(57)【要約】【課題】画像の画質を向上させることができるようにする。【解決手段】固体撮像素子ではオンチップレンズと配線層の間にフォトダイオードが設けられている。フォトダイオードには、光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部が接続されており、電荷電圧変換部には、電荷電圧変換部に容量を付加するための電荷蓄積部が容量切替スイッチを介して接続されている。この電荷蓄積部は、フォトダイオードにおける、被写体からの光が入射しない領域と重なるように、フォトダイオード上に設けられており、これにより、固体撮像素子ではフォトダイオード等を設けるための領域が十分に確保されるので、各素子を縮小化する必要がなくなる。その結果、受光感度や飽和信号量を向上させ、高画質な画像を得ることができる。本技術は、固体撮像素子に適用することができる。【選択図】図４
2014112580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を光電変換する光電変換部と、
前記光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部と、
少なくとも一部分が、前記光電変換により得られた前記電荷が蓄積される前記光電変換部の電荷蓄積領域と重なるように、前記光電変換部に隣接して配置され、前記電荷電圧変換部に容量を付加する電荷蓄積部と
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換部を有する画素ごとに前記電荷蓄積部が設けられ、所定の画素において前記電荷電圧変換部に電荷を蓄積する場合に、前記所定の画素に設けられた前記電荷蓄積部、および前記所定の画素に隣接する他の画素に設けられた前記電荷蓄積部により、前記電荷電圧変換部に容量が付加される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部が、電気的に接続された状態または電気的に切り離された状態の何れかの状態への切り替えを行う切替部をさらに備える
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記固体撮像素子は裏面照射型の撮像素子であり、
前記電荷蓄積部は、前記光電変換部の光が入射する面とは反対側の面に隣接して設けられている
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記電荷蓄積部は互いに対向する電極から構成され、前記光電変換部側に設けられた前記電極はメタルにより形成されている
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記固体撮像素子は像面位相差画素を有する撮像素子であり、
前記電荷蓄積部は、前記光電変換部の光が入射する側の面に隣接して設けられ、前記像面位相差画素の遮光層として機能する
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記固体撮像素子は像面位相差画素を有する撮像素子であり、
前記電荷蓄積部は、前記光電変換部に入射する光の一部を遮光する前記像面位相差画素の遮光層と、前記光電変換部との間に設けられている
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記電荷蓄積部は互いに対向する複数の電極から構成され、前記電極は櫛歯型に配置されている
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記電荷蓄積部を介して前記光電変換部に負バイアスを印加する負バイアス印加部をさらに備える
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記電荷蓄積部は互いに対向する電極から構成され、前記互いに対向する前記電極の一方または両方が、メタルまたはポリシリコンにより形成されている
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
入射した光を光電変換する光電変換部と、
前記光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部と、
少なくとも一部分が、前記光電変換により得られた前記電荷が蓄積される前記光電変換部の電荷蓄積領域と重なるように、前記光電変換部に隣接して配置され、前記電荷電圧変換部に容量を付加する電荷蓄積部と
を備える固体撮像素子の駆動方法であって、
前記光電変換部が被写体から入射した光を前記光電変換により前記電荷に変換し、
前記電荷電圧変換部が前記光電変換部で得られた前記電荷を蓄積する
ステップを含む駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は固体撮像素子および駆動方法に関し、特に、画質を向上させることができるようにした固体撮像素子および駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画素内に設けられた浮遊拡散領域（FD（Floating Diffusion））の容量を可変にすることで、被写体からの光を受光して得られた電荷の電圧への変換効率を調整する固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような固体撮像素子では、信号量が少ない場合、つまり低照度時には浮遊拡散領域の容量を小さくして変換効率を高くすることで画素の感度が高くなるようにされる。これに対して、信号量が多い場合、つまり高照度時には浮遊拡散領域の容量を大きくして変換効率を低くすることで画素の感度が低くなるようにされ、これにより、ダイナミックレンジが拡大されるようになされる。
【０００４】
浮遊拡散領域の容量が可変となっている固体撮像素子では、画素間、すなわち画素における浮遊拡散領域や光電変換部と同じ平面上に容量性素子が設けられており、この容量性素子は容量を切り替えるためのスイッチを介して浮遊拡散領域に接続されている。そして、このスイッチをオン，オフすることによって、浮遊拡散領域に容量が付加されるか否かが切り替えられ、変換効率が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５１６６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、画素の画素値のダイナミックレンジを大きくするためには、画素における変換効率の高低差を大きくすることが望ましく、そのためには浮遊拡散領域に付加される容量性素子の容量を大きく設計する必要がある。
【０００７】
しかしながら、上述した技術では、浮遊拡散領域に容量を付加するための容量性素子を隣接する画素間に設ける必要がある。そのため、容量性素子の面積を確保するには、画素内のフォトダイオードや画素トランジスタ等の素子のサイズを縮小化して設計しなければならなかった。
【０００８】
そうすると、例えばフォトダイオード面積の縮小により、固体撮像素子の光電変換領域が小さくなってしまうため、画素の受光感度が低下し、S/N比（signal to noise ratio）が低下してしまうだけでなくフォトダイオードの飽和信号量も低下してしまう。その結果、固体撮像素子で得られる画像の画質が劣化してしまう。なお、一般的にフォトダイオード面積と飽和信号量は比例関係となることが知られている。
【０００９】
また、浮遊拡散領域に付加される容量性素子の面積を大きく確保しようとすると、画素内に配置されたトランジスタのサイズも縮小しなければならなくなる。例えば、被写体からの光を受光して得られた電圧、つまり信号レベルの読み出しに用いられる増幅トランジスタのサイズを縮小化するとランダムノイズが増加し、画質が劣化してしまう。
【００１０】
さらに、例えば画素内にある選択トランジスタやリセットトランジスタ、転送トランジスタなどのトランジスタのサイズを縮小化すると、トランジスタ特性のばらつきが増えるのでノイズが増加し、S/N比が低下してしまう。つまり、画像の画質が劣化してしまう。
