JP5358136B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
図11に示す画素回路は、フォトダイオードPD、フォトダイオードPDの寄生容量または意図的に形成されたキャパシタC1、リセットトランジスタM1、転送スイッチM2、選択スイッチM4、ソースフォロワトランジスタM6、ソースフォロワトランジスタM6のゲート−ソース容量であるキャパシタC2、転送スイッチM3、選択スイッチM5、ソースフォロワトランジスタM7、ソースフォロワトランジスタM7のゲート−ソース容量であるキャパシタC3から構成される。
図12に示す画素回路は、入射光量に応じた電荷を発生させる光電変換部(以降はPD部と記載する。)371と、PD部371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372と、転送トランジスタ372を介してPD部371に接続して設けられた拡散領域(以降は、FD部と記載する。)373と、電荷蓄積動作時に前記PD部371から溢れる電荷を蓄積する第1キャパシタ374および第2キャパシタ375と、第1キャパシタ374に接続して形成され、第1キャパシタ374および第2キャパシタ375およびFD部373内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタ376と、FD部373と第1キャパシタ374の間に設けられた第1蓄積トランジスタ377と、第1キャパシタ374と第2キャパシタ375の間に設けられた第2蓄積トランジスタ378と、FD部373の信号電荷、またはFD部373と第1キャパシタ374の信号電荷、またはFD部373と第1キャパシタ374と第2キャパシタ375の信号電荷を、電圧変動として読み出す増幅トランジスタ379と、増幅トランジスタ379に接続して設けられ前記画素または前記画素を含む画素ブロックを選択するための選択トランジスタ380とから構成されている。
PD部371の電荷蓄積期間中に、FD部373は所定の電圧の印加状態である。また、FD部373の構造は、PD部371を形成するn型不純物濃度より高濃度であり、増幅トランジスタ379のゲート部とFD部373の拡散層とを接続するコンタクトが形成されている。よって、電荷蓄積期間中に、FD部373はリーク電流による保持電圧の低下が発生して、PD部371からFD部373へ完全な蓄積電荷の転送が困難となり、残像現象が発生する課題がある。
また、前記複数の画素回路における前記第1の転送部は、各画素回路で共通の期間に入射した光により前記光電変換部で発生した電荷を前記第1の蓄積部に転送してもよい。
また、前記複数の画素回路における前記第1の転送部は、各画素回路で共通に定められかつ長さが互いに異なる複数の期間に入射した光により前記光電変換部で発生したそれぞれの電荷を前記第1の蓄積部に転送し、前記第1の蓄積部は、前記転送された全ての電荷を加算して蓄積してもよい。
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記信号電圧と前記基準電圧との差分を検出する差分回路を備え、前記差分回路は、直列に接続された第1のキャパシタおよび第2のキャパシタと、前記第1のキャパシタおよび第2のキャパシタの接続点を所定の初期化用の電圧に接続する初期化スイッチとを有し、前記接続点が前記初期化用の電圧に接続された状態で、前記第1のキャパシタで前記信号電圧と前記初期化用の電圧との差電圧を保持し、かつ前記第2のキャパシタで前記初期化用の電圧を保持した後、前記第1のキャパシタおよび前記第2のキャパシタで、前記基準電圧を分圧してもよい。
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記第2の転送部と前記出力部との接続点に接続され、前記第2の転送部を介して前記電荷を蓄積する第2の蓄積部と、前記第1の蓄積部に蓄積された電荷を排出する第1のリセット部と、前記第2の蓄積部に蓄積された電荷を排出する第2のリセット部とを備え、前記出力部は、さらに、前記第2の蓄積部に蓄積された電荷が排出された状態で基準電圧を出力してもよい。
これにより、光電変換部で蓄積される電荷は、すべて第1の蓄積部へ転送可能となるため、高解像度および広ダイナミックレンジの固体撮像装置を実現できる。
これにより、第1の蓄積部に蓄積される電荷は、すべて第2の蓄積部へ転送可能となるため、高解像度および広ダイナミックレンジの固体撮像装置を実現できる。
これにより、画素回路内にある光電変換部から蓄積された電荷を固体撮像装置の外部へ出力可能となり、画像を得ることができる。
まず、本発明の第1の実施形態にかかる固体撮像装置について説明する。
図1に示される固体撮像素子は、フォトダイオード101と、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ102、104、105、106、107、110、112、113、114、115、および116と、キャパシタ111、117、118、119、および120と、垂直共通信号線108と、浮遊拡散領域103とを備える。
