(57)【要約】【課題】フローティングディフュージョンと増幅トランジスタとを接続する配線の容量および増幅トランジスタのゲート電極の容量により、フローティングディフュージョンの変換ゲインが低下するという問題があった。【解決手段】光電変換により発生した第１導電型のキャリアを蓄積する第１導電型の不純物拡散層と、第１導電型のキャリアの蓄積によって変調された第１導電型の不純物拡散層の電位に応じて電位が変調される第２導電型の不純物拡散層と、第２導電型の不純物拡散層の電位変調に相当する信号を読み出す読み出し部とを備える固体撮像素子。【選択図】図１
2015002486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により発生した第１導電型のキャリアを蓄積する第１導電型の不純物拡散層と、
前記第１導電型のキャリアの蓄積によって変調された前記第１導電型の不純物拡散層の電位に応じて電位が変調される第２導電型の不純物拡散層と、
前記第２導電型の不純物拡散層の電位変調に相当する信号を読み出す読み出し部と
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
前記読み出し部は、前記第１導電型のキャリアおよび前記第２導電型のキャリアの両方のキャリアの転送を制御する請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記読み出し部は、前記第１導電型の不純物拡散層に蓄積された前記第１導電型のキャリアを前記第１導電型の不純物拡散層外に転送させるとともに、前記第２導電型のキャリアの転送を停止させることにより前記信号の読み出しを停止する請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１導電型の不純物拡散層に蓄積された前記第１導電型のキャリアを前記第１導電型の不純物拡散層外に転送させる場合に、前記第１導電型のキャリアの一部は、電位勾配が形成された前記第１導電型の不純物拡散層に残留する請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１導電型の不純物拡散層には、前記電位勾配に応じた量の前記第１導電型のキャリアが残留する請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１導電型の不純物拡散層上にはゲート電極が形成されていない請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
光電変換により発生した第１導電型のキャリアを第１導電型の不純物拡散層に蓄積する蓄積ステップと、
前記第１導電型のキャリアの蓄積によって変調された前記第１導電型の不純物拡散層の電位に応じた、第２導電型の不純物拡散層の電位変調に相当する信号を読み出す読み出しステップと
をコンピュータに実行させる固体撮像素子の駆動プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の駆動プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオード、フローティングディフュージョン、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、および選択トランジスタを画素毎に備えた固体撮像素子が知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特開２００５−３１１９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のような固体撮像素子においては、光電変換によりフォトダイオードに発生したエレクトロンは、フローティングディフュージョンに蓄積される。エレクトロンの蓄積によりフローティングディフュージョンの電位が変調されると、増幅トランジスタのゲート電圧が変化する。そして、ゲート電圧の変化に応じて信号出力が変化する。しかしながら、フローティングディフュージョンと増幅トランジスタとを接続する配線の容量および増幅トランジスタのゲート電極の容量により、フローティングディフュージョンの変換ゲインが低下するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様における固体撮像素子は、光電変換により発生した第１導電型のキャリアを蓄積する第１導電型の不純物拡散層と、第１導電型のキャリアの蓄積によって変調された第１導電型の不純物拡散層の電位に応じて電位が変調される第２導電型の不純物拡散層と、第２導電型の不純物拡散層の電位変調に相当する信号を読み出す読み出し部とを備える。
