(57)【要約】【課題】過大光が入射した場合でも光電変換部から電荷が浮遊拡散層にオーバーフローして浮遊拡散層に保持した異なる蓄積期間の信号を濁すことが無く、かつ、リセットより前に読み出す蓄積信号のノイズを抑えることができると共に、１つのカラムの読み出し回路で広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】光電変換素子ＰＤ、浮遊拡散層ＦＤへ電荷を転送する転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＬ、及び排出トランジスタＢＧを有する画素を行列状に複数配置した画素アレイを行順次で駆動し、光電変換素子ＰＤの蓄積時間が異なる２つの期間に分けて電荷蓄積し、短時間蓄積電荷が浮遊拡散層ＦＤに保持されているときに、排出トランジスタＢＧのオフ時ポテンシャルが転送トランジスタＴＸのオフ時ポテンシャルより深くなるよう駆動制御する。【選択図】図１
2013225774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部、前記光電変換部で生成して蓄積した電荷を保持する浮遊拡散層に転送する転送部、前記浮遊拡散層に保持された電荷による電位をリセットするリセット部、前記浮遊拡散層に保持された電荷による電位を増幅して出力する増幅部、及び出力する前記増幅部の出力を選択する選択部を有する画素が行列状に複数配置されて構成された画素アレイと、
前記画素アレイを行順次で駆動し、予め定めた短時間で前記光電変換部が蓄積した短時間蓄積電荷を前記浮遊拡散層へ転送し、同じ行の前記短時間蓄積電荷の蓄積時間より長い時間で前記光電変換部が蓄積した長時間蓄積電荷の読み出し時まで前記浮遊拡散層に転送された電荷を保持し、同じ水平読み出し期間のときに、前記短時間蓄積電荷及び前記長時間蓄積電荷をそれぞれ読み出すように、前記光電変換部、前記転送部、前記リセット部、前記増幅部、及び前記選択部の各々の動作を制御する制御回路と、
前記短時間蓄積電荷が前記浮遊拡散層に保持されているときに、前記光電変換部からオーバーフローした電荷の前記浮遊拡散層への侵入を防止する防止手段と、
を備えた固体撮像装置。
【請求項２】
前記防止手段は、前記画素それぞれに設けられて、前記光電変換部で生成した電荷を前記浮遊拡散層とは異なる方向に配置したドレイン部へ排出する排出部と、前記制御回路と、からなり、
前記制御回路が、前記短時間蓄積電荷が前記浮遊拡散層に保持されているときに、前記光電変換部からオーバーフローした電荷を前記ドレイン部へ排出するように前記排出部を制御することにより、前記光電変換部からオーバーフローした電荷の前記浮遊拡散層への侵入を防止する請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記防止手段は、前記画素のそれぞれの前記転送部とは異なる方向に設けられ、前記転送部のオフ時の電位ポテンシャルより深いレベルに設定したポテンシャルバリア層である請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記浮遊拡散層に保持された前記短時間蓄積電荷と、前記浮遊拡散層を初期化したリセットレベルとの差分が予め定めた閾値を超える場合に、前記リセットレベル及び前記短時間蓄積電荷に基づいてノイズキャンセル処理を行い、前記差分が前記閾値を超えない場合に、前記リセットレベル及び前記長時間蓄積電荷に基づいてノイズキャンセル処理を行う処理回路を更に備えた請求項１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記処理回路は、アナログデジタル変換後のデジタル信号に基づいてノイズキャンセル処理を行う請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記防止手段は、前記画素それぞれに設けられると共にオフ時のチャネル電位が２値とされて、前記光電変換部で生成した電荷を前記浮遊拡散層とは異なる方向に配置したドレイン部へ排出する排出部、及び前記制御回路からなり、
前記制御回路が、前記光電変換部において前記短時間蓄積電荷を蓄積する期間は、前記２値のうち低い値となるように前記排出部を制御し、前記長時間蓄積電荷を蓄積する期間は、前記２値のうち高い値となるように、前記排出部を制御する請求項１、請求項４、又は請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素は、前記リセット部の前記浮遊拡散層とは反対側に直列接続された第２のリセット部を更に備えた請求項１〜６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記リセット部及び前記第２のリセット部は、ゲート電圧がハイレベルの時、チャネル電位が電源より深くなうように駆動される請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記画素アレイのそれぞれの前記画素は、予め定めた低濃度の基板上に前記浮遊拡散層が画素分離部から離れて形成されると共に、画素分離部の側壁及び底が基板より高濃度のウェルで覆われた構造とされている請求項１〜８の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に、入射光量に対して広いダイナミックレンジが求められる撮影装置などに適用可能な固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光量に対してリニアな応答を示す一般の固体撮像装置では、ダイナミックレンジは画素で扱える最大信号量とノイズレベルとの比で決められる。
【０００３】
このダイナミックレンジを拡大する手法としては、長時間の電荷蓄積で撮像した高感度画像と、短時間蓄積で撮像した低感度画像を合成する手法が良く知られている。例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）でこれを実現する方法の中で、実用的価値が高い方式としては、読み出し時間差を用いた方法がある（特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、図２４に示すように、ｎ行目の信号の読み出しの際、走査方向で前になるΔ行だけ離れた行の信号を読み出せば、その蓄積時間がΔ×(１水平読み出し周期)である短時間蓄積信号が得られ、蓄積時間がフレーム周期−（Δ×(１水平読み出し周期)）となるｎ行目の長時間蓄積信号と合成することにより、高ダイナミックレンジ撮像を行うことができる。
【０００５】
この手法が適用可能な画素構成としては、種々のものが考えられる。例えば、画素内に光電変換部、リセット部、増幅部、および行選択部を有する３トランジスタ（３Ｔ）型であっても良いし、画素内に光電変換部、電荷転送部、リセット部、増幅部、および行選択部を有する４トランジスタ（４Ｔ）型であっても良い。
【０００６】
しかしながら、この手法では、ｎ行目の信号と同時に読み出される信号は、ｎ−Δ行目の信号であり、合成する２つの行信号を同時化するために、ｎ行目の長時間蓄積信号と、その行の短時間蓄積信号を合成するには、Δ行分のバッファメモリが必要となり、回路規模が大きくなる。また、イメージセンサのカラムの読み出し回路も、長時間用と短時間用の２つが必要になる。
