(57)【要約】【課題】  装置の集積化の要請を満たすとともに、ダイナミックレンジの拡大を実現する。【解決手段】  光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部１０１と、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部１０１からあふれ出る電荷を蓄積する電荷保持部１０２と、電荷を増幅するソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳと、光電変換部１０１に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳと、電荷保持部１０２に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳとを有して画素を構成し、電荷保持部１０２をトレンチ構造で形成する。【選択図】  図１
2006261597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換により生成された電荷を蓄積する蓄積部と、
前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積する前記半導体基板内に形成されたトレンチ構造からなる電荷保持部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第１の転送部と、
前記電荷保持部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第２の転送部と
を有する画素を含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記蓄積部は、フローティングディフュージョン領域であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電荷保持部を構成するトレンチ構造は、前記半導体基板に形成され、側壁及び底部に絶縁領域が形成されたトレンチ内に、電極部材が形成された構造であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記トレンチ構造は、第１導電型の第１の半導体領域に形成されており、前記第１の半導体領域と前記絶縁領域との間に第２導電型の第２の半導体領域が形成されており、当該第２の半導体領域は、前記電荷保持部から電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタのソースもしくはドレインと接続されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記トレンチ構造は、第１導電型の第１の半導体領域に形成されており、前記第１の半導体領域と前記絶縁領域との間に、前記第１の半導体領域よりも不純物濃度の低い第１の導電型の第２の半導体領域が形成され、前記第１の半導体領域は、前記電荷保持部から電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタのソースもしくはドレインと接続されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記電荷保持部に蓄積された電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部を更に有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換部は開口され、前記電荷保持部は遮光されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
半導体基板と、
光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換により生成された電荷を蓄積する蓄積部と、
前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積する電荷保持部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第１の転送部と、
前記電荷保持部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第２の転送部とを有する画素を含む固体撮像装置の製造方法であって、
前記電荷保持部をトレンチ構造で形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチ構造の側壁部及び底部に絶縁領域を形成する工程と、
前記絶縁領域を覆うように電極部材を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に光学像を結像させるためのレンズと、
前記レンズを通る光量を可変する絞りと
を有することを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部を有する固体撮像装置、その製造方法及びカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＯＳ型センサが固体撮像装置として用いられている。このＭＯＳ型センサは、ＣＣＤと比較して、消費電力が小さくなる、駆動電力が低くなる、高速化が可能になるなどの利点を有している。したがって、今後は、このＭＯＳ型センサの需要が拡大することが予想される。
【０００３】
そして、このようなＭＯＳ型センサを利用して、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大するという提案がなされている（特許文献１を参照）。かかる提案におけるＭＯＳ型センサは、各画素が、フォトダイオードと、フローティングディフュージョン（floating diffusion；浮遊拡散、以下では必要に応じてＦＤと略称する）領域と、前記フォトダイオードから前記ＦＤ領域に電荷を転送するための転送トランジスタと、前記ＦＤ領域を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタとを有する複数の画素を、マトリックス（行列）状に形成して構成される。
【０００４】
このＭＯＳ型センサでは、まず、前記フォトダイオードに蓄積された電荷に基づく信号を読み出した後に、前記フォトダイオードからあふれて前記ＦＤ領域に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す。そして、読み出した信号をアナログアンプを通して出力するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１８６４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来の技術では、前記フォトダイオードが電荷を生成して蓄積している期間において、非常に明るい（強い）入射光が入射した場合、前記フォトダイオードから多量の電荷があふれ出し、このあふれ出た電荷を前記ＦＤ領域では蓄積しきれなくなる。これにより、ダイナミックレンジを拡大できないという問題が発生していた。
