(57)【要約】【課題】単位画素における光電変換に寄与する領域の面積を増大させて、感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】半導体基板上に、入射光を光電変換するための光電変換領域１と、光電変換領域で得られた信号電荷を読み出すための転送トランジスタ２と、読み出された信号電荷を蓄えるための蓄積領域１３とを各々備えた複数の単位画素が、二次元状に配列される。蓄積領域上の少なくとも一部に開口部１２ｂが設けられ、開口部１２ａ、１２ｂを通った入射光により、光電変換領域及び蓄積領域において光電変換が行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、入射光を光電変換するための光電変換領域と、前記光電変換領域で得られた信号電荷を読み出すための転送トランジスタと、読み出された前記信号電荷を蓄えるための蓄積領域とを各々備えた複数の単位画素が、二次元状に配列された固体撮像装置において、
前記光電変換領域上に設けられた開口部に加えて、前記蓄積領域上の少なくとも一部に開口部が設けられ、前記各開口部を通った入射光により、前記光電変換領域及び前記蓄積領域において光電変換が行われることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の単位画素が各々、前記蓄積領域の電位がゲートに加わることで前記読み出された信号電荷を検出するための検出トランジスタと、前記蓄積領域の信号電荷をリセットするためのリッセットトランジスタと、前記リセットトランジスタを介して前記蓄積領域へ電圧を供給するためのドレイン領域とを更に備えた請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部が互いに分離されている請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部が連続している請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部は、開口面積が互いに異なる請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部は、開口面積が同一である請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部にそれぞれ同一の色のカラーフィルターを設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部にそれぞれ異なる色のカラーフィルターを設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を別々に検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を混合した後に検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を時間的に異ならせて検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
半導体基板上に、光電変換領域を有する複数の単位画素を二次元状に配列した固体撮像装置において、
前記各単位画素が、複数個の開口部と、前記開口部のそれぞれの下に設けられたフォトダイオードとを備え、前記複数個の開口部の面積が互いに異なる固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置が搭載されたカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を光電変換するための複数の単位画素が配列された固体撮像装置、およびそれを用いたデジタルカメラ等のカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の固体撮像装置の構成を示す回路図である。この固体撮像装置は、単位画素が二次元状に配列された撮像領域７と、列方向に画素を選択する垂直シフトレジスタ８と、行方向に画素を選択する水平シフトレジスタ９と、垂直シフトレジスタ８と水平シフトレジスタ９に必要なパルスを供給するタイミング発生回路１０と、出力アンプ１１により構成されている。各単位画素は、フォトダイオード１と、転送トランジスタ２と、リセットトランジスタ３と、増幅トランジスタ４と、信号線５と、電源６により構成されている。
【０００３】
単位画素で光電変換により得られた画素信号は、行毎に垂直シフトレジスタ８により選択され、さらに水平シフトレジスタ９により画素毎に順次出力アンプ１１から取り出される。
【０００４】
図５は、図４に示した従来の固体撮像装置における単位画素の、半導体基板上での構造を、拡大して示す平面図である（例えば特許文献１参照）。また、図５のＡ−Ａ’断面を図６に示す。図４の回路図に示した要素に対応する部分が、同一の参照番号で示される。図６において、１４はＰ型基板である。フォトダイオード１、蓄積領域１３、電源６の拡散層は、ｎ型の不純物の注入により形成されている。
【０００５】
