(57)【要約】【課題】暗電流の影響を低減する固体撮像素子を提供する。【解決手段】受光強度に応じて光電変換を行う光電変換素子１と、遮光することで光電変換を行わない光電変換素子２０を直列に接続する。光電変換素子１には受光強度に応じた信号電流と光がなくても流れる暗電流分の電流が流れ、光電変換素子２０には暗電流のみが流れることから、光電変換素子１，２０の接続点（フローティングディフュージョン）６にはこれらの差分が現れ、暗電流の取り除かれた信号成分のみが得られる。この電流を所定の露光時間分だけ蓄積することにより信号電圧を得る。この構成により暗電流の影響を小さくし、暗電流の変化や画素ごとのバラツキによる画質低下を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が平面状に配置された固体撮像素子であって、
前記画素が、
受光強度に応じた光信号電荷を発生する第１の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子と直列に接続される遮光された第２の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子と第２の光電変換素子の結合部に接続された増幅用トランジスタ、リセット用トランジスタ、および読み出し用トランジスタとからなる
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第２の光電変換素子が、
素子上の配線層によって遮光されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の光電変換素子と第２の光電変換素子が同一形状である
ことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第２の光電変換素子の形状が、前記第１の光電変換素子の形状より小さい
ことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第２の光電変換素子の不純物濃度が、前記第１の光電変換素子の不純物濃度より大きい
ことを特徴とする請求項１，２または４記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１の光電変換素子および第２の光電変換素子の結合部と増幅用トランジスタとの間に、電荷転送ゲートとフローティングディフュージョンを設けた
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素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子に係り、特に、ＡＭＩ型撮像素子の画質改善技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＯＳイメージセンサはＡＭＩ（Amplified MOS Imager）型とＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）型とに大別される。このうちＡＭＩ型については画質向上のために様々な改良が施されている。
【０００３】
特許文献１の技術では、光電変換素子と増幅用トランジスタとリセット用トランジスタと読み出し用トランジスタからなる画素構成を示している。
【０００４】
図５は特許文献１記載の固体撮像素子を示す図であり、光電変換素子１と増幅用トランジスタ２とリセット用トランジスタ３と読み出し用トランジスタ４で画素が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９６５７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、感度を向上させるためにフォトダイオード上にＳiＧe等の膜を形成した場合に暗電流が多くなり読み出しが困難になるといった課題がある。
【０００７】
そこで本発明は、前記課題を解決するものであり、暗電流の影響を低減する固体撮像素子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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素が平面状に配置された固体撮像素子であって、画素が、受光強度に応じた光信号電荷を発生する第１の光電変換素子と、第１の光電変換素子と直列に接続される遮光された第２の光電変換素子と、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子の結合部に接続された増幅用トランジスタ、リセット用トランジスタ、および読み出し用トランジスタとからなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は第２の光電変換素子が、素子上の配線層によって遮光されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は第１の光電変換素子と第２の光電変換素子が同一形状であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は第２の光電変換素子の形状が、第１の光電変換素子の形状より小さいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は第２の光電変換素子の不純物濃度が、第１の光電変換素子の不純物濃度より大きいことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は第１の光電変換素子および第２の光電変換素子の結合部と増幅用トランジスタとの間に、電荷転送ゲートとフローティングディフュージョンを設けたことを特徴とする。
【００１４】
