JP5521441B2 - 固体撮像装置とその駆動方法、並びに電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置とその駆動方法、並び
にこの固体撮像装置を備えたカメラなどの電子機器に関する。

固体撮像装置として、電荷結合素子（ＣＣＤ）による固体撮像装置が知られている。このＣＣＤ型の固体撮像装置（以下、ＣＣＤ固体撮像装置という）は、受光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換素子、すなわちフォトダイオードにより受光センサ部が構成され、複数個の受光センサ部が２次元マトリクス状に配列される。この複数の受光センサ部のフォトダーオードに入射する被写体の光信号に基づいて信号電荷が発生し、蓄積される。この信号電荷は、受光センサ部の列毎に配置したＣＣＤ構造の垂直転送レジスタにより垂直方向に転送されると共に、ＣＣＤ構造の水平転送レジスタによって水平方向に転送される。そして、水平方向に転送された信号電荷は、電荷−電圧変換部を有する出力部から被写体の画像情報として出力される。出力部としては、通常、水平転送レジスタの終段に接続されたフローティングディフージョン部（ＦＤ）とソースフォロワ・アンプとから成る、いわゆるフローティングディフージョン型アンプ（ＦＤ型アンプ）で構成される。その他、出力部としては、いわゆるフローティングゲート型アンプ（ＦＧ型アンプ）も知られている。

ＣＣＤ固体撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。また、ＣＣＤ固体撮像装置は、カメラ付き携帯電話やＰＡＤ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器に搭載される固体撮像装置として用いられている。

近年、ＣＣＤ固体撮像装置では、多画素、高解像度化が進むにつれて、ＦＤ型アンプの変換利得が大きくなってきている。すなわち、画素サイズが小さくなり、取り扱い電荷量も小さくなるので、高変換利得のＦＤ型アンプが用いられる。

一方、画素サイズの大きいＣＣＤ固体撮像装置では、受光センサ部や垂直、水平転送レジスタの取り扱い電荷量を大きく設定し易いももの、ＦＤ型アンプの許容電圧振幅の制約から、変換利得を抑えたＦＤ型アンプが用いられる。通常、ＦＤ型アンプは高変換利得を有するが、画素サイズの大きいＣＣＤ固体撮像装置では、上記の制約から、アンプの許容振幅電圧の範囲で変換利得を高くしたＦＤ型アンプが実装されている。

ＦＤ型アンプを構成するフォースフォロワアンプのＳ／Ｎ比を向上するには、一段目の駆動用ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンス（ｇｍ）を大きくし、ゲート部の容量を小さくする構成がとられる。しかし、画素サイズの大きいな、また取り扱い電荷量の大きなＣＣＤ固体撮像装置においては、フローティングディフージョン部ないしゲート部の容量を大きめに設定してＦＤ型アンプの変換利得を落としている。この結果、低照度のＳ／Ｎ比が犠牲になっている。

従来、小信号にも大信号にも対応できるＣＣＤ固体撮像装置として、フローティングディフージョン部（ＦＤ）に付加的に容量を加えた構成のものが幾つか提案されている。原理としては、フローティングディフージョン部（ＦＤ）が小容量と大容量に設定でき、小容量時に高変換利得、大容量時に低変換利得となり、それぞれ小信号入力時、大信号入力時に対応するようにしている。この場合、前のフレームの信号などから判断して変換利得を切り替えるか、あるいは手動で変換利得を切り替えるようにしている。

特許文献１には、入射光量に応じて最善のＳ／Ｎ比が得られるように電荷電圧変換効率を可変とするＣＣＤ固体撮像装置が提案されている。特徴的な構成は、複数の水平転送レジスタを設け、各水平転送レジスタに各々異なる電荷電圧変換効率を持つ電荷検出回路を接続し、受光量に応じて水平転送レジスタを選択的に使用するように構成されている。

また、特許文献２には、昼間および夜間を兼用するように、通常感度モードと高感度モードを兼ね備えたＣＣＤ固体撮像装置も提案されている。特徴的な構成は、水平転送レジスタが２つの転送チャネルに分割した出力端を有し、それぞれの出力端に通常感度および高感度の電荷検出器（ＦＤ型アンプ）が接続される。そして、夫々の電荷検出器からの通常感度モードと高感度モードの信号を、感度切り替え回路を介して選択的に出力するように構成される。

また、特許文献３には、通常撮像モードと蛍光撮像モードの設定が可能な内視鏡に利用されるＣＣＤ固体撮像装置が提案されている。特徴的な構成は、水平転送レジスタの出力側に多数の段をもつ電荷増倍段が接続され、この電荷増倍段の中間にフローティングゲート電極が形成されている。電荷増倍段から出力した信号電荷が変換係数の小さい第１ＦＤＡ（フローティングディフージョン・アンプリファイア）に与えられ、フローティングゲート電極から電荷増倍段の中間出力の信号が変換係数の大きい第２ＦＤＡに与えられる。そして、第１ＦＤＡ、第２ＦＤＡからの出力信号が、セレクタを介して選択され、蛍光撮像モード（第１ＦＤＡ出力）、通常撮像モード（第２ＦＤＡ出力）の映像信号が選択されるように構成される。