【０００７】
一方、メモリを必要としない方法として、特許文献２に記載の技術が提案されている。特許文献２に記載の技術における第２の実施形態では、画素構成として上述した４トランジスタ（４Ｔ）型を用いる。動作としては、まず、Ｔａ期間の蓄積信号を浮遊拡散層に転送・保持し、次にＴｂ期間の蓄積信号を光電変換部に蓄積して、これら２つの信号を１行読み出し期間内に連続して読み出すことで、メモリを必要としない動作を達成している。より具体的には、まず浮遊拡散層に保持したＴａ期間蓄積信号を読み出し、次いで浮遊拡散層をリセットしてリセット信号を読み出し、最後に光電変換部からＴｂ期間蓄積信号を浮遊拡散層に転送し読み出す。そして、前記Ｔａ期間蓄積信号とリセット信号の間で差分信号を得て第１の有効信号とすると共に、前記リセット信号とＴｂ期間蓄積信号の間で差分信号を得て第２の有効信号とする。これら第１の有効信号と第２の有効信号を合成することでワイドダイナミックレンジ信号としている。ここで、浮遊拡散層に保持する期間はＴｂとなることから、保持期間を短くできるＴａ＞Ｔｂとするのが望ましいとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０００−５１６７７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１１５５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載の技術では、メモリを必要としない利点を有するが、過大光が入射した場合には光電変換部から浮遊拡散層（ＦＤ）に電荷がオーバーフローしてしまい、浮遊拡散層（ＦＤ）に保持された信号が濁ってしまう。
【００１０】
更に、リセットより後で読み出すＴｂ期間蓄積信号は、リセット信号とＴｂ期間蓄積信号の間でノイズ相関が有るから、上記差分信号を取ることで正規の相関二重サンプリング（ＣＤＳ）動作が可能で低ノイズであるが、リセットより前に読み出すＴａ期間蓄積信号は、Ｔａ期間蓄積信号とリセット信号の間でノイズ相関が無いから、上記差分信号を取っても正規のＣＤＳ動作ができずノイズが大きいという問題がある。特に上記推奨条件のようにＴａ＞Ｔｂとすると、ノイズの影響が大きい低照度の信号はＴａ期間蓄積信号となることから、この問題は深刻である。
【００１１】
本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、過大光が入射した場合でも光電変換部から電荷が浮遊拡散層にオーバーフローして浮遊拡散層に保持した異なる蓄積期間の信号を濁すことが無く、かつ、１つのカラムの読み出し回路で広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、受光した光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部、前記光電変換部で生成して蓄積した電荷を保持する浮遊拡散層に転送する転送部、前記浮遊拡散層に保持された電荷による電位をリセットするリセット部、前記浮遊拡散層に保持された電荷による電位を増幅して出力する増幅部、及び出力する前記増幅部の出力を選択する選択部を有する画素が行列状に複数配置されて構成された画素アレイと、前記画素アレイを行順次で駆動し、予め定めた短時間で前記光電変換部が蓄積した短時間蓄積電荷を前記浮遊拡散層へ転送し、同じ行の前記短時間蓄積電荷の蓄積時間より長い時間で前記光電変換部が蓄積した長時間蓄積電荷の読み出し時まで前記浮遊拡散層に転送された電荷を保持し、同じ水平読み出し期間のときに、前記短時間蓄積電荷及び前記長時間蓄積電荷をそれぞれ読み出すように、前記光電変換部、前記転送部、前記リセット部、前記増幅部、及び前記選択部の各々の動作を制御する制御回路と、前記短時間蓄積電荷が前記浮遊拡散層に保持されているときに、前記光電変換部からオーバーフローした電荷の前記浮遊拡散層への侵入を防止する防止手段と、を備えている。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、画素アレイは、光電変換部、転送部、リセット部、増幅部、及び選択部を有する画素が行列状に複数配置されて構成されている。
【００１４】
そして、制御回路は、画素アレイを行順次で駆動し、予め定めた短時間で光電変換部が蓄積した短時間蓄積電荷を浮遊拡散層へ転送し、同じ行の短時間蓄積電荷の蓄積時間より長い時間で光電変換部が蓄積した長時間蓄積電荷の読み出し時まで浮遊拡散層に転送された電荷を保持し、同じ水平読み出し期間のときに、短時間蓄積電荷及び長時間蓄積電荷をそれぞれ読み出すように、光電変換部、転送部、リセット部、増幅部、及び選択部の各々の動作を制御する。これにより、メモリを必要とせずに、短時間蓄積電荷と長時間蓄積電荷を合成して読み出してワイドダイナミックレンジ信号とすることができる。
【００１５】
ところで、上述したように、過大光が入射した場合には光電変換部から浮遊拡散層に電荷がオーバーフローしてしまい、浮遊拡散層に保持された信号が濁ってしまう。
【００１６】
そこで、本発明では、防止手段が、短時間蓄積電荷が浮遊拡散層に保持されているときに、光電変換部からオーバーフローした電荷の浮遊拡散層への侵入を防止するようになっている。これによって、浮遊拡散層に保持された信号が濁ってしまうことを防止することができ、リセットより前に読み出す蓄積信号のノイズを抑えることができる。
【００１７】
従って、過大光が入射した場合でも光電変換部から電荷が浮遊拡散層にオーバーフローして浮遊拡散層に保持した異なる蓄積期間の信号を濁すことが無く、かつ、１つのカラムの読み出し回路で広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【００１８】
なお、防止手段は、請求項２に記載の発明のように、前記画素それぞれに設けられて、前記光電変換部で生成した電荷を前記浮遊拡散層とは異なる方向に配置したドレイン部へ排出する排出部と、前記制御回路と、からなり、前記制御回路が、前記短時間蓄積電荷が前記浮遊拡散層に保持されているときに、前記光電変換部からオーバーフローした電荷を前記ドレイン部へ排出するように前記排出部を制御することにより、前記光電変換部からオーバーフローした電荷の前記浮遊拡散層への侵入を防止するようにしてもよい。或いは、請求項３に記載の発明のように、前記画素のそれぞれの前記転送部とは異なる方向に設けられ、前記転送部のオフ時の電位ポテンシャルより深いレベルに設定したポテンシャルバリア層を防止手段として適用するようにしてもよい。
【００１９】
また、本発明は、請求項４に記載の発明のように、前記浮遊拡散層に保持された前記短時間蓄積電荷と、前記浮遊拡散層を初期化したリセットレベルとの差分が予め定めた閾値を超える場合に、前記リセットレベル及び前記短時間蓄積電荷に基づいてノイズキャンセル処理を行い、前記差分が前記閾値を超えない場合に、前記リセットレベル及び前記長時間蓄積電荷に基づいてノイズキャンセル処理を行う処理回路を更に備えるようにしてもよい。この場合には、処理回路は、請求項５に記載の発明のように、アナログデジタル変換後のデジタル信号に基づいてノイズキャンセル処理を行うようにしてもよい。このように、短時間蓄積電荷とリセットレベルの差分を閾値と比較して、ノイズキャンセル処理を切り替えることにより、１つのバッファで広ダイナミックレンジ化を図り、長時間蓄積信号と短時間蓄積信号を共に保持するためのバッファを削減することができる。
