイト画素（白色画素）と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。
本実施形態においては、ホワイト画素Ｗの総数が、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数以上である。
上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。

図１８（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの一例の４行×４列の１６画素分のレイアウト図である。
ここでは、ホワイト画素の総数：赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数＝３：１である。
即ち、赤色画素Ｒである画素ＰＸ１ａとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ａ〜ＰＸ４ａ）の組、緑色画素Ｇである画素ＰＸ１ｂとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ｂ〜ＰＸ４ｂ）の組、緑色画素Ｇである画素ＰＸ１ｃとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ｃ〜ＰＸ４ｃ）の組、青色画素Ｂである画素ＰＸ１ｄとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ｄ〜ＰＸ４ｄ）の組が行方向に２組、列方向に２組並べられ、４行×４列の１６画素に配置されており、上記の４行×４列の１６画素を１組として、実際の受光面においては、図１８（Ａ）の構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。

図１８（Ｂ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの他の例の４行×４列の１６画素分のレイアウト図である。
ここでは、ホワイト画素の総数：赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数＝１：１である。
即ち、赤色画素Ｒである画素ＰＸ１ａとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ａ，ＰＸ３ａ）と緑色画素Ｇである画素ＰＸ４ａの組、青色画素Ｂである画素ＰＸ１ｂとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ｂ，ＰＸ３ｂ）と緑色画素Ｇである画素ＰＸ４ｂの組、青色画素Ｂである画素ＰＸ１ｃとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ｃ，ＰＸ３ｃ）と緑色画素Ｇである画素ＰＸ４ｃ、赤色画素Ｒである画素ＰＸ１ｄとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ｄ，ＰＸ３ｄ）と緑色画素Ｇである画素ＰＸ４ｄの組が行方向に２組、列方向に２組並べられ、４行×４列の１６画素に配置されており、上記の４行×４列の１６画素を１組として、実際の受光面においては、図１８（Ｂ）の構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。

図１９（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの一例の２行×６列の１２画素分のレイアウト図である。
ここでは、ホワイト画素の総数：赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数＝１：１である。
即ち、赤色画素Ｒである画素ＰＸ１ａとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ａ，ＰＸ３ａ）と青色画素Ｂである画素ＰＸ４ａの組、緑色画素Ｇである画素ＰＸ１ｂとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ｂ，ＰＸ３ｂ）と赤色画素Ｒである画素ＰＸ４ｂの組、青色画素Ｂである画素ＰＸ１ｃとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ２ｃ，ＰＸ３ｃ）と緑色画素Ｇである画素ＰＸ４ｃの組が行方向に３組並べられ、２行×６列の１２画素に配置されており、上記の２行×６列の１２画素を１組として、実際の受光面においては、図１９（Ａ）の構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。

図１９（Ｂ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの一例の４行×６列の２４画素分のレイアウト図である。
ここでは、ホワイト画素の総数：赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数＝３：１である。
即ち、赤色画素Ｒである画素ＰＸ１ａとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ａ〜ＰＸ４ａ）の組、緑色画素Ｇである画素ＰＸ１ｂとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ｂ〜ＰＸ４ｂ）の組、青色画素Ｂである画素ＰＸ１ｃとホワイト画素Ｗである３画素（ＰＸ２ｃ〜ＰＸ４ｃ）の組、ホワイト画素Ｗである画素ＰＸ１ｄと青色画素Ｂである画素ＰＸ２ｄとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ３ｄ，ＰＸ４ｄ）の組、ホワイト画素Ｗである画素ＰＸ１ｅと赤色画素Ｒである画素ＰＸ２ｅとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ３ｅ，ＰＸ４ｅ）の組、ホワイト画素Ｗである画素ＰＸ１ｆと緑色画素Ｇである画素ＰＸ２ｆとホワイト画素Ｗである２画素（ＰＸ３ｆ，ＰＸ４ｆ）の組が行方向に２組、列方向に３組並べられ、４行×６列の２４画素に配置されており、上記の４行×６列の２４画素を１組として、実際の受光面においては、図１９（Ｂ）の構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。

本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、第１実施形態と同様に各画素において得られる画素信号から、上記の各レイアウトに応じて、適宜用いる画素の信号を選択して、輝度信号Ｙとカラー信号ＣｂＣｒからなる画像データを得ることができる。

