TW202345579A - 固態攝像裝置及電子機器 - Google Patents

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飯田聰子
服部祐樹
中嶋義満
白井友基
中西駿太
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日商索尼半導體解決方案公司
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Abstract

本發明之目的在於實現具備感度不同之2個光電轉換部、及蓄積由該等產生之電荷之2個電容元件之像素構造，且擴大動態範圍。 本發明之固態攝像裝置具備單位像素，該單位像素具有：第1感度之第1光電轉換部；較第1感度低之第2感度之第2光電轉換部；第1電容元件，其連接於第1光電轉換部；及第2電容元件，其連接於第2光電轉換部。本揭示可應用於例如固態攝像裝置等。

Description

固態攝像裝置及電子機器
本揭示係關於一種固態攝像裝置及電子機器，尤其關於可實現具備感度不同之2個光電轉換部、與蓄積由該等產生之電荷之2個電容元件之像素構造，且擴大動態範圍之固態攝像裝置及電子機器。
一種固態攝像裝置，其設為謀求像素之動態範圍擴大之構造，具有：單位像素，其具有感度不同之大像素、小像素，且具備蓄積由小像素產生之電荷之電容元件(例如，參照專利文獻1)。又，提案有一種固態攝像裝置，其為了擴大動態範圍，而於各像素，具備蓄積自光電二極體溢出之光電荷之電容元件(例如，參照專利文獻2)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2020/121724號 [專利文獻2]日本專利特開2006-245522號公報
[發明所欲解決之問題]
若欲對專利文獻1所揭示般之具有感度不同之大像素及小像素，且具備蓄積由小像素產生之電荷之電容元件之單位像素，追加專利文獻2所揭示般之蓄積由光電二極體溢出之光電荷之電容元件，則於單位像素內需要2個電容元件。若單純於單位像素內設置2個電容元件，則將電容元件分成2個部分，導致動態範圍降低。
本揭示係鑑於此種狀況完成者，即，可實現具備感度不同之2個光電轉換部、與蓄積由該等產生之電荷之2個電容元件之像素構造，且擴大動態範圍者。 [解決問題之技術手段]
本揭示之第1態樣之固態攝像裝置具備：單位像素，其具有：第1感度之第1光電轉換部；較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部；第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。
本揭示之第2態樣之電子機器具備：固態攝像裝置，其具備：單位像素，其具有：第1感度之第1光電轉換部；較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部；第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。
於本揭示之第1及第2態樣中，於單位像素設置有：第1感度之第1光電轉換部；較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部；第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。
固態攝像裝置及電子機器可為獨立之裝置，亦可為組入其他裝置之模組。
以下，一面參照附加圖式，一面就用於實施本揭示之技術之形態(以下，稱為實施形態)進行說明。說明按以下順序進行。 1.固態攝像裝置之概略構成例 2.單位像素之第1電路構成例 3.光電轉換部與像素電晶體之配置例 4.單位像素之剖視圖 5.各配線層之配線圖案例 6.第1驅動控制例 7.第2驅動控制例(普通模式) 8.第3驅動控制例(優先模式) 9.普通模式與優先模式之特性 10.梳齒形狀之配線電容之效果 11.單位像素之第2電路構成例 12.第2電路構成例之驅動控制例 13.單位像素之第3電路構成例 14.單位像素之第4電路構成例 15.垂直驅動部之構成例 16.影像感測器之使用例 17.對電子機器之應用例 18.對移動體之應用例
另，於由以下之說明參照之圖式中，對同一或類似之部分標註同一或類似之符號，藉此適當省略重複說明。圖式係模式性者，厚度與平面尺寸之關係、各層之厚度之比率等與實際者不同。又，有於圖式相互間，包含相互之尺寸之關係或比率不同之部分之情形。
又，以下說明中之上下等之方向之定義僅為方便說明之定義，並非限定本揭示之技術思想者。例如，若將對象旋轉90°觀察則將上下轉換為左右讀取，若旋轉180°觀察則上下反轉讀取。
又，以下說明之附加於P型、N型之+或-與未附加+及-之半導體區域相比，分別意指雜質濃度相對較高或較低之半導體區域。但即使為附加相同之P與N後之半導體區域，亦並非意指各者之半導體區域之雜質濃度嚴格相同者。
＜1.固態攝像裝置之概略構成例＞ 圖1係顯示應用本揭示之技術之固態攝像裝置之概略構成之圖。
圖1之固態攝像裝置1顯示例如X-Y位址方式之固態攝像裝置之一種即CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：互補性金屬氧化半導體)影像感測器之構成。CMOS影像感測器係應用CMOS製程、或部分使用製造之影像感測器。
固態攝像裝置1具備像素陣列部11與周邊電路部。周邊電路部具備例如垂直驅動部12、行處理部13、水平驅動部14、及系統控制部15。
固態攝像裝置1進而具備信號處理部16及資料儲存部17。信號處理部16及資料儲存部17可搭載於與像素陣列部11、垂直驅動部12等相同之基板上，亦可配置於其他基板上。又，信號處理部16及資料儲存部17之各處理亦可由設置於與固態攝像裝置1不同之半導體晶片之外部信號處理部，例如DSP(Digital Signal Processor：數位信號處理器)電路等執行。
像素陣列部11具有將單位像素21以列方向及行方向之矩陣狀2維配置之構成，該單位像素21具有產生、且蓄積與接收之光量相應之電荷之光電轉換部。此處，列方向稱為像素陣列部11之像素列，即水平方向之排列方向，行方向稱為像素陣列部11之像素行，即垂直方向之排列方向。參照圖2等，稍後對單位像素21之具體之電路構成例進行敘述。
又，於像素陣列部11中，按各像素列將作為列信號線之像素驅動配線22沿列方向配線，按各像素行將作為行信號線之垂直信號線23沿行方向配線。像素驅動配線22傳送用於進行自單位像素21讀出信號時之驅動之驅動信號。於圖1中，像素驅動配線22作為1條配線顯示，但並非限定於1條者。像素驅動配線22之一端連接於與垂直驅動部12之各列對應之輸出端。
垂直驅動部12藉由位移暫存器或位址解碼器等構成，由所有像素同時或列單位等驅動像素陣列部11之各單位像素21。垂直驅動部12與系統控制部15一起構成控制像素陣列部11之各單位像素21之動作之驅動部。針對垂直驅動部12之具體構成省略圖示，但一般而言，具有讀出掃描系統與掃除掃描系統之2個掃描系統。
讀出掃描系統為自單位像素21讀出信號，而由列單位依序選擇掃描像素陣列部11之單位像素21。自單位像素21讀出之信號係類比信號。掃除掃描系統對藉由讀出掃描系統進行讀出掃描之讀出列，較該讀出掃描提前曝光時間量進行掃除掃描。
藉由該掃除掃描系統之掃除掃描，自讀出列之單位像素21之光電轉換部掃除無用之電荷，藉此重設各單位像素21之光電轉換部。且，藉由該掃除掃描系統掃除(重設)無用之電荷，進行所謂電子快門動作。此處，電子快門動作稱為捨棄光電轉換部之電荷，重新開始曝光(開始電荷之蓄積)之動作。
藉由讀出掃描系統之讀出動作讀出之信號係與在此之前之讀出動作或電子快門動作之後接收之光量對應者。且，在此之前之讀出動作之讀出時序或電子快門動作之掃除時序至此次之讀出動作之讀出時序之期間，成為單位像素21之曝光期間。
自藉由垂直驅動部12選擇掃描之像素列之各單位像素21輸出之信號按各像素行通過垂直信號線23之各者輸入至行處理部13。行處理部13按像素陣列部11之各單位像素行，對自選擇列之各單位像素21通過垂直信號線23輸出之信號進行特定之信號處理，且暫時保持信號處理後之像素信號。
具體而言，行處理部13作為信號處理，進行至少雜訊去除處理，例如CDS(Correlated Double Sampling；相關雙重取樣)處理、或DDS(Double Data Sampling：雙重資料取樣)處理。例如，藉由CDS處理，去除重設雜訊或單位像素內之放大電晶體之閾值偏差等之像素固有之固定圖案雜訊。可使行處理部13除雜訊去除處理以外，亦具有例如AD(Analog-Digital：類比-數位)轉換功能，將類比之像素信號轉換為數位信號並輸出。
水平驅動部14藉由位移暫存器或位址解碼器等構成，依序選擇與行處理部13之像素行對應之單位電路。藉由該水平驅動部14之選擇掃描，於行處理部13中依序輸出按各單位電路進行信號處理後之像素信號。
系統控制部15藉由產生各種時序信號之時序產生器等構成，基於由時序產生器產生之各種時序，進行垂直驅動部12、行處理部13、及水平驅動部14等之驅動控制。
信號處理部16至少具有運算處理功能，對自行處理部13輸出之像素信號進行運算處理等之各種信號處理。資料儲存部17於信號處理部16之信號處理時，暫時儲存該處理所需之資料。於信號處理部16中進行信號處理後之像素信號轉換為規定之格式，自輸出部18向裝置外部輸出。
＜2.單位像素之第1電路構成例＞ 圖2係顯示設置於像素陣列部11之單位像素21之電路構成例之圖。與稍後敘述之其他電路構成例區別，圖2之單位像素21之電路構成例亦稱為第1電路構成例。
單位像素21具有感度不同之2個光電轉換部即第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2。第1光電轉換部SP1係具有較大之光電轉換區域，且感度較高(高感度之)之光電轉換部，第2光電轉換部SP2係具有與第1光電轉換部SP1比較較小之光電轉換區域，且感度低於第1光電轉換部SP1(低感度之)之光電轉換部。
單位像素21進而具有第1傳送電晶體TGL、第1FD部31、切換電晶體FDG、第2FD部32、第2傳送電晶體FCG、重設電晶體RST、第1電容元件EC、第2電容元件FC、放大電晶體AMP、及選擇電晶體SEL。第1傳送電晶體TGL、切換電晶體FDG、第2傳送電晶體FCG、重設電晶體RST、放大電晶體AMP、及選擇電晶體SEL之各像素電晶體均由N型MOS電晶體(MOS FET：Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬氧化半導體場效應電晶體)構成。
第1光電轉換部SP1由例如光電二極體構成，產生並蓄積與接收之光量相應之電荷(信號電荷)。第1光電轉換部SP1之陽極端子接地，且陰極端子經由第1傳送電晶體TGL，連接於第1FD部31。
第1傳送電晶體TGL於藉由供給至閘極電極之第1傳送驅動信號ϕTGL導通時，讀出由第1光電轉換部SP1產生之電荷，傳送至第1FD部31。
第1FD部31保持自第1光電轉換部SP1或第2光電轉換部SP2讀出之電荷。第1FD部31由藉由半導體基板內之擴散層(高濃度半導體區域)形成之擴散層電容構成。
切換電晶體FDG依照供給至閘極電極之電容切換信號ϕFDG，導通斷開第1FD部31與第2FD部32之連接，切換轉換效率。例如，於入射光之光量較多之高照度時，導通切換電晶體FDG，連接第1FD部31與第2FD部32。藉此，於高照度時，可蓄積更多之電荷。另一方面，於入射光之光量較少之低照度時，斷開切換電晶體FDG，第2FD部32與第1FD部31切斷。藉此，可提高轉換效率。
第2FD部32保持自第1光電轉換部SP1或第2光電轉換部SP2讀出之電荷。第2FD部32由藉由半導體基板內之擴散層(高濃度半導體區域)形成之擴散層電容構成。
第1電容元件EC係蓄積自第1FD部31及第2FD部32溢出之電荷之蓄積電容。第1電容元件EC之細節稍後敘述，例如可由形成於多層配線層內之配線電容構成。第1電容元件EC之一者之電極連接於第2FD部32，另一者之電極連接於根據驅動時序變化之規定之電壓ϕFHG。
