TW202205652A - 固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器 - Google Patents

固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種能抑制接面電容及配線電容的增加，抑制浮動擴散的電容增加而防止轉換增益的降低，進而能謀求提高噪音性能的固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器。 在浮動擴散區FD10的與第1側部SDP1正交的第1方向上相鄰配置著源極隨耦元件(SF)，在FD10的第2側部SDP2的第1方向上相鄰配置著重置元件，FD10與源極隨耦元件藉由配線WR20連接。在第2方向上相鄰的光電轉換元件(PD10、PD11…)隔著至少可形成源極隨耦元件及重置元件的第1間隔D1而配置，在第1方向上相鄰的光電轉換元件(PD11、PD12…)隔著比第1間隔D1窄的第2間隔D2而配置。

Description

固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器
本發明係關於一種固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器。
作為使用了檢測光且產生電荷的光電轉換元件的固體攝像裝置(影像感測器)，在實際應用中提供CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)影像感測器。 CMOS影像感測器作為數位攝影機、視訊攝影機、監視攝影機、醫療用內視鏡、個人電腦(PC)、可攜式電話等可攜式終端裝置(行動裝置)等各種電子機器的一部分而被廣泛應用。
CMOS影像感測器的每個像素中具有包含光電二極管(光電轉換元件)及浮動擴散層(FD：Floating Diffusion，浮動擴散)的FD放大器，其讀出是以像素陣列中選擇某一行，同時朝列(column)輸出方向讀出該行般的列並行輸出型為主流。
一般來說，CMOS影像感測器的各像素例如對1個光電二極管由包含作為有源元件的4元件所構成，該4元件為：作為傳輸元件的傳輸電晶體、作為重置元件的重置電晶體、作為源極隨耦元件(放大元件)的源極隨耦電晶體、及作為選擇元件的選擇電晶體。
然而近年來，CMOS影像感測器中，隨著像素數的增加，像素尺寸的微縮化(die shrink)要求提高，為了對應此要求，提出一種由複數個光電二極管及轉送電晶體共有1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的多像素共用技術。
圖1是表示具有2像素共用結構的CMOS影像感測器的像素的一例的電路圖，該2像素共用結構由2組光電二極管及傳輸電晶體共有1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體(例如，參照專利文獻1)。
圖1的共用像素PXL1中，具有例如作為第1光電轉換元件的第1光電二極管PD0、及作為第2光電轉換元件的第2光電二極管PD1。 共用像素PXL1是第1光電二極管PD0及第2光電二極管PD1共有作為輸出節點的浮動擴散FD。
第1光電二極管PD0及第2光電二極管PD1在累積(accumulation)期間累積藉由光電轉換生成的電荷。 在第1光電二極管PD0的累積部與浮動擴散FD之間，連接著第1傳輸電晶體TG0-Tr。 而且，在第2光電二極管PD1的累積部與浮動擴散FD之間，連接著第2傳輸電晶體TG1-Tr。
並且，共用像素PXL1是對應於作為一個輸出節點的浮動擴散FD，具有一個作為重置元件的重置電晶體RST-Tr、一個作為源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF-Tr、及一個作為選擇元件的選擇電晶體SEL-Tr。
圖2是表示2像素共用時的2個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。
共用像素PXL1被分配了矩形區域RCT1，且包含如下元件形成區域，即，中央部分的中央區域CTAR1、以及隔著中央區域CTAR1而位於兩側(Y方向)的第1區域FSAR1及第2區域SCAR1。
中央區域CTAR1中，浮動擴散FD形成在X方向及Y方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有重置電晶體RST-Tr，在左側形成有源極隨耦電晶體SF-Tr、選擇電晶體SEL-Tr。 另外，這些左右等的配置是一例，並不拘為圖示例。
第1區域FSAR1中，以第1光電二極管PD0、第1傳輸電晶體TG0-Tr相鄰的方式形成。 圖2的示例中，第1傳輸電晶體TG0-Tr以在中央區域CTAR1側與浮動擴散FD連接的方式形成為矩形狀。
第2區域SCAR1中，形成有第2光電二極管PD1、第2傳輸電晶體TG1-Tr。 圖2的示例中，第2傳輸電晶體TG1-Tr以在中央區域CTAR1側與浮動擴散FD連接的方式形成。
藉由採用如圖1及圖2般的結構，能將像素構成要素在2個像素中通用，因此，能將每1像素的光電二極管PD的尺寸最大化，所以能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化。
圖3是表示具有4像素共用結構的CMOS影像感測器的像素的一例的電路圖，該4像素共用結構由4組光電二極管及傳輸電晶體共有1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體(例如參照專利文獻2)。
圖3的共用像素PXL2中，除了圖1的像素PXL1的結構之外，還具有作為第3光電轉換元件的第3光電二極管PD2、及作為第4光電轉換元件的第4光電二極管PD3。 也就是說，共用像素PXL2是第1光電二極管PD0、第2光電二極管PD1、第3光電二極管PD2、及第4光電二極管PD3共有作為輸出節點的浮動擴散FD。
第1光電二極管PD0、第2光電二極管PD1、第3光電二極管PD2、及第4光電二極管PD3在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷。 第1光電二極管PD0的累積部與浮動擴散FD之間，連接著第1傳輸電晶體TG0-Tr。 在第2光電二極管PD1的累積部與浮動擴散FD之間，連接著第2傳輸電晶體TG1-Tr。 在第3光電二極管PD2的累積部與浮動擴散FD之間，連接著第3傳輸電晶體TG2-Tr。 在第4光電二極管PD3的累積部與浮動擴散FD之間，連接著第4傳輸電晶體TG3-Tr。
圖4是表示以與圖2相同的思想形成的4像素共用時的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的第1配置例的簡略俯視圖。
共用像素PXL2被分配了矩形區域RCT2且包含如下元件形成區域，即，中央部分的中央區域CTAR2、以及隔著中央區域CTAR2而位於兩側(Y方向)的第1區域FSAR2及第2區域SCAR2。
中央區域CTAR2中，浮動擴散FD形成在X方向及Y方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有重置電晶體RST-Tr，在左側形成有源極隨耦電晶體SF-Tr、選擇電晶體SEL-Tr。 另外，這些左右等的配置是一例，並不拘是圖示例。
第1區域FSAR2中，以第1光電二極管PD0、第1傳輸電晶體TG0-Tr、以及第3光電二極管PD2、第3傳輸電晶體TG2-Tr相鄰的方式形成。 圖4的示例中，第1光電二極管PD0、第1傳輸電晶體TG0-Tr形成在第1區域FSAR2的圖中左側(左半部的區域)，第3光電二極管PD2、第3傳輸電晶體TG2- Tr形成在第1區域FSAR2的圖中右側(右半部區域)。 第1傳輸電晶體TG0-Tr及第3傳輸電晶體TG2-Tr以在中央區域CTAR2側與浮動擴散FD連接的方式形成為矩形狀。
第2區域SCAR2中，以第2光電二極管PD1、第2傳輸電晶體TG1-Tr、以及第4光電二極管PD3、第4傳輸電晶體TG3-Tr相鄰的方式形成。 圖4的示例中，第2光電二極管PD1、第2傳輸電晶體TG1-Tr形成在第2區域SCAR2的圖中左側(左半部的區域)，第4光電二極管PD3、第4傳輸電晶體TG3- Tr形成在第2區域SCAR2的圖中右側(右半部區域)。 第2傳輸電晶體TG1-Tr及第4傳輸電晶體TG3-Tr以在中央區域CTAR2側與浮動擴散FD連接的方式形成為矩形狀。
藉由採用如圖3及圖4般的結構，能將像素構成要素在4個像素中通用，因此，能將每1像素的光電二極管PD的尺寸最大化，所以能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化。
圖5是表示4像素共用時的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的第2配置例的簡略俯視圖。
圖5的共用像素PXL3是4像素共用的變形例，具有由8像素共用2個浮動擴散FD的結構(例如參照專利文獻3)。 圖5的共用像素PXL3是對應於圖4的4像素共用，且具有形成有4個光電二極管PD0～PD3、以及傳輸電晶體TG0-Tr～TG3～Tr的第1受光區域RLT1及第2受光區域RLT2。
而且，共用像素PXL3具有第1電晶體群GTR1及第2電晶體群GTR2。 第1電晶體群GTR1中配置有源極隨耦電晶體SF-Tr及選擇電晶體SEL-Tr。 第2電晶體群GTR2中配置有重置電晶體RST1-Tr及虛擬的重置電晶體RST2-Tr。
另外，作為重置電晶體RST-Tr為設置1個就足夠，但為了與第1電晶體群GTR1的佈局具有對稱性，在第2電晶體群GTR2設有虛擬的重置電晶體RST2-Tr。
在具有所述結構的共用像素PXL3中，第1受光區域RLT1和第1電晶體群GTR1的配置、與第2受光區域PLT2和第2電晶體群GTR2的配置是以浮動擴散FD為光學中心而具有結構的對稱性，因此，能抑制同色像素間的靈敏度(輸出)特性的偏差。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2007-81033號公報 專利文獻2：日本特開2006-302970號公報 專利文獻3：日本特開2018-93392號公報
發明所欲解決之問題
上述的2像素共用的共用像素PXL1，能將像素構成要素在2個像素中通用，因此，能將每1像素的光電二極管PD的尺寸最大化，所以能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化。
然而，圖2的共用像素PXL1與4像素共用的情況相比，1共用像素的元件數較多，因此像素尺寸的微縮化受到限制。
而且，上述的4像素共用的共用像素PXL2，能將像素構成要素在4個像素中通用，因此，能將每1像素的光電二極管PD的尺寸最大化，所以能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化。
然而，圖4的共用像素PXL2中具有如下缺陷：浮動擴散區FD部的面積增大，浮動擴散區FD的電容增大，轉換增益下降，噪音增大。
而且，圖5的共用像素PXL3例如以浮動擴散FD為中心在放射上形成光電二極管PD。若將浮動擴散FD的擴散層部分設在中央的如圖5所示配置，則無法將重置電晶體RST-Tr相鄰配置。因此，浮動擴散FD的擴散層部分除了在中央以外，還需配置在像素分離區域上等像素端而進行配線連接。 因此，具有如下缺陷：接面(junction)電容及用於電連接的配線電容增大，FD節點的電容(Cfd)增加，轉換增益降低，噪音特性劣化。
而且，一般而言，當超過規定的光電二極管PD的累積電荷的信號(溢出電荷)流入相鄰像素時，發生電荷的混合(成為偽信號)。 為了防止這種情況，採用使溢出電荷漏入相鄰像素前流入所連接的浮動擴散FD的結構。 當為該結構時，在讀出浮動擴散FD的電荷的過程中從共用的像素也産生電荷洩漏時，産生偽信號。例如，當為拜耳陣列時，在讀出R信號中若G信號産生溢出電荷時，則在作為輸出節點的浮動擴散FD産生電荷混合。
本發明提供一種固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還能抑制作為輸出節點的浮動擴散的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能。 而且，本發明提供一種固體攝像裝置、固體攝像裝置的製造方法、以及電子機器，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還能抑制作為輸出節點的浮動擴散的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能，而且能防止浮動擴散中電荷混合。 解決課題之技術手段
本發明的第1形態是一種固體攝像裝置，具有配置進行光電轉換的共用像素的像素部，前述共用像素包含：至少3個光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷；複數個傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間，分別將前述光電轉換元件各自所累積的電荷個別地傳輸；浮動擴散，作為輸出節點，將前述光電轉換元件各自的累積電荷通過各個前述傳輸元件而傳輸；重置元件，在重置期間將前述浮動擴散重置為規定的電位；及源極隨耦元件，作為輸出緩衝部，將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將已轉換的電壓信號輸出；1個前述浮動擴散及1個前述源極隨耦元件由前述複數個光電轉換元件及前述複數個傳輸元件共有；在元件形成區域的中央部分配置有前述浮動擴散，且以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述複數個光電轉換元件；前述浮動擴散包含彼此相對的第1側部及第2側部，相鄰在與前述浮動擴散的第1側部正交的第1方向並配置有前述源極隨耦元件，相鄰在前述浮動擴散的第2側部的前述第1方向並配置有前述重置元件；前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接；相鄰在前述第2方向的前述光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的第1間隔而配置；相鄰在前述第1方向的前述光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的第2間隔而配置；以將前述浮動擴散的前述第1側部的第2方向中的第1側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間、以及前述浮動擴散的前述第2側部的第2方向中的第2側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，配置有分別對應的前述傳輸元件。
