JP2010278654A - Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method - Google Patents
Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010278654A JP2010278654A JP2009127949A JP2009127949A JP2010278654A JP 2010278654 A JP2010278654 A JP 2010278654A JP 2009127949 A JP2009127949 A JP 2009127949A JP 2009127949 A JP2009127949 A JP 2009127949A JP 2010278654 A JP2010278654 A JP 2010278654A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unit
- photoelectric conversion
- charge
- conversion unit
- exposure period
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
【課題】シンプルな駆動方法によりダイナミックレンジを拡大させることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】画素部100を複数有する固体撮像素子10であって、画素部100は、光電変換部3と、光電変換部3で発生した電荷を蓄積可能な不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2とを有し、光電変換部3をリセットした後、第一の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタMT1に蓄積し、第一の露光期間終了後に開始され且つ第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタMT2に蓄積する制御部40と、不揮発性メモリトランジスタMT1及び不揮発性メモリトランジスタMT2に電荷を蓄積した後に、不揮発性メモリトランジスタMT1に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、不揮発性メモリトランジスタMT2に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す読み出し回路20とを備える。
【選択図】図1A solid-state imaging device capable of expanding a dynamic range by a simple driving method is provided.
A solid-state imaging device 10 having a plurality of pixel units 100, wherein the pixel unit 100 includes a photoelectric conversion unit 3 and nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit 3. And storing the charge generated in the photoelectric conversion unit 3 during the first exposure period in the non-volatile memory transistor MT1, and starting after the end of the first exposure period. The controller 40 that accumulates charges generated in the photoelectric conversion unit 3 during the second exposure period, which has a length different from the exposure period, in the nonvolatile memory transistor MT2, and charges in the nonvolatile memory transistor MT1 and the nonvolatile memory transistor MT2. After the accumulation, the first imaging signal corresponding to the charge accumulated in the nonvolatile memory transistor MT1 and the accumulation in the nonvolatile memory transistor MT2 And a read circuit 20 the read and a second image pickup signal corresponding to the charge.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体撮像素子、撮像装置、撮像方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method.
一般に、固体撮像素子は、ネガフイルムに比べるとダイナミックレンジが狭い。ダイナミックレンジが狭いと、暗い部分が黒つぶれし、明るい部分が白飛びする。特に、近年、画素の微細化によって1画素で扱える飽和電荷量が減少するにも係らず、ノイズレベルは要求どおりに低減しないことが問題となっている。また、車載用途や監視用途に固体撮像素子を普及させるためには、現状のCMOSイメージセンサのダイナミックレンジでは不十分である。 In general, a solid-state image sensor has a narrow dynamic range as compared with a negative film. When the dynamic range is narrow, dark areas are blacked out and bright areas are overexposed. In particular, in recent years, there has been a problem that the noise level is not reduced as required even though the amount of saturation charge that can be handled by one pixel is reduced due to pixel miniaturization. In addition, the current dynamic range of a CMOS image sensor is not sufficient to disseminate solid-state imaging devices for in-vehicle applications and monitoring applications.
そこで、ダイナミックレンジを拡大するための様々な手法が提案されている(例えば特許文献1,2、非特許文献1参照)。
Therefore, various methods for expanding the dynamic range have been proposed (see, for example,
特に有効な手法として、露光時間(シャッタースピード)の異なる2枚の画像データを合成する方法が知られている。例えば、特許文献1に記載のように、2次元状に配置された光電変換部に対し、1画面分の画像を撮像する期間内に読み出し動作を複数回行い、読み出された複数の画像データを合成することでダイナミックレンジを拡大させる方法がある。
As a particularly effective method, a method of combining two pieces of image data having different exposure times (shutter speeds) is known. For example, as described in
しかし、上記方法では、1回目の露光→読み出し→2回目の露光→読み出し→合成、のステップを踏む必要がある。このため、1回目の露光と2回目の露光とに時間差が生じてしまい、動く被写体等を撮影した場合には合成処理が難しくなってしまう。また、読み出しを高速に行う必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。 However, in the above method, it is necessary to take the steps of first exposure → readout → second exposure → readout → composition. For this reason, there is a time difference between the first exposure and the second exposure, and when a moving subject is photographed, the composition processing becomes difficult. Further, since it is necessary to perform reading at high speed, power consumption increases.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シンプルな駆動によりダイナミックレンジを拡大させることが可能な固体撮像素子、これを備える撮像装置、及び撮像方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of expanding a dynamic range by simple driving, an imaging apparatus including the same, and an imaging method.
本発明の固体撮像素子は、画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部及び第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部をリセットした後、第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積し、前記第一の露光期間終了後に開始され且つ前記第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第二の電荷蓄積部に蓄積する書き込み手段と、前記書き込み手段によって前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部に電荷を蓄積した後に、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す信号読み出し手段とを備える。 The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a first charge storage unit. A charge storage unit, and after resetting the photoelectric conversion unit, charges generated in the photoelectric conversion unit during a first exposure period are stored in the first charge storage unit, Writing means for storing charges generated in the photoelectric conversion unit in the second charge storage unit during the second exposure period which is started after the end of the exposure period and having a length different from that of the first exposure period; and the writing A first imaging signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit after the charge is accumulated in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit by means; A second imaging signal corresponding to the charge stored in the charge storage unit And a signal read-out means that out look.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。 The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.
本発明の撮像方法は、画素部を複数有する固体撮像素子を用いた撮像方法であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部をリセットした後、第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積し、前記第一の露光期間終了後に開始され且つ前記第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第二の電荷蓄積部に蓄積する書き込みステップと、前記書き込み手段によって前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部に電荷を蓄積した後に、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す信号読み出しステップとを備える。 The imaging method of the present invention is an imaging method using a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit and a first charge capable of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit. Having a storage part and a second charge storage part, and after resetting the photoelectric conversion part, the charge generated in the photoelectric conversion part during the first exposure period is stored in the first charge storage part, A writing step of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit in the second charge accumulation unit during the second exposure period which is started after the end of the first exposure period and has a length different from that of the first exposure period. And a first imaging signal corresponding to the charges accumulated in the first charge accumulation unit after accumulating charges in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit by the writing unit, A second charge corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation section. And a signal readout step of reading out an imaging signal.
本発明によれば、シンプルな駆動によりダイナミックレンジを拡大させることが可能な固体撮像素子、これを備える撮像装置、及び撮像方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state image sensor which can expand a dynamic range by simple drive, an imaging device provided with this, and an imaging method can be provided.
以下、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置、携帯電話機や電子内視鏡等に内蔵される撮像ユニットに搭載して用いられるものである。 Hereinafter, a solid-state imaging device for describing an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This solid-state imaging device is used by being mounted on an imaging unit built in an imaging device such as a digital camera or a digital video camera, a mobile phone, an electronic endoscope, or the like.
図1は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図1(a)は固体撮像素子の全体を示した図であり、図1(b)は(a)の固体撮像素子の読み出し回路の構成例を示した図である。図1に示す固体撮像素子10は、画素部100と、読み出し回路20と、出力回路(トランジスタ30、信号線70、水平シフトレジスタ50、出力部60)と、制御部40と、統括制御部80とを備える。
FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a diagram illustrating the entire solid-state imaging device, and FIG. 1B is a diagram illustrating a configuration example of a readout circuit of the solid-state imaging device in FIG. 1 includes a
画素部100は、複数設けられ、半導体基板Kの列方向とこれに直交する行方向に二次元状(この例では正方格子状)に配列されている。
A plurality of the
読み出し回路20は、列方向に並ぶ画素部100からなる画素部列毎に設けられ、各画素部100から撮像信号を読み出すためのものである。
The
出力回路は、読み出し回路20で読み出された1画素部行分の撮像信号を出力するための回路である。
The output circuit is a circuit for outputting an imaging signal for one pixel unit row read by the
制御部40は、各画素部100を制御するものである。
The
統括制御部80は、固体撮像素子10全体を統括制御するものである。固体撮像素子10は、それを搭載する撮像装置のシステム制御部からの制御により、統括制御部80が各部を制御することで動作する。
The
図2は、図1に示した固体撮像素子における画素部の等価回路を示した図である。図2に示すように、画素部100は、光電変換部3と、不揮発性メモリトランジスタMT1と、不揮発性メモリトランジスタMT2と、リセットトランジスタRTとを備える。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the pixel portion in the solid-state imaging device shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
光電変換部3は半導体基板K内に形成されている。不揮発性メモリトランジスタMT1は、半導体基板K上方に形成された電荷蓄積領域であるフローティングゲートFG1及びゲート電極であるコントロールゲートCG1を含むMOSトランジスタ構造となっている。不揮発性メモリトランジスタMT2は、半導体基板K上方に形成された電荷蓄積領域であるフローティングゲートFG2及びゲート電極であるコントロールゲートCG2を含むMOSトランジスタ構造となっている。リセットトランジスタRTは、光電変換部3の電荷をリセットするためのものである。不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2は、それぞれ、光電変換部3で発生した電荷を蓄積可能な電荷蓄積部として機能する。
The
不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2の各々の出力(ドレイン領域D1,D2)は、画素部列毎に設けられた出力信号線である列信号線12に共通接続されており、この列信号線12には読み出し回路20が接続されている。不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のソース領域Sは、画素部列毎に設けられたソース線SLに共通接続されている。
The outputs (drain regions D1, D2) of the nonvolatile memory transistor MT1 and the nonvolatile memory transistor MT2 are commonly connected to a
リセットトランジスタRTは、リセットドレインRDと、ソース領域として機能する光電変換部3と、ゲート電極であるリセットゲートRGとを備えたMOS構造となっている。リセットドレインRDには、リセット電圧を供給するためのリセット電源線Vccが接続されている。
The reset transistor RT has a MOS structure including a reset drain RD, a
不揮発性メモリトランジスタMT1のコントロールゲートCG1には、行方向に並ぶ画素部100からなるライン毎に設けられたゲート制御線CGL1が接続されている。各ラインのゲート制御線CGL1は制御部40に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。
The control gate CG1 of the nonvolatile memory transistor MT1 is connected to a gate control line CGL1 provided for each line including the
不揮発性メモリトランジスタMT2のコントロールゲートCG2には、ライン毎に設けられたゲート制御線CGL2が接続されている。各ラインのゲート制御線CGL2は制御部40に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。
A gate control line CGL2 provided for each line is connected to the control gate CG2 of the nonvolatile memory transistor MT2. The gate control line CGL2 of each line is connected to the
リセットトランジスタRTのリセットゲートRGには、ライン毎に設けられたリセット制御線RLが接続されている。各ラインのリセット制御線RLは制御部40に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。制御部40からリセット制御線RLを介してリセットパルスが印加されることで、リセットトランジスタRTがオンし、光電変換部3に蓄積されている電荷がリセットトランジスタRTのドレインRDへと排出される構成となっている。
A reset control line RL provided for each line is connected to the reset gate RG of the reset transistor RT. The reset control line RL of each line is connected to the
読み出し回路20は、図1(b)に示すように、読み出し制御部20aと、センスアンプ20bと、プリチャージ回路20cと、ランプアップ回路20dと、トランジスタ20e,20fとを備えた構成となっている。
As shown in FIG. 1B, the
読み出し制御部20aは、トランジスタ20e,20fのオンオフを制御する。プリチャージ回路20cは、列信号線12に所定の電圧を供給して、列信号線12をプリチャージするための回路である。センスアンプ20bは、列信号線12の電圧を監視し、この電圧が変化したことを検出し、ランプアップ回路20dにその旨を通知する。例えば、プリチャージ回路20cによってプリチャージされたドレイン電圧が降下したことを検出しセンスアンプ出力を反転させる。
The
ランプアップ回路20dは、N−bitカウンタ(例えばN=8〜12)を内蔵しており、制御部40を介して画素部100のコントロールゲートCG1,CG2に漸増または漸減するランプ波形電圧を供給すると共に、ランプ波形電圧の値に対応するカウント値(N個の1、0の組み合わせ)を出力する。
The ramp-up
列信号線12がプリチャージされた状態でコントロールゲートCG1の電圧が不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧を越えると不揮発性メモリトランジスタMT1が導通し、このとき、プリチャージされていた列信号線12の電位が降下する。これがセンスアンプ20bによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路20dは、この反転信号を受けた時点におけるランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持(ラッチ)する。これにより、デジタル値(1,0の組み合わせ)として不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧の変化量(フローティングゲートFG1に電荷が蓄積されていないときの閾値電圧を基準とした変化量)を信号として読み出すことができる。
When the voltage of the control gate CG1 exceeds the threshold voltage of the nonvolatile memory transistor MT1 in a state where the
列信号線12がプリチャージされた状態でコントロールゲートCG2の電圧が不揮発性メモリトランジスタMT2の閾値電圧を越えると不揮発性メモリトランジスタMT2が導通し、このとき、プリチャージされていた列信号線12の電位が降下する。これがセンスアンプ20bによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路20dは、この反転信号を受けた時点におけるランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持する。これにより、デジタル値として不揮発性メモリトランジスタMT2の閾値電圧の変化量(フローティングゲートFG2に電荷が蓄積されていないときの閾値電圧を基準とした変化量)を信号として読み出すことができる。
When the voltage of the control gate CG2 exceeds the threshold voltage of the nonvolatile memory transistor MT2 in a state where the
水平シフトレジスタ50により1つの水平選択トランジスタ30が選択されると、その水平選択トランジスタ30に接続されたランプアップ回路20dで保持されているカウンタ値が信号線70に出力され、これが撮像信号として出力部60から出力される。
When one
なお、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の閾値電圧の変化量を信号として読み出す方法としては上述したものに限らない。例えば、コントロールゲートCG1とドレイン領域D1に一定の電圧を印加した場合の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電流と、コントロールゲートCG2とドレイン領域D2に一定の電圧を印加した場合の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電流とを信号として読み出しても良い。 Note that the method of reading out the change amount of the threshold voltage of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 as a signal is not limited to the above. For example, the drain current of the nonvolatile memory transistor MT1 when a constant voltage is applied to the control gate CG1 and the drain region D1, and the nonvolatile memory transistor MT2 when a constant voltage is applied to the control gate CG2 and the drain region D2. The drain current may be read out as a signal.
制御部40は、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2を制御し、光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1,FG2に注入して蓄積させる駆動を行う。不揮発性メモリトランジスタMT1(MT2)では、コントロールゲートCG1(CG2)に書き込みパルスが印加されることで、ファウラ−ノルドハイム(F−N)トンネル電流を用いて電荷を注入するFNトンネル注入、ダイレクトトンネル注入等により、光電変換部3で発生した電荷がフローティングゲートFG1(FG2)に注入されて蓄積されるようになっている。
The
また、制御部40は、各画素部100の光電変換部3で発生して蓄積された電荷を外部に排出して光電変換部3を空の状態にするリセット駆動と、フローティングゲートFG1,FG2に蓄積された電荷を半導体基板に排出して消去する電荷消去駆動も行う。
Further, the
図3は、図1に示した固体撮像素子の画素部の平面レイアウト例を示す平面模式図である。図4は、図3に示す画素部のA−A’線断面模式図である。図5は、図3に示す画素部のB−B’線断面模式図である。 FIG. 3 is a schematic plan view showing a planar layout example of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along line A-A ′ of the pixel portion shown in FIG. 3. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line B-B ′ of the pixel portion shown in FIG. 3.
図4に示すように、光電変換部3は、N型シリコン基板1上のPウェル層2内に形成されたN型不純物領域であり、このN型不純物領域とPウェル層2とのPN接合により、光電変換機能を実現している。この光電変換部3は、その表面に完全空乏化や暗電流抑制のためにP型不純物層5が形成された、所謂埋め込み型フォトダイオードとなっている。なお、N型シリコン基板1とPウェル層2とにより上記半導体基板Kが構成されている。
As shown in FIG. 4, the
隣接する画素部100同士は、pウェル層2内に形成された素子分離層4によって分離されている。素子分離法には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法、STI(Shallow Trench Isolation)法、及び高濃度不純物イオン注入による方法等が適用できる。
不揮発性メモリトランジスタMT1のソース領域Sは、光電変換部3の列方向隣に離間して設けられたN型不純物領域である。また、不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン領域D1は、ソース領域Sの行方向隣に離間して設けられたN型不純物領域である。ソース領域Sとドレイン領域D1との間にはP型不純物領域であるチャネル領域6aが形成されている。フローティングゲートFG1は、ソース領域Sとドレイン領域D1との間の半導体基板上方に絶縁膜7を介して設けられており、フローティングゲートFG1の上方に絶縁膜14を介してコントロールゲートCG1が設けられている。なお、チャネル領域6aは、コントロールゲートCG1に印加される電圧に応じてキャリアが流れる領域である。ここでは、ソース領域Sとドレイン領域D1とで挟まれた領域にP型不純物を注入してチャネル領域6aを形成しているが、ここをpウェル層2のままとしても良い。
The source region S of the nonvolatile memory transistor MT1 is an N-type impurity region that is provided adjacent to the
不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン領域D2は、ソース領域Sの行方向隣に離間して設けられたN型不純物領域である。ソース領域Sとドレイン領域D2との間にはP型不純物領域であるチャネル領域6bが形成されている。フローティングゲートFG2は、ソース領域Sとドレイン領域D2との間の半導体基板上方に絶縁膜7を介して設けられており、フローティングゲートFG2の上方に絶縁膜14を介してコントロールゲートCG2が設けられている。なお、チャネル領域6bは、コントロールゲートCG2に印加される電圧に応じてキャリアが流れる領域である。ここでは、ソース領域Sとドレイン領域D2とで挟まれた領域に電荷注入効率及び閾値電圧(Vth)を制御する目的で、例えばP型不純物を注入してチャネル領域6bを形成しているが、ここをpウェル層2のままとしても良い。
The drain region D2 of the nonvolatile memory transistor MT2 is an N-type impurity region that is provided adjacent to the source region S in the row direction. A
コントロールゲートCG1,CG2を構成する導電性材料は、例えばポリシリコンを用いることができる。リン(P)、砒素(As)、ボロン(B)を高濃度にドープしたドープドポリシコンでも良い。あるいは、チタン(Ti)やタングステン(W)等の各種金属とシリコンを組み合わせたシリサイド(Silicide)やサリサイド(Self-alingn Silicide)でも良い。フローティングゲートFG1,FG2を構成する導電性材料は、コントロールゲートCG1,CG2と同じものを用いることができる。 For example, polysilicon can be used as the conductive material forming the control gates CG1 and CG2. A doped polysilicon that is highly doped with phosphorus (P), arsenic (As), and boron (B) may be used. Alternatively, silicide (Silicide) or salicide (Self-alingn Silicide) in which various metals such as titanium (Ti) and tungsten (W) are combined with silicon may be used. The same conductive material as that of the control gates CG1 and CG2 can be used as the conductive material constituting the floating gates FG1 and FG2.