【０００５】
本発明の第２の態様における固体撮像素子の駆動プログラムは、光電変換により発生した第１導電型のキャリアを第１導電型の不純物拡散層に蓄積する蓄積ステップと、第１導電型のキャリアの蓄積によって変調された第１導電型の不純物拡散層の電位に応じた、第２導電型の不純物拡散層の電位変調に相当する信号を読み出す読み出しステップとをコンピュータに実行させる。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態の固体撮像素子の構成を示す図である。
【図２】画素の詳細を説明する図である。
【図３】固体撮像素子の動作を説明する図である。
【図４】固体撮像素子の他の動作を説明する図である。
【図５】入射光量と出力電圧の関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本実施形態のおいては、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型として説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態の固体撮像素子１００の構成を示す図である。具体的には、固体撮像素子１００を模式的に示すとともに、固体撮像素子１００の一画素の回路構成を示す。図示するように、固体撮像素子１００は、二次元的に配列された複数の画素１１０を備える。画素１１０は、受光部１０１と、転送部１０２と、増幅部１０３と、選択部１０４と、電流源１０５とを含んで構成される。
【００１０】
受光部１０１は、具体的にはフォトダイオードであり、外部からの入射光を光電変換し、光量に応じたエレクトロンを発生させて蓄積する。受光部１０１の一端は接地され、他端は転送部１０２に接続される。
【００１１】
転送部１０２は、いわゆる転送トランジスタであり、受光部１０１のエレクトロンの転送を制御する。転送部１０２のゲートは、転送パルスが供給される転送パルス配線に接続される。転送部１０２は、供給される転送パルスに応じてエレクトロンを増幅部１０３へ転送する。転送部１０２のドレインは、増幅部１０３に接続される。転送部１０２のソースは、受光部１０１に接続される。
【００１２】
増幅部１０３は、転送部１０２により転送されたエレクトロンを蓄積する。当該エレクトロンは、受光部１０１により光電変換されて発生したエレクトロンである。また、増幅部１０３は、エレクトロンの蓄積に応じて、電圧に変換した信号を出力する。すなわち、増幅部１０３は、いわゆる４トランジスタ型画素構造におけるフローティングディフュージョンおよび増幅トランジスタを一体にした構成であり、これら両方の機能を兼ねる。
【００１３】
選択部１０４は、いわゆる選択トランジスタであり、増幅部１０３のホールの転送を制御する。選択部１０４のゲートは、選択パルスが供給される行選択配線に接続される。選択部１０４のソースは、電流源１０５を介して、電源電圧が供給されるＶＤＤ配線に接続される。信号出力ＶＯは、選択部１０４のソースから出力される。選択部１０４のドレインは、増幅部１０３に接続される。なお、詳しくは後述するが、選択部１０４は、増幅部１０３のホールの転送を制御するとともに、増幅部１０３のエレクトロンの転送も制御する。したがって、選択部１０４のゲートは、いわゆる４トランジスタ型画素構造における選択トランジスタのゲートおよびリセットトランジスタのゲートを共通化したものということができる。選択部１０４がリセット機能を備えているので、別途リセット部を設けなくてもよい。したがって、画素の微細化に寄与できる。また、リセット部を省略することにより得られる領域を、例えば受光部として割り当てて受光部の面積を大きくしてもよい。
【００１４】
図２は、固体撮像素子１００の一画素の構造を示す図である。図２（ａ）は、画素１１０の上視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＸ１−Ｘ１断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＸ２−Ｘ２断面図である。図２（ｄ）は、図２（ａ）のＹ１−Ｙ１断面図である。図示するように、画素１１０は、低不純物濃度のＮ型の半導体基板２０１と、当該半導体基板２０１上に形成された低不純物濃度のＰ型のウェル領域２０２とを含んで構成される。
