(57)【要約】【課題】光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すＣＤＳ機能を実現する固体撮像装置の駆動方法を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光発生電荷を蓄積する蓄積ウェル２と、光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン８と、フローティングディフュージョン８に転送された光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力する増幅手段と、蓄積ウェル２とフローティングディフュージョン８との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ光発生電荷を保持する電荷保持領域６を有する転送制御素子４と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、全画素について同時に、転送制御素子４によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル２に蓄積された光発生電荷を分割して電荷保持領域に転送させる第１の転送手順を有する。【選択図】図４
2006121140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、
前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積手順と、
前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第１の転送手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出し手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第２の転送手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出し手順と、
を含む固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
さらに、前記蓄積手順の前に、全画素をリセットするリセット手順を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置と、
前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積タイミング信号と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第１の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出しタイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第２の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出しタイミング信号とを出力するタイミング制御回路と、を具備したことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
さらに、前記固体撮像装置は、前記蓄積ウェルにおいて過剰となった前記電荷を排出する排出手段を有することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記増幅手段は、前記フローティングディフュージョン領域に保持された前記電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記電荷に応じた前記画素信号を出力する変調トランジスタを含むことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサという）と、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、がある。  
ＣＭＯＳセンサである固体撮像装置のいわゆるダイナミックレンジを拡大するために、ＣＭＯＳセンサにおいて、光電変換部からの光電荷を例えば２回に分けてフローティングディフュージョンに転送し、例えば２系統に分けて信号を読み出すために出力するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、この提案に係る技術によると、光電変換部からの光電荷を２回に分けて読み出すために、信号を読み出すための時間が長くなるという問題がある。そのため、そのような固体撮像装置においてノイズ低減のための相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling。以下、ＣＤＳという）を行うためには、回路を高速駆動させなければならないという課題がある。
【０００４】
さらに、その提案に係る技術によれば、出力系統が、信号の読み出し回数分だけ必要になるため、全体の回路規模が大きくなるという問題もある。  
そこで、全体の回路規模が大きくすることがないように、光電変換部からの出力信号を１系統に出力するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。その提案に係る技術によれば、光電変換部からフローティングディフュージョン領域に光電荷を２回に分けて読み出し、フローティングディフュージョン領域に溜まった電荷が１系統で読み出される。
【特許文献１】特開2001-17775号公報
【非特許文献１】特開2003-219277号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、後者の提案に係る分割転送の技術の場合、１系統に信号を出力させることができるが、ノイズ成分読み出しが、フローティングディフュージョンに転送された信号電荷のリセット後に行われるため、ノイズ成分が、信号成分に含まれるノイズ成分とは相関しないという問題がある。もしもノイズ成分の先行読み出しのノイズ抑制機能を実現しようとすれば、周辺回路としてフレームメモリを設け、全画素の信号を保持するようにしなければならず、全体として回路規模が大きくなってしまうという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明は、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すＣＤＳ機能を実現する固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積手順と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第１の転送手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出し手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第２の転送手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出し手順と、を含む。
【０００８】
このような構成によれば、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すＣＤＳ機能を実現する固体撮像装置の駆動方法を実現することができる。
【０００９】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法において、さらに、前記蓄積手順の前に、全画素をリセットするリセット手順を有することが望ましい。  
このような構成によれば、固体撮像装置において、一括電子シャッター機能を実現することができる。
【００１０】
本発明の撮像装置は、入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積タイミング信号と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第１の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出しタイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第２の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出しタイミング信号とを出力するタイミング制御回路と、を具備する。  
このような構成によれば、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すＣＤＳ機能を実現する撮像装置を実現することができる。
【００１１】
