(57)【要約】【課題】余剰電荷の排出のための占有面積を縮小すると共に、設計の自由度を向上させる。【解決手段】  基板上に複数のセンサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、各センサセルは、前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子２と、前記光電変換素子に隣り合って配置され、環状ゲートを有する出力トランジスタＴｍと、前記光電変換素子と前記出力トランジスタとの間に配置され、前記光電変換素子において発生した光発生電荷の転送を制御すると共に、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持可能な電荷保持領域を有する転送・保持手段２２と、前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度不純物領域であって、前記光電変換素子において発生した光発生電荷が前記転送・保持手段から転送され、転送された光発生電荷を保持して前記出力トランジスタの閾値を変化させるキャリアポケット７と、前記光電変換素子において発生した余剰電荷を前記キャリアポケットに流す余剰電荷排出経路１４と、を含む。【選択図】      図１
2006086394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数のセンサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、
各センサセルは、
前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合って配置され、環状ゲートを有する出力トランジスタと、
前記光電変換素子と前記出力トランジスタとの間に配置され、前記光電変換素子において発生した光発生電荷の転送を制御すると共に、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持可能な電荷保持領域を有する転送・保持手段と、
前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度不純物領域であって、前記光電変換素子において発生した光発生電荷が前記転送・保持手段から転送され、転送された光発生電荷を保持して前記出力トランジスタの閾値を変化させるキャリアポケットと、
前記光電変換素子において発生した余剰電荷を前記キャリアポケットに流す余剰電荷排出経路と、を含む固体撮像装置。
【請求項２】
前記余剰電荷排出経路は、
前記光電変換素子を構成する一方導電型の第１の不純物領域と前記キャリアポケットを含む前記一方導電型の第２の不純物領域とに接し、かつ、前記基板表面に形成される前記一方導電型の第３の不純物領域によって構成される請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記余剰電荷排出経路は、同一センサセル内の前記キャリアポケットに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流す請求項１又は２のいずれか一方に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記余剰電荷排出経路は、隣り合う他のセンサセル内の前記キャリアポケットに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流す請求項１又は２のいずれか一方に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高画質特性及び低消費電力特性を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、デジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置として、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサ（以下、ＣＣＤセンサという）と、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサという）と、がある。
【０００３】
さらに、近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置（以下、基板変調型センサという）が提案されている。基板変調型センサについては、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
ＣＣＤセンサは、ノイズ除去のための相関二重サンプリング（ＣＤＳ）機能と、高速に動く被写体の像に歪みがないように撮像するためのいわゆる一括電子シャッター機能とを実現している。この一括電子シャッター機能は、２次元的に配列された多数の受光素子について、同時に光発生電荷を蓄積することによって、画像に動きがある場合の被写体の像の歪みをなくすものである。よって、ＣＣＤセンサは、一般に、画質に優れているという利点がある。しかしながら、ＣＣＤセンサにおいては、駆動電圧が高く、消費電力が大きいという欠点を有する。
【０００５】
一方、ＣＭＯＳセンサは、一般に、駆動電圧が低いことから、消費電力が少なく、プロセスコストが低いという利点がある。しかし、一般的なＣＭＯＳセンサにおいては、一括電子シャッター機能及びＣＤＳ機能の双方を同時に実現することはできない。