【００１１】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、画質を向上させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本技術の一側面の固体撮像素子は、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部と、少なくとも一部分が、前記光電変換により得られた前記電荷が蓄積される前記光電変換部の電荷蓄積領域と重なるように、前記光電変換部に隣接して配置され、前記電荷電圧変換部に容量を付加する電荷蓄積部とを備える。
【００１３】
前記光電変換部を有する画素ごとに前記電荷蓄積部が設けられ、所定の画素において前記電荷電圧変換部に電荷を蓄積する場合に、前記所定の画素に設けられた前記電荷蓄積部、および前記所定の画素に隣接する他の画素に設けられた前記電荷蓄積部により、前記電荷電圧変換部に容量が付加されるようにすることができる。
【００１４】
固体撮像素子には、前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部が、電気的に接続された状態または電気的に切り離された状態の何れかの状態への切り替えを行う切替部をさらに設けることができる。
【００１５】
前記固体撮像素子を裏面照射型の撮像素子とし、前記電荷蓄積部を、前記光電変換部の光が入射する面とは反対側の面に隣接して設けることができる。
【００１６】
前記電荷蓄積部は互いに対向する電極から構成され、前記光電変換部側に設けられた前記電極はメタルにより形成されるようにすることができる。
【００１７】
前記固体撮像素子を像面位相差画素を有する撮像素子とし、前記電荷蓄積部を、前記光電変換部の光が入射する側の面に隣接して設け、前記像面位相差画素の遮光層として機能させることができる。
【００１８】
前記固体撮像素子を像面位相差画素を有する撮像素子とし、前記電荷蓄積部を、前記光電変換部に入射する光の一部を遮光する前記像面位相差画素の遮光層と、前記光電変換部との間に設けることができる。
【００１９】
前記電荷蓄積部を互いに対向する複数の電極から構成し、前記電極を櫛歯型に配置することができる。
【００２０】
固体撮像素子には、前記電荷蓄積部を介して前記光電変換部に負バイアスを印加する負バイアス印加部をさらに設けることができる。
【００２１】
前記電荷蓄積部を互いに対向する電極から構成し、前記互いに対向する前記電極の一方または両方を、メタルまたはポリシリコンにより形成することができる。
【００２２】
本技術の一側面の駆動方法は、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部と、少なくとも一部分が、前記光電変換により得られた前記電荷が蓄積される前記光電変換部の電荷蓄積領域と重なるように、前記光電変換部に隣接して配置され、前記電荷電圧変換部に容量を付加する電荷蓄積部とを備える固体撮像素子の駆動方法であって、前記光電変換部が被写体から入射した光を前記光電変換により前記電荷に変換し、前記電荷電圧変換部が前記光電変換部で得られた前記電荷を蓄積するステップを含む。
【００２３】
本技術の一側面においては、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部と、少なくとも一部分が、前記光電変換により得られた前記電荷が蓄積される前記光電変換部の電荷蓄積領域と重なるように、前記光電変換部に隣接して配置され、前記電荷電圧変換部に容量を付加する電荷蓄積部とが固体撮像素子に設けられる。
【発明の効果】
【００２４】
本技術の一側面によれば、画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】固体撮像素子の構成例を示す図である。
【図２】画素の構成例を示す図である。
【図３】電荷蓄積部の配置例を示す図である。
【図４】画素の断面を示す図である。
【図５】変換効率の切り替えについて説明する図である。
【図６】低照度時における撮像処理を説明するフローチャートである。
【図７】高照度時における撮像処理を説明するフローチャートである。
【図８】画素の断面を示す図である。
【図９】電荷蓄積部の配置例を示す図である。
【図１０】画素の断面を示す図である。
【図１１】画素の断面を示す図である。
【図１２】画素の断面を示す図である。
【図１３】画素の断面を示す図である。
【図１４】画素の断面を示す図である。
【図１５】電荷蓄積部の配置例を示す図である。
【図１６】画素の断面を示す図である。
【図１７】画素の断面を示す図である。
【図１８】画素の断面を示す図である。
【図１９】撮像装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本技術を適用した実施の形態について説明する。
【００２７】
〈第１の実施の形態〉
〈固体撮像素子の構成例〉
まず、本技術を適用した固体撮像素子の構成例について説明する。図１は、本技術を適用した固体撮像素子の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００２８】
固体撮像素子１１は、例えばCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどからなる裏面照射型のイメージセンサであり、被写体からの光を受光して光電変換し、画像信号を生成することで画像を撮像する。
【００２９】
なお、裏面照射型のイメージセンサとは、被写体からの光を入射させる受光面、つまり光を集光するオンチップレンズと、各画素を駆動させるトランジスタ等の配線が設けられた配線層との間に、被写体からの光を受光するフォトダイオードが設けられている構成のイメージセンサである。
【００３０】
固体撮像素子１１は、画素アレイ部２１、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、水平駆動部２４、システム制御部２５、画素駆動線２６、垂直信号線２７、信号処理部２８、およびデータ格納部２９から構成される。
【００３１】
固体撮像素子１１では、図示せぬ半導体基板（チップ）上に画素アレイ部２１が形成され、さらに半導体基板上に垂直駆動部２２乃至システム制御部２５が集積されている。
【００３２】
画素アレイ部２１は、被写体から入射した光の量に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換素子を有する画素からなり、画素アレイ部２１を構成する画素は、図中、横方向（行方向）および縦方向（列方向）に２次元配置されている。
【００３３】
例えば、画素アレイ部２１では、行方向に配列された画素からなる画素行ごとに、画素駆動線２６が行方向に沿って配線され、列方向に配列された画素からなる画素列ごとに、垂直信号線２７が列方向に沿って配線されている。
【００３４】
垂直駆動部２２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、複数の画素駆動線２６を介して各画素に信号等を供給することで、画素アレイ部２１の各画素を全画素同時に、または行単位等で駆動する。
【００３５】
カラム処理部２３は、画素アレイ部２１の画素列ごとに垂直信号線２７を介して各画素から信号を読み出して、ノイズ除去処理、相関二重サンプリング処理、A/D（Analog to Digital）変換処理などを行なって画素信号を生成する。
【００３６】
水平駆動部２４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、カラム処理部２３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２４による選択走査により、カラム処理部２３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に信号処理部２８に出力される。
【００３７】
システム制御部２５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどからなり、タイミングジェネレータで生成されたタイミング信号に基づいて、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、および水平駆動部２４の駆動制御を行なう。
【００３８】
信号処理部２８は、必要に応じてデータ格納部２９にデータを一時的に格納しながら、カラム処理部２３から供給された画素信号に対して演算処理等の信号処理を行ない、各画素信号からなる画像信号を出力する。
【００３９】
〈画素の構成例〉