図3のレイアウト例では、ソース領域Sとドレイン領域D1,D2が行方向に並べて配置されており、これらの間を、フローティングゲートFG1,FG2及びコントロールゲートCG1,CG2が列方向に延びるように細長く形成されている。コントロールゲートCG1は、行方向に延びるアルミ配線であるゲート制御線CGL1の下方まで延びており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部11によりゲート制御線CGL1と接続されている。
In the layout example of FIG. 3, the source region S and the drain regions D1, D2 are arranged side by side in the row direction, and the gap between them is elongated so that the floating gates FG1, FG2 and the control gates CG1, CG2 extend in the column direction. Is formed. The control gate CG1 extends below the gate control line CGL1, which is an aluminum wiring extending in the row direction. Here, the control gate CG1 is connected to the gate control line CGL1 by a
コントロールゲートCG2は、行方向に延びるアルミ配線であるゲート制御線CGL2の下方まで延びており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部16によりゲート制御線CGL2と接続されている。
The control gate CG2 extends below the gate control line CGL2, which is an aluminum wiring extending in the row direction. Here, the control gate CG2 is connected to the gate control line CGL2 by a
ドレイン領域D1,D2上方には、列方向に延びるアルミ配線である列信号線12の一部が延びてきており、この一部とドレイン領域D1とがアルミニウム等で形成されたコンタクト部9により電気的に接続され、この一部とドレイン領域D2とがアルミニウム等で形成されたコンタクト部10aにより電気的に接続されている。
Above the drain regions D1 and D2, a part of the
ソース領域S上にはアルミニウム等で形成されたコンタクト部8aが形成され、コンタクト部8aには配線8が接続されている。配線8は、列方向に延びるアルミ配線であるリセット電源線Vccの下を通過してソース線SLの下まで延びている。配線8とソース線SLはアルミニウム等で形成されたコンタクト部8bにより電気的に接続されている。ソース線SLは、列方向に並ぶ画素部100からなる列毎に設けられており、所定の電位(例えば接地電位)に接続されている。
A
リセットトランジスタRTは、ソース領域として機能する光電変換部3と、光電変換部3の列方向隣に離間して設けられたN型不純物領域であるドレイン領域RDと、光電変換部3とドレイン領域RDとの間の半導体基板上方に絶縁膜7を介して設けられたリセットゲートRGとを備えたMOSトランジスタ構造となっている。
The reset transistor RT includes a
図3のレイアウト例では、リセットゲートRGは、行方向に延びるアルミ配線であるリセット制御線RLの下に配置されており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部RGaによりリセット制御線RLと接続されている。 In the layout example of FIG. 3, the reset gate RG is arranged below the reset control line RL that is an aluminum wiring extending in the row direction. Here, the reset control line RL and the reset control line RL are formed by a contact portion RGa formed of aluminum or the like. It is connected.
ドレイン領域RD上方には、リセット電源線Vccの一部が延びてきており、この一部とドレイン領域RDとがアルミニウム等で形成されたコンタクト部RDaにより電気的に接続されている。リセット電源線Vccは、列方向に並ぶ画素部100からなる列毎に設けられており、所定の電源電圧に接続されている。
A part of the reset power supply line Vcc extends above the drain region RD, and this part and the drain region RD are electrically connected by a contact portion RDa formed of aluminum or the like. The reset power supply line Vcc is provided for each column including the
なお、リセットトランジスタRTや不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の配置は、図3に示したものに限らず、スペースに応じて適当に配置すれば良い。 The arrangement of the reset transistor RT and the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 is not limited to that shown in FIG. 3, and may be appropriately arranged according to the space.
各種配線の位置関係は、ゲート制御線CGL1,CGL2、リセット制御線RL、及び配線8よりも、ソース線SL、リセット電源線Vcc、及び列信号線12の方が上層に形成されたものとなっている。
The positional relationship between the various wirings is that the source line SL, the reset power supply line Vcc, and the
画素部100は、例えばタングステン等で構成された遮光膜Wによって、光電変換部3の一部以外の領域に光が入射しない構造になっている。図4及び図5に示したように、半導体基板上方(ソース線SL、リセット電源線Vcc、及び列信号線12よりも上)には光電変換部3の一部の上方に開口WHが形成された遮光膜Wが形成されている。
The
固体撮像素子10では、フローティングゲートFG1,FG2への電荷注入効率向上を目的として、図4及び図5に示したように、光電変換部3が、遮光膜Wの開口WHの下方だけでなく、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のチャネル領域6a,6bの下まで延在している。
In the solid-
図4,5に示すように、光電変換部3は、開口WH下方に形成された本体部3aと、そこからチャネル領域6a(6b)の下まで延びる延在部3bとで構成されている。なお、図4では本体部3aと延在部3bとに境界線(破線)を記してあるが、これは説明のためであり、実際にはこのような境界は存在しない。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
本体部3aは、光を受光するために開口WHの下方に形成した部分である。延在部3bは、pウェル層2内部で不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のチャネル領域6a,6bの下まで本体部3aから延在させた部分である。延在部3bは、平面視においては、本体部3aのソース領域Sとドレイン領域D1,D2の間の領域に対向する位置から、該領域に向かって列方向に延びて形成されている。即ち、平面視において不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2やリセットトランジスタRTの形成される領域においては、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2のチャネル領域6a,6bの下にのみ光電変換部3が存在するように、光電変換部3を形成した構成となっている。なお、チャネル領域6a,6bの下のみだけでなく、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2の全体の下まで光電変換部3が存在するように延在部3bを形成した構成としても良い。
The
チャネル領域6a(6b)は、コントロールゲートCG1(CG2)及びフローティングゲートFG1(FG2)の直下にある。このため、このチャネル領域6a(6b)の下(好ましくはチャネル領域6a(6b)と平面視で重なる範囲の全て)まで光電変換部3を延在させることで、光電変換部3の電荷をFNトンネル注入或いはダイレクトトンネル注入によってフローティングゲートFG1(FG2)に注入する場合に、コントロールゲートCG1(CG2)に印加した電圧(CG電圧)によってほぼ垂直方向に光電変換部3からフローティングゲートFG1(FG2)に電界を加えることができる。これにより、光電変換部3の電荷がコントロールゲートCG1(CG2)の方向に向かって加速されやすくなる。この結果、低いCG電圧でトンネリングを起こさせることができる。
The
固体撮像素子10では、チャネル領域6a(6b)を確保しつつ、このチャネル領域6a(6b)の下に光電変換部3を延在させているため、光電変換部3とコントロールゲートCG1(CG2)との重なり部分の大きさには制限がなくなり、電界方向をほぼ垂直にすることができる。この結果、効率的にトンネル電流を発生させることができる。
In the solid-
光電変換部3は、イオン注入の際のマスクパターンの制御によって基板表面に平行な方向の長さを制御することでき、イオン注入エネルギの制御によって基板表面に垂直な方向の長さを制御することできる。このようにすることで、本体部3aと延在部3bからなる光電変換部3を形成することが可能である。
The
次に、固体撮像素子10を搭載する撮像装置の一例について説明する。
Next, an example of an imaging device on which the solid-
図6は、図1に示す固体撮像素子を搭載した撮像装置の概略構成を示す図である。
図示する撮像装置の撮像系は、撮影レンズ41と、固体撮像素子10と、この両者の間に設けられた絞り42と、赤外線カットフィルタ43と、光学ローパスフィルタ44とを備える。
FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of an imaging apparatus in which the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1 is mounted.
The imaging system of the illustrated imaging apparatus includes a
撮像装置の電気制御系全体を統括制御するシステム制御部51は、被写体を照明するための光を発光する発光部であるフラッシュ発光部52及び受光部53を制御し、レンズ駆動部48を制御して撮影レンズ41の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部49を介し絞り42の開口量を制御して露光量調整を行う。フラッシュ発光部52はキセノンランプ等で構成される。
A
また、システム制御部51は、固体撮像素子10を駆動し、撮影レンズ41を通して撮像した被写体画像を撮像信号として出力させる。システム制御部51には、操作部54を通してユーザからの指示信号が入力される。
In addition, the
撮像装置の電気制御系は、メインメモリ56と、メインメモリ56に接続されたメモリ制御部55と、ダイナミックレンジ拡大処理、補間演算やガンマ補正演算、RGB/YC変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部57と、デジタル信号処理部57で生成された画像データをJPEG形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部58と、測光データを積算しデジタル信号処理部57が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部59と、着脱自在の記録媒体61が接続される外部メモリ制御部60と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部63が接続される表示制御部62とを備え、これらは、制御バス64及びデータバス65によって相互に接続され、システム制御部51からの指令によって制御される。
The electric control system of the imaging apparatus performs image data by performing
次に、以上のように構成された撮像装置による撮像動作について説明する。 Next, an imaging operation by the imaging apparatus configured as described above will be described.
