JP2023038121A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】3値以上の多数の容量値に変更することができ、十分な容量値の可変量を得ることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、光電変換により光から電荷を生成する光電変換素子と、光電変換素子に接続された転送トランジスタと、光電変換素子及び転送トランジスタを複数配列した画素と、画素の複数の光電変換素子にそれぞれ転送トランジスタを介在させて共有接続され、電荷を転送するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンに接続され、電荷を電気信号に変換する画素回路と、フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力されるスイッチと、スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される可変容量とを備えている。【選択図】図1
Description
本開示は、固体撮像装置に関する。
特許文献1には、固体撮像装置が開示されている。固体撮像装置の画素は、フォトダイオードと、転送トランジスタと、フローティングディフュージョンと、ソースフォロワトランジスタと、容量可変部とを備えている。
フォトダイオードでは、光から変換された電荷が蓄積される。フォトダイオードにおいて蓄積された電荷は、転送トランジスタにより、フローティングディフュージョンを通してソースフォロワトランジスタに転送される。ソースフォロワトランジスタでは、転送される電荷量に応じた利得を持って、電荷が電圧信号に変換される。容量変換部はフローティングディフュージョンに接続されている。この容量変換部には容量変更信号が入力される。
このように構成される固体撮像装置では、容量変更信号により容量変換部の容量値を変更し、この結果としてフローティングディフュージョンに付加される容量値を変化させ、変換利得を切り替えることができる。
フォトダイオードでは、光から変換された電荷が蓄積される。フォトダイオードにおいて蓄積された電荷は、転送トランジスタにより、フローティングディフュージョンを通してソースフォロワトランジスタに転送される。ソースフォロワトランジスタでは、転送される電荷量に応じた利得を持って、電荷が電圧信号に変換される。容量変換部はフローティングディフュージョンに接続されている。この容量変換部には容量変更信号が入力される。
このように構成される固体撮像装置では、容量変更信号により容量変換部の容量値を変更し、この結果としてフローティングディフュージョンに付加される容量値を変化させ、変換利得を切り替えることができる。
上記固体撮像装置では、容量変換部の容量値の変更が2値に限られている。また、フローティングディフュージョンには寄生容量が付加されるので、十分な容量値の可変量が得られない。
さらに、容量変換部がMOS(Metal Oxide Semiconductor)型容量により構成されていると、フローティングディフュージョンに転送される電荷(電位)の変動に応じて、容量変換部の容量値が変化する。このため、変化効率のリニアリティ(linearity)を保つことができない。
さらに、容量変換部がMOS(Metal Oxide Semiconductor)型容量により構成されていると、フローティングディフュージョンに転送される電荷(電位)の変動に応じて、容量変換部の容量値が変化する。このため、変化効率のリニアリティ(linearity)を保つことができない。
従って、3値以上の多数の容量値に変更することができ、十分な容量値の可変量を得ることができる固体撮像装置の開発が望まれている。さらに、変換効率のリニアリティを保つことができる固体撮像装置の開発が望まれている。
本開示の一実施態様に係る固体撮像装置は、光電変換により光から電荷を生成する光電変換素子と、光電変換素子に接続された転送トランジスタと、光電変換素子及び転送トランジスタを複数配列した画素と、画素の複数の光電変換素子にそれぞれ転送トランジスタを介在させて共有接続され、電荷を転送するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンに接続され、電荷を電気信号に変換する画素回路と、フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力されるスイッチと、スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される可変容量とを備えている。
ここで、スイッチ及び可変容量は容量可変回路を構成している。可変容量はpチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタにより構成されている。
ここで、スイッチ及び可変容量は容量可変回路を構成している。可変容量はpチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタにより構成されている。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1実施の形態
第1実施の形態は、固体撮像装置に、本技術を適用した例を説明する。第1実施の形態は、固体撮像装置の回路構成、縦断面構成、平面構成並びに読出動作について、詳細に説明する。また、第1実施の形態の第1変形例に係る固体撮像装置は、多数の容量値を設定可能な容量可変回路について説明する。さらに、第1実施の形態の第2変形例に係る固体撮像装置は、容量可変回路の可変容量の構成を変えた例について説明する。
2.第2実施の形態
第2実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路の構成を変えた第1例を説明する。
3.第3実施の形態
第3実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路の構成を変えた第2例を説明する。
4.第4実施の形態
第4実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路に制御信号を入力する制御信号配線を共有する第1例を説明する。
5.第5実施の形態
第5実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路に制御信号を入力する制御信号配線を共有する第2例を説明する。
6.移動体への応用例
移動体制御システムの一例である車両制御システムに本技術を適用した例を説明する。
7.その他の実施の形態
1.第1実施の形態
第1実施の形態は、固体撮像装置に、本技術を適用した例を説明する。第1実施の形態は、固体撮像装置の回路構成、縦断面構成、平面構成並びに読出動作について、詳細に説明する。また、第1実施の形態の第1変形例に係る固体撮像装置は、多数の容量値を設定可能な容量可変回路について説明する。さらに、第1実施の形態の第2変形例に係る固体撮像装置は、容量可変回路の可変容量の構成を変えた例について説明する。
2.第2実施の形態
第2実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路の構成を変えた第1例を説明する。
3.第3実施の形態
第3実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路の構成を変えた第2例を説明する。
4.第4実施の形態
第4実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路に制御信号を入力する制御信号配線を共有する第1例を説明する。
5.第5実施の形態
第5実施の形態は、第1実施の形態に係る固体撮像装置において、容量可変回路に制御信号を入力する制御信号配線を共有する第2例を説明する。
6.移動体への応用例
移動体制御システムの一例である車両制御システムに本技術を適用した例を説明する。
7.その他の実施の形態
<1.第1実施の形態>
図1~図8を用いて、本開示の第1実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。
図1~図8を用いて、本開示の第1実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。
ここで、図中、適宜、図示されている矢印X方向は、便宜的に平面上に載置された固体撮像装置1の1つの平面方向を示している。矢印Y方向は、矢印X方向に対して直交する他の1つの平面方向を示している。また、矢印Z方向は、矢印X方向及び矢印Y方向に対して直交する上方向を示している。つまり、矢印X方向、矢印Y方向、矢印Z方向は、丁度、三次元座標系のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に各々一致している。
なお、これらの各方向は、説明の理解を助けるために図示されており、本技術の方向を限定するものではない。
なお、これらの各方向は、説明の理解を助けるために図示されており、本技術の方向を限定するものではない。
[固体撮像装置1の構成]
(1)固体撮像装置1の画素100及び画素回路200の回路構成
図1は、固体撮像装置1を構築する画素100及び画素回路200の回路構成の一例を示している。
(1)固体撮像装置1の画素100及び画素回路200の回路構成
図1は、固体撮像装置1を構築する画素100及び画素回路200の回路構成の一例を示している。
1つの画素100は、複数の光電変換素子(Photodiode)101と、複数の転送トランジスタ102とを備えている。ここでは、一例として、4つの光電変換素子101と、この4つの光電変換素子101に対応してそれぞれ配設された4つの転送トランジスタ102とを備え、1つの画素100が形成されている。
光電変換素子101のアノード端子は、例えば基準電位GNDに接続されている。光電変換素子101のカソード端子は、転送トランジスタ102の一方の端子に接続されている。つまり、1つの光電変換素子101及び1つの転送トランジスタ102は直列回路を構成している。表現を代えれば、複数の光電変換素子101毎に転送トランジスタ102のそれぞれが接続されている。
光電変換素子101は、光電変換により、固体撮像装置1の外部から入射された光から電荷を生成する。
光電変換素子101は、光電変換により、固体撮像装置1の外部から入射された光から電荷を生成する。
転送トランジスタ102の他方の端子は、フローティングディフュージョン(Floating Diffusion)104を介在させて画素回路200に接続されている。ここでは、4つの転送トランジスタ102は1つのフローティングディフュージョン104に共有接続されている。表現を代えれば、1つの画素100には共有接続される1つのフローティングディフュージョン104が配設されている。また、複数の転送トランジスタ102のそれぞれの制御端子には、水平走査信号TRGが入力される。
転送トランジスタ102は、フローティングディフュージョン104を通して、光電変換素子101により生成された電荷を画素回路200に転送する。
転送トランジスタ102は、フローティングディフュージョン104を通して、光電変換素子101により生成された電荷を画素回路200に転送する。
画素回路200は、リセットトランジスタ201と、増幅トランジスタ202と、選択トランジスタ203とを備えている。ここでは、4つの光電変換素子101及び4つの転送トランジスタ102毎に、1つの画素回路200が配設されている。
