JP5936386B2

JP5936386B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5936386B2
Application number: JP2012033366A
Authority: JP
Inventors: 小林　昌弘; 昌弘小林; 雄一郎山下; 毅小島; 一拓佐野
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Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: US20130214126A1; US9190449B2; JP2013172209A

Description

本発明は撮像装置に関するものであり、特に画素に信号保持部を有する構成に関する。

従来から、画素ごとに増幅素子を有する画素増幅型の撮像装置が知られている。画素増幅型撮像装置の各画素は、光電変換部と、増幅素子の入力ノードとで信号を保持することが可能となっている。このような画素増幅型の撮像装置において、撮像面全体で露光期間を等しくすることが可能なグローパル電子シャッタ技術が開発されている。グローバル電子シャッタを実現するための構成は複数知られているが、特に光電変換部と増幅素子の入力ノードとの間の電気経路にこれらとは別に信号保持部を有する構成が知られている。更には、光電変換部と増幅素子の入力ノードとの間に複数の信号保持部を有する構成も知られている（特許文献１、２）。

特開２００９−２９６５７４号公報特開２０１１−２１７３１５号公報

画素内に光電変換部及び増幅素子の入力ノード以外に信号保持部を配する場合には、この信号保持部には信号を保持している期間中に光が入射しないように遮光部材を配するのが一般的であった（例えば、特許文献２の００６５段落）。しかしながら、信号保持部の画素内での専有面積が増えると遮光部材の面積も大きくなり、これに伴い、光電変換部の感度が低下する。このような現象は特に画素内に複数の信号保持部を設けた場合に顕著となる。
本発明はこのような課題に鑑み、画素内に、光電変換部と増幅素子の入力ノード以外に、複数の信号保持部を設けた場合にも、光電変換部の感度低下を抑制することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で生じた信号電荷に基づく信号を増幅する増幅素子と、前記光電変換部と前記増幅素子の入力ノードとの間の電気経路に配された、第１信号保持部と前記第１信号保持部の後段に配された第２信号保持部と、を有する画素を複数有する撮像装置であって、前記第１信号保持部における信号の保持は、前記光電変換部における一露光期間内で行われ、前記第１信号保持部の遮光部材による被覆率が、前記第２信号保持部の遮光部材による被覆率よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、画素内に、複数の信号保持部を設けた場合にも、光電変換部の感度低下を抑制することが可能な撮像装置を提供することが可能となる。

本発明の撮像装置の全体ブロック図である。本発明の撮像装置の等価回路図である。実施例１の撮像装置の上面図である。実施例１の撮像装置の１画素の断面図である。実施例１の撮像装置の駆動パルス図である。実施例１の撮像装置の１画素のポテンシャル分布を示す図である。実施例２の撮像装置の撮像領域の上面図である。実施例３の撮像装置の撮像領域の上面図である。本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムのブロック図である。

本発明は、画素に増幅素子を有する画素増幅型の撮像装置に関するものである。具体的には、本発明の撮像装置は、光電変換部の出力ノードと画素の増幅素子の入力ノードとの間の電気経路に配された複数の信号保持部を有する。そして、複数の信号保持部が第１信号保持部、第１信号保持部の後段に配された第２信号保持部を含んでいる。

このような構成において、第１信号保持部における信号保持期間が、光電変換部における一露光期間と等しいもしくは包含されている。もしくは、一露光期間中の光電変換部と第１信号保持部の間のポテンシャル障壁の高さが、一露光期間中の第１信号保持部と第２信号保持部との間のポテンシャル障壁の高さよりも低い。

これらのいずれかの構成において、第１信号保持部の遮光部材による被覆率が、第２信号保持部の遮光部材による被覆率よりも低いことを特徴としている。

このような構成によれば、グローバル電子シャッタが可能な画素構成を提供するとともに、画素の感度を向上させることができる。

第１信号保持部における信号保持期間が、光電変換部における一露光期間と等しいもしくは包含されている場合においては、露光期間中に第１信号保持部に光が入射して信号電荷と同極性の電荷が発生してもノイズにならない。つまり、このような電荷を信号電荷として取り扱うことができる。したがって、第１信号保持部の遮光部材による被覆率を低減させても、実質的に信号電荷が増えることになり感度が向上する。もしくは、遮光部材の面積を小さくすることができるため、垂直方向に対して一定の角度を有して入射する光に対する感度を向上させることができる。これは高Ｆ値（例えばＦ値４．０より高い）のレンズを用いた場合に特に効果が高い。もしくは撮像装置の撮像面の面積が大きく、撮像面の周辺部において、光の入射角度が垂直方向に対して大きく傾いている場合に特に効果が高い。たとえば、ＡＰＳ−Ｃ以上のサイズの撮像装置に適用すると効果が高い。