図7は、図1に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図7では、任意のラインの画素部100内の各部に供給される電圧変化を時間と共に示してある。
FIG. 7 is a timing chart for explaining a method of driving the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 7, the voltage change supplied to each part in the
システム制御部51により撮像指示がなされると、固体撮像素子10では、この撮影指示をスタートトリガとして、制御部40が、全ての画素部100のリセットトランジスタRTのリセットゲートRGにリセットパルスを供給すると共に、全ての画素部100のコントロールゲートCG1,CG2にリセットパルスと逆極性の電圧を供給する。これにより、光電変換部3に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタRTのドレインRDに排出されると共に、フローティングゲートFG1,FG2に蓄積されていた電荷も、光電変換部3を介してドレインRDに排出されて、フローティングゲートFG1,FG2は空の状態となる。リセットパルスの印加が終了すると、時間t1だけ光電変換部3を露光する第一の露光期間(短時間露光期間とも言う)が開始され、この期間中に光電変換部3に入射した光に応じた電荷が光電変換部3に蓄積される。
When an imaging instruction is given by the
第一の露光期間の終了直前になると、制御部40は、全ての画素部100のコントロールゲートCG1に書き込み電圧(例えば7V)を供給して、第一の露光期間開始から現時点までに光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1に注入する。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部3には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部3で発生した電荷もフローティングゲートFG1に注入される。光電変換部3に蓄積された電荷は、本体部3aから延在部3bに移動し、この延在部3bからチャネル領域6aを介してフローティングゲートFG1へと注入される。
Immediately before the end of the first exposure period, the
コントロールゲートCG1への書き込み電圧の印加が終了すると第一の露光期間が終了する。そして、第一の露光期間の終了と共に、時間t1よりも長い時間t2だけ光電変換部3を露光する第二の露光期間(長時間露光期間とも言う)が開始され、この期間中に光電変換部3に入射した光に応じた電荷が光電変換部3に蓄積される。
When the application of the write voltage to the control gate CG1 ends, the first exposure period ends. Along with the end of the first exposure period, a second exposure period (also referred to as a long exposure period) for exposing the
第二の露光期間の終了直前になると、制御部40は、全ての画素部100のコントロールゲートCG2に書き込み電圧(例えば7V)を供給して、第二の露光期間開始から現時点までに光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG2に注入する。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部3には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部3で発生した電荷もフローティングゲートFG2に注入される。光電変換部3に蓄積された電荷は、本体部3aから延在部3bに移動し、この延在部3bからチャネル領域6bを介してフローティングゲートFG2へと注入される。そして、コントロールゲートCG2への書き込み電圧の印加が終了すると第二の露光期間が終了する。
Immediately before the end of the second exposure period, the
第二の露光期間が終了すると、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして列信号線12をプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12とセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG1へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。
When the second exposure period ends, the
ランプ波形電圧の印加後、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。保持されたカウント値は、第一の露光期間に光電変換部3で発生して蓄積された電荷に応じた撮像信号(以下、短露光撮像信号という)として、水平シフトレジスタ50の制御により信号線70を介して出力部60から出力される。短露光撮像信号の出力後は、トランジスタ20fがオフされ、ランプ波形電圧の印加が停止され、カウント値がリセットされる。
When the drain potential of the nonvolatile memory transistor MT1 of each
次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして列信号線12をプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12とセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG2へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。
Next, the
ランプ波形電圧の印加後、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。保持されたカウント値は、第二の露光期間に光電変換部3で発生して蓄積された電荷に応じた撮像信号(以下、長露光撮像信号という)として、水平シフトレジスタ50の制御により信号線70を介して出力部60から出力される。長露光撮像信号の出力後は、トランジスタ20fがオフされ、ランプ波形電圧の印加が停止され、カウント値がリセットされる。
When the drain potential of the nonvolatile memory transistor MT2 of each
2ライン目以降の各画素部100についても同様に、列信号線12のプリチャージ、ランプ波形電圧のコントロールゲートCG1への印加、ドレイン電圧が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値の保持、該カウント値の出力、列信号線12のプリチャージ、ランプ波形電圧のコントロールゲートCG2への印加、ドレイン電圧が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値の保持、該カウント値の出力の一連の動作が行われて、全ての画素部100から短露光撮像信号と長露光撮像信号が読み出される。固体撮像素子10から出力された短露光撮像信号と長露光撮像信号はメインメモリ56に一時記憶される。
Similarly, for each
全ての画素部100から短露光撮像信号と長露光撮像信号が読み出された後、デジタル信号処理部57が、メインメモリ56に一時記憶された、同じ光電変換部3から得られた短露光撮像信号と長露光撮像信号を合成してダイナミックレンジを拡大する処理を実施する。
After the short-exposure imaging signal and the long-exposure imaging signal are read from all the
図8は、ダイナミックレンジ拡大処理の一例を説明するための図である。図8(a)に示したように、第一の露光期間によって得られる短露光撮像信号の光信号強度−出力信号の特性曲線は符号Dで示したようになり、第二の露光期間によって得られる長露光撮像信号の光信号強度−出力信号の特性曲線は符号Cで示したようになる。 FIG. 8 is a diagram for explaining an example of the dynamic range expansion process. As shown in FIG. 8A, the optical signal intensity-output signal characteristic curve of the short-exposure imaging signal obtained by the first exposure period is as shown by symbol D, and is obtained by the second exposure period. The characteristic curve of the optical signal intensity-output signal of the long-exposure imaging signal is as indicated by the symbol C.
デジタル信号処理部57では、まず、長露光撮像信号に対して閾値処理を施す。閾値処理とは、長露光撮像信号を、そのレベルが所定値以上の部分を一定値にする処理である。例えば、図8(b)に示したように、レベルL以上の長露光撮像信号は、全てレベルLとなるように処理される。
In the digital
次に、デジタル信号処理部57は、レベルLに対応する光信号強度に対応する短露光撮像信号のレベルがレベルLとなるようにレベル調整を行う。そして、レベルLに対応する光信号強度よりも光信号強度が小さい領域の長露光撮像信号の特性曲線Cと、レベルLに対応する光信号強度よりも光信号強度が大きい領域でのレベル調整後の短露光撮像信号の特性曲線Dとを合成して、合成後曲線を得る。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
Next, the digital
以上のように、固体撮像素子10によれば、1つの画像を得るための撮像において、露光期間の異なる2つの撮像信号を得ることができるため、これらを合成することでダイナミックレンジを拡大することができる。また、第一の露光期間と第二の露光期間は間をあけることなく連続して行われるため、動く被写体であっても、ダイナミックレンジ拡大処理を容易に行うことができる。また、短露光撮像信号と長露光撮像信号を高速に読み出す必要がなくなるため、消費電力を低く抑えることもできる。
As described above, according to the solid-
また、固体撮像素子10によれば、不揮発性メモリトランジスタMT1のチャネル領域6aと不揮発性メモリトランジスタMT2のチャネル領域6bの下に光電変換部3が存在することになるため、遮光膜開口WHから入った光に応じて光電変換部3で発生した電荷を、光電変換部3のチャネル領域6a,6bとの重なり部分から該チャネル領域6a,6bを介してフローティングゲートFG1,FG2へと効率的に注入することができ、感度向上を図ることができる。
Further, according to the solid-
なお、制御部40は、第一の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷と、第二の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷のそれぞれの蓄積先を、不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2とで一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。つまり、第一の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタMT1に蓄積し、第二の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタMT2に蓄積する第一の制御と、第一の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタMT2に蓄積し、第二の露光期間中に光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積する第二の制御とを設け、これらを一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。例えば、1フレーム毎や10回撮像を行う毎に、第一の制御と第二の制御を切り替えればよい。これにより、素子の高寿命化を期待することができる。
Note that the
また、以上の説明では、フローティングゲートFG1からの信号の読み出しを先に行うものとしたが、この順番はいずれであっても良い。また、第一の露光期間の時間t1を第二の露光期間の時間t2よりも小さくしたが、t1>t2であっても良い。 In the above description, the signal is read from the floating gate FG1 first, but this order may be any. Moreover, although the time t1 of the first exposure period is made smaller than the time t2 of the second exposure period, t1> t2 may be satisfied.
また、固体撮像素子10では、ダイナミックレンジ拡大処理を精度良く行うため、不揮発性メモリトランジスタMT1のチャネル長及びチャネル幅と、不揮発性メモリトランジスタMT2のチャネル長及びチャネル幅が同一となるように設計しておくことが好ましい。
The solid-
また、図6に示す撮像装置では、被写体が暗いときに発光部52によって被写体を照明して撮像を行うことが可能である。なお、発光部52を発光させて撮像を行う場合には、t1>t2とし、第二の露光期間中に発光部52から光を発光させることが良好な撮像を行う上で好ましい。すなわち、露光時間が長い露光期間を先に実施し、後に実施する露光時間が短い露光期間において光を発光させることが好ましい。具体的には、発光部52から光を発光させる設定が自動又は手動によってなされた場合、システム制御部51が、t1>t2となるように第一の露光期間と第二の露光期間を実施するよう固体撮像素子10を制御し、第二の露光期間中に発光部52から光を発光させる制御を行えば良い。
In the imaging apparatus shown in FIG. 6, when the subject is dark, the
例えば、夜間に人物と背景を撮るとき、第一の露光期間では主に背景を撮影することを狙ってストロボを発光させず、次の第二の露光期間で手前の人物を撮影することを狙ってストロボを発光させることで、人物を撮影できると共に、その人物が動いた場合でも第二の露光期間は露光時間が短いため、その動きによる影響(ブレ)を最小限にすることができる。 For example, when shooting a person and the background at night, the first exposure period is mainly aimed at shooting the background, but the strobe is not fired, but the next exposure period is aimed at shooting the person in front. By flashing the strobe light, a person can be photographed, and even when the person moves, the exposure time is short in the second exposure period, so that the influence (blur) due to the movement can be minimized.
また、以上の説明では、ダイナミックレンジ拡大処理を固体撮像素子10の外部で実施しているが、これを固体撮像素子10内で行っても良い。
In the above description, the dynamic range expansion process is performed outside the solid-
また、以上の説明では、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2としてフローティングゲートFG1,FG2を有するMOSトランジスタを例にしたが、不揮発性メモリトランジスタMT1,MT2にはMOS構造以外の構造も採用することができる。例えば、フローティングゲートFG1,FG2を窒化膜にし、コントロールゲートCG1,CG2を該窒化膜上に直接形成したMNOS型のトランジスタ構造や、フローティングゲートFG1,FG2を窒化膜にしたMONOS型のトランジスタ構造であっても良い。いずれの場合も、窒化膜が電荷を蓄積する電荷蓄積領域として機能する。 In the above description, the MOS transistors having the floating gates FG1 and FG2 are taken as examples of the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2. However, the nonvolatile memory transistors MT1 and MT2 can adopt a structure other than the MOS structure. . For example, there are a MNOS type transistor structure in which the floating gates FG1 and FG2 are nitride films and the control gates CG1 and CG2 are formed directly on the nitride film, and a MONOS type transistor structure in which the floating gates FG1 and FG2 are nitride films. May be. In either case, the nitride film functions as a charge storage region for storing charges.
また、以上の説明では、取り扱い電荷(信号として取り出す電荷)が電子の場合を想定しているが、取り扱い電荷が正孔の場合でも考え方は一緒である。取り扱い電荷が正孔の場合には、図面においてN型領域とP型領域を入れ替え、各部に印加する電圧の極性を逆にすれば良い。 In the above description, it is assumed that the handling charge (charge taken out as a signal) is an electron, but the idea is the same even when the handling charge is a hole. In the case where the charge handled is a hole, the N-type region and the P-type region are exchanged in the drawing, and the polarity of the voltage applied to each part is reversed.