【０００６】
例えば、４トランジスタ構成のＣＭＯＳ−ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）タイプのＣＭＯＳセンサにおいては、読み出しライン毎に、電荷保持領域であるフローティングディフュージョンをリセットし、まずノイズ成分を読み出し、その後信号成分を読み出すＣＤＳ機能を実現している。即ち、ＣＤＳにおいては、ノイズの読出し直後に信号読出しを行うために、フォトダイオードによって発生した光発生電荷は、ノイズの読出し直後に転送トランジスタを介してフローティングディフュージョンに転送される。読出しはライン毎に行われるので、光発生電荷もライン毎にフローティングディフュージョンに転送されることになり、ライン毎に光発生電荷の蓄積期間が異なる。
【０００７】
なお、フォトダイオードによって全画素の光発生電荷を同時に蓄積し、転送トランジスタを介して一括してフローティングディフュージョンに転送する一括電子シャッターを採用する駆動方法も考えられる。この場合には、全ラインのフローティングディフュージョンに光発生電荷が蓄積されてしまうので、ノイズ読み出しの前に信号読出しを行う必要がある。即ち、各ラインを信号読出し、リセット、ノイズ読出しの順で駆動する必要があり、読出した信号に含まれるノイズとノイズ読出し時のノイズとに相関がなく、画質が若干劣化する可能性がある。なお、この場合でも、転送前に全画素についてノイズを先読みしておく方法もあるが、この場合には、読出したノイズを保持するフレームメモリが必要となってしまう。
【０００８】
このような欠点に対し、特許文献２においては、信号蓄積動作の開始、終了タイミングを全画素で一致させる技術を開示している。特許文献２においては、転送ゲートの直下に電荷保持領域を設け、一旦フォトダイオードからの信号電荷を電荷保持領域に蓄積した後、フローティングディフュージョンに転送するようになっており、一括電子シャッター機能を実現している。
【特許文献１】特開２００２−１３４７２９号公報
【特許文献２】特開２００２−３６８２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、フォトダイオードに極めて強い光が入射した場合には、光発生電荷の発生量が増大してフォトダイオードからオーバーフローすることがある。このようなオーバーフロー電荷（以下、余剰電荷ともいう）は、フォトダイオードの形成領域から転送トランジスタを介してフローティングディフュージョンに流れ、リセット時に排出されるようになっている。
【００１０】
ところが、特許文献２の提案では、フォトダイオードからの余剰電荷は転送ゲート直下の電荷保持領域に蓄積されてしまう。即ち、電荷保持領域に次フレームの光発生電荷が流入してしまうことになり、画質劣化を招来する。
【００１１】
また、特許文献１においては、余剰電荷の排出経路を基板垂直方向に形成しているが、余剰電荷の排出のためのフォトダイオードのプロファイル設計の自由度が低くなると共に、余剰電荷の排出経路及び排出口を設ける必要があり、装置面積が大きくなってしまう。
【００１２】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、余剰電荷の排出のための占有面積を縮小すると共に、設計の自由度を向上させることができる固体撮像装置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】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、
基板上に複数のセンサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、
各センサセルは、
前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣り合って配置され、環状ゲートを有する出力トランジスタと、
前記光電変換素子と前記出力トランジスタとの間に配置され、前記光電変換素子において発生した光発生電荷の転送を制御すると共に、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持可能な電荷保持領域を有する転送・保持手段と、
前記ゲート下方の前記基板内に形成された高濃度不純物領域であって、前記光電変換素子において発生した光発生電荷が前記転送・保持手段から転送され、転送された光発生電荷を保持して前記出力トランジスタの閾値を変化させるキャリアポケットと、
前記光電変換素子において発生した余剰電荷を前記キャリアポケットに流す余剰電荷排出経路と、を含む。
【００１４】
本発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、入射した光に応じた光発生電荷を発生する。光電変換素子には転送・保持手段を介して出力トランジスタが隣り合って配置されており、光電変換素子からの光発生電荷は、一旦、転送・保持手段に保持された後、キャリアポケットに転送されて保持される。これにより、全画素の光発生電荷を一括して転送・保持手段に転送すると共に、各ライン毎の読み出しに際して、リセットを行い雑音成分を読出した後に、光発生電荷をキャリアポケットに転送することができる。これにより、高画質化を図ることができる。また、光電変換素子に発生した余剰電荷は余剰電荷排出経路を介してキャリアポケットに流され、リセット時にキャリアポケットから排出される。余剰電荷排出経路によって、光電変換素子からの余剰電荷が転送・保持手段に流入することはない。これにより、極めて強い光が入射した場合でも、画質が損なわれることを防止することができる。