従来の単位画素では、フォトダイオード１上のみに開口部１２が設けられている。従って、開口部１２からフォトダイオード１に入射した光のみが光電変換され、信号電荷として転送トランジスタ２により蓄積領域１３のｎ型層に読み出される。蓄積領域１３に読み出された電荷が蓄積領域１３の電位を変化させ、その電位が検出トランジスタ４のゲートの電位を変化させる。その結果、信号線５の電位が変化し、信号線５から各画素で光電変換された信号として出力される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１４５４４４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構成の場合、単位画素内に、転送トランジスタ２、リセットトランジスタ３、増幅トランジスタ４、信号線５、電源６などが配置されるため、光電変換に寄与する開口部１２の領域の面積が小さく、感度が低く制限されてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、単位画素における光電変換に寄与する領域の面積を広げ、光電変換により得られる電荷の量を増大させて、感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、入射光を光電変換するための光電変換領域と、前記光電変換領域で得られた信号電荷を読み出すための転送トランジスタと、読み出された前記信号電荷を蓄えるための蓄積領域とを各々備えた複数の単位画素が、二次元状に配列された構成を有する。上記課題を解決するために、前記光電変換領域上に設けられた開口部に加えて、前記蓄積領域上の少なくとも一部に開口部が設けられ、前記各開口部を通った入射光により、前記光電変換領域及び前記蓄積領域において光電変換が行われる構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の固体撮像装置は、上記課題を解決するための手段に記載の構成を有することにより、通常の光電変換領域であるフォトダイオードにより得られる電荷とともに、その電荷を蓄積するための蓄積領域上にも開口部が設けられて、蓄積領域における光電変換による電荷も得られる。すなわち、フォトダイオード上と蓄積領域上の２ヵ所に開口部を設けることにより、単位画素の光電変換に寄与する領域が拡大される。従って例えば、フォトダイオードと蓄積領域とで光電変換した電荷を混合したのちに検出すれば、電荷の総量を増大させて感度を向上させることが可能となる。
【００１１】
本発明は、前記複数の単位画素が各々、前記蓄積領域の電位がゲートに加わることで前記読み出された信号電荷を検出するための検出トランジスタと、前記蓄積領域の信号電荷をリセットするためのリッセットトランジスタと、前記リセットトランジスタを介して前記蓄積領域へ電圧を供給するためのドレイン領域とを更に備えた構成にも適用することができる。
【００１２】
上記固体撮像装置において、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部が互いに分離されている構成とすることもできる。また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部が連続している構成とすることもできる。
【００１３】
また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部は、開口面積が互いに異なる構成とすることもできる。その場合、フォトダイオードと蓄積領域とで各々光電変換された電荷を混合せずに、高照度の信号は小さい開口部の電荷を検出して利用し、低照度の信号は大きい開口部の電荷を検出して利用し、２つの信号を固体撮像装置内または固体撮像装置から取り出した後に、組み合わせることで、広いダイナミックレンジの画像を実現することができる。
【００１４】
また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部は、開口面積が同一である構成とすることもできる。
【００１５】
前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部に、それぞれ同一の色のカラーフィルターを設けた構成とすることもできる。それにより、カラー信号を高感度で得ることができる。
【００１６】
また、前記蓄積領域上の開口部と前記光電変換領域上の開口部にそれぞれ異なる色のカラーフィルターを設けた構成とすることもできる。それにより、単位画素で２種類のカラー信号を取り出すことができ、色および輝度の解像度を改善することができる。
【００１７】
また、前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を別々に検出する構成とすることもできる。
【００１８】
また、前記蓄積領域で光電変換された電荷と前記光電変換領域で光電変換された電荷を時間的に異ならせて検出する構成とすることもできる。それにより、２種類の時間をずらした情報を得ることができるため、高速の動画を検出することができ、動画の解像度を改善することができる。
【００１９】
本発明の固体撮像装置の他の形態として、半導体基板上に、光電変換領域を有する複数の単位画素を二次元状に配列し、前記各単位画素が、複数個の開口部と、前記開口部のそれぞれの下に設けられたフォトダイオードとを備え、前記複数個の開口部の面積が互いに異なる構成とすることもできる。この構成によれば、２つのフォトダイオードで光電変換した電荷を混合しないで、高照度の信号は小さい開口部の電荷を検出して利用し、低照度の信号は大きい開口部の電荷を検出して利用し、２つの信号を固体撮像装置内または固体撮像装置から取り出した後に、組み合わせることで、広いダインミックレンジの画像を実現することができる。
【００２０】
上記いずれかの構成の固体撮像装置を搭載してカメラを構成することができる。