本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサは、カラーフィルタを有さないホワイト画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とを有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

第４実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さないホワイト画素（白色画素）と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。
本実施形態においては、ホワイト画素Ｗの総数が、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数以上であり、さらに、ホワイト画素を構成する付加容量素子が、赤色画素、緑色画素及び青色画素を構成する付加容量素子よりも大きい構成となっている。
上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。

図２０は、本実施形態に係る４つの画素の組のレイアウト図である。
第３実施形態に係る図１８（Ａ）に示すレイアウトにおいて、ホワイト画素を構成する付加容量素子が、赤色画素、緑色画素及び青色画素を構成する付加容量素子よりも大きい構成としたものに相当する。

４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）のそれぞれにおいて、フォトダイオードＰＤ、付加容量素子Ｃ_Ｓ、転送トランジスタＴ、容量結合トランジスタＳ、リセットトランジスタＲＳ、増幅トランジスタ（ソースフォロワ）ＳＦ、選択トランジスタＸがそれぞれ配置されている。行方向に隣接する画素間でリセットトランジスタＲＳと選択トランジスタＸに接続する電源電圧ＶＲのコンタクトが共有されている。

ここで、図１８（Ａ）のレイアウトに対応して、画素ＰＸ１が、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂのいずれかとなり、画素（ＰＸ２〜ＰＸ４）がホワイト画素である。
ここで、ホワイト画素を構成する付加容量素子Ｃ_Ｓａは、付加容量素子Ｃ_Ｓより大きな面積で形成されており、これにより、付加容量素子Ｃ_Ｓより大きな容量を有する付加容量素子Ｃ_Ｓａを実現している。この場合、容量の占有する面積に比例して容量を拡大することが可能である。
ここで、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂのいずれかとなる画素ＰＸ１においては、付加容量素子Ｃ_Ｓの面積が小さく形成されており、これにより画素ＰＸ１内にｐ型ウェルコンタクトＣＴ_ＰＷを設けることが可能となっている。

本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサは、カラーフィルタを有さないホワイト画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とを有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

第５実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さないホワイト画素（白色画素）と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。
本実施形態においては、カラーフィルタを有さないホワイト画素のみにフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、赤色画素、緑色画素及び青色画素は付加容量素子が設けられていない構成である。

図２１（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの２行×２列の４画素分のレイアウト図であり、第１実施形態の図４（Ａ）と同様である。

図２１（Ｂ）は、本実施形態に係る４つの画素の組のレイアウト図である。
ホワイト画素Ｗ（ＰＸ３）のみにフローティングディフュージョンＦＤと容量分割可能な付加容量素子Ｃ_Ｓが設けられてダイナミックレンジの拡大が図られており、赤色画素Ｒである画素ＰＸ１、緑色画素Ｇである画素ＰＸ２及び青色画素Ｂである画素ＰＸ４は付加容量素子が設けられていない構成である。
これに伴い、画素ＰＸ１、画素ＰＸ２及び画素ＰＸ４においては、フローティングディフュージョンＦＤと付加容量素子Ｃ_Ｓを容量分割するための容量結合トランジスタＳを省略してもよい。

ここで、並進対称性を劣化させないために、ホワイト画素Ｗとなる画素ＰＸ３を構成するフォトダイオードＰＤの付加容量素子Ｃ_Ｓと反対側の端部からもフォトダイオードＰＤの面積を狭め、ｐ型ウェルコンタクトＣＴ_ＰＷが設けられている。

図２２（Ａ）はホワイト画素Ｗとなる画素ＰＸ３の等価回路図であり、第１実施形態に係る図１の等価回路図と同様である。
一方、図２２（Ｂ）は赤色画素Ｒである画素ＰＸ１、緑色画素Ｇである画素ＰＸ２及び青色画素Ｂである画素ＰＸ４の等価回路図である。図２２（Ａ）に対して、付加容量素子Ｃ_Ｓが省略されている。容量結合トランジスタＳも省略された構成としてもよい。

上記のカラーフィルタを有さないホワイト画素のみにフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、赤色画素、緑色画素及び青色画素は付加容量素子が設けられていない構成においては、ホワイト画素と、赤色画素、緑色画素又は青色画素との間で、フローティングディフュージョンが共有された構成とすることが可能である。

