(57)【要約】【課題】固体撮像素子におけるフォトダイオードに蓄積された電荷を一時的に保持する保持部の電荷を確実にフローティングディフュージョンに転送する。【解決手段】第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２に分割して保持部を構成し、状態Ｓｔ２１で示されるように転送ゲートＴＧをオンにして電荷を第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２に転送する。状態Ｓｔ２２で示されるように、転送ゲートＴＧをオフにし、状態Ｓｔ２３，Ｓｔ２４で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２の順序でオフにし、電荷を転送するための電界を強く発生させ、状態Ｓｔ２５のように電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。本技術は、固体撮像素子に適用することができる。【選択図】図６
2015065271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子において、
画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、
複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持する保持部を含み、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
固体撮像素子。
【請求項２】
前記固体撮像素子は、グローバルシャッタ型固体撮像素子である
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
複数の画素の前記保持部より転送された電荷を加算する加算部をさらに含み、
複数に分割された電極の一部で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送し、
前記加算部は、複数に分割された電極の一部で蓄積された電荷を、前記複数の画素の分だけ加算して転送する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記フォトダイオードで生成された電荷の前記保持部への転送を制御する電極からなる読出電極をさらに含み、
前記読出電極は、前記保持部を構成する、複数に分割された電極の分割方向に対して垂直な方向に構成されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、略等面積に分割されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、不等面積に分割されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記保持部は、前記フォトダイオードで生成された電荷を自らに転送する機能を備える
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記フォトダイオードの電荷の直接リセットドレインへの排出のオンまたはオフを制御するグローバルリセットゲートをさらに含む
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記保持部は、SiO2、SiN、HfO2、またはTaO2を含み、これらを積層して構成される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記電極の材質は、Poly Si、PDAS、または、W、Mo、Al、若しくはCuを含むメタル材料である
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記保持部は、遮光部をさらに含み、
前記複数に分割された電極のいずれかが、前記遮光部に短絡する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
固体撮像素子の動作方法において、
フォトダイオードが、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成し、
保持部が、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持し、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
固体撮像素子の動作方法。
【請求項１３】
固体撮像素子を有する電子機器において、
画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、
複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持する保持部を含み、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
電子機器。
【請求項１４】
前記固体撮像素子は、グローバルシャッタ型固体撮像素子である
請求項１３に記載の電子機器。
【請求項１５】
複数の画素の前記保持部より転送された電荷を加算する加算部をさらに含み、
複数に分割された電極の一部で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送し、
前記加算部は、複数に分割された電極の一部で蓄積された電荷を、前記複数の画素の分だけ加算して転送する
請求項１３に記載の電子機器。
【請求項１６】
前記フォトダイオードで生成された電荷の前記保持部への転送を制御する電極からなる読出電極をさらに含み、
前記読出電極は、前記保持部を構成する、複数に分割された電極の分割方向に対して垂直な方向に構成されている
請求項１３に記載の電子機器。
【請求項１７】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、略等面積に分割されている
請求項１３に記載の電子機器。
【請求項１８】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、不等面積に分割されている
請求項１３に記載の電子機器。
【請求項１９】
前記保持部は、前記フォトダイオードで生成された電荷を自らに転送する機能を備える
請求項１３に記載の電子機器。
【請求項２０】
固体撮像素子を有する電子機器の動作方法において、
フォトダイオードが、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成し、
保持部が、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持し、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
電子機器の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像素子およびその動作方法、並びに電子機器およびその動作方法に関し、特に、フォトダイオードが受光することにより生成する電荷を、複数の電極より構成される保持部に保持させ、電極毎にオンまたはオフを制御することにより、強い電界を部分的に発生させることで、保持した電荷を確実に転送できるようにした固体撮像素子およびその動作方法、並びに電子機器およびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサは、光電変換電子を画素ごとに順次読み出すローリングシャッタ型デバイスが一般的である。
【０００３】
しかしながら、ローリングシャッタ型デバイスでは、画像を構成する各画素で撮像されるタイミングに時間的な同時性がないために高速に動作する被写体を撮像すると、撮像された画像が歪むことがあった。このため、光電変換した電荷を同時に別の保持部へ転送し保持し、その後、保持部（MEM）から、順次電荷を読み出すグローバルシャッタ型(GS：Global Shutter型)デバイスが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１のような構造において、大容量の電荷を保持する保持部（電荷保持部）を形成しようとすると、そのサイズが大きくなる。
【０００６】
このような構造において、受光素子で発生された電荷を、フローティングディフュージョンへ転送しようとすると、保持部におけるフローティングディフュージョンの近傍領域と遠方領域との間で十分な電界を構成できるように、不純物プロファイルを形成することが一般的である。
【０００７】
しかしながら、所定の十分な電界を保つ状況で、転送距離を長くすると、保持部を空乏化させるためのいわゆるリセット電圧が高くなってしまい、消費電力を増大させてしまう。
【０００８】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特に、保持部の大型化に伴って生じるリセット電圧を不要に高くすることなく、確実に、保持部に保持された電荷をフローティングディフュージョンに転送できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本技術の一側面の固体撮像素子は、固体撮像素子において、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持する保持部を含み、前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する。
【００１０】
前記固体撮像素子は、グローバルシャッタ型固体撮像素子とすることができる。
【００１１】
複数の画素の前記保持部より転送された電荷を加算する加算部をさらに含ませるようにすることができ、複数に分割された電極の一部で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送し、前記加算部には、複数に分割された電極の一部で蓄積された電荷を、前記複数の画素の分だけ加算して転送させるようにすることができる。
【００１２】
前記フォトダイオードで生成された電荷の前記保持部への転送を制御する電極からなる読出電極をさらに含ませるようにすることができ、前記読出電極は、前記保持部を構成する、複数に分割された電極の分割方向に対して垂直な方向に構成されるようにすることができる。
【００１３】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、略等面積に分割されるようにすることができる。
【００１４】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、不等面積に分割されるようにすることができる。
【００１５】
前記保持部には、前記フォトダイオードで生成された電荷を自らに転送する機能を設けるようにさせることができる。
【００１６】
前記フォトダイオードの電荷の直接リセットドレインへの排出のオンまたはオフを制御するグローバルリセットゲートをさらに含ませるようにすることができる。
【００１７】
前記保持部は、SiO2、SiN、HfO2、またはTaO2を含み、これらを積層して構成されるようにすることができる。
【００１８】
前記電極の材質は、Poly Si、PDAS、または、W、Mo、Al、若しくはCuを含むメタル材料とすることができる。
【００１９】
前記保持部には、遮光部をさらに含ませるようにすることができ、前記複数に分割された電極のいずれかが、前記遮光部に短絡させるようにすることができる。
【００２０】
本技術の一側面の固体撮像素子の動作方法は、フォトダイオードが、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成し、保持部が、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持し、前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する。
【００２１】
本技術の一側面の電子機器は、固体撮像素子を有する電子機器であって、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持する保持部を含み、前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する。
【００２２】
前記固体撮像素子は、グローバルシャッタ型固体撮像素子とすることができる。
【００２３】
複数の画素の前記保持部より転送された電荷を加算する加算部をさらに含ませるようにすることができ、複数に分割された電極の一部で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送させ、前記加算部には、複数に分割された電極の一部で蓄積された電荷を、前記複数の画素の分だけ加算して転送させるようにすることができる。
【００２４】
前記フォトダイオードで生成された電荷の前記保持部への転送を制御する電極からなる読出電極をさらに含ませるようにすることができ、前記読出電極は、前記保持部を構成する、複数に分割された電極の分割方向に対して垂直な方向に構成されるようにすることができる。
【００２５】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、略等面積に分割されるようにすることができる。
【００２６】
前記保持部を構成する分割された複数の電極は、不等面積に分割されるようにすることができる。