本發明的第2形態是一種固體攝像裝置的製造方法，具有配置進行光電轉換的共用像素的像素部，前述共用像素包含：至少3個光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷；複數個傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間，分別將前述光電轉換元件各自所累積的電荷個別地傳輸；浮動擴散，作為輸出節點，將前述光電轉換元件各自的累積電荷通過各個前述傳輸元件而傳輸；重置元件，在重置期間將前述浮動擴散重置為規定的電位；及源極隨耦元件，作為輸出緩衝部，將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將已轉換的電壓信號輸出；1個前述浮動擴散及1個前述源極隨耦元件由前述複數個光電轉換元件及前述複數個傳輸元件共有；在元件形成區域的中央部分配置有前述浮動擴散，以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述複數個光電轉換元件；該固體攝像裝置的製造方法中，前述浮動擴散包含彼此相對的第1側部及第2側部，相鄰在與前述浮動擴散的第1側部正交的第1方向形成前述源極隨耦元件，相鄰在前述浮動擴散的第2側部的前述第1方向形成前述重置元件；前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接；相鄰在前述第2方向的前述光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的第1間隔而形成；相鄰在前述第1方向的前述光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的第2間隔而形成；以將前述浮動擴散的前述第1側部的第2方向中的第1側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間、以及前述浮動擴散的前述第2側部的第2方向中的第2側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，形成分別對應的前述傳輸元件。
本發明的第3形態的電子機器具有：固體攝像裝置、及光學系統，將被攝體像成像於前述固體攝像裝置；前述固體攝像裝置具有配置進行光電轉換的共用像素的像素部；前述共用像素包含：至少3個光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷；複數個傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間，分別將前述光電轉換元件各自所累積的電荷個別地傳輸；浮動擴散，作為輸出節點，將前述光電轉換元件各自的累積電荷通過各個前述傳輸元件而傳輸；重置元件，在重置期間將前述浮動擴散重置為規定的電位；及源極隨耦元件，作為輸出緩衝部，將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將已轉換的電壓信號輸出；1個前述浮動擴散及1個前述源極隨耦元件由前述複數個光電轉換元件及前述複數個傳輸元件共有；在元件形成區域的中央部分配置有前述浮動擴散，且以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述複數個光電轉換元件；前述浮動擴散包含彼此相對的第1側部及第2側部，相鄰在與前述浮動擴散的第1側部正交的第1方向配置有前述源極隨耦元件，相鄰在前述浮動擴散的第2側部的前述第1方向配置有前述重置元件；前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接；相鄰在前述第2方向的前述光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的第1間隔而配置；相鄰在前述第1方向的前述光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的第2間隔而配置；以將前述浮動擴散的前述第1側部的第2方向中的第1側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間、以及前述浮動擴散的前述第2側部的第2方向中的第2側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，配置有分別對應的前述傳輸元件。 發明效果
根據本發明，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還能抑制作為輸出節點的浮動擴散的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能。 而且，根據本發明，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還能抑制作為輸出節點的浮動擴散的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能，而且能防止浮動擴散中電荷混合。
以下，結合附圖對本發明的實施方式進行說明。
(第1實施方式) 圖6是表示本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的結構例的框圖。 本實施方式中，固體攝像裝置10例如由CMOS影像感測器所構成。
如圖6所示，該固體攝像裝置10的主構成要素包含作為攝像部的像素部20、垂直掃描電路(行掃描電路)30、讀出電路(列(column)讀出電路)40、水平掃描電路(列掃描電路)50、及時序控制電路60。 這些構成要素中例如藉由垂直掃描電路30、讀出電路40、水平掃描電路50、及時序控制電路60而構成像素信號的讀出部70。
本第1實施方式中，固體攝像裝置10的、詳述如下般呈矩陣狀排列在像素部20的像素(或像素部20)是，將作為輸出節點的1個浮動擴散FD及形成輸出緩衝的源極隨耦元件(源極隨耦電晶體)由至少3個(本實施方式中為4個)光電轉換元件(光電二極管)及傳輸元件(傳輸電晶體)所共有。 在共用像素的元件形成區域的中央部分配置有浮動擴散，且以該浮動擴散FD為中心呈放射狀(本實施方式中為正方形狀)配置有複數個光電轉換元件。
並且，本實施方式的固體攝像裝置10的共用像素採用如下特徵性結構，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還能抑制作為輸出節點的浮動擴散的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能。 也就是說，如下所述，浮動擴散FD在俯視時，形成為包含彼此相對的第1側部SDP1及第2側部SDP2的矩形狀(本例中為長方形狀)。 在元件形成區域的中央部CTR，相鄰在與浮動擴散FD10的第1側部SDP1正交的第1方向(例如X方向)並配置有源極隨耦元件，相鄰在浮動擴散FD10的第2側部SDP2的第1方向並配置有重置元件，浮動擴散FD10與源極隨耦元件藉由配線連接。
相鄰在第2方向(例如Y方向)的光電轉換元件是隔著至少可形成源極隨耦元件及重置元件(MOS電晶體)的第1間隔D1而配置，相鄰在第1方向的光電轉換元件是以比第1間隔D1窄的第2間隔D2而配置。 以將浮動擴散FD10的第1側部SDP1的第2方向中的第1側部側端緣部SDT11、STD12、與和光電轉換元件的第1側部側端緣部SDT11相對的第1緣部ED111、ED112之間、以及浮動擴散FD的第2側部SDP2的第2方向中的第2側部側端緣部SDT21、SDT22、與和光電轉換元件的第2側部側端緣部SDT21、SDT22相對的第1緣部ED121、ED122之間連接的方式，配置有分別對應的傳輸元件。 以各傳輸元件跨及浮動擴散FD的側部側端緣部與所對應的光電轉換元件之間的方式配置。
另外，固體攝像裝置10也可以具有全域快門的動作功能的方式構成。
以下，在說明固體攝像裝置10的各部分的結構及功能的概要之後，對於嵌入型二極管(PPD)部的結構、以及共用像素中各元件的配置例進行詳細說明。
(像素部20及共用像素PXL20的結構) 圖7是表示發明的第1實施方式的固體攝像裝置的共用像素的一例的電路圖。
圖1的共用像素PXL20中，例如具有作為第1光電轉換元件的第1光電二極管PD10、作為第2光電轉換元件的第2光電二極管PD11、作為第3光電轉換元件的第3光電二極管PD12、及作為第4光電轉換元件的光電二極管PD13。 共用像素PXL20是第1光電二極管PD10、第2光電二極管PD11、第3光電二極管PD12、及第4光電二極管PD13共用作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10。
第1光電二極管PD10、第2光電二極管PD11、第3光電二極管PD12、及第4光電二極管PD13在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷。 第1光電二極管PD10的累積部PND10與浮動擴散FD10之間連接著第1傳輸電晶體TG10-Tr。 第2光電二極管PD11的累積部PND11與浮動擴散FD10之間連接著第2傳輸電晶體TG11-Tr。 第3光電二極管PD12的累積部PND12與浮動擴散FD10之間連接著第3傳輸電晶體TG12-Tr。 第4光電二極管PD13的累積部PND13與浮動擴散FD10之間連接著第4傳輸電晶體TG13-Tr。
並且，共用像素PXL20是對應於一個作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10，具有一個作為重置元件的重置電晶體RST10-Tr、一個作為源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF10-Tr、及一個作為選擇元件的選擇電晶體SEL10-Tr。
第1光電二極管PD10、第2光電二極管PD11、第3光電二極管PD12、及第4光電二極管PD13根據入射光量而産生相應量的信號電荷(此處為電子)並進行累積。 以下，對於信號電荷為電子、各電晶體為n型電晶體時進行說明，但信號電荷也可為空穴(hole)，各電晶體也可為p型電晶體。
共用像素PXL20中，作為光電二極管(PD)，可使用嵌入型光電二極管(PPD)。 由於在形成光電二極管(PD)的基板表面上，因懸空鍵(dangling bond)等缺陷而存在介面狀態(interface state)，因熱能而産生大量電荷(暗電流)，而無法讀出準確的信號。 嵌入型光電二極管(PPD)中，藉由將光電二極管(PD)的電荷累積部嵌入在基板內，可減少暗電流向信號的混入。
共用像素PXL20的第1傳輸電晶體TG10-Tr連接在第1光電二極管PD10與浮動擴散FD10之間，且由通過控制線施加到閘極的控制信號TG10控制。 第1傳輸電晶體TG10-Tr在控制信號TG10為高(H)電平的傳輸期間PT被選擇為導電狀態，並將經第1光電二極管PD10光電轉換並累積的電荷(電子)傳輸到浮動擴散FD10。 另外，第1光電二極管PD10及浮動擴散FD10重置為規定的重置電位之後，第1傳輸電晶體TG10-Tr成為控制信號TG10為低(L)電平的非導電狀態，第1光電二極管PD10成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第1傳輸電晶體TG10-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到浮動擴散FD10。
共用像素PXL20的第2傳輸電晶體TG11-Tr連接在第2光電二極管PD11與浮動擴散FD10之間，且由通過控制線施加到閘極的控制信號TG11控制。 第2傳輸電晶體TG11-Tr在控制信號TG11為高(H)電平的傳輸期間PT被選擇為導電狀態，並將經第2光電二極管PD11光電轉換並累積的電荷(電子)傳輸到浮動擴散FD10。 另外，第2光電二極管PD11及浮動擴散FD10重置為規定的重置電位之後，第2傳輸電晶體TG11-Tr成為控制信號TG11為低(L)電平的非導電狀態，第2光電二極管PD11成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第2傳輸電晶體TG11-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到浮動擴散D10。
共用像素PXL20的第3傳輸電晶體TG12-Tr連接在第3光電二極管PD12與浮動擴散FD10之間，根據經過控制線施加到閘極的控制信號TG12控制。 第3傳輸電晶體TG12-Tr在控制信號TG12為高(H)電平的傳輸期間PT被選擇為導電狀態，並將經第3光電二極管PD12光電轉換並累積的電荷(電子)傳輸到浮動擴散FD10。 另外，第3光電二極管PD12及浮動擴散FD10重置為規定的重置電位之後，第3傳輸電晶體TG12-Tr成為控制信號TG12為低(L)電平的非導電狀態，第3光電二極管PD12成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第3傳輸電晶體TG12-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到浮動擴散FD10。
共用像素PXL20的第4傳輸電晶體TG13-Tr連接在第4光電二極管PD13與浮動擴散FD10之間，且由通過控制線施加到閘極的控制信號TG1控制。 第4傳輸電晶體TG13-Tr在控制信號TG13為高(H)電平的傳輸期間PT被選擇為導電狀態，並將經第4光電二極管PD13光電轉換並累積的電荷(電子)傳輸到浮動擴散FD10。 另外，第4光電二極管PD13及浮動擴散FD10重置為規定的重置電位之後，第4傳輸電晶體TG13-Tr成為控制信號TG13為低(L)電平的非導電狀態，第4光電二極管PD13成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第4傳輸電晶體TG13-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到浮動擴散D10。
重置電晶體RST10-Tr連接在電源電壓VAAPIX的電源線Vaapix與浮動擴散FD10之間，且由通過控制線施加到閘極的控制信號RST10控制。 重置電晶體RST10-Tr在控制信號RST10為H電平的重置期間，被選擇為導電狀態，並將浮動擴散FD10重置為電源電壓VAAPIX的電源線Vaapix的電位。
源極隨耦晶體SF10-Tr選擇電晶體SEL10-Tr串聯連接電源線Vaapix與垂直信號線LSGN10之間。 在源極隨耦電晶體SF10-Tr的閘極連接著浮動擴散FD10，選擇電晶體SEL10-Tr經控制信號SEL10控制。 作為源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF10-Tr，源極連接於讀出節點ND11，汲極側連接於電源線Vaapix，閘極連接於浮動擴散FD10。 並且，形成輸出緩衝部的輸出節點ND10經由選擇電晶體SEL10-Tr而連接於垂直信號線LSGN10。 選擇電晶體SEL10-Tr在控制信號SEL10為H電平的期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF10-Tr將列輸出的讀出信號VSL(PIXOUT)輸出到垂直信號線LSGN10，該列輸出已將浮動擴散FD10的電荷帶著增益而轉換為電壓信號。 例如因傳輸電晶體TG10-Tr、重置電晶體RST10-Tr、及選擇電晶體SEL10-Tr的各閘極是以行為單位連接，所以這些動作是對1行的各像素同時並列地進行。
垂直掃描電路30按照時序控制電路60的控制在快門行及讀出行中通過行掃描控制線進行像素的驅動。 而且，垂直掃描電路30按照位址信號輸出進行信號的讀出的讀取行、及將累積於光電二極管PD的電荷重置的快門行的行位址的行選擇信號。
如上所述，一般的像素讀出動作中，藉由垂直掃描電路30的驅動，進行快門掃描，之後進行讀出掃描。
讀出電路40也可包含對應於像素部20的各列輸出而配置的複數個列信號處理電路(未圖示)，且以複數個列信號處理電路可構成列並行處理。
讀出電路40可構成包含相關二次取樣(CDS：Correlated Double Sampling)電路、ADC(類比數位轉換器，AD轉換器)、放大器(AMP)、取樣保持(S/H)電路等。