【００１５】
また、前記余剰電荷排出経路は、
前記光電変換素子を構成する一方導電型の第１の不純物領域と前記キャリアポケットを含む前記一方導電型の第２の不純物領域とに接し、かつ、前記基板表面に形成される前記一方導電型の第３の不純物領域によって構成される。
【００１６】
発明の実施の形態によれば、光電変換素子に発生した光発生電荷は、第１の不純物領域に収集される。第１の不純物領域からオーバーフローした余剰電荷は、第３の不純物領域を介して第２の不純物領域に排出され、第２の不純物領域内のキャリアポケットに蓄積される。キャリアポケット内の余剰電荷は、リセット時に排出される。
【００１７】
また、前記余剰電荷排出経路は、
同一センサセル内の前記キャリアポケットに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流すものである。
【００１８】
発明の実施の形態によれば、センサセルアレイ中の各センサセルに発生した余剰電荷は、余剰電荷排出経路によって、同一センサセル内のキャリアポケットに転送される。キャリアポケットに蓄積された余剰電荷は、ライン毎のリセット時にキャリアポケットから排出される。
【００１９】
また、前記余剰電荷排出経路は、
隣り合う他のセンサセル内の前記キャリアポケットに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流すものである。
【００２０】
発明の実施の形態によれば、センサセルアレイ中の各センサセルに発生した余剰電荷は、余剰電荷排出経路によって、隣り合う他のセンサセル内のキャリアポケットに転送される。キャリアポケットに蓄積された余剰電荷は、ライン毎のリセット時にキャリアポケットから排出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示せず省略している。
【００２２】
本実施の形態の固体撮像装置は、図１に示すように、複数のセンサセルが基板平面上に２次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイを有している。図１において２点鎖線で示した範囲が、単位画素である１つのセンサセルＣである。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで１画面の画素信号が得られる。
【００２３】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、基板変調型センサである。図１ではその中の４つのセンサセルのみを示している。４つのセンサセルが、それぞれフォトダイオード形成領域ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄ（以下、個々のフォトダイオード形成領域をＰＤという）を有している。各センサセルの構造は同じであるので、以下の説明では、フォトダイオード形成領域ＰＤａの部分について説明する。なお、本実施の形態は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。
【００２４】
図２に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤに対応して出力トランジスタ形成領域ＴＭが設けられている。フォトダイオード形成領域ＰＤと出力トランジスタ形成領域ＴＭとの間には、フォトダイオード形成領域ＰＤから出力トランジスタ形成領域ＴＭへ電荷を転送するための転送トランジスタ形成領域ＴＴが設けられている。
【００２５】
本実施の形態においては、転送トランジスタ形成領域ＴＴ内に電荷保持領域ＴＣＰが形成されている。電荷保持領域ＴＣＰには、転送された光発生電荷を一時保持するための第３の不純物領域としての不純物領域２４が形成されている。本実施の形態において、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤに蓄積された光発生電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰに転送して不純物領域２４に一旦保持し、選択ライン毎に電荷保持領域ＴＣＰから出力トランジスタ形成領域ＴＭに転送する。
【００２６】
図１と図２を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する。図１に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤは、略矩形状に形成される。フォトダイオード形成領域ＰＤは、２次元マトリックスの縦方向に沿って設けられたソース線Ｓ及びドレイン線Ｄと、横方向に沿って設けられた転送ゲート線ＴＸ及びゲート線Ｇとの間に形成されている。ゲート線Ｇは、横方向に直線状に設けられるが、後述する環状ゲートとしてのリングゲート５の部分では、リングゲート５の形状に沿って曲がって形成されている。
【００２７】