【０００７】
また、前記フォトダイオードからあふれ出た電荷を蓄積するために、例えば、前記ＦＤ領域の表面積を拡大することが考えられるが、これは近時の固体撮像装置における集積化の要請に反し、実現が困難であった。
【０００８】
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたものであり、装置の集積化の要請を満たすとともに、ダイナミックレンジの拡大を実現する固体撮像装置、その製造方法及びカメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、前記光電変換により生成された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積する前記半導体基板内に形成されたトレンチ構造からなる電荷保持部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第１の転送部と、前記電荷保持部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第２の転送部とを有する画素を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板と、光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、前記光電変換により生成された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積する電荷保持部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第１の転送部と、前記電荷保持部に蓄積された電荷を前記蓄積部に転送する第２の転送部とを有する画素を含む固体撮像装置の製造方法であって、前記電荷保持部をトレンチ構造で形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明のカメラは、前記固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光学像を結像させるためのレンズと、前記レンズを通る光量を可変する絞りとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光電変換部からあふれ出る電荷を蓄積する電荷保持部を備え、当該電荷保持部をトレンチ構造で形成するようにしたので、装置の集積化の要請を満たすとともに、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。
固体撮像装置は、図１に示す画素が２次元配列されて構成されている。以下、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを単にＭＯＳトランジスタという。１つの画素は、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳ，Ｔｙ−ＭＯＳ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳ、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳ及びセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳを有する。
【００１４】
転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのソース及びドレインは、それぞれ光電変換部（フォトダイオード）１０１及び浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）ＦＤに接続する。転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソース及びドレインは、それぞれ電荷保持部１０２及び浮遊拡散部ＦＤに接続する。
【００１５】
光電変換部１０１の構造は、電荷を蓄積、保持する不純物領域の表面に逆導電型の不純物領域が形成された構造である。電荷保持部１０２の構造は、光電変換部１０１からあふれ出る電荷を大容量蓄積可能なトレンチ構造である。この電荷保持部１０２の構造については、後で詳述する。また、光電変換部１０１は開口され、電荷保持部１０２は遮光されている。
【００１６】
光電変換部１０１は、その周囲を素子分離部１０３により囲まれている。素子分離部１０３は、光電変換部１０１に蓄積される電荷から見て、光電変換部１０１よりもポテンシャル障壁が高いので、光電変換部１０１は所定量の電荷を蓄積することができる。光電変換部１０１は、素子分離部１０３を介して、図１でいうと、下方に電荷保持部１０２が設けられる。光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の周囲には、素子分離部１０５が設けられている。素子分離部１０５は、自己の画素から隣接画素への電荷の漏れを防止する。
【００１７】
光電変換部１０１は、光電変換により電荷を生成して蓄積する。浮遊拡散部ＦＤは、電荷を蓄積し、電圧に変換するための拡散領域である。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートは、光電変換部１０１により生成された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送するためのゲートである。その転送ゲートを閉じることにより、光電変換部１０１は光電変換により電荷を生成して蓄積することができる。その蓄積時間が終了すると、転送ゲートを開けることにより、光電変換部１０１に蓄積された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する（読み出す）ことができる。
【００１８】
図２は、光電変換部１０１の光量と信号電荷との関係を示す特性図である。
光電変換部１０１は、蓄積できる信号電荷量Ａ１が決まっている。したがって、光電変換部１０１に強い光が照射されると、光電変換部１０１から電荷があふれ出て、光量ｔ１で光電変換部１０１は飽和する。光電変換部１０１からあふれ出た電荷は、電荷保持部１０２に流入する。
【００１９】
光電変換部１０１に光が照射されると、光量ｔ１までは光電変換部１０１に電荷が蓄積され、電荷保持部１０２には電荷が蓄積されない。光量ｔ１になると、光電変換部１０１は飽和し、光電変換部１０１からあふれ出た電荷が電荷保持部１０２に流入し、電荷保持部１０２は電荷を蓄積し始める。ここで、電荷保持部１０２は、トレンチ構造で形成されているため、小さな占有面積で大きな容量が得られるようになっている。
【００２０】
