(57)【要約】【課題】１画素内に１つの光電変換部に対し２つの電荷蓄積部を設け、光の強度変調に同期して２つの電荷蓄積部に電荷を振り分ける構成を有する固体撮像素子において、ダイナミックレンジを改善する。【解決手段】フォトゲート１１と、そこで発生した電荷を転送するための転送ゲート１３１、１３２との間に生じる寄生的なｎ＋拡散層１５の電位をセットするためのＭＯＳトランジスタ１６を設け、信号電荷の転送に先立ってＭＯＳトランジスタ１６を介して寄生拡散層１５を所定電位に設定する。これにより、寄生拡散層１５による電位ポケットが埋められるため、フォトゲート１１から浮遊拡散層１２１、１２２へと転送される信号電荷が寄生拡散層１５に捕捉されなくなる。その結果、微弱光に対する信号も取り出すことができ、ダイナミックレンジが改善される。【選択図】　図１
2004056048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受けて信号電荷を発生する光電変換部と、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、外部からの制御信号に応じて前記光電変換部から電荷蓄積部へと信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する出力部と、を含んで１個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、
前記光電変換部と電荷転送部との間に形成される寄生的な拡散層に対して所定電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、オン動作により前記寄生的な拡散層と電圧供給部とを導通するスイッチ手段と、電荷転送前の適宜の時点で該スイッチ手段をオンさせる制御手段と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記電圧印加手段により印加される電圧は、電荷転送前における前記電荷蓄積部の電位に影響を及ぼさないような電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記１個の画素にあっては、１個の光電変換部に対し２個の電荷転送部及び電荷蓄積部を有し、前記光電変換部と各電荷転送部との間の寄生的な拡散層に同一電圧を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
１個の光電変換部と、第１、第２なる２個の電荷蓄積部と、前記光電変換部から第１及び第２電荷蓄積部へ電荷を選択的に転送するための第１、第２なる２個の電荷転送部と、前記第１、第２電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する第１、第２なる２個の出力部と、を含んで１個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、
前記画素を半導体基板上に形成した回路パターンにあって、前記光電変換部は或る１つの直辺部の略中央から突出した突出片部を有し、該突出片部の略中心線を挟んで両側に前記第１、第２電荷蓄積部を略対称に配置し、且つ、該第１、第２電荷蓄積部と前記光電変換部との間に、前記突出片部を挟んで両側に分離した電荷掃き出し層を形成して成ることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関し、更に詳しくは、ＣＭＯＳ半導体プロセスを用いて作製される固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子は、デジタルカメラ、カメラ一体型ＶＴＲ、ファクシミリ、カメラ機能付き携帯電話などの様々な電子機器に利用されており、その性能の進歩は著しいものがある。こうした状況の下で、本願発明者は、特願平１１−３２８４００号（特開２００１−１４８８０８号公報参照）において新規の構成の固体撮像素子を提案している。ここで、この固体撮像素子の原理について、図８及び図９により簡単に説明する。
【０００３】