重設電晶體RST於藉由供給至閘極電極之重設驅動信號ϕRST導通時，將蓄積於第1FD部31及第2FD部32之電荷排出至汲極(電源電壓VDD)，藉此重設第1FD部31及第2FD部32之電位。於導通重設電晶體RST之情形時，亦同時導通切換電晶體FDG。
第2光電轉換部SP2由例如光電二極體構成，產生並蓄積與接收之光量相應之電荷(信號電荷)。第2光電轉換部SP2之陽極端子接地，且陰極端子連接於第2傳送電晶體FCG之一者與第2電容元件FC之一者。
第2電容元件FC係蓄積由第2光電轉換部SP2產生之電荷之蓄積電容。第2電容元件FC之細節稍後敘述，可由例如MOS(Metal-Oxide-Semiconductor：金屬氧化物半導體)電容構成。更廣而言，MOS電容亦稱為MIS(Metal-Insulator-Semiconductor：金屬絕緣體半導體)電容。第2電容元件FC之一者之電極連接於第2光電轉換部SP2之陰極端子與第2傳送電晶體FCG之汲極，另一者之電極連接於根據驅動時序變化之規定之電壓ϕFCVDD。
此處，就第1FD部31、第2FD部32、第1電容元件EC、及第2電容元件FC之電容之大小關係進行說明。由半導體基板內之擴散層形成之擴散層電容即第1FD部31與第2FD部32之電容設為小於由擴散層電容以外之配線電容形成之第1電容元件EC之電容。以電容之大小關係成為第2FD部32大於第1FD部31，第1電容元件EC大於第2FD部32，第2電容元件FC大於第1電容元件EC，即第1FD部31＜第2FD部32＜第1電容元件EC＜第2電容元件FC之關係之方式形成各電容。
第1FD部31、第2FD部32、第1電容元件EC、及第2電容元件FC之蓄積電荷量於不破壞上述之大小關係之範圍內，可設為例如，第1FD部31之蓄積電荷量為0.5至1.5 fF左右，第2FD部32之蓄積電荷量為1.0至3.0 fF左右，第1電容元件EC之蓄積電荷量為2.5至7.5 fF左右，第2電容元件FC之蓄積電荷量為5.0至20.0 fF左右。但，藉由電容之構成，可大幅、或可小幅超過該例示之範圍。
又，若比較第1電容元件EC與第2電容元件FC之每單位面積之電容，則第1電容元件EC與第2電容元件FC之電容具有第2電容元件FC大於第1電容元件EC，即第1電容元件EC＜第2電容元件FC之關係。
第2傳送電晶體FCG於藉由供給至閘極電極之第2傳送驅動信號ϕFCG導通時，讀出由第2光電轉換部SP2產生之電荷，傳送至第1FD部31及第2FD部32。於導通第2傳送電晶體FCG時，亦導通切換電晶體FDG。
放大電晶體AMP輸出與第1FD部31之電位相應之信號。即，放大電晶體AMP構成作為經由垂直信號線23連接之恆定電流源之負荷MOS電晶體(未圖示)與源極隨耦電路，將顯示與蓄積於第1FD部31之電荷相應之位準之信號VSL自放大電晶體AMP經由選擇電晶體SEL輸出至行處理部13(圖1)。於切換電晶體FDG導通之情形時，放大電晶體AMP輸出與第1FD部31及第2FD部32之電位相應之信號。
選擇電晶體SEL於藉由供給至閘極電極之選擇驅動信號ϕSEL導通時，選擇單位像素21，將由單位像素21產生之信號VSL經由垂直信號線23輸出至行處理部13。
第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、重設驅動信號ϕRST、及選擇驅動信號ϕSEL係Hi位準之狀態成為主動狀態(導通之狀態)，Lo位準之狀態成為非主動狀態(斷開之狀態)之脈衝信號。第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、重設驅動信號ϕRST、及選擇驅動信號ϕSEL經由圖1之像素驅動配線22自垂直驅動部12供給。
單位像素21如以上，具有：第1感度之第1光電轉換部SP1；較第1感度低之第2感度之第2光電轉換部SP2；第1電容元件EC，其連接於第1光電轉換部SP1，蓄積由第1光電轉換部SP1產生之電荷；及第2電容元件FC，其連接於第2光電轉換部SP2，蓄積由第2光電轉換部SP2產生之電荷。詳細之驅動稍後敘述，單位像素21可單一曝光，且輸出3個以上不同之信號。
＜3.光電轉換部與像素電晶體之配置例＞ 圖3A係顯示單位像素21之第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2之配置例之俯視圖。圖3A係自入射光之光入射面側即背面側觀察形成有第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2之半導體基板51(圖4)之俯視圖。
於圖3A中，以1個第1光電轉換部SP1為中心，顯示像素陣列部11內之第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2之配置。
如圖3A所示，光電轉換區域較大之第1光電轉換部SP1、與光電轉換區域較之更小之第2光電轉換部SP2之各者於像素陣列部11內2維配置為矩陣狀。第2光電轉換部SP2相鄰配置於大致四邊形之第1光電轉換部SP1之角部之對角位置。
於第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2各者之外周部，形成有與相鄰之第1光電轉換部SP1或第2光電轉換部SP2電性分離之像素分離部52。換言之，第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2分別由像素分離部52與其他區域電性分離。像素分離部52由自半導體基板51之背面側挖掘之溝槽構造構成。
以下，為容易理解，而將單位像素21中與第1光電轉換部SP1對應之像素區域稱為大像素，將與第2光電轉換部SP2對應之像素區域稱為小像素進行說明。
圖3B係顯示單位像素21之第1電路構成例之像素電晶體配置例之俯視圖。圖3B係自與光入射面側成相反側之正面側觀察半導體基板51之俯視圖。於圖3B中，以一點鏈線顯示與一個單位像素21相當之區域，但相同構造之單位像素21重複排列於列方向及行方向。
第1傳送電晶體TGL、切換電晶體FDG、及重設電晶體RST沿縱向(像素行方向)排列形成於第1主動區域81。又，於第1主動區域81，亦形成有第2傳送電晶體FCG。放大電晶體AMP及選擇電晶體SEL沿縱向(像素行方向)相鄰形成於第2主動區域82。
第3主動區域83構成由MOS電容構成之第2電容元件FC之一者之電極(圖4之N+型半導體區域57)，於對向之上側形成另一者之電極。第4主動區域84形成對半導體基板51供給接地電壓(GND)之接點區域。
＜4.單位像素之剖視圖＞ 圖4顯示單位像素21之剖視圖。
圖4之左側之剖視圖顯示大像素部分(第1光電轉換部SP1部分)之剖視圖，圖4之右側之剖視圖顯示小像素部分(第2光電轉換部SP2部分)之剖視圖。左側之大像素部分之剖視圖對應於圖5之X-X’線之剖視圖，右側之小像素部分之剖視圖對應於圖5之Y-Y’線之剖視圖。
單位像素21作為半導體材料形成於例如使用矽(Si)之半導體基板51。於半導體基板51之上表面，形成有第1傳送電晶體TGL、切換電晶體FDG、第2傳送電晶體FCG、重設電晶體RST、放大電晶體AMP、及選擇電晶體SEL之各像素電晶體、多層配線層71。
於半導體基板51之大像素部分，形成有構成第1光電轉換部SP1之光電轉換區域之N型半導體區域53與N+型半導體區域54。N+型半導體區域54係較N型半導體區域53更高濃度之區域。
於與相對於大像素相鄰之其他像素之邊界部分，形成有像素分離部52及P++型半導體區域55。於半導體基板51之正面側，形成有作為用於抑制暗電流之釘扎層之P++型半導體區域56。像素分離部52藉由例如由CVD(Chemical Vapor Deposition：化學氣相沈積)法嵌入鎢(W)等金屬材料而形成。
於大像素部分之半導體基板51之正面側，形成有第1傳送電晶體TGL、與由MOS電容構成之第2電容元件FC。又，亦形成由STI(Shallow Trench Isolation：淺渠溝隔離)構成之元件分離區域58。與第2電容元件FC成對之一者之電極由形成於半導體基板51之N+型半導體區域57構成，另一者之電極由與N+型半導體區域57對向形成於多層配線層71之多晶矽電極74構成。
於半導體基板51背面側之基板上，介隔由1層或複數層氧化膜等形成之絕緣膜59，形成彩色濾光片(CF：Color Filter)60，進而於彩色濾光片60之上，形成單片透鏡61。
多層配線層71由複數個配線層M、與之間之層間絕緣膜73構成。於本實施形態中，將配線層M之積層數設為5層，多層配線層71由第1配線層M1至第5配線層M5與層間絕緣膜73構成，但配線層M之積層數不限定於5層。於第1配線層M1至第5配線層M5之各層中金屬配線72以規定之配線圖案形成。金屬配線72由例如鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)等材料形成。各配線層M之金屬配線72可為同一材料，亦可為不同之材料。即使於同一配線層內，亦可根據區域使用不同材料之金屬配線72。
另一方面，於小像素部分之半導體基板51，形成有構成第2光電轉換部SP2之光電轉換區域之N型半導體區域53與N+型半導體區域54。N+型半導體區域54係較N型半導體區域53更高濃度之區域。
於與相對於小像素相鄰之其他像素之邊界部分，形成有像素分離部52及P++型半導體區域55。於半導體基板51之正面側，形成有第2傳送電晶體FCG、放大電晶體AMP、及元件分離區域58。2個N+型半導體區域62構成第2傳送電晶體FCG之源極及汲極，且源極及汲極之間形成有通道區域之區域係由較N+型半導體區域62低濃度之N-型半導體區域63形成。
於半導體基板51背面側之基板上，介隔由1層或複數層氧化膜等形成之絕緣膜59，形成彩色濾光片(CF)60，進而於彩色濾光片60之上，形成單片透鏡61。
彩色濾光片60以包含大像素與小像素之單位像素21單位，設為紅、綠、或藍之同一顏色，例如以拜耳排列進行排列。
如以上於單位像素21中，第1光電轉換部SP1由較大之光電轉換區域形成，第2光電轉換部SP2由較第1光電轉換部SP1小之光電轉換區域形成，因此第1光電轉換部SP1較第2光電轉換部SP2設為高感度。
參照圖5稍後敘述，第1電容元件EC由形成於第1配線層M1至第4配線層M4之配線電容構成。另一方面，因第2電容元件FC由包含N+型半導體區域57與多晶矽電極74之MOS電容構成，故第1電容元件EC與第2電容元件FC配置於不同之層。
構成多層配線層71之配線層M之金屬配線72與層間絕緣膜73之平坦性，與第2電容元件FC之N+型半導體區域57及多晶矽電極74之膜厚比較較差。換言之，因第2電容元件FC可高精度控制膜厚，故耐偏差性較強。高照度用之第2電容元件FC因感度偏差所致之特性變動之影響較大，故容易產生平坦性不均之配線電容較佳應用於大像素用之電容，而非小像素用之電容。因此，藉由於第1電容元件EC使用配線電容，於第2電容元件FC使用MOS電容，可最小限度地抑制偏差之影響，藉此可抑制雜訊且實現高SN比。
於本實施形態中，設為第1電容元件EC藉由配線電容構成，第2電容元件FC由MOS電容構成，但亦可採用其他構成。例如，可由MOS電容構成第1電容元件EC，由MIM(Metal-Insulator-Metal：金屬-絕緣體-金屬)電容構成第2電容元件FC。或，又可由MIM電容構成第1電容元件EC與第2電容元件FC之兩者。於由MIM電容構成之情形，可確保更多之電容。
＜5.各配線層之配線圖案例＞ 參照圖6至圖10，就第1配線層M1至第5配線層M5之配線圖案進行說明。於圖6至圖10中，對各配線層M之僅金屬配線72之一部分標註符號。
圖5係顯示圖6至圖10之配線圖案下之像素電晶體配置之俯視圖。圖5之X-X’線係與圖4之左側之大像素部分之剖視圖對應之線段，圖5之Y-Y’線係與圖4之右側之小像素部分之剖視圖對應之線段。
圖6顯示形成於第1配線層M1之金屬配線72之配線圖案例。於形成於第1配線層M1之金屬配線72中，金屬配線EC M1係構成第1電容元件EC之一部分之配線。金屬配線EC M1於下側連接於構成第2FD部32之擴散層，於上側與第2配線層M2之金屬配線EC M2連接。
圖7顯示形成於第2配線層M2之金屬配線72之配線圖案例。於形成於第2配線層M2之金屬配線72中，金屬配線EC M2係構成第1電容元件EC之一部分之配線。金屬配線EC M2於下側連接於第1配線層M1之金屬配線EC M1，於上側與第3配線層M3之金屬配線EC M3連接。