【００２７】
前記保持部には、前記フォトダイオードで生成された電荷を自らに転送する機能を設けるようにさせることができる。
【００２８】
本技術の一側面の電子機器の動作方法は、固体撮像素子を有する電子機器の動作方法であって、フォトダイオードが、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成し、保持部が、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持し、前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する。
【００２９】
本技術の一側面においては、画素単位の光が受光され、フォトダイオードにおいて、光電変換により電荷が生成され、複数に分割された電極が設けられた保持部により、前記フォトダイオードにより生成された電荷が、一時的に保持され、前記保持部により、前記分割された前記電極のオンまたはオフが順次切り替えられることにより、保持した電荷がフローティングディフュージョンに転送される。
【発明の効果】
【００３０】
本技術の一側面によれば、保持部の大型化に伴って生じるリセット電圧を不要に高くすることなく、確実に、保持部に保持された電荷をFD部に転送させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一般的な固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図２】本技術を適用した第１の実施の形態の固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図３】図２の固体撮像素子の回路構成例を説明する図である。
【図４】図２の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明するフローチャートである。
【図５】図２の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図６】図２の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明する状態図である。
【図７】本技術を適用した第２の実施の形態の固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図８】図７の固体撮像素子のポテンシャル分布を説明する図である。
【図９】図７の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明するフローチャートである。
【図１０】図７の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図１１】本技術を適用した第３の実施の形態の固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図１２】第１保持部乃至第４保持部のレイアウトによる電荷の転送路の違いを説明する図である。
【図１３】本技術を適用した第４の実施の形態の固体撮像素子の回路構成例を説明する図である。
【図１４】図１３の固体撮像素子における画素信号の読み出しパターンを説明する図である。
【図１５】図１３の固体撮像素子による画素毎に個別に画素信号を出力する場合の電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図１６】図１３の固体撮像素子による４画素毎に加算して画素信号を出力する場合の電荷蓄積転送処理を説明するフローチャートである。
【図１７】図１３の固体撮像素子による４画素毎に加算して画素信号を出力する場合の電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図１８】図１３の固体撮像素子による４画素毎に加算して画素信号を出力する場合のその他の電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図１９】図１３の固体撮像素子による４画素毎に加算して画素信号を出力する場合のさらにその他の電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図２０】本技術を適用した第５の実施の形態の固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図２１】図２０の固体撮像素子のポテンシャル分布を説明する図である。
【図２２】図２０の固体撮像素子による４画素毎に加算して画素信号を出力する場合の電荷蓄積転送処理を説明するフローチャートである。
【図２３】図２０の固体撮像素子による４画素毎に加算して画素信号を出力する場合の電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図２４】本技術を適用した第６の実施の形態の固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図２５】本技術を適用した第７の実施の形態の固体撮像素子の構成例を説明する図である。
【図２６】図２５の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明するフローチャートである。
【図２７】図２５の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理を説明するタイミングチャートである。
【図２８】従来の固体撮像素子における配線の構成例を説明する図である。
【図２９】本技術を適用した固体撮像素子における配線の構成例を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本開示における実施の形態（以下、本実施の形態という）について説明する。な
お、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（保持部が２分割された場合の一例）
２．第２の実施の形態（保持部が４分割された場合の一例）
３．第３の実施の形態（第１保持部乃至第４保持部の分割方向に対して垂直方向にフォトダイオードが配設された場合の一例）
４．第４の実施の形態（４画素分の画素信号が加算される場合の一例）
５．第５の実施の形態（グローバルリセットゲートを設けた場合の一例）
６．第６の実施の形態（保持部が不均等に分割された場合の一例）
７．第７の実施の形態（保持部に転送ゲートの機能を備えさせた場合の一例）
【００３３】
［第１の実施の形態］
［一般的な固体撮像素子の構成例］
図１は、一般的な固体撮像素子の画素単位の構成例を示した上面図であり、図中の左部が従来の固体撮像素子の構成例であり、図中の右部が近年の一般的になりつつある固体撮像素子の構成例である。
【００３４】
図１の左部で示される従来の固体撮像素子は、図中の最も下から、フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ、保持部ＭＥＭ、フローティングゲートＦＧ、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットゲートＲＳＴ、リセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎ、増幅部ＡＭＰ、および選択部ＳＥＬを備えている。
【００３５】
フォトダイオードＰＤは、受光素子からなり、光を受光すると光電変換により、光量に応じた電荷を発生する。
【００３６】
転送ゲートＴＧは、オンまたはオフを制御することにより、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を、保持部ＭＥＭに転送する。
【００３７】
保持部ＭＥＭは、オンまたはオフに制御されることによりゲートとして機能すると共に、オンに制御されるとき、転送ゲートＴＧを介してフォトダイオードＰＤより転送されてくる電荷を一時的に保持する。また、保持部ＭＥＭは、これらの機能を備えた電極より構成されており、この電極に印加される電圧により電荷を保持、または転送する。
【００３８】
すなわち、保持部ＭＥＭがオンにされている場合、転送ゲートＴＧは、シャッタのオンが制御されると、全画素について同一のタイミングでフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を保持部ＭＥＭに転送する。この結果、全画素について、フォトダイオードＰＤで発生した画素信号となる電荷を同一のタイミングで保持部ＭＥＭに保持させる。保持部ＭＥＭには、遮光膜Ｆが設けられており、保持部ＭＥＭが遮光されることで、フォトダイオードＰＤから回り込む光を遮光し、フォトダイオードＰＤで受光される光量と同様の光量を確実に保持できるようにしている。
【００３９】
フローティングゲートＦＧは、オンまたはオフの制御により、保持部ＭＥＭに保持されている電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【００４０】
増幅部ＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきた電荷量に応じて、選択部ＳＥＬを介して供給される電力の電圧を所定の倍率で増幅し、これを画素信号として出力する。
【００４１】
選択部ＳＥＬは、図示せぬ制御部より画素信号の転送が指示されると、電源ＶＤＤより供給されてくる電力を増幅部ＡＭＰに供給する。
【００４２】
リセットゲートＲＳＴは、オンまたはオフの制御により、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきた電荷をリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出する。
【００４３】
尚、図１の右部における固体撮像素子の構成例についても基本的な構成は同様であるので、その説明は省略する。ところで、図１の左部および右部の固体撮像素子の構成において異なる点は、保持部ＭＥＭの電荷を保持する保持容量である。すなわち、図１の右部の固体撮像素子においては、左部のものよりも物理的に面積の大きなものとなっており、これにより保持可能な電荷量を大容量化している。保持部ＭＥＭが大型化しているのは、フォトダイオードＰＤより転送されてくる電荷を大容量化するためである。
【００４４】
例えば、図１の左部の固体撮像素子においては、図１の左部における右上部で示される状態Ｓｔ１のように、転送ゲートＴＧ、およびフローティングゲートＦＧが、いずれもオフの状態となっており、保持部ＭＥＭに電荷が保持された状態であるものとする。
【００４５】
この状態で、フローティングゲートＦＧがオンにされると、状態Ｓｔ２で示されるように、保持部ＭＥＭを構成する電極の不純物プロファイルにより、保持部ＭＥＭ上に生じる電界の影響により、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。すなわち、保持部ＭＥＭは、電極と、その電極により生じる電界で電荷を転送する転送路を構成するゲート酸化膜より構成されている。例えば、この電極に電圧が印加されて、保持部ＭＥＭがオンに制御されると、転送ゲートＴＧ、およびフローティングゲートＦＧがいずれもオフの状態であるとき、保持部ＭＥＭにおけるゲート酸化膜内に電荷が保持される。このとき、保持部ＭＥＭの電極は、その不純物プロファイルにより電界が生じているため、図１の状態Ｓｔ１で示されるように、図中で左下がりとなるようにポテンシャルの傾斜が発生する。このため、状態Ｓｔ１の状態で、フローティングゲートＦＧがオンにされると、状態Ｓｔ２で示されるように、保持部ＭＥＭ上で発生する電界に応じたポテンシャルの傾斜の影響で、保持されている電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されることになる。
【００４６】
尚、図１の状態Ｓｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ１１，Ｓｔ１２は、図１における左右それぞれの固体撮像素子の上面図におけるＡ−Ａ’断面におけるポテンシャル分布を示したものである。
【００４７】
図１の右部で示されるような、近年の保持部ＭＥＭは、電極を大型化することで大容量化されているため、状態Ｓｔ１１で示されるように、状態Ｓｔ１と同様の動作により保持部ＭＥＭに電荷を蓄積することはできる。しかしながら、状態Ｓｔ１２で示されるように、状態Ｓｔ２における場合と同様に、フローティングゲートＦＧをオンにしても、保持部ＭＥＭの電極が物理的に大型化されることにより、転送距離が長くなっているため、保持部ＭＥＭ上における電界の傾斜が緩やかになってしまい、保持していた全電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送できず、残留する電荷が発生することがあった。すなわち、図１の右部の固体撮像素子においては、フローティングゲートＦＧをオンにしても、保持部ＭＥＭ上のポテンシャルの傾斜が緩やかなものとなるため、保持された全電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送され難くなるので、保持部ＭＥＭ上に残留する電荷が発生してしまうことがあった。
【００４８】
また、このような場合においても、保持部ＭＥＭの不純物プロファイルの調整により、より強い電界が発生するような構成とすることも可能であるが、このようにすると、リセット電圧を高く設定する必要が生じ、結果として、消費電力を増大させる恐れがある。
