(57)【要約】      （修正有）【課題】グローバル電子シャッタ機能を有する固体撮像装置の飽和電荷量を拡大しつつ画素サイズを縮小する。【解決手段】第２の転送スイッチ６が順にオンとなることにより、第１の電荷保持部２で保持した電荷に基づく第１の信号を順に読み出す第１の読み出し期間において、光電変換によって生じた記電荷の少なくとも一部を光電変換部１が保持し、光電変換部１から溢れた電荷の少なくとも一部を第２の電荷保持部３が保持する。第１の読み出し期間終了後の第２の読み出し期間において、第１の転送スイッチ５がオンとなることにより、第１の読み出し期間に光電変換部１に保持された電荷を第１の電荷保持部２に転送し、第３の転送スイッチ７が順にオンとなることにより、第２の電荷保持部３に保持された電荷に基づく第２の信号を順に読み出す。【選択図】図２
2017108275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部の飽和電荷量よりも大きな飽和電荷量を有し、前記電荷を保持する第１の電荷保持部と、
前記電荷を保持する第２の電荷保持部と、
前記電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、
前記光電変換部の前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送スイッチと、
前記第１の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第２の転送スイッチと、
前記第２の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第３の転送スイッチと、
をそれぞれが有する複数の画素を備え、
前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第１の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第１の信号を順に読み出す第１の読み出し期間において、光電変換によって生じた前記電荷の少なくとも一部を前記光電変換部が保持し、前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部を前記第２の電荷保持部が保持し、
前記第１の読み出し期間終了後の第２の読み出し期間において、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンとなることにより、前記第１の読み出し期間に前記光電変換部に保持された前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送し、前記複数の画素の前記第３の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第２の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第２の信号を順に読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
平面視において前記光電変換部の面積よりも大きな面積を有し、前記電荷を保持する第１の電荷保持部と、
前記電荷を保持する第２の電荷保持部と、
前記電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、
前記光電変換部の前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送スイッチと、
前記第１の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第２の転送スイッチと、
前記第２の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第３の転送スイッチと、
をそれぞれが有する複数の画素を備え、
前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第１の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第１の信号を順に読み出す第１の読み出し期間において、光電変換によって生じた前記電荷の少なくとも一部を前記光電変換部が保持し、前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部を前記第２の電荷保持部が保持し、
前記第１の読み出し期間終了後の第２の読み出し期間において、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンとなることにより、前記第１の読み出し期間に前記光電変換部に保持された前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送し、前記複数の画素の前記第３の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第２の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第２の信号を順に読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の読み出し期間に前記光電変換部と前記第２の電荷保持部との間の領域に形成される、前記光電変換部の電荷に対する第１のポテンシャル障壁は、前記第１の読み出し期間に前記第２の転送スイッチに形成される、前記光電変換部の電荷に対する第２のポテンシャル障壁よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、前記光電変換部の電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第４の転送スイッチを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第４の転送スイッチのゲートには、前記第１および第２の読み出し期間においてローレベルの電圧が印加され、当該電圧は、前記第１の読み出し期間において前記第１の転送スイッチのゲートに印加されるローレベルの電圧よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素は、前記光電変換部から電荷をオーバーフロードレインに排出する排出スイッチを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素は、前記第２の電荷保持部から電荷をオーバーフロードレインに排出する排出スイッチを有することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記画素は、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部とを接続可能な連結スイッチを有することを特徴とする請求項６または７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第２の読み出し期間のうちのいずれかのタイミングにおいて前記排出スイッチが前記第２の電荷保持部から電荷を前記オーバーフロードレインに排出した場合、前記連結スイッチは前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部とを電気的に接続することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第２の電荷保持部の飽和電荷量は、前記第１の電荷保持部の飽和電荷量から前記光電変換部の飽和電荷量を差し引いた値以上であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記光電変換部の飽和電荷量と前記第１の電荷保持部の飽和電荷量との比は、前記第１の読み出し期間と前記第２の読み出し期間との比に対応することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の電荷保持部は、前記第２の転送スイッチがオンとなることによる電荷転送により空乏化され、前記第２の電荷保持部は第３の転送スイッチがオンとなることによる電荷転送により空乏化されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第１の電荷保持部は、前記第２の転送スイッチがオンとなることによる電荷転送により空乏化され、前記第２の電荷保持部は、前記第３の転送スイッチがオンとなることによる電荷転送により空乏化されないことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の電荷保持部の面積が前記第２の電荷保持部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記第２の読み出し期間において、前記第１の転送スイッチは間欠的にオンとなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記第２の信号が所定値を超える場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを加算した信号を出力し、前記第２の信号が所定値を超えない場合には、前記第１の信号を出力することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記第１の信号が予め定められた飽和値に達している場合には、前記飽和値を出力することを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
