JP4794877B2

JP4794877B2 - 固体撮像装置及びカメラ

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Publication number: JP4794877B2
Application number: JP2005080343A
Authority: JP
Inventors: 哲也板野; 徹小泉; 伸菊池; 彰沖田; 正徳小倉
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Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2011-10-19
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Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関し、特に、ＣＭＯＳエリアセンサに用いて好適なものである。

近年、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを１チップ化したＣＭＯＳエリアセンサが固体撮像素子として用いられている。ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤと比較して、消費電力が小さくなる、駆動電力が低くなる、高速化が可能になるなどの利点を有している。したがって、今後は、ＣＯＭＳエリアセンサの需要が拡大することが予想される。

例えば、フォトダイオードと、フローティングディフュージョン（floating diffusion；浮遊拡散）領域と、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送するための転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン領域を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタとを有する複数の画素をマトリックス（行列）状に形成して構成されたＣＭＯＳエリアセンサを有する固体撮像装置がある。

そして、このようなＣＭＯＳエリアセンサを利用して、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大するという提案がなされている。固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する技術として、特許文献１、２に記載されている技術がある。

特開２００１−１８６４１４号公報特開２００４−３３５８０２号公報

しかしながら、従来の技術では、固体撮像素子でノイズ信号が多く発生してしまい、画質を劣化させてしまう虞があるという問題点があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ダイナミックレンジを拡大させることと、ノイズの発生を低減させることとを実現した固体撮像装置及びその固体撮像装置を用いたカメラを提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、入射した光によって電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成した電荷を電荷蓄積領域へ転送するための転送ＭＯＳトランジスタと、前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部が前記電荷蓄積領域に移動する際の経路と、前記電荷に対するポテンシャル障壁層と、を有する画素を複数含み、前記経路は、前記半導体基板内の第１の導電型のウエル内であって、前記転送ＭＯＳトランジスタのチャネル領域よりも前記半導体基板の深部に形成されており、前記ポテンシャル障壁層は、前記転送ＭＯＳトランジスタのゲート電極の下方を除く前記第１の導電型のウエル内の領域に設けられた、前記第１の導電型のウエルよりも前記第１の導電型の不純物濃度が高い第１の導電型の領域であり、前記経路における第１の導電型の不純物濃度は、前記ポテンシャル障壁層の前記第１の導電型の不純物濃度よりも低く、前記転送ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極の幅方向の断面において、前記経路は、前記幅方向で前記ポテンシャル障壁層に挟まれるように、前記ポテンシャル障壁層の間に配置されていることを特徴とする。

本発明のカメラは、前記固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光学像を結像させるためのレンズと、前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とする。

本発明によれば、光電変換部から溢れた電荷が、前記転送ＭＯＳトランジスタのチャネル部を通らずに、別途設けた経路を通過するようになる。これにより、転送ＭＯＳトランジスタを可及的に確実に閉じる（オフ）ことが可能になり、転送ＭＯＳトランジスタからノイズが発生することを可及的に抑制することができる。したがって、光電変換部から溢れた電荷を利用してダイナミックレンジを拡大させることと、前記ノイズの発生を低減させることとを同時に実現できる。

次に、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像装置に設けられる画素の概略構成の一例を示す図である。本実施形態との対比のために、フォトダイオードに電荷を蓄積させているときの転送トランジスタのゲート電位を例えば０[Ｖ]程度に制御する（上げる）方法がある。そうすると、転送トランジスタが完全にオフしていない状態になり、前記フォトダイオードから溢れた電荷の一部がフローティングディフュージョン領域に流入するようになる。そして、このフォトダイオードから溢れた電荷を、フォトダイオードに蓄積された電荷と共に画素信号として用いることによりＣＭＯＳエリアセンサのダイナミックレンジを拡大させることが可能となる。
しかしながら、このような方法では、溢れ出た電荷はＭＯＳトランジスタのチャネル部をとおるため、暗電流の影響が大きくなる。これに対して、本実施形態の構成によれば、暗電流の影響を低減することが可能となる。