【００２０】
なお、防止手段は、請求項６に記載の発明のように、前記画素それぞれに設けられると共に、オフ時のチャネル電位が２値とされて、前記光電変換部で生成した電荷を前記浮遊拡散層とは異なる方向に配置したドレイン部へ排出する排出部、及び前記制御回路からなり、前記制御回路が、前記光電変換部において前記短時間蓄積電荷を蓄積する期間は、前記２値のうち低い値となるように前記排出部を制御し、前記長時間蓄積電荷を蓄積する期間は、前記２値のうち高い値となるように、前記排出部を制御するようにしてもよい。すなわち、短時間蓄積される期間に排出部のチャネル電位を低い値とすることにより、光電変換部から浮遊拡散層への電荷のオーバーフローを行わせて、光電変換部の電荷蓄積容量を増加させ、長時間蓄積される期間に排出部のチャネル電位を高い値とすることにより、光電変換部から浮遊拡散層への電荷のオーバーフローを防止して浮遊拡散層の電荷の濁りを防止することができる。
【００２１】
また、画素は、請求項７に記載の発明のように、前記リセット部の前記浮遊拡散層とは反対側に直列接続された第２のリセット部を更に備えるようにしてもよい。この場合、請求項８に記載の発明のように、前記リセット部及び前記第２のリセット部は、ゲート電圧がハイレベルの時、チャネル電位が電源より深くなうように駆動されるようにしてもよい。このように、第２のリセットを更に備えることにより、浮遊拡散層の電荷蓄積容量を増加させることが可能となる。
【００２２】
これら請求項６及び請求項７の発明により、短時間蓄積時の光電変換部および浮遊拡散層の容量を増大できるから、同じ広ダイナミックレンジを得るための短時間蓄積期間を長くして信号を大きくでき、リセットより前に読み出す短時間蓄積信号に含まれるノイズの影響を抑えることができる。
【００２３】
また、画素アレイのそれぞれの画素は、請求項９に記載の発明のように、予め定めた低濃度の基板上に前記浮遊拡散層が画素分離部から離れて形成されると共に、画素分離部の側壁及び底が基板より高濃度のウェルで覆われた構造としてもよい。このような各画素の構造を適用することにより、浮遊拡散層で発生する暗電流を低減することと、周辺の光により発生した電子が浮遊拡散層に流入するのをブロックすることができるので、浮遊拡散層で保持中の信号電荷への偽信号の混入を低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、短時間蓄積電荷が浮遊拡散層に保持されているときに、光電変換部からオーバーフローした電荷の浮遊拡散層への侵入を防止する防止手段を備えているので、過大光が入射した場合でも光電変換部から電荷が浮遊拡散層にオーバーフローして浮遊拡散層に保持した異なる蓄積期間の信号を濁すことが無く、かつ、１つのカラムの読み出し回路で広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置を提供することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置の画素構成例を示す図である。
【図２】画素をマトリクス状に配置した画素アレイを含む２次元固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置における各画素の動作概要を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置におけるｉ行目の動作をより詳細に示したタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置における動作例をポテンシャルで示した図である。
【図６】図５に示したポテンシャル分布を実現する画素構成例の断面図を示す。
【図７】本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置における動作の他の例をポテンシャルで示した図である。
【図８】図７に示したポテンシャル分布を実現する画素構成例の断面図を示す。
【図９】本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図１０】（Ａ）は本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートであり、（Ｂ）は変形例を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第１実施形態および第２実施形態における、信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ）の入射光量依存性の例を実線で示したものである。
【図１２】本発明の第３実施形態における固体撮像装置の画素構成の例を示した図である
【図１３】本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置におけるｉ行目の動作をより詳細に示したタイミングチャートである。
【図１４】本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置におけるｉ行目の動作の他の例をより詳細に示したタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第３実施形態に係わる固体撮像装置における動作例をポテンシャルで示した図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係わる固体撮像装置における動作の他の例をポテンシャルで示した図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態における、信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ）の入射光量依存性の例を太実線で示したものである。
【図１８】従来の固体撮像装置の画素構成を示す図である。
【図１９】従来の固体撮像装置の画素構成を示す断面図（図１８のＹ−Ｙ断面図）である。
【図２０】本発明の第４実施形態に係わる固体撮像装置の画素構造例を示す図である。
【図２１】本発明の第４実施形態に係わる固体撮像装置の画素構造例を示す断面図（図２０のＹ−Ｙ断面図）である。
【図２２】本発明の第４実施形態に係わる固体撮像装置の画素構造の他の例を示す図である。
【図２３】本発明の第４実施形態に係わる固体撮像装置の画素構造の他の例を示す断面図（図２２のＹ−Ｙ断面図）である。
【図２４】従来のワイドダイナミックレンジ動作を行う固体撮像装置の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下に示す第１〜第３の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００２７】