圖8顯示形成於第3配線層M3之金屬配線72之配線圖案例。於形成於第3配線層M3之金屬配線72中，金屬配線EC M3係構成第1電容元件EC之一部分之配線。金屬配線EC M3於下側連接於第2配線層M2之金屬配線EC M2，於上側與第4配線層M4之金屬配線EC M4連接。
圖9顯示形成於第4配線層M4之金屬配線72之配線圖案例。於形成於第4配線層M4之金屬配線72中，金屬配線EC M4係構成第1電容元件EC之一部分之配線。金屬配線EC M4於下側連接於第3配線層M3之金屬配線EC M3。第3配線層M3之金屬配線EC M3、與第4配線層M4之金屬配線EC M4形成為梳齒形狀。
圖10顯示形成於第5配線層M5之金屬配線72之配線圖案例。對第5配線層M5之金屬配線72供給電源電壓VDD。於形成由配線電容構成之第1電容元件EC之第1配線層M1至第4配線層M4之進而上側，配置具有供給電源電壓VDD之金屬配線72之第5配線層M5，藉此第5配線層M5構成對第1配線層M1至第4配線層M4供給電源電壓之供給層，且相對於來自第5配線層M5更上側之電路或裝置外部之頻帶雜訊，作為防止對第1電容元件EC之影響之屏蔽層發揮功能。
如此，因第1電容元件EC藉由多層配線層71內之複數個配線層M之金屬配線72構成，第2電容元件FC藉由第1配線層M1更下側之多晶矽電極74與半導體基板51內之N+型半導體區域57構成，故第1電容元件EC與第2電容元件FC配置於不同之層。
另，於第1電容元件EC由MOS電容構成，第2電容元件FC由MIM電容構成之情形時，因MIM電容即第2電容元件FC形成於第1配線層M1至第5配線層M5之進而上側，故於該情形時第1電容元件EC與第2電容元件FC亦配置於不同之層。於由MIM電容構成第1電容元件EC與第2電容元件FC之兩者之情形時，亦可形成於相互不同之層。
＜6.第1驅動控制例＞ 接著，參照圖11之時序圖，說明單位像素21之第1驅動控制。圖11之第1驅動控制係單一曝光且輸出4個不同之信號之驅動。
首先，於時刻t1中，將供給至第1電容元件EC之電極之電壓ϕFHG(以下，亦稱為EC供給電壓ϕFHG)、與供給至第2電容元件FC之電極之電壓ϕFCVDD(以下，亦稱為FC供給電壓ϕFCVDD)設定為Hi位準(例如VDD)，且將第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準。藉此，重設所有第1FD部31、第2FD部32、第1電容元件EC、及第2電容元件FC。於規定時間後，將EC供給電壓ϕFHG及FC供給電壓ϕFCVDD控制為Lo位準(例如GND)，將第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST亦控制為Lo位準。自斷開第1傳送電晶體TGL及重設電晶體RST之時刻t2開始單位像素21之曝光期間。
於經過規定之曝光期間後之時刻t3中，垂直驅動部12將電容切換信號ϕFDG控制為Hi位準，於時刻t4中，將FC供給電壓ϕFCVDD及選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，於時刻t5中，將EC供給電壓ϕFHG控制為Hi位準。時刻t5之後，成為第1光電轉換部SP1之第1FD部31及第2FD部32之蓄積電荷讀出期間(SP1 HCG+LCG)。
首先，於至後續之時刻t6為止之期間，讀出使用第1FD部31與第2FD部32之低轉換效率之重設位準(SP1 LCG 重設(Reset) 位準(Level)2)，於時刻t6，將供給至切換電晶體FDG之閘極之電容切換信號ϕFDG控制為Lo位準。且，於時刻t6以後，讀出僅使用第1FD部31之高轉換效率之重設位準(SP1 HCG 重設 位準1)。
接著，垂直驅動部12於時刻t7至時刻t9之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t7至時刻t8之期間，將第1傳送驅動信號ϕTGL控制為Hi位準，導通第1傳送電晶體TGL，並將由第1光電轉換部SP1產生之電荷向第1FD部31傳送。
垂直驅動部12於時刻t9將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，再次導通選擇電晶體SEL。且，於直至後續之時刻t10為止之期間，讀出僅使用第1FD部31之高轉換效率之信號位準(SP1 HCG 信號 位準1)。此處讀出之信號為超低雜訊且高轉換效率之信號SP1H。
於時刻t10中，垂直驅動部12將電容切換信號ϕFDG控制為Hi位準，導通切換電晶體FDG。
接著，垂直驅動部12於時刻t11至時刻t14之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t12至時刻t13之期間，將第1傳送驅動信號ϕTGL控制為Hi位準，導通第1傳送驅動信號ϕTGL，並將由第1光電轉換部SP1產生之電荷向第1FD部31及第2FD部32傳送。
之後，於時刻t14至時刻t15之期間，讀出使用第1FD部31與第2FD部32之低轉換效率之信號位準(SP1 LCG 信號 位準2)。此處讀出之信號係與信號SP1H不同之轉換效率(較信號SP1H低轉換效率)之信號SP1L。
於以上之時刻t5至時刻t15之期間，藉由CDS驅動於1H期間，以低轉換效率(SP1 LCG)與高轉換效率(SP1 HCG)之各者讀出第1光電轉換部SP1之第1FD部31及第2FD部32之蓄積電荷之讀出期間(SP1 HCG+LCG)結束。
接著，時刻t15以後，成為第1光電轉換部SP1之第1電容元件EC之蓄積電荷讀出期間(SP1EC 閱讀(Read))。
首先，於時刻t15至時刻t16之期間，讀出第1光電轉換部SP1之第1電容元件EC之信號位準(SP1 EC 信號 位準4)。此處讀出之信號相當於大像素之第1電容元件EC所蓄積之信號SP1EC。
接著，垂直驅動部12於時刻t16至時刻t19之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t17至時刻t18之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，並重設蓄積電荷。之後，於時刻t19至後續之時刻t20為止之期間，讀出使用第1電容元件EC之偏移位準(SP1 EC 重設 位準4)。
於以上之時刻t15至時刻t20之期間，讀出第1光電轉換部SP1之第1電容元件EC之信號位準之後，重設且讀出偏移位準之DDS驅動之讀出期間(SP1 EC)結束。
接著，垂直驅動部12於時刻t20中，將第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Hi位準且導通第2傳送電晶體FCG，開始第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2L)。
首先，於時刻t20至時刻t21之期間，讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準(SP2 信號 位準3)。此處讀出之信號相當於在小像素檢測到之信號SP2L。
接著，垂直驅動部12於時刻t21至時刻t24之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t22至時刻t23之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，並重設蓄積電荷。之後，於時刻t24至時刻t25之期間，讀出使用第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之偏移位準(SP2 重設 位準3)。
於時刻t25後之時刻t26中，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL。藉此，於讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準之後，重設、讀出偏移位準之DDS驅動之讀出期間(SP2L)結束。
時刻t5至時刻t20之期間係第1光電轉換部SP1之讀出期間(SP1 閱讀)，時刻t20至時刻t26之期間係第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2 閱讀)。
如以上，固態攝像裝置1藉由第1驅動控制，可於1H期間(1水平期間)輸出以下4個信號：於大像素中以高轉換效率(第1轉換效率)檢測到之信號SP1H、於大像素中以低轉換效率(第2轉換效率)檢測到之信號SP1L、與大像素之第1電容元件EC之蓄積電荷相應之信號SP1EC、及於小像素檢測到之信號SP2L。
固態攝像裝置1可藉由使用第1驅動控制於1H期間輸出4個不同之信號，但為實現更高速化，可進行於上述4個信號中輸出規定之3個信號之驅動。輸出之3個信號中之至少1個可由設為與大像素之第1電容元件EC之蓄積電荷相應之信號SP1EC之模式驅動。
具體而言，固態攝像裝置1係可進行圖11中記載為普通模式之輸出於大像素中以高轉換效率檢測到之信號SP1H、於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、及於小像素檢測到之信號SP2L以上3個信號之驅動，來作為第2驅動控制。
又，固態攝像裝置1係可進行圖11中記載為優先模式之輸出於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、與大像素之第1電容元件EC之蓄積電荷相應之信號SP1EC、及於小像素檢測到之信號SP2L以上3個信號之驅動，來作為第3驅動控制。
＜7.第2驅動控制例(普通模式)＞ 圖12係說明作為第2驅動控制之普通模式之驅動之時序圖。該普通模式係由不同之轉換效率讀出大像素之第1光電轉換部SP1之信號之低照度較強之模式。
首先，於時刻t41中，EC供給電壓ϕFHG及FC供給電壓ϕFCVDD設定為Hi位準(例如VDD)，且第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準。藉此，重設所有第1FD部31、第2FD部32、第1電容元件EC、及第2電容元件FC。規定時間後，EC供給電壓ϕFHG及FC供給電壓ϕFCVDD控制為Lo位準(例如GND)，第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST亦控制為Lo位準。自斷開重設電晶體RST之時刻t42開始單位像素21之曝光期間。
於經過規定之曝光期間後之時刻t43中，垂直驅動部12將EC供給電壓ϕFHG與重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通第2傳送電晶體FCG及重設電晶體RST，重設第1FD部31及第2FD部32。時刻t43以後，成為第1光電轉換部SP1之第1FD部31及第2FD部32之蓄積電荷讀出期間(SP1 HCG+LCG)。
於時刻t44中，供給至切換電晶體FDG之閘極之電容切換信號ϕFDG控制為Lo位準之後，於時刻t45中，重設驅動信號ϕRST控制為Lo位準，斷開重設電晶體RST，且FC供給電壓ϕFCVDD設定為Hi位準。
接著，垂直驅動部12於時刻t46至時刻t49之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，導通選擇電晶體SEL。垂直驅動部12於導通選擇電晶體SEL之期間中，於時刻t47至時刻t48之期間，將電容切換信號ϕFDG控制為Hi位準，導通切換電晶體FDG，讀出使用第1FD部31及第2FD部32之低轉換效率之重設位準(SP1 LCG 重設 位準2)。之後，垂直驅動部12於時刻t48至時刻t49之期間，將電容切換信號ϕFDG控制為Lo位準，斷開切換電晶體FDG，讀出僅使用第1FD部31之高轉換效率之重設位準(SP1 HCG 重設 位準1)。
接著，垂直驅動部12於時刻t49中，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t49至時刻t50之期間，將第1傳送驅動信號ϕTGL控制為Hi位準，導通第1傳送電晶體TGL，並將由第1光電轉換部SP1產生之電荷向第1FD部31傳送。
