TW200922308A - Solid state imaging element - Google Patents

Description

200922308 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種固態攝影元件，更詳言之，係關於 一種用來對摧毀、爆炸、及燃燒等高速現象進行攝影而可 高速動作的較佳固態攝影元件。 【先前技術】 習知已開發有高速攝影裝置（高速視訊攝影機），用來以 短時間連續進行例如爆炸、摧毁、燃燒、碰撞、及放電等 南速現象的攝影（參照非專利文獻！等）。此種高速攝影裝置 必須能進行U)G萬張/秒程度以上極高速度的攝影。因此， 不同於習知-般視訊攝影機或數位相機等所使用之攝影元 件，而使用具有特殊構造之可高速動作的固態攝影元件。 此種ϋ態攝影元件’ f知係使用專利文獻丨等所記載 者。此係稱為像素周邊記錄 件概略作βΒΒ 綠孓攝衫几件者。針對該攝影元 件概略作试明。亦即，具備兼作受光部 記錄張數（圖框數）量之傳 先電—極體其 電二極體進行光電轉換之^存\在攝影令將以光 ⑽。接著，攝影”後、1 素^虎依序傳送至儲存用 束後一次讀取儲存於儲存用 錄張數量的像素訊號，以在攝 子用CCD之把 分量影像。在摄旦/ ύ如 牛之外邛重現記錄張數 刀里〜像。在攝影中超過記錄張 之順序廢奪較笋去 的像素訊號則以新舊 記錄張數量的像素訊號。因此，若在攝：：持最新之既定 訊號往儲存用CCD之傳送1可獲 2束時_止像素 回溯記錄張數量之時點後又牙a，點起在時間上 于點以谖的最新影像。 200922308 以此方式，像素周邊記錄型攝影元件係與必須在每獲 得1個圖框量之影像訊號即將其取出至外部的一般攝影^ 件不同，具有可非常高速獲得複數張連續影像的特徵1 而，該像素周邊記錄型攝影元件有以下課題。 ’”、 ⑴該像素周邊記錄型攝影元件中，在將訊號電荷傳送 至CCD時，由於必須同時驅動具有大電容性負載之閘極電 極與訊號線，且由於閘極驅動訊號之電壓振幅較大，因此 原本電力消耗就較大。若為了提高攝影速度而提高驅動速 度時，電力消耗會變得更大導致發熱變大，而有會超過散 熱極限之虞。X，由於屬於大電容性負載，因此驅動訊號 之波形純化等波形失真會變大’當欲提高速度時有時電荷 傳送本身亦無法進行。 (2)忒像素周邊記錄型攝影元件中，在半導體晶片上由 於儲存用CCD係設置於相鄰之光電二極體之間，因此當強 先射入光電二極體而產生大量之光電荷時有時其會流入儲 存用CCD。此結果’有時會造成例如影像之劣化，嚴 重時會顯現雙重影像等。 Ο啫存用CCD中’為了訊號讀取而處於待機期間中由 於亦會混入暗電荷所產生之假訊號，因此有影像之S/N劣 化之虞。 ,另方面，CM〇S型攝影元件中，習知已有一種例如專 々抑1 斤°己載者。该攝影元件中，係將複數個記憶用電 谷為設於各傻去咖 ^ ’、内，而可就各圖框使光電二極體所產生之 光電荷連續儲存於不同之記憶用電容器。然而，此種構成 200922308 中雖可對應數個圖框左纟之連續記#，不㉟卻無法進行以 上述南速攝影裝置所欲之多數連續慢速攝影。若為了增加 連續攝影圖框數目而增加記憶用電容器之數目日夺，來自儲 存光電二極體所產生之電荷之檢測節點之訊號線的電容性 負載即增大，而難以提高速度。又，不得不縮+】個像素 内之光電二極體的面積’而使孔徑比變小，乃至無法避免 感度降低。 專利文獻1 :日本特開2001 _ 345441號公報 專利文獻2:日本特表20〇2—5丨2461號公報 非專利文獻1 ·近藤及另5位、「高速視訊攝影機

HyPerVisi〇n HPV—丨之開發」、島津評論、島津評論編輯 部、_年9月30曰發行、第62卷、第1. 2號、p. 79 L發明内容】 本發明係有鑑於上述問題而構成，其主要目的在於提 供-種固態攝影元件，可抑制電力消耗並能進行極高速之 連續攝影。又，本發明之另一目的在於提供一種固態攝影 =件，其係在高速連續攝料提升像素訊號之_或動離 範圍藉此即可提升晝質。 ^ ,山為了解決上述問題，帛1發明之固態攝影元件’其特 城在於，具有.&)像素區域，排列有包含接收光以產生光電 ，之光電轉換元件的複數個像m b)記憶區域，係與 。亥像素區域分離之區域，配置有用以保持對應該像素區域 内之各像素而輸出之訊號的複數個記憶部；從該像素區域 200922308 :之刀別獨立設有延伸至該記憶區域的像素輸出 =數個記憶部係分別連接於該像素輸出線。 _發明之固態攝影元件係屬CM〇s構造，可將 電件設為例如光電二極體，較佳為嵌‘ 二極體。又，為了位杜七上 土元電 設為使用電容器者各像素之輸出訊號，記憶部可 =之固態攝影元件中，係設置成從像素區域内之 ，、刀㈣立⑦有延伸至記憶區域之像素輸出線，而該 複數個記憶部則分別連接於各像素輸出線的構成。因此， 1 =應電荷之訊號通過每個像素各設有丨條之像素輸出 、、泉依序保持於複數個記憶部，其中該電荷係藉由將各像素 之先電_元件所得到之光電荷加以儲存所獲得。 因此，可連續擷取類比訊號並在該擷取結束後，從各

記憶部依序將訊號讀取至外部，料行記憶部之數目分的 處理。 J

亦即’第1發明之固態攝影元件中，雖在元件内具備 對應各像素之複數個記憶部，但無彡貞如使用習知儲存用 CCD之像素周邊記錄型攝影元件般，在保持新的訊號電荷 時同時驅動所有閘極負载。因此，電力消耗較少，在高速 驅動時亦可抑制發熱。X，由於電容性負載較小，因此在 高速驅動時驅動波形之失真亦較小’而可確時進行從各像 素至記憶部的訊號輸出。 又，由於像素區域與記憶區域分離，因此不會對像素 區域内之像素數目、光電轉換元件之受光面的面^、及像 200922308 素區域整體之尺寸等造成影響，而可增加對應1個像素之 記憶部的數目。藉此，即可充分確保以高速可連續攝影之 圖框數。 ' 又，由於像素區域與記憶區域分離，因此即使強光射 入光電轉換兀件’而產生過量之光電荷，亦可防止其到達 T憶部。再者，係設為在記憶料藉由例如雙多晶發構造 ί 造等之電容器來保持訊號的構成，藉此訊號讀取 L而中亦不會產生暗電荷。藉此’可提升訊號之 1β升例如藉由讀取之訊號所重現之影像品質。 上述第1發明之固能摄旦彡 憶部係分別包含至可設成該複數個記 輸出線之間具有間極手段的構成件2記憶元件與該像素 出至像素輸出線之訊號選mu’可使從各像素輸 ,...^ 圮弹性儲存於任意之1個記憶元件。 之各像素1右1發明之固態攝影元件中’可設成像素區域内 傳送元件’用以將在光電轉換元件所產生 緩= = :::號轉換成電壓訊號之檢測節點； 並將訊號二::::Γ像素之像素輸出線之間， 件，用以香， 該像素輪出線；以及重置元 又=置至少光電轉換元件及檢測節點的構成。 