転送トランジスタ102の他方の端子は、リセットトランジスタ201の一方の端子及び増幅トランジスタ202の制御端子に接続されている。
リセットトランジスタ201の他方の端子は電源電位VDDに接続されている。また、リセットトランジスタ201の制御端子にはリセット信号RSTが入力される。
増幅トランジスタ202の一方の端子は選択トランジスタ203の一方の端子に接続されている。増幅トランジスタ202の他方の端子は電源電位VDDに接続されている。増幅トランジスタ202では、フローティングディフュージョン104を通して転送される電荷の電荷量に応じた利得を持って電気信号(電圧信号)が生成される。
選択トランジスタ203の他方の端子は垂直信号線VSLに接続されている。また、選択トランジスタ203の制御端子には選択信号SELが入力される。
リセットトランジスタ201の他方の端子は電源電位VDDに接続されている。また、リセットトランジスタ201の制御端子にはリセット信号RSTが入力される。
増幅トランジスタ202の一方の端子は選択トランジスタ203の一方の端子に接続されている。増幅トランジスタ202の他方の端子は電源電位VDDに接続されている。増幅トランジスタ202では、フローティングディフュージョン104を通して転送される電荷の電荷量に応じた利得を持って電気信号(電圧信号)が生成される。
選択トランジスタ203の他方の端子は垂直信号線VSLに接続されている。また、選択トランジスタ203の制御端子には選択信号SELが入力される。
(2)容量可変回路300の回路構成
画素100と画素回路200とを接続するフローティングディフュージョン104には、容量可変回路300が電気的に並列に接続されている。ここでは、1つのフローティングディフュージョン104に1つの容量可変回路300が配設されている。
容量可変回路300は、スイッチ301と、可変容量302とを主要な構成要素として備えている。さらに、容量可変回路300は容量303も備えている。
画素100と画素回路200とを接続するフローティングディフュージョン104には、容量可変回路300が電気的に並列に接続されている。ここでは、1つのフローティングディフュージョン104に1つの容量可変回路300が配設されている。
容量可変回路300は、スイッチ301と、可変容量302とを主要な構成要素として備えている。さらに、容量可変回路300は容量303も備えている。
スイッチ301は、第1導電型の絶縁ゲート電界効果トランジスタ(IGFET:Insulated Gate Field Effect Transistor)により構成されている。第1導電型は、ここでは「n型」である。また、IGFETには、金属体-酸化膜-半導体型IGFET(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)及び金属体-絶縁体-半導体型IGFET(MISFET:Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)が含まれている。
スイッチ301の一方の端子(第1主電極)は、フローティングディフュージョン104に電気的に並列に接続されている。スイッチ301の他方の端子(第2主電極)は、可変容量302の一方の電極(第1電極)に接続されている。スイッチ301の制御端子(第1制御電極)には第1制御信号VC1が入力される。第1制御信号VC1は、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量に応じて、スイッチ301の導通(ON)状態及び非導通(OFF)状態を制御する信号である。
スイッチ301の一方の端子(第1主電極)は、フローティングディフュージョン104に電気的に並列に接続されている。スイッチ301の他方の端子(第2主電極)は、可変容量302の一方の電極(第1電極)に接続されている。スイッチ301の制御端子(第1制御電極)には第1制御信号VC1が入力される。第1制御信号VC1は、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量に応じて、スイッチ301の導通(ON)状態及び非導通(OFF)状態を制御する信号である。
可変容量302の他方の電極(第2電極)には第2制御信号VC2が入力される。第2制御信号VC2は、第1制御信号VC1と同様に、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量に応じて、可変容量302の容量値を制御する信号である。
可変容量302は、例えば金属体-絶縁体-半導体(MIS:Metal Insulator Semiconductor)型バリアブルキャパシタンスダイオード(Variable Capacitance Diode)構造により構成されている。MIS型バリアブルキャパシタンスダイオード構造には、金属体-酸化膜-半導体(MOS:Metal Oxide Semiconductor)型バリアブルキャパシタンスダイオード構造が含まれている。つまり、可変容量302では、一方の電極が金属体とされ、他方の電極が半導体とされている。電極間に印加される電圧差に応じて、半導体内の空乏層の伸びが変化し、可変容量302の容量値が変化する。一般的に、電圧差が「小」のとき容量値は「小」であり、電圧差が「大」のとき容量値は「大」である。
さらに、可変容量302は、第1実施の形態において、第2導電型のIGFETを利用して構成されている。ここで、第2導電型は、第1導電型とは反対導電型の「p型」である。可変容量302の具体的な構造は後に詳述する。
可変容量302は、例えば金属体-絶縁体-半導体(MIS:Metal Insulator Semiconductor)型バリアブルキャパシタンスダイオード(Variable Capacitance Diode)構造により構成されている。MIS型バリアブルキャパシタンスダイオード構造には、金属体-酸化膜-半導体(MOS:Metal Oxide Semiconductor)型バリアブルキャパシタンスダイオード構造が含まれている。つまり、可変容量302では、一方の電極が金属体とされ、他方の電極が半導体とされている。電極間に印加される電圧差に応じて、半導体内の空乏層の伸びが変化し、可変容量302の容量値が変化する。一般的に、電圧差が「小」のとき容量値は「小」であり、電圧差が「大」のとき容量値は「大」である。
さらに、可変容量302は、第1実施の形態において、第2導電型のIGFETを利用して構成されている。ここで、第2導電型は、第1導電型とは反対導電型の「p型」である。可変容量302の具体的な構造は後に詳述する。
容量303は、可変容量302の一方の電極と他方の電極との間に、電気的に並列に接続されている。容量303は、寄生容量を利用して構成されている。容量303の具体的な構造は後に詳述する。
なお、フローティングディフュージョン104には、寄生容量104Cが付加されている。
(3)画素100及び画素回路200の具体的な構成
図2は、固体撮像装置1の縦断面構成の一例を模式的に示している。図3は、光電変換素子101及び転送トランジスタ102を含む画素100の平面構成の一例を示している。また、図4は、画素回路200及び容量可変回路300の平面構成の一例を示している。
図2は、固体撮像装置1の縦断面構成の一例を模式的に示している。図3は、光電変換素子101及び転送トランジスタ102を含む画素100の平面構成の一例を示している。また、図4は、画素回路200及び容量可変回路300の平面構成の一例を示している。
固体撮像装置1は、ここでは裏面照射型イメージセンサとして構成されている。図2に示されるように、矢印Y方向に見て(以下、単に「側面視において」という。)、固体撮像装置1は、第1基体10と、第2基体20とを順次積層して構成されている。つまり、第1基体10上には第2基体20が積層され、第2基体20は第1基体10に接合されている。
第1基体10は、第1半導体層11と、第1半導体層11の第2基体20側に配設された第1配線層12とを備えている。第1半導体層11は例えば単結晶珪素(Si)により形成されている。
第1半導体層11には画素100が構成されている。画素100の光電変換素子101は、詳細な構造を省略しているが、n型半導体領域とp型半導体領域とを備え、双方のpn接合により構成されている。
光電変換素子101の光入射側には、図示省略の電荷固定膜及び絶縁膜を介在させて、受光レンズ13が配設されている。受光レンズ13は画素100毎又は光電変換素子101毎に配設されている。受光レンズ13では、光電変換素子101へ入射する光を集光させることができる。ここで、光入射側とは、側面視において、第1半導体層11の第2基体20側とは反対側である。
第1半導体層11には画素100が構成されている。画素100の光電変換素子101は、詳細な構造を省略しているが、n型半導体領域とp型半導体領域とを備え、双方のpn接合により構成されている。
光電変換素子101の光入射側には、図示省略の電荷固定膜及び絶縁膜を介在させて、受光レンズ13が配設されている。受光レンズ13は画素100毎又は光電変換素子101毎に配設されている。受光レンズ13では、光電変換素子101へ入射する光を集光させることができる。ここで、光入射側とは、側面視において、第1半導体層11の第2基体20側とは反対側である。
画素100の転送トランジスタ102は、同様に詳細な構造を省略しているが、第1半導体層11の第2基体20側の表面部に構成されている。転送トランジスタ102は第1導電型IGFET、つまりnチャネル導電型IGFETにより構成されている。転送トランジスタ102は、符号省略のソース領域及びドレイン領域である一対の主電極(端子)と、チャネル形成領域と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極(制御電極)とを備えている。一対の主電極はn型半導体領域である。
図2及び図3に示されるように、画素100と矢印X方向及び矢印Y方向に隣接する他の画素100との間には画素分離領域14が配設されている。また、光電変換素子101と矢印X方向及び矢印Y方向に隣接する他の光電変換素子101との間には素子分離領域15が配設されている。画素分離領域14、素子分離領域15は、いずれも隣接する画素100同士、隣接する光電変換素子101同士を光学的、かつ、電気的に分離する。
図3に示されるように、ここでは、矢印X方向に配列された2つの光電変換素子101及び矢印Y方向に配列された2つの光電変換素子101の合計4つの光電変換素子101により1つの画素100が構築されている。
図3に示されるように、ここでは、矢印X方向に配列された2つの光電変換素子101及び矢印Y方向に配列された2つの光電変換素子101の合計4つの光電変換素子101により1つの画素100が構築されている。
図2に示されるように、第1配線層12は、例えば多層配線構造を構築する配線121、層間絶縁膜としての符号省略の絶縁体等を備えている。また、第1配線層12には、第1配線層12から第2基体20へ貫通する貫通配線の一部が配設されている。この貫通配線は例えばフローティングディフュージョン104として形成されている。貫通配線は例えばダングステン(W)等の配線材料により形成されている。
第2基体20は、第2半導体層21と、第2半導体層21の第1基体10側とは反対側に配設された第2配線層22とを備えている。第2半導体層21は単結晶珪素により形成されている。