また、本発明の撮像装置において、さらに、前記固体撮像装置は、前記蓄積ウェルにおいて過剰となった前記電荷を排出する排出手段を有することが望ましい。  
このような構成によれば、光電変換部において発生した余剰電荷を排出することができる。
【００１２】
また、本発明の撮像装置において、前記増幅手段は、前記フローティングディフュージョン領域に保持された前記電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記電荷に応じた前記画素信号を出力する変調トランジスタを含むことが望ましい。  
このような構成によれば、いわゆる基板変調型の固体撮像装置を用いた撮像装置において、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すＣＤＳ機能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】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
（第１の実施の形態）  
以下、図面を参照して本発明の第１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。
【００１４】
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において破線で示した範囲が、単位画素である１つのセンサセルＣである。本実施の形態に係る固体撮像装置は、ＣＭＯＳ−ＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型センサである。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。
【００１５】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、ＣＤＳ機能と一括電子シャッター機能の双方を達成するものである。図１は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ＰＤを有している。各センサセルの構造は相互に同一である。なお、本実施の形態は光発生電荷として電子を用いる例を示している。光発生電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。
【００１６】
図２に示すように、固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域ＰＤ、転送トランジスタ形成領域ＴＴ、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴを有し、さらに図２には示さないが、増幅トランジスタＴＡ形成領域及び選択トランジスタＴＳ形成領域を有する。
【００１７】
リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴには、フローティングディフュージョン８が形成されている。転送トランジスタ形成領域ＴＴ内には電荷保持領域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不純物領域、すなわち不純物層６が形成されている。
【００１８】
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）、かつ分割して複数回、ここでは２回に分けて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に転送して不純物層６に一旦保持し、その後、選択ライン毎に電荷保持領域ＴＣＰからリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ内のフローティングディフュージョン８に転送する。
【００１９】
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。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。
【００２０】
図２に示すように、センサセルは、Ｐ型半導体領域１ａ上に形成される。本実施の形態では、Ｐ型半導体領域はＰ型半導体基板であるがこれに限らず、半導体基板内にＰ型不純物領域を設けた形態でもよい。フォトダイオード形成領域ＰＤには、Ｐ型基板１ａ上にＮ型不純物層２が形成されている。Ｐ型半導体領域１ａとＮ型不純物層２とによりフォトダイオードが形成される。光電変換素子は、Ｐ型半導体領域１ａとＮ型不純物層２とを含む。光電変換素子を構成するＮ型不純物層２は光発生電荷を蓄積する蓄積ウェル２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、基板１ａに電気的に接続されたＰ型不純物層３が形成されている。この不純物層３は、ピニング層として機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤにおいては、基板表面に開口領域が形成され、蓄積ウェル２はこの開口領域の下方に形成されている。なお、図１に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤは、基板表面に略Ｌ字状に形成される。
【００２１】
一方、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴのＰ型基板１ａ上には、基板表面に一対のＮ型の不純物層が形成されている。これらの一対の不純物層のうちフォトダイオード形成領域ＰＤ側の不純物層が不純物領域としてのフローティングディフュージョン８を構成し、他方の不純物層１０は固定電位点、例えばＶＤＤに接続される。
【００２２】
リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴの基板表面には、ゲート絶縁膜（図示省略）を介してリセットゲート（単にゲートともいう）９が形成されている。リセットゲート９下の基板表面にはチャネルが形成されるようになっている。リセットゲート９に端子を介して所定の電圧を印加することによって、チャネルを導通させ、フローティングディフュージョン８内の電荷を、他方の不純物層１０を介して排出して、フローティングディフュージョン８の電位を初期化することができるようになっている。
【００２３】
フォトダイオードの開口領域下方においては、不純物層３と蓄積ウェル２との境界面から空乏層が蓄積ウェル２の全体及びその周囲に広がっている。空乏層の領域において、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２に収集される。
【００２４】
蓄積ウェル２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を介してフローティングディフュージョン８に転送されて保持される。フローティングディフュージョン８は増幅トランジスタＴＡ（後述）のゲートＴＡｇに接続されている。増幅トランジスタＴＡのドレインは電源端子に接続されており、増幅トランジスタＴＡの出力は、フローティングディフュージョン８の電位、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。
【００２５】
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１ａ内に有する。
【００２６】
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とリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ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層５を介して転送ゲート４を有する。転送ゲート４の下方には、電荷保持領域ＴＣＰが設けられる。電荷保持領域ＴＣＰにおいて、基板表面近傍に不純物層６が形成されている。Ｎ型の不純物層６は、転送ゲート４と容量結合している。転送ゲート４には端子を介して転送パルスが供給される。
【００２７】
不純物層６とリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴのフローティングディフュージョン８との間には、不純物領域としてのＮ-不純物層７が形成されている。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、転送ゲート４の印加電圧によって制御される。これにより、転送ゲート４下の不純物層６とリセットトランジスタ下のフローティングディフュージョン８との間に形成される不純物層７の電位障壁を効果的に制御できるようになる。
【００２８】