如此，讀出電路40例如可構成如圖8(A)所示，包含將像素部20的各列輸出的讀出信號VSL轉換為數字信號的ADC41。 或者，讀出電路40例如也可如圖8(B)所示，配置有將像素部20的各列輸出的讀出信號VSL放大的放大器(AMP)42。 而且，讀出電路40例如也可如圖8(C)所示，配置有將像素部20的各列輸出的讀出信號VSL進行取樣、保持的取樣保持(S/H)電路43。
水平掃描電路50將經過讀出電路40的ADC等的複數個列信號處理電路處理後的信號進行掃描傳輸到水平方向，並輸出到未圖示的信號處理電路。
時序控制電路60生成像素部20、垂直掃描電路30、讀出電路40、水平掃描電路50等的信號處理中所需的時序信號。
以上，已說明了本第1實施方式的固體攝像元件10的各部分的結構及功能。 接著，將對作為本第1實施方式的光電轉換部的嵌入型光電二極管PPD的具體結構例以及像素陣列例進行說明。
(嵌入型光電二極管PD的具體結構例) 此處，結合圖9，說明形成本第1實施方式的固體攝像裝置10的共用像素PXL20的嵌入型光電二極管PD的具體結構例。
圖9是表示本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的共用像素PXL20的主要部分、即包含嵌入型光電二極管PD及傳輸電晶體的電荷累積傳輸系統的結構例的簡略剖面圖。 另外，此處，嵌入型光電二極管(PD)部分以符號200表示。
共用像素PXL20形成於基板(本例中為第1基板110)上，且由分離層SPL分離，該基板具有被光L照射的第1基板面1101側(例如背面側)、及與該第1基板面1101側相對側的第2基板面1102側。 並且，圖9的本實施方式的共用像素PLX20構成包含例如第1光電二極管PD10、第1傳輸電晶體TG10-Tr、浮動擴散FD10、分離層SPL、及另外未圖示的濾色部及微透鏡。
另外，圖9的像素是以背面照射型像素為一示例，但本發明也可為表面照射型像素。
(光電二極管的結構) 第1光電二極管PD10以包含第1導電型(本實施方式中為n型)半導體層(本實施方式中為n層)2102，具有對所接受的光的光電轉換功能及電荷累積功能的方式形成，該第1導電型半導體層2102是以嵌入在具有第1基板面1101側和、與第1基板面1101側相對側的第2基板面1102側的半導體基板的第2導電型(本實施方式中為p型)的外延層(p-epi)2101的方式形成。 在與第1光電二極管PD10的基板的法線正交的方向(X方向)上的圖中的兩側，經由外延層(p-epi)2101R、2101L而形成有第2導電型(本實施方式中為p型)分離層SPL(SPL1、SPL2)。
圖9的第1光電二極管PD10中，在n層(第1導電型半導體層)2102的第2基板面1102側形成有p＋層2103。 另外，在外延層(p-epi)2101的光入射側形成有濾色部，濾色部的光入射側以將光適當地聚光於第1光電二極管PD10的方式形成有微透鏡。
(X方向(列方向)中的分離層的結構) 在圖9的X方向(列方向)右側中p型分離層2104(SPL1)的第2基板面1102側，形成有作為浮動擴散FD10的n＋層2105。 在圖9的X方向(列方向)左側形成有p型分離層2106(SPL2)。並且，在第2基板面1102側的外延層(p-epi)2101R上，經由閘極絕緣膜形成有第1傳輸電晶體TG0-Tr的閘極電極2107。 在第1傳輸電晶體TG10-Tr下，形成有從第1光電二極管PD10到浮動擴散FD10的溢出路徑OVP。 另外，溢出路徑OVP的電位可例如藉由閘極控制來進行。
本第1實施方式的共用像素PXL20是對於4個PD、1個FD等的配置，採用以下所示的特徵性配置結構，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還能抑制作為輸出節點的浮動擴散FD10的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能。
(共用像素PXL204個PD、1個FD等的配置例) 接著，對共用像素PXL20的4個光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13、傳輸電晶體TG10-Tr、TG11-Tr、TG12-Tr、TG13-Tr、以及1個浮動擴散FD10、重置電晶體RST10-Tr、源極隨耦電晶體SF10-Tr、及選擇電晶體SEL10-Tr的配置例進行說明。 另外，以下的說明中，各元件的左右等的配置位置是一例，並不拘是圖示例。
圖10是表示本第1實施方式的共用像素的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。
共用像素PXL20作為元件的形成區域，包含中央部分的中央區域CTAR20、以及隔著中央區域CTAR20兩側(Y方向)的第1區域FSAR20及第2區域SCAR20，並分配有矩形區域RCT20。
中央區域CTAR20中，浮動擴散FD10形成在X方向及Y方向的中央部，在其X方向的圖中右側形成有重置電晶體RST10-Tr，在左側形成有源極隨耦電晶體SF10-Tr、選擇電晶體SEL10-Tr。
第1區域FSAR20中，以第1光電二極管PD10、第1傳輸電晶體TG10-Tr以及第3光電二極管PD12、第3傳輸電晶體TG12-Tr相鄰在X方向的方式形成。 圖10的示例中，第1光電二極管PD10、第1傳輸電晶體TG10-Tr形成在第1區域FSAR20的圖中左側(左半部的區域)，第3光電二極管PD12、第3傳輸電晶體TG12-Tr形成在第1區域FSAR20的圖中右側(右半部區域)。 第1傳輸電晶體TG10-Tr及第3傳輸電晶體TG12-Tr以在中央區域CTAR20側與浮動擴散FD10連接的方式，俯視時形成為呈三角形狀。
第2區域SCAR20中，以第2光電二極管PD11、第2傳輸電晶體TG11-Tr、以及第4光電二極管PD13、第4傳輸電晶體TG13-Tr相鄰在X方向的方式形成。 圖10的例子中，第2光電二極管PD11、第2傳輸電晶體TG11-Tr形成在第1區域FSAR2的圖中左側(左半部的區域)，第4光電二極管PD13、第4傳輸電晶體TG13-Tr形成在第1區域FSAR20的圖中右側(右半部區域)。 第2傳輸電晶體TG11-Tr及第4傳輸電晶體TG13-Tr以在中央區域CTAR20側與浮動擴散FD10連接的方式，形成為俯視時呈三角形狀。
本第1實施方式的共用像素PXL20中，浮動擴散FD10在俯視時，擴散層的基礎部FBS形成為包含彼此相對的第1側部SDP1及第2側部SDP2的長方形狀。並且，在基礎部FBS形成有從第2側部SDP2的中央部向X方向(右側)延伸的、用於形成重置電晶體RST10-Tr等的分支部FBR。換而言之，浮動擴散FD10形成為大致T字形狀。 在元件形成區域的中央部CTR，相鄰在與浮動擴散FD10的第1側部SDP1正交的第1方向(例如X方向)並配置有源極隨耦電晶體SF10-Tr，相鄰在浮動擴散FD10的第2側部SDP2的第1方向並配置有重置電晶體RST10-Tr。 浮動擴散FD10與源極隨耦電晶體SF10-Tr藉由配線WR20連接。 而且，在源極隨耦電晶體SF10-Tr相鄰在X方向的左側配置有選擇電晶體SEL10-Tr。
相鄰在第2方向(例如Y方向)的光電二極管、即第1光電二極管PD10與第2光電二極管PD11、以及第3光電二極管PD12與第4光電二極管PD13隔著至少可形成源極隨耦電晶體SF10-Tr、選擇電晶體SEL10-Tr及重置電晶體等T10-Tr(MOS電晶體)的第1間隔D1而配置。 並且，相鄰在第1方向(X方向)的光電轉換元件、即第1光電二極管PD10與第3光電二極管PD12、以及第2光電二極管PD11與第4光電二極管PD13隔著比第1間隔D1窄的第2間隔D2(D1＞D2)配置。
，以將浮動擴散FD10的第1側部SDP1的第2方向(Y方向)中第1側部側端緣部(圖10中FD10的左上端部)SDT11、與和該第1側部側端緣部SDT11相對的第1光電二極管PD10的第1緣部(圖10中PD10的右下端部)ED111之間連接的方式，配置(形成) 有第1傳輸電晶體TG10-Tr。 也就是說，第1傳輸電晶體TG10-Tr以跨及浮動擴散FD10的第1側部側端緣部SDT11與對應的光電二極管PD10的第1緣部ED111之間的方式配置。
以將浮動擴散FD10的第1側部SDP1的第2方向(Y方向)中的第1側部側端緣部(圖10中FD10的左下端部)SDT12、與和該第1側部側端緣部SDT12相對的第2光電二極管PD11的第1緣部(圖10中PD11的右上端部)ED112之間連接的方式，配置(形成)有第2傳輸電晶體TG11-Tr。 也就是說，第2傳輸電晶體TG11-Tr以跨及浮動擴散FD10的第1側部側端緣部SDT12與對應的光電二極管PD10的第1緣部ED112之間的方式配置。
以將浮動擴散FD10的第2側部SDP2的第2方向(Y方向)中的第2側部側端緣部(圖10中FD10的右上端部)SDT21、與和該第2側部側端緣部SDT12相對的第3光電二極管PD12的第1緣部(圖10中PD12的左下端部)ED121之間連接的方式，配置(形成)有第3傳輸電晶體TG12-Tr。 也就是說，第3傳輸電晶體TG12-Tr以跨及浮動擴散FD10的第2側部側端緣部SDT21與對應的光電二極管PD10的緣部ED121之間的方式配置。
以將浮動擴散FD10的第2側部SDP2的第2方向(Y方向)中的第2側部側端緣部(圖10中FD10的右下端部)SDT22、與和該第2側部側端緣部SDT22相對的第4光電二極管PD13的第1緣部(圖10中PD13的左上端部)ED122之間連接的方式，配置(形成) 有第4傳輸電晶體TG13-Tr。 也就是說，第4傳輸電晶體TG13-Tr以跨及浮動擴散FD10的第2側部側端緣部SDT22與對應的光電二極管PD10的緣部ED122之間的方式配置。
圖11是本第1實施方式的共用像素的主要部分的簡略剖面圖，且為用於說明對浮動擴散的電容附加的附加電容成分的圖。 圖12是不具有本第1實施方式的共用像素的特徵性結構的對圖11的共用像素的比較例的共用像素的主要部分的簡略剖面圖，且為用於說明對浮動擴散的電容附加的附加電容成分的圖。
如上所述，根據本第1實施方式，在相鄰在Y方向的光電二極管PD10與PD11、以及光電二極管PD12與PD13之間、即元件形成區域的中央部CTR，相鄰在與浮動擴散FD10的第1側部SDP1正交的第1方向(例如X方向)並配置有源極隨耦電晶體SF10-Tr，相鄰在浮動擴散FD10的第2側部SDP2的第1方向並配置有重置電晶體RST10-Tr。而且，在源極隨耦電晶體SF10-Tr相鄰在X方向的左側配置有選擇電晶體SEL10-Tr。 並且，如圖11所示，浮動擴散FD10與源極隨耦電晶體SF10-Tr藉由配線WR20連接。
因此，根據本第1實施方式，與圖12所示的比較例相比，用於連接浮動擴散FD10與源極隨耦電晶體SF10-Tr的閘極的配線WR20大幅縮短。 也就是說，圖12所示的比較例中，從連接於浮動擴散FD10的源極隨耦電晶體SF10-Tr及重置電晶體RST-Tr的配線WR20c的配線長度LMC遠遠長於藉由圖11所示的本實施方式的配置結構的配線長度LPE。 因此，比較例中具有接面(junction)電容及用於進行電連接的配線電容增大，FD節點的電容(Cfd)增加，轉換增益(conversion gain)降低，噪音性能劣化的缺陷。 圖12的比較例中，作為附加電容成分，舉例說明有形成浮動擴散FD的n＋擴散層2015中接面電容C1、配線WR20c與光電二極管PD間的配線間電容C2、配線WR20c與分離層STI間的配線間電容C3、源極隨耦電晶體SF-Tr的閘極電容C4、及重置電晶體RST-Tr的n＋擴散層中接面電容C5。
與此相應地，根據本第1實施方式的配置結構，從連接於浮動擴散FD10的源極隨耦電晶體SF10-Tr及重置電晶體RST-Tr的配線WR20的配線長度LPE遠遠短於藉由圖12所示的比較例的配線長度LMC。 因此，本例中具有接面(junction)電容及用於進行電連接的配線電容減少，FD節點的電容(Cfd)減少，能增加轉換增益，並能提高噪音性能的優點。 圖11的本實施方式的配置結構中，作為附加電容成分，舉例說明有形成浮動擴散FD的n＋擴散層2015中接面電容C11、配線WR20與分離層STI間的配線間電容C12、源極隨耦電晶體SF10-Tr的閘極電容C13。
本第1實施方式中，進一步以浮動擴散FD10為中心正方形陣列(square array)(呈放射狀排列)。 並且，相鄰在第2方向(例如Y方向)的第1光電二極管PD10與第2光電二極管PD11、以及第3光電二極管PD12與第4光電二極管PD13隔著至少可形成源極隨耦電晶體SF10-Tr、選擇電晶體SEL10-Tr、及重置電晶體等T10-Tr(MOS電晶體)的第1間隔D1而配置。 並且，相鄰在第1方向(X方向)的第1光電二極管PD10與第3光電二極管PD12、以及第2光電二極管PD11與第4光電二極管PD13隔著比第1間隔D1窄的第2間隔D2(D1＞D2)而配置。
因此，根據本第1實施方式，浮動擴散FD10的基礎部FBS的形狀可成為細長的長方形狀，能儘量縮小浮動擴散FD10部的面積。 由此，具有能確實減小浮動擴散FD10的電容，提高轉換增益，能大幅減少噪音的優點。 而且，由於浮動擴散FD10部的面積變小，因此能確實地實現像素尺寸的微縮化。
此處，表示藉由模擬對本發明的第1實施方式的固體攝像裝置10的圖10的布局、作為第1比較例的圖4的布局、作為第2比較例的圖5的布局中浮動擴散FD節點電容、配線電容、它們的總電容、以及像素尺寸進行比較的例子。
圖13(A)～(C)是表示FD節點電容、配線電容、它們的總電容、以及像素尺寸的比較對象、即本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的布局、第1比較例的布局、及第2比較例的布局的圖。 圖14是將本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的布局、第1比較例的布局、及第2比較例的布局中FD節點電容、配線電容、它們的總電容、以及像素尺寸進行比較而表示的圖。 圖13中，FD W表示浮動擴散FD的接合面積，W表示傳輸電晶體TG0-10的入線(inlet)的寬度。 而且，圖14中，FD節點電容NCAP、配線電容WCAP、總電容TCAP是以本發明的電容為1並以相對比(relative ratio)表示。
藉由模擬，本發明的布局中，浮動擴散FD的節點電容NCP為0.5，配線電容WCAP為0.5，總電容TCAP為1。而且，像素尺寸PSZ為1.5μm。 第1比較例中，浮動擴散FD的節點電容NCP為1，配線電容WCAP為0.5，總電容TCAP為1.5。而且，像素尺寸PSZ為2μm。 第2比較例中，浮動擴散FD的節點電容NCP為0.5，配線電容WCAP為1，總電容TCAP為1.5。而且，像素尺寸PSZ為1.5μm。
由此可知，根據本第1實施方式的固體攝像裝置，與第1及第2比較例相比，能大幅減小浮動擴散FD的接面面積(junction area)FD W，因此，能減小FD節點電容NCAP、配線電容WCAP。由此，具有能確實減少總電容TCAP，能增大轉換增益，並能提高噪音性能的優點。 而且，由於浮動擴散FD10部的面積變小，因此能確實地實現像素尺寸PSZ的微縮化。
如以上說明所述，根據本第1實施方式，能將像素構成要素在4個像素中通用，因此，能將每1像素的光電二極管PD的尺寸最大化，所以能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，從而容易布局，並能大幅縮短用於連接浮動擴散FD10與源極隨耦電晶體SF10-Tr的閘極的配線WR20，而且由於能將浮動擴散FD10形成為相當地小，因此，能使浮動擴散FD10保持較高轉換增益。 換而言之，根據本第1實施方式，當然能維持靈敏度及飽和電荷數且謀求像素尺寸的微縮化，並能抑制接面電容及配線電容增加，還抑制作為輸出節點的浮動擴散FD10的電容增加而防止轉換增益降低，從而能謀求提高噪音性能。