【００１５】
図２（ｂ）、（ｄ）に示すように、画素１１０は、ウェル領域２０２に形成された複数の不純物拡散層を含んで構成される。具体的には、画素１１０は、低不純物濃度のＮ型の不純物拡散層２０３と、不純物拡散層２０３上に形成されたＮ型の不純物拡散層２０４と、不純物拡散層２０４上に形成された高不純物濃度のＰ型の不純物拡散層２０５とを含んで構成される。不純物拡散層２０４の不純物濃度は、不純物拡散層２０３の不純物濃度よりも高い。不純物拡散層２０３、不純物拡散層２０４、および不純物拡散層２０５は、受光部１０１を構成する。すなわち、受光部１０１は、いわゆる埋め込み型のフォトダイオードにより構成される。光電変換により発生したエレクトロンは、Ｎ型の不純物拡散層２０４に蓄積される。なお、本実施形態においては、フォトダイオードはｐｎ接合により形成されているが、ｐｎ接合界面に絶縁体が挿入されたｐｉｎ接合により形成されてもよい。
【００１６】
図２（ａ）、（ｄ）に示すように、転送部１０２のゲートＴＧは、フォトダイオードに隣接した領域に形成されている。また、図２（ｃ）に示すように、画素１１０は、半導体基板２０１とウェル領域２０２とに亘って形成されたＰ型の不純物拡散層２０６を含んで構成される。さらに、当該不純物拡散層２０６上の一端に形成された高不純物濃度のＰ型の不純物拡散層２０７と、当該不純物拡散層２０６上の他端に形成された高不純物濃度のＰ型の不純物拡散層２０８と、不純物拡散層２０７と不純物拡散層２０８との間に形成されたＮ型の不純物拡散層２０９とを含んで構成される。不純物拡散層２０７はウェル領域２０２に形成されるのに対し、不純物拡散層２０８は半導体基板２０１に形成される。不純物拡散層２０６は、不純物拡散層２０７と不純物拡散層２０８とを接続する。すなわち、不純物拡散層２０６は、ＰＭＯＳトランジスタにおけるチャネル層として機能する。不純物拡散層２０７はＧＮＤ配線に接続される。不純物拡散層２０８は出力配線に接続される。
【００１７】
Ｐ型の不純物拡散層２０６およびＮ型の不純物拡散層２０９は、増幅部１０３を構成する。Ｎ型の不純物拡散層２０９は、Ｎ型の不純物拡散層２０４から転送されるエレクトロンを蓄積する。詳しくは後述するが、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位がエレクトロンの蓄積により変調されると、Ｐ型の不純物拡散層２０６の電位も変調される。不純物拡散層２０９と不純物拡散層２０８の間の領域には、選択部１０４のゲートＳＥＬＧが形成されている。
【００１８】
半導体基板２０１、ウェル領域２０２、不純物拡散層２０９、および選択部１０４のゲートＳＥＬＧによって、選択部１０４が構成されると捉えることができる。すなわち、選択部１０４は、ＮＭＯＳトランジスタとして機能する。選択部１０４は、Ｎ型の不純物拡散層２０９に蓄積されたエレクトロンの転送、すなわち画素のリセットおよび非リセットを制御する。具体的には、選択パルスをゲートＳＥＬＧに印加することにより、Ｎ型の不純物拡散層２０９に蓄積されたエレクトロンを半導体基板２０１に排出させる。
【００１９】
一方で、半導体基板２０１、Ｐ型の不純物拡散層２０６、不純物拡散層２０７、および不純物拡散層２０８によって、選択部１０４が構成されると捉えることもできる。すなわち、選択部１０４は、ＰＭＯＳトランジスタとしても機能する。選択部１０４は、Ｐ型の不純物拡散層２０６におけるホールの転送、すなわち画素の選択および非選択を制御する。具体的には、選択パルスがゲートＳＥＬＧに印加されると、不純物拡散層２０６の電位の変化に相当するものを信号として読み出す。
【００２０】
以上のように、本実施形態の選択部１０４は、一つのゲートにより、エレクトロンとホールの両方のキャリアの転送を制御する。ＮＭＯＳトランジスタとしてエレクトロンを半導体基板２０１に排出させる状態は、ＰＭＯＳトランジスタとしてホールを転送していない状態である。一方、ＮＭＯＳトランジスタにおいてエレクトロンを蓄積させている状態は、ＰＭＯＳトランジスタにおいてホールを転送している状態である。
【００２１】
