JP4449627B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に増幅機能を持つ単位画素を備えた増幅型の固体撮像装置に関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置の開発が活発化している。増幅型固体撮像装置は各画素内に増幅回路の一部が設置されることで画素内の構成要素が増え、センサの最重要要素である光電変換部の大きさを制限する要因となっている。これに対して、画素内の要素の少なくとも一部を複数の画素間で共有する構成も提案されているが、かかる構成は、特に回路の共有化により光電変換部以外の領域を縮小化するためになされたもので、高画質化を図るものとは異なる。

固体撮像装置で高画質化を実現する１つの要素にダイナミックレンジの拡大がある。ダイナミックレンジが広くなると、適正な露光範囲を広くとれるため、暗い場面も明るい場面も同じ条件で適切に撮像することが可能となる。ただし、固体撮像装置で広ダイナミックレンジを実現することは難しいとされている。その理由は、入射光の強度によってセンサの感度を変えることが難しいためである。したがって、従来においては、回路や駆動を工夫するなどして広ダイナミックレンジを実現することが現実的手法となっている。

広ダイナミックレンジを実現する従来技術としては主に３つの手法が知られている。第１の手法は、各々の画素内に高感度のフォトダイオードと低感度のフォトダイオードを設け、各々のフォトダイオードに蓄積した信号電荷を加算して読み出すものである。第２の手法は、信号電荷の蓄積期間を長い時間と短い時間に分割し、長時間の蓄積によって得られた信号電荷と短時間の蓄積によって得られる信号電荷を順に読み出して組み合わせるものである。第３の手法は、下記特許文献１に記載されているように、信号電荷の蓄積期間中に基板電圧を変えることにより、オーバーフロー用のポテンシャル障壁の高さを制御して、フォトダイオードに蓄積可能な電荷量を時系列に変化させるものである。

特開２０００−９２３９５号公報

しかしながら、上記第１の手法では、１つの画素に２つずつフォトダイオードを設ける必要があるため、その分だけ画素サイズが拡大してしまう。また、上記第２の手法では、各々の画素で２回の撮像（信号電荷の蓄積、読み出し）を順に行う必要があるため、動作時間に大幅な遅延が生じてしまう。また、第３の手法では、フォトダイオードの周囲にオーバーフロードレイン構造を設ける必要があるため、その分だけ画素サイズが拡大してしまう。

本発明に係る固体撮像装置は、撮像領域に配置された複数の単位画素が、画素への入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換部と、この光電変換部に蓄積された信号電荷を電荷検出部に転送する一対の転送素子とを備え、一対の転送素子のうち、第１の転送素子は、当該第１の転送素子を含む単位画素内に設けられた電荷検出部に信号電荷を転送し、第２の転送素子は、当該第２の転送素子を含む単位画素に垂直方向で隣り合う次の行の単位画素内に設けられた電荷検出部に信号電荷を転送する構成となっている。

本発明に係る固体撮像装置においては、撮像領域に配置された複数の単位画素にそれぞれ一対の転送素子を設けることにより、垂直方向で隣り合う２つの単位画素の間で電荷検出部を共有するかたちとなる。そのため、垂直方向の任意の行に配列された単位画素内の電荷検出部に対して、垂直方向の双方向から信号電荷を転送することが可能となる。したがって、例えば、垂直方向の各行に配列された単位画素ごとに、信号電荷の蓄積期間を第１の蓄積時間と第２の蓄積時間に区分し、垂直方向で隣り合う２つの単位画素の間で、第１の蓄積時間に蓄積された信号電荷の読み出しタイミングと第２の蓄積時間に蓄積された信号電荷の読み出しタイミングを同じタイミングに設定することにより、蓄積期間内での実効的な飽和信号量を増加させてダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

本発明の固体撮像装置によれば、画素サイズの拡大や動作時間の遅延を招くことなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の構成について、図１の回路図を用いて説明する。図において、単位画素（単位セル）１は、固体撮像装置の撮像領域に行列状に二次元配置されるものである。ここでは、任意の列に配列されたＪ行目の単位画素１と、Ｊ＋１行目に配列された単位画素１だけを示している。Ｊ行目の単位画素１と、Ｊ＋１行目の単位画素は、垂直方向で隣り合わせに配置されるものである。垂直方向の各行に配列された単位画素に対する信号電荷の読み出し（行選択）は、Ｊ−１行目、Ｊ行目、Ｊ＋１行目、Ｊ＋２行目の順序で行われる。各々の単位画素１は、光電変換部となるフォトダイオード２と、一対の転送トランジスタ（転送素子）３，４と、リセットトランジスタ５と、増幅トランジスタ６と、セレクトトランジスタ７とを備えている。各々のトランジスタ３，４，５，６，７はＭＯＳトランジスタによって構成されている。