於時刻t51中，垂直驅動部12將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，再次導通選擇電晶體SEL。且，於至後續之時刻t52為止之期間，讀出僅使用第1FD部31之高轉換效率之信號位準(SP1 HCG 信號 位準1)。此處讀出之信號係超低雜訊且高轉換效率之信號SP1H。
於時刻t52中，垂直驅動部12將電容切換信號ϕFDG控制為Hi位準，導通切換電晶體FDG。
接著，垂直驅動部12於時刻t53至時刻t56之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t54至時刻t55之期間，將第1傳送驅動信號ϕTGL控制為Hi位準，導通第1傳送電晶體TGL，並將由第1光電轉換部SP1產生之電荷向第1FD部31及第2FD部32傳送。
之後，於時刻t56至時刻t57之期間，讀出使用第1FD部31及第2FD部32之低轉換效率之信號位準(SP1 LCG 信號 位準2)。此處讀出之信號係與信號SP1H不同之轉換效率(較信號SP1H低轉換效率)之信號SP1L。
於以上之時刻t43至時刻t57之期間，藉由CDS驅動於1H期間，以低轉換效率(SP1 LCG)與高轉換效率(SP1 HCG)之各者讀出第1光電轉換部SP1之第1FD部31及第2FD部32之蓄積電荷的讀出期間(SP1 HCG+LCG)結束。
接著，垂直驅動部12於時刻t58中將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，於時刻t59中將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL。之後，垂直驅動部12於時刻t60中將重設驅動信號ϕRST控制為Lo位準，斷開重設電晶體RST。
接著，垂直驅動部12於時刻t61中將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，導通選擇電晶體SEL。自時刻t61後之時刻t62，開始第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2L)。
垂直驅動部12於時刻t62中，將第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Hi位準，導通第2傳送電晶體FCG。且，於至後續之時刻t63為止之期間，讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準(SP2 信號 位準3)。此處所讀出之信號係於小像素檢測到之信號SP2L。
接著，垂直驅動部12於時刻t63至時刻t66之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t64至時刻t65之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，重設蓄積電荷。之後，於時刻t66至時刻t67之期間，讀出使用第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之偏移位準(SP2 重設 位準3)。
於時刻t67中，第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Lo位準，斷開第2傳送電晶體FCG。於時刻t67以後之時刻t68中，FC供給電壓ϕFCVDD控制為Lo位準，且選擇驅動信號ϕSEL及電容切換信號ϕFDG控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL及切換電晶體FDG。藉此，於讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準之後重設且讀出偏移位準之DDS驅動之讀出期間(SP2L)結束。
時刻t43至時刻t57之期間係第1光電轉換部SP1之讀出期間(SP1 閱讀)，時刻t61至時刻t69之期間係第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2 閱讀)。
如以上，固態攝像裝置1係可進行於1H期間(1水平期間)輸出於大像素中以高轉換效率(第1轉換效率)檢測到之信號SP1H、於大像素中以低轉換效率(第2轉換效率)檢測到之信號SP1L、及於小像素檢測到之信號SP2L以上3個信號之驅動，來作為普通模式(第2驅動控制)。
＜8.第3驅動控制例(優先模式)＞ 圖13係說明作為第3驅動控制之優先模式之驅動之時序圖。該優先模式係減輕SN比降低，重視高照度之模式。
首先，於時刻t81中，EC供給電壓ϕFHG及FC供給電壓ϕFCVDD設定為Hi位準(例如VDD)，且第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準。藉此，重設所有第1FD部31、第2FD部32、第1電容元件EC、及第2電容元件FC。規定時間後，EC供給電壓ϕFHG及FC供給電壓ϕFCVDD控制為Lo位準(例如GND)，第1傳送驅動信號ϕTGL、第2傳送驅動信號ϕFCG、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST亦控制為Lo位準。自斷開重設電晶體RST之時刻t82開始單位像素21之曝光期間。
於經過規定之曝光期間後之時刻t83中，垂直驅動部12將EC供給電壓ϕFHG控制為Hi位準。該時刻t83以後，成為第1光電轉換部SP1之低轉換效率之蓄積電荷讀出期間(SP1 LCG)。
首先，垂直驅動部12於時刻t84中，將供給至切換電晶體FDG之閘極之電容切換信號ϕFDG控制為Hi位準，於時刻t85中，將FC供給電壓ϕFCVDD控制為Hi位準。
接著，垂直驅動部12於時刻t86至時刻t87之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，導通選擇電晶體SEL。於該時刻t86至時刻t87之期間，讀出使用第1FD部31及第2FD部32之低轉換效率之重設位準(SP1 LCG 重設 位準2)。
又，垂直驅動部12於時刻t87至時刻t89之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t87至時刻t88之期間，將第1傳送驅動信號ϕTGL控制為Hi位準，導通第1傳送電晶體TGL，並將由第1光電轉換部SP1產生之電荷向第1FD部31及第2FD部32傳送。
接著，垂直驅動部12於時刻t89至時刻t91之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，導通選擇電晶體SEL。於時刻t89至時刻t90之期間，讀出蓄積於第1FD部31及第2FD部32之信號位準(SP1 LCG 信號 位準2)。此處讀出之信號係與信號SP1H不同之轉換效率(較信號SP1H低轉換效率)之信號SP1L。接著於時刻t90至時刻t91之期間，讀出第1光電轉換部SP1之第1電容元件EC之信號位準(SP1 EC 信號 位準4)。此處讀出之信號係蓄積於大像素之第1電容元件EC之信號SP1EC。
接著，垂直驅動部12於時刻t91至時刻t94之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t92至時刻t93之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，重設蓄積電荷。之後，於時刻t94至後續之時刻t95為止之期間，讀出使用第1電容元件EC之偏移位準(SP1 EC 重設 位準4)。藉此，於讀出第1光電轉換部SP1之第1電容元件EC之信號位準之後重設且讀出偏移位準之DDS驅動之讀出期間(SP1 EC)結束。
於時刻t95以後之時刻t96中，垂直驅動部12將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，於時刻t97中將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL。之後，垂直驅動部12於時刻t98中將重設驅動信號ϕRST控制為Lo位準，斷開重設電晶體RST。
接著，垂直驅動部12於時刻t99中將選擇驅動信號ϕSEL控制為Hi位準，導通選擇電晶體SEL。自時刻t99後之時刻t100，開始第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2L)。
垂直驅動部12於時刻t100中，將第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Hi位準，導通第2傳送電晶體FCG。之後，於至後續之時刻t101為止之期間，讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準(SP2 信號 位準3)。此處所讀出之信號係於小像素檢測到之信號SP2L。
接著，垂直驅動部12於時刻t101至時刻t104之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t102至時刻t103之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，並重設蓄積電荷。之後，於時刻t104至時刻t105之期間，讀出使用第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之偏移位準(SP2 重設 位準3)。
於時刻t105中，第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Lo位準，斷開第2傳送電晶體FCG。於時刻t105以後之時刻t106中，FC供給電壓ϕFCVDD控制為Lo位準，且選擇驅動信號ϕSEL及電容切換信號ϕFDG控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL及切換電晶體FDG。
於時刻t107中，將EC供給電壓ϕFHG控制為Lo位準。藉此，於讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準之後重設且讀出偏移位準之DDS驅動的讀出期間(SP2L)結束。
以上之時刻t83至時刻t95之期間係第1光電轉換部SP1之讀出期間(SP1 閱讀)，時刻t100至時刻t107之期間係第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2 閱讀)。
如以上，固態攝像裝置1係可進行輸出於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、與大像素之第1電容元件EC之蓄積電荷相應之信號SP1EC、及於小像素檢測到之信號SP2L以上3個信號之驅動，來作為優先模式(第3驅動控制)。
＜9.普通模式與優先模式之特性＞ 就普通模式與優先模式之特性進行說明。
圖14係顯示普通模式與優先模式各者之光電轉換特性之圖表。光電轉換特性圖表之橫軸表示固態攝像裝置1之受光面之照度(受光量)，縱軸表示SN比。
圖14左側之圖表顯示設置於固態攝像裝置1內之溫度感測器之感測器值為85℃之情形之普通模式之光電轉換特性圖表。圖14右側之圖表顯示設置於固態攝像裝置1內之溫度感測器之感測器值為105℃之情形之優先模式之光電轉換特性圖表。
於普通模式中，固態攝像裝置1取得於大像素中以高轉換效率檢測到之信號SP1H、於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、及於小像素檢測到之信號SP2L之3個信號。普通模式係以高轉換效率(第1轉換效率)與低轉換效率(第2轉換效率)之不同之轉換效率讀出大像素之信號SP1之模式。於普通模式中，藉由以超低雜訊取得高轉換效率之信號SP1H，實現106 dB之廣動態範圍。但，於普通模式中，SN比於信號SP1L與信號SP2L之切換之照度中降低。