図１において、本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードＰＤと、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１と、リセットＭＯＳトランジスタＭ２と、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３と、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＭ４と、選択ＭＯＳトランジスタＭ５とを備える複数の画素を、ｎ行×ｍ列（ｎ、ｍは自然数）の２次元マトリックス状に配置して構成されている。

フォトダイオードＰＤは、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１を介して、電荷をいったん蓄積するためのフローティングディフュージョン領域ＦＤに接続されている。このフローティングディフュージョン領域ＦＤには、リセットＭＯＳトランジスタＭ２、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＭ４、及び第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３も接続されている。また、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３には、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷を蓄積する付加容量ＣＳが接続されている。
ソースフォロアＭＯＳトランジスタＭ４は、選択ＭＯＳトランジスタＭ５と相互に接続されており、フローティングディフュージョン領域ＦＤに転送された電荷に基づく信号を増幅する。また、フローティングディフュージョン領域ＦＤと第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１（又は第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３）との間に、別途付加容量を設けると共に、該付加容量とフローティングディフュージョン領域ＦＤとの間に、別途スイッチ（ＭＯＳトランジスタ）を設けた構成とすることも可能である。また、画素内に増幅素子を設けず、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１で転送される先が、信号線に設けられた蓄積容量であっても構わない。

第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１、リセットＭＯＳトランジスタＭ２、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３、及び選択ＭＯＳトランジスタＭ５は、それぞれゲートに供給される制御信号（ゲート信号）によりオン、オフ制御される。なお、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１、リセットＭＯＳトランジスタＭ２、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３、及び選択ＭＯＳトランジスタＭ５は、ハイレベルのゲート信号がゲートに供給されるとオン（導通）状態となり、ロウレベルのゲート信号がゲートに供給されるとオフ（遮断）状態となるものとする。この導通状態の時に、ゲート絶縁膜の近傍に電荷の経路となるチャネルが形成される。

具体的に、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１のゲートには、制御信号φＴＸが供給され、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３には、制御信号φＳが供給され、選択ＭＯＳトランジスタＭ５のゲートには、制御信号φＸが供給され、リセットＭＯＳトランジスタＭ２のゲートには、制御信号φＲＥＳが供給される。

ここで、制御信号φＴＸは、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン領域ＦＤに転送するための制御信号である。制御信号φＳは、フォトダイオードＰＤから溢れて付加容量ＣＳに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン領域ＦＤに転送するための制御信号である。制御信号φＸは、画素を選択するための制御信号である。制御信号φＲＥＳは、フローティングディフュージョン領域ＦＤの電位を電源電位Ｖ_CC（例えば＋５Ｖ）にリセットするための制御信号である。

本実施形態の固体撮像装置では、図１のような画素が形成される画素領域の外部に、フローティングディフュージョン領域ＦＤに転送された信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とを加算したレベルの信号を保持する信号レベル保持容量と、リセットレベル（Ｎ）の信号を保持するリセットレベル保持容量とを有するメモリ回路が設けられている。

そして、前記信号レベル保持容量Ｃｓに保持された信号レベル（Ｓ）と、リセットレベル（Ｎ）とが加算された信号と、前記リセットレベル保持容量に保持されたリセットレベル（Ｎ）の信号との差分信号（信号レベル（Ｓ）の信号）を増幅する差動アンプが設けられている。固体撮像装置は、この差動アンプで得られた信号を出力する。

ここで、図２のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の固体撮像装置の画素の読み出し動作の一例について説明する。
まず、時刻ｔ１において、ハイレベルの制御信号φＳが第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３に供給されており、且つハイレベルの制御信号φＸが選択ＭＯＳトランジスタＭ５に供給されている状態で、ハイレベルの制御信号φＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタＭ２のゲートに供給する。そうすると、リセットＭＯＳトランジスタＭ２、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３、及び選択ＭＯＳトランジスタＭ５がオンする。すなわち、選択ＭＯＳトランジスタＭ５がオンすることにより、その選択ＭＯＳトランジスタＭ５が属する画素が選択された状態で、フローティングディフュージョン領域ＦＤと、付加容量ＣＳとが電源電圧Ｖ_CCにリセットされる。