図2及び図4に示されるように、第2半導体層21には画素回路200及び容量可変回路300が構成されている。つまり、第2半導体層21には、画素回路200のリセットトランジスタ201、増幅トランジスタ202及び選択トランジスタ203が構成されている(図1参照)。ここで、増幅トランジスタ202には「AMP」と表記する場合がある。第2半導体層21には、更に、容量可変回路300のスイッチ301、可変容量302及び容量303が構成されている。
図2及び図4に示されるように、第2半導体層21には画素回路200及び容量可変回路300が構成されている。つまり、第2半導体層21には、画素回路200のリセットトランジスタ201、増幅トランジスタ202及び選択トランジスタ203が構成されている(図1参照)。ここで、増幅トランジスタ202には「AMP」と表記する場合がある。第2半導体層21には、更に、容量可変回路300のスイッチ301、可変容量302及び容量303が構成されている。
画素回路200は第2半導体層21の第1基体10側とは反対側の主面部に配設されている。ここで、主面部とは、トランジスタ、容量、抵抗等を形成する主要な表面部位という意味において使用されている。
図2及び図4に示されるように、リセットトランジスタ201は、素子分離領域211により周囲を囲まれ、第2半導体層21の他の領域から電気的に分離された半導体領域212内において、半導体領域212の主面部に配設されている。特に構造は限定されないが、ここでは、素子分離領域211にはトレンチアイソレーション構造が採用され、集積度が向上されている。また、半導体領域212はp型ウエル領域として形成されている。
リセットトランジスタ201はnチャネル導電型IGFETにより構成されている。リセットトランジスタ201は、チャネル形成領域213と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(制御電極)215と、一対の主電極(端子)216とを備えている。一対の主電極216は、ソース領域及びドレイン領域であり、n型半導体領域により形成されている。チャネル形成領域213は、一対の主電極216間において半導体領域212の主面部に形成されている。ゲート絶縁膜214は、チャネル形成領域213に沿って配設され、例えば酸化珪素(SiO)膜、窒化珪素(SiN)膜又はそれらの積層膜により形成されている。ゲート電極215は、ゲート絶縁膜214に沿って配設され、例えば多結晶珪素により形成されている。
リセットトランジスタ201はnチャネル導電型IGFETにより構成されている。リセットトランジスタ201は、チャネル形成領域213と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(制御電極)215と、一対の主電極(端子)216とを備えている。一対の主電極216は、ソース領域及びドレイン領域であり、n型半導体領域により形成されている。チャネル形成領域213は、一対の主電極216間において半導体領域212の主面部に形成されている。ゲート絶縁膜214は、チャネル形成領域213に沿って配設され、例えば酸化珪素(SiO)膜、窒化珪素(SiN)膜又はそれらの積層膜により形成されている。ゲート電極215は、ゲート絶縁膜214に沿って配設され、例えば多結晶珪素により形成されている。
選択トランジスタ203は、素子分離領域211により周囲を囲まれ、他の領域から電気的に分離された半導体領域212内において、半導体領域212の主面部に配設されている。選択トランジスタ203は、リセットトランジスタ201と同様に、nチャネル導電型IGFETにより構成されている。また、選択トランジスタ203は、チャネル形成領域213と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(制御電極)215と、一対の主電極(端子)216とを備えている。
増幅トランジスタ202は、素子分離領域211により周囲を囲まれ、他の領域から電気的に分離された半導体領域212内において、半導体領域212の主面部に配設されている。増幅トランジスタ202は、リセットトランジスタ201と同様に、nチャネル導電型IGFETにより構成されている。また、増幅トランジスタ202は、チャネル形成領域213と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(制御電極)215と、一対の主電極(端子)216とを備えている。
ここで、増幅トランジスタ202はフィン(Fin)型構造により構成されている。フィン型構造は、ゲート電極215のゲート幅方向の両端部を半導体領域212の主面から深さ方向へ延設させ、ゲート幅寸法を深さ方向に拡張させる構造である。フィン型構造が採用されると、導通状態において、増幅トランジスタ202の電流量を増加させることができる。
ここで、増幅トランジスタ202はフィン(Fin)型構造により構成されている。フィン型構造は、ゲート電極215のゲート幅方向の両端部を半導体領域212の主面から深さ方向へ延設させ、ゲート幅寸法を深さ方向に拡張させる構造である。フィン型構造が採用されると、導通状態において、増幅トランジスタ202の電流量を増加させることができる。
画素回路200のリセットトランジスタ201、選択トランジスタ203及び増幅トランジスタ202は、図4に示されるように、矢印Y方向に見て(以下、単に「平面視において」という。)、1つの画素100に対応させて、この1つの画素100の領域内に配設されている。
(4)容量可変回路300の具体的な構成
容量可変回路300のスイッチ301は、図2及び図4に示されるように、リセットトランジスタ201等と同一の構造により構成されている。すなわち、スイッチ301は、素子分離領域211により周囲を囲まれ、第2半導体層21の他の領域から電気的に分離された半導体領域212内において、半導体領域212の主面部に配設されている。スイッチ301は、チャネル形成領域213と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(第1制御電極)215と、一対の主電極(第1主電極及び第2主電極)216とを備えている。
容量可変回路300のスイッチ301は、図2及び図4に示されるように、リセットトランジスタ201等と同一の構造により構成されている。すなわち、スイッチ301は、素子分離領域211により周囲を囲まれ、第2半導体層21の他の領域から電気的に分離された半導体領域212内において、半導体領域212の主面部に配設されている。スイッチ301は、チャネル形成領域213と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(第1制御電極)215と、一対の主電極(第1主電極及び第2主電極)216とを備えている。
容量可変回路300の可変容量302は、第1実施の形態において、pチャネル導電型IGFETを利用して構成されている。つまり、可変容量302は、素子分離領域211により周囲を囲まれ、第2半導体層21の他の領域から電気的に分離された半導体領域217内において、半導体領域217の主面部に配設されている。半導体領域217はn型ウエル領域として形成されている。可変容量302は、半導体領域(第1半導体領域)217と、チャネル形成領域218と、ゲート絶縁膜214と、ゲート電極(第2制御電極)215と、一対の主電極(第3主電極及び第4主電極)219とを備えている。主電極219はp型半導体領域により形成されている。
つまり、可変容量302は、半導体領域217を第1電極とし、半導体領域217に絶縁体としてゲート絶縁膜214を介在させて形成されたゲート電極215を第2電極として構成されている。さらに、可変容量302では、一対の主電極219は電気的に短絡されている。
つまり、可変容量302は、半導体領域217を第1電極とし、半導体領域217に絶縁体としてゲート絶縁膜214を介在させて形成されたゲート電極215を第2電極として構成されている。さらに、可変容量302では、一対の主電極219は電気的に短絡されている。
図4及び図5に示されるように、平面視において、可変容量302では、ゲート電極215が矩形状に形成されている。そして、ゲート電極215の3つの側面周囲に沿って一対の主電極219間を短絡させる配線(第1配線)221が延設されている。さらに、可変容量302では、ゲート電極215に対向させて配置され、かつ、ゲート電極215に電気的に接続される配線(第2配線)222が配設されている。配線221及び配線222は、ゲート電極215よりも上層であって、第2配線層22に形成されている。
つまり、平面視においてU字形状を有する配線221の中間部に、平面視においてI字形状を有する配線222が入り込むレイアウトに構成されている。このため、配線221と配線222との対向面積を増やして、配線221と配線222との間に付加される寄生容量値が増加されている。この寄生容量は容量可変回路300の容量303を構成している。
つまり、平面視においてU字形状を有する配線221の中間部に、平面視においてI字形状を有する配線222が入り込むレイアウトに構成されている。このため、配線221と配線222との対向面積を増やして、配線221と配線222との間に付加される寄生容量値が増加されている。この寄生容量は容量可変回路300の容量303を構成している。
容量可変回路300のスイッチ301、可変容量302及び容量303は、図4に示されるように、平面視において、1つの画素100に対応させて、この画素100の領域内に画素回路200と共に配設されている。
図2に示されるように、第2配線層22は、多層配線構造を構築する配線221、配線222及び層間絶縁膜としての図示省略の絶縁体等を備えている。
なお、第1実施の形態に係る固体撮像装置1は、第2基体20の第1基体10側とは反対側に、更に第3基体を備えてもよい。第3基体には、例えば画素回路200を制御する制御回路、画素回路200から読み出された電気信号を処理する処理回路等のロジック回路、又は情報を記憶するメモリ回路等が配設可能である。
[固体撮像装置1の画素回路200及び容量可変回路300の動作]
図6は、固体撮像装置1の画素回路200及び容量可変回路300の動作の一例を示している。横軸は時間を示し、縦軸には各信号が示されている。
図6は、固体撮像装置1の画素回路200及び容量可変回路300の動作の一例を示している。横軸は時間を示し、縦軸には各信号が示されている。
まず、画素回路200では、選択トランジスタ203の制御端子にハイレベルの選択信号SELが入力されると、選択トランジスタ203は導通状態に制御される。引き続き、リセットトランジスタ201の制御端子にロウレベルのリセット信号RSTが入力され、リセットトランジスタ201は非導通状態に制御される。
この後、転送トランジスタ102の制御端子に転送信号TRGが入力されると、光電変換素子101の光電変換により生成された電荷がフローティングディフュージョン104を通して増幅トランジスタ202の制御端子に入力される。増幅トランジスタ202では、フローティングディフュージョン104を通して転送される電荷の電荷量(電子数)に応じた利得を持って電気信号が生成される。
この後、転送トランジスタ102の制御端子に転送信号TRGが入力されると、光電変換素子101の光電変換により生成された電荷がフローティングディフュージョン104を通して増幅トランジスタ202の制御端子に入力される。増幅トランジスタ202では、フローティングディフュージョン104を通して転送される電荷の電荷量(電子数)に応じた利得を持って電気信号が生成される。