特開平７−７９３８５号公報 特開平８−２９８６２６号公報 特開２００３−１５８６７９号公報

上述したように、通常、ＣＣＤ固体撮像装置の出力部には高変換利得のＦＤ型アンプの構成が用いられ、熱雑音、１／ｆノイズの低減化を図り、低照度時のＳ／Ｎ特性を確保している。しかし、この構成では、画素サイズが大きく、受光センサ部の取り扱い電荷量の大きいＣＣＤ固体撮像装置を実現しようとした場合には、大信号量の信号電荷によって電荷電圧変換を行うＦＤ型アンプのダイナミックレンジが頭打ちになる。そのため、結果として比較的低変換利得のＦＤ型アンプで構成することになり、低照度のＳ／Ｎ特性を確保できないといった問題があった。

本発明は、上述の点に鑑み、大信号量に対応でき、小信号量時のＳ／Ｎ特性を確保できるＣＣＤ型の固体撮像装置とその駆動方法、並びにこの固体撮像装置を備えた電子機器を提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の受光センサ部と、受光センサ部の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、水平転送レジスタの出力側に設置されたフローティングゲート型アンプを有する。更に、フローティングゲート型アンプの後段の水平転送レジスタに設置されたフローティングディフージョン型アンプと、フローティングゲート型アンプとフローティングディフージョン型アンプとの間の水平転送レジスタに設置されたオーバーフロードレイン機構とを有する。さらに、フローティングゲート型アンプからの出力信号と、フローティングディフージョン型アンプからの出力信号と、オーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量とを照合し、総合出力を決定する照合回路を有する。

本発明の固体撮像装置では、大信号量の電荷をフローティングゲート型アンプで読み出し、小信号量の電荷をフローティングディフージョン型アンプで読み出す。フローティングゲート型アンプを通過した信号電荷のうち、過剰電荷がオーバーフロードレイン機構にて排出され、残りの電荷が小電荷量にてフローティングディフージョン型アンプに転送する。フローティングゲート型アンプを低変換利得で構成するとき、大信号時の高Ｓ／Ｎ特性、高ダイナミックレンジを維持できる。フローティングディフージョン型アンプを高変換利得で構成するとき、小信号時の高Ｓ／Ｎ特性を確保できる。本固体撮像装置では、広い光量範囲の入力信号に対応できる。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、水平転送レジスタ内を転送された信号電荷のうち、大信号量の電荷をフローティングゲート型アンプで読み出す。また、水平転送レジスタ内を転送された信号電荷のうち、小信号量の電荷をフローティングゲート型アンプの後段に設置され、フローティングゲート型アンプより変換利得の高いフローティングディフージョン型アンプで読み出す。また、フローティングゲート型アンプを通過した前記大信号量の電荷のうち、前記フローティングディフージョン型アンプのダイナミックレンジを越える過剰電荷をオーバーフロードレイン機構に排出し、フローティングゲート型アンプからの出力信号と、フローティングディフージョン型アンプからの出力信号と、オーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量とを照合する。

本発明の固体撮像装置の駆動方法では、大信号量の電荷を低変換利得のフローティングゲート型アンプで読み出すので、大信号時の高Ｓ／Ｎ特性、高ダイナミックレンジを維持できる。小信号の電荷量を高変換利得のフローティングディフージョン型アンプで読み出すので、小信号時の高Ｓ／Ｎ特性を確保することができる。本駆動方法では、広い光量範囲の入力信号に対応できる。

本発明に係る電子機器は、光学系と、固体撮像装置と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備える。固体撮像装置は、複数の受光センサ部と、受光センサ部の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、水平転送レジスタの出力側に設置されたフローティングゲート型アンプを有する。更に、フローティングゲート型アンプの後段の水平転送レジスタに設置されたフローティングディフージョン型アンプと、フローティングゲート型アンプとフローティングディフージョン型アンプとの間の水平転送レジスタに設置されたオーバーフロードレイン機構とを有する。さらに、フローティングゲート型アンプからの出力信号と、フローティングディフージョン型アンプからの出力信号と、オーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量とを照合し、総合出力を決定する照合回路を有する。

本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、大信号量に対応でき、小信号時のＳ／Ｎ特性を確保することができる。
本発明に係る電子機器によれば、上記固体撮像装置を備えることにより、大信号量に対応でき、小信号時のＳ／Ｎ特性を確保することができる。高品質の電子機器を提供できる。

本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す概略構成図である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の出力部の要部の半導体断面構造を示す断面図である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の出力部の他の要部の半導体断面構造を示す断面図である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の回路ブロックの概略構成図である。 第１実施の形態におけるフローティングゲート型アンプと、フローティングディフージョン型アンプの出力信号を照合し判断して出力する説明に供する説明図である。 本発明に係る第３実施の形態の電子機器の概略構成図である。

以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１． 第１実施の形態（固体撮像装置の構成例、動作及び駆動方法）
２． 第２実施の形態（固体撮像装置の構成例）
３． 第３実施の形態（電子機器の構成例）

＜第１実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
図１に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちＣＣＤ固体撮像装置の第１実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置１は、複数の受光センサ部２と、各受光センサ部２の列に対応するＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３と、ＣＣＤ構造の水平転送レジスタ４と、出力部５を有して構成される。複数の受光センサ部２と垂直転送レジスタ３により、画素部、すなわち撮像領域７０が構成される。