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４は、略Ｌ字状のフォトダイオード形成領域ＰＤの一辺の端部に隣り合って略矩形形状に形成される。  
本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤに隣り合って、フォトダイオード形成領域ＰＤから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領域ＯＦＤが形成されている。オーバーフロードレイン領域ＯＦＤには、基板表面に不純物領域としてのＮ型の不純物層１２が形成され、不純物層１２はリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴの他方の不純物層１０と共に、所定の固定電位点に接続されている。
【００２９】
フォトダイオード形成領域ＰＤ内の蓄積ウェル２と不純物層１２との間には、不純物領域としてのＮ-不純物層１１が形成されている。転送トランジスタ形成領域ＴＴにおける電位障壁を高く設定した期間においては、Ｎ-不純物層１１による電位障壁は転送トランジスタ形成領域ＴＴにおける電位障壁よりも低くなっている。これにより、Ｎ-不純物層１１は、フォトダイオード形成領域ＰＤからの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）を構成し、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した余剰電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに排出するようになっている。
【００３０】
即ち、転送トランジスタ形成領域ＴＴに接していない蓄積ウェル２の縁辺の一部に隣り合って、Ｎ-不純物層１１が形成されている。Ｎ-不純物層１１は、蓄積ウェル２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、オーバーフロードレイン領域ＯＦＤに流れるようになっている。
【００３１】
図３は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を説明するための回路図である。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、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴにおいて実現され、容量を構成するフローティングディフュージョン容量Ｃ２及びリセットトランジスタＴＲＳ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、増幅手段としての増幅トランジスタＴＡと選択トランジスタＴＳとを有している。転送蓄積部Ｔｓは、転送トランジスタ形成領域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の下に設けられた転送蓄積のための容量Ｃ１とを有している。容量Ｃ１は、上述した不純物層６における蓄積容量に相当する。
【００３２】
リセットトランジスタＴＲＳのゲート９にはリセット線１５ａが接続される。トランジスタＴｒの転送ゲート４は転送線１５ｂが接続される。リセットトランジスタＴＲＳのドレイン及び増幅トランジスタＴＡのドレインは、ＶＤＤ線１５ｃに接続されている。ＶＤＤ線１５ｃには、例えば３．３Ｖの電圧が印加されている。選択トランジスタＴＳのソースは、出力線１５ｄに接続されている。この出力線１５ｄは、ＣＤＳ回路１６に接続され、ＣＤＳ回路１６の出力信号は、水平走査回路１７へ出力される。選択トランジスタＴＳのゲートＴＳｇは、選択線１５ｅに接続されている。
【００３３】
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、転送線１５ｂに接続されたトランジスタＴｒの転送ゲート４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。この容量Ｃ１への電荷の転送は、分割して、ここでは２回に分けて行われる。その後、トランジスタＴｒの転送ゲート４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、リセットトランジスタＴＲＳのフローティングディフュージョン８に転送される。
【００３４】
リセットトランジスタＴＲＳは、フローティングディフュージョン８に電荷が保持されることで、増幅トランジスタＴＡのゲート電位を変化させ、フローティングディフュージョン８内の電荷量に基づくゲート電位に応じた出力を増幅トランジスタＴＡから出力させる。こうして、増幅トランジスタＴＡの出力電圧ＶＯは、フローティングディフュージョン８の電位に応じたもの、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。増幅トランジスタＴＡの出力は選択トランジスタＴＳを介して出力線１５ｄに出力される。
【００３５】
リセットトランジスタＴＲＳのゲートに所定の電圧が印加されると、リセットトランジスタＴＲＳが導通し、フローティングディフュージョン８に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。これにより、フローティングディフュージョン８内の光発生電荷の排出（初期化）が行われて、フローティングディフュージョン８の電位は所定の初期値となる。
【００３６】
従って、所定のタイミングで所定の電圧を有する各種タイミング信号が、リセット線１５ａ、転送線１５ｂ、及び選択線１５ｅに供給されることによって、電荷の転送等の動作が行われる。
【００３７】
更に、図３には示していないが、フォトダイオードＰｄの一端にＯＦＤ用の抵抗が接続されている。このＯＦＤ用の抵抗は、ＯＦＤ経路を構成するＮ-不純物層１１に相当する。抵抗ＯＦＤの他端は、固定電位点に接続されている。これにより、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した余剰電荷を、抵抗ＯＦＤを介して排出することができる。
【００３８】
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、第１蓄積モード（Ｍ１）、第１一括転送モード（Ｍ２）、第２蓄積モード（Ｍ３）、第２一括転送モード（Ｍ４）、リセットモード（Ｍ５）、ノイズ成分読み出しモード（Ｍ６）、転送モード（Ｍ７）、及び信号成分読み出しモード（Ｍ８）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光発生電荷である電子のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。図示しないタイミング制御回路から、転送線１５ｂ等に所定のタイミング信号が供給されることによって、固体撮像装置は各モード状態となる。
【００３９】
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、縦軸に電子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、リセットトランジスタＴＲＳの他の不純物層１０、ゲート９、フローティングディフュージョン８、不純物層７，電荷保持領域ＴＣＰの不純物層６、転送ゲート４、蓄積ウェル２、ＯＦＤ経路としての不純物層１１及びオーバーフロードレイン領域ＯＦＤの不純物層１２の位置の基板内のポテンシャルを示している。
【００４０】
第１蓄積モード（Ｍ１）、すなわち初回蓄積モードのときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート４には、蓄積ウェル２と電荷保持領域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。ＯＦＤ経路を構成する不純物層１１のポテンシャルは、転送ゲート４の領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル２から溢れた電荷がＯＦＤ領域の不純物層１２へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全画素について同時に、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電荷保持領域ＴＣＰの不純物層６には流さないようにしながら蓄積ウェル２に蓄積させる手順が行われる。
【００４１】
