【手続補正書】
【提出日】平成16年3月3日(2004.3.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】ブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法とその固体撮像素子
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法であって、
各画素部の電荷蓄積部から蓄積電荷を排出させるリセット動作を制御するためのリセットゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるようにリセットゲート電圧駆動を行うことで、各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにした、
ことを特徴とする固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法。
【請求項２】
前記リセットゲート電圧駆動は、各画素部の前記リセットゲートに印加する電圧を、その画素部にリセット動作を行わせる第１電圧と、その画素部のオーバーフローレベルをブルーミング防止のためのレベルより低いレベルに設定する第２電圧と、その画素部のオーバーフローレベルをブルーミング防止のためのレベルに設定する第３電圧との間で３値駆動して、その画素部の電荷蓄積期間の開始時に前記第１電圧とし、その直後に前記第２電圧とし、その電荷蓄積期間の途中で前記第３電圧とすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法。
【請求項３】
各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法であって、
各画素部の電荷蓄積部からフローティングディフュージョン部へ蓄積電荷を送り込む転送動作を制御するための転送ゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるように転送ゲート電圧駆動を行うことで、各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにした、
ことを特徴とする固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法。
【請求項４】
前記転送ゲート電圧駆動は、各画素部の前記転送ゲートに印加する電圧を、その画素部に転送動作を行わせる第１電圧と、その画素部のオーバーフローレベルをブルーミング防止のためのレベルより低いレベルに設定する第２電圧と、その画素部のオーバーフローレベルをブルーミング防止のためのレベルに設定する第３電圧との間で３値駆動して、その画素部の電荷蓄積期間の開始時に前記第１電圧とし、その直後に前記第２電圧とし、その電荷蓄積期間の途中で前記第３電圧とすることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法。
【請求項５】
各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法であって、
各画素部のバイアスゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるようにバイアスゲート電圧駆動を行うことで、各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにした、
ことを特徴とする固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法。
【請求項６】
前記バイアスゲート電圧駆動は、各画素部の前記バイアスゲートに印加する電圧を、その画素部のオーバーフローレベルをブルーミング防止のためのレベルより低いレベルに設定する第１電圧と、その画素部のオーバーフローレベルをブルーミング防止のためのレベルに設定する第２電圧との間で２値駆動して、その画素部の電荷蓄積期間の開始時に前記第１電圧とし、その電荷蓄積期間の途中で前記第２電圧とすることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法。
【請求項７】
光電変換によって電荷を生成するフォトダイオード部と、
前記フォトダイオード部からリセットドレインへ前記電荷を排出するリセットゲート部とを有し、
前記リセットゲート部は、前記フォトダイオード部の電荷蓄積期間において少なくとも２種類のゲート電位を持ち、
前記２種類のゲート電位のうちの第１ゲート電位によって第１オーバーフローレベルを設定し、第２ゲート電位によって前記第１オーバーフローレベルよりも高いレベルの第２オーバーフローレベルを設定することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項８】
光電変換によって電荷を生成するフォトダイオード部と、
前記フォトダイオード部から前記電荷を読み出す転送ゲート部とを有し、
前記転送ゲート部は、前記フォトダイオード部の電荷蓄積期間において少なくとも２種類のゲート電位を持ち、
前記２種類のゲート電位のうちの第１ゲート電位によって第１オーバーフローレベルを設定し、第２ゲート電位によって前記第１オーバーフローレベルよりも高いレベルの第２オーバーフローレベルを設定することを特徴とする固体撮像素子。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法とその固体撮像素子に関する。