(57)【要約】【課題】電荷転送素子を用いた固体撮像素子、カメラにおいて、高いＳＮ比と大きい飽和電荷量とを両立させる。【解決手段】電荷転送素子の浮遊拡散層方式の出力部において、２個の浮遊拡散層７，１０と２個のリセットゲート９，１１とを交互に直列に配し、２個のリセットゲート９，１１の駆動によって、大小２種類の検出容量を実現する。この結果、１つの信号電荷に対して、大小の検出容量で信号として読み出し、２種の信号を合成する。さらに、それぞれの信号に対して相関二重サンプリング回路１８，１９で処理を行う。【選択図】図１１
2013005227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
第１の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオンレベルにそれぞれ設定し、
第２の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、
第３の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートを０ボルトより深いチャネルレベルに設定されたオフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、
第４の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートを前記オフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、
第５の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定することを周期的に行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、
前記増幅器の出力が入力された相関二重サンプリング回路とを備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項３】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、前記増幅器の出力が入力された相関二重サンプリング回路とを備えたカメラの駆動方法であって、
第１の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオンレベルにそれぞれ設定し、
第２の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、
第３の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートを０ボルトより深いチャネルレベルに設定されたオフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用リセットレベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用リセットレベルを前記相関二重サンプリング回路でクランプさせ、
第４の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートを前記オフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用信号レベルを前記相関二重サンプリング回路でサンプルさせ、
第５の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、低ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記低ゲイン用信号レベルを前記相関二重サンプリング回路でサンプルさせることを周期的に行うことを特徴とするカメラの駆動方法。
【請求項４】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、
前記増幅器の出力が各々入力された第１および第２相関二重サンプリング回路とを備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項５】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、前記増幅器の出力が各々入力された第１および第２相関二重サンプリング回路とを備えたカメラの駆動方法であって、
第１の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオンレベルにそれぞれ設定し、
第２の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、低ゲイン用リセットレベルを前記増幅器より出力させ、前記低ゲイン用リセットレベルを前記第１相関二重サンプリング回路でクランプさせ、
第３の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートを０ボルトより深いチャネルレベルに設定されたオフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用リセットレベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用リセットレベルを前記第２相関二重サンプリング回路でクランプさせ、
第４の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートを前記オフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用信号レベルを前記第２相関二重サンプリング回路でサンプルさせ、
第５の時刻に、前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、低ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記低ゲイン用信号レベルを前記第１相関二重サンプリング回路でサンプルさせることを周期的に行うことを特徴とするカメラの駆動方法。