對此，於優先模式中，取得於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、大像素之第1電容元件EC所蓄積之信號SP1EC、及於小像素檢測到之信號SP2L之3個信號。優先模式係讀出大像素之第1電容元件EC所蓄積之信號SP1EC之模式。於優先模式中，藉由利用大像素之第1電容元件EC，減輕信號SP1L與信號SP1EC之切換時、信號SP1EC與信號SP2L之切換時之SN比降低，並可將SN比提高至27 dB左右。
如此，普通模式係優先動態範圍擴大，低照度較強之模式，優先模式係優先SN比，低雜訊且重視高照度之模式。或，又因以於普通模式中作為高轉換效率之信號SP1H，於優先模式中作為低轉換效率之信號SP1L之方式切換低照度感度，故普通模式與優先模式亦可稱為以不同之感度輸出低照度感度之2個模式。
根據固態攝像裝置1，藉由根據需要切換普通模式與優先模式取得信號，可進行高速驅動。例如，可進行40 fps之驅動。
圖15顯示於複數個溫度條件下，計測普通模式與優先模式各者之光電轉換特性之結果。
圖15顯示固態攝像裝置1內之溫度感測器之感測器值為40℃、60℃、85℃、105℃、及125℃之情形之光電轉換特性。
於普通模式中，感測器溫度為40℃或60℃之低溫環境下，自信號SP1L向信號SP2L切換時之SN比之降低較大，可以廣動態範圍檢測，但依照感測器溫度變高，自信號SP1L向信號SP2L切換時之SN比之降低變大。
對此，於優先模式中，如虛線之圓形記號所示，即使於感測器溫度為85℃、105℃、125℃之高溫環境下，亦可抑制SN比之降低，並進行檢測。
固態攝像裝置1之系統控制部15可以例如於感測器溫度低於85℃之溫度條件下，進行普通模式之驅動，於感測器溫度為85℃以上之高溫條件下，進行優先模式之驅動之方式，與溫度連動切換驅動進行動作。
＜10.梳齒形狀之配線電容之效果＞ 如上所述，第1電容元件EC由多層配線層71內之配線電容構成，第2電容元件FC由MOS電容構成。就將構成第1電容元件EC之配線電容之金屬配線72形成為梳齒形狀之效果進行說明。
圖16顯示圖5之第1配線層M1至第4配線層M4所形成之第1電容元件EC之一部分，即形成為梳齒形狀之第3配線層M3之金屬配線EC M3與第4配線層M4之金屬配線EC M4之擴大圖。
如圖16左側之俯視圖所示，第3配線層M3之金屬配線EC M3形成為梳齒形狀，於金屬配線EC M3之兩側(上下)，將供給FC供給電壓ϕFCVDD之金屬配線72、與供給EC供給電壓ϕFHG之金屬配線72相鄰配置。
如圖16右側之俯視圖所示，第4配線層M4之金屬配線EC M4亦形成為梳齒形狀，於金屬配線EC M4之兩側(上下)，供給EC供給電壓ϕFHG之金屬配線72相鄰配置。
如此，於形成為梳齒形狀之金屬配線EC M3及EC M4之兩側，配置複數個電壓供給配線而非單一之電壓供給配線，與複數個電壓供給配線耦合，藉此可使讀出時之第1FD部31及第2FD部32之電壓升壓，擴大第1電容元件EC之飽和電荷量。
圖17顯示優先模式驅動時之大像素之電位圖。
如參照圖13之時序圖說明般，於優先模式中，(a)重設第1FD部31、第2FD部32、及第1電容元件EC之後，(b)開始曝光期間。之後，讀出(c)低照度感度之P相即低轉換效率之重設位準(SP1 LCG 重設 位準2)、與(d)低照度感度之D相即低轉換效率之信號位準(SP1 LCG 信號 位準2)。接著，讀出(e)中照度感度之D相即第1電容元件EC之信號位準(SP1 EC 信號 位準4)、與(f)中照度感度之P相即第1電容元件EC之偏移位準(SP1 EC 重設 位準4)。
如參照圖13之時序圖說明般，於讀出(c)至(f)之信號位準或偏移位準時，EC供給電壓ϕFHG與FC供給電壓ϕFCVDD控制為Hi位準。此時，藉由EC供給電壓ϕFHG與FC供給電壓ϕFCVDD之電壓供給配線、與梳齒形狀之金屬配線EC M3及EC M4之耦合，第1FD部31及第2FD部32之電壓上升。於圖17之電位圖中，(c)至(f)之讀出時之第1FD部31及第2FD部32之電位與(b)之曝光期間中相比變深。
於使用第1電容元件EC之驅動中，因除曝光期間中之電容以外，於讀出時加上第1光電轉換部SP1之電荷，故讀出時之電容值亦成為重要之要素。藉由將金屬配線EC M3及EC M4形成為梳齒形狀，與複數個電壓供給配線耦合，可進而擴大第1電容元件EC之飽和電荷量。
＜11.單位像素之第2電路構成例＞ 接著，就單位像素21之其他電路構成進行說明。
圖18係顯示單位像素21之第2電路構成例之圖。於圖18中，對與圖2所示之第1電路構成例共通之部分標註同一符號，適當省略該部分之說明。
圖18之單位像素21於第2光電轉換部SP2即光電二極體之陰極端子、與第2電容元件FC及第2傳送電晶體FCG之間，新追加第3傳送電晶體TGS之點，與圖2所示之第1電路構成例不同。此點與圖2所示之第1電路構成例同樣。
第3傳送電晶體TGS於藉由供給至閘機電極之第3傳送驅動信號ϕTGS導通時，讀出由第2光電轉換部SP2產生之電荷，傳送至第2電容元件FC。
＜像素電晶體之配置例＞ 圖19係顯示單位像素21之第2電路構成例之像素電晶體配置例之俯視圖。圖19對應於顯示圖3B所示之第1電路構成例之像素電晶體配置之俯視圖。於圖19中，亦對與圖3B所示之第1電路構成例對應之部分標註同一符號，適當省略該部分之說明。
於圖3B之第1電路構成例中，於第1主動區域81，形成有縱向排列之第1傳送電晶體TGL、切換電晶體FDG、及重設電晶體RST、第2傳送電晶體FCG。對此，於圖19之第2電路構成例中，於第1主動區域81，僅形成有第1傳送電晶體TGL、切換電晶體FDG、及重設電晶體RST。
於第1電路構成例中形成有第2傳送電晶體FCG之區域，配置有形成第3傳送電晶體TGS之第5主動區域85。於形成有第3傳送電晶體TGS之第5主動區域85之上側，配置有形成第2電容元件FC之一者之電極(圖4之N+型半導體區域57)之第3主動區域83。於與第3主動區域83側成相反側之第5主動區域85之下側，配置有形成第2傳送電晶體FCG之第6主動區域86。第3傳送電晶體TGS與形成於上側之第3主動區域83之第2電容元件FC之電極、及形成於下側之第6主動區域86之第3傳送電晶體TGS連接。
第2主動區域82及第4主動區域84形成為與第1電路構成例同樣。
＜12.第2電路構成例之驅動控制例＞ 接著，參照圖20之時序圖，說明單位像素21之第2電路構成例之驅動控制。將該驅動控制稱為第4驅動控制。第4驅動控制係單一曝光且輸出5個不同之信號之驅動。
第2電路構成例與第1電路構成例比較，因有無小像素(第2光電轉換部SP2)之讀出相關之第3傳送電晶體TGS不同，故大像素之讀出(SP1 閱讀)與第1電路構成例之第1驅動控制同樣。具體而言，時刻t121至時刻t140之前之驅動與圖11之第1驅動控制之時刻t1至時刻t20之前之驅動相同。因此，省略時刻t121至時刻t140之前之驅動之說明。圖11之第1驅動控制中，於大像素之讀出(SP1 閱讀)結束之時刻t20中，第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Hi位準，導通第2傳送電晶體FCG，但於圖20之第4驅動控制中，於時刻t140中，第2傳送驅動信號ϕFCG仍維持為Lo位準不變。
垂直驅動部12於時刻t141至時刻t142之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，重設蓄積電荷。之後，於時刻t143中，垂直驅動部12將第2傳送驅動信號ϕFCG控制為Hi位準，導通第2傳送電晶體FCG。之後，於時刻t143至時刻t144之期間，讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之偏移位準(SP2 重設 位準3)。
接著，垂直驅動部12於時刻t144至時刻t147之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t145至時刻t146之期間，將第3傳送驅動信號ϕTGS控制為Hi位準，導通第3傳送電晶體TGS，並將第2光電轉換部SP2之蓄積電荷傳送至第2電容元件FC。
於後續之時刻t147至時刻t148為止之期間，讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準(SP2 信號 位準3)。此處讀出之信號係與小像素之僅第2光電轉換部SP2之蓄積電荷相應之信號SP2H。藉此，於讀出僅與第2光電轉換部SP2之蓄積電荷相應之信號位準之後，重設且讀出偏移位準之DDS驅動的讀出期間(SP2H)結束。
於後續之時刻t148至時刻t149為止之期間，垂直驅動部12讀出第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之信號位準(SP2 信號 位準3)。此處讀出之信號相當於與小像素之第2電容元件FC所包含之蓄積電荷相應之信號SP2L。
接著，垂直驅動部12於時刻t149至時刻t152之期間，將選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL，且於時刻t150至時刻t151之期間，將重設驅動信號ϕRST控制為Hi位準，導通重設電晶體RST，重設蓄積電荷。之後，於時刻t152至時刻t153之期間，讀出使用第2光電轉換部SP2之第2電容元件FC之偏移位準(SP2 重設 位準3)。藉此，於讀出與小像素之第2電容元件FC所包含之蓄積電荷相應之信號位準之後重設且讀出偏移位準之DDS驅動的讀出期間(SP2L)結束。
於時刻t152以後之時刻t153中，選擇驅動信號ϕSEL控制為Lo位準，斷開選擇電晶體SEL。
時刻t125至時刻t140之期間係第1光電轉換部SP1之讀出期間(SP1 閱讀)，時刻t140至時刻t153之期間係第2光電轉換部SP2之讀出期間(SP2 閱讀)。
如以上，固態攝像裝置1藉由第4驅動控制，可於1H期間(1水平期間)輸出以下5個信號：於大像素中以高轉換效率(第1轉換效率)檢測到之信號SP1H、於大像素中以低轉換效率(第2轉換效率)檢測到之信號SP1L、與大像素之第1電容元件EC之蓄積電荷相應之信號SP1EC、與小像素之僅第2光電轉換部SP2之蓄積電荷相應之信號SP2H、及與小像素之第2電容元件FC所包含之蓄積電荷相應之信號SP2L。
固態攝像裝置1根據第4驅動控制，可於1H期間輸出5個不同之信號，但為進而實現高速化，可進行輸出上述5個信號中規定之4個信號之驅動。
具體而言，固態攝像裝置1可進行圖20中記載為普通模式之輸出於大像素中以高轉換效率檢測到之信號SP1H、於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、僅與小像素之第2光電轉換部SP2之蓄積電荷相應之信號SP2H、及與小像素之第2電容元件FC所包含之蓄積電荷相應之信號SP2L以上4個信號之驅動，來作為第5驅動控制。
又，固態攝像裝置1可進行圖20中記載為優先模式之輸出於大像素中以低轉換效率檢測到之信號SP1L、與大像素之第1電容元件EC之蓄積電荷相應之信號SP1EC、僅與小像素之第2光電轉換部SP2之蓄積電荷相應之信號SP2H、及與小像素之第2電容元件FC所包含之蓄積電荷相應之信號SP2L以上4個信號之驅動，來作為第6驅動控制。省略普通模式與優先模式之個別之時序圖之圖示。
＜13.單位像素之第3電路構成例＞ 圖21係顯示單位像素21之第3電路構成例之圖。於圖21中，對與圖2所示之第1電路構成例共通之部分標註同一符號，適當省略該部分之說明。
圖21之單位像素21係於第1光電轉換部SP1之陰極端子、與第1電容元件EC之第2FD部32側之電極之間，新追加排出電晶體OFG，此點與圖2所示之第1電路構成例不同。其他點則與圖2所示之第1電路構成例同樣。
排出電晶體OFG係於藉由供給至閘極電極之排出信號ϕOFG導通時，將自第1光電轉換部SP1溢出之電荷傳送至第1電容元件EC。設置排出電晶體OFG，且不經由第1FD部31及第2FD部32，而由排出電晶體OFG傳送電荷，藉此可控制溢出之電荷量。
＜像素電晶體之配置例＞ 圖22係顯示單位像素21之第3電路構成例之像素電晶體配置例之俯視圖。圖22對應於顯示圖3B所示之第1電路構成例之像素電晶體配置之俯視圖。於圖22中，亦對與圖3B所示之第1電路構成例對應之部分標註同一符號，適當省略該部分之說明。