図２に示すように、センサセルは、Ｐ型基板１ａ上に形成される。フォトダイオード形成領域ＰＤのＰ型基板１ａ上には、基板の深い位置にＮ-のＮ型ウェル２が形成されている。一方、出力トランジスタＴＭ形成領域のＰ型基板１ａ上には、基板の比較的浅い位置にＮ-のＮ型ウェル３が形成されている。なお、図２及びその説明中、Ｎ，Ｐの添え字の−，＋はその数によって不純物濃度のより薄い部分（添え字−−）からより濃い部分（添え字＋＋）の状態を示している。
【００２８】
フォトダイオード形成領域ＰＤのＮ型ウェル２上には、フォトダイオード形成領域ＰＤの略全面に渡ってＰ型不純物層が形成され、このＰ型不純物層は第１の不純物領域としての蓄積ウェル４として機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤの基板表面側には、ドレインに電気的に接続されたＮ+拡散層８が形成されている。この拡散層８は、ピニング層としての機能も有する。フォトダイオード形成領域ＰＤにおいては、基板１の表面に開口領域が形成され、蓄積ウェル４はこの開口領域の下方で開口領域よりも広い領域に形成されている。
【００２９】
出力トランジスタ形成領域ＴＭに形成される出力トランジスタＴｍとしては、例えば、ＮチャネルディプレッションＭＯＳトランジスタが用いられる。出力トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル３上には、基板１表面にゲート絶縁膜１０を介して略リング状（図１では８角形）のリングゲート（単にゲートともいう）５が形成されている。リングゲート５下の基板表面にはチャネルを構成するＮ+拡散層１１が形成される。リングゲート５中央の開口部分の基板表面にはＮ++拡散層が形成されてソース領域（以下、単にソースともいう）１２が形成されている。出力トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル３上には、出力トランジスタＴｍを構成するリングゲート５の略外周形状に合わせてＰ型不純物層が形成され、このＰ型不純物層が第２の不純物領域としての変調用ウェル６として機能する。この変調用ウェル６内には、リングゲート５のリング形状に沿って形成されたリング状の、Ｐ型不純物の拡散によるＰ型高濃度不純物領域が形成されている。このＰ型高濃度不純物領域は、フローティングディフュージョン領域であり、キャリアポケット７として機能する。
【００３０】
また、リングゲート５の周囲の基板表面にはＮ+拡散層が形成されてドレイン領域（以下、単にドレインともいう）１３を構成する。チャネルを構成するＮ+拡散層１１はソース領域１２とドレイン領域１３とに接続される。
【００３１】
ドレイン領域１３、ウェル２及び拡散層８がドレイン電圧の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードの開口領域下方においては、拡散層８と蓄積ウェル４との境界面、ウェル２と蓄積ウェル４との境界面から空乏層が蓄積ウェル４の全体及びその周囲に広がる。空乏領域において、開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は蓄積ウェル４に収集される。
【００３２】
変調用ウェル６は出力トランジスタＴｍのチャネルの閾値電圧を制御するものである。出力トランジスタＴｍは、変調用ウェル６、リングゲート５、ソース領域１２及びドレイン領域１３によって構成されて、キャリアポケット７に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。
【００３３】
また、図１に示すように、リングゲート５の所定位置には、基板１表面近傍にＮ+層のゲートコンタクト領域５ａが形成される。ソース領域１２の所定位置には、基板１表面近傍にＮ+層のソースコンタクト領域１２ａが形成される。ドレイン領域１３の所定位置には、基板１表面近傍にＮ+層のドレインコンタクト領域１３ａが形成される。
【００３４】
蓄積ウェル４に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域ＴＴを介して変調用ウェル６に転送されてキャリアポケット７に保持される。出力トランジスタとして機能する出力トランジスタ形成領域ＴＭのソース電位は、変調用ウェル６に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域ＰＤへの入射光に応じたものとなる。
【００３５】
転送トランジスタ形成領域ＴＴについて説明する。転送トランジスタ形成領域ＴＴは、図２に示すように、光発生電荷を一時保持するための電荷保持領域ＴＣＰを、基板内に有する。
【００３６】
具体的には、１つのセンサセル内のフォトダイオード形成領域ＰＤと出力トランジスタ形成領域ＴＭとの間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域ＴＴが形成される。転送トランジスタ領域ＴＴは、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁膜２１を介して転送ゲート２２を有する。転送ゲート２２の下には、電荷保持領域ＴＣＰが設けられる。電荷保持領域ＴＣＰは、出力トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル３上に形成されたＰ型不純物層による転送用ウェル２３を有する。この転送用ウェル２３内には、Ｐ型不純物の拡散による不純物領域２４が形成されている。