ここで、容量可変回路300では、リセット信号RSTのタイミングに合わせて、第1制御信号VC1がスイッチ301の制御端子に入力され、第2制御信号VC2が可変容量302の第2電極に入力される。
図6には、一例として、ハイレベルの第1制御信号VC1がスイッチ301の制御端子に入力され、ロウレベルの第2制御信号VC2が可変容量302の第2電極に入力されている。このとき、スイッチ301は導通状態に制御され、可変容量302により生成される容量値は「大」に制御される。
図6には、一例として、ハイレベルの第1制御信号VC1がスイッチ301の制御端子に入力され、ロウレベルの第2制御信号VC2が可変容量302の第2電極に入力されている。このとき、スイッチ301は導通状態に制御され、可変容量302により生成される容量値は「大」に制御される。
図7Aに、固体撮像装置1の読出動作に対応した変換効率を説明する表が示されている。例えば、1つの画素100において、複数の光電変換素子101により生成される電荷が少なく、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「小」のとき、第1制御信号VC1はロウレベルとされ、スイッチ301は非導通状態に制御される。
生成される電荷が少ないとは、1つの画素100において、複数の光電変換素子101により生成された合計の電荷が少ない場合、複数の光電変換素子101の特定の光電変換素子101のみ稼働させて生成された電荷が少ない場合のいずれも含まれている。
このとき、第2制御信号VC2はフローテイング状態とされる。これにより、可変容量302の容量値は「小」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「大」に制御することができる(ステート1)。
生成される電荷が少ないとは、1つの画素100において、複数の光電変換素子101により生成された合計の電荷が少ない場合、複数の光電変換素子101の特定の光電変換素子101のみ稼働させて生成された電荷が少ない場合のいずれも含まれている。
このとき、第2制御信号VC2はフローテイング状態とされる。これにより、可変容量302の容量値は「小」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「大」に制御することができる(ステート1)。
また、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「中」のとき、第1制御信号VC1はハイレベルとされ、スイッチ301は導通状態に制御される。このとき、第2制御信号VC2はハイレベルとされる。これにより、可変容量302の容量値は「中」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「中」に制御することができる(ステート2)。
そして、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「大」のとき、第1制御信号VC1はハイレベルとされ、スイッチ301は導通状態に制御される。このとき、第2制御信号VC2はロウレベルとされる。これにより、可変容量302の容量値は「大」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「小」に制御することができる(ステート3)。
そして、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「大」のとき、第1制御信号VC1はハイレベルとされ、スイッチ301は導通状態に制御される。このとき、第2制御信号VC2はロウレベルとされる。これにより、可変容量302の容量値は「大」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「小」に制御することができる(ステート3)。
図7Bに、容量可変回路300を模式化した回路構成を示している。第1実施の形態では、可変容量302がpチャネル導電型IGFETを利用して構成されている。フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量(電子数)が増加すると、フローティングディフュージョン104の電位が下がる。これに伴い、フローティングディフュージョン104に付加される寄生容量104Cの容量値は上昇する。
ところが、可変容量302は、pチャネル導電型IGFETを利用して構成されているので、逆に容量値が下がる。つまり、フローティングディフュージョン104の電位変動により引き起こされる寄生容量104Cの容量変動に対して、可変容量302の容量値は補正する方向に変動する。
ところが、可変容量302は、pチャネル導電型IGFETを利用して構成されているので、逆に容量値が下がる。つまり、フローティングディフュージョン104の電位変動により引き起こされる寄生容量104Cの容量変動に対して、可変容量302の容量値は補正する方向に変動する。
[作用効果]
第1実施の形態に係る固体撮像装置1は、図1~図5に示されるように、光電変換素子101と、転送トランジスタ102と、光電変換素子101及び転送トランジスタ102を複数配列した画素100と、フローティングディフュージョン104と、画素回路200と、容量可変回路300とを備える。
光電変換素子101は、光電変換により光から電荷を生成する。転送トランジスタ102は、光電変換素子101に接続される。フローティングディフュージョン104は、画素100の複数の光電変換素子101にそれぞれ転送トランジスタ102を介在させて共有接続され、電荷を転送する。画素回路200は、フローティングディフュージョン104に接続され、電荷を電気信号に変換する。
ここで、容量可変回路300は、スイッチ301と、可変容量302とを少なくとも備える。スイッチ301は、フローティングディフュージョン104に一方の主電極(第1主電極)216が接続され、フローティングディフュージョン104の電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号VC1がゲート電極(第1制御電極)215に入力される。可変容量302は、スイッチ301の他方の主電極(第2主電極)216に第1電極が接続され、電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号VC2が第2電極に入力される。
容量可変回路300では、第1制御信号VC1によるスイッチ301の導通状態及び非導通状態の制御、並びに第2制御信号VC2による可変容量302の容量値の制御により、3値の多数の容量値に変更することができる。このため、十分な容量値の可変量を得ることができるので、変換効率の可変レンジを広げることができる。
第1実施の形態に係る固体撮像装置1は、図1~図5に示されるように、光電変換素子101と、転送トランジスタ102と、光電変換素子101及び転送トランジスタ102を複数配列した画素100と、フローティングディフュージョン104と、画素回路200と、容量可変回路300とを備える。
光電変換素子101は、光電変換により光から電荷を生成する。転送トランジスタ102は、光電変換素子101に接続される。フローティングディフュージョン104は、画素100の複数の光電変換素子101にそれぞれ転送トランジスタ102を介在させて共有接続され、電荷を転送する。画素回路200は、フローティングディフュージョン104に接続され、電荷を電気信号に変換する。
ここで、容量可変回路300は、スイッチ301と、可変容量302とを少なくとも備える。スイッチ301は、フローティングディフュージョン104に一方の主電極(第1主電極)216が接続され、フローティングディフュージョン104の電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号VC1がゲート電極(第1制御電極)215に入力される。可変容量302は、スイッチ301の他方の主電極(第2主電極)216に第1電極が接続され、電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号VC2が第2電極に入力される。
容量可変回路300では、第1制御信号VC1によるスイッチ301の導通状態及び非導通状態の制御、並びに第2制御信号VC2による可変容量302の容量値の制御により、3値の多数の容量値に変更することができる。このため、十分な容量値の可変量を得ることができるので、変換効率の可変レンジを広げることができる。
また、固体撮像装置1では、図7Aに示されるように、容量可変回路300のスイッチ301は、フローティングディフュージョン104の電荷量が「小」のとき非導通状態に制御され、電荷量が「中」又は「大」のとき導通状態に制御される。可変容量302は、電荷量が「小」のとき容量値を「小」に制御し、電荷量が「中」のとき容量値を「中」に制御し、電荷量が「大」のとき前記容量値を「大」に制御する。
これにより、容量可変回路300において、変換効率を「大」、「中」、「小」の3値に制御することがきるので、変換効率の可変レンジを広げることができる。
これにより、容量可変回路300において、変換効率を「大」、「中」、「小」の3値に制御することがきるので、変換効率の可変レンジを広げることができる。
さらに、固体撮像装置1では、図1、図2及び図4に示されるように、容量可変回路300のスイッチ301は、nチャネル導電型IGFETである。一方、容量可変回路300の可変容量302は、MIS型バリアブルキャパシタンスダイオード構造により構成される。このため、変換効率の可変レンジを広げることができる容量可変回路300が簡易に実現可能である。
また、固体撮像装置1では、図2、図4、図5及び図7Bに示されるように、容量可変回路300の可変容量302がpチャネル導電型IGFETにより構成される。つまり、可変容量302は、他の領域から電気的に分離された半導体領域(第1半導体領域)217を第1電極とし、半導体領域217にゲート絶縁膜(絶縁体)214を介在させて形成されたゲート電極(第2制御電極)を第2電極として構成される。一対の主電極(第3主電極及び第4主電極)219は短絡される。
このため、フローティングディフュージョン104の電位変動により引き起こされる寄生容量104Cの容量変動に対して、可変容量302の容量値は補正する方向に変動する。従って、容量可変回路300では、変換効率のリニアリティを保つことができる。
このため、フローティングディフュージョン104の電位変動により引き起こされる寄生容量104Cの容量変動に対して、可変容量302の容量値は補正する方向に変動する。従って、容量可変回路300では、変換効率のリニアリティを保つことができる。
さらに、固体撮像装置1では、図1に示されるように、容量可変回路300の可変容量302は、第1電極と第2電極との間に、電気的に並列に接続された容量303を更に備える。容量303により可変容量302の容量値の変化量を広げることができる。
また、固体撮像装置1では、図1及び図5に示されるように、容量可変回路300の可変容量302はpチャネル導電型IGFETにより構成される。そして、配線(第1配線)221及び配線(第2配線)222が配設される。配線221は、ゲート電極(第2制御電極)215の側面周囲に沿って延設され、一対の主電極(第3主電極及び第4主電極)219間を短絡させる。配線222は、ゲート電極215に対向させて配置され、かつ、ゲート電極215に電気的に接続され、第2制御信号VC2を入力する。
このため、容量303を構築する寄生容量の容量値を増加させることができるので、可変容量302の容量値の変化量を更に広げることができる。