於圖22之第3電路構成例中，於圖3B之第1電路構成例之形成有第2傳送電晶體FCG之第1主動區域81、與形成有第2電容元件FC之一者之電極(圖4之N+型半導體區域57)之第3主動區域83之間，形成有形成排出電晶體OFG之第7主動區域87。第2傳送電晶體FCG於圖3B之第1電路構成例中，與下側之第2電容元件FC之電極連接，但於圖22之第3電路構成例中，與上側之第2電容元件FC之電極連接。
第1主動區域81、第2主動區域82、及第4主動區域84係形成為與第1電路構成例同樣。
＜14.單位像素之第4電路構成例＞ 圖23係顯示單位像素21之第4電路構成例之圖。於圖23中，對與圖2所示之第1電路構成例共通之部分標註同一符號，適當省略該部分之說明。
圖23之單位像素21之第4電路構成例，省略圖2之第1電路構成例中配置於第1FD部31與第2FD部32之間之切換電晶體FDG，此點與圖2之第1電路構成例不同。其他點則與圖2所示之第1電路構成例同樣。
如圖23所示，單位像素21亦可設為省略切換電晶體FDG之構成。於該情形時，第1FD部31與第2FD部32係藉由半導體基板內之擴散層(高濃度半導體區域)而形成，構成一個FD部33。FD部33保持自第1光電轉換部SP1或第2光電轉換部SP2讀出之電荷。
由半導體基板內之擴散層形成之擴散層電容即FD部33之電容設為小於由擴散層以外形成之第1電容元件EC之電容。以FD部33、第1電容元件EC、及第2電容元件FC之電容之大小關係成為第1電容元件EC大於FD部33，第2電容元件FC大於第1電容元件EC，即FD部33＜第1電容元件EC＜第2電容元件FC之關係之方式形成各電容。第1電容元件EC與第2電容元件FC之每單位面積之電容具有第2電容元件FC大於第1電容元件EC，即第1電容元件EC＜第2電容元件FC之關係，此點與第1電路構成例同樣。
＜15.垂直驅動部之構成例＞ 接著，就進行單位像素21之驅動之垂直驅動部12之構成進行說明。
圖24顯示垂直驅動部12之構成之一部分。
垂直驅動部12於例如單位像素21之像素列單位，具有FCG驅動器電路131、SEL驅動器電路132、TGL驅動器電路133、RST驅動器電路134、及FDG驅動器電路135。FCG驅動器電路131係輸出控制第2傳送電晶體FCG之第2傳送驅動信號ϕFCG之電路。SEL驅動器電路132係輸出控制選擇電晶體SEL之選擇驅動信號ϕSEL之電路。TGL驅動器電路133係輸出控制第1傳送電晶體TGL之第1傳送驅動信號ϕTGL之電路。RST驅動器電路134係輸出控制重設電晶體RST之重設驅動信號ϕRST之電路。FDG驅動器電路135係輸出控制切換電晶體FDG之電容切換信號ϕFDG之電路。
垂直驅動部12將FCG驅動器電路131產生之第2傳送驅動信號ϕFCG經由驅動配線151，供給至同一像素列之單位像素21之第2傳送電晶體FCG之閘極電極。又，垂直驅動部12將SEL驅動器電路132產生之選擇驅動信號ϕSEL經由驅動配線152，供給至同一像素列之單位像素21之選擇電晶體SEL之閘極電極。省略將第1傳送驅動信號ϕTGL、電容切換信號ϕFDG、及重設驅動信號ϕRST供給至單位像素21之驅動配線。
電荷泵電路141產生第2傳送驅動信號ϕFCG及選擇驅動信號ϕSEL之斷開(OFF)電壓，經由同一供給配線136供給至FCG驅動器電路131與SEL驅動器電路132。
電荷泵電路142產生第1傳送驅動信號ϕTGL之斷開電壓，經由供給配線137供給至TGL驅動器電路133。
電荷泵電路143產生重設驅動信號ϕRST之斷開電壓，經由供給配線138供給至RST驅動器電路134。
電荷泵電路144產生電容切換信號ϕFDG之斷開電壓，經由供給配線139供給至FDG驅動器電路135。
第1傳送驅動信號ϕTGL、重設驅動信號ϕRST、及電容切換信號ϕFDG之斷開電壓自1對1設置之電荷泵電路142至144供給，但第2傳送驅動信號ϕFCG與選擇驅動信號ϕSEL之斷開電壓自1個電荷泵電路141供給。第2傳送驅動信號ϕFCG與選擇驅動信號ϕSEL之斷開電壓設為負偏壓值。
於具有第1電容元件EC及第2電容元件FC之2個電容之單位像素21中，欲強化斷開電壓之像素電晶體為選擇電晶體SEL及第2傳送電晶體FCG。選擇電晶體SEL於第1電容元件EC之電容較大之情形時，亦不受第1電容元件EC之蓄積電荷影響，為了與其他像素列確實地區分像素列之選擇及非選擇，而需強化。第2傳送電晶體FCG為了增大第2光電轉換部SP2之蓄積電荷，而需強化。因此，於單位像素21中，選擇電晶體SEL及第2傳送電晶體FCG之斷開電壓控制為較其他像素電晶體即第1傳送電晶體TGL、重設電晶體RST、及切換電晶體FDG之斷開電壓低之電壓(選擇電晶體SEL及第2傳送電晶體FCG之斷開電壓＜其他像素電晶體之斷開電壓)。
因此，於固態攝像裝置1中，將產生欲強化斷開電壓之選擇電晶體SEL及第2傳送電晶體FCG之斷開電壓之電荷泵電路共通化。固態攝像裝置1由1個電荷泵電路141產生決定第2傳送驅動信號ϕFCG與選擇驅動信號ϕSEL之斷開電壓之負偏壓，經由共通之供給配線136供給至FCG驅動器電路131與SEL驅動器電路132。藉此，可削減1個電荷泵電路，且削減電路面積，並縮小晶片尺寸。
例如，藉由將選擇電晶體SEL之斷開電壓之負偏壓與第2傳送電晶體FCG之斷開電壓共通化，而與將其與第1傳送電晶體TGL之斷開電壓共通化之情形比較，可將第1電容元件EC之飽和電荷量增大50 mV(約1430 e)左右。
＜16.影像感測器之使用例＞ 圖25係顯示使用上述固態攝像裝置1後之影像感測器之使用例之圖。
上述固態攝像裝置1作為影像感測器，例如以下般，可使用於感測可見光、或紅外光、紫外光、X射線等光之各種實例。
・數位相機、或附相機功能之行動機器等之拍攝供鑒賞用之圖像之裝置 ・為自動停止等之安全駕駛、或駕駛者之狀態之辨識等，而拍攝汽車之前方或後方、周圍、車內等之車載用感測器、監視行駛車輛或道路之監視相機、進行車輛間等之測距之測距感測器等之供交通用之裝置 ・為拍攝使用者之姿勢，進行依照該姿勢之機器操作，而供TV、或冰箱、冷氣空調機等之家電之裝置 ・內視鏡、或藉由紅外光之受光進行血管攝影之裝置等之供醫療或健康照護用之裝置 ・防範用途之監視相機、或個人認證用途之相機等之供安全用之裝置 ・拍攝肌膚之肌膚測定器、或拍攝頭皮之顯微鏡等之供美容用之裝置 ・面向運動用途等之運動相機或穿戴式相機等之供運動用之裝置 ・用於監視田地或農作物之狀態之相機等之供農業用之裝置
＜17.對電子機器之應用例＞ 本揭示之技術並非限定於對固態攝像裝置之應用者。即，本揭示之技術可對數位相機或攝錄影機等之攝像裝置、或具有攝像功能之行動終端裝置、或於圖像讀取部使用固態攝像裝置之影印機等，於圖像取入部(光電轉換部)使用固態攝像裝置之電子機器整體應用。固態攝像裝置可為作為單晶片形成之形態，亦可為統一組裝攝像部與信號處理部或光學系統之具有攝像功能之模組形態。
圖26係顯示作為應用本揭示之技術之電子機器之攝像裝置之構成例之方塊圖。
圖26之攝像裝置300具備：光學部301，其包含透鏡群等；固態攝像裝置(攝像設備)302，其採用圖1之固態攝像裝置1之構成；及相機信號處理電路即DSP(Digital Signal Processor：數位信號處理器)電路303。又，攝像裝置300亦具備訊框記憶體304、顯示部305、記錄部306、操作部307、及電源部308。DSP電路303、訊框記憶體304、顯示部305、記錄部306、操作部307及電源部308經由匯流排線309相互連接。
光學部301取入來自被攝體之入射光(像光)且成像於固態攝像裝置302之攝像面上。固態攝像裝置302以像素單位將藉由光學部301成像於攝像面上之入射光之光量轉換為電性信號並作為像素信號輸出。作為該固態攝像裝置302，使用圖1之固態攝像裝置1，即具備單位像素21之固態攝像裝置，且該單位像素21具有感度不同之第1光電轉換部SP1及第2光電轉換部SP2、及蓄積由該等產生之電荷之2個電容元件，具體而言，蓄積由第1光電轉換部SP1產生之電荷之第1電容元件EC、與蓄積由第2光電轉換部SP2產生之電荷之第2電容元件FC。
顯示部305由例如LCD(Liquid Crystal Display：液晶顯示器)或有機EL(Electro Luminescence：電致發光)顯示器等之薄型顯示器構成，顯示由固態攝像裝置302拍攝之動態圖像或靜止圖像。記錄部306將由固態攝像裝置302拍攝之動態圖像或靜止圖像記錄於硬碟或半導體記憶體等之記錄媒體。
操作部307於使用者之操作之下，對攝像裝置300具有之各種功能發出操作指令。電源部308對該等供給對象適當供給成為DSP電路303、訊框記憶體304、顯示部305、記錄部306及操作部307之動作電源之各種電源。
如上所述，作為固態攝像裝置302，使用將具備感度不同之2個光電轉換部、與2個電容元件之單位像素21以矩陣狀2維排列之固態攝像裝置1，藉此可削減雜訊，且擴大動態範圍。因此，即使於攝錄影機或數位靜態相機、甚至行動電話等之面向移動機器之相機模組等之攝像裝置300中，亦可高速取得高畫質之攝像圖像。
就將本揭示之技術向輸出圖像信號之固態攝像裝置應用之例進行說明，但本揭示之技術不僅應用於固態攝像裝置，亦可應用於具備接收入射光進行光電轉換之像素之光檢測裝置整體。例如，亦可應用於接收作為主動光照射之紅外光，藉由直接(direct)ToF(Time of Flight：飛行時間)方式或間接(indirect)ToF方式測定至被攝體之距離之測距系統之受光裝置(測距感測器)。又，本揭示之技術不限定於對檢測可見光之入射光量之分佈作為圖像拍攝之固態攝像裝置之應用，亦可對拍攝紅外線或X射線、或粒子等之入射量之分佈作為圖像之固態攝像裝置、或廣義上，檢測壓力或靜電電容等其他物理量之分佈且作為圖像拍攝之指紋檢測感測器等之固態攝像裝置(物理量分佈檢測裝置)整體應用。
＜18.對移動體之應用例＞ 本揭示之技術(本技術)可應用於各種製品。例如，本揭示之技術亦可作為搭載於汽車、電動汽車、混合動力電動汽車、機車、自行車、個人移動載具、飛機、無人機、船舶、及機器人等任一種移動體之裝置而實現。
圖27係顯示可應用本揭示之技術之移動體控制系統之一例即車輛控制系統之概略構成例之方塊圖。
車輛控制系統12000具備經由通信網路12001連接之複數個電子控制單元。於圖27所示之例中，車輛控制系統12000具備驅動系統控制單元12010、車體系統控制單元12020、車外資訊檢測單元12030、車內資訊檢測單元12040、及整合控制單元12050。又，作為整合控制單元12050之功能構成，圖示出微電腦12051、聲音圖像輸出部12052、及車載網路I/F(interface：介面)12053。
驅動系統控制單元12010依照各種程式，控制與車輛之驅動系統關聯之裝置之動作。例如，驅動系統控制單元12010作為內燃機或驅動用馬達等用於產生車輛之驅動力之驅動力產生裝置、用於將驅動力傳遞至車輪之驅動力傳遞機構、調節車輛之舵角之轉向機構、及產生車輛之制動力之制動裝置等控制裝置發揮功能。
車體系統控制單元12020依照各種程式，控制車體所裝備之各種裝置之動作。例如，車體系統控制單元12020作為免鑰匙門禁系統、智慧鑰匙系統、電動車窗裝置、或頭燈、尾燈、煞車燈、方向燈或霧燈等各種燈具之控制裝置發揮功能。該情形時，可對車體系統控制單元12020輸入自替代鑰匙之行動機器發送之電波或各種開關之信號。車體系統控制單元12020受理該等電波或信號之輸入，控制車輛之門鎖裝置、電動車窗裝置、燈具等。
車外資訊檢測單元12030檢測搭載有車輛控制系統12000之車輛之外部之資訊。例如，於車外資訊檢測單元12030連接攝像部12031。車外資訊檢測單元12030使攝像部12031拍攝車外之圖像，並接收拍攝到之圖像。車外資訊檢測單元12030亦可基於接收到之圖像，進行人、車、障礙物、標識或路面上之文字等之物體檢測處理或距離檢測處理。
攝像部12031係接收光且輸出與該光之受光量相應之電性信號之光感測器。攝像部12031可將電性信號作為圖像輸出，亦可作為測距之資訊輸出。又，攝像部12031接收之光可為可見光，亦可為紅外線等不可見光。
