JP2011055345A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】 SN比が高く、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像装置は、光電変換部を含んで構成される複数の画素と、複数の画素のそれぞれに対応して色毎に設けられる複数色のカラーフィルタと、撮影感度を設定する撮影感度設定部と、第2導電型の電荷吸収層と、電圧印加部とを有している。光電変換部は、第1導電型半導体からなるウエルと、第2導電型半導体からなり、第1導電型半導体の受光面側に設けられる電荷蓄積部とから構成され、入射光を光電変換して電荷を生成する。第2導電型の電荷吸収層は、少なくとも1つの色のカラーフィルタが設けられる画素について、電荷蓄積部の下側に前記第1導電型半導体を介在させて配置される。電圧印加部は、撮影感度設定部により設定される撮影感度に基づき、電荷吸収層に電圧を印加する。
【選択図】 図5An imaging apparatus having a high S / N ratio and a wide dynamic range is provided.
An imaging apparatus includes a plurality of pixels configured to include a photoelectric conversion unit, a plurality of color filters provided for each color corresponding to each of the plurality of pixels, and a photographing sensitivity for setting a photographing sensitivity. A setting unit, a second conductivity type charge absorption layer, and a voltage application unit; The photoelectric conversion unit is composed of a well made of a first conductivity type semiconductor and a charge accumulation unit made of a second conductivity type semiconductor and provided on the light receiving surface side of the first conductivity type semiconductor, and photoelectrically converts incident light. Generate charge. The second conductivity type charge absorption layer is disposed below the charge storage portion with the first conductivity type semiconductor interposed between pixels provided with at least one color filter. The voltage application unit applies a voltage to the charge absorption layer based on the imaging sensitivity set by the imaging sensitivity setting unit.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus.
一般に、デジタルカメラ等の撮像装置には、CCD型やCMOS型の固体撮像素子が使用されている。この種の固体撮像素子では、光電変換部を有する複数の画素がマトリクス状に配置されている。例えば、CMOS型の固体撮像素子では、各画素は、フォトダイオード等の光電変換部、フローティングディフュージョン領域および増幅トランジスタ等を有している。入射光の光量に応じて光電変換部に発生した電荷は、フローティングディフュージョン領域に転送される。そして、増幅トランジスタは、フローティングディフュージョン領域に蓄積された電荷に基づく信号電圧をゲートで受け、入射光の光量に応じた画素信号を出力する。 In general, a CCD type or CMOS type solid-state imaging device is used in an imaging apparatus such as a digital camera. In this type of solid-state imaging device, a plurality of pixels having photoelectric conversion units are arranged in a matrix. For example, in a CMOS type solid-state imaging device, each pixel includes a photoelectric conversion unit such as a photodiode, a floating diffusion region, an amplification transistor, and the like. The electric charge generated in the photoelectric conversion unit according to the amount of incident light is transferred to the floating diffusion region. The amplification transistor receives a signal voltage based on the electric charge accumulated in the floating diffusion region at the gate, and outputs a pixel signal corresponding to the amount of incident light.
例えば、暗い場所での撮影や高速シャッタを使用した撮影では、入射光の光量が小さいため、SN比は低下する。このため、高感度撮影では、SN比を向上させる必要がある。一方、高輝度被写体の撮影や長秒撮影では、黒つぶれや白飛びの発生を防止するために、ダイナミックレンジを広くする必要がある。近年、飽和光量の異なる2つの光電変換部が同一画素に設けられた固体撮像素子が提案されている(例えば、特許文献1)。特許文献1の固体撮像素子では、各画素の2つの光電変換部は、半導体基板の異なる深さに配置される。例えば、深い位置に配置された光電変換部は、浅い位置に配置された光電変換部に比べて広いダイナミックレンジを有している。
For example, in shooting in a dark place or shooting using a high-speed shutter, the SN ratio decreases because the amount of incident light is small. For this reason, it is necessary to improve the SN ratio in high-sensitivity imaging. On the other hand, in shooting a high-luminance subject or long-second shooting, it is necessary to widen the dynamic range in order to prevent blackout and whiteout. In recent years, a solid-state imaging device in which two photoelectric conversion units having different saturation light amounts are provided in the same pixel has been proposed (for example, Patent Document 1). In the solid-state imaging device of
2つの光電変換部が半導体基板の異なる深さに配置される構成では、深い方に配置された光電変換部の電荷をフローティングディフュージョン領域に完全に転送することは困難である。光電変換部の電荷が完全に転送されない場合、次の光電変換時(次フレーム)まで光電変換部に電荷が残り、残像が発生する。この場合、画像の品質は低下する。 In the configuration in which the two photoelectric conversion units are arranged at different depths of the semiconductor substrate, it is difficult to completely transfer the charges of the photoelectric conversion units arranged in the deeper side to the floating diffusion region. When the charge of the photoelectric conversion unit is not completely transferred, the charge remains in the photoelectric conversion unit until the next photoelectric conversion (next frame), and an afterimage is generated. In this case, the image quality decreases.
本発明の目的は、SN比が高く、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an imaging device having a high SN ratio and a wide dynamic range.
撮像装置は、光電変換部を含んで構成される複数の画素と、複数の画素のそれぞれに対応して色毎に設けられる複数色のカラーフィルタと、撮影感度を設定する撮影感度設定部と、第2導電型の電荷吸収層と、電圧印加部とを有している。光電変換部は、第1導電型半導体からなるウエルと、第2導電型半導体からなり、第1導電型半導体の受光面側に設けられる電荷蓄積部とから構成され、入射光を光電変換して電荷を生成する。第2導電型の電荷吸収層は、少なくとも1つの色のカラーフィルタが設けられる画素について、電荷蓄積部の下側に前記第1導電型半導体を介在させて配置される。電圧印加部は、撮影感度設定部により設定される撮影感度に基づき、電荷吸収層に電圧を印加する。 The imaging device includes a plurality of pixels configured to include a photoelectric conversion unit, a plurality of color filters provided for each color corresponding to each of the plurality of pixels, a shooting sensitivity setting unit that sets shooting sensitivity, It has a second conductivity type charge absorption layer and a voltage application section. The photoelectric conversion unit is composed of a well made of a first conductivity type semiconductor and a charge accumulation unit made of a second conductivity type semiconductor and provided on the light receiving surface side of the first conductivity type semiconductor, and photoelectrically converts incident light. Generate charge. The second conductivity type charge absorption layer is disposed below the charge storage portion with the first conductivity type semiconductor interposed between pixels provided with at least one color filter. The voltage application unit applies a voltage to the charge absorption layer based on the imaging sensitivity set by the imaging sensitivity setting unit.
本発明によればSN比が高く、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an imaging device having a high SN ratio and a wide dynamic range.
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態を示している。この実施形態の撮像装置は、例えば、デジタルカメラであり、固体撮像素子10、光学系20、制御部30、タイミングジェネレータ40、メモリ50、記憶媒体60、モニタ70、および操作部80を有している。固体撮像素子10は、例えば、CMOS型の固体撮像素子であり、光学系20に設けられた撮影レンズ22を介して入射される被写体の像を電気信号(以下、画像信号とも称する)に変換する。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. The imaging apparatus of this embodiment is, for example, a digital camera, and includes a solid-
光学系20は、被写体の像を固体撮像素子10の受光面に結像する撮影レンズ22を有している。なお、光学系20は、撮影レンズ22の他に、ズームレンズやフォーカスレンズ等を有してもよい。制御部30は、例えば、マイクロプロセッサであり、図示しないプログラムに基づいて、撮像装置の動作を制御する。例えば、制御部30は、オートフォーカス制御、絞り制御、固体撮像素子10への露光制御および画像データの記録等を実施する。さらに、制御部30は、後述する撮影感度設定部34、電荷吸収層に電圧を可変に印加する電圧印加部としての感度調整部32を有し、固体撮像素子10のダイナミックレンジを撮影感度に応じて調整する。
The
例えば、感度調整部32は、撮影感度に応じて、後述する図5に示す電荷吸収層ABL1に調整電圧VAを可変に印加する。具体的には、感度調整部32は、撮影感度設定部34により設定される撮影感度に応じた電圧を電荷吸収層ABL1に印加する。なお、撮影感度設定部34における撮影感度の設定は、ユーザにより設定されてもよいし、測光等により得られる情報(例えば、入射光の光量の情報)に基づいて自動的に設定されてもよい。ここで、感度調整部32および撮影感度設定部34は、制御部30の外部に設けられてもよい。例えば、感度調整部32および撮影感度設定部34は、固体撮像素子10内に設けられてもよい。
For example, the
タイミングジェネレータ40は、制御部30により制御され、固体撮像素子10に駆動クロックを供給する。例えば、タイミングジェネレータ40は、後述する図2に示す垂直走査回路11および水平走査回路15の駆動クロック、制御信号TN、TSを、固体撮像素子10に供給する。なお、タイミングジェネレータ40は、制御部30内に設けられてもよいし、固体撮像素子10内に設けられてもよい。
The
メモリ50は、例えば、DRAM(Dynamic RAM)やSRAM(Static RAM)等で形成されたバッファメモリであり、画像データ等を一時的に記憶する。記憶媒体60は、撮影された画像の画像データ等を記憶する。モニタ70は、例えば、液晶ディスプレイであり、撮影された画像、記憶媒体60に記憶された画像およびメニュー画面等を表示する。操作部80は、レリーズボタンおよびその他の各種スイッチを有し、撮像装置を動作させるために、ユーザにより操作される。
The
図2は、図1に示した固体撮像素子10の一例を示している。固体撮像素子10は、例えば、画素アレイARY、垂直信号線VL、定電流源IS、カラムアンプCA、垂直走査回路11、蓄積信号選択部12、信号蓄積部13、水平選択スイッチ部14および水平走査回路15を有している。
FIG. 2 shows an example of the solid-
画素アレイARYは、行方向(図の横方向)および列方向(図の縦方向)にマトリクス状に配置された画素PX1を有している。各画素PX1は、例えば、後述する光電変換部と、光電変換部に対応して色毎に設けられる図5に示すカラーフィルタCFLとを有し、カラーフィルタCFLを通過した入射光の光量に応じた電気信号を生成する。以下、赤(R)、緑(G)、青(B)のカラーフィルタCFLをそれぞれ有する画素PX1を、赤画素PX1(R)、緑画素PX1(G)、青画素PX1(B)とも称する。また、画素アレイARYにおいて赤(R)、緑(G)、青(B)のカラーフィルタCFLをそれぞれ有する画素PX1を総称して、赤画素PX1(R)グループ、緑画素PX1(G)グループ、青画素PX1(B)グループとも称する。 The pixel array ARY has pixels PX1 arranged in a matrix in the row direction (horizontal direction in the figure) and the column direction (vertical direction in the figure). Each pixel PX1 includes, for example, a photoelectric conversion unit, which will be described later, and a color filter CFL shown in FIG. 5 provided for each color corresponding to the photoelectric conversion unit, and according to the amount of incident light that has passed through the color filter CFL. Generate electrical signals. Hereinafter, the pixel PX1 having the red (R), green (G), and blue (B) color filters CFL is also referred to as a red pixel PX1 (R), a green pixel PX1 (G), and a blue pixel PX1 (B). Further, the pixels PX1 having the red (R), green (G), and blue (B) color filters CFL in the pixel array ARY are collectively referred to as a red pixel PX1 (R) group, a green pixel PX1 (G) group, Also referred to as a blue pixel PX1 (B) group.
カラーフィルタCFLの配列は、特に限定されないが、本実施形態においてはベイヤー配列が例示される。行方向に着目した場合、例えば、画素アレイARYのn行目では、赤画素PX1(R)と緑画素PX1(G)とが交互に配置され、n+1行目では、緑画素PX1(G)と青画素PX1(B)とが交互に配置されている。また、列方向に着目した場合、例えば、画素アレイARYのm列目では、緑画素PX1(G)と赤画素PX1(R)とが交互に配置され、m+1列目では、青画素PX1(B)と緑画素PX1(G)とが交互に配置されている。 The arrangement of the color filters CFL is not particularly limited, but a Bayer arrangement is exemplified in the present embodiment. When attention is paid to the row direction, for example, the red pixel PX1 (R) and the green pixel PX1 (G) are alternately arranged in the nth row of the pixel array ARY, and the green pixel PX1 (G) is arranged in the n + 1th row. The blue pixels PX1 (B) are alternately arranged. When attention is paid to the column direction, for example, in the m-th column of the pixel array ARY, the green pixel PX1 (G) and the red pixel PX1 (R) are alternately arranged, and in the m + 1-th column, the blue pixel PX1 (B ) And green pixels PX1 (G) are alternately arranged.
なお、列方向に配置された複数の画素PX1は、列毎に設けられた垂直信号線VLに接続されている。そして、各垂直信号線VLには、定電流源ISが接続されている。 The plurality of pixels PX1 arranged in the column direction are connected to the vertical signal line VL provided for each column. A constant current source IS is connected to each vertical signal line VL.