フォトダイオード２は、当該フォトダイオード２に入射した光を光電変換によって信号電荷に変換するとともに、この信号電荷を蓄積するものである。このフォトダイオード２は、例えば、Ｐ型半導体基板の表層部に埋め込まれたＰ型半導体とＮ型半導体からなる埋め込み型フォトダイオードによって構成されるものである。

一対の転送トランジスタ３，４は、フォトダイオード２で光電変換して蓄積した信号電荷を、電荷検出部となるフローティングディフュージョンＦＤに転送するためのものである。リセットトランジスタ５は、フローティングディフュージョンＦＤの電位を一定のレベルにリセットするためのものである。増幅トランジスタ６は、フローティングディフュージョンＦＤの信号電圧（電圧変化）を増幅して画素信号（信号電流）に変換するためのものである。セレクトトランジスタ７は、増幅トランジスタ６で変換された画素信号を選択的に出力するためのものである。

一対の転送トランジスタ３，４のうち、第１の転送トランジスタ３のゲート電極は第１の垂直読み出し線８に接続され、第２の転送トランジスタ４のゲート電極は第２の垂直読み出し線９に接続されている。第１の転送トランジスタ３のゲート電極には、第１の垂直読み出し線８を通して垂直走査回路（不図示）から第１の垂直読み出しパルスφＶＴ１が印加される。第２の転送トランジスタ４には、第２の垂直読み出し線９を通して垂直走査回路（不図示）から第２の垂直読み出しパルスφＶＴ２が印加される。第１の転送トランジスタ３と第２の転送トランジスタ４は、互いに共通のフォトダイオード２に接続されている。さらに、第１の転送トランジスタ３は、当該第１の転送トランジスタ３を含む単位画素１内に設けられたフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続され、第２の転送トランジスタ４は、当該第２の転送トランジスタ４を含む単位画素１に垂直方向で隣り合う次の行の単位画素１内に設けられたフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続されている。

これにより、第１の転送トランジスタ３は、当該第１の転送トランジスタ３を含む単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに信号電荷を転送し、第２の転送トランジスタ４は、当該第２の転送トランジスタ４を含む単位画素１に垂直方向で隣り合う次の行の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに信号電荷を転送するものとなる。したがって、例えばＪ行目の単位画素１において、フォトダイオード２に蓄積された信号電荷を第１の転送トランジスタ３で転送する場合は、当該信号電荷の転送先がＪ行目の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤとなり、同じフォトダイオード２に蓄積された信号電荷を第２の転送トランジスタ４で転送する場合は、当該信号電荷の転送先がＪ＋１行目の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤとなる。

このことから、第１の転送トランジスタ３による信号電荷の転送先は、当該第１の転送トランジスタ３を含む単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに設定され、第２の転送トランジスタ４による信号電荷の転送先は、当該第２の転送トランジスタ４を含む単位画素１に垂直方向で隣り合う次の行の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに設定されている。具体例として、Ｊ行目の単位画素１に設けられた第１の転送トランジスタ３による信号電荷の転送先は、Ｊ行目の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに設定され、Ｊ行目の単位画素１に設けられた第２の転送トランジスタ４による信号電荷の転送先は、Ｊ＋１行目の単位画素内のフローティングディフュージョンＦＤに設定されている。ちなみに、本明細書では、垂直方向で隣り合う２つの単位画素１の信号電荷を順に読み出す（行選択する）にあたって、先に信号電荷の読み出し対象となる行を「前の行」と記述し、その後に信号電荷の読み出し対象となる行を「次の行」と記述する。

