(57)【要約】固体撮像装置１０では、第１のビンニングスイッチ８１は、ＭＯＳ容量と、ビンニングスイッチ８１に接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量に付加され、フローティングディフュージョンＦＤの容量を最適化してモードに応じて変換利得を最適な値に調整できるように形成されている。これにより、画質を向上させることができる。
2018190363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、
前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替えられ、
前記容量可変部は、
少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチを含み、
読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替え可能であり、
前記ビンニングスイッチは、
少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている
固体撮像装置。
【請求項２】
少なくとも前記ビンニングスイッチの拡散層に接続されている複数の配線を形成する第１の導電層と、
前記第１の導電層の配線と容量を形成可能な少なくとも一つの配線を形成する前記第１の導電層と異なる第２の導電層と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記フローティングディフュージョンを、電界効果トランジスタにより形成される前記ソースフォロワ素子のゲートに接続するための第２の配線と、
前記フローティングディフュージョンに接続される前記ビンニングスイッチの一方の拡散層と接続された第３の配線と、
前記ビンニングスイッチの他方の拡散層と接続された第４の配線と、
を、少なくとも有し、
前記第２の配線と前記第３の配線は電気的に接続されており、
前記第２の配線、前記第３の配線、および前記第４の配線は、前記第１の導電層を含み、
前記第２の導電層は、少なくとも、前記第３の配線および前記第４の配線の前記第１の導電層と対向するように配置されている
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記ビンニングスイッチがオフ状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、
前記フローティングディフュージョンの接合容量、および
前記第３の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記ビンニングスイッチがオン状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、
前記フローティングディフュージョンの接合容量、および
前記第３の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記ビンニングスイッチのゲート容量、および
前記第４の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記容量可変部は、
隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間の配線に接続され、第１の容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる第１のビンニングスイッチと、
前記第１のビンニングスイッチより前記電荷転送ゲート部側の配線と前記フローティングディフュージョン間に接続され、第２容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる第２のビンニングスイッチと、を含み、
前記第１のビンニングスイッチは、
前記第２のビンニングスイッチがオン状態であることを条件に、少なくとも、寄生容量と、当該第１のビンニングスイッチに接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象の前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成され、
前記第２のビンニングスイッチは、
少なくとも、寄生容量と、当該第２のビンニングスイッチに接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象の前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
少なくとも前記第１のビンニングスイッチの拡散層に接続されている配線、並びに、少なくとも前記第２のビンニングスイッチの前記第１のビンニングスイッチ側と接続される拡散層に接続されている複数の配線を形成する第１の導電層と、
前記第１の導電層の配線と容量を形成可能な少なくとも一つの配線を形成する前記第１の導電層と異なる第２の導電層と、を含む
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
フローティングディフュージョンとしての機能を有する前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層を、電界効果トランジスタにより形成される前記ソースフォロワ素子のゲートに接続するための第２の配線と、
前記第２のビンニングスイッチのゲートに前記第２の容量変更信号を伝達する第３の配線と、
前記第２のビンニングスイッチの他方の拡散層と接続された第４の配線と、
前記第１のビンニングスイッチの一方の拡散層と接続された第５の配線と、
前記第１のビンニングスイッチの他方の拡散層と接続された第６の配線と、
を、少なくとも有し、
前記第４の配線と前記第５の配線は電気的に接続されており、
前記第２の配線、前記第３の配線、前記第４の配線、前記第５の配線、および前記第６の配線は、前記第１の導電層を含み、
前記第２の導電層は、少なくとも、前記第４の配線、前記第５の配線、および前記第６の配線の前記第１の導電層と対向するように配置されている
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記第２のビンニングスイッチがオフ状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記第２の配線と前記第３の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、および
前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層の接合容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記第２のビンニングスイッチがオン状態で、前記第１のビンニングスイッチがオフ状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記第２の配線と前記第３の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、および
前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層の接合容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記第２のビンニングスイッチのゲート容量、
前記第４の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量、および
前記第５の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記第２のビンニングスイッチがオン状態で、前記第１のビンニングスイッチがオン状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記第２の配線と前記第３の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、および
前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層の接合容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記第２のビンニングスイッチのゲート容量、
前記第４の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量、および
前記第５の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記第１のビンニングスイッチのゲート容量、および
前記第６の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の導電層を形成する前記第４の配線と前記第６の配線との間、および前記第５の配線と前記第６の配線との間の少なくとも一方に、前記第４の配線と前記第６の配線との間、または前記第５の配線と前記第６の配線との間で容量を形成可能な前記第２の導電層に接続された第１０の配線が配置され、
前記容量可変部は、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１０の配線と、前記第４の配線と前記第６の配線との間、および前記第５の配線と前記第６の配線との間の少なくとも一方に形成される容量を、前記第１のビンニングスイッチおよび第２のビンニングスイッチのオン、オフに応じて付加する
請求項１０記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第２の導電層は基準電位に接続されている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記ビンニングスイッチを介して接続される複数の画素の全画素で、リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子を共有している
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記容量可変部は、
画素間に接続される前記ビンニングスイッチに接続され、前記フローティングディフュージョンから溢れる電荷を排出するオーバーフローゲートを有する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョンを複数の前記光電変換部および前記電荷転送ゲート部で共有する画素共有構造を有する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記固体撮像装置は、表面照射型または裏面照射型である
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、
前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記容量可変部を少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間を電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチにより接続して形成し、
前記ビンニングスイッチを、少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成し、
前記容量変更信号に応じて前記ビンイングスイッチを選択的にオン、オフさせて、読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替える
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
画素が配置された画素部を含み、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、
前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替えられ、
前記容量可変部は、
少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチを含み、
読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替え可能であり、
前記ビンニングスイッチは、
少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。【０００４】
ところで、特性向上のため、広ダイナミックレンジを持つ高画質のＣＭＯＳイメージセンサを実現する方法が種々提案されている（たとえば特許文献１参照）。【０００５】
特許文献１には、画素内に設けられたフローティングディフィ―ジョンＦＤの容量を、同一画素からの信号読み出し期間内に、接続されたスイッチを切り替えることにより、被写体からの光信号の電荷―電圧変換利得（ゲイン）を効率的に調整して、変換できる光信号を最大化できる固体撮像装置が記載されている。
この固体撮像装置において、利得（ゲイン）調整は、フォトダイオードに接続された、転送ゲートに接続される、フローティングディフィ―ジョンＦＤに直列に接続された、スイッチ（ビンニングスイッチ）の接続数によりフローティングディフュージョンＦＤの容量を段階的に調整する。【０００６】
このような固体撮像装置では、信号量が小さい場合、すなわち低照度の場合には、接続されたスイッチ数を最小化して、フローティングディフュージョンＦＤの容量を小さくして変換利得（ゲイン）を高くすることで感度を向上させる。
一方、信号量が大きい場合、すなわちより高照度の場合には、段階的に接続スイッチ数を増やして、フローティングディフュージョンＦＤの容量を大きくして変換利得（ゲイン）を低くすることで感度を低くして、信号電荷量を大きい場合でも、電荷―電圧変換後に全信号電荷が電圧変換されることにより、低照度から高照度までの信号電荷―電圧変換が可能になり、ダイナミックレンジが拡大されるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許５８９７７５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した固体撮像装置において、ダイナミックレンジの拡大は、フローティングディフィ―ジョンＦＤに直列に接続されるスイッチの接続数を増やし、フローティングディフュージョンＦＤの容量を大きくすることで、結果として変換効率の差を大きくすることで実現可能となる。【０００９】
しかしながら、上記した固体撮像装置において、特に、同一露光期間内で、スイッチの接続本数を切り替えてダイナミックに変換利得を切り替え、複数回信号を読み出だし、動画のダイナミックレンジ性能を拡大する方式の場合、信号切り替え時のノイズが大きくなり、切り替え付近での信号を含む画像のＳＮ比が劣化してしまい、画質が低下するという不利益がある。【００１０】
本発明は、画質を向上させることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点の固体撮像装置は、画素が配置された画素部を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替えられ、前記容量可変部は、少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチを含み、読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替え可能であり、前記ビンニングスイッチは、少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている。【００１２】
本発明の第２の観点は、画素が配置された画素部を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替える固体撮像装置の駆動方法であって、前記容量可変部を少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間を電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチにより接続して形成し、前記ビンニングスイッチを、少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成し、前記容量変更信号に応じて前記ビンイングスイッチを選択的にオン、オフさせて、読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替える。【００１３】
