JPH10223875A

JPH10223875A - 固体撮像装置及びその駆動方法及び電子スチルカメラ

Info

Publication number: JPH10223875A
Application number: JP9036926A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Shibata; 英紀柴田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】低消費電力で再生画面にムラが発生せずにダ
イナミックレンジの拡大をはかり逆光での撮影を可能と
するＭＯＳ型固体撮像装置を提供する。【解決手段】各画素の受光部の信号電荷を電圧に変換
する拡散領域３と前記拡散領域にゲートが接続されてい
る信号増幅のためのトランジスタ４と、信号検出後、前
記拡散領域の電圧を初期状態にリセットする手段として
ゲート７０とドレイン７３が具備されている。リセット
用のゲート７０下のチャネル電位がゲート長方向に２値
を有し、ドレイン７３に隣接するチャネルの電位が信号
電荷に対してバリアとなる。これにより、読み出された
信号電荷による拡散領域の電位変化は、リセット後の初
期電位からリセット用のゲート下のチャネルの拡散領域
に隣接する部分の電位までに対応する信号電荷について
は、拡散領域のみの容量の逆数に比例し、それ以上の電
荷については、ＣＣＤを用いたダイナミックレンジ拡大
動作と同様の特性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＯＳ型固体撮像
装置の構造及び駆動方法及びこの固体撮像装置を組み込
んだ電子スチルカメラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＴＶカメラ、ホームビデオカメラ
等の動画カメラ用固体撮像装置としてＣＣＤ型固体撮像
装置が広く用いられてきた。しかし、近年パソコン、カ
ラープリンタ等が普及し、それらの性能向上により電子
スチルカメラやパソコン用カメラの開発が進められてい
る。電子スチルカメラやパソコン用カメラは、従来のビ
デオカメラで用いられているインターレース走査（飛び
越し走査）ではなく、全信号を時系列に出力する全画素
順次走査が求められている。ＣＣＤ固体撮像装置でも垂
直方向の転送ピッチを従来の倍にして全画素順次走査に
対応するものも開発されているが、構造が複雑になる問
題がある。これに対して、各画素の信号を独立して出力
することが可能なＭＯＳ型固体撮像装置は、電子スチル
カメラやパソコン用カメラに用いる撮像素子として注目
されている。電子スチルカメラは、従来のフィルム用カ
メラに対応するものであり、広ダイナミックレンジが要
求される。更に、スチルカメラでは逆光状態での撮影が
可能となることが大きな付加価値となる。

【０００３】このＭＯＳ型固体撮像装置は、画素に対応
して複数の単位セルがマトリックスに配列され、各単位
セル内のフォトダイオードで発生した信号電荷をトラン
ジスタで検出し増幅する装置であり、高感度であるとい
う特徴を有している。従来のＣＣＤ型固体撮像装置は、
高輝度の被写体の部分の過剰に発生した電荷の一部を信
号蓄積期間の途中に読み出し、これを排出することによ
り原理的にはダイナミックレンジの拡大や逆光補正を行
っている。図６にＣＣＤ型固体撮像装置における広ダイ
ナミックレンジの駆動パルスのタイミングチャートの概
略を示す。図６において信号読み出しパルス２１が印加
されるとフォトダイオードに蓄積された信号が転送部に
読み出され、信号電荷転送パルス２２により順次転送、
出力される。フォトダイオードは、信号電荷の読み出し
後、直ちに信号電荷の蓄積を開始する。信号電荷の転送
の終了後、通常は蓄積期間（ｔFS）の終了時に前記信号
電荷読み出しパルス２１が印加され蓄積された信号電荷
が読み出されるが、広ダイナミックレンジ駆動では、信
号電荷の転送終了後から蓄積期間終了までの間（ｔSM）
に読み出しパルス２１よりも低い電圧の過剰電荷読み出
しパルス２３が印加される。