受光センサ部２は、光電変換素子となるフォトダイオードで形成される。受光センサ部２とこれに対応する部分の垂直転送レジスタで１画素が構成される。垂直転送レジスタ３は、図示しないが、半導体基板の表面側に形成した埋め込み型の転送チャネル上にゲート絶縁膜を介して複数の垂直転送電極を電荷転送方向に配列して構成される。埋め込み型の転送チャネルは、例えばｎ型半導体領域で形成される。この垂直転送レジスタ３は、図示の例では４相の駆動パルスφＶ１〜φＶ４が印加されて信号電荷を垂直方向に転送する。水平転送レジスタ４は、後述するように、半導体基板の表面側に形成した上記と同様の埋め込み型の転送チャネル上にゲート絶縁膜を介して複数の水平転送電極を電荷転送方向に配列して構成される。

そして、本実施の形態では、特に、出力部５をフローティングゲート型アンプ７と、フローティングディフージョン型アンプ９と、両アンプ７及び９の中間のオーバーフロードレイン機構１０とを有して構成される。すなわち、フローティングゲート型アンプ７は、水平転送レジスタ４の出力側に設置される。また、フローティングディフージョン型アンプ９は、このフローティングゲート型アンプ７の後段のＣＣＤ構造の水平転送レジスタ８の終段に設置される。

フローティングゲート型アンプ７は、埋め込み型の転送チャネル上にゲート絶縁膜を介してフローティングゲート電極を形成したフローティングゲート部１１と、ＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロワ・アンプ１２とから構成される。フローティングゲート部１１のゲート電極は、ソースフォロワ・アンプ１２の駆動トランジスタＴｒ１のゲート電極１５に接続される。また、フローティングゲート部１１のゲート電極はリセット用トランジスタ１６のソースに接続される。リセット用トランジスタ１６は、ＭＯＳトランジスタで形成される。リセット用トランジスタ１６のドレインには所要の正電圧Ｅが印加される。リセット用トランジスタ１６のゲートをオンした後、オフすることにより、フローティングゲート部１１のゲート電極の電位は正電圧Ｅとなる。この状態でフローティングゲート部１１のゲート電極下に信号電荷が転送されると、この信号電荷によりゲート電極の電位が変調する。その後、リセット用トランジスタ１６のゲートをオンすることにより、フローティングゲート部１１のゲート電極の電位は正電圧Ｅにリセットされる。

フローティングディフージョン型アンプ９は、水平転送レジスタ８の終段に接続されたフローティングディフージョン部ＦＤとＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロワ・アンプ１７とから構成される。フローティングディフージョン部ＦＤは、ソースフォロワ・アンプ１７の駆動トランジスタＴｒ４のゲート電極１８に接続される。フローティングディフージョン部ＦＤは、リセット用トランジスタ２１に接続され、リセットゲート電極２２にリセットパルスが印加されてリセット用トランジスタ２１がオンすることにより、リセットドレイン２３の電位にリセットされる。リセット用トランジスタ２１は、ＭＯＳトランジスタで形成される。

オーバーフロードレイン機構１０は、フローティングゲート型アンプ７の後段の水平転送レジスタ８の側部に形成されたオーバーフローコントロールゲート領域２５とオーバーフロードレイン領域２６とを有して構成される。

オーバーフロードレイン機構１０より後段の水平転送レジスタ８は、フローティングディフージョン型アンプ９を構成するフローティングディフージョン部ＦＤに向かって転送チャネル幅ｄ１が狭くなる絞り込み転送部２７を有する。

オーバーフロードレイン機構１０では、フローティングディフージョン型アンプ９のダイナミックレンジを超える過剰電荷を排出するように、オーバーフローコントロールゲート領域２５のポテンシャルが設定される。換言すれば、フローティングディフージョン型アンプ９の取り扱い電荷量、または絞り込み転送部２７の取り扱い電荷量を超える過剰電荷を排出するように、オーバーフローコントロールゲート領域２５のポテンシャルが設定される。

フローティングディフージョン型アンプ９は、高変換利得のアンプで構成される。フローティングゲート型アンプ７は、フローティングディフージョン型アンプ９に比べて低変換利得、例えば中変換利得または小変換利得（以下、中・小変換利得という）のアンプで構成される。

複数の垂直転送レジスタ３の端部に接続された水平転送レジスタ４、及び後段の水平転送レジスタ８は、図示の例では２相の駆動パルスφＨ１、φＨ２により信号電荷を水平方向に転送するように、駆動される。

図２及び図３に、水平転送レジスタ４からフローティングゲート型アンプ７、フローティングディフージョン型アンプ９、オーバーフロードレイン機構１０などの後段の領域の半導体断面構造を示す。図２に示すように、水平転送レジスタ４は、半導体基板３１の表面側に形成した第１導電型、例えばｎ型の埋め込み型の転送チャネル３２上にゲート絶縁膜３３を介して電荷転送方向に向かって複数の水平転送電極３４を配列して構成される。水平転送電極３４は、１つ置きに共通接続されて第1相の駆動パルスφＨ１が印加され、他の１つ置きに共通接続された第２相の駆動パルスφＨ２が印加される。各水平転送電極３４を有する転送部は、電荷転送方向にポテンシャル段差を有するように、ストレージ部とトランスファ部を有して構成される。ストレージ部は転送チャネル３２のｎ領域３２ａで形成され、トランスファ部は転送チャネル３２の一部の低濃度のｎ⁻領域３２ｂで形成される。