其特徵在於：=上？:題’第2發明之固態攝影元件， 傳送至從電荷訊號轉==換:件:產生之光電荷 元件，將輸出^卢H ，之h /則即.點，C)緩衝 出感該檢测節點送出至像素輸出線；d)重 200922308 置兀、肖以重置至少該光電轉換元件及該檢測節點 及二）複數個記憶部，用以保持通過該像素輸出線從同i = 衝兀件所傳送之輸出訊號；以該光電轉換元件/ 件、該緩衝元件、及該重置元件…像素，將; 素以一維陣列狀配置於像素區域内 =一部，一該像素- = 點可明及第2發明之固態攝影元件中，檢測節 ‘、厂株…】如擴散層所產生之浮動區域（浮動擴散）。又，傳 以：f置元件可分別以電晶體構成，而緩衝元件則可 個至複數個電晶體所構成之源極跟隨放大器。 之緩：-2:明之固態攝影元件中’由於藉由就各像素所設 件分開像素輸出線與檢測節點，因此 數而增加連接於同-像素輸出線之記憶； 個像辛^荷儲存動作亦不會受影響。因此，可增加對應】 己憶部數目，而可充分確保可連續攝影圖框數。 ::2發明之固態攝影元件中，係以光電轉換元件、 件、緩衝元件、及重置元件為丨個像素，並 個像素配置於禮丰p a + 個吃，邱田以匯集分別對應各像素之複數 八離隐心因此’可設成將該等記憶部設置於與像素區域 :二之：憶區域内的構成。藉此，與上述第1發明之固態 :Μ同樣地，可獲得將像素區域與記憶區域加以分離 的效果。 又 ’第1發明及第2發明之固態攝影元件中，較佳為 200922308 設成像素區域内之各像辛至，丨、 以具有1個電荷儲存元件，用 轉換= 存之光電荷儲存動作時，儲存從該光電 =ΓΓ送元件溢出或從該檢測節點溢出之光電 何的構成。此處，電荷儲存元件可設為電容琴。 在光電轉換元件所產生之光電荷係以光電轉換元件内 之電容來保持，帑铼# 电得換7C件内 4仏 取時則透過傳送元件以例如浮動沪 測節點轉換成電壓訊號。在提高光電轉…= :::度時’最好浮動擴散之轉換電容為較Γ:= ==之=擴散無法處理較大訊號電荷。又7由於從 -果便舍：之光電荷係遭廢棄而未加利用，因此苴 〜果便會使動㈣圍降低。相對於此，藉 = 通過傳送元件從光用謂存 點溢出之光電荷的電冇儲存：出…何、或從檢測節 所產生之多餘先:：!何：存70件’則無須廢棄因強光射入 映於訊號。電何’而可暫時積存於電荷儲存元件以反 件之=由使儲存電晶體介設於檢測節點與電荷館存元 ~部“電：：；之訊號讀取時，即可將構成檢測節點之 此，可縮\子70件’於溢流前之訊號讀取時分開。因 容；二小訊號電荷時之檢測節點(浮動擴散)的轉換電 :，：：=光電轉換增益。另-方面，在訊號電荷較大 後訊號。=儲ΓΓ與浮動擴散之合成電容來檢測溢流 荷並加以用而、：二頁廢棄強光射入時所產生之大量光電 ^ 用’而可貫現寬廣之動態範圍。 第1發明之固態攝影元件中，在像素區域内該複數個 200922308 像素雖亦可配置成一維，不過可設成特別是二維陣列狀之 構成亦即，可設為在像素區域内將像素排列成 (N、M為2以上之整數)的構成。 入又，由於每個像素分別具有獨立之像素輸出線，因此 :像素可同時執行將訊號移至記憶部之讀取動作。因此， j《月及第2發明之固態攝影元件中，可設為以全像素 素之光電荷儲存動作與通過各像素輸出線讀 制訊號共通化之構成。 像京之控 於可以短日㈣進行將訊號從各像素輸出至記 匕4之動作，因此可以高速反 取動作之循環。又，由於在i 存 讀 並儲存蕤““ * 1自循裱中可相對延長接收光 之提升。 削乍期Μ，因此有利於感度 士又# 1發明及第2發明之固態攝影元件中，亦可< 成以使全像素同時反覆進行各像素之光 。又 過各像素輸出線讀取來自各 —+乍與通 D. Λ _ 冬系之讯唬之動作，且就夂# 破之讀取動作將通過各像素輪出線 :各机 於該複數個記憶部的方式，對各 ^虎依序保持 號的構成。 ” °己隐σ卩供應控制訊 藉此，可將在某時點藉由攝 (像素訊號）同時移至記憶部，以^取得之訊號 即可進行高速連續攝影。 〃下-攝影。藉此， 又第1發明及第2發明之固態攝影元件中，較佳為 12 200922308 來=夸1個像素之複數個記憶部係分別具有可獨立保持 儲存= :::訊號的複數個記憶元件，在1次光電荷 節點重置曰士ΓΓ，係以將各像素内光電轉換元件及檢測 之電4 之雜訊成分、與對應光電荷之儲存所產生 保持於同一記憶部之不同記憶元件的方 對各像素及記憶部供應控制訊號的構成。 -亥構成中’藉由例如在外部(或藉由内建之運 進行從訊號減去雜m &八 手&) 尺宏雜Λ成为之運异，即可減輕源 之固有雜訊的影麴，僅β ώ 曰合裡7L件 訊 ^讀仔純度更高（亦即S/N較高）之像素 Π虎精此，有利於攝影影像之高畫質化。 ;又’第1發明及第2發明之固態攝影元件 设成對應1個像紊$適舍4 土馬 來白m ^ 憶部係分別具有可獨立保持 各像素之輸出訊號的複數個記憶元件，在 儲存動作之循環中，#以趑女你主 ·人尤虿何 τ係以將各像素内光電轉換元件及 節點重置時殘留之雜訊成分 4 該電荷儲存元件前之電=應進…何儲存時溢出 v. 時溢出該電荷儲存元株絲夕带_ 了爾存 之不同纪情_杜认、之電何的訊號保持於同—記憶部 之不问g己隱件的方式， '對各像素及記憶部供應控制訊號 的構成。 根據該構成，不會浪費因強光射入所產生之多 荷而反映於訊號，藓4 At 精此可谋求動態範圍之擴大，且亦 I工源自各種7L件之固有雜訊的影響。藉此，更 影像之高晝質化，而可針你丨‘ A * A ^ ^ 有益之資訊。 對例如兩速現象之物理解析等提供 13 200922308 又，第1發明及第2發明之固態攝影元件中，可設成 就各列或各行匯集來自屬於同一列或行之複數個像素:像 素輸出線，而配置於垂直方向或水平方向的構成。 又，亦可設成將像素區域於垂直方向及/或水平方向區 隔成複數個，在各區隔像素區域中，就各列或各行匯集來 自屬於同-列或行之複數個像素的像素輸出線，而配置於 垂直方向或水平方向的構成。 以此方式，藉自京尤各列或各行匯集酉己置從各像素取出 訊號之像素輸出線，即可在像素區域内不偏移地均衡設置 複數個像素，而容易進行用以重現二維影像之影像處理， 且亦可期待晝質之提升。又，在製造本固態 易進行圖案化。 仵貝！办 又’第1發明及第2發明之固態攝影元件中 =素區域係俯視呈矩形’記憶區域係設置於像素區域：四 傻或複數個外側的構成。X，亦可設成對應該區隔 像素區域以分割記憶區域，並將其分割記： 於像素區域之四邊中不鬥、惠+ m Λ 刀乃h又置 遭中不冋邊之外側的構成。藉此，可金叮 能縮小用以進行像素輸出線配線玄可 進行在例如半導體晶片替& 了有政率地 千寺體曰曰片整體之布局。因此，在相同像㈣ 、相同連續攝影圖框數之條件下，可縮 片' 積而在成本上有利。 