【０００４】ここで、高輝度の光が入射している画素で
は前記過剰電荷読み出しパルス２３の印加により蓄積さ
れた電荷の一部が転送部に読み出される。輝度の低い光
が入射している画素では過剰電荷読み出しパルス２３が
印加されても、電荷は受光部に留まっている。読み出さ
れた過剰電荷は高速の排出パルス２４により排出され
る。過剰電荷排出後、蓄積期間が終了し信号電荷読み出
しパルス２１が印加され信号電荷が転送部に読み出され
る。次に、信号電荷の読み出し及び過剰電荷の排出の動
作について図７に示すポテンシャルの概略図を用いて説
明する。信号電荷の読み出し時は高い電圧の信号電荷読
み出しパルス２１（図６参照）が印加されるため、フォ
トダイオード３１に蓄積された信号電荷は、全て転送部
３２に読み出される（図７（ａ））。このときフォトダ
イオード３１は、完全空乏化し、その電位は、ＶPDに固
定される。信号電荷読み出しパルス２１の印加が終了す
ると、信号電荷の蓄積期間が開始される。転送部３２の
信号電荷が全て出力されて転送部３２が空になると、過
剰電荷読み出しパルス２３が蓄積期間の開始を基準にし
てｔSM時に印加される。ここで、蓄積された電荷が、フ
ォトダイオード３１の容量ＣPDと過剰電荷読み出しパル
ス２３印加時のゲート下のチャネルの電位（φSM）とＶ
PDとの電位差により決まる量ＱSM以上の場合は、その過
剰分が転送部に排出される（図７（ｂ））。

【０００５】一方、ＱSM以下の場合は、信号電荷は全て
受光部に留まっている。このような動作を行うと、入射
光量に対する実効的に蓄積される電荷Ｑstの関係は図８
の点線Ｂで示すように途中で折れ曲がり、実線Ａで示す
通常動作に比べて入射光に対するダイナミックレンジが
拡大する。なお、信号出力Ｖsig は、前記入射光量に対
する実効的な蓄積電荷Ｑstに比例する。しかし、従来の
このような方法では、前述のように高速の排出パルスが
必要となり、しかも消費電力が増加する。更にＣＣＤ型
固体撮像装置を用いた場合では、前述のＶPDとφSMが画
素毎にばらつくことになるため、各画素のＱSMの値がば
らつき再生画面ではムラが生じることとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
ＣＣＤ型撮像装置を用いたダイナミックレンジ拡大の方
法によると、消費電力が増加する、再生画面にムラが発
生する等の問題があり、原理的には可能であるが、実用
化することは困難である。本発明は、このような事情に
よりなされたものであり、低消費電力で再生画面にムラ
が発生せずにダイナミックレンジの拡大を図り逆光での
撮影を可能とする固体撮像装置及びその駆動方法を提供
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために、各画素の受光部の信号電荷を電圧
に変換する拡散領域と前記拡散領域にゲートが接続され
ている信号増幅のためのトランジスタと、信号検出後、
前記拡散領域の電圧を初期状態にリセットする手段とし
てゲートとドレインが具備されたＭＯＳ型固体撮像装置
であって、前記リセット用のゲート下のチャネル電位が
ゲート長方向に２値を有し、ドレインに隣接するチャネ
ルの電位が信号電荷に対してバリアとなることを特徴と
する。また、本発明は前記拡散領域の電圧のリセットを
ゲート下のチャネル電位により規定することを特徴とす
る。