(第2實施方式) 圖15是表示本發明的第2實施方式的固體攝像裝置的共用像素的一例的電路圖。 圖16是表示本第2實施方式的共用像素的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。
本第2實施方式的固體攝像裝置10A的共用像素PXL20A與上述的第1實施方式的固體攝像裝置10的共用像素PXL20的不同之處如下所述。
本第2實施方式的固體攝像裝置10A的共用像素PXL20A中，具有連接在各光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13的各累積部PND10、PND11、PND12、PND13與電源電壓VAAPIX的電源線Vaapix之間，使電荷從各光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13向浮動擴散區域方向或浮動擴散區域外方向溢出的複數個作為電荷溢出閘極元件的快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr。 並且，作為電荷溢出閘極元件的快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr配置成與外緣側的第2緣部ED211、ED212、ED221、EED222連接，該第2緣部ED211、ED212、ED221、EED222分離各光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13中各傳輸電晶體TG10-Tr、TG11-Tr、TG2-Tr、TG13-Tr所配置的第1緣部ED111、ED112、ED121、ED122。
具體而言，第1光電二極管PD10與浮動擴散FD10之間連接著作為第1傳輸元件的第1傳輸電晶體TG10-Tr，第1光電二極管PD10與規定的固定電位VAAPIX之間連接著作為第1電荷溢出閘極元件的第1快門閘極電晶體SG10-Tr。 並且，如圖16所示，第1快門閘極電晶體SG10-Tr配置成與外緣側的第2緣部ED211連接，該第2緣部ED211分離第1光電二極管PD10中第1傳輸電晶體TG10-Tr所配置的第1緣部ED111。
第2光電二極管PD11與浮動擴散FD10之間連接著作為第2傳輸元件的第2傳輸電晶體TG11-Tr，第2光電二極管PD11與規定的固定電位VAAPIX之間連接著作為第2電荷溢出閘極元件的第2快門閘極電晶體SG11-Tr。 並且，如圖16所示，第2快門閘極電晶體SG11-Tr配置成與外緣側的第2緣部ED212連接，該第2緣部ED212分離第2光電二極管PD11中第2傳輸電晶體TG11-Tr所配置的第1緣部ED112。
第3光電二極管PD12與浮動擴散FD10之間連接著作為第3傳輸元件的第3傳輸電晶體TG12-Tr，第3光電二極管PD12與規定的固定電位VAAPIX之間連接著作為第3電荷溢出閘極元件的第3快門閘極電晶體SG12-Tr。 並且，如圖16所示，第3快門閘極電晶體SG12-Tr配置成與外緣側的第2緣部ED221連接，該第2緣部ED221分離第3光電二極管PD12中第3傳輸電晶體TG12-Tr所配置的第1緣部ED121。
第4光電二極管PD13與浮動擴散FD10之間連接著作為第4傳輸元件的第4傳輸電晶體TG13-Tr，第4光電二極管PD13與規定的固定電位VAAPIX之間連接著作為第4電荷溢出閘極元件的第4快門閘極電晶體SG13-Tr。 並且，如圖16所示，第4快門閘極電晶體SG13-Tr配置成與外緣側的第2緣部ED222連接，該第2緣部ED222分離第4光電二極管PD13中第4傳輸電晶體TG13-Tr所配置的第1緣部ED122。
如上所述，作為第1電荷溢出閘極元件的第1快門閘極電晶體SG10-Tr使第1光電二極管PD10與規定的固定電位VAAPIX之間連接，並由通過控制線施加的控制信號SG10控制。 第1快門閘極電晶體SG10-Tr在控制信號SG10為H電平期間被選擇為導電狀態，在第1光電二極管PD10與規定的固定電位VAAPIX之間，形成將第1光電二極管PD10産生的電荷排出的光暈路徑(blooming path)(形成針對浮動擴散FD側的抗光暈路徑)，將多餘的電荷釋放到固定電位VAAPIX。
這樣，第1傳輸電晶體TG10-Tr與第1快門閘極電晶體SG10-Tr分別在個別的時序受驅動控制。
第1傳輸電晶體TG10-Tr是第1光電二極管PD1連接於浮動擴散FD10，並由通過控制線施加到閘極的控制信號TG10控制。 第1傳輸電晶體TG10-Tr在控制信號TG10為高(H)電平的傳輸期間PT被選擇為導電狀態，並將經第1光電二極管PD10光電轉換並累積的電荷(電子)傳輸到浮動擴散FD10。 另外，第1光電二極管PD10及浮動擴散FD10重置到規定的重置電位後，第1傳輸電晶體TG10-Tr成為控制信號TG10為低(L)電平的非導電狀態，第1光電二極管PD10成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第1快門閘極電晶體SG10-Tr下的溢出路徑作為溢出電荷溢出到固定電位VAAPIX。
作為第2電荷溢出閘極元件的第2快門閘極電晶體SG11-Tr使第2光電二極管PD11與規定的固定電位VAAPIX之間連接，並由通過控制線施加的控制信號SG11控制。 第2快門閘極電晶體SG11-Tr在控制信號SG11為H電平期間被選擇為導電狀態，在第2光電二極管PD11與規定的固定電位VAAPIX之間，形成將第2光電二極管PD11産生的電荷排出的光暈路徑(形成針對浮動擴散FD側的抗光暈路徑)，將多餘的電荷釋放到固定電位VAAPIX。
這樣，第2傳輸電晶體TG11-Tr與第2快門閘極電晶體SG11-Tr分別在個別的時序受驅動控制。 另外，第2光電二極管PD11及浮動擴散FD10重置到規定的重置電位後，第2傳輸電晶體TG11-Tr成為控制信號TG11為低(L)電平的非導電狀態，第2光電二極管PD11成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第2快門閘極電晶體SG11-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到固定電位VAAPIX。
作為第3電荷溢出閘極元件的第3快門閘極電晶體SG12-Tr使第3光電二極管PD12與規定的固定電位VAAPIX之間連接，並由通過控制線施加的控制信號SG12控制。 第3快門閘極電晶體SG12-Tr在控制信號SG12為H電平期間被選擇為導電狀態，在第3光電二極管PD12與規定的固定電位VAAPIX之間，形成將第3光電二極管PD12産生的電荷排出的光暈路徑(形成針對浮動擴散FD側的抗光暈路徑)，將多餘的電荷釋放到固定電位VAAPIX。
這樣，第3傳輸電晶體TG12-Tr與第3快門閘極電晶體SG12-Tr分別在個別的時序受驅動控制。 另外，第3光電二極管PD12及浮動擴散FD10重置到規定的重置電位後，第3傳輸電晶體TG12-Tr成為控制信號TG12為低(L)電平的非導電狀態，第3光電二極管PD12成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第3快門閘極電晶體SG12-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到固定電位VAAPIX。
作為第4電荷溢出閘極元件的第4快門閘極電晶體SG13-Tr使第4光電二極管PD13與規定的固定電位VAAPIX之間連接，並由通過控制線施加的控制信號SG13控制。 第4快門閘極電晶體SG13-Tr在控制信號SG13為H電平期間被選擇為導電狀態，在第4光電二極管PD13與規定的固定電位VAAPIX之間，形成將第4光電二極管PD13産生的電荷排出的光暈路徑(形成針對浮動擴散FD側的抗光暈路徑)，將多餘的電荷釋放到固定電位VAAPIX。
這樣，第4傳輸電晶體TG13-Tr與第4快門閘極電晶體SG13-Tr分別在個別的時序受驅動控制。 另外，第4光電二極管PD13及浮動擴散FD10重置到規定的重置電位後，第4傳輸電晶體TG13-Tr成為控制信號TG13為低(L)電平的非導電狀態，第4光電二極管PD12成為累積期間PI，此時，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第4快門閘極電晶體SG13-Tr下的溢出路徑而作為溢出電荷溢出到固定電位VAAPIX。
而且，作為第1電荷溢出閘極元件的第1快門閘極電晶體SG10-Tr、作為第2電荷溢出元件的第2快門閘極電晶體SG11-Tr、作為第3電荷溢出元件的第3快門閘極電晶體SG12-Tr、及作為第4電荷溢出元件的第4快門閘極電晶體SG13-Tr的閾值也可分別個別調整。
圖17是表示電荷累積傳輸系統的結構例的簡略剖面圖，該電荷累積傳輸系統具有作為本發明的第2實施方式的共用像素的主要部分的快門閘極電晶體。
圖17的結構與圖9的結構的不同之處在於，具有快門閘極電晶體的結構。
(X方向(列方向)中分離層的結構) 在圖17的X方向(列方向)右側中p型分離層2104(SPL1)的第2基板面1102側，形成有成為浮動擴散FD的n＋層2105。 在圖17的X方向(列方向)左側中p型分離層2106(SPL2)的第2基板面1102側，形成有成為快門閘極電晶體TSG0-Tr的汲極的n＋層2108。 並且，在第2基板面1102側的外延層(p-epi)2101R上，經由閘極絕緣膜形成有第1傳輸電晶體TG0-Tr的閘極電極2107。 在第1傳輸電晶體TG10-Tr下，形成有從第1光電二極管PD10到浮動擴散FD10的溢出路徑OVP。 另外，溢出路徑OVP的電位也可例如藉由閘極控制來進行。
另一方面，在第2基板面1102側的外延層(p-epi)2101L上，經由閘極絕緣膜形成有第1快門閘極電晶體SG10-Tr的閘極電極2109。 在第1快門閘極電晶體SG10-Tr下，形成有從光電二極管PD10到n＋層2108的、排出第1光電二極管PD10産生的電荷的光暈路徑EFP(形成針對浮動擴散FD側的抗光暈路徑)。
這種結構中，入射光的強度(量)非常高時，超過飽和電荷量的電荷經過第1傳輸電晶體TG10-Tr下的溢出路徑OVP而作為溢出電荷溢出到浮動擴散FD。
而且，在AD轉換時等的比較處理中，例如當不規則的強光入射到第1光電二極管PD10時，電荷可能從光電二極管PD10溢出到浮動擴散FD10而使作為輸出節點的浮動擴散FD10的電平産生波動，有無法實現正常地AD轉換處理之虞。 因此，本實施方式中具有第1快門閘極電晶體SG10-Tr，例如即便在比較處理中有不規則的強光入射到第1光電二極管PD10，也能將多餘的電荷從第1光電二極管PD10釋放到浮動擴散FD10區域外，防止電荷從第1光電二極管PD10溢出到浮動擴散FD10而使FD電平波動。 由此，在AD轉換時等的比較處理中，即便有不規則的強光入射到第1光電二極管PD10也能防止FD電平波動，構成能實現正常地AD轉換處理。 另外，關於其餘的光電二極管PD11、PD12、PD13也同樣。
如上所述，根據本第2實施方式，具有複數個作為電荷溢出閘極元件的快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr，這些快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr連接在各光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13的各累積部與電源電壓VAAPIX的電源線Vaapix之間，能使電荷從光電二極管PD溢出到浮動擴散區域方向或浮動擴散區域外方向。 因此，根據本第2實施方式，當然可獲得與上述的第1實施方式相同的效果，且能獲得以下的效果。
也就是說，根據本第2實施方式，能防止超過規定的光電二極管PD的累積電荷的信號(溢出電荷)流入相鄰像素能防止發生電荷的混合(成為偽信號)。
(第3實施方式) 圖18是表示本發明的第3實施方式的固體攝像裝置的共用像素的一例的電路圖。 圖19是表示本第3實施方式的共用像素的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。
本第3實施方式的固體攝像裝置10B的共用像素PXL20B隨著利用第1及第2實施方式的固體攝像裝置10、10A能減小浮動擴散FD10的電容，使結構變得簡單，而實現雙重增益(Dual Gain)結構。 本第3實施方式的固體攝像裝置10B的共用像素PXL20B與上述的第2實施方式的固體攝像裝置10A的共用像素PXL20A的不同之處如下所述。
本第3實施方式的共用像素PXL20B中，配置有切換作為輸出緩衝部的源極隨耦電晶體SF10-Tr的轉換增益的增益切換部210。 增益切換部210可構成為將作為輸出節點的浮動擴散FD10的電荷量變更為第1電容或第2電容，將作為輸出緩衝部的源極隨耦電晶體SF10-Tr的轉換增益切換由第1電容決定的第1轉換增益(例如高轉換增益：HCG)或由第2電容決定的第2轉換增益(例如低轉換增益：LCG)。另外，本第3實施方式中，根據所謂2次讀出的讀出電荷量來區分使用第1轉換增益和第2轉換增益。
增益切換部210構成包含有連接於浮動擴散FD10的作為累積元件的累積電晶體BIN10-Tr、及經由累積電晶體BIN10-Tr累積浮動擴散FD10的電荷的作為累積電容元件的累積電容器CS1。
累積電晶體BIN10-Tr連接在浮動擴散FD10與重置電晶體RST10-Tr之間，且其連接節點ND12與基準電位VSS之間連接著累積電容器CS。 累積電晶體BIN10-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號BIN10控制。 累積電晶體BIN10-Tr在控制信號BIN10為H電平的重置期間被選擇為導電狀態，並將浮動擴散FD10與累積電容器CS1連接。
並且，本第3實施方式中，如圖19所示，累積電晶體BIN10-Tr配置在元件形成區域的中央區域CTAR20內浮動擴散FD10與重置電晶體RST10-Tr之間。
本第3實施方式中，伴隨增益轉換的讀出處理如下所述來執行。 在第1轉換增益信號讀出處理HCGSRD時，累積電晶體BIN10-Tr保持非導電狀態，使作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷與累積電容器CS的電荷分離並執行讀出處理。 在第1轉換增益重置讀出處理HCGRRD時，累積電晶體BIN10-Tr保持非導電狀態，使作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷與累積電容器CS的電荷分離並執行讀出處理。 在第2轉換增益信號讀出處理LCGSRD時，累積電晶體BIN10-Tr保持導電狀態，共有作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷與累積電容器CS的電荷並執行讀出處理。 在第2轉換增益重置讀出處理LCGRRD時，重置電晶體RST120-Tr及累積電晶體BIN10-Tr保持導電狀態，清除作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷及累積電容器CS的電荷並執行讀出處理。
這樣，本第3實施方式中，配置有增益切換部210，具有累積電晶體BIN10-Tr及累積電容器CS，且可將作為輸出節點的浮動擴散FD10的電荷量變更為第1電容或第2電容，將作為輸出緩衝部的源極隨耦電晶體SF10-Tr的轉換增益切換為由第1電容決定的第1轉換增益(例如高轉換增益：HCG)或由第2電容決定的第2轉換增益(例如低轉換增益：LCG)。 由此，高轉換增益(HCG)時FWC(Full Well Capacity，滿井容量)減小，低轉換增益(LCG)時FWC增大。