このため、容量303を構築する寄生容量の容量値を増加させることができるので、可変容量302の容量値の変化量を更に広げることができる。
[第1変形例]
次に、図8を用いて、第1実施の形態の第1変形例に係る固体撮像装置1を説明する。なお、第1変形例並びにこれ以降に説明する変形例、又は第2実施の形態並びにそれ以降に説明する実施の形態において、第1実施の形態に係る固体撮像装置1の構成要素と同一の構成要素又は実質的に同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図8を用いて、第1実施の形態の第1変形例に係る固体撮像装置1を説明する。なお、第1変形例並びにこれ以降に説明する変形例、又は第2実施の形態並びにそれ以降に説明する実施の形態において、第1実施の形態に係る固体撮像装置1の構成要素と同一の構成要素又は実質的に同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図8に、第1変形例に係る固体撮像装置1の読出動作に対応した変換効率を説明する表が示されている。ここでの説明には、図1に示される回路図が参照される。
1つの画素100において、複数の光電変換素子101により生成される電荷が少なく、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「小」のとき、第1制御信号VC1はロウレベルとされ、スイッチ301は非導通状態に制御される。
このとき、第2制御信号VC2はフローテイング状態とされる。これにより、可変容量302の容量値は「小」となる。フローティングディフュージョン104に付加される容量値は、スイッチ301が非導通状態にあるので、寄生容量104Cの容量値のみになる。寄生容量104Cの容量値は例えば2fである。これにより、増幅トランジスタ202での変換効率を「大」に制御することができる(ステート1)。
1つの画素100において、複数の光電変換素子101により生成される電荷が少なく、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「小」のとき、第1制御信号VC1はロウレベルとされ、スイッチ301は非導通状態に制御される。
このとき、第2制御信号VC2はフローテイング状態とされる。これにより、可変容量302の容量値は「小」となる。フローティングディフュージョン104に付加される容量値は、スイッチ301が非導通状態にあるので、寄生容量104Cの容量値のみになる。寄生容量104Cの容量値は例えば2fである。これにより、増幅トランジスタ202での変換効率を「大」に制御することができる(ステート1)。
また、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「中」のとき、第1制御信号VC1はハイレベルとされ、スイッチ301は導通状態に制御される。このとき、第2制御信号VC2はハイレベルとされる。フローティングディフュージョン104に付加される容量値は、スイッチ301が導通状態にあるので、寄生容量104Cの容量値に容量可変回路300の容量303の容量値を加算した容量値になる。この加算された容量値は例えば3fである。これにより、容量可変回路300により生成される容量値は「中」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「中」に制御することができる(ステート2)。
また、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「大」のとき、第1制御信号VC1はハイレベルとされ、スイッチ301は導通状態に制御される。このとき、第2制御信号VC2はロウレベルとされる。フローティングディフュージョン104に付加される容量値は、スイッチ301が導通状態にあるので、寄生容量104Cの容量値に、容量可変回路300の可変容量302及び容量303の容量値を加算した容量値になる。この加算された容量値は例えば4fである。これにより、可変容量302の容量値は「大」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「小」に制御することができる(ステート4)。
さらに、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量が「大」と「中」との「中間」のとき、第1制御信号VC1はハイレベルとされ、スイッチ301は導通状態に制御される。このとき、第2制御信号VC2はハイレベルとロウレベルとの中間レベルとされる。フローティングディフュージョン104に付加される容量値は、スイッチ301が導通状態にあるので、寄生容量104Cの容量値に、容量可変回路300の可変容量302及び容量303の容量値を加算した容量値になる。この加算された容量値は例えば3.5fである。これにより、可変容量302の容量値は「大」と「中」との「中間」となり、増幅トランジスタ202での変換効率を「小」と「中」との「中間」に制御することができる(ステート3)。
第1変形例に係る固体撮像装置1では、図8に示されるように、容量可変回路300の可変容量302は、フローティングディフュージョン104の電荷量が「中」と「大」との「中間」のとき容量値を「中」と「大」との「中間」に制御する。
これにより、容量可変回路300において、変換効率を「大」、「中」、「中間」、「小」の4値に制御することがきるので、変換効率の可変レンジを更に広げることができる。
これにより、容量可変回路300において、変換効率を「大」、「中」、「中間」、「小」の4値に制御することがきるので、変換効率の可変レンジを更に広げることができる。
さらに、容量可変回路300では、容量を付加しないステート1の場合、第1制御信号VC1及び第2制御信号VC2をロウレベルとすることにより、配線221、配線222のそれぞれに付加される寄生容量が直列接続となる。このため、第1制御信号VC1及び第2制御信号VC2がハイレベルの場合に対して、容量可変回路300では、可変レンジを広げることができる。
[第2変形例]
第1実施の形態の第2変形例に係る固体撮像装置1では、図1に示される容量可変回路300の可変容量302が、図2に示されるフィン型構造を有する増幅トランジスタ202と同様にフィン型構造により構成されている。
このように構成される固体撮像装置1では、可変容量302にフィン型構造が採用されるので、可変容量302の容量値を増やすことができ、容量可変回路300の可変レンジを更に広げることができる。
第1実施の形態の第2変形例に係る固体撮像装置1では、図1に示される容量可変回路300の可変容量302が、図2に示されるフィン型構造を有する増幅トランジスタ202と同様にフィン型構造により構成されている。
このように構成される固体撮像装置1では、可変容量302にフィン型構造が採用されるので、可変容量302の容量値を増やすことができ、容量可変回路300の可変レンジを更に広げることができる。
<2.第2実施の形態>
図9を用いて、本開示の第2実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図9は、固体撮像装置1を構築する画素100、画素回路200及び容量可変回路300の回路構成の一例を示している。
図9を用いて、本開示の第2実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図9は、固体撮像装置1を構築する画素100、画素回路200及び容量可変回路300の回路構成の一例を示している。
第2実施の形態に係る固体撮像装置1は、第1実施の形態に係る固体撮像装置1において、容量可変回路300に更に可変容量304を備えている。可変容量304は、nチャネル導電型IGFET(第3絶縁ゲート電界効果トランジスタ)を利用して構成され、可変容量304に電気的に並列に接続されている。nチャネル導電型IGFETは、例えばリセットトランジスタ201(図2参照)と同様の構造により構成されている。つまり、nチャネル導電型IGFETは、他の領域から電気的に分離された半導体領域212が可変容量302の第1電極に接続され、ゲート電極(第3制御電極)215が可変容量302の第2電極に接続されている。一対の主電極(第5主電極及び第6主電極)216は短絡されている。これにより、MIS型バリアブルキャパシタンスダイオード構造が構成されている。
第2実施の形態に係る固体撮像装置1では、第1実施の形態に係る固体撮像装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、固体撮像装置1では、図9に示されるように、容量可変回路300に更に可変容量304を備える。これにより、容量可変回路300の可変レンジを更に広げることができる。
さらに、固体撮像装置1では、図9に示されるように、容量可変回路300に更に可変容量304を備える。これにより、容量可変回路300の可変レンジを更に広げることができる。
<3.第3実施の形態>
図10を用いて、本開示の第3実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図10は、固体撮像装置1を構築する容量可変回路300の模式的な回路構成の一例を示している。
図10を用いて、本開示の第3実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図10は、固体撮像装置1を構築する容量可変回路300の模式的な回路構成の一例を示している。
第3実施の形態に係る固体撮像装置1では、第1実施の形態に係る固体撮像装置1において、容量可変回路300は、可変容量302と、可変容量305とを備えている。可変容量305は、第2実施の形態に係る固体撮像装置1の可変容量304と同様に、nチャネル導電型IGFET(第4絶縁ゲート電界効果トランジスタ)を利用して構成され、可変容量302に電気的に並列に接続されている。つまり、nチャネル導電型IGFETは、他の領域から電気的に分離された半導体領域212が可変容量302の第1電極に接続され、ゲート電極(第4制御電極)215には第3制御信号VC3が入力される。一対の主電極(第7主電極及び第8主電極)216は短絡されている。これにより、MIS型バリアブルキャパシタンスダイオード構造が構成されている。第3制御信号VC3は、第2制御信号VC2と同様に、フローティングディフュージョン104に転送される電荷の電荷量に応じて容量値を制御する。
第3実施の形態に係る固体撮像装置1では、第1実施の形態に係る固体撮像装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、固体撮像装置1では、図10に示されるように、容量可変回路300に更に可変容量305を備える。これにより、容量可変回路300の可変レンジを更に広げることができる。
さらに、固体撮像装置1では、図10に示されるように、容量可変回路300に更に可変容量305を備える。これにより、容量可変回路300の可変レンジを更に広げることができる。
<4.第4実施の形態>
図11を用いて、本開示の第4実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図11は、固体撮像装置1の画素100及び配線の配列構成の一例を示している。
図11を用いて、本開示の第4実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図11は、固体撮像装置1の画素100及び配線の配列構成の一例を示している。