【０００８】これにより、読み出された信号電荷による
拡散領域の電位変化は、リセット後の初期電位からリセ
ット用のゲート下のチャネルの拡散領域に隣接する部分
の電位までに対応する信号電荷については、拡散領域の
みの容量Ｃdef の逆数に比例し、それ以上の電荷につい
ては、Ｃdef とゲート下の拡散領域に隣接する部分の容
量ＣRSの和の逆数に比例するため、ＣＣＤ型撮像装置を
用いたダイナミックレンジ拡大動作と同様の特性を得る
ことができる。この時、駆動のための高速パルスが必要
ないので消費電力は増加しない。また、感度特性の変化
する電荷量は、リセット時の拡散領域の電位とゲート下
のチャネルの電位により決定されるが、どちらの電位も
同一のゲート下のチャネルの電位により決定されるため
にその電位差は各画素間でのばらつきが抑制され再生画
面でのムラも発生しない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態を説明する。図１にＭＯＳ型固体撮像装置の
画素部、すなわち、単位セルの構成を示す。単位セル
は、フォトダイオード１、画素選択ゲート２、拡散領域
３、電流増幅トランジスタ４及びリセット手段（ゲート
７０及びドレイン７３）から構成されている。光信号を
光電変換し、一定期間蓄積するフォトダイオード１に隣
接し行方向に並ぶ画素を選択するためのゲート２が形成
されている。ゲート２に隣接して形成されている拡散領
域３は、画素毎に形成されている電流増幅トランジスタ
４のゲート４１に電気的に接続されている。電流増幅ト
ランジスタ４のソース４２は、垂直信号線へ繋がってい
る。前記拡散領域３に隣接して本発明によるリセット手
段のゲート７０及びドレイン７３が形成されている。フ
ォトダイオード１は、入射光を検出する受光部を形成す
るもので、受光量対応の信号電荷を発生する。１つのフ
ォトダイオードで１画素を構成する。電流増幅トランジ
スタ４は、このフォトダイオード１の発生した信号電荷
を増幅して検出信号として出力する。

【００１０】フォトダイオード１のカソードがこのトラ
ンジスタ４のゲートに接続されることにより、フォトダ
イオード１の信号電荷を増幅してその信号電荷対応の増
幅出力を検出信号としてドレイン側に発生させる。画素
選択ゲート２は、図４に示されるように垂直アドレス回
路５の垂直アドレス線６１、６２、・・・に接続され
る。図２は、ＭＯＳ型固体撮像装置の動作を説明するた
めの半導体基板１０の表面領域に形成されたフォトダイ
オード１、ゲート２、拡散領域３、リセットゲート７０
及びリセットドレイン７３の構造及びポテンシャルの模
式図である。シリコン半導体基板１０の表面領域には、
フォトダイオード１を構成する拡散領域とこのフォトダ
イオード１に離隔して配置された拡散領域３が形成され
ている。フォトダイオード１の拡散領域及び拡散領域３
の間の半導体基板１上には、シリコン酸化膜などの絶縁
膜１１を介して画素選択ゲート２が配置形成されてい
る。ゲート２は、酸化膜２０により被覆されている。半
導体基板１に形成された絶縁膜１１の上には、画素選択
ゲート２とは拡散領域３を介して反対側に配置されたゲ
ート７０が形成されている。

【００１１】ゲート７０は、ポリシリコンなどからなる
第１のゲート（下層の電極）７０１と、第１のゲート７
０１の表面に被覆形成された酸化膜７５を介して絶縁膜
１１と第１のゲート７０１の上にポリシリコンなどから
なる第２のゲート（上層の電極）７０２から構成されて
いる。絶縁膜１１と接する第２のゲート７０２の絶縁膜
１１と接する部分のしたの半導体基板１には他の領域と
ポテンシャルを変えるための拡散領域７４が形成されて
いる。この拡散領域７４に接してドレイン７３が形成さ
れている。以上のように、このＭＯＳ型固体撮像装置で
は、リセットゲート７０下のチャネルの電位がゲート長
方向に２値を取っている。２値をとるためには、例えば
リセットゲート７０を２層の電極（第１のゲート７０
１、第２のゲート７０２）で形成し、下層の電極（第１
のゲート）７０１を形成した後上層の電極（第２のゲー
ト）７０２が形成される部分にイオン注入を行い電位差
を付け、前記２層の電極を配線で接続して１つの電極７
０とする。