此處，關於本第3實施方式的固體攝像裝置中對共用像素的讀出順序的一例進行說明。
圖20(A)～(J)是用於說明本發明的第3實施方式的固體攝像裝置中對於共用像素的讀出模式的讀出順序的一例的時序圖。
圖20(A)表示讀出模式下作為存取對象的第1傳輸電晶體TG10-Tr的控制信號TG10，圖20(B)表示第1快門閘極電晶體SG10-Tr的控制信號SG10，圖20(C)表示讀出模式下作為存取對象的第2傳輸電晶體TG11-Tr的控制信號TG11，圖20(D)表示第2快門閘極電晶體SG11-Tr的控制信號SG11，圖20(E)表示讀出模式下作為存取對象的第3傳輸電晶體TG12-Tr的控制信號TG12，圖20(F)表示第3快門閘極電晶體SG12-Tr的控制信號SG12，圖20(G)表示讀出模式下作為存取對象的第4傳輸電晶體TG13-Tr的控制信號TG13，圖20(H)表示第4快門閘極電晶體SG13-Tr的控制信號SG13，圖20(I)表示累積電晶體BIN10-Tr的控制信號BIN10，圖20(J)表示重置電晶體RST10-Tr的控制信號RST10。
在讀出模式RMD時，將控制信號TG10、TG11、TG12、TG13設定為低電平並將傳輸電晶體TG10-Tr、TG11-Tr、TG12-Tr、TG13-Tr保持為非導電狀態，將控制信號SG10、SG11、SG12、SG13從高電平切換為低電平並將快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr從導電狀態切換為非導電狀態。 以該快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr從導電狀態切換為非導電狀態的時序，而開始曝光時間。 而且，將控制信號RST10在規定期間設定為高電平並將重置電晶體RST10-Tr保持為導電狀態，且將控制信號BIN10在規定期間設定為高電平並將累積電晶體BIN10-Tr保持為導電狀態，並維持重置期間RP中作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的重置狀態。
此處，首先，進行第1光電二極管PD10的累積電荷的讀出。 該情況下，將控制信號RST10及控制信號BIN10設定為高電平，將作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10重置。 並且，將控制信號BIN10在規定期間維持高電平並將累積電晶體BIN10-Tr保持為導電狀態，共有作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷及作為累積電容元件的累積電容器CS的電荷，使浮動擴散FD10的電荷量保持為第2電容。由此，可執行第2轉換增益重置讀出處理LCGRRD。 在這種狀態下，在重置期間PR後的重置讀出期間PRRD，從作為輸出緩衝器的源極隨耦電晶體SF10-Tr讀出以由作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的讀出重置信號LCGVRST，並進行第2轉換增益重置讀出處理LCGRRD來對該讀出重置信號LCGVRST進行處理。
接著，將控制信號BIN10切換為低電平，將累積電晶體BIN10-Tr保持非導電狀態，使作為輸出節點ND10的浮動擴散FD的電荷10與作為累積電容元件的累積電容器CS的電荷分離，使浮動擴散FD10的電荷量保持為第1電容。由此，可執行第1轉換增益重置讀出處理HCGRRD。 在這種狀態下，在重置期間PR後的又一個重置讀出期間PRRD，從作為輸出緩衝器的源極隨耦電晶體SF10-Tr讀出以由作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的第1電容決定的第1轉換增益(高轉換增益：HCG)轉換後的讀出重置信號HCGVRST，並進行第1轉換增益重置讀出處理HCGRRD來對該讀出重置信號HCGVRST進行處理。
而且，在重置讀出期間PPRD後，將控制信號TG10設定為規定期間高電平，在該第1傳輸期間PT1將光電二極管PD10的累積電荷傳輸到浮動擴散FD10。 並且，在繼第1傳輸期間PT1之後的第1讀出期間PRD1，從作為輸出緩衝器的源極隨耦電晶體SF10-Tr讀出以由作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的讀出信號HCGVSIG，並進行第1轉換增益讀出處理HCGSRD來對該讀出信號HCGVSIG進行處理。
而且，在第1讀出期間PRD1後，將控制信號BIN10切換為高電平，將累積電晶體BIN10-Tr保持為導電狀態，共有作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷與作為累積電容元件的累積電容器CS的電荷，並將浮動擴散FD10的電荷量保持於第2電容。由此，可執行第2轉換增益重置讀出處理LCGRRD。 此狀態下，在第1讀出期間PRD1後，將控制信號TG0在規定期間設定為高電平，在該第2傳輸期間PT2，將光電二極管PD10的累積電荷傳輸到浮動擴散FD10。 並且，在第2傳輸期間PT2後，將控制信號SG10切換為高電平，並將第1快門閘極電晶體SG10-Tr保持導電狀態，在之後的第2讀出期間PRD2，從作為輸出緩衝器的源極隨耦電晶體SF10-Tr讀出以由作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的讀出信號LCGVSIG，並進行第2轉換增益讀出處理LCGSRD來對該讀出信號LCGVSIG進行處理。
這樣，當對第1光電二極管PD10的累積電荷的讀出處理結束，接著對第2光電二極管PD11的累積電荷進行讀出處理。 該情況下，在將控制信號BIN10保持高電平的狀態下，將控制信號RST10在規定期間設定為高電平，將重置電晶體RST10-Tr保持導電狀態，維持重置期間PR中作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的重置狀態。 以下，將與上述對第1光電二極管PD10的累積電荷的處理相同的處理是，對第2光電二極管PD11的累積電荷、第3光電二極管PD12、及第4光電二極管PD13的累積電荷的處理依序進行。 因此，此處省略其詳細說明。
根據該第3實施方式，在較小的像素尺寸下，利用規定的讀出模式能擴大動態範圍。 而且，根據本第3實施方式，能實質性地實現寬動態範圍(wide dynamic range)化、高幀率化，而且謀求低噪音化，能最大限度地擴大有效像素區域，從而能最大限度地提高單位成本的價值。
(第4實施方式) 圖21是表示本發明的第4實施方式的固體攝像裝置10C的共用像素的結構例的電路圖。
本第4實施方式中，固體攝像裝置10C，在像素部20C中，包含作為單位像素PXLC的光電轉換讀出部220及信號保持部230，具有全域快門的動作功能，且能實質性地實現寬動態範圍化、高幀率化，而構成例如作為積層型CMOS影像感測器。
在這樣的積層結構中，第1基板110的像素陣列的各光電轉換讀出部220的讀出節點ND11與第2基板120的各共用像素PXL20C的信號保持部230的輸入節點ND20例如圖21所示，分別利用通孔微凸塊BMP、(Die-to-Die Via，導電孔)等進行電連接。
本第4實施方式的固體攝像裝置10C中，如下詳述，在作為像素信號儲存器的信號保持部，在電壓模式下，將像素信號以全像素(full pixel)同時並列進行取樣，並將對應於第1～第8信號保持電容器所保持的讀出信號的轉換信號讀出到規定的信號線，同時將對應於讀出重置信號的轉換信號同時並列地讀出到規定的信號線，並提供給列讀出電路40。
以下，對固體攝像裝置10C的像素部20C的結構及功能進行說明。
(單位像素PXLC以及像素部20C的結構) 如圖21所示，配置在像素部20C的共用像素PXL20C構成包含有光電轉換讀出部220及信號保持部230。 本第4實施方式的像素部20C構成為第1基板110與第2基板120的積層型CMOS影像感測器，本例中如圖21所示，在第1基板110形成有光電轉換讀出部220，在第2基板120形成有信號保持部230。
光電轉換讀出部220構成包含有光電二極管(光電轉換元件)及像素內放大器。 圖21的例子中，光電轉換讀出部220是作為一例子，採用圖18的本第3實施方式的共用像素PXL20B的變形例。
具體而言，該光電轉換讀出部220與圖18的共用像素PXL20B的不同之處如下所述。 本光電轉換讀出部220中包含源極隨耦電晶體SF10-Tr、電流電晶體IC10-Tr、及讀出節點ND11而構成輸出緩衝部221。 也就是說，光電轉換讀出部220設有電流電晶體IC10-Tr來代替圖18中的共用像素PXL20B的選擇電晶體SEL10-Tr。 在讀出節點ND11與基準電位VSS(例如GND)之間，連接著作為電流源元件的電流電晶體IC10-Tr的汲極、源極。電流電晶體IC10-Tr的閘極連接於控制信號VBNPIX的供給線。 並且，讀出節點ND11與信號保持部230的輸入部間的信號線LSGN10由作為電流源元件的電流電晶體IC10-Tr驅動。
本第4實施方式的光電轉換讀出部220是，輸出緩衝部221的讀出節點ND11連接於信號保持部230的輸入部。 光電轉換讀出部220是將作為輸出節點ND10的浮動擴散FD10的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將轉換後的電壓信號VSL輸出到信號保持部230。
而且，光電轉換讀出部220輸出與光電二極管PD10、PD11、PD12、PD14的累積電荷相應的電壓信號VSL，該累積電荷是在累積期間PI後的傳輸期間PT被傳輸到作為輸出節點的浮動擴散FD10。 光電轉換讀出部220將作為像素信號的讀出重置信號(信號電壓)(VRST)及讀出信號(信號電壓)(VSIG)輸出到信號保持部230。
像素200C的信號保持部230基本構成包含具有輸入節點ND20的輸入部231、取樣保持部232、第1輸出部233、第2輸出部234、第3輸出部235、第4輸出部236、第5輸出部237、第6輸出部238、第7輸出部239、第8輸出部240、及保持節點ND21、ND22、ND23、ND24、ND25、ND26、ND27、ND28。
輸入部231經由信號線LSGN10連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11，將從讀出節點ND11輸出的讀出信號(VSIG1)及讀出重置信號(VRST1)輸入到取樣保持部232。
取樣保持部232構成包含有作為第1開關元件的第1取樣電晶體SHR1-Tr、作為第2開關元件的第2取樣電晶體SHS1-Tr、作為第3開關元件的第3取樣電晶體SHR2-Tr、作為第4開關元件的第4取樣電晶體SHS2-Tr、作為第5開關元件的第5取樣電晶體SHR3-Tr、作為第6開關元件的第6取樣電晶體SHS3-Tr、作為第7開關元件的第4取樣電晶體SHR4-Tr、作為第8開關元件的第8取樣電晶體SHS4-Tr。 而且，取樣保持部232構成包含有第1信號保持電容器CR21、第2信號保持電容器CS21、第3信號保持電容器CR22、第4信號保持電容器CS22、第5信號保持電容器CR23、第6信號保持電容器CS23、第7信號保持電容器CR24、第8信號保持電容器CS24。
第1取樣電晶體SHR1-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND21之間。 第1取樣電晶體SHR1-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第1信號保持電容器CR21經由保持節點ND21選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11。 第1取樣電晶體SHR1-Tr例如在控制信號SHR1為高電平期間成為導電狀態。 第1信號保持電容器CR21連接於保持節點ND21與基準電位VSS之間。
第2取樣電晶體SHS1-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND22之間。 第2取樣電晶體SHS1-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第2信號保持電容器CS21經由保持節點ND22選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11。 第2取樣電晶體SHS1-Tr例如在控制信號SHS1為高電平期間成為導電狀態。 第2信號保持電容器CS21連接在保持節點ND22與基準電位VSS之間。
第3取樣電晶體SHR2-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND23之間。 第3取樣電晶體SHR2-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第3信號保持電容器CR22經由保持節點ND23選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11。 第3取樣電晶體SHR2-Tr例如在控制信號SHR2為高電平期間成為導電狀態。 第3信號保持電容器CR22連接於保持節點ND23與基準電位VSS之間。
第4取樣電晶體SHS2-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND24之間。 第4取樣電晶體SHS2-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第4信號保持電容器CS22經由保持節點ND24選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND112。 第4取樣電晶體SHS2-Tr例如在控制信號SHS2為高電平期間成為導電狀態。 第4信號保持電容器CS22連接在保持節點ND24與基準電位VSS之間。
第5取樣電晶體SHR3-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND25之間。 第5取樣電晶體SHR3-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第5信號保持電容器CR23經由保持節點ND25選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11。 第5取樣電晶體SHR3-Tr例如在控制信號SHR3為高電平期間成為導電狀態。 第5信號保持電容器CR23連接在保持節點ND25與基準電位VSS之間。
第6取樣電晶體SHS3-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND26之間。 第6取樣電晶體SHS3-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第6信號保持電容器CS23經由保持節點ND26選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11。 第6取樣電晶體SHS3-Tr例如在控制信號SHS3為高電平期間成為導電狀態。 第6信號保持電容器CS23連接在保持節點ND26與基準電位VSS之間。