時刻ｔ２において、ロウレベルの制御信号φＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタＭ２に供給して、リセットＭＯＳトランジスタＭ２をオフし、フローティングディフュージョン領域ＦＤと、付加容量ＣＳのリセット動作を終了する。このリセット動作が行われると、フローティングディフュージョン領域ＦＤ及び付加容量ＣＳにおけるリセットレベル（Ｎ２）が読み出される。
時刻ｔ３において、ロウレベルの制御信号φＸを選択ＭＯＳトランジスタＭ５に供給する。これにより、選択ＭＯＳトランジスタＭ５がオフし、フォトダイオードＰＤで発生した電荷の蓄積が開始する。そして、時刻ｔ３〜ｔ４において、フォトダイオードＰＤに電荷が蓄積されると共に、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷が、図４に示す経路３１と、付加容量ＣＳが形成されている領域とに流入する。経路３１に流入した電荷は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積される。一方、付加容量ＣＳが形成されている領域に流入した電荷は、その領域（付加容量ＣＳ）に蓄積される。

時刻ｔ４において、ハイレベルの制御信号φＸを選択ＭＯＳトランジスタＭ５に供給すると共に、ロウレベルの制御信号φＳを第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３に供給する。これにより、選択ＭＯＳトランジスタＭ５がオンすると共に、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３がオフし、フォトダイオードＰＤで発生した電荷の蓄積動作が終了する。
時刻ｔ５において、制御信号φＲＥＳをリセットＭＯＳトランジスタＭ２に供給する。これにより、リセットＭＯＳトランジスタＭ２がオンし、フローティングディフュージョン領域ＦＤが電源電圧Ｖ_CCにリセットされる。

時刻ｔ６において、ロウレベルの制御信号φＲＥＳを、リセットＭＯＳトランジスタＭ２に供給して、リセットＭＯＳトランジスタＭ２をオフし、フローティングディフュージョン領域ＦＤのリセット動作を終了する。このリセット動作により、フローティングディフュージョン領域ＦＤにおけるリセットレベル（Ｎ１）が読み出される。
時刻ｔ７において、ハイレベルの制御信号φＴＸを第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１に供給する。これにより、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１がオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン領域ＦＤに転送される。なお、後述するように本実施形態では、ハイレベルの制御信号φＴＸとして５［Ｖ］の信号を用いている。

時刻ｔ８において、ロウレベルの制御信号φＴＸを第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１に供給する。これにより、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１がオフし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷の転送動作が終了する。この転送動作が行われると、フローティングディフュージョン領域ＦＤにおけるリセットレベル（Ｎ１）と、フローティングディフュージョン領域ＦＤに蓄積された電荷に基づく信号レベル（Ｓ１）とが加算された状態で読み出される。なお、後述するように本実施形態では、ロウレベルの制御信号φＴＸとして−１［Ｖ］の信号を用いている。

時刻ｔ９において、ハイレベルの制御信号φＴＸを第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１に供給すると共に、ハイレベルの制御信号φＳを第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３に供給する。これにより、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１と第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３とがオンする。この動作により、フローティングディフュージョン領域ＦＤに蓄積された電荷に基づく信号レベル（Ｓ１）と、付加容量ＣＳに蓄積された電荷に基づく信号レベル（Ｓ２）と、フローティングディフュージョン領域ＦＤにおけるリセットレベル（Ｎ１）と、フローティングディフュージョン領域ＦＤ及び付加容量ＣＳにおけるリセットレベルと略同量のリセットレベル（Ｎ２´）とが加算されて読み出される。
最後に、時刻ｔ１０において、ロウレベルの制御信号φＴＸを第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１に供給して、第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１をオフして１周期の動作を終える。

前述したように、本実施形態では、時刻ｔ３〜ｔ４において、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷の少なくとも一部を、図４に示す経路３１を介してフローティングディフュージョン領域ＦＤに流入させるようにしている。以下、図３及び図４を用いて本実施形態の経路３１について説明する。
図３は、本実施形態の画素の概略構成の一例を示す平面図である。なお、図３では、２×２の４画素分の構成について示している。本実施形態の固体撮像装置が有する画素は４画素に限定されないということは言うまでもない。