【００１２】このＭＯＳ型固体撮像装置の動作は、信号
電荷の検出後、拡散領域３の電位をリセットするために
リセットゲート７０をオン状態とする。リセットドレイ
ン７３の電圧ＶRSに拡散領域３の電位が規定され、リセ
ットゲート７０がオフ状態となると拡散領域３のリセッ
ト動作が終了する（図２（ａ））。一定の蓄積期間が終
了するとフォトダイオード１に蓄積された信号電荷は、
画素選択ゲート（読み出しゲート）２をオン状態にする
ことにより拡散領域３に読み出される（図２（ｂ））。
信号電荷により拡散領域３の電位が変化し、信号として
検出される。ここで、リセットゲート７０下のチャネル
の拡散領域３に隣接する部分（下層の電極７０１の下の
領域）のオフ状態での電位はφRS1 であり、リセットド
レイン７３に隣接する部分（上層の電極７０２の下の領
域）のオフ状態での電位はφRS2 となっている。拡散領
域３に蓄えられた信号電荷量Ｑsig がＱkn＝Ｃdef ×
（ＶRS−φRS1 ）以下（Ｃdef ：拡散領域の容量）の場
合は、拡散領域の信号電荷による電位変化ΔＶsig は、
Ｑsig ／Ｃdef となる。一方、Ｑsig がＱkn以上の場合
は、電位がφRS1 の部分のゲート下のチャネル容量をＣ
RS1 とすると、ΔＶsig は(Ｑsig ＋( ＶRS−φRS1)×
ＣRS1)／ (Ｃdef −ＣRS1)となる。

【００１３】図３に信号電荷Ｑsig と信号出力Ｖsig
（＝Ａ×ΔＶsig 、Ａ：電流増幅トランジスタの電圧変
換率）との関係を示す。読み出された信号電荷Ｑsig が
Ｑkn以下の場合は、Ｑsig に対し、Ｖsig は、Ａ／Ｃde
f の傾きで増加する。Ｑsig がＱkn以上になるとＶsig
のＱsig 対する傾きはＡ／ (Ｃdef ＋ＣRS1)となり、前
記の低信号電荷量の傾きＡ／Ｃdef に比べて小さな傾き
となる。ここで、Ｑsigは光量に比例する値であるた
め、本発明によりＣＣＤを用いたダイナミックレンジ拡
大の特性と同等のものが得られる。なお、本発明ではダ
イナミックレンジ拡大に対して高速の転送パルスを用い
る必要が無いため、駆動における消費電力の増加がな
い。また、Ｑknは、前述のようにＶRS−φRS1 で決定さ
れるが、ＶRSは、外部より直流で印加される電圧である
ため、全画素において一定となり、φRS1 を決めるリセ
ットゲートに印加される電圧もＣＣＤの読み出しゲート
に印加される電圧に対しては直流的に印加されるものと
考えられるため、画素間のばらつきは小さくなる。この
ため、従来のＣＣＤのダイナミックレンジ拡大駆動に比
べてＱknのばらつきは抑制される。

【００１４】次に、図４を参照して、図１に示す単位セ
ルを組み込んで形成したＭＯＳ型固体撮像装置を説明す
る。図４は、このＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成図で
ある。ＭＯＳ型固体撮像装置の画素部は、マトリクスに
配列された画素と単位セルとから構成されている。単位
セル４１１、４２１、４１２、４２２、・・・、４ｉ
ｊ、・・・は、２次元マトリクス状に縦横に配列されて
いる。図では、２×２しか示されていないが、実際は、
例えば、スチルカメラ用センサの素子数は６４０×４８
０、１２８０×１０２４であるように、数千個×数千個
の配列のものまである。ｉは、水平方向（ロウ（ｒｏ
ｗ）方向）の変数、ｊは、垂直方向（カラム（ｃｏｌｕ
ｍ）方向）の変数である。各単位セルを順に選択するた
めに垂直アドレス回路５と水平アドレス回路１３が配置
されている。垂直アドレス回路５には、単位セルの水平
方向配列数に対応する数のアドレス出力端子とリセット
信号端子のペアがあり、水平アドレス回路１３には、単
位セルの垂直方向配列数に対応する数のアドレス出力端
子がある。