信号処理装置とを備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１９】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部の飽和電荷量よりも大きな飽和電荷量を有し、前記電荷を保持する第１の電荷保持部と、
前記電荷を保持する第２の電荷保持部と、
前記電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、
前記光電変換部の前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送スイッチと、
前記第１の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第２の転送スイッチと、
前記第２の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第３の転送スイッチと、
をそれぞれが有する複数の画素を備えた固体撮像装置の制御方法であって、
前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第１の電荷保持部に保持された電荷に基づく第１の信号を読み出す第１の読み出し期間において、光電変換によって生じた前記電荷の少なくとも一部を前記光電変換部が保持し、前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部を前記第２の電荷保持部が保持し、
前記第１の読み出し期間終了後の第２の読み出し期間において、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンとなることにより、前記第１の読み出し期間に前記光電変換部に保持された前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送し、前記複数の画素の前記第３の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第２の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第２の信号を順に読み出すことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、グローバル電子シャッタ機能を備えたＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置が案出されている。特許文献１には、グローバル電子シャッタ機能を有し、途切れのない動画撮影を可能にする固体撮像装置の画素構成が開示されている。特許文献１において、固体撮像装置の画素は、信号電荷を保持する２つの電荷保持部を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９６５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１において、画素の飽和電荷量は、２つの電荷保持部における蓄積できる電荷量のうち、小さい電荷量によって決まる。このため、画素に含まれる２つの電荷保持部は同程度の電荷量を蓄積できる必要があり、同程度のレイアウト面積を必要とする。従って、１つの電荷保持部に割り当てられる面積は小さくなり、特に画素を微細化した場合に十分な飽和電荷量を確保できないという課題がある。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、グローバル電子シャッタ機能を有する固体撮像装置の飽和電荷量を拡大しつつ、画素サイズを縮小することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態は、光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部の飽和電荷量よりも大きな飽和電荷量を有し、前記電荷を保持する第１の電荷保持部と、前記電荷を保持する第２の電荷保持部と、前記電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、前記光電変換部の前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送スイッチと、前記第１の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第２の転送スイッチと、前記第２の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第３の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素を備え、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第１の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第１の信号を順に読み出す第１の読み出し期間において、光電変換によって生じた前記電荷の少なくとも一部を前記光電変換部が保持し、前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部を前記第２の電荷保持部が保持し、前記第１の読み出し期間終了後の第２の読み出し期間において、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンとなることにより、前記第１の読み出し期間に前記光電変換部に保持された前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送し、前記複数の画素の前記増幅部が前記第３の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記第２の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第２の信号を順に読み出す固体撮像装置である。
【０００７】
本発明の他の実施形態は、光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、平面視において前記光電変換部の面積よりも大きな面積を有し、前記電荷を保持する第１の電荷保持部と、前記電荷を保持する第２の電荷保持部と、前記電荷に基づく信号を読み出す増幅部と、前記光電変換部の前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送スイッチと、前記第１の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第２の転送スイッチと、前記第２の電荷保持部の前記電荷を前記増幅部に転送する第３の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素を備え、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第１の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第１の信号を順に読み出す第１の読み出し期間において、光電変換によって生じた前記電荷の少なくとも一部を前記光電変換部が保持し、前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部を前記第２の電荷保持部が保持し、前記第１の読み出し期間終了後の第２の読み出し期間において、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンとなることにより、前記第１の読み出し期間に前記光電変換部に保持された前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送し、前記複数の画素の前記第３の転送スイッチが順にオンとなることにより、前記複数の画素の前記増幅部が前記第２の電荷保持部に保持された前記電荷に基づく第２の信号を順に読み出すことを特徴とする固体撮像装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、グローバル電子シャッタ機能を有する固体撮像装置の飽和電荷量を拡大しつつ、画素サイズを縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を表すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の平面図である。
【図４】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素のポテンシャル図である。
【図６】第１の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図７】第１の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートの変形例である。