次に、上述した画素アレイ部２１の各画素の構成について説明する。図２は、画素アレイ部２１に設けられた１つの画素の構成例を示す回路図である。
【００４０】
図２では、画素アレイ部２１の画素は、フォトダイオード６１、転送ゲート部６２、電荷電圧変換部６３、容量切替スイッチ６４、電荷蓄積部６５、リセットゲート部６６、増幅トランジスタ６７、および選択トランジスタ６８から構成される。
【００４１】
フォトダイオード６１は、例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなる光電変換素子であり、被写体からの光を受光して、その受光量に応じた電荷を光電変換により生成し、蓄積する。
【００４２】
転送ゲート部６２は、フォトダイオード６１と電荷電圧変換部６３との間に設けられており、転送ゲート部６２のゲート電極に印加される駆動信号TRGに応じて、フォトダイオード６１に蓄積されている電荷を電荷電圧変換部６３に転送する。
【００４３】
例えば、図２では、転送ゲート部６２、容量切替スイッチ６４、リセットゲート部６６、および選択トランジスタ６８はＮチャンネルのＭＯＳトランジスタから構成されている。
【００４４】
そして、これらの転送ゲート部６２乃至選択トランジスタ６８のゲート電極には、駆動信号TRG，DCG，RST，SELが供給される。これらの駆動信号は、高レベルの状態がアクティブ状態（オンの状態）となり、低レベルの状態が非アクティブ状態（オフの状態）となるパルス信号である。
【００４５】
したがって、例えば転送ゲート部６２では、転送ゲート部６２のゲート電極に供給される駆動信号TRGがアクティブ状態となり、転送ゲート部６２がオンされた状態となったとき、フォトダイオード６１に蓄積された電荷が電荷電圧変換部６３に転送される。
【００４６】
電荷電圧変換部６３は、転送ゲート部６２を介してフォトダイオード６１から転送されてきた電荷を電気信号、例えば電圧信号に変換して出力する浮遊拡散領域（FD）である。
【００４７】
電荷電圧変換部６３には、リセットゲート部６６が接続されるとともに、増幅トランジスタ６７および選択トランジスタ６８を介して垂直信号線２７も接続されている。さらに、電荷電圧変換部６３には、容量切替スイッチ６４を介して、電荷を蓄積する容量（キャパシタ）である電荷蓄積部６５も接続されている。
【００４８】
容量切替スイッチ６４は駆動信号DCGに応じてオン，オフされることで、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５とが、電気的に接続された状態または電気的に切り離された状態の何れかの状態に接続状態を切り替える。
【００４９】
すなわち、容量切替スイッチ６４を構成するゲート電極には、駆動信号DCGが供給され、この駆動信号DCGがオンされると、容量切替スイッチ６４の直下のポテンシャルが深くなり、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５とが電気的に接続される。
【００５０】
これに対して、駆動信号DCGがオフされると、容量切替スイッチ６４の直下のポテンシャルが浅くなり、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５とが電気的に切り離される。
【００５１】
したがって、駆動信号DCGをオン，オフすることで、電荷電圧変換部６３に容量を付加し、画素の感度を変化させることができる。具体的には、蓄積される電荷の変化量をΔＱとし、そのときの電圧の変化をΔＶとし、容量値をＣとすると、ΔＶ＝ΔＱ／Ｃの関係が成立する。
【００５２】
いま、電荷電圧変換部６３の容量値をＣFDとし、電荷蓄積部６５の容量値をＣCAPとすると、駆動信号DCGがオンされている状態では、信号レベルの読み出しが行なわれる画素の領域における容量値Ｃは、ＣFD＋ＣCAPである。これに対して、駆動信号DCGがオフされると、容量値ＣはＣFDに変化するため、電荷の変化量に対する電圧の感度（電圧の変化量）が上がることになる。
【００５３】
このように、固体撮像素子１１では、駆動信号DCGをオン，オフさせることで、画素の感度が適宜変更される。例えば、駆動信号DCGがオンされると、電荷蓄積部６５は電気的に電荷電圧変換部６３に接続されるので、電荷電圧変換部６３だけでなく電荷蓄積部６５にも、フォトダイオード６１から電荷電圧変換部６３に転送されてきた電荷の一部が蓄積される。
【００５４】
なお、より詳細には、電荷電圧変換部６３には電荷蓄積部６５の他、隣接する画素に設けられた電荷蓄積部も適宜接続される。また、電荷蓄積部６５は、フォトダイオード６１の受光面とは反対側、つまり被写体からの光が入射しない領域に隣接して、フォトダイオード６１と重なるように設けられている。したがって、被写体からの光が電荷蓄積部６５により遮光されて、フォトダイオード６１に入射する光の光量が低下してしまうようなことはない。
【００５５】
リセットゲート部６６は、電荷電圧変換部６３から電荷蓄積部６５までの各領域を適宜初期化（リセット）する素子であり、ドレインが電源電圧VDDの電源に接続され、ソースが電荷電圧変換部６３に接続されている。リセットゲート部６６のゲート電極には、駆動信号RSTがリセット信号として印加される。
【００５６】
また、駆動信号RSTがアクティブ状態とされると、リセットゲート部６６は導通状態となり、電荷電圧変換部６３等の電位が電源電圧VDDのレベルにリセットされる。すなわち、電荷電圧変換部６３等の初期化が行なわれる。
【００５７】
増幅トランジスタ６７は、ゲート電極が電荷電圧変換部６３に接続され、ドレインが電源電圧VDDの電源に接続されており、フォトダイオード６１での光電変換によって得られる電荷を読み出すソースフォロワ回路の入力部となる。すなわち、増幅トランジスタ６７は、ソースが選択トランジスタ６８を介して垂直信号線２７に接続されることにより、垂直信号線２７の一端に接続される定電流源とソースフォロワ回路を構成する。
【００５８】
選択トランジスタ６８は、増幅トランジスタ６７のソースと垂直信号線２７との間に接続されており、選択トランジスタ６８のゲート電極には、選択信号として駆動信号SELが供給される。駆動信号SELがアクティブ状態とされると、選択トランジスタ６８は導通状態となって選択トランジスタ６８が設けられている画素が選択状態とされる。画素が選択状態とされると、増幅トランジスタ６７から出力される信号が垂直信号線２７を介してカラム処理部２３に読み出される。
【００５９】
また、各画素では、図１の画素駆動線２６として、複数の駆動線が例えば画素行ごとに配線される。そして、垂直駆動部２２から画素駆動線２６としての複数の駆動線を通して画素内に駆動信号TRG，DCG，RST，SELが供給される。
【００６０】
〈電荷蓄積部のレイアウトについて〉
続いて、画素内に設けられる電荷蓄積部６５の配置例について説明する。
【００６１】
電荷蓄積部６５は、例えば図３に示すようにフォトダイオード６１の受光面とは反対側の面に重ねられて設けられている。なお、図３において、図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。また、図中、「×」が記された四角形はトランジスタのゲート電極等と接続されるコンタクトを表している。
【００６２】
図３の例では、フォトダイオード６１を有する画素に隣接して、フォトダイオード９１、転送ゲート部９２、および電荷蓄積部９３を有する他の画素が設けられている。そして、これらの２つの画素では、電荷電圧変換部６３、容量切替スイッチ６４、リセットゲート部６６、増幅トランジスタ６７、および選択トランジスタ６８が共有となっている。また、画素ごとに設けられた電荷蓄積部６５と電荷蓄積部９３も２つの画素で共有されている。
【００６３】
この例では、図中、手前側がフォトダイオード６１やフォトダイオード９１の受光面側とは反対側の配線層側となっている。
【００６４】
また、電荷蓄積部６５は、互いに対向する２つの電極９４と電極９５を有している。例えば、電極９４と電極９５は、アルミニウムや銅、金、銀などのメタル（金属）で形成されている。
【００６５】
電極９４は、フォトダイオード６１の配線層側の面に隣接して設けられており、電極９４は電圧Vssがかけられた配線９６に接続されている。例えば、電圧Vssはグランドレベル（GND）などとされる。なお、基板に設けられた配線９６の接続部分がＰ型半導体領域で覆われるなどして素子分離されている場合には、配線９６に印加される電圧Vssが電源電圧VDDなどとされるようにしてもよい。