【００１５】そして、水平方向に配列された単位セルに
沿って１本ずつ、垂直アドレス回路５から水平方向に垂
直アドレス線６１、６２、・・・が順に配線されてお
り、これら垂直アドレス線の各々は、それぞれ垂直アド
レス回路５の対応する１つのアドレス出力端子に接続さ
れている。また、水平方向に配列された単位セルに沿っ
て１本ずつ、垂直アドレス回路５から水平方向にリセッ
ト信号線７１、７２、・・・が順に配線されており、こ
れらリセット信号線の各々は、それぞれ垂直アドレス回
路５の対応する１つのリセット信号端子に接続されてい
る。また、垂直方向に配列された単位セルに沿って１本
ずつ、水平アドレス回路１３から垂直方向に垂直信号線
８１、８２、・・・が順に配線されており、これら垂直
信号線の各々は、それぞれ水平アドレス回路１３の対応
する１つのアドレス出力端子に接続されている。垂直ア
ドレス回路５から水平方向に配線されている垂直アドレ
ス線６１、６２、・・・は、各行の単位セルの画素選択
ゲート２（図１参照）に接続され、信号を読み出す水平
ラインを決めている。同じく垂直アドレス回路５から水
平方向に配線されているリセット信号線７１、７２、・
・・は、各行の単位セルのリセットゲート７０（図１参
照）に接続されている。

【００１６】したがって、マトリクス状に配列（例え
ば、ｎ行ｍ列の配列構成）された画素の読み出しにおい
て、ｎ個のラインが存在する水平ライン（行方向ライ
ン）を、その読み出し走査順に、垂直アドレス回路５が
垂直アドレス線６１、６２、・・・を順次アクティブに
し、又、画素の信号電荷をリセットするように出力端子
に信号を出力するように動作する。以上が画素部、すな
わち、画像検出部である。ＭＯＳ型固体撮像装置は、画
像検出部が検出した画像を読み出す出力部を備えてい
る。出力部は、負荷トランジスタ９１、９２、・・・、
信号転送トランジスタ１０１、１０２、・・・、蓄積容
量１１１、１１２、・・・水平（ロウ）選択トランジス
タ１２１、１２２、・・・からなり、次のように構成さ
れている。即ち、各列の単位セルの増幅トランジスタ４
（図１参照）のソース側は、列方向に配置された垂直信
号線８１、８２、・・・のうちの対応する列の信号線に
それぞれ接続されている。各列の単位セル対応に、それ
ぞれ１つずつ負荷トランジスタ９１、９２、・・・が設
けられ、垂直信号線８１、８２、・・・の一端は、これ
ら各負荷トランジスタ９１、９２、・・・の内の対応す
る１つとその負荷トランジスタのソース−ドレイン側を
介して直流のシステム電源に接続される。

【００１７】垂直信号線８１、８２、・・・の他端は、
１行分の信号を取り込む信号転送トランジスタ１０１、
１０２、・・・のうちの対応する１つを介して、１行分
の信号を蓄積する蓄積容量１１１、１１２、・・・のう
ち対応する１つに接続される。又、この他端は、水平ア
ドレス回路１３から供給される水平アドレスパルスによ
り選択される水平（ロウ）選択トランジスタ１２１、１
２２、・・・を介して信号出力端子１５を端部に有する
水平信号線に接続されている。水平アドレス回路１３か
らの信号線は、水平選択トランジスタ１２１、１２２の
ゲートに接続されている。また、本発明では、この水平
選択トランジスタを単位画素毎に配置してもよい。つま
り、垂直信号線８１、８２、・・・の他端は、信号転送
トランジスタ１０１、１０２、・・・のうちの対応する
トランジスタのソース−ドレインを介して蓄積容量１１
１、１１２、・・・のうちの対応する１つの一端側に接
続されるとともに、水平（ロウ）選択トランジスタの内
の対応するトランジスタのソース−ドレインを介して信
号出力端１５に接続される。各蓄積容量１１１、１１
２、・・・の他端は、接地され、信号転送トランジスタ
１０１、１０２、・・・のゲート側は、共通ゲート１４
に接続される。共通ゲート１４には、信号転送すべきタ
イミングにおいて信号転送パルスを印加することにより
信号転送トランジスタ１０１、１０２、・・・をオンさ
せて垂直信号線８１、８２、・・・に現れた電圧を、蓄
積容量１１１、１１２、・・・に転送し蓄積させる。