かかる構成により、垂直方向で隣り合う２つの単位画素１は、それぞれの行間でフローティングディフュージョンＦＤを共有するかたちとなる。そのため、任意の行の単位画素１内に設けられたフローティングディフュージョンＦＤに対しては、垂直方向の双方向から信号電荷を転送して読み出すことが可能となる。したがって、例えばＪ行目の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに対しては、図示しないＪ−１行目の単位画素内のフォトダイオードに蓄積した信号電荷と、Ｊ行目の単位画素１内のフォトダイオード２に蓄積した信号電荷の両方を転送することが可能となる。また、Ｊ＋１行目の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤに対しては、Ｊ行目の単位画素１内のフォトダイオード２に蓄積した信号電荷と、Ｊ＋１行目の単位画素１内のフォトダイオード２に蓄積した信号電荷の両方を転送することが可能となる。

リセットトランジスタ５のゲート電極は垂直リセット線１０に接続され、増幅トランジスタ６のゲート電極はフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。また、セレクトトランジスタ７のゲート電極は垂直選択線（行選択線）１１に接続されている。リセットトランジスタ５のゲート電極には、垂直リセット線１０を通して垂直走査回路（不図示）から垂直リセットパルスφＶＲが印加される。増幅トランジスタ６のゲート電極には、垂直選択線１１を通して垂直走査回路（不図示）から垂直選択パルスφＶＳが印加される。また、リセットトランジスタ５はフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続され、セレクトトランジスタ７は増幅トランジスタ６と垂直信号線１２との間に電気的に接続されている。さらに、リセットトランジスタ５と増幅トランジスタ６には、それぞれ電源電圧ＶDD（例えば、３〜４Ｖ）が印加される構成となっている。また、第１の垂直読み出しパルスφＶＴ１、第２の垂直読み出しパルスφＶＴ２、垂直リセットパルスφＶＲ及び垂直選択パルスφＶＳの電圧レベルは、それぞれ接地電圧（０Ｖ）相当の低レベルと電源電圧ＶDD相当の高レベルとの間で切り替えられるようになっている。

次に、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。まず、垂直方向の各行（図例ではＪ−１行、Ｊ行、Ｊ＋１行のみ表示）に配列された単位画素１ごとに所定のタイミングで順に画素のリセット（信号電荷の掃き出し等）を行い、この画素リセット後に信号電荷の蓄積を開始する。また、各行の単位画素１では、フォトダイオード２による信号電荷の蓄積を第１の蓄積時間Ｔ１と第２の蓄積時間Ｔ２の２回に分けて行うとともに、第１の蓄積時間Ｔ１後に１回目の信号電荷の読み出しを行い、第２の蓄積時間Ｔ２後に２回目の信号電荷の読み出しを行う。その際、第１の蓄積時間Ｔ１が第２の蓄積時間Ｔ２よりも長くなるように、各々の蓄積時間Ｔ１，Ｔ２を設定する。

このような条件で固体撮像装置を駆動する場合、Ｊ−１行目の単位画素１に対しては、信号電荷の蓄積を開始してからの経過時間が第１の蓄積時間Ｔ１に達した時点で第１の垂直読み出しパルスφＶＴ１を高レベルに立ち上げる。これにより、Ｊ−１行目の単位画素１内に設けられた第１の転送トランジスタ３が導通状態（オン状態）となる。そのため、Ｊ−１行目の単位画素１においては、第１の蓄積時間Ｔ１内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷が、当該Ｊ−１行目の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。

その後、Ｊ−１行目の単位画素１に対応する第１の垂直読み出しパルスφＶＴ１を低レベルに立ち下げると、そこを起点にフォトダイオード２に再び信号電荷が蓄積されていく。そこで、Ｊ行目の単位画素１に対応する第１の垂直読み出し線８に高レベルの第１の垂直読み出しパルスφＶＴ１を出力するタイミングと同じタイミングで、Ｊ−１行目の単位画素１に対応する第２の垂直読み出し線９に高レベルの第２の垂直読み出しパルスφＶＴ２を出力する。つまり、垂直方向で隣り合う２つの単位画素１の間で、第１の蓄積時間Ｔ１に蓄積された信号電荷の読み出しタイミングと第２の蓄積時間Ｔ２に蓄積された信号電荷の読み出しタイミングを同じタイミングに設定し、この設定タイミングにしたがって各行に対応する垂直読み出し線８，９にそれぞれ垂直読み出しパルスφＶＴ１，φＶＴ２を同時に出力する。