垂直走査回路11は、制御信号SEL、RES、TXを用いて、画素アレイARYの画素PX1を行毎に制御する。例えば、垂直走査回路11は、制御信号SEL(n)、RES(n)、TX(n)を制御し、n行目の各画素PX1の信号を各垂直信号線VLに出力する。また、例えば、垂直走査回路11は、制御信号SEL(n+1)、RES(n+1)、TX(n+1)を制御し、n+1行目の各画素PX1の信号を各垂直信号線VLに出力する。以下、制御信号SEL、RES、TXを選択信号SEL、リセット信号RES、転送信号TXともそれぞれ称する。
The
カラムアンプCAは、例えば、演算増幅器を用いて構成された反転増幅器であり、垂直信号線VL毎に設けられている。各カラムアンプCAは、各画素PX1から各垂直信号線VLを介して読み出された信号を反転増幅する。 The column amplifier CA is, for example, an inverting amplifier configured using an operational amplifier, and is provided for each vertical signal line VL. Each column amplifier CA inverts and amplifies a signal read from each pixel PX1 via each vertical signal line VL.
蓄積信号選択部12は、垂直信号線VL毎に設けられた画素信号選択スイッチMS1およびノイズ信号選択スイッチMN1を有している。例えば、画素信号選択スイッチMS1は、nMOSトランジスタであり、ゲートに印加される制御信号TSが高レベルの期間にオンし、カラムアンプCAから入力された画素信号を信号蓄積部13の画素信号蓄積部CSに出力する。
The accumulated
また、例えば、ノイズ信号選択スイッチMN1は、nMOSトランジスタであり、ゲートに印加される制御信号TNが高レベルの期間にオンし、カラムアンプCAから入力されたノイズ信号を信号蓄積部13のノイズ信号蓄積部CNに出力する。以下、画素信号選択スイッチMS1、ノイズ信号選択スイッチMN1をトランジスタMS1、MN1ともそれぞれ称する。
Further, for example, the noise signal selection switch MN1 is an nMOS transistor and is turned on when the control signal TN applied to the gate is at a high level, and the noise signal input from the column amplifier CA is used as the noise signal of the
信号蓄積部13は、垂直信号線VL毎に設けられた画素信号蓄積部CSおよびノイズ信号蓄積部CNを有している。例えば、画素信号蓄積部CSは、容量であり、一方の端子がトランジスタMS1のソースに接続され、他方の端子が接地されている。また、例えば、ノイズ信号蓄積部CNは、容量であり、一方の端子がトランジスタMN1のソースに接続され、他方の端子が接地されている。以下、画素信号蓄積部CS、ノイズ信号蓄積部CNを容量CS、CNともそれぞれ称する。
The
水平選択スイッチ部14は、垂直信号線VL毎に設けられた画素信号出力スイッチMS2およびノイズ信号出力スイッチMN2を有している。例えば、画素信号出力スイッチMS2は、nMOSトランジスタであり、ゲートに印加される制御信号GHが高レベルの期間にオンし、容量CSに保持された電圧を画素信号OUTSとして出力する。また、例えば、ノイズ信号出力スイッチMN2は、nMOSトランジスタであり、ゲートに印加される制御信号GHが高レベルの期間にオンし、容量CNに保持された電圧をノイズ信号OUTNとして出力する。以下、画素信号出力スイッチMS2、ノイズ信号出力スイッチMN2をトランジスタMS2、MN2ともそれぞれ称する。なお、トランジスタMS2、MN2のゲートは、互いに接続されている。
The horizontal
ここで、ノイズ信号OUTNは、例えば、画素PX1のリセットノイズ成分等を含む固定ノイズ成分を示す信号である。また、画素信号OUTSは、前述のノイズ成分と、画素PX1内のフォトダイオードで光電変換により生じる電荷に応じた信号成分とを含む信号である。したがって、例えば、CDS(相関二重サンプリング)によって、画素信号OUTSに含まれる画素PX1のリセットノイズ成分等の固定ノイズ成分は、画素信号OUTSからノイズ信号OUTNを減算することにより、除去される。 Here, the noise signal OUTN is a signal indicating a fixed noise component including a reset noise component of the pixel PX1, for example. The pixel signal OUTS is a signal including the above-described noise component and a signal component corresponding to the electric charge generated by photoelectric conversion in the photodiode in the pixel PX1. Therefore, for example, by CDS (correlated double sampling), a fixed noise component such as a reset noise component of the pixel PX1 included in the pixel signal OUTS is removed by subtracting the noise signal OUTN from the pixel signal OUTS.
水平走査回路15は、制御信号GHを用いて、トランジスタMS2、MN2を列毎に順次オンし、信号蓄積部13の容量CS、CNにそれぞれ保持された信号OUTS、OUTNを順次出力する。例えば、m列目の画素PX1から読み出された信号に対応する画素信号OUTS、ノイズ信号OUTNをそれぞれ出力するとき、水平走査回路15は、制御信号GH(m)を高レベルに制御し、制御信号GH(m+1)を含む他の制御信号GHを低レベルに制御する。
The
図3は、図2に示した画素PX1の回路構成の一例を示している。画素PX1は、光電変換部としてのフォトダイオードPD、ダイオードD1、転送トランジスタMTR、増幅トランジスタMAM、画素選択トランジスタMSE、リセットトランジスタMRSおよび電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンFD(フローティングディフュージョン領域)を有している。なお、画素PX1がフォトダイオードPDを有して構成されることから、上述した赤(R)、緑(G)、青(B)のカラーフィルタCFLは、フォトダイオードPDのそれぞれに対応して色毎に設けられることとなる。また、各画素PX1を構成するフォトダイオードPDは、画素アレイARYにおいて、赤色フィルタが設けられるフォトダイオードPDグループ(R)、緑色フィルタが設けられるフォトダイオードPDグループ(G)、青色フィルタが設けられるフォトダイオードPDグループ(B)を構成する。 FIG. 3 illustrates an example of a circuit configuration of the pixel PX1 illustrated in FIG. The pixel PX1 includes a photodiode PD as a photoelectric conversion unit, a diode D1, a transfer transistor MTR, an amplification transistor MAM, a pixel selection transistor MSE, a reset transistor MRS, and a floating diffusion FD (floating diffusion region) as a charge-voltage conversion unit. ing. Since the pixel PX1 includes the photodiode PD, the above-described red (R), green (G), and blue (B) color filters CFL correspond to the respective colors of the photodiode PD. It will be provided every time. In addition, in the pixel array ARY, the photodiode PD constituting each pixel PX1 includes a photodiode PD group (R) provided with a red filter, a photodiode PD group (G) provided with a green filter, and a photo provided with a blue filter. A diode PD group (B) is formed.
フローティングディフュージョンFDは、フォトダイオードPDから転送される電荷を蓄積する寄生容量CFDが形成される領域(トランジスタMTRのドレイン領域、トランジスタMTR、MAM間の配線領域、トランジスタMAMのゲート領域、リセットトランジスタMRSのソース領域等)である。また、画素PX1内に形成されるトランジスタMTR、MAM、MSE、MRSは、全てnMOSトランジスタである。 The floating diffusion FD includes a region where a parasitic capacitance CFD for accumulating charges transferred from the photodiode PD is formed (a drain region of the transistor MTR, a wiring region between the transistors MTR and MAM, a gate region of the transistor MAM, and a reset transistor MRS). Source region, etc.). Further, the transistors MTR, MAM, MSE, and MRS formed in the pixel PX1 are all nMOS transistors.
フォトダイオードPDは、入射光を光電変換して電荷を生成する光電変換部であり、アノードが接地され、カソードが転送トランジスタMTRのソースに接続されている。ダイオードD1は、アノードが接地され、カソードに調整電圧VAが印加される。なお、後述する図5に示すように、ダイオードD1のアノード(図5では、領域PA1)は、フォトダイオードPDのアノードでもある。したがって、例えば、ダイオードD1は、カソードに調整電圧VAが印加されることにより、フォトダイオードPDで生成される電荷の一部を吸収する。 The photodiode PD is a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light to generate charges, and has an anode grounded and a cathode connected to the source of the transfer transistor MTR. The diode D1 has an anode grounded and an adjustment voltage VA applied to the cathode. As shown in FIG. 5 described later, the anode of the diode D1 (the region PA1 in FIG. 5) is also the anode of the photodiode PD. Therefore, for example, the diode D1 absorbs part of the electric charge generated by the photodiode PD when the adjustment voltage VA is applied to the cathode.
なお、フォトダイオードPDで生成される電荷のうち、ダイオードD1に吸収されずに残った信号電荷は、フォトダイオードPDのn型領域(例えば、後述する図5に示すn型領域NA1)に蓄積される。したがって、この実施形態では、調整電圧VAを調整することにより、フォトダイオードPDの量子効率(受光感度)を調整できる。 Of the charge generated by the photodiode PD, the signal charge remaining without being absorbed by the diode D1 is accumulated in an n-type region (for example, an n-type region NA1 shown in FIG. 5 described later) of the photodiode PD. The Therefore, in this embodiment, the quantum efficiency (light receiving sensitivity) of the photodiode PD can be adjusted by adjusting the adjustment voltage VA.
転送トランジスタMTRは、ゲートに印加される転送信号TXが高レベルの期間にオンし、フォトダイオードPDに蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。なお、フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷は、容量CFDに蓄積される。 The transfer transistor MTR is turned on while the transfer signal TX applied to the gate is at a high level, and transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD. Note that the signal charges transferred to the floating diffusion FD are accumulated in the capacitor CFD.
増幅トランジスタMAMは、ソースが画素選択トランジスタMSEのドレインに接続され、ドレインが電源VDDに接続され、ゲートが転送トランジスタMTRのドレインに接続されている。すなわち、フローティングディフュージョンFDの電圧(容量CFDの電圧)は、増幅トランジスタMAMのゲートに入力される。そして、増幅トランジスタMAMは、例えば、ゲートの電圧から増幅トランジスタMAMの閾値電圧分降下した電圧を、ソースから出力する。このように、増幅トランジスタMAMは、フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷に応じた信号を生成する。 The amplification transistor MAM has a source connected to the drain of the pixel selection transistor MSE, a drain connected to the power supply VDD, and a gate connected to the drain of the transfer transistor MTR. That is, the voltage of the floating diffusion FD (the voltage of the capacitor CFD) is input to the gate of the amplification transistor MAM. For example, the amplification transistor MAM outputs, from the source, a voltage obtained by dropping the gate voltage by the threshold voltage of the amplification transistor MAM. As described above, the amplification transistor MAM generates a signal corresponding to the signal charge transferred to the floating diffusion FD.
画素選択トランジスタMSEは、ゲートに印加される選択信号SELが高レベルの期間にオンし、ソースに接続された垂直信号線VLと増幅トランジスタMAMのソースとの間を導通させる。したがって、画素選択トランジスタMSEがオンの期間では、増幅トランジスタMAMと、画素選択トランジスタMSEと、垂直信号線VLに接続された定電流源ISとにより、ソースフォロア回路が構成される。これにより、画素選択トランジスタMSEにより選択された画素PX1の信号が、垂直信号線VLに出力される。 The pixel selection transistor MSE is turned on when the selection signal SEL applied to the gate is at a high level, and conducts between the vertical signal line VL connected to the source and the source of the amplification transistor MAM. Therefore, during the period in which the pixel selection transistor MSE is on, the amplification transistor MAM, the pixel selection transistor MSE, and the constant current source IS connected to the vertical signal line VL constitute a source follower circuit. Accordingly, the signal of the pixel PX1 selected by the pixel selection transistor MSE is output to the vertical signal line VL.
リセットトランジスタMRSは、ソースが増幅トランジスタMAMのゲートに接続され、ドレインが電源VDDに接続されている。そして、リセットトランジスタMRSは、ゲートに印加されるリセット信号RESが高レベルの期間にオンし、フローティングディフュージョンFDの電荷(容量CFDに蓄積されている電荷)を初期状態にリセットする。 The reset transistor MRS has a source connected to the gate of the amplification transistor MAM and a drain connected to the power supply VDD. The reset transistor MRS is turned on while the reset signal RES applied to the gate is at a high level, and resets the charge of the floating diffusion FD (charge accumulated in the capacitor CFD) to the initial state.
図4は、図2に示した画素PX1の平面構造の一例を示している。図中の網掛けは、トランジスタのゲートを示し、×印を付けた矩形は、コンタクト領域を示している。また、領域NA1、NA2、NA3、NA4、NA5、NA6は、n型領域を示している。例えば、n型領域NA1、NA2、NA3、NA4、NA5、NA6は、後述する図5に示すp型ウエル領域PWELLに、n型の不純物を導入することにより形成される。 FIG. 4 shows an example of a planar structure of the pixel PX1 shown in FIG. The shaded area in the figure indicates the gate of the transistor, and the rectangle with a cross indicates the contact area. Regions NA1, NA2, NA3, NA4, NA5, and NA6 indicate n-type regions. For example, the n-type regions NA1, NA2, NA3, NA4, NA5, and NA6 are formed by introducing an n-type impurity into a p-type well region PWELL shown in FIG.