【００１８】水平アドレス回路１３は、水平１ライン当
たりの読み出すべき画素位置を順次選択して行くための
ものであり、マトリクス状配列（ｎ行ｍ列）の画素を読
み出す場合には、水平１ラインを読み出す走査速度に対
応して、その時々の走査位置に該当する画素位置の水平
選択トランジスタ１２１、１２２、・・・をアクティブ
にするように水平アドレスパルスを発生するようになっ
ている。したがって、前記マトリクス状配列の画素の読
み出しにおいて順次ライン位置を変えながらそのライン
における画素の信号を読み出すといった走査を制御する
ことができる。本発明のＭＯＳ型固体撮像装置は、ビデ
オカメラ、電子スチルカメラ、デジタルカメラ、ファク
シミリ、複写機、スキャナ等がある。

【００１９】次に、図５を参照して本発明のＭＯＳ型固
体撮像装置をセンサに用いた電子スチルカメラを説明す
る。本発明のスチルカメラ４００は、レンズ系や絞りを
含み被写体像を取り込む光学系４０１、この光学系４０
１に取り込まれた像が結像されるＭＯＳ型固体撮像装置
から構成されたセンサ（以下、ＭＯＳセンサという）４
０５、このＭＯＳセンサ４０５の結像面と前記光学系４
０１との間に位置してその両者間の光路上に挿脱自在に
配され、この光路上に挿入されている時は光学系４０１
で取り込んだ被写体像をファインダ４０４に分配すると
共に光路外に脱出された時は光学系４０１で取り込んだ
被写体像をＭＯＳセンサ４０５の結像面に結像させるシ
ャッタとしての機能を有するミラー４０２、ミラー４０
２の反射光をファインダ４０４に導くためのミラー４０
３、ＭＯＳセンサ４０５から画像の信号を色成分別に読
み出す撮像回路４０６、その読み出した出力をデジタル
信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０７、このＡ／Ｄ変換器
４０７により変換されたデジタル信号を画面単位で保持
するフレームメモリ４０８、フレームメモリ４０８に保
持されたデジタル信号を画面単位で圧縮処理する圧縮回
路４０９、画像データを記憶するメモリカード４１３、
圧縮回路４０９により圧縮処理されて得られた画像デー
タをメモリカード４１３に書き込むべく制御するカード
コントロール回路４１０から構成される。

【００２０】このような構成において、シャッタボタン
（図示せず）を操作することにより、光学系４０１のと
らえた被写体像は、ＭＯＳセンサ４０５に結像される。
ＭＯＳセンサ４０５は、光学系４０１で取り込まれた光
学像が結像されると画素単位でその光学像の光量対応の
電気信号に変換する。カラー画像を撮影できるようにす
るために、ＭＯＳセンサ４０５はその結像面側に画素毎
にＲＧＢいずれかのカラーフィルタ部を有するカラーフ
ィルタアレイが設けてあり、撮像回路４０６はＭＯＳセ
ンサ４０５により得られた電気信号をＲＧＢの成分別に
分離して出力する。そして、Ａ／Ｄ変換器１０７は、撮
像回路４０６から出力された色成分別の電気信号をデジ
タル信号に変換し、この変換されたデジタル信号は、フ
レームメモリ４０８に画面単位で一時保存される。フレ
ームメモリ４０８に保持されたデジタル信号は、圧縮回
路４０９により画像単位で圧縮処理され、カードコント
ロール回路４１０に出力される。そして、カードコント
ロール回路４１０は、この圧縮処理された画像データを
データの記憶媒体であるメモリカード４１３で記憶制御
する。