一露光期間中の光電変換部と第１信号保持部の間のポテンシャル障壁の高さが、一露光期間中の第１信号保持部と第２信号保持部との間のポテンシャル障壁の高さよりも低い場合にも同様のことが言える。光電変換部での一露光期間において、光電変換部で生じた信号電荷のうち一定量が第１信号保持部に移動しやすくなる。そして、信号電荷が第１信号保持部に移動した後は、第１信号保持部と第２信号保持部との間のポテンシャル障壁の高さが高いため、第１信号保持部で保持される。つまり、光電変換部の露光期間中に第１信号保持部において信号電荷が蓄積され得る構成となる。これに対して、第２信号保持部での信号の保持期間は画素の露光期間と必ずしも一致しない。撮像面における位置によって、画素外に信号が読み出される順番が異なるため、読み出されるタイミングに応じて第２信号保持部における保持期間も異なるのである。このような第２信号保持部は従来どおり遮光部材により入射光をできるだけ低減させることが必要となる。露光期間中に第２信号保持部に光が入射し、これにより生じた電荷が第２信号保持部に混入した場合にはノイズ成分となるためである。したがって第１信号保持部の遮光部材による被覆率を第２信号保持部の遮光部材による被覆率よりも小さくするのが好ましい。

ここで被覆率に関して説明する。ここでの被覆率とは、遮光部材の信号保持部に対する正射影像と、各信号保持部との重なり部分の面積の比率を指す。

次に、図１を用いて本発明に適用可能な撮像装置の全体ブロック図の例を説明する。撮像装置１は半導体基板を用いて１つのチップで構成することができる。撮像装置１は、複数の画素が配された撮像領域２を有している。更に、撮像装置１は制御部３を有している。制御部３は、垂直走査部４、信号処理部５及び出力部６に制御信号、電源電圧等を供給する。

垂直走査部４は撮像領域２に配された複数の画素に駆動パルスを供給する。通常、画素行ごともしくは複数の画素行ごとに駆動パルスを供給する。垂直走査部４はシフトレジスタもしくはアドレスデコーダにより構成することができる。

信号処理部５は、列回路、水平走査回路、水平出力線を含んで構成される。列回路は、各々が、垂直走査部４により選択された画素行に含まれる複数の画素の信号を受ける複数の回路ブロックにより構成されている。各回路ブロックは、信号保持部、増幅回路、ノイズ除去回路、アナログデジタル変換回路のいずれか、全て、もしくはそれらの組み合わせにより構成することができる。水平走査回路はシフトレジスタもしくはアドレスデコーダにより構成することができる。

出力部６は水平出力線を介して伝達された信号を撮像装置１外に出力する。出力部６は、バッファもしくは増幅回路を含んで構成されている。

図２に本発明に適用可能な撮像装置の撮像領域の等価回路図を示す。ここでは、２行３列の計６画素を示しているが、更に多数の画素を配して撮像領域が構成されていてもよい。

光電変換部８は入射光をホール、電子対に変換する。Ｏ−ｎｏｄｅは光電変換部８の出力ノードである。光電変換部８の例としてフォトダイオードを示している。

第１電荷転送部９は、光電変換部８で生成したホールもしくは電子を後段の回路素子へ転送する。以降では信号電荷として電子を用いる場合を例に説明する。第１電荷転送部９は半導体基板上に絶縁膜を介して配された制御電極を含んで構成され得る。

第１信号保持部１０は光電変換部８で生成した電子を保持する。第２電荷転送部１１は第１信号保持部１０で保持した電子を後段の回路素子へ転送する。第２電荷転送部１１は半導体基板上に絶縁膜を介して配された制御電極を含んで構成され得る。

第２信号保持部１２は、第１信号保持部１０から第２電荷転送部１１を介して転送された電子を保持する。

第３電荷転送部１３は、第２信号保持部１２で保持された電子を後段の回路素子へ転送する。第３電荷転送部１３は半導体基板上に絶縁膜を介して配されたゲート電極を含んで構成され得る。

増幅素子の入力ノード１４は、第２信号保持部１２から第３電荷転送部１３を介して転送された電子を保持可能な構成である。増幅素子の入力ノード１４は半導体基板に配されたフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）を含んで構成することができる。増幅素子１５は入力ノード１４に転送された電子に基づく信号を増幅して垂直信号線２０へ出力する。ここでは増幅素子１５としてトランジスタ（以下増幅トランジスタ）を用いている。例えば増幅トランジスタはソースフォロワ動作をする。

第４電荷転送部７は光電変換部８の電子をオーバーフロードレイン領域（ＯＦＤ領域）へ転送する。ＯＦＤ領域は、例えば電源電圧を供給する電圧配線１６に電気的に接続されたＮ型の半導体領域により構成することができる。第４電荷転送部７は半導体基板上に絶縁膜を介して配された制御電極を含んで構成され得る。