転送トランジスタMTRは、n型領域NA1、ゲートGT1およびn型領域NA2を含んで構成されている。なお、n型領域NA1は、転送トランジスタMTRのソースでもあり、フォトダイオードPDの電荷蓄積部(n型領域)でもある。以下、n型領域NA1を電荷蓄積部NA1とも称する。また、n型領域NA2は、転送トランジスタMTRのドレインでもあり、上述した図3に示したフローティングディフュージョンFDの一部でもある。転送トランジスタMTRのゲートGT1には、配線LN1を介して転送信号TXが印加される。 The transfer transistor MTR includes an n-type region NA1, a gate GT1, and an n-type region NA2. The n-type region NA1 is also a source of the transfer transistor MTR and a charge storage portion (n-type region) of the photodiode PD. Hereinafter, the n-type region NA1 is also referred to as a charge storage unit NA1. The n-type region NA2 is also the drain of the transfer transistor MTR and is a part of the floating diffusion FD shown in FIG. A transfer signal TX is applied to the gate GT1 of the transfer transistor MTR via the wiring LN1.
画素選択トランジスタMSEは、n型領域NA3、ゲートGT2およびn型領域NA4を含んで構成されている。画素選択トランジスタMSEのソースであるn型領域NA3には、垂直信号線VLが接続されている。また、画素選択トランジスタMSEのゲートGT2には、配線LN2を介して選択信号SELが印加される。増幅トランジスタMAMは、n型領域NA4、ゲートGT3およびn型領域NA5を含んで構成されている。なお、n型領域NA4は、画素選択トランジスタMSEのドレインでもあり、増幅トランジスタMAMのソースでもある。 The pixel selection transistor MSE includes an n-type region NA3, a gate GT2, and an n-type region NA4. A vertical signal line VL is connected to the n-type region NA3 which is the source of the pixel selection transistor MSE. The selection signal SEL is applied to the gate GT2 of the pixel selection transistor MSE via the wiring LN2. The amplification transistor MAM includes an n-type region NA4, a gate GT3, and an n-type region NA5. The n-type region NA4 is also the drain of the pixel selection transistor MSE and the source of the amplification transistor MAM.
リセットトランジスタMRSは、n型領域NA5、ゲートGT4およびn型領域NA6を含んで構成されている。n型領域NA5は、増幅トランジスタMAMのドレインでもあり、リセットトランジスタMRSのドレインでもあり、電源VDDに接続されている。なお、図4では、図を見やすくするために、電源VDDの配線や接地線等の記載を省略している。リセットトランジスタMRSのゲートGT4には、配線LN3を介してリセット信号RESが印加される。 The reset transistor MRS includes an n-type region NA5, a gate GT4, and an n-type region NA6. The n-type region NA5 is also the drain of the amplification transistor MAM and the drain of the reset transistor MRS, and is connected to the power supply VDD. In FIG. 4, the wiring of the power supply VDD, the ground line, and the like are omitted for easy understanding of the drawing. A reset signal RES is applied to the gate GT4 of the reset transistor MRS via the wiring LN3.
リセットトランジスタMRSのソースであるn型領域NA6は、配線LN4により、増幅トランジスタMAMのゲートGT3および転送トランジスタMTRのドレインであるn型領域NA2に接続されている。ここで、上述した図3に示した容量CFDは、トランジスタMTRのn型領域NA2、トランジスタMRSのn型領域NA6、トランジスタMAMのゲートGT3および配線LN4等に形成される寄生容量である。 The n-type region NA6 that is the source of the reset transistor MRS is connected to the gate GT3 of the amplification transistor MAM and the n-type region NA2 that is the drain of the transfer transistor MTR by the wiring LN4. Here, the capacitance CFD shown in FIG. 3 described above is a parasitic capacitance formed in the n-type region NA2 of the transistor MTR, the n-type region NA6 of the transistor MRS, the gate GT3 of the transistor MAM, the wiring LN4, and the like.
電荷吸収層ABL1は、画素アレイARYの全面に形成され、図示しない周辺回路領域(上述した図2に示した垂直走査回路11等の周辺回路が形成される領域)には形成されない。すなわち、電荷吸収層ABL1は、複数色の画素PX1の全面に共通に形成される。例えば、電荷吸収層ABL1は、後述するように、フォトダイオードPDの下側に形成されたn型領域であり、上述した図3に示したダイオードD1の一部である。ここで、フォトダイオードPDの下側とは、フォトダイオードPDの受光面と反対側をいう。なお、電荷吸収層ABL1には、配線LVAを介して調整電圧VAが印加される。
The charge absorption layer ABL1 is formed on the entire surface of the pixel array ARY, and is not formed in a peripheral circuit region (not shown) (a region where the peripheral circuit such as the
図5は、図4に示した画素PX1のA−A’線に沿う断面を示している。なお、図5では、図を見やすくするために、遮光膜やマイクロレンズ等の記載を省略している。画素PX1は、n型シリコン基板NSUB上に、第1導電型半導体としてのp型半導体からなるp型ウエル領域PWELLを形成して構成されている。例えば、p型ウエル領域PWELLにn型の不純物を導入することにより、電荷吸収層ABL1やn型領域NA1、NA2等が形成される。なお、p型ウエル領域PWELLは、接地されている。 FIG. 5 shows a cross section taken along line A-A ′ of the pixel PX <b> 1 shown in FIG. 4. Note that in FIG. 5, illustration of a light shielding film, a microlens, and the like is omitted for easy understanding of the drawing. The pixel PX1 is configured by forming a p-type well region PWELL made of a p-type semiconductor as a first conductivity type semiconductor on an n-type silicon substrate NSUB. For example, by introducing an n-type impurity into the p-type well region PWELL, the charge absorption layer ABL1, the n-type regions NA1, NA2, and the like are formed. The p-type well region PWELL is grounded.
p型ウエル領域PWELLの受光面側(図の上側)には、第2導電型半導体としてのn型半導体からなる電荷蓄積部NA1(n型領域NA1)が形成されている。すなわち、第1導電型半導体からなるウエル領域PWELLの受光面側に、第2導電型半導体からなる電荷蓄積部NA1が設けられてフォトダイオードPDが形成されている。なお、本実施形態に係るフォトダイオードPDは、第1導電型半導体からなる領域PA1(p型領域PA1)と電荷蓄積部NA1(n型領域NA1)との接合部JCP(pn接合)を有する。 On the light receiving surface side (upper side in the figure) of the p-type well region PWELL, a charge storage portion NA1 (n-type region NA1) made of an n-type semiconductor as a second conductivity type semiconductor is formed. That is, the charge storage portion NA1 made of the second conductivity type semiconductor is provided on the light receiving surface side of the well region PWELL made of the first conductivity type semiconductor to form the photodiode PD. Note that the photodiode PD according to the present embodiment has a junction JCP (pn junction) between the region PA1 (p-type region PA1) made of the first conductivity type semiconductor and the charge storage portion NA1 (n-type region NA1).
画素PX1に対応するフォトダイオードPDの受光面の上方には、カラーフィルタCFLが、各フォトダイオードPDに対応して色毎に配置されている。例えば、赤画素PX1(R)のフォトダイオードPDの受光面上には、赤色のカラーフィルタCFL(R)が、また緑画素PX1(G)のフォトダイオードPDの受光面上には、緑色のカラーフィルタCFL(G)が、また図示しない青画素PX1(B)のフォトダイオードPDの受光面上には、青色のカラーフィルタCFL(B)が配置されている。このように、分光特性の異なる複数色のカラーフィルタCFLがフォトダイオードPDのそれぞれに対応して設けられているため、フォトダイオードPDは、配置されたカラーフィルタCFLを通過した入射光の光量に応じた電荷を生成する。 Above the light receiving surface of the photodiode PD corresponding to the pixel PX1, a color filter CFL is arranged for each color corresponding to each photodiode PD. For example, a red color filter CFL (R) is provided on the light receiving surface of the photodiode PD of the red pixel PX1 (R), and a green color is provided on the light receiving surface of the photodiode PD of the green pixel PX1 (G). A blue color filter CFL (B) is disposed on the light receiving surface of the photodiode PD of the blue pixel PX1 (B) (not shown). As described above, since the color filters CFL of a plurality of colors having different spectral characteristics are provided corresponding to the photodiodes PD, the photodiodes PD correspond to the amount of incident light that has passed through the arranged color filters CFL. Generate a charge.
電荷蓄積部NA1の下側(すなわち、受光面と反対側のn型シリコン基板NSUB側)には、電荷吸収層ABL1が、電荷蓄積部NA1と間隔を置いて配置されている。ここで、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL1との間に介在するp型半導体の領域PA1は、p型ウエル領域PWELLの一部である。ダイオードD1は、pn接合ダイオードであり、p型半導体の領域PA1とn型半導体の電荷吸収層ABL1との接合部(pn接合)を有している。 A charge absorption layer ABL1 is disposed at a distance from the charge storage portion NA1 below the charge storage portion NA1 (that is, on the n-type silicon substrate NSUB side opposite to the light receiving surface). Here, the p-type semiconductor region PA1 interposed between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL1 is a part of the p-type well region PWELL. The diode D1 is a pn junction diode, and has a junction (pn junction) between the p-type semiconductor region PA1 and the n-type semiconductor charge absorption layer ABL1.
したがって、領域PA1と電荷吸収層ABL1との接合部近傍には、空乏層が形成される。この空乏層により、フォトダイオードPDで生成される電荷の一部(例えば、空乏層近傍の領域に発生した電荷)は、電荷吸収層ABL1に吸収される。そして、フォトダイオードPDで生成される電荷のうち、電荷吸収層ABL1に吸収されずに残った信号電荷は、電荷蓄積部NA1に蓄積される。 Therefore, a depletion layer is formed in the vicinity of the junction between the region PA1 and the charge absorption layer ABL1. Due to this depletion layer, a part of the charge generated in the photodiode PD (for example, a charge generated in a region near the depletion layer) is absorbed by the charge absorption layer ABL1. Of the charge generated by the photodiode PD, the signal charge remaining without being absorbed by the charge absorption layer ABL1 is accumulated in the charge accumulation unit NA1.
ここで、電荷吸収層ABL1の不純物濃度は、後述する図6に示すように、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL1との間に介在する領域PA1の不純物濃度より高い。このため、例えば、ダイオードD1を逆バイアスにする調整電圧VAが電荷吸収層ABL1に印加されたとき、ダイオードD1の空乏層は、領域PA1側に広がる。すなわち、領域PA1と電荷吸収層ABL1との接合部近傍に形成される空乏層は、調整電圧VAを大きくするほど、電荷蓄積部NA1側に広がる。 Here, the impurity concentration of the charge absorption layer ABL1 is higher than the impurity concentration of the region PA1 interposed between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL1, as shown in FIG. For this reason, for example, when the adjustment voltage VA that reverse biases the diode D1 is applied to the charge absorption layer ABL1, the depletion layer of the diode D1 spreads to the region PA1 side. That is, the depletion layer formed in the vicinity of the junction between the region PA1 and the charge absorption layer ABL1 spreads toward the charge storage unit NA1 as the adjustment voltage VA is increased.
したがって、この実施形態では、調整電圧VAを調整することにより、フォトダイオードPDの量子効率を調整できる。また、この実施形態では、入射光が殆ど到達しない深い領域に電荷吸収層ABL1が形成された場合でも、適切な調整電圧VAを電荷吸収層ABL1に印加することにより、空乏層を電荷蓄積部NA1側に広げることができ、フォトダイオードPDの量子効率を調整できる。なお、入射光が電荷吸収層ABL1に到達する場合、領域PA1と電荷吸収層ABL1との接合部近傍に発生する電荷は、電荷吸収層ABL1に吸収される。 Therefore, in this embodiment, the quantum efficiency of the photodiode PD can be adjusted by adjusting the adjustment voltage VA. Further, in this embodiment, even when the charge absorption layer ABL1 is formed in a deep region where the incident light hardly reaches, the depletion layer is changed to the charge storage portion NA1 by applying an appropriate adjustment voltage VA to the charge absorption layer ABL1. The quantum efficiency of the photodiode PD can be adjusted. When incident light reaches the charge absorption layer ABL1, the charge generated in the vicinity of the junction between the region PA1 and the charge absorption layer ABL1 is absorbed by the charge absorption layer ABL1.
この実施形態では、電荷吸収層ABL1に吸収される電荷を読み出す必要がない。また、転送トランジスタMTRは、電荷蓄積部NA1がn型領域NA2(転送トランジスタMTRのドレイン)とほぼ同じ深さに形成されているため、電荷蓄積部NA1に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに効率よく転送できる。これにより、この実施形態では、次フレームの画像に残像が発生することを防止でき、画像の品質が低下することを防止できる。 In this embodiment, it is not necessary to read out the charge absorbed by the charge absorption layer ABL1. In the transfer transistor MTR, since the charge storage portion NA1 is formed at substantially the same depth as the n-type region NA2 (drain of the transfer transistor MTR), the signal charge stored in the charge storage portion NA1 is transferred to the floating diffusion FD. It can be transferred efficiently. Thereby, in this embodiment, it is possible to prevent an afterimage from occurring in the image of the next frame, and it is possible to prevent the image quality from deteriorating.