第7取樣電晶體SHR4-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND27之間。 第7取樣電晶體SHR4-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第3信號保持電容器CR24經由保持節點ND27選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND11。 第3取樣電晶體SHR4-Tr例如在控制信號SHR4為高電平期間成為導電狀態。 第7信號保持電容器CR24連接在保持節點ND27與基準電位VSS之間。
第8取樣電晶體SHS4-Tr連接在連接於信號線LSGN10的輸入節點ND20與保持節點ND28之間。 第8取樣電晶體SHS4-Tr在全域快門期間或信號保持電容器的清除期間，將取樣保持部232的第8信號保持電容器CS24經由保持節點ND28選擇性地連接於光電轉換讀出部220的讀出節點ND112。 第8取樣電晶體SHS4-Tr例如在控制信號SHS4為高電平期間成為導電狀態。 第8信號保持電容器CS24連接在保持節點ND28與基準電位VSS之間。
另外，第1取樣電晶體SHR1-Tr、第2取樣電晶體SHS1-Tr、第3取樣電晶體SHR2-Tr、第4取樣電晶體SHS2-Tr，第5取樣電晶體SHR3-Tr、第6取樣電晶體SHS3-Tr、第7取樣電晶體SHR4-Tr、第8取樣電晶體SHS4-Tr是由MOS電晶體、例如由p通道MOS(PMOS)電晶體所形成。
第1輸出部233包含在全域快門期間基本上將第1信號保持電容器CR21所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第2源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF2R-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL1R-Tr輸出到垂直信號線LSGN11。
源極隨耦電晶體SF2R-Tr與選擇電晶體SEL1R-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN11之間。
源極隨耦電晶體SF2R-Tr的閘極連接著保持節點ND21，選擇電晶體SEL1R-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL1控制。 選擇電晶體SEL1R-Tr在控制信號SEL1為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF2R-Tr將與第1信號保持電容器CR21的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VRST)輸出到垂直信號線LSGN11。
第2輸出部234包含在全域快門期間基本上將第2信號保持電容器CS21所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第3源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF3S-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL2S-Tr輸出到垂直信號線LSGN12。
源極隨耦電晶體SF3S-Tr與選擇電晶體SEL2S-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN12之間。
源極隨耦電晶體SF3S-Tr的閘極連接著保持節點ND22，選擇電晶體SEL2S-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL2控制。 選擇電晶體SEL2S-Tr在控制信號SEL2為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF3S-Tr將與第2信號保持電容器CS21的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VSIG)輸出到垂直信號線LSGN12。
第3輸出部235包含在全域快門期間基本上將第3信號保持電容器CR22所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第4源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF4R-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL3R-Tr輸出到垂直信號線LSGN11。
源極隨耦電晶體SF4R-Tr與選擇電晶體SEL3R-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN11之間。
源極隨耦電晶體SF4R-Tr的閘極連接著保持節點ND23，選擇電晶體SEL3R-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL3控制。 選擇電晶體SEL3R-Tr在控制信號SEL3為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF4R-Tr將與第3信號保持電容器CR22的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VRST)輸出到垂直信號線LSGN11。
第4輸出部236包含在全域快門期間基本上將第4信號保持電容器CS22所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第5源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF5S-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL4S-Tr輸出到垂直信號線LSGN12。
源極隨耦電晶體SF5S-Tr與選擇電晶體SEL4S-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN12之間。
源極隨耦電晶體SF5S-Tr的閘極連接著保持節點ND24，選擇電晶體SEL4S-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL4控制。 選擇電晶體SEL4S-Tr在控制信號SEL4為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF5S-Tr將與第4信號保持電容器CS22的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VSIG)輸出到垂直信號線LSGN12。
第5輸出部237包含在全域快門期間基本上將第5信號保持電容器CR23所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第6源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF6R-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL5R-Tr輸出到垂直信號線LSGN11。
源極隨耦電晶體SF6R-Tr與選擇電晶體SEL5R-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN11之間。
源極隨耦電晶體SF6R-Tr的閘極連接著保持節點ND25，選擇電晶體SEL5R-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL5控制。 選擇電晶體SEL5R-Tr在控制信號SEL5為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF6R-Tr將與第5信號保持電容器CR23的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VRST)輸出到垂直信號線LSGN11。
第6輸出部238包含在全域快門期間基本上將第6信號保持電容器CS23所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第7源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF7S-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL6S-Tr輸出到垂直信號線LSGN12。
源極隨耦電晶體SF7S-Tr與選擇電晶體SEL6S-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN12之間。
源極隨耦電晶體SF37-Tr的閘極連接著保持節點ND26，選擇電晶體SEL6S-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL6控制。 選擇電晶體SEL6S-Tr在控制信號SEL6為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF7S-Tr將與第2信號保持電容器CS23的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VSIG)輸出到垂直信號線LSGN12。
第7輸出部239包含在全域快門期間基本上將第7信號保持電容器CR24所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第8源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF8R-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL7R-Tr輸出到垂直信號線LSGN11。
源極隨耦電晶體SF8R-Tr與選擇電晶體SEL7R-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN11之間。
源極隨耦電晶體SF8R-Tr的閘極連接著保持節點ND27，選擇電晶體SEL7R-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL7控制。 選擇電晶體SEL7R-Tr在控制信號SEL7為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF8R-Tr將與第7信號保持電容器CR24的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VRST)輸出到垂直信號線LSGN11。
第8輸出部240包含在全域快門期間基本上將第8信號保持電容器CS24所保持的信號按照保持電壓進行輸出的作為第9源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF9S-Tr，且將所保持的信號選擇性地經由選擇電晶體SEL8S-Tr輸出到垂直信號線LSGN12。
源極隨耦電晶體SF9S-Tr與選擇電晶體SEL8S-Tr串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN12之間。
源極隨耦電晶體SF9S-Tr的閘極連接著保持節點ND28，選擇電晶體SEL8S-Tr由通過控制線施加到閘極的控制信號SEL8控制。 選擇電晶體SEL8S-Tr在控制信號SEL8為L電平的選擇期間被選擇為導電狀態。由此，源極隨耦電晶體SF9S-Tr將與第8信號保持電容器CS24的保持電壓相應的列輸出的讀出電壓(VSIG)輸出到垂直信號線LSGN12。
這樣，本第4實施方式的固體攝像裝置10C中，在作為像素信號累積器的信號保持部230，在電壓模式下，將像素信號以全像素同時進行取樣，並將與第1信號保持電容器CR21、第2信號保持電容器CS21、第3信號保持電容器CR22、第4信號保持電容器CS22、第5信號保持電容器CR23、第6信號保持電容器CS23、第7信號保持電容器CR24、第8信號保持電容器CS24所保持的讀出信號對應的轉換信號讀出到垂直信號線LSGN11、LSGN12，且供給到列讀出電路40。
本第3實施方式的固體攝像裝置10C中，1個光電轉換讀出部220具有複數個光電二極管PD的電荷累積部，並具有作為可全域地保持各個信號的記憶部的信號保持部230。信號保持部230所全域保持的信號被依序讀出(滾動讀出)。
圖22(A)及(B)是用於將本第4實施方式的固體攝像裝置10C的全域快門讀出動作與滾動快門讀出動作進行比較並說明的動作順序圖。 圖23(A)～(C)是表示滾動快門讀出動作的時序圖的一例的圖。 圖24(A)～(C)是表示全域快門讀出動作的時序圖的一例的圖。
圖23(A)及圖24(A)是表示將4個光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13以單一的曝光條件且同時並列讀出時的時序例。 圖23(B)及圖24(B)是表示將4個光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13分別以個別的曝光條件且同時並列讀出時的時序例。 圖23(C)及圖24(C)是表示將4個光電二極管PD10、PD11、PD12、PD13分別以個別的曝光條件且同時並列讀出時、且讀出期間可由一組記憶容量(memory capacity)對應時的時序例。
圖21的電路結構例中，作為第1光電轉換元件的第1光電二極管PD10的累積電荷、作為第2光電轉換元件的第2光電二極管PD11的累積電荷、作為第3光電轉換元件的第3光電二極管PD12的累積電荷、及作為第4光電轉換元件的第4光電二極管PD13的累積電荷是分別獨立讀出的。 首先，光電轉換讀出部220中讀出浮動擴散FD10的重置電平，且保持在信號保持部230的信號保持電容器CR21、CR22、CR23、CR24。 接著，讀出與第1光電二極管PD10的累積電荷相應的信號，且保持在信號保持部240的信號保持電容器CH21。
並且，例如列讀出電路40中，對於以差動來同時並列供給的像素信號pixout的讀出重置信號VRST及讀出信號VSIG進行放大處理、AD轉換處理，而且，取兩信號的差分｛VRST-VSIG｝來進行CDS處理。
同樣，讀出與第2光電二極管PD11的累積電荷相應的信號，且保持在信號保持部230的信號保持電容器CH22。也就是說，同樣地對第2光電二極管PD11進行信號讀出、信號保持、CDS處理、AD轉換處理等。 接著，讀出與第3光電二極管PD12的累積電荷相應的信號，且保持在信號保持部230的信號保持電容器CH23。也就是說，同樣地對第3光電二極管PD12進行信號讀出、信號保持、CDS處理、AD轉換處理等。 接著，讀出與第4光電二極管PD13的累積電荷相應的信號，且保持在信號保持部230的信號保持電容器CH24。也就是說，同樣地對第4光電二極管PD13進行信號讀出、信號保持、CDS處理、AD轉換處理等處理。 作為結果，第1光電二極管PD10、第2光電二極管PD11、第3光電二極管PD12、及第4光電二極管PD13各自以低噪音讀出的像素信號作為無失真的、例如相位差資訊來處理。
像素增益可由累積電晶體BIN10-Tr(BIN開關)控制，且可配合PD信號量(照度)進行控制，可進行廣範圍的PDAF信號處理、即可在HDR實現PDAF(Phase Detection Auto Focus，相位檢測自動對焦)功能。