（第１実施形態）
【００２８】
図１は、本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置の画素構成例を示す図である。
【００２９】
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置は、埋め込みフォトダイオードで構成された光電変換素子ＰＤ、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＬ、及び排出トランジスタＢＧを備えており、これらが１画素として構成されている。なお、以下の説明では、信号電荷は電子とし、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＬ、及び排出トランジスタＢＧは、それぞれＮＭＯＳトランジスタを適用する例を説明するが、極性を逆にすることにより、信号電荷は正孔、トランジスタはＰＭＯＳであっても同様に議論が可能である。
【００３０】
光電変換素子ＰＤのアノードは接地電圧に接続され、光電変換素子ＰＤのカソードと増幅トランジスタＳＦのゲートとの間に転送トランジスタＴＸが接続されている。転送トランジスタＴＸと増幅トランジスタＳＦのゲートとの接続部を浮遊拡散層ＦＤとすると、電源電圧Ｖｄｄと浮遊拡散層ＦＤとの間にリセットトランジスタＲＴが接続されている。増幅トランジスタＳＦのドレインは電源電圧Ｖｄｄに接続され、増幅トランジスタＳＦのソースは、選択トランジスタＳＬを介して信号線Ｖｓｉｇに接続されている。
【００３１】
図２は、図１の画素１０をマトリクス状に配置した画素アレイ２０を含む固体撮像装置（２次元イメージセンサ）の構成例を示す図である。
【００３２】
図２に示すように、マトリクス状に配置された各画素１０には、固体撮像装置全体の電源線１３に接続された電源線１２が接続されており、当該電源線１２によって、リセットトランジスタＲＴ及び増幅トランジスタＳＦの各ドレインに電源電圧Ｖｄｄがそれぞれ印加される。
【００３３】
また、各画素１０には、駆動線１５が接続されている。転送トランジスタＴＸに対する駆動線、リセットトランジスタＲＴに対する駆動線、選択トランジスタＳＬに対する駆動線を１つにして示したものであり、該各駆動線は、対応するトランジスタのゲートにそれぞれ接続されている。
【００３４】
駆動線１５は、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＴ、及び選択トランジスタＳＬへ駆動信号を与える行デコーダ回路１４に接続されている。行デコーダ回路１４は特定の行を選択して駆動線１５へ駆動信号を与える。
【００３５】
また、行デコーダ回路１４には、タイミング発生回路１１が接続されており、タイミング発生回路１１から制御信号を行デコーダ回路１４に出力することにより特定の行を選択して駆動信号をトランジスタに与える。
【００３６】
さらに、各画素１０には、信号線Ｖｓｉｇが接続されており、信号線Ｖｓｉｇは、カラム信号処理回路１６に接続されている。カラム信号処理回路１６には、タイミング発生回路１１が接続されたカラムデコーダ回路１７が接続されている。すなわち、信号線Ｖｓｉｇからの信号は、カラム信号処理回路１６に入力され、カラム信号処理回路１６でアナログ又はアナログとデジタルの信号処理が施される。この後、タイミング発生回路１１からの制御信号により制御されるカラムデコーダ回路１７によって、カラムごとの信号が水平信号線１８へ読み出され、信号処理回路１００に出力される。なお、タイミング発生回路１１、行デコーダ回路１４、カラム信号処理回路１６及びカラムデコーダ回路１７は本発明の制御回路に相当する。
【００３７】
続いて、このように構成された本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置における各画素の動作について説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置における各画素の動作概要を示す図である。ここで、図３の横軸は時間、縦軸は垂直走査方向を示す。
【００３８】
図３より明らかなように、各行の動作は１水平走査期間（１Ｈ）毎に順次移動するローリング動作である。まず、それぞれの行に対して、実線で示す時刻でフレームが（ｎ−１）回目の読出し動作により転送トランジスタＴＸを動作させて光電変換素子ＰＤの電荷を空にする。次に、破線で示す時刻でフレームが（ｎ）回目の転送トランジスタＴＸの動作を行い、先の転送動作以降の期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の間に蓄積した短時間蓄積電荷を浮遊拡散層ＦＤに転送しそこで保持する。最後に、実線で示す時刻でフレームが（ｎ）回目の読出し動作を行い、浮遊拡散層ＦＤの電位を増幅トランジスタＳＦ、及び選択トランジスタＳＬを介して信号線Ｖｓｉｇに読み出す。すなわち、まず浮遊拡散層ＦＤに保持された期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の短時間蓄積電荷信号を読み出し、リセット動作によりリセット電位を読み出し、最後に転送トランジスタＴＸを動作させて期間Ｔｉｎｔ（Ｌ）の長時間蓄積電荷信号を読み出す。
【００３９】
図４は、本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置におけるｉ行目の動作をより詳細に示したタイミングチャートである。なお、図４中のφＢＧ（ｉ）は排出トランジスタＢＧへ印加するパルス信号を表し、φＴＸ（ｉ）は、転送トランジスタＴＸへ印加するパルス信号を表し、φＲＴ（ｉ）はリセットトランジスタＲＴへ印加するパルス信号を表し、φＳＬ（ｉ）は選択トランジスタＳＬへ印加するパルス信号を表す。
【００４０】
図４に示すように、まずφＴＸ（ｉ）により時刻ｔ０で前フレームの読み出し動作を行い、光電変換素子ＰＤの電荷を空にする。次いで時刻ｔ１で転送トランジスタＴＸの動作を行い、光電変換素子ＰＤに蓄積した電荷を浮遊拡散層ＦＤに転送しそこで保持する。ここで、φＢＧ（ｉ）により時刻ｔ０とｔ１の間の時刻ｔｇで排出トランジスタＢＧを動作させると、光電変換素子ＰＤの蓄積時間は時刻ｔｇから時刻ｔ１までのＴｉｎｔ（Ｓ’）となるが、排出トランジスタＢＧを動作させない場合には、光電変換素子ＰＤの蓄積時間は時刻ｔ０から時刻ｔ１までのＴｉｎｔ（Ｓ）となる。次にφＳＬ（ｉ）により時刻ｔ３で選択トランジスタＳＬを動作させ、浮遊拡散層ＦＤに保持された期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）（ないしＴｉｎｔ（Ｓ’））の蓄積信号Ｓｉｇ（Ｓ）を読み出す。その後φＲＴ（ｉ）により時刻ｔ４でリセットトランジスタＲＴを動作させ、浮遊拡散層ＦＤのリセットレベル信号Ｒｅｓ（Ｌ）を読み出す。更にその後、φＴＸ（ｉ）により時刻ｔ２でトランジスタＴＸを動作させて、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔｉｎｔ（Ｌ）の間に光電変換素子ＰＤで蓄積した信号Ｓｉｇ（Ｌ）を読み出す。ここで、Ｔｉｎｔ（Ｓ）＜Ｔｉｎｔ（Ｌ）とするのが望ましい。即ち、Ｔｉｎｔ（Ｓ）が短時間蓄積、Ｔｉｎｔ（Ｌ）が長時間蓄積を表す。