図6は、図5に示した画素のB−B’箇所における正味の不純物濃度分布を示している。図の横軸は、上述した図5に示したフォトダイオードPDの受光面からの深さ(単位はμm)を示し、図の縦軸は、正味の不純物濃度を示している。電荷蓄積部NA1(図6では、例えば、0.3〜0.5μmの深さ)の不純物濃度は、1立方cmあたり約1E17個である。また、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL1との間の領域PA1(図6では、例えば、0.7〜3.6μmの深さ)の不純物濃度は、1立方cmあたり約1E15個である。電荷吸収層ABL1(図6では、例えば、4.2〜6.0μmの深さ)の不純物濃度は、1立方cmあたり約1E16個である。 FIG. 6 shows a net impurity concentration distribution at the B-B ′ position of the pixel shown in FIG. 5. The horizontal axis of the figure indicates the depth (unit: μm) from the light receiving surface of the photodiode PD shown in FIG. 5, and the vertical axis of the figure indicates the net impurity concentration. The impurity concentration of the charge storage portion NA1 (for example, a depth of 0.3 to 0.5 μm in FIG. 6) is about 1E17 per cubic cm. Further, the impurity concentration in the region PA1 (in FIG. 6, for example, a depth of 0.7 to 3.6 μm) between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL1 is about 1E15 per cubic cm. The impurity concentration of the charge absorption layer ABL1 (in FIG. 6, for example, a depth of 4.2 to 6.0 μm) is about 1E16 per cubic cm.
このように、電荷吸収層ABL1の不純物濃度は、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL1との間の領域PA1の不純物濃度より、一桁以上高い。これにより、この実施形態では、領域PA1と電荷吸収層ABL1との接合部近傍に形成される空乏層の領域PA1側への伸びを大きくできる。したがって、電荷吸収層ABL1は、領域PA1で発生した電荷を、空乏層を介して効率よく吸収できる。これにより、この実施形態では、フォトダイオードPDの量子効率を効率よく低下させることができ、フォトダイオードPDのダイナミックレンジを容易に拡大できる。 Thus, the impurity concentration of the charge absorption layer ABL1 is higher by one digit or more than the impurity concentration of the region PA1 between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL1. Thereby, in this embodiment, the extension to the region PA1 side of the depletion layer formed in the vicinity of the junction between the region PA1 and the charge absorption layer ABL1 can be increased. Therefore, the charge absorption layer ABL1 can efficiently absorb the charge generated in the region PA1 through the depletion layer. Thereby, in this embodiment, the quantum efficiency of the photodiode PD can be efficiently reduced, and the dynamic range of the photodiode PD can be easily expanded.
図7は、カラーフィルタCFLがない場合の画素PX1の分光出力の一例を示している。図の横軸は、入射光の波長(単位はnm)を示し、図の縦軸は、入射光に対する画素PX1の出力値を相対値で示している。例えば、入射光の波長が450nm以上では、電荷吸収層ABL1に印加される調整電圧VAが6Vのときの画素PX1の出力値は、調整電圧VAが1Vのときより低く、調整電圧VAが10Vのときより高い。すなわち、画素PX1の出力値は、フォトダイオードPDの量子効率によって変化する。例えば、画素PX1の出力値は、調整電圧VAを大きくするほど低下し、調整電圧VAを小さくするほど増加する。なお、画素PX1の出力値は、固体撮像素子10から出力された出力値である。
FIG. 7 shows an example of the spectral output of the pixel PX1 when there is no color filter CFL. The horizontal axis in the figure indicates the wavelength of incident light (unit: nm), and the vertical axis in the figure indicates the output value of the pixel PX1 relative to the incident light as a relative value. For example, when the wavelength of incident light is 450 nm or more, the output value of the pixel PX1 when the adjustment voltage VA applied to the charge absorption layer ABL1 is 6V is lower than when the adjustment voltage VA is 1V, and the adjustment voltage VA is 10V. Higher than when. That is, the output value of the pixel PX1 varies depending on the quantum efficiency of the photodiode PD. For example, the output value of the pixel PX1 decreases as the adjustment voltage VA increases, and increases as the adjustment voltage VA decreases. Note that the output value of the pixel PX1 is an output value output from the solid-
図8は、図2に示した画素PX1の分光出力の一例を示している。図の横軸は、入射光の波長(単位はnm)を示し、図の縦軸は、入射光に対する画素PX1の出力値を相対値で示している。なお、画素信号に対するゲインを一定としているため(カラムアンプCAを含む回路ゲインが固定、かつ、画素PX1のフローティングディフュージョンFDの容量が固定)、図8の縦軸が示す画素PX1の出力値を、画素PX1の感度(相対値)に読み替えてもよい。 FIG. 8 shows an example of the spectral output of the pixel PX1 shown in FIG. The horizontal axis in the figure indicates the wavelength of incident light (unit: nm), and the vertical axis in the figure indicates the output value of the pixel PX1 relative to the incident light as a relative value. Since the gain for the pixel signal is constant (the circuit gain including the column amplifier CA is fixed and the capacitance of the floating diffusion FD of the pixel PX1 is fixed), the output value of the pixel PX1 indicated by the vertical axis in FIG. The sensitivity may be read as the sensitivity (relative value) of the pixel PX1.
図8に示されるように、青画素PX1(B)では、当該画素PX1の出力値の調整電圧VAの依存性は、緑画素PX1(G)および赤画素PX1(R)のそれと比べて、小さい。すなわち、緑画素PX1(G)および赤画素PX1(R)では、調整電圧VAを調整することにより、画素PX1の出力値を調整できる。例えば、緑画素PX1(G)および赤画素PX1(R)では、それらの出力値は、調整電圧VAを大きくするほど、低下する。 As shown in FIG. 8, in the blue pixel PX1 (B), the dependence of the output value of the pixel PX1 on the adjustment voltage VA is smaller than that of the green pixel PX1 (G) and the red pixel PX1 (R). . That is, in the green pixel PX1 (G) and the red pixel PX1 (R), the output value of the pixel PX1 can be adjusted by adjusting the adjustment voltage VA. For example, in the green pixel PX1 (G) and the red pixel PX1 (R), their output values decrease as the adjustment voltage VA is increased.
したがって、高感度撮影では、例えば、図1に示した感度調整部32は、1Vの調整電圧VAを電荷吸収層ABL1に印加し、フォトダイオードPDの量子効率を高くする。この場合、入射光の光量が小さいときでも、画素PX1は、SN比の高い信号を出力できる。
Therefore, in high-sensitivity imaging, for example, the
一方、低感度撮影では、例えば、感度調整部32は、6Vや10Vの調整電圧VAを電荷吸収層ABL1に印加し、フォトダイオードPDの量子効率を低くする。この場合、フォトダイオードPDのダイナミックレンジを拡大できる。したがって、電荷蓄積部NA1の受光面における面積を大きくすることなく、大きな光量まで白飛びせずに撮影できる。これは、電荷蓄積部NA1に蓄積される電荷数が、フォトダイオードPDの量子効率が低いほど減少するためである。
On the other hand, in low-sensitivity imaging, for example, the
なお、低感度撮影では、入射光の光量が大きいため、フォトダイオードPDの量子効率を低くしても、多くの電荷が電荷蓄積部NA1に蓄積される。したがって、低感度撮影では、フォトダイオードPDの量子効率を低くしても、画素PX1は、SN比の高い信号を出力できる。また、増幅トランジスタMAMや、カラムアンプCA等の回路ゲインは許容される信号の最大値が決まっており、そのためフォトダイオードPDの量子効率が高いと、それらの回路において飽和等の不具合を生じ得る。本実施形態では、フォトダイオードPDの量子効率を容易に減じることができるため、そのような不具合が生じることが無い。 Note that in low-sensitivity imaging, since the amount of incident light is large, even if the quantum efficiency of the photodiode PD is lowered, a large amount of charge is accumulated in the charge accumulation unit NA1. Therefore, in low-sensitivity imaging, the pixel PX1 can output a signal with a high SN ratio even if the quantum efficiency of the photodiode PD is lowered. Further, the circuit gain of the amplification transistor MAM, the column amplifier CA, and the like has a maximum allowable signal value. Therefore, if the quantum efficiency of the photodiode PD is high, problems such as saturation may occur in those circuits. In this embodiment, since the quantum efficiency of the photodiode PD can be easily reduced, such a problem does not occur.
また、図8に示されるように、緑画素PX1(G)のフォトダイオードPDの感度は、青画素PX1(B)、赤画素PX1(R)に比べて、高い。このため、例えば、撮像装置のダイナミックレンジは、緑画素PX1(G)のフォトダイオードPDのダイナミックレンジに依存する。この実施形態では、緑画素PX1(G)に対応するダイオードD1を逆バイアスにする調整電圧VAを大きく設定することにより、撮像装置のダイナミックレンジの制約条件となっている緑画素PX1(G)のフォトダイオードPDの量子効率を低下させることができる。これにより、この実施形態では、撮像装置のダイナミックレンジを容易に拡大できる。 Further, as shown in FIG. 8, the sensitivity of the photodiode PD of the green pixel PX1 (G) is higher than that of the blue pixel PX1 (B) and the red pixel PX1 (R). For this reason, for example, the dynamic range of the imaging device depends on the dynamic range of the photodiode PD of the green pixel PX1 (G). In this embodiment, by setting a large adjustment voltage VA that reversely biases the diode D1 corresponding to the green pixel PX1 (G), the green pixel PX1 (G) that is a constraint condition of the dynamic range of the imaging device is set. The quantum efficiency of the photodiode PD can be reduced. Thereby, in this embodiment, the dynamic range of an imaging device can be expanded easily.
図9は、図2に示した固体撮像素子10の動作の一例を示している。なお、図9は、図2に示した画素アレイARYのn行目の各画素PX1から画素信号OUTSおよびノイズ信号OUTNをそれぞれ読み出すときの固体撮像素子10の動作を示している。
FIG. 9 shows an example of the operation of the solid-
なお、期間T1は、各画素PX1の画素信号OUTSおよびノイズ信号OUTNを信号蓄積部13の容量CS、CNにそれぞれ蓄積するための期間である。また、期間T2は、信号蓄積部13の容量CS、CNにそれぞれ蓄積された画素信号OUTSおよびノイズ信号OUTNを順次出力するための水平走査期間である。例えば、期間T1(n)および期間T2(n)は、n行目の画素PX1の信号を読み出すための期間T1、T2をそれぞれ示している。以下、n行目の各画素PX1の図3に示した要素を、符号の末尾にnを追加して称する場合もある。例えば、n行目の各画素PX1の増幅トランジスタMAMを、増幅トランジスタMAMnとも称する。
The period T1 is a period for accumulating the pixel signal OUTS and the noise signal OUTN of each pixel PX1 in the capacitors CS and CN of the
例えば、上述した図1に示した感度調整部32は、撮影感度に応じた調整電圧VAを、期間T1の前に、上述した図5に示した電荷吸収層ABL1に印加する。また、期間T1(n)に移る前では、リセット信号RES(n)が高レベルに維持され(図9(a))、リセットトランジスタMRSnがオンしているため、フローティングディフュージョンFDnの電圧は、初期状態(以下、リセット状態とも称する)にリセットされている。
For example, the
期間T1(n)では、先ず、リセット信号RES(n)が高レベルから低レベルに変化し(図9(b))、リセットトランジスタMRSnがオフする。これにより、フローティングディフュージョンFDnは、転送トランジスタMTRnがオンしたときに、フォトダイオードPDnからの信号電荷を蓄積できる。なお、フローティングディフュージョンFDnの電圧は、フォトダイオードPDnから信号電荷が転送されるまで、リセット状態に維持される。 In the period T1 (n), first, the reset signal RES (n) changes from the high level to the low level (FIG. 9B), and the reset transistor MRSn is turned off. Thereby, the floating diffusion FDn can accumulate the signal charge from the photodiode PDn when the transfer transistor MTRn is turned on. Note that the voltage of the floating diffusion FDn is maintained in the reset state until the signal charge is transferred from the photodiode PDn.
次に、選択信号SEL(n)が低レベルから高レベルに変化し(図9(c))、画素選択トランジスタMSEnがオンする。これにより、増幅トランジスタMAMnのソースから信号が出力される。すなわち、増幅トランジスタMAMnは、フローティングディフュージョンFDnの電圧(リセット状態の電圧)に応じた電圧を、画素選択トランジスタMSEnを介して垂直信号線VLに出力する。なお、垂直信号線VLに出力された電圧は、カラムアンプCAにより反転増幅される。 Next, the selection signal SEL (n) changes from the low level to the high level (FIG. 9C), and the pixel selection transistor MSEn is turned on. As a result, a signal is output from the source of the amplification transistor MMAn. That is, the amplification transistor MAMn outputs a voltage corresponding to the voltage of the floating diffusion FDn (reset voltage) to the vertical signal line VL via the pixel selection transistor MSEn. Note that the voltage output to the vertical signal line VL is inverted and amplified by the column amplifier CA.