【請求項６】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、
前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、
前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、
前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、
前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、
前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインと、
ポリシリコン電極または金属電極で形成され、かつ前記第２浮遊拡散層に接続された容量とを有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子であって、
前記第１リセットゲートのチャネル電位を前記第２リセットゲートのチャネル電位よりも浅くしたことを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、カメラ、および、その駆動方法に関するものである。特に、高いＳＮ比（信号対雑音比）と大きい取り扱い電荷量とを両立させた、ＣＣＤなどの電荷転送素子を用いた固体撮像素子、この固体撮像素子を用いたカメラ、および、その駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤなどの電荷転送素子の出力部では浮遊拡散層方式が主に用いられている。浮遊拡散層方式では、転送されてきた信号電荷は浮遊拡散層に蓄積される。浮遊拡散層に接続されたソースフォロア増幅器によって、この電位変化が信号として出力される。信号電荷を電圧変換する検出容量をＣファラドとする。検出容量は浮遊拡散層の容量、ソースフォロア増幅器の入力容量、配線などの寄生容量からなる。信号電荷の電荷量をＱクーロンとすると、浮遊拡散層の電位、すなわち検出容量の電位はＱ／Ｃボルト変化する。
【０００３】
浮遊拡散層法は低雑音であると言われているが、雑音成分は、浮遊拡散層をリセットするときに発生するリセット雑音、ソースフォロア増幅器の熱雑音と１／ｆ雑音である。リセット雑音と１／ｆ雑音は相関二重サンプリングを施すことにより抑制できるが、熱雑音は残ってしまう。信号電圧の熱雑音に対するＳＮ比は１／Ｃに比例する。すなわち、検出容量Ｃが小さいほど信号電圧が大きくなり、ＳＮ比が大きくなる。しかし、検出容量Ｃを小さくすると最大取り扱い電荷量が減少するという課題がある。一般にアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）の入力電圧は１ボルト程度に制限されているので、１ボルト以上の信号電圧は飽和してしまう。すなわち、最大取り扱い電荷量は検出容量Ｃに比例し、検出容量Ｃを小さくするほど減少してしまうという欠点があった。
【０００４】
そこで、ある従来技術によれば、浮遊拡散層を単一または複数のスイッチ素子によって単一または複数の拡散領域と結合させ、これらのスイッチ素子を適宜切り換えることで検出容量を変化させる構成とする。これにより、暗い撮影シーンでは高いＳＮ比が得られる一方、明るい撮影シーンでは大きい飽和が得られるようにすることができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２５１４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術では、１つ撮影シーンに暗く高いＳＮ比を実現したい部分と明るく大きい飽和が欲しい部分とが同居しているときには対応できていないという課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、高いＳＮ比と大きい飽和とを両立した、固体撮像素子、カメラ、およびその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点による固体撮像素子の駆動方法は、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、第１の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオンレベルにそれぞれ設定し、第２の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、第３の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートを０ボルトより深いチャネルレベルに設定されたオフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、第４の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートを前記オフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、第５の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定することを周期的に行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の観点によるカメラは、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、前記増幅器の出力が入力された相関二重サンプリング回路とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の観点によるカメラの駆動方法は、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