JP5066704B2 - 固体撮像装置、および固体撮像装置の動作方法 - Google Patents
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Description
しながら蓄積および出力することで、広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図1に、概略断面図を図2に、概略平面図を図3に示す。
本実施形態は、第1の実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の他の動作方法にもとづく実施形態である。本実施形態の固体撮像装置の構成は図1から図4で説明される第1の実施形態の固体撮像装置と同様である。ただし第1の蓄積トランジスタCaおよび第2の蓄積トランジスタCbの閾値電圧は転送トランジスタTの閾値電圧よりも低くしておく。
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図10に、概略断面図を図11に示す。概略平面図は第1実施形態の図3と同様である。
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図14に、概略断面図を図15−1,図15−2に、概略平面図を図16に示す。
本実施形態は、第1から第4の実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の他のブロック図と動作方法にもとづく実施形態である。本実施形態の固体撮像装置の画素の構成は第1から第4の実施形態で説明される固体撮像装置と同様である。
本発明の固体撮像装置において、画素サイズ20um角、フローティングディフュージョン容量CFD=3.4fF、第1の蓄積容量CSa=73fF、第2の蓄積容量CSb=3700fFをもつ固体撮像素子を作成し、その光電変換特性とダイナミックレンジ特性を求めた。各蓄積容量はMOS容量とポリシリコン−ポリシリコン容量の並列容量で構成した。
本発明の固体撮像装置において、トレンチ型蓄積容量素子を適用して、画素サイズ10um角、フローティングディフュージョン容量CFD=3.4fF、第1の蓄積容量CSa=148fF、第2の蓄積容量CSb=15pFをもつ固体撮像素子を作成し、その光電変換特性とダイナミックレンジ特性を求めた。
2 転送トランジスタ
3 フローティングディフュージョン
4 第1蓄積容量
5 第2蓄積容量
6 リセットトランジスタ
7 第1蓄積トランジスタ
8 第2蓄積トランジスタ
9 増幅トランジスタ
10 選択トランジスタ
11 転送トランジスタの駆動ライン
12 第1蓄積トランジスタの駆動ライン
13 第2蓄積トランジスタの駆動ライン
14 リセットトランジスタの駆動ライン
15 選択トランジスタの駆動ライン
16 画素出力ライン
17 オーバーフローゲート
18 p+型半導体領域
20 n型シリコン半導体基板
21 p型ウェル
22 n型半導体領域
23 p+型半導体領域
24,25,26 n+型半導体領域
30,31,32,33 画素アレイ
34 行シフトレジスタ
35 列シフトレジスタ
36 信号およびノイズホールド回路
37 出力回路
38,38’ 垂直信号線
39 水平信号線
Ca 第1蓄積トランジスタ
Cb 第2蓄積トランジスタ
FD フローティングディフュージョン
HSR 列シフトレジスタ
LO オーバーフローゲート
LT 光
PD フォトダイオード
R リセットトランジスタ
VSR 行シフトレジスタ
X 選択トランジスタ
Claims (18)
- 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第1および第2の蓄積容量素子を少なくとも含む複数の蓄積容量素子と、
前記複数の蓄積容量素子を互いに接続する蓄積ゲート手段と、
前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域とを有し、
更に、前記フローティング領域または前記第1および第2の蓄積容量素子の少なくとも1つに接続され前記第1および第2の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域と前記第1および第2の蓄積容量素子の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、をさらに有する固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートに接続された第1の蓄積ゲートと、前記第1の蓄積ゲートに接続されるとともに蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第1の蓄積容量素子と、
前記第1の蓄積容量素子に第2の蓄積ゲートを介して接続される第2の蓄積容量素子と、
前記転送ゲートを介して光電荷が転送されるフローティング領域と、を有し、
前記フローティング領域または前記第1および第2の蓄積容量素子の少なくとも1つに接続され前記第1および第2の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域と前記第1および第2の蓄積容量素子の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、をさらに有する固体撮像装置。 - 前記第2の蓄積容量素子は、前記第1の蓄積容量素子よりも大きな容量を有する、請求項1または2に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の蓄積容量素子はすべて同じ容量を有する、請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
- 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートに接続された第1の蓄積ゲートと、
前記第1の蓄積ゲートに接続されるとともに蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第1の蓄積容量素子と、
前記第1の蓄積容量素子に第2の蓄積ゲートを介して接続される第2の蓄積容量素子と、
前記転送ゲートを介して光電荷が転送されるフローティング領域と、を有し、
前記フローティング領域、前記第1の蓄積容量素子、および前記第2の蓄積容量素子の1つまたは複数から得られた電圧信号と、
前記フローティング領域に前記フォトダイオードからの前記光電荷を転送するとともに前記第1の蓄積ゲートおよび前記第2の蓄積ゲートのうちの少なくとも1つをオンとして、前記フローティング領域、前記第1の蓄積容量素子、および前記第2の蓄積容量素子の1つまたは複数に転送された光電荷から得られた電圧信号と、の差分を取るノイズキャンセル手段を、さらに有する固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、前記転送トランジスタに接続される第1の蓄積トランジスタと、前記第1の蓄積トランジスタに接続されるとともに蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第1の蓄積容量素子と、前記第1の蓄積容量素子からあふれる光電荷を転送する第2の蓄積トランジスタと、前記第1の蓄積容量素子からあふれる光電荷を前記第2の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第2の蓄積容量素子と、を少なくとも有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置の動作方法であって、
電荷蓄積前において、前記第1および第2の蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティング領域および前記第1および第2の蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、
前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードからあふれる過飽和電荷を少なくとも前記第1の蓄積容量素子において蓄積する工程と、
前記第1の蓄積トランジスタをオフとして、前記フローティング領域内の光電荷を排出する工程と、
前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティング領域に転送し、前記飽和前電荷の電圧信号を示す飽和前信号を読み出す工程と、