リセット部１７は、増幅素子の入力ノード１４に基準電圧を供給する。リセット部１７は増幅素子の入力ノード１４で保持された電子をリセットする。ここではリセット部１７としてトランジスタ（以下、リセットトランジスタ）を用いている。

選択部１８は、各画素を選択して画素毎もしくは画素行ごとに画素の信号を垂直信号線２０へ読み出す。ここでは選択部１８としてトランジスタ（以下、選択トランジスタ）を用いている。

リセットトランジスタのドレイン及び選択トランジスタのドレインには電源電圧供給配線１９を介して所定の電圧が供給されている。

リセット制御配線２１は、リセットトランジスタのゲートに制御パルスを供給する。選択制御配線２２は、選択トランジスタのゲートに制御パルスを供給する。第３転送制御配線２３は、第３電荷転送部１３を構成する制御電極（以下、第３制御ゲート）に制御パルスを供給する。第２転送制御配線２４は、第２電荷転送部１１を構成する制御電極（以下、第２制御ゲート）に制御パルスを供給する。第１転送制御配線２５は第１電荷転送部９を構成する制御電極（以下、第１制御ゲート）に制御パルスを供給する。第４電荷転送制御配線２６は第４電荷転送部７を構成する制御電極（以下、第４制御ゲート）に制御パルスを供給する。各制御ゲートに供給されるパルス値により、各制御ゲート下の半導体領域のポテンシャル障壁の高さを変化させることが可能となる。

本発明は、図２に例示した等価回路により示される撮像領域を有する撮像装置において、光電変換部８と第１信号保持部１０との間の電気経路の構造が以下の構成を有している場合に特に効果が高い。その構成とは、光電変換部８と第１信号保持部１０との間の電気経路に配された第１電荷転送部９が非導通状態で、光電変換部８から第１信号保持部１０へ電子が移動可能な構成である。ここで非導通状態とは、第１電荷転送部９に供給されるパルス値のうち、生じるポテンシャル障壁が最も高いパルス値を供給された状態である。したがって、いわゆる完全にオフになっている必要はなく、完全にオンした場合に比べて何らかのポテンシャル障壁が生じている状態も含む。

例えば具体的な構成としては、第１電荷転送部１０をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタを埋め込みチャネル構造とすることで実現することができる。より一般的にいえば、第１電荷転送部１０が非導通状態の時に表面よりも深い領域に表面よりも電子に対するポテンシャル障壁が低くなっている部分が存在している構成である。この場合には第１電荷転送部１０に供給される制御パルスを固定値とすることもできる。つまり導通状態と非導通状態との２状態を切り替え可能な構成としなくとも固定のポテンシャル障壁としても良い。このような構成によれば、光電変換部８に光が入射した際に光電変換により生成した電子の大半が露光期間中に第１信号保持部１０へ移動する。したがって、撮像面の全ての画素の蓄積時間を揃えることが可能となる。

更に、第１電荷転送部１０が非導通状態となっていると表面にホールが蓄積される。そして、電子が移動するチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面を電子が移動する場合に比べて暗電流の影響を低減することが可能となる。

本発明は以上説明した撮像装置に適用するとより高い効果を得ることができる。以下、本発明を、実施例をあげて具体的に説明する。以下の説明では、信号電荷として電子を用いた場合に関して説明する。信号電荷としてホールを用いる場合は各半導体領域の導電型を反対導電型とすればよい。

（実施例１）
図３〜５を用いて本実施例の撮像装置を説明する。

図３に本実施例の撮像装置の上面図を示す。ここでは２行３列の計６画素を示しているが更に多数の画素が配されて撮像領域を構成していてもよい。

画素１００は、光電変換部１０１、第１電荷転送部１０２、第１信号保持部１０３、第２電荷転送部１０４を有している。更に画素は、第２信号保持部１０５、第３電荷転送部１０６、ＦＤ領域１０７、リセットトランジスタ１０８、増幅トランジスタ１０９、選択トランジスタ１１０を有している。更に、画素１００は、第４電荷転送部１１１、オーバーフロードレイン領域（以下ＯＦＤ領域）１１２を有している。

図２で説明した部材と同じ名称の部材は、同様の機能を有する部材であるため詳細な説明は省略する。ＦＤ領域１０７は、第２信号保持部１０５で保持された電子が転送されるＮ型の半導体領域を含んで構成される。

グレーでハッチングされた部分は遮光部材１１３であり、第２信号保持部１０５の全体及び第１信号保持部１０３の一部を覆って配されている。ここでの第２信号保持部１０５の遮光部材による被覆率は９５％以上である。被覆されていない部分は後述のようにプラグが配される領域のみである。図では画素を構成する各部材との大小関係が分かりやすいように、いちばん右の列に関しては遮光部材を省略している。