【００４１】
図５は本発明の第１実施形態に係わる固体撮像装置における動作例をポテンシャル分布図で示したものである。但し、図５では、読み出し動作前の状態を示し、図４での時刻ｔ３に相当する状態を示す。即ち、浮遊拡散層ＦＤには期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の蓄積信号Ｑ（Ｓ）が保持されており、光電変換素子ＰＤには期間Ｔｉｎｔ（Ｌ）の蓄積信号Ｑ（Ｌ）が保持されている。ここで、本実施形態では、転送トランジスタＴＸのオフ時ポテンシャルより排出トランジスタＢＧのオフ時ポテンシャルの方が少し深いレベル、例えば転送トランジスタＴＸ側のオフリーク電流に対して排出トランジスタＢＧ側のオフリーク電流を１０００倍以上とすると、ポテンシャル差は０．２Ｖ以上に設定するようにしている。このため、強い入射光により光電変換素子ＰＤの電荷が一杯になっても排出トランジスタＢＧ側でオーバーフローするため、浮遊拡散層ＦＤに保持された信号電荷が濁されることは防止される。ここで、転送トランジスタＴＸ側と排出トランジスタＢＧ側間でチャネルにポテンシャル差を形成する方法としては、例えば、排出トランジスタＢＧ側にｎ型の不純物をイオン注入し閾値を下げる方法や、チャネルは同じ構造で排出トランジスタＢＧ側のオフ側電圧を転送トランジスタＴＸ側のオフ側電圧より必要なポテンシャル差だけ高くする方法等がある。なお、排出トランジスタＢＧが時刻ｔｇで動作（オン）する場合には、破線で示すように、光電変換素子ＰＤに蓄積した電荷は排出トランジスタＢＧ側から排出される。
【００４２】
以上の動作で読み出された３つの信号、期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の蓄積信号Ｓｉｇ（Ｓ）、リセットレベル信号Ｒｅｓ（Ｌ）、期間Ｔｉｎｔ（Ｌ）の蓄積信号Ｓｉｇ（Ｌ）は、１行期間内に連続して得られるから、図２４に示した従来例のような行信号を保持するメモリが不要となる。上記３つの信号、Ｓｉｇ（Ｓ）、Ｒｅｓ（Ｌ）、Ｓｉｇ（Ｌ）は、図２におけるカラム信号処理回路１６ないし信号処理回路１００において、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理がされる。即ち、Ｓｉｇ（Ｓ）とＲｅｓ（Ｌ）の間で差分処理されて短時間蓄積信号が得られ、Ｒｅｓ（Ｌ）とＳｉｇ（Ｌ）の間で差分処理されて長時間蓄積信号が得られる。このうち、後者では２信号間でノイズ相関があり正規のＣＤＳ動作となって低ノイズであるが、前者は２信号間でノイズ相関が無く正規のＣＤＳ動作にはならず、リセットノイズが残りノイズが大きくなる。その関係については、詳細を後述する。
【００４３】
ここで、図５に示したポテンシャル分布を実現するための画素構成例について説明する。図６は、図５に示したポテンシャル分布を実現する画素構成例の断面図を示す。
【００４４】
図６に示すように、光電変換素子ＰＤは埋め込みフォトダイオード構造であり、光電変換により発生した電子を蓄積するｎ層の上で半導体表面に、高濃度のＰ＋層が形成される。また、転送トランジスタＴＸおよび排出トランジスタＢＧでは、半導体表面上の薄い酸化膜を介して電極が形成されている。このように画素を構成することで上述の図５に示すポテンシャル分布を実現することができる。
【００４５】
なお、図７に示すように、図５とは異なり排出トランジスタＢＧを有せず、固定されたポテンシャルＶＢのバリヤ層が光電変換素子ＰＤとドレインＶｄｄの間に形成された画素構成例を適用するようにしてもよい。すなわち、図７の例では、ポテンシャルＶＢの値を、転送トランジスタＴＸのオフ時ポテンシャルより少し深いレベルに設定することにより、強い入射光によりＰＤの電荷が一杯になっても転送トランジスタＴＸ側ではなくＶＢ側にオーバーフローする。
【００４６】
図８は、図７に示したポテンシャル分布を実現する画素構成例の断面図を示す。図６の場合に比べ、排出トランジスタＢＧが無く、代わりにポテンシャルバリヤ層がｎ層の存在しない領域を形成することで達成している。ここで、ｎ層の存在しない領域の幅を調整することで、図７に示すバリヤ層の高さＶＢを調整することが可能となる。
【００４７】
なお、図６、図８で示すように、浮遊拡散層ＦＤ部で直接光電変換しないように、浮遊拡散層ＦＤ側の上部に遮光用メタル２２を設けることが好ましい。
【００４８】
（第２実施形態）
【００４９】
続いて、本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置について説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置（２次元イメージセンサ）の構成例を示す図である。なお、第２実施形態に係わる固体撮像装置は、第１実施形態に対して、本発明の制御回路に含まれる各カラムの信号処理が異なり、各画素１０については図１で示した構成が適用される。以下では、第１実施形態と同一構成については同一符号を付して説明する。
【００５０】
本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置は、図９に示すように、マトリクス状に配置された各画素１０には、駆動線１５が接続されている。駆動線１５は、転送トランジスタＴＸに対する駆動線、リセットトランジスタＲＴに対する駆動線、選択トランジスタＳＬからなり、該各駆動線は、対応するトランジスタのゲートにそれぞれ接続されている。
【００５１】
駆動線１５は、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＴ、及び選択トランジスタＳＬへ駆動信号を与える垂直シフトレジスタ２４に接続されている。
【００５２】
また、垂直シフトレジスタ２４には、タイミング発生回路１１が接続されており、タイミング発生回路１１から制御信号を垂直シフトレジスタ２４に出力することにより特定の行を選択して駆動信号をトランジスタに与える。
【００５３】
また、各画素１０には、信号線Ｖｓｉｇが接続されており、信号線Ｖｓｉｇは、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器ＡＤＣに接続されている。Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣにはレジスタ（Ｒｅｇ．（Ｓ）、Ｒｅｇ．（Ｒ））、及び比較器を介して水平データスキャナ２６が接続されている。Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣ、レジスタ（Ｒｅｇ．（Ｓ）、Ｒｅｇ．（Ｒ））、及び比較器はタイミング発生回路１１が接続されており、タイミング発生回路１１からの制御信号によってカラム毎の信号が水平データスキャナ２６へ読み出される。
【００５４】
続いて、本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置の動作について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係わる固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００５５】