本実施形態の固体撮像素子１００をいわゆる４トランジスタ型画素構造の固体撮像素子と比較して説明する。いわゆる４トランジスタ型画素構造においては、フローティングディフュージョンと増幅トランジスタとを接続する配線の容量および増幅トランジスタのゲート電極の容量がフローティングディフュージョンに付加される。このため、フローティングディフュージョンの変換ゲインが低下する。これに対し、本実施形態においては、フローティングディフュージョンと増幅トランジスタとが一体的に形成されている。したがって、フローティングディフュージョンと増幅トランジスタとを接続する配線が形成されていないので、当該配線容量は付加されない。また、図２（ａ）、（ｃ）に示すように、Ｎ型の不純物拡散層２０９上にゲート電極は形成されていないので、当該ゲート電極容量も付加されない。以上のように、本実施形態のフローティングディフュージョンの容量は、いわゆる４トランジスタ型画素構造のフローティングディフュージョンの容量に比べて小さくなる。したがって、容量を小さくできる分、フローティングディフュージョンの変換ゲインを大きくできる。よって、感度を向上させることができる。
【００２２】
図３は、固体撮像素子１００の動作を説明する図である。図３（ａ）は、図２（ｃ）と同一である。図３（ｂ）から図３（ｉ）の各図は、図３（ａ）の断面図に対応している。図３（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）はＮ型の不純物拡散層２０９のポテンシャル図を示し、図３（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｉ）はＰ型の不純物拡散層２０６のポテンシャル図を示す。図３（ｂ）から図３（ｉ）の各図において、紙面縦方向は、ポテンシャルの大きさを示し、紙面横方向は断面における位置を示す。なお、ポテンシャルは、図３（ｂ）に示すように、紙面下方向に向かって大きくなる。図３（ｃ）から（ｉ）についても同様である。
【００２３】
フォトダイオードに蓄積されたエレクトロン２１２がＮ型の不純物拡散層２０９に読み出される前に、行選択配線を通じて選択パルスとしてハイレベルの電圧がゲートＳＥＬＧに印加される。そうすると、図３（ｂ）に示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の電位Ｖ１はＮ型の不純物拡散層２０９の電位Ｖ２よりも高くなる。したがって、当該不純物拡散層２０９に蓄積されたエレクトロン２１２は半導体基板２０１に排出される。すなわち、画素がリセットされた状態になる。一方、図３（ｃ）に示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位Ｖ３は不純物拡散層２０８の電位Ｖ４よりも高くなる。ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位が障壁となり、ホール２１１はＰ型の不純物拡散層２０６に転送されない。すなわち、画素が選択されていない状態（非選択状態）になる。
【００２４】
以上のように、選択パルスとしてハイレベルの電圧をゲートＳＥＬＧに印加することにより、画素リセットと画素非選択を同時に行うことができる。ここで、Ｎ型の不純物拡散層２０９およびＰ型の不純物拡散層２０６には、電位勾配が形成される。具体的には、ＶＯの電位はＧＮＤの電位よりも高いので、ＶＯに向かって電位が高くなるような電位勾配が形成される。
【００２５】
フォトダイオードは、受光する入射光をエレクトロン２１２に変換して蓄積する。行選択配線を通じて選択パルスとしてローレベルの電圧が選択部１０４のゲートＳＥＬＧに印加される。そうすると、図３（ｄ）の矢印が示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の電位は低下する。結果として、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の電位Ｖ５は、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位Ｖ６よりも低くなる。すなわち、画素のリセットが終了した状態になる。当該状態はエレクトロン２１２を蓄積できる状態である。なお、図示するように、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の周辺においても、ショートチャネル効果により電位が低下する。
【００２６】
一方で、図３（ｅ）の矢印が示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位も低下する。結果として、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位Ｖ７は、不純物拡散層２０８の電位Ｖ８よりも低くなる。したがって、ホール２１１はＰ型の不純物拡散層２０６に転送される。すなわち、画素が選択されている状態（選択状態）になる。エレクトロン２１２がリセットされた状態でホール２１１が蓄積されているので、この状態の電位をリセットレベルの電位として後段の回路部で読み出す。