本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、画素が配置された画素部を含み、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替えられ、前記容量可変部は、少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチを含み、読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替え可能であり、前記ビンニングスイッチは、少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本第１の実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【図３】図３（Ａ）および（Ｂ）は、本実施形態における通常の画素読み出し動作時のシャッタースキャンおよび読み出しスキャンの動作タイミングを示す図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の列出力の読み出し系の構成例を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素および容量可変部の主要部の簡略断面を示す図であって、フローティングディフュージョンの容量に付加される付加容量成分について説明するための図である。
【図７】図７は、本第１の実施形態における第１のビンニングトランジスタのオン、オフと変換利得、および調整後のフローティングディフュージョンのトータル容量との関係を対比して示す図である。
【図８】図８は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置における高利得信号と低利得信号の入出力特性を示す図である。
【図９】図９（Ａ）および（Ｂ）は、付加容量を考慮しない比較例としての固体撮像装置における高利得信号と低利得信号の入出力特性を示す図である。
【図１０】図１０は、本第１の実施形態に係る容量可変部にビンニングスイッチを適用した場合の広ダイナミックレンジを実現する動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の第２の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第３の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置における画素および容量可変部の主要部の簡略断面を示す図であって、フローティングディフュージョンの容量に付加される付加容量成分について説明するための図である。
【図１４】図１４は、本第３の実施形態における第１のビンニングトランジスタおよび第２のビンニングトランジスタのオン、オフと変換利得、および調整後のフローティングディフュージョンのトータル容量との関係を対比して示す図である。
【図１５】図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、本第３の実施形態における第１のビンニングトランジスタおよび第２のビンニングトランジスタのオン、オフと変換利得、および調整後のフローティングディフュージョンのトータル容量との関係をポテンシャルの遷移状態に関連付けて示す図である。
【図１６】図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、本第３の実施形態における第１のビンニングトランジスタおよび第２のビンニングトランジスタのオン、オフに応じて付加容量が採用される配線上の範囲を模式的に示す図である。
【図１７】図１７は、本第３の実施形態に係る固体撮像装置における高利得信号と中間利得信号と低利得信号の入出力特性を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の第４の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１９】図１９（Ａ）〜（Ｃ）は、本第４の実施形態における第１のビンニングトランジスタおよび第２のビンニングトランジスタのオン、オフに応じて付加容量が採用される配線上の範囲を模式的に示す図である。
【図２０】図２０は、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターンの第１例を示す図であって、その配線間容量の形成方法について説明するための図である。
【図２１】図２１は、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターンの第２例を示す図であって、その配線間容量の形成方法について説明するための図である。
【図２２】図２２は、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターンの第３例を示す図であって、その配線間容量の形成方法について説明するための図である。
【図２３】図２３は、図１３の画素部および容量可変部におけるＭＯＳ容量の調整方法について説明するための図である。
【図２４】図２４（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が、表面照射型イメージセンサと裏面照射型イメージセンサの両方に適用が可能であることを説明するための図である。
【図２５】図２５は。本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１０，１０Ａ〜１０Ｆ・・・固体撮像装置、２０・・・画素部、２００・・・半導体基板、２１０〜２１４・・・第１のコンタクト配線〜第５のコンタクト配線、Ｍ１・・・第１の導電層（第１のメタル層）、２１５〜２１９・・・第１のメタル配線〜第５のメタル配線、Ｍ２・・・第２の導電層（第２のメタル層）、２２０・・・第６のメタル配線、２３７〜２４５・・・第１のコンタクト配線〜第９のコンタクト配線、２４６〜２５５・・・第１のメタル配線〜第１０のメタル配線、２５６・・・第１１のメタル配線、３０・・・垂直走査回路、４０・・・読み出し回路、５０・・・水平走査回路、６０・・・タイミング制御回路、７０・・・読み出し部、８０，８０Ａ〜８０Ｃ・・・容量可変部、８１・・・第１のビンニングスイッチ、８２・・・第２のビンニングスイッチ、８３・・・オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）ゲート、９１・・・マイクロレンズアレイ、９２・・・カラーフィルタ群、９３・・・配線層、９４・・・シリコン基板、１００・・・電子機器、１１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、１２０・・・光学系、１３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。
【００１９】
この固体撮像装置１０は、図１に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（カラム読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。
【００２０】
本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、後で詳述するように、画素部２０に行列状に配列される画素（または画素部２０）は、フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部を含んで構成されている。
固体撮像装置１０においては、一つの電荷の蓄積期間（露光期間）後の一つの読み出し期間内の所定期間に容量可変部によりフローティングディフュージョンの容量が変更されて、この読み出し期間内に変換利得が切り替えられる。
【００２１】
本第１の実施形態において、読み出し部７０は、一つの読み出し期間に、容量可変部により設定される第１のトータル容量に応じた第１の変換利得で画素信号の読み出しを行う第１の変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第２のトータル容量（第１のトータル容量と異なる）に応じた第２の変換利得で画素信号の読み出しを行う第２の変換利得モード読み出しと、を行うことが可能に構成されている。
すなわち、本実施形態の固体撮像装置１０は、一度の蓄積期間（露光期間）に光電変換された電荷（電子）に対して、一つの読み出し期間に、画素内部にて、第１の変換利得（たとえば高変換利得）モードと第２の変換利得（低変換利得）モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力するダイナミックレンジが広い固体撮像素子として提供される。
なお、構成によっては、後で詳述するように、さらには、容量可変部により設定される第３のトータル容量（第１のトータル容量、第２のトータル容量と異なる）に応じた第３の変換利得（中間変換利得）で画素信号の読み出しを行う第３の変換利得モード読み出しを行うことが可能に構成されている。
【００２２】
本第１の実施形態においては、容量可変部が、ビンニングスイッチ（ビンニングトランジスタ）を適用して構成される。
本第１の実施形態においては、容量可変部は、キャパシタではなく、列方向に隣接する２つの画素ＰＸＬｎのフローティングディフュージョンＦＤ間に形成される配線に接続（配置）された第１のビンニングスイッチ、および画素ＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤと電源線ＶＤＤとの間に接続された第１のビンニングスイッチにより構成されている。
本第１の実施形態では、容量変更信号より第１のビンニングスイッチをオン、オフすることにより、接続するフローティングディフュージョンＦＤ数を１または複数に切り替えて、読み出し対象画素のフローティングディフュージョンＦＤの容量を変更し、読み出される画素のフローティングディフュージョンＦＤの変換利得を切り替える。
そして、本第１の実施形態では、第１のビンニングスイッチは、少なくとも、寄生容量と、ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって画素のフローティングディフュージョンＦＤの容量に付加されるように形成されている。
これにより、本実施形態の固体撮像装置１０は、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができ、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性をえることができ、ひいては高画質の画像を得ることができるように構成されている。
【００２３】
本第１の実施形態の読み出し部７０は、基本的に、フォトダイオードおよびフローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット期間に続く蓄積期間に第１の変換利得モード読み出しと第２の変換利得モード読み出しを行う。
また、本実施形態において、読み出し部７０は、リセット期間に続く読み出し期間後に行われる少なくとも一つの転送期間後の読み出し期間において、第１の変換利得モード読み出しと第２の変換利得モード読み出しのうちの少なくともいずれかを行う。すなわち、転送期間後の読み出し期間において、第１の変換利得モード読み出しと第２の変換利得モード読み出しの両方を行う場合もある。さらに、第３の変換利得（中間変換利得）で画素信号の読み出しを行う第３の変換利得モード読み出しを行う場合もある。
【００２４】
通常の画素読み出し動作においては、読み出し部７０による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われるが、第１の変換利得モード読み出し（ＨＣＧ）と第２の変換利得モード読み出し（ＬＣＧ）、第３の変換利得モード読み出し（ＭＣＧ）は、読み出しスキャン期間に行われる。
【００２５】
以下、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要を説明した後、容量可変部の構成、それに関連した読み出し処理等について詳述する。
【００２６】
（画素部２０および画素ＰＸＬの構成）
画素部２０は、フォトダイオード（光電変換素子）と画素内アンプとを含む複数の画素がＮ行×Ｍ列の２次元の行列状（マトリクス状）に配列されている。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【００２８】
この画素ＰＸＬは、たとえば光電変換部（光電変換素子）であるフォトダイオード（ＰＤ）を有する。
このフォトダイオードＰＤに対して、電荷転送ゲート部（転送素子）としての転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ、リセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒ、および選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒをそれぞれ一つずつ有する。
【００２９】
そして、画素ＰＸＬは、フローティングディフュージョンＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；浮遊拡散層）に接続され、容量変更信号ＢＩＮに応じてフローティングディフュージョンＦＤの容量を変更可能な容量可変部８０を有している。
【００３０】
フォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない３トランジスタ（３Ｔｒ）画素を採用している場合にも有効である。
【００３１】
各画素ＰＸＬにおいて、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
【００３２】
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒは、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧにより制御される。
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒは、制御信号ＴＧがハイ（Ｈ）レベルの転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【００３３】
リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、電源線ＶＲｓｔとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御信号ＲＳＴを通じて制御される。
なお、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、電源線ＶＤＤとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御信号ＲＳＴを通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線ＶＲｓｔ（またはＶＤＤ）の電位にリセットする。
【００３４】
なお、本第１の実施形態においては、後述するように、容量可変部８０として用いられる第１のビンニングトランジスタ（８１ｎ，８１ｎ＋１）がリセット素子としての機能を併せ持つように構成することも可能である。
そして、第１のビンニングトランジスタ（８１ｎ，８１ｎ＋１）を介して接続される複数の画素の全画素で、リセット期間ＰＲにフローティングディフュージョンＦＤの電荷を排出する第１のビンニングトランジスタ（８１ｎ＋１）によるリセット素子を共有している構成を採用することも可能である。
【００３５】
ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは、電源線ＶＤＤと垂直信号線ＬＳＧＮの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタＳＦ−ＴｒのゲートにはフローティングディフュージョンＦＤが接続され、選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは制御信号ＳＥＬを通じて制御される。
選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは、制御信号ＳＥＬがＨレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ−ＴｒはフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し信号ＶＳＬを垂直信号線ＬＳＧＮに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒの各ゲートが行単位で接続されていることから、１行分の各画素について同時並列的に行われる。
【００３６】
画素部２０には、画素ＰＸＬがＮ行×Ｍ列配置されているので、各制御信号ＳＥＬ、ＲＳＴ、ＴＧ用の制御線はそれぞれＮ本、垂直信号線ＬＳＧＮはＭ本ある。
図１においては、各制御信号ＳＥＬ、ＲＳＴ、ＴＧ用の制御線を１本の行走査制御線として表している。
【００３７】
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路６０の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
【００３８】