第１一括転送モード（Ｍ２）、すなわち初回の一括転送モードのときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート４には、蓄積ウェル２と不純物層６との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、不純物層６のポテンシャルは蓄積ウェル２よりも低いので、蓄積ウェル２に蓄積された電荷は、不純物層６へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、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、蓄積ウェル２に蓄積された光発生電荷を不純物層６に転送させる手順が行われる。
【００４２】
第２蓄積モード（Ｍ３）、すなわち２回目の蓄積モードのときは、第１蓄積モード（Ｍ１）と同様の動作が行われる。図４に示すように、蓄積手順として、全画素について同時に、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電荷保持領域ＴＣＰの不純物層６には流さないようにしながら蓄積ウェル２に蓄積させる手順が行われる。
【００４３】
第２一括転送モード（Ｍ４）、すなわち２回目の一括転送モードのときは、第１一括転送モード（Ｍ２）と同様の動作が行われる。一括転送手順として、全画素について同時に、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、蓄積ウェル２に蓄積された光発生電荷を不純物層６に転送させる手順が行われる。その結果、図４に示すように、初回の転送と第２回目の転送の両方によって転送された電荷が不純物層６に蓄積される。  
なお、ここでは、蓄積と一括転送を分割して２回行っているが、３回以上に分割して行ってもよい。
【００４４】
リセットモード（Ｍ５）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート４には、蓄積ウェル２と不純物層６との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、不純物層６とフローティングディフュージョン８との間にも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、不純物層６へ流れ込んだ電荷は、不純物層６に保持される。この状態で、後述するように、リセットが行われる。フローティングディフュージョン８には、暗電流等により、上述した蓄積、転送モード（Ｍ１からＭ４）の間に不要電荷が溜まるおそれがあるため、リセットモード（Ｍ５）では、フローティングディフュージョン８内の不要電荷が行われる。すなわち、リセットトランジスタＴＲＳのゲート９に所定の電圧が印加され、リセットトランジスタＲＳＴが導通し、フローティングディフュージョン８に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。よって、フローティングディフュージョン８内の光発生電荷の排出が行われて、フローティングディフュージョン８内には、ノイズ成分以外は、電荷がないことになる。
【００４５】
ノイズ成分読み出しモード（Ｍ６）のときも、転送トランジスタＴｒの転送ゲート４には、蓄積ウェル２と不純物層６との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、不純物層６とフローティングディフュージョン８との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。この状態で、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フローティングディフュージョン８に流さない状態でフローティングディフュージョン８の雑音成分を読み出す手順が行われる。フローティングディフュージョン８のノイズ成分を読み出す。これは、電荷が無い状態のフローティングディフュージョン８に応じて、増幅トランジスタＴＡのゲート電位を変化するので、増幅トランジスタＴＡの出力電圧ＶＯは、フローティングディフュージョン８の電位の無い状態に応じたもの、即ち、ノイズ成分に対応したものとなる。ノイズ成分の信号は、増幅トランジスタＴＡの出力は選択トランジスタＴＳを介して出力線１５ｄに出力される。
【００４６】
転送モード（Ｍ７）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート４には、不純物層６とフローティングディフュージョン８との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、不純物層６よりもフローティングディフュージョン８のポテンシャルは低いので、不純物層６に蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン８へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、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、不純物層６に蓄積された光発生電荷をフローティングディフュージョン８に転送させる手順が行われる。
【００４７】
信号成分読み出しモード（Ｍ８）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート４には、不純物層６とフローティングディフュージョン８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、フローティングディフュージョン８へ流れ込んだ電荷は、フローティングディフュージョン８に保持される。さらに、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のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をフローティングディフュージョン８に保持させた状態で光発生電荷に応じた画素信号を出力させる手順が行われる。
【００４８】
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。
【００４９】
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Ｒ１、第１蓄積期間Ａ１、第１（初回）一括転送期間Ｔ１、第２蓄積期間Ａ２、第２一括転送期間Ｔ２、及び画素信号の読み出し期間Ｓの６つの期間を含む。
【００５０】
リセット期間Ｒ１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２、一時蓄積拡散領域である不純物層６及びフローティングディフュージョン８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２に対する電荷の蓄積が開始される。
【００５１】
リセット期間Ｒ１に続く蓄積期間Ａ１は、各センサセルが蓄積モード（Ｍ１）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２に蓄積するための期間である。
【００５２】
蓄積期間Ａ１に続く一括転送期間Ｔ１は、各センサセルが一括転送モード（Ｍ２）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４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。
【００５３】
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経路を構成するＮ-不純物層１１を介してオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに転送されて排出される。即ち、信号電荷（光発生電荷）が電荷保持領域ＴＣＰ内に保持されると同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域ＯＦＤを介して排出される。
【００５４】
一括転送期間Ｔ１の後に、第２蓄積期間Ａ２が続く。第２蓄積期間Ａ２は、第１蓄積期間Ａ１と同様に、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２に蓄積するための期間である。
【００５５】
第２蓄積期間Ａ２の後に、第２一括転送期間Ｔ２が続く。第２一括転送期間２は、第１一括転送期間Ｔ１と同様に、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。
【００５６】
ここまでで、電荷保持領域ＴＣＰに電荷が保持された状態となるので、図５に示すように、第２一括転送期間Ｔ２後の画素信号読み出し期間Ｓ１は、電荷保持領域ＴＣＰに保持された電荷を、選択ライン毎にリセットトランジスタ形成領域ＴＲＳのフローティングディフュージョン８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。
【００５７】