第4実施の形態に係る固体撮像装置1は、矢印X方向、矢印Y方向のそれぞれに複数の画素100が行列状に配列されている。ここでは、説明を理解し易くするために、矢印X方向に2つの画素100が配列され、矢印Y方向に2つの画素100が配列され、合計4つの画素100が配列されている。
矢印Y方向の1列目に、矢印X方向に配列された複数の画素100に沿って、転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれが平行に延設されている。転送信号配線TRGmは転送信号TRGを転送する。リセット信号配線RSTmはリセット信号RSTを転送する。選択信号配線SELmは選択信号SELを転送する。転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれは、複数の画素100に接続され、複数の画素100に共有の信号配線として構成されている。
矢印Y方向の1列目に、矢印X方向に配列された複数の画素100に沿って、転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれが平行に延設されている。転送信号配線TRGmは転送信号TRGを転送する。リセット信号配線RSTmはリセット信号RSTを転送する。選択信号配線SELmは選択信号SELを転送する。転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれは、複数の画素100に接続され、複数の画素100に共有の信号配線として構成されている。
さらに、転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれに平行に第1制御信号配線(221)VC1m及び第2制御信号配線(222)VC2mが延設されている。第1制御信号配線(221)VC1m、第2制御信号配線(222)VC2mのそれぞれは、画素選択回路30を介して画素100のそれぞれに接続されている。
矢印Y方向の2列目に、矢印X方向に配列された複数の画素100に沿って、転送信号配線TRGn、リセット信号配線RSTn、選択信号配線SELnのそれぞれが平行に延設されている。転送信号配線TRGnは転送信号TRGを転送する。リセット信号配線RSTnはリセット信号RSTを転送する。選択信号配線SELnは選択信号SELを転送する。転送信号配線TRGn、リセット信号配線RSTn、選択信号配線SELnのそれぞれは、複数の画素100に接続され、複数の画素100に共有の信号配線として構成されている。
さらに、転送信号配線TRGn、リセット信号配線RSTn、選択信号配線SELnのそれぞれに平行に第1制御信号配線(221)VC1n及び第2制御信号配線(222)VC2nが延設されている。第1制御信号配線(221)VC1n、第2制御信号配線(222)VC2nのそれぞれは、画素選択回路30を介して画素100のそれぞれに接続されている。
矢印X方向の1行目に、矢印Y方向に配列された複数の画素100に沿って、信号選択配線VSLmが延設されている。信号選択配線VSLmは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路30に接続されている。信号選択配線VSLmは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路30を制御し、第1制御信号VC1及び第2制御信号VC2の少なくとも一方の画素100への入力を制御する制御信号を転送する。
矢印X方向の2行目に、矢印Y方向に配列された複数の画素100に沿って、信号選択配線VSLnが延設されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路30に接続されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路30を制御し、第1制御信号VC1及び第2制御信号VC2の少なくとも一方の画素100への入力を制御する制御信号を転送する。
矢印X方向の2行目に、矢印Y方向に配列された複数の画素100に沿って、信号選択配線VSLnが延設されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路30に接続されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路30を制御し、第1制御信号VC1及び第2制御信号VC2の少なくとも一方の画素100への入力を制御する制御信号を転送する。
第4実施の形態に係る固体撮像装置1では、第1実施の形態に係る固体撮像装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、固体撮像装置1は、複数の画素100に画素選択回路30を備える。画素選択回路30は、信号選択配線VSLm及び信号選択配線VSLnを通して転送される選択信号により制御される。このため、第1制御信号配線VC1m、第1制御信号配線VC1n、第2制御信号配線VC2m及び第2制御信号配線VC2nが複数の画素100において共有されるので、これらの信号配線の配列本数を大幅に削減することができる。よって、固体撮像装置1の画素密度を向上させることができる。
さらに、固体撮像装置1は、複数の画素100に画素選択回路30を備える。画素選択回路30は、信号選択配線VSLm及び信号選択配線VSLnを通して転送される選択信号により制御される。このため、第1制御信号配線VC1m、第1制御信号配線VC1n、第2制御信号配線VC2m及び第2制御信号配線VC2nが複数の画素100において共有されるので、これらの信号配線の配列本数を大幅に削減することができる。よって、固体撮像装置1の画素密度を向上させることができる。
<5.第5実施の形態>
図12を用いて、本開示の第5実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図12は、固体撮像装置1の画素100及び配線の配列構成の一例を示している。
図12を用いて、本開示の第5実施の形態に係る固体撮像装置1を説明する。図12は、固体撮像装置1の画素100及び配線の配列構成の一例を示している。
第5実施の形態に係る固体撮像装置1は、矢印X方向、矢印Y方向のそれぞれに複数の画素100が行列状に配列されている。
矢印Y方向の1列目に、矢印X方向に配列された複数の画素100に沿って、転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれが平行に延設されている。転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれは、複数の画素100に接続され、複数の画素100に共有の信号配線として構成されている。
矢印Y方向の1列目に、矢印X方向に配列された複数の画素100に沿って、転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれが平行に延設されている。転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれは、複数の画素100に接続され、複数の画素100に共有の信号配線として構成されている。
さらに、転送信号配線TRGm、リセット信号配線RSTm、選択信号配線SELmのそれぞれに平行に第1制御信号配線(221)VC1m及び第2制御信号配線(222)VC2xが延設されている。ここでは、第2制御信号配線VC2xが、画素選択回路31を介して画素100のそれぞれに接続されている。
矢印Y方向の2列目に、矢印X方向に配列された複数の画素100に沿って、転送信号配線TRGn、リセット信号配線RSTn、選択信号配線SELnのそれぞれが平行に延設されている。転送信号配線TRGn、リセット信号配線RSTn、選択信号配線SELnのそれぞれは、複数の画素100に接続され、複数の画素100に共有の信号配線として構成されている。
さらに、転送信号配線TRGn、リセット信号配線RSTn、選択信号配線SELnのそれぞれに平行に第1制御信号配線(221)VC1nが延設されている。ここでは、第2制御信号配線VC2xが、画素選択回路31を介して画素100のそれぞれに接続されている。
矢印X方向の1行目に、矢印Y方向に配列された複数の画素100に沿って、信号選択配線VSLmが延設されている。信号選択配線VSLmは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路31に接続されている。信号選択配線VSLmは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路31を制御し、第2制御信号VC2の画素100への入力を制御する制御信号を転送する。
矢印X方向の2行目に、矢印Y方向に配列された複数の画素100に沿って、信号選択配線VSLnが延設されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路31に接続されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路31を制御し、第2制御信号VC2の画素100への入力を制御する制御信号を転送する。
矢印X方向の2行目に、矢印Y方向に配列された複数の画素100に沿って、信号選択配線VSLnが延設されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路31に接続されている。信号選択配線VSLnは、矢印Y方向に配列された画素100のそれぞれの画素選択回路31を制御し、第2制御信号VC2の画素100への入力を制御する制御信号を転送する。
第5実施の形態に係る固体撮像装置1では、第4実施の形態に係る固体撮像装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、固体撮像装置1は、複数の画素100に画素選択回路31を備える。画素選択回路31は、信号選択配線VSLm及び信号選択配線VSLnを通して転送される選択信号により制御される。このため、第2制御信号配線VC2xが複数の画素100において共有されるので、第2制御信号配線VC2xの配列本数を大幅に削減することができる。よって、固体撮像装置1の画素密度を向上させることができる。
さらに、固体撮像装置1は、複数の画素100に画素選択回路31を備える。画素選択回路31は、信号選択配線VSLm及び信号選択配線VSLnを通して転送される選択信号により制御される。このため、第2制御信号配線VC2xが複数の画素100において共有されるので、第2制御信号配線VC2xの配列本数を大幅に削減することができる。よって、固体撮像装置1の画素密度を向上させることができる。
<6.移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図13は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図13に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(Interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12030に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図13の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図14は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図14では、撮像部12031として、撮像部12101、12102、12103、12104、12105を有する。