上述したように、通常の画素読み出し動作においては、読み出し部７０の垂直走査回路３０による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われる。
【００３９】
図３（Ａ）および（Ｂ）は、本実施形態における通常の画素読み出し動作時のシャッタースキャンおよび読み出しスキャンの動作タイミングを示す図である。
【００４０】
選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒのオン（導通）、オフ（非導通）を制御する制御信号ＳＥＬは、シャッタースキャン期間ＰＳＨＴにはＬレベルに設定されて選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが非導通状態に保持され、読み出しスキャン期間ＰＲＤＯにはＨレベルに設定されて選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが導通状態に保持される。
そして、シャッタースキャン期間ＰＳＨＴには、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に所定期間制御信号ＴＧがＨレベルに設定されて、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒおよび転送トランジスタＴＧ−Ｔｒを通じてフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。
【００４１】
読み出しスキャン期間ＰＲＤＯには、制御信号ＲＳＴがＨレベルに設定されてリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒを通じてフローティングディフュージョンＦＤがリセットされ、このリセット期間ＰＲ後の読み出し期間ＰＲＤ１にリセット状態の信号が読み出される。
読み出し期間ＰＲＤ１後に、所定期間、制御信号ＴＧがＨレベルに設定されて転送トランジスタＴＧ−Ｔｒを通じてフローティングディフュージョンＦＤにフォトダイオードＰＤの蓄積電荷が転送され、この転送期間ＰＴ後の読み出し期間ＰＲＤ２に蓄積された電子（電荷）に応じた信号が読み出される。
【００４２】
なお、本第１の実施形態の通常の画素読み出し動作において、蓄積期間（露光期間）ＥＸＰは、一例として図３（Ｂ）に示すように、シャッタースキャン期間ＰＳＨＴでフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤをリセットして制御信号ＴＧをＬレベルに切り替えてから、読み出しスキャン期間ＰＲＤＯの転送期間ＰＴを終了するために制御信号ＴＧをＬレベルに切り替えるまでの期間である。
【００４３】
読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
【００４４】
読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路やＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ；ＡＤ変換器）、アンプ（ＡＭＰ，増幅器）、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路等を含んで構成可能である。
【００４５】
このように、読み出し回路４０は、たとえば図４（Ａ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬをデジタル信号に変換するＡＤＣ４１を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路４０は、たとえば図４（Ｂ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬを増幅するアンプ（ＡＭＰ）４２が配置されてもよい。
また、読み出し回路４０は、たとえば図４（Ｃ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬをサンプル、ホールドするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４３が配置されてもよい。
【００４６】
水平走査回路５０は、読み出し回路４０のＡＤＣ等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。
【００４７】
タイミング制御回路６０は、画素部２０、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
【００４８】
以上、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る容量可変部８０の構成、付加容量の構成、それに関連した読み出し処理等について詳述する。
【００４９】
本第１の実施形態においては、容量可変部８０が、ビンニングスイッチ（ビンニングトランジスタ）を適用して構成される。
【００５０】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【００５１】
本第１の実施形態においては、容量可変部８０は、キャパシタではなく、列方向に隣接する複数の画素ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤ間に形成される配線ＷＲに接続（配置）された第１のビンニングスイッチ８１ｎ−１，８１ｎ、８１ｎ＋１、および画素ＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤと電源線ＶＤＤとの間に接続された図示しない第１のビンニングスイッチにより構成されている。
【００５２】
本第１の実施形態において、第１のビンニングスイッチ８１（・・，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，・・）は絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、たとえばｎチャネルのＭＯＳ（ＮＭＯＳ）トランジスタにより形成されている。
以下の説明では、ビンニングスイッチをビンニングトランジスタと呼ぶ場合もある。
また、第１のビンニングトランジスタを符号ＢＩＮ ＭＣで示す場合もある。
【００５３】
本第１の実施形態では、容量変更信号ＢＩＮｎ−１，ＢＩＮｎ，ＢＩＮｎ＋１により第１のビンニングスイッチ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１をオン、オフすることにより、接続するフローティングディフュージョンＦＤ数を１または複数に切り替えて、読み出し対象画素のフローティングディフュージョンＦＤの容量を変更し、読み出される画素ＰＸＬｎまたはＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤの変換利得を切り替える。
そして、本第１の実施形態では、第１のビンニングスイッチ８１は、寄生容量（ＭＯＳ容量）と、ビンニングスイッチ８１に接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量に付加され、フローティングディフュージョンＦＤの容量を最適化してモードに応じて変換利得を最適な値に調整できるように形成されている。
【００５４】
本第１の実施形態においては、１列全画素・・ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１・・でリセット素子が共有され、たとえば１列の一端側の画素ＰＸＬ０（図５には図示せず）のフローティングディフュージョンＦＤと１列の他端側の画素ＰＸＬＮ−１に近接して形成される電源線ＶＤＤ（図５には図示せず）間が、配線ＷＲに各画素に対応しつつ縦続接続するように形成される第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）・・８１ｎ−１，８１ｎ、８１ｎ＋１・・を介して接続され、第１のビンニングスイッチ間の配線ＷＲ上のノード・・ＮＤｎ−１，ＮＤｎ，ＮＤｎ＋１・・と対応する画素・・ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１・・のフローティングディフュージョンＦＤが接続されている。
第１の実施形態では、最も他端側となる図示しない第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）８１Ｎ−１が共有のリセット素子として機能する。
【００５５】
このような構成により、本第１の実施形態の固体撮像装置１０によれば、フローティングディフュージョンＦＤの接続数を柔軟に切り替えることが可能であり、ダイナミックレンジの拡張性に優れる。
そして、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができ、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
また、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、画素内のトランジスタ数が少ないため、ＰＤ開口率を高く、光電変換感度や飽和電子数を高めることができる。
【００５６】
ここで、第１のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８１のオン、オフに応じた値をもって読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量を最適化してモードに応じて変換利得を最適な値に調整するために付加される主要な付加容量成分について説明する。
なお、ここでは、ゲートや拡散層等に対する上層との接続のためのいわゆるコンタクトは配線の一部としてコンタクト配線と呼ぶことにする。
【００５７】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における画素ＰＸＬおよび容量可変部８０の主要部の簡略断面を示す図であって、フローティングディフュージョンＦＤの容量に付加される付加容量成分について説明するための図である。
【００５８】
図６の例では、半導体基板（以下、単に基板という場合もある）２００の表面側（一面側に）に、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ、フローティングディフュージョンＦＤ、および第１のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８１が並列的に形成されている。
【００５９】
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒにおいて、ゲート（ＧＴ−ＴＧ）２０１は、ソースドレインとして機能するフォトダイオードＰＤの光電変換および電荷蓄積領域２０２の一端側とフローティングディフュージョンＦＤとして機能するｎ＋拡散層２０３との間のチャネル形成領域上にゲート酸化膜２０４を介して形成されている。
【００６０】
第１のビンニングトランジスタ８１は、ゲート（ＧＴ−ＢＩＮ）２０５、並びにソースドレインとして機能する一方のｎ＋拡散層２０６および他方の拡散層２０７を含んで形成されている。
第１のビンニングトランジスタ８１において、ゲート（ＧＴ−ＢＩＮ）２０５は、ソースドレインとして機能するｎ＋拡散層２０６とｎ＋拡散層２０７との間のチャネル形成領域上にゲート酸化膜２０８を介して形成されている。
【００６１】
また、基板２００において、フォトダイオードＰＤの光電変換および電荷蓄積領域２０２の他端側には、基準電位ＶＳＳ（たとえば接地電位ＧＮＤ）との接続電極として機能するｐ＋拡散層２０９が形成されている。
【００６２】
基板２００に形成された転送トランジスタＴＧ−Ｔｒのゲート２０１、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２０３、第１のビンニングトランジスタ８１を形成するゲート２０５、ｎ＋拡散層２０６，２０７、およびｐ＋拡散層２０９には、コンタクト配線２１０〜２１４の一端（下端）側が接続されている。
【００６３】
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒのゲート２０１には、電荷転送ゲート部としての転送トランジスタＴＧ−Ｔｒに制御信号ＴＧを伝達するための第１のコンタクト配線２１０が接続されている。
【００６４】
ｎ＋拡散層２０３には、フローティングディフュージョンＦＤを、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲートに接続するための第２のコンタクト配線２１１が接続されている。
【００６５】
第１のビンニングトランジスタ８１の一方のｎ＋拡散層２０６には、フローティングディフュージョンＦＤに接続された第２のコンタクト配線２１１と配線ＷＲ２０１を介して電気的に接続される第３のコンタクト配線２１２が接続されている。
【００６６】
第１のビンニングトランジスタ８１の他方のｎ＋拡散層２０７には、次の行の画素側と接続される第４のコンタクト配線２１３が接続されている。
【００６７】
ｐ＋拡散層２０９には、基準電位ＶＳＳに接続するための第５のコンタクト配線２１４が接続されている。
【００６８】
なお、第１のビンニングトランジスタ８１のゲート２０５には、容量変更信号ＢＩＮを伝達するための配線ＷＲ２０２が接続されている。
【００６９】
第１のコンタクト配線２１０〜第５のコンタクト配線２１４は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１としての第１のメタル配線２１５〜第５のメタル配線２１９を含んで形成されている。
具体的には、第１のコンタクト配線２１０の他端側が第１のメタル配線２１５に接続されている。
第２のコンタクト配線２１１の他端側が第２のメタル配線２１６に接続されている。
第３のコンタクト配線２１２の他端側が第３のメタル配線２１７に接続されている。
第４のコンタクト配線２１３の他端側が第４のメタル配線２１８に接続されている。
第５のコンタクト配線２１４の他端側が第５のメタル配線２１９に接続されている。
【００７０】
そして、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の配線と容量を形成可能な少なくとも一つの配線を形成する第１の導電層Ｍ１と異なる第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２としての第６のメタル配線２２０が形成されている。
図６の例では、第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２としての第６のメタル配線２２０が、第１のメタル配線２１５〜第５のメタル配線２１９のうち、第３のメタル配線２１７および第４のメタル配線２１８と容量を形成可能なように、対向するように配置されている。
そして、第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２としての第６のメタル配線２２０は、基準電位ＶＳＳに接続された配線ＷＲ２０３を介して、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第５のメタル配線２１９に接続されている。
【００７１】
図６に示す画素ＰＸＬおよび容量可変部８０の構成において、フローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに付加される付加容量成分としては、次のような６つの容量Ｃ０〜Ｃ５を例示することができる。
【００７２】
第１は、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ０である。
第２は、第１のコンタクト配線２１０と第２のコンタクト配線２１１間の配線間容量Ｃ１である。
第３は、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２０３における接合容量Ｃ２である。
第４は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第３のメタル配線２１７と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第６のメタル配線２２０間の配線間容量Ｃ３である。
第５は、第１のビンニングトランジスタ８１のゲート容量Ｃ４である。
第６は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２１８と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第６のメタル配線２２０間の配線間容量Ｃ５である。
【００７３】
本第１の実施形態において、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄは、第１のビンニングトランジスタ８１のオン、オフに応じた値をもってＭＯＳトランジスタの寄生容量（ＭＯＳ容量、接合容量やゲート容量等）および配線間容量が付加される。