【図８】第１の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図９】第１の実施形態に係る固体撮像装置のフローチャートである。
【図１０】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素のポテンシャル図である。
【図１１】第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素のポテンシャル図の変形例である。
【図１２】第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路図である。
【図１３】第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素の平面図である。
【図１４】第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素の断面図である。
【図１５】第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素のポテンシャル図である。
【図１６】第３の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図１７】第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路図である。
【図１８】第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路図である。
【図１９】第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素の平面図である。
【図２０】第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素の断面図である。
【図２１】第４の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図２２】第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路図である。
【図２３】第５の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図２４】第６の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路図である。
【図２５】第６の実施形態に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図２６】第７の実施形態に係る撮像システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を表すブロック図である。固体撮像装置は、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサであって、画素部２００、垂直走査回路２０１、列増幅回路２０２、水平走査回路２０３、信号処理回路２０４、制御回路２０５を備える。画素部２００は、ＸＹの行列状に配置された複数の画素２０を備え、撮像領域を形成している。画素部２００には、有効画素の他に、遮光画素、光電変換部を有さないダミー画素などのように画像を出力しない画素が含まれ得る。垂直走査回路２０１は、行毎に画素２０のスイッチ（トランジスタ）をオン（導通状態）またはオフ（非導通状態）に制御するための駆動信号を駆動配線を介して画素２０に供給する。画素２０の各列には信号出力線１１が設けられており、画素２０からの信号が列毎に信号出力線１１に読み出される。列増幅回路２０２は信号出力線１１に出力された画素信号を増幅し、画素２０のリセット時の信号および光電変換時の信号に基づく相関二重サンプリング処理を行う。水平走査回路２０３は、列増幅回路２０２の増幅器に接続されたスイッチと、該スイッチをオンまたはオフに制御するための制御信号を供給する。信号処理回路２０４はバッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列増幅回路２０２からの画素信号を撮像装置の外部の信号処理部に出力する。なお、ＡＤ変換部を列増幅回路２０２において列毎に設けても良く、信号処理回路２０４にＡＤ変換部を設けても良い。さらに、信号処理回路２０４を固体撮像装置の外部に設けても良い。
【００１１】
図２は、本実施形態の固体撮像装置の画素２０の回路図である。画素２０は、光電変換部１、第１の電荷保持部２、第２の電荷保持部３、入力ノード４、第１の転送スイッチ５、第２の転送スイッチ６、第３の転送スイッチ７、リセットスイッチ８、増幅部９、選択スイッチ１０を含む。第１の転送スイッチ５、第２の転送スイッチ６、第３の転送スイッチ７、リセットスイッチ８、増幅部９、選択スイッチ１０はそれぞれＣＭＯＳトランジスタから構成されている。
【００１２】
光電変換部１は、例えばフォトダイオードから構成され、入射光量に応じた電荷を発生する。第１の電荷保持部２と第２の電荷保持部３は光電変換部１で発生した電荷の一部を保持する。第１の転送スイッチ５は、光電変換部１の電荷を第１の電荷保持部２に転送し、第２の転送スイッチ６は第１の電荷保持部２の電荷を入力ノード４に転送し、第３の転送スイッチ７は第２の電荷保持部３の電荷を入力ノード４に転送する。入力ノード４は浮遊拡散部であって、電荷に応じた電圧を発生させる。増幅部９はソースフォロアを構成し、入力ノード４の電圧に基づく信号を選択スイッチ１０を介して信号出力線１１に出力する、ないしは、読み出す。リセットスイッチ８は入力ノード４の電位を電源電圧などの所定の電位にリセットする。選択スイッチ１０は信号を出力する画素を選択する。第１の電荷保持部２に保持された電荷が入力ノード４に転送されることで、増幅部９は第１の電荷保持部２に保持された電荷に基づく信号を読み出す。また、第２の電荷保持部３に保持された電荷が入力ノード４に転送されることで、増幅部９は第２の電荷保持部３に保持された電荷に基づく信号を読み出す。
【００１３】
信号出力線１１は一列に含まれる複数の画素２０に共通に接続される。信号出力線１１には画素２０を駆動するための電流源１２が接続される。また、信号出力線１１は列増幅回路２０２に接続される。駆動信号ＴＸ１１、ＴＸ２１、ＴＸ２２、ＲＥＳ、ＳＥＬを伝送する配線は、一行に含まれる複数の画素２０に共通に接続され、垂直走査回路２０１によって駆動される。駆動信号ＴＸ１１の配線は第１の転送スイッチ５の制御電極に接続され、駆動信号ＴＸ２１の配線は第２の転送スイッチ６の制御電極に接続され、駆動信号ＴＸ２２の配線は第３の転送スイッチ７の制御電極に接続される。また、駆動信号ＲＥＳの配線はリセットスイッチ８の制御電極に接続され、駆動信号ＳＥＬの配線は選択スイッチ１０の制御電極に接続される。
【００１４】
転送スイッチ５〜７、リセットスイッチ８は、対応する駆動信号の電圧がハイレベルのときにオンとなり、ローレベルのときにオフとなる。各行の駆動信号を同時にハイレベルまたはローレベルに制御することにより、複数の画素２０における露光時間を同時に制御することができる。複数の画素２０における光電変換の期間を一致させることにより、グローバル電子シャッタ機能を実現することができる。
【００１５】
図３は、本実施形態の固体撮像装置の図２の画素回路の概略のレイアウトを示す平面図である。図２と同じ機能を有する部分には同じ符号を付してある。制御電極５０、６０、７０、８０、９０、１００はそれぞれ第１の転送スイッチ５、第２の転送スイッチ６、第３の転送スイッチ７、リセットスイッチ８、増幅部９、選択スイッチ１０のゲートである。入力ノード４の接続関係は太線で示されている。すなわち、入力ノード４は配線層を介して、第２の転送スイッチ６のソース／ドレイン領域と、増幅部９の制御電極９０と、リセットスイッチ８のソース／ドレイン領域と、第３の転送スイッチ７のソース／ドレイン領域と接続されている。ここで、ソース／ドレイン領域は、トランジスタのソースおよびドレインの少なくともいずれかとして機能し得る半導体領域を意味するものとする。
【００１６】
本実施形態において、第１の電荷保持部２の面積は第２の電荷保持部３の面積よりも大きい。また、光電変換部１と第２の電荷保持部３は隣接しており、後述するように光電変換部１から溢れた電荷が第２の電荷保持部３に蓄積され得る。特に断りがない限り、本明細書では、面積は平面視における面積である。
【００１７】
図４は、図３の破線Ａ−Ａ'に沿った、本実施形態の固体撮像装置の画素の断面図である。図２、図３と同じ機能を有する構成には同じ符号が付されている。光電変換部１は、Ｎ型半導体領域３０１、３０３を含み、Ｐ型半導体領域３０２、３０８、３０９で囲まれている。光電変換部１は埋め込み型のフォトダイオード構造を有し、Ｎ型半導体領域３０１の上部にＰ型半導体領域３０２が配置される。このような構成により、界面で発生する電荷によるノイズを低減できる。Ｎ型半導体領域３０１のＮ型不純物濃度はＮ型半導体領域３０３のＮ型不純物濃度より高い。これにより、光電変換部１で発生した電荷はＮ型半導体領域３０１側に集まりやすくなる。Ｐ型半導体領域３０８はＰ型半導体領域３０９より濃いＰ型不純物濃度を有し、ポテンシャル障壁として働く。
【００１８】