前記第1の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷との和の電圧信号を示す第1の過飽和信号を読み出す工程と、
前記第2の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷と前記第1の蓄積容量素子からあふれた過飽和電荷との和の電圧信号を示す第2の過飽和信号を読み出す工程と、
を有する固体撮像装置の動作方法。 - 前記飽和前信号と、前記第1の過飽和信号と、前記第2の過飽和信号との少なくともいずれか一つを所定の基準電圧との比較によって選択する出力信号選択工程をさらに有する請求項6に記載の固体撮像装置の動作方法。
- 前記出力信号選択工程は、前記飽和前信号が第1の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第1の過飽和信号を選択し、前記第1の過飽和信号が第2の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第2の過飽和信号を選択する、請求項7に記載の固体撮像装置の動作方法。
- 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、
前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、
前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、を備え、
前記フローティング領域または前記複数の蓄積容量素子の少なくとも1つに接続され前記複数の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域と前記複数の蓄積容量素子の少なくとも一つとの信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、をさらに有する固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、
前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を順次蓄積する第1および第2の蓄積容量素子と、
前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されると共に、前記第1の蓄積容量素子に第1の蓄積トランジスタを介して接続されたフローティング領域と、
前記第1および第2の蓄積容量素子間に設けられた第2の蓄積トランジスタと、
を備え、
前記フローティング領域または前記第1および第2の蓄積容量素子の少なくとも1つに接続され前記第1および第2の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域と前記第1および第2の蓄積容量素子の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、をさらに有する固体撮像装置。 - 前記オーバーフローゲートはMOS型トランジスタまたは接合型トランジスタからなる請求項9または10に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の蓄積容量素子はすべて同じ容量を有する、請求項9に記載の固体撮像装置。
- 前記第2の蓄積容量素子は、前記第1の蓄積容量素子よりも大きな容量を有する、請求項10に記載の固体撮像装置。
- 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を前記オーバーフローゲートを通じて蓄積する第1の蓄積容量素子と、前記第1の蓄積容量素子からあふれる光電荷を転送する第1の蓄積トランジスタと、前記第1の蓄積容量素子からあふれる光電荷を前記第1の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第2の蓄積容量素子と、前記フローティング領域と前記第1の蓄積容量素子の間に接続された第2の蓄積トランジスタと、を少なくとも有する固体撮像装置の動作方法であって、
電荷蓄積前において、前記第1の蓄積トランジスタおよび前記第2の蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティング領域および前記第1および第2の蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、
前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードからあふれる過飽和電荷を前記オーバーフローゲートを介して前記第1の蓄積容量素子において蓄積する工程と、
前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティング領域に転送し、前記飽和前電荷の電圧信号を示す飽和前信号を読み出す工程と、
前記第2の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷との和の電圧信号を示す第1の過飽和信号を読み出す工程と、
前記第1の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷と前記第1の蓄積容量素子からあふれた過飽和電荷との和の電圧信号を示す第2の過飽和信号を読み出す工程と、
を有する固体撮像装置の動作方法。 - 前記飽和前信号と、前記第1の過飽和信号と、前記第2の過飽和信号との少なくともいずれか一つを所定の基準電圧との比較によって選択する出力信号選択工程をさらに有する請求項14に記載の固体撮像装置の動作方法。
- 前記出力信号選択工程は、前記飽和前信号が第1の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第1の過飽和信号を選択し、前記第1の過飽和信号が第2の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第2の過飽和信号を選択する、請求項14に記載の固体撮像装置の動作方法。
- 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
フローティング領域と、
前記フォトダイオードと前記フローティング領域との間に接続され、前記光電荷を前記フロ−ティング領域に転送する転送トランジスタと、
第1の蓄積容量素子と、
第2の蓄積容量素子と、
前記フローティング領域と前記第1の蓄積容量素子との間に接続された第1の蓄積トランジスタと、
前記第1の蓄積容量素子と前記第2の蓄積容量素子との間に接続された第2の蓄積トランジスタと、を有し、
前記第1の蓄積容量素子は、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れた光電荷を蓄積し、
前記第2の蓄積容量素子は、前記フォトダイオードの蓄積期間において前記フォトダイオードから溢れかつ前記第1の蓄積容量素子からも溢れた光電荷を蓄積し、
前記フォトダイオードの蓄積期間に続く転送期間において、前記転送トランジスタはオンとなり、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記フローティング領域に転送して前記フローティング領域に蓄積させ、
前記第1の蓄積トランジスタは、前記転送期間より後の期間においてオンとなり、前記第1の蓄積容量素子に蓄積されていた前記溢れた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させ、
前記第2の蓄積トランジスタは、前記第1の蓄積トランジスタがオンした期間後の期間においてオンとなり、前記第2の蓄積容量素子に蓄積されていた前記溢れた電荷と前記第1の蓄積容量素子に蓄積されていた前記溢れた電荷と前記フローティング領域に蓄積されていた電荷とを混合させることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記フォトダイオードと前記第1の蓄積容量素子との間に接続され、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記第1の蓄積容量素子に蓄積するオーバーフローゲートを更に有する、
請求項17に記載された固体撮像装置。
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