図２３は、ホワイト画素と、赤色画素、緑色画素又は青色画素との間で、フローティングディフュージョンが共有された構成におけるホワイト画素と、赤色画素、緑色画素又は青色画素の等価回路図である。
ホワイト画素のフォトダイオードＰＤ１が転送トランジスタＴ１を介して、赤色画素、緑色画素又は青色画素のフォトダイオードＰＤ２が転送トランジスタＴ２を介して、共通のフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。これにより、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２のいずれから転送された信号電荷も共通の増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＸを用いて読み出すことが可能である。

図２３においては、フォトダイオードＰＤ１は横型オーバーフロードレインＬＯ１を介して付加容量素子Ｃ_Ｓに接続されてフォトダイオードＰＤ１を溢れた信号電荷は付加容量素子Ｃ_Ｓに蓄積される。一方、フォトダイオードＰＤ２から溢れた信号電荷は、横型オーバーフロードレインＬＯ２を介して電源電圧ＶＲの配線に掃き捨てられる。横型オーバーフロードレインＬＯ１と横型オーバーフロードレインＬＯ２は、いずれも一定の電位が印加されて電位障壁を形成する。

図２４は、図２３の等価回路図に対応する画素のレイアウト図である。
例えば、破線ＰＸＳで示す領域内において、ホワイト画素Ｗと緑色画素Ｇとの間で、フローティングディフュージョンが共有された構成であり、ホワイト画素のフォトダイオードＰＤ１が転送トランジスタＴ１を介して、緑色画素ＧのフォトダイオードＰＤ２が転送トランジスタＴ２を介して、共通のフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。
フォトダイオードＰＤ１は横型オーバーフロードレインＬＯ１を介して付加容量素子Ｃ_Ｓに接続されている。一方、フォトダイオードＰＤ２は、横型オーバーフロードレインＬＯ２を介して電源電圧ＶＲの配線に接続されている。
フローティングディフュージョンＦＤからの増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＸを用いた読み出しと、フローティングディフュージョンＦＤと付加容量素子Ｃ_Ｓの容量結合トランジスタＳによる容量結合は、第１実施形態と同様の構成である。

図２５（Ａ）は上記のフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられたホワイト画素から信号を読み出すときの駆動ライン（φ_Ｘ，φ_T１，φ_T２，φ_S，φ_ＲＳ）に印加する電圧と、横型オーバーフロードレインＬＯ１と横型オーバーフロードレインＬＯ２の印加電圧（φ_ＬＯ１，φ_ＬＯ２）のタイミングチャートである。
φ_T２を常にｏｆｆ順位とすることで、実質的に第１実施形態の駆動方法と同様にして行うことができる。φ_ＬＯ１，φ_ＬＯ２には、常時所定の電圧を印加する。

図２５（Ｂ）は上記の付加容量素子が設けられていない赤色画素、緑色画素又は青色画素から信号を読み出すときの駆動ライン（φ_Ｘ，φ_T１，φ_T２，φ_S，φ_ＲＳ）に印加する電圧と、横型オーバーフロードレインＬＯ１と横型オーバーフロードレインＬＯ２の印加電圧（φ_ＬＯ１，φ_ＬＯ２）のタイミングチャートである。
φ_T１を常にｏｆｆ順位とし、飽和前電荷信号（Ｓ₁）＋Ｃ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）及びＣ_ＦＤノイズ（Ｎ₁）のみを読み出すことで、実質的に第１実施形態の駆動方法と同様にして行うことができる。φ_ＬＯ１，φ_ＬＯ２には、常時所定の電圧を印加する。

本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサは、カラーフィルタを有さないホワイト画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とを有するイメージセンサにおいて、ホワイト画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

第６実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さないホワイト画素（白色画素）と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。
本実施形態においては、受光面が中央部と周辺部に区分されており、周辺部における全画素に対するホワイト画素の割合が、中央部における全画素に対するホワイト画素の割合よりも高い構成である。
上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。