第１の電荷保持部２はＰ型半導体領域３０９の中に形成されたＮ型半導体領域３０４と、その上部に形成されたＰ型半導体領域３０５とを含む。第２の電荷保持部３はＰ型半導体領域３０９の中に形成されたＮ型半導体領域３０６と、その上部に形成されたＰ型半導体領域３０７とを含む。このような構成により、界面で発生する電荷によるノイズを低減することができる。２つのＮ型半導体領域３０１、３０６の間の距離、または、２つのＮ型半導体領域３０１、３０６の間のＰ型半導体領域３０９の不純物濃度を調整することにより、光電変換部１と第２の電荷保持部３の間のポテンシャル障壁の高さを制御することができる。
【００１９】
入力ノード４は、第２の転送スイッチ６および第３の転送スイッチ７のＮ型半導体領域であるソース／ドレイン領域を含む。制御電極５０、６０、７０とＰ型半導体領域３０９との間には図示されていない絶縁層が形成されている。第１の転送スイッチ５の制御電極５０はＮ型半導体領域３０１、３０４の間のＰ型半導体領域３０９の上部に形成されている。Ｎ型半導体領域３０１、３０４は第１の転送スイッチのソース／ドレイン領域を共有している。第２の転送スイッチ６の制御電極６０はＮ型半導体領域３０４、入力ノード４の間のＰ型半導体領域３０９の上部に形成されている。Ｎ型半導体領域３０４、入力ノード４は第２の転送スイッチ６のソース／ドレイン領域を共有している。また、第３の転送スイッチ７の制御電極７０はＮ型半導体領域３０６、入力ノード４の間のＰ型半導体領域３０９の上部に形成され、Ｎ型半導体領域３０６、入力ノード４は第３の転送スイッチ７のソース／ドレイン領域を共有している。
【００２０】
光電変換部１の上部にはマイクロレンズ３１０と、絶縁層３１２に囲まれた導光部３１３とが形成され、入射光が光電変換部１に集光される。第１の電荷保持部２および第２の電荷保持部３の上部には例えばタングステン、アルミニウムからなる遮光部３１１が形成され、光が電荷保持部２、３に入射するのを防ぐことができる。
【００２１】
なお、図３、図４は本実施形態の固体撮像装置の画素の平面図および断面図の一例であり、本実施形態はこの例に限定されない。
【００２２】
図５は、図３の破線Ａ−Ａ'に沿ったポテンシャルを示している。ここで、第１の転送スイッチ５、第２の転送スイッチ６、第３の転送スイッチ７がすべてオフであるとする。図２、図３と同じ機能を有する部分には同じ符号を付してある。ポテンシャル障壁４０１は第１の転送スイッチ５に形成され、ポテンシャル障壁４０３は第２の転送スイッチ６に形成される。ポテンシャル障壁４０２は光電変換部１と第２の電荷保持部３との間に形成される。ポテンシャル障壁４０４は第３の転送スイッチ７に形成される。ポテンシャル障壁４０１〜４０４の間にはポテンシャルウェルが形成される。ポテンシャルウェルの底部のそれぞれの高さは、（光電変換部１）＞（第１の電荷保持部２）＝（第２の電荷保持部３）＞（入力ノード４）の関係を有している。このようなポテンシャル分布により、光電変換部１から第１の電荷保持部２および第２の電荷保持部３への転送と、第１の電荷保持部２および第２の電荷保持部３から入力ノード４への転送とにおいて、電荷の完全転送が可能になる。転送元の電荷はすべて転送先に転送され、転送元は空乏化する。これにより、電荷転送の際に生じるノイズを低減できる。図５において、光電変換部１と第１の電荷保持部２の間のポテンシャル障壁４０１よりも、光電変換部１と第２の電荷保持部３の間のポテンシャル障壁４０２が低い。さらに、ポテンシャル障壁４０２は、光電変換部１を囲むポテンシャル障壁の中で最も低い。このような分布により、光電変換部１から溢れた電荷は第２の電荷保持部３に蓄積される。
【００２３】
図６は、本実施形態の固体撮像装置のタイミングチャートである。ここでは、説明の簡略化のため、第ｎ行、第ｎ＋１行の画素２０の駆動信号ＴＸ１１、ＴＸ２１、ＴＸ２２の電圧を示す。横軸は時間を表し、時刻Ｔ１〜Ｔ４が１フレーム期間に相当する。ハイレベルの駆動信号が印加されると、スイッチはオンとなり、ローレベルの駆動信号が印加されると、スイッチはオフとなる。
【００２４】
時刻Ｔ１より前において、駆動信号ＴＸ１１はハイレベルであり、第１の転送スイッチ５がオンしている。光電変換部１で発生した前フレームの信号電荷は第１の電荷保持部２に転送され、蓄積されている。
【００２５】
時刻Ｔ１において、すべての行の駆動信号ＴＸ１１がローレベルとなり、第１の転送スイッチ５がオフとなる。前フレームの信号蓄積が終了し、前フレームの信号が第１の電荷保持部２に保持される。同時に、現フレームの信号蓄積が開始され、光電変換部１で発生した電荷は光電変換部１で蓄積され始める。
【００２６】
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間（第１の読み出し期間）において、第１の電荷保持部２に蓄積された前フレームの信号が順次読み出される。時刻Ｔ１１において、駆動信号ＴＸ２１（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目の第２の転送スイッチ６がオンとなる。これにより、第ｎ行の画素２０において、第１の電荷保持部２の信号が入力ノード４に転送され、増幅部９から読み出される。次に、時刻Ｔ１２において、駆動信号ＴＸ２１（ｎ＋１）がハイレベルとなり、第ｎ＋１行の画素２０の信号が読み出される。このように行ごとに順次信号の読み出しが行われ、時刻Ｔ２において全行の信号読み出しが終了する。画素２０の信号読み出しの詳細については、図８において後述する。
【００２７】
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において、全行の駆動信号ＴＸ１１はローレベルであり、第１の転送スイッチ５はオフである。これにより、光電変換部１に蓄積された現フレームの信号が第１の電荷保持部２で保持された前フレームの信号に混ざるのを回避することができる。よって、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において、現フレームの信号が光電変換部１に蓄積される。この期間において、光電変換部１で蓄積できる量を超える電荷が発生した場合、図５のポテンシャル分布により溢れた電荷は第２の電荷保持部３に蓄積される。
【００２８】
第１の読み出し期間終了後の時刻Ｔ２において全行の駆動信号ＴＸ１１がハイレベルとなる。これにより、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に光電変換部１で発生し、光電変換部１で蓄積された電荷が第１の電荷保持部２に転送される。その後、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間において、全行の駆動信号ＴＸ１１がハイレベルに維持され、光電変換部１で発生した電荷は第１の電荷保持部２に蓄積される。
【００２９】
時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間において、第２の電荷保持部３に蓄積された信号が順次読み出される。第２の電荷保持部３に蓄積された信号は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に光電変換部１から溢れた信号である。まず、時刻Ｔ２１において、駆動信号ＴＸ２２（ｎ）がハイレベルとなり、第ｎ行の第３の転送スイッチ７がオンとなり、第ｎ行の画素２０の第２の電荷保持部３の信号が入力ノード４に転送され、増幅部９から読み出される。次に、時刻Ｔ２２において、駆動信号ＴＸ２２（ｎ＋１）がハイレベルとなり、第ｎ＋１行の画素２０の信号が読み出される。このように、行ごとに順次信号の読み出しが行われ、時刻Ｔ３において全行の信号読み出しが終了する。なお、第２の電荷保持部３の信号読み出しは、第１の電荷保持部２の信号読み出しが行われていない時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間（第２の読み出し期間）に行われれば良く、必ずしも時刻Ｔ２と同時に読出しを開始する必要はない。
【００３０】
時刻Ｔ４において、全行の駆動信号ＴＸ１１がローレベルとなり、第１の転送スイッチ５がオフとなる。これにより、現フレームの信号蓄積が終了し、現フレームの信号が第１の電荷保持部２に保持された状態となる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間が１フレーム分の蓄積期間である。時刻Ｔ４と同時に、次フレームの信号蓄積が開始され、光電変換部１で発生した電荷は光電変換部１に蓄積され始める。以降、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の動作が繰り返される。
【００３１】
なお、図６においては、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、全行の駆動信号ＴＸ１１はローレベルであるが、前フレームの信号読み出しが終了した行から順次、駆動信号ＴＸ１１をハイレベルとしても良い。また、駆動信号ＴＸ２２は時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間以外はローレベルであるが、フレームの信号蓄積を開始する時刻Ｔ１の直前あるいは直後に全行の駆動信号ＴＸ２２をハイレベルとしても良い。これにより、蓄積期間の直前あるいは直後に第２の電荷保持部３の電荷を排出することができ、フレーム間において信号が混ざることにより発生するノイズを低減できる。