【００２７】
次に、転送パルス配線を通じて転送パルスとしてハイレベルの電圧が転送部１０２のゲートＴＧに一定期間印加される。そうすると、フォトダイオードに蓄積されたエレクトロン２１２は、図３（ｆ）に示すように、Ｎ型の不純物拡散層２０９に転送され蓄積される。これにより、図３（ｆ）の矢印が示すように、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位が全体的に低下する。具体的には、Ｖ６からＶ９に低下する。そうすると、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位の低下に応じて、図３（ｇ）の矢印が示すように、Ｐ型の不純物拡散層２０６の電位もＶ１０からＶ１１に低下する。この状態の電位を信号レベルの電位として後段の回路部で読み出す。すでに読み出してあるリセットレベルの電位との差を取ることで、画素に入射した光信号に対応する画素信号を得る。
【００２８】
次に、行選択配線を通じて選択パルスとしてハイレベルの電圧がゲートＳＥＬＧに印加される。そうすると、図３（ｈ）に示すように、不純物拡散層２０９に蓄積されたエレクトロン２１２が半導体基板２０１に排出され、画素がリセットされた状態になる。すなわち、図３（ｂ）の状態に戻る。一方、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位は、図３（ｉ）の矢印が示すように、上昇する。結果として、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位Ｖ３が障壁となり、ホール２１１はＰ型の不純物拡散層２０６に転送されず、画素が選択されていない状態（非選択状態）になる。すなわち、図３（ｃ）の状態に戻る。
【００２９】
図４は、固体撮像素子１００の他の動作を説明する図である。図４（ａ）は、図２（ｃ）と同一である。図４（ｂ）から図４（ｉ）の各図は、図４（ａ）の断面図に対応している。図４（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）はＮ型の不純物拡散層２０９のポテンシャル図を示し、図４（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｉ）はＰ型の不純物拡散層２０６のポテンシャル図を示す。図４（ｂ）から図４（ｉ）の各図において、紙面縦方向は、ポテンシャルの大きさを示し、紙面横方向は断面における位置を示す。なお、ポテンシャルは、図４（ｂ）に示すように、紙面下方向に向かって大きくなる。図４（ｃ）から（ｉ）についても同様である。
【００３０】
フォトダイオードに蓄積されたエレクトロン２１２がＮ型の不純物拡散層２０９に読み出される前に、行選択配線を通じて選択パルスとしてハイレベルの電圧がゲートＳＥＬＧに印加される。そうすると、図４（ｂ）に示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の電位Ｖ２１は、当該ウェル領域２０２部分の周辺の電位Ｖ２２よりも高くなる。したがって、当該不純物拡散層２０９に蓄積されたエレクトロン２１２は、半導体基板２０１に排出される。
【００３１】
ただし、一部のエレクトロン２１２は、半導体基板２０１に排出されずに不純物拡散層２０９に残留する。すなわち、画素が完全にリセットさせずに不完全にリセットされた状態になる。不純物拡散層２０９の不純物のドーズ量を適宜調整することにより、選択パルスとしてハイレベルの電圧がゲートＳＥＬＧに印加された場合に、一部のエレクトロン２１２が不純物拡散層２０９に残留するように構成できる。例えば、不完全リセットの場合には、完全リセットの場合と比べて、ポテンシャルが高くなるように不純物拡散層２０９を形成する。これにより、エレクトロン２１２は、不純物拡散層２０９に残留し易くなる。この場合には、ゲートＳＥＬＧに印加するハイレベルの電圧を不完全リセットの場合と完全リセットの場合とで変えなくてもよい。残留させるエレクトロン２１２の量は、不純物拡散層２０９の電位勾配に応じて適宜決めるとよい。例えば、図４（ｂ）に示すように、不純物拡散層２０９の電位勾配を平坦にする程度に、すなわち不純物拡散層２０９の電位が一様になるように、エレクトロン２１２を残留させる。なお、残留するエレクトロンの量が増えるほど、ダイナミックレンジは狭くなる。したがって、不純物拡散層２０９の電位勾配を平坦にしつつ、必要以上にエレクトロンが残留しないように不純物拡散層２０９のポテンシャルを調整するとよい。また、エレクトロンを残留させ易くする観点から、ポテンシャルがより高くなるように不純物拡散層２０９を形成してもよい。