【００６６】
さらに、電極９４に対向して設けられている電極９５は、キャパシタ配線９７により容量切替スイッチ６４に接続されている。
【００６７】
また、電荷蓄積部６５と同様に、電荷蓄積部９３は、メタルで形成された電極９８と電極９９を有している。そして、フォトダイオード９１上に設けられた電極９８は、電圧Vssがかけられた配線１００に接続されており、電極９９はキャパシタ配線１０１により容量切替スイッチ６４に接続されている。
【００６８】
したがって、例えば容量切替スイッチ６４の駆動信号DCGがオンされると、電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に接続されることになる。そのため、例えばフォトダイオード６１を有する画素の画素値の読み出し時には、転送ゲート部９２がオフされた状態で転送ゲート部６２がオンされると、フォトダイオード６１の電荷が電荷電圧変換部６３、電荷蓄積部６５、および電荷蓄積部９３に蓄積される。
【００６９】
すると、電荷電圧変換部６３等に蓄積された電荷に応じた電圧がＦＤ配線１０２を介して増幅トランジスタ６７のゲート電極に印加され、印加された電圧に応じて増幅トランジスタ６７および選択トランジスタ６８を介して、コンタクト１０３に接続されている垂直信号線２７に出力される電圧が変化するので、その変化が画素信号としてカラム処理部２３により読み出される。
【００７０】
一方、例えばフォトダイオード９１を有する画素の画素値の読み出し時には、転送ゲート部６２はオフされたままとされ、転送ゲート部９２がオンされる。すると、フォトダイオード９１の電荷が電荷電圧変換部６３、電荷蓄積部６５、および電荷蓄積部９３に蓄積され、その電荷に応じた電圧がＦＤ配線１０２を介して増幅トランジスタ６７のゲート電極に印加される。そして、増幅トランジスタ６７のゲート電極に印加された電圧に応じた電圧値が、選択トランジスタ６８と垂直信号線２７を介してカラム処理部２３により読み出される。
【００７１】
このように画素に設けられた電荷蓄積部６５だけでなく、隣接する画素に設けられた電荷蓄積部９３にも電荷を蓄積させることで、電荷電圧変換部６３に付加する容量をより大きくすることができる。これにより、高照度時における画素値のダイナミックレンジをさらに拡大させることができる。
【００７２】
なお、ここでは互いに隣接する画素の電荷蓄積部が共有される例について説明したが、電荷蓄積部が共有されないようにしてもよい。そのような場合、例えばフォトダイオード６１を有する画素の電荷電圧変換部６３に対しては、電荷蓄積部６５のみが電気的に接続されて、容量が付加される。
【００７３】
また、図３に示した配置とされる場合、フォトダイオード６１を含む画素の断面は、例えば図４の上側に示すようになる。なお、図４において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００７４】
図４の上側では、基板上に設けられたＰ型半導体領域１３１内にフォトダイオード６１が設けられている。フォトダイオード６１における斜線が施された領域は、フォトダイオード６１による光電変換で得られた電荷が蓄積される電荷蓄積領域を表している。また、Ｐ型半導体領域１３１に隣接する第１メタル層１３２に電荷蓄積部６５の電極９４が設けられており、さらに第１メタル層１３２に隣接する第２メタル層１３３に電荷蓄積部６５の電極９５が設けられている。
【００７５】
電荷蓄積部６５を構成する電極９４は、電圧Vssがかけられた配線９６に接続されており、電極９５はキャパシタ配線９７によって、容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。
【００７６】
さらに、図４では、矢印Ａ１１に示す方向、つまり第１メタル層１３２や第２メタル層１３３からなる配線層とは反対側の方向から、被写体からの光がフォトダイオード６１に入射する。したがって、被写体からフォトダイオード６１へと進む光が、配線層側に設けられた電荷蓄積部６５により遮られるようなことはない。
【００７７】
しかも、この例ではフォトダイオード６１に隣接して設けられた電極９４はメタルにより形成されているので、矢印Ａ１２に示すように、フォトダイオード６１近傍を通る光の一部は電極９４により反射され、フォトダイオード６１に入射するようになる。したがって、電極９４により、より多くの光をフォトダイオード６１へと導くことができるようになる。つまり、被写体からの光の集光効率を向上させることができる。
【００７８】
また、裏面照射型である固体撮像素子１１では、電荷蓄積部６５がフォトダイオード６１の電荷蓄積領域における光が入射する面とは重なっていない。すなわち、電荷蓄積部６５はフォトダイオード６１における被写体からの光が入射する側とは反対側からみて、電荷蓄積部６５の一部分または全部がフォトダイオード６１の電荷蓄積領域と重なるように配置されている。換言すれば、電荷蓄積部６５は、フォトダイオード６１等が設けられるＰ型半導体領域１３１内や、増幅トランジスタ６７等の各トランジスタの一部分が配置される領域には設けられておらず、フォトダイオード６１上の光が入射しない部分に設けられている。
【００７９】
したがって、従来は電荷蓄積部６５の面積と、フォトダイオード６１や増幅トランジスタ６７等の面積とはトレードオフの関係にあったが、固体撮像素子１１では電荷蓄積部６５の面積によらず、フォトダイオード６１等の各素子を設ける領域を十分に確保することができる。すなわち、各素子のサイズを縮小化する必要がなくなる。
【００８０】
これにより、例えばフォトダイオード６１の面積（光電変換領域の面積）をより大きくすることができるので、画素の受光感度および飽和信号量を向上させることができる。その結果、電荷蓄積部６５の面積を十分に確保しつつ、画素から読み出される信号のS/N比を向上させることができ、より画質のよい画像を得ることができる。
【００８１】
同様に、電荷蓄積部６５の面積によらず増幅トランジスタ６７の面積をより大きくすることができるので、ランダムノイズの増加を抑制し、画像の画質を向上させることができる。さらに、転送ゲート部６２やリセットゲート部６６、選択トランジスタ６８等の各トランジスタの面積をより大きくすることができるので、トランジスタ特性のばらつきを抑制することができる。これにより、S/N比の劣化を抑制し、より画質のよい画像を得ることができるようになる。
【００８２】
続いて、容量切替スイッチ６４のオン，オフ制御による変換効率（容量）の切り替えについて説明する。なお、図４の中央および下側において横方向は固体撮像素子１１における空間方向を示しており、縦方向はポテンシャルを示している。
【００８３】
まず、信号量が少ない場合、つまり低照度時には図中、中央に示すように容量切替スイッチ６４がオフされて電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に切り離されたままとされ、電荷電圧変換部６３の容量が小さくなるようにされる。つまり、蓄積電荷の電圧への変換効率が高くなるようにされる。この場合、画素から出力される信号が大きくなる。
【００８４】
この例では、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３（不図示）とが電気的に切り離されているので、フォトダイオード６１で得られた電荷は電荷電圧変換部６３のみに蓄積されている。なお、図４の中央および下側において、斜線の施された領域は、電荷の領域を表している。
【００８５】
これに対して、信号量が多い場合、つまり高照度時には図中、下側に示すように容量切替スイッチ６４がオンされて電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に接続され、電荷電圧変換部６３の容量が大きくなるようにされる。つまり、蓄積電荷の電圧への変換効率が低くなるようにされる。
【００８６】
この例では、容量切替スイッチ６４のゲート電極に高レベルの電圧が印加されて、容量切替スイッチ６４がオンされると、ゲート電極直下のポテンシャルが下がり（より深くなり）、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とのポテンシャルが結合される。つまり、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に接続される。