以下、図1に示した固体撮像素子10の変形例について説明する。
Hereinafter, modifications of the solid-
(第一の変形例)
図9は、図1に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示した等価回路図である。図9において図2と同じ構成には同一符号を付してある。図9に示した画素部と図2に示した画素部との違いは、列方向に並ぶ画素部からなる列毎に、読み出し回路20を1つではなく2つ設けた点である。不揮発性メモリトランジスタMT1の出力(ドレイン領域D1)と、不揮発性メモリトランジスタMT2の出力(ドレイン領域D2)とには、それぞれ別の列信号線12a,12bが接続され、列信号線12a,12bのそれぞれに、読み出し回路20が接続された構成となっている。
(First modification)
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing a first modification of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 9, the same components as those in FIG. The difference between the pixel portion shown in FIG. 9 and the pixel portion shown in FIG. 2 is that two
図9に示した固体撮像素子では、さらに、列毎に、閾値処理部21と、合成処理部22とが設けられている。閾値処理部21は、列信号線12bに接続された読み出し回路20で読み出された長露光撮像信号に対して、上述した閾値処理を行って、処理後の信号を出力する。合成処理部22は、閾値処理後の長露光撮像信号と、列信号線12aに接続された読み出し回路20で読み出された短露光撮像信号とを合成してダイナミックレンジを拡大させる処理を行う。合成処理部22で処理後の信号は水平シフトレジスタ50を含む出力回路から固体撮像素子外部へと出力される。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 9, a
以上のように構成された固体撮像素子の撮像動作を説明する。第一の露光期間で発生した電荷がフローティングゲートFG1に蓄積され、第二の露光期間で発生した電荷がフローティングゲートFG2に蓄積されるまでの動作は図7で説明したのと同じである。 An imaging operation of the solid-state imaging device configured as described above will be described. The operation until the charges generated in the first exposure period are accumulated in the floating gate FG1 and the charges generated in the second exposure period are accumulated in the floating gate FG2 is the same as described in FIG.
第一の露光期間及び第二の露光期間の終了後、列信号線12aに接続された読み出し回路20により短露光撮像信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして、列信号線12aをプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12aとセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG1へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。そして、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT1のドレイン電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。短露光撮像信号の保持後は、ランプ波形電圧の印加が停止され、トランジスタ20fがオフされる。保持された短露光撮像信号は、合成処理部22に入力される。
After the first exposure period and the second exposure period, the short exposure imaging signal is read by the
次に、列信号線12bに接続された読み出し回路20により長露光撮像信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部20aがトランジスタ20fをオンして、列信号線12bをプリチャージする。次に、読み出し制御部20aがトランジスタ20eをオンして、列信号線12bとセンスアンプ20bとを導通する。この状態で、ランプアップ回路20dが、制御部40を介して、1ライン目の各画素部100のコントロールゲートCG2へのランプ波形電圧(Vth読み出し電圧)の印加を開始する。そして、1ライン目の各画素部100の不揮発性メモリトランジスタMT2のドレイン電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路20内で保持される。長露光撮像信号の保持後は、ランプ波形電圧の印加が停止され、トランジスタ20fがオフされる。保持された長露光撮像信号は閾値処理された後、上記短露光撮像信号と合成されて、固体撮像素子外部へと出力される。合成信号の出力後は、カウンタがリセットされる。
Next, the long exposure imaging signal is read out by the
2ライン目以降の画素部100についても同様の駆動が行われて全ラインからダイナミックレンジ拡大処理がなされた撮像信号が出力される。
The same driving is performed for the
以上のように、図9に示した構成(固体撮像素子内部でダイナミックレンジ拡大処理を行う構成)であっても、複雑な駆動を行うことなく、消費電力を抑えて、高画質化を図ることができる。図2に示した構成は、不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2とで読み出し回路20を共通化した構成であるため、図9に示した構成よりも回路規模を縮小できる利点がある。
As described above, even with the configuration shown in FIG. 9 (configuration in which the dynamic range expansion processing is performed inside the solid-state imaging device), power consumption can be suppressed and high image quality can be achieved without performing complex driving. Can do. The configuration shown in FIG. 2 is a configuration in which the
(第二の変形例)
図10は、図1に示した固体撮像素子の画素部の第二の変形例を示した等価回路図である。この変形例では、図2に示した不揮発性メモリトランジスタMT1を、フローティングゲートFG1への電荷の書き込み用の書き込みトランジスタWT1と、フローティングゲートFG1に蓄積された電荷に応じた不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧を検出するための読み出しトランジスタRT1との2つで構成し、それぞれでフローティングゲートFG1を共有した特許文献1に記載のような構成となっている。不揮発性メモリトランジスタMT2も同様に、書き込みトランジスタWT2と読み出しトランジスタRT2とで構成され、それぞれのトランジスタでフローティングゲートFG2を共有した構造となっている。
(Second modification)
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing a second modification of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. In this modification, the nonvolatile memory transistor MT1 shown in FIG. 2 is replaced with a write transistor WT1 for writing charges into the floating gate FG1 and a threshold value of the nonvolatile memory transistor MT1 according to the charges accumulated in the floating gate FG1. The read transistor RT1 for detecting the voltage is composed of two transistors, and each has a configuration as described in
また、図10では、光電変換部3と書き込みトランジスタWT1,WT2のソース領域とが接続された構成としている。また、読み出しトランジスタRT1,RT2のドレイン領域が列信号線12に共通接続され、列信号線12に図1(b)に示した読み出し回路20が接続された構成となっている。書き込みトランジスタWT1のゲート電極(書き込みコントロールゲート)はWCG1で示し、書き込みトランジスタWT2のゲート電極(書き込みコントロールゲート)はWCG2で示し、読み出しトランジスタRT1のゲート電極(読み出しコントロールゲート)はRCG1で示し、読み出しトランジスタRT1のゲート電極(読み出しコントロールゲート)はRCG2で示してある。書き込みコントロールゲートWCG1には配線wcg1が接続され、書き込みコントロールゲートWCG2には配線wcg2が接続され、読み出しコントロールゲートRCG1には配線rcg1が接続され、読み出しコントロールゲートRCG2には配線rcg2が接続されている。配線wcg1,wcg2,rcg1,rcg2は、それぞれ行方向に並ぶ画素部100のライン毎に設けられ、制御部40によって電圧を印加できるようになっている。
In FIG. 10, the
図11は、図10に示した等価回路図の平面レイアウト例を示した図である。図11では、行方向に隣接する2つの画素部100を図示している。各ラインは、図11に示した2つの画素部100のパターンが、行方向に複数配列されたものとなっている。図11に示す2つの画素部はリセットトランジスタRTのドレイン32を境に左右対称となっているため、以下では左側の画素部100についてのみ説明する。
FIG. 11 is a diagram showing a planar layout example of the equivalent circuit diagram shown in FIG. FIG. 11 illustrates two
画素部100のPウェル層には、光電変換部3が形成され、その左隣には少し離間して読み出しトランジスタRT1のドレイン34と、読み出しトランジスタRT1,RT2で共通化されたソース33と、読み出しトランジスタRT2のドレイン35とが列方向に並べて形成されている。また、光電変換部3の右隣には少し離間してリセットトランジスタRTのドレイン32が形成されている。
The
Pウェル層上には図示しない絶縁膜が形成されており、この上にフローティングゲートFG1とフローティングゲートFG2が形成されている。フローティングゲートFG1は、光電変換部3の上辺から左辺に沿ってドレイン34とソース33との間の上方まで延びて形成されている。フローティングゲートFG2は、光電変換部3の下辺から左辺に沿ってドレイン35とソース33との間の上方まで延びて形成されている。
An insulating film (not shown) is formed on the P well layer, and a floating gate FG1 and a floating gate FG2 are formed thereon. The floating gate FG1 extends from the upper side of the
フローティングゲートFG1,FG2の上には絶縁膜が設けられ、この上層に書き込みコントロールゲートWCG1,WCG2、読み出しコントロールゲートRCG1,RCG2、リセットゲートRGが形成されている。 An insulating film is provided on the floating gates FG1 and FG2, and write control gates WCG1 and WCG2, read control gates RCG1 and RCG2, and a reset gate RG are formed thereon.
書き込みコントロールゲートWCG1はフローティングゲートFG1と重なるように形成されている。読み出しコントロールゲートRCG1は、ドレイン34とソース33との間の上方のフローティングゲートFG1と重なるように形成されている。
The write control gate WCG1 is formed so as to overlap the floating gate FG1. The read control gate RCG1 is formed so as to overlap with the floating gate FG1 above between the
書き込みコントロールゲートWCG2はフローティングゲートFG2と重なるように形成されている。読み出しコントロールゲートRCG2は、ドレイン35とソース33との間の上方のフローティングゲートFG2と重なるように形成されている。
The write control gate WCG2 is formed so as to overlap the floating gate FG2. The read control gate RCG2 is formed to overlap the upper floating gate FG2 between the
リセットゲートRGは、光電変換部3とドレイン32との間の上方に形成されている。なお、図11のレイアウト例では、リセットトランジスタRTのドレイン32が隣接する2つの画素部100で共通化されており、リセットゲートRGは、隣の画素部100の光電変換部3とドレイン32との間の上方にも延びて形成されている。
The reset gate RG is formed above the
書き込みコントロールゲートWCG1,WCG2、読み出しコントロールゲートRCG1,RCG2、リセットゲートRGの上層には絶縁膜を介して、行方向に延びるグローバル配線(読み出し制御線rcg1、書き込み制御線wcg1、書き込み制御線wcg2、読み出し制御線rcg2、及びリセット線RL)が形成されている。 Global wiring (read control line rcg1, write control line wcg1, write control line wcg2, read) extending in the row direction via an insulating film above the write control gates WCG1, WCG2, read control gates RCG1, RCG2, and reset gate RG. A control line rcg2 and a reset line RL) are formed.