図６は水平ブランキング期間における、リセット、ノイズ成分読み出し、電荷転送、及び信号成分読み出しのタイミングを示すタイミングチャートである。  
まず、リセット期間Ｒ３において、フローティングディフュージョン８内の電荷が排出されて、フローティングディフュージョン８の電位は初期値となっている。リセット期間Ｒ３に続いて、ノイズ及び信号成分読み出し期間Ｓ２が設けられている。  
ノイズ成分読み出しのタイミングにおいて、まず、ノイズ成分が読み出される。続いて、電荷転送のタイミングにおいて、不純物層６からフローティングディフュージョン８に電荷が転送される。次に、信号成分読み出しタイミングにおいて、信号成分が読み出される。
【００５８】
従って、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタＴｒ下の不純物層６へ転送するようにして、ＣＭＯＳセンサのいわゆるダイナミックレンジが拡大されている。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、不純物層６の電荷を読み出す前に、フローティングディフュージョン８内のノイズ成分を読み出し、その後に、不純物層６からフローティングディフュージョン８へ電荷を転送し、信号成分を読み出すようにしたので、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能を実現している。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタＴｒ下の不純物層６へ転送する前に、全画素についてリセットしてから光発生電荷の蓄積を行っているので、一括電子シャッター機能も実現している。
【００５９】
従って、結果として、本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。
【００６０】
（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態に係わる固体撮像装置の構成について説明する。図７は、本実施の形態に係わる固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。図８は、図７のＡ１−Ａ１'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。
【００６１】
図７に示すように、本実施の形態の固体撮像装置も、第１の実施の形態に係る固体撮像装置と同様に、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。図７において、点線で示した範囲が、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、フォトダイオード形成領域を有する。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７では、その中で４つのセンサセルが示されている。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、本実施の形態においては、個々のフォトダイオード形成領域をＰＤ１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電子を用いる例を示している。光発生電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。
【００６２】
図８に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤ１に対応して変調トランジスタ形成領域ＴＭ１が設けられている。フォトダイオード形成領域ＰＤ１から変調トランジスタ形成領域ＴＭ１へ電荷を転送するための転送トランジスタ形成領域ＴＴ１が、それぞれフォトダイオード形成領域ＰＤ１と変調トランジスタ形成領域ＴＭ１間に設けられている。
【００６３】
本実施の形態では、転送トランジスタ形成領域ＴＴ１に、電荷を一時保持するための電荷保持領域としてのキャリアポケット領域ＴＣＰ１を有する。本実施の形態では、全画素一括して（すなわち全センサセルについて同時に）、かつ分割して複数回、ここでは２回に分けて各フォトダイオード形成領域ＰＤ１に蓄積された電荷（光発生電荷）を、各センサセルのキャリアポケット領域ＴＣＰ１に転送して一旦保持し、その後、選択ライン毎にキャリアポケット領域ＴＣＰ１から変調トランジスタ形成領域ＴＭ１へ転送する。
【００６４】
図７と図８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７に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤ１は、略矩形をしている。フォトダイオード形成領域ＰＤ１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、略リング状のゲート１０５（後述する）の部分では、ゲート１０５の形状に沿って曲がって形成されている。
【００６５】
図８に示すように、センサセルは、Ｎ型基板１０１ａ上に形成される。フォトダイオード形成領域ＰＤ１のＮ型基板１０１ａ上には、基板の深い位置にＰ-のＰ型ウェル２が形成されている。一方、変調トランジスタＴＭ１形成領域のＮ型基板１０１ａ上には、基板の比較的浅い位置にＰ-のＰ型ウェル１０３が形成されている。なお、図８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。尚、本実施の形態は、電子を信号電荷とした場合であるが、正孔を信号電荷とした場合は、Ｎ型とＰ型の極性を逆にすることにより実現できる。
【００６６】
フォトダイオード形成領域ＰＤ１のＰ型ウェル１０２上には、略フォトダイオード形成領域ＰＤ１の略全面に渡ってＮ層が形成され、そのＮ層は蓄積ウェル１０４として機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤ１の基板表面側には略全面に渡って、ピニング層として機能するＰ+不純物層１０８が形成されている。フォトダイオード形成領域ＰＤ１においては、基板１０１の表面に開口領域が形成され、その開口領域よりも広い領域のＮ型のウェルである蓄積ウェル１０４が形成されている。
【００６７】
光電変換素子の機能を有するフォトダイオード形成領域ＰＤ１の下方の基板１０１上に形成されたＰ型ウェル１０２とＮ型の蓄積ウェル１０４との境界領域には空乏領域が形成され、この空乏領域において、フォトダイオード形成領域の光を受ける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。その発生した光発生電荷は蓄積ウェル１０４に蓄積される。
【００６８】
変調トランジスタ形成領域ＴＭ１に形成される増幅手段としての変調トランジスタＴｍ１としては、例えば、Ｐ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。変調トランジスタ形成領域ＴＭ１のＰ型ウェル１０３上には、基板１０１表面にゲート絶縁膜１１０を介して略リング状（図７では８角形）のゲート（以下、リングゲート又は単にゲートともいう）１０５が形成されている。リングゲート１０５下の基板表面にはチャネルを構成するＰ+不純物層１１１が形成される。リングゲート１０５の開口部分の中央の基板表面にはＰ++不純物層が形成されてソース領域（以下、単にソースともいう）１１２が形成されている。変調トランジスタ形成領域ＴＭ１のＰ型ウェル１０３上には、変調トランジスタを構成するリングゲート１０５の略外周形状に合わせてＮ層が形成され、そのＮ層が変調用ウェル１０６として機能する。この変調用ウェル１０６内には、リングゲート１０５のリング形状に沿って形成されたリング状の、Ｎ+拡散によるフローティングディフュージョン領域であるＮ型の高濃度領域のキャリアポケット１０７が形成されている
また、リングゲート１０５の周囲の基板表面にはＰ+不純物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）１１３を構成する。チャネルを構成するＰ+不純物層１１１はソース領域１１２とドレイン領域１１３とに接続される。
【００６９】
変調用ウェル１０６は変調トランジスタＴｍ１のチャネルの閾値電圧を制御するものである。変調トランジスタＴｍ１は、変調用ウェル１０６、リングゲート１０５、ソース領域１１２及びドレイン領域１１３によって構成されて、キャリアポケット１０７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。
【００７０】