図８はこの固体撮像素子によるイメージセンサを利用した画像撮影装置の概略構成を示す概念図、図９はその動作の説明図である。本画像撮影装置１００は、光信号を電気信号に変換して出力するイメージセンサ１１０のほかに、到来する光を結像するレンズ光学系１０１と、目的とする被写体２００に向けて補助光Ｌ２を照射する発光部１０２と、発光部１０２及びイメージセンサ１１０の動作を制御するタイミング制御部１０３と、イメージセンサ１１０からの出力信号を受けて画像を形成する画像処理部１０４とを備える。
【０００４】
イメージセンサ１１０には二次元状に画素回路が配置されているが、ここでは簡略化するために１個の画素回路１１１の概略構成のみを描いている。すなわち、画素回路１１１内において１個の光電変換部１１２に蓄積された信号電荷は、２個の電荷転送部１１３により適宜選択的に２個の電荷蓄積部１１４に振り分けられる。電荷蓄積部１１４では複数回に亘って転送されてくる信号電荷を加算蓄積し、両蓄積電荷は所定のタイミングで画素回路１１１の外側に、各画素回路１１１に共通に設けられた差分器１１５へと送られる。差分器１１５は、時分割で各画素回路１１１に含まれる２つの電荷蓄積部１１４の出力電圧の差電圧を出力する。画像処理部１０４への画像信号の出力は、通常１フレーム単位で行われる。なお、差分器１１５は全ての画素回路に対して共通でなくとも、例えば、二次元状に配置された画素回路の列方向毎にそれぞれ別の差分器を設けたり、画素回路毎にそれぞれ差分器を設けたりしても同様の処理を達成できる。
【０００５】
タイミング制御部１０３の制御の下に、発光部１０２は１フレーム周期よりも遙かに短い一定周期で点滅駆動（つまり変調）され、一方、イメージセンサ１１０の電荷転送部１１３はその周期に同期して信号電荷を振り分ける。従って、発光部１０２が点灯している期間には、背景光Ｌ１と補助光Ｌ２とが被写体２００に当たり、その反射光Ｌ１Ｒ、Ｌ２Ｒとがレンズ光学系１０１を介して光電変換部１１２に入射する。このとき、被写体２００の背後に存在する背景物２０１にも背景光が当たっているから、反射光Ｌ１Ｒには背景物２０１による反射光も含む。一方、発光部１０２から照射される補助光Ｌ２の到達距離は比較的短いため、背景物２０１が被写体２００よりもずっと後方に在るとすれば、補助光Ｌ２は背景物２０１にまで到達しないから、反射光Ｌ２Ｒには背景物２０１による反射光を含まない。これに対し、発光部１０２が消えている期間には、補助光Ｌ２は存在しないから、被写体２００及び背景物２０１からの背景光による反射光Ｌ１Ｒのみがレンズ光学系１０１を介して光電変換部１１２に入射する。
【０００６】
こうしたことから、補助光点灯期間に対応する信号電荷のみに基づいて画像を作成したとすると図９（Ａ）に示すようになり、補助光消灯期間に対応する信号電荷のみに基づいて画像を作成したとすると図９（Ｂ）に示すようになる。背景物２０１に対する像２０１ａは両者とも同様であるが、被写体２００に対する像２００ａ又は２００ｂは、補助光Ｌ２による反射光を含む図９（Ａ）においてより鮮明になる（光電変換部１１２においては受光強度が高くなる）。イメージセンサ１１０においては差分器１１５により各画素回路１１１毎に両者の差がとられることになるから、イメージセンサ１１０から出力される信号に基づいて得られる画像では、図９（Ｃ）に示すように背景物２０１による像は相殺されて殆ど現れず、被写体２００の像２００ｃのみが鮮明に得られる。
【０００７】
このように、上記固体撮像素子を用いることにより、背景光の影響を殆ど受けることなく目的とする被写体を明瞭に画像化することができる。なお、以下の説明では、上記のような手法による固体撮像素子を振分け転送方式センサと呼ぶこととする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、こうした固体撮像素子を製造する際に、一般的なＣＭＯＳ半導体プロセスを用いれば、信号処理回路等の周辺回路を一体化（１チップ化）できる等、その利点は非常に大きい。こうしたＣＭＯＳ型の固体撮像素子については、従来より、各種の提案がなされている（例えば特開平９−６５２１０号公報、特開平１１−１４５４４４号公報など）。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の基本的な画素構造の一例としては、光電変換部としてのフォトゲートと、電荷を蓄積する浮遊拡散層（フローティングデフュージョン）と、フォトゲートの直下に蓄積された電荷を浮遊拡散層に転送するための転送ゲートと、浮遊拡散層に蓄積された電荷信号を電圧又は電流に変換して出力するソースフォロワアンプと、を備える。