守髖曰曰片面 又第1發明及第2發明之固態攝影元件中 成將該複數侔傻夸铨4»給Μ β 亦可設 ⑯数怿像素輪出線設置於該光電轉換元件 成。再者，為了提升聚弁至 的構 以升聚先率，亦可設成以成像於該像素輸 14 200922308 =間之方式’將具有大致球面之—部分或大致圓枉之一 二的複數個晶载微透鏡設置於該複數條像素輸出 '、.、以此方式，藉由將該複數條像素輸出線設置 二：電轉換元件上，並將複數個晶载微透鏡設置成成像 於像素輪出線間，即可#舍 象 p了抑制貫效孔徑比之劣化，以縮小像 - 目此，在多像素化或縮小晶片尺寸之點上有利。 、又帛1發明及第2發明之固態攝影元件中，當然可 成將像素區域與記憶區域設於同—半導體晶片上之同一 的構成’但亦可採用其以外之各種形態。其中 能， 像素之至少光電轉換元件，設置於半㈣基 該背面為光入射面的構：面相反側㈣面，並以 設為』!!方式’藉由將光電轉換元件之設置面與記憶區域 I可提▲!’即可確保各光電轉換元件之寬廣受光面，尤 電荷==效率與孔徑比以提高感度。因此，可縮短光 才而對謀求連續攝影之高速化有利。又，可 點上2像素區域與記憶區域，在提升像素訊號之S/Ν之 ".、占上亦有利。 亦飞又’第1發明及第2發明之固態攝影元件的另-形離， 積體電免Γ具有以絕緣物層分離之複數個半導體層的3維 之半導r所構成，該像素區域與該記憶區域係形成於不同 積體電路2者。、此外另一形態，亦可設成由複數個半導體 之半# ㈣素區域與該記憶區域係形成於不同 導體積體電路元件者。 15 200922308 亦即’第1發明及第2發明之固態攝麥元 β 由單一半導體晶片所構成之元件，亦可^疋 導體晶片並將其排列於横方向 ;"{用稷數個半 積層於半導體晶片之厚声太6 片之延展方向）或 干导體曰曰月之厚度方向的構成。為了 導體晶片間之結線雖亦可使 裝晶片技術則可縮短晶片間之配線，若使用公知之倒 體小型化。 ⑽之配線，且亦有利於將元件整 成你1發明及第2發明之固態攝影元件中，亦可設 成使該s己憶部包含電容器、 之各像音夕私山 ° 來自通過像素輸出線傳送 根據ί ,訊號送入該電容器的開關元件的構成。 力，、肖耗门± ^明及第2發明之固態攝影元件，可抑制電 力輕同時並可達成高速動 萬，以上之高速下可_影之=在：： :::用習知固態攝影元件之情況，可實現攝影::： =而可獲得對高速現象之解析有益之資訊。 化荷或多餘光電荷之流入等所造成之訊號劣 =可改善S/N以謀求高速攝影時晝質之提升。 【貫施方式】 附圖=明針對本發明之一實施例之固態攝影元件，參照 造作2 ’針對本實施例之固態攝影元件的整體構成及構 晶片上之2 1係表示本實施例之固態攝影元件之半導體 元件之要2布局的俯視圖，圖3係本實施例之固態攝影 千之要部的方塊構成圖。 200922308 如圖1所示，該固態攝影元件中，用以接收光以產生 各像素之訊號的像素區域2(2a，2b)與用以保持既定圖框數 之該訊號的記憶區域3a，3b，在半導體基板1上係不混合存 在而完全分離，分別設有完整之區域。於大致矩形之像素 區域2内，N行、Μ列合計為NxM個像素1〇係設置成二維 陣列狀’該像素區域2係分割成2個分別設置有（觀）視個 像素1〇之第Η象素㈣2a、及第2像素區$孔。該第【 像素區域2a、及第2像素區域2b係分別相當於本發明之區 隔像素區域。 .......qw償 < 乐1冤流源 區域6a設置有第"己憶區域3a，於第2像素區域孔之上 側i同樣地隔著小面積之第2電流源區域讣設置有第2記 憶區域3卜該第1記憶區域3a、及第2記憶區域3b係分別 相當於本發明之分割記憶區域。於第1及第2記憶區域3a， 外二刀別設有第1及第2垂直掃描電路區域4a，4b、及第！ 及第2水平掃描電路區域5a，5b，其中該第i及第2垂直掃 描』電路區域4a’4b、及第1及第2水平掃描電路區域 :::用以控制讀取來自記憶區域3a，讪之訊號的移位暫 =解碼器等電路。亦即’係以將像素區域2區隔為上 平線為邊界，而呈上下對稱之構造。由於該上 構造或動作相 乍相冋，因此以下說明係以下方之第j 2a、第！ #播「1 1豕京&域 。己L、區域3a、第1垂直掃描電路區域4a、及笛 水平掃描雷政Ρ α 弟1 區域5 a之構造及動作為中心進行敘述。 像素數目亦即上述N、M之值可分別任意決定，若提 17 200922308 高該等之值則影像之解像度雖會提升，但其反面整體晶片 面積會變大或每1個像素之晶片面積會變小。此處，作為 以高速攝影為目的之固態攝影元件’係設為N== 264、M = 32〇。因此，如圖3中所記載，分別設置於第i、第2像素 區域2a，2b之像素數目係132x320。 圖2係表示像素區域2(2a，2b)*丨個像素1〇之概略布 局的俯視圖。1個像素1〇所占有之區域大致為正方形其 内部係大分為3個區域亦即光電轉換區域丨丨、像素電路區 域12、及配線區域13。於配線區域l3，（n/2)+ “條像素 輪出線μ係配置成延伸於縱方向。此處，α亦可為〇，在 該情形下，本例中配線條數則為132條H —般而言， =以此方式形成多數條平行延伸t配線（例％ αι I金屬。配 線)時，由於兩端之配線的寬度或寄生電容容易不同，因此 :於兩端各設1條虛設配線。於該情形下’ & 2而配線總 數則為1 3 4篠。 (;所-圖4係圖2所示之1個像素10的電路構成圖。如圖4 t像素1〇係包含以下而構成，亦即：光電二極體（相 二本發明之光電轉換元件）31，用以接收光以產生光電 承專送電晶體（相當於本發明之傳送元件）32，接近設置於 先电二極體3 1用以傳送光電荇.、Λ 明之檢測節點m，t 散叩(相當於本發 3!，暫時儲疒 過傳送電晶體32連接於光電二極體 儲存轉換成電屡訊號;儲存電晶體34及 存動作時用目田於本發明之電荷儲存元件)36,在光電荷儲 子動作時用以儲存從光電二極體31透過傳送電晶體”所 18 200922308 溢出之電荷:重置電晶體（相當於本發明之重置元件）35,用 以將館存於浮動擴散3 3月付ί六办 w… 存電容器36之電荷排出，·以 =極㈣放大器(相當於本發明之緩衝元件)43，用以輸出 館存於浮動擴散3 3之雷γ — 六抑 〜 何或儲存於浮動擴散33及儲存電 兩者之電何作為電麼訊號，且 PMOS型電晶許Qv Z 1β| ^ ，、同樣地為主從連接之2個NMOS型 电晶體40,41的2段構成。 此外’圖4中，雖將用以將電流供應至源極跟隨放大 =之奸之2個電晶體37, 38的電流源％記述為在像 ’但實際上並非在各像素iq内而錢置在第^ 电流源區域6a或第2電流源區域讣。 於傳送電晶體32、儲存電晶體34、重置電晶體h、及 源極跟隨放大器43之選擇電晶體38,41的間極端子，分別 =有用以供應“ T、0C、0R、及„所構成之控制訊 人^駆動線15。