专利名称：固体摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明的涉及在单元格内配置有两个光电二极管的、例如CMOS图像传感器等的 固体摄像装置。
背景技术：
在CMOS图像传感器的摄像区域中，以矩阵状配置有多个单位像素(单元格)。在 单元格内，作为光电变换元件，通常配置有1个光电二极管。即，单元格具备光电二极管、将 光电二极管的储存电荷读出到浮动扩散器(floating diffusion)中的读出晶体管、将浮 动扩散器的信号电位放大并输出的放大晶体管、将放大晶体管的栅极电位复位的复位晶体 管、和地址晶体管。上述CMOS图像传感器的动作一般被如以下所述那样控制。各单元格将对应于输 入光的强度产生的信号电荷临时储存到光电二极管中。如果成为将光电二极管的信号读出 的时刻，则在浮动扩散器的电位被复位之后，将储存在光电二极管中的信号电荷传送给浮 动扩散器。放大晶体管与设置在摄像区域外的电流源一起形成源极跟随器电路，从源极跟 随器电路输出与浮动扩散器的信号电荷量相对应的电平的电压。在具有上述单元格的CMOS图像传感器中，单元格的动态范围由浮动扩散器或光 电二极管的饱和电平决定，如果比其大的入射光进入，则输出饱和。在 United States Patent Application Publication No. US 2005/0212939(Oda et al.)，或 United States Patent No. US 6831692 (Oda)中，公开了将高灵敏度和低灵敏 度的光电二极管相邻设置在各单元格内的CCD区域传感器。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于提供一种固体摄像装置，其特征在于，具 有摄像区域和控制电路，所述摄像区域包括以矩阵状配置的多个单元格，上述单元格(1) 包括第1光电二极管，对入射光进行光电变换之后储存；第1读出晶体管，与上述第1光 电二极管连接，读出信号电荷；第2光电二极管，对入射光进行光电变换之后储存，光灵敏 度比上述第1光电二极管小；第2读出晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出信号电荷； 浮动扩散器，与上述第1及第2读出晶体管连接，储存信号电荷；复位晶体管，与上述浮动 扩散器连接，将浮动扩散器的电位复位；以及放大晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动 扩散器的电位放大；所述控制电路具有第1及第2动作模式，在上述第1动作模式中，进行 控制，将上述第1及第2光电二极管的信号电荷经由上述第1及第2读出晶体管传送到上 述浮动扩散器中并相加，并且将上述浮动扩散器的电位用上述放大晶体管放大之后输出信 号，在上述第2动作模式中，进行控制，将上述第2光电二极管的信号电荷经由上述第2读出晶体管传送到上述浮动扩散器中，并且将上述浮动扩散器的电位用上述放大晶体管放大 之后输出信号。本发明还提供一种固体摄像装置，其特征在于，具有摄像区域和控制电路，所述摄 像区域包括以矩阵状配置的多个单元格，上述单元格包括第1光电二极管，对入射光进行 光电变换之后储存；第1读出晶体管，与上述第1光电二极管连接，读出信号电荷；第2光 电二极管，对入射光进行光电变换之后储存，光灵敏度比上述第1光电二极管小；第2读出 晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出信号电荷；浮动扩散器，与上述第1及第2读出晶 体管连接，储存信号电荷；复位晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动扩散器的电位复位； 以及放大晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动扩散器的电位放大；所述控制电路具有第 1及第2动作模式，在上述第1动作模式中，进行控制，将上述第1及第2光电二极管的信号 电荷经由上述第1及第2读出晶体管独立地传送到上述浮动扩散器中，并且将上述浮动扩 散器的电位用上述放大晶体管放大之后独立地输出信号，在上述第2动作模式中，进行控 制，将上述第2光电二极管的信号电荷经由上述第2读出晶体管传送到上述浮动扩散器中， 并且将上述浮动扩散器的电位用上述放大晶体管放大之后输出信号。