【００３２】
図７は本実施形態の固体撮像装置のタイミングチャートの変形例である。図６においては、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４まで、全行の駆動信号ＴＸ１１は常時ハイレベルであるが、図７のように駆動信号ＴＸ１１を間欠的にハイレベルにしても良い。駆動信号ＴＸ１１をハイレベルにすると第１の転送スイッチ５のゲート下にチャネルが形成され、ゲート下の欠陥に起因して発生する暗電流が第１の電荷保持部２に蓄積され易くなる。図７のように、駆動信号ＴＸ１１を間欠的にハイレベルにすることで、駆動信号ＴＸ１１がハイレベルである時間が短縮され、暗電流によるノイズを低減できる。
【００３３】
図７の時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間において、駆動信号ＴＸ１１がローレベルである間、図５のポテンシャル障壁４０１をポテンシャル障壁４０２より低くすることが望ましい。例えば、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４における駆動信号ＴＸ１１のローレベルの電圧を時刻Ｔ１から時刻Ｔ２における駆動信号ＴＸ１１のローレベルの電圧に比べ高くする。これにより、この期間に光電変換部１から溢れた電荷は第１の電荷保持部２に蓄積され、次の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に読み出される。
【００３４】
図８は、画素の信号読み出し動作を説明するタイミングチャートであって、駆動信号ＳＥＬ、ＲＥＳ、ＴＸ２１（またはＴＸ２２）の電圧を表している。ハイレベルの駆動信号が印加されると、スイッチはオンとなり、ローレベルの駆動信号が印加されると、スイッチはオフとなる。時刻ｔ１において、駆動信号ＳＥＬがハイレベルとなり、選択スイッチ１０がオンし、読み出し行の画素２０が信号出力線１１に電気的に接続される。時刻ｔ２において、駆動信号ＲＥＳがローレベルとなり、リセットスイッチ８がオフし、入力ノード４がフローティング状態になる。時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間において、リセットレベルに対応するＮ信号が読み出される（Ｎ読み）。時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間において、駆動信号ＴＸ２１またはＴＸ２２がハイレベルとなり、第２の転送スイッチ６または第３の転送スイッチ７がオンする。これにより、第１の電荷保持部２または第２の電荷保持部３の電荷が入力ノード４に転送され、電荷に基づく信号が増幅部９から信号出力線１１に出力される。その後、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において、Ｓ信号が読み出される（Ｓ読み）。相関二重サンプリング処理によって、Ｓ信号とＮ信号の差分信号を生成することで、リセットスイッチ８のリセットノイズ、増幅部９の閾値ばらつきによるノイズを低減できる。時刻ｔ５において、駆動信号ＲＥＳがハイレベルとなり、リセットスイッチ８がオンとなり、入力ノード４が所定の電位にリセットされる。時刻ｔ６において、駆動信号ＳＥＬがローレベルとなり、画素２０が信号出力線１１から電気的に切り離される。以上のように、行毎に画素２０を走査し、図８の動作を繰り返すことにより、全行分の画素２０の信号を読み出すことができる。
【００３５】
続いて、本実施形態の作用効果を詳述する。まず、図６の駆動方法において、光電変換部１で電荷を蓄積する期間は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間（以下、「蓄積期間Ｐ１」と称する）であり、期間Ｐ１で発生する電荷を蓄積できれば良い。一方、第１の電荷保持部２では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４まで１フレーム分の蓄積期間（以下、「蓄積期間Ｐ２」と称する）で発生した電荷を保持する必要がある。従って、光電変換部１で蓄積できる飽和電荷量Ｑ１は、第１の電荷保持部２で蓄積できる飽和電荷量Ｑ２に比べ少なくて良い。具体的には、蓄積期間Ｐ１、Ｐ２の比により、式１で表される程度に光電変換部１の飽和電荷量Ｑ１を小さくすることができる。
Ｑ１／Ｑ２＝Ｐ１／Ｐ２     （式１）
【００３６】
これにより、光電変換部１の面積を小さくすることができ、画素２０を縮小することが可能になる。画素２０の飽和電荷量は第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２によって定め得る。このため、光電変換部１の面積を小さくしたとしても、画素２０の飽和電荷量を変えずに済む。また、光電変換部１の面積の減少分、第１の電荷保持部２の面積を大きくした場合、画素２０の飽和電荷量を大きくすることができる。本実施例では、光電変換部１の面積が第１の電荷保持部２の面積より小さい。なお、変形例として、光電変換部１の面積が第１の電荷保持部２の面積より大きくてもよい。
【００３７】
続いて、本実施形態の固体撮像装置の信号処理方法について説明する。上記のように光電変換部１と第１の電荷保持部２の飽和電荷量を設定した場合において、図６の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に瞬間的に強い光が入射した際に、光電変換部１から電荷が溢れた電荷を読み出さないと偽信号が発生する可能性がある。例えば、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に瞬間的に第１の電荷保持部２が飽和する光量の光が入射し、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間に光が入射しなかったと仮定する。この場合、１フレーム分の蓄積期間Ｐ２で発生した全電荷量は第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２であるから、本来の画素出力は飽和出力のはずである。しかし、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において電荷は光電変換部１に蓄積されるため、光電変換部１は第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２を保持できず、電荷が溢れる。仮に溢れた電荷を読み出さずに排出すると、画素出力として読み出される電荷量は光電変換部１の飽和電荷量Ｑ１となる。画素出力は飽和出力のＰ１／Ｐ２となり、本来の出力と異なる偽信号が発生する。
【００３８】
そこで、本実施形態においては、偽信号を抑制するため以下の演算処理を行っている。以下の演算処理は、固体撮像装置の信号処理回路２０４によって実行され得るが、固体撮像装置の外部の回路において実行しても良い。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において、第２の電荷保持部３は、第１の光電変換部１から溢れた電荷の少なくとも一部を蓄積する。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間において、列増幅回路２０２は、第２の電荷保持部３で蓄積した電荷に基づく信号（以下、「Ｓ２」と称する）を読み出す。また、信号処理回路２０４は、次の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に読み出した第１の電荷保持部２の電荷に基づく信号（以下、「Ｓ１」と称する）と上記信号Ｓ２とに基づき、画素毎に以下の演算１〜３を行い、画素出力を得る。これにより、偽信号を抑制することができる。
（演算１）Ｓ１＝飽和値の場合：画素出力を飽和値とする。
（演算２）Ｓ１＜飽和値、Ｓ２＞０の場合：画素出力をＳ１＋Ｓ２とする。ただし、画素出力の上限を飽和値とする。
（演算３）Ｓ１＜飽和値、Ｓ２＝０の場合：画素出力をＳ１とする。
【００３９】
上記の演算１〜３は、例えば図９に示されたフローチャートに従い実行可能である。信号処理回路２０４は、第１の電荷保持部２の信号Ｓ１と予め定められた飽和値とを比較する（ステップＳ１００）。信号Ｓ１が飽和出力に達している場合（ステップＳ１００でＹＥＳ）、信号処理回路２０４は画素出力を飽和値とする（ステップＳ１０１）。信号Ｓ１が飽和値よりも小さい場合（ステップＳ１００でＮＯ）、信号処理回路２０４は第２の電荷保持部３に電荷が溢れたか否か、すなわち、信号Ｓ２＝０であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。第２の電荷保持部３に電荷が溢れていない場合、すなわち、信号Ｓ２が「０」である場合（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、信号処理回路２０４は画素出力を信号Ｓ１とする（ステップＳ１０３）。ここで、ノイズ、設計誤差を考慮し、信号Ｓ２が所定の閾値を超えるか否かを判断しても良い。信号Ｓ２＞０である場合（ステップＳ１０２でＮＯ）、信号処理回路２０４は、信号Ｓ１と信号Ｓ２を加算した信号を画素出力とする（ステップＳ１０５）。このとき、画素出力が飽和値を超えている場合（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、信号処理回路２０４は飽和値を画素出力とする（ステップＳ１０６）。なお、上記の説明においては、信号Ｓ２が「０」であるか否かを判断しているが、ノイズ、ばらつきを考慮し、信号Ｓ２が低輝度における所定値を超えるか否かを判断しても良い。また、演算の手順は上記のフローチャートに限定されず、同様の機能を奏する限り、様々な変更が可能である。