如圖3所示’該等驅動線係所有像素（亦包 3苐2像素區域2b内之像素）共通。 源極跟隨放大器43之第2段電晶體41的輸出&係 接於設置在上述配線區域13之132條像素輸出線Μ中 之1條(圖4中係以符號141所示之像素 f出線⑷係每—像㈣分別各設以条，因此於2 素輸出、線141僅連接1個像素1〇(亦即源極跟隨放大器 源極跟隨放大器43具有用來以高速驅動像素輪出線 之電流緩衝器的功能。如圖3所示，由於各像素輪出線 200922308 ⑷係從像素區域2 a延伸至記憶區域3 a，因此係某種程度 杈大之電容性負載，為了以高速加以驅動因此必須有可使 大電流流動之較大尺寸電晶體。然、而，為了提升檢測感度 而提局光電轉換增益，利以將光電荷轉換成電壓之浮動 擴散33的電容係盡可能愈小愈好。由於連接於浮動擴散33 之電晶體之閘極端子的寄生電容實效上係、使浮動擴散^之 :容增加，因此根據上述理由該電晶體最好為閘極輸入電 合車乂 J之J型電曰曰體。目此，為了滿足在輸出側之大電流 供應與在輸入侧之低電容，便將源極跟隨放大器Μ設為二 段構成，而將初段之電晶體37設為小型電晶體，藉此抑制 輸入閘極電容’後段之電晶體4G，41則使用較大之電晶體 而可確保較大輸出電流。 又，源極跟隨放大器43中，即使無初段之電晶體38 雖亦無妨礙，不過在後段之選擇電晶體41為斷開⑴FF)狀 :時同時選擇電晶冑38亦斷開，#此阻止電流從電流源W 机至電晶體3 7，而可抑制該部分之電流消耗。 圖5係表示丨個像素1〇之光電轉換區域η之概略布 局的俯視圖，圖6係從箭頭方向觀看圖5中之α—α，線縱截 面的概略電位圖。具有大致矩形之受光面的光電二極體31 係肷入光電二極體構造。由於以高速攝影時曝光時間極 紐，因此為了確保適切之露出必須盡可能擴大各像素之光 電二極體的受光面面積，以盡可能增加射入（受光）之光量。 然而，一般而言’若擴大光電二極體之受光面的面積時， 特別是在其周邊側所產生之光電荷移動至檢測節點之浮動 20 200922308 擴散所須時間舍吝+日日 環期門中益土 導致在高逮攝影之較短1個循 等乂/，、#送之電荷的浪費’或成為造成殘影之原因 荨。因此，太音 本“例之固態攝影元件中，係藉由採用以下 &殊構謀求電荷傳送之速度提升。 :常’浮動擴散雖設置於光電二極體之側邊，但本固 〜和兀件中，如圖5所示，係於光電二極體31之大致中 央部形成小面積之浮動擴散331，且傳送電晶體”之間極 係以圍繞該浮動擴冑331之方式設置成環狀。藉此，盡可 广從光電二極體31之周邊部至浮動擴散331之 的移動距離。 /m 在形成光電二極體3 1時，藉由使用複數個光罩， =光電二極體31之周邊部朝向中央（亦即浮動擴散3川設 有雜質摻雜量或雜質植人深度的梯度。紅 電壓施加於光電二極體31之州接合的狀態下，如圖叫 斤丁即形成從外側朝向内側下傾之電位梯度。藉由該製 =之電位梯度亦即藉由製程上所形成之電位梯度以光之 、：產生之光電荷’其愈靠周邊部產生者所受之加速愈 '亍進至中央侧。因此，若傳送電晶體32為斷開狀態時， 如圖6(a)所不，光電荷即聚集於傳送電晶體32之環狀閘極 的周圍’料送電晶體32為導通狀態時，如圖抑）所示， ，電㈣經過傳送電晶们2而落入浮動擴散331。總之， Y以咼準確率且迅速地將光電二極體31所產生之光電荷傳 送至浮動擴散3 3 1。 藉由將浮動擴散331設於光電二極體31之中央部，雖 21 200922308 具有上述重大之優點，但儲存溢流之光電荷之儲存 36等若接近設置於浮動擴散州_，則會產生孔徑比降低 之問題。因此，另特像素電路區幻2t形成與上動 擴散（以下，稱為第】浮動擴散）331不同之第2浮動擴散^ 作為擴散層，並以名X m 擴气如鱼笛 屬配線333來連接第1浮動 一第2浮動擴散说之間，藉此成為同電 即’第1浮動擴散331及第2浮動擴散阳為—體，而且 ===電荷訊號轉換成電壓訊號之檢她 细作^，：：苐1及第2記憶區域％儿内之構成的詳 I :圖3所示，於第1及第2記憶區域3a，3b内， 沿相對於排列在垂直方向之i 内 1 Ί 9u 彳冢常1 0所分別連接之 !32條像素輸出線M的延 ^ m °祌列有儲存圖框數L·個 刀之0己部早兀20。該例中，儲存 圖框數係叫固，於垂直方⑸圖框數L亦即連續攝影 此外此言於k工、 排列有104個記憶部單元20， 此外此亦於水平方向排列有32〇個 域3a係排列有1〇4χ32〇個記憶部單元2 μ 己憶區 讪亦排列有相同數目之記憶部單元2〇。；第§己憶區域 圖7係表示1個記憶部單元 於1個記憶部單元2"，咬置有广構成的概略圖。 向12個人呼袖 °有水平方向11個、垂直方 不同之各己憶部22，各記憶部22則分別連接於 憶…：:ΓΓ141。透過像素輪出線⑷，各記 内之12個；;一/應像素1〇,於1個記憶部單元 …22,係分別保持像素區域以内垂直方 22 200922308 向之1 3 2個像素丨〇的 之320個記"單_ 因此，於排列在水平方向 … 己隐…20(圖3中以符號21所表示之記憶部 早疋订），即保持由32 32们像素所構成之1個圖框的像 素訊號’藉由將此排列 冬 P, ,r ^ . 個於垂直方向即可保持1 04個 圖框里的像素訊號。 /各°己隐邛單720中，132個記憶部22之所有訊费

輸出線係被連接而成' 炎，^ JU 成為1條訊號輸出線23，如圖3所示， 排列於水平方向之記憔

個為i、組，每一組心 „並進一步以相鄰之每W 5己憶部早疋20之輸出線係被連接 而成為1條訊號輸出蝮21，千* +1 ΛΛ ®踝23，垂直方向之104個記憶部單元 20的訊號輸出線23亦祯违搵 m , ^ 丌被連接。因此，訊號輸出線23之數 目總共係上述組之數目亦g 致目亦即32條，此係平行輸出。又， 於從第2記憶區域31)亦取出相同數目之訊號輸出 可通過總共64條輸出訊號線平行進行訊號讀取。 圖8係表示1個記憶部22的電路構成圖’《9係表示 1個記憶部22之概略布局的 出蝮々㈣視®。由連接於1條像素輸 ^線⑷之取樣電晶體26(26a〜⑽）、透過取樣電晶體％ 連接於像^出線141之電容器25(〜〜叫及用以讀取 保持於電容③25之類比電壓訊號的讀取電晶體2〜 27d)構成最小記憶單位之記憶㈣〜⑽） 部22係以4個記憶元件24a〜 24d為1組所構成。因此，於 J個記憶部22可保持從同一像音 、 像素所傳送之4個不同類比電 屢丑5虎。