【００３２】
一方、図４（ｃ）に示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位Ｖ２３は、不純物拡散層２０８の電位Ｖ２４よりも高くなる。ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位が障壁となり、ホール２１１はＰ型の不純物拡散層２０６に転送されない。すなわち、画素が選択されていない状態になる。ここで、一部のエレクトロン２１２が不純物拡散層２０９に残留し当該不純物拡散層２０９の電位Ｖ２２が一様になることにより、不純物拡散層２０６の電位Ｖ２５も一様になる。
【００３３】
フォトダイオードは、受光する入射光をエレクトロンに変換して蓄積する。行選択配線を通じて選択パルスとしてローレベルの電圧が選択部１０４のゲートＳＥＬＧに印加される。そうすると、図４（ｄ）の矢印が示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の電位は低下する。結果として、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の電位Ｖ２６は、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位Ｖ２７よりも低くなる。すなわち、画素のリセットが終了した状態になる。なお、図示するように、ゲートＳＥＬＧ直下のウェル領域２０２部分の周辺においても、ショートチャネル効果により電位が低下する。
【００３４】
一方で、図４（ｅ）の矢印が示すように、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位も低下する。結果として、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位Ｖ２８は、不純物拡散層２０８の電位Ｖ２９よりも低くなる。したがって、ホール２１１はＰ型の不純物拡散層２０６に転送される。すなわち、画素が選択されている状態（選択状態）になる。エレクトロン２１２がリセットされた状態でホール２１１が転送されているので、この状態の電位をリセットレベルの電位として後段の回路部で読み出す。なお、不完全リセットの場合には、リセットノイズが発生するが、後述する信号レベルの電位との差を取ることにより、リセットノイズを除去できる。
【００３５】
次に、転送パルス配線を通じて転送パルスとしてハイレベルの電圧が転送部１０２のゲートＴＧに一定時間印加される。そうすると、フォトダイオードに蓄積されたエレクトロン２１２は、図４（ｆ）に示すように、Ｎ型の不純物拡散層２０９に転送され蓄積される。これにより、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位が全体的に低下する。そうすると、Ｎ型の不純物拡散層２０９の電位の低下に応じて、図４（ｇ）の矢印が示すように、Ｐ型の不純物拡散層２０６の電位もＶ３０からＶ３１に低下する。この状態の電位を信号レベルの電位として後段の回路部で読み出す。すでに読み出してあるリセットレベルの電位との差を取ることで、画素に入射した光信号に対応する画素信号を得る。
【００３６】
次に、行選択配線を通じて選択パルスとしてハイレベルの電圧がゲートＳＥＬＧに印加される。そうすると、図４（ｈ）に示すように、不純物拡散層２０９に蓄積されたエレクトロン２１２が半導体基板２０１に排出される。ただし、図４（ｂ）で説明したように、一部のエレクトロン２１２は、半導体基板２０１に排出されずに不純物拡散層２０９に残留し、画素が不完全にリセットされた状態になる。すなわち、図４（ｂ）の状態に戻る。一方、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位は、図４（ｉ）の下側の図の矢印が示すように、上昇する。結果として、ゲートＳＥＬＧ直下のＰ型の不純物拡散層２０６部分の電位Ｖ２３が障壁となり、ホール２１１はＰ型の不純物拡散層２０６に転送されず、画素が選択されていない状態（非選択状態）になる。すなわち、図４（ｃ）の状態に戻る。一部のエレクトロン２１２が不純物拡散層２０９に残留し当該不純物拡散層２０９の電位が一様になることにより、不純物拡散層２０６の電位も一様になる。