車內資訊檢測單元12040檢測車內之資訊。於車內資訊檢測單元12040，連接例如檢測駕駛者之狀態之駕駛者狀態檢測部12041。駕駛者狀態檢測部12041包含例如拍攝駕駛者之相機，車內資訊檢測單元12040可基於自駕駛者狀態檢測部12041輸入之檢測資訊，算出駕駛者之疲勞度或集中度，亦可判別駕駛者是否打瞌睡。
微電腦12051可基於由車外資訊檢測單元12030或車內資訊檢測單元12040取得之車內外之資訊，運算驅動力產生裝置、轉向機構或制動裝置之控制目標值，對驅動系統控制單元12010輸出控制指令。例如，微電腦12051可進行以實現包含迴避車輛碰撞或緩和衝擊、基於車間距離之追隨行駛、維持車速行駛、車輛之碰撞警告或車輛之偏離車道警告等之ADAS(Advanced Driver Assistance System：先進駕駛輔助系統)之功能為目的之協調控制。
又，微電腦12051可藉由基於由車外資訊檢測單元12030或車內資訊檢測單元12040所取得之車輛之周圍之資訊，控制驅動力產生裝置、轉向機構或制動裝置等，而進行以不受限於駕駛者之操作而自律地行駛之自動駕駛等為目的之協調控制。
又，微電腦12051可基於由車外資訊檢測單元12030取得之車外之資訊，對車體系統控制單元12020輸出控制指令。例如，微電腦12051可根據由車外資訊檢測單元12030檢測到之前方車或對向車之位置而控制前照燈，進行將遠光切換為近光等以謀求防眩為目的之協調控制。
聲音圖像輸出部12052向可對車輛之搭乘者或車外視覺性或聽覺性地通知資訊之輸出裝置，發送聲音及圖像中之至少一者之輸出信號。於圖27之例中，作為輸出裝置，例示擴音器12061、顯示部12062及儀錶板12063。顯示部12062亦可包含例如車載顯示器及抬頭顯示器中之至少一者。
圖28係顯示攝像部12031之設置位置之例之圖。
圖28中，車輛12100具有攝像部12101、12102、12103、12104、12105作為攝像部12031。
攝像部12101、12102、12103、12104、12105設置於例如車輛12100之前保險桿、側鏡、後保險桿、後門及車廂內之擋風玻璃之上部等位置。保險桿所裝備之攝像部12101及車廂內之擋風玻璃之上部所裝備之攝像部12105主要取得車輛12100之前方之圖像。側鏡所裝備之攝像部12102、12103主要取得車輛12100之側方之圖像。後保險桿或後門所裝備之攝像部12104主要取得車輛12100之後方之圖像。由攝像部12101及12105取得之前方之圖像主要用於檢測前方車輛或行人、障礙物、號誌機、交通標識或車道線等。
另，圖28中顯示攝像部12101至12104之攝像範圍之一例。攝像範圍12111表示設置於前保險桿之攝像部12101之攝像範圍，攝像範圍12112、12113表示分別設置於側鏡之攝像部12102、12103之攝像範圍，攝像範圍12114表示設置於後保險桿或後門之攝像部12104之攝像範圍。例如，藉由將由攝像部12101至12104拍攝到之圖像資料重合，可獲得自上方觀察車輛12100之俯瞰圖像。
攝像部12101至12104中之至少1者亦可具有取得距離資訊之功能。例如，攝像部12101至12104中之至少1者可為由複數個攝像元件構成之攝錄影機，亦可為具有相位差檢測用之像素之攝像元件。
例如，微電腦12051基於自攝像部12101至12104取得之距離資訊，求得與攝像範圍12111至12114內之各立體物相隔之距離、及該距離之時間變化(相對於車輛12100之相對速度)，藉此可尤其將位於車輛12100之行進路上最近之立體物、且與車輛12100大致相同之方向以特定速度(例如，0 km/h以上)行駛之立體物擷取作為前方車。進而，微電腦12051可設定前方車於近前應確保之車間距離，進行自動煞車控制(亦包含停止追隨控制)或自動加速控制(亦包含追隨起步控制)等。如此可進行以不受限於駕駛者之操作而自律地行駛之自動駕駛等為目的之協調控制。
例如，微電腦12051可基於自攝像部12101至12104取得之距離資訊，將與立體物相關之立體物資料分類為機車、普通車輛、大型車輛、行人、電線桿等其他立體物而擷取，使用於自動迴避障礙物。例如，微電腦12051可將車輛12100周邊之障礙物識別為車輛12100之駕駛者可視認之障礙物與難視認之障礙物。且，微電腦12051判斷表示與各障礙物碰撞之危險度之碰撞風險，當碰撞風險為設定值以上而有碰撞可能性之狀況時，經由擴音器12061或顯示部12062向駕駛者輸出警報，或經由驅動系統控制單元12010進行強制減速或迴避轉向，藉此可進行用於避免碰撞之駕駛支援。
攝像部12101至12104中之至少1者亦可為檢測紅外線之紅外線相機。例如，微電腦12051可藉由判定攝像部12101至12104之攝像圖像中是否存在行人而辨識行人。該行人之辨識係藉由例如擷取作為紅外線相機之攝像部12101至12104之攝像圖像中之特徵點之步驟、及對表示物體輪廓之一連串特徵點進行圖案匹配處理判別是否為行人之步驟而進行。若微電腦12051判定攝像部12101至12104之攝像圖像中存在行人，且辨識出行人，則聲音圖像輸出部12052以對該辨識出之行人重合顯示用於強調之方形輪廓線之方式控制顯示部12062。又，聲音圖像輸出部12052亦可以將表示行人之圖標等顯示於所期望之位置之方式控制顯示部12062。
以上，已就可應用本揭示之技術之車輛控制系統之一例進行說明。本揭示之技術可應用於以上說明之構成中之攝像部12031。具體而言，作為攝像部12031，可應用上述之固態攝像裝置1。藉由於攝像部12031應用本揭示之技術，而可小型化，且獲得更容易觀察之攝像圖像，並可取得距離資訊。又，使用獲得之攝像圖像或距離資訊，可減輕駕駛者之疲勞，或提高駕駛者或車輛之安全度。
於上述之例中，已就將第1導電型設為P型，將第2導電型設為N型，並將電子設為信號電荷之固態攝像裝置進行說明，但本揭示亦可應用於將電洞設為信號電荷之固態攝像裝置。即，可將第1導電型設為N型，將第2導電型設為P型，由逆導電型之半導體區域構成上述各半導體區域。
本揭示之實施形態並非限定於上述實施形態者，可於不脫離本揭示之技術之主旨之範圍內進行各種變更。
本說明書所記載之效果僅為例示並非限定者，亦可有本說明書所記載者以外之效果。
另，本揭示之技術可取得以下之構成。 (1) 一種固態攝像裝置，其具備單位像素， 該單位像素係具有： 第1感度之第1光電轉換部； 較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部； 第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及 第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。 (2) 如上述(1)之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 電容之大小關係具有以下之關係： 上述第1電容元件之上述擴散層電容＜上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容＜上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容＜上述第2電容元件之電容。 (3) 如上述(1)或(2)之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 每單位面積之電容具有以下之關係： 上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容＜上述第2電容元件之電容。 (4) 如上述(1)至(3)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容、與上述第2電容元件係配置於不同之層。 (5) 如上述(1)至(4)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容，係由形成於複數個配線層之配線電容構成。 (6) 如上述(5)之固態攝像裝置，其中 上述配線電容具有梳齒形狀之金屬配線。 (7) 如上述(5)或(6)之固態攝像裝置，其中 上述複數個配線層於形成有上述配線電容之配線層之進而上側，具有作為屏蔽層之配線層。 (8) 如上述(1)至(7)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述第2電容元件由MOS電容構成。 (9) 如上述(4)至(8)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含MOS電容，上述第2電容元件由MIM電容構成。 (10) 如上述(4)至(9)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含MIM電容，上述第2電容元件由MIM電容構成。 (11) 如上述(1)至(10)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述單位像素進而具有切換轉換效率之切換電晶體。 (12) 如上述(1)至(11)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述單位像素進而具有於上述第2光電轉換部與上述第2電容元件之間，將由上述第2光電轉換部產生之電荷傳送至上述第2電容元件之傳送電晶體。 (13) 如上述(1)至(12)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述單位像素進而具有將自上述第1光電轉換部溢出之電荷傳送至上述第1電容元件之排出電晶體。 (14) 如上述(1)至(13)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述單位像素具備單一曝光且輸出3個以上不同之信號之模式。 (15) 如上述(14)之固態攝像裝置，其中 上述3個以上之不同之信號中之至少1個，係與上述第1電容元件之蓄積電荷相應之信號。 (16) 如上述(14)或(15)之固態攝像裝置，其具備 以不同之轉換效率讀出上述第1光電轉換部之信號之模式、與輸出與上述第1電容元件之蓄積電荷相應之信號之模式，來作為上述模式。 (17) 如上述(14)至(16)中任一項之固態攝像裝置，其具備 以不同之感度輸出低照度感度之第1模式與第2模式，來作為上述模式。 (18) 如上述(14)至(17)中任一項之固態攝像裝置，其進而具備 控制部，其與溫度連動切換單一曝光且輸出3個以上之不同之信號之2個模式。 (19) 如上述(14)至(17)中任一項之固態攝像裝置，其具備 輸出以第1轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、以第2轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、與上述第1電容元件之蓄積電荷相應之信號、及於上述第2光電轉換部檢測到之信號的模式，來作為上述模式。 (20) 如上述(1)至(17)中任一項之固態攝像裝置，其具備 輸出以第1轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、以第2轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、僅與上述第2光電轉換部之蓄積電荷相應之信號、及與包含上述第2電容元件之蓄積電荷相應之信號的模式，來作為上述模式。 (21) 如上述(1)至(17)中任一項之固態攝像裝置，其中 上述單位像素具有： 選擇電晶體，其選擇上述單位像素；及 傳送電晶體，其傳送由上述第2光電轉換部產生之電荷；且具備： 第1驅動器電路，其輸出控制上述選擇電晶體之選擇驅動信號；及 第2驅動器電路，其輸出控制上述傳送電晶體之傳送驅動信號；且 構成為將上述選擇驅動信號及上述傳送驅動信號之斷開電壓，藉由共通之供給配線，供給至上述第1驅動器電路與上述第2驅動器電路。 (22) 如上述(21)之固態攝像裝置，其中 上述選擇驅動信號及上述傳送驅動信號之斷開電壓為負偏壓值； 上述選擇驅動信號及上述傳送驅動信號之斷開電壓之負偏壓值，為較控制上述單位像素內之其他像素電晶體之驅動信號之斷開電壓低之電壓。 (23) 一種電子機器，其具備固態攝像裝置， 該固態攝像裝置具備單位像素， 該單位像素係具有： 第1感度之第1光電轉換部； 較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部； 第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及 第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。