遮光部材１１３は第１信号保持部１０３上から第１信号保持部１０３と第２信号保持部１０５との間の領域を覆って、第２信号保持部１０５上まで連続的に配されている。好ましくは、第２信号保持部１０５に入射し得る光の全部を遮光し、第１信号保持部１０３に入射する光の少なくとも一部を遮光する。言い換えると、第１信号保持部１０３には露光期間中に光の一部が入射し得る構成となっている。

第１開口１１４は第１信号保持部１０１を構成する制御電極に制御パルスを供給するための導電体を配するために設けられている。同様に第２開口１１５は第２信号保持部１０５を構成する制御電極に制御パルスを供給するための導電体を配するために設けられている。

遮光部材１１３は配線層を構成する金属を用いることができる。もしくは異なる配線層問、配線と半導体領域間の電気的接続をするためのプラグを構成する金属を用いることができる。遮光部材１１３はできるだけ半導体基板に近い場所に配された方が好ましい。最も半導体基板の近くに配された配線層を構成する金属、もしくは最下層の配線層と半導体領域とを電気的に接続するプラグの金属を用いるのが良い。もしくは最下層の配線層と半導体基板との聞に遮光部材１１３専用の金属を配してもよい。本例では本実施例において必須である信号保持部の遮光部材のみ図示しているが、他の画素回路を構成するトランジスタ上にも遮光部材を配してもよい。もしくは他の画素回路を構成するトランジスタを配線により遮光してもよい。

本図から明らかなように、平面視において、第２信号保持部１０５は全体が遮光部材１１３の外縁の内側に配されており、第１信号保持部１０３の一部は遮光部材１１３の外縁の内側に配され、他の一部が外縁の外側に配されている。

図４に図３のＡ−Ａ´における断面図を示す。図３と同様の機能を有する部材には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

Ｎ型の半導体基板３００にＰ型の半導体領域３０１が配される。Ｐ型の半導体領域３０１とＰＮ接合を構成するように、Ｎ型の半導体領域３０２が配される。Ｎ型の半導体領域３０２の表面側にはＰ型の半導体領域３０３が配される。Ｐ型の半導体領域３０１、Ｎ型の半導体領域３０２、Ｐ型の半導体領域３０３によりいわゆる埋め込み型のフォトダイオードが構成されている。

光電変換部１０１で生じた電子は、第１チャネル３０４を移動し、第１信号保持部１０３を構成するＮ型の半導体領域３０５に到達する。Ｎ型の半導体領域３０５で保持された電子は、第２チャネル３０６を移動し、第２信号保持部１０５を構成するＮ型の半導体領域３０７に到達する。Ｎ型の半導体領域３０７で保持された電子は、第３チャネル３０８を移動し、ＦＤ領域を構成するＮ型の半導体領域３０９へ到達する。また、光電変換部１０１の電子は、第４転送ゲート３１４を介して、ＯＦＤ領域を構成するＮ型の半導体領域３１０に排出可能となっている。

第１制御ゲート３１１は第１チャネル３０４及びＮ型の半導体領域３０５の上部に絶縁体を介して配されている。第１制御ゲート３１１は、第１電荷転送部１０２及び第１信号保持部１０３で兼用されている。

第１電荷転送部１０２は、第１チャネル３０４及び第１チャネル３０４上に絶縁膜を介して配された第１制御ゲート３１１の一部を含んで構成されている。

第１信号保持部１０３は、Ｎ型の半導体領域（第１半導体領域）３０５と、Ｎ型の半導体領域３０５とＰＮ接合を構成するＰ型の半導体領域（第３半導体領域）３０１を含む。更に、第１信号保持部１０３は、絶縁膜を介してＮ型の半導体領域３０５上に配された第１制御ゲート３１１の一部を含んで構成されている。

第２制御ゲート３１２は第２チャネル３０６及びＮ型の半導体領域３０７上部に絶縁体を介して配されている。第２制御ゲート３１２は、第２電荷転送部１０４及び第２信号保持部１０５で兼用されている。

第２電荷転送部１０４は、第２チャネル３０６及び第２チャネル３０６上に絶縁膜を介して配された第２制御ゲート３１２の一部を含んで構成されている。

第２信号保持部１０５は、Ｎ型の半導体領域３０７（第２半導体領域）と、Ｎ型の半導体領域３０７とＰＮ接合を構成するＰ型の半導体領域３０１を含む。更に、第２信号保持部１０３は、絶縁膜を介してＮ型の半導体領域３０７上に配された第２制御ゲート３１２の一部を含んで構成されている。