また、図７に示すように、リングゲート１０５の所定位置には、基板１０１表面近傍にＰ+層のゲートコンタクト領域１０５ａが形成される。ソース領域１１２の所定位置には、基板１０１表面近傍にＰ+層のソースコンタクト領域１１２ａが形成される。ドレイン領域１１３の所定位置には、基板１０１表面近傍にＰ+層のドレインコンタクト領域１１３ａが形成される。
【００７１】
蓄積ウェル１０４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ＴＴ１を介して変調用ウェル１０６に転送されてキャリアポケット１０７に保持される。変調トランジスタとして機能する変調トランジスタ形成領域ＴＭ１のソース電位は、変調用ウェル１０６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ＰＤ１への入射光に応じたものとなる。
【００７２】
蓄積ウェル１０４近傍の基板１０１表面には、高濃度Ｎ++型不純物層によってオーバーフロー電荷を含む不要電荷排出用の拡散領域（以下、ＯＦＤ領域という）１１４が形成されている。蓄積ウェルの不要な過剰電荷を排出する排出手段としてのＯＦＤ領域１１４は、蓄積ウェル１０４に蓄積されずに該蓄積ウェル１０４からオーバーフローし、かつ、画素信号に寄与しない不要な電荷（以下、不要電荷という）を、基板へ排出するための領域である。
【００７３】
転送トランジスタ形成領域ＴＴ１について説明する。転送トランジスタ形成領域ＴＴ１は、図８に示すように、電荷を一時保持するためのキャリアポケット領域ＴＣＰ１を、基板内に有する。
【００７４】
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ＰＤ１と変調トランジスタ形成領域ＴＭ１との間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域ＴＴ１が形成される。転送トランジスタ領域ＴＴ１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１２１を介して転送ゲート１２２を有する。この転送トランジスタ領域ＴＴ１のチャネル、すなわち転送経路は、転送ゲート１２２の印加電圧及びＰ+不純物層１２５に与えられる電圧によって制御される。
【００７５】
転送ゲート１２２の下には、キャリアポケット領域ＴＣＰ１が設けられる。キャリアポケット領域ＴＣＰ１は、変調トランジスタ形成領域ＴＭ１のＰ型ウェル１０３上に、Ｎ層が形成され、そのＮ層は、転送用蓄積ウェル１２３として機能する。この転送用蓄積ウェル１２３内には、Ｎ+拡散による転送用キャリアポケット１２４が形成されている。
【００７６】
また、転送ゲート１２２は、基板の表面側において形成され、基板を、基板の表面に対して直交する方向からみたときに一部が蓄積ウェル１０４の上を覆うように（図８の１０４ａで示す）、表面にゲート絶縁膜１２１を介して設けられている。
【００７７】
さらに、転送用蓄積ウェル１２３と変調トランジスタ形成領域ＴＭ１の間において、基板表面側には略全面に渡って、Ｐ+不純物層１２５が形成されている。そのＰ+不純物層１２５の下には、Ｎ型の不純物層１２６が形成されている。このＰ+不純物層１２５により、転送ゲート１２２下のキャリアポケット１２４と変調トランジスタ下のキャリアポケット１０７間でできる転送経路１２６の電位障壁を効果的に制御できるようになる。同時に不純物層１２６をＰ+不純物層１２５下に埋め込むことができるので、Ｐ+不純物層１２５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。
【００７８】
図７に示すように、転送トランジスタ領域ＴＴ１の転送ゲート１２２は、矩形のフォトダイオード形成領域ＰＤ１の一辺に沿った略矩形形状を有する。なお、本実施の形態では、図７に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤ１の１つの角の近傍にリングゲート１０５が設けられているので、転送トランジスタ領域ＴＴ１の転送ゲート１２２の、リングゲート１０５側の部分は、一部がリングゲートの形状に沿って切り取られた形状となっている。
【００７９】
また、基板表面に対して直交する方向から見たときに、図７の転送ゲート１２２の内側に、キャリアポケット１２４（図７では図示せず）が形成されている。  
さらに、図７に示すように、転送ゲート１２２の所定位置には、基板１０１表面近傍にＰ+層のゲートコンタクト領域１２２ａが形成される。  
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１２２、ソースコンタクト領域１１２ａ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。
【００８０】
図９は、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である。センサセルＣは、フォトダイオード形成領域ＰＤ１において実現されるフォトダイオードＰｄ１と、変調トランジスタ形成領域ＴＭ１において実現される変調トランジスタＴｍ１と、転送トランジスタ形成領域ＴＴ１において実現される転送蓄積部Ｔｓ１とからなる。転送蓄積部Ｔｓ１は、領域ＴＴ１に形成される転送制御素子であるトランジスタＴｒ１と、トランジスタＴｒ１の下に設けられた容量Ｃ１１とからなる。容量Ｃ１１は、上述したキャリアポケット１２４に対応する電荷保持領域に対応する。
【００８１】
光電変換を行うフォトダイオードＰｄ１で発生した電荷（光発生電荷）は、トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２を所定の第１の電圧になるように制御することで、容量Ｃ１１に一時保持される。その後、トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２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Ｃ１１に保持された電荷が、変調トランジスタＴｍ１のキャリアポケット１０７に転送される。
【００８２】
変調トランジスタＴｍ１は、キャリアポケット１０７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１０７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、変調トランジスタＴｍ１の出力電圧ＶＯ１は、キャリアポケット１０７内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードＰｄ１への入射光の明るさに対応したものとなる。
【００８３】
さらに、図９においては、フォトダイオードＰｄ１の一端に接続された可変抵抗ＯＦＤ１が示されている。ＯＦＤ領域１１４は、与えられる電位に対応してポテンシャルを変化させるために、可変抵抗ＯＦＤ１により示されている。
【００８４】
図１０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１０は、上から、第１蓄積モード（Ｍ１）、第１一括転送モード（Ｍ２）、第２蓄積モード（Ｍ３）、第２一括転送モード（Ｍ４）、リセットモード（Ｍ５）、ノイズ成分読み出しモード（Ｍ６）、転送モード（Ｍ７）、及び信号成分読み出しモード（Ｍ８）におけるポテンシャルを示す。なお、図１０においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を電子のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。図示しないタイミング制御回路から、転送ゲート線Ｔｘ等に所定のタイミング信号が供給されることによって、固体撮像装置は各モード状態となる。
【００８５】
図１０は、横軸に図８と同様に、図７のＡ１−Ａ１'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１０の左側から右側に向かって、リングゲート１０５の一端側、ソース領域１１２、リングゲート１０５の他端側、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２、蓄積ウェル１０４、及びＯＦＤ領域１１４の位置の基板内のポテンシャルを示している。
【００８６】
蓄積モード（Ｍ１）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２には、蓄積ウェル１０４とキャリアポケット１２４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。ＯＦＤ領域１１４のポテンシャルは、転送ゲート１２２の領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル１０４から溢れた電荷がＯＦＤ領域１１４へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全画素について同時に、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キャリアポケット１２４には流さないようにしながら蓄積ウェル１０４に蓄積させる手順が行われる。