由於通過4個讀取雷θι|* 買取冤曰曰體27a〜27d之訊號輸出線 23a，23b，23c，23d係如圖8、圖9所干八 口 y所不刀別獨立設置，因此 23 200922308 圖7所示之訊號輸出線23實際上係存在*條（訊號輸出線 23a, 23b, 23c, 23d) 〇 此係為了進行後述之動態範圍擴大處理，用以獨立保 持對應溢流前之電荷的訊號、對應溢流後之電荷的訊號、 對應溢流前之電荷的訊號所含之雜訊訊號、及對應溢流後 之電荷的號所3之雜訊訊號的4個類比電壓訊號。然而， 並無須拘泥於上述目的，亦可，、,甘仙& " 心曰的，亦可以其他動作形態來使用各記 憶元件24a〜24d。例如，若不使用各像* 1()之儲存電容器 36 ’則無須考量溢流後之訊號或溢流後之訊號所含的雜訊 ί虎，5亥部分可使用却，陰；1 / — 用η己憶兀件Μ用以增加連續攝影之圖框 數。藉此，即可進行2 /f立夕ο π e Λη si 1 丁仏之208個圖框的連續攝影。又， 若亦=進行雜訊除去時則可進—步進行2倍之416個圖框 的連續攝影。 與各像素1〇内之儲存電容器36同樣地，電容器25a 〜25d亦可精由雙多晶㈣極構造或堆疊構造來形成。進行 使'C^D構以之電何保持時，雖有源自熱激發等之暗電荷 的假訊號會加入光1销·夕pq es ,, β 元汛號之問題，但由於雙多晶矽閘極構造 或堆璧構造之電容器25a〜25d 5d不會產生該種暗電荷，因此 假訊號不會加入，而7提古

而了頃取至外部之訊號的s/NO 此外’由於最好電容器25 甘0口 也令益Oa〜25d其早位面積之容量為 較大’因此可使用高介電係數 T数之絕緣膜。藉此，可抑制記 憶區域3 a，3 b之面接，介-γ』^ 亦可抑制該固態攝影元件之晶片面 積 & 了更擴大單位面積之容量，亦可將電容器25a 〜25d之絕緣膜設μ溝槽構造等之非平面構造。 24 200922308 圖1 〇係表示用以通過如上述之訊號輸出線23來讀取 保持於記憶區域3a内之各記憶部之訊號之概略構成的方塊 圖。設置成2維陣列狀之記憶部單元2〇(2〇__ 〇i〜2〇— 之垂直方向的每1列，各設置有水平移位暫存器hsri〜 說320,於水平方向的每，各設置有垂直移"Μ VSR1〜VSR104。當進行逐次讀取時，係根據水平移位暫存 器HSR1〜HSR320與垂直移位暫存器VSR1〜Vsri〇4之組 合來選擇記憶部單元20,並在所選擇之記憶部單元2”依 序選擇記憶部22以讀取像素訊號。 按者，針對使 十只犯列〜叫艰僻彩兀仵進行高速連 :攝影時之動作作說明。首先，針對各像素iq之光 動作與將藉此所產生$ 1# 、 /r座生之5fl#u儲存於！個記憶部22為止之 作’藉由圖1 1〜圖14作說明。 本實施例之固離摄影；丛Λ 私^ 士 〜、攝件中，可選擇光電荷儲存時間 乂豆吋與光電荷儲存時間相對 式。前者之指桿係”… 時的2個不同動作模 L 為先電荷儲存時間在10" S程度以下而 可忽略在浮動擴散所產生之暗電 ：：下而 萬個圖框/秒以上之高速 r況纟進仃_ ^ 僻如吁以採用此動作模式較佳。 ⑷光電荷儲存時間較短時之動作模式 圖11係光電荷儲存時間 圖，圖12係該動作中各時之動作模式的驅動時序 圖12(後述之…柏同二：的概略電位圖。此外， 光電二極體31、浮動 。D、CFD、ccs係分別表示 而CFD+Ccs則去-” 、及儲存電容器30之電容， 不浮動擴散33與館存電容器36之合成電 25 200922308 容。 在此種情況下，使供應至各傻 0 χ A 像素10之共通控制訊號的 4 = Λΐ以將祕跟隨放大器43内之選擇電晶體从 同樣白地#Γ導通（⑽)狀態。接著，在進行光電荷儲存前， 问樣地使共通控制訊號wT、0C、0R為高位準，以將 傳送電晶體32、儲在雪曰於' 儲存電曰曰體34、及重置電晶體35皆導通（時 )。藉此’㈣擴散33及儲存電容器36即被重置（初始 化）又’此時光電二極體3 i係處於完全空乏化 時之電位狀態係圖12(a)。 〜、 其次’若使^ R為低位準以斷開重置電晶體35時，於 =動擴散33即產生等價包含在該浮動擴散33與儲存電容 益36所產生之隨機雜訊、及因源極跟隨放大器U之電晶 體37之閾值電壓之偏差所造成之固定圖案雜訊的雜訊訊號 N2(參照圖12(b))，對應該雜訊訊號N2之輸出電流即流至 像素輸出、線141。因此’藉由在該時點(時刻u)賦予記憶部 22取樣脈衝0N2以導通取樣電晶體26d，即可將通過像素 輸出線141輸出之雜訊訊號N2保持於電容器。 其次，若使0C為低位準以斷開儲存電晶體34時，在 該時點儲存於浮動擴散33及儲存電容器％的訊號電荷， 即依浮動擴散33與儲存電容器36之各電容Cfd、Ccs的比 例分配（參照圖l2(c))。此時，於浮動擴散33即產生等價包 含斷開0 C時所產生之隨機雜訊與因源極跟隨放大器μ之 電晶體37之閾值„之偏差所造成之固㈣案雜訊的雜訊 訊號N1，對應該雜訊訊號N1之輸出電流即流至像素輸出 26 200922308 線141。因此，藉由在該時點（時 了 d t2)賦予記憶部22取樣 脈衝0N1以導通取樣電晶體26c， ， 即可將通過像素輸出線 輸出之雜s孔訊號N1保持於電容琴 由於傳送電晶體32係維持於壤 幵於導通狀態，因此藉由射入 先电一極體3 1所產生之光電荷即通 一 了丨通過傳达電晶體32(圖6(b) 所不之狀態）流入浮動擴散33， ΧΤ1、，μ 一 叩更邊於先刖之雜訊訊號 N1亚儲存在浮動擴散33(時刻t )在射入強光而於光電二 極體31產生大量光電荷導致 亍勒彍散33飽和時，溢流之 電何即透過儲存電晶體34而 ^ 阳储存於儲存電容器36(參照圖 12(d))。精由預先將儲存電晶體 日腹之閾值電壓適度設定於 乂— 3即可^良好效率將電荷從浮動擴散33傳送至健存 ^ 猎此，即使浮動擴㈣之電容Cfd較小，可儲 存之表大飽和電荷量較少，介7 ^ '、了 ”，、須廢棄飽和之電荷以作 有效利用。以此方式，在浮動 s ^ ^ 動擴散33之電荷飽和（溢流）前 及包何飽和（溢流）後所產生 # 電何白可利用作為輸出訊號。 右經過既定光電荷儲在拉1 子^間後’在斷開儲存電晶體34 =恶下，藉由賦予記憶部22取樣脈衝㈣以導通取樣電 即可在該時點(時刻⑷通過像素輸出、線⑷輸 出對應儲存於浮動擴散3 3 ^ ^ (各 微散33之電荷的訊號以保持於電容器