第３制御ゲート３１３は第３チャネル３０８上部に絶縁膜を介して配されている。

第３電荷転送部１０６は、第３チャネル３０８と、第３制御ゲート３１３を含んで構成されている。

遮光部材１１３は第１信号保持部１０３の光電変換部１０１側の端部から所定距離離れた領域から、第２電荷転送部１０４及び第２信号保持部１０５の上部を覆っている。更に、第３電荷転送部１０６の上部のＦＤ領域側の端部から所定距離離れたところまで連続的に配されている。本図では遮光部材１１３が第１信号保持部１０３の光電変換部側の一部を覆わない構成となっている。

しかしながらこれに限るものではなく、図のように制御ゲート３１１を第１電荷転送部１０２と、第１信号保持部１０３とで兼用する場合には、少なくとも。制御ゲート３１１の光電変換部の端部を覆わない構成としてもよい。

このような構成によれば、光電変換部に対する遮光部材３１１の影響が小さくなるため、光電変換部１０１の感度を向上させることができる。更に、垂直方向に対して一定の角度をもって入射する光の画素位置に対する影響を低減させることが可能となる。

または、第１信号保持部１０３を構成するＮ型の半導体領域３０５もしくはＰ型の半導体領域３０１において光電変換された電子をＮ型の半導体領域３０５において蓄積することができる。これによって画素の感度を向上させることが可能となる。

図５に本実施例の撮像装置の駆動パルス図を示す。撮像面で露光時間が同一であるグローパル電子シャッタ動作を行う場合のパルス図である。カッコ内の数字は行数を示しており、本図では、１行目、２行目の画素に供給される駆動パルスを示している。ＰＳＥＬは選択トランジスタのゲートに供給される駆動パルスを示している。ＰＲＥＳはリセットトランジスタのゲートに供給される駆動パルスを示している。ＰＴＸ１は第１電荷転送ゲートに供給される駆動パルスを示している。ＰＴＸ２は第２電荷転送ゲートに供給される駆動パルスを示している。ＰＴＸ３は第３電荷転送ゲートに供給される駆動パルスを示している。ＯＦＤ１は第４電荷転送ゲートに供給される！駆動パルスを示している。ＰＴＳは、例えば列回路に配された信号保持部により光信号をサンプルホールドするための駆動パルスを示している。ＰＴＮは、例えば列回路に配された信号保持部によりノイズ信号をサンプルホールドするための駆動パルスを示している。全てハイレベルで導通状態となる。

時刻ｔ１以前は、撮像面における全ての行のＰＲＥＳがハイレベルとなっている。ここで図示する他の全てのパルスはローレベルである。

時刻ｔ１において、ＰＲＥＳがハイレベルを維持した状態で、撮像面における全ての行のＰＴＸ１、ＰＴＸ２、ＰＴＸ３、ＰＯＦＤがローレベルからハイレベルへ遷移する。これにより光電変換部１０１及び第１信号保持部１０３及び第２信号保持部１０５がリセットされる。

時刻ｔ２において、撮像面における全ての行のＰＴＸｌ、ＰＴＸ２、ＰＴＸ３、ＰＯＦＤがハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により撮像面の全画素において露光期間が開始する。露光期間中は光電変換部１０１で生じた電子のうち所定量の電子は、第１信号保持部１０３へ移動する。

所定期間経過後、時刻ｔ３において撮像面における全ての行のＰＴＸｌがローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻ｔ４において撮像面における全ての行のＰＴＸｌがハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により光電変換部１０１に残っていた電子が第１信号保持部１０３へ転送される。この動作により露光期間が終了する。

時刻ｔ５において、撮像面の全ての行のＰＴＸ２及びＰＯＦＤがローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻ｔ６において、撮像面の全ての行のＰＴＸ２及びＰＯＦＤがハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により、第１信号保持部１０３で保持されていた電子が、第２信号保持部１０５へ転送される。またＰＯＦＤが導通することで、光電変換部１０１と第１信号保持部１０３との間のポテンシャル障壁の高さよりも光電変換部１０１とＯＦＤ領域１１２との間のポテンシャル障壁の高さの方が低くなる。これにより光電変換部１０１で生じた電子が第１電荷保持部１０３へ移動せずに、ＯＦＤ領域１１２へ移動するようになる。

時刻ｔ７において、ＰＳＥＬ（１）がローレベルからハイレベルへ遷移する。この動作により１行目の画素の信号が垂直信号線に出力され得る状態となる。更にＰＲＥＳ（１）がハイレベルからローレベルへ遷移する。これにより、増幅素子の入力ノード１０７のリセット動作が完了する。

時刻ｔ８において、ＰＴＮがローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻ｔ９において、ＰＴＮがハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により例えば列回路に配されたノイズ信号保持部においてノイズ信号が保持される。