【００８７】
第１一括転送モード（Ｍ２）、すなわち初回の一括転送モードのときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２には、蓄積ウェル１０４とキャリアポケット１２４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、キャリアポケット１２４のポテンシャルは蓄積ウェル１０４よりも低いので、蓄積ウェル１０４に蓄積された電荷は、キャリアポケット１２４へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒ１のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル１０４に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット１２４に転送させる手順が行われる。
【００８８】
第２蓄積モード（Ｍ３）、すなわち２回目の蓄積モードのときは、第１蓄積モード（Ｍ１）と同様の動作が行われる。図１０に示すように、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒ１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電荷保持領域ＴＣＰ１のキャリアポケット１２４には流さないようにしながら蓄積ウェル１０４に蓄積させる手順が行われる。
【００８９】
第２一括転送モード（Ｍ４）、すなわち２回目の一括転送モードのときは、第１一括転送モード（Ｍ２）と同様の動作が行われる。一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒ１のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル１０４に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット１２４に転送させる手順が行われる。その結果、図１０に示すように、初回の転送と第２回目の転送の両方によって転送された電荷がキャリアポケット１２４に蓄積される。  
なお、ここでは、蓄積と一括転送をに２回に分割して行っているが、３回以上に分割して行ってもよい。
【００９０】
リセットモード（Ｍ５）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２には、蓄積ウェル１０４とキャリアポケット１２４との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、キャリアポケット１２４とキャリアポケット１０７との間にも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、キャリアポケット１２４へ流れ込んだ電荷は、キャリアポケット１２４に保持される。この状態で、後述するように、リセットが行われる。キャリアポケット１０７には、暗電流等により、上述した蓄積、転送モード（Ｍ１からＭ４）の間に不要電荷が溜まるおそれがあるため、リセットモード（Ｍ５）では、キャリアポケット１０７内の不要電荷が行われる。すなわち、転送ゲート１２２、リングゲート１０５、ドレイン１１３，ソース１１２に所定の電圧が印加され、キャリアポケット１０７に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。よって、キャリアポケット１０７内の光発生電荷の排出が行われて、キャリアポケット１０７内には、ノイズ成分以外は、電荷がないことになる。
【００９１】
ノイズ成分読み出しモード（Ｍ６）のときも、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２には、蓄積ウェル１０４とキャリアポケット１２４との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、キャリアポケット１２４とキャリアポケット１０７との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。この状態で、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Ｔｒ１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１０７に流さない状態でキャリアポケット１０７の雑音成分を読み出す手順が行われる。
【００９２】
転送モード（Ｍ７）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２には、キャリアポケット１２４とキャリアポケット１０７との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、キャリアポケット１２４よりもキャリアポケット１０７のポテンシャルは低いので、キャリアポケット１２４に蓄積された電荷は、キャリアポケット１０７へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送トランジスタＴｒ１のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、キャリアポケット１２４に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット１０７に転送させる手順が行われる。
【００９３】
信号成分読み出しモード（Ｍ８）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２には、キャリアポケット１２４とキャリアポケット１０７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、キャリアポケット１０７へ流れ込んだ電荷は、キャリアポケット１０７に保持される。さらに、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Ｔｒ１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１０６に保持させた状態でキャリアポケット１０７から光発生電荷に応じた画素信号を出力させる手順が行われる。
【００９４】
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は、第１の実施の形態において説明した図５に示した動作シーケンスと同様である。すなわち、図５に示すように、１フレーム期間は、リセット期間Ｒ１、第１蓄積期間Ａ１、第１（初回）一括転送期間Ｔ１、第２蓄積期間Ａ２、第２一括転送期間Ｔ２、及び画素信号の読み出し期間Ｓの６つの期間を含む。
【００９５】
リセット期間Ｒ１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１０４、一時蓄積拡散領域であるキャリアポケット１２４及びキャリアポケット１０７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１０４に対する電荷の蓄積が開始される。
【００９６】
リセット期間Ｒ１に続く蓄積期間Ａ１は、各センサセルが蓄積モード（Ｍ１）となり、光を受けてフォトダイオード形成領域ＰＤ１において発生した光発生電荷を蓄積ウェル１０４に蓄積するための期間である。
【００９７】
蓄積期間Ａ１に続く一括転送期間Ｔ１は、各センサセルが一括転送モード（Ｍ２）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ＰＤ１に蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰ１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Ｔｒ１の転送ゲート１２２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。
【００９８】
極めて強い光がフォトダイオード形成領域ＰＤ１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ＰＤ１からの余剰電荷は、ＯＦＤ１経路を構成するＰ不純物層１１を介してオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１に転送されて排出される。即ち、信号電荷（光発生電荷）が電荷保持領域ＴＣＰ内に保持されると同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１を介して排出される。