Ma(參照圖12(e))。此 .m ^ 由於储存於洋動擴散Μ之訊號 :對應溢流前之電荷的訊…疊於雜訊訊號m的訊 ^因此保持於電容器〜者係未反映儲存於儲存電容器 36之電荷量的S1 + N1。 然後，若立即使d ρ _ . 為南位準以導通儲存電晶體34 27 200922308 ^，在該時點保持於㈣擴散33之電荷與保持於儲存電容 器％之電荷即被混合（參照圖12(f))。在該狀態下藉由賦^ _”2取樣脈衝0S2以導通取樣電晶體⑽(時， 以將對應料於浮動擴散33及儲存電容器％之電荷的訊 5虎’亦即將溢流後之訊號S2重疊於雜訊訊號N2的訊號， 通過像素輸出線141輸出以保持於電容器⑽。因此 於電容器25b者係反映儲存於儲存電容器％ + N2。 •至 以上述方式，將訊號81 +川、82谓、別、及犯分 別保持於I個記憶部22所含 & 3之4個電容器25a，25b，25c， Γ後’即以此結束1個循環之影像訊號的讀取。以上述方 含隨機雜訊或固定圖案雜訊之雜訊訊號^及Ν2 :包t該等雜訊訊號之訊號分別另外求出。因此，藉由 :各^號從電容器25a，25b，以⑽讀取後進行減 :可獲得除去雜訊訊號m、及N2之影響的高隨影 =用又，由於從浮動擴散33溢流之電荷亦可不廢棄而 反映該光之訊號，而可確佯==成飽和’並可獲得 針對可擴大此種動態範圍=;:=圍。此外’由： 特開20〇6·245522赛八舶哲、D月，已記載於例如日本 ( …A等文獻，因此此處省略其說明。 2光電荷儲存時間相對較長時之動作模式 明。圖二：二2儲存時間相對較長時之動作作說 Μ係該動作t各^子2相對較長時之驅動時序圖，圖 谷像素内的概略電位圖。 28 200922308 與光電荷儲存時間較短時之 電荷錯存時間〜開傳送電晶體32，以;光 產生之光電荷儲存於空乏層： 送電晶體32，·以电仃储存時間中斷開傳 訊號-之取樣荷儲存期間之最後進行雜訊 電荷）不含於動擴散33所產生之暗電荷（及光 、 唬等。斷開傳送電晶體32 1原因# / & 使其閘極正下方切— 狀_'、； 洞充滿矽表面來防，“ 成為&積狀態’並以電 電何從矽—絕緣膜界面侵入。再 者又由於光電荷儲存時間較長，因此為: :將源極跟隨放大…選擇電晶…二= 進行光電荷儲存前，係使必丁、K、0R為高位準 以將傳送電晶體32、儲存 储存電日日體34、及重置電晶體35皆 ¥通（時刻tlO)。藉此孚動 汙勒擴政33及儲存電容器36即被 重置（初始化）。又’此時光雷_ 亍尤％ 一極體31係處於完全空乏化 之狀態。此時之電位狀態係圖14(a)。 。其次’若使0 R為低位準以斷開重置電晶體35時，於 =動擴政33’即產生等價包含在該浮動擴散33與儲存電容 器3 6所產生之隨機雜訊、及因源極跟隨放大器a之電晶 體 37之閾值電壓之偏差所造成之固定圖案雜訊的雜訊訊號 N2(參照圖 像素輸出線 14(b))，對應該雜訊訊號N2之輸出電流即流至 141。因此，藉由在該時點（時刻tu)賦予記憶 部22取樣脈衝0 N2以導通取樣電晶體26d，即可將通過像 素輸出線141輸出之雜訊訊號N2保持於電容器25d。至此 29 200922308 為止之動作係與光電荷儲存時間較短日夺之 其次，若蚀/r1 / 動作模式相同。 右使0 c為低位準以斷開儲存 該時點儲存於淬叙嬸盘u α从士 日日體34時’在 仔於+動擴散33及儲存電容器％ 即依浮動擴散33與儲存電容器36之各電 ^電何， 例分配。再者，使0Τ為低位準以斷開：體=的： 使《為低位準以斷開源極跟隨放大器43之；;二= 體38,叫時刻U2)。藉此，於光電二極 =擇電日日 之門gR π > $ 1與夺動擴散33 曰^成電位障壁，而在光電二極體μ $ & 荷之狀態（參照圖14⑷）。 ㈣31成為可儲存光電 二：光電二極體31之光所產生之光電荷雖儲 -極體3】之電容CpD ’但若光電二極體31產生飽和時，立 =上之多餘電荷即透過傳送電晶冑Μ，重疊於如上述般依 电谷比分配之雜訊訊號，而儲存於浮動㈣Μ。當更強之 光射入而造成淨動擴散33飽和時，則電荷即透過儲存電晶 體34儲存於儲存電容器36(參照圖14(d))。 稭由預先將儲存電晶體34之閾值電壓設定成適度低於 •:電晶體32之閾值電壓，即可使在浮動擴散33飽和之 :仃不會返回光電二極體3 i側’而可以良好效率傳送至儲 口子電容器36。藉此，即使浮動擴散33之電容Cfd較小，而 I儲存之電荷量較少，亦可無須廢棄溢流之電荷以作有效 J :以此方式，在浮動擴散33溢流前及溢流後所產生之 電荷皆可利用作為輪出訊號。 、右紐過既定光電荷儲存時間後，以使0 X為高位準以導 、選擇電晶體3 8, 4 1之後，藉由賦予記憶部22取樣脈衝必 30 200922308 N1以導通取樣電晶體26c，藉此在該時點（時刻us)即口 I過像素輸出線141輸出對應儲存於浮動擴散33之訊° :的雜訊訊號N1以保持於電容器…。於此時之雜訊訊： 1，係包含因源極跟隨放大器43之電晶體37之閾 : 之偏差所造成的固定圖案雜訊。 ^次，使為高位準以㈣傳送電晶體U，將儲存 ^電二極體31之光電荷完全傳送至浮動擴散33(參昭圖 6))。然後，立即（時刻叫藉由賦予記憶部22取樣脈 以導通取樣電晶體26a，即可通過像素輸出線i4i 刖出對應儲存於浮動擴散33之電荷的訊號以保持於電容器 :此時之訊號由於係儲存於光電二極體31之電荷的； 二二即溢流前之電荷的訊號S1重疊於先前雜訊訊號Μ 的況唬，因此為SI + N1。 時點為高位準以導通儲存電晶體34時，在該 + 、於β動擴散33之電荷與保持於儲存電容器％之 皮混合（參照圖刚）。在該狀態（時刻u5)下藉由賦 取樣脈衝0S2以導通取樣電晶體⑽，即可通 器别出、線141輸出對應儲存於浮動擴散33及儲存電容 為以之^荷的訊號，以保持於電容器心。此時之訊號則 別伴梏上述方式’將訊號Sl + Nl、S2 + N2、N1、及N2分 25^，V；S"^P 22^^^t^25a, 25b, 25c, 设 即以此結束1個姑 儲存時間鲈Η 循衣之衫像訊號的讀取。與光電荷 又丑、之動作模式同樣地’由於包含隨機雜訊或 31 200922308 固疋圖案雜訊之雜訊訊號N1、及N2係與包含該等雜訊訊 …號分別另外求出，因此藉由將各訊號從電容器2玩 25b,25e，25d讀取後進行減法處理，即可獲得除去雜訊訊號 二…影響的高S/N像素訊號。又，由於從浮動擴散 之電何亦可不廢棄而加以利用，因此在強光射入時 亦不易造成飽和，並可獲得 廣之動態範圍。“反映該先之而可確保寬 如以上所述’由於供應於各像素1G之控制訊號 、R、及Μ係共通，因此所有像素1()可同時進行上 述光電荷儲存動作及訊號從各像素1Q至記憶部Μ的傳送 。亦即’以上述1個循環1個圖框量之影像訊號即可 二：於：列在圖3中記憶區域3a之水平方向之32。個記憶 #早兀内的記憶部22。藉由反覆進行該動作ι〇4次，即 可將像素訊號保持於所有記憶部單元2〇内之記憶部^。第 ^次以後則以再次將像素訊號寫人最上方之記憶部翠元 Μ的方式，《地執行保持動作。直至從外部賦予攝影停 止^訊號為止-直反覆進行。當賦予攝影停丘指示訊號 而中止攝影時，在該時點最新之1〇4 即保持於記龍域3a，3b。 