時刻ｔ１０において、ＰＴＸ３（１）がローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻ｔ１１においてＰＴＸ３（１）がハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により、１行目の画素の第２信号保持部１０５で保持されていた電子が、増幅素子の入力ノード１０７に転送される。

時刻ｔ１２においてＰＴＳがローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻ｔ１３において、ＰＴＳがハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により例えば列回路に配された光信号保持部においてノイズ信号が重畳した光信号が保持される。

時刻ｔ１４において、ＰＳＥＬ（１）がハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により１行目の画素の信号の読み出し期間が終了する。１行目の画素の読み出し期間は。期間ｔ７−ｔ１４となる。更に時刻ｔ１４において、ＰＲＥＳ（１）がローレベルからハイレベルへ遷移する。

この後、期間ｔ１５−２２において２行目の画素の信号の読み出しが行われる。１行目と同様の動作であるため詳細な説明は省略する。

このような動作によって撮像面全体で、露光期間を等しくすることが可能となる。本動作においては、第２信号保持部１０５の転送までは撮像面全体で同時に行う。具体的な時刻としては時刻ｔ６である。この動作を繰り返すことで撮像面における全行の読み出しを行なう。

図６は、図５に示した駆動パルス図のそれぞれの時刻、期間においてのポテンシャル障壁の高さの関係を示したものである。

図６（ａ）は期間ｔ１−ｔ２におけるポテンシャル状態を示す図である。図５で説明したように、期間ｔ１−ｔ２においては、第１電荷転送部ＴＸ１、第２電荷転送部ＴＸ２、第３電荷転送部ＴＸ３、第４電荷転送部ＴＸ４にすべてハイレベルのパルスが供給される。つまりすべての電荷転送部において生じるポテンシャル障壁が低い状態となっている。光電変換部ＰＤで生じた電子はＯＦＤ領域１１２もしくはリセットトランジスタのドレイン（不図示）に排出され光電変換部ＰＤ、第１信号保持部ＭＥＭ１、第２信号保持部ＭＥＭ２には電子が存在しない。

この時の電子に対する好適なポテンシャル状態としては、光電変換部ＰＤが最も高いポテンシャルとなっている。更に、図示するように、光電変換部ＰＤから増幅素子の入力ノードＦＤまで順にポテンシャルが低くなっている状態が好ましい。

図６（ｂ）、（ｃ）は期間ｔ２−ｔ３、つまり露光期間中のポテンシャル状態を示す図である。

第１電荷転送部ＴＸ１が非導通状態となり、図６（ａ）の場合に比べて、光電変換部ＰＤと第１信号保持部ＭＥＭ１との間のポテンシャル障壁の高さが高くなっている。そして図６（ｂ）では少量の電子が光電変換部ＰＤで蓄積されている。更に、第４電荷転送部ＴＸ４が非導通状態となっている。また、図６（ａ）の場合に比べて光電変換部ＰＤとＯＦＤ領域との開のポテンシャル障壁の高さが高くなっている。更に、図６（ｂ）の状態において、第１電荷転送部ＴＸ１に生じるポテンシャル障壁の高さは、第４電荷転送部ＴＸ４に生じるポテンシャル障壁の高さよりも低い。

図６（ｃ）はポテンシャル状態は図６（ｂ）と同じだが、光電変換部ＰＤへの入射光量が異なる。光電変換部ＰＤに一定以上の電子が生じた場合には、第１電荷転送部ＴＸ１に生じたポテンシャル障壁を乗り越えて、第１信号保持部ＭＥＭ１に電子は移動する。つまり、所定量以上の光が入射した場合には、期間ｔ２−ｔ３の露光期間中は光電変換部ＰＤと第１信号保持部ＭＥＭ１とで電子を保持している。

図６（ｄ）は期間ｔ３−ｔ４におけるポテンシャル状態を示す図である。

光電変換部ＰＤで蓄積されていた電子が第１信号保持部ＭＥＭ１に転送される。光電変換部ＰＤの電子の転送効率を高めるためには、光電変換部ＰＤのポテンシャルよりも第１電荷転送部ＴＸ１の導通時のポテンシャル障壁が低くなっているとよい。更に、第１信号保持部ＭＥＭ１のポテンシャルが光電変換部ＰＤのポテンシャルよりも低い方が良い。本例では、制御ゲートが第１電荷転送部ＴＸ１と第１信号保持部ＭＥＭ１とで兼用されているため、第１電荷転送部ＴＸ１に導通パルスを供給すると、第１電荷保持部ＭＥＭ１のポテンシャルも低くなる。