これにより、Ｊ−１行目の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４と、Ｊ行目の単位画素１内に設けられた第１の転送トランジスタ３が、共に導通状態となる。そのため、Ｊ−１行目の単位画素１においては、第２の蓄積時間Ｔ２内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷が、Ｊ行目の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。また、Ｊ行目の単位画素１においては、第１の蓄積時間Ｔ１内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷が、当該Ｊ行目の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。

したがって、Ｊ行目の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤに対しては、図３（Ａ）に示すように、当該Ｊ行目の単位画素１で第１の蓄積時間Ｔ１内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷Ｅ１と、Ｊ−１行目の単位画素１で第２の蓄積時間Ｔ２内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷Ｅ２が一緒（同時）に読み出される。また、これと同様の原理で、Ｊ＋１行目の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤに対しては、図３（Ｂ）に示すように、当該Ｊ＋１行目の単位画素１で第１の蓄積時間Ｔ１内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷Ｅ１と、Ｊ行目の単位画素で第２の蓄積時間Ｔ２内にフォトダイオード２に蓄積された信号電荷Ｅ２が一緒に読み出される。

その結果、各行の単位画素１では、第１の蓄積時間Ｔ１に基づく長時間蓄積と第２の蓄積時間Ｔ２に基づく短時間蓄積が１回目の信号電荷の読み出しを挟んで順に行われるとともに、垂直方向で隣り合う２つの単位画素１の間で、長時間蓄積によって得られた長時間蓄積信号と短時間蓄積によって得られた短時間蓄積信号が加算して読み出される。そのため、入射光量と信号出力レベルとの関係は、図４の実線で示すように、入射光量が所定量（単一のフォトダイオードの飽和信号量に対応する量）に達するまでは長時間蓄積によるセンサ感度が得られ、入射光量が所定量を超えると短時間蓄積によるセンサ感度が上乗せされる。したがって、従来のように１つの単位画素１に２つのフォトダイオード（高感度フォトダイオード、低感度フォトダイオード）を設けなくても、１蓄積期間内での実効的な飽和信号量を増加させてダイナミックレンジを拡大することができる。また、ダイナミックレンジ拡大のための短時間蓄積は、垂直方向で隣り合う次の行の長時間蓄積（第１の蓄積時間Ｔ１）と並行して行われるため、実質的に１回の撮像と同様の動作時間でダイナミックレンジを拡大することができる。したがって、従来のような２回の撮像方式（任意の行の単位画素で２回ずつ蓄積と読み出しを行ってから、次の行の単位画素でも２回ずつ蓄積と読み出しを行う方式）による動作時間の遅延も発生しない。

ところで、固体撮像装置を用いて構成されるイメージセンサの中には、白黒イメージセンサ、３板式カラーイメージセンサ、単板式カラーイメージセンサなどがある。白黒イメージセンサや３板式カラーイメージセンサのように垂直方向で隣り合う単位画素１が互いに同じ分光特性を有するイメージセンサの場合は、上述のように２つの単位画素１のフォトダイオード２で蓄積した信号電荷を共通のフローティングディフュージョンＦＤに読み出して加算してもよいが、例えばベイヤ配列のカラーフィルタを有する単板式カラーイメージセンサのように垂直方向で隣り合う単位画素１が互いに異なる分光特性を有するイメージセンサの場合は、信号電荷の加算によって混色の問題が発生する。

そこで、本発明の第２実施形態においては、上記図１とほぼ同様の回路構成を有する図５の固体撮像装置において、各々の単位画素１に設けられた一対の転送トランジスタ３，４のうち、第１の転送トランジスタ３は、当該第１の転送トランジスタ３を含む単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の読み出しに使用し、他方の転送トランジスタ４は、当該第２の転送トランジスタ４を含む単位画素１に隣り合う次の行の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷のオーバーフロー制御に使用する構成となっている。かかる構成においては、オーバーフロー動作を行う第２の転送トランジスタ４のゲート電極に対して、図示しない垂直走査回路からオーバーフロー制御線１３を通してオーバーフロー制御電圧ＶOFが印加される。オーバーフロー制御電圧ＶOFは低ベルトと高レベルとの間で切り替えられる。オーバーフロー制御電圧ＶOFの低レベルは接地電圧（０Ｖ）相当に設定され、オーバーフロー制御電圧ＶOFの高レベルは接地電圧と電源電圧ＶDDとの間の中間電圧に設定される。