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明の各実施の形態について説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置を構成する単位画素の、半導体基板上での構造を示す平面図である。回路構成は図４に示した従来例と同様である。従来例と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の重複を省略する。この単位画素が図５の従来例と相違する構成は、従来と同様にフォトダイオード１上に設けられた開口部１２ａに加えて、蓄積領域１３上にも開口部１２ｂを設けた点である。フォトダイオード１上と蓄積領域１３上の２ヵ所に開口部１２ａ、１２ｂを設けることにより、単位画素における光電変換用の領域を増大させることができる。
【００２３】
フォトダイオード１と蓄積領域１３とで光電変換された電荷を、混合した後に検出することで、合計の電荷量を増大させることができ、感度を向上させることができる。
【００２４】
また、図１に示すように、フォトダイオード１上の開口部１２ａと蓄積領域１３上の開口部１２ｂの大きさに差を設け、フォトダイオード１と蓄積領域１３において各々光電変換により得られる電荷を混合せず、次のように用いることもできる。すなわち、高照度の信号としては小さい開口部１２ｂの電荷を検出して利用し、低照度の信号としては大きい開口部１２ａの電荷を検出して利用し、２つの信号を固体撮像装置内または固体撮像装置から取り出した後に組み合わせる。それにより、広いダインミックレンジの画像を実現することができる。
【００２５】
また、フォトダイオード１上の開口部１２ａを通して入射し光電変換された電荷と、蓄積領域１３上の開口部１２ｂを通して入射し光電変換された電荷を、時間的に異ならせて検出することもできる。それにより検出信号として、２種類の時間をずらせた情報を得て、高速の動画を検出することができるため、動画の解像度を改善することができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置を構成する単位画素の、半導体基板上での構造を示す平面図である。図１の構成の場合は、フォトダイオード上と蓄積領域上に各々個別に開口部が設けられているのに対して、本実施の形態の場合は、フォトダイオード１上と蓄積領域１３上に、連続した１つの開口部１２ｃが設けられた構造を有する。
【００２７】
単位画素が小型化して、蓄積領域１３上に設けることが可能な開口部の領域が小さく制限される場合、蓄積領域１３上に開口部を単独で開口させる加工が困難になる。また転送トランジスタ２の幅が狭くなってくると、フォトダイオード１上の開口部と蓄積領域１３上の開口部を分離するための分離遮光膜の幅が小さくなり、加工が困難になる。そのような問題に対処するために、フォトダイオード１上の開口部と蓄積領域１３上の開口部を接続して一体とすれば、開口部１２ｃの面積をさらに大きくできる。それにより、単位画素が小型化した場合においても高感度を実現することができる。
【００２８】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における固体撮像装置を構成する単位画素の、半導体基板上での構造を示す平面図である。本実施の形態においては、フォトダイオード１上の開口部１２ｄと、蓄積領域１３上の開口部１２ｅの大きさがほぼ同等である。
【００２９】
この構造によれば、フォトダイオード１上の開口部１２ｄを通して入射し光電変換された電荷と、蓄積領域１３上の開口部１２ｅを通して入射し光電変換された電荷の量をほぼ同等にすることができる。その結果、単位画素内に２つのフォトダイオードが設けられたことと同等になる。したがって、フォトダイオード１上の開口部１２ｄと蓄積領域１３上の開口部１２ｅに、各々異なる色のカラーフィルターを形成し、単位画素内で２種類のカラー信号を取り出すことが可能となる。それにより、色および輝度の解像度を改善することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、フォトダイオード上と蓄積領域上の２ヵ所に開口部を設けることで、単位画素における感度を向上させることができる。
【００３１】
また、２つの開口部の使い方に応じて、広ダイナミックレンジ、高速化、高解像度化などの、高画質を実現することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の単位画素の平面図
【図２】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の単位画素の平面図
【図３】本発明の実施の形態３における固体撮像装置の単位画素の平面図
【図４】従来例の固体撮像装置の構成を示す回路図
【図５】従来例の固体撮像装置の単位画素の平面図
【図６】図５のＡ−Ａ’断面図
【符号の説明】
１  フォトダイオード
２  転送トランジスタ
３  リセットトランジスタ
４  増幅トランジスタ
５  信号線
６  電源
７  撮像領域
８  垂直シフトレジスタ
９  水平シフトレジスタ
１０  タイミング発生回路
１１  出力アンプ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ  開口部
１３  蓄積領域
１４  Ｐ型基板
【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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