そして、制御信号TNが低レベルから高レベルに変化し(図9(d))、トランジスタMN1がオンする。これにより、n行目の画素PX1のリセット状態に対応する信号(ノイズ信号OUTN)は、信号蓄積部13の容量CNに蓄積される。その後、制御信号TNが高レベルから低レベルに変化し(図9(e))、トランジスタMN1がオフする。これにより、n行目の画素PX1のノイズ信号OUTNは、容量CNに保持される。
Then, the control signal TN changes from the low level to the high level (FIG. 9 (d)), and the transistor MN1 is turned on. As a result, a signal (noise signal OUTN) corresponding to the reset state of the pixel PX1 in the n-th row is accumulated in the capacitor CN of the
制御信号TNが高レベルから低レベルに変化した後に、転送信号TX(n)が低レベルから高レベルに変化する(図9(f))。そして、一定期間経過後に、転送信号TX(n)が高レベルから低レベルに変化する(図9(g))。これにより、転送トランジスタMTRnが一定期間オンし、フォトダイオードPDnの電荷蓄積部NA1に蓄積された信号電荷が、転送トランジスタMTRnを介して、フローティングディフュージョンFDnに転送される。そして、フローティングディフュージョンFDnの電圧(信号電荷が蓄積された容量CFDの電圧)に応じた信号電圧が、増幅トランジスタMAMnから画素選択トランジスタMSEnを介して垂直信号線VLに出力される。なお、垂直信号線VLに出力された電圧は、図2に示したカラムアンプCAにより反転増幅される。 After the control signal TN changes from the high level to the low level, the transfer signal TX (n) changes from the low level to the high level (FIG. 9 (f)). Then, after a certain period of time, the transfer signal TX (n) changes from a high level to a low level (FIG. 9 (g)). As a result, the transfer transistor MTRn is turned on for a certain period, and the signal charge stored in the charge storage portion NA1 of the photodiode PDn is transferred to the floating diffusion FDn through the transfer transistor MTRn. Then, a signal voltage corresponding to the voltage of the floating diffusion FDn (the voltage of the capacitor CFD in which signal charges are accumulated) is output from the amplification transistor MAMn to the vertical signal line VL via the pixel selection transistor MSEn. The voltage output to the vertical signal line VL is inverted and amplified by the column amplifier CA shown in FIG.
転送信号TX(n)が高レベルから低レベルに変化した後に、制御信号TSが低レベルから高レベルに変化し(図9(h))、トランジスタMS1がオンする。これにより、n行目の画素PX1のフォトダイオードPDの電荷蓄積部NA1に蓄積された信号電荷に対応する信号成分を含む信号(画素信号OUTS)は、信号蓄積部13の容量CSに蓄積される。その後、制御信号TSが高レベルから低レベルに変化し(図9(i))、トランジスタMS1がオフする。これにより、n行目の画素PX1の画素信号OUTSは、容量CSに保持される。
After the transfer signal TX (n) changes from the high level to the low level, the control signal TS changes from the low level to the high level (FIG. 9 (h)), and the transistor MS1 is turned on. Accordingly, a signal (pixel signal OUTS) including a signal component corresponding to the signal charge accumulated in the charge accumulation unit NA1 of the photodiode PD of the pixel PX1 in the n-th row is accumulated in the capacitor CS of the
水平走査期間T2(n)では、制御信号GHが高レベルに順次変化する(図9(j、k))。例えば、水平走査回路15は、出力対象の列に対応する制御信号GHを高レベルに変化させたとき、他の制御信号GHを低レベルに変化させる。これにより、トランジスタMS2、MN2が順次オンし、信号蓄積部13の容量CS、CNにそれぞれ保持された信号OUTS、OUTNが順次出力される。なお、水平走査期間T2では、例えば、制御信号RESは、高レベルに維持され、制御信号SEL、TX、TN、TSは、低レベルに維持されている。
In the horizontal scanning period T2 (n), the control signal GH sequentially changes to a high level (FIG. 9 (j, k)). For example, when the control signal GH corresponding to the output target column is changed to a high level, the
以上、この実施形態では、画素PX1は、調整電圧VAが印加される電荷吸収層ABL1を有している。この画素アレイARYにわたって形成された電荷吸収層ABL1は、フォトダイオードPDの電荷蓄積部NA1の下側に、電荷蓄積部NA1と間隔を置いて配置されている。このため、この実施形態では、電荷吸収層ABL1に印加する調整電圧VAを調整することにより、フォトダイオードPDの量子効率を調整できる。したがって、この実施形態では、高感度撮影の場合、電荷吸収層ABL1に印加する調整電圧VAを低下させることにより、フォトダイオードPDの量子効率を高くでき、SN比を高くできる。また、低感度撮影の場合、電荷吸収層ABL1に印加する調整電圧VAを増加させることにより、フォトダイオードPDの量子効率を低くでき、ダイナミックレンジを拡大できる。すなわち、この実施形態では、SN比が高く、かつ、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供できる。 As described above, in this embodiment, the pixel PX1 has the charge absorption layer ABL1 to which the adjustment voltage VA is applied. The charge absorption layer ABL1 formed over the pixel array ARY is disposed below the charge accumulation portion NA1 of the photodiode PD and spaced from the charge accumulation portion NA1. For this reason, in this embodiment, the quantum efficiency of the photodiode PD can be adjusted by adjusting the adjustment voltage VA applied to the charge absorption layer ABL1. Therefore, in this embodiment, in the case of high-sensitivity imaging, the quantum efficiency of the photodiode PD can be increased and the SN ratio can be increased by reducing the adjustment voltage VA applied to the charge absorption layer ABL1. In the case of low-sensitivity imaging, the quantum efficiency of the photodiode PD can be lowered and the dynamic range can be expanded by increasing the adjustment voltage VA applied to the charge absorption layer ABL1. That is, in this embodiment, an imaging apparatus with a high SN ratio and a wide dynamic range can be provided.
図10は、別の実施形態における撮像装置の画素PX1の断面を示している。図10は、図4に示した画素PX1のA−A’線に沿う断面に対応している。また、図10では、図を見やすくするために、遮光膜やマイクロレンズ等の記載を省略している。この実施形態の撮像装置は、図4に示した電荷吸収層ABL1の代わりに、電荷吸収層ABL2が設けられている。その他の構成は、図1−図9で説明した実施形態と同じである。図1−図9で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。 FIG. 10 shows a cross section of the pixel PX1 of the imaging apparatus according to another embodiment. FIG. 10 corresponds to a cross section taken along the line A-A ′ of the pixel PX <b> 1 shown in FIG. 4. Further, in FIG. 10, description of a light shielding film, a microlens, and the like is omitted for easy understanding of the drawing. The imaging device of this embodiment is provided with a charge absorption layer ABL2 instead of the charge absorption layer ABL1 shown in FIG. Other configurations are the same as those of the embodiment described with reference to FIGS. The same elements as those described in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図4および図5に示した撮像装置では、電荷吸収層ABL1は、画素アレイARYにわたって配置されており、受光面から電荷吸収層ABL1までの間隔は一定とされていた。本実施形態に係る撮像装置では、電荷吸収層ABL2は、画素アレイARYにわたって配置される構成は同じであるが、受光面から電荷吸収層ABL2までの間隔、すなわち、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との距離DISが、画素PX1に配置されるカラーフィルタCFLの色に対応して互いに異なるように形成される。例えば、緑画素PX1(G)内の電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との距離DISgは、赤画素PX1(R)内の電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との距離DISrより短い。これにより、電荷吸収層ABL2に調整電圧VAが印加されたときのフォトダイオードPDの量子効率を、赤画素PX1(R)と緑画素PX1(G)とで異ならせることができる。例えば、この実施形態では、調整電圧VAを大きくしたときの赤画素PX1(R)のフォトダイオードPDの量子効率の低下を、緑画素PX1(G)に比べて小さくできる。 In the imaging device shown in FIGS. 4 and 5, the charge absorption layer ABL1 is arranged over the pixel array ARY, and the distance from the light receiving surface to the charge absorption layer ABL1 is constant. In the image pickup apparatus according to the present embodiment, the charge absorption layer ABL2 has the same configuration arranged over the pixel array ARY, but the interval from the light receiving surface to the charge absorption layer ABL2, that is, the charge accumulation unit NA1 and the charge absorption layer. The distance DIS with respect to ABL2 is formed to be different from each other corresponding to the color of the color filter CFL arranged in the pixel PX1. For example, the distance DISg between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL2 in the green pixel PX1 (G) is shorter than the distance DISr between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL2 in the red pixel PX1 (R). Thereby, the quantum efficiency of the photodiode PD when the adjustment voltage VA is applied to the charge absorption layer ABL2 can be made different between the red pixel PX1 (R) and the green pixel PX1 (G). For example, in this embodiment, the decrease in the quantum efficiency of the photodiode PD of the red pixel PX1 (R) when the adjustment voltage VA is increased can be made smaller than that of the green pixel PX1 (G).
緑画素PX1(G)のフォトダイオードPDの量子効率が撮像装置のダイナミックレンジの制約条件になっているため、赤画素PX1(R)のフォトダイオードPDの量子効率は、高くても大きな問題とならない。また、複数色(例えば、赤、緑、青)の画素PX1の電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との距離DISを、配置されるカラーフィルタCFLの色に応じてそれぞれ調整し、フォトダイオードPDの量子効率を色毎にそれぞれ適切に設定してもよい。その場合、図示していないが、青画素PX1(B)の電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との距離DISbは、青画素PX1(B)内のフォトダイオードPDの量子効率が所望の値となるように別途設定される。 Since the quantum efficiency of the photodiode PD of the green pixel PX1 (G) is a limiting condition of the dynamic range of the imaging device, even if the quantum efficiency of the photodiode PD of the red pixel PX1 (R) is high, it does not cause a big problem. . Further, the distance DIS between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL2 of the pixel PX1 of a plurality of colors (for example, red, green, and blue) is adjusted according to the color of the arranged color filter CFL, and the photodiode PD The quantum efficiency may be set appropriately for each color. In that case, although not shown, the distance DISb between the charge storage portion NA1 of the blue pixel PX1 (B) and the charge absorption layer ABL2 is such that the quantum efficiency of the photodiode PD in the blue pixel PX1 (B) is a desired value. It is set separately as follows.
なお、本実施形態に係る構成は、画素アレイARYを構成する赤画素PX1(R)グループ、緑画素PX1(G)グループおよび青画素PX1(B)グループのそれぞれについて好適に採用できる。例えば、緑画素PX1(G)グループに属する緑画素PX1(G)の全てについて、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との間隔を距離DISgとし、また赤画素PX1(R)グループに属する赤画素PX1(R)の全てについて、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との間隔を距離DISgより短い距離DISrとすることができる。これにより、電荷吸収層ABL2に調整電圧VAが印加されたときのフォトダイオードPDの量子効率を、赤画素PX1(R)グループと緑画素PX1(G)グループとで異ならせることができる。なお、同一画素グループに属する画素PX1の全てについて、電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL2との間隔を一定とする必要は無い。同一画素グループ内の画素PX1であっても、必要に応じて、例えば、画素アレイARYの中心部と周辺部とで距離DISを変えてもよい。 Note that the configuration according to the present embodiment can be suitably employed for each of the red pixel PX1 (R) group, the green pixel PX1 (G) group, and the blue pixel PX1 (B) group that constitute the pixel array ARY. For example, for all the green pixels PX1 (G) belonging to the green pixel PX1 (G) group, the distance DISg between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL2 is set to the distance DISg, and the red pixels belonging to the red pixel PX1 (R) group. For all of PX1 (R), the distance between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL2 can be a distance DISr shorter than the distance DISg. Thereby, the quantum efficiency of the photodiode PD when the adjustment voltage VA is applied to the charge absorption layer ABL2 can be made different between the red pixel PX1 (R) group and the green pixel PX1 (G) group. Note that the interval between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL2 need not be constant for all the pixels PX1 belonging to the same pixel group. Even for the pixel PX1 in the same pixel group, for example, the distance DIS may be changed between the central portion and the peripheral portion of the pixel array ARY as necessary.
以上、この実施形態においても、図1−図9で説明した実施形態と同様の効果を得ることができる。 As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 9 can be obtained.