このように、本実施形態の固体撮像装置１０は、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができる。これにより、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【００７４】
図７は、本第１の実施形態における第１のビンニングトランジスタ８１のオン、オフと変換利得、および調整後のフローティングディフュージョンＦＤのトータル容量との関係を対比して示す図である。
【００７５】
本第１の実施形態において、第１のビンニングトランジスタ８１がオフ状態のとき、変換利得は高変換利得（Ｈｉｇｈ）となる。
この場合、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ０、第１のコンタクト配線２１０と第２のコンタクト配線２１１間の配線間容量Ｃ１、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２０３における接合容量Ｃ２、および、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第３のメタル配線２１７と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第６のメタル配線２２０間の配線間容量Ｃ３が合算されて付加容量Ｃｂｉｎ１（＝Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）として付加される。
この高変換利得の場合のフローティングディフュージョンＦＤの第１のトータル容量はＣｂｉｎ１となる。
【００７６】
本第１の実施形態において、第１のビンニングトランジスタ８１がオン状態のとき、変換利得は低変換利得（Ｌｏｗ）となる。
この場合、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ０、第１の配線２１０と第２の配線２１１間の配線間容量Ｃ１、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２０３における接合容量Ｃ２、および、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第３のメタル配線２１７と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第６のメタル配線２２０間の配線間容量Ｃ３が合算された付加容量Ｃｂｉｎ１（＝Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）に加えて、第１のビンニングトランジスタ８１のゲート容量Ｃ４、および、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２１８と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第６のメタル配線２２０間の配線間容量Ｃ５が合算されて付加容量Ｃｂｉｎ２（＝Ｃ４＋Ｃ５）として付加される。
この低変換利得の場合のフローティングディフュージョンＦＤの第２のトータル容量はＣｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２となる。
実際には、低変換利得の場合、第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値となる。
【００７７】
図８は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における高利得信号と低利得信号の入出力特性を示す図である。
図９（Ａ）および（Ｂ）は、付加容量を考慮しない比較例としての固体撮像装置における高利得信号と低利得信号の入出力特性を示す図である。
図８、図９（Ａ）および（Ｂ）において、横軸が入力光信号（の変換電荷量）Ｑ［ｅ］を、縦軸が電荷‐電圧変換後の信号電圧Ｓｉｇを表している。
なお、図９（Ａ）および（Ｂ）において、左側の縦軸が電荷‐電圧変換後の信号Ｓｉｇを表し、右側の縦軸が電荷‐電圧変換後のノイズを表している。
【００７８】
なお、信号電圧Ｓｉｇ、変換利得ＣＧは次式で与えられる。
【００７９】
ＳｉＧ＝Ｑ「ｅ」／Ｃｔｏｔ
ＣＧ＝ｑ／Ｃｔｏｔ
【００８０】
比較例の固体撮像装置において、ダイナミックレンジの拡大は、フローティングディフィ―ジョンＦＤに直列に接続されるスイッチの接続数を増やし、フローティングディフュージョンＦＤの容量を大きくすることで、結果として変換効率の差を大きくすることで実現可能となる。
しかしながら、比較例の固体撮像装置において、特に、同一露光期間内で、スイッチの接続本数を切り替えてダイナミックに変換利得を切り替え、複数回信号を読み出だし、動画のダイナミックレンジ性能を拡大する方式の場合、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、信号切り替え時のノイズが大きくなり、切り替え付近での信号を含む画像のＳＮ比が劣化してしまい、画質が低下するという不利益がある。
【００８１】
これに対して、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０においては、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができる。これにより、図８に示すように、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【００８２】
次に、本第１の実施形態に係る容量可変部にビンニングスイッチ（ビンニングトランジスタ）を適用した場合の広ダイナミックレンジを実現する動作について図１０に関連付けて説明する。
【００８３】
図１０は、本第１の実施形態に係る容量可変部にビンニングスイッチ（ビンニングトランジスタ）を適用した場合の広ダイナミックレンジを実現する動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００８４】
本第１の実施形態においては、読み出し画素の列方向に両端の画素に対応する容量変更信号をＬレベルにすることにより、非リセット状態にする。
たとえば、読み出し画素ＰＸＬｎの列方向に両端の画素ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ＋１に対応する容量変更信号ＢＩＮｎ−１，ＢＩＮｎ＋１をＬレベルにすることにより、非リセット状態にする。
またたとえば、読み出し画素ＰＸＬｎ＋１の列方向に両端の画素ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋２（図示せず）に対応する容量変更信号ＢＩＮｎ，ＢＩＮｎ＋２（図示せず）をＬレベルにすることにより、非リセット状態にする。
【００８５】
ただし、これは一例であって、接続するフローティングディフュージョンの数を多くする場合には、真に隣接する画素に対応する容量変更信号ＢＩＮをＬレベルにせず、その接続態様に応じて複数（２またはそれ以上）行離れた画素に対応する容量変更信号ＢＩＮをＬレベルにすることにより、非リセット状態にする。
【００８６】
読み出しスキャン期間ＰＲＤＯにおいては、図１０に示すように、画素アレイの中のある一行、たとえば第ｎ行を選択するために、その選択された行の各画素ＰＸＬｎに接続された制御信号ＳＥＬがＨレベルに設定されて画素ＰＸＬｎの選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが導通状態となる。
この選択状態において、リセット期間ＰＲ１１に全ての第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１が、容量変更信号ＢＩＮｎ−１，ＢＩＮｎ，ＢＩＮｎ＋１がリセット信号としてＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、各フローティングディフュージョンＦＤが電源線ＶＤＤの電位にリセットされる。
このリセット期間ＰＲ１１が経過した後、容量変更信号ＢＩＮｎ−１，ＢＩＮｎ＋１がＬレベルに切り替えられ、第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ＋１が非導通状態に切り替えられる。
一方、容量変更信号ＢＩＮｎはＨレベルのままに保持されて、第１のビンニングトランジスタ８１ｎが導通状態に保持される。
第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ＋１が非導通状態に切り替えられ、第１のビンニングトランジスタ８１ｎが導通状態に保持されることによりリセット期間ＰＲ１１が終了し、画素ＰＸＬｎのフローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１から第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値に増加するように変更される。
そして、転送期間ＰＴ１１が開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第１の読み出し期間ＰＲＤ１１となる。
【００８７】
第１の読み出し期間ＰＲＤ１１が開始された後の時刻ｔ１に、容量変更信号ＢＩＮｎがＨレベルに保持された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２のトータル容量および画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値に変更された低変換利得（第２の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１１が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１１）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００８８】
第１の読み出し期間ＰＲＤ１１において、時刻ｔ１に第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１１が行われた後、容量変更信号ＢＩＮｎがＬ（ローレベル）に切り替えられて、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２から第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１に減少するように変更される。この場合、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分も合算されず、画素ＰＸＬｎだけの第１のトータル容量に減少するように変更される。
【００８９】
そして、時刻ｔ２に、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が変更された高変換利得（第１の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第１の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１１が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１１）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００９０】
ここで、第１の読み出し期間ＰＲＤ１１が終了し、第１の転送期間ＰＴ１１となる。なお、このとき、容量変更信号ＢＩＮｎは、第１の転送期間ＰＴ１１が経過した後の略次の第２の転送期間ＰＴ１２が開始される直前までの所定期間Ｌレベルのままに保持される。
第１の転送期間ＰＴ１１に転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
この第１の転送期間ＰＴ１１が経過した後（転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが非導通状態）、フォトダイオードＰＤが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第２の読み出し期間ＰＲＤ１２となる。
【００９１】
第２の読み出し期間ＰＲＤ１２が開始された後の時刻ｔ３に、容量変更信号ＢＩＮｎがＬレベルに設定された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１に設定された高変換利得（第１の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１２が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１２）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００９２】
第２の読み出し期間ＰＲＤ１２において、時刻ｔ３に第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１２が行われた後、容量変更信号ＢＩＮｎがＨレベルに切り替えられて、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１から第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値に増加するように変更される。
この容量変更と略並行して、第２の転送期間ＰＴ１２となる。なお、このとき、容量変更信号ＢＩＮｎは、第２の転送期間ＰＴ１２が経過した後もＨレベルのままに保持される。
第２の転送期間ＰＴ１２に転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが、制御信号ＴＧがハイレベル（Ｈ）の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
この第２の転送期間ＰＴ１２が経過した後（転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが非導通状態）、フォトダイオードＰＤが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第３の読み出し期間ＰＲＤ１３となる。
【００９３】
第３の読み出し期間ＰＲＤ１３が開始された後の時刻ｔ４に、容量変更信号ＢＩＮｎがＨレベルに保持された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２のトータル容量および画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値に設定された低変換利得（第２の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第２の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１２が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１２）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００９４】
そして、たとえば読み出し部７０の一部を構成する読み出し回路４０において、第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１２の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１２）と第１の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１１の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１１）との差分｛ＶＳＬ（ＨＣＧ１２）−ＶＳＬ（ＨＣＧ１１）｝がとられてＣＤＳ処理が行われる。
同様に、読み出し回路４０において、第２の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１２の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１２）と第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１１の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１１）との差分｛ＶＳＬ（ＬＣＧ１２）−ＶＳＬ（ＬＣＧ１１）｝がとられてＣＤＳ処理が行われる。
【００９５】
次に、図１０に示すように、画素アレイの中の第ｎ行の次の行、たとえば第ｎ＋１行を選択するために、第ｎ行に代えて、その選択された第ｎ＋１行の各画素ＰＸＬｎ＋１に接続された制御信号ＳＥＬがＨレベルに設定されて画素ＰＸＬｎの選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが導通状態となる。
このとき、容量変更信号ＢＩＮｎは第ｎ行アクセス時のＨレベルのままに保持されている。