光電変換部１０１で光電変換された負電荷は、光電変換部１０１の第１導電型（ｎ型）の電荷蓄積領域に蓄積される。光電変換部１０１は、第１の転送部（転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳ）を介し、ソースフォロアアンプを構成するソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳに接続されている。電荷保持部１０２は、第２の転送部（転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳ）を介し、ソースフォロアアンプを構成するソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳに接続されている。ソースフォロアアンプは、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の信号電荷を増幅する。
【００２１】
次に、電荷保持部１０２の構造について説明する。
【００２２】
図３は、図１に示した電荷保持部１０２のＩ−Ｉ断面における構造の一例を示した図である。図３に示すように、電荷保持部１０２はトレンチ構造で構成されている。また、素子分離部１０５によって、電荷保持部１０２の形成領域が画定されている。
【００２３】
図３の電荷保持部１０２において、トレンチの内壁面及び底面には下部電極に対応するｎ-層１０２１が形成されており、また、このトレンチの内壁面及び底面、並びに電荷保持部１０２の形成領域における基板上には、容量膜１０２２が形成されている。また、この容量膜１０２２上には、トレンチを埋め込み、かつ基板表面から突出した上部電極１０２３が形成されている。また、図３において、電荷保持部１０２の右側に位置する基板の表面には、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソースに対応するｎ+層１０４３が形成されている。
【００２４】
次に、第１の実施形態における電荷保持部１０２の製造方法について説明する。
図４及び図５は、第１の実施形態における電荷保持部１０２の製造方法を工程順に示した概略断面図である。ここで、図４及び図５には、電荷保持部１０２及びそれに隣接する転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳについて示す。
【００２５】
まず、図４（ａ）に示すように、基板上に素子分離部１０５を形成して電荷保持部の形成領域１０２ａを画定し、当該電荷保持部の形成領域１０２ａにトレンチ１０２ｂを形成して、トレンチ１０２ｂの内壁面及び底面にｎ−層１０２１を形成する。
【００２６】
具体的には、まず、いわゆるＬＯＣＯＳ法により基板上に素子分離部１０５を形成する。続いて、基板上にトレンチ形成領域を開口する酸化膜あるいは窒化膜からなるマスクパターン（不図示）を形成してエッチングを行う。これにより、基板にトレンチ１０２ｂが形成される。続いて、トレンチ１０２ｂの内壁面及び底面に不純物を導入してｎ-層１０２１を形成する。その後、マスクパターン（不図示）を除去する。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、トレンチ１０２ｂの内壁面及び底面、並びに電荷保持部の形成領域１０２ａにおける基板上に容量膜１０２２を形成し、この容量膜１０２２上に、トレンチ１０２ｂを埋め込み、かつ基板表面から突出した上部電極１０２３を形成する。
【００２８】
具体的には、まず、トレンチ１０２ｂの内壁面及び底面、並びに電荷保持部の形成領域１０２ａにおける基板上に容量膜１０２２を成膜する。この容量膜１０２２としては、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を含むものからなる。続いて、例えばＣＶＤ法により、容量膜１０２２上に、トレンチ１０２ｂを埋め込み、かつ基板表面から突出するようにポリシリコン膜を成膜する。続いて、ポリシリコン膜に対してドライエッチングを行って、上部電極１０２３を形成する。
【００２９】
次に、図５（ａ）に示すように、図１の転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳの形成領域１０４ａの基板上にシリコン酸化膜、ポリシリコン膜を順次形成して、これらを所定形状に加工してシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜１０４１及びポリシリコン膜からなるゲート電極１０４２を形成する。
【００３０】
次に、図５（ｂ）に示すように、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳの形成領域１０４ａに、例えばＡｓ等の不純物をドーピングして拡散を行い、ゲート電極１０４２の両側にＮ+層１０４３及び１０４４を形成する。Ｎ+層１０４３は、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソースに対応し、Ｎ+層１０４４は、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのドレインに対応する。このＮ+層１０４３により、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソースと、電荷保持部１０２における下部電極（ｎ-層１０２１）とが接続される。
【００３１】
図４（ａ）〜図５（ｂ）の工程を経ることにより、第１の実施形態における電荷保持部１０２が形成される。なお、素子分離部１０５の形成は、電荷保持部１０２の形成後であってもよい。
【００３２】
図６は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の等価回路図である。
ここで、図６には、図１で示した画素と、光電変換部１０１に蓄積された電荷及び電荷保持部１０２に蓄積された電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部が示されている。具体的に、本実施形態では、画素信号生成部は、以下に示す４１１〜４１３、４２１〜４２６及び容量ＣｔｓＦＤ、ＣｔｓＰＤ、Ｃｔｎを備えて構成されている。また、図７は、図６に示した固体撮像装置の等価回路図の動作例を示すタイミングチャートである。
【００３３】
電位φｒｅｓはリセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｘは転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｙは転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｓｅｌはセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳのゲート電位、電位φＣｔｓＦＤはＭＯＳトランジスタ４１１のゲート電位、電位φＣｔｓＰＤはＭＯＳトランジスタ４１２のゲート電位、電位φＣｔｎはＭＯＳトランジスタ４１３のゲート電位を示す。
【００３４】