【００３７】
転送用ウェル２３と出力トランジスタ形成領域ＴＭの間には、基板表面側には略全面に渡って、Ｎ+拡散層２５が形成されている。Ｎ+拡散層２５の下には、Ｐ型の拡散層２６が形成されている。
【００３８】
転送トランジスタ領域ＴＴのチャネル、すなわち転送経路は、主として転送ゲート２２の印加電圧及びＮ+拡散層２５に与えられる電圧によって制御される。Ｎ+拡散層２５により、転送ゲート２２下の不純物領域２４と出力トランジスタ下のキャリアポケット７との間に形成される拡散層２６の電位障壁を効果的に制御できるようになる。同時に拡散層２６をＮ+拡散層２５下に埋め込むことができるので、Ｎ+拡散層２５は、ピニング層としての機能を発揮し、暗電流の発生を抑えることができる。
【００３９】
図１に示すように、転送トランジスタ領域ＴＴの転送ゲート２２は、矩形のフォトダイオード形成領域ＰＤの一辺に沿った略矩形形状を有する。転送ゲート２２の所定位置には、基板１表面近傍にＮ+層のゲートコンタクト領域２２ａが形成される。
【００４０】
なお、基板表面には図示しない層間絶縁膜を介して、上述した転送ゲート線ＴＸ、ソース線Ｓ等の配線層が形成される。転送ゲート２２、ソースコンタクト領域１２ａ等は、層間絶縁膜に開孔したコンタクトホールによって配線層の各配線に電気的に接続される。各配線は例えばアルミニウム等の金属材料で構成される。
【００４１】
本実施の形態においては、出力トランジスタを構成するキャリアポケット７は、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生する光発生電荷のうちオーバーフローした電荷（余剰電荷）を排出するためのオーバーフロードレインとしても機能するようになっている。本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤと出力トランジスタ形成領域ＴＭとの間に、余剰電荷を転送するための余剰電荷排出経路（以下、ＯＦＤ経路ともいう）１４が形成されている。
【００４２】
即ち、蓄積ウェル４は、変調用ウェル６に隣り合う縁辺の一部が突出した形状を有し、この突出した部分と変調用ウェル６との間の基板表面に、Ｐ--拡散による余剰電荷排出経路１４が形成されている。余剰電荷排出経路１４は、蓄積ウェル４の他の縁辺部よりもポテンシャルが低く、フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、転送トランジスタ領域ＴＴに流出することなく、変調用ウェル６に流れるようになっている。
【００４３】
図３は本実施の形態に係る固体撮像装置で、ホールを取り扱いキャリアとしたときのセンサセルの等価回路を示す回路図である。センサセルＣは、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて実現されるフォトダイオードＰｄと、出力トランジスタ形成領域ＴＭにおいて実現される出力トランジスタＴｍと、電荷保持領域ＴＣＰを含む転送トランジスタ形成領域ＴＴにおいて実現される転送蓄積部Ｔｓとを有している。転送蓄積部Ｔｓは、領域ＴＴに形成される転送制御素子であるトランジスタＴｒと、トランジスタＴｒの下に設けられた容量Ｃ１とを有している。容量Ｃ１は、上述した不純物領域２４における蓄積容量に相当する。すなわち、転送ゲート２２は、光発生電荷を一時的に保持するための不純物領域２４と容量結合している。
【００４４】
光電変換を行うフォトダイオードＰｄで発生した電荷（光発生電荷）は、トランジスタＴｒの転送ゲート２２を所定の第１の電圧になるように制御することで、容量Ｃ１に一時保持される。その後、トランジスタＴｒの転送ゲート２２を所定の第２の電圧になるように制御することによって、容量Ｃ１に保持された電荷が、出力トランジスタＴｍのキャリアポケット７に転送される。
【００４５】
出力トランジスタＴｍは、キャリアポケット７に電荷が保持されることでバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット７内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、出力トランジスタＴｍの出力電圧ＶＯは、キャリアポケット７内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードＰｄへの入射光の明るさに対応したものとなる。
【００４６】
更に、本実施の形態においては、図３に示すように、フォトダイオードＰｄの一端に周辺の電位によって抵抗が可変となるような素子（以下可変抵抗）が接続されている。この可変抵抗はＯＦＤ経路１４に相当する。ＯＦＤ経路１４は、与えられる電位に対応してポテンシャルが変化することから可変抵抗により示してある。本実施の形態においては、ＯＦＤ経路１４を構成する可変抵抗の他端は、フローティングディフュージョンが形成された変調用ウェル６、即ち、図３では出力トランジスタのバックゲートに接続されている。
【００４７】
図４は固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。図４は上から、蓄積モード、一括転送モード、保持・ノイズ出力モード、転送モード、及び信号出力モードにおけるポテンシャルを示す。なお、図４においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を正孔のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。