そして、この選択状態において、リセット期間ＰＲ１２に全ての第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１が、容量変更信号ＢＩＮｎ−１，ＢＩＮｎ，ＢＩＮｎ＋１がリセット信号としてＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、各フローティングディフュージョンＦＤが電源線ＶＤＤの電位にリセットされる。
このリセット期間ＰＲ１２が経過した後、容量変更信号ＢＩＮｎがＬレベルに切り替えられ、第１のビンニングトランジスタ８１ｎが非導通状態に切り替えられる。
一方、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１，ＢＩＮｎ−１はＨレベルのままに保持されて、第１のビンニングトランジスタ８１ｎ＋１，８１ｎ−１が導通状態に保持される。
第１のビンニングトランジスタ８１ｎが非導通状態に切り替えられ、第１のビンニングトランジスタ８１ｎ＋１，８１ｎ−１が導通状態に保持されることによりリセット期間ＰＲ１２が終了し、画素ＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量が第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１から第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋２の第１のトータル容量分が合算された容量値に増加するように変更される。
そして、転送期間ＰＴ１３が開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第１の読み出し期間ＰＲＤ１４となる。
【００９６】
第１の読み出し期間ＰＲＤ１４が開始された後の時刻ｔ１に、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１がＨレベルに保持された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２および画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値に変更された低変換利得（第２の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１３が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎ＋１においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１３）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００９７】
第１の読み出し期間ＰＲＤ１４において、時刻ｔ１に第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１３が行われた後、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１がＬ（ローレベル）に切り替えられて、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２から第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１に減少するように変更される。この場合、隣接の画素ＰＸＬｎ＋２の第１のトータル容量分も合算されず、画素ＰＸＬｎ＋１だけの第１のトータル容量Ｃｔｏｔ１に減少するように変更される。
そして、時刻ｔ２に、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が変更された高変換利得（第１の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第１の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１３が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎ＋１においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１３）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００９８】
ここで、第１の読み出し期間ＰＲＤ１４が終了し、第１の転送期間ＰＴ１３となる。なお、このとき、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１は、第１の転送期間ＰＴ１３が経過した後の略次の第２の転送期間ＰＴ１４が開始される直前までの所定期間Ｌレベルのままに保持される。
第１の転送期間ＰＴ１３に転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
この第１の転送期間ＰＴ１３が経過した後（転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが非導通状態）、フォトダイオードＰＤが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第２の読み出し期間ＰＲＤ１５となる。
【００９９】
第２の読み出し期間ＰＲＤ１５が開始された後の時刻ｔ３に、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１がＬレベルに設定された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１に設定された高変換利得（第１の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１４が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎ＋１においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１４）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【０１００】
第２の読み出し期間ＰＲＤ１５において、時刻ｔ３に第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１４が行われた後、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１がＨレベルに切り替えられて、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１のトータル容量Ｃｂｉｎ１から第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋２の第１のトータル容量分が合算された容量値に増加するように変更される。
この容量変更と略並行して、第２の転送期間ＰＴ１４となる。なお、このとき、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１は、第２の転送期間ＰＴ１４が経過した後もＨレベルのままに保持される。
第２の転送期間ＰＴ１４に転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
この第２の転送期間ＰＴ１４が経過した後（転送トランジスタＴＧ−Ｔｒが非導通状態）、フォトダイオードＰＤが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第３の読み出し期間ＰＲＤ１６となる。
【０１０１】
第３の読み出し期間ＰＲＤ１６が開始された後の時刻ｔ４に、容量変更信号ＢＩＮｎ＋１がＨレベルに保持された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２のトータル容量Ｃｂｉｎ１＋Ｃｂｉｎ２および画素ＰＸＬｎ＋１の第１のトータル容量分が合算された容量値に設定された低変換利得（第２の変換利得）で画素信号の読み出しを行う第２の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１４が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬｎ＋１においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１４）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【０１０２】
そして、たとえば読み出し部７０の一部を構成する読み出し回路４０において、第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１４の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１４）と第１の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１３の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１３）との差分｛ＶＳＬ（ＨＣＧ１４）−ＶＳＬ（ＨＣＧ１３）｝がとられてＣＤＳ処理が行われる。
同様に、読み出し回路４０において、第２の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１４の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１４）と第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１３の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１３）との差分｛ＶＳＬ（ＬＣＧ１４）−ＶＳＬ（ＬＣＧ１３）｝がとられてＣＤＳ処理が行われる。
【０１０３】
以上説明したように、本第１の実施形態の固体撮像装置１０では、容量変更信号ＢＩＮｎ−１，ＢＩＮｎ，ＢＩＮｎ＋１により第１のビンニングスイッチ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１をオン、オフすることにより、接続するフローティングディフュージョンＦＤ数を１または複数に切り替えて、読み出し対象画素のフローティングディフュージョンＦＤの容量を変更し、読み出される画素ＰＸＬｎまたはＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤの変換利得を切り替える。
そして、本第１の実施形態の固体撮像装置１０では、第１のビンニングスイッチ８１は、寄生容量（ＭＯＳ容量）と、ビンニングスイッチ８１に接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量に付加され、フローティングディフュージョンＦＤの容量を最適化してモードに応じて変換利得を最適な値に調整できるように形成されている。
【０１０４】
これにより、本第１の実施形態の固体撮像装置１０によれば、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値に変換利得を得ることができ、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
また、蓄積容量をふやしつつノイズ低減、高感度化が可能となり、光学的特性を損なうことなくダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【０１０５】
また、本第１の実施形態によれば、一度の蓄積期間（露光期間）に光電変換された電荷（電子）に対して、画素内部にて、一つの読み出し期間において、高変換利得モードと低変換利得モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力することができ、高変換利得モードおよび低変換利得モード時のリセットノイズがキャンセルでき、動体歪みの発生を抑止しつつ広ダイナミックレンジ化を実現でき、ひいては高画質化を実現することができるという効果を得ることができる。
【０１０６】
さらに、本第１の実施形態によれば、フローティングディフュージョンＦＤの接続数を柔軟に切り替えることが可能であり、ダイナミックレンジの拡張性に優れる。また、画素内のトランジスタ数が少ないため、ＰＤ開口率を高く、光電変換感度や飽和電子数を高めることができる。
【０１０７】
（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１０８】
本第２の実施形態の画ＰＸＬＡおよび容量可変部８０Ａが、第１の実施形態の容量可変部８０と異なる点は次の通りである。
【０１０９】
本第２の実施形態の固体撮像装置１０Ａは、図１１に示すように、一つのフローティングディフュージョンＦＤを複数（本例では２）のフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、および転送トランジスタＴＧａ−Ｔｒ，ＴＧｂ−Ｔｒで共有する、画素共有構造が採用されている。
【０１１０】
本第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１１】
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１１２】
本第３の実施形態の容量可変部８０Ｂが、第１の実施形態の容量可変部８０と異なる点は次の通りである。
本第３の実施形態においては、配線ＷＲ上に縦続接続され各画素に対応するように形成された第１のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１に加えて、各画素ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤと配線ＷＲのノードＮＤｎ−１，ＮＤｎ，ＮＤｎ＋１との間に、たとえばＮＭＯＳトランジスタにより形成される第２のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８２ｎ−１，８２ｎ，８２ｎ＋１が接続されている。
【０１１３】
第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１はそれぞれ第１の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１により選択的にオン、オフされ、第２のビンニングトランジスタ８２ｎ−１，８２ｎ，８２ｎ＋１はそれぞれ第２の容量変更信号ＢＩＮ２ｎ−１，ＢＩＮ２ｎ，ＢＩＮ２ｎ＋１により選択的にオン、オフされる。
本第３の実施形態においては、第１の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１と、第２の容量変更信号ＢＩＮ２ｎ−１，ＢＩＮ２ｎ，ＢＩＮ２ｎ＋１はペアを形成し、同じタイミングで（位相で）Ｈレベル、Ｌレベルに切り替えられる。
【０１１４】
このような構成において、第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１は隣接するＦＤ配線ＷＲの接続および切断に用いられる。
第２のビンニングトランジスタ８２ｎ−１，８２ｎ，８２ｎ＋１は、各画素ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１の転送トランジスタＴＧ−Ｔｒの近傍に配置され、高変換利得モードにおいて、フローティングディフュージョンＦＤノードの寄生容量を最小化するために用いられる。
【０１１５】
さらに、本第３の実施形態の容量可変部８０Ｂにおいては、各画素ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１の第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１の上側の隣接画素との接続部と電源線ＶＤＤとの間に、オーバーフロードレイン(ＯＦＤ)ゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１が接続されている。
【０１１６】
ＯＦＤゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１は、高輝度時にフォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに溢れだした電子（電荷）が隣接画素に漏れ出さないように、オーバーフロー電子を電源線（端子）に排出する。
【０１１７】
また、ＯＦＤゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１の電圧を第１の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１並びに第２の容量変更信号ＢＩＮ２ｎ−１，ＢＩＮ２ｎ，ＢＩＮ２ｎ＋１のＬレベルの電圧より高く設定することにより、フォトダイオードＰＤからオーバーフローする電子（電荷）により、隣接画素のフローティングディフュージョンＦＤの電位が低下することを防止することができる。