半導体基板３１は、第２導電型であるｐ型の半導体基板とすることができる。また、この符号３１で示す半導体構成部は、シリコン基板としてもよいが、基板そのものではなくて、ｐ型半導体ウェル領域であってもよい。ここで説明した符号３１で示す半導体構成部は、本発明に係る全実施の形態で適用することができる。

この水平転送レジスタ４の出力側に第１の水平出力ゲート部３５を介してフローティングゲート部１１が形成される。第１の水平出力ゲート部３５は、転送チャネル３２上にゲート絶縁膜３３を介して固定電圧ＶＨＯＧ１が印加されるゲート電極３６を形成して構成される。フローティングゲート部１１は、転送チャネル３２上にゲート絶縁膜３３を介してフローティングゲート電極３７を形成して構成される。

さらに、フローティングゲート部１１の後段に水平転送レジスタ８が形成され、この水平転送レジスタ８の終段に第２の水平出力ゲート部４０を介してフローティングディフージョン部ＦＤが形成される。このフローティングディフージョン部ＦＤにリセット用トランジスタ２１が接続される。

水平転送レジスタ８は、前述の水平転送レジスタ４と同様に、連続して形成された転送チャネル３２上にゲート絶縁膜３３を介して複数の水平転送電極３４を形成して構成される。この水平転送電極３４も、２相の駆動パルスφＨ１、φＨ２が印加される。第２の水平出力ゲート部４０は、転送チャネル３２上にゲート絶縁膜３３を介して固定電圧ＶＨＯＧ２が印加されるゲート電極３９を形成して構成される。フローティングディフージョン部ＦＤは、ｎ型の半導体領域により形成される。

リセット用トランジスタ２１は、フローティングディフージョン部ＦＤをソース領域とし、このソース領域とｎ型のドレイン領域４１とゲート絶縁膜３３を介して形成されたリセットゲート電極２２とを有して構成される。ドレイン領域４１には例えば電源電圧が印加され、リセットゲート電極２２にリセットパスルが印加することにより、リセット用トランジスタ２１がオンして、フローティングディフージョン部ＦＤの電位が電源電圧にリセットされる。

一方、半導体基板３１には、フローティングゲート部１１に接続するソースフォロワ・アンプ１２が形成され、またフローティングゲート部１１に接続するリセット用トランジスタ１６が形成される。ソースフォロワ・アンプ１２は、例えばｎチャネルＭＯＳトランジスタによる駆動トランジスタＴｒ１と負荷トランジスタＴｒ２を有して構成される。すなわち、半導体基板３１にｎ型の半導体領域４３，４４及び４５が形成さる。半導体領域４３、４４をドレイン領域、ソース領域とし、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極１５を形成して駆動トランジスタＴｒ１が構成される。また、半導体領域４４、４５をドレイン領域、ソース領域とし、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極４７を形成して負荷トランジスタＴｒ２が構成される。そして、駆動トランジスタＴｒ１のソース領域に相当する半導体領域４４から出力端子ｔ１が取り出される。ソースフォロワ・アンプ１２は、１段、または複数段の構成とすることができる。フローティングゲート部１１のフローティングゲート電極３７は、ソースフォロワ・アンプ１２の１段目の駆動トランジスタＴｒ１のゲート電極１５に接続される。このフローティングゲート部１１とソースフォロワ・アンプ１２とによりフローティングゲート型アンプ７が構成される。

また、リセット用トランジスタ１６は、ｎ型のソース領域５１及びドレイン領域５２と、ゲート絶縁膜３３を介して形成されたゲート電極５３とから構成される。このリセット用トランジスタ１６のソース領域５１にフローティングゲートアンプ部１１のフローティングゲート電極３７が接続される。リセット用トランジスタ１６は、そのゲート電極５３にリセットパルスが印加され、ドレイン領域５２に電源電圧が印加されるようになされる。

半導体基板３１には、フローティングディフージョン部ＦＤに接続するソースフロワ・アンプ１７が形成される。このソースフォロワ・アンプ１７は、例えばｎチャネルＭＯＳトランジスタによる駆動トランジスタＴｒ４と負荷トランジスタＴｒ５を有して構成される。すなわち、半導体基板３１にｎ型の半導体領域５５、５６及び５７が形成さる。半導体領域５５、５６をドレイン領域、ソース領域とし、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極１８を形成して駆動トランジスタＴｒ４が構成される。また、半導体領域５６、５７をドレイン領域、ソース領域とし、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極５９を形成して負荷トランジスタＴｒ５が構成される。そして、駆動トランジスタＴｒ４のソース領域に相当する半導体領域５６から出力端子ｔ２が取り出される。ソースフォロワ・アンプ１７は、１段、または複数段の構成とすることができる。フローティングディフージョン部ＦＤは、ソースフォロワ・アンプ１７の１段目の駆動トランジスタＴｒ４のゲート電極１８に接続される。このフローティングディフージョン部ＦＤとソースフォロワ・アンプ１７とによりフローティングディフージョン型アンプ９が構成される。

さらに、図３に示すように、水平転送レジスタ８の所要の水平転送電極３４を有する転送部に接続するように、水平転送レジスタ８の側部に対応する位置に、過剰電荷を排出する横型のオーバーフロードレイン機構１０が形成される。オーバーフロードレイン機構１０は、水平転送レジスタ８のｎ型の転送チャネル３２の側部、特にｎ領域によるストレージ部の側部に接するように、オーバーフローコントロールゲート領域２５と、ｎ^＋半導体領域６６によるオーバーフロードレイン領域２６とから構成される。