【００３７】
以上説明したように、不完全リセットによりＮ型の不純物拡散層２０９の電位を一様にしておけば、光電変換により発生したエレクトロン２１２の量が仮に少なかったとしても、エレクトロン２１２がＮ型の不純物拡散層２０９の一部のみに偏って蓄積されない。したがって、Ｐ型の不純物拡散層２０６の電位が偏って変調されない。Ｐ型の不純物拡散層２０６の電位が偏って変調されないことによる効果を、図５を用いて説明する。
【００３８】
図５は、入射光量と出力電圧の関係を説明する図である。図５は、二つの画素における入射光量と出力電圧の関係を示している。図示するように、入射光量と出力電圧の関係は、画素毎に異なる場合がある。Ｐ型の不純物拡散層２０６に電位勾配が形成されていると、図５（ａ）に示すように、画素３０１、３０２の入射光量が比較的少ない部分において、入射光量と出力電圧とが比例関係を示さない部分が存在する。すなわち、この場合には、全体として線形な特性を得ることができない。そうすると、光電変換により発生したエレクトロンの量が少なかった場合には、信号レベルとリセットレベルの差を取ったとしても、その差は画素３０１と画素３０２とで異なる場合がある。具体的には、画素３０１における信号レベルｂとリセットレベルａとの差ｃは、画素３０２における信号レベルｂとリセットレベルａとの差ｄと異なる。結果としてスレッショルド電圧Ｖｔｈのばらつきを抑制できない。
【００３９】
一方、不完全リセットによりＰ型の不純物拡散層２０６の電位を一様にしておけば、図５（ｂ）に示すように、画素３１１、３１２の入射光量と出力電圧とが全体的に比例関係を示す。すなわち、この場合には、全体として線形な特性を得ることができる。そうすると、光電変換により発生したエレクトロンの量が少なかったとしても、信号レベルとリセットレベルの差を取ることにより、その差は画素３１１と画素３１２とで同一になる。具体的には、画素３１１における信号レベルｂとリセットレベルａとの差ｃは、画素３１２における信号レベルｂとリセットレベルａとの差ｄと同一になる。したがって、スレッショルド電圧Ｖｔｈのばらつきを抑制できる。画素毎の感度のばらつきを抑制できるので、固定パターンノイズを抑制できる。
【００４０】
なお、上述した不完全リセットにより不純物拡散層の電位を一様にする構成はＣＭＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）に適用することもできる。すなわち、エレクトロンおよびホールのうちの一方のキャリアを蓄積することにより信号を変調する固体撮像素子に適用することができる。
【００４１】
上記実施の形態では、本実施形態のおいては、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型として説明したが、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としても同様のことがいえる。
【００４２】
以上の説明では、不純物拡散層２０９の不純物のドーズ量を適宜調整することにより、一部のエレクトロンが不純物拡散層２０９に残留するように構成したが、ゲートＳＥＬＧの電圧を調整することにより、一部のエレクトロンが不純物拡散層２０９に残留するように構成してもよい。
【００４３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４４】
１００  固体撮像素子、１０１  受光部、１０２  転送部、１０３  増幅部、１０４  選択部、１０５  電流源、１１０  画素、２０１  半導体基板、２０２  ウェル領域、２０３  不純物拡散層、２０４  不純物拡散層、２０５  不純物拡散層、２０６  不純物拡散層、２０７  不純物拡散層、２０８  不純物拡散層、２０９  不純物拡散層、２１１  ホール、２１２  エレクトロン、３０１  画素、３０２  画素、３１１  画素、３１２  画素
【図１】
2015002486.tif 000003
【図２】
2015002486.tif 000004
【図３】
2015002486.tif 000005
【図４】
2015002486.tif 000006
【図５】
2015002486.tif 000007