本実施形態では、まず光電変換素子ＰＤにおいて短時間蓄積した信号を、浮遊拡散層ＦＤに転送し、これを同じ行の長時間蓄積信号の読み出し周期のときまで、記憶しておき、両者がカラムに設けたＡ／Ｄ変換器ＡＤＣによって読み出しができるようにする。図１０（Ａ）において、Ｔｉｎｔ（Ｓ）が、短時間蓄積の時間、Ｔｉｎｔ（Ｌ）が長時間蓄積の時間である。ある行(ｉ番目の行)の読み出しは、図１０（Ａ）において画素選択信号ＳＬｉ(ｉは１からＮ)に"１"を与えて行う。ある行(ｉ番目の行)の信号のＡ／Ｄ変換は、まず浮遊拡散層ＦＤに蓄積されている短時間蓄積信号に対して行う。その値をＳ１とする。次いで、その行の浮遊拡散層ＦＤの初期化(リセット)をＲＴｉ(ｉは１からＮ)に"１"を与えて行う。そのリセットレベルをカラムのＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでＡ／Ｄ変換する。その値をＲ１とする。両者の差であるＲ１−Ｓ１を求めることで、画素部で発生する固定パターンノイズ等がキャンセルされ、短時間蓄積された光電荷に比例した信号が求められる。
【００５６】
次に、その行の転送ゲートＴＸｉ(ｉは１からＮ)を開き、光電変換素子に蓄積されている長時間蓄積信号を浮遊拡散層ＦＤに転送する。これにより、浮遊拡散層ＦＤの電位は、長時間蓄積による光電荷に比例した電圧変化が現れる。その出力をカラムＡ／Ｄ変換器ＡＤＣによりＡ／Ｄ変換する。そのレベルをＳ２とする。画素部で発生するリセットノイズ、固定パターンノイズがキャンセルされ、長時間蓄積された光電荷に比例した信号は、Ｒ１−Ｓ２を求めることで得ることができる。
【００５７】
このとき、短時間蓄積信号が、ある程度大きいときは、長時間蓄積信号は非常に大きな信号となっており、光電変換素子で扱える飽和電子数を超えたり、あるいはＡ／Ｄ変換器ＡＤＣに線形に読み出すことができる最大値を超える、あるいはＡ／Ｄ変換できる最大電圧を超える信号となる。すなわち飽和した信号となっている。そのような場合には、長時間蓄積信号を捨てて、短時間蓄積信号のみをレジスタ（Ｒｅｇ．）に記憶すればよい。そのような動作を行うために、図９に示すように比較器を設け、短時間蓄積信号（Ｒ１−Ｓ１）としきい値ＴＨを比較し、しきい値ＴＨを超えていれば、長時間蓄積信号をレジスタＲｅｇ．（Ｓ）に記憶せず、Ｓ１を残したままにする。しきい値ＴＨを超えていなければ、長時間蓄積信号に対するＡ／Ｄ変換値をレジスタＲｅｇ．（Ｓ）に記憶し、Ｓ１の値をＳ２で上書きする。
【００５８】
このようにして得られたＲ１−Ｓ１または、Ｒ１−Ｓ２の信号を、水平データスキャナ２６によって外部に出力する。このとき、各カラムのデータが、Ｒ１−Ｓ１であるのかＲ１−Ｓ２であるのかを示すフラグ信号として、比較器の出力の値もカラム毎に読み出す。
【００５９】
イメージセンサの外部では、飽和フラグと、出力データを用いて、高ダイナミックレンジの信号とすることができる。例えば、線形の高ダイナミックレンジの信号を合成するためには、最終出力をＺとして以下の演算を行えばよい。
【００６０】
(飽和フラグが"０"：Ｒ１−Ｓ１＞ＴＨの場合）
【００６１】
Ｚ＝Ｍ×（Ｒ１−Ｓ１）
【００６２】
(飽和フラグが"１"：Ｒ１−Ｓ１＜ＴＨの場合）
【００６３】
Ｚ＝Ｒ１−Ｓ２
【００６４】
ここで、Ｍは、長時間蓄積時間Ｔｉｎｔ（Ｌ）と短時間蓄積時間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の比、Ｍ＝Ｔｉｎｔ（Ｌ）／Ｔｉｎｔ（Ｓ）である。例えば、Ｍ＝３２として、Ｒ１−Ｓ１、Ｒ１−Ｓ２がそれぞれ、１２ビットで表されるとすれば、短時間蓄積信号によって、３２倍（５ビット相当）にダイナミックレンジが拡大されるので、１７ビットの線形のダイナミックレンジをもった信号が得られる。Ｒ１−Ｓ２によるダイナミックレンジが７０ｄＢあるとすれば、３２倍のダイナミックレンジ拡大によって、約１００ｄＢのダイナミックレンジが得られる。
【００６５】
フレーム周期を１Ｆとして、長時間蓄積と短時間蓄積に利用できる時間の和Ｔｉｎｔ（Ｌ）−Ｔｉｎｔ（Ｓ）は最も長い場合で１Ｆである。これを図１０（Ａ）に示す。イメージセンサに入射する光が全体的に明るく、感度を調整するために、長時間蓄積時間と短時間蓄積時間の和Ｔｉｎｔ（Ｌ）＋Ｔｉｎｔ（Ｓ）を１Ｆよりも短くすることができる。その場合の動作を、図１０（Ｂ）に示す。即ち、短時間蓄積の開始時間を前フレームの長時間蓄積信号読み出し動作より後の時刻とし、その時ＲＴｉとＴＸｉを同時に”１”とすることにより、それ以前に光電変換素子ＰＤに蓄積した電荷を排出する。
【００６６】
図１１は、本発明の第１実施形態および第２実施形態における、信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ）の入射光量依存性の例を実線で示したものである。ここで、横軸は入射光量（相対値）、縦軸はＳ／Ｎ（ｄＢ値）である。入射光強度が小さい領域では長時間蓄積信号Ｓｉｇ（Ｌ）が出力される。本信号では正規のＣＤＳ動作により背景ノイズは小さく抑えられ、ここでは読み出しノイズ電子数が5個での例を示す。光信号の増大と共に光ショットノイズが増大するが、信号電子数の平方根に比例するため、信号増大と共にＳ／Ｎは向上する。相対入射光量が１で信号が飽和付近、ここでの例として電子数20,000個に達すると、出力は短時間蓄積信号Ｓｉｇ（Ｓ）に切り替えられる。入射光量が更に増大しても、Ｓｉｇ（Ｓ）が飽和に達するまで入射光量への応答が可能で、蓄積時間の比、Ｔｉｎｔ（Ｌ）／Ｔｉｎｔ（Ｓ）＝Ｋ＝１００とすると、ダイナミックレンジは１００倍に拡大され、ワイドダイナミックレンジ動作が可能となる。
【００６７】
入射光量相対値＝１以上で、出力が長時間蓄積信号Ｓｉｇ（Ｌ）から短時間蓄積信号Ｓｉｇ（Ｓ）に切り替わる時、信号電子数が１／Ｋに低下するため、Ｓ／Ｎは低下する（これをＳ／Ｎディップという）。更に、Ｓｉｇ（Ｓ）は正規のＣＤＳ動作とならないため、ここでの例として電子数２１個のリセットノイズが加わる。このため前記Ｓ／Ｎディップが一層大きくなる。図１１に示す本例では、正規のＣＤＳ動作が維持される破線で示したメモリ方式に比べてＳ／Ｎディップは数ｄＢ大きくなる。これを改善する方法について以下に述べる。
【００６８】
（第３実施形態）
【００６９】
図１２は、本発明の第３実施形態における固体撮像装置の画素構成の例を示した図である。図１２において画素３０は、図１における画素１０と比べ、浮遊拡散層ＦＤと電源Ｖｄｄとの間に第１のリセットトランジスタＲＴ１および第２のリセットトランジスタＲＴ２を直列に接続したことのみが異なる。従って、図２においても画素１０を３０に置き換えることで、第３の実施形態に対応する２次元個体撮像装置となる。ここで、リセットトランジスタＲＴ１および第２のリセットトランジスタＲＴ２は、ゲート電圧がハイレベルの時、チャネル電位が電源Ｖｄｄより深くなるように設定される。
【００７０】