図３において、２１ａ〜２１ｄは、フォトダイオードであり、図１のフォトダイオードＦＤに対応するものである。２２ａ〜２２ｄは、第１の転送ＭＯＳトランジスタであり、図１の第１の転送ＭＯＳトランジスタＭ１に対応するものである。２３ａ〜２３ｄは、フローティングディフュージョン領域であり、図１のフローティングディフュージョン領域ＦＤに対応するものである。

２４は、ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層である。２５ａ〜２５ｄは、フォトダイオード２１ａ〜２１ｄ及び第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２ａ〜２２ｄ以外の素子群である。具体的に素子群２５ａ〜２５ｄとしては、図１に示したリセットＭＯＳトランジスタＭ２、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＭ４、選択ＭＯＳトランジスタＭ５、及び付加容量ＣＳ等がある。また、図３の太線で示す領域は、各素子における拡散層（Ｎ＋層）を示している。

本実施形態では、フォトダイオード２１ａ〜２１ｄ、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２ａ〜２２ｄ、及び素子群２５ａ〜２５ｄが、Ｐ型のウェル（Ｐウェル）上に形成されている。

ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４は、Ｐウェルよりも高濃度のＰ型不純物が含まれている層である。このような高濃度のＰ型領域であるポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４は、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２ａ〜２２ｄのゲートの下方を除くＰウェル内の領域に形成されている。ただし、Ｐウェルの深さ方向の全体に亘ってポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４が形成されている必要はなく、経路３１を形成するのに必要な領域よりも深い領域には、ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４を形成しないようにしてもよい。

図４は、図３のＡ−Ｂ方向から見た画素を簡略化して示した図である。図４（ａ）は、図３のＡ−Ｂ方向から見た画素の様子と、その画素の深さ方向におけるポテンシャルの分布とを簡略化して示した図である。図４（ｂ）は、経路３１内の所定の位置における電荷蓄積時のポテンシャルを示した図である。図４（ｃ）は、経路３１内の所定の位置における電荷転送時のポテンシャルを示した図である。

図４（ａ）において、本実施形態では、ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４として、第１の濃度を有するチャネルストップ領域（またこのチャネルストップ領域もポテンシャル障壁形成用Ｐ型層として用いても良い。）２４ａと、第２の濃度を有する第２のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｂと、第３の濃度を有する第３のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｃとが積層された構造を有している。

また、本実施形態では、第２のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｂにおけるＰ型不純物濃度を、その第２のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｂの上下に形成された第１のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ａ及び第３のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｃよりも低くしている。このようにすると、図４（ａ）に示すように、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２ａ〜２２ｄのゲートの下方の領域のうち、第２のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｂが形成されている領域と同じ位の深さにある領域のポテンシャルを最も低くすることができる。このように、本実施形態では、第２のポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４ｂにおける深さ方向の濃度を変えることにより、経路３１におけるポテンシャルを調節できるようにしている。

具体的に、経路３１は、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２ａ〜２２ｄのソース及びドレイン間に形成されるチャネルよりも深い位置（すなわち、チャネルの下方）に形成されるようにする。この場合、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２ａ〜２２ｄのゲート電位の影響を受けないように、なるべく深い位置に経路３１が形成されるようにするのが好ましい。ただし、前述したように経路３１は、フォトダイオード２１から溢れた電荷を流入するものである。このため、経路３１は、フォトダイオード２１の下端よりも浅い位置に形成されるようにする必要がある。

フォトダイオード２１や、フローティングディフュージョン領域２３に電荷を蓄積する場合には、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲートにおけるポテンシャル（ゲート電位）Ｖｇ、経路３１におけるポテンシャルＯＦＤ、フォトダイオード２１のポテンシャルＰＤ、フローティングディフュージョン領域２３におけるポテンシャルＦＤ、及び経路３１の横方向（図３のＡ−Ｂ方向）の領域（ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４）におけるポテンシャルＡＰは、図４（ｂ）に示すようにして与えられる。