図２６（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの一例のレイアウト図である。
受光面が中央部ＡＲ１と周辺部ＡＲ２に区分されており、中央部ＡＲ１においては図１８（Ｂ）のレイアウトと同様に画素が配置されており、一方周辺部ＡＲ２においては図１８（Ａ）のレイアウトと同様に画素が配置されている。
これにより、周辺部における全画素に対するホワイト画素の割合が、中央部における全画素に対するホワイト画素の割合よりも高い構成となっている。

図２６（Ｂ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの他の例のレイアウト図である。
受光面が中央部ＡＲ１と周辺部ＡＲ２に区分されており、中央部ＡＲ１においては図１９（Ａ）のレイアウトと同様に画素が配置されており、一方周辺部ＡＲ２においては図１９（Ｂ）のレイアウトと同様に画素が配置されている。
これにより、周辺部における全画素に対するホワイト画素の割合が、中央部における全画素に対するホワイト画素の割合よりも高い構成となっている。

人間の網膜には杆体と錐体という２つの感度・入射光領域の異なる検出部が空間的にその密度を変化させて配置されている。網膜の明るい場所で働き、明所視をつかさどる錐体は中心窩に多く存在しており、その密度は中心窩から離れると速やかに減少する。一方、杆体は中心窩を取り巻くように網膜周辺部に多く存在し、暗い場所で働き、暗所視をつかさどる。

従来のイメージセンサの画素において、高感度化の方法は提案されてきたが、低照度領域にダイナミックレンジをシフトするのみであり、飽和電荷量がフォトダイオード容量あるいはフローティングディフュージョン容量で制限されるため、人間の眼の杆体の役割を果たす画素（感受部）の実現は困難であった。
この点において、付加容量素子を有するホワイト画素は杆体の役割を果たす可能性を示唆する。従って、人間の網膜に習って２つの感度・入射光領域の画素（ホワイト画素とＲＧＢの各画素）を空間的な分布を変えて配置することにより、人間の網膜を模した個体撮像装置を提供できる可能性がある。
例えば、図２６（Ａ）及び（Ｂ）に示すような空間配置にして、カメラのレンズやセンサのオンチップマイクロレンズにより生じるシェーディング（イメージ領域での周辺部感度低下）を効果的に補正する方法が考えられる。

第７実施形態
本実施形態に係る固体撮像装置はＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板の受光面に、黄色フィルタを有する黄色画素と、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されている。
上記の各実施形態において、ホワイト画素を黄色フィルタを有する黄色画素に置き換えたＣＭＯＳイメージセンサである。

図２７（Ａ）は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの２行×２列の４画素分のレイアウト図である。
本実施形態においては、黄色画素Ｙｅの総数が、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数より小さい構成であり、具体的には、黄色画素：赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの総数＝１：３である。
即ち、黄色画素Ｙｅ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの４つの画素（ＰＸ１〜ＰＸ４）を１組として、実際の受光面においては、図２７（Ａ）の構成の画素の組が行方向及び列方向に繰り返されて構成されている。
上記のレイアウトにおいては、黄色画素Ｙｅと緑色画素Ｇが対角に配置され、赤色画素Ｒと青色画素Ｂが対角に配置されている。
図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ）の変形例であり、図２７（Ａ）のレイアウトに対して黄色画素Ｙｅと緑色画素Ｇが入れ替えられた構成としてもよい。
さらには、図２７（Ａ）において、緑色画素Ｇを黄色画素Ｙｅに置き換え、緑色画素がない構成とすることも可能である。

図２８は、人間の視感度特性である。また、図２９はホワイト画素Ｗ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ、青色画素Ｂ及び黄色画素Ｙｅの分光感度である。
ホワイト画素は輝度情報を作成するのに使用するため、人間の視感度特性と同じであると画像処理が容易になる。緑色画素Ｇの分光感度は、人間の視感度特性と比較して、短波長の感度が高い。このため、黄色もしくは薄い黄色のフィルタを透過させることで視感度特性により近い分光特性にすると、より人間の視感度特性に適合した輝度情報を作成することが可能となる。

図３０は、図２９に対して、黄色画素Ｙｅの分光感度から緑色画素Ｇの分光感度を引いた分光特性（Ｙｅ−Ｇ）を示す。黄色画素出力値から緑画素出力値を引くことで、赤色が画素の分光感度に近い信号が得られる。これにより、赤色画素を無くすことも可能である。その場合は黄色画素、緑色画素、青色画素からなる構成となり、感度が高く視感度特性に近い黄色画素を多く配置した図２７（Ｃ）の配列にするとよい。