読み出し制御線rcg1と書き込み制御線wcg1は、画素部100のラインの上側部に行方向に延びて形成されている。書き込み制御線wcg2と読み出し制御線rcg2とリセット線RLは、画素部100のラインの下側部に行方向に延びて形成されている。
The read control line rcg1 and the write control line wcg1 are formed on the upper side of the line of the
読み出しコントロールゲートRCG1は、読み出し制御線rcg1下方まで延びており、ここでコンタクトビア38を介して読み出し制御線rcg1と電気的に接続されている。書き込みコントロールゲートWCG1は、書き込み制御線wcg1下方まで延びており、ここでコンタクトビア37を介して書き込み制御線wcg1と電気的に接続されている。 The read control gate RCG1 extends below the read control line rcg1, and is electrically connected to the read control line rcg1 through the contact via 38 here. The write control gate WCG1 extends below the write control line wcg1, and is electrically connected to the write control line wcg1 through the contact via 37 here.
読み出しコントロールゲートRCG2は、読み出し制御線rcg2下方まで延びており、ここでコンタクトビア39を介して読み出し制御線rcg2と電気的に接続されている。書き込みコントロールゲートWCG2は、書き込み制御線wcg2下方まで延びており、ここでコンタクトビア36を介して書き込み制御線wcg2と電気的に接続されている。 The read control gate RCG2 extends below the read control line rcg2, and is electrically connected to the read control line rcg2 through the contact via 39 here. The write control gate WCG2 extends below the write control line wcg2, and is electrically connected to the write control line wcg2 through the contact via 36 here.
リセットゲートRGは、リセット線RL下方まで延びており、ここでコンタクトビアRGaを介してリセット線RLと電気的に接続されている。 The reset gate RG extends below the reset line RL, and is electrically connected to the reset line RL through the contact via RGa.
読み出し制御線rcg1、書き込み制御線wcg1、書き込み制御線wcg2、読み出し制御線rcg2、及びリセット線RL上には絶縁膜が形成され、この上層に、列方向に延びるグローバル配線(列信号線12、ソース線SL、リセットドレイン線Vcc)が形成されている。
An insulating film is formed on the read control line rcg1, the write control line wcg1, the write control line wcg2, the read control line rcg2, and the reset line RL, and a global wiring extending in the column direction (
列信号線12とソース線SLは画素部100の列毎に設けられ、リセットドレイン線Vccは2列に1つ設けられている。
The
列信号線12は、ドレイン34の上方まで延びており、ここでコンタクトビア34aを介してドレイン34と電気的に接続されている。列信号線12は、ドレイン35の上方にも延びており、ここでコンタクトビア35aを介してドレイン35と電気的に接続されている。
The
ソース線SLは、ソース33の上方まで延びており、ここでコンタクトビア33aを介してソース33と電気的に接続されている。
The source line SL extends to above the
リセットドレイン線Vccは、ドレイン32の上方を通過するように形成されており、ドレイン32の上方でコンタクトビア32aを介してドレイン32と電気的に接続されている。
The reset drain line Vcc is formed so as to pass above the
なお、図11のレイアウト例では、書き込みトランジスタWT1,WT2のドレインを省略し、書き込みトランジスタWT1,WT2を、それぞれ、ソース(ドレインと兼用)が光電変換部3に接続された2端子構成のMOSトランジスタとしている。2端子デバイスとしては、抵抗、コイル、コンデンサ、ダイオード等があり、スイッチングや信号増幅のようなアクティブ(能動)デバイスでは存在しない。
In the layout example of FIG. 11, the drains of the write transistors WT1 and WT2 are omitted, and the write transistors WT1 and WT2 are each a two-terminal MOS transistor in which the source (also used as the drain) is connected to the
一般的な固体撮像素子における画素選択、リセット、信号記録、及び読み出し等を行うためのアクティブデバイスであるトランジスタは2端子では機能しないことは常識として理解され、だれも試みることすらしていない。 It is understood as common sense that a transistor, which is an active device for performing pixel selection, reset, signal recording, readout, and the like in a general solid-state imaging device, does not function with two terminals, and no one has tried.
図11の固体撮像素子の構造は、書き込みトランジスタWT1と読み出しトランジスタRT1とでフローティングゲートFG1を共有した構造をとっているため、書き込みトランジスタWT1は専ら書き込み(フローティングゲートFG1への電荷注入及び記録)という単一動作及び一方向のみの電荷移動しか求められておらず、信号読み出し時には、上記共有FG構造によって、隣接する読み出しトランジスタRT1側においても信号の読み出しを行えるので、書き込みトランジスタWT1が2端子構造であっても動作上は何ら問題がないことが分かった。これは、書き込みトランジスタWT2についても同様である。 Since the structure of the solid-state imaging device in FIG. 11 has a structure in which the writing transistor WT1 and the reading transistor RT1 share the floating gate FG1, the writing transistor WT1 is exclusively called writing (charge injection and recording to the floating gate FG1). Only single operation and charge transfer in only one direction are required, and at the time of signal reading, the signal can be read also on the adjacent reading transistor RT1 side by the shared FG structure, so that the writing transistor WT1 has a two-terminal structure. It turns out that there is no problem in operation even if it exists. The same applies to the write transistor WT2.
図11に示した固体撮像素子では、画素部100内に複数の読み出し部を形成する必要があるため、設計自由度は低下してしまう。そこで、書き込みトランジスタWT1,WT2を、光電変換部11に接続されたソースと書き込みコントロールゲートとの2端子構造とすることで、構成の簡略化を図ることが有効となる。これに加えて、図11の例では、読み出しトランジスタRT1と読み出しトランジスタRT2のソースも共通化し、更に、隣接する2つの画素部100のリセットトランジスタRTも共通化している。このため、画素部100のサイズやチップサイズを小さくすることができ、多画素化や小型化等が実現可能となる。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 11, since it is necessary to form a plurality of readout units in the
図10に示した固体撮像素子の撮像動作は、図2に示したものと同様である。具体的には、光電変換部3をリセットした後に、第一の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG1に蓄積し、第二の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷をフローティングゲートFG2に蓄積する。次いで、読み出し回路20が、不揮発性メモリトランジスタMT1の閾値電圧の変化分を信号として読み出し、その後、不揮発性メモリトランジスタMT2の閾値電圧の変化分を信号として読み出す。
The imaging operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 10 is the same as that shown in FIG. Specifically, after resetting the
このように、図10に示した共有FG構造であっても、画素部の構成や駆動を複雑にすることなく、消費電力を抑えて、高画質化を図ることができる。なお、図11に示した構成においても、不揮発性メモリトランジスタMT1のフローティングゲートFG1及びチャネル領域と不揮発性メモリトランジスタMT2のフローティングゲートFG2及びチャネル領域を遮光膜によって遮光し、光電変換部3を、不揮発性メモリトランジスタMT1のチャネル領域と不揮発性メモリトランジスタMT2のチャネル領域の下まで延在させた構成とすることで、電荷注入効率を向上させることができる。
As described above, even in the shared FG structure illustrated in FIG. 10, power consumption can be suppressed and high image quality can be achieved without complicating the configuration and driving of the pixel portion. Also in the configuration shown in FIG. 11, the floating gate FG1 and the channel region of the nonvolatile memory transistor MT1 and the floating gate FG2 and the channel region of the nonvolatile memory transistor MT2 are shielded by the light shielding film, and the
(第三の変形例)
図12は、図1に示す固体撮像素子の画素部の第三の変形例を示した等価回路図である。図2では、画素部100内の光電変換部3に対して不揮発性メモリトランジスタMT1と不揮発性メモリトランジスタMT2の2つのトランジスタをそれぞれ電荷蓄積部として設ける構成としたが、図12に示した画素部では、電荷蓄積部として、不揮発性メモリトランジスタの代わりに、PN接合容量電荷蓄積部である浮遊拡散容量を設けた構成としている。
(Third modification)
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram showing a third modification of the pixel portion of the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 2, the two transistors of the non-volatile memory transistor MT1 and the non-volatile memory transistor MT2 are provided as the charge storage units for the
図12に示す画素部の第一の電荷蓄積部は、スイッチトランジスタST1と、この電荷蓄積部の電荷蓄積領域として機能する浮遊拡散容量C1と、リセットトランジスタRET1と、ソースフォロワアンプSFA1とを備える。 The first charge storage unit of the pixel unit shown in FIG. 12 includes a switch transistor ST1, a floating diffusion capacitor C1 that functions as a charge storage region of the charge storage unit, a reset transistor RET1, and a source follower amplifier SFA1.
スイッチトランジスタST1は、光電変換部3内の電荷の浮遊拡散容量C1への転送制御を行う。ソースフォロワアンプSFA1は、浮遊拡散容量C1に蓄積された電荷量に応じた信号を出力する。リセットトランジスタRET1は、浮遊拡散容量C1の電位を電源電圧Vccにリセットするためのものである。
The switch transistor ST1 performs transfer control of charges in the
図12に示す画素部の第二の電荷蓄積部は、スイッチトランジスタST2と、この電荷蓄積部の電荷蓄積領域として機能する浮遊拡散容量C2と、リセットトランジスタRET2と、ソースフォロワアンプSFA2とを備える。 The second charge storage section of the pixel section shown in FIG. 12 includes a switch transistor ST2, a floating diffusion capacitor C2 that functions as a charge storage area of the charge storage section, a reset transistor RET2, and a source follower amplifier SFA2.