【０００９】
上記振分け転送方式センサにおいても、こうしたＣＭＯＳ型構造を採用することは有用であり、本発明者らは汎用的なＣＭＯＳ半導体プロセスを用いて振分け転送方式センサを具現化する検討を鋭意行っている。その過程で、振分け転送方式センサを具現化する際のいくつかの問題点が明らかになってきたが、特に、ＣＭＯＳ半導体プロセスを用いた場合に充分なダイナミックレンジを確保することが難しいことが判明した。これについては、主として２つの要素が考えられる。その１つは、フォトゲートで発生した信号電荷を転送ゲートを通して浮遊拡散層に転送しようとしたときの、電荷の転送効率が低いことであり、他の１つは、転送ゲートを閉じているにも拘わらず、フォトゲートで発生した信号電荷が浮遊拡散層へ漏れ出して蓄積されてしまうという、信号電荷の漏出の問題である。
【００１０】
また、上記説明で明らかなように、振分け転送方式センサでは、２つの電荷蓄積部に振り分けた後の信号電圧（又は電流）の差をとることにより、共通の信号成分、つまり背景光成分を相殺している。その前提は、信号電荷の振分け部から差分をとるまでの２つの信号経路に関する諸特性が同一であることである。その両者の特性に差があると、その分が出力誤差となり、画質を劣化させることになる。
【００１１】
本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その主たる目的とするところは、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子、特に上記のような振分け転送方式センサにおいて、ダイナミックレンジの改善を図ることである。また、本発明の他の目的とするところは、振分け転送方式センサにおいて信号電荷を振分ける以降の二つの信号経路の特性を揃えることにより、信号の誤差を少なくすることができる固体撮像素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段、及び効果】
本発明者らの検討の結果によれば、上記のようにダイナミックレンジを悪化させる１つの要因である電荷の転送効率の低さは、フォトゲート等の光電変換部と転送ゲートとの間に寄生的に生じるｎ＋拡散層に、信号電荷を捕捉する一種の電位ポケットが形成され、転送しようとする信号電荷の一部がその電位ポケットに捕捉されてしまうためであると推測できる。このように信号電荷の一部が転送されないと、光電変換部で受ける光が微弱であるときには電圧出力が得られず、ダイナミックレンジを低下させてしまう。
【００１３】
そこで、こうした問題を解消するために、第１発明に係る固体撮像素子は、光を受けて信号電荷を発生する光電変換部と、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、外部からの制御信号に応じて前記光電変換部から電荷蓄積部へと信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する出力部と、を含んで１個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、前記光電変換部と電荷転送部との間に形成される寄生的な拡散層に対して所定電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴としている。
【００１４】
本発明の一態様として、上記電圧印加手段は、オン動作により上記寄生的な拡散層と電圧供給部とを導通するスイッチ手段、具体的にはトランジスタ等と、電荷転送前の適宜の時点で前記スイッチ手段をオンさせる制御手段とを含む構成とすることができる。
【００１５】