図７において、タイミングＴ１より前では、電位φｒｅｓは正電位であり、電位φｔｘ，φｔｙ，φｓｅｌ，φＣｔｓＦＤ，φＣｔｎ，φＣｔｓＰＤは０Ｖである。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳがオンし、浮遊拡散部ＦＤに電源電位ＶＤＤが供給される。
【００３５】
次に、タイミングＴ１では、電位φｔｘ及びφｔｙとして正パルスを印加する。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳ及びＴｙ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤ、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２に電源電位ＶＤＤが印加されてリセットされる。リセット後、電位φｒｅｓを０Ｖに下げ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳをオフにする。そして、電位φｔｘ及びφｔｙを例えば−１．３Ｖにし、光電変換部１０１、電荷保持部１０２及び浮遊拡散部ＦＤをフローティング状態にする。ただし、このとき外部の機械的なシャッタはまだ開いておらず、光電変換部１０１において光電荷の蓄積は始まっていない。
【００３６】
次に、タイミングＴ２では、機械的なシャッタ５３（図９）が開き、光電変換部１０１に光が照射され、光電変換部１０１は光電荷の生成及び蓄積を開始する。光電変換部１０１に弱い光が照射されたときには、光電変換部１０１は飽和せず、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷が流入しない。これに対し、光電変換部１０１に強い光が照射されたときには、光電変換部１０１は飽和し、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷が流入する。
【００３７】
次に、タイミングＴ３では、シャッタ５３が閉じ、光電変換部１０１は遮光され、光電変換部１０１の光電荷の生成が終了する。
【００３８】
次に、タイミングＴ４では、電位φｔｙとして正パルスを印加する。転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳはオンし、電荷保持部１０２に蓄積された負電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。浮遊拡散部ＦＤの電位の実線は、弱い光が照射され、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷があふれ出なかった場合を示す。浮遊拡散部ＦＤの電位の点線は、強い光が照射され、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷があふれ出た場合を示す。電荷保持部１０２から浮遊拡散部ＦＤに負電荷が読み出されると、浮遊拡散部ＦＤの電位が下がる。
【００３９】
次に、タイミングＴ５では、電位φｓｅｌを０Ｖから正電位にする。セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオンし、図６の信号出力線４０１をアクティブ状態にする。ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、ソースフォロアアンプを構成し、浮遊拡散部ＦＤの電位に応じて、信号出力線４０１に出力電圧を出力する。
【００４０】
次に、タイミングＴ６では、電位φＣｔｓＦＤとして正パルスが印加される。トランジスタ４１１がオンし、容量ＣｔｓＦＤに浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた信号出力線４０１の電位が蓄積される。光電変換部１０１が飽和していない画素には、電荷保持部１０２に電荷があふれ出ないので、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤに応じた出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。また、光電変換部１０１に強い光が照射され、光電変換部１０１が飽和した場合は、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤより低い出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。
【００４１】
次に、タイミングＴ７では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤは再度電源電位ＶＤＤにリセットされる。
【００４２】
次に、タイミングＴ８では、電位φＣｔｎとして正パルスを印加する。ＭＯＳトランジスタ４１３はオンし、浮遊拡散部ＦＤがリセットされた状態での信号出力線４０１のオフセットノイズ電圧が容量Ｃｔｎに蓄積される。
【００４３】
次に、タイミングＴ９では、電位φｔｘとして正パルスを印加する。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳはオンし、光電変換部１０１に蓄積された電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。
【００４４】
次に、タイミングＴ１０では、電位φＣｔｓＰＤとして正パルスを印加する。ＭＯＳトランジスタ４１２はオンし、光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤに読み出された電荷に応じた信号出力線４０１の電圧が容量ＣｔｓＰＤに蓄積される。
【００４５】
次に、タイミングＴ１１では、電位φｓｅｌを０Ｖにする。セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオフし、信号出力線４０１は非アクティブ状態になる。
【００４６】
次に、タイミングＴ１２では、電位φｒｅｓを正電位にする。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤの電位を電源電位ＶＤＤに固定する。
【００４７】
以上の処理により、容量Ｃｔｎにはオフセットノイズに対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＦＤには光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出た電荷に対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＰＤには光電変換部１０１の蓄積電荷に対応する電圧が蓄積される。
【００４８】
図６において、差動アンプ４２１は、容量ＣｔｓＦＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。差動アンプ４２２は、容量ＣｔｓＰＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。アンプ４２３は、差動アンプ４２１の出力信号を増幅する。アンプ４２４は、差動アンプ４２２の出力信号を増幅する。