スイッチトランジスタST2は、光電変換部3内の電荷の浮遊拡散容量C2への転送制御を行う。ソースフォロワアンプSFA2は、浮遊拡散容量C2に蓄積された電荷量に応じた信号を出力する。リセットトランジスタRET2は、浮遊拡散容量C2の電位を電源電圧Vccにリセットするためのものである。
The switch transistor ST2 performs transfer control of charges in the
図12に示す画素部を有する固体撮像素子では、ソースフォロワアンプSFA1とソースフォロワアンプSFA2が、それぞれ、光電変換部3で発生した電荷に応じた信号を画素部毎に増幅して読み出すため、図1に示した読み出し回路20とは異なる読み出し回路、例えば公知のCMOSイメージセンサで採用されている相関二重サンプリング回路及びAD変換回路等を設ければ良い。
In the solid-state imaging device having the pixel portion shown in FIG. 12, the source follower amplifier SFA1 and the source follower amplifier SFA2 each amplify and read out a signal corresponding to the charge generated in the
以下、図12に示した画素部を有する固体撮像素子の動作を説明する。撮影指示に応じて、まず、全ての画素部のスイッチトランジスタST1,ST2とリセットトランジスタRET1,RET2をそれぞれオンする。これにより、光電変換部3にある不要電荷は浮遊拡散容量C1,C2に転送され、ここからリセットトランジスタRET1,RET2のドレインへと排出される。次に、全ての画素部のスイッチトランジスタST1,ST2とリセットトランジスタRET1,RET2をそれぞれオフする。これにより、第一の露光期間が開始される。第一の露光期間が終了すると、全ての画素部のスイッチトランジスタST1をオンして、光電変換部3で発生した電荷を浮遊拡散容量C1に転送し、スイッチトランジスタST1をオフにする。これにより、第二の露光期間が開始される。第二の露光期間が終了すると、全ての画素部のスイッチトランジスタST2をオンして、光電変換部3で発生した電荷を浮遊拡散容量C2に転送し、スイッチトランジスタST2をオフにする。
Hereinafter, the operation of the solid-state imaging device having the pixel portion shown in FIG. 12 will be described. In response to the shooting instruction, first, the switch transistors ST1 and ST2 and the reset transistors RET1 and RET2 of all the pixel portions are turned on. Thereby, unnecessary charges in the
第一の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷と、第二の露光期間中に光電変換部3で発生した電荷とを蓄積した後は、浮遊拡散容量C1に蓄積された電荷量に応じた撮像信号をソースフォロワアンプSFA1によって外部に読み出す駆動を全ラインに対して行って撮像信号を読み出す。次に、浮遊拡散容量C2に蓄積された電荷量に応じた撮像信号をソースフォロワアンプSFA2によって外部に読み出す駆動を全ラインに対して行って撮像信号を読み出す。固体撮像素子を搭載する撮像装置内部のデジタル信号処理部では、固体撮像素子から出力された2つの撮像信号を合成してダイナミックレンジを拡大させる。
After accumulating the charge generated in the
以上のような構成であっても、駆動を複雑にすることなく、消費電力を抑えて、高画質化を図ることができる。 Even with the configuration as described above, the power consumption can be suppressed and the image quality can be improved without complicating the driving.
以上のように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示された固体撮像素子は、画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部及び第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部をリセットした後、第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積し、前記第一の露光期間終了後に開始され且つ前記第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第二の電荷蓄積部に蓄積する書き込み手段と、前記書き込み手段によって前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部に電荷を蓄積した後に、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す信号読み出し手段とを備える。 The disclosed solid-state imaging device is a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a first charge storage unit. A charge storage unit, and after resetting the photoelectric conversion unit, charges generated in the photoelectric conversion unit during a first exposure period are stored in the first charge storage unit, Writing means for storing charges generated in the photoelectric conversion unit in the second charge storage unit during the second exposure period which is started after the end of the exposure period and having a length different from that of the first exposure period; and the writing A first imaging signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit after the charge is accumulated in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit by means; A second imaging signal corresponding to the charge stored in the charge storage section; And a signal reading means for reading.
この構成により、露光期間の異なる2つの撮像信号を得ることができるため、これらを合成することでダイナミックレンジを拡大することができる。また、2つの露光期間の時間差を無くすことが可能なため、動く被写体であっても問題なくダイナミックレンジを拡大することができるようになる。 With this configuration, two imaging signals with different exposure periods can be obtained, so that the dynamic range can be expanded by combining them. Further, since it is possible to eliminate the time difference between the two exposure periods, the dynamic range can be expanded without any problem even for a moving subject.
開示された固体撮像素子は、前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である。 In the disclosed solid-state imaging device, the first charge accumulation unit is a first transistor including a first charge accumulation region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed, and the second transistor The charge storage portion is a second transistor including a second charge storage region formed above the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion portion is formed, and the first charge storage region and the second charge storage region Each of the regions is a region where the electric charge is accumulated by the writing unit.
開示された固体撮像素子は、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである。 In the disclosed solid-state imaging device, each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.
この構成により、ノイズを抑えることが可能となる。 With this configuration, noise can be suppressed.
開示された固体撮像素子は、前記光電変換部が、前記第一のトランジスタ及び前記第二のトランジスタが形成される半導体基板内に形成され、前記半導体基板上方に設けられ、前記光電変換部の一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、前記第一のトランジスタの前記電荷蓄積部及びチャネル領域と前記第二のトランジスタの前記電荷蓄積部及びチャネル領域は前記遮光膜によって覆われており、前記光電変換部が、前記第一のトランジスタのチャネル領域と前記第二のトランジスタのチャネル領域の下まで延在している。 In the disclosed solid-state imaging device, the photoelectric conversion unit is formed in a semiconductor substrate on which the first transistor and the second transistor are formed, and is provided above the semiconductor substrate. A light-shielding film having an opening above the portion, wherein the charge storage part and channel region of the first transistor and the charge storage part and channel region of the second transistor are covered with the light-shielding film. The photoelectric conversion portion extends to a position below the channel region of the first transistor and the channel region of the second transistor.
この構成により、第一のトランジスタと第二のトランジスタのチャネル領域の下に光電変換部が存在することになるため、遮光膜開口から入った光に応じて光電変換部で発生した電荷を、光電変換部のチャネル領域との重なり部分から該チャネル領域を介して電荷蓄積部へと効率的に注入することができる。 With this configuration, since the photoelectric conversion unit exists under the channel regions of the first transistor and the second transistor, the charge generated in the photoelectric conversion unit according to the light entering from the light shielding film opening is converted into the photoelectric conversion unit. It is possible to efficiently inject into the charge accumulating portion through the channel region from the overlapping portion of the conversion portion with the channel region.
開示された固体撮像素子は、前記第一のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅と前記第二のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅とが同一となっている。 In the disclosed solid-state imaging device, the channel length and channel width of the first transistor and the channel length and channel width of the second transistor are the same.
この構成により、高画質化を図ることができる。 With this configuration, high image quality can be achieved.
開示された固体撮像素子は、前記書き込み手段が、前記第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷と、前記第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷のそれぞれの蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える。 In the disclosed solid-state imaging device, each of the charge generated by the photoelectric conversion unit during the first exposure period and the charge generated by the photoelectric conversion unit during the second exposure period is provided by the writing unit. The storage destination is switched alternately between the first charge storage unit and the second charge storage unit at regular intervals.
この構成により、素子の長寿命化が期待できる。 With this configuration, the lifetime of the element can be expected to be extended.
開示された撮像装置は前記固体撮像素子を備える。 The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.
開示された撮像装置は、前記撮像装置であって、前記第一の撮像信号と前記第二の撮像信号とを合成してダイナミックレンジ拡大処理を行う信号処理手段を備える。 The disclosed imaging device is the imaging device, and includes signal processing means for combining the first imaging signal and the second imaging signal to perform a dynamic range expansion process.
開示された撮像装置は、被写体を照明するための発光手段を備え、前記第一の露光期間が前記第二の露光期間よりも長くなっており、光を発光する設定がなされているとき、前記発光手段は前記第二の露光期間中に光を発光する。 The disclosed imaging apparatus includes a light emitting unit for illuminating a subject, and the first exposure period is longer than the second exposure period, and when the setting for emitting light is made, The light emitting means emits light during the second exposure period.
開示された撮像方法は、画素部を複数有する固体撮像素子を用いた撮像方法であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、前記光電変換部をリセットした後、第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積し、前記第一の露光期間終了後に開始され且つ前記第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第二の電荷蓄積部に蓄積する書き込みステップと、前記書き込み手段によって前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部に電荷を蓄積した後に、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す信号読み出しステップとを備える。 The disclosed imaging method is an imaging method using a solid-state imaging device having a plurality of pixel units, and the pixel unit includes a photoelectric conversion unit and a first charge capable of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit. Having a storage part and a second charge storage part, and after resetting the photoelectric conversion part, the charge generated in the photoelectric conversion part during the first exposure period is stored in the first charge storage part, A writing step of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit in the second charge accumulation unit during the second exposure period which is started after the first exposure period and has a length different from that of the first exposure period. And a first imaging signal corresponding to the charges accumulated in the first charge accumulation unit after accumulating charges in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit by the writing unit, The second charge according to the charge accumulated in the second charge accumulation unit. And a signal readout step of reading out the imaging signal.
開示された撮像方法は、前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である。 In the disclosed imaging method, the first charge storage unit is a first transistor including a first charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed, and the second transistor The charge storage unit is a second transistor including a second charge storage region formed above the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed, and the first charge storage region and the second charge storage region Are regions where the charge is accumulated by the writing means.
開示された撮像方法は、前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである。 In the disclosed imaging method, each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.
開示された撮像方法は、前記書き込みステップでは、前記第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷と、前記第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷のそれぞれの蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える。 In the disclosed imaging method, in the writing step, accumulation of charges generated in the photoelectric conversion unit during the first exposure period and charges generated in the photoelectric conversion unit during the second exposure period, respectively. The first is alternately switched between the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit at regular intervals.
開示された撮像方法は、前記第一の撮像信号と前記第二の撮像信号とを合成してダイナミックレンジ拡大処理を行う信号処理ステップを備える。 The disclosed imaging method includes a signal processing step of performing dynamic range expansion processing by combining the first imaging signal and the second imaging signal.
開示された撮像方法は、前記第一の露光期間が前記第二の露光期間よりも長くなっており、光を発光する設定がなされているときに前記第二の露光期間中に光を発光する。 In the disclosed imaging method, the first exposure period is longer than the second exposure period, and light is emitted during the second exposure period when light emission is set to be emitted. .