【００４９】
尚、図１においては、状態Ｓｔ２，Ｓｔ１２における保持部ＭＥＭ上のポテンシャルの変化の大きさ、すなわち、ポテンシャル分布の傾きの大きさが電界強度を表している。すなわち、状態Ｓｔ１２においては、保持部ＭＥＭ上のポテンシャルの傾きは、状態Ｓｔ２における傾きよりも緩やかであり、すなわち、電界強度が弱いため、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されにくい状態であることが示されている。
【００５０】
［固体撮像素子の第１の実施の形態の構成例］
そこで、本技術を適用した固体撮像素子においては、図２で示されるように、保持部ＭＥＭを構成する電極が複数に分割されている。
【００５１】
図２の右部は、本技術を適用した固体撮像素子の画素単位の構成例を示す上面図を示している。また、図２の左部は、図２の右部におけるＡ−Ｂ断面におけるポテンシャル分布の一例が示されている。尚、図２の右部で示される固体撮像素子において、図１における固体撮像素子と同一の機能を備えた構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明については適宜省略するものとする。
【００５２】
すなわち、図２の固体撮像素子において、図１の固体撮像素子と異なる点は、保持部ＭＥＭを構成する電極を複数で、かつ均等に分割し、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２を設けた点、並びに、オーバーフロー排出部ＯＦＢが設けられた点である。
【００５３】
第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２が設けられることにより、保持部が全体として大型化すると共に、その制御により、確実に保持した電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。また、オーバーフロー排出部ＯＦＢは、所定のポテンシャルのゲートとして機能し、フォトダイオードＰＤにおいて蓄積可能な電荷量を超過した分の余分な電荷を隣接する画素におけるリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出する。
【００５４】
尚、図２の左部においては、転送ゲートＴＧ、フローティングゲートＦＧ、およびリセットゲートＲＳＴが、それぞれオフにされ、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２がオンにされた状態が示されている。すなわち、例えば、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が、転送ゲートＴＧを介して転送された後、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２において、電荷が保持された状態が示されている。
【００５５】
［図２の固体撮像素子の回路構成］
次に、図３を参照して、図２の固体撮像素子の回路構成例について説明する。
【００５６】
図３の固体撮像素子の回路構成例においては、転送ゲートＴＧ、第１保持部ＭＥＭ１、第２保持部ＭＥＭ２、フローティングゲートＦＧ、およびリセットゲートＲＳＴが、画素Ｐのフォトダイオードのカソードに対して直列にソース−ドレイン間が接続されている。また、フローティングゲートＦＧおよびリセットゲートＲＳＴ間には、増幅部ＡＭＰのゲートが接続されている。選択部ＳＥＬは、オンまたはオフが制御されることにより、電源ＶＤＤより供給される電力の増幅部ＡＭＰへの供給を制御する。
【００５７】
このような構成により、転送ゲートＴＧは、図示せぬシャッタを制御する操作がなされたタイミングから所定の期間だけ、画素ＰのフォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷を第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に転送する。
【００５８】
さらに、選択部ＳＥＬがオンにされた状態で、リセットゲートＲＳＴがオフにされ、フローティングゲートＦＧがオンにされると、増幅部ＡＭＰは、電源ＶＤＤから供給される電圧を、保持部ＭＥＭ２より転送される電荷量に応じて増幅し、画素信号として出力する。
【００５９】
このような構成により、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２のオンまたはオフが順次切り替えられて制御されることで、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２を全体として電極面積を大きくすることで保持可能な電荷量を増大させることが可能となる。また、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２を構成する電極をそれぞれに制御することで、それぞれの電界強度を高めて保持された電荷を転送する。これにより、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷を、一時的に保持すると共に、保持した電荷の全量をフローティングディフュージョンＦＤに確実に転送することが可能となる。
【００６０】
［図２の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理］
次に、図４のフローチャート、および図５のタイミングチャートを参照して、図２の固体撮像素子の電荷蓄積転送処理について説明する。尚、図５においては、上から、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第２保持部ＭＥＭ２、第１保持部ＭＥＭ１、転送ゲートＴＧ、および選択部ＳＥＬのオン（Ｈｉ）、またはオフ（Ｌｏｗ）の各タイミングにおける制御状態を示している。
【００６１】
ステップＳ１１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第２保持部ＭＥＭ２、第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧが、この順序で順次オンに制御されて、電荷の蓄積が解放される。
【００６２】
すなわち、図５の時刻ｔ１１，ｔ２１，ｔ３１，ｔ４１，ｔ５１で示されるように、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第２保持部ＭＥＭ２、第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧがそれぞれオンに制御されて、蓄積された電荷が解放されて、リセット動作が実行される。
【００６３】
ステップＳ１２において、図５の時刻ｔ５２で示されるように、転送ゲートＴＧがオフにされて、閉じられる。
【００６４】
ステップＳ１３において、転送ゲートＴＧがオフにされて閉じられることにより、フォトダイオードＰＤにより生成される電荷が蓄積される蓄積動作が開始される。
【００６５】
ステップＳ１４において、図５の時刻ｔ２２で示されるように、フローティングゲートＦＧがオフにされて、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２に電荷が保持できる状態となる。
【００６６】
ステップＳ１５において、図５の時刻ｔ１２において、リセットゲートＲＳＴがオフにされて、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積できる状態となる。
【００６７】
以上のように、ステップＳ１１乃至Ｓ１５の一連の処理により、図６の状態Ｓｔ２１で示されるように、フォトダイオードＰＤにより電荷が蓄積される状態となる。尚、図６における状態Ｓｔ２１乃至Ｓｔ２５は、いずれも図２における左部で示されるようなポテンシャル分布を示している。
【００６８】
ステップＳ１６において、図５の時刻ｔ５３で示されるように、転送ゲートＴＧがオンに制御され、転送ゲートＴＧが解放される。この結果、図６の状態Ｓｔ２２で示されるように、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に転送される。
【００６９】
ステップＳ１７において、図５の時刻ｔ５４で示されるように、転送ゲートＴＧがオフに制御され、転送ゲートＴＧが閉じられる。この結果、図６の状態Ｓｔ２３で示されるように、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に読み出され、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２により、電荷が保持される。尚、状態Ｓｔ２３で示される状態は、図２の左部で示される状態と同様である。
【００７０】
ステップＳ１８において、図５の時刻ｔ６１で示されるように、選択部ＳＥＬがオンにされて、増幅部ＡＭＰよりフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷に応じた電圧が画素信号として出力される状態となる。ただし、この段階においては、フローティングディフュージョンＦＤに電荷は蓄積されていない状態であるので、増幅部ＡＭＰより出力される画素信号はない状態である。
【００７１】
ステップＳ１９において、図５の時刻ｔ２３で示されるように、フローティングゲートＦＧがオンとされて、解放されることにより、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
【００７２】
ステップＳ２０において、図５の時刻ｔ４２において、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされ、第１保持部ＭＥＭ１が閉じられる。すなわち、図６における状態Ｓｔ２４で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされて、閉じられることにより、第２保持部ＭＥＭ２の電極における電界が強化されて、ポテンシャルの傾斜が急激なものとなり、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されやすい状態となる。
【００７３】
ステップＳ２１において、図５の時刻ｔ３２において、第２保持部ＭＥＭ２がオンにされ、第２保持部ＭＥＭ２が閉じられる。すなわち、図６における状態Ｓｔ２５で示されるように、第２保持部ＭＥＭ２がオンにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２のいずれにも電荷が保持できない状態となり、保持されていた電荷の全量がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
【００７４】
ステップＳ２２において、図５の時刻ｔ２４において、フローティングゲートＦＧがオフにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２からフローティングディフュージョンＦＤへの電荷の転送が終了する。このとき、ステップＳ１８の処理により選択部ＳＥＬがオンの状態とされているので、増幅部ＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきている電荷量に応じて、電源ＶＤＤより供給される電圧を増幅して画素信号を出力する。
【００７５】
ステップＳ２３において、図５の時刻ｔ６２で示されるように、選択部ＳＥＬがオフにされることにより、増幅部ＡＭＰからの出力が停止される。
【００７６】
以上のように、フォトダイオードＰＤより転送されてくる電荷が、２の第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２により保持され、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされた後、第２保持部ＭＥＭ２がオンにされるように電荷が読み出されるようにした。この結果、電荷を保持する空間のうち、その半分の大きさの第２保持部ＭＥＭ２の電極により、電荷を転送する距離を短縮させることで、より強い電界を生じさせることが可能となり、より確実に保持された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出されるようになる。
【００７７】
［第２の実施の形態］
［固体撮像素子の第２の実施の形態の構成例と回路構成例］
以上においては、保持部を全体として２に分割する例について説明してきたが、さらに多くの数に分割するようにしてもよい。
【００７８】
図７の左部は、保持部を４分割した固体撮像素子の構成例を示しており、図７の右部は、そのときの回路構成例を示している。尚、図７の左部に示される固体撮像素子の構成例、および図７の右部に示される固体撮像素子の回路構成例において、図２の固体撮像素子の構成例、および図３の回路構成例と同一の機能を備えた構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
【００７９】
すなわち、図７に固体撮像素子の構成例、および回路構成例において、図２の固体撮像素子の構成例、および図３の回路構成例と異なるのは、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に代えて、保持部が全体として４分割された第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４が設けられている点である。