【００４０】
このような演算を各画素において行うことにより、偽信号を抑制した画像を得ることができる。また、一般に２つの信号を加算すると、信号に含まれるノイズも加算されるため信号対雑音比は悪化する。しかし、本実施形態においては、光電変換部１が溢れない程度の光量では、第２の電荷保持部３の信号は加算されない。特にノイズが問題となる低輝度での撮影時においては、信号の加算が行われないため、信号対雑音比を悪化させない利点がある。
【００４１】
第２の電荷保持部３は、第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２と光電変換部１の飽和電荷量Ｑ１の差分の値以上の電荷量を保持できればいい。従って、第２の電荷保持部３の飽和電荷量Ｑ３は次式を充足すれば良い。
Ｑ３≧Ｑ２−Ｑ１          （式２）
【００４２】
画素２０のレイアウト面積を小さくするため、式２を充足する範囲で第２の飽和電荷量Ｑ３を小さくしても良い。すなわち、飽和電荷量Ｑ３≒Ｑ２−Ｑ１とすることにより、第２の電荷保持部３の飽和電荷量Ｑ３を、第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２に比べ小さくすることができる。従って、第２の電荷保持部３の面積を、第１の電荷保持部２の面積に比べて小さくすることができる。
【００４３】
飽和電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、それぞれ図５のポテンシャル分布の領域に蓄積できる電荷量として表すことができる。光電変換部１の飽和電荷量Ｑ１は、光電変換部１のポテンシャル底部の高さとポテンシャル障壁４０２の高さの差電圧により光電変換部１に蓄積される電荷量である。第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２は、光電変換部１のポテンシャル底部の高さと第１の電荷保持部２のポテンシャル底部の高さの差電圧により第１の電荷保持部２に保持される電荷量である。第２の電荷保持部３の飽和電荷量Ｑ３は、第２の電荷保持部３のポテンシャル底部の高さとポテンシャル障壁４０２の高さの差電圧により第２の電荷保持部３で保持される電荷量である。このように定義した飽和電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が式１および式２を充足するように設計を行うことにより、画素の飽和電荷量を増大させながら、画素面積、偽信号、雑音を抑制することができる。なお、設計においては製造ばらつき等を考慮し、飽和電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を定めることが望ましい。
【００４４】
図１０は本実施形態に係る固体撮像装置の画素のポテンシャル図であって、第１の電荷保持部２の飽和電荷量Ｑ２を説明するための図である。１フレームの蓄積期間中（図６の時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の間）に飽和電荷量Ｑ２を超える電荷が光電変換部１で発生したとする。説明を簡略化するため、第２の電荷保持部３へ電荷は溢れなかったとする。この場合、時刻Ｔ４において第１の転送スイッチ５がオフになると、電荷は図１０のように完全には第１の電荷保持部２に転送されず、一部が光電変換部１に残る。光電変換部１に残った電荷は、第１の電荷保持部２の信号読出しの際に読み出されないため、読み出される信号は実際の入射光量に相当する信号よりも光電変換部１に残った電荷の分だけ小さくなる。このように、飽和電荷量Ｑ２を超える電荷量を読み出そうとした場合、偽信号が発生し得る。偽信号を回避するため、図５で示した飽和電荷量Ｑ２を第１の電荷保持部２の飽和電荷量とみなして設計することが望ましい。すなわち、飽和電荷量Ｑ２は、光電変換部１のポテンシャル底部の高さと第１の電荷保持部２のポテンシャル底部の高さの差電圧により第１の電荷保持部２に保持される電荷量として定められる。
【００４５】
図５において、第１の電荷保持部２が飽和電荷量Ｑ２を保持する電圧（ポテンシャル障壁）に比べ、第２の電荷保持部３が飽和電荷量Ｑ３を保持する電圧（ポテンシャル障壁）は高い。このように高い電圧を印加できることから、第２の電荷保持部３の容量を小さくしながら、飽和電荷量を大きくすることができる。従って、飽和電荷量を保持する電圧を考慮した場合においても、第２の電荷保持部３の面積を第１の電荷保持部２の面積よりも小さくできる。
【００４６】
以上のように本実施形態によれば、グローバル電子シャッタ機能を有する固体撮像装置において、画素を縮小しながら、飽和電荷量を増大することが可能になる。
【００４７】
（第２の実施形態）
図１１は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素のポテンシャル図である。以下、本実施形態に係る固体撮像装置について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図５と異なる点は、第２の電荷保持部３のポテンシャル底部の高さが入力ノード４のポテンシャル底部の高さと等しい点である。この場合、第２の電荷保持部３から入力ノード４への電荷転送は完全転送にならず、第２の電荷保持部３は空乏化されない。
【００４８】
第２の電荷保持部３を空乏化する必要がない場合、図４のＮ型半導体領域３０６の不純物濃度を高くし、ＰＮ接合容量を大きくすることができるため、第２の電荷保持部３の容量を大きくすることができる。単位面積当たりの容量が大きくなるため、第２電荷保持部３の面積を小さくすることができる。このため、図１１のポテンシャルによれば、画素２０の縮小および第１の電荷保持部の面積拡大による飽和電荷量の増大の効果は、図４のポテンシャルにおける効果よりも大きくなる。
【００４９】
但し、電荷転送後、第２の電荷保持部３に電荷が残るため、第２の電荷保持部３の電圧をリセットすることが望ましい。入力ノード４にリセット電圧を供給している状態において第３の転送スイッチ７をオンすることにより、残った電荷のリセットを行うことができる。例えば、図６において蓄積を開始する時刻Ｔ１の直前または直後にリセットすることができる。また、図８において第２の電荷保持部３の信号読出しを終了した時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間にリセットしても良い。
【００５０】
電荷転送時、第２の電荷保持部３と入力ノード４のそれぞれの容量比に応じて、電荷が分配される。このため入力ノード４に読み出される信号電荷が小さくなるとともに、第３の転送スイッチをオフする際にリセットノイズが発生する。これにより、第２の電荷保持部３の信号に含まれるノイズは増加し得る。しかしながら、演算１〜３を実行することにより、ノイズが問題となる低輝度での撮影時において、第２の電荷保持部３の信号Ｓ２は画素出力に加算されない。このため、第２の電荷保持部３の信号のノイズを最小限に抑えることができる。なお、演算２において第２の電荷保持部３の信号Ｓ２を画素出力に加算する場合、電荷転送の際に信号Ｓ２の減少分を補正し、信号Ｓ２を画素出力に加算することが望ましい。
【００５１】
本実施形態においても、グローバル電子シャッタ機能を有する固体撮像装置において、画素を縮小しながら、飽和電荷量を増大することが可能になる。
【００５２】
（第３の実施形態）
本実施形態は、画素に光電変換部の電荷を排出するための排出部を有する点において第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と異なる構成を中心に説明する。また、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付している。
【００５３】
図１２は、本実施形態の固体撮像装置の画素の回路図である。図２と異なる点は、画素２０が光電変換部１の電荷を排出するための排出スイッチ１３を有する点である。電荷はオーバーフロードレイン１４に排出される。排出スイッチ１３、オーバーフロードレイン１４は排出部を構成している。オーバーフロードレイン１４には所定の電圧が供給される。排出スイッチ１３のゲートには駆動信号ＯＦＧの配線が接続される。駆動信号ＯＦＧは他の駆動信号ＴＸ１１、ＴＸ２１、ＴＸ２２、ＲＥＳ、ＳＥＬと同様に垂直走査回路２０１によって駆動される。
【００５４】
図１３は、本実施形態の固体撮像装置の図１２の画素回路の概略のレイアウトを示す平面図である。制御電極１３０は、排出スイッチ１３のゲートである。図１３はレイアウトの一例にすぎず、オーバーフロードレイン１４、制御電極１３０は図示された配置に限定されない。