撮像部12101、12102、12103、12104、12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102、12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図14には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部12031に適用され得る。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、より簡易な構成の撮像部12031を実現できる。
<7.その他の実施の形態>
本技術は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更可能である。
例えば、上記第1実施の形態から第5実施の形態に係る固体撮像装置のうち、2以上の実施の形態に係る固体撮像装置を組み合わせてもよい。
また、本技術は、4層以上の基体を積層した固体撮像装置に適用可能である。
本技術は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更可能である。
例えば、上記第1実施の形態から第5実施の形態に係る固体撮像装置のうち、2以上の実施の形態に係る固体撮像装置を組み合わせてもよい。
また、本技術は、4層以上の基体を積層した固体撮像装置に適用可能である。
本開示では、固体撮像装置は、光電変換素子と、転送トランジスタと、光電変換素子及び転送トランジスタを複数配列した画素と、フローティングディフュージョンと、画素回路と、容量可変回路とを備える。
光電変換素子は、光電変換により光から電荷を生成する。転送トランジスタは、光電変換素子に接続される。フローティングディフュージョンは、画素の複数の光電変換素子にそれぞれ転送トランジスタを介在させて共有接続され、電荷を転送する。画素回路は、フローティングディフュージョンに接続され、電荷を電気信号に変換する。
ここで、容量可変回路は、スイッチと、可変容量とを備える。スイッチは、フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力される。可変容量は、スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される。
容量可変回路では、第1制御信号によるスイッチの導通状態及び非導通状態の制御、並びに第2制御信号による容量値の制御により、3値以上の多数の容量値に変更することができる。このため、十分な容量値の可変量を得ることができるので、変換効率の可変レンジを広げることができる。
光電変換素子は、光電変換により光から電荷を生成する。転送トランジスタは、光電変換素子に接続される。フローティングディフュージョンは、画素の複数の光電変換素子にそれぞれ転送トランジスタを介在させて共有接続され、電荷を転送する。画素回路は、フローティングディフュージョンに接続され、電荷を電気信号に変換する。
ここで、容量可変回路は、スイッチと、可変容量とを備える。スイッチは、フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力される。可変容量は、スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される。
容量可変回路では、第1制御信号によるスイッチの導通状態及び非導通状態の制御、並びに第2制御信号による容量値の制御により、3値以上の多数の容量値に変更することができる。このため、十分な容量値の可変量を得ることができるので、変換効率の可変レンジを広げることができる。
また、固体撮像装置では、容量可変回路の可変容量がpチャネル導電型IGFETにより構成される。
このため、フローティングディフュージョンの電位変動により引き起こされる寄生容量の容量変動に対して、可変容量の容量値は補正する方向に変動する。従って、容量可変回路では、変換効率のリニアリティを保つことができる。
このため、フローティングディフュージョンの電位変動により引き起こされる寄生容量の容量変動に対して、可変容量の容量値は補正する方向に変動する。従って、容量可変回路では、変換効率のリニアリティを保つことができる。
<本技術の構成>
本技術は、以下の構成を備えている。以下の構成を備えることにより、3値以上の多数の容量値に変更することができ、十分な容量値の可変量を得ることができる固体撮像装置を提供することができる。さらに、変換効率のリニアリティを保つことができる固体撮像装置を提供することができる。
(1)光電変換により光から電荷を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子に接続された転送トランジスタと、
前記光電変換素子及び前記転送トランジスタを複数配列した画素と、
前記画素の複数の前記光電変換素子にそれぞれ前記転送トランジスタを介在させて共有接続され、前記電荷を転送するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され、前記電荷を電気信号に変換する画素回路と、
前記フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、前記フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力されるスイッチと、
前記スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、前記電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される可変容量と
を備えている固体撮像装置。
(2)前記スイッチは、前記電荷量が小のとき非導通状態に制御され、前記電荷量が中又は大のとき導通状態に制御され、
前記可変容量は、前記電荷量が小のとき前記容量値を小に制御し、前記電荷量が中のとき前記容量値を中に制御し、前記電荷量が大のとき前記容量値を大に制御する
前記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)前記可変容量は、前記電荷量が中と大との中間のとき前記容量値を中と大との中間に制御する
前記(2)に記載の固体撮像装置。
(4)前記スイッチは、第1導電型の第1絶縁ゲート電界効果トランジスタである
前記(1)から(3)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(5)前記可変容量は、半導体を前記第1電極とし、前記半導体に絶縁体を介在させて形成された金属体を前記第2電極とする金属体-絶縁体-半導体型バリアブルキャパシタンスダイオード構造により構成されている
前記(1)から(4)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(6)前記可変容量は、他の領域から電気的に分離された第1半導体領域を前記第1電極とし、前記第1半導体領域に絶縁体を介在させて形成された第2制御電極を第2電極とし、第3主電極と第4主電極とを短絡させた第2絶縁ゲート電界効果トランジスタにより構成されている
前記(1)から(4)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(7)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、第1導電型とは反対の第2導電型である
前記(6)に記載の固体撮像装置。
(8)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、p型である
前記(6)又は(7)に記載の固体撮像装置。
(9)前記可変容量の前記第1電極と前記第2電極との間に、電気的に並列に接続された容量を更に備えている
前記(1)から(8)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(10)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、前記第2制御電極のゲート幅方向端部を前記第1半導体領域の深さ方向へ延設させたフィン型構造により構成されている
前記(6)から(8)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(11)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2制御電極の側面周囲に沿って延設され、前記第3主電極と前記第4主電極とを短絡させる第1配線と、
前記第2制御電極に対向させて配置され、かつ、前記第2制御電極に電気的に接続され、前記第2電極に前記第2制御信号を入力する第2配線とを更に備えている
前記(6)から(8)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(12)他の領域から電気的に分離された第2半導体領域が前記可変容量の前記第1電極に接続され、第3制御電極が前記第2電極に接続され、第5主電極と第6主電極とが短絡された第3絶縁ゲート電界効果トランジスタを更に備えている
前記(9)に記載の固体撮像装置。
(13)他の領域から電気的に分離された第3半導体領域が前記可変容量の前記第1電極に接続され、第4制御電極に前記電荷量に応じて容量値を制御する第3制御信号が入力され、第7主電極と第8主電極とが短絡された第4絶縁ゲート電界効果トランジスタを更に備えている
前記(1)から(12)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(14)所定の方向に複数配列された前記画素と、
複数の前記画素に共用接続され、前記第1制御信号を転送する第1制御信号配線と、
複数の前記画素に共用接続され、前記第2制御信号を転送する第2制御信号配線と、
複数の前記画素にそれぞれ配設され、前記第1制御信号及び前記第2制御信号の少なくとも一方の入力を選択する画素選択回路とを更に備えている
前記(1)から(13)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(15)前記画素が形成されている第1基体と、
前記第1基体に積層され、前記画素回路が形成されている第2基体とを備え、
前記スイッチ及び前記可変容量は、前記第2基体に形成されている
前記(1)から(14)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
本技術は、以下の構成を備えている。以下の構成を備えることにより、3値以上の多数の容量値に変更することができ、十分な容量値の可変量を得ることができる固体撮像装置を提供することができる。さらに、変換効率のリニアリティを保つことができる固体撮像装置を提供することができる。
(1)光電変換により光から電荷を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子に接続された転送トランジスタと、
前記光電変換素子及び前記転送トランジスタを複数配列した画素と、
前記画素の複数の前記光電変換素子にそれぞれ前記転送トランジスタを介在させて共有接続され、前記電荷を転送するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され、前記電荷を電気信号に変換する画素回路と、