之像素訊號 種二所述，各記憶部22中當欲於已保持有某 之電…保持新的訊號時，必須執行重 ^以别之訊號。因此，雖未圖示不過於各像素輪出線^ 環接有重置用電晶體，在重置某記憶部 時，係導㈣記憶部22之取樣電晶體26並導通連接於所 32 200922308 對應之像素輸出線141的重置用電晶體，儲存於電容器25 之訊號即通過取樣電晶體26、及像素輪出線⑷㈣重置。 在執行此種重置後，新的訊號即可保持於電容器25。 保持於各記憶部22之電容器25的訊號，係藉由依序 導通連接於同-訊號輸出線23之讀取電晶體27而讀取。 由於同一記憶部22之4個讀取電晶體27a〜27d係分別連接 於不同之訊號輸出線23a〜23d’因此分別保持於同一記憶 :22内之4個電容器25a〜25d的訊號可同時讀取。此外， 藉由以未圖示之減法電路進行（S1 + N1)—m、（s2+N2) — N2之減法處理，即可分別取出除去隨機雜訊或固定圖案雜 訊的S!訊號、S2訊號。此外，究竟採用si、以何者來 作為像素訊號’係以81之飽和訊號量以下之適當訊號位準 2基準（閾值）’以高於該值或低於該值來分別選擇s卜s2。 藉由在低於飽和訊號量實施此種㈣，即可避免訊號Μ之 飽和偏差的影響。 其次，針對逐次讀取來自記憶區域3a，3b之動作藉由 圖15〜圖17作說明。圖15係逐次讀取來自記憶區域3a，3b 之属5虎時的動作時序圖，圖丨6係水平移位暫存器hsr之要 部的動作時序圖，圖17係垂直移位暫存器VSR之要部的動 作時序圖。 作為一例，說明在圖1〇所示之第i個圖框之32〇個記 隐邛單元20中，左端侧之記憶部單元方塊5〇的讀取順序。 百先，左端之記憶部單元2〇_〇1中，從左向右依序讀取圖7 所示之水平方向之第1行之記憶部22之η個像素分的像 33 200922308 '素訊號。該記憶部單元20-0 1，係藉由使水平移位暫存器 HSR1與垂直移位暫存器VSR1能動化以進行選擇，根據水 平方向之讀取時脈H-CLK，逐一導通記憶部22之讀取電晶 體27的脈衝訊號即從水平方向之左向右移動。該脈衝訊號 之一例為圖16所示之yl, y2,及y3。以此方式，完成i行分 之讀取後，即賦予用習知垂直方向進行讀取之時脈 V-CLK，藉此移至下一行之第2行的記憶部22，同樣地， 從左向右讀取11個像素分。藉由該反覆動作，直至第12 行結束為止進行像素訊號之讀取。使該垂直方向各行之讀 取電晶體27能動化之訊號之一例，係圖17所示之vi, 及v3。 然後，接著藉由使水平移位暫存器HSR2與垂直移位暫 存器VSR1能動化，以選擇右鄰之記憶部單元2〇_〇2，如圖 16所示，讀取對象便移至該記憶部單元2〇-〇2。接著，與先 前同樣地，依行—列之順序藉由導通每1像素分之各記憶 f 部22的讀取電晶體27來讀取訊號。以此方式，依序進^ v 記憶部單元20之選擇直至記憶部單元2〇_1〇為止，當結束 "亥圯fe °卩單兀20-10之第12行之記憶部22的讀取後，即完 成：個圖框量之讀取。在其他記憶部單元方塊5〇亦與上述 同時執行來自所對應之記憶部單元之記憶部之訊號的讀 取0 /以上^方^，在f Η固圖框之所有像素訊號的讀取結 束後接著第2個圖框之像素訊號的讀取即開始。亦即， 士圖所不，由於藉由使水平移位暫存器HSR1與垂直移 34 200922308 位暫存器VSR2能動化，以選擇圖1〇所示之第2行之纪憶 部單元中之左端者，因此以與第1個圖框相同之順序執= 讀取’藉由反覆此動作來完成至1〇4個圖框為止之讀取。丁 然而，讀取之程序並非僅限於此種方式，而可適當^變 更。 上述實施例之固態攝影元件中，亦可設成將像素輸出 線14設置於光電轉換區域^上之構成。再者，為了提升 聚光率，亦可將具有大致球面之一部分或大致圓柱之—部 分之形狀的複數個晶載微透鏡設置於像素輸出線η之上， 以成像於像素輸出線14間。 上述實施例之固態攝影元件中，雖將像素區域2(2a，2匕） 與記憶區域3a，3b分別設為獨立之區域，並分離設置於半 導體基板1上之同一面上，但亦可設為背面光入射型之構 造。亦即’亦可例如將光入射面設於與形成電晶體等之圖 案面的相反側，藉此分離像素區域2(〜，叫與記憶區域、 3b’其中該光人射面係將光電二極體31設置成二維陣列狀。 ，又，亦可設成不將像素區域2(2a, 2b)與記憶區域仏，扑 形成於同一半導體晶片上，而分別形成於另—半導體晶片 上，並以已知之方法來連接兩者的構成。具體而言，亦可 設成將不同之半導體晶片裝載於不同之基板上，再藉由打 線進行兩者間訊號之交換的構成。又，亦可不排列於水平 方向，而藉由倒裝晶片構裝積層成可進行複數個半導體晶 片間之訊號的交換。 又，亦可不將像素區域2(2a, 2b)與記憶區域3a，31?設 35 200922308 於不同半導體晶片上，而將二維陣列狀之光電二極體η形 成於1個半導體晶片，並將光電二極體3 1以外之像素區域 2(2a，2b)與記憶區域3a，3b形成於另一半導體晶片上，且藉 由打線或倒裝晶片構裝將該等加以連接。 3 又，上述實施例係本發明之固態攝影元件之一例，在 本發明之意旨之範圍内即使適當進行變形、修正、追加， 當然亦包含於本案之申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 圖1係表不本發明之一實施例之固態攝影元件之半導 體晶片上之概略布局的俯視圖。 圖2係表示本實施例之固態攝影元件中像素區域内之 之1個像素之概略布局的俯視圖。 圖3係本實施例之固態攝影元件之要部$方塊構成圖。 圖4係本實施例之固態攝影元件之η固像素的電路構 成圖。 圖5係表示本實施例之固態攝影元件中丨個像素之光 電轉換部之概略布局的俯視圖。 圖6(a)，（b)係從箭頭方向觀看圖5中之A—A，線縱截面 之概略電位圖。 圖7係本實施例之固態攝影元件中對應排列於垂直方 向之132個像素之1個記憶部單元的概略構成圖。 圖8係本實施例之固態攝影元件之丨個記憶部的電路 構成圖。 圖9係表示本實施例之固態攝影元件之丨個記憶元件 36 200922308 部之概略布局的俯視圖。 圖1 〇係表不逐次讀取本實施例之固態攝影元件中保持 於各記憶部之訊號之概略構成的方塊圖。 圖U係本實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間較 短時之動作模式的時序圖。 圖12(a)〜（f)係圖n之動作中各像素内的概略電位圖。 二3係本實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間相 對較長時之動作模式的時序圖。 =“⑷〜⑴係圖13之動作中各像素内的概略電位圖。 回15係料絲本實施心目 時的動作時相。 