電圧印加手段により上記寄生拡散層に対して外部から適宜の電位を与えたときに、寄生拡散層で生じる現象については完全に解明されている訳ではないが、この電圧印加によって上述したような電位ポケットが埋まり、つまり満杯になるか或いは満杯にまでならずとも底が浅くなるものと推測できる。従って、その後に信号電荷を転送する際に、この電位ポケットにその信号電荷が捕捉されなくなるか、又は捕捉されたとしてもその捕捉量は少なくて済む。これにより、第１発明に係る固体撮像素子によれば、寄生拡散層による信号電荷の捕捉が回避又は軽減できるので、少量の信号電荷でも電荷蓄積部により確実に転送することが可能となる。その結果、従来は出力部から出力電圧として取り出せなかったような微弱な光に対する信号も得ることができ、本素子のダイナミックレンジを改善することができる。
【００１６】
また、上述した通り、寄生拡散層の電位ポケットを埋めることで信号電荷の転送効率を改善することができると考えられるが、本発明者らの検討によれば、その電位ポケットを埋める際の電位が高すぎると電荷蓄積部の電位自体が変動し、つまり電荷蓄積部が予めバイアスされたような状態となり、その後に信号電荷の転送を受けても正確な電圧を出力するのに支障をきたす、という現象が確認できている。これは、寄生拡散層へ印加する電圧に依っては、電位ポケットが埋まるのみならず溢れ出た電荷が電荷蓄積部に流れ込み、その電位を変動させるものと推測できる。そこで、こうした現象を抑えるため、第１発明に係る固体撮像素子において、前記電圧印加手段により印加される電圧は、電荷転送前における前記電荷蓄積部の電位に影響を及ぼさないような電圧とすることが好ましい。
【００１７】
このような電圧の具体的な数値は各種の条件に依存するものと思われるが、一例として、電圧印加手段が上記スイッチ手段としてＭＯＳトランジスタを使用している場合に、そのトランジスタのサブスレショルド電圧付近、０．５〜０．６Ｖ程度とするのがよい。
【００１８】
また、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子では、理想的には転送ゲートを閉じているときには光電変換部で発生した信号電荷は拡散することなくそこに保持され、転送ゲートを開くと一斉に電荷蓄積部へと流れることが好ましい。しかしながら、本発明者らの検討によれば、光電変換部であるフォトゲート直下及びその近傍で発生した信号電荷の一部は、転送ゲートを閉じているにも拘わらず、拡散して電荷蓄積部へと流れ込み、その電位を変化させてしまうことが判明した。これが、上記のようにダイナミックレンジを悪化させる別の要因であると考えられる。
【００１９】
そこで、こうした問題を解消するために、第２発明に係る固体撮像素子は、１個の光電変換部と、第１、第２なる２個の電荷蓄積部と、前記光電変換部から第１及び第２電荷蓄積部へ電荷を選択的に転送するための第１、第２なる２個の電荷転送部と、前記第１、第２電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する第１、第２なる２個の出力部と、を含んで１個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、
前記画素を半導体基板上に形成した回路パターンにあって、前記光電変換部は或る１つの直辺部の略中央から突出した突出片部を有し、該突出片部の略中心線を挟んで両側に前記第１、第２電荷蓄積部を略対称に配置し、且つ、該第１、第２電荷蓄積部と前記光電変換部との間に、前記突出片部を挟んで両側に分離した電荷掃出し層を形成して成ることを特徴としている。
【００２０】
この固体撮像素子の構成によれば、例えば電荷転送部が閉じているときに光電変換部から漏れ出した信号電荷は、電荷蓄積部へ到達する前に電荷掃出し層に捕捉され、外部へと排出されてしまう。従って、電荷転送部が開いていない側の電荷蓄積部に外部から不所望に信号電荷が流れ込んでくることがなくなる又は軽減される。それによって、その電荷蓄積部における本来の信号電荷によらない電位変動が解消され、ダイナミックレンジを改善することができる。
【００２１】