、前記増幅器の出力が入力された相関二重サンプリング回路とを備えたカメラの駆動方法であって、第１の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオンレベルにそれぞれ設定し、第２の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、第３の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートを０ボルトより深いチャネルレベルに設定されたオフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用リセットレベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用リセットレベルを前記相関二重サンプリング回路でクランプさせ、第４の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートを前記オフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用信号レベルを前記相関二重サンプリング回路でサンプルさせ、第５の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、低ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記低ゲイン用信号レベルを前記相関二重サンプリング回路でサンプルさせることを周期的に行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の観点によるカメラは、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、前記増幅器の出力が各々入力された第１および第２相関二重サンプリング回路とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５の観点によるカメラの駆動方法は、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子と、前記増幅器の出力が各々入力された第１および第２相関二重サンプリング回路とを備えたカメラの駆動方法であって、第１の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオンレベルにそれぞれ設定し、第２の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、低ゲイン用リセットレベルを前記増幅器より出力させ、前記低ゲイン用リセットレベルを前記第１相関二重サンプリング回路でクランプさせ、第３の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオンレベル、前記第１リセットゲートを０ボルトより深いチャネルレベルに設定されたオフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用リセットレベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用リセットレベルを前記第２相関二重サンプリング回路でクランプさせ、第４の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートを前記オフレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、高ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記高ゲイン用信号レベルを前記第２相関二重サンプリング回路でサンプルさせ、第５の時刻に前記電荷転送素子の最終蓄積電極をオフレベル、前記第１リセットゲートをオンレベル、前記第２リセットゲートをオフレベルにそれぞれ設定し、低ゲイン用信号レベルを前記増幅器より出力させ、前記低ゲイン用信号レベルを前記第１相関二重サンプリング回路でサンプルさせることを周期的に行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６の観点による固体撮像素子は、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインと、ポリシリコン電極または金属電極で形成され、かつ前記第２浮遊拡散層に接続された容量とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第７の観点による固体撮像素子は、信号電荷を出力部に転送する電荷転送素子と、前記電荷転送素子の終端に隣接して設けられ、かつ信号出力のための増幅器に接続された第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層に隣接して設けられた第１リセットゲートと、前記第１リセットゲートに前記第１浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられた第２浮遊拡散層と、前記第２浮遊拡散層に前記第１リセットゲートとは反対側に隣接して設けられた第２リセットゲートと、前記第２リセットゲートに前記第２浮遊拡散層とは反対側に隣接して設けられたリセットドレインとを有する固体撮像素子であって、前記第１リセットゲートのチャネル電位を前記第２リセットゲートのチャネル電位よりも浅くしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、１つの撮影シーンに暗く高いＳＮ比を実現したい部分と明るく大きい飽和が欲しい部分とが同居している場合でも、高いＳＮ比と大きい飽和とを両立した、固体撮像素子、カメラ、およびその駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の概略平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子の概略断面図である。