【００２１】このようにして、メモリカード４１３には
シャッタボタンを操作するごとに撮影されたスチル画像
が画面単位で圧縮されてメモリカード４１３に記憶され
る。メモリカード４１３は、カメラから着脱可能であ
り、メモリカード４１３に記憶された画像は、図示しな
い読取り再生装置に装着して、画像データを伸長して復
元し、モニタ装置に表示させたり、ビデオプリンタなど
のハードコピー装置に出力して観賞する。以上のよう
に、本発明のＭＯＳ型固体撮像装置を電子スチルカメラ
に用いると、逆光での撮影を可能とするダイナミックレ
ンジの拡大を高速の転送パルスを必要とせずに実現でき
るため、駆動のための消費電力増がなく、更に再生画面
のムラも抑制できる。

【００２２】なお、以上の実施例ではリセットゲートの
チャネルの電位を２値とするための方法として２層の電
極とイオン注入を用いる方法について説明したが、これ
に限定されるものではなく、２層の電極を用い各電極下
のゲート絶縁膜の膜厚を変える方法や、２層の電極を用
い、各々電気的に分離して配線し異なる電圧を印加する
方法を用いてもかまわない。また、リセットを行う方法
についても、リセットドレインの電圧により拡散領域の
電圧を規定する方法について説明したが、リセットゲー
トをオン状態にして、リセットドレインを一旦リセット
ゲートのチャネル電位よりも低い電圧にして拡散領域に
電荷を注入し、続いてリセットドレインの電圧をリセッ
トゲートのチャネル電位よりも高い電圧にし、拡散領域
に注入された電荷を再度リセットゲートを介してリセッ
トドレインに排出する方法を用いても良い。また、電子
スチルカメラをミラーを用いて像をファインダーに導く
ものを説明したが、撮像信号を用いて液晶ファインダー
等で再生するものでも良い。本発明は、要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、逆光で
の撮影を可能とするダイナミックレンジの拡大を高速の
転送パルスを必要とせずに実現できるため、駆動のため
の消費電力の増加がなく、更に再生画面のムラも抑制で
きるＭＯＳ型固体撮像装置及びその駆動方法及びこの固
体撮像装置を用いた電子スチルカメラを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像装置の単位画素の回路構成
図。