【０１１８】
また、ＯＦＤゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１をリセットに用いても良い。リセット素子とビンニングスイッチを備える構成に対して、フローティングディフュージョンＦＤノードに接続される素子数が少ないため、高変換ゲイン時の特性に優れる。
【０１１９】
なお、以下の説明では、第１のビンニングトランジスタを符号ＢＩＮ ＭＣで示し、第２のビンニングトランジスタを符号ＢＩＮ ＦＤで示す場合もある。
【０１２０】
そして、本第３の実施形態では、第１のビンニングトランジスタ８１および第２のビンニングトランジスタ８２は、寄生容量（ＭＯＳ容量）と、ビンニングトランジスタ８１および８２に接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量に付加され、フローティングディフュージョンＦＤの容量を最適化してモードに応じて変換利得を最適な値に調整できるように形成されている。
【０１２１】
すなわち、本第３の実施形態においては、フローティングディフュージョンＦＤの容量を切り替えするために、２つの第１のビンニングトランジスタ８１および第２のビンニングトランジスタ８２を有する。
これにより、変換利得に応じたトータル容量Ｃｔｏｔとして高変換利得を実現する第１のトータル容量Ｃｔｏｔ１１および低変換利得を実現する第２のトータル容量Ｃｔｏｔ１２に加えて、高変換利得と低変換利得の間の値をもつ中間変換利得を実現する第３のトータル容量Ｃｔｏｔ１３を得ることができる。
【０１２２】
なお、この場合、中間変換利得読み出しモードで読み出すように構成することも可能であるが、中間変換利得による読み出しを、高変換利得による読み出し、あるいは低変換利得による読み出しに代えて、高変換利得読み出し、あるいは低変換利得読み出しとして処理するように構成することも可能である。
【０１２３】
このような構成により、本第３の実施形態の固体撮像装置１０Ｂによれば、フローティングディフュージョンＦＤの容量および接続数を柔軟に切り替えることが可能であり、ダイナミックレンジの拡張性に優れる。
そして、本第３の実施形態の固体撮像装置１０Ｂは、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができ、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性をえることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【０１２４】
ここで、第１のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８１および第２のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８２のオン、オフに応じた値をもって読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量を最適化してモードに応じて変換利得を最適な値に調整するために付加される主要な付加容量成分について説明する。
なお、ここでは、ゲートや拡散層等に対する上層との接続のためのいわゆるコンタクトは配線の一部としてコンタクト配線と呼ぶことにする。
【０１２５】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂにおける画素ＰＸＬおよび容量可変部８０Ｂの主要部の簡略断面を示す図であって、フローティングディフュージョンＦＤの容量に付加される付加容量成分について説明するための図である。
【０１２６】
図１３の例では、半導体基板（以下、単に基板という）２００Ｂの表面側（一面側に）に、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ、フローティングディフュージョンＦＤ、第２のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８２、第１のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８１、およびＯＦＤゲート８３が並列的に形成されている。
【０１２７】
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒにおいて、ゲート（ＧＴ−ＴＧ）２２１は、ソースドレインとして機能するフォトダイオードＰＤの光電変換および電荷蓄積領域２２２の一端側とフローティングディフュージョンＦＤとして機能するｎ＋拡散層２２３との間のチャネル形成領域上にゲート酸化膜２２４を介して形成されている。
【０１２８】
第２のビンニングトランジスタ８２は、ゲート（ＧＴ−ＢＩＮ２）２２５、並びにソースドレインとして機能する一方のｎ＋拡散層２２３および他方の拡散層２２６を含んで形成されている。
第２のビンニングトランジスタ８２において、ゲート（ＧＴ−ＢＩＮ２）２２５は、フローティングディフュージョンＦＤおよびソースドレインとして機能するｎ＋拡散層２２３とｎ＋拡散層２２６との間のチャネル形成領域上にゲート酸化膜２２７を介して形成されている。
【０１２９】
第１のビンニングトランジスタ８１は、ゲート（ＧＴ−ＢＩＮ１）２２８、並びにソースドレインとして機能する一方のｎ＋拡散層２２９および他方のｎ＋拡散層２３０を含んで形成されている。
第１のビンニングトランジスタ８１において、ゲート（ＧＴ−ＢＩＮ１）２２８は、ソースドレインとして機能するｎ＋拡散層２２９とｎ＋拡散層２３０との間のチャネル形成領域上にゲート酸化膜２３１を介して形成されている。
なお、第２のビンニングスイッチ８２の他方のｎ＋拡散層２２６と第１のビンニングトランジスタ８１の他方のｎ＋拡散層２３０との間に、一例として素子分離領域（ＳＴＩ）２３２が形成されている。
【０１３０】
ＯＦＤゲート８３は、ゲート（ＧＴ−ＯＦＤ）２３３、並びにソースドレインとして機能する一方のｎ＋拡散層２２９および他方のｎ＋拡散層２３４を含んで形成されている。
ＯＦＤゲート８３において、ゲート（ＧＴ−ＯＦＤ）２３３は、ソースドレインとして機能するｎ＋拡散層２２９とｎ＋拡散層２３４との間のチャネル形成領域上にゲート酸化膜２３５を介して形成されている。
【０１３１】
また、基板２００Ｂにおいて、フォトダイオードＰＤの光電変換および電荷蓄積領域２２２の他端側には、基準電位ＶＳＳ（たとえば接地電位ＧＮＤ）との接続電極として機能するｐ＋拡散層２３６が形成されている。
【０１３２】
基板２００に形成された転送トランジスタＴＧ−Ｔｒのゲート２２１、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２２３、第２のビンニングスイッチ８２を形成するゲート２２５、ｎ＋拡散層２２６、第１のビンニングトランジスタ８１を形成するｎ＋拡散層２２９，２３０、ＯＦＤゲート８３を形成するゲート２３３、ｎ＋拡散層２３４、およびｐ＋拡散層２３６には、コンタクト配線２３７〜２４５の一端（下端）側が接続されている。
【０１３３】
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒのゲート２２１には、電荷転送ゲート部としての転送トランジスタＴＧ−Ｔｒに制御信号ＴＧを伝達するための第１のコンタクト配線２３７が接続されている。
【０１３４】
ｎ＋拡散層２２３には、フローティングディフュージョンＦＤを、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲートに接続するための第２のコンタクト配線２３８が接続されている。
【０１３５】
第２のビンニングトランジスタ８２のゲート２２５には、第２の容量変更信号ＢＩＮ２を第２のビンニングトランジスタ８２に伝達するための第３のコンタクト配線２３９が接続されている。
【０１３６】
第２のビンニングトランジスタ８２の他方のｎ＋拡散層２２６には、第１のビンニングトランジスタ８１の一方の拡散層２２９に接続された第５のコンタクト配線２４１と配線ＷＲ２１１を介して電気的に接続される第４のコンタクト配線２４０が接続されている。
【０１３７】
第１のビンニングトランジスタ８１の一方のｎ＋拡散層２２９には、第５のコンタクト配線２４１が接続されている。
【０１３８】
第１のビンニングトランジスタ８１の他方のｎ＋拡散層２３０には、次の行の画素側と接続される第６のコンタクト配線２４２が接続されている。
【０１３９】
ＯＦＤゲート８３のゲート２３３には、制御信号ＯＦＲＳＴをゲート２３３に伝達するための第７のコンタクト配線２４３が接続されている。
【０１４０】
ＯＦＤゲート８３の他方のｎ＋拡散層２３４には、電源電位ＶＤＤに接続するための第８のコンタクト配線２４４が接続されている。
【０１４１】
ｐ＋拡散層２３６には、基準電位ＶＳＳに接続するための第９のコンタクト配線２４５が接続されている。
【０１４２】
なお、第１のビンニングトランジスタ８１のゲート２２８には、第１の容量変更信号ＢＩＮ１を伝達するための配線ＷＲ２２２が接続されている。
【０１４３】
第１のコンタクト配線２３７〜第９のコンタクト配線２４５は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１としての第１のメタル配線２４６〜第９のメタル配線２５４を含んで形成されている。
具体的には、第１のコンタクト配線２３７の他端側が第１のメタル配線２４６に接続されている。
第２のコンタクト配線２３８の他端側が第２のメタル配線２４７に接続されている。
第３のコンタクト配線２３９の他端側が第３のメタル配線２４８に接続されている。
第４のコンタクト配線２４０の他端側が第４のメタル配線２４９に接続されている。
第５のコンタクト配線２４１の他端側が第５のメタル配線２５０に接続されている。
第６のコンタクト配線２４２の他端側が第６のメタル配線２５１に接続されている。
第７のコンタクト配線２４３の他端側が第７のメタル配線２５２に接続されている。
第８のコンタクト配線２４４の他端側が第８のメタル配線２５３に接続されている。
第９のコンタクト配線２４５の他端側が第９のメタル配線２５４に接続されている。
【０１４４】
図１３の例では、第４のメタル配線２４９と第６のメタル配線２５１との間に第１０のメタル配線２５５が配置されている（形成されている）。
【０１４５】
そして、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の配線と容量を形成可能な少なくとも一つの配線を形成する第１の導電層Ｍ１と異なる第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２としての第１１のメタル配線２５６が形成されている。
図１３の例では、第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２５６と第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第１０のメタル配線２５５が第１０のコンタクト配線２５７により接続されている。
図１３の例では、第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２としての第１１のメタル配線２５６が、第１のメタル配線２４６〜第１０のメタル配線２５５のうち、第４のメタル配線２４９、第５のメタル配線２５０、および第６のメタル配線２５１（および第１０のメタル配線２５５）と容量を形成可能なように、対向するように配置されている。
そして、第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２としての第１１のメタル配線２５６は、基準電位ＶＳＳに接続された配線ＷＲ２２３を介して、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第９のメタル配線２５４に接続されている。
【０１４６】
図１３に示す画素ＰＸＬおよび容量可変部８０Ｂの構成において、フローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに付加される付加容量成分としては、次のような１１の容量Ｃ１０〜Ｃ２０を例示することができる。
【０１４７】
第１は、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ１０である。
第２は、第１のコンタクト配線２３７と第２のコンタクト配線２３８間の配線間容量Ｃ１である。
第３は、第２のコンタクト配線２３８と第３のコンタクト配線２３９間の配線間容量Ｃ１２である。
第４は、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２２３における接合容量Ｃ１３である。
第５は、第２のビンニングトランジスタ８２のゲート容量Ｃ１４である。
第６は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２４９と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２５６間の配線間容量Ｃ１５である。
第７は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２４９と第１０のメタル配線２５５間の配線間容量Ｃ１６である。
第８は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第５のメタル配線２５０と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２５６間の配線間容量Ｃ１７である。
第９は、第１のビンニングトランジスタ８１のゲート容量Ｃ１８である。
第１０は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第６のメタル配線２５１と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２５６間の配線間容量Ｃ１９である。
第１１は、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第６のメタル配線２５１と第１０のメタル配線２５５間の配線間容量Ｃ２０である。
【０１４８】
本第３の実施形態において、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄは、第１のビンニングトランジスタ８１および第２のビンニングトランジスタ８２のオン、オフに応じた値をもってＭＯＳトランジスタの寄生容量（ＭＯＳ容量、接合容量やゲート容量等）および配線間容量が付加される。
このように、本第３の実施形態の固体撮像装置１０Ｂは、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができる。これにより、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【０１４９】
図１４は、本第３の実施形態における第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）８１および第２のビンニングトランジスタ（スイッチ）８２のオン、オフと変換利得、および調整後のフローティングディフュージョンＦＤのトータル容量との関係を対比して示す図である。
【０１５０】
図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、本第３の実施形態における第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）８１および第２のビンニングトランジスタ（スイッチ）８２のオン、オフと変換利得、および調整後のフローティングディフュージョンＦＤのトータル容量との関係をポテンシャルの遷移状態に関連付けて示す図である。
図１５（Ａ）が画素および容量可変部８０の要部の簡略断面を示している。図１５（Ｂ）が高変換利得時の状態を、図１５（Ｃ）が中間変換利得時の状態を、図１５（Ｄ）が低変換利得時の状態をそれぞれ示している。
【０１５１】
図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、本第３の実施形態における第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）８１および第２のビンニングトランジスタ（スイッチ）８２のオン、オフに応じて付加容量が採用される配線上の範囲を模式的に示す図である。
図１６（Ａ）が第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオフ状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオフ状態である高変換利得時の状態を示している。
図１６（Ｂ）が第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオン状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオフ状態である中間変換利得時の状態を示している。