图1是第1实施例的CMOS图像传感器的模块图。图2A是将图1的CMOS图像传感器的摄像区域的一部分取出、将元件形成区域和 栅极的布局图像的一部分与各种信号线一起概略地表示的图案俯视图。图2B是概略地表示图1的CMOS图像传感器的滤色器及微透镜的布局图像的图案 俯视图。图3是表示适合于在图1的各单元格内的光电二极管中储存的信号电荷量较多的 情况的低灵敏度模式的动作定时、复位动作时的半导体基板内的势电位及读出动作时的势 电位的一例的图。图4是表示适合于在图1的各单元格内的光电二极管中储存的信号电荷量较少的 情况的高灵敏度模式的动作定时、复位动作时的半导体基板内的势电位及读出动作时的势 电位的一例的图。图5是第1实施例的CMOS图像传感器的特性图。图6是将第2实施例的CMOS图像传感器的摄像区域的元件形成区域及栅极的布 局图像的一部分与信号线一起概略地表示的图案俯视图。图7是将第3实施例的CMOS图像传感器的摄像区域的单元格的1个取出、概略地 表示元件形成区域以及栅极、滤色器及微透镜的布局图像的图案俯视图。图8是第4实施例的CMOS图像传感器的模块图。
具体实施例方式一般而言，一实施例的固体摄像装置包括摄像区域和控制电路。在摄像区域中，以 矩阵状配置有包括第1、第2光电二极管、第1、第2读出晶体管、复位晶体管、以及放大晶体 管的多个单元格。控制电路具有第1及第2动作模式，在第1动作模式中，进行控制，使得 将第1及第2光电二极管的信号电荷经由第1及第2读出晶体管传送到浮动扩散器中并相
6加，并且将浮动扩散器的电位通过放大晶体管放大而输出信号，在第2动作模式中，进行控 制，使得将第2光电二极管的信号电荷经由第2读出晶体管传送到浮动扩散器中，并且将浮 动扩散器的电位通过放大晶体管放大而输出信号。以下，参照附图对本发明的各种实施例进行说明。在说明时，对于所有图中共同的 部分赋予共同的附图标记。<第1实施例>图1是第1实施例的CMOS图像传感器的模块图。CMOS图像传感器具备摄像区域 10。摄像区域10包括以m行n列配置的多个单元格l(m，n)。在图1中，代表性地表示了 多个像素单元格中的、第m行且第n列的1个单位像素1 (m，n)、以及与摄像区域的各纵列 (单元格列)对应而沿列方向形成的多个垂直信号线中的1个垂直信号线11 (n)。在摄像区域10的一端侧(图中左侧)，配置有对摄像区域的各行供给ADRES(m)、 RESET (m)、READl(m)、READ2 (m)等的像素驱动信号的垂直移位寄存器(Vertical shift Register)12。在摄像区域10的上端侧(图中上侧)，配置有与各纵列的垂直信号线11 (n)连接 的电流源13。这些电流源13与单元格内的后述的放大晶体管一起构成源极跟随器电路。在摄像区域的下端侧(图中下侧)，配置有与各纵列的垂直信号线ll(n)连接 的包含有相关双采样(Correlated sampling,⑶S)电路和模拟-数字变换电路(Analog to digital convert，ADC)电路的 CDS&ADC14、和水平移位寄存器(Horizontal shift Register) 15。⑶S&ADC14将从单元格输出的模拟信号进行⑶S处理，变换为数字信号。信号电平判断电路(Signallevel determination circuit) 16 基于由 CDS&ADC14 数字化后的输出信号的电平判断单元格的输出电压VSIG(n)是否比规定值小，将判断输出 供给到定时发生电路(Timing generation circuit) 17中，并且作为用来设定模拟增益 (Analog Gain)的控制信号AG供给到CDS&ADC14中。定时发生电路17分别以规定的定时产生控制光电二极管的储存时间的电子开闭 器控制信号或动作切换用的控制信号等，并供给到垂直移位寄存器12中。