另外，如圖22(A)、圖23(A)～(C)所示，當累積期間開始時刻為現有的滾動讀出時，根據像素的行方向(Y方向)的位置而不同，所以相位差資訊根據垂直坐標而不同。尤其是在對象物以高速移動時，像素陣列的上端及下端的讀出時序不同，相位差資訊會根據對象物位置而不同，因此相位差資訊發生失真。 對此，當全域快門時，如圖22(B)、圖24(A)～(C)所示，可解決此問題，即便是動態圖像，相位差資訊也不會産生失真。
而且，本第4實施方式中，在像素內配置作為記憶部的信號保持部230，由此，作為第1光電轉換元件的第1光電二極管PD10的累積電荷、作為第2光電轉換元件的第2光電二極管PD11的累積電荷、作為第3光電轉換元件的第3光電二極管PD12的累積電荷、及作為第4光電轉換元件的第4光電二極管PD13的累積電荷的讀出資訊可幾乎同時獲取，而藉由在光電二極管PD配置作為AB(抗光暈)閘極的快門閘極電晶體SG10-Tr、SG11-Tr、SG12-Tr、SG13-Tr，能防止在一方信號(例如PD11)的讀出時一側的信號(PD10)的信號混入，從而能獲得正常的光電轉換特性。
如上述說明，根據本第4實施方式，固體攝像裝置10C在像素部20C中，包含作為像素的光電轉換讀出部220及信號保持部230，具有全域快門的動作功能，且能實質性地實現寬動態範圍化、高幀率化，而構成例如作為積層型CMOS影像感測器。
因此，根據本第4實施方式的固體攝像裝置10C，當然能實現全域快門，在累積期間實時地利用從光電二極管溢出的電荷，因此能實現寬動態範圍化、高幀率化。 而且，根據本第4實施方式，能實質性地實現寬動態範圍化、高幀率化，且能謀求低噪音化，並最大限度地擴大有效像素區域，能最大限度地提高單位成本的價值。
而且，根據本第4實施方式的固體攝像裝置10C，能防止結構的複雜化，且能防止布局上的面積效率降低。
而且，本第4實施方式的固體攝像裝置10C具有第1基板(上基板)110與第2基板(下基板)120的積層結構。 因此，本第4實施方式中，由於第1基板110側基本上僅由NMOS系元件形成，且利用像素陣列最大限度的擴大有效像素區域，因此，能最大限度的提高單位成本的價值。
另外，上述說明中，已說明了具有模擬全域快門功能的積層型固體攝像裝置。 其中，本發明也可應用於具有數位像素(pixel)感測器(DPS)的固體攝像裝置，該數位像素感測器中例如對各像素配置含有比較器的ADC(進而是記憶部)，可實現對像素陣列部中的全像素均以同一時序執行曝光開始及曝光結束的全域快門。
以上說明的固體攝像裝置10、10A、10B、10C可作為攝像裝置應用在數位攝影機、視訊攝影機、可携式終端、或者監視用攝影機、醫療用內視鏡用攝影機等電子機器。
圖25是表示搭載應用本發明的實施方式的固體攝像裝置的攝像機系統的電子機器的結構的一例的圖。
如圖25所示，本電子機器300具有可應用本實施方式的固體攝像裝置10、10A、10B、10C的CMOS影像感測器310。 進而，電子機器300具有將入射光引導到該CMOS影像感測器310的像素區域(成像被攝體像)的光學系統(透鏡等)320。 電子機器300具有將CMOS影像感測器310的輸出信號進行處理的信號處理電路(PRC)330。
信號處理電路330對CMOS影像感測器310的輸出信號實施規定的信號處理。 經信號處理電路330處理後的圖像信號可作為動態圖像顯示在液晶顯示器等所構成的監視器、或輸出到印表機，且直接記錄在記憶卡等記錄介質的各種方式。
如上所述，藉由搭載作為CMOS影像感測器310的前述的固體攝像裝置10、10A、10B、10C，能提供高性能、小型、低成本的攝像機系統。 並且，能實現應用於在攝像機的設置的必要條件中有安裝尺寸、可連接電纜數、電纜長度、設置高度等制約的用途的、例如監控用攝像機、醫療用內視鏡用攝像機等電子機器。
10、10A、10B、10C:固體攝像裝置 20:像素部 PD10:第1光電二極管 PD11:第2光電二極管 PD12:第3光電二極管 PD13:第4光電二極管 TG0-Tr:第10傳輸電晶體 TG11-Tr:第2傳輸電晶體 TG12-Tr:第3傳輸電晶體 TG13-Tr:第4傳輸電晶體 SG10-Tr:第1快門閘極電晶體 SG11-Tr:第2快門閘極電晶體 SG122-Tr:第3快門閘極電晶體 SG13-Tr:第4快門閘極電晶體 FD10:浮動擴散 RST10-Tr:重置電晶體 SF10-Tr:源極隨耦電晶體 BIN10-Tr:累積電晶體 CS:累積電容器 220:光電轉換讀出部 230:信號保持部 30:垂直掃描電路 40:輸出電路 50:時序控制電路 60:讀出部 300:電子機器 310:CMOS影像感測器 320:光學系統 330:信號處理電路(PRC)
圖1是表示具有2像素共用結構的CMOS影像感測器的像素的一例的電路圖，該2像素共用結構由2組光電二極管及傳輸電晶體共有1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體。 圖2是表示2像素共用時的2個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。 圖3是表示具有4像素共用結構的CMOS影像感測器的像素的一例的電路圖，該4像素共用結構由4組光電二極管及傳輸電晶體共有1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體。 圖4是表示4像素共用時的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的第1配置例的簡略俯視圖。 圖5是表示4像素共用時的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的第2配置例的簡略俯視圖。 圖6是表示本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的結構例的框圖。 圖7是表示本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的共用像素的一例的電路圖。 圖8是用於說明本發明的實施方式的固體攝像裝置的像素部的列輸出的讀出系統的結構例的圖。 圖9是表示本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的共用像素的主要部分、即包含嵌入型光電二極管及傳輸電晶體的電荷累積傳輸系統的結構例的簡略剖面圖。 圖10是表示本第1實施方式的共用像素的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。 圖11是本第1實施方式的共用像素的主要部分的簡略剖面圖，且為用於說明對浮動擴散的電容附加的附加電容成分的圖。 圖12是不具有本第1實施方式的共用畫的特徵性結構的對圖11的共用像素的比較例的共用像素的主要部分的簡略剖面圖，且為用於說明對浮動擴散的電容附加的附加電容成分的圖。 圖13是表示FD節點電容、配線電容、它們的總電容、以及像素尺寸的比較對象、即本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的布局、第1比較例的布局、及第2比較例的布局的圖。 圖14是將本發明的第1實施方式的固體攝像裝置的布局、第1比較例的布局、及第2比較例的布局中FD節點電容、配線電容、它們的總電容、以及像素尺寸進行比較並顯示為表格的圖。 圖15是表示本發明的第2實施方式的固體攝像裝置的共用像素的一例的電路圖。 圖16是表示本第2實施方式的共用像素的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。 圖17是表示電荷累積傳輸系統的結構例的簡略剖面圖，該電荷累積傳輸系統具有作為本發明的第2實施方式的共用像素的主要部分的快門閘極電晶體(shutter gate transistor)。 圖18是表示本發明的第3實施方式的固體攝像裝置的共用像素的一例的電路圖。 圖19是表示本第3實施方式的共用像素的4個光電二極管、傳輸電晶體、以及1個浮動擴散FD、重置電晶體、源極隨耦電晶體、及選擇電晶體的配置例的簡略俯視圖。 圖20是用於說明本發明的第3實施方式的固體攝像裝置中對於共用像素的讀出模式的讀出順序的一例的時序圖。 圖21是表示本發明的第4實施方式的固體攝像裝置10C的共用像素的結構例的電路圖。 圖22是用於將本第4實施方式的固體攝像裝置的全域快門(global shutter)讀出動作與滾動快門(rolling shutter)讀出動作進行比較而說明的動作順序圖。 圖23是表示滾動快門讀出動作的時序圖的一例的圖。 圖24是表示全域快門讀出動作的時序圖的一例的圖。 圖25是表示應用本發明的實施方式的固體攝像裝置的電子機器的結構的一例的圖。
CTAR20:中央區域
CTR:中央部
D1:第1間隔
D2:第2間隔
ED111、ED112:第1側部側端緣部相對的第1緣部
ED121、ED122:第2側部側端緣部相對的第1緣部
FBR:分支部
FBS:基礎部
FD10:浮動擴散
FSAR20:第1區域
PD10:第1光電二極管
PD11:第2光電二極管
PD12:第3光電二極管
PD13:第4光電二極管
PXL20:共用像素
RCT20:矩形區域
RST:控制信號
SCAR20:第2區域
SDP1:第1側部
SDP2:第2側部
SDT11、SDT12:第1側部側端緣部
SDT21、SDT22:第2側部側端緣部
SEL:控制信號
SF:源極隨耦元件
TG10、TG11、TG12、TG13:控制信號
WR20:配線

Claims (19)

  1. 一種固體攝像裝置，其具有配置進行光電轉換的共用像素的像素部，前述共用像素包含： 至少3個光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷； 複數個傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間，分別將前述光電轉換元件各自所累積的電荷個別地傳輸； 浮動擴散，作為輸出節點，供前述光電轉換元件各自的累積電荷通過各個前述傳輸元件而傳輸； 重置元件，在重置期間將前述浮動擴散重置為規定的電位；及 源極隨耦元件，作為輸出緩衝部，將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將已轉換的電壓信號輸出； 1個前述浮動擴散及1個前述源極隨耦元件由前述複數個光電轉換元件及前述複數個傳輸元件共有， 在元件形成區域的中央部分配置有前述浮動擴散，且以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述複數個光電轉換元件， 前述浮動擴散包含彼此相對的第1側部及第2側部，在前述浮動擴散區的與第1側部正交的第1方向上相鄰配置有前述源極隨耦元件，在前述浮動擴散區的第2側部的前述第1方向上相鄰配置有前述重置元件， 前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接， 在前述第2方向上相鄰的前述光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的第1間隔而配置， 在前述第1方向上相鄰的前述光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的第2間隔而配置， 以將前述浮動擴散的前述第1側部的第2方向中的第1側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間、以及前述浮動擴散的前述第2側部的第2方向中的第2側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，配置有分別對應的前述傳輸元件。
  2. 如請求項1所記載之固體攝像裝置，其前述共用像素包含： 累積元件，連接於前述浮動擴散；及 累積電容元件，經由前述累積元件累積前述浮動擴散的電荷； 前述累積元件配置在前述浮動擴散與前述重置元件之間。
  3. 如請求項1或2所記載之固體攝像裝置，其中， 前述共用像素包含複數個電荷溢出閘極元件，前述複數個電荷溢出閘極元件連接於各前述光電轉換元件、可使電荷從所連接的前述光電轉換元件向前述浮動擴散區域方向或前述浮動擴散區域外方向溢出， 前述電荷溢出閘極元件以與和前述光電轉換元件的前述第1緣部分離的外緣側的第2緣部連接的方式配置。
  4. 如請求項3所記載之固體攝像裝置，其中，在前述傳輸元件的至少比通道形成區域深的層上形成有溢出路徑。
  5. 如請求項4之固體攝像裝置，其中，前述溢出路徑的電位可由前述傳輸元件的閘極電位控制。
  6. 如請求項3至5中任一項所記載之固體攝像裝置，其中，在前述電荷溢出閘極元件的至少通道形成區域下形成有溢出路徑。
  7. 如請求項3至6中任一項所記載之固體攝像裝置，其中，前述電荷溢出閘極元件發揮快門閘極的功能，將前述光電轉換元件的累積電荷傳輸到前述作為輸出節點的浮動擴散區域外。
  8. 如請求項7所記載之固體攝像裝置，其中，前述傳輸元件與前述電荷溢出閘極元件分別以個別的時序驅動控制。
  9. 如請求項3至6中任一項所記載之固體攝像裝置，其中，前述電荷溢出閘極元件的閾值分別個別地調整。
  10. 如請求項1至9中任一項所記載之固體攝像裝置，其 前述共用像素至少包含： 第1光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷； 第1傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間傳輸前述第1光電轉換元件所累積的電荷； 第2光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷； 第2傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間傳輸前述第2光電轉換元件所累積的電荷； 第3光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷； 第3傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間傳輸前述第3光電轉換元件所累積的電荷； 第4光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷；及 第4傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間傳輸前述第4光電轉換元件所累積的電荷； 前述浮動擴散中， 通過前述第1傳輸元件來傳輸前述第1光電轉換元件的累積電荷、通過前述第2傳輸元件來傳輸前述第2光電轉換元件的累積電荷、通過前述第3傳輸元件來傳輸前述第3光電轉換元件的累積電荷、或通過前述第4傳輸元件來傳輸前述第4光電轉換元件的累積電荷， 前述浮動擴散配置在元件形成區域的中央部分，且以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述第1光電轉換元件、前述第2光電轉換元件、前述第3光電轉換元件、及前述第4光電轉換元件， 在前述浮動擴散的與前述第1側部正交的前述第1方向上相鄰配置有前述源極隨耦元件，在前述浮動擴散的前述第2側部的前述第1方向上相鄰配置有前述重置元件， 前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接， 在前述第2方向上相鄰的前述第1光電轉換元件與前述第2光電轉換元件、以及前述第3光電轉換元件與前述第4光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的前述第1間隔而配置， 在前述第1方向上相鄰的前述第1光電轉換部與前述第3光電轉換元件、以及前述第2光電轉換元件與前述第4光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的前述第2間隔而配置， 以將前述浮動擴散的前述第1側部的前述第2方向中兩端的前述第1側部側端緣部、與前述第1光電轉換元件及和前述第2光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，配置有對應的前述第1傳輸元件與前述第2傳輸元件， 以將前述浮動擴散的前述第2側部的前述第2方向中兩端的第2側部側端緣部、與前述第3光電轉換元件及和前述第4光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，配置有對應的前述第3傳輸元件與前述第4傳輸元件。