【００８７】
したがって、フォトダイオード６１で得られた電荷は、電荷電圧変換部６３、電荷蓄積部６５、および電荷蓄積部９３に蓄積される。この場合、電荷電圧変換部６３に対して、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３の容量が付加されることになる。その結果、実質的に電荷電圧変換部６３の容量がより大きくなるので変換効率が低くなり、画素の画素値のダイナミックレンジが拡大される。
【００８８】
このように、容量切替スイッチ６４をオン，オフさせて電荷電圧変換部６３の容量を変化させると、図５の折れ線Ｃ１１に示すように変換効率が変化する。なお、図５において、縦軸および横軸は、それぞれ出力電圧、つまり垂直信号線２７から読み出される電圧値、およびフォトダイオード６１に入射する光の強度を示している。
【００８９】
例えば、光強度が弱い低照度時の区間Ｔ１では、容量切替スイッチ６４がオフされているので変換効率は高くなっている。つまり、折れ線Ｃ１１の傾きが大きくなっている。これに対して、光強度が強い高照度時の区間Ｔ２では、容量切替スイッチ６４がオンされているので変換効率は低くなっている。つまり、折れ線Ｃ１１の傾きが小さくなっている。
【００９０】
なお、容量切替スイッチ６４のオン，オフの切り替えは、ユーザの指示に応じて行なわれるようにしてもよいし、固体撮像素子１１がフォトダイオード６１に入射する光の強度に応じて切り替えるようにしてもよい。
【００９１】
〈撮像処理の説明〉
さらに、固体撮像素子１１が被写体を撮像するときに行なわれる撮像処理について説明する。
【００９２】
まず、図６のフローチャートを参照して、低照度時における撮像処理について説明する。なお、この撮像処理は、画素ごとに同じタイミングまたは異なるタイミングで行なわれる。また、撮像処理の開始時においては、転送ゲート部６２、転送ゲート部９２、容量切替スイッチ６４、リセットゲート部６６、および選択トランジスタ６８はオフされた状態となっている。
【００９３】
ステップＳ１１において、垂直駆動部２２は選択トランジスタ６８をオンして、画素を選択状態とする。
【００９４】
ステップＳ１２において、垂直駆動部２２は容量切替スイッチ６４をオンして、電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とを電気的に接続させる。
【００９５】
ステップＳ１３において、垂直駆動部２２はリセットゲート部６６をオンして、電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とを初期化（リセット）させる。すなわち、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３との電位が電源電圧VDDのレベルにリセットされる。
【００９６】
ステップＳ１４において、垂直駆動部２２は容量切替スイッチ６４およびリセットゲート部６６をオフする。これにより、電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３との初期化が終了する。
【００９７】
ステップＳ１５において、カラム処理部２３は、電荷電圧変換部６３の電位に応じた電圧値をリセットレベルとして、選択トランジスタ６８および垂直信号線２７を介して増幅トランジスタ６７から読み出す。
【００９８】
ステップＳ１６において、転送ゲート部６２は垂直駆動部２２の制御に応じて、フォトダイオード６１に蓄積された電荷を電荷電圧変換部６３に転送する。
【００９９】
すなわち、露光期間中にフォトダイオード６１に入射した被写体からの光は、フォトダイオード６１において電荷に変換される。そして、垂直駆動部２２により転送ゲート部６２がオンされると、フォトダイオード６１と電荷電圧変換部６３とが転送ゲート部６２により電気的に接続され、フォトダイオード６１に蓄積された電荷が電荷電圧変換部６３へと転送される。電荷の転送後、必要に応じて転送ゲート部６２はオフされ、電荷電圧変換部６３はフォトダイオード６１と電気的に切り離される。
【０１００】
なお、低照度時には変換効率を高くするため、初期化後は電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とは電気的に切り離されたままとされる。
【０１０１】
ステップＳ１７において、カラム処理部２３は、電荷電圧変換部６３の電位に応じた電圧値を信号レベルとして、選択トランジスタ６８および垂直信号線２７を介して増幅トランジスタ６７から読み出す。そして、カラム処理部２３は、読み出したリセットレベルと信号レベルに基づいて画素信号の値、つまり画素の画素値を求め、信号処理部２８へと出力する。画素信号の値が求められると、処理対象となっている画素の撮像処理は終了する。
【０１０２】
以上のようにして、固体撮像素子１１は、低照度時には電荷電圧変換部６３と電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とを電気的に切り離して変換効率を高くすることで、画素の感度を高くする。
【０１０３】
次に、図７のフローチャートを参照して、高照度時における撮像処理について説明する。この撮像処理も画素ごとに同じタイミングまたは異なるタイミングで行なわれる。また、撮像処理の開始時においては、転送ゲート部６２、転送ゲート部９２、容量切替スイッチ６４、リセットゲート部６６、および選択トランジスタ６８はオフされた状態となっている。
【０１０４】
なお、ステップＳ４１乃至ステップＳ４５の処理は、図６のステップＳ１１乃至ステップＳ１５の処理と同様であるので、その説明は省略する。
【０１０５】
ステップＳ４５の処理が行なわれて、リセットレベルの読み出しが行なわれると、ステップＳ４６において、垂直駆動部２２は容量切替スイッチ６４をオンする。
【０１０６】
これにより、電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に接続された状態となり、変換効率が低くなる。
【０１０７】
ステップＳ４６の処理により電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に接続されると、その後、処理はステップＳ４７へと進む。そして、ステップＳ４７およびステップＳ４８の処理が行なわれて撮像処理は終了するが、これらの処理は図６のステップＳ１６およびステップＳ１７の処理と同様であるので、その説明は省略する。
【０１０８】
但し、ステップＳ４７では、フォトダイオード６１から電荷電圧変換部６３に転送された電荷の一部は、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３にも蓄積される。
【０１０９】
以上のようにして、固体撮像素子１１は、高照度時には電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とを電気的に接続して変換効率を低くすることで、画素の感度を低くし、画素値のダイナミックレンジを拡大させる。
【０１１０】
なお、図７の撮像処理では、電荷電圧変換部６３等の初期化後、フォトダイオード６１の電荷の転送前に容量切替スイッチ６４をオンすると説明したが、フォトダイオード６１の電荷の転送後に容量切替スイッチ６４がオンされるようにしてもよい。この場合、容量切替スイッチ６４がオンされた後、信号レベルの読み出しが行なわれる。
【０１１１】
また、電荷電圧変換部６３等の初期化後、容量切替スイッチ６４はオフされずに継続してオンの状態とされるようにしてもよい。この場合、リセットレベルの読み出しも、信号レベルの読み出しも電荷電圧変換部６３と、電荷蓄積部６５および電荷蓄積部９３とが電気的に接続された状態で行なわれることになる。
【０１１２】
〈第２の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
なお、以上においては、電荷蓄積部６５を構成する電極９４および電極９５が、それぞれ第１メタル層１３２および第２メタル層１３３に設けられる例について説明したが、電荷蓄積部６５を構成する電極が、第１メタル層１３２とフォトダイオード６１の間に設けられるようにしてもよい。
【０１１３】