すなわち、オーバーフローコントロールゲート領域２５は、半導体基板３１に例えばストレージ部より低濃度のｎ⁻半導体領域６３を有し、このｎ⁻半導体領域６３上にゲート絶縁膜３３を介してオーバーフローコントロールゲート電極６４を形成して構成される。オーバーフローコントロールゲート電極６４には、所要の電圧が印加され、ｎ⁻半導体領域６３におけるポテンシャルバリアレベルΨ_ＯＦＣが前述した過剰電荷を排出できるレベルに設定される。オーバーフロードレイン領域６２のｎ^＋半導体領域６６には、所要の正電圧が印加される。なお、図３において、符号６７は、例えばｐ型半導体領域による水平転送レジスタのチャネルストップ領域を示す。

図４に、第１実施の形態に係る固体撮像装置の信号読み出しに係る出力部５の回路ブロックの構成を示す。図４において、図１に対応する部分には同一符号を付して示す。本回路ブロックは、受光センサ部２及び垂直転送レジスタ３からなる撮像領域７０と、水平転送レジスタ４を有する。この水平転送レジスタ４の出力側に順次フローティングゲート部１１、水平転送レジスタ８、フローティングディフージョン部ＦＤ、リセット用トランジスタ２１が接続され、水平転送レジスタ８にオーバーフロードレイン機構１０が接続される。

フローティングゲート部１１にソースフォロワ・アンプ１２が接続され、フローティングゲート型アンプ７が構成される。フローティングディフージョン部ＦＤにソースフォロワ・アンプ１７が接続され、フローティングディフージョン型アンプ９が構成される。フローティングゲート型アンプ７の出力側に、水平転送レジスタ４からの１ラインのアナログ画像データをデジタルデータに変換するための、第１アナログフロントエンド（ＡＦＥ）７１及び第１アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７３が接続される。この第１アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７３の出力側に第１フレームメモリ回路７５が接続される。

一方、フローティングディフージョン型アンプ９の出力側に、水平転送レジスタ４からの１ラインのアナログ画像データをデジタルデータに変換するための、第２アナログフロントエンド（ＡＦＥ）７２及び第２アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７４が接続される。この第２アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７４の出力側に第２フレームメモリ回路７６が接続される。

さらに、第１フレームメモリ回路７５の出力Ａと、第２フレームメモリ回路７６の出力Ｂを照合して、大信号量、小信号量に応じて出力Ａまたは出力Ｂのいずれか一方を総合出力として出力する照合回路７７が設けられる。

この照合回路７７では、フローティングゲート型アンプ７からの出力Ａと、フローティングディフージョン型アンプ９からの出力Ｂを照合するここで、図５に示すように、撮像領域７０からの信号量において、オーバーフロードレイン機構１０で過剰電荷が排出された後の残された信号量をＬｉｍｉｔ−ＯＦＤと呼ぶことにする。そして、照合回路７７において、出力Ａの信号レベルがＬｉｍｉｔ−ＯＦＤに相当するレベル以上、より好ましくは当該レベルを超えれば、総合出力として出力Ａを用いる。

また、出力Ａの信号を見て、信号レベルがＬｉｍｉｔ−ＯＦＤに相当するレベル以下、好ましくは当該レベルを超えなければ、総合出力として出力Ｂを用いる。ただし、出力Ａと出力Ｂを足した信号を用いることも可能であり、また、出力Ａの信号を用いることも可能なシステムとする。
信号量がＬｉｍｉｔ−ＯＦＤに等しいときは、原理的に総合出力として、フローティングゲート型アンプ７からの出力Ａ、フローティングディフージョン型アンプ９からの出力Ｂのいずれかを用いることができる。フローティングディフージョン型アンプ９のダイナミックレンジが上記「等しい」レベルを保障していればよい。

すなわち、図５の水平転送レジスタ４から転送される信号量Ｑsigにおいて、Ｌｉｍｉｔ−ＯＦＤを超える信号量Ｑsig１では、出力Ａを使用し、Ｌｉｍｉｔ−ＯＦＤを超えない信号量Ｑsig２では、出力Ｂを使用する。

この回路ブロックでは、元の信号がフローティングディフージョン型アンプ９のダイナミックレンジ限界内であり、またＬｉｍｉｔ−ＯＦＤより小さい範囲の小信号のときは総合出力としてフローティングディフージョン型アンプ９からの出力Ｂを採用する。元の信号がフローティングディフージョン型アンプ９のダイナミックレンジ限界内であり、またＬｉｍｉｔ−ＯＦＤより大きい信号のときは総合出力としてフローティングゲート型アンプ７からの出力Ａを採用する。

［動作及び駆動方法］
次に、第１実施の形態に係る固体撮像装置１の動作、及び駆動方法を説明する。受光センサ部２において、光電変換されて受光量に応じた信号電荷が蓄積される。この受光センサ部での受光蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部（図示せず）を通じて垂直転送レジスタ３に読み出される。読み出された信号電荷は、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４により順次垂直転送レジスタ３内を転送し、１ラインごとの信号電荷が水平転送レジスタ４に転送される。水平転送レジスタ４に転送れた信号電荷は、２相の水平駆動パルスφＨ１、φＨ２により順次水平転送レジスタ４内を転送し、出力部５に送られる。水平転送レジスタ４では、図２に示すように、各転送部において水平転送電極３４下のポテンシャル３０が階段状をなし、トランス部がストレージ部に対してポテンシャルバリアΨ_Ｂを有しているので、信号電荷ｅが逆方向に転送されることなく、順方向に転送される。