【図２】図１の固体撮像装置が形成された半導体基板の
断面図及びこの固体撮像装置のリセットゲート及びリセ
ットドレインのポテンシャル模式図。

【図３】本発明の信号電荷と信号出力の関係を示す特性
図。

【図４】図１の固体撮像装置の回路構成図。

【図５】本発明の固体撮像装置を組み込んだスチルカメ
ラの概略断面図。

【図６】従来のＣＣＤ型固体撮像装置における広ダイナ
ミックレンジの駆動パルスの特性図。

【図７】図６に示す駆動パルスによる動作を説明するフ
ォトダイオード、読み出しゲート、転送部のポテンシャ
ルを示す特性図。

【図８】従来のＣＣＤ型固体撮像装置における広ダイナ
ミックレンジの駆動を行った場合の入射光量に対する実
効的に蓄積される電荷の関係を示す特性図。

【符号の説明】

１、３１・・・フォトダイオード、２・・・画素選択ゲ
ート（読み出しゲート）３、７４・・・拡散領域、
４・・・電流増幅トランジスタ、５・・・垂直アド
レス回路、１１・・・ゲート絶縁膜、１３・・・水
平アドレス回路、１４・・・共通ゲート、１５・・
・信号出力端子、２０、７５・・・酸化膜、２１・
・・信号電荷読み出しパルス、２２・・・信号電荷転送
パルス、２３・・・過剰電荷読み出しパルス、２４
・・・排出パルス、３２・・・転送部、４１・
・・ゲート、４２、５２・・・ソース、５３・・・
ドレイン、６１、６２・・・垂直アドレス線、７０
・・・リセットゲート、７１、７２・・・リセット信号
線、７３・・・リセットドレイン、８１、８２・・
・垂直信号線、９１、９２・・・負荷トランジス
タ、１０１、１０２・・・信号転送トランジスタ、１１
１、１１２・・・蓄積容量、１２１、１２２・・・水平
（ロウ）選択トランジスタ、４００・・・スチルカメ
ラ、４０１・・・光学系、４０２、４０３・・・ミ
ラー、４０４・・・ファインダ、４０５・・・ＭＯ
Ｓセンサ、４０６・・・撮像回路、４０７・・・Ａ
／Ｄ変換回路、４０８・・・フレームメモリ、４０
９・・・圧縮回路、４１０・・・カードコントロー
ル回路、４１１、４１２、４２１、４２２・・・単位セ
ル、４１３・・・メモリカード、７０１・・・第１
のゲート（下層の電極）、７０２・・・第２のゲート
（上層の電極）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に２次元に配列された受光
部と行方向に並んだ画素を選択する垂直方向走査手段
と、前記選択された行の画素毎に対応して信号を検出する手
段と、検出された信号を順次選択する水平走査手段と、前記検出手段を初期状態にリセットする手段とを備え、前記リセット手段は、ゲートとドレインからなり、前記
ゲート下のチャネル電位が前記ゲートのゲート長方向に
２値を有し、ドレインに隣接するチャネルの電位が信号
電荷に対してバリアとなることを特徴とする固体撮像装
置。
【請求項２】前記ゲートは、第１層及び第２層からな
る２層電極からなり、チャネルの電位差を各々の電極下
へのイオン注入により形成することを特徴とする請求項
１に記載の固体撮装置。
【請求項３】前記ゲートは、第１層及び第２層の２層電
極からなり、両電極は互いに電気的に分離して形成さ
れ、各電極の下のチャネルの電位差を各々の電極への印
加電圧を変えることにより形成することを特徴とする請
求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】前記ゲートの下に形成されたゲート絶縁膜
は、ゲート長方向に２つの厚みを有しており、前記ゲー
トの下のチャネルの電位差は、前記ゲート絶縁膜の厚み
の違いによって形成することを特徴とする請求項１に記
載の固体撮像装置。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
の固体撮像装置の検出手段のリセット動作において、前
記ゲートをオン状態にして前記ドレインの電圧をポテン
シャル的に低くし電荷を注入した後、前記ドレインの電
圧をポテンシャル的に高くして、前記オン状態のゲート
を介して前記電荷の過剰分をドレインに排出するステッ
プと、前記電荷の過剰分を前記ドレインに排出してから
前記ゲートをオフ状態にするステップとを備えているこ
とを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
の固体撮像装置の検出手段のリセット動作において、前
記ゲートをオン状態にして前記ドレインを一旦このゲー
トのチャネル電位よりも低い電圧にして電荷を注入する
ステップと、このステップに続いて前記ドレインの電圧
を前記ゲートのチャネル電位よりも高い電圧にして前記
電荷の過剰分を前記ゲートを介して前記ドレインに排出
するステップとを備えていることを特徴とする固体撮像
装置の駆動方法。
【請求項７】レンズ系や絞りを含み被写体像を取り込
む光学系に取り込まれた像が結像されるセンサと、前記センサから画像の信号を色成分別に読み出す撮像回
路と、前記撮像回路が読み出した出力をデジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器により変換されたデジタル信号を画面
単位で保持するフレームメモリと、このフレームメモリに保持されたデジタル信号を画面単
位で圧縮処理する圧縮回路と、画像データを記憶するメモリカードとを具備し、前記センサは、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
の固体撮像装置からなることを特徴とする電子スチルカ
メラ。