【００８０】
このような構成とすることにより、図８で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のそれぞれが、保持された電荷の転送距離の１／４ずつを担うこととなるので、各電極において、より強い電界を発生させることが可能となり、保持された電荷をより確実にフローティングディフュージョンＦＤに読み出させることが可能となる。尚、図８は、図７の固体撮像素子におけるＡ−Ｂ断面におけるポテンシャル分布の一例を示したものである。
【００８１】
［図７の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理］
次に、図９のフローチャート、および図１０のタイミングチャートを参照して、図７の固体撮像素子の電荷蓄積転送処理について説明する。尚、図１０においては、上から、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、転送ゲートＴＧ、および選択部ＳＥＬのオン（Ｈｉ）、またはオフ（Ｌｏｗ）の各タイミングにおける制御状態を示している。
【００８２】
ステップＳ５１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧが、この順序で順次オンに制御されて、電荷の蓄積が解放される。
【００８３】
すなわち、図１０で示されるように、時刻ｔ１０１，ｔ１１１，ｔ１２１，ｔ１３１，ｔ１４１，ｔ１５１，ｔ１６１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧがそれぞれオンに制御されて、蓄積された電荷が解放されて、リセット動作が実行される。
【００８４】
ステップＳ５２において、図１０の時刻ｔ１６２で示されるように、転送ゲートＴＧがオフにされて、閉じられる。
【００８５】
ステップＳ５３において、転送ゲートＴＧが閉じられることにより、フォトダイオードＰＤにより生成される電荷が蓄積される蓄積動作が開始される。
【００８６】
ステップＳ５４において、図１０の時刻ｔ１１２で示されるように、フローティングゲートＦＧがオフにされて、第１保持部ＭＥＭ１乃至第２保持部ＭＥＭ４に電荷が保持できる状態となる。
【００８７】
ステップＳ５５において、図１０の時刻ｔ１０２において、リセットゲートＲＳＴがオフにされて、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積できる状態となる。
【００８８】
ステップＳ５６において、図１０の時刻ｔ１６３で示されるように、転送ゲートＴＧがオンに制御され、転送ゲートＴＧが解放される。この結果、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４に転送される。
【００８９】
ステップＳ５７において、図１０の時刻ｔ１６４で示されるように、転送ゲートＴＧがオフに制御され、転送ゲートＴＧが閉じられる。この結果、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４に読み出され、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４により、電荷が保持される。尚、このときの状態が、図８で示される状態である。
【００９０】
ステップＳ５８において、図１０の時刻ｔ１７１で示されるように、選択部ＳＥＬがオンにされて、増幅部ＡＭＰよりフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷に応じた電圧が画素信号として出力される状態となる。ただし、この段階においては、フローティングディフュージョンＦＤに電荷は蓄積されていない状態であるので、増幅部ＡＭＰより出力される画素信号はない状態である。
【００９１】
ステップＳ５９において、図１０の時刻ｔ１１３で示されるように、フローティングゲートＦＧがオンとされて、解放されることにより、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４に保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
【００９２】
ステップＳ６０において、図１０の時刻ｔ１５２において、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされ、第１保持部ＭＥＭ１が閉じられる。すなわち、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされて、閉じられることにより、第２保持部ＭＥＭ２乃至第４保持部ＭＥＭ４の電極における電界が強化されて、ポテンシャルの傾斜が急激なものとなり、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されやすい状態となる。
【００９３】
ステップＳ６１，Ｓ６２において、図１０の時刻ｔ１４２，ｔ１３２で示されるように、段階的に、第２保持部ＭＥＭ２、および第３保持部ＭＥＭ３がオンにされ、第２保持部ＭＥＭ２が閉じられ、次いで第３保持部ＭＥＭ３が閉じられる。すなわち、第２保持部ＭＥＭ２、および第３保持部ＭＥＭ３が順次オンにされて、閉じられることにより、第３保持部ＭＥＭ３、および第４保持部ＭＥＭ４の電極における電界が段階的に強化されて、ポテンシャルの傾斜が急激なものとなり、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送され易い状態となる。
【００９４】
ステップＳ６３において、図１０の時刻ｔ１２２において、第４保持部ＭＥＭ４がオンにされ、第４保持部ＭＥＭ４が閉じられる。すなわち、第４保持部ＭＥＭ４がオンにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のいずれにも電荷が保持できない状態となり、保持されていた電荷の全量がフローティングディフュージョンＦＤに転送に転送される。
【００９５】
ステップＳ６４において、図１０の時刻ｔ１１４において、フローティングゲートＦＧがオフにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４からフローティングディフュージョンＦＤへの電荷の転送が終了する。このとき、ステップＳ５８の処理により選択部ＳＥＬがオンの状態とされているので、増幅部ＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきている電荷量に応じて、電源ＶＤＤより供給される電圧を増幅して画素信号として出力する。
【００９６】
ステップＳ６５において、図１０の時刻ｔ１７２で示されるように、選択部ＳＥＬがオフにされることにより、増幅部ＡＭＰからの出力が停止される。
【００９７】
以上のように、フォトダイオードＰＤより転送されてくる電荷が、４の第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４により保持され、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされた後、段階的に第４保持部ＭＥＭ４までが順次オンにされるように電荷が読み出されるようにした。この結果、電荷を保持する空間のうち、その１／４の電極により、電荷を転送する距離を１／４に短縮させることで、より強い電界を生じさせることが可能となり、より確実に保持された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出されるようになる。
【００９８】
尚、以上においては、保持部を構成する電極を４分割して構成する例について説明してきたが、それ以外の数に分割するように構成してもよい。
【００９９】
［第３の実施の形態］
［固体撮像素子の第３の実施の形態の構成例と回路構成例］
以上においては、保持部を４分割することで、保持部を構成する電極における電荷の転送距離を１／４にして、段階的に電界を掛けることにより、電荷の転送方向に対してより強い電界を作るようにすることで、保持された電荷をより確実に転送できるようにする例を説明してきた。ところで、以上においては、分割される電極が、分割方向となる直線上に転送ゲートＴＧが存在するように配設される構成例について説明してきたが、分割方向に対して、転送ゲートＴＧが垂直方向となるように配設される構成にしてもよい。
【０１００】
すなわち、図１１の左部は、分割される電極が、分割方向に対して垂直方向に転送ゲートＴＧが配設される固体撮像素子の構成例が示されている。また、図１１の右部は、図１１の左部で示される固体撮像素子の回路構成例が示されている。尚、図１１の固体撮像素子において、図７の固体撮像素子における構成と同一の機能を備える構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
【０１０１】
すなわち、図１１の固体撮像素子において、図７の固体撮像素子と異なる構成は、そのレイアウトにおいて、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４の分割方向に対して垂直方向にフォトダイオードＰＤの転送ゲートＴＧが設けられていることである。このような構成により、図１１の右部で示されるように、回路構成例においては、第１保持部ＭＥＭ１乃至第３保持部ＭＥＭ３のソース−ドレイン間が並列に接続されている。
【０１０２】
このように構成することで、転送路を広く確保することが可能となり、電荷の転送がよりし易いものとなる。
【０１０３】
すなわち、図１２の左上部で示されるように、図７の固体撮像素子の第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４における転送路ｒは、転送方向に対して垂直方向に対して、距離ｄのマージンが発生した状態で形成される。尚、図１２においては、左上部が図７の固体撮像素子における転送ゲートＴＧ、および第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のレイアウトを示しており、右上部が図１１の固体撮像素子における転送ゲートＴＧ、および第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のレイアウトを示している。また、図１２の左下部は、図１２の左上部のＡ−Ａ’断面の第２保持部ＭＥＭ２と電荷が転送される転送路ｒの断面との関係を示しており、図１２の右下部は、図１２の右上部のＡ−Ａ’断面の第２保持部ＭＥＭ２と電荷が転送される転送路ｒ’の断面との関係を示している。
【０１０４】
すなわち、図１２の左下部で示されるように、転送路ｒには、転送方向に対して左右方向に対して距離ｄのマージンが必要とされる。これに対して、図１２の右上部で示されるように、転送ゲートＴＧが、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４の分割方向に対して垂直方向に配設されると、図１２の右下部で示されるように、第２保持部ＭＥＭ２の一方の端部は、転送ゲートＴＧと接触した状態であるため、一方の距離ｄの端部については、転送路の一部として含めることが可能となるため、転送路ｒ’については、一方の距離ｄの分だけ転送路ｒよりも太い転送路を構成する。
【０１０５】
結果として、転送路ｒ’が、広く太い構成となるため、電荷の転送がより容易なものとなるので、保持した電荷をより確実にフローティングディフュージョンＦＤに転送することが可能となる。
【０１０６】
［第４の実施の形態］
［固体撮像素子の第４の実施の形態の回路構成例］
以上においては、固体撮像素子のそれぞれが１画素分の画素信号を出力する例について説明してきたが、例えば、各画素のフォトダイオードより出力される電荷量を、分割される一部の保持部で保持可能な電荷量とし、複数のフォトダイオードからの電荷を加算（合算）して出力するようにしてもよい。
【０１０７】
図１３は、４画素のフォトダイオードより供給されてくる電荷を加算して出力するようにした固体撮像素子の回路構成例を示している。尚、図１３の回路構成例において、図７の回路構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
【０１０８】
すなわち、図１３の回路構成例において、図７の回路構成例と異なるのは、４画素分の固体撮像素子におけるフォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷を加算して、増幅部ＡＭＰが出力する点である。尚、図１３においては、４画素分の固体撮像素子の構成が組み合わされている構成となっているため、同一の機能を備えた構成については、末尾に１乃至４の符号を付して区別するものとする。ただし、特に区別する必要が無い場合、末尾の番号は付さないものとする。
【０１０９】