【００９９】
一括転送期間Ｔ１の後に、第２蓄積期間Ａ２が続く。第２蓄積期間Ａ２は、第１蓄積期間Ａ１と同様に、光を受けてフォトダイオード形成領域ＰＤ１において発生した光発生電荷を蓄積ウェル１０４に蓄積するための期間である。
【０１００】
第２蓄積期間Ａ２の後に、第２一括転送期間Ｔ２が続く。第２一括転送期間２は、第１一括転送期間Ｔ１と同様に、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ＰＤ１に蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰ１に転送する一括転送が行われる期間である。
【０１０１】
ここまでで、電荷保持領域ＴＣＰ１に電荷が保持された状態となるので、図５に示すように、第２一括転送期間Ｔ２後の画素信号読み出し期間Ｓ１は、電荷保持領域ＴＣＰ１に保持された電荷を、選択ライン毎に変調トランジスタ形成領域ＴＭ１のキャリアポケット１０７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、第１の実施の形態において説明した図６と同様であり、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。すなわち、まず、リセット期間Ｒ３において、キャリアポケット１０７内の電荷が排出されて、キャリアポケット１０７の電位は初期値となっている。リセット期間Ｒ３に続くノイズ及び信号成分読み出し期間Ｓ２のノイズ成分読み出しのタイミングにおいて、まず、ノイズ成分が読み出される。続いて、電荷転送のタイミングにおいて、キャリアポケット１２４からキャリアポケット１０７に電荷が転送される。次に、信号成分読み出しタイミングにおいて、信号成分が読み出される。
【０１０２】
図１１は、各セルの水平ブランキング期間における転送ゲート線Ｔｘ等に供給されるタイミング信号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（Ｈ）は、選択ライン毎に発生する。図１１は、一括転送期間（Ｔ２）と水平ブランキング期間（Ｈ）における、トランジスタＴｒ１の転送ゲート１２２と、変調トランジスタＴｍ１のゲート１０５、ソース１１２及びドレイン１１３に印加されるタイミング信号の波形を示す。
【０１０３】
一括転送期間（Ｔ２）後、リセット期間（Ｒ３）においては、転送ゲート１２２、ゲート１０５、ドレイン１１３、及びソース１１２に所定の電圧が印加される。リセット期間（Ｒ３）におけるリセット動作によって、キャリアポケット１０７内の電荷が排出される。
【０１０４】
ノイズ成分及び信号成分読み出し期間（Ｓ２）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１２２、ゲート１０５、ドレイン１１３、及びソース１１２に所定の電圧が印加される（Ｍ６）。その後、転送ゲート１２２、ゲート１０５、ドレイン１１３、及びソース１１２に所定の電圧を印加することにより、キャリアポケット１２４からキャリアポケット１０７への電荷転送が行われる（Ｍ７）。
【０１０５】
次に、信号成分を読み出すために、転送ゲート１２２、ゲート１０５、ドレイン１１３、及びソース１１２に所定の電圧を印加することにより、キャリアポケット１０７の電荷量から信号成分が読み出される（Ｍ８）。
【０１０６】
従って、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタＴｒ１下のキャリアポケット１２４へ転送するようにして、基板変調型センサのいわゆるダイナミックレンジが拡大されている。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、キャリアポケット１２４の電荷を読み出す前に、キャリアポケット１０７内のノイズ成分を読み出し、その後に、キャリアポケット１２４からキャリアポケット１０７へ電荷を転送し、信号成分を読み出すようにしたので、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能を実現している。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタＴｒ１下のキャリアポケット１２４へ転送する前に、全画素についてリセットしてから光発生電荷の蓄積を行っているので、一括電子シャッター機能も実現している。
【０１０７】
最後に、上述した第１及び第２の実施の形態に係わる固体撮像装置を、デジタルカメラ等の撮像装置に用いた場合の構成を説明する。図１２は、第１及び第２の実施の形態に係わる固体撮像装置を用いた撮像装置の構成例を示す部分構成図である。撮像装置５１は、例えば、デジタルスチルカメラであり、ユーザの操作に応じて固体撮像装置であるセンサ５２を動作させることによって、被写体の撮像を行う。センサ５２への入力信号としては、上述した転送ゲート線Ｔｘ等に供給されるタイミング信号がある。そのタイミング信号は、タイミング制御回路５３からセンサ５２へ供給される。
【０１０８】
撮像装置５１は、ユーザの操作に応じてシャッター制御信号等の各種制御信号、センサ５２へのタイミング信号等を出力するための、ソフトウエアプログラム、回路等を含むシステムコントロール回路（図示せず）を有する。そのシステムコントロール回路からの制御信号に基づいて、タイミング制御回路５３は、図５，図６、図１０及び図１１に示した各種信号を出力する。センサ５２からの画素信号は、信号処理回路５４へ供給され、ガンマ補正等の各種信号処理が行われる。信号処理回路５４からの画像信号は、記録系、通信系の回路へ供給される。
【０１０９】
従って、結果として、本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。
【０１１０】
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】
【０１１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わ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】第１の本実施の形態に係るセンサセルの等価回路を説明するための回路図。
【図４】第１の本実施の形態におけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図。
【図５】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】水平ブランキング期間における各タイミングを示すタイミングチャート。
【図７】第２の実施の形態に係わる固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図。
【図８】図７のＡ１−Ａ１'線に沿った断面図。
【図９】第２の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１０】第２の本実施の形態におけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図。
【図１１】水平ブランキング期間における各タイミングを示すタイミングチャート。
【図１２】第１及び第２の実施の形態に係る固体撮像装置を用いた撮像装置の部分構成図。
【符号の説明】
【０１１２】
１ａ，１０１ａ  基板、２，１０４  蓄積ウェル、３，１０，１１，１２，１０８，１１１，１２５  不純物層、４，１２２  転送ゲート、５，１１０  ゲート絶縁膜、６  不純物領域、７  、８  フローティングディフュージョン、９  ゲート、１５ａ  リセット線、１５ｂ  転送線，１５ｃ  ＶＤＤ線、１５ｄ  出力線、１５ｅ  選択線、１０２  Ｐ型ウェル、１０３  Ｐ型ウェル、１０５  リングゲート、１０６  変調用ウェル、１０７  キャリアポケット、１１２  ソース領域、１１３  ドレイン領域、１１４  ＯＦＤ、１２４  転送用キャリアポケット  
【図１】
2006121140.tif 000003
【図２】
2006121140.tif 000004
【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】
2006121140.tif 000009
【図８】
2006121140.tif 000010
【図９】
2006121140.tif 000011
【図１０】
2006121140.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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