図６（ｅ）は期間ｔ４−ｔ５のポテンシャル状態を示す図である。第１電荷転送部ＴＸ１が非導通となり、第２電荷転送部ＴＸ２が導通となる前の状態を示している。第１信号保持部ＭＥＭ１には第１電荷転送部ＴＸ１に生じるポテンシャル障壁で決まる量の電子が蓄積されている。

図６（ｆ）は期間ｔ５−ｔ６におけるポテンシャル状態を示す図である。第１信号保持部ＭＥＭ１で保持されていた電子が第２電荷転送部ＴＸ２を介して第２信号保持部ＭＥＭ２に転送される。第１信号保持部ＭＥＭ１からの電子の転送効率を高めるためには、第１信号保持部ＭＥＭ１のポテンシャルよりも第２電荷転送部ＴＸ２の導通時のポテンシャル障壁の高さが低い方がよい。更に、第２信号保持部ＭＥＭ２のポテンシャルが第１信号保持部ＭＥＭ１のポテンシャルよりも低い方が良い。

図６（ｇ）は１行目の画素の期間ｔ６−ｔ１０、２行目の画素の期間ｔ６−ｔ１８におけるポテンシャル状態を示す図である。第２電荷転送部ＴＸ２が非導通状態となった後、第３電荷転送部ＴＸ３が導通するまでの期間である。この期間は画素行ごとに異なる。

第２電荷転送部ＴＸ２及び第３電荷転送部ＴＸ３がともに非導通状態となっており、これらのポテンシャル障壁により第２信号保持部ＭＥＭ２に電子を蓄積している。

図６（ｈ）は１行目の画素の期間ｔ１０−ｔ１１、２行目の画素のｔ１８−ｔ１９におけるポテンシャル状態を示す図である。第３電荷転送部ＴＸ３が導通状態となり、第２信号保持部ＭＥＭ２で保持されていた電子が増幅素子の入力ノードＦＤに転送される。第２信号保持部ＭＥＭ２からの電子の転送効率を高めるためには、第２信号保持部ＭＥＭ２のポテンシャルの高さよりも第３電荷転送部ＴＸ３の導通時のポテンシャル障壁の高さが低い方がよい。更に、増幅素子の入力ノードＦＤのポテンシャルの高さが第２信号保持部ＭＥＭ２のポテンシャルの高さよりも低い方が良い。

図６（ｉ）は１行目の画素の時刻ｔ１１以降、２行目の画素の時刻ｔ１９以降の期間におけるポテンシャル状態を示す図である。第３電荷転送部ＴＸ３が非導通状態となった後のポテンシャル状態を示す図である。光電変換部ＰＤには光が入射しているものの、第４電荷転送部ＴＸ４によりＯＦＤ領域へ電子は排出される。また、第１信号保持部の遮光部材による被覆率が相対的に低いため、第１信号保持部にも電子が混入し得る。しかしながら、第１電荷転送部ＴＸ１のポテンシャル障壁の高さに比べて、第２電荷転送部ＴＸ２のポテンシャル障壁の高さが高いため第２電荷保持部ＭＥＭ２には電荷は混入しにくい構成となっている。更に、次フレームの読み出しをする際に、図６（ａ）で示したポテンシャル状態とすることで、たとえ第１電荷保持部ＭＥＭ１に電荷が混入していても、画質に与える影響を低くすることができる。

（実施例２）
図７に本実施例の撮像装置の上面図を示す。実施例１と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。本実施例の実施例１と異なる特徴部分は遮光部材７１３の形状である。

本実施例の遮光部材７１３の形状は第２信号保持部１０５上から第１信号保持部１０３上に向けて一部が凸形状となり張り出した構成となっている。言い方を変えると、第１信号保持部１０３の光電変換部側に加えて、光電変換部側と反対側の端部も遮光部材７１３が配されていない構成である。

更に本実施例においては、第１電荷転送部１０２の電荷が移動する方向と第２電荷転送部１０４の電荷が移動する方向とが異なる。ここでは９０度の方向となっている。このような構成によれば、画素を正方形に近づけることができ、画素レイアウトを縮小することが容易となる。ただし、実施例１のような構成に対しても本実施例のような遮光部材を適用してもよい。

このような構成によれば、更に画素の感度を向上させることができる。

（実施例３）
図８に本実施例の撮像装置の上面図を示す。実施例１，２と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。本実施例の実施例１，２との違いは遮光部材８１３の形状である。実施例１、２においては、第２信号保持部１０５はプラグを配する部分を除いて全体を遮光部材が覆っていた。それに対して本実施例は第２信号保持部のプラグを配する部分以外の一部を開口している。特に第２電荷保持部１０５が隣接する画素の光電変換部１０１に隣接する場合に、隣接する画素の光電変換部側に開口部を設けるのがよい。このような構成にすることで、更に、斜め方向から入射する光を多く取り込むことが可能となる。