【００５５】
図１４は、図１３の破線Ｂ−Ｂ'に沿った、本実施形態の固体撮像装置の画素の断面図である。オーバーフロードレイン１４はＮ型半導体領域から成る。図１３の破線Ａ−Ａ'に沿った画素の断面図は図４と同様である。
【００５６】
図１５は、図１３の破線Ｂ−Ｂ'に沿ったポテンシャルを示している。ここで、第３の転送スイッチ７と排出スイッチ１３がオフの状態にある。ポテンシャルの底部のそれぞれの高さは、（光電変換部１）＞（第２の電荷保持部３）＞（入力ノード４）＝（オーバーフロードレイン１４）の関係を有している。入力ノード４とオーバーフロードレイン１４は空乏化されないため、ポテンシャルは入力ノード４のリセット電圧とオーバーフロードレイン１４に印加される電圧に依存する。図１５は、入力ノード４のリセット電圧とオーバーフロードレイン１４に印加される電圧が等しい場合におけるポテンシャルを示している。このようなポテンシャル分布により、光電変換部１からオーバーフロードレイン１４への電荷の完全転送が可能になる。図１５において、光電変換部１とオーバーフロードレイン１４の間のポテンシャル障壁１５０１の高さよりも、光電変換部１と第２の電荷保持部３の間のポテンシャル障壁４０２の高さが低い。さらに、ポテンシャル障壁４０２の高さは、光電変換部１を囲むポテンシャル障壁の中で最も低い。このようなポテンシャル分布により、光電変換部１から溢れた電荷が第２の電荷保持部３で蓄積される。なお、図１５においては、第２の電荷保持部３が入力ノード４への電荷転送の際に空乏化されているが、第１の実施形態で説明したように、第２の電荷保持部３は必ずしも空乏化されなくても良い。
【００５７】
図１６は、本実施形態の固体撮像装置のタイミングチャートである。駆動信号ＯＦＧの電圧変化が示されている点を除き、図１６のタイミングチャートは図６のタイミングチャートと共通している。
【００５８】
時刻Ｔ１において、前フレームの電荷蓄積が終了し、駆動信号ＯＦＧがハイレベルとなり、排出スイッチ１３がオンになる。これにより光電変換部１に残った電荷がオーバーフロードレイン１４に排出される。例えば、図１０に示されたように、前フレームの電荷が光電変換部１に残っている場合、光電変換部１から電荷を排出できる。これにより、前フレームの信号が現フレームの信号に混ざることが無くなり、ノイズを低減できる。
【００５９】
時刻Ｔ５において、駆動信号ＯＦＧがローレベルとなり、排出スイッチ１３がオフとなる。これにより、光電変換部１における現フレームの信号蓄積が開始される。現フレームの信号蓄積期間は時刻Ｔ５から時刻Ｔ４の期間である。駆動信号ＯＦＧを制御することで、蓄積期間を自由に設定することができ、光輝度の被写体においても信号が飽和することなく、グローバル電子シャッタを実現することができる。
【００６０】
時刻Ｔ５から時刻Ｔ２において、図１５のポテンシャル分布によりおいて、光電変換部１から溢れた電荷は、第２の電荷保持部３で蓄積される。
【００６１】
時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間においては、駆動信号ＴＸ１１が常時ハイレベルであり、第１の転送スイッチがオンとなっているため、信号電荷は第１の電荷保持部２に蓄積される。なお、図７に示されたように、駆動信号ＴＸ１１を間欠的にハイレベルとしても良い。
【００６２】
図１６においては、駆動信号ＯＦＧのローレベルの電圧は時刻Ｔ５から時刻Ｔ４まで一定であるが、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間の駆動信号ＯＦＧの電圧よりも時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間の駆動信号ＯＦＧの電圧を若干、高くしても良い。これにより、図１５のポテンシャル障壁１５０１の高さをポテンシャル障壁４０２の高さよりも低くし、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間に光電変換部１と第１の電荷保持部２から溢れた電荷をオーバーフロードレイン１４に排出することができる。よって、時刻Ｔ２からＴ４の期間に溢れた電荷が第２の電荷保持部３に蓄積され、当該電荷が次フレームの時刻Ｔ５からＴ２の期間に溢れる電荷と混ざることにより生じるノイズを抑制することができる。
【００６３】
また、駆動信号ＯＦＧがオフになる時刻Ｔ５は時刻Ｔ１とＴ２の間であるが、時刻Ｔ５は時刻Ｔ２とＴ４の間であっても良い。この場合、時刻Ｔ１とＴ２の間に光電変換部１で発生する電荷はオーバーフロードレイン１４に排出されるため、第２の電荷保持部３に電荷が溢れない。この場合、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３において第２の電荷保持部３の電荷の読み出しを行う必要はない。
【００６４】
図１７は、本実施形態の固体撮像装置の画素の回路図の変形例である。図１２と異なる点は、画素２０が第１の電荷保持部２と第２の電荷保持部３を接続可能な連結スイッチ１５を有する点である。上記のように第２の電荷保持部３の電荷読み出しを行う必要がない場合に、連結スイッチ１５をオンにすることにより、第１の電荷保持部２と第２の電荷保持部３を一つの電荷保持部として使用することができる。第１の電荷保持部２のみを使用した場合に比べ、画素２０の飽和電荷量を拡大することができる。
【００６５】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、光電変換部１の面積を小さくしながら、飽和電荷量を増大することができる。また、第２の電荷保持部３の面積を第１の電荷保持部２の面積よりも小さくできる。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
さらに、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、蓄積時間を自由に設定でき、前フレームの信号を完全に排出することによりフレーム間で信号が混ざることによるノイズを低減できる。
【００６７】
（第４の実施形態）
本実施形態は、光電変換部と第２の電荷保持部の間に電荷を転送するための第４の転送スイッチを有する点において、第１乃至第３の実施形態と異なる。以下、第１乃至第３の実施形態と異なる点を中心に説明する。第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付している。
【００６８】
図１８は、本実施形態の固体撮像装置の画素の回路図である。画素２０の光電変換部１と第２の電荷保持部３の間に第４の転送スイッチ１６が設けられている。転送スイッチ１６のゲートには駆動信号ＴＸ１２の配線が接続される。駆動信号ＴＸ１２は垂直走査回路２０１によって駆動される。
【００６９】
図１９は、本実施形態の固体撮像装置の図１８の画素回路の概略のレイアウトを示す平面図である。
【００７０】
図２０は、図１９の破線Ａ−Ａ'に沿った、本実施形態の固体撮像装置の画素の断面図である。第４の転送スイッチ１６の制御電極１６０は、光電変換部１のＮ型半導体領域３０１と第２の電荷保持部３のＮ型半導体領域３０６の間のＰ型半導体領域３０９の上部に形成されている。Ｎ型半導体領域３０１、３０６は第４の転送スイッチ１６のソース／ドレイン領域を共有している。
【００７１】
図２１は、本実施形態の固体撮像装置のタイミングチャートである。図６と異なる点は、駆動信号ＴＸ１２の電圧が追加されていることである。駆動信号ＴＸ１２は常時ローレベルであるため、第４の転送スイッチ１６が完全にオンしない。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において、駆動信号ＴＸ１１、ＴＸ１２はともにローレベルであるが、駆動信号ＴＸ１２のローレベルの電圧を駆動信号ＴＸ１１のローレベルの電圧よりも若干高く設定する。こうすることで、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において、第１の実施形態と同様に、図５あるいは図１１のポテンシャル分布が成り立つ。これにより、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に光電変換部１から溢れた電荷を第２の電荷保持部３に蓄積することができる。第２の電荷保持部３は、入力ノード４への電荷転送の際に空乏化されても良く、空乏化されなくても良い。
【００７２】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、光電変換部１の面積を小さくできる。また、第２の電荷保持部３の面積を第１の電荷保持部２の面積よりも小さくできる。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７３】
（第５の実施形態）
図２２は、本実施形態の固体撮像装置の画素の回路図である。第４の実施形態に係る図１８の構成と異なる点は、画素２０が排出スイッチ１３、オーバーフロードレイン１４、駆動信号ＯＦＧを有する点である。
【００７４】
図２３は、本実施形態の固体撮像装置のタイミングチャートである。第４の実施形態に係る図２１のタイミングチャートに加えて、駆動信号ＯＦＧの電圧が追加されている。
【００７５】