【図３】図１の固体撮像素子の駆動タイミング図である。
【図４】図１の固体撮像素子の時刻ｔ１における電位分布図である。
【図５】図１の固体撮像素子の時刻ｔ２における電位分布図である。
【図６】図１の固体撮像素子の時刻ｔ３における電位分布図である。
【図７】図１の固体撮像素子の時刻ｔ４における電位分布図である。
【図８】図１の固体撮像素子の時刻ｔ５における電位分布図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るカメラの概略回路図である。
【図１０】図９のカメラの駆動タイミング図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るカメラの概略回路図である。
【図１２】図１１のカメラの駆動タイミング図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像素子の概略平面図である。
【図１４】図１３の固体撮像素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
《第１の実施形態》
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子１００のＣＣＤ出力部における概略平面図および概略断面図である。ｐ型のシリコン基板１（または図示していないｎ型基板上に設けられたｐ型ウェル）の主面に左方向より２相駆動ＣＣＤの転送電極であり、障壁部２と蓄積部３との対からなるＨ１電極４、同様なＨ２電極５、ＣＣＤの最終転送電極であるＨ２電極５に隣接して出力電極６が形成されている。出力電極６に隣接してｎ型の第１浮遊拡散層７が形成されており、第１浮遊拡散層７上にはコンタクトが設けられ、ソースフォロア増幅器８に電気接続されている。第１浮遊拡散層７の右方には第１リセットゲート９、ｎ型の第２浮遊拡散層１０、第２リセットゲート１１、ｎ型のリセットドレイン１２がそれぞれ隣接して形成されている。ＣＣＤは埋込型であり、Ｈ１電極４、Ｈ２電極５、出力電極６の下方のシリコン基板１の表面にはｎ型の埋込チャネルが設けられている。スレッシュホールド電圧を設定するために、第１リセットゲート９および第２リセットゲート１１の下方のシリコン基板１の表面にはｎ型のドープ層がそれぞれ設けられている。これらは埋込チャネルと同一工程で作成される。
【００１９】
図３は、図１の固体撮像素子１００の駆動タイミング図である。また、図４、図５、図６、図７および図８は、駆動タイミング図中の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５の各々における電位分布図である。
【００２０】
時刻ｔ１では、図４に示すとおり、Ｈ２電極５はオンレベルにされており、信号電荷が蓄積されている。第１リセットゲート９と第２リセットゲート１１がオンレベルにされ、第１浮遊拡散層７と、第１リセットゲート９下のチャネルと、第２浮遊拡散層１０と、第２リセットゲート１１下のチャネルとは、リセットドレイン１２の電位と同一にされる。
【００２１】
時刻ｔ２では、図５に示すとおり、第２リセットゲート１１がオフレベルにされ、第１浮遊拡散層７と、第１リセットゲート９下のチャネルと、第２浮遊拡散層１０とが浮遊状態になる。これらの容量とソースフォロア増幅器８の入力容量、配線などの寄生容量の合計が大きい検出容量になる。時刻ｔ２でのソースフォロア増幅器８の出力が大きい検出容量の場合のリセットレベルである。時刻ｔ５において、大きい検出容量で信号電荷を検出することになる。
【００２２】
時刻ｔ３では、図６に示すとおり、第１リセットゲート９がオフレベルにされ、第１浮遊拡散層７と第２浮遊拡散層１０とが互いに電気的に分離される。第１浮遊拡散層７の容量とソースフォロア増幅器８の入力容量、配線などの寄生容量の合計の容量が小さい検出容量になる。時刻ｔ３でのソースフォロア増幅器８の出力が小さい検出容量の場合のリセットレベルである。時刻ｔ４において、小さい検出容量で信号電荷を検出することになる。
【００２３】
時刻ｔ４では、図７に示すとおり、Ｈ２電極５がオフレベルにされ、信号電荷が出力電極６を通って、第１浮遊拡散層７へ転送される。第１浮遊拡散層７に貯められる信号電荷量は第１リセットゲート９のオフレベルのチャネル電位で決まる。左上から右下への粗いハッチング部分は、信号電荷が転送される以前から存在する電子を示す。右上から左下への細かいハッチング部分は、転送されてきた信号電荷（電子）を示す。信号電荷量が第１浮遊拡散層７に貯められる信号電荷量より小さい場合である。この場合、ソースフォロア増幅器８の出力は小さい検出容量の場合の信号出力になる。信号電荷量が第１浮遊拡散層７に貯められる信号電荷量より大きい場合、信号電荷の一部は第１リセットゲート９のオフレベルのチャネルを通って、第２浮遊拡散層１０へ流れ込む。第１リセットゲート９のチャネル電位は出力電極６のチャネル電位より深いほうが好ましい。この状況の信号電荷（電子）を示したのが左上から右下への細かいハッチング部分である。この場合、ソースフォロア増幅器８の出力は信号電荷量に対応した信号を出力せず、飽和した値になる。
【００２４】
時刻ｔ５において、図８に示すとおり、第１リセットゲート９がオンレベルにされ、第１浮遊拡散層７と、第１リセットゲート９下のチャネルと、第２浮遊拡散層１０とが１つの容量となる。ソースフォロア増幅器８の出力は、検出容量が大きい場合の信号出力になる。
【００２５】
時刻ｔ１から時刻ｔ５までの動作を周期的に繰り返すことで、小さい検出容量の出力信号と大きい検出容量の出力信号との対を順次得ることができる。
【００２６】
カメラでは小さい検出容量からの出力信号と大きい検出容量からの出力信号とを合成する。小さい検出容量の出力信号に対しては、小さい検出容量の飽和電荷量以下にしきい値を設定し、しきい値までは小さい検出容量からの出力信号を使用し、しきい値以上では大きい検出容量からの出力信号を使用する。