上記構成からなる固体撮像装置においては、垂直方向の各行に配列された単位画素１ごとに、画素のリセット、信号電荷の蓄積、信号電荷の読み出し（転送）を順に行うとともに、画素リセット後の蓄積期間を第１の蓄積時間Ｔ１と第２の蓄積時間Ｔ２に区分する。その際、第１の蓄積時間Ｔ１が第２の蓄積時間Ｔ２よりも長くなるように、各々の蓄積時間Ｔ１，Ｔ２を設定する。また、第１の蓄積時間Ｔ１と第２の蓄積時間Ｔ２を加算した時間が蓄積期間と一致するように、当該蓄積期間を二分する。また、任意の行の単位画素１でフォトダイオード２に信号電荷を蓄積している間は、これに隣り合う次の行の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤをリセット状態（垂直リセットパルスφＶＲを高レベルに立ち上げた状態）に保持することにより、当該フローティングディフュージョンＦＤをオーバーフロードレインとして使用する。

そして、第１の蓄積時間Ｔ１においては、第１の転送トランジスタ３のゲート電極に低レベルの垂直転送パルスφＶＴ１を印加した状態状態で、第２の転送トランジスタ４のゲート電極に高レベルのオーバーフロー制御電圧ＶOFを印加する。そうすると、図６に示すように、フォトダイオード２の電荷蓄積領域を挟む一対の転送トランジスタ３，４のゲート電極３Ｇ，４Ｇ下にそれぞれポテンシャル障壁が形成されるとともに、第１の転送トランジスタ３側のポテンシャル障壁の高さに比較して、第２の転送トランジスタ４側のポテンシャル障壁の高さが低い状態となる。そのため、光電変換によってフォトダイオード２に蓄積された信号電荷の量が所定量を超えると、そこから溢れ出た過剰な信号電荷が第２の転送トランジスタ４側のポテンシャル障壁を乗り越えて隣の単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤに流れ込む。そのため、第１の蓄積時間Ｔ１では、フォトダイオード２に蓄積可能な電荷量が、第２の転送トランジスタ４によるオーバーフロー動作によって制限される。

一方、第２の蓄積時間Ｔ２においては、上記同様に第１の転送トランジスタ３のゲート電極に低レベルの垂直転送パルスφＶＴ１を印加した状態で、第２の転送トランジスタ４のゲート電極４Ｇに低レベルのオーバーフロー制御電圧ＶOFを印加する。つまり、第１の蓄積時間Ｔ１から第２の蓄積時間Ｔ２に移行すると同時に、オーバーフロー制御電圧ＶOFの電位レベルを高レベルから低レベルに切り替える。そうすると、オーバーフロー制御電圧ＶOFの電位レベルの低下に伴って、図７に示すように、第２の転送トランジスタ４のゲート電極４Ｇ下のポテンシャル障壁が先程よりも高くなる。そのため、第２の蓄積時間Ｔ２では、第１の蓄積時間Ｔ１に比較してフォトダイオード２に蓄積可能な電荷量が増加する。

また、信号電荷の蓄積期間が終了すると、オーバーフロー制御電圧ＶOFを低レベルに保持した状態で、第１の転送トランジスタ３のゲート電極３Ｇに印加する垂直読み出しパルスφＶＴ１を高レベルに立ち上げる。そうすると、第１の転送トランジスタ３のゲート電極３Ｇに電源電圧ＶDD相当の電圧が印加されるため、図８に示すように、第１の転送トランジスタ３のゲート電極３Ｇ下のポテンシャルがフォトダイオード２のポテンシャルよりも低くなる。そのため、蓄積期間（第１の蓄積時間Ｔ１＋第２の蓄積時間Ｔ２）内にフォトダイオード２に蓄積された全ての信号電荷が第１の転送トランジスタ３を通してフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。