また、第２発明に係る固体撮像素子では、光電変換部から共通の突出片部を通して信号電荷を案内し、それから左右の２個の電荷転送部を介して両側に振り分けるので、光電変換部を含めてそれ以降の２つの信号経路の条件を同一又はそれに近くすることができる。そのため、例えば、第１電荷蓄積部に背景光成分と補助光成分による信号電荷を転送し、第２電荷蓄積部に背景光成分のみによる信号電荷を転送し、第１及び第２出力部の差をとる場合に、補助光成分以外の要素がほぼ同一になって背景光成分が確実に相殺される。従って、上述したように振り分け転送方式センサとしての特性、つまり出力信号により構成される画像の質を大きく向上させることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明に係る固体撮像素子の一実施例について、図面を参照して説明する。
【００２３】
本実施例の固体撮像素子は、半導体基板上に一次元的又は二次元的に配置された多数の画素を備えるが、本固体撮像素子の特徴は１個の画素における構成又は構造にあるので、その点について詳細に説明する。図１は本実施例の固体撮像素子の１個の画素回路１０の概略構成図である。この図では、主として光源変換部及び電荷蓄積部を縦断面図で示し、他を回路として描いている。
【００２４】
１個の画素回路１０は、光電変換部である１個のフォトゲート（ＰＧ：Ｐｈｏｔｏ　Ｇａｔｅ）１１と、フォトゲート１１で発生した信号電荷を蓄積するための２個の電荷蓄積部である第１、第２浮遊拡散層（ＦＤ：Ｆｌｏａｔｉｎｇ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）１２１、１２２と、フォトゲート１１に蓄積された信号電荷を所定のタイミングで第１及び第２浮遊拡散層１２１、１２２へと転送するための２個の転送部としての第１、第２転送ゲート（ＴＧ：Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｇａｔｅ）１３１、１３２と、第１及び第２浮遊拡散層１２１、１２２に加算蓄積した信号電荷を増幅して電圧として出力するための出力部である第１、第２ソースフォロワアンプ１４１、１４２と、を備える。
【００２５】
図１において、フォトゲート１１を含んで左方の構成要素は、後述するように背景光成分と変調光成分とを処理するための第１ユニット〔Ｉ〕であり、同じくフォトゲート１１を含んで右方の構成要素は、背景光成分のみを処理するための第２ユニット〔ＩＩ〕である。また、ＰＸはフォトゲート１１直下に発生した信号電荷を蓄積するか否かを制御するための制御信号、ＴＸ１及びＴＸ２はそれぞれ第１、第２転送ゲート１３１、１３２の開閉を制御するための制御信号、ＲＳＴは第１及び第２浮遊拡散層１２１、１２２の電位を電源電圧Ｖｄｄにリセットするための制御信号、Ｘは第１及び第２浮遊拡散層１２１、１２２に貯まった電荷による電圧を第１及び第２ソースフォロワアンプ１４１、１４２を介して出力するか否かを制御するための制御信号である。
【００２６】
この固体撮像素子に含まれる多数の画素中のフォトゲート１１には、所定周期で強度変調を受けた光が入射する。具体的には、例えば図８で説明したように、所定周期で点滅する補助光Ｌ２が被写体２００に照射され、その被写体２００で反射する光Ｌ２Ｒや背景光などが固体撮像素子に到来することを想定すればよい。この場合には、変調光は「有り」又は「無し」の２状態で考えればよく、第１状態では変調光成分＋背景光成分が得られ、第２状態では背景光成分のみが得られる。
【００２７】
図２は本実施例の固体撮像素子の動作を説明するためのタイミングチャートである。上記構成の画素回路１０では、変調光の強度変調、つまり点滅の周期と同期して回路を動作させる。図２において、ＣＫはその変調（点滅）周期であり、ＣＫ＝０で消灯、ＣＫ＝１で点灯する。まず、点灯期間（上記第１状態）では、フォトゲート１１に変調光成分＋背景光成分が入射し、この受光強度に応じた信号電荷がフォトゲート１１の直下に発生する。点灯期間が終了する直前にＴＸ１を印加して第１転送ゲート１３１を開き、第１浮遊拡散層１２１に信号電荷を転送して蓄積する。一方、消灯期間には、フォトゲート１１に背景光成分のみが入射し、この受光強度に応じた信号電荷がフォトゲート１１の直下に発生する。そして、消灯期間が終了する直前にＴＸ２を印加することにより第２転送ゲート１３２を開き、フォトゲート１１から第２浮遊拡散層１２２に信号電荷を転送して蓄積する。