1:固態攝像裝置 11:像素陣列部 12:垂直驅動部 13:行處理部 14:水平驅動部 15:系統控制部 16:信號處理部 17:資料儲存部 18:輸出部 21:單位像素 22:像素驅動配線 23:垂直信號線 31:第1FD部 32:第2FD部 33:FD部 51:半導體基板 52:像素分離部 53:N型半導體區域 54:N+型半導體區域 55:P++型半導體區域 56:P++型半導體區域 57:N+型半導體區域 58:元件分離區域 59:絕緣膜 60:彩色濾光片 61:單片透鏡 62:N+型半導體區域 63:N-型半導體區域 71:多層配線層 72:金屬配線 73:層間絕緣膜 74:多晶矽電極 81:第1主動區域 82:第2主動區域 83:第3主動區域 84:第4主動區域 85:第5主動區域 86:第6主動區域 87:第7主動區域 131:FCG驅動器電路 132:SEL驅動器電路 133:TGL驅動器電路 134:RST驅動器電路 135:FDG驅動器電路 136:供給配線 137:供給配線 138:供給配線 139:供給配線 141:電荷泵電路 142:電荷泵電路 143:電荷泵電路 144:電荷泵電路 151:驅動配線 152:驅動配線 300:攝像裝置 301:光學部 302:固態攝像裝置 303:DSP電路 304:訊框記憶體 305:顯示部 306:記錄部 307:操作部 308:電源部 309:匯流排線 12000:車輛控制系統 12001:通信網路 12010:驅動系統控制單元 12020:車體系統控制單元 12030:車外資訊檢測單元 12031:攝像部 12040:車內資訊檢測單元 12041:駕駛者狀態檢測部 12050:整合控制單元 12051:微電腦 12052:聲音圖像輸出部 12053:車載網路I/F 12061:擴音器 12062:顯示部 12063:儀錶板 12100:車輛 12101:攝像部 12102:攝像部 12103:攝像部 12104:攝像部 12105:攝像部 12111:攝像範圍 12112:攝像範圍 12113:攝像範圍 12114:攝像範圍 AMP:放大電晶體 EC:第1電容元件 EC M1:金屬配線 EC M2:金屬配線 EC M3:金屬配線 EC M4:金屬配線 FC:第2電容元件 FCG:第2傳送電晶體 FDG:切換電晶體 GND:接地電壓 M1:第1配線層 M2:第2配線層 M3:第3配線層 M4:第4配線層 M5:第5配線層 OFG:排出電晶體 RST:重設電晶體 SEL:選擇電晶體 SP1:第1光電轉換部 SP1EC:信號 SP1H:信號 SP1L:信號 SP2:第2光電轉換部 SP2H:信號 SP2L:信號 TGL:第1傳送電晶體 TGS:第3傳送電晶體 t1～t26:時刻 t41～t69:時刻 t81～t107:時刻 t121～t153:時刻 VDD:電源電壓 X-X’:線 Y-Y’:線 ϕFCG:第2傳送驅動信號 ϕFCVDD:電壓 ϕFDG:電容切換信號 ϕFHG:電壓 ϕOFG:排出信號 ϕRST:重設驅動信號 ϕSEL:選擇驅動信號 ϕTGL:第1傳送驅動信號 ϕTGS:第3傳送驅動信號
圖1係顯示應用本揭示之技術之固態攝像裝置之概略構成之圖。 圖2係顯示單位像素之第1電路構成例之圖。 圖3A、B係顯示光電轉換部與像素電晶體之配置例之俯視圖。 圖4係單位像素之剖視圖。 圖5係顯示圖6至圖10之配線圖案下之像素電晶體配置之俯視圖。 圖6係顯示第1配線層之金屬配線之配線圖案例之俯視圖。 圖7係顯示第2配線層之金屬配線之配線圖案例之俯視圖。 圖8係顯示第3配線層之金屬配線之配線圖案例之俯視圖。 圖9係顯示第4配線層之金屬配線之配線圖案例之俯視圖。 圖10係顯示第5配線層之金屬配線之配線圖案例之俯視圖。 圖11係說明單位像素之第1驅動控制之時序圖。 圖12係說明單位像素之第2驅動控制之時序圖。 圖13係說明單位像素之第3驅動控制之時序圖。 圖14係說明普通模式與優先模式之特性之圖。 圖15係顯示於複數個溫度條件下計測普通模式與優先模式之特性之結果之圖。 圖16係說明梳齒形狀之配線電容之效果之圖。 圖17(a)～(f)係說明梳齒形狀之配線電容之效果之圖。 圖18係顯示單位像素之第2電路構成例之圖。 圖19係顯示單位像素之第2電路構成例之像素電晶體配置例之俯視圖。 圖20係說明單位像素之第2電路構成例之驅動控制之時序圖。 圖21係顯示單位像素之第3電路構成例之圖。 圖22係顯示單位像素之第3電路構成例之像素電晶體配置例之俯視圖。 圖23係顯示單位像素之第4電路構成例之圖。 圖24係顯示垂直驅動部之構成例之圖。 圖25係說明影像感測器之使用例之圖。 圖26係顯示作為應用本揭示之技術之電子機器之攝像裝置之構成例之方塊圖。 圖27係顯示車輛控制系統之概略構成之一例之方塊圖。 圖28係顯示車外資訊檢測部及攝像部之設置位置之一例之說明圖。
21:單位像素
23:垂直信號線
31:第1FD部
32:第2FD部
AMP:放大電晶體
EC:第1電容元件
FC:第2電容元件
FCG:第2傳送電晶體
FDG:切換電晶體
RST:重設電晶體
SEL:選擇電晶體
SP1:第1光電轉換部
SP2:第2光電轉換部
TGL:第1傳送電晶體
VDD:電源電壓
ΦFCG:第2傳送驅動信號
ΦFDG:電容切換信號
ΦFCVDD:電壓
ΦFHG:電壓
ΦRST:重設驅動信號
ΦSEL:選擇驅動信號
ΦTGL:第1傳送驅動信號

Claims (23)

  1. 一種固態攝像裝置，其包含單位像素， 該單位像素係包含： 第1感度之第1光電轉換部； 較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部； 第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及 第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。
  2. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 電容之大小關係具有以下之關係： 上述第1電容元件之上述擴散層電容＜上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容＜上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容＜上述第2電容元件之電容。
  3. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 每單位面積之電容具有以下之關係： 上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容＜上述第2電容元件之電容。
  4. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容；且 上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容、與上述第2電容元件係配置於不同之層。
  5. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含由擴散層形成之擴散層電容、及上述擴散層電容以外之電容； 上述第1電容元件之上述擴散層電容以外之電容，係由形成於複數個配線層之配線電容構成。
  6. 如請求項5之固態攝像裝置，其中 上述配線電容具有梳齒形狀之金屬配線。
  7. 如請求項5之固態攝像裝置，其中 上述複數個配線層於形成有上述配線電容之配線層之進而上側，包含作為屏蔽層之配線層。
  8. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第2電容元件由MOS電容構成。
  9. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含MOS電容，上述第2電容元件由MIM電容構成。
  10. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述第1電容元件包含MIM電容，上述第2電容元件由MIM電容構成。
  11. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述單位像素進而包含切換轉換效率之切換電晶體。
  12. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述單位像素進而包含於上述第2光電轉換部與上述第2電容元件之間，將由上述第2光電轉換部產生之電荷傳送至上述第2電容元件之傳送電晶體。
  13. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述單位像素進而包含將自上述第1光電轉換部溢出之電荷傳送至上述第1電容元件之排出電晶體。
  14. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述單位像素具備單一曝光且輸出3個以上不同之信號之模式。
  15. 如請求項14之固態攝像裝置，其中 上述3個以上之不同之信號中之至少1個，係與上述第1電容元件之蓄積電荷相應之信號。
  16. 如請求項14之固態攝像裝置，其具備 以不同之轉換效率讀出上述第1光電轉換部之信號之模式、及輸出與上述第1電容元件之蓄積電荷相應之信號之模式，來作為上述模式。
  17. 如請求項14之固態攝像裝置，其具備 以不同之感度輸出低照度感度之第1模式與第2模式，來作為上述模式。
  18. 如請求項14之固態攝像裝置，其進而具備： 控制部，其與溫度連動切換單一曝光且輸出3個以上之不同之信號之2個模式。
  19. 如請求項14之固態攝像裝置，其具備 輸出以第1轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、以第2轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、與上述第1電容元件之蓄積電荷相應之信號、及於上述第2光電轉換部檢測到之信號的模式，來作為上述模式。
  20. 如請求項14之固態攝像裝置，其具備 輸出以第1轉換效率檢測到上述第1光電轉換部之電荷之信號、以第2轉換效率檢測上述第1光電轉換部之電荷之信號、僅與上述第2光電轉換部之蓄積電荷相應之信號、及與包含上述第2電容元件之蓄積電荷相應之信號的模式，來作為上述模式。
  21. 如請求項1之固態攝像裝置，其中 上述單位像素包含： 選擇電晶體，其選擇上述單位像素；及 傳送電晶體，其傳送由上述第2光電轉換部產生之電荷；且包含： 第1驅動器電路，其輸出控制上述選擇電晶體之選擇驅動信號；及 第2驅動器電路，其輸出控制上述傳送電晶體之傳送驅動信號；且 構成為將上述選擇驅動信號及上述傳送驅動信號之斷開電壓，藉由共通之供給配線，供給至上述第1驅動器電路與上述第2驅動器電路。
  22. 如請求項21之固態攝像裝置，其中 上述選擇驅動信號及上述傳送驅動信號之斷開電壓為負偏壓值； 上述選擇驅動信號及上述傳送驅動信號之斷開電壓之負偏壓值，為較控制上述單位像素內之其他像素電晶體之驅動信號之斷開電壓低之電壓。
  23. 一種電子機器，其包含固態攝像裝置， 該固態攝像裝置包含單位像素， 該單位像素包含： 第1感度之第1光電轉換部； 較上述第1感度低之第2感度之第2光電轉換部； 第1電容元件，其連接於上述第1光電轉換部；及 第2電容元件，其連接於上述第2光電轉換部。
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