そのような場合、固体撮像素子１１に設けられた画素は、例えば図８に示すように構成される。なお、図８において、図４における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１１４】
図８の例では、電荷蓄積部６５は互いに対向して設けられた電極１６１および電極１６２から構成されている。電極１６１および電極１６２は、例えばアルミニウム等のメタル（金属）により構成されているが、電極１６１と電極１６２の間の層間膜が薄膜化されているため、電極１６１と電極１６２の間の距離が短くなっている。これにより、電荷蓄積部６５の高容量化が実現されている。
【０１１５】
また、この例では、電極１６１は電圧Vssがかけられた図示せぬ配線９６に接続されており、電圧Vssは例えばグランドレベル（GND）などとされる。なお、電極１６１が電源電圧VDDの電源に接続されるようにしてもよい。さらに、電極１６２はキャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。
【０１１６】
〈第３の実施の形態〉
〈電荷蓄積部のレイアウトについて〉
さらに、以上においては、電荷蓄積部６５を構成する２つの電極がメタルにより形成される例について説明したが、それらの２つの電極のうち、フォトダイオード６１側に配置される電極がポリシリコンにより形成されるようにしてもよい。
【０１１７】
そのような場合、画素内における各素子は、例えば図９に示すように配置される。なお、図９において、図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
【０１１８】
図９の例では、フォトダイオード６１の受光面とは反対側の面に電荷蓄積部６５が設けられており、電荷蓄積部６５は互いに対向して配置された電極１９１および電極９５から構成されている。例えば、フォトダイオード６１と隣接して配置されている電極１９１、すなわちフォトダイオード６１と電極９５の間に配置されている電極１９１は、ポリシリコンにより形成されている。また、電極９５はメタルにより形成されている。
【０１１９】
電荷蓄積部６５と同様に、電荷蓄積部９３も互いに対向して配置された電極１９２および電極９９から構成されており、フォトダイオード９１側に設けられた電極１９２はポリシリコンにより構成され、電極９９はメタルにより形成されている。
【０１２０】
また、図３における場合と同様に、電荷蓄積部６５と電荷蓄積部９３は、２つの画素において共有されており、電荷電圧変換部６３に容量を付加するために設けられている。
【０１２１】
画素を構成する各素子が図９に示した配置とされる場合、フォトダイオード６１を含む画素の断面は、例えば図１０に示すようになる。なお、図１０において図９における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
【０１２２】
図１０では、メタルで形成されている電極９５は第１メタル層１３２に設けられており、電極９５はキャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。
【０１２３】
また、ポリシリコンで形成されている電極１９１は第１メタル層１３２とフォトダイオード６１の間に、フォトダイオード６１に隣接して設けられており、電極１９１は電圧Vssがかけられた図示せぬ配線９６に接続されている。例えば、電圧Vssはグランドレベルなどとされるが、電極１９１が電源電圧VDDの電源に接続されるようにしてもよい。
【０１２４】
〈第４の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、図１０に示したように電荷蓄積部６５が電極１９１と電極９５で構成され、フォトダイオード６１がいわゆるHAD（Hole Accumulation Diode）構造である場合には、フォトダイオード６１に負バイアスが印加されるようにしてもよい。
【０１２５】
そのような場合、固体撮像素子１１に設けられた画素は、例えば図１１に示すように構成される。なお、図１１において、図１０における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１２６】
図１１の構成では図１０に示した構成に加えて、さらにチャージポンプ回路２２１が設けられており、フォトダイオード６１に隣接して設けられた電極１９１は、配線９６ではなくチャージポンプ回路２２１に接続されている。
【０１２７】
ここで、HAD構造とは、Ｐ型半導体領域内にＮ型半導体領域が形成されている構造、つまりＮ型半導体領域がＰ型半導体領域に挟まれて設けられている構造である。
【０１２８】
一般的に、HAD構造のフォトダイオードでは、暗電流や白点の発生を抑制するためにＰ型半導体領域に含まれるボロンの濃度を濃くすることが考えられるが、ボロン濃度を濃くするとＮ型半導体領域が小さくなってしまうので、飽和信号量が低下してしまう。そうすると、画素値のダイナミックレンジが小さくなってしまう。
【０１２９】
そこで、図１１に示す固体撮像素子１１の画素では、チャージポンプ回路２２１がポリシリコンで形成された電極１９１に負バイアスを印加することで、フォトダイオード６１の表面に負バイアスが印加されるようにする。
【０１３０】
この負バイアスの印加により、フォトダイオード６１表面のホール（正孔）の濃度を高めることができ、これにより、フォトダイオード６１表面のＰ型半導体領域１３１の部分にホール蓄積層が形成される。その結果、ホール蓄積層のホールとノイズ電子が結合し、暗電流や白点のノイズを低減させることができ、より高画質な画像を得ることができるようになる。しかも、この場合、フォトダイオード６１を構成するＰ型半導体領域１３１のボロンの濃度を濃くする必要がないので、Ｎ型半導体領域が小さくなって飽和信号量が低下するようなこともない。
【０１３１】
〈第５の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、以上においては、電荷蓄積部６５を構成する２つの電極のうちの何れか一方、または両方がメタルにより形成されると説明したが、２つの電極がポリシリコンにより形成されるようにしてもよい。
【０１３２】
そのような場合、固体撮像素子１１に設けられた画素は、例えば図１２に示すように構成される。なお、図１２において、図１０における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１３３】
図１２の例では、電荷蓄積部６５は、互いに対向して配置された電極１９１および電極２５１により構成されており、電極１９１および電極２５１は、フォトダイオード６１と第１メタル層１３２の間に設けられている。また、電極１９１および電極２５１は、ポリシリコンにより形成されている。
【０１３４】
電極２５１はキャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。また、電極１９１は図示せぬ配線９６に接続されている。
【０１３５】
〈第６の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、図１２に示した構成において、電極１９１に負バイアスが印加されるようにしてもよい。そのような場合、例えば固体撮像素子１１の画素は図１３に示すように構成される。なお、図１３において、図１２または図１１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１３６】
図１３の例では、図１２に示した構成において、電極１９１が配線９６ではなくチャージポンプ回路２２１に接続されている。したがって、電極１９１にはチャージポンプ回路２２１により負バイアスが印加され、これによりフォトダイオード６１の表面に負バイアスが印加されて、暗電流や白点の発生が抑制される。
【０１３７】
〈第７の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、チャージポンプ回路２２１により電極１９１に負バイアスが印加される場合に、電荷蓄積部６５の層間膜の薄膜化により高容量化が実現されるようにしてもよい。
【０１３８】
そのような場合、例えば固体撮像素子１１の画素は図１４に示すように構成される。なお、図１４において、図８または図１１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１３９】