図４に示すようにして、ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４を形成することにより、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲートの下方にある経路３１のポテンシャルＯＦＤを低くすることができる。これにより、フォトダイオード２１への電荷の蓄積動作時にフォトダイオード２１から溢れた電荷を経路３１に流入させることができる。

以上のように本実施形態では、第１のＭＯＳトランジスタ２２のゲートの下方の領域を除くＰウェル内の領域にポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４を形成するようにした。これにより、電荷を蓄積する際に、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電位Ｖｇを−１［Ｖ］にして、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲートの直下の領域におけるポテンシャルを上げても（第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２を可及的に確実にオフしても）、フォトダイオード２１から溢れた電荷を経路３１に流入させることができる。これにより、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲートの直下の領域が空乏領域になるのを防止して、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート酸化膜４１の界面から暗電流が発生するのを可及的に防止することと、経路３１を介してフローティングディフュージョン領域ＦＤに蓄積された電荷を用いて、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することとを同時に実現できる。

一方、フォトダイオード２１から電荷を転送する場合には、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電位Ｖｇ、経路３１におけるポテンシャルＯＦＤ、フォトダイオード２１のポテンシャルＰＤ、フローティングディフュージョン領域２３におけるポテンシャルＦＤ、及び経路３１の横方向の領域（ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４）におけるポテンシャルＡＰは、図４（ｃ）に示すようにして与えられる。

このように、電荷を転送する場合には、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電位Ｖｇを５［Ｖ］にして、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲートの直下の領域（チャネル領域）におけるポテンシャルを下げるようにしている。これにより、フォトダイオード２１に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン領域２３に確実に転送させることができる。

なお、本実施形態では、電荷蓄積時における第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電位Ｖｇを−１［Ｖ］にし、電荷転送時における第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電位Ｖｇを−１［Ｖ］にしたが、第１の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電位Ｖｇは、これらに限定されないということは言うまでもない。
また、本実施形態のように、第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３と、付加容量ＣＳとを用いれば、固体撮像装置のダイナミックレンジをより拡大させることができ好ましいが、必ずしも第２の転送ＭＯＳトランジスタＭ３と、付加容量ＣＳとを用いる必要はない。

さらに、本実施形態では、ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４を設けるようにしたが、経路３１におけるＰ型不純物濃度が、経路３１の横方向（図３のＡ−Ｂ方向）の領域よりも相対的に低くなるようにすれば（経路３１におけるポテンシャルを、経路３１の側方向（図３のＡ−Ｂ方向）の領域よりも低くするようにすれば）、必ずしもポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４を設ける必要はない。例えば、図４（ａ）における経路３１が形成されている位置にｎ型不純物を添加するようにしてもよい。
また、ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層２４の形成領域はトランジスタの下部領域も含めて形成しても良いし、図５に示すようにフォトダイオードＰＤが形成されている領域を少なくとも覆うように形成しても良い。

（他の実施形態）
図６に基づいて、前述した実施形態の固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施形態について詳述する。
図６は、前述した実施形態の固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
図６において、１３０１は、レンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリアであり、１３０２は、被写体の光学像を固体撮像素子１３０４に結像させるレンズであり、１３０３は、レンズ１３０２を通った光量を可変するための絞りであり、１３０４は、レンズ１３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子であり、１３０６は、固体撮像素子１３０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器である。

１３０７は、Ａ／Ｄ変換器１３０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮したりする信号処理部であり、１３０８は、固体撮像素子１３０４、撮像信号処理回路１３０５、Ａ／Ｄ変換器１３０６、及び信号処理部１３０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部であり、１３０９は、各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部であり、１３１０は、画像データを一時的に記憶する為のメモリ部であり、１３１１は、記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部であり、１３１２は、画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体であり、１３１３は、外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
バリア１３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１３０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１３０９は絞り１３０３を開放にし、固体撮像素子１３０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１３０６で変換された後、信号処理部１３０７に入力される。
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１３０９で行う。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１３０９は絞りを制御する。

固体撮像素子１３０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１３０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
露光が終了すると、固体撮像素子１３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１３０７を通り全体制御・演算部１３０９によりメモリ部に書き込まれる。

その後、メモリ部１３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１３０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１３１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１３１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