【００２８】
１フレームの期間中に上記動作を点滅周期と同期して多数回繰り返すことにより、第１浮遊拡散層１２１には変調光成分＋背景光成分に対応した信号電荷が、第２浮遊拡散層１２２には背景光成分のみに対応した信号電荷が加算蓄積されてゆく。そして、１フレーム期間が終了した後に、第１及び第２ソースフォロワアンプ１４１、１４２を通してそれぞれの加算蓄積電荷を電圧として取り出し、外部の差分器により両出力電圧の差電圧を求める。すると、両出力電圧に共通である背景光成分が除去されて、変調光成分による信号のみが残る。
【００２９】
しかしながら、一般的なＣＭＯＳプロセスでは、図１に描いたように、フォトゲート１１と第１、第２転送ゲート１３１、１３２との間に寄生的なｎ＋拡散層（以下、ここでは「寄生拡散層」と呼ぶ）１５が形成されてしまう。この寄生拡散層１５の影響を調べるために、デバイスシミュレータを用い、図３（Ａ）に示すような構造モデルにおける電荷転送時の電位形状を求めた結果が図３（Ｂ）である。このときの条件は、Ｖｄｄ＝３．５Ｖ、ＰＸ＝０Ｖ、ＴＸ２＝０Ｖ、ＴＸ１＝１．４Ｖであり、フォトゲート１１に蓄積した信号電荷を第１転送ゲート１３１を介して第１浮遊拡散層１２１へ転送するときを想定している。
【００３０】
図３（Ｂ）で明らかなように、寄生拡散層１５の影響によって、フォトゲート１１と転送ゲート１３１、１３２との間には電位のポケットが形成される。そのため、フォトゲート１１から第１転送ゲート１３１を介して第１浮遊拡散層１２１に信号電荷を転送しようとした場合、一部の信号電荷はこの電位ポケットに捕捉され、換言すれば電位ポケットを埋めるために使用されてしまい、その分だけ第１浮遊拡散層１２１に到達し得る信号電荷が減少すると考えられる。
【００３１】
最も好ましいのは寄生拡散層１５を形成しないようにすることであるが、汎用的なＣＭＯＳプロセスを用いた場合には、寄生拡散層１５が形成されることは回避しがたい。そこで、本実施例の固体撮像素子では、この寄生拡散層１５の電位ポケットをなくすか、或いは完全になくならないまでも底を浅くするために、寄生拡散層１５をドレイン（又はソース）とし、リセット電源ラインＶｒｓにソース（又はドレイン）を接続したＭＯＳトランジスタ１６を設け、このＭＯＳトランジスタ１６のゲート端子に外部よりＮＤＲＳなる制御信号を入力する構成としている。
【００３２】
このＭＯＳトランジスタ１６による作用は完全には解明されていないものの、ほぼ次のようなメカニズムであると考えられる。
【００３３】
図４は電位の状態変化を模擬的に示す概念図である。信号電荷を蓄積し始める前には、ＰＸとしてハイレベルの制御信号をフォトゲート１１に与え、図４（Ｂ）に示すように、フォトゲート１１の直下に信号電荷を蓄積するための空乏層を形成する。その後、フォトゲート１１に光が当たってその直下に信号電荷が発生して貯まると、図４（Ｃ）に示すようにフォトゲート１１直下の電位は上昇する。このときに、ＭＯＳトランジスタ１６のゲート端子に制御信号ＮＤＲＳを印加してＭＯＳトランジスタ１６を導通させると、寄生拡散層１５の電位はほぼＶｒｓに近い値にセットされる。
【００３４】
フォトゲート１１直下に信号電荷が充分に蓄積された後に、その信号電荷を第２浮遊拡散層１２２に転送するために、制御信号ＴＸ２を与えて第２転送ゲート１３２を開く。すると、第２転送ゲート１３２直下の電位は下がるが、このとき、先に寄生拡散層１５の電位が上げられていたことによって、その部分の電位ポケットはなくなるか又はなくならないまでも底が浅くなる。これにより、第２転送ゲート１３２が開いた際に信号電荷は電位ポケットに捕捉されないか又は捕捉されたとしても少量で済む。従って、フォトゲート１１から第２浮遊拡散層１２２へと円滑に信号電荷が流れ、第２浮遊拡散層１２２に蓄積してゆく。
【００３５】