図１４の例では、電荷蓄積部６５は互いに対向して設けられた電極１９１および電極１６２から構成されており、電極１９１には負バイアスを印加するためのチャージポンプ回路２２１が接続されている。また、電極１９１はポリシリコンにより形成されており、電極１６２はメタルにより形成されている。さらに、電極１６２はキャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。
【０１４０】
電極１９１と電極１６２の間の層間膜が薄膜化されているため、電極１９１と電極１６２の間の距離が短くなっており、電極１９１と電極１６２はフォトダイオード６１と第１メタル層１３２の間に配置されている。これにより、電荷蓄積部６５の高容量化が実現されている。
【０１４１】
〈第８の実施の形態〉
〈電荷蓄積部のレイアウトについて〉
さらに、単位面積当たりの電荷蓄積部６５の容量を大きくするために、電荷蓄積部６５の電極を平面方向や垂直方向に櫛歯型に配線し、対向面積を増やす構成とするようにしてもよい。そのような場合、画素内における各素子は、例えば図１５に示すように配置される。なお、図１５において、図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
【０１４２】
この例では、電荷蓄積部６５が互いに対向する電極２８１−１乃至電極２８１−４と、電極２８２−１乃至電極２８２−５とから構成されている。また、電極２８１−１乃至電極２８１−４はキャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。電極２８２−１乃至電極２８２−５は、電圧Vssがかけられた配線９６に接続されている。
【０１４３】
なお、以下、電極２８１−１乃至電極２８１−４を特に区別する必要のない場合、単に電極２８１とも称する。また、以下、電極２８２−１乃至電極２８２−５を特に区別する必要のない場合、単に電極２８２とも称する。
【０１４４】
電荷蓄積部６５では、電極２８１と電極２８２が交互に並べられて配置されており、互いに対向する電極２８１と電極２８２が１つのキャパシタとして機能している。このように電極２８１と電極２８２を櫛歯型に設けることで、電荷蓄積部６５の容量を大きくすることができる。
【０１４５】
同様に、電荷蓄積部９３は互いに対向する電極２８３−１乃至電極２８３−４と、電極２８４−１乃至電極２８４−５とから構成されている。また、電極２８３−１乃至電極２８３−４はキャパシタ配線１０１および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。電極２８４−１乃至電極２８４−５は、電圧Vssがかけられた配線１００に接続されている。
【０１４６】
なお、以下、電極２８３−１乃至電極２８３−４を特に区別する必要のない場合、単に電極２８３とも称する。また、以下、電極２８４−１乃至電極２８４−５を特に区別する必要のない場合、単に電極２８４とも称する。
【０１４７】
電荷蓄積部９３では、互いに対向する電極２８３と電極２８４が１つのキャパシタとして機能している。また、電荷蓄積部６５と電荷蓄積部９３は、２つの画素において共有されており、電荷電圧変換部６３に容量を付加するために設けられている。
【０１４８】
画素を構成する各素子が図１５に示した配置とされる場合、フォトダイオード６１を含む画素の断面は、例えば図１６に示すようになる。なお、図１６において図１５における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
【０１４９】
図１６に示す例では、フォトダイオード６１の配線層側の面上に電荷蓄積部６５を構成する電極２８１と電極２８２が交互に対向して配置されている。特に電極２８１は、フォトダイオード６１の表面から第２メタル層１３３までの部分に設けられている。なお、ここでは、一部の電極２８１と電極２８２の図示が省略されている。
【０１５０】
〈第９の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、以上においては、本技術を裏面照射型の固体撮像素子１１に適用する例ついて説明したが、本技術は表面照射型のイメージセンサに適用することも可能である。ここで、表面照射型のイメージセンサとは、被写体からの光を入射させる受光面、つまりオンチップレンズと、被写体からの光を受光するフォトダイオードとの間に、各画素を駆動させるトランジスタ等の配線が設けられた配線層が設けられている構成のイメージセンサである。
【０１５１】
例えば、表面照射型のイメージセンサに本技術を適用する場合、図１７に示すように像面位相差画素に本技術を適用すると有効である。なお、図１７において、図４における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
【０１５２】
また、像面位相差画素とは、固体撮像素子を構成する画素のうち、像面位相差AF（Auto Focus）に用いられる画素をいう。像面位相差AFは、例えば受光面の右側が遮光された像面位相差画素で光を受光して得られた画像と、受光面の左側が遮光された像面位相差画素で光を受光して得られた画像との位相差を利用して焦点を調節する焦点調節方法である。
【０１５３】
図１７の例では、フォトダイオード６１の受光面側、つまり図中、上側に第１メタル層１３２や第２メタル層１３３からなる配線層が設けられており、さらに配線層の図中、上側にレンズ３１１とカラーフィルタ３１２が設けられている。
【０１５４】
したがって、被写体からの光はレンズ３１１により集光されてカラーフィルタ３１２に入射される。そして、カラーフィルタ３１２を通過した光の一部が、配線層を通ってフォトダイオード６１へと入射する。
【０１５５】
図１７に示す構成では、フォトダイオード６１とカラーフィルタ３１２の間に、メタルで形成された２つの電極９４および電極９５からなる電荷蓄積部６５が配置されており、この電荷蓄積部６５が像面位相差画素の遮光層として機能している。
【０１５６】
具体的には、電極９４および電極９５は、フォトダイオード６１の電荷蓄積領域の図中、左側の一部の領域と重なるように配置されている。そのため、レンズ３１１により集光されてカラーフィルタ３１２を通過した光の一部は、図中、点線で表されるように電極９５により遮光されてフォトダイオード６１には入射しないようになされている。
【０１５７】
なお、電極９４と電極９５は、それぞれ第１メタル層１３２と第２メタル層１３３に設けられている。電極９４は電圧Vssがかけられた配線に接続されており、電極９５はキャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。
【０１５８】
このように、電荷蓄積部６５をフォトダイオード６１の電荷蓄積領域における被写体からの光を入射させない領域、つまり遮光すべき領域と重なるように配置して、像面位相差画素の遮光層として機能させることで、電荷蓄積部６５の面積によらず、各素子のサイズを縮小化させる必要がなくなる。
【０１５９】
したがって、フォトダイオード６１の面積（光電変換領域の面積）をより大きくすることができ、画素の受光感度および飽和信号量を向上させることができる。これにより、画素信号のS/N比を向上させ、より画質のよい画像を得ることができるようになる。
【０１６０】
また、増幅トランジスタ６７の面積をより大きくすることができるので、ランダムノイズの増加を抑制し、画像の画質を向上させることができる。さらに、転送ゲート部６２等の各トランジスタの面積をより大きくすることができるので、トランジスタ特性のばらつきを抑制することができる。これにより、S/N比の劣化を抑制し、より画質のよい画像を得ることができるようになる。
【０１６１】
なお、図１７に示した構成においてもフォトダイオード６１を有する画素に隣接する他の画素に設けられた電荷蓄積部が容量切替スイッチ６４に接続され、その電荷蓄積部が電荷蓄積部６５とともに電荷電圧変換部６３に容量を付加するために用いられてもよい。すなわち、図３における場合と同様に、互いに隣接する画素の電荷蓄積部が共有されるようにしてもよい。
【０１６２】