以上のように、本発明の固体撮像素子によれば、受光強度に応じた光信号電荷を発生する第１の光電変換素子には光強度に応じた電流と暗電流の和が流れ、遮蔽された第２の光電変換素子には暗電流のみが流れるため、第１，第２の光電変換素子の接続点にはこれらの差分である光強度に応じた電流分が蓄積され電圧として現れ、この電圧には光電変換素子の暗電流の影響が含まれないため、温度変化等による暗電流の変化の影響を受けることなく、ＳiＧe等の膜を光電変換素子上に付けることによる暗電流が増えた場合にも、その影響を減らすことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、暗電流の影響を小さくし、暗電流の変化や画素ごとのバラツキによる画質低下を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態における固体撮像素子の画素の構成を示す図
【図２】本実施の形態における固体撮像素子の画素の別構成を示す図
【図３】本実施の形態における画素およびＣＤＳ回路の構成図
【図４】本実施の形態における固体撮像素子の画素の信号出力動作を示すタイミングチャート
【図５】従来の固体撮像素子の回路構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態における固体撮像素子の画素構成を示す図である。ここで、前記従来例を示す図５において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付す。
【００１９】
図１に示すように、受光強度に応じて光電変換を行う光電変換素子１と遮光することで光電変換を行わない光電変換素子２０を備え、これらの信号の差分を取ることにより、光電変換素子の持つ暗電流の影響を取り除くことができる。
【００２０】
図１において、１は受光強度に応じて光電変換を行う光電変換素子であり、２０は遮光された光電変換素子である。これら２つの光電変換素子１，２０を直列に接続することにより、光電変換素子１には受光強度に応じた信号電流と光がなくても流れる暗電流分の電流が流れる。光電変換素子２０には暗電流のみが流れる。
【００２１】
このとき２つの光電変換素子１，２０の接続点（フローティングディフュージョン）６にはこれらの差分が現れるため、暗電流の取り除かれた信号成分のみが現れる。この電流を所定の露光時間分だけ蓄積することにより信号電圧を得る。露光時間の開始前にリセット用トランジスタ３をオンすることで、接続点６をリセットする。所定の露光時間経過後に増幅用トランジスタ２と出力用トランジスタ５を介して共通信号線ＶＳＬ１に設けられた負荷トランジスタ（図示せず）とで構成されるソースフォロワ回路を用いて接続点６の信号を出力する。
【００２２】
また、遮光された光電変換素子２０は、光電変換素子２０上に不透明な層、例えば金属配線層等を用いて光が光電変換素子２０上に入らないように構成する。
【００２３】
また、光電変換素子１と光電変換素子２０は同一の形状であることが望ましい。
【００２４】
また、光電変換素子１，２０の暗電流成分が同等となるように形状および／または不純物濃度を変えてもよい。例えば、遮光された光電変換素子２０の寸法を小さくする一方で不純物濃度を高くすることで、受光用の光電変換素子１と同等の暗電流を持つようにすれば、画素の面積を小さくすることができる。
【００２５】
また、図２に示すような固体撮像素子の画素の別構成として、光電変換素子１および光電変換素子２０の結合部と増幅用トランジスタ２との間に転送ゲート（転送用トランジスタ７）を設けてもよい。
【００２６】
次に、図３の画素およびＣＤＳ回路の構成図、および図４のタイミングチャートを用いて、画素の信号出力動作を説明する。
【００２７】
まず、図３に示すリセット用トランジスタ３をオンすることで、接続点６の電圧が初期値にリセットされる。その後、選択行から出力するため読み出し用トランジスタ４をオンすることにより、共通信号線ＶＳＬ１上に設けられた負荷トランジスタ８と接続されてソースフォロワ回路が形成される。
【００２８】
図４に示す時刻ｔ１において、リセット用トランジスタ３がオフしたときから接続点６には受光強度に応じた電流が流れ始める。所定の露光時間が経過した後の時刻ｔ２において、ＣＬトランジスタ１２をオフすることでこのときの出力電圧がＣＤＳ回路の容量１０にクランプされる。このときＣＤＳ回路の容量１０には信号電圧にソースフォロワ回路のゲインを掛けた電圧が記録される。
【００２９】
次に、リセット用トランジスタをオンすることで接続点６が初期値にリセットされ、それに応じてＣＤＳ回路にも時刻ｔ２での信号電圧からリセット電圧を差し引いた電圧が容量１１に出力される。時刻ｔ３でＳＨトランジスタ９をオフすることで、この信号電圧からリセット電圧を差し引いた電圧が容量１１に記録される。その後、時刻ｔ４から時刻ｔ５の水平転送期間にシフトレジスタを用いて順次信号を出力する。このとき、非選択行では露光が行われている。
【００３０】
この駆動では画素ごとのソースフォロワ回路のバラツキは取り除くことができるが、リセット用トランジスタ３をオン・オフしたときの熱雑音は取ることができない。これに対して露光時間が短時間である場合などに、行選択されてからリセット用トランジスタ３をオンしてリセット信号の出力を先に行い、その後所定の蓄積時間後に信号出力を行うことで軽減することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態で説明した信号出力を行う光電変換素子１と遮蔽された光電変換素子２０の並びは逆であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る固体撮像素子によれば、暗電流の影響を小さくしノイズの少ない画像を出力する固体撮像素子を実現することができ有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１  光電変換素子
２  増幅用トランジスタ
３  リセット用トランジスタ
４  読み出し用トランジスタ
６  接続点（フローティングディフュージョン）
７  転送用トランジスタ
８  負荷トランジスタ
９  ＣＤＳ回路のＳＨトランジスタ
１０  ＣＤＳ回路の容量
１１  ＣＤＳ回路の容量
１２  ＣＤＳ回路のＣＬトランジスタ
２０  遮光された光電変換素子
【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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