【００２７】
《第２の実施形態》
図９は、本発明の第２の実施形態に係るカメラの概略回路図である。図２と同一符号は同一構成要素を示す。ソースフォロア増幅器８の出力は相関二重サンプリング回路１４に入力され、その後ＡＤＣ１５に入力される。相関二重サンプリング回路１４には、サンプルスイッチ１６とクランプスイッチ１７とが設けられている。クランプスイッチ１７を介してクランプされたリセットレベルを、サンプルスイッチ１６を介してサンプルされた信号レベルから引き算し、その結果を出力する。リセットレベルを基準にしていることになる。相関二重サンプリング回路１４の出力信号はＡＤＣ１５でデジタル信号に変換され、図示していないが、信号処理回路へ向かう。
【００２８】
図１０は、図９のカメラの駆動タイミング図である。図３と同一符号は同一の構成要素や意味を示す。図３に対して付加された、クランプスイッチ１７とサンプルスイッチ１６との駆動について説明する。
【００２９】
時刻ｔ３において、クランプスイッチ１７がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている小さい検出容量の場合のリセットレベルをクランプスイッチ１７を介してクランプする。
【００３０】
時刻ｔ４では、クランプスイッチ１７はオフレベルにされ、サンプルスイッチ１６がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている小さい検出容量の場合の信号レベルをサンプルスイッチ１６を介してサンプルする。時刻ｔ３でクランプされている小さい検出容量の場合のリセットレベルが、サンプルされた小さい検出容量の場合の信号レベルから差し引かれ、相関二重サンプリング回路１４から出力され、ＡＤＣ１５でデジタル信号に変換される。
【００３１】
時刻ｔ５では、再度サンプルスイッチ１６がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている大きい検出容量の場合の信号レベルをサンプルスイッチ１６を介してサンプルする。時刻ｔ３でクランプされている小さい検出容量の場合のリセットレベルが、サンプルされた大きい検出容量の場合の信号レベルから差し引かれ、相関二重サンプリング回路１４から出力され、ＡＤＣ１５でデジタル信号に変換される。
【００３２】
デジタル化された、小さい検出容量の場合の信号と大きい検出容量の場合の信号とは、信号処理回路で合成される。小さい検出容量の出力信号に対しては、小さい検出容量の飽和電荷量以下にしきい値を設定し、しきい値までは小さい検出容量からの出力信号を使用し、しきい値以上では大きい検出容量からの出力信号を使用する。
【００３３】
小さい検出容量からの信号レベルは小さい検出容量からのリセットレベルを基準に相関二重サンプリングを行うために、リセット雑音とソースフォロア増幅器８の１／ｆ雑音とが抑制される。一方、大きい検出容量からの信号レベルは小さい検出容量からのリセットレベルを基準に相関二重サンプリングを行うために、ソースフォロア増幅器８の１／ｆ雑音は抑制されるが、リセット雑音の抑制は十分ではない。大きい検出容量からの信号レベルは光量の大きい場合に用いられる。光量が大きい場合、光ショット雑音が大きくなり、リセット雑音よりも大きくなる。このために、大きい検出容量からの信号レベルに対してリセット雑音の抑制が十分でなくても多くの撮影シーンに対応できる。
【００３４】
《第３の実施形態》
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るカメラの概略回路図である。図２、図９と同一符号は同一構成要素を示す。ソースフォロア増幅器８の出力は２個の相関二重サンプリング回路、すなわち、第１相関二重サンプリング回路１８と第２相関二重サンプリング回路１９とに入力され、その後それぞれ、第１ＡＤＣ２０と第２ＡＤＣ２１とに入力され、デジタル信号に変換され、図示していないが、信号処理回路へ向かう。第１相関二重サンプリング回路１８には、第１サンプルスイッチ２２と第１クランプスイッチ２４とが設けられている。第２相関二重サンプリング回路１９には、第２サンプルスイッチ２３と第２クランプスイッチ２５とが設けられている。
【００３５】
図１２は、図１１のカメラの駆動タイミング図である。図３、図１０と同一符号は同一の構成要素や意味を示す。図３に対して付加された、第１クランプスイッチ２４、第１サンプルスイッチ２２、第２クランプスイッチ２５、第２サンプルスイッチ２３の駆動について説明する。
【００３６】
時刻ｔ２において、第１クランプスイッチ２４がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている大きい検出容量の場合のリセットレベルを第１クランプスイッチ２４を介してクランプする。
【００３７】
時刻ｔ３において、第２クランプスイッチ２５がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている小さい検出容量の場合のリセットレベルを第２クランプスイッチ２５を介してクランプする。
【００３８】
時刻ｔ４では、第２サンプルスイッチ２３がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている小さい検出容量の場合の信号レベルを第２サンプルスイッチ２３を介してサンプルする。時刻ｔ３でクランプされている小さい検出容量の場合のリセットレベルが、サンプルされた小さい検出容量の場合の信号レベルから差し引かれ、第２相関二重サンプリング回路１９から出力され、第２ＡＤＣ２１でデジタル信号に変換される。
【００３９】
時刻ｔ５では、第１サンプルスイッチ２２がオンレベルにされ、ソースフォロア増幅器８から出力されている大きい検出容量の場合の信号レベルを第１サンプルスイッチ２２を介してサンプルする。時刻ｔ２でクランプされている大きい検出容量の場合のリセットレベルが、サンプルされた大きい検出容量の場合の信号レベルから差し引かれ、第１相関二重サンプリング回路１８から出力され、第１ＡＤＣ２０でデジタル信号に変換される。