〈第１０の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、図１７では、電荷蓄積部６５を遮光層として機能させる例について説明したが、電荷蓄積部６５が遮光層とフォトダイオード６１の間に配置されるようにしてもよい。そのような場合、フォトダイオード６１を有する像面位相差画素は、例えば図１８に示すように構成される。なお、図１８において、図１７における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１６３】
図１８では、電荷蓄積部６５は互いに対向して設けられた電極３４１および電極３４２から構成されており、これらの電極３４１および電極３４２は、遮光層３４３とフォトダイオード６１の間に配置されている。
【０１６４】
この例では、電荷蓄積部６５は遮光層として機能しないので、電極３４１および電極３４２は、特にメタルにより形成される必要はない。したがって、電極３４１および電極３４２は、アルミニウムや銅、金、銀などのメタル（金属）により形成されるようにしてもよいし、ポリシリコンなどで形成されるようにしてもよい。例えば、電極３４１と電極３４２のうちの何れか一方がメタルにより形成され、他方がポリシリコンにより形成されてもよい。
【０１６５】
また、遮光層３４３は、メタルにより形成された遮光部材から構成されており、それらの遮光部材は第１メタル層１３２および第２メタル層１３３に設けられている。
【０１６６】
電荷蓄積部６５の電極３４１は、遮光層３４３を形成する遮光部材、キャパシタ配線９７および容量切替スイッチ６４を介して電荷電圧変換部６３に接続されている。また、電荷蓄積部６５の電極３４２は、遮光層３４３を形成する遮光部材を介して、電圧Vssがかけられた配線に接続されている。なお、電極３４２が接続されている遮光部材は、電極３４１が接続されている遮光部材とは電気的に切り離されている遮光部材である。
【０１６７】
このように、電荷蓄積部６５が遮光層３４３とフォトダイオード６１の間に配置される場合においても、電荷蓄積部６５の面積によらず各素子のサイズを縮小化する必要がなくなるので、より画質のよい画像を得ることができるようになる。
【０１６８】
〈撮像装置の構成例〉
なお、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０１６９】
図１９は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示す図である。
【０１７０】
図１９の撮像装置５０１は、レンズ群などからなる光学部５１１、固体撮像素子（撮像デバイス）５１２、およびカメラ信号処理回路であるＤＳＰ(Digital Signal Processor)回路５１３を備える。また、撮像装置５０１は、フレームメモリ５１４、表示部５１５、記録部５１６、操作部５１７、および電源部５１８も備える。ＤＳＰ回路５１３、フレームメモリ５１４、表示部５１５、記録部５１６、操作部５１７、および電源部５１８は、バスライン５１９を介して相互に接続されている。
【０１７１】
光学部５１１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像素子５１２の撮像面上に結像する。固体撮像素子５１２は、光学部５１１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子５１２は、上述した固体撮像素子１１に対応する。
【０１７２】
表示部５１５は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ(electro luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子５１２で撮像された動画像または静止画像を表示する。記録部５１６は、固体撮像素子５１２で撮像された動画像または静止画像を、ビデオテープやＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
【０１７３】
操作部５１７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置５０１が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部５１８は、ＤＳＰ回路５１３、フレームメモリ５１４、表示部５１５、記録部５１６および操作部５１７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０１７４】
また、上述した実施形態においては、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する画素が行列状に配置されてなるCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本技術はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、固体撮像素子全般に対して適用可能である。
【０１７５】
本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子に対して適用可能である。
【０１７６】
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１７７】
さらに、本技術は、以下の構成とすることも可能である。
【０１７８】
［１］
入射した光を光電変換する光電変換部と、
前記光電変換により得られた電荷を蓄積する電荷電圧変換部と、
少なくとも一部分が、前記光電変換により得られた前記電荷が蓄積される前記光電変換部の電荷蓄積領域と重なるように、前記光電変換部に隣接して配置され、前記電荷電圧変換部に容量を付加する電荷蓄積部と
を備える固体撮像素子。
［２］
前記光電変換部を有する画素ごとに前記電荷蓄積部が設けられ、所定の画素において前記電荷電圧変換部に電荷を蓄積する場合に、前記所定の画素に設けられた前記電荷蓄積部、および前記所定の画素に隣接する他の画素に設けられた前記電荷蓄積部により、前記電荷電圧変換部に容量が付加される
［１］に記載の固体撮像素子。
［３］
前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部が、電気的に接続された状態または電気的に切り離された状態の何れかの状態への切り替えを行う切替部をさらに備える
［１］または［２］に記載の固体撮像素子。
［４］
前記固体撮像素子は裏面照射型の撮像素子であり、
前記電荷蓄積部は、前記光電変換部の光が入射する面とは反対側の面に隣接して設けられている
［１］乃至［３］の何れかに記載の固体撮像素子。
［５］
前記電荷蓄積部は互いに対向する電極から構成され、前記光電変換部側に設けられた前記電極はメタルにより形成されている
［４］に記載の固体撮像素子。
［６］
前記固体撮像素子は像面位相差画素を有する撮像素子であり、
前記電荷蓄積部は、前記光電変換部の光が入射する側の面に隣接して設けられ、前記像面位相差画素の遮光層として機能する
［１］乃至［３］の何れかに記載の固体撮像素子。
［７］
前記固体撮像素子は像面位相差画素を有する撮像素子であり、
前記電荷蓄積部は、前記光電変換部に入射する光の一部を遮光する前記像面位相差画素の遮光層と、前記光電変換部との間に設けられている
［１］乃至［３］の何れかに記載の固体撮像素子。
［８］
前記電荷蓄積部は互いに対向する複数の電極から構成され、前記電極は櫛歯型に配置されている
［１］乃至［７］の何れかに記載の固体撮像素子。
［９］
前記電荷蓄積部を介して前記光電変換部に負バイアスを印加する負バイアス印加部をさらに備える
［１］乃至［８］の何れかに記載の固体撮像素子。
［１０］
前記電荷蓄積部は互いに対向する電極から構成され、前記互いに対向する前記電極の一方または両方が、メタルまたはポリシリコンにより形成されている
［１］乃至［９］の何れかに記載の固体撮像素子。
【符号の説明】
【０１７９】
１１  固体撮像素子，  ２１  画素アレイ部，  ６１  フォトダイオード，  ６２  転送ゲート部，  ６３  電荷電圧変換部，  ６４  容量切替スイッチ，  ６５  電荷蓄積部，  ６６  リセットゲート部，  ６７  増幅トランジスタ，  ６８  選択トランジスタ，  ９４  電極，  ９５  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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