大信号量の電荷が転送されたときを説明する。大信号量の電荷が出力部５に送られると、先ず信号電荷は、第１の水平出力ゲート部３５からフローティングゲート部１１へ転送される。フローティングゲート部１１のフローティングゲート電極３７は、リセット状態の電位から信号電荷により変調される。その変調電圧が中・小変換利得のフローティングゲート型アンプ７におけるソースフォロワ・アンプ１２の駆動トランジスタＴｒ１のゲートに印加され、フローティングゲート型アンプ７から大信号が出力される。すなわち、大信号量の電荷はフローティングゲート型アンプ７から読み出される。

この大信号量の電荷は、フローティングゲート部１１を通過して後段の水平転送レジスタ８に転送され、前述の所要の電荷量を超えた過剰電荷がオーバーフローコントロールゲート領域２５を通じて、オーバーフロードレイン領域２６へ排出される。残りの信号電荷ｅは、水平転送レジスタ８の絞込み転送部２７を経て第２水平出力ゲート部４０よりフローティングディフージョン部ＦＤへ転送され、フローティングディフージョン部ＦＤの電位を変調させる。このフローティングディフージョン部ＦＤの電位が高変換利得のフローティングディフージョン型アンプ９におけるソースフォロワ・アンプ１７の駆動トランジスタＴｒ４のゲートに印加される。このフローティングディフージョン型アンプ９から残余の信号電荷に応じた小信号として出力される。

１画素毎に信号を読み出した後は、フローティングゲート電極３７の電位がリセット用トランジスタ１６によりリセットされ、また、フローティングディフージョン部ＦＤの電位がリセット用トランジスタ２１によりリセットされる。

そして、図４のブロック回路で示すように、フローティングゲート型アンプ７からの大信号は、第１アナログフロントエンド（ＡＦＥ）７１及び第１アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７３を通じて第１フレームメモリ回路７５に格納される。また、フローティングディフージョン型アンプ９からの残余の信号電荷に応じた小信号は、第２アナログフロントエンド（ＡＦＥ）７２及び第２アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７４を通じて第２フレームメモリ回路７６に格納される。これらのフレームメモリ回路７５及び７６からの出力が照合回路７７に入力され、両出力が照合され、判別される。

第１フレームメモリ回路７５からの大信号出力は、信号レベルがＬｉｍｉｔ−ＯＦＤに相当するレベルを超えているので、照合回路７７からは、総合出力としてフローティングゲート型アンプ７からの大信号が出力される。

次に、小信号量の電荷が転送されたときを説明する。小信号量の電荷が出力部５に送られると、先ず信号電荷は、第１の水平出力ゲート部３５からフローティングゲート部１１へ転送される。小信号量の電荷により変調されたフローティングゲート電極３７の変調電圧がソースフォロワ・アンプ１２の駆動トランジスタＴｒ１のゲートに印加され、中・小変換利得のフローティングゲート型アンプ７から小信号が出力される。

この小信号量の電荷は、フローティングゲート部１１を通過して後段の水平転送レジスタ８に転送される。小信号量の電荷は、前述の所要の電荷量を超えていないので、オーバーフロードレイン機構１０で排出されない。従って、この小信号量の電荷は、そのまま水平転送レジスタ８の絞込み転送部２７を経て第２水平出力ゲート部４０よりフローティングディフージョン部ＦＤへ転送され、フローティングディフージョン部ＦＤの電位を変調させる。このフローティングディフージョン部ＦＤの電位が高変換利得のフローティングディフージョン型アンプ９におけるソースフォロワ・アンプ１７の駆動トランジスタＴｒ４のゲートに印加される。そして、フローティングディフージョン型アンプ９から小信号量の電荷に応じた信号として出力される。すなわち、小信号量の電荷は、フローティングディフージョン型アンプ９から読み出される。

１画素毎に信号を読み出した後のフローティングゲート電極３７の電位のリセット、フローティングディフージョン部ＦＤの電位のリセットは、前述と同様である。

そして、図４のブロック回路で示すように、フローティングゲート型アンプ７からの小信号は、第１アナログフロントエンド（ＡＦＥ）７１及び第１アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７３を通じて第１フレームメモリ回路７５に格納される。また、フローティングディフージョン型アンプ９からの小信号は、第２アナログフロントエンド（ＡＦＥ）７２及び第２アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７４を通じて第２フレームメモリ回路７６に格納される。これらのフレームメモリ回路７５及び７６からの出力が照合回路７７に入力され、両出力が照合され、判別される。

第２フレームメモリ回路７６からの小信号出力は、信号レベルがＬｉｍｉｔ−ＯＦＤに相当するレベルを超えていないので、照合回路７７からは、総合出力としてフローティングディフージョン型アンプ９からの小信号が出力される。