各单元格1具有相同的电路结构，在本实施例中，在各单元格内配置有各一个高 灵敏度的光电二极管和低灵敏度的光电二极管。这里，说明在图1中示出的单元格l(m，n) 的结构。单元格l(m，n)具备第1光电二极管PD1，对入射光进行光电变换后储存；第1读 出晶体管READ1，与第1光电二极管PD1连接，读出第1光电二极管PD1的信号电荷；第2光 电二极管PD2，光灵敏度比第1光电二极管PD1小，对入射光进行光电变换后储存；第2读 出晶体管READ2，与第2光电二极管PD2连接，将第2光电二极管PD2的信号电荷读出；浮 动扩散器FD，与第1、第2读出晶体管READ1、READ2的各一端连接，将由第1、第2读出晶体 管READ1、READ2读出的信号电荷临时储存；放大晶体管AMP，栅电极与浮动扩散器FD连接， 将浮动扩散器FD的信号放大后输出给垂直信号线11 (n)；复位晶体管RST，漏极与格内电源 节点连接，源极与浮动扩散器FD连接，将浮动扩散器FD的电位复位为电源电位；以及地址 晶体管ADR，漏极与格内电源节点连接，源极与放大晶体管AMP的漏极连接，选择垂直方向 上的所需水平位置的单元格。即，地址晶体管ADR与放大晶体管AMP串联连接。另外，在本 例中，上述晶体管都是n沟道型的M0SFET。
地址晶体管ADR、复位晶体管RST、第1读出晶体管READ1、第2读出晶体管READ2 的各栅电极分别由对应的行的像素驱动信号ADRES (m)、RESET (m)、READl (m)、READ2 (m)控 制。这些像素驱动信号ADRES (m)、RESET (m)、READl (m)、READ2 (m)被从垂直移位寄存器12 输出。此外，放大晶体管AMP的源极与对应的列的垂直信号线ll(n)连接。图2A是将图1的CMOS图像传感器的摄像区域的一部分取出而概略地表示元件形 成区域及栅极的布局图像的图案俯视图。图2B是将图1的CMOS图像传感器的摄像区域的 一部分取出而概略地表示滤色器及微透镜的布局图像的图案俯视图。作为滤色器及微透镜 的排列，采用通常的RGB贝叶(Bayer)排列。在图2A及图2B中，R(1)、R(2)表示与R用的光电二极管、或者滤色器及微透镜对 应的区域，B(I)、B(2)表示与B用的光电二极管、或者滤色器及微透镜对应的区域，Gb(I)、 Gb (2) ,Gr(I) ,Gr (2)表示与G用的光电二极管、或者滤色器及微透镜对应的区域。D表示漏 极区域。此外，为了使与各种信号线之间的对应关系变得清楚，一并示出了将传递第m行的 像素驱动信号ADRES (m)、RESET (m)、READl (m)、READ2 (m)的信号线、传递第(m+1)行的像素 驱动信号ADRES (m+1)、RESET (m+1)、READl (m+1)、READ2 (m+1)的信号线、以及第η列的垂直 信号线11 (η)、第(η+1)列的垂直信号线11(η+1)。如图2Α及图2Β所示，在单元格之中配置有高灵敏度和低灵敏度的光电二极管，在 高灵敏度的光电二极管上配置有面积较大的滤色器及微透镜20，在低灵敏度的光电二极管 上配置有面积较小的滤色器及微透镜30。图3表示在图1的CMOS图像传感器中、适合于在第1、第2光电二极管PDl、PD2 中储存的信号电荷量较多的情况(明时)的低灵敏度模式时的动作定时、复位动作(Reset Operation)时的半导体基板内的势电位及读出动作(Read Operation)时的势电位的一 例。在信号电荷量较多的情况下，降低传感器的灵敏度，使传感器尽量不饱和，来寻求动态 范围的扩大。首先，在时刻tl，使复位晶体管RST开启而进行复位动作。在进行了复位动作后的 时刻t2，将浮动扩散器FD的电位设定为与漏极(格内电源节点)相同的电位电平。在复位 动作结束后，将复位晶体管RST关闭。然后，将与浮动扩散器FD的电位相对应的电压输出 到垂直信号线11中。其电压值被取入到⑶S&ADC14内的⑶S电路中(暗电平)。接着，使第2读出晶体管READ2开启，将到目前为止在光电二极管PD2中储存的 信号电荷传送给浮动扩散器FD。