フォトダイオード101として、p型半導体で構成される基板151内にn−型不純物領域152を設け、かつn−型不純物領域152の上方の基板151表面にはp型不純物領域153が設けられている。また、n−型不純物領域152の側方および下方はp型不純物領域で取り囲まれている。これにより、基板151表面の欠陥が多いリーク電流発生要因箇所からの発生電荷が、フォトダイオード101に蓄積されることを妨げて、高感度化できる。
図4は、固体撮像装置の駆動タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
制御信号TRAN以外の各制御信号は図4と同じである。異なるところは時点t1に加えて、時点t2、時点t3において、制御信号TRANをパルス状にハイレベルにすることである。これにより、各画素のフォトダイオード101にて電荷を蓄積するための3種類の蓄積時間T1、T2、T3が設けられる。蓄積時間T1、T2、T3の長さはそれぞれ異なり、たとえば蓄積時間T1が30m秒、蓄積時間T2が300μ秒、蓄積時間T3が3μ秒とすると、蓄積時間T1を基準として、基準の1/100の長さの蓄積時間T2および基準の1/10000の長さの蓄積時間T3が追加される。
第1の効果は、異なる蓄積時間T1、T2、T3として、蓄積時間T1を30msec、蓄積時間T2を300μsec、蓄積時間T3を3μsecに設定することで、基準となる蓄積時間T1に対し、1/100の蓄積時間300μsec、1/10000の蓄積時間3μsecの出力を加算しているので、基準の10000倍のダイナミックレンジが得られる。なお、この例では3種の蓄積時間で説明しているがこの3種に限ることはなく、通常の蓄積時間と、より短い蓄積時間とを組み合わせて用いることにより、同様の効果が得られる。
次に、本発明の第2の実施形態にかかる固体撮像装置について説明する。
図8において、n+型不純物領域156が浮遊拡散領域209として機能する。また、MOSトランジスタ104は、浮遊拡散領域103に蓄積された電荷を浮遊拡散領域209へ転送する電荷転送ゲート(つまり、1段の電荷転送素子)として機能する。
以上のように構成された固体撮像装置の画素回路の動作について説明する。
制御信号SELをハイレベルにした状態で、時点t4では制御信号RST2をパルス状にハイレベルにする。これにより、浮遊拡散領域209には電圧VRST2に応じた電圧がMOSトランジスタ105を介して設定される。
電荷蓄積期間の動作を、固体撮像装置においてアレイ状に配置された複数の画素について一斉に行うことにより、全画素のフォトダイオード101における電荷の蓄積開始と蓄積終了が同じとなり、グローバルシャッター動作が可能になる。電荷読み出し期間の動作は、アレイの同一行内の各画素について、行ごとに順次、例えば各行の水平ブランキング期間において行われる。
102、104、105、106、107、110、112、113、114、115、116、205 MOSトランジスタ
103、209 浮遊拡散領域
108 垂直共通信号線
109 増幅器
111、117、118、119、120、122 キャパシタ
121 画素回路
151 基板
152 n−型不純物領域
153、155 p型不純物領域
154 n型不純物領域
156、171 n+型不純物領域
163、168、170 ゲート電極
Claims (18)
- 半導体基板に複数の画素回路を二次元状に配置してなる固体撮像装置であって、
入射した光により電荷を発生する光電変換部と、
前記光電変換部と接続され、前記電荷を転送する第1の転送部と、
前記第1の転送部を介して前記電荷を蓄積する第1の蓄積部と、
前記第1の蓄積部と接続され、前記第1の転送部と直列に接続された第2の転送部と、
前記第2の転送部を介して前記電荷の量に応じた信号電圧を出力する出力部と
を備え、
前記第1の転送部および前記第2の転送部はそれぞれMOSトランジスタで構成されており、
前記第1の転送部のドレインと前記第2の転送部のソースとが接続されており、
前記第1の転送部は、複数の期間に入射した光により前記光電変換部で発生したそれぞれの電荷を前記第1の蓄積部に転送し、
前記第1の蓄積部は、前記転送された電荷を加算して蓄積する固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、前記第2の転送部と前記出力部との接続点をリセット用の電圧に設定する第2のリセット部を備え、
前記出力部は、さらに、前記接続点が前記リセット用の電圧に接続された状態で基準電圧を出力する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部、前記転送部、前記第1の蓄積部、前記第2の転送部、前記出力部、および前記第2のリセット部は、前記複数の画素回路のそれぞれに設けられている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第2の転送部はMOSトランジスタで構成されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の蓄積部には金属材料が接触していない