第１実施の形態に係る固体撮像装置１及びその駆動方法によれば、水平転送レジスタ４の出力側に、出力部５として、中・小変換利得のフローティングゲート型アンプ７と、高変換利得のフローティングディフージョン型アンプ９を設置した構成を有している。そして、高変換利得のフローティングディフージョン型アンプ９を小信号用に特化することにより、小信号時の高Ｓ／Ｎ比を確保し、低照度撮像特性を向上することができる。また、フローティングゲート型アンプ７は、非破壊読み出しであり、ｋＴＣノイズが無い利点を有する。フローティングディフージョン型アンプ９の前段に設置したフローティングゲート型アンプ７で大信号を読み出すので、大信号時でも高Ｓ／Ｎ比、高いダイナミックレンジを維持することができる。

このように、フローティングゲート型アンプ７及びフローティングディフージョン型アンプ９の２つのアンプを設けることにより、広い光量範囲の入力信号に対応する出力部を有する固体撮像装置を構築することができる。

特に、比較的画素面積が大きく、受光センサ部や転送レジスタの取り扱い信号電荷の多い固体撮像装置において、高感度、高Ｓ／Ｎ比、高ダイナミックレンジの出力部を構成することができる。すなわち、大判型の固体撮像装置など比較的大画素で信号電荷量の多いＣＣＤ固体撮像装置において、低照度撮像で高Ｓ／Ｎ特性を確保し、大信号時でもダイナミックレンジを維持することができる。

中・小変換利得のフローティングゲート型アンプ７で大信号を読み出すので、大信号量の電荷が来ても得られる電圧は信号電荷量×変換利得となり、信号処理システムに支障を来たすことがない。

水平転送レジスタ８のローティングディフージョン部ＦＤ近傍では、転送チャネル幅ｄ１を漸次狭くした絞込み転送部２７を設けるので、フローティングディフージョン部ＦＤの面積を小さくすることができる。これにより、小信号用に取り扱い電荷量を小さくできると共に、高変換利得のフローティングディフージョン型アンプ９を構成することができる。

フローティングゲート型アンプ７の後段に、オーバーフロードレイン機構１０を設け、大信号量の電荷の一部を排出してフローティングディフージョン部ＦＤで取り扱える電荷量にしてフローティングディフージョン部ＦＤへ転送している。すなわち、オーバーフロードレイン機構１０は、フローティングゲート型アンプ７を通過した後の信号電荷のうち、フローティングディフージョン型アンプ９または絞込み転送部２７の取り扱い電荷量を超える過剰電荷を排出している。あるいはオーバーフロードレイン機構１０は、フローティングゲート型アンプのダイナミックレンジを越える過剰電荷を排出している。このため、取り扱い電荷量を小さくしたフローティングディフージョン部ＦＤに大信号量の電荷が転送されることが無く、フローティングディフージョン型アンプ９において不都合を生じることがない。

＜２．第２実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
上例では、フローティングゲート型アンプ７を１つ設置した構成としたが、フローティングゲート型アンプ７を電荷転送方向に沿って複数設置した構成とすることもできる。すなわち、図示しないが、図１において、水平転送レジスタ４の出力側に電荷転送方向にそって複数のフローティングゲート型アンプ７を設置する。その他の構成は、図２で説明したと同様である。本実施の形態の固体撮像装置では、各フローティングゲート型アンプ７から時間差を置いて信号が読み出されるが、この信号を後段処理回路、例えば遅延ラインを用いて時間軸を揃える。

第２実施の形態に係る固体撮像装置によれば、複数のフローティングゲート型アンプ７により、複数回（ｎ回）の信号読み出しを行うので、１／√ｎだけノイズが下がる利点を有する。その他、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。

上述した本発明に係る固体撮像装置は、ＩＴ型（インターライン型）、ＦＴ型（フレームトランスファー型）、ＦＩＴ型（フレームインターライントランスファー型）のＣＣＤ固体撮像装置に適用することができるものである。

＜３．第３実施の形態＞
［電子機器の構成例］
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。

図６に、本発明に係る電子機器の一例としてカメラに適用した第３実施の形態を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。本実施形態例のカメラ８１は、固体撮像装置８２と、固体撮像装置８２の受光センサ部に入射光を導く光学系８３と、シャッタ装置８４と、固体撮像装置８２を駆動する駆動回路８５と、固体撮像装置８２の出力信号を処理する信号処理回路８６とを有する。

固体撮像装置８２は、上述した各実施の形態の固体撮像装置のいずれかが適用される。光学系（光学レンズ）８３は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置８２の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置８２内に、一定期間信号電荷が蓄積される。光学系８３は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としてもよい。シャッタ装置８４は、固体撮像装置８２への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路８５は、固体撮像装置８２の転送動作及びシャッタ装置８４のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路８５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置８２の信号転送を行う。信号処理回路８６は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。

第３実施の形態に係る電子機器によれば、固体撮像装置において、画素サイズが大きく、また取り扱い電荷量が大きくても、高ダイナミックレンジ、高Ｓ／Ｎ比を維持することができるので、高品質の電子機器を提供することができる。例えば、画素サイズの大きい１眼レフカメラなどを提供することができる。

１・・ＣＣＤ固体撮像装置、２・・受光センサ部、３・・垂直転送レジスタ、４・・水平転送レジスタ、５・・出力部、７・・フローティングゲート型アンプ、８・・水平転送レジスタ、９・・フローティングディフージョン型アンプ、１０・・オーバーフロードレイン機構、１２・・ソースフォロワ・アンプ、１６・・リセットトランジスタ、ＦＤ・・フローティングディフージョン部、１７・・ソースフォロワ・アンプ、２１・・リセットトランジスタ、２６・・オーバーフローコントロール領域、２６・・オーバーフロードレイン領域、２７・・絞込み転送部