図11−図13は、別の実施形態における撮像装置の固体撮像素子10の一例を示している。この実施形態の固体撮像素子10は、図2に示した画素PX1の代わりに、画素PX2が設けられている。また、赤画素PX2(R)、緑画素PX2(G)、青画素PX2(B)には、図4に示した電荷吸収層ABL1の代わりに、電荷吸収層ABL3が画素PX2毎に設けられている。画素PX2毎に設けられた電荷吸収層ABL3には、配置されるカラーフィルタCFLに応じて調整電圧VAr、VAg、VAbがそれぞれ供給される。例えば、図1に示した感度調整部32は、撮影感度に応じた調整電圧VAr、VAg、VAbを、赤画素PX2(R)、緑画素PX2(G)、青画素PX2(B)にそれぞれ供給する。その他の構成は、図1−図9で説明した実施形態と同じである。図1−図9で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。
11 to 13 show an example of the solid-
図11に示した画素PX2の回路構成は、図3に示したダイオードD1の代わりに画素PX2毎にダイオードD2が設けられ、配置されるカラーフィルタCFLの色に応じて、ダイオードD2のカソードに異なる調整電圧VAr、VAg、VAbが印加される構成である。画素PX2のその他の回路構成は、画素PX1と同じである。例えば、緑画素PX2(G)のダイオードD2は、カソードに調整電圧VAgが印加されることにより、フォトダイオードPDで生成される電荷の一部を吸収する。同様に、赤画素PX2(R)および青画素PX2(B)のダイオードD2のカソードには、調整電圧VAr、VAbがそれぞれ印加されて、フォトダイオードPDで生成される電荷の一部が吸収される。すなわち、この実施形態では、ダイオードD2のカソードに印加される調整電圧VAr、VAg、VAbを色毎に設定できる。 The circuit configuration of the pixel PX2 shown in FIG. 11 is different from the cathode of the diode D2 according to the color of the color filter CFL provided, with the diode D2 provided for each pixel PX2 instead of the diode D1 shown in FIG. The adjustment voltages VAr, VAg, and VAb are applied. The other circuit configuration of the pixel PX2 is the same as that of the pixel PX1. For example, the diode D2 of the green pixel PX2 (G) absorbs a part of the charge generated by the photodiode PD when the adjustment voltage VAg is applied to the cathode. Similarly, adjustment voltages VAr and VAb are applied to the cathodes of the diodes D2 of the red pixel PX2 (R) and the blue pixel PX2 (B), respectively, and a part of the charge generated by the photodiode PD is absorbed. . That is, in this embodiment, the adjustment voltages VAr, VAg, and VAb applied to the cathode of the diode D2 can be set for each color.
図12は、図11に示した画素PX2の平面構造の一例を示している。図中の網掛けは、トランジスタのゲートを示し、×印を付けた矩形は、コンタクト領域を示している。なお、図12では、図を見やすくするために、電源VDDの配線や接地線等の記載を省略している。この実施形態の画素アレイARYは、図4に示した電荷吸収層ABL1の代わりに電荷吸収層ABL3が設けられ、配線LVAの代わりに配線LVAr、LVAg、LVAbが設けられて構成されている。この実施形態の画素アレイARYのその他の構成は、図4に示した画素アレイARYと同じである。 FIG. 12 shows an example of a planar structure of the pixel PX2 shown in FIG. The shaded area in the figure indicates the gate of the transistor, and the rectangle with a cross indicates the contact area. In FIG. 12, the wiring of the power supply VDD, the grounding line, and the like are omitted for easy understanding of the drawing. The pixel array ARY of this embodiment includes a charge absorption layer ABL3 instead of the charge absorption layer ABL1 shown in FIG. 4, and wirings LVAr, LVAg, and LVAb instead of the wiring LVA. The other configuration of the pixel array ARY of this embodiment is the same as the pixel array ARY shown in FIG.
電荷吸収層ABL3は、画素PX2毎に分離して設けられたn型領域であり、上述したダイオードD2の一部である。なお、赤画素PX2(R)、緑画素PX2(G)および青画素PX2(B)の電荷吸収層ABL3には、配線LVAr、LVAg、LVAbをそれぞれ介して、調整電圧VAr、VAg、VAbがそれぞれ印加される。 The charge absorption layer ABL3 is an n-type region provided separately for each pixel PX2, and is a part of the diode D2 described above. Note that the adjustment voltages VAr, VAg, and VAb are respectively supplied to the charge absorption layers ABL3 of the red pixel PX2 (R), the green pixel PX2 (G), and the blue pixel PX2 (B) through the wirings LVAr, LVAg, and LVAb, respectively. Applied.
図13は、図12に示した画素PX2のC−C’線に沿う断面を示している。なお、図13では、図を見やすくするために、遮光膜やマイクロレンズ等の記載を省略している。赤画素PX2(R)のフォトダイオードPDの受光面上には、赤のカラーフィルタCFL(R)が配置され、緑画素PX2(G)のフォトダイオードPDの受光面上には、緑のカラーフィルタCFL(G)が配置されている。なお、図示しない青画素PX2(B)のフォトダイオードPDの受光面上には、青のカラーフィルタCFL(B)が配置されている。 FIG. 13 shows a cross section taken along line C-C ′ of the pixel PX <b> 2 shown in FIG. 12. Note that in FIG. 13, illustration of a light shielding film, a microlens, and the like is omitted for easy understanding of the drawing. A red color filter CFL (R) is disposed on the light receiving surface of the photodiode PD of the red pixel PX2 (R), and a green color filter is disposed on the light receiving surface of the photodiode PD of the green pixel PX2 (G). CFL (G) is arranged. A blue color filter CFL (B) is disposed on the light receiving surface of the photodiode PD of the blue pixel PX2 (B) (not shown).
各画素PX2の電荷蓄積部NA1のn型シリコン基板NSUB側には、画素PX2毎に分離して設けられた電荷吸収層ABL3が、電荷蓄積部NA1と間隔を置いて配置されている。互いに隣接する電荷吸収層ABL3間の領域および電荷蓄積部NA1と電荷吸収層ABL3との間の領域PA1は、p型の半導体であり、p型ウエル領域PWELLの一部を構成する。また、領域PA1は、ダイオードD2の一部である。すなわち、ダイオードD2は、pn接合ダイオードであり、p型半導体の領域PA1とn型半導体の電荷吸収層ABL3との接合部(pn接合)を有している。 On the n-type silicon substrate NSUB side of the charge storage portion NA1 of each pixel PX2, a charge absorption layer ABL3 provided separately for each pixel PX2 is disposed at a distance from the charge storage portion NA1. A region between the charge absorption layers ABL3 adjacent to each other and a region PA1 between the charge storage portion NA1 and the charge absorption layer ABL3 are p-type semiconductors and constitute a part of the p-type well region PWELL. The region PA1 is a part of the diode D2. That is, the diode D2 is a pn junction diode, and has a junction (pn junction) between the p-type semiconductor region PA1 and the n-type semiconductor charge absorption layer ABL3.
また、図13に示されるように、各画素PX2は、電荷吸収層ABL3と電気的に接続されたn型領域NA7を有している。例えば、n型領域NA7は、p型ウエル領域PWELLにn型の不純物を導入することにより、電荷吸収層ABL3と一体に形成される。なお、n型領域NA7は、電荷吸収層ABL3と電気的に接続されていればよく、電荷吸収層ABL3と一体に形成されていなくてもよい。 As shown in FIG. 13, each pixel PX2 has an n-type region NA7 electrically connected to the charge absorption layer ABL3. For example, the n-type region NA7 is formed integrally with the charge absorption layer ABL3 by introducing an n-type impurity into the p-type well region PWELL. The n-type region NA7 only needs to be electrically connected to the charge absorption layer ABL3 and may not be formed integrally with the charge absorption layer ABL3.
例えば、赤画素PX2(R)では、n型領域NA7は、電荷吸収層ABL3からp型ウエル領域PWELLの表面(図では受光面側)まで延在して形成され、配線LVArに電気的に接続されている。また、例えば、緑画素PX2(G)では、n型領域NA7は、電荷吸収層ABL3からp型ウエル領域PWELLの表面まで延在して形成され、配線LVAgに電気的に接続されている。なお、図示しない青画素PX2(B)では、n型領域NA7は、電荷吸収層ABL3からp型ウエル領域PWELLの表面まで延在して形成され、配線LVAbに電気的に接続されている。 For example, in the red pixel PX2 (R), the n-type region NA7 is formed to extend from the charge absorption layer ABL3 to the surface of the p-type well region PWELL (light receiving surface side in the drawing) and is electrically connected to the wiring LVAr Has been. For example, in the green pixel PX2 (G), the n-type region NA7 is formed to extend from the charge absorption layer ABL3 to the surface of the p-type well region PWELL, and is electrically connected to the wiring LVAg. In the blue pixel PX2 (B) (not shown), the n-type region NA7 is formed extending from the charge absorption layer ABL3 to the surface of the p-type well region PWELL, and is electrically connected to the wiring LVAb.
これにより、例えば、図1に示した感度調整部32は、図11に示すように撮影感度に応じてそれぞれ設定された調整電圧VAr、VAg、VAbを、赤画素PX2(R)、緑画素PX2(G)、青画素PX2(B)の電荷吸収層ABL3にそれぞれ印加できる。例えば、感度調整部32は、低感度撮影では、赤画素PX2(R)の電荷吸収層ABL3に1Vの調整電圧VArを印加し、緑画素PX2(G)および青画素PX2(B)の電荷吸収層ABL3に10Vの調整電圧VAg、VAbをそれぞれ印加する。なお、例えば、調整電圧VAbは、調整電圧VAg、VArと異なる電圧値に設定せれてもよいし、調整電圧VArと同じ電圧値に設定されてもよい。すなわち、感度調整部32は、カラーフィルタCFLの色に対応した調整電圧VAr、VAg、VAbを各画素PX2の電荷吸収層ABL3に個別に印加する。
Accordingly, for example, the
以上、この実施形態においても、図1−図9で説明した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、この実施形態では、電荷吸収層ABL3が画素PX2毎に分離して設けられているため、赤画素PX2(R)、緑画素PX2(G)および青画素PX2(B)の電荷吸収層ABL3に印加する調整電圧VAr、VAg、VAbを色毎に設定できる。これにより、フォトダイオードPDの量子効率を色毎に調整できる。 As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 9 can be obtained. Further, in this embodiment, since the charge absorption layer ABL3 is provided separately for each pixel PX2, the charge absorption layer ABL3 of the red pixel PX2 (R), the green pixel PX2 (G), and the blue pixel PX2 (B). The adjustment voltages VAr, VAg, and VAb to be applied to can be set for each color. Thereby, the quantum efficiency of the photodiode PD can be adjusted for each color.
なお、本実施形態に係る構成は、画素アレイARYを構成する赤画素PX2(R)グループ、緑画素PX2(G)グループおよび青画素PX2(B)グループのそれぞれについて好適に採用できる。例えば、緑画素PX2(G)グループに属する緑画素PX2(G)の全てについて電荷吸収層ABL3を設け、調整電圧VAgを印加する。赤画素PX2(R)および青画素PX2(B)についても同様である。これにより、フォトダイオードPDの量子効率を画素アレイARY全面にわたって色毎に調整できる。なお、同一画素グループに属する画素PX2の全てについて、調整電圧VAを一定とする必要は無い。同一画素グループ内の画素PX2であっても、必要に応じて、例えば、画素アレイARYの中心部と周辺部とで調整電圧VAを変えてもよい。 Note that the configuration according to the present embodiment can be suitably employed for each of the red pixel PX2 (R) group, the green pixel PX2 (G) group, and the blue pixel PX2 (B) group constituting the pixel array ARY. For example, the charge absorption layer ABL3 is provided for all the green pixels PX2 (G) belonging to the green pixel PX2 (G) group, and the adjustment voltage VAg is applied. The same applies to the red pixel PX2 (R) and the blue pixel PX2 (B). Thereby, the quantum efficiency of the photodiode PD can be adjusted for each color over the entire pixel array ARY. Note that the adjustment voltage VA does not have to be constant for all the pixels PX2 belonging to the same pixel group. Even in the pixel PX2 in the same pixel group, for example, the adjustment voltage VA may be changed between the central portion and the peripheral portion of the pixel array ARY as necessary.
図14は、別の実施形態における撮像装置の固体撮像素子10の一例を示している。この実施形態の固体撮像素子10は、図2に示した画素PX1の代わりに、画素PX3が設けられ、容量制御部16が図2に示した固体撮像素子10に追加されて構成されている。その他の構成は、図1−図9で説明した実施形態と同じである。図1−図9で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。
FIG. 14 shows an example of the solid-
容量制御部16は、撮影感度に応じた制御信号VCr、VCg、VCbを、赤画素PX2(R)、緑画素PX2(G)、青画素PX2(B)にそれぞれ供給する。なお、制御信号VCr、VCg、VCbは、後述する図15に示す電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンFDの容量値を制御するための信号である。以下、色毎に区別しない場合等、制御信号VCr、VCg、VCbを制御信号VCとも称する。ここで、容量制御部16は、固体撮像素子10と同一基板に形成されているが、これに限定されるものではなく、固体撮像素子10の外部に別途設けられてもよい。例えば、容量制御部16は、制御部30内に設けられてもよい。
The
図15は、図14に示した画素PX3(R)の回路構成の一例を示している。なお、緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)は、供給される制御信号VCg、VCbを除いて、赤画素PX3(R)と同じである。画素PX3は、フローティングディフュージョンFDの容量値を可変制御するための容量CFD’を有して構成されている。容量CFD’は、図3で示した寄生容量CFDを含む。その他の画素PX3の構成は、図3に示した画素PX1と同じである。 FIG. 15 illustrates an example of a circuit configuration of the pixel PX3 (R) illustrated in FIG. The green pixel PX3 (G) and the blue pixel PX3 (B) are the same as the red pixel PX3 (R) except for the supplied control signals VCg and VCb. The pixel PX3 includes a capacitor CFD ′ for variably controlling the capacitance value of the floating diffusion FD. The capacitor CFD ′ includes the parasitic capacitor CFD shown in FIG. Other configurations of the pixel PX3 are the same as those of the pixel PX1 shown in FIG.