上記ＭＯＳトランジスタ１６による電位設定の効果を検証するために、本発明者らは実際に画素回路を試作し、ＭＯＳトランジスタ１６を介した電位設定の有無による変調光光量と差分出力電圧との関係を測定した。その結果を図５に示す。ＭＯＳトランジスタ１６による電位設定を行わない（図５中のＮＤＲＳ無しの）場合、つまり従来通り、寄生拡散層１５に底の深い電位ポケットが形成される状態では、変調光量が小さい場合（照度が低い場合）、例えば０．３ｎＷ程度以下では、差分出力電圧は殆ど得られない。
【００３６】
これに対し、ＭＯＳトランジスタ１６を用いてそのゲート電圧を１．０Ｖとし、Ｖｒｓ（図５中のＮＤＲＳ）＝０．３８Ｖとしたとき（つまり、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ＝０．６２Ｖとしたとき）には、０．３ｎＷ以下の低照度においても差分出力電圧が得られている。これは、低照度である場合、つまりフォトゲート１１で発生する信号電荷量が相対的に少ない場合でも、信号電荷転送時に電位ポケットに殆ど捕捉されることなく、浮遊拡散層１２１、１２２まで到達可能となった結果であると考えられる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ１６により適宜のタイミングで寄生拡散層１５の電位設定を行うことにより、微弱光に対しても出力信号が得られ、ダイナミックレンジが改善されることになる。
【００３７】
また、ＭＯＳトランジスタ１６による電位設定を行う場合でも、その際のゲート−ソース間電圧ＶＧＳが高過ぎる場合、すなわち、ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電圧を１．０Ｖとし、Ｖｒｓ（図５中のＮＤＲＳ）＝０．３４Ｖとしたとき（つまりＶＧＳ＝０．６６Ｖとしたとき）には、図５に示すように、変調光量が大きい領域において差分出力電圧が低下してしまうという現象がみられる。このような状態のとき、図４（Ｅ）に示すように、信号電荷を転送する以前に既に第２浮遊拡散層１２２の電位が上昇してしまう（電圧としては０Ｖに近づく）ことが実験によって明らかになっている。これは、電位ポケットを埋めるために注入した電荷が溢れ出て、第２浮遊拡散層１２２に流れ込み、その電位を底上げしてしまったためであると推測できる。このような現象が発生すると、浮遊拡散層１２１、１２２は予めバイアスされた状態となり、転送ゲート１３１、１３２が開いたときにフォトゲート１１からの信号電荷を受け入れる余地が小さくなる。その結果、差分出力が大きく減じることになる。こうしたことから、ＭＯＳトランジスタ１６による寄生拡散層１５の電位設定は大きな効果があるものの、その電位を適切に設定することが望ましいことがわかる。なお、具体的な電位は各種の条件に依存するが、一般的にはＭＯＳトランジスタ１６のゲート−ソース間電圧ＶＧＳをそのトランジスタのサブスレショルド電圧近傍の電圧とすることが望ましいと思われる。
【００３８】
図６は本実施例の固体撮像素子における１個の画素の回路パターンの概略図である。図示したように、フォトゲート１１はほぼ長方形状であるが、その長辺のほぼ中央に舌状に突出片部１１ａを設け、その突出片部１１ａの中心線Ｃを挟んで両側に第１及び第２浮遊拡散層１２１、１２２を対称的に配置している。第１及び第２転送ゲート１３１、１３２は第１及び第２浮遊拡散層１２１、１２２を取り囲むように配置されているが、実質的には中心線Ｃに面している部分が電荷転送に最も寄与する。すなわち、フォトゲート１１直下に貯まった信号電荷を第１又は第２浮遊拡散層１２１、１２２に転送する際には、信号電荷は主として突出片部１１ａから出て中心線Ｃの周囲から浮遊拡散層１２１、１２２に流れ込む。なお、浮遊拡散層１２１、１２２の外側には第１、第２ソースフォロワアンプ１４１、１４２を配置している。
【００３９】
このように、中心線Ｃを挟んで両側に第１ユニット〔Ｉ〕と第２ユニット〔ＩＩ〕とをほぼ対称に配置することによって、両ユニットの電気的特性を揃えることができる。また、第１、第２浮遊拡散層１２１、１２２のいずれに信号電荷を転送する際にも、フォトゲート１１からの信号電荷の流出位置はほぼ同じであるため、その点においても、両ユニットの電気的条件が同一になり、両出力電圧の差をとる際に背景光成分を確実に相殺することが可能となる。