このように本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置においては、垂直方向の各行に配列された単位画素１ごとに、垂直方向で隣り合う次の行の単位画素１内のフローティングディフュージョンＦＤをオーバーフロードレインとして、フォトダイオード２からの過剰な信号電荷のオーバーフロー動作を第２の転送トランジスタ４によって行うとともに、蓄積期間の大部分を占める第１の蓄積時間Ｔ１ではオーバーフロー用のポテンシャル障壁を低い状態に保持して長時間の露光により信号電荷をフォトダイオード２に蓄積し、蓄積期間の最後の部分を占める第２の蓄積時間Ｔ２ではオーバーフロー制御用のポテンシャル障壁を高い状態にして短時間の露光により信号電荷をフォトダイオード２に蓄積するように制御するため、第１の蓄積時間Ｔ１内でオーバーフローが発生しても、第１の蓄積時間Ｔ１内で蓄積された信号電荷に、第２の蓄積時間２内で蓄積された信号電荷を加算して読み出すことができる。したがって、入射光量と信号出力レベルとの関係は上記第１実施形態の場合と同様（図４参照）のものとなるため、実効的な飽和信号量を増加させてダイナミックレンジを拡大することができる。

また、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置では、垂直方向で隣り合う単位画素１の信号電荷を加算することなく、各々の単位画素１の信号電荷を独立に読み出すため、単板式カラーイメージセンサなどに適用した場合の混色の問題を回避することができる。また、第２の転送トランジスタ４のゲートをオーバーフロードレインゲートとし、隣接する単位画素１のフローティングディフュージョンＦＤをオーバーフロードレインとして利用するため、フォトダイオード２の周辺に別途、オーバーフロードレイン構造を設ける必要がなくなる。そのため、固体撮像装置の撮像領域の面積を縮小することが可能となる。さらに、オーバーフロー制御用のポテンシャル障壁の高さを第２の転送トランジスタ４のゲート電圧を変えて制御するため、消費電力を小さく抑えることができる。

図９は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略図である。この第３実施形態に係る固体撮像装置は、上記第２実施形態と同様の回路構成（図５参照）を有するもので、特に、単位画素１の構造に特徴がある。すなわち、フォトダイオードＰＤの両側には、第１の転送トランジスタ３のゲート電極に相当する転送ゲートＴＲＧと、第２の転送トランジスタ４のゲート電極に相当するオーバーフロードレインゲートＯＦＤＧが設けられている。転送ゲートＴＲＧはフォトダイオードＰＤと第１のフローティングディフュージョンＦＤ１との間に設けられ、オーバーフロードレインゲートＯＦＤＧはフォトダイオードＰＤと第２のフローティングディフュージョンＦＤ２との間に設けられている。この場合、フローティングディフュージョンＦＤ１、転送ゲートＴＲＧ、フォトダイオードＰＤ、オーバーフロードレインゲートＯＦＤＧは、それぞれ共通の単位画素内に設けられるもので、フローティングディフュージョンＦＤ２は、上記共通の単位画素に対して垂直方向で隣り合う次の行の単位画素内に設けられるものである。

また、基板の平面方向において、フォトダイオードＰＤと転送ゲートＴＲＧは隙間なく隣接して配置され、フォトダイオードＰＤとオーバーフロードレインゲートＯＦＤＧとの間にはオーバーフロー障壁形成のための隙間領域ＧＡが設けられている。隙間領域ＧＡは、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域を形成する半導体と異なる導電型の半導体によって構成されるものである。例えば、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域をＮ型半導体で形成している場合は、これと異なるＰ型半導体で隙間領域ＧＡを構成する。具体的には、隙間領域ＧＡに所望の導電型の不純物を導入（拡散、注入等）することにより、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域と導電型の異なる半導体領域を形成する。

上記構成からなる固体撮像装置においては、垂直方向の各行に配列された単位画素１ごとに、上記第２実施形態と同様の動作によって信号電荷の読み出しを行う。ただし、第１の蓄積時間Ｔ１においては、第２の転送トランジスタ４のゲート電極４Ｇに対して、電源電圧ＶDD相当に設定された高レベルのオーバーフロー制御電圧ＶOFを印加する。そうすると、図１０に示すように、第２の転送トランジスタ４のゲート電極４Ｇ下のポテンシャルが、当該ゲート電極４Ｇに隣接する第２のフローティングディフュージョンＦＤ２のポテンシャルに近いレベルまで低くなり、その影響で隙間領域ＧＡのポテンシャルも下がる。