より詳細には、４画素のフォトダイオードＰＤ１乃至ＰＤ４のそれぞれに対応する、転送ゲートＴＧ１乃至ＴＧ４、第１保持部ＭＥＭ１−１乃至ＭＥＭ１−４、第２保持部ＭＥＭ２−１乃至ＭＥＭ２−４、第３保持部ＭＥＭ３−１乃至ＭＥＭ３−４、第４保持部ＭＥＭ４−１乃至ＭＥＭ４−４、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４が設けられている。さらに、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４の出力側には、加算部ＳＵＭにより、全ての出力が加算された状態で、リセットゲートＲＳＴ、および増幅部ＡＭＰに接続されている。ここで言う、加算部ＳＵＭとは、実質的には、４画素で共用利用されるフローティングディフュージョンＦＤであり、共用利用されるフローティングディフュージョンＦＤにフローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４より電荷が読み出されることにより電荷が加算される。
【０１１０】
尚、固体撮像素子の構成については、図示しないが、図７におけるリセットゲートＲＳＴ、増幅部ＡＭＰ、選択部ＳＥＬ、および加算部ＳＵＭ（フローティングディフュージョンＦＤ）が、４画素分の転送ゲートＴＧ１乃至ＴＧ４、第１保持部ＭＥＭ１−１乃至ＭＥＭ１−４、第２保持部ＭＥＭ２−１乃至ＭＥＭ２−４、第３保持部ＭＥＭ３−１乃至ＭＥＭ３−４、第４保持部ＭＥＭ４−１乃至ＭＥＭ４−４、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４により共用された構成となる。
【０１１１】
このような構成により、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４のオンまたはオフのタイミングを制御することで、加算部ＳＵＭにおいて、４画素分の電荷を加算して増幅部ＡＭＰに出力することも、また、個別に出力することも可能となる。尚、この例においては、４画素を加算する例が示されているが、加算する画素数については、この他の数であってもよい。
【０１１２】
［間引き読み出し］
以上のように複数の画素の電荷を加算して出力できる構成を利用することで、画素信号の劣化を低減しつつ、高速で間引き読み出しを実現することができる。
【０１１３】
間引き読み出しは、例えば、単純に全画素の１／４の画素のみより画素信号を読み出す、いわゆる間引き処理と、全画素の１／４の画素を読み出して単純加算する単純加算処理と、全画素の１／４の画素の各電荷を１／４だけ読み出して（１／４のすり切り読み出しして）加算する画素出力１／４加算などが考えられる。図１４は、各画素について個別に読み出す全画素読出し、間引き処理、単純加算処理、および画素出力１／４加算を比較したものである。
【０１１４】
尚、図１４においては、電荷が加算される４画素は、例えば、上段のそれぞれで示されるように、４画素×４画素の１６画素からなるベイヤ配列であるものとする。また、図１４において、「Ｒ」、「Ｂ」、「Ｇｒ」、および「Ｇｂ」で示されるマスは、それぞれ、赤色画素、青色画素、赤色画素が配設されるライン上の緑色画素、および青色画素が配設されるライン上の緑色画素を示している。さらに、図１４においては、左から、全画素読出し、間引き処理、単純加算処理、および画素出力１／４加算である場合が示されており、それぞれ上から読み出される画素のパターン、単位面積あたりの光量と出力電子数との関係、および１画素あたりの光量と出力電子数との関係が示されている。
【０１１５】
例えば、図１４の左から２番目で示されるように、１６画素のうちの４画素のみを間引き処理により読出す場合、図１４の左から２番目の下段に示されるように、全画素読出しに対して１画素あたりの光量に対する出力電子数については、同一である。しかしながら、図１４の左から２番目の中段で示されるように、単位面積あたりの光量に対する出力電子数が低減する。これは、間引きにより受光面積が小さくなるためであり、このような場合低照度ノイズによる影響を受け易くなる。
【０１１６】
また、例えば、図１４の右から２番目の最上段で示されるように、太線で囲まれた緑色画素Ｇｒのように、各色の画素について電荷を単純加算して読み出す単純加算処理の場合、図１４の右から２番目の下段で示されるように、１画素あたりの出力は、個別に読み出される場合と同様となる。しかしながら、図１４の右から２段目の中段で示されるように、単位面積あたりの光量に対する出力電子数が個別に読み出す場合と比べると、１画素分の電荷が単純に４倍されて出力される場合があるので、増幅部ＡＭＰの飽和量に達してしまう、または、フローティングディフュージョンＦＤで電荷を蓄積しきれない状態となるため、結果として、適切な信号を出力することができない恐れがあった。
【０１１７】
そこで、図１３の固体撮像素子においては、図１４の最右部の最上段で示されるように、例えば、緑色画素Ｇｒの第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のいずれか１に保持されている電荷のみを抽出することで、１画素あたりの電荷を１／４にすり切って、１／４にすり切った電荷を４画素分加算する。このような処理により、１画素あたりの光量に対する出力電子数は、個別に読み出す場合に比べて１／４となるが、単位面積あたりの光量に対する出力電子数は、各画素が最大値でも１／４の状態で加算されるため、加算された電荷は、最大でも１画素分の最大値にしかならない。このため、４画素分の電荷が同時に読み出されるので、読み出し速度を高速化することが可能になると共に、受光面積そのものは小さくしていないので、低照度ノイズの影響を低減することが可能となる。
【０１１８】
［図１３の固体撮像素子による画素毎の個別の電荷蓄積転送処理］
次に、図１３の固体撮像素子による画素毎の個別の電荷蓄積転送処理について説明する。尚、全画素読出しの電荷蓄積転送処理については、原則的に、図９のフローチャートを参照して説明した処理を画素単位で繰り返すものとなる。ただし、図１３の固体撮像素子の場合、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４のそれぞれが個別に異なるタイミングでオンとされて、１画素ずつ個別に電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されて、増幅部ＡＭＰより画素信号が出力される。
【０１１９】
すなわち、図１５の時刻ｔ１１３乃至ｔ１１３’の処理が、４画素について、それぞれ個別に異なるタイミングで繰り返される。すなわち、図１５のタイミングチャートにおいては、図１０のタイミングチャートにおけるフローティングゲートＦＧの波形がフローティングゲートＦＧ１の波形として示され、その下に、フローティングゲートＦＧ２の波形が示されている。さらに、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧの波形が、それぞれ第４保持部ＭＥＭ４−１乃至第１保持部ＭＥＭ１−１、および転送ゲートＴＧ１の波形として表示されている。
【０１２０】
すなわち、フォトダイオードＰＤ１に対応する第４保持部ＭＥＭ４−１乃至第１保持部ＭＥＭ１−１が、時刻ｔ１１３において、フローティングゲートＦＧ１がオンとされた後、順次時刻ｔ１５２，ｔ１４２，ｔ１３２，ｔ１２２の順序でオフにされることにより、保持された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送され、時刻ｔ１１４において、フローティングゲートＦＧ１がオフとされることにより、フォトダイオードＰＤ１の電荷の転送が完了し、画素信号として出力される。
【０１２１】
この後、時刻ｔ１１３’において、フォトダイオードＰＤ２に対応するフローティングゲートＦＧ２がオンとされることにより、フォトダイオードＰＤ１に対応する第４保持部ＭＥＭ４−２乃至第１保持部ＭＥＭ１−２が、画素Ｐ１に対応する第４保持部ＭＥＭ４−１乃至第１保持部ＭＥＭ１−１と同様の間隔でオフにされ、時刻ｔ１１４’において、フローティングゲートＦＧ２がオフにされることによりフォトダイオードＰＤ２の電荷の転送が完了し、画素信号として出力される。
【０１２２】
図示しないが、フローティングゲートＦＧ３，ＦＧ４についても、同様の処理が繰り返されることにより、画素Ｐ３，Ｐ４の画素信号が順次出力される。
【０１２３】
この処理により、例えば、上述した図１４の最左部で示されるような、全画素読出し処理による画素信号の読み出しが可能となる。
【０１２４】
［図１３の固体撮像素子による４画素毎の加算による電荷蓄積転送処理］
次に、図１６のフローチャート、および図１７のタイミングチャートを参照して、図１３の固体撮像素子による４画素毎の加算による電荷蓄積転送処理について説明する。尚、この例においては、４画素のぞれぞれが、フォトダイオードＰＤ１乃至ＰＤ４のそれぞれにおいて転送ゲートＴＧを介して供給される電荷を、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のうち、第１保持部ＭＥＭ１のみで保持し、フローティングゲートＦＧのオンまたはオフにより保持した電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する例について説明する。また、図１７においては、上から、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１（いずれも４画素分）、転送ゲートＴＧ１乃至ＴＧ４、および選択部ＳＥＬのオン（Ｈｉ）、またはオフ（Ｌｏｗ）の各タイミングにおける制御状態を示している。従って、リセットゲートＲＳＴ、および選択部ＳＥＬの制御状態を除き、いずれも４画素同時になされる処理である。
【０１２５】
すなわち、ステップＳ５１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧが、この順序で順次オンに制御されて、電荷の蓄積が解放された後、逆の順序でオフとされることにより、リセット動作が実行される。
【０１２６】
すなわち、図１７で示されるように、時刻ｔ２０１，ｔ２１１，ｔ２２１，ｔ２３１，ｔ２４１，ｔ２５１，ｔ２６１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、および転送ゲートＴＧ１乃至ＴＧ４がそれぞれオンに制御されて、蓄積された電荷が解放される。さらに、その後、時刻ｔ２６２，ｔ２５２，ｔ２４２，ｔ２３２，ｔ２２２，ｔ２１２，ｔ２０２において、上述した順序と逆の順序で転送ゲートＴＧ１乃至ＴＧ４、第４保持部ＭＥＭ４乃至第１保持部ＭＥＭ１、リセットゲートＲＳＴ、およびフローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４のリセット動作が実行される。これにより、リセットゲートＲＳＴがオフにされて、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積できる状態となる。
【０１２７】
ステップＳ１０２において、各画素Ｐ１乃至Ｐ４のフォトダイオードＰＤにより生成される電荷が蓄積される蓄積動作が開始される。
【０１２８】
ステップＳ１０３において、図１７の時刻ｔ２６３で示されるように、転送ゲートＴＧがオンに制御され、転送ゲートＴＧが解放される。この結果、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１に転送可能な状態となる。
【０１２９】
ステップＳ１０４において、図１７の時刻ｔ２５３で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされる。これにより、第１保持部ＭＥＭ１は、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷を保持することが可能とな状態となる。すなわち、この直前の処理により転送ゲートＴＧは解放されているので、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷が転送されて、第１保持部ＭＥＭ１により保持される。
【０１３０】
ステップＳ１０５において、図１７の時刻ｔ２６４で示されるように、転送ゲートＴＧがオンに制御される。この処理により、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷の、第１保持部ＭＥＭ１への転送が終了する。
【０１３１】
ステップＳ１０６において、図１７の時刻ｔ２４３で示されるように、第２保持部ＭＥＭ２がオンに制御されて、この処理により、第１保持部ＭＥＭ１に保持されていた電荷が第２保持部に転送される。
【０１３２】
ステップＳ１０７において、図１７の時刻ｔ２７１で示されるように、選択部ＳＥＬがオンにされて、増幅部ＡＭＰよりフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷に応じた電圧が出力される状態となる。ただし、この段階においては、フローティングディフュージョンＦＤに電荷は蓄積されていない状態であるので、増幅部ＡＭＰより出力される画素信号はない状態である。
【０１３３】
ステップＳ１０８において、図１７の時刻ｔ２１３で示されるように、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４がオンとされて、解放されることにより、第４保持部ＭＥＭ４に保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出せる状態となる。
【０１３４】
ステップＳ１０９において、図１７の時刻ｔ２５４で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされ、第１保持部ＭＥＭ１が閉じられる。すなわち、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１で保持されていた電荷は、第２保持部ＭＥＭ２に転送された状態となる。