図１２の画素を用いた２次元個体撮像装置のｉ行目の動作を図１３に示す。なお、図１３中のφＢＧ（ｉ）は排出トランジスタＢＧへ印加するパルス信号を表し、φＴＸ（ｉ）は、転送トランジスタＴＸへ印加するパルス信号を表し、φＲＴ１（ｉ）は第１のリセットトランジスタＲＴ１へ印加するパルス信号を表し、φＲＴ２（ｉ）は第２のリセットトランジスタＲＴ２へ印加するパルス信号を表し、φＳＬ（ｉ）は選択トランジスタＳＬへ印加するパルス信号を表す。
【００７１】
図１３に示すように、まず、φＴＸ（ｉ）により時刻ｔ０で前フレームの読み出し動作を行い、光電変換素子ＰＤの電荷を空にする。次いで時刻ｔ１で転送トランジスタＴＸの動作を行い、光電変換素子ＰＤに蓄積した電荷を浮遊拡散層ＦＤに転送しそこで保持する。ここで、光電変換素子ＰＤの蓄積時間は時刻ｔ０から時刻ｔ１までのＴｉｎｔ（Ｓ）となる。更に、φＢＧ（ｉ）により排出トランジスタＢＧの電位（ゲート印加電位）をＶＢＧ（Ｌ１）とＶＢＧ（Ｌ２）の２値とし、光電変換素子ＰＤの蓄積時間となる期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の間は、低い側のＶＢＧ（Ｌ２）とする。
【００７２】
次にφＳＬ（ｉ）により時刻ｔ３で選択トランジスタＳＬを動作させ、浮遊拡散層ＦＤに保持された期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の蓄積信号Ｓｉｇ（Ｓ）を読み出す。ここで、φＲＴ１（ｉ）により第１のリセットトランジスタＲＴ１は、前フレームの読み出し動作が終了した直後（時刻ｔ０６）から次に述べる時刻ｔ４までの間はオンとし、φＲＴ２（ｉ）により第２のリセットトランジスタＲＴ２は、次に述べる時刻ｔ５、および時刻ｔ４から時刻ｔ６までの間はオンとする。これにより、光電変換素子ＰＤにおける期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の電荷蓄積動作時およびこの蓄積信号が浮遊拡散層ＦＤに保持されている時刻ｔ５までの間、浮遊拡散層ＦＤは第１のリセットトランジスタＲＴ１のチャネルおよびリセットトランジスタＲＴ２のソース側までが接続された状態となり、浮遊拡散層ＦＤに保持可能な電荷容量が増大する。この浮遊拡散層ＦＤに保持可能な電荷容量が増大した状態で、時刻ｔ３から時刻ｔ５の期間にＴｉｎｔ（Ｓ）に蓄積した信号Ｓｉｇ（Ｓ）の検出を行い、時刻ｔ５から時刻ｔ４の期間にリセットレベルＲｅｓ（Ｓ）の検出を行う。
【００７３】
その後φＲＴ２（ｉ）により時刻ｔ４から時刻ｔ６までの期間、第２のリセットトランジスタＲＴ２をオン状態とし、第１のリセットトランジスタＲＴ１のドレインを電源Ｖｄｄに保持する。この状態で、φＲＴ１（ｉ）により時刻ｔ４で第１のリセットトランジスタＲＴ１をオンからオフにして、浮遊拡散層ＦＤをフローティング状態にし、浮遊拡散層ＦＤに保持可能な電荷容量を小さい状態に戻す。そして、まずリセットレベルＲｅｓ（Ｌ）を読み出した後、時刻ｔ２で転送トランジスタＴＸの動作を行い、光電変換素子ＰＤにおける期間Ｔｉｎｔ（Ｌ）の蓄積信号Ｓｉｇ（Ｌ）を検出する。ここで、Ｔｉｎｔ（Ｓ）＜Ｔｉｎｔ（Ｌ）とするのが望ましい。なお、Ｔｉｎｔ（Ｓ）が短時間蓄積、Ｔｉｎｔ（Ｌ）が長時間蓄積を表す。図１３では、フレーム周期を１Ｆとして、Ｔｉｎｔ（Ｓ）＋Ｔｉｎｔ（Ｌ）＝１Ｆの場合を示したが、イメージセンサに入射する光が全体的に明るく、感度を調整するために、Ｔｉｎｔ（Ｓ）＋Ｔｉｎｔ（Ｌ）＜１Ｆとすることができる。その場合を図１４に示す。
【００７４】
図１４は、図１３に比べ、φＢＧ（ｉ）により時刻ｔ０と時刻ｔ１の間の時刻ｔｇで排出トランジスタＢＧを動作させ、光電変換素子ＰＤの蓄積時間を時刻ｔｇから時刻ｔ１までのＴｉｎｔ（Ｓ’）に短縮したことのみ異なる。即ち、時刻ｔｇで排出トランジスタＢＧがハイレベルとなることにより、光電変換素子ＰＤに蓄積した電荷が全てドレインに排出され初期化される。ここで、排出トランジスタＢＧの電位は、時刻ｔｇでハイレベル、時刻ｔｇから時刻ｔ１の間はローレベルの低い側ＶＢＧ（Ｌ２）、時刻ｔ１から次のフレームの時刻ｔｇまではローレベルの高い側ＶＢＧ（Ｌ１）の３値となる。
【００７５】
図１５は本発明の第３実施形態に係わる固体撮像装置における動作例（図１３の動作）をポテンシャル分布図で示したものである。即ち、第１のリセットトランジスタＲＴ１がオン状態で浮遊拡散層ＦＤから第２のリセットトランジスタＲＴ２のソースまでが繋がった状態において、期間Ｔｉｎｔ（Ｓ）の短時間蓄積信号が保持されており、浮遊拡散層ＦＤに保持可能な電荷容量を短時間蓄積の側では拡大することが可能となる。他方、長時間蓄積では、第２のリセットトランジスタＲＴ２がオン状態で第１のリセットトランジスタＲＴ１がオンからオフすることにより浮遊拡散層ＦＤは、転送トランジスタＴＸと増幅トランジスタＳＦのゲートとの接続部に限定され、浮遊拡散層ＦＤに保持可能な電荷容量は小さく、高い変換ゲインが維持される。光電変換素子ＰＤで長時間蓄積を行っている間は、排出トランジスタＢＧの電位は２値の高い側のＶＢＧ（Ｌ１）であるため、転送トランジスタＴＸのオフ時ポテンシャルより排出トランジスタＢＧのオフ時ポテンシャルの方が少し深いレベルになり、強い入射光によりＰＤの電荷が一杯になってもＢＧ側へオーバーフローするため、浮遊拡散層ＦＤに保持された短時間蓄積の信号電荷が濁されることは防止される。他方、短時間蓄積を行っている間は、排出トランジスタＢＧの電位は２値の低い側のＶＢＧ（Ｌ２）であるため、転送トランジスタＴＸのオフ時ポテンシャルより排出トランジスタＢＧのオフ時ポテンシャルの方が少し浅いレベルになり、強い入射光により光電変換素子ＰＤの電荷が一杯になると、浮遊拡散層ＦＤ側へオーバーフローする。従って、この場合には、光電変換素子ＰＤの許容電荷量以上の電荷を浮遊拡散層ＦＤで受けることが可能となる。即ち、光電変換においても、短時間蓄積の飽和電荷量を長時間蓄積の飽和電荷量より拡大することが可能となる。
【００７６】
図１６は本発明の第３実施形態に係わる固体撮像装置における動作の他の例（図１４の動作）をポテンシャル分布図で示したものであり、図１５に比べ、排出トランジスタＢＧを図１４の時刻ｔｇでハイレベルとして、図１６の一点鎖線で示すように、光電変換素子ＰＤに蓄積した電荷を排出する動作が付加されたことのみが異なる。
【００７７】
図１７は、本発明の第３の実施形態における、信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ）の入射光量依存性の例を太実線で示したものである。比較のため、図１１に示した本発明の第１実施形態および第２実施形態を細実線で、またメモリ方式の場合を破線で示す。ここで、横軸および縦軸は図１１と同じ定義である。また、この場合の第３実施形態として、長時間蓄積では、飽和電子数が20,000個、読み出しノイズ電子数が5個であるが、短時間蓄積では、浮遊拡散層ＦＤの容量をＭ＝５倍に高めること、およびＰＤでオーバーフローした電荷を高容量となった浮遊拡散層ＦＤで受けることにより、飽和電子数が100,000個とする。ここで、浮遊拡散層ＦＤを５倍に高容量化したことでリセットノイズ＝21×√5＝47電子とし、Ｔｉｎｔ（Ｌ）／Ｔｉｎｔ（Ｓ）＝Ｋ＝10とする。Ｋの値を小さくしたことにより、リセットノイズ電子数が増大しても、全体ではＳ／Ｎディップが小さくなる。他方、Ｋの値が小さいとダイナミックレンジが低下するが、飽和電子数が増大した効果で、ダイナミックレンジは通常素子のＫ×Ｍ＝５０倍にまで高められる。結果として、従来のメモリ方式と比べてもＳ／Ｎディップは小さく、かつ高いダイナミックレンジが維持されることになる。