このとき、隙間領域ＧＡのポテンシャル障壁の高さは、隙間領域ＧＡの幅Ｗや不純物濃度に依存したものとなる。すなわち、隙間領域ＧＡの幅Ｗを広くしたり不純物濃度を高くしたりすると、隙間領域ＧＡに形成されるポテンシャル障壁が高くなり、隙間領域ＧＡの幅Ｗを狭くしたり不純物濃度を低くしたりすると、隙間領域ＧＡに形成されるポテンシャル障壁が低くなる。そのため、第２の転送トランジスタ４のゲート電極Ｇ４に電源電圧ＶDD相当のオーバーフロー制御電圧ＶOFを印加したときには、隙間領域ＧＡに形成されるポテンシャル障壁の高さが、第１の転送トランジスタ３のゲート電極３Ｇ下に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低くなるように、隙間領域ＧＡの幅Ｗや不純物濃度を設定しておく。

これにより、第１の蓄積時間Ｔ１では、光電変換によってフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷の量が所定量を超えたときに、そこから溢れ出た過剰な信号電荷が隙間領域ＧＡのポテンシャル障壁を乗り越えて第２のフローティングディフュージョンＦＤ２（垂直方向で隣り合う次の行の単位画素１のフローティングディフュージョン）に流れ込むようになる。また、第２の蓄積時間Ｔ２では、第２の転送トランジスタ４のゲート電極４Ｇに低レベル（接地電圧相当）のオーバーフロー制御電圧ＶOFを印加することにより、隙間領域ＧＡのポテンシャル障壁が第１の蓄積時間Ｔ１よりも高くなる。そのため、第２の蓄積時間Ｔ２では、第１の蓄積時間Ｔ１に比較してフォトダイオードＰＤに蓄積可能な電荷量が増加する。よって、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、オーバーフロー制御電圧ＶOFを他のパルス信号（φＶＴ１，φＶＲ，φＶＳ）と同様に接地電圧（０Ｖ）相当の低ベルトと電源電圧ＶDD相当の高レベルとの間で切り替えることが可能になるため、印加電圧種の増加による電圧発生回路の付加や消費電力の増大を回避することができる。

図１１は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。この第４実施形態は、上記第３実施形態の応用例に相当するもので、特に、垂直方向で隣り合う２つの単位画素１間の配線構造に特徴がある。すなわち、各々の単位画素１において、垂直方向で隣り合う２つの単位画素１のうち、前の行の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４のゲート電極を、次の行の単位画素１に対応する垂直リセット線１０に電気的に接続した構成となっている。これにより、前の行の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４のゲート電極と、次の行の単位画素１内に設けられた垂直リセットトランジスタ５のゲート電極も電気的に接続された状態となる。

したがって、任意の行の単位画素１に対応する垂直リセット線１０に垂直リセットパルスφＶＲを出力すると、その垂直リセット線１０を通して、前の行の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４のゲート電極と、次の行の単位画素１内に設けられたリセットトランジスタ５のゲート電極に、共通の垂直リセットパルスφＶＲが同時に印加される。具体例として、Ｊ＋１行目の単位画素１に対応する垂直リセット線１０に垂直リセットパルスφＶＲを出力すると、この垂直リセットパルスφＶＲが、Ｊ行目の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４のゲート電極と、Ｊ＋１行目の単位画素１内に設けられたリセットトランジスタ５のゲート電極に同時に印加される。

上記構成からなる固体撮像装置においては、上記第２実施形態及び第３実施形態と同様に、垂直方向の各行に配列された単位画素１ごとに、信号電荷の蓄積を第１の蓄積時間Ｔ１と第２の蓄積時間Ｔ２に分けて行う場合に、垂直方向で隣り合う次の行（以下、「隣行」とも記す）の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲのレベルを図１２のように切り替え制御する。すなわち、第１の蓄積時間Ｔ１では、隣行の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲを高レベル（電源電圧ＶDD相当）に保持し、第２の蓄積時間Ｔ２では、隣行の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲを低レベル（接地電圧相当）に保持する。この場合、各行の単位画素１がセレクトトランジスタ７を備えた構成となっているため、第１の蓄積時間Ｔ１において、隣行の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲを高レベルに保持しても何ら問題はない。

これにより、例えば、Ｊ行目の単位画素１で信号電荷の蓄積を行う場合に、第１の蓄積時間Ｔ１では、Ｊ＋１行目の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲが高レベルに保持されることで、Ｊ行目の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４のゲート電極に高レベルの垂直リセットパルスφＶＲが印加される。そのため、Ｊ行目の単位画素１内では、第２の転送トランジスタ４がオン状態となって、そのゲート電極下のポテンシャル障壁が低い状態に保持される。