  11. 如請求項10所記載之固體攝像裝置，其前述共用像素包含： 第1電荷溢出閘極元件，連接於前述第1光電轉換元件，能使電荷從所連接的前述第1光電轉換元件向前述浮動擴散區域方向或前述浮動擴散區域外方向溢出； 第2電荷溢出閘極元件，連接於前述第2光電轉換元件，能使電荷從所連接的前述第2光電轉換元件向前述浮動擴散區域方向或前述浮動擴散區域外方向溢出； 第3電荷溢出閘極元件，連接於前述第3光電轉換元件，能使電荷從所連接的前述第3光電轉換元件向前述浮動擴散區域方向或前述浮動擴散區域外方向溢出；及 第4電荷溢出閘極元件，連接於前述第4光電轉換元件，能使電荷從所連接的前述第4光電轉換元件向前述浮動擴散區域方向或前述浮動擴散區域外方向溢出； 前述第1電荷溢出閘極元件以與和前述第1光電轉換元件的前述第1緣部分離的外緣側的第2緣部連接的方式配置， 前述第2電荷溢出閘極元件以與和前述第2光電轉換元件的前述第1緣部分離的外緣側的第2緣部連接的方式配置， 前述第3電荷溢出閘極元件以與和前述第3光電轉換元件的前述第1緣部分離的外緣側的第2緣部連接的方式配置， 前述第4電荷溢出閘極元件以與和前述第4光電轉換元件的前述第1緣部分離的外緣側的第2緣部連接的方式配置。
  12. 如請求項11所記載之固體攝像裝置，其前述共用像素包含： 累積元件，連接於前述浮動擴散；及 累積電容元件，經由前述累積元件累積前述浮動擴散的電荷； 前述累積元件配置在前述浮動擴散與前述重置元件之間， 具有增益切換部，將前述作為輸出節點的浮動擴散的電荷量變更為第1電容或第2電容，將前述作為輸出緩衝部的前述源極隨耦元件的轉換增益切換為由前述第1電容決定的第1轉換增益或由前述第2電容決定的第2轉換增益。
  13. 如請求項12所記載之固體攝像裝置，其中， 具有從前述像素部的前述共用像素讀出像素信號的讀出部， 前述讀出部對於前述共用像素的前述第1光電轉換元件、前述第2光電轉換元件、前述第3光電轉換元件、及前述第4光電轉換元件中的至少2個光電轉換元件的累積電荷進行如下處理： 第2轉換增益重置讀出處理，在前述重置期間後的重置讀出期間，從作為前述輸出緩衝部的前述源極隨耦元件讀出以由作為前述輸出節點的前述浮動擴散的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的第2讀出重置信號，並對該第2讀出重置信號進行規定的處理； 第1轉換增益重置讀出處理，利用前述增益切換部切換增益，從作為前述輸出緩衝部的前述源極隨耦元件讀出以由作為前述輸出節點的前述浮動擴散的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的第1讀出重置信號，並對該第1讀出重置信號進行規定的處理； 第1轉換增益讀出處理，在繼前述重置讀出期間後的第1前述傳輸期間之後的第1讀出期間，從作為前述輸出緩衝部的前述源極隨耦元件讀出以由作為前述輸出節點的前述浮動擴散的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的第1讀出信號，並對該第1讀出信號進行規定的處理；及 第2轉換增益讀出處理，在前述第1讀出期間後，利用前述增益切換部切換增益，在繼前述第1讀出期間後的第2前述傳輸期間之後的第2讀出期間，從作為前述輸出緩衝部的前述源極隨耦元件讀出以由作為前述輸出節點的前述浮動擴散的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的第2讀出信號，並對該第2讀出信號進行規定的處理。
  14. 如請求項13所記載之固體攝像裝置，其中，前述讀出部執行前述第2轉換增益重置讀出處理時， 將前述傳輸元件、前述電荷溢出閘極元件、及前述重置元件保持為非導電狀態，且將前述累積元件保持為導電狀態，共有作為前述輸出節點的前述浮動擴散的電荷與前述累積電容元件的電荷； 執行前述第1轉換增益重置讀出處理及前述第1轉換增益信號讀出處理時， 將前述傳輸元件、前述電荷溢出閘極元件、及前述重置元件保持為非導電狀態，且將前述累積元件保持為非導電狀態，使作為前述輸出節點的前述浮動擴散的電荷與前述累積電容元件的電荷分離； 執行前述第2轉換增益信號讀出處理時， 將前述傳輸元件、及前述重置元件保持為非導電狀態，將前述電荷溢出閘極元件保持為導電狀態，且將前述累積元件保持為導電狀態，共有作為前述輸出節點的前述浮動擴散的電荷與前述累積電容元件的電荷。
  15. 如請求項10至14中任一項所記載之固體攝像裝置，其前述共用像素包含： 光電轉換讀出部，至少包含前述第1光電轉換元件、前述第2光電轉換元件、前述第3光電轉換元件、及前述第4光電轉換元件，將該各光電轉換元件所累積的電荷讀出到作為輸出節點的浮動擴散，並在作為前述輸出緩衝的源極隨耦元件中將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並輸出已轉換的電壓信號；及 信號保持部，可保持與前述光電轉換讀出部所讀出的前述第1光電轉換元件、前述第2光電轉換元件、前述第3光電轉換元件、及前述第4光電轉換元件的累積電荷相應的像素信號。
  16. 如請求項15所記載之固體攝像裝置，其前述信號保持部包含： 輸入節點； 複數個信號保持電容器，可保持在前述第1光電轉換元件的累積電荷、前述第2光電轉換元件的累積電荷、前述第3光電轉換元件的累積電荷、或前述第4光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述共用像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的讀出重置信號及讀出信號； 複數個信號保持電容器，可保持在前述第1光電轉換元件的累積電荷、前述第2光電轉換元件的累積電荷、前述第3光電轉換元件的累積電荷、或前述第4光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的讀出信號； 複數個開關元件，將前述複數個信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點；及 複數個輸出部，包含將前述複數個信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，且將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線。
  17. 如請求項16所記載之固體攝像裝置，其前述信號保持部包含： 輸入節點； 第1信號保持電容器，可保持在前述第1光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述共用像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第1讀出重置信號； 第2信號保持電容器，可保持在前述第1光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第1讀出信號； 第3信號保持電容器，可保持在前述第2光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述共用像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第2讀出重置信號； 第4信號保持電容器，可保持在前述第2光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第2讀出信號； 第5信號保持電容器，可保持在前述第3光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述共用像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第3讀出重置信號； 第6信號保持電容器，可保持在前述3光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第3讀出信號； 第7信號保持電容器，可保持在前述第4光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述共用像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第4讀出重置信號； 第8信號保持電容器，可保持在前述4光電轉換元件的累積電荷的讀出時，從前述像素的前述光電轉換讀出部的讀出節點輸出，並輸入到前述輸入節點的第4讀出信號； 第1開關元件，將前述第1信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第2開關元件，將前述第2信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第3開關元件，將前述第3信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第4開關元件，將前述第4信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第5開關元件，將前述第5信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第6開關元件，將前述第6信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第7開關元件，將前述第7信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第8開關元件，將前述第8信號保持電容器選擇性地連接於前述光電轉換讀出部的讀出節點； 第1輸出部，包含將前述第1信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線； 第2輸出部，包含將前述第2信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線； 第3輸出部，包含將前述第3信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線； 第4輸出部，包含將前述第4信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線； 第5輸出部，包含將前述第5信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線； 第6輸出部，包含將前述第6信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線； 第7輸出部，包含將前述第7信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線；及 第8輸出部，包含將前述第8信號保持電容器所保持的信號按照保持電壓進行輸出的源極隨耦元件，並將已轉換的信號選擇性地輸出到信號線。
  18. 一種固體攝像裝置的製造方法，其中，具有配置進行光電轉換的共用像素的像素部，前述共用像素包含： 至少3個光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷； 複數個傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間，分別將前述光電轉換元件各自所累積的電荷個別地傳輸； 浮動擴散，作為輸出節點，將前述光電轉換元件各自的累積電荷通過各個前述傳輸元件而傳輸； 重置元件，在重置期間將前述浮動擴散重置為規定的電位；及 源極隨耦元件，作為輸出緩衝部，將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將已轉換的電壓信號輸出； 1個前述浮動擴散及1個前述源極隨耦元件由前述複數個光電轉換元件及前述複數個傳輸元件共有， 在元件形成區域的中央部分配置有前述浮動擴散，以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述複數個光電轉換元件，該固體攝像裝置的製造方法中， 前述浮動擴散包含彼此相對的第1側部及第2側部，相鄰在與前述浮動擴散的第1側部正交的第1方向形成前述源極隨耦元件，相鄰在前述浮動擴散的第2側部的前述第1方向形成前述重置元件， 前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接， 相鄰在前述第2方向的前述光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的第1間隔而形成， 相鄰在前述第1方向的前述光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的第2間隔而形成， 以將前述浮動擴散的前述第1側部的第2方向中的第1側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間、以及前述浮動擴散的前述第2側部的第2方向中的第2側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，形成分別對應的前述傳輸元件。
  19. 一種電子機器，其具有： 固體攝像裝置；及 光學系統，將被攝體像成像於前述固體攝像裝置； 前述固體攝像裝置具有配置進行光電轉換的共用像素的像素部， 前述共用像素包含： 至少3個光電轉換元件，在累積期間累積藉由光電轉換生成的電荷； 複數個傳輸元件，可在前述累積期間後的傳輸期間，分別將前述光電轉換元件各自所累積的電荷個別地傳輸； 浮動擴散，作為輸出節點，將前述光電轉換元件各自的累積電荷通過各個前述傳輸元件而傳輸； 重置元件，在重置期間將前述浮動擴散重置為規定的電位；及 源極隨耦元件，作為輸出緩衝部，將前述浮動擴散的電荷轉換為與電荷量相應的電壓信號，並將已轉換的電壓信號輸出； 1個前述浮動擴散及1個前述源極隨耦元件由前述複數個光電轉換元件及前述複數個傳輸元件共有， 在元件形成區域的中央部分配置有前述浮動擴散，且以該浮動擴散為中心呈放射狀配置有前述複數個光電轉換元件， 前述浮動擴散包含彼此相對的第1側部及第2側部，相鄰在與前述浮動擴散的第1側部正交的第1方向配置有前述源極隨耦元件，相鄰在前述浮動擴散的第2側部的前述第1方向配置有前述重置元件， 前述浮動擴散與前述源極隨耦元件藉由配線連接， 相鄰在前述第2方向的前述光電轉換元件隔著至少可形成前述源極隨耦元件及前述重置元件的第1間隔而配置， 相鄰在前述第1方向的前述光電轉換元件隔著比前述第1間隔窄的第2間隔而配置， 以將前述浮動擴散的前述第1側部的第2方向中的第1側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第1側部側端緣部相對的第1緣部之間、以及前述浮動擴散的前述第2側部的第2方向中的第2側部側端緣部、與和前述光電轉換元件的該第2側部側端緣部相對的第1緣部之間連接的方式，配置有分別對應的前述傳輸元件。
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