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の画素回路における前記第1の転送部は、各画素回路で共通に定められる期間に入射した光により前記光電変換部で発生した電荷を前記第1の蓄積部に転送する
請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の画素回路における前記第1の転送部は、各画素回路で共通に定められかつ長さが互いに異なる複数の期間に入射した光により前記光電変換部で発生したそれぞれの電荷を前記第1の蓄積部に転送し、
前記第1の蓄積部は、前記転送された全ての電荷を加算して蓄積する
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、前記信号電圧と前記基準電圧との差分を検出する差分回路を備え、
前記差分回路は、
直列に接続された第1のキャパシタおよび第2のキャパシタと、
前記第1のキャパシタおよび第2のキャパシタの接続点を所定の初期化用の電圧に接続する初期化スイッチとを有し、
前記接続点が前記初期化用の電圧に接続された状態で、前記第1のキャパシタで前記信号電圧と前記初期化用の電圧との差電圧を保持し、かつ前記第2のキャパシタで前記初期化用の電圧を保持した後、
前記第1のキャパシタおよび前記第2のキャパシタで、前記基準電圧を分圧する
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第2のキャパシタは、いずれか1つを択一的に前記第1のキャパシタと直列に接続可能で、かつ全てを並列に結合可能な複数の個別キャパシタからなり、
前記差分回路は、前記第1のキャパシタと前記複数の個別キャパシタのそれぞれとで前記基準電圧を分圧してから、前記個別キャパシタを全て並列に結合する
請求項8に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、
前記第2の転送部と前記出力部との接続点に接続され、前記第2の転送部を介して前記電荷を蓄積する第2の蓄積部と、
前記第1の蓄積部に蓄積された電荷を排出する第1のリセット部と、
前記第2の蓄積部に蓄積された電荷を排出する第2のリセット部と
を備え、
前記出力部は、さらに、前記第2の蓄積部に蓄積された電荷が排出された状態で基準電圧を出力する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のリセット部は前記第1の蓄積部に第1の電圧を印加し、
前記第2のリセット部は前記第2の蓄積部に第2の電圧を印加し、
前記第1の電圧の最大値は、前記第2の電圧の最大値以下である
請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部の容量は、前記第1の蓄積部の容量よりも小さい
請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の蓄積部の容量は、前記第2の蓄積部の容量以下である
請求項10または請求項12に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の蓄積部には、金属材料が接触していない
請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記出力部は、アンプトランジスタを有している
請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部は、
前記半導体基板の表面近傍に形成された第1導電型の第1領域と、
前記第1領域の下方および側方を取り囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域とからなり、
前記半導体基板の前記第1領域が形成された部分の表面に、前記第2導電型の第3領域が形成されている
請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の蓄積部は、
前記半導体基板の表面近傍に形成された第1導電型の第4領域と、
前記第4領域の下方および側方を取り囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第5領域とからなり、
前記半導体基板の前記第4領域が形成された部分の表面に、前記第2導電型の第6領域が形成されている
請求項10または請求項16に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部は、
前記半導体基板の表面近傍に形成された第1導電型の第1領域と、
前記第1領域の下方および側方を取り囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域とからなり、
前記第1の蓄積部は、
前記半導体基板の表面近傍に形成された第1導電型の第4領域と、
前記第4領域の下方および側方を取り囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第5領域とからなり、
前記第1領域の不純物濃度は、前記第4領域の不純物濃度以下である
請求項10に記載の固体撮像装置。
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