【００４９】
電荷保持部１０２の信号と光電変換部１０１の信号を読み出す画素内の増幅回路を共通にする、即ち読み出し経路を同一にすることで、経路の違いによるわずかな感度のズレ、オフセットズレを抑制することができる。この結果、後段アンプでの増幅も可能となる。特に、ダイナミックレンジを拡大するためには、この後段アンプでの増幅を大きくする必要があり、経路を同一にすることで増幅が可能となる。
【００５０】
加算器４２５は、アンプ４２３及び４２４の出力信号を加算して画素信号を出力する。画素信号は、光電変換部１０１の蓄積電荷及び電荷保持部１０２にあふれ出た電荷を基に生成されるので、光電変換部１０１の蓄積電荷のみを用いる場合に比べ、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５１】
アンプ４２６は、ＩＳＯ感度に応じて、加算器４２５の出力信号を増幅して出力する。ＩＳＯ感度値が小さいときには増幅度が小さく、ＩＳＯ感度値が大きいときには増幅度が大きい。
【００５２】
第１の実施形態によれば、電荷保持部１０２を図３に示すトレンチ構造で形成するようにしたので、固体撮像装置の画素サイズを大きくすることなく、光電変換部からあふれ出る電荷を大容量蓄積することができる。これにより、固体撮像装置の集積化の要請を満たすとともに、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。また、本実施形態では、電荷保持部１０２の形成をトレンチ形成、下部電極（ｎ-層１０２１）の形成、容量膜１０２２の形成及び上部電極１０２３の形成と最小限の工程で行っているため、製造プロセスを煩雑にすることなく形成できる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の電荷保持部における構造の一例を示した図である。ここで、図８は、図１に示した電荷保持部１０２のＩ−Ｉ断面における図である。本実施形態の電荷保持部１０２は、図３に示した第１の実施形態のものと同様に、トレンチ型の構造で構成されている。また、素子分離部１０５によって、電荷保持部１０２の形成領域が画定されている。
【００５４】
第２の実施形態における電荷保持部１０２は、第１のトレンチ１０２ｃの内壁面及び底面に、下部電極としてｐ-層１０２４が形成されている。このｐ-層１０２４は、基板のＰウェル層と接続されている。そして、この第１のトレンチ１０２ｃの内壁面及び底面には、容量膜１０２５が形成されている。この容量膜１０２５としては、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を含むものからなる。
【００５５】
そして、容量膜１０２５を覆うとともに、基板表面近傍に形成された第２のトレンチ１０２ｄを埋め込むように、基板に埋め込み型の上部電極１０２６が形成されている。この上部電極１０２６は、例えば、ポリシリコンからなる。そして、第２の実施形態における電荷保持部１０２では、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソースに対応するｎ+層１０４３と、上部電極１０２６が接続されて構成されている。
【００５６】
第２の実施形態によれば、電荷保持部１０２を図８に示すトレンチ構造で形成するようにしたので、固体撮像装置の画素サイズを大きくすることなく、光電変換部からあふれ出る電荷を大容量蓄積することができる。これにより、固体撮像装置の集積化の要請を満たすとともに、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。また、本実施形態では、電荷保持部１０２の上部電極１０２６を基板に埋め込み型として形成しているので、転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳとの接続方法が容易となる。
【００５７】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図９に基づいて、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の一例について詳述する。ここで、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置は、固体撮像素子５４及び撮像信号処理回路５５に対応する。
【００５８】
図９において、５１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、５２は被写体の光学像を固体撮像素子５４に結像させるレンズ、５３はレンズ５２を通った光量を可変するための絞り及びシャッタ、５４はレンズ５２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、５５は固体撮像素子５４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路、５６は撮像信号処理回路５５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部、５７はＡ／Ｄ変換部５６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、５８は固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換部５６、信号処理部５７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、５９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、６０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、６１は記録媒体６２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部、６２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、６３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。
【００５９】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
バリア５１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換部５６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部５９は絞り５３を開放にし、固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６で変換された後、信号処理部５７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部５９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部５９は絞り５３を制御する。