また減算を用いて赤情報を作成するため５００ｎｍ近辺の負の感度を作成することも可能となり、より色再現性の高いセンサを作ることも可能となる。
図３１は理想の赤色信号Ｒ、緑色信号Ｇ、青色信号Ｂの分光特性である。黄色画素のフィルタの分光特性を最適化することで、黄色画素Ｙｅの信号から緑色画素Ｇの信号を引いた信号（Ｙｅ−Ｇ）を理想の赤色信号の分光特性に近づけることができる。

図３２は、上記の本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、黄色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素から得られる信号から、画像データを加工し、カラー画像を再生するまでのフローを示す模式図である。
まず、第１ステップＳＴ１において、上述の構成の黄色画素Ｙｅ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ及び青色画素Ｂの各画素において光を受光して各画素の画素信号を得る。
次に、第２ステップＳＴ２として、各画素信号の色補間を行い、暫定輝度信号（Ｙｅ）と暫定カラー信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を得る。
次に、第３ステップＳＴ３として、上記のＹｅＲＧＢ信号をＹＣｂＣｒ信号に変換する。具体的には、暫定輝度信号Ｙｅを輝度信号Ｙに変換し、暫定カラー信号ＲＧＢをカラー信号ＣｂＣｒに変換する。ここでは、暫定輝度信号Ｙｅをそのまま輝度信号Ｙに用いることも可能である。
次に、第４ステップＳＴ４として、輝度信号Ｙのエッジ強調などのデータ処理を行う。
一方、第５ステップＳＴ５として、カラー信号ＣｂＣｒの色調整などのデータ処理を行う。
上記のようにして、輝度信号Ｙとカラー信号ＣｂＣｒからなる画像データが得られる。

次に、画像データを再生装置において再生するには、第６ステップＳＴ６として、輝度信号Ｙとカラー信号ＣｂＣｒからなる画像データをＲＧＢデータに変換する。
次に、第７ステップＳＴ７として、得られたＲＧＢデータを再生装置に入力し、カラー画像を得ることができる。

本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサは、黄色フィルタを有する黄色画素と、少なくとも赤色画素、緑色画素または青色画素とを有するイメージセンサにおいて、少なくとも黄色画素にフローティングディフュージョンと容量分割可能な付加容量素子が設けられて、ダイナミックレンジの拡大が図られており、高照度側でダイナミックレンジが制限される不利益を解消できる。

上記のように、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサによれば、次の効果を享受できる。
高透過率のホワイト画素を追加することで＋６〜９ｄＢ程度高量子効率になり、高感度になるが、従来の４トランジスタの画素を有するＣＭＯＳセンサでは、その分高照度領域が犠牲になるため、従来のＲＧＢセンサと変わらないダイナミックレンジとなる。
本発明のＣＭＯＳセンサでは、高照度領域にダイナミックレンジが拡張されている付加容量素子を有するホワイト画素を追加することで、低照度及び高照度の両方の領域でダイナミックレンジが拡大できる。

下記表１に示すように、従来例に係る赤色画素、緑色画素及び青色画素を有するＣＭＯＳイメージセンサのダイナミックレンジ８０ｄＢに対して、単にホワイト画素を追加したものは低照度側に＋６ｄＢ拡大するが、高照度側が−６ｄＢとなって感度領域が平行移動するだけでダイナミックレンジは８０ｄＢで変わらない。
本発明の高照度領域にダイナミックレンジが拡張されている付加容量素子を有するホワイト画素を追加することで、低照度側に＋６ｄＢ拡大し、高照度側に＋１４ｄＢ拡大し、ダイナミックレンジは１００ｄＢに拡大可能である。
さらに、第２実施形態のように付加容量素子の容量を調整することで、ダイナミックレンジは１０６ｄＢに拡大可能である。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、フローティングディフュージョンと付加容量素子の容量比は、設計などに応じて適宜変更できる。また、付加容量素子は、絶縁膜を介して２つの電極を対向させてなる構成の素子を適用することも可能である。
ホワイト画素は、適宜黄色画素に置き換えることが可能である。
また、第７実施形態に示すように、赤色画素、緑色画素、青色画素は、必ずしも全て必要ではなく、演算して得られる信号に応じて適宜ホワイト画素や黄色画素に置き換えることが可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことが可能である。