【００７８】
第３の実施形態での他の利点として、浮遊拡散層ＦＤでの暗電流および寄生感度（説明は後述する）の影響を受け難くする効果がある。浮遊拡散層ＦＤ部は通常、Ｐ層半導体上に形成されたＮ＋層からなるＰＮ接合であり、埋め込みフォトダイオードからなる光電変換素子ＰＤより暗電流が大きい。また、浮遊拡散層ＦＤ部は遮光され、入射光に対して不感応に形成されるが、わずかに光に応答すると寄生感度となる。前記短時間蓄積電荷は、１フレーム期間の大部分となるＴｉｎｔ（Ｌ）の間、この浮遊拡散層ＦＤに蓄積保存されるから、浮遊拡散層ＦＤ部の暗電流や寄生感度はこの蓄積電荷信号を濁すことになる。第３実施形態では、短時間蓄積電荷を保持している間、浮遊拡散層ＦＤの容量を通常のＭ倍に大きくしているから、これら浮遊拡散層ＦＤ部の暗電流や寄生感度による電荷の出力への影響を１／Ｍに軽減することになる。
【００７９】
なお、本実施形態の各カラムの信号処理は、第１実施形態を適用するようにしてもよいし、第２実施形態を適用するようにしてもよい。
【００８０】
（第４実施形態）
【００８１】
以上、本発明の第１から第３までの実施形態のいずれにおいても、短時間蓄積信号電荷Ｑ（Ｓ）を、時刻ｔ１からほぼ時刻ｔ３までの１フレーム期間の大部分の時間、浮遊拡散層ＦＤに保持する必要がある。しかしながら、浮遊拡散層ＦＤ部は通常、図１８、１９に示すように、ｐウェルＰＷ上のｎ＋ダイオードからなる構造であり暗電流が大きい。従って、保持された信号電荷が暗電流電荷によって濁され、その暗電流が画素毎にばらつくと固定パターンノイズとなる。暗電流が大きい理由を以下に述べる。なお、図１８は従来の固体撮像装置の画素構造を示す平面図であり、図１９は図１８のＹ−Ｙ断面図である。
【００８２】
図１９に示すように従来構造では、ｎ＋ダイオードは画素分離酸化膜ＳＴＩにより区切られるが、画素分離酸化膜ＳＴＩと半導体との境界は非常に結晶欠陥が多い。ｎ＋ダイオードはｐウェルＰＷに対して数Ｖ程度の逆バイアス電圧が印加されているから、空乏層がｐウェルＰＷ側に延び、上記結晶欠陥の多い画素分離酸化膜ＳＴＩ境界の一部が空乏化する（図１９中のＸ印部）。従って、空乏化により活性状態となった上記欠陥を介して生成・再結合による大きな暗電流が発生する。本実施形態では、このような問題に鑑み浮遊拡散層ＦＤ部の暗電流を低減する方法を開示するものである。
【００８３】
図２０、２１は、本発明の第４実施形態に係わる固体撮像装置の画素構造例を示す図であり、図２０は第４実施形態の一例を示す平面図であり、図２１は第４実施形態の一例を示す断面図（図２０のＹ−Ｙ断面図）である。
【００８４】
ここで、ｐウェルは第１ｐウェルＰＷ１と第２ｐウェルＰＷ２の２種類とされ、第１ｐウェルＰＷ１では半導体表面から画素分離酸化膜ＳＴＩより深い領域までがｐ基板より数１０倍から数１００倍高濃度とされ、第２ｐウェルＰＷ２は半導体表面では基板濃度に近い低濃度であるがｎ＋層より深い領域ではｐ基板より数１０倍から数１００倍高濃度とされる。
【００８５】
浮遊拡散層ＦＤを形成するｎ＋ダイオードと画素分離酸化膜ＳＴＩとは分離領域により分離されており、第１ｐウェルＰＷ１は上記画素分離酸化膜ＳＴＩ部および分離領域の少なくとも一部を覆うが、ｎ＋ダイオード部とは境を接する、ないし離れて重ならない構造とされる（図２１では離れて重ならない構造とされた例を示す）。このため、ｎ＋ダイオードから第１ｐウェルＰＷ１側に延びた空乏層は画素分離酸化膜ＳＴＩ境界には達しないため、前記暗電流の主要発生源（図２１中のＸ印部）は第１ｐウェルＰＷ１で覆われて不活性化され、低暗電流化が図られる。
【００８６】
浮遊拡散層ＦＤ部に信号電荷を蓄積する動作では、低暗電流化と共に、周辺で光により発生した電荷（ここでは電子）が拡散により流入する（これは寄生感度と呼ばれる）ことを防止することも重要である。第２ｐウェルＰＷ２はｐ基板に対して十分な濃度比を有するためビルトイン電位差を持ち、拡散電子に対して電位バリヤを形成する。第２ｐウェルＰＷ２の領域は、図２０、２１に示すように、浮遊拡散層ＦＤ部から周辺画素分離酸化膜ＳＴＩ部まで延びており浮遊拡散層ＦＤ部の下方を覆うから、周辺の光により発生した電子が浮遊拡散層ＦＤに流入するのをブロックする。これを図２１中の矢印で示す。これにより、寄生感度を低減することが可能となる。
【００８７】
図２２、２３は、本発明の第４実施形態に係わる固体撮像装置の画素構造の他の例を示す図であり、図２２は第４実施形態の他の例を示す平面図であり、図２３は第４実施形態の他の例を示す断面図（図２２のＹ−Ｙ断面図）である。図２０、２１との相違は、第２ｐウェルＰＷ２を省いた点のみである。
【００８８】
本ワイドダイナミックレンジ動作では、短時間蓄積信号が浮遊拡散層ＦＤ部に保持されている期間、ほぼ同じ画像の長時間蓄積信号が光電変換素子ＰＤで蓄積動作を行っている。従って、たとえある程度の寄生感度が存在しても、それは短時間蓄積信号の信号レベルが多少増大するのみで、偽信号とはならない。即ち、長時間蓄積信号と短時間蓄積信号との感度比が、前記Ｋで示した蓄積時間比の値から多少ずれるのみとなる。よって、構造的に複雑となる図２０、２１の第２ｐウェルＰＷ２を省いても、偽画像は生じない。図２２、２３はこれを実現する構造を示したものである。
【符号の説明】
【００８９】
１０、３０    画素
１１    タイミング発生回路
１２、１３    電源線
１４    行デコーダ回路
１５    駆動線
１６    カラム信号処理回路
１７    カラムデコーダ回路
１８    水平信号線
２０    画素アレイ
２４    垂直シフトレジスタ
２６    水平データスキャナ
１００    信号処理回路
ＰＤ    光電変換素子
ＦＤ    浮遊拡散層
ＴＸ    転送トランジスタ
ＲＴ    リセットトランジスタ
ＲＴ１    第１のリセットトランジスタ
ＲＴ２    第２のリセットトランジスタ
ＳＦ    増幅トランジスタ
ＳＬ    選択トランジスタ
ＢＧ    排出トランジスタ
Ｖｓｉｇ    信号線
Ｖｄｄ    電源
【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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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図１１】
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【図１７】
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【図２４】
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