一方、第２の蓄積置換Ｔ２では、Ｊ＋１行目の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲが低レベルに保持されることで、Ｊ行目の単位画素１内に設けられた第２の転送トランジスタ４のゲート電極に低レベルの垂直リセットパルスφＶＲが印加される。そのため、Ｊ行目の単位画素１内では、第２の転送トランジスタ４がオフ状態となって、そのゲート電極下のポテンシャル障壁が高い状態に保持される。

これにより、第１の蓄積時間Ｔ１と第２の蓄積時間Ｔ２からなる信号電荷の蓄積期間内で、オーバーフロー制御用のポテンシャル障壁の高さを上記第３実施形態と同様に切り替え制御することができる。また、隣行の単位画素１に対応する垂直リセットパルスφＶＲを、その１つ前の行の単位画素１でオーバーフロー制御用の駆動パルスとして兼用することができる。そのため、オーバーフロー制御用の配線（図５に示すオーバーフロー制御線１３）が不要となる。その結果、固体撮像装置の撮像領域で配線量を削減し、各々の単位画素１で入射光に対するセンサ開口率を高めることが可能となる。

なお、本発明は、１チップの固体撮像装置に限定されるものではなく、撮像を担うチップとは別の信号処理チップや、光学系を含むモジュールタイプの固体撮像装置にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の電荷読み出し方式を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置を用いた場合の入射光量と信号出力レベルとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するポテンシャル図（その１）である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するポテンシャル図（その２）である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するポテンシャル図（その３）である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するポテンシャル図である。 本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。 本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１…単位画素、２…フォトダイオード、３…第１の転送トランジスタ、４…第２の転送トランジスタ、５…リセットトランジスタ、６…増幅トランジスタ、７…セレクトトランジスタ、８…第１の垂直読み出し線、９…第２の垂直読み出し線、１０…垂直リセット線、１１…垂直選択線、１２…垂直信号線、１３…オーバーフロー制御線、ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＧＡ…隙間領域、Ｔ１…第１の蓄積時間、Ｔ２…第２の蓄積時間

Claims (8)

1. 撮像領域に配置された複数の単位画素が、画素への入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を電荷検出部に転送する一対の転送素子とを備え、
   前記一対の転送素子のうち、第１の転送素子は、当該第１の転送素子を含む単位画素内に設けられた電荷検出部に信号電荷を転送し、第２の転送素子は、当該第２の転送素子を含む単位画素に垂直方向で隣り合う次の行の単位画素内に設けられた電荷検出部に信号電荷を転送する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 垂直方向の各行に配列された単位画素ごとに、信号電荷の蓄積期間を第１の蓄積時間と第２の蓄積時間に区分し、
   垂直方向で隣り合う２つの単位画素の間で、前記第１の蓄積時間に蓄積された信号電荷の読み出しタイミングと前記第２の蓄積時間に蓄積された信号電荷の読み出しタイミングを同じタイミングに設定してなる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 垂直方向の各行に配列された単位画素ごとに、信号電荷の蓄積期間を第１の蓄積時間と第２の蓄積時間に区分し、
   前記第２の転送素子は、前記垂直方向で隣り合う次の行の単位画素内に設けられた電荷検出部をオーバーフロードレインとして、前記光電変換部からの過剰な信号電荷のオーバーフロー動作を行うとともに、前記光電変換部と前記オーバーフロードレインとの間のポテンシャル障壁の高さを前記第１の蓄積時間と前記第２の蓄積時間で切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の蓄積時間を前記第２の蓄積時間よりも長く設定してなる
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 前記第１の蓄積時間を前記第２の蓄積時間よりも長く設定してなる
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
6. 前記第２の転送素子は、前記第１の蓄積時間よりも前記第２の蓄積時間の方が高くなるように、前記ポテンシャル障壁の高さを切り替える
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
7. 垂直方向で隣り合う２つの単位画素の間でかつ前記光電変換部と前記第２の転送素子のゲート電極との間に隙間領域を設けるとともに、前記光電変換部の電荷蓄積領域を形成する半導体と異なる導電型の半導体で前記隙間領域を構成してなる
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
8. 垂直方向で隣り合う２つの単位画素の間で、前の行の単位画素内に設けられた前記第２の転送素子のゲート電極を、次の行の単位画素に対応する垂直リセット線に接続してなる
   ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
   
   
   

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