図１６（Ｃ）が第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオン状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオン状態である低変換利得時の状態を示している。
【０１５２】
本第３の実施形態において、第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオフ状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオフ状態のとき変換利得は高変換利得（Ｈｉｇｈ）となる。
この場合、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ０、第１のコンタクト配線２３７と第２のコンタクト配線２３８間の配線間容量Ｃ１１、第２のコンタクト配線２３８と第３コンタクト配線２３９間の配線間容量Ｃ１２、および、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２２３における接合容量Ｃ１３が合算されて付加容量Ｃｂｉｎ１１（＝Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３）として付加される。
この高変換利得の場合のフローティングディフュージョンＦＤの第１のトータル容量Ｃｔｏｔ１１はＣｂｉｎ１１となる。
【０１５３】
本第３の実施形態において、第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオン状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオフ状態のとき変換利得は中間変換利得（Ｍｉｄｄｌｅ）となる。
この場合、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ０、第１のコンタクト配線２３７と第２のコンタクト配線２３８間の配線間容量Ｃ１１、第２のコンタクト配線２３８と第３コンタクト配線２３９間の配線間容量Ｃ１２、および、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２２３における接合容量Ｃ１３が合算された付加容量Ｃｂｉｎ１１（＝Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３）に加えて、さらに、次の付加容量が付加される。
すなわち、第２のビンニングトランジスタ８２のゲート容量Ｃ１４、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２４９と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２２６間の配線間容量Ｃ１５、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２４９と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２に接続された第１０のメタル配線２５５間の配線間容量Ｃ１６、および、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第５のメタル配線２５０と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２２６間の配線間容量Ｃ１７が合算されて付加容量Ｃｂｉｎ１３（＝Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７）として付加される。
この中間変換利得の場合のフローティングディフュージョンＦＤの第３のトータル容量Ｃｔｏｔ１３はＣｂｉｎ１１＋Ｃｂｉｎ１３となる。
【０１５４】
本第３の実施形態において、第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオン状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオン状態のとき変換利得は低変換利得（Ｌｏｗ）となる。
この場合、読み出し対象画素ＰＸＬのフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄに、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのゲート容量Ｃ０、第１のコンタクト配線２３７と第２のコンタクト配線２３８間の配線間容量Ｃ１１、第２のコンタクト配線２３８と第３コンタクト配線２３９間の配線間容量Ｃ１２、および、フローティングディフュージョンＦＤを形成するｎ＋拡散層２２３における接合容量Ｃ１３が合算された付加容量Ｃｂｉｎ１１（＝Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３）、および、第２のビンニングトランジスタ８２のゲート容量Ｃ１４、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２４９と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２２６間の配線間容量Ｃ１５、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第４のメタル配線２４９と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２に接続された第１０のメタル配線２５５間の配線間容量Ｃ１６、および、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第５のメタル配線２５０と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２２６間の配線間容量Ｃ１７が合算された付加容量Ｃｂｉｎ１３（＝Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７）に加えて、さらに、次の付加容量が付加される。
すなわち、第１のビンニングトランジスタ８１のゲート容量Ｃ１８、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第６のメタル配線２５１と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２の第１１のメタル配線２２６間の配線間容量Ｃ１９、および、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の第６のメタル配線２５１と第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２に接続された第１０のメタル配線２５５間の配線間容量Ｃ２０が合算されて付加容量Ｃｂｉｎ１２（＝Ｃ１８＋Ｃ１９＋Ｃ２０）として付加される。
この低変換利得の場合のフローティングディフュージョンＦＤの第２のトータル容量Ｃｔｏｔ１２はＣｂｉｎ１１＋Ｃｂｉｎ１３＋Ｃｂｉｎ１２となる。
【０１５５】
なお、低変換利得の場合において、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第２のビンニングトランジスタ８２がオン状態で、第１のビンニングトランジスタ８１がオフ状態の場合には、第２のトータル容量Ｃｔｏｔ１２（＝Ｃｂｉｎ１１＋Ｃｂｉｎ１３＋Ｃｂｉｎ１２）に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第３のトータル容量分が合算された容量値となる。
低変換利得の場合において、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第２のビンニングトランジスタ８２がオン状態で、第１のビンニングトランジスタ８１がオン状態の場合には、第２のトータル容量Ｃｔｏｔ１２（＝Ｃｂｉｎ１１＋Ｃｂｉｎ１３＋Ｃｂｉｎ１２）に、隣接の画素ＰＸＬｎ＋１の第２のトータル容量分が合算された容量値となる。
【０１５６】
図１７は、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０における高利得信号と中間利得信号と低利得信号の入出力特性を示す図である。
図１７において、横軸が入力光信号（の変換電荷量）Ｑ［ｅ］を、縦軸が電荷‐電圧変換後の信号電圧Ｓｉｇを表している。
【０１５７】
図９の比較例の固体撮像装置に対して、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂにおいては、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができる。これにより、図１７に示すように、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【０１５８】
本第３の実施形態の広ダイナミックレンジを実現する動作は、基本的に、読み出し画素、たとえば画素ＰＸＬｎの上側に隣接する画素ＰＸＬｎ＋１の第１および第２の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ＋１，ＢＩＮ２ｎ＋１を読み出し画素ＰＸＬｎの第１および第２の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ２ｎと同じタイミングで（位相で）Ｈレベル、Ｌレベルに切り替えられる以外は、前述した第１の実施形態と同様の動作が行われる。
したがって、第３の実施形態の動作の詳細は省略する。
【０１５９】
本第３の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができることはもとより、フローティングディフュージョンＦＤの容量をさらに最適化でき、モードに応じて任意のさらに最適な値の変換利得を得ることができる。これにより、変換利得の切り替え点におけるＳＮをさらに最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【０１６０】
（第４の実施形態）
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１６１】
図１９（Ａ）〜（Ｃ）は、本第４の実施形態における第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）８１および第２のビンニングトランジスタ（スイッチ）８２のオン、オフに応じて付加容量が採用される配線上の範囲を模式的に示す図である。
図１９（Ａ）が第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオフ状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオフ状態である高変換利得時の状態を示している。
図１９（Ｂ）が第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオン状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオフ状態である中間変換利得時の状態を示している。
図１９（Ｃ）が第２のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＦＤ）８２がオン状態で、第１のビンニングスイッチ（ＢＩＮ ＭＣ）８１がオン状態である低変換利得時の状態を示している。
【０１６２】
本第４の実施形態の画ＰＸＬＣおよび容量可変部８０Ｃが、第３の実施形態の容量可変部８０Ｂと異なる点は次の通りである。
【０１６３】
本第４の実施形態の固体撮像装置１０Ｃは、図１８および図１９に示すように、一つのフローティングディフュージョンＦＤを複数（本例では２）のフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、および転送トランジスタＴＧａ−Ｔｒ，ＴＧｂ−Ｔｒで共有する、画素共有構造が採用されている。
【０１６４】
本第４の実施形態によれば、上述した第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１６５】
（レイアウトパターンと付加容量の形成方法）
ここで、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターン例、配線間容量の形成方法、およびＭＯＳ容量の調整方法について説明する。
【０１６６】
図２０は、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターンの第１例を示す図であって、その配線間容量の形成方法について説明するための図である。
図２１は、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターンの第２例を示す図であって、その配線間容量の形成方法について説明するための図である。
図２２は、図１８における画素部および容量可変部の構成に対応したレイアウトパターンの第３例を示す図であって、その配線間容量の形成方法について説明するための図である。
図２３は、図１３の画素部および容量可変部におけるＭＯＳ容量の調整方法について説明するための図である。
【０１６７】
図２０の例では、一つのフローティングディフュージョンＦＤを２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、および転送トランジスタＴＧａ−Ｔｒ，ＴＧｂ−Ｔｒで共有する画素間を接続し、第１のビンニングトランジスタ（ＢＩＮ ＭＣ）が配置される配線ＷＲが、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１のメタル配線ＷＲＭにより略直線状に形成されている。
そして、メタル配線ＷＲＭに平行にかつ容量を形成可能にグランド配線ＬＧＮＤが第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２のメタル配線により形成されている。
この第１の導電層Ｍ１のメタル配線ＷＲＭと第２の導電層Ｍ２のグランド配線ＬＧＮＤ間に、配線間容量Ｃ１５、Ｃ１６、Ｃ１７等が形成される。
【０１６８】
図２１の例では、一つのフローティングディフュージョンＦＤを２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、および転送トランジスタＴＧａ−Ｔｒ，ＴＧｂ−Ｔｒで共有する画素間を接続し、第１のビンニングトランジスタ（ＢＩＮ ＭＣ）が配置される配線ＷＲが、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１のメタル配線ＷＲＭ１により略直線状に形成され、このメタル配線ＷＲＭ１に沿うようにして、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の複数（本例では２）のメタル配線ＷＲＭ２、ＷＲＭ３が略直線状でかつ平行となるように形成されている。
そして、メタル配線ＷＲＭに平行にかつ容量を形成可能にグランド配線ＬＧＮＤが第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２のメタルベタ配線により形成されている。
この第１の導電層Ｍ１のメタル配線ＷＲＭと第２の導電層Ｍ２のグランド配線ＬＧＮＤ間に、配線間容量Ｃ１５、Ｃ１６、Ｃ１７等が形成される。
【０１６９】
図２２の例では、一つのフローティングディフュージョンＦＤを２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、および転送トランジスタＴＧａ−Ｔｒ，ＴＧｂ−Ｔｒで共有する画素間を接続し、第１のビンニングトランジスタ（ＢＩＮ ＭＣ）が配置される配線ＷＲが、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１のメタル配線ＷＲＭ１により複数個所で屈曲させて形成され、このメタル配線ＷＲＭ１に沿うようにして、第１の導電層（第１のメタル層）Ｍ１の複数（本例では２）のメタル配線ＷＲＭ２、ＷＲＭ３が複数個所で屈曲させかつ平行となるように形成されている。
そして、メタル配線ＷＲＭに平行にかつ容量を形成可能にグランド配線ＬＧＮＤが第２の導電層（第２のメタル層）Ｍ２のメタルベタ配線により形成されている。
この第１の導電層Ｍ１のメタル配線ＷＲＭと第２の導電層Ｍ２のグランド配線ＬＧＮＤ間に、配線間容量Ｃ１５、Ｃ１６、Ｃ１７等が形成される。
【０１７０】
ＭＯＳ容量の調整については、第１のビンニングトランジスタ８１および第２のビンニングトランジスタ８２のトランジスタサイズを変更することにより対応可能である。
ちなみに、図２３の例では、ゲート２２８，２２５の長さを長くたり、ゲート酸化膜２３１，２２７の厚さを厚くしたりしてゲート容量を調整してある。
【０１７１】
（応用例）