【００６０】
次に、固体撮像素子５４から出力された信号を基に、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部５９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に、シャッタ５３を開いて本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子５４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部５７を通り全体制御・演算部５９によりメモリ部６０に書き込まれる。その後、メモリ部６０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部６３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００６１】
タイミング発生部５８は、図７の電位φｒｅｓ、φｔｘ、φｔｙ、φｓｅｌ、φＣｔｓＦＤ、φＣｔｎ、φＣｔｓＰＤ等の信号を制御する。
【００６２】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図１０に基づいて、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。ここで、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置は、固体撮像素子３に対応する。
【００６３】
１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１Ｂ、結像用のレンズ１Ｃを備えている。２は絞り及びシャッタ、３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子、４は固体撮像素子３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。
【００６４】
５はサンプルホールド回路４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。
【００６５】
また、プロセス回路５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。
【００６６】
次いで、６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２の開口量を制御すべくｉｇメータ８を自動制御するものである。
【００６７】
１３及び１４は、サンプルホールド回路４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第１のバンドパスフィルタ１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路１７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。
【００６８】
また、１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、１９はズームレンズ１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２０は絞り２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路１７へと供給される。
【００６９】
論理制御回路１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ１３、１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路９にフォーカスモーター１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。
【００７０】
ズーム駆動回路１１は、ズームが指示されると、ズームモーター１２を回転させる。ズームモーター１２が回転すると、ズームレンズ１Ｂが移動し、ズームが行われる。
【００７１】
以上のように、第１〜第４の実施形態によれば、光電変換部１０１は、光電変換により電荷を生成して蓄積する。電荷保持部１０２は、トレンチ構造で形成されており、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部１０１からあふれ出る電荷を蓄積する。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳは、光電変換部１０１に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する第１の転送部である。転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳは、電荷保持部１０２に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する第２の転送部である。
【００７２】
なお、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】光電変換部の光量と信号電荷との関係を示す特性図である。
【図３】図１に示した電荷保持部のＩ−Ｉ断面における構造の一例を示した図である。
【図４】第１の実施形態における電荷保持部の製造方法を工程順に示した概略断面図である。
【図５】図４に引き続き、第１の実施形態における電荷保持部の製造方法を工程順に示した概略断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の等価回路図である。
【図７】図６に示した固体撮像装置の等価回路図の動作例を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の電荷保持部における構造の一例を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０１  光電変換部
１０２  電荷保持部
１０３、１０５  素子分離部
Ｔｘ−ＭＯＳ  転送ＭＯＳトランジスタ（第１の転送部）
Ｔｙ−ＭＯＳ  転送ＭＯＳトランジスタ（第２の転送部）
ＲＥＳ−ＭＯＳ  リセットＭＯＳトランジスタ
ＳＦ−ＭＯＳ  ソースフォロアＭＯＳトランジスタ（増幅部）
ＳＥＬ−ＭＯＳ  セレクトＭＯＳトランジスタ
４０１  信号出力線
４１１〜４１３  ＭＯＳトランジスタ
４２１、４２２  差動アンプ
４２３、４２４、４２６  アンプ
４２５  加算器
【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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