【００４８】
図４は横軸に図２と同様に図１のＡ−Ａ'線に沿った位置をとり、縦軸にホールを基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図４の左側から右側に向かって、リングゲート５の一端側、ソース領域１２、リングゲート５の他端側、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２、蓄積ウェル４、及びＯＦＤ経路１４の位置の基板内のポテンシャルを示している。なお、図４の黒丸は光発生電荷を示している。矢印は光発生電荷の流れを示している。
【００４９】
蓄積モードのときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２には、蓄積ウェル４と不純物領域２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。即ち、蓄積モード時には、転送トランジスタＴｒのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、全画素について同時に、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介して不純物領域２４には流さないようにしながら蓄積ウェル４に蓄積させる。
【００５０】
ＯＦＤ経路１４のポテンシャルは、転送ゲート２２の領域のポテンシャルよりも低い。極めて強い光が入射してオーバーフロー電荷が生じた場合には、蓄積ウェル４から溢れた余剰電荷は、不純物領域２４側に流れることなくＯＦＤ経路１４を介して排出される。ＯＦＤ経路１４は、リングゲート６下方の変調用ウェル６に接続されており、蓄積ウェル４からの余剰電荷は、ＯＦＤ経路１４を介して変調用ウェル６内のキャリアポケット７に蓄積される。
【００５１】
一括転送モード時には、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２には、蓄積ウェル４と不純物領域２４との間に、電位障壁が形成されないように低い、所定の第１の電圧が印加される。このとき、不純物領域２４のポテンシャルは蓄積ウェル４よりも低いので、蓄積ウェル４に蓄積された電荷は、不純物領域２４へ流れ込む。すなわち、一括転送モード時には、転送トランジスタＴｒのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、全画素について同時に、蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷を不純物領域２４に転送させる。
【００５２】
蓄積モード時又は一括転送モード時において、フォトダイオードに極めて強い光が入射し、フォトダイオード形成領域ＰＤの容量を超えた多数の光発生電荷が発生するものとする。フォトダイオード形成領域ＰＤからのオーバーフロー電荷（余剰電荷）はＯＦＤ経路１４を介してキャリアポケット７に転送されて蓄積される。図４はこの状態を示しており、蓄積モード時又は一括転送モード時において、リングゲート６下方のキャリアポケット７に光発生電荷が蓄積されている様子を示している。
【００５３】
保持・ノイズ出力モードにおいては、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２には、蓄積ウェル４と不純物領域２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、不純物領域２４へ流れ込んだ電荷は、不純物領域２４に保持される。さらに、この状態で、後述するように、リセットとノイズ成分の読み出しが行われる。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送トランジスタＴｒのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をキャリアポケット７に流さない状態でキャリアポケット７の雑音成分を読み出す手順が行われる。即ち、先ず、キャリアポケット７に蓄積されている光発生電荷の排出が実行され、次いで、雑音成分の読み出しが行われる。このリセット動作によって、図４に示すように、キャリアポケット７に蓄積された余剰電荷も同時に排出される。
【００５４】
転送モード時には、ライン毎に光発生電荷の出力トランジスタへの転送が行われる。即ち、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２には、不純物領域２４と変調用ウェル６との間に、電位障壁が形成されないように、高い所定の第２の電圧が印加される。このとき、不純物領域２４よりも変調用ウェル６のポテンシャルは低いので、不純物領域２４に蓄積された電荷は、変調用ウェル６へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送モード時には、転送トランジスタＴｒのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、不純物領域２４に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット７に転送させる。