時刻Ｔ２から時刻Ｔ４において、第４の実施形態と同様に、駆動信号ＯＦＧのローレベルの電圧を時刻Ｔ５から時刻Ｔ２に比べて若干高くしても良い。これに代えて、本実施形態においては、時刻Ｔ１からＴ２の期間における駆動信号ＴＸ１２の電圧を時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間の駆動信号ＴＸ１２の電圧に比べ、若干高くしても良い。これにより、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間に光電変換部１から溢れた電荷を第２の電荷保持部３で蓄積し、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間に溢れた電荷をオーバーフロードレイン１４に排出することができる。
【００７６】
図２３においては、駆動信号ＯＦＧがオフになる時刻Ｔ５は時刻Ｔ１と時刻Ｔ２の間であるが、時刻Ｔ５は時刻Ｔ２と時刻Ｔ４の間であっても良い。この場合、第３の実施形態において説明したように、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３において第２の電荷保持部３の電荷の読み出しを行う必要はない。
【００７７】
第２の電荷保持部３の電荷読み出しを行う必要がない場合、駆動信号ＴＸ１２と駆動信号ＴＸ１１とを同じタイミングで駆動し、駆動信号ＴＸ２２と駆動信号ＴＸ２１とを同じタイミングで駆動しても良い。これにより、第１の電荷保持部２と第２の電荷保持部３を並列に１つの電荷保持部として用いることができ、第１の電荷保持部のみを用いる場合に比べ、飽和電荷量を増大することができる。
【００７８】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、光電変換部１の面積を小さくしながら、飽和電荷量を増大することができる。また、第２の電荷保持部３の面積を第１の電荷保持部２の面積よりも小さくすることができ、画素２０の縮小および第１の電荷保持部２の面積拡大による飽和電荷量を増大することができる。また、画素が排出部を有することにより、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
以上のように、本実施形態によれば、第１乃至第３の実施形態と同様の効果を、異なる画素構成により実現できる。
【００８０】
（第６の実施形態）
本実施形態は、画素の光電変換部の電荷を排出するための排出部が第４の転送スイッチを介して光電変換部に接続されている点が第１乃至第５の実施形態と異なる。以下、第１乃至第５の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８１】
図２４は、本実施形態の固体撮像装置の画素の回路図である。第５の実施形態に係る図２２と異なる点は、排出スイッチ１３が光電変換部１に接続されておらず、第４の転送スイッチ１６を介して第２の電荷保持部３と同じノードに接続されている点である。本実施形態においても、第２の電荷保持部３は入力ノード４への電荷転送の際に空乏化されても良く、空乏化されなくても良い。
【００８２】
図２５は、本実施形態の固体撮像装置のタイミングチャートである。第５の実施形態に係る図２３と異なる点は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ５の間に駆動信号ＴＸ１２がハイレベルとなる点である。これにより、第４の転送スイッチ１６と排出スイッチ１３とを同時にオンし、光電変換部１の電荷をオーバーフロードレイン１４に排出することができる。同時に、第２の電荷保持部３の電荷もオーバーフロードレイン１４に排出され、第２の電荷保持部３はリセットされる。
【００８３】
時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間において、駆動信号ＴＸ１１、ＴＸ１２はともにローレベルであるが、駆動信号ＴＸ１２のローレベルの電圧を駆動信号ＴＸ１１のローレベルの電圧よりも若干高く設定しても良い。これにより、第４の実施形態と同様に、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間において、光電変換部１から溢れた電荷を第２の電荷保持部３に蓄積することができる。
【００８４】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、光電変換部１の面積を小さくしながら、電荷保持量を増大することができる。また、第２の電荷保持部３の面積を第１の電荷保持部２の面積よりも小さくでき、画素２０の縮小および第１の電荷保持部２の面積拡大による飽和電荷量を増大することができる。また、排出部を設けることにより、第２の実施形態と同じ効果が得られる。
【００８５】
以上のように、本実施形態によれば、第１乃至第５の実施形態と同じ効果を、異なる画素構成により実現できる。
【００８６】
（第７の実施形態）
上記の各実施形態で述べ固体撮像装置は、種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムの一例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどがあげられる。図２６に、撮像システムの一例としてデジタルスチルカメラに、上記の実施形態のいずれかの撮像装置を適用した撮像システムの図を示す。
【００８７】
図２６に例示した撮像システムは、固体撮像装置６０１、レンズ６０３の保護のためのバリア６０２、被写体の光学像を固体撮像装置６０１に結像させるレンズ６０３、およびレンズ６０３を通過する光量を可変にするための絞り６０４を有する。レンズ６０３、絞り６０４は固体撮像装置６０１に光を集光する光学系である。固体撮像装置６０１は、上記の実施形態のいずれかの固体撮像装置である。また、撮像システムは、固体撮像装置６０１より出力される出力信号の処理を行う信号処理部６０５を有する。信号処理部６０５は、固体撮像装置６０１が出力する信号に基づいて画像を生成する。具体的には、信号処理部６０５は、必要に応じて、各種の補正および圧縮を行って、画像データを出力する。また、信号処理部６０５は、固体撮像装置６０１が出力する信号を用いて、焦点検出を行う。
【００８８】
撮像システムは、さらに、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部６０６、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）６０８を有する。さらに、撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体６０９、記録媒体６０９に記録または読み出しを行うための記録媒体インターフェース部（記録媒体Ｉ／Ｆ部）６０７を有する。なお、記録媒体６０９は、撮像システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
【００８９】
さらに、撮像システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する制御部６１０、固体撮像装置６０１と信号処理部６０５に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部６１１を有する。ここで、タイミング信号などは、外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも固体撮像装置６０１と、固体撮像装置６０１から出力された出力信号を処理する信号処理部６０５とを有すればよい。以上のように、本実施形態の撮像システムは、固体撮像装置６０１を適用して撮像動作を行うことが可能である。
【００９０】
（他の実施形態）
上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。例えば、ＣＭＯＳトランジスタはＮ型、Ｐ型のいずれを用いても良い。また、複数の画素２０が１つの増幅部９を共有しても良い。
【符号の説明】
【００９１】
１  光電変換部
２  第１の電荷保持部
３  第２の電荷保持部
５  第１の転送スイッチ
６  第２の転送スイッチ
７  第３の転送スイッチ
９  増幅部
１３  排出スイッチ
１４  オーバーフロードレイン
１５  連結スイッチ
１６  第４の転送スイッチ
【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１１】
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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１７】
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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２４】
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【図２５】
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【図２６】
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