【０１３５】
ステップＳ１１０において、図１７の時刻ｔ２２３で示されるように、第４保持部ＭＥＭ４がオンにされ、解放されることにより、第３保持部ＭＥＭ３に蓄積された電荷を受け入れて保持することが可能な状態となる。
【０１３６】
ステップＳ１１１において、図１７の時刻ｔ２３３で示されるように、第３保持部ＭＥＭ３がオンにされることにより、第２保持部ＭＥＭ２に保持されていた電荷が、第３保持部ＭＥＭ３、および第４保持部ＭＥＭ４を介して、フローティングディフュージョンＦＤに転送に転送される。このとき、ステップＳ１０７の処理により選択部ＳＥＬがオンの状態とされているので、増幅部ＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきている電荷量に応じて、電源ＶＤＤより供給される電圧を増幅して画素信号を出力する。このとき、実質的にフローティングディフュージョンＦＤからなる加算部ＳＵＭは、画素Ｐ１乃至Ｐ４の全ての固体撮像素子より供給されてくる電荷を加算して、増幅部ＡＭＰに供給する。
【０１３７】
ステップＳ１１２において、図１７の時刻ｔ２４４で示されるように、第２保持部ＭＥＭ２がオフにされて、閉じられることにより、第３保持部ＭＥＭ３，第４保持部ＭＥＭ４による電界が強化されることにより、保持されている電荷が、よりフローティングディフュージョンＦＤに転送され易くなる。
【０１３８】
ステップＳ１１３において、図１７の時刻ｔ２３４で示されるように、第３保持部ＭＥＭ３がオフとされて、閉じられることにより、第４保持部ＭＥＭ４における電界強度がさらに強化されることにより、保持されている電荷が、さらにフローティングディフュージョンＦＤに転送され易くなる。
【０１３９】
ステップＳ１１４において、図１７の時刻ｔ２２４で示されるように、第４保持部ＭＥＭ４がオフとされて、閉じられる。
【０１４０】
ステップＳ１１５において、図１７の時刻ｔ２１４で示されるように、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４がオフに制御されることにより、閉じられる。結果として、第４保持部ＭＥＭ４からのフローティングディシュージョンＦＤへの電荷転送が終了する。
【０１４１】
ステップＳ１１６において、図１７の時刻ｔ２７２で示されるように、選択部ＳＥＬがオフにされることにより、増幅部ＡＭＰからの出力が停止される。
【０１４２】
以上のように、フォトダイオードＰＤより転送されてくる電荷が、第１保持部ＭＥＭ１で保持可能な電荷量だけ保持されて、順次、第２保持部ＭＥＭ２乃至第４保持部ＭＥＭ４に転送され、フローティングディフュージョンＦＤに読み出されるようにした。この結果、各画素単位で、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４で保持可能な電荷量の１／４にすり切った電荷量をフローティングディフュージョンＦＤに転送することが可能となった。
【０１４３】
また、フローティングディフュージョンＦＤからなる加算部ＳＵＭは、４画素に相当する固体撮像素子の電荷を加算して、増幅部ＡＭＰに供給するようにした。この結果、図１４を参照して説明したように、受光面積を小さくすることなく、４画素分の画素信号を同時に高速で読み出すことが可能となる。
【０１４４】
尚、以上においては、保持部を構成する電極を４分割して構成する例について説明してきたが、それ以外の数に分割するように構成してもよい。
【０１４５】
さらに、以上においては、第１保持部ＭＥＭ１により蓄積された画素を順次第２保持部ＭＥＭ２乃至第４保持部ＭＥＭ４に転送することで、全体として保持可能な電荷の１／４にすり切った電荷を転送する例について説明してきたが、第２保持部ＭＥＭ２に保持された電荷のみを転送するようにしてもよい。この場合、ステップＳ１０４，Ｓ１０９の処理がスキップされるので、図１８で示されるように、図１７における時刻ｔ２５３乃至ｔ２５４で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１が解放されない状態となる。また、図１８で示されるように、ステップＳ１０６の処理である、第２保持部ＭＥＭ２をオンにして解放するタイミングを、転送ゲートＴＧがオンにされて、フォトダイオードＰＤより蓄積された電荷が転送されてくる時刻ｔ２６３乃至ｔ２６４の間となる、時刻ｔ２４３’とする。これにより、第２保持部ＭＥＭ２で保持された電荷が、順次第３保持部ＭＥＭ３、第４保持部ＭＥＭ４、およびフローティングゲートＦＧを介してフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
【０１４６】
また、第３保持部ＭＥＭ３に保持されている電荷のみを第４保持部ＭＥＭ４およびフローティングディフュージョンＦＤを介して転送させる場合についても同様の要領により実現することが可能となる。
【０１４７】
さらに、第４保持部ＭＥＭ４に保持されている電荷のみをフローティングディフュージョンＦＤに転送させる場合についても同様であり、すなわち、図１９で示されるように、第４保持部ＭＥＭ４をオンにして解放するタイミングを、転送ゲートＴＧが解放されている時刻ｔ２６３乃至ｔ２６４の間における時刻ｔ２２３’とすればよい。尚、当然のことながら、第１保持部ＭＥＭ１乃至第３保持部ＭＥＭ３は、いずれもリセット後オンにされない。
【０１４８】
以上のように、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のいずれかで保持可能な電荷量の１／４にすり切った電荷量をフローティングディフュージョンＦＤに転送すると共に、受光面積を小さくすることなく、４画素分の画素信号を同時に高速で読み出すことが可能となる。
【０１４９】
［第５の実施の形態］
［固体撮像素子の第５の実施の形態の構成例と回路構成例］
以上においては、全てのゲートを開放して、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を、リセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出してから、電荷蓄積を開始して、蓄積された電荷を順次フローティングディフュージョンＦＤまで、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４を介して転送する例について説明してきた。しかしながら、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットさせるために、別途ゲートを設けるようにして、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４において電荷が転送されている間にリセットできるようにしてもよい。
【０１５０】
図２０は、フォトダイオードＰＤに、蓄積された電荷を直接リセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出可能なグローバルリセットゲートＰＧを設けた固体撮像素子の構成例と回路構成例を示している。尚、図２０の固体撮像素子の構成例、および回路構成例において、図２の固体撮像素子の構成例、および図３の回路構成例における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
【０１５１】
すなわち、図２０における固体撮像素子において、図２、および図３の固体撮像素子と異なる点は、新たにフォトダイオードＰＤにグローバルリセットゲートＰＧを設けた点である。
【０１５２】
グローバルリセットゲートＰＧは、例えば、HAD（Hole-Accumulation Diode）であり、図２１で示されるように、オーバーフロー排出部ＯＦＢと同様の機能を備えると共に、隣接するリセットドレインＲＳＴ ＤｒａｉｎにフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を直接排出する。すなわち、グローバルリセットゲートＰＧは、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４において電荷が転送されている間にフォトダイオードＰＤに残留する電荷をリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出してリセット動作を完了させる。尚、図２１は、図２０におけるＢ−Ｂ’断面のポテンシャル分布を示している。
【０１５３】
［図２０の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理］
次に、図２２のフローチャート、および、図２３のタイミングチャートを参照して、図２０の固体撮像素子の電荷蓄積転送処理について説明する。尚、図２３は、図５の波形に加えて、最下段にグローバルリセットゲートＰＧの制御状態を示す波形が加えられている。
【０１５４】
ステップＳ１３１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第２保持部ＭＥＭ２、および第１保持部ＭＥＭ１が、この順序で順次オンに制御されて、電荷の蓄積が解放される。
【０１５５】
すなわち、図２３の時刻ｔ１１，ｔ２１，ｔ３１，ｔ４１で示されるように、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第２保持部ＭＥＭ２、および第１保持部ＭＥＭ１がそれぞれオンに制御されて、蓄積された電荷が解放されて、リセット動作が実行される。
【０１５６】
ステップＳ１３２において、図２３の時刻ｔ２２で示されるように、フローティングゲートＦＧがオフにされて、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２に電荷が保持できる状態となる。
【０１５７】
ステップＳ１３３において、図２３の時刻ｔ１２において、リセットゲートＲＳＴがオフにされて、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積できる状態となる。
【０１５８】
ステップＳ１３４において、図２３の時刻ｔ５３で示されるように、転送ゲートＴＧがオンに制御され、転送ゲートＴＧが解放される。尚、前回の電荷蓄積転送処理において、後述するステップＳ１４２，Ｓ１４３の処理でフォトダイオードＰＤの電荷蓄積は完了しているので、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に転送される。また、ここでは、図５のタイミングチャートにおける時刻ｔ５１乃至ｔ５２の波形は存在しない。すなわち、図２２の固体撮像素子においては、グローバルリセットゲートＰＧが存在するので、転送ゲートＴＧの解放が不要であるためである。
【０１５９】
ステップＳ１３５において、図２３の時刻ｔ５４で示されるように、転送ゲートＴＧがオフに制御され、転送ゲートＴＧが閉じられる。この結果、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に読み出され、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２により、電荷が保持される。
【０１６０】
ステップＳ１３６において、図２３の時刻ｔ３０１で示されるように、グローバルリセットゲートＰＧがオンに制御され、フォトダイオードＰＤに残留する電荷がリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出される。
【０１６１】
ステップＳ１３７において、図２３の時刻ｔ６１で示されるように、選択部ＳＥＬがオンにされて、増幅部ＡＭＰよりフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷に応じた電圧が画素信号として出力される状態となる。ただし、この段階においては、フローティングディフュージョンＦＤに電荷は蓄積されていない状態であるので、増幅部ＡＭＰより出力される画素信号はない状態である。
【０１６２】
ステップＳ１３８において、図２３の時刻ｔ２３で示されるように、フローティングゲートＦＧがオンとされて、解放されることにより、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
【０１６３】
ステップＳ１３９において、図２３の時刻ｔ４２において、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされ、第１保持部ＭＥＭ１が閉じられる。すなわち、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされて、閉じられることにより、第２保持部ＭＥＭ２の電極における電界が強化されて、ポテンシャルの傾斜が急激なものとなり、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されやすい状態となる。
【０１６４】
ステップＳ１４０において、図２３の時刻ｔ３２において、第２保持部ＭＥＭ２がオンにされ、第２保持部ＭＥＭ２が閉じられる。すなわち、第２保持部ＭＥＭ２がオンにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２のいずれにも電荷が保持できない状態となり、保持されていた電荷の全量がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