【００５５】
信号出力モードにおいては、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２には、不純物領域２４と変調用ウェル６との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、変調用ウェル６へ流れ込んだ電荷は、変調用ウェル６内のキャリアポケット７に保持される。更に、この状態で、後述するように、信号成分の読み出しが行われる。すなわち、信号成分変調手順として、転送トランジスタＴｒのゲート電圧とドレイン電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷を変調用ウェル６に保持させた状態でキャリアポケット７から光発生電荷に応じた画素信号を出力させる。
【００５６】
次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、ＣＤＳ機能と一括電子シャッター機能を実現させる駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。
【００５７】
図５は本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図５に示すように、１フレーム期間は、リセット期間、蓄積期間、一括転送期間及び画素信号の読み出し期間の４つの期間を含む。
【００５８】
リセット期間は、１フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセット期間において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル４、転送用ウェル２３及び変調用ウェル６から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各センサセルの蓄積ウェル４に対する電荷の蓄積が開始される。
【００５９】
リセット期間に続く蓄積期間は、各センサセルが蓄積モードとなり、光を受けてフォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した光発生電荷を蓄積ウェル４に蓄積するための期間である。
【００６０】
蓄積期間に続く一括転送期間は、各センサセルが一括転送モードとなり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤに蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰに転送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間における一括転送動作は、上述した転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２に所定の第１の電圧を同時に印加することによって行われる。
【００６１】
極めて強い光がフォトダイオード形成領域ＰＤに入射することによって、蓄積期間及び一括転送期間においてオーバーフロー電荷が発生することがある。フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、ＯＦＤ経路１４を介して変調用ウェル６内のキャリアポケット７に転送される。
【００６２】
即ち、この段階では、キャリアポケット７には余剰電荷が保持され、信号電荷（光発生電荷）は、電荷保持領域ＴＣＰ内に保持されたままである。
【００６３】
一括転送モードの後には、電荷保持領域ＴＣＰに電荷を保持する状態、すなわち上述した保持・ノイズ出力モードとなる。
【００６４】
図５に示すように、一括転送期間後の画素信号読み出し期間は、電荷保持領域ＴＣＰに保持された電荷を、選択ライン毎に出力トランジスタ形成領域ＴＭへ転送する水平ブランキング期間を有する。すなわち、図５に示すように、画素信号読み出し期間においては、第１行目Ｌ１から最終行目Ｌｎまでのｎラインについて、水平ブランキング期間が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキング期間は、図６に示すように、リセット期間とノイズ成分・信号成分読み出し期間を含む。
【００６５】
図６は一括転送期間と水平ブランキング期間を説明するためのタイミングチャートである。水平ブランキング期間は、選択ライン毎に発生する。図６は一括転送期間と水平ブランキング期間における、トランジスタＴｒの転送ゲート２２と、出力トランジスタＴｍのリングゲート５、ドレイン１３及びソース１２に印加される電圧波形を示す。
【００６６】
一括転送期間においては、転送ゲート２２は、１．５Ｖから０Ｖになり、ゲート５は１．０Ｖで、ドレイン１３は１．０Ｖから３．３Ｖになり、ソース１２は１．０Ｖである。
【００６７】
リセット期間においては、転送ゲート２２は１．５Ｖで、リングゲート５は１．０Ｖから８．０Ｖになり、ドレイン１３は３．３Ｖから６．０Ｖになり、ソース１２は１．０Ｖから６．０Ｖになる。リセット期間におけるリセット動作によって、キャリアポケット７内の電荷が排出される。本実施の形態においては、ＯＦＤ経路１４を介してキャリアポケット７に流入した余剰電荷についても、このリセット期間において排出される。