容量CFD’は、例えば、図5に示したp型ウエル領域PWELL上に酸化膜(絶縁膜)を介して形成されたゲートを有するnMOSトランジスタを有して構成され、フローティングディフュージョンFDに電気的に接続される。例えば、高レベルの制御信号VCがゲートに印加されたときの容量CFD’の容量値は、低レベルの制御信号VCがゲートに印加されたときに比べて、大きい。このように、容量CFD’の容量値は、制御信号VCに応じて変化する。 The capacitor CFD ′ includes, for example, an nMOS transistor having a gate formed on the p-type well region PWELL illustrated in FIG. 5 via an oxide film (insulating film), and electrically connects to the floating diffusion FD. Connected. For example, the capacitance value of the capacitor CFD 'when the high level control signal VC is applied to the gate is larger than that when the low level control signal VC is applied to the gate. Thus, the capacitance value of the capacitor CFD ′ changes according to the control signal VC.
容量CFD’がフローティングディフュージョンFDに電気的に接続されているため、寄生容量CFDを含むフローティングディフュージョンFDの総容量値は、制御信号VCに応じて変化する。したがって、この実施形態では、制御信号VCを調整することにより、フローティングディフュージョンFDでの変換ゲインを調整できる。ここで、フローティングディフュージョンFDでの変換ゲインは、フォトダイオードPDから転送された信号電荷と増幅トランジスタMAMのゲートに入力される信号電圧との変換比である。 Since the capacitor CFD ′ is electrically connected to the floating diffusion FD, the total capacitance value of the floating diffusion FD including the parasitic capacitor CFD changes according to the control signal VC. Therefore, in this embodiment, the conversion gain in the floating diffusion FD can be adjusted by adjusting the control signal VC. Here, the conversion gain in the floating diffusion FD is a conversion ratio between the signal charge transferred from the photodiode PD and the signal voltage input to the gate of the amplification transistor MAM.
図16は、図14に示した画素PX3の平面構造の一例を示している。図中の網掛けは、トランジスタのゲートを示し、×印を付けた矩形は、コンタクト領域を示している。なお、図16では、図を見やすくするために、電源VDDの配線や接地線等の記載を省略している。この実施形態の画素アレイARYは、図4に示した画素アレイARYに配線LVCr、LVCg、LVbが追加され、画素PX1の代わりに画素PX3が設けられて構成されている。この実施形態の画素アレイARYのその他の構成は、図4に示した画素アレイARYと同じである。例えば、図16に示した画素PX3のA−A’線に沿う断面は、上述した図5と同じである。 FIG. 16 illustrates an example of a planar structure of the pixel PX3 illustrated in FIG. The shaded area in the figure indicates the gate of the transistor, and the rectangle with a cross indicates the contact area. In FIG. 16, the wiring of the power supply VDD, the ground line, and the like are omitted for easy understanding of the drawing. The pixel array ARY of this embodiment is configured by adding wirings LVCr, LVCg, and LVb to the pixel array ARY shown in FIG. 4 and providing a pixel PX3 instead of the pixel PX1. The other configuration of the pixel array ARY of this embodiment is the same as the pixel array ARY shown in FIG. For example, the cross section taken along the line A-A ′ of the pixel PX <b> 3 shown in FIG. 16 is the same as FIG. 5 described above.
制御信号VCが印加されるゲートGT5は、容量CFD’を構成するnMOSトランジスタのゲートであり、リセットトランジスタMRSのソース(n型領域NA6)に隣接して配置されている。また、赤画素PX3(R)、緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)のゲートGT5には、配線LVCr、LVCg、LVCbをそれぞれ介して、制御信号VCr、VCg、VCbがそれぞれ印加される。すなわち、この実施形態では、画素PX3のゲートGT5に印加される制御信号VCを色毎に設定できる。 The gate GT5 to which the control signal VC is applied is the gate of the nMOS transistor that forms the capacitor CFD ', and is disposed adjacent to the source (n-type region NA6) of the reset transistor MRS. Further, control signals VCr, VCg, and VCb are respectively applied to the gates GT5 of the red pixel PX3 (R), the green pixel PX3 (G), and the blue pixel PX3 (B) through wirings LVCr, LVCg, and LVCb, respectively. The That is, in this embodiment, the control signal VC applied to the gate GT5 of the pixel PX3 can be set for each color.
n型領域NA6に隣接して配置されるゲートGT5に制御信号VCが印加されたときに、ゲートGT5の下側(図では、ゲートGT5と重なる位置)のp型ウエル領域PWELLの表面近傍に反転層が形成される。この反転層は、寄生容量CFDを形成する領域の1つであるn型領域NA6と電気的に接続され、フローティングディフュージョンFDの容量CFD’を形成するさらなる領域として作用する。この結果、寄生容量CFDのみを有する上述した実施形態に比べて、フローティングディフュージョンFDの容量値を大きくすることができる。なお、反転層における容量は、ゲートGT5に印加される制御信号VCの大きさ(レベル)に応じて変化する。したがって、制御信号VCのレベルを可変に制御することにより、フローティングディフュージョンFDの容量値を調整することができる。 When the control signal VC is applied to the gate GT5 arranged adjacent to the n-type region NA6, the gate signal is inverted to the vicinity of the surface of the p-type well region PWELL on the lower side of the gate GT5 (position overlapping the gate GT5 in the figure). A layer is formed. This inversion layer is electrically connected to the n-type region NA6, which is one of the regions for forming the parasitic capacitance CFD, and functions as a further region for forming the capacitance CFD 'of the floating diffusion FD. As a result, the capacitance value of the floating diffusion FD can be increased as compared with the above-described embodiment having only the parasitic capacitance CFD. Note that the capacitance in the inversion layer changes according to the magnitude (level) of the control signal VC applied to the gate GT5. Therefore, the capacitance value of the floating diffusion FD can be adjusted by variably controlling the level of the control signal VC.
これにより、この実施形態では、制御信号VCを調整することにより、フローティングディフュージョンFDの総容量値を調整でき、フローティングディフュージョンFDでの変換ゲインを調整できる。すなわち、この実施形態では、フローティングディフュージョンFDでの変換ゲインを調整することにより、画素PX3の感度を調整できる。例えば、画素PX3の感度は、入射光の光量と画素PX3から出力される信号電圧との変換比である。 Thereby, in this embodiment, the total capacity value of the floating diffusion FD can be adjusted by adjusting the control signal VC, and the conversion gain in the floating diffusion FD can be adjusted. That is, in this embodiment, the sensitivity of the pixel PX3 can be adjusted by adjusting the conversion gain in the floating diffusion FD. For example, the sensitivity of the pixel PX3 is a conversion ratio between the amount of incident light and the signal voltage output from the pixel PX3.
ここで、図8に示したように、赤画素PX3(R)の感度は、フローティングディフュージョンFDの変換ゲインを同一とした場合、緑画素PX3(G)や青画素PX3(B)の感度に比べて低い。したがって、例えば、10Vの調整電圧VAが電荷吸収層ABL1に印加される低感度撮影時において、赤画素PX3(R)の感度を低下させたくない場合、上述した図14に示した容量調整部16は、例えば、以下のように動作させればよい。
Here, as shown in FIG. 8, the sensitivity of the red pixel PX3 (R) is higher than the sensitivity of the green pixel PX3 (G) and the blue pixel PX3 (B) when the conversion gain of the floating diffusion FD is the same. Low. Therefore, for example, in the case of low-sensitivity imaging in which the adjustment voltage VA of 10 V is applied to the charge absorption layer ABL1, when it is not desired to reduce the sensitivity of the red pixel PX3 (R), the
容量調整部16は、低感度撮影では、低レベルの制御信号VCrを赤画素PX3(R)のゲートGT5に印加し、高レベルの制御信号VCg、VCbを緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)のゲートGT5にそれぞれ印加する。この場合、赤画素PX3(R)のフローティングディフュージョンFDの容量値は、緑画素PX3(G)や青画素PX3(B)のそれと比べて小さい。あるいは、赤画素PX3(R)のゲートGT5に制御信号VCrを印加せず、緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)のゲートGT5に制御信号VCg、VCbをそれぞれ印加するようにしてもよい。
In the low sensitivity shooting, the
このため、赤画素PX3(R)のフローティングディフュージョンFDでの変換ゲインは、緑画素PX3(G)や青画素PX3(B)のフローティングディフュージョンFDでの変換ゲインより大きい。この結果、例えば、後述する図17に示すように、調整電圧VAが10Vのときの赤画素PX3(R)の感度は、調整電圧VAが1Vのときの赤画素PX3(R)の感度とほぼ同じ値に維持される。このように、この実施形態では、可変容量CFD’を利用して、赤画素PX3(R)のフローティングディフュージョンFDの容量を緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)のそれと比べて小さくすることにより、赤画素PX3(R)の感度を高くでき、赤画素PX3(R)から出力される信号電圧を大きくできる。 For this reason, the conversion gain in the floating diffusion FD of the red pixel PX3 (R) is larger than the conversion gain in the floating diffusion FD of the green pixel PX3 (G) or the blue pixel PX3 (B). As a result, for example, as shown in FIG. 17 described later, the sensitivity of the red pixel PX3 (R) when the adjustment voltage VA is 10V is almost the same as the sensitivity of the red pixel PX3 (R) when the adjustment voltage VA is 1V. Maintained at the same value. Thus, in this embodiment, the capacitance of the floating diffusion FD of the red pixel PX3 (R) is made smaller than that of the green pixel PX3 (G) and the blue pixel PX3 (B) by using the variable capacitor CFD ′. As a result, the sensitivity of the red pixel PX3 (R) can be increased, and the signal voltage output from the red pixel PX3 (R) can be increased.
なお、例えば、1Vの調整電圧VAが電荷吸収層ABL1に印加される高感度撮影では、容量調整部16は、高レベルの制御信号VCr、VCg、VCbを、赤画素PX3(R)、緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)のゲートGT5にそれぞれ印加する。このように、容量調整部16は、撮影感度に応じて、制御信号VCを制御する。また、容量調整部16は、撮像素子10のカラーバランスを調整するために、制御信号VCr、VCg、VCbを色毎に調整してもよい。
For example, in high-sensitivity imaging in which the adjustment voltage VA of 1 V is applied to the charge absorption layer ABL1, the
図17は、図14に示した画素PX3の分光出力の一例を示している。図の横軸は、入射光の波長(単位はnm)を示し、図の縦軸は、入射光に対する画素PX3の出力値を相対値で示している。なお、図の細い線は、調整電圧VAが1Vに設定され、かつ、制御信号VCr、VCg、VCbが全て高レベルに設定されたときの画素PX3の出力値を示しており、この設定は、例えば、高感度撮影時に適用される。また、図の太い線は、調整電圧VAが10Vに設定され、かつ、制御信号VCr、VCg、VCbが低レベル、高レベル、高レベルにそれぞれ設定されたときの画素PX3の出力値を示しており、この設定は、例えば、低感度撮影時に適用される。 FIG. 17 shows an example of the spectral output of the pixel PX3 shown in FIG. The horizontal axis in the figure indicates the wavelength of incident light (unit: nm), and the vertical axis in the figure indicates the output value of the pixel PX3 relative to the incident light as a relative value. The thin line in the figure indicates the output value of the pixel PX3 when the adjustment voltage VA is set to 1 V and the control signals VCr, VCg, and VCb are all set to a high level. For example, it is applied during high-sensitivity shooting. The thick line in the figure shows the output value of the pixel PX3 when the adjustment voltage VA is set to 10 V and the control signals VCr, VCg, and VCb are respectively set to the low level, the high level, and the high level. This setting is applied at the time of low-sensitivity shooting, for example.
調整電圧VAが10Vのときの赤画素PX3(R)の出力値は、調整電圧VAが1Vのときの赤画素PX3(R)の出力値とほぼ同じである。このように、この実施形態では、調整電圧VAが10Vのときに、低レベルの制御信号VCrが赤画素PX3(R)のゲートGT5に印加されることにより、上述した図8では相対的に低い値を示していた赤画素PX3(R)の出力値を高くできる。 The output value of the red pixel PX3 (R) when the adjustment voltage VA is 10V is substantially the same as the output value of the red pixel PX3 (R) when the adjustment voltage VA is 1V. As described above, in this embodiment, when the adjustment voltage VA is 10 V, the low level control signal VCr is applied to the gate GT5 of the red pixel PX3 (R). The output value of the red pixel PX3 (R) that has shown the value can be increased.