在低灵敏度模式中，在时刻t3，进行仅使第2读出晶体管 READ2开启、仅将由灵敏度较低的第2光电二极管PD2储存的信号电荷传送给浮动扩散器 FD的读出动作。在进行读出动作之后的时刻t4，随着信号电荷的传送，浮动扩散器FD的电 位变化。将与浮动扩散器FD的电位变化相对应的电压输出到垂直信号线11中，其电压值 被取入到CDS电路中(信号电平)。然后，通过在CDS电路中从信号电平减去暗电平，将因 放大晶体管AMP的阈值(Vth)偏差等引起的噪声消除，仅取入纯粹的信号成分(CDS动作)。另外，在低灵敏度模式中，为了说明简便，关于第1光电二极管PDl和第1读出晶 体管READl的动作省略了说明。实际上，为了防止第1光电二极管PDl的信号电荷溢出到 浮动扩散器FD中，优选在进行浮动扩散器FD的复位动作之前使第1读出晶体管READl开 启，将在第1光电二极管PDl中储存的信号电荷排出。此外，也可以除了进行浮动扩散器FD 的复位动作和从第2光电二极管PD2读出信号的读出动作的期间以外，总是使第1读出晶
8体管READl开启。另一方面，图4是表示适合于图1的CMOS图像传感器在第1、第2光电二极管PD1、 PD2中储存的信号电荷量较少的情况(暗时)的高灵敏度模式时的动作定时、复位动作时的 半导体基板内的势电位以及读出动作时的势电位的一例。在信号电荷量较少的情况下，要 求提高CMOS图像传感器的灵敏度而提高S/N比。首先，在时刻tl，使复位晶体管RST开启而进行复位动作。在进行了复位动作之后 的时刻t2，将浮动扩散器FD的电位设定为与漏极(格内电源节点)相同的电位电平。在复 位动作结束后，将复位晶体管RST关闭。然后，将与浮动扩散器FD的电位相对应的电压输 出到垂直信号线11中。其电压值被取入到CDS&ADC14内的CDS电路中(暗电平)。接着，在时刻t3，使第1、第2读出晶体管READ1、READ2两者开启，将到目前为止 在第1、第2光电二极管PD1、PD2中储存的信号电荷量传送给浮动扩散器FD。在高灵敏度 模式中，进行使第1、第2读出晶体管READ1、READ2两者开启、将在暗状态下取得的第1、第 2光电二极管PD1、PD2的信号电荷的全部传送给浮动扩散器FD并相加的读出动作。在进 行读出动作之后的时刻t4，随着信号电荷的传送，浮动扩散器FD的电位变化。将与浮动扩 散器FD的电位变化相对应的电压输出到垂直信号线11中，其电压值被取入到CDS电路中 (信号电平)。然后，通过在CDS电路中从信号电平减去暗电平，与低灵敏度模式时同样，将 噪声消除，仅取入纯粹的信号成分(CDS动作)。一般，在CMOS图像传感器中，在产生的所有噪声之中，由放大晶体管AMP产生的热 杂音及Ι/f噪声占较大的比例。因而，如本实施例的CMOS图像传感器那样在产生噪声之前、 在传送给浮动扩散器FD的阶段将信号相加而增大信号电平，在提高S/N比方面是有利的。 此外，通过在传送给浮动扩散器FD的阶段将信号相加，使得像素数减少即将两个像素的量 的信号相加而作为1个像素而读出，所以能够得到容易提高CMOS图像传感器的帧速率的效^ ο另外，本实施例并不限定于在浮动扩散器FD中将信号电荷相加。也可以将第1、 第2光电二极管PD1、PD2的信号电荷经由第1、第2读出晶体管READ1、READ2独立地传送 给浮动扩散器FD，并且将浮动扩散器FD的电位通过放大晶体管AMP放大之后将电压信号独 立地输出，并在CMOS传感器的外部的信号处理电路中相加。在此情况下，在CMOS传感器的 外部的信号处理电路中，也可以不是基于第1、第2光电二极管PD1、PD2信号电荷的信号电 压的单纯相加，而是例如以2 1的比率进行加权相加。如上所述，在本实施例中，在单元格内分别设有一个高灵敏度和低灵敏度的光电 二极管。并且，在信号电荷量较少时，使用高灵敏度和低灵敏度的光电二极管的信号两者。 此时，优选在单元格中将信号电荷相加之后读出。此外，在信号电荷量较多时，仅读出低灵 敏度的光电二极管的信号。这样，将两个动作模式分开使用。在本实施例中，由于在单元格中各配置有一个高灵敏度和低灵敏度的光电二极 管，所以可以认为下式(1)的关系成立。这里，将在单元格中仅设置1个光电二极管的通常 的单元格的光灵敏度及饱和电平用SENS及VSAT表示，将高灵敏度的第1光电二极管PDl 的光灵敏度及饱和电平用SENSl及VSATl表示，将低灵敏度的第2光电二极管PD2光灵敏 度及饱和电平用SENS2及VSAT2表示。SENS = SENS1+SENS2