【００６８】
ノイズ成分・信号成分読み出し期間においては、まず、ノイズ成分を読み出すために、転送ゲート２２は１．５Ｖで、ゲート５は１．０Ｖから２．８Ｖになり、ドレイン１３は３．３Ｖで、ソース線Ｓにはノイズ成分の電圧が出力される。その後、転送ゲート２２は１．５Ｖから３．３Ｖになり、ゲート５は１．０Ｖで、ドレイン１３は３．３Ｖから１．０Ｖとなり、ソース１２は１．０Ｖである。これにより、不純物領域２４からキャリアポケット７への電荷転送が行われる。
【００６９】
次に、信号成分を読み出すために、転送ゲート２２は１．５Ｖで、ゲート５は１．０Ｖから２．８Ｖになり、ドレイン１３は３．３Ｖで、ソース線Ｓには信号成分の電圧が出力される。これにより、キャリアポケット７の電荷量から信号成分が読み出される。
【００７０】
その後は、転送ゲート２２は１．５Ｖに、リングゲート５は１．０Ｖに、ドレイン１３は３．３Ｖになり、ソース１２は１．０Ｖになる。
【００７１】
このように本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルと出力トランジスタのキャリアポケットとの間に、余剰電荷排出経路を形成することで、フォトダイオード形成領域と出力トランジスタ形成領域との間に転送ゲートを設けて、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能の両方を実現する場合でも、余剰電荷の排出を可能にすることができる。しかも、本実施の形態においては、出力トランジスタのキャリアポケットにオーバーフロードレイン機能を付加して余剰電荷の排出を行っており、余剰電荷排出経路を構成する拡散層を形成するのみで、オーバーフロードレインの領域を新たに設ける必要がなく、占有面積を低減することができる。また、フォトダイオード形成領域に近接させてオーバーフロードレインの領域を設ける必要がないので、フォトダイオード形成領域を含む各部のプロファイル設計の自由度を向上させることができる。
【００７２】
従って、結果として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。
【００７３】
図７は本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。また、図８は図７のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。
【００７４】
本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤを構成する蓄積ウェル４’は、同一ラインの隣り合う画素の出力トランジスタ形成領域に含まれる変調用ウェル６’に隣り合っており、この隣り合う部分において縁辺の一部が突出した形状を有している。この突出した部分と変調用ウェル６’との間の基板表面に、Ｐ--拡散による余剰電荷排出経路１４’が形成されている。余剰電荷排出経路１４’は、蓄積ウェル４’の他の縁辺部よりもポテンシャルが低く、フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、転送トランジスタ領域ＴＴに流出することなく、隣り合う画素の変調用ウェル６’に流れるようになっている。
【００７５】
他の構成は第１の実施の形態と同様である。また、本実施の形態における駆動シーケンス、各モード時のポテンシャルの変化等も第１の実施の形態と同様である。即ち、蓄積モード時又は一括転送モード時において、フォトダイオードに極めて強い光が入射し、フォトダイオード形成領域ＰＤの容量を超えた多数の光発生電荷が発生した場合には、フォトダイオード形成領域ＰＤからのオーバーフロー電荷（余剰電荷）はＯＦＤ経路１４’を介して隣り合う画素のキャリアポケット７’に転送されて蓄積される。
【００７６】
同一ラインの画素は同時に水平ブランキング期間に設定されて、同時にリセット、ノイズ読み出し、信号読み出しが行われる。従って、各画素のキャリアポケット７’に流入した余剰電荷は、水平ブランキング期間内のリセット期間において、同時に排出される。
【００７７】
他の作用及び効果は第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図。
【図３】本実施の形態に係る固体撮像装置のセンサセルの等価回路。
【図４】本実施の形態に係る固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャル図。
【図５】本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。
【図６】本実施の形態の水平ブランキング期間を説明するためのタイミングチャート。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図。
【図８】図７のＡ−Ａ'線に沿った断面図。
【符号の説明】
【００８０】
１…基板、１ａ…Ｐ型基板、２，３…Ｎ型ウェル、４…蓄積ウェル、５…リングゲート、６…変調用ウェル、７…キャリアポケット、２２…転送ゲート、２４…不純物領域、１４…余剰電荷排出経路。  
【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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