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子であり、又その固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法であって、各画素部の電荷蓄積部から蓄積電荷を排出させるリセット動作を制御するためのリセットゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるようにリセットゲート電圧駆動を行うことで、各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法であって、各画素部の電荷蓄積部からフローティングディフュージョン部へ蓄積電荷を送り込む転送動作を制御するための転送ゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるように転送ゲート電圧駆動を行うことで、各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法であって、各画素部のバイアスゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるようにバイアスゲート電圧駆動を行うことで、各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにしたことを特徴とする。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる方法が適用される固体撮像素子の全体回路図、図２は本発明に係わる固体撮像素子の画素部回路図、図３はリセット線及び垂直選択線の駆動タイミングを示すタイミング図、図４は画素部の時間対蓄積電荷量の特性を示すグラフ、図５はリセット線、垂直選択線、及び水平選択線の駆動タイミングを示すタイミング図、図６は本発明に係わる固体撮像素子の画素部回路図である。
図１に示した固体撮像素子１０は、リセットゲートを有する横形ブルーミング防止構造を備えたＭＯＳ型撮像素子である。
固体撮像素子１０は、基板上にアレイ状に並べて形成された多数の画素部１２と、それら画素部１２に接続した周辺回路とを有する。
周辺回路には、全ての画素部１２に接続された電源線１４、１本のラインに含まれる画素部１２に各々が接続されたリセット線１６及び垂直選択線１８、それらリセット線１６及び垂直選択線１８を所定のタイミングで駆動する垂直走査レジスタ（Ｖスキャナ）２０、全てのラインの同一水平位置にある画素部１２に各々が接続された信号線２２、各信号線２２に接続された出力トランジスタ２４、各出力トランジスタ２４のゲートに接続された水平選択線２６、それに、それら水平選択線２６を所定のタイミングで駆動する水平走査レジスタ（Ｈスキャナ）２８が含まれる。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
次に、図６を参照して本発明に係わる固体撮像素子について説明する。
詳しくは図６は本発明の第２の実施の形態にかかる方法が適用された固体撮像素子の画素部５２の回路図である。
画素部５２は、フローティングディフュージョン型の読出構造を有するものであり、ｐ- 領域内に形成された１個の接合型フォトダイオード５４と３個のｎチャネル形ＭＯＳトランジスタ５６、５８、６０とを含んでおり、そのうちの第１トランジスタ５６のソース６２は、フォトダイオード（電荷蓄積部）５４の蓄積電荷が転送ゲート６４の下のチャネルを介して送り込まれるようにしたフローティングディフュージョン部として形成されている。
より詳しくは、第１トランジスタ５６は、フローティングディフュージョン部であるソース６２と、電源電圧ＶＤＤに接続されたドレイン６６と、リセット線１１６に接続されたゲート（リセットゲート）６８とで構成されている。
第２トランジスタ５８はドライブ用トランジスタ、第３トランジスタ６０は選択用トランジスタであり、これらトランジスタ５８、６０は、それらのソース−ドレインが互いに直列に接続された上で電源線１１４と信号線１２２との間に接続されており、第２トランジスタ５８のゲートは第１トランジスタ５６のソース６２に、また第３トランジスタ６０のゲートは垂直選択線１１８に、夫々接続されている。転送ゲート６４は、転送制御線７０に接続されている。
電荷蓄積期間中にフォトダイオード５４は入射光を光電変換してその電荷を蓄積する。この電荷蓄積期間中に転送ゲート６４に印加されている電圧に応じて、フォトダイオード５４に蓄積可能な最大蓄積電荷量が決まる。最大蓄積電荷量を超える電荷が発生した場合には、余分な電荷がフォトダイオード５４からオーバーフローしてフローティングディフュージョン部（第１トランジスタ５６のソース６２）へ流れ出す。また、電荷蓄積期間中は、リセットゲート６８の障壁レベルが転送ゲート６４の障壁レベルより高くならないようにしているため、フォトダイオード５４からフローティングディフュージョン部６２へ流れ出した電荷が大量であった場合には、その電荷はそこから更にリセットゲート６８の下のチャネルを通ってドレイン６６へ排出される。
信号電荷の読み出しの際には、その直前にリセットゲート６８がオンとされてフローティングディフュージョン部６２の電荷が全てドレインへ排出され、続いてリセットゲート６８がオフとされ転送ゲート６２がオンとされることで、フォトダイオード５４からフローティングディフュージョン部６２へ蓄積電荷が流れ出し、即ち送り込まれる。そして、それによって発生するフローティングディフュージョン部６２の電位変化が、第２トランジスタ５８を介して信号として読み出される。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、各画素部で光電変換される電荷をオーバーフローさせるブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法及びその固体撮像素子であって、各画素部の、リセットゲート、転送ゲート、ないしはバイアスゲート等のゲートに印加する電圧を各画素部の電荷蓄積期間の途中で変化させるようにゲート電圧駆動を行うことで各画素部の電荷蓄積期間の途中でオーバーフローレベルを上昇させてダイナミックレンジを拡大するようにした。
そのため、リセットゲート、転送ゲート、ないしはバイアスゲート等の信号電荷の読み出しのために本来備えられているゲートへの印加電圧を制御するだけで好適にオーバーフローレベルを変化させることができる。
更に、電荷蓄積開始及び終了のタイミングを全ての画素で揃える必要がないため、それによって感度が低下することがなく、また、レンズシャッタを使用する必要がないことから、それによって用途が制約されることもない。