次に、図７に基づいて、前述した実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。
図７は、前述した実施形態の固体撮像装置を「ビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。図７において、１４０１は撮影レンズであり、焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１４０１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１４０１Ｂ、及び結像用のレンズ１４０１Ｃを備えている。
１４０２は絞りであり、１４０３は、撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子であり、１４０４は、固体撮像素子３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。

１４０５は、サンプルホールド回路１４０４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路であり、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路１４０５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路１４２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。

また、プロセス回路１４０５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路１４２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）１４２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタＥＶＦ（Electric View Finder）等の電子ビューファインダへと供給される。
１４０６はアイリス制御回路であり、サンプルホールド回路１４０４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路１４０７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り１４０２の開口量を制御すべくｉｇメータを自動制御するものである。

１４１３、１４１４は、サンプルホールド回路１４０４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第一のバンドパスフィルタ１４１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１４１５及びフォーカスゲート枠信号で各々ゲートされ、ピーク検出回路１４１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路１４１７に入力される。
この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、１４１８はフォーカスレンズ１４０１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダであり、１４１９はズームレンズ１４０１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダであり、１４２０は絞り１４０２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路１４１７へと供給される。
論理制御回路１４１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い、焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ１４１３、１４１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１４０１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路１４０９にフォーカスモータ１４１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。

なお、前述した各実施形態は、何れも本発明を実現するにあがっての具体化のほんの一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いはならない。

本発明の実施形態を示し、固体撮像装置に設けられる画素の概略構成の一例を示す図である。本発明の実施形態を示し、固体撮像装置の画素の読み出し動作の一例について説明するタイミングチャートである。本発明の実施形態を示し、画素の概略構成の一例を示す平面図である。本発明の実施形態を示し、図３のＡ−Ｂ方向から見た画素を簡略化して示した図である。本発明の実施形態を示し、画素の概略構成の他の例を示す平面図である。本発明の他の実施形態を示し、スチルビデオカメラの構成の一例を示すブロック図である。本発明の他の実施形態を示し、ビデオカメラの構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

ＣＳ付加容量
Ｍ２リセットＭＯＳトランジスタ
Ｍ３第２の転送ＭＯＳトランジスタ
Ｍ４ソースフォロアＭＯＳトランジスタ
Ｍ５選択ＭＯＳトランジスタ
２１、ＰＤフォトダイオード
２２、Ｍ１第１の転送ＭＯＳトランジスタ
２３、ＦＤフローティングディフュージョン領域
２４ポテンシャル障壁形成用Ｐ型層
３１経路

Claims

半導体基板と、
入射した光によって電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成した電荷を電荷蓄積領域へ転送するための転送ＭＯＳトランジスタと、
前記光電変換部から溢れた電荷の少なくとも一部が前記電荷蓄積領域に移動する際の経路と、
前記電荷に対するポテンシャル障壁層と、を有する画素を複数含み、
前記経路は、前記半導体基板内の第１の導電型のウエル内であって、前記転送ＭＯＳトランジスタのチャネル領域よりも前記半導体基板の深部に形成されており、
前記ポテンシャル障壁層は、前記転送ＭＯＳトランジスタのゲート電極の下方を除く前記第１の導電型のウエル内の領域に設けられた、前記第１の導電型のウエルよりも前記第１の導電型の不純物濃度が高い第１の導電型の領域であり、
前記経路における第１の導電型の不純物濃度は、前記ポテンシャル障壁層の前記第１の導電型の不純物濃度よりも低く、
前記転送ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極の幅方向の断面において、前記経路は、前記幅方向で前記ポテンシャル障壁層に挟まれるように、前記ポテンシャル障壁層の間に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記電荷蓄積領域は、フローティングディフュージョン領域であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記光電変換部は、前記電荷を蓄積するための第２の導電型の半導体領域と、前記第１の導電型のウエルとから形成され、
前記経路は、前記第２の導電型の半導体領域の下端よりも浅い位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記経路は、第１の導電型の領域であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
前記ポテンシャル障壁層は、深さ方向で濃度が異なることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に光学像を結像させるためのレンズと、
前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とするカメラ。