以上、この実施形態においても、図1−図9で説明した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、この実施形態では、各画素PX3は、制御信号VCr、VCg、VCbにより容量値が可変に設定される可変容量CFD’を有している。これにより、この実施形態では、フローティングディフュージョンFDの総容量値を色毎に設定でき、撮像素子10のカラーバランスを調整できる。
As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 9 can be obtained. Further, in this embodiment, each pixel PX3 has a variable capacitor CFD 'whose capacitance value is variably set by the control signals VCr, VCg, and VCb. Thereby, in this embodiment, the total capacity value of the floating diffusion FD can be set for each color, and the color balance of the
なお、本実施形態に係る構成は、画素アレイARYを構成する赤画素PX3(R)グループ、緑画素PX3(G)グループおよび青画素PX3(B)グループのそれぞれについて好適に採用できる。例えば、緑画素PX3(G)グループに属する緑画素PX3(G)の全てについて可変容量CFD’を有するフローティングディフュージョンFDを設け、制御信号VCgを印加する。赤画素PX3(R)および青画素PX3(B)についても同様である。なお、同一画素グループに属する画素PX3の全てについて、制御信号VCを一定とする必要は無い。同一画素グループ内の画素PX3であっても、必要に応じて、例えば、画素アレイARYの中心部と周辺部とで制御信号VCを変えてもよい。 Note that the configuration according to the present embodiment can be suitably employed for each of the red pixel PX3 (R) group, the green pixel PX3 (G) group, and the blue pixel PX3 (B) group that constitute the pixel array ARY. For example, the floating diffusion FD having the variable capacitance CFD ′ is provided for all the green pixels PX3 (G) belonging to the green pixel PX3 (G) group, and the control signal VCg is applied. The same applies to the red pixel PX3 (R) and the blue pixel PX3 (B). Note that the control signal VC need not be constant for all the pixels PX3 belonging to the same pixel group. Even for the pixel PX3 in the same pixel group, for example, the control signal VC may be changed between the central portion and the peripheral portion of the pixel array ARY as necessary.
なお、図1−図9で説明した実施形態では、電荷吸収層ABL1がp型ウエル領域PWELL内に形成される例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、図18に示すように、n型シリコン基板NSUBが電荷吸収層ABL1として使用されてもよい。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 9, the example in which the charge absorption layer ABL1 is formed in the p-type well region PWELL has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, as shown in FIG. 18, an n-type silicon substrate NSUB may be used as the charge absorption layer ABL1. Also in this case, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
また、図11−図13で説明した実施形態では、電荷吸収層ABL3が各画素PX2に設けられる例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、電荷吸収層ABL3は、特に限定されないが、緑画素PX2(G)のみに設けられてもよい。この場合、画素アレイARYを構成する画素PX2のうち、緑色のカラーフィルタCFLが設けられる光電変換部(フォトダイオードPD)のグループのみに対して電荷吸収層ABL3が設けられる。この場合も、撮像装置のダイナミックレンジの制約条件となっている緑画素PX2(G)のフォトダイオードPDの量子効率を低下させることができる。あるいは、電荷吸収層ABL3は、特に限定されないが、緑画素PX2(G)および青画素PX2(B)のみに設けられてもよい。この場合、画素アレイARYを構成する画素PX2のうち、緑色のカラーフィルタCFLが設けられる光電変換部(フォトダイオードPD)のグループと、青色のカラーフィルタCFLが設けられる光電変換部(フォトダイオードPD)のグループとに対して電荷吸収層ABL3が設けられる。この場合、赤画素PX2(R)の量子効率に比べて、緑画素PX2(G)および青画素PX2(B)のフォトダイオードPDの量子効率を低下させることができる。したがって、この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the embodiments described with reference to FIGS. 11 to 13, the example in which the charge absorption layer ABL3 is provided in each pixel PX2 has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, the charge absorption layer ABL3 is not particularly limited, but may be provided only in the green pixel PX2 (G). In this case, the charge absorption layer ABL3 is provided only for the group of photoelectric conversion units (photodiodes PD) in which the green color filter CFL is provided among the pixels PX2 constituting the pixel array ARY. Also in this case, it is possible to reduce the quantum efficiency of the photodiode PD of the green pixel PX2 (G) that is a constraint condition of the dynamic range of the imaging device. Alternatively, the charge absorption layer ABL3 is not particularly limited, but may be provided only in the green pixel PX2 (G) and the blue pixel PX2 (B). In this case, among the pixels PX2 constituting the pixel array ARY, a group of photoelectric conversion units (photodiode PD) provided with the green color filter CFL and a photoelectric conversion unit (photodiode PD) provided with the blue color filter CFL. The charge absorption layer ABL3 is provided for each of the groups. In this case, compared to the quantum efficiency of the red pixel PX2 (R), the quantum efficiency of the photodiode PD of the green pixel PX2 (G) and the blue pixel PX2 (B) can be reduced. Therefore, also in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
また、図14−図17で説明した実施形態では、フローティングディフュージョンFDの容量CFD’に係る容量値が制御信号VCにより調整される例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、容量CFD’は、ゲートGT5を有して構成されずとも、撮像素子10のカラーバランスが最適になる容量値に固定されてもよい。すなわち、容量CFD’は、複数色のカラーフィルタCFLに対応して異なる容量値に固定されてもよい。この場合、例えば、カラーフィルタCFLに対応して異なる容量値になるように、同色のカラーフィルタCFLが配置される画素PXのグループ毎に、容量を形成するn型領域NA6の大きさを変えればよい。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the embodiments described with reference to FIGS. 14 to 17, the example in which the capacitance value related to the capacitance CFD ′ of the floating diffusion FD is adjusted by the control signal VC has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, the capacitor CFD ′ may not be configured to include the gate GT5, but may be fixed to a capacitor value at which the color balance of the
また、図14−図17で説明した実施形態では、赤画素PX3(R)、緑画素PX3(G)および青画素PX3(B)のゲートGT5に、配線LVCr、LVCg、LVCbをそれぞれ介して、制御信号VCr、VCg、VCbがそれぞれ印加される例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、配線LVCrは、配線LVCbと兼用されてもよい。この場合、例えば、赤画素PX3(R)を含む行の画素PX3から信号を読み出すときに、赤画素PX3(R)のゲートGT5に、配線LVCrを介して制御信号VCrが印加される。そして、青画素PX3(B)を含む行の画素PX3から信号を読み出すときに、青画素PX3(B)のゲートGT5に、配線LVCrを介して制御信号VCbが印加される。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the embodiment described with reference to FIGS. 14 to 17, the gates GT5 of the red pixel PX3 (R), the green pixel PX3 (G), and the blue pixel PX3 (B) are respectively connected to the gates LVCr, LVCg, and LVCb. The example in which the control signals VCr, VCg, and VCb are applied has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, the wiring LVCr may be also used as the wiring LVCb. In this case, for example, when a signal is read from the pixel PX3 in the row including the red pixel PX3 (R), the control signal VCr is applied to the gate GT5 of the red pixel PX3 (R) via the wiring LVCr. When a signal is read from the pixel PX3 in the row including the blue pixel PX3 (B), the control signal VCb is applied to the gate GT5 of the blue pixel PX3 (B) through the wiring LVCr. Also in this case, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
あるいは、容量CFD’は、特開2008−305983号公報に示されるように、同じ列に配置された複数の画素PX3のゲートGT5に共通の配線を介して制御信号を印加することにより、制御されてもよい。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。 Alternatively, the capacitor CFD ′ is controlled by applying a control signal to the gates GT5 of the plurality of pixels PX3 arranged in the same column via a common wiring as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-305983. May be. Also in this case, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
また、図14−図17で説明した実施形態では、制御信号VCが高レベルおよび低レベルのいずれかに設定される例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、制御信号VCは、3つ以上の複数の電圧値から選択的に設定されてもよい。この場合、容量CFD’の容量値を多段階に調整でき、フローティングディフュージョンFDでの変換ゲインを最適に調整できる。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the embodiments described with reference to FIGS. 14 to 17, the example in which the control signal VC is set to either the high level or the low level has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, the control signal VC may be selectively set from three or more voltage values. In this case, the capacitance value of the capacitor CFD 'can be adjusted in multiple stages, and the conversion gain in the floating diffusion FD can be optimally adjusted. Also in this case, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
図14−図17で説明した実施形態では、容量CFD’が図3に示した画素PX1に追加される例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、容量CFD’は、図11−図13で説明した実施形態の画素PX2に追加されてもよい。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the embodiment described with reference to FIGS. 14 to 17, the example in which the capacitor CFD ′ is added to the pixel PX <b> 1 illustrated in FIG. 3 has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, the capacitor CFD ′ may be added to the pixel PX2 in the embodiment described with reference to FIGS. Also in this case, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
以上、本発明について詳細に説明してきたが、上記の実施形態およびその変形例は発明の一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。本発明を逸脱しない範囲で変形可能であることは明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, said embodiment and its modification are only examples of this invention, and this invention is not limited to this. Obviously, modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
撮像装置に利用できる。 It can be used for an imaging device.
10‥固体撮像素子;11‥垂直走査回路;12‥蓄積信号選択部;13‥信号蓄積部;14‥水平選択スイッチ部;15‥水平走査回路;16‥容量制御部;20‥光学系;30‥制御部;32‥感度調整部;40‥タイミングジェネレータ;50‥メモリ;60‥記憶媒体;70‥モニタ;80‥操作部;ABL1、ABL2、ABL3‥電荷吸収層;ARY‥画素アレイ;CA‥カラムアンプ;CFD‥寄生容量;CFD’‥フローティング容量;CFL‥カラーフィルタ;D1‥ダイオード;FD‥フローティングディフュージョン;IS‥定電流源;JCP‥接合部;MAM‥増幅トランジスタ;MRS‥リセットトランジスタ;MSE‥画素選択トランジスタ;MTR‥転送トランジスタ;NA1‥電荷蓄積部;PA1‥p型半導体の領域;PD‥フォトダイオード;PX1、PX2、PX3‥画素;VL‥垂直信号線
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記複数の画素のそれぞれに対応して色毎に設けられる複数色のカラーフィルタと、
撮影感度を設定する撮影感度設定部と、
少なくとも1つの色のカラーフィルタが設けられる画素について、前記電荷蓄積部の下側に前記第1導電型半導体を介在させて配置される第2導電型の電荷吸収層と、
前記撮影感度設定部により設定される撮影感度に基づき、前記電荷吸収層に電圧を印加する電圧印加部とを備えていることを特徴とする撮像装置。 A well made of a first conductivity type semiconductor and a charge accumulation portion made of a second conductivity type semiconductor and provided on the light receiving surface side of the first conductivity type semiconductor are configured to generate charges by photoelectrically converting incident light. A plurality of pixels including a photoelectric conversion unit;
A plurality of color filters provided for each color corresponding to each of the plurality of pixels;
A shooting sensitivity setting section for setting the shooting sensitivity;
For a pixel provided with at least one color filter, a second conductivity type charge absorbing layer disposed with the first conductivity type semiconductor interposed below the charge storage portion;
An image pickup apparatus comprising: a voltage application unit configured to apply a voltage to the charge absorption layer based on the imaging sensitivity set by the imaging sensitivity setting unit.
前記電荷吸収層は、互いに異なる色のカラーフィルタが設けられる複数の画素に設けられていることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1,
The image pickup apparatus, wherein the charge absorption layer is provided in a plurality of pixels provided with color filters of different colors.
前記受光面から前記電荷吸収層までの間隔は、前記互いに異なる色のカラーフィルタが設けられる複数の画素で異なることを特徴とする撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 2, wherein
The image pickup apparatus, wherein an interval from the light receiving surface to the charge absorption layer is different in a plurality of pixels provided with the color filters of different colors.
前記電荷吸収層は、前記画素毎に分離して設けられ、
前記電圧印加部は、前記カラーフィルタの色に対応した電圧を前記電荷吸収層に印加することを特徴とする撮像装置。 In the imaging device according to claim 2 or 3,
The charge absorption layer is provided separately for each pixel,
The image pickup apparatus, wherein the voltage application unit applies a voltage corresponding to a color of the color filter to the charge absorption layer.
前記画素は、前記光電変換部により生成された電荷が転送される電荷電圧変換部を備え、
前記電荷電圧変換部は、前記画素に設けられる前記カラーフィルタの色に対応して異なる容量値を有していることを特徴とする撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The pixel includes a charge-voltage conversion unit to which the charge generated by the photoelectric conversion unit is transferred,
The image pickup apparatus, wherein the charge-voltage conversion unit has different capacitance values corresponding to colors of the color filters provided in the pixels.
前記撮影感度設定部により設定される撮影感度に基づき、前記電荷電圧変換部の容量値を制御する容量制御部を備えていることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 5.
An imaging apparatus comprising: a capacitance control unit that controls a capacitance value of the charge-voltage conversion unit based on imaging sensitivity set by the imaging sensitivity setting unit.
前記電荷吸収層の不純物濃度は、前記電荷蓄積部と前記電荷吸収層との間に介在する前記第1導電型半導体の不純物濃度より高いことを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 6,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein an impurity concentration of the charge absorption layer is higher than an impurity concentration of the first conductivity type semiconductor interposed between the charge storage portion and the charge absorption layer.
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