【００４０】
本実施例の固体撮像素子では、更に、フォトゲート１１と第１、第２浮遊拡散層１２１、１２２との間に、突出片部１１ａを挟んで両側に分離された電荷掃出し層１７を設けている。図示しないものの、この電荷掃出し層１７にはそれぞれ外部より所定電位を印加できるようになっている。この電荷掃出し層１７の機能は次の通りである。
【００４１】
すなわち、上述したような光電変換動作を行う期間中、常に、上記電荷掃出し層１７には所定の直流電圧を印加しておく。フォトゲート１１に光が入射して、その直下の空乏層に蓄積された電荷は、理想的には、第１、第２転送ゲート１３１、１３２が開かない限り第１、第２浮遊拡散層１２１、１２２へは転送されない筈であるが、実際には、第１、第２転送ゲート１３１、１３２が閉じていても徐々に周囲に拡散し、第１、第２浮遊拡散層１２１、１２２に蓄積されてしまう。そこで、電荷掃出し層１７に或る電位を与えておくと、フォトゲート１１直下から漏れ出した信号電荷は電荷掃出し層１７に捕捉され、その層の延伸方向に沿って横方向に排出される。すなわち、電荷掃出し層は一種の横型オーバーフロードレインとして機能し、浮遊拡散層１２１、１２２に流れ込むことを防止することができる。
【００４２】
図７は上記電荷掃出し層１７の効果を検証するための測定結果を示す図であり、（Ａ）は電荷掃出し層１７を設けた場合の出力波形、（Ｂ）は電荷掃出し層１７を設けない場合の出力波形である。ここでは背景光成分をほぼゼロとしており、変調光成分は第１浮遊拡散層１２１にのみ蓄積されるので、本来ならば、第２浮遊拡散層１２２側の出力電圧ＯＵＴ２は一定である筈であるが、図７（Ｂ）では、第２浮遊拡散層１２２側の出力電圧ＯＵＴ２も減少している。これは、変調光成分を受けたときにフォトゲート１１に貯まった信号電荷の一部が漏れ出し、第２浮遊拡散層１２２に流れ込んだ貯まってしまうためであると考えられる。
【００４３】
これに対し、電荷掃出し層１７を設けた場合の出力波形では、信号電荷を転送していない側の出力電圧ＯＵＴ２は殆ど減少しておらず、電荷掃出し層１７によって信号電荷の漏れ込みの影響が除去できていることがわかる。これにより、フォトゲート１１からの信号電荷の漏出の影響を最小限に抑えることができるので、こうして漏れ込んだ電荷による浮遊拡散層１２１、１２２の電位の上昇がなくなり、それだけダイナミックレンジの改善にも有効である。
【００４４】
なお、上記各実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行えることは明らかである。例えば、上記実施例では光電変換部としてフォトゲートを用いているが、フォトゲート以外のフォトダイオードなどを光電変換部として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である固体撮像素子の１個の画素回路の概略構成図。
【図２】本実施例の固体撮像素子の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図３】本実施例の固体撮像素子のシミュレーションのための構造モデル（Ａ）及び電荷転送時の電位形状のシミュレーション結果を示す図（Ｂ）。
【図４】本実施例の固体撮像素子における電位の状態変化を模擬的に示す概念図。
【図５】寄生拡散層の電位設定による効果を示す測定結果を示す図。
【図６】本実施例の固体撮像素子の１個の画素の回路パターンの概略図。
【図７】電荷掃出し層の効果を示す測定結果を示す図。
【図８】この固体撮像素子によるイメージセンサを利用した画像撮影装置の概略構成を示す概念図。
【図９】図８に示した画像撮影装置の動作説明図。
【符号の説明】
１０…画素回路
１１…フォトゲート
１２１、１２２…浮遊拡散層
１３１、１３２…転送ゲート
１４１、１４２…ソースフォロワアンプ
１５…寄生拡散層
１６…ＭＯＳトランジスタ
１７…電荷掃出し層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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