【００４０】
デジタル化された、小さい検出容量の場合の信号と大きい検出容量の場合の信号とは、信号処理回路で合成される。小さい検出容量の出力信号に対しては、小さい検出容量の飽和電荷量以下にしきい値を設定し、しきい値までは小さい検出容量からの出力信号を使用し、しきい値以上では大きい検出容量からの出力信号を使用する。
【００４１】
小さい検出容量からの信号レベルは小さい検出容量からのリセットレベルを基準に相関二重サンプリングを行うために、リセット雑音とソースフォロア増幅器８の１／ｆ雑音は抑制される。大きい検出容量からの信号レベルは大きい検出容量からのリセットレベルを基準に相関二重サンプリングを行うために、同じく、リセット雑音とソースフォロア増幅器８の１／ｆ雑音共に抑制される。このために、小さい検出容量からの信号が使用される撮影シーンの暗い部分から、大きい検出容量からの信号が使用される撮影シーンの明るい部分まで、リセット雑音が抑制された高ＳＮ比の画像が得られる。
【００４２】
《第４の実施形態》
小さい検出容量は微細化技術の許す限り小さくし、高ＳＮ比を実現することが求められる。一方、大きい検出容量は小さい検出容量の数倍から１０倍程度に設定することが望まれる。このために、第２浮遊拡散層１０の容量が大きいことが求められる。拡散層を大きくして容量を大きくする場合、面積が大きくなりチップコストが大きくなる、第２浮遊拡散層１０で発生する暗電流が増加する、リセットの時定数が大きくなる、という欠点がある。
【００４３】
図１３および図１４は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像素子１１０のＣＣＤ出力部における概略平面図および概略断面図である。図１および図２と同一符号は同一構成要素を示す。第２浮遊拡散層１０に付加容量２６が接続されている。付加容量２６はポリシリコン電極または金属電極で形成された容量である。第２浮遊拡散層１０上にコンタクトホールを設け、ビアを介して第２浮遊拡散層１０と付加容量２６の下部電極とが接続されている。付加容量２６の上部電極はＤＣ電源、または、接地に接続されている。
【００４４】
ポリシリコン電極または金属電極で形成された容量の場合、他の回路の上に形成することができ、また、容量を分割し、容量自身を多層に形成することが可能で面積を小さくすることが可能である。また、拡散層容量のように、暗電流が増加することはない。さらに、特に金属電極を用いた場合には、電気抵抗が小さく、リセット時の時定数の増加を抑制することができる。
【００４５】
《第５の実施形態》
本発明の第５の実施形態の固体撮像素子について、図１および図２を用いて説明する。第１〜第４の実施形態では、第１リセットゲート９のチャネルと第２リセットゲート１１のチャネルとは同一工程で形成され、同一の不純物分布である。第５の実施形態の固体撮像素子１００では、第１リセットゲート９のチャネル電位を第２リセットゲート１１のチャネル電位より浅くする。
【００４６】
撮影シーンのうちのできるだけ多くの部分に対して、ＳＮ比が大きい、小さい検出容量による信号を用いた方が画質が良くなる。このためには、小さい検出容量の飽和を大きくすることが好ましい。この目的で、第１リセットゲート９のチャネル電位を第２リセットゲート１１のチャネル電位より浅くしているのである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上実施形態を用いて説明したとおり、本発明によると、１つの撮影シーンに対して、暗い部分に対しては小さい検出容量で読み出した信号を用いることによって高いＳＮ比が得られる。また、明るい部分に対しては大きい検出容量で読み出した信号を用いることによって大きい飽和が得られる。また、相関二重サンプリング回路を１個または２個用いることによって、リセット雑音やソースフォロア増幅器の１／ｆ雑音を抑圧した高いＳＮ比の信号が得られる。
【００４８】
固体撮像素子としては、画素が２次元状に配列されたエリア形固体撮像素子、および、画素が１次元状に配列されたリニア形固体撮像素子のいずれにも適用できる。
【００４９】
固体撮像素子にはいろいろな構成が提案されている。出力部の直前の電荷転送がＣＣＤやＢＢＤ（Bucket Brigade Device）の場合に適用できる。すなわち、インターライン転送方式ＣＣＤイメージセンサ、フレーム転送方式ＣＣＤイメージセンサ、ＦＩＴ式（フレームインターライン転送方式）ＣＣＤイメージセンサなどのＣＣＤイメージセンサに適用できるほかに、チャージスイープデバイス（ＣＳＤ）、チャージプライミングデバイス（ＣＰＤ）、ＢＢＤイメージセンサにも適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１  シリコン基板
５  最終蓄積電極（Ｈ２電極）
７  第１浮遊拡散層
８  ソースフォロア増幅器
９  第１リセットゲート
１０  第２浮遊拡散層
１１  第２リセットゲート
１２  リセットドレイン
１４  相関二重サンプリング回路
１６  サンプルスイッチ
１７  クランプスイッチ
１８  第１相関二重サンプリング回路
１９  第２相関二重サンプリング回路
２２  第１サンプルスイッチ
２３  第２サンプルスイッチ
２４  第１クランプスイッチ
２５  第２クランプスイッチ
２６  付加容量
１００，１１０  固体撮像素子
【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】
2013005227.tif 000008
【図７】
2013005227.tif 000009
【図８】
2013005227.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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