本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話などに搭載されるＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ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用できる。

図１は本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの１つの画素（ピクセル）ＰＸの等価回路図である。 図２は本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサにおける１画素（１ピクセル）のレイアウト図の一例である。 図３（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各画素の一部における模式的断面図であり、図２中のＡ−Ａ’における断面図に相当し、図３（Ｂ）は、図２中のＢ−Ｂ’における断面図に相当する。 図４（Ａ）は第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの２行×２列の４画素分のレイアウト図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の変形例である。 図５は図４（Ａ）に示すレイアウトの４つの画素の組において、図２に示すレイアウトを適用したときのレイアウト図である。 図６は本発明の第１実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの全体の回路構成を示す等価回路図である。 図７は本発明の第１実施形態のＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード、転送トランジスタ、フローティングディフュージョン、容量結合トランジスタ及び付加容量素子に相当する模式的なポテンシャル図である。 図８は本発明の第１実施形態において図４に対応するＣＭＯＳイメージセンサの駆動ラインに印加する電圧を、ｏｎ／ｏｆｆの２準位で示したタイミングチャートである。 図９（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード〜付加容量素子に相当する模式的なポテンシャル図である。 図１０（Ｄ）〜（Ｆ）は本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード〜付加容量素子に相当する模式的なポテンシャル図である。 図１１は本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの照度の対数（横軸）に対して信号電荷数の対数（縦軸）を示した出力特性である。 図１２は本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素から得られる信号から、画像データを加工し、カラー画像を再生するまでのフローを示す模式図である。 図１３は本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサのレイアウト図である。 図１４（Ａ）は本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各画素の一部における模式的断面図であり、図１５中のＡ−Ａ’における断面図に相当し、図１４（Ｂ）は、図１３中のＢ−Ｂ’における断面図に相当する。 図１５は本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサのレイアウト図である。 図１６は本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各画素の一部における模式的断面図であり、図１５中のＡ−Ａ’における断面図に相当する。 図１７は本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの照度の対数（横軸）に対して信号電荷数の対数（縦軸）を示した出力特性である。 図１８（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ一例のレイアウト図である。 図１９（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ一例のレイアウト図である。 図２０は本発明の第４実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサのレイアウト図である。 図２１（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第５実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサレイアウト図である。 図２２（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第５実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの１つの画素（ピクセル）ＰＸの等価回路図である。 図２３は本発明の第５実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサのホワイト画素と、赤色画素、緑色画素又は青色画素との間でフローティングディフュージョンが共有された構成における等価回路図である。 図２４は図２３の等価回路図に対応する画素のレイアウト図である。 図２５（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第５実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの駆動ラインに印加する電圧を、ｏｎ／ｏｆｆの２準位で示したタイミングチャートである。 図２６（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第６実施形態のＣＭＯＳイメージセンサのレイアウト図である。 図２７（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第７実施形態のＣＭＯＳイメージセンサのレイアウト図である。 図２８は人間の視感度特性である。 図２９は本発明の第７実施形態に係るホワイト画素、赤色画素、緑色画素、青色画素及び黄色画素の分光感度である。 図３０は図２９に対して、黄色画素の分光感度から緑色画素の分光感度を引いた分光特性（Ｙｅ−Ｇ）を示す。 図３１は理想の赤色信号、緑色信号、青色信号の分光特性である。 図３２は本発明の第７実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの白色画素、赤色画素、緑色画素及び青色画素の各画素から得られる信号から、画像データを加工し、カラー画像を再生するまでのフローを示す模式図である。 図３３は従来例に係るＣＭＯＳイメージセンサの分光感度である。 図３４は従来例に係るＣＭＯＳイメージセンサの照度の対数（横軸）に対して信号電荷数の対数（縦軸）を示した出力特性である。