圖16係本實施例之固態攝影元件 要部的動作時序圖。 -件之水+移位暫存器之 之固態攝影元件之垂直移位暫存器之 \ 圖1 7係本實施例 要部的動作時序圖。 【主要元件符號說明】 :半導體基板 2’ 2a，2b :像素區域 3a， 3b: έ己憶區域 4a， 4b : 垂直掃描電路區域 5a, 5b : 水平掃描電路區域 6a， 6b : 電流源區域 10 :像素 11 •光' t轉換區域 37 200922308 12 :像素電路區域 1 3 :配線區域 14, 141 :像素輸出線 1 5 :驅動線 20 :記憶部單元 22 :記憶部 23, 23a〜23d :訊號輸出線 24, 24a〜24d :記憶元件 25, 25a〜25d :電容器 26, 26a〜26d :取樣電晶體 27, 27a〜27d :讀取電晶體 3 1 :光電二極體 32 :傳送電晶體 33, 33 1，332 :浮動擴散 3 3 3 :金屬配線 34 :儲存電晶體 35 :重置電晶體 36 :儲存電容器 37, 40 :電晶體 38, 41 :選擇電晶體 3 9 :電流源 43 :源極跟隨放大器 50 :記憶部單元方塊 VSR1〜104:垂直移位暫存器 38 200922308 HSRl HSR320 :水平移位暫存器 /

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Claims (1)

1. 200922308 十、申請專利範圓： 1種固轉f彡元件，其特徵在於，具有： a)像素區域，排列古— _ /iL 巧有包含接收光以產生光電荷之光電轉 換7L件的複數個像素；以及 )隱區4係與該像素區域分離之區域，g己置有用以 . ’、°°域内之各像素而輸出之訊號的複數個記 1¾部， /像素區域内之各像素分別獨立設有延伸至該記情 Z域的像素輸出線，該複數個記憶部係分別連接於該像; 輸出線。 、 + 2、如申請專利範圍第i項之固態攝影元件，其中，該 複數個記憶部# & Ah A s , , VA ’、 已3至y 1個記憶元件，各記憶元件 /、該像素輸出線之間具有閘極手段。 3、如申請專利範圍第1項之固態攝影元件，其中，該 像素區域内之各像素具有：傳送元件，用以將在該光電轉 換凡件所產生之光電荷傳送至從電荷訊號轉換成電塵訊號 之檢測節點；緩衝元件，介設於該檢測節點與各像素之像 素輸出線之間’並將訊號從該檢測節點送出至該像素輸出 線；以及重置元件’用以重置至少該光電轉換元件及該檢 測節點。 4、一種固態攝影元件，其特徵在於，具有： a)光電轉換元件，接收光以產生光電荷； ,b)傳送元件，將在該光電轉換元件所產生之光電荷傳 送至從電荷訊號轉換成電壓訊號之檢測節點； 200922308 c) 緩衝元件，將輸出訊號從嗲 出線； 攸及檢观郎點达出至像素輸 d) 重置7L件，用以重置至 節點；以及 °亥先®轉換兀件及該檢測 e) 被數個記格加 緩衝元件所傳二V用以保持通過該像素輸出線從同- 吁运之輪出訊號； 以該光電轉換 分& 、、, 重置元件為"固像:：运7"件、該緩衝元件、及該 像素區域内，並個像素以二維陣列狀配置於 以西己… 集U對應各像素之該複數個記憶部， 以配置於與該像素區域分離之記憶區域内。 ★ I專利範圍第3或4項之固態攝影元件，， 該像素區域内之久德丰 Ύ m二像素至少具有1個電荷館存元件，用以 =兒何儲存之光電荷儲存動作時，儲存從該光電轉 換兀件通過該傳m益出或從該檢測節點溢出之光電 荷。 6、 如申請專利範圍第4項之固態攝影元件，其係以使 全像素同時執行各像素之光電荷儲存動作與通過各像素輸 出線讀取來自各像素之訊號之動作的方式，將供應至各像 素之控制訊號共通化。 7、 如申請專利範圍第4項之固態攝影元件，其係以使 全像素同時反覆進行各像素之光電荷儲存動作與通過各像 素輸出線讀取來自各像素之訊號之動作，且就各訊號之讀 取動作將通過各像素輸出線所傳送之訊號依序保持於該複 數個5己憶部的方式，對各像素及記憶部供應控制訊號。 200922308 掛雍'如中凊專利範圍第3或4項之固態攝影元件，其中， 各I去個像素之腹數個記憶部係分別具有可獨立保持來自 動作之：輪出訊號的複數個記憶元件，在1次光電荷儲存 :環中’係以將各像素内光電轉換^件及檢測節點 ^ /殘留之雜訊成分、與對應光電荷之儲存所產生之電 'u保持於同-記憶部之不同記憶元件的方式，對 各像素及記憶部供應控制訊號。 9、如中請專利範圍第4項之固態攝影元件，其中，對 應1個像素之複數個記憶部係分別具有可獨立保持來自各 ::::::讯號的複數個記憶元件，在1次光電荷儲存動 衣中，係以將各像素内光電轉換元件及檢測節點重 置時殘留之雜訊成分、對應進行光電荷儲存時溢出該電荷 儲2件則之電荷的訊號、及對應進行光電荷儲存時溢出 :“何儲存元件後之電荷的訊號保持於同一記憶部之不同 σ己隐兀件的方式，對各像素及記憶部供應控制訊號。 10、如申請專利範圍帛4項之固態攝影元件，其係就 各列或各订匯集來自屬於同一列或行之複數個像素的像素 輸出線，而配置於垂直方向或水平方向。 、 丨1、如申請專利範圍帛4項之固態攝影元件，其係將 該像素區域於垂直方向及/或水平方向區隔成複數個，在各 區隔像素區域中，就各列或各行匯集來自屬於同-列或Γ 複數個像素的像素輸出線，而配置於垂直方向或水平 向0 12、如申請專利範圍第3 4 4項之固態攝影元件，其 42 200922308 中’該像素區域係俯視呈矩形，該記憶區域係設置於該像 素區域之四邊中之1或複數個外側。 13、 如申請專利範圍第1丨項之固態攝影元件，其係對 應該區隔像素區域以分割該記憶區域，並將其分割記憶區 域分別設置於該像素區域之四邊中不同邊之外側。 14、 如申請專利範圍第3或4項之固態攝影元件，其 係將該複數條像素輸出線設置於該光電轉換元件上並以

   成像於該像素輸出線間之方式，將具有大致球面之一部分 或大致圓柱之一部分之形狀的複數個晶載微透鏡設置於該 複數條像素輪出線上。 1 5、如申請專利範圍第3或4項之固態攝影元件其 二：各像素之至j s亥光電轉換元件設置於該半導體基板 ，與形成有該記憶區域之元件形成面相反側的背面，並以 5亥背面為光入射面。 係以右如申請專利範圍第3或4項之固態攝影元件，其 路所構Γ絕緣物層分離之複數個半導體層的3維積體電 體層。錢素區域與該記憶區域係形成於不同之半導 、如申請專利範圍第3或4項之 係由複數個半導體積體電路元件’其 區域係形成於不同之半導體積體電路:：素區域與該記憶 18、如申請專利範圍帛3 該記憶部包含電容器、及將來自、通之::：影元件，其 之各像素之輪出 w 。像素輸出線傳送 出讯旎运入该電容器的開關元件。 43