以上具体的に本発明を実施例を挙げて具体的に説明したが、発明の思想、概念を超えない限り適宜変更、修正、追加は可能である。

例えば、画素構造としては、画素の増幅トランジスタのドレインと電源電圧との間に選択トランジスタを設ける構成としたが、選択トランジスタを増幅トランジスタのソースと垂直信号線との間に設けてもよい。更に、増幅トランジスタの入力ノードの電圧を切り替える構成を有することで画素の選択動作を行なってもよい。更に複数の画素において、増幅トランジスタなどがそのトランジスタの一部を共有する構成としてもよい。

また実施例では信号保持部を２つ有する構成に関して説明したがこれに限るものではない。複数有しており、そのうちの２つが実施例で説明した関係を有していればよい。

（撮像システムへの応用）
図９に、上述の各実施形態の撮像装置を適用可能な撮像システムの一例を示す。

図９において、１１０１は被写体の光学像を撮像装置１１０５に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置１１０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。１１０３はメカニカルシャッタでシャッタ制御手段１１０４によって制御される。本発明の構成によればグローバル電子シャッタを行なうことができるためメカニカルシャッタは必ずしも必要ではない。ただしモードに応じて、グローバル電子シャッタとメカニカルシャッタとを切り替え可能なように構成してもよい。１１０５はレンズ部１１０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像装置、１１０６は撮像装置１１０５から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする撮像信号処理回路である。１１０７は撮像装置１１０５、撮像信号処理回路１１０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生回路である。１１０９は各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路、１１０８は画像データを一時的に記憶する為のメモリ、１１１０は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェースである。１１１１は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１１２は各種情報や撮影画像を表示する表示部である。

次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路１１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、レリーズボタン（図示せず）が押されると、撮像装置１１０５からのデータを元に測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を制御回路１１０９で行う。その後、レンズ駆動装置１１０２によりレンズ部を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部を駆動し測距を行う。測距演算は、撮像素子からのデータで求める以外にも、測距専用装置（図示せず）で行っても良い。

そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。撮影動作が終了すると、固体撮像素子１１０５から出力された画像信号は撮影信号処理回路１１０６で画像処理をされ、制御回路１１０９によりメモリに書き込まれる。撮影信号処理回路では、並べ替え処理、加算処理やその選択処理が行われる。メモリ１１０８に蓄積されたデータは、制御回路１１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１１１に記録される。

また、外部Ｉ／Ｆ部（図示せず）を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行っても良い。

１０１光電変換部
１０８増幅素子
１０３第１信号保持部
１０５第２信号保持部
１１３遮光部材

Claims

光電変換部と、信号電荷に基づく信号を増幅する増幅素子と、前記増幅素子の入力ノードに含まれるフローティングディフュージョン領域と、前記光電変換部で生じた前記信号電荷を保持する第１信号保持部と、前記第１信号保持部から転送された前記信号電荷を保持する第２信号保持部と、前記光電変換部で生じた前記信号電荷を前記第１信号保持部へ転送する第１電荷転送部と、前記第１信号保持部で保持した前記信号電荷を前記第２信号保持部へ転送する第２電荷転送部と、前記第２信号保持部で保持した前記信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する第３電荷転送部と、を有する画素を複数有する撮像装置であって、
前記第１信号保持部は前記信号電荷と同導電型の第１半導体領域を有し、
前記第２信号保持部は前記信号電荷と同導電型の第２半導体領域を有し、
前記第１半導体領域の上部に配された遮光部材が前記第１半導体領域を被覆する被覆率が、前記第２半導体領域の上部に配された遮光部材が前記第２半導体領域を被覆する被覆率よりも小さいことを特徴とする撮像装置。
前記第１電荷転送部の非導通時における前記光電変換部と前記第１信号保持部との間の前記信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さが、前記第２電荷転送部の非導通時における前記第１信号保持部と前記第２信号保持部との間の前記信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さよりも低いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記第１信号保持部が、前記第１半導体領域と、前記第１半導体領域とＰＮ接合を構成する第３半導体領域と、前記第１半導体領域の上部に配された、制御電極を含んで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記第１半導体領域もしくは前記第３半導体領域において光電変換された、前記信号電荷が、前記第１半導体領域において蓄積されることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
前記第１半導体領域の上部に配された前記遮光部材の前記光電変換部側の端部は、前記制御電極の前記光電変換部側の端部よりも前記光電変換部側から離れていることを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
前記遮光部材は、前記第１半導体領域の一部の領域の上部から、前記第２半導体領域の上部まで連続的に配されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記光電変換部に生じた電荷の排出が終了してから、前記第１電荷転送部を導通状態から非導通状態にするまでの期間に、前記第１信号保持部で生じた前記信号電荷を前記第１信号保持部にて保持することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。