符号の説明

１０…ｎ型半導体基板、１１…ｐ型ウェル、１２…ｐ⁺型分離領域、１３…素子分離絶縁膜、１４…ｎ型半導体領域、１５…ｐ⁺型半導体領域、１６，１７…ｎ⁺型半導体領域、１８…ゲート絶縁膜、１９，２０…ゲート電極、２１…絶縁膜、２２…プラグ、２３…上層配線、３０…第１電極、３１…容量絶縁膜、３２…第２電極、Ｒ…赤色画素、Ｇ…緑色画素、Ｂ…青色画素、Ｗ…ホワイト画素、Ｙｅ…黄色画素、ＡＭ…アナログメモリ、Ｃ_ＦＤ，Ｃ_ＰＤ…容量、Ｃ_Ｓ，Ｃ_Ｓａ…付加容量素子、Ｎ₁…Ｃ_ＦＤのリセットレベルの信号（ノイズ）、Ｎ₂…Ｃ_ＦＤ＋Ｃ_Ｓのリセットレベルの信号（ノイズ）、ＯＵＴ…出力（ライン）、ＰＤ…フォトダイオード、ＰＸ，ＰＸ１〜ＰＸ４…画素、Ｑ，Ｑ_A，Ｑ_B…光電荷、Ｓ₁…飽和前電荷信号、Ｓ₁’…変調された飽和前電荷信号、Ｓ₂…過飽和電荷信号、Ｓ₂’…変調された過飽和電荷信号、ＳＬ…選択ライン、ＳＲ^H…列シフトレジスタ、ＳＲ^V…行シフトレジスタ、Ｔ₁〜Ｔ₈…時刻、Ｔ…転送トランジスタ、Ｓ…容量結合トランジスタ、ＲＳ…リセットトランジスタ、ＳＦ…増幅トランジスタ、Ｘ…選択トランジスタ、ＶＲ…電源電圧、φ_T，φ_S，φ_ＲＳ，φ_X，φ_S1+N1，φ_N1，φ_S1'+S2'+N2，φ_N2，φ_V1，φ_V2，φ_XCLR…駆動ライン、ＦＮ…フロアノイズ、ＤＲ…ダイナミックレンジ、ＳＴ１〜ＳＴ７…ステップ、ＡＲ１…中央部、ＡＲ２…周辺部

Claims (6)

1. 半導体基板の受光面に、カラーフィルタを有さない白色画素又は黄色のカラーフィルタを有する黄色画素と、少なくとも赤色、緑色または青色のカラーフィルタを有する赤色画素、緑色画素及び青色画素とがアレイ状に集積されており、
   前記白色画素又は前記黄色画素、前記赤色画素、緑色画素及び青色画素が、それぞれ、
   光を受光して光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードから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ディフュージョンと、
   前記フローティングディフュージョンを介して前記フォトダイオードに接続可能に設けられ、前記転送トランジスタを通じて前記フォトダイオードから転送される光電荷を蓄積する付加容量素子と、
   前記フローティングディフュージョンと前記付加容量素子とを結合または分割する容量結合トランジスタと、
   前記付加容量素子または前記フローティングディフュージョンに接続され、前記付加容量素子及び／または前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタとを有し、
   前記白色画素又は前記黄色画素の付加容量素子が、前記赤色画素、緑色画素及び青色画素の付加容量素子よりも大きく、
   前記赤色画素、緑色画素及び青色画素の付加容量素子が、画素形成領域の第１の端部に配置されており、
   前記白色画素又は黄色画素の付加容量素子が第１の容量素子と第２の容量素子とを含み、前記第１の容量素子が画素形成領域の第１の端部に配置され、前記第２の容量素子が画素形成領域の第２の端部に配置されている、
   固体撮像装置。
2. 前記白色画素又は前記黄色画素と、赤色画素、緑色画素及び青色画素とが半導体基板に４画素を単位としてアレイ状に集積されている、
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記赤色画素、緑色画素及び青色画素の各素子のレイアウトと、前記白色画素又は黄色画素の第２の容量素子を除いた各素子のレイアウトとが同じである、
   請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記白色画素又は前記黄色画素の総数が、前記赤色画素、緑色画素または青色画素の総数より小さい、
   請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記白色画素又は前記黄色画素の総数が、前記赤色画素、緑色画素または青色画素の総数以上である、
   請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記受光面が中央部と周辺部に区分されており、前記周辺部における全画素に対する前記白色画素又は前記黄色画素の割合が、前記中央部における全画素に対する前記白色画素又は前記黄色画素の割合よりも高い、
   請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。