Claims (15)

1. 複数の受光センサ部と、
   前記受光センサ部の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、
   前記信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
   前記水平転送レジスタの出力側に設置されたフローティングゲート型アンプと、
   前記フローティングゲート型アンプの後段の水平転送レジスタに設置されたフローティングディフージョン型アンプと、
   前記フローティングゲート型アンプと前記フローティングディフージョン型アンプとの間の水平転送レジスタに設置されたオーバーフロードレイン機構と、
   前記フローティングゲート型アンプからの出力信号と、前記フローティングディフージョン型アンプからの出力信号と、前記オーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量とを照合し、総合出力を決定する照合回路と
   を有する固体撮像装置。
2. 前記照合回路において、元の信号が、フローティングディフージョン型アンプのダイナミックレンジ限界内であり、かつオーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量より小さい信号のとき、前記フローティングディフージョン型アンプの出力を採用し、
   元の信号が、前記残余の信号量より大きい信号のとき、前記フローティングゲート型アンプの出力を採用する
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記フローティングゲート型アンプは、前記フローティングディフージョン型アンプの変換利得より低い変換利得を有している
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記フローティングディフージョン型アンプを構成するフローティングディフージョン部の近傍の水平転送レジスタは、前記フローティングディフージョン部に向かって転送チャネル幅が狭くなる絞り込み転送部を有する
   請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記オーバーフロードレイン機構は、前記フローティングディフージョン型アンプのダイナミックレンジを越える過剰電荷を排出する
   請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記オーバーフロードレイン機構は、前記フローティングゲート型アンプを通過した信号電荷のうち、前記フローティングディフージョン型アンプまたは前記絞り込み転送部の取り扱い電荷量を超える過剰電荷を排出する
   請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記フローティングゲート型アンプで大信号量の電荷が読み出され、
   前記フローティングディフージョン型アンプで小信号量の電荷が読み出される
   請求項１記載の固体撮像装置。
8. 前記フローティングゲート型アンプで大信号量の電荷が読み出され、
   前記フローティングディフージョン型アンプで小信号量の電荷が読み出される
   請求項１記載の固体撮像装置。
9. 前記フローティングゲート型アンプは、前記水平転送レジスタの転送方向に複数設置されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
10. 水平転送レジスタ内を転送された大信号量の電荷をフローティングゲート型アンプで読み出し、
    前記水平転送レジスタ内を転送された小信号量の電荷を前記フローティングゲート型アンプの後段に設置され、前記フローティングゲート型アンプより高い変換利得のフローティングディフージョン型アンプで読み出し、
    前記フローティングゲート型アンプを通過した前記大信号量の電荷のうち、前記フローティングディフージョン型アンプのダイナミックレンジを越える過剰電荷をオーバーフロードレイン機構に排出し、
    前記フローティングゲート型アンプからの出力信号と、前記フローティングディフージョン型アンプからの出力信号と、前記オーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量とを照合し、総合出力を決定する
    固体撮像装置の駆動方法。
11. 元の信号が、フローティングディフージョン型アンプのダイナミックレンジ限界内であり、かつオーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量より小さい信号のとき、前記フローティングディフージョン型アンプの出力を採用し、
    元の信号が、前記残余の信号量より大きい信号のとき、前記フローティングゲート型アンプの出力を採用する
    請求項１０に記載の固体撮像装置の駆動方法。
12. 前記フローティングゲート型アンプを通過した前記大信号量の電荷のうち、前記フローティングディフージョン型アンプまたは前記フローティングディフージョン型アンプに向かって転送チャネル幅が狭くなる絞り込み転送部の取り扱い電荷量を超える過剰電荷をオーバーフロードレイン機構に排出する
    請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
13. 光学系と、
    固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備え、
    前記固体撮像装置は、
    複数の受光センサ部と、
    前記受光センサ部の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、
    前記信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
    前記水平転送レジスタの出力側に設置されたフローティングゲート型アンプと、
    前記フローティングゲート型アンプの後段の水平転送レジスタに設置されたフローティングディフージョン型アンプと、
    前記フローティングゲート型アンプと前記フローティングディフージョン型アンプとの間の水平転送レジスタに設置されたオーバーフロードレイン機構と、
    前記フローティングゲート型アンプからの出力信号と、前記フローティングディフージョン型アンプからの出力信号と、前記オーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量とを照合し、総合出力を決定する照合回路とを有する
    電子機器。
14. 前記固体撮像装置において、
    前記フローティングゲート型アンプは、前記フローティングディフージョン型アンプの変換利得より低い変換利得を有している
    請求項１３記載の電子機器。
15. 前記固体撮像装置において、
    前記フローティングゲート型アンプからの出力信号と、前記フローティングディフージョン型アンプからの出力信号を照合し、
    元の信号が、フローティングディフージョン型アンプのダイナミックレンジ限界内であり、かつオーバーフロードレイン機構による排出後の残余の信号量より小さい信号のとき、前記フローティングディフージョン型アンプの出力を採用し、
    元の信号が、前記残余の信号量より大きい信号のとき、前記フローティングゲート型アンプの出力を採用する
    請求項１３記載の電子機器。

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