【０１６５】
ステップＳ１４１において、図２３の時刻ｔ２４において、フローティングゲートＦＧがオフにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２からフローティングディフュージョンＦＤへの電荷の転送が終了する。このとき、ステップＳ１３７の処理により選択部ＳＥＬがオンの状態とされているので、増幅部ＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきている電荷量に応じて、電源ＶＤＤより供給される電圧を増幅して画素信号を出力する。
【０１６６】
ステップＳ１４２において、図２３の時刻ｔ３０２で示されるように、グローバルリセットゲートＰＧがオフにされて閉じられる。
【０１６７】
ステップＳ１４３において、グローバルリセットゲートＰＧ、および転送ゲートＴＧがオフにされて閉じられているので、フォトダイオードＰＤは電荷の蓄積を開始する。
【０１６８】
ステップＳ１４４において、図２３の時刻ｔ６２で示されるように、選択部ＳＥＬがオフにされることにより、増幅部ＡＭＰからの出力が停止される。
【０１６９】
この後、既にフォトダイオードＰＤは、リセット動作が完了しているので、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２がリセット動作を実行中には、受光による光電変換により発生した電荷を蓄積することが可能となる。
【０１７０】
結果として、フォトダイオードＰＤのリセット動作と第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２におけるフローティングディフュージョンＦＤへの電荷転送が並列処理されるので、全体としての動作を高速で実現することが可能となり、フレームレートを向上させることが可能となる。
【０１７１】
［第６の実施の形態］
［固体撮像素子の第６の実施の形態の構成例と回路構成例］
以上においては、フォトダイオードＰＤより転送された電荷を保持する保持部を均等に分割された電極により構成する例について説明してきたが、不均等に分割された電極により構成するようにしてもよい。
【０１７２】
図２４の左部および右部は、それぞれ不均等に分割された電極により構成された第１保持部ＭＥＭ１、第２保持部ＭＥＭ２、および第３保持部ＭＥＭ３を備えた固体撮像素子の構成例、および回路構成例を示している。尚、図２４の固体撮像素子の構成において、図１１の固体撮像素子の構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
【０１７３】
すなわち、図２４の固体撮像素子において、図１１の固体撮像素子と異なるのは、３の保持部に不均等な面積で電極が分割されている点である。すなわち、図２４の左部で示されるように、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２は、相互に略均等の面積に分割されている。しかしながら、第３保持部ＭＥＭ３は、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２のそれぞれの２倍の面積である。
【０１７４】
また、図２４の右部で示されるように、フォトダイオードＰＤ１には、第１保持部ＭＥＭ１−１乃至第３保持部ＭＥＭ３−１、およびフローティングゲートＦＧ１が設けられている。また、フォトダイオードＰＤ２には、第１保持部ＭＥＭ１−２乃至第３保持部ＭＥＭ３−２、およびフローティングゲートＦＧ２が設けられている。さらに、フォトダイオードＰＤ３には、第１保持部ＭＥＭ１−３乃至第３保持部ＭＥＭ３−３、およびフローティングゲートＦＧ３が設けられている。また、フォトダイオードＰＤ４には、第１保持部ＭＥＭ１−４乃至第３保持部ＭＥＭ３−４、およびフローティングゲートＦＧ４が設けられている。
【０１７５】
さらに、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４の出力にフローティングディフュージョンＦＤからなる加算部ＳＵＭに接続されており、加算部ＳＵＭが、フローティングゲートＦＧ１乃至ＦＧ４の出力となる電荷を加算して、リセットゲートＲＳＴ、および増幅部ＡＭＰに出力する。
【０１７６】
例えば、図２４の左部で示されるように、転送先であるフローティングゲートＦＧに近い電荷の移動距離が短く転送され易い範囲においては、比較的広い面積の電極からなる第３保持部ＭＥＭ３’を配設するようにしてもよい。また、逆に、転送先であるフローティングゲートＦＧへの電荷の移動距離が長く転送され難い範囲においては、比較的狭い面積の電極からなる第１保持部ＭＥＭ１、第２保持部ＭＥＭ２が配設されるようにしてもよい。このように配設することにより、電荷が転送されるべき距離が長い範囲においては、狭い電極により局部的に強い電界が掛けられるようにし、転送されるべき距離が短い範囲においては、広い電極により、１回のオンまたはオフの制御により転送できる電荷量が多くなるようにしてもよい。
【０１７７】
尚、図２４の固体撮像素子の電荷蓄積転送処理については、第１保持部ＭＥＭ１乃至第４保持部ＭＥＭ４のうち、第２保持部ＭＥＭ２または第３保持部ＭＥＭ３に関する処理を省略した、図９または図１６のフローチャートを参照して説明した処理と同様であるので、その説明は省略するものとする。
【０１７８】
［第７の実施の形態］
［固体撮像素子の第７の実施の形態の構成例と回路構成例］
以上においては、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷の保持部への転送については、転送ゲートＴＧにより制御される例について説明してきた。しかしながら、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が保持部に転送できればよいので、転送ゲートＴＧを省略して、保持部のオンまたはオフにより直接制御できるようにしてもよい。
【０１７９】
図２５の右部は、それぞれ転送ゲートＴＧを省略して、第１保持部ＭＥＭ１のオンまたはオフによりフォトダイオードＰＤで蓄積された電荷の転送を制御できるようにした固体撮像素子の構成例を示している。また、図２５の左部は、図２５の右部における点線で示されるＡ−Ｂ断面におけるポテンシャル分布を示している。尚、図２５の固体撮像素子の構成において、図２０の固体撮像素子の構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号、および同一の名称を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
【０１８０】
すなわち、図２５の固体撮像素子において、図２０の固体撮像素子と異なるのは、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２の分割方向にフォトダイオードＰＤが設けられているのに対して、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２の分割方向に対して垂直方向にフォトダイオードＰＤが配設されている点である。さらに、転送ゲートＴＧが省略されており、グローバルリセットゲートＰＧが、同一画素におけるリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに接続されている点である。したがって、図２５の左部において左右に存在するリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎは、同一のものである。さらに、図２５の第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２は、転送ゲートＴＧの動作を兼ねた機能を備えている。
【０１８１】
より詳細には、図２５の第１保持部ＭＥＭおよび第２保持部ＭＥＭ２は、３値で制御され、例えば、＋６Ｖ、０Ｖ、および−３Ｖで制御される。このような場合、第１保持部ＭＥＭおよび第２保持部ＭＥＭ２は、電圧が＋６Ｖであるとき、フォトダイオードＰＤとの境界におけるゲートを解放して、蓄積された電荷を自らに転送させる。また、電圧が０Ｖであるとき、第１保持部ＭＥＭおよび第２保持部ＭＥＭ２は、フォトダイオードＰＤとの境界におけるゲートが閉じられた状態であって、かつ、電荷を保持できる状態とする。さらに、電圧が−３Ｖであるとき、第１保持部ＭＥＭおよび第２保持部ＭＥＭ２は、閉じた状態となり、保持した電荷を、フローティングゲートＦＧを介してフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
【０１８２】
［図２５の固体撮像素子による電荷蓄積転送処理］
次に、図２６のフローチャート、および図２７のタイミングチャートを参照して、図２５の固体撮像素子の電荷蓄積転送処理について説明する。尚、図２７においては、上から、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、選択部ＳＥＬ、およびグローバルリセットゲートＰＧのオン（Ｈｉ）、またはオフ（Ｌｏｗ）の各タイミングにおける制御状態を示している。さらに、図２５は、第２保持部ＭＥＭ２、および第１保持部ＭＥＭ１における上述した＋６Ｖに相当するＨ（Ｈｉ）、０Ｖに相当するＭ（Ｍｉｄｄｌｅ）、および−３Ｖに相当するＬ（Ｌｏｗ）の制御状態を示している。
【０１８３】
尚、この処理は、直前の処理により、グローバルリセットゲートＰＧがオンにさせることで解放されて、フォトダイオードＰＤの電荷がリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出され、さらに、オフにされて電荷が蓄積できる状態であることが前提となる。
【０１８４】
ステップＳ１７１において、リセットゲートＲＳＴ、フローティングゲートＦＧ、第２保持部ＭＥＭ２、および第１保持部ＭＥＭ１が、この順序で順次オンに制御されて、保持されていた電荷が解放される。
【０１８５】
すなわち、図２７で示されるように、時刻ｔ１１，ｔ２１において、リセットゲートＲＳＴ、およびフローティングゲートＦＧがオンにされる。さらに、時刻ｔ３１，ｔ４１において、第２保持部ＭＥＭ２、および第１保持部ＭＥＭ１がそれぞれＭｉｄｄｌｅに制御されて、蓄積された電荷が解放されて、リセット動作が実行される。
【０１８６】
ステップＳ１７２において、図２７の時刻ｔ２２で示されるように、フローティングゲートＦＧがオフにされて、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２に電荷が保持できる状態となる。
【０１８７】
ステップＳ１７３において、図２７の時刻ｔ１２において、リセットゲートＲＳＴがオフにされて、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積できる状態となる。
【０１８８】
ステップＳ１７４において、図２７の時刻ｔ３２１で示されるように、第１蓄積部ＭＥＭ１および第２蓄積部ＭＥＭ２がＨｉに制御され、フォトダイオードＰＤとの境界が解放される。この結果、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷が、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に転送される。
【０１８９】
ステップＳ１７５において、図２７の時刻ｔ３２２で示されるように、第１蓄積部ＭＥＭ１および第２蓄積部ＭＥＭ２がＭｉｄｄｌｅに制御され、フォトダイオードＰＤとの境界が閉じられる。この結果、フォトダイオードＰＤからの電荷の転送が停止される。
【０１９０】
ステップＳ１７６において、図２７の時刻ｔ３０１で示されるように、グローバルリセットゲートＰＧがオンにされ解放されることにより、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷がリセットドレインＲＳＴ Ｄｒａｉｎに排出される。
【０１９１】
ステップＳ１７７において、図２７の時刻ｔ６１で示されるように、選択部ＳＥＬがオンにされて、増幅部ＡＭＰよりフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷に応じた電圧が出力される状態となる。ただし、この段階においては、フローティングディフュージョンＦＤに電荷は蓄積されていない状態であるので、増幅部ＡＭＰより出力される画素信号はない状態である。
【０１９２】
ステップＳ１７８において、図２７の時刻ｔ２３で示されるように、フローティングゲートＦＧがオンとされて、解放されることにより、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
【０１９３】
ステップＳ１７９において、図２７の時刻ｔ４２において、第１保持部ＭＥＭ１がＬｏｗにされ、第１保持部ＭＥＭ１が閉じられる。すなわち、第１保持部ＭＥＭ１がＬｏｗにされて、閉じられることにより、第２保持部ＭＥＭ２の電極における電界が強化されて、ポテンシャルの傾斜が急激なものとなり、保持されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送されやすい状態となる。
【０１９４】
ステップＳ１８０において、図２７の時刻ｔ３２において、第２保持部ＭＥＭ２がＬｏｗにされ、第２保持部ＭＥＭ２が閉じられる。すなわち、第２保持部ＭＥＭ２がＬｏｗにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２のいずれにも電荷が保持できない状態となり、保持されていた電荷の全量がフローティングディフュージョンＦＤに転送に転送される。