図２４は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が、表面照射型イメージセンサと裏面照射型イメージセンサの両方に適用が可能であることを説明するための図である。
図２４（Ａ）が表面照射型イメージセンサの簡略構成を示し、図２４（Ｂ）が裏面照射型イメージセンサの簡略構成を示している。
【０１７２】
図２４において、符号９１がマイクロレンズアレイを、９２がカラーフィルタ群を、９３が配線層を、９４がシリコン基板を、それぞれ示している。
【０１７３】
上述した本実施形態の固体撮像装置１０は、図２４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、
表面照射型イメージセンサ（ＦＳＩ）と裏面照射型イメージセンサ（ＢＳＩ）の両方に適用可能である。
【０１７４】
以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ〜１０Ｆは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
【０１７５】
図２５は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。
【０１７６】
本電子機器１００は、図２５に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０が適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ１１０を有する。
さらに、電子機器１００は、このＣＭＯＳイメージセンサ１１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）１２０を有する。
電子機器１００は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)１３０を有する。
【０１７７】
信号処理回路１３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路１３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
【０１７８】
上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ〜１０Ｆを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
【図１】
2018190363.tif 000003
【図２】
2018190363.tif 000004
【図３】
2018190363.tif 000005
【図４】
2018190363.tif 000006
【図５】
2018190363.tif 000007
【図６】
2018190363.tif 000008
【図７】
2018190363.tif 000009
【図８】
2018190363.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2018190363.tif 000012
【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】
2018190363.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
2018190363.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月3日(2019.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、
前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替えられ、
前記容量可変部は、
少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチを含み、
読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替え可能であり、
前記ビンニングスイッチは、
少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている
固体撮像装置。
【請求項２】
少なくとも前記ビンニングスイッチの拡散層に接続されている複数の配線を形成する第１の導電層と、
前記第１の導電層の配線と容量を形成可能な少なくとも一つの配線を形成する前記第１の導電層と異なる第２の導電層と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記フローティングディフュージョンを、電界効果トランジスタにより形成される前記ソースフォロワ素子のゲートに接続するための第２の配線と、
前記フローティングディフュージョンに接続される前記ビンニングスイッチの一方の拡散層と接続された第３の配線と、
前記ビンニングスイッチの他方の拡散層と接続された第４の配線と、
を、少なくとも有し、
前記第２の配線と前記第３の配線は電気的に接続されており、
前記第２の配線、前記第３の配線、および前記第４の配線は、前記第１の導電層を含み、
前記第２の導電層は、少なくとも、前記第３の配線および前記第４の配線の前記第１の導電層と対向するように配置されている
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記ビンニングスイッチがオフ状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、
前記フローティングディフュージョンの接合容量、および
前記第３の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記ビンニングスイッチがオン状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、
前記フローティングディフュージョンの接合容量、および
前記第３の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記ビンニングスイッチのゲート容量、および
前記第４の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項３または４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記容量可変部は、
隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間の配線に接続され、第１の容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる第１のビンニングスイッチと、
前記第１のビンニングスイッチより前記電荷転送ゲート部側の配線と前記フローティングディフュージョン間に接続され、第２容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる第２のビンニングスイッチと、を含み、
前記第１のビンニングスイッチは、
前記第２のビンニングスイッチがオン状態であることを条件に、少なくとも、寄生容量と、当該第１のビンニングスイッチに接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象の前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成され、
前記第２のビンニングスイッチは、
少なくとも、寄生容量と、当該第２のビンニングスイッチに接続される配線の配線容量が、オン、オフに応じた値をもって読み出し対象の前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
少なくとも前記第１のビンニングスイッチの拡散層に接続されている配線、並びに、少なくとも前記第２のビンニングスイッチの前記第１のビンニングスイッチ側と接続される拡散層に接続されている複数の配線を形成する第１の導電層と、
前記第１の導電層の配線と容量を形成可能な少なくとも一つの配線を形成する前記第１の導電層と異なる第２の導電層と、を含む
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
フローティングディフュージョンとしての機能を有する前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層を、電界効果トランジスタにより形成される前記ソースフォロワ素子のゲートに接続するための第２の配線と、
前記第２のビンニングスイッチのゲートに前記第２の容量変更信号を伝達する第３の配線と、
前記第２のビンニングスイッチの他方の拡散層と接続された第４の配線と、
前記第１のビンニングスイッチの一方の拡散層と接続された第５の配線と、
前記第１のビンニングスイッチの他方の拡散層と接続された第６の配線と、
を、少なくとも有し、
前記第４の配線と前記第５の配線は電気的に接続されており、
前記第２の配線、前記第３の配線、前記第４の配線、前記第５の配線、および前記第６の配線は、前記第１の導電層を含み、
前記第２の導電層は、少なくとも、前記第４の配線、前記第５の配線、および前記第６の配線の前記第１の導電層と対向するように配置されている
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記第２のビンニングスイッチがオフ状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記第２の配線と前記第３の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、および
前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層の接合容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記第２のビンニングスイッチがオン状態で、前記第１のビンニングスイッチがオフ状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記第２の配線と前記第３の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、および
前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層の接合容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記第２のビンニングスイッチのゲート容量、
前記第４の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量、および
前記第５の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項８または９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の導電層を含み、前記電荷転送ゲート部に制御信号を伝達する第１の配線を有し、
前記容量可変部は、
前記第２のビンニングスイッチがオン状態で、前記第１のビンニングスイッチがオン状態のとき、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１の配線と前記第２の配線間の配線間容量、
前記第２の配線と前記第３の配線間の配線間容量、
前記ソースフォロワ素子のゲート容量、および
前記第２のビンニングスイッチの一方の拡散層の接合容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記第２のビンニングスイッチのゲート容量、
前記第４の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量、および
前記第５の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加し、かつ、
前記第１のビンニングスイッチのゲート容量、および
前記第６の配線を含む前記第１の導電層と前記第２の導電層間の配線間容量
のうちの少なくともいずれかを付加する
請求項８から１０のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の導電層を形成する前記第４の配線と前記第６の配線との間、および前記第５の配線と前記第６の配線との間の少なくとも一方に、前記第４の配線と前記第６の配線との間、または前記第５の配線と前記第６の配線との間で容量を形成可能な前記第２の導電層に接続された第１０の配線が配置され、
前記容量可変部は、
前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に、
前記第１０の配線と、前記第４の配線と前記第６の配線との間、および前記第５の配線と前記第６の配線との間の少なくとも一方に形成される容量を、前記第１のビンニングスイッチおよび第２のビンニングスイッチのオン、オフに応じて付加する
請求項１０または１１記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第２の導電層は基準電位に接続されている
請求項１から１２のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記ビンニングスイッチを介して接続される複数の画素の全画素で、リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子を共有している
請求項１から１３のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記容量可変部は、
画素間に接続される前記ビンニングスイッチに接続され、前記フローティングディフュージョンから溢れる電荷を排出するオーバーフローゲートを有する
請求項１から１４のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョンを複数の前記光電変換部および前記電荷転送ゲート部で共有する画素共有構造を有する
請求項１から１５のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記固体撮像装置は、表面照射型または裏面照射型である
請求項１から１６のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、
前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記容量可変部を少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間を電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチにより接続して形成し、
前記ビンニングスイッチを、少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成し、
前記容量変更信号に応じて前記ビンイングスイッチを選択的にオン、オフさせて、読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替える
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
画素が配置された画素部を含み、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した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電荷を転送期間に転送可能な電荷転送ゲート部と、
前記電荷転送ゲート部を通じて前記光電変換部で蓄積された電荷が転送され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の電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記蓄積期間に対する一つの読み出し期間内の所定期間に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量が変更されて、当該一つの前記読み出し期間内に変換利得が切り替えられ、
前記容量可変部は、
少なくとも隣接する２つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる電界効果トランジスタにより形成されるビンニングスイッチを含み、
読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替え可能であり、
前記ビンニングスイッチは、
少なくとも、寄生容量と、当該ビンニングスイッチに接続される配線の配線容量の少なくとも一方が、オン、オフに応じた値をもって前記画素の前記フローティングディフュージョンの容量に付加されるように形成されている
電子機器。
【国際調査報告】
2018190363.tif 000028
2018190363.tif 000029
2018190363.tif 000030
2018190363.tif 000031