3 光電変換部
10 固体撮像素子
20 読み出し回路
40 制御部
100 画素部
RT リセットトランジスタ
WT1,WT2 不揮発性メモリトランジスタ
FG1,FG2 フローティングゲート
3
Claims (15)
前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部及び第二の電荷蓄積部とを有し、
前記光電変換部をリセットした後、第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積し、前記第一の露光期間終了後に開始され且つ前記第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第二の電荷蓄積部に蓄積する書き込み手段と、
前記書き込み手段によって前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部に電荷を蓄積した後に、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す信号読み出し手段とを備える固体撮像素子。 A solid-state imaging device having a plurality of pixel portions,
The pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge accumulation unit and a second charge accumulation unit capable of accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit,
After resetting the photoelectric conversion unit, charges generated in the photoelectric conversion unit during the first exposure period are accumulated in the first charge accumulation unit, and are started after the first exposure period ends and the first Writing means for accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit during the second exposure period having a length different from that of the exposure period in the second charge accumulation unit;
A first imaging signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit after the charge is accumulated in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit by the writing unit; A solid-state imaging device comprising: a signal readout unit that reads out a second imaging signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit.
前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、
前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The first charge storage unit is a first transistor including a first charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
The second charge storage unit is a second transistor including a second charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
A solid-state imaging device, wherein each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a region where the charge is accumulated by the writing unit.
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
A solid-state imaging device in which each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.
前記光電変換部が、前記第一のトランジスタ及び前記第二のトランジスタが形成される半導体基板内に形成され、
前記半導体基板上方に設けられ、前記光電変換部の一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、
前記第一のトランジスタの前記電荷蓄積部及びチャネル領域と前記第二のトランジスタの前記電荷蓄積部及びチャネル領域は前記遮光膜によって覆われており、
前記光電変換部が、前記第一のトランジスタのチャネル領域と前記第二のトランジスタのチャネル領域の下まで延在している固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2 or 3,
The photoelectric conversion unit is formed in a semiconductor substrate on which the first transistor and the second transistor are formed,
A light-shielding film provided above the semiconductor substrate and having an opening formed above a portion of the photoelectric conversion unit;
The charge storage portion and channel region of the first transistor and the charge storage portion and channel region of the second transistor are covered with the light shielding film,
The solid-state imaging device in which the photoelectric conversion unit extends below a channel region of the first transistor and a channel region of the second transistor.
前記第一のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅と前記第二のトランジスタのチャネル長及びチャネル幅とが同一となっている固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 2 to 4,
A solid-state imaging device in which a channel length and a channel width of the first transistor are the same as a channel length and a channel width of the second transistor.
前記書き込み手段が、前記第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷と、前記第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷のそれぞれの蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The writing means is configured to store the charge generated in the photoelectric conversion unit during the first exposure period and the storage destination of the charge generated in the photoelectric conversion unit during the second exposure period, respectively. A solid-state imaging device that switches alternately between a charge storage unit and the second charge storage unit at regular intervals.
前記第一の撮像信号と前記第二の撮像信号とを合成してダイナミックレンジ拡大処理を行う信号処理手段を備える撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 7,
An image pickup apparatus comprising signal processing means for combining the first image pickup signal and the second image pickup signal to perform dynamic range expansion processing.
被写体を照明するための発光手段を備え、
前記第一の露光期間が前記第二の露光期間よりも長くなっており、
光を発光する設定がなされているとき、前記発光手段は前記第二の露光期間中に光を発光する撮像装置。 The imaging device according to claim 7 or 8,
With light emitting means for illuminating the subject,
The first exposure period is longer than the second exposure period;
An imaging apparatus in which the light emitting means emits light during the second exposure period when setting to emit light is made.
前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積可能な第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを有し、
前記光電変換部をリセットした後、第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第一の電荷蓄積部に蓄積し、前記第一の露光期間終了後に開始され且つ前記第一の露光期間と長さの異なる第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記第二の電荷蓄積部に蓄積する書き込みステップと、
前記書き込み手段によって前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部に電荷を蓄積した後に、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第一の撮像信号と、前記第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた第二の撮像信号とを読み出す信号読み出しステップとを備える撮像方法。 An imaging method using a solid-state imaging device having a plurality of pixel portions,
The pixel unit includes a photoelectric conversion unit, a first charge storage unit capable of storing charges generated in the photoelectric conversion unit, and a second charge storage unit,
After resetting the photoelectric conversion unit, charges generated in the photoelectric conversion unit during the first exposure period are accumulated in the first charge accumulation unit, and are started after the first exposure period ends and the first A writing step for accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit in the second charge accumulation unit during a second exposure period having a length different from that of the exposure period;
A first imaging signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit after the charge is accumulated in the first charge accumulation unit and the second charge accumulation unit by the writing unit; An image pickup method comprising: a signal reading step of reading out a second image pickup signal corresponding to the charge accumulated in the second charge accumulation unit.
前記第一の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第一の電荷蓄積領域を含む第一のトランジスタであり、
前記第二の電荷蓄積部が、前記光電変換部が形成される半導体基板上方に形成された第二の電荷蓄積領域を含む第二のトランジスタであり、
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々が、前記書き込み手段によって前記電荷が蓄積される領域である撮像方法。 The imaging method according to claim 10, comprising:
The first charge storage unit is a first transistor including a first charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
The second charge storage unit is a second transistor including a second charge storage region formed above a semiconductor substrate on which the photoelectric conversion unit is formed;
An imaging method in which each of the first charge storage region and the second charge storage region is a region in which the charge is stored by the writing unit.
前記第一の電荷蓄積領域及び前記第二の電荷蓄積領域の各々がフローティングゲートである撮像方法。 The imaging method according to claim 11,
An imaging method in which each of the first charge accumulation region and the second charge accumulation region is a floating gate.
前記書き込みステップでは、前記第一の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷と、前記第二の露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷のそれぞれの蓄積先を、前記第一の電荷蓄積部と前記第二の電荷蓄積部とで一定期間毎に交互に切り替える撮像方法。 It is the imaging method of any one of Claims 10-12,
In the writing step, the accumulation destinations of the charges generated in the photoelectric conversion unit during the first exposure period and the charges generated in the photoelectric conversion unit during the second exposure period are respectively stored in the first exposure period. An imaging method in which the charge accumulation unit and the second charge accumulation unit are alternately switched at regular intervals.
前記第一の撮像信号と前記第二の撮像信号とを合成してダイナミックレンジ拡大処理を行う信号処理ステップを備える撮像方法。 It is an imaging method of any one of Claims 10-13,
An imaging method comprising a signal processing step of performing dynamic range expansion processing by combining the first imaging signal and the second imaging signal.
前記第一の露光期間が前記第二の露光期間よりも長くなっており、
光を発光する設定がなされているときに前記第二の露光期間中に光を発光する撮像方法。 The imaging method according to any one of claims 10 to 14,
The first exposure period is longer than the second exposure period;
An imaging method in which light is emitted during the second exposure period when light emission is set.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009127949A JP2010278654A (en) | 2009-05-27 | 2009-05-27 | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009127949A JP2010278654A (en) | 2009-05-27 | 2009-05-27 | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010278654A true JP2010278654A (en) | 2010-12-09 |
Family
ID=43425219
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009127949A Pending JP2010278654A (en) | 2009-05-27 | 2009-05-27 | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010278654A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017096962A (en) * | 2011-07-15 | 2017-06-01 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Photodetector |
WO2018056232A1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 国立大学法人静岡大学 | Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device |
CN111095560A (en) * | 2017-11-30 | 2020-05-01 | 松下知识产权经营株式会社 | Image pickup apparatus |
-
2009
- 2009-05-27 JP JP2009127949A patent/JP2010278654A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017096962A (en) * | 2011-07-15 | 2017-06-01 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Photodetector |
WO2018056232A1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 国立大学法人静岡大学 | Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device |
CN109791934A (en) * | 2016-09-21 | 2019-05-21 | 国立大学法人静冈大学 | Photo-electric conversion element and solid-state imaging device |
JPWO2018056232A1 (en) * | 2016-09-21 | 2019-07-04 | 国立大学法人静岡大学 | Photoelectric conversion element and solid-state imaging device |
US10680032B2 (en) | 2016-09-21 | 2020-06-09 | National University Corporation Shizuoka University | Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device |
CN109791934B (en) * | 2016-09-21 | 2022-11-08 | 国立大学法人静冈大学 | Photoelectric conversion element and solid-state imaging device |
CN111095560A (en) * | 2017-11-30 | 2020-05-01 | 松下知识产权经营株式会社 | Image pickup apparatus |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11012651B2 (en) | Solid-state imaging device and electronic apparatus | |
KR101945051B1 (en) | Electronic apparatus and driving method therefor | |
JP5115937B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
US10356333B2 (en) | Image pickup apparatus and image pickup system with increased saturation charge quantity of pixels | |
JP2010193421A (en) | Solid-state imaging device, endoscope apparatus, and drive method of solid-state imaging device | |
TWI714081B (en) | Vertical overflow drain combined with vertical transistor | |
JP6873905B2 (en) | Solid-state image sensor and electronic equipment | |
KR102412999B1 (en) | Solid-state imaging devices and camera systems | |
US9986191B2 (en) | Image capturing apparatus and image capturing system | |
JP2005175392A (en) | Solid-state imaging apparatus and imaging sensing system using same | |
US8913167B2 (en) | Image pickup apparatus and method of driving the same | |
JP6263914B2 (en) | Imaging device, driving method of imaging device, and camera | |
CN111183633B (en) | Solid-state image pickup element and electronic device | |
JP2010278654A (en) | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method | |
JP2010212417A (en) | Solid-state imaging element, imaging device, method of driving solid-state imaging element | |
JP2010278653A (en) | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method | |
JP2010093548A (en) | Image capturing apparatus, and method of driving solid-state image sensor | |
JP2010050146A (en) | Solid-state imaging element, imaging apparatus, and imaging method | |
US20100085455A1 (en) | Imaging apparatus and method of driving solid-state imaging device | |
JP2010278655A (en) | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method | |
JP2010171869A (en) | Solid-state imaging element, imaging device, and method of reading signal of solid-state imaging element | |
JP2010278143A (en) | Solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method | |
JP4587161B2 (en) | Imaging device | |
JP6598941B2 (en) | Imaging apparatus and imaging system | |
JP2010087633A (en) | Image capturing apparatus, and method of driving solid-state image sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20111216 |