【０１９５】
ステップＳ１８１において、図２７の時刻ｔ２４において、フローティングゲートＦＧがオフにされて、閉じられることにより、第１保持部ＭＥＭ１、および第２保持部ＭＥＭ２からフローティングディフュージョンＦＤへの電荷の転送が終了する。このとき、ステップＳ１７７の処理により選択部ＳＥＬがオンの状態とされているので、増幅部ＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに転送されてきている電荷量に応じて、電源ＶＤＤより供給される電圧を増幅して画素信号を出力する。
【０１９６】
ステップＳ１８２において、図２７の時刻ｔ３０２で示されるように、グローバルリセットゲートＰＧがオフにされて閉じられる。
【０１９７】
ステップＳ１８３において、ステップＳ１８２の処理により、フォトダイオードＰＤは電荷を蓄積できる状態とされる。
【０１９８】
ステップＳ１８４において、図２７の時刻ｔ６２で示されるように、選択部ＳＥＬがオフにされることにより、増幅部ＡＭＰからの出力が停止される。
【０１９９】
以上のように、第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２に転送ゲートＴＧの機能を持たせるようにすることで、転送ゲートＴＧを省略するようにしても、フォトダイオードＰＤより転送されてくる電荷が、２の第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２により保持され、第１保持部ＭＥＭ１がオンにされた後、第２保持部ＭＥＭ２がオンにされるように電荷が読み出されるようにすることが可能となる。この結果、転送ゲートＴＧを省略した構成においても、より確実に保持された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出されるようになる。
【０２００】
［電極構成］
次に、図２５の固体撮像素子における第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２の電極構成について説明する。
【０２０１】
図２５で示されるような第１保持部ＭＥＭ１および第２保持部ＭＥＭ２を構成する場合、従来においては、配線は図２８で示されるように接続されていた。尚、図２８においては、左部が上面図を示しており、中央部が左部におけるＡ−Ａ’断面を示しており、右部が左部におけるＢ−Ｂ’断面を示している。
【０２０２】
すなわち、第１保持部ＭＥＭ１は、ゲート電極ＧＤ１およびゲート酸化膜ＧＯＸ１より、第２保持部ＭＥＭは、ゲート電極ＧＤ２およびゲート酸化膜ＧＯＸ２よりそれぞれ積層された状態で構成されている。そして、配線Ｌ１が、コンタクトＣＴ１１を介してゲート電極ＧＤ１に接続されており、この配線Ｌ１より供給される電力により第１保持部ＭＥＭ１のオンオフが制御される。また、配線Ｌ２が、コンタクトＣＴ１２を介してゲート電極ＧＤ２に接続されており、この配線Ｌ２により供給される電力により第２保持部ＭＥＭ２のオンオフが制御される。ところで、第１保持部ＭＥＭ１のゲート電極ＧＤ１には、さらに、遮光膜ＦがコンタクトＣＴ１３を介して接続されている。
【０２０３】
すなわち、遮光膜Ｆが金属により構成されることで、この遮光膜Ｆを配線Ｌ１の代わりに使用することで、配線Ｌ１を省略することが可能となる。
【０２０４】
図２９は、この遮光膜Ｆを配線Ｌ１の代わりに使用することで、配線を省略するようにした固体撮像素子の構成が示されている。すなわち、この例においては、第１保持部ＭＥＭ１に対しては、コンタクトＣＴ３１を介して遮光膜Ｆが接続されている。また、第２保持部ＭＥＭ２に対しては、コンタクトＣＴ３２を介して配線Ｌ３１が接続されている。このように遮光膜Ｆを配線の一部として機能させることにより、フォトダイオードＰＤに入射する光量を高めることが可能になると共に、配線を引き回す自由度が向上する。
【０２０５】
また、ゲート酸化膜ＧＯＸを構成するメモリゲート材料は、SiO2のほか、SiN、HfO2、TaO2などの高誘電体材料を積層したものである。
【０２０６】
さらに、ゲート電極ＧＤを構成する電極材料は、Poly Si，PDAS、メタル材料などが挙げられる。尚、電極材料として、メタル材料を採用することにより、遮光膜を薄くすることが可能となる。また、遮光膜の材質としては、W，Mo，Al，Cuなどが、消衰係数が高く好ましい。
【０２０７】
尚、このような配線構成については、上述した第１の実施の形態乃至第６の実施の形態の固体撮像素子においても適用するようにしてもよい。
【０２０８】
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０２０９】
例えば、上述のフローチャートで説明した各ステップは、１つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
【０２１０】
さらに、１つのステップに複数の処理が含まれる場合には、その１つのステップに含まれる複数の処理は、１つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
【０２１１】
尚、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
（１）  固体撮像素子において、
画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、
複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持する保持部を含み、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
固体撮像素子。
（２）  前記固体撮像素子は、グローバルシャッタ型固体撮像素子である
（１）に記載の固体撮像素子。
（３）  複数の画素の前記保持部より転送された電荷を加算する加算部をさらに含み、
複数に分割された電極の一部で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送し、
前記加算部は、複数に分割された電極の一部で蓄積された電荷を、前記複数の画素の分だけ加算して転送する
（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）  前記フォトダイオードで生成された電荷の前記保持部への転送を制御する電極からなる読出電極をさらに含み、
前記読出電極は、前記保持部を構成する、複数に分割された電極の分割方向に対して垂直な方向に構成されている
（１）および（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）  前記保持部を構成する分割された複数の電極は、略等面積に分割されている
（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）  前記保持部を構成する分割された複数の電極は、不等面積に分割されている
（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）  前記保持部は、前記フォトダイオードで生成された電荷を自らに転送する機能を備える
（１）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）  前記フォトダイオードの電荷の直接リセットドレインへの排出のオンまたはオフを制御するグローバルリセットゲートをさらに含む
（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）  前記保持部は、SiO2、SiN、HfO2、またはTaO2を含み、これらを積層して構成される
（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）  前記電極の材質は、Poly Si、PDAS、または、W、Mo、Al、若しくはCuを含むメタル材料である
（１）乃至（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）  前記保持部は、遮光部をさらに含み、
前記複数に分割された電極のいずれかが、前記遮光部に短絡する
（１）乃至（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１２）  固体撮像素子の動作方法において、
フォトダイオードが、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成し、
保持部が、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持し、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
固体撮像素子の動作方法。
（１３）  固体撮像素子を有する電子機器において、
画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、
複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持する保持部を含み、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
電子機器。
（１４）  前記固体撮像素子は、グローバルシャッタ型固体撮像素子である
（１３）に記載の電子機器。
（１５）  複数の画素の前記保持部より転送された電荷を加算する加算部をさらに含み、
複数に分割された電極の一部で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送し、
前記加算部は、複数に分割された電極の一部で蓄積された電荷を、前記複数の画素の分だけ加算して転送する
（１３）または（１４）に記載の電子機器。
（１６）  前記フォトダイオードで生成された電荷の前記保持部への転送を制御する電極からなる読出電極をさらに含み、
前記読出電極は、前記保持部を構成する、複数に分割された電極の分割方向に対して垂直な方向に構成されている
（１３）乃至（１５）のいずれかに記載の電子機器。
（１７）  前記保持部を構成する分割された複数の電極は、略等面積に分割されている
（１３）乃至（１６）のいずれかに記載の電子機器。
（１８）  前記保持部を構成する分割された複数の電極は、不等面積に分割されている
（１３）乃至（１６）のいずれかに記載の電子機器。
（１９）  前記保持部は、前記フォトダイオードで生成された電荷を自らに転送する機能を備える
（１３）乃至（１９）のいずれかに記載の電子機器。
（２０）  固体撮像素子を有する電子機器の動作方法において、
フォトダイオードが、画素単位の光を受光し、光電変換により電荷を生成し、
保持部が、複数に分割された電極を備え、前記フォトダイオードにより生成された電荷を、一時的に保持し、
前記保持部は、前記分割された前記電極のオンまたはオフを順次切り替えることにより、保持した電荷をフローティングディフュージョンに転送する
電子機器の動作方法。
【符号の説明】
【０２１２】
Ｆ  遮光膜，  ＦＤ  フローティングディフュージョン，  ＦＧ  フローティングゲート，  ＭＥＭ  保持部，  ＭＥＭ１乃至ＭＥＭ４  第１保持部乃至第４保持部，ＭＥＭ３’  第３保持部，  ＰＤ  フォトダイオード，  ＰＧ  グローバルリセットゲート，  ＲＳＴ  リセットゲート，  ＲＳＴ Ｄｒａｉｎ  リセットドレイン，  ＴＧ  転送ゲート
【図１】
2015065271.tif 000003
【図２】
2015065271.tif 000004
【図３】
2015065271.tif 000005
【図４】
2015065271.tif 000006
【図５】
2015065271.tif 000007
【図６】
2015065271.tif 000008
【図７】
2015065271.tif 000009
【図８】
2015065271.tif 000010
【図９】
2015065271.tif 000011
【図１０】
2015065271.tif 000012
【図１１】
2015065271.tif 000013
【図１２】
2015065271.tif 000014
【図１３】
2015065271.tif 000015
【図１４】
2015065271.tif 000016
【図１５】
2015065271.tif 000017
【図１６】
2015065271.tif 000018
【図１７】
2015065271.tif 000019
【図１８】
2015065271.tif 000020
【図１９】
2015065271.tif 000021
【図２０】
2015065271.tif 000022
【図２１】
2015065271.tif 000023
【図２２】
2015065271.tif 000024
【図２３】
2015065271.tif 000025
【図２４】
2015065271.tif 000026
【図２５】
2015065271.tif 000027
【図２６】
2015065271.tif 000028
【図２７】
2015065271.tif 000029
【図２８】
2015065271.tif 000030
【図２９】
2015065271.tif 000031