前記フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、前記フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力されるスイッチと、
前記スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、前記電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される可変容量と
を備えている固体撮像装置。
(2)前記スイッチは、前記電荷量が小のとき非導通状態に制御され、前記電荷量が中又は大のとき導通状態に制御され、
前記可変容量は、前記電荷量が小のとき前記容量値を小に制御し、前記電荷量が中のとき前記容量値を中に制御し、前記電荷量が大のとき前記容量値を大に制御する
前記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)前記可変容量は、前記電荷量が中と大との中間のとき前記容量値を中と大との中間に制御する
前記(2)に記載の固体撮像装置。
(4)前記スイッチは、第1導電型の第1絶縁ゲート電界効果トランジスタである
前記(1)から(3)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(5)前記可変容量は、半導体を前記第1電極とし、前記半導体に絶縁体を介在させて形成された金属体を前記第2電極とする金属体-絶縁体-半導体型バリアブルキャパシタンスダイオード構造により構成されている
前記(1)から(4)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(6)前記可変容量は、他の領域から電気的に分離された第1半導体領域を前記第1電極とし、前記第1半導体領域に絶縁体を介在させて形成された第2制御電極を第2電極とし、第3主電極と第4主電極とを短絡させた第2絶縁ゲート電界効果トランジスタにより構成されている
前記(1)から(4)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(7)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、第1導電型とは反対の第2導電型である
前記(6)に記載の固体撮像装置。
(8)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、p型である
前記(6)又は(7)に記載の固体撮像装置。
(9)前記可変容量の前記第1電極と前記第2電極との間に、電気的に並列に接続された容量を更に備えている
前記(1)から(8)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(10)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、前記第2制御電極のゲート幅方向端部を前記第1半導体領域の深さ方向へ延設させたフィン型構造により構成されている
前記(6)から(8)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(11)前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2制御電極の側面周囲に沿って延設され、前記第3主電極と前記第4主電極とを短絡させる第1配線と、
前記第2制御電極に対向させて配置され、かつ、前記第2制御電極に電気的に接続され、前記第2電極に前記第2制御信号を入力する第2配線とを更に備えている
前記(6)から(8)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(12)他の領域から電気的に分離された第2半導体領域が前記可変容量の前記第1電極に接続され、第3制御電極が前記第2電極に接続され、第5主電極と第6主電極とが短絡された第3絶縁ゲート電界効果トランジスタを更に備えている
前記(9)に記載の固体撮像装置。
(13)他の領域から電気的に分離された第3半導体領域が前記可変容量の前記第1電極に接続され、第4制御電極に前記電荷量に応じて容量値を制御する第3制御信号が入力され、第7主電極と第8主電極とが短絡された第4絶縁ゲート電界効果トランジスタを更に備えている
前記(1)から(12)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(14)所定の方向に複数配列された前記画素と、
複数の前記画素に共用接続され、前記第1制御信号を転送する第1制御信号配線と、
複数の前記画素に共用接続され、前記第2制御信号を転送する第2制御信号配線と、
複数の前記画素にそれぞれ配設され、前記第1制御信号及び前記第2制御信号の少なくとも一方の入力を選択する画素選択回路とを更に備えている
前記(1)から(13)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(15)前記画素が形成されている第1基体と、
前記第1基体に積層され、前記画素回路が形成されている第2基体とを備え、
前記スイッチ及び前記可変容量は、前記第2基体に形成されている
前記(1)から(14)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
1…固体撮像装置、10…第1基体、100…画素、101…光電変換素子、102…転送トランジスタ、104…フローティングディフュージョン、11…第1半導体層、12…第1配線層、14…画素分離領域、15、211…素子分離領域、20…第2基体、200…画素回路、201…リセットトランジスタ、202…増幅トランジスタ、203…選択トランジスタ、212、217…半導体領域、213、218…チャネル形成領域、214…ゲート絶縁膜、215…ゲート電極、216、219…主電極、300…容量可変回路、301…スイッチ、302、304、305…可変容量、303…容量。
Claims (15)
- 光電変換により光から電荷を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子に接続された転送トランジスタと、
前記光電変換素子及び前記転送トランジスタを複数配列した画素と、
前記画素の複数の前記光電変換素子にそれぞれ前記転送トランジスタを介在させて共有接続され、前記電荷を転送するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され、前記電荷を電気信号に変換する画素回路と、
前記フローティングディフュージョンに第1主電極が接続され、前記フローティングディフュージョンの電荷量に応じて導通状態及び非導通状態を制御する第1制御信号が第1制御電極に入力されるスイッチと、
前記スイッチの第2主電極に第1電極が接続され、前記電荷量に応じて容量値を制御する第2制御信号が第2電極に入力される可変容量と
を備えている固体撮像装置。 - 前記スイッチは、前記電荷量が小のとき非導通状態に制御され、前記電荷量が中又は大のとき導通状態に制御され、
前記可変容量は、前記電荷量が小のとき前記容量値を小に制御し、前記電荷量が中のとき前記容量値を中に制御し、前記電荷量が大のとき前記容量値を大に制御する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記可変容量は、前記電荷量が中と大との中間のとき前記容量値を中と大との中間に制御する
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記スイッチは、第1導電型の第1絶縁ゲート電界効果トランジスタである
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記可変容量は、半導体を前記第1電極とし、前記半導体に絶縁体を介在させて形成された金属体を前記第2電極とする金属体-絶縁体-半導体型バリアブルキャパシタンスダイオード構造により構成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記可変容量は、他の領域から電気的に分離された第1半導体領域を前記第1電極とし、前記第1半導体領域に絶縁体を介在させて形成された第2制御電極を第2電極とし、第3主電極と第4主電極とを短絡させた第2絶縁ゲート電界効果トランジスタにより構成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、第1導電型とは反対の第2導電型である
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、p型である
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記可変容量の前記第1電極と前記第2電極との間に、電気的に並列に接続された容量を更に備えている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタは、前記第2制御電極のゲート幅方向端部を前記第1半導体領域の深さ方向へ延設させたフィン型構造により構成されている
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記第2絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2制御電極の側面周囲に沿って延設され、前記第3主電極と前記第4主電極とを短絡させる第1配線と、
前記第2制御電極に対向させて配置され、かつ、前記第2制御電極に電気的に接続され、前記第2電極に前記第2制御信号を入力する第2配線とを更に備えている
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 他の領域から電気的に分離された第2半導体領域が前記可変容量の前記第1電極に接続され、第3制御電極が前記第2電極に接続され、第5主電極と第6主電極とが短絡された第3絶縁ゲート電界効果トランジスタを更に備えている
請求項9に記載の固体撮像装置。 - 他の領域から電気的に分離された第3半導体領域が前記可変容量の前記第1電極に接続され、第4制御電極に前記電荷量に応じて容量値を制御する第3制御信号が入力され、第7主電極と第8主電極とが短絡された第4絶縁ゲート電界効果トランジスタを更に備えている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 所定の方向に複数配列された前記画素と、
複数の前記画素に共用接続され、前記第1制御信号を転送する第1制御信号配線と、
複数の前記画素に共用接続され、前記第2制御信号を転送する第2制御信号配線と、
複数の前記画素にそれぞれ配設され、前記第1制御信号及び前記第2制御信号の少なくとも一方の入力を選択する画素選択回路とを更に備えている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記画素が形成されている第1基体と、
前記第1基体に積層され、前記画素回路が形成されている第2基体とを備え、
前記スイッチ及び前記可変容量は、前記第2基体に形成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。
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