VSAT = VSAT1+VSAT2... (1)若通过高灵敏度的第1光电二极管PDl饱和而使得从高灵敏度模式切换为低灵敏 度模式，则在各单元格中得到的信号电荷量减少而S/N比下降。高灵敏度的第1光电二极 管PDl饱和的光量用VSAT1/SENS1来表示。该光量下的低灵敏度的第2光电二极管PD2的 信号电荷量为VSAT1XSENS2/SENS1。因而，该光量下的信号电荷量的下降率由下述的(2) 式表不。(VSAT1XSENS2/SENS1)/(VSAT1X SENS/SENS1)=SENS2/SENS... (2)由于想要避免从高灵敏度模式向低灵敏度模式的模式切换时的信号下降，所以考 虑将SENS2/SENS设定在10%至50%之间是妥当的。在本实施例中，设定为SENS2/SENS = 1/4 = 25%。另一方面，动态范围的扩大效果Edyn取低灵敏度模式下的最大入射光量VSAT2/ SENS2与通常的单元格的最大入射光量(动态范围)VSAT/SENS之比，为Edyn = (VSAT2/VSAT) X (SENS/SENS2)... (3)。由该式(3)可知，VSAT2/VSAT最好尽可能大。这意味着最好高灵敏度与低灵敏度 的光电二极管的饱和电平为相同程度、或者使低灵敏度的光电二极管更大。用式子表示，则 如果满足VSATl/SENSl < VSAT2/SENS2... (4)就能够扩大动态范围。图5是用来说明本实施例的CMOS图像传感器的动态范围扩大效果的特性图。在图 5中，横轴表示入射光量，纵轴表示由光电二极管产生的信号电荷量。这里，将高灵敏度的 光电二极管PDl的入射光量vs信号电荷量的特性用A表示，将低灵敏度的光电二极管PD2 的入射光量vs信号电荷量的特性用B表示，将通常的格单元中的光电二极管的入射光量VS 信号电荷量的特性用C表示。此外，分别将低灵敏度的光电二极管PD2的动态范围用D表 示，将通常的格单元中的光电二极管的动态范围用E表示，将高灵敏度的光电二极管PDl的 动态范围用F表示。在本实施例中，高灵敏度的光电二极管PDl的光灵敏度设定为通常的格单元中的 光电二极管的3/4，低灵敏度的光电二极管PD2的光灵敏度设定为通常的格单元中的光电 二极管的1/4。此外，高灵敏度及低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的饱和电平分别设定为 通常的格单元中的光电二极管的1/2。由图5可知，由于高灵敏度的光电二极管PDl的光灵敏度设定为通常的格单元中 的光电二极管的3/4，低灵敏度的光电二极管PD2的光灵敏度设定为通常的格单元中的光 电二极管的1/4，所以在将高灵敏度与低灵敏度的光电二极管的输出相加的高灵敏度模式 中，信号电荷量与通常的格单元相等。另一方面，由于低灵敏度的光电二极管PD2的光灵敏度与通常的格单元中的光电 二极管相比饱和电平为1/2、光灵敏度为1/4，所以结果在低灵敏度的光电二极管PD2不饱 和而进行动作的范围与通常的格单元中的光电二极管相比扩大为2倍(图5中的F)。即可 知，在使用低灵敏度的光电二极管PD2的输出的低灵敏度模式中，动态范围与通常的格单 元(图5中的E)相比扩大为2倍。
如上所述，在本实施例的CMOS图像传感器中，能够得到以下效果通过利用低灵 敏度模式能够扩大动态范围，通过利用高灵敏度模式能够减少光量较少的情况下(较暗的 情况下)的光灵敏度的劣化。即，能够超越光灵敏度与信号电荷处理量的折衷(相互矛盾) 的关系，能够维持着暗时的低噪声而使信号电荷处理量变大。进而，本实施例由于通过CMOS图像传感器实现了动态范围的扩大，所以能够容易 利用CMOS图像传感器的优点即间隔取样(間引爸)动作等，来设计帧速率较高的高速传感
ο另外，在本实施例的CMOS图像传感器中，在仅着眼于第1光电二极管PDl或仅着 眼于第2光电二极管PD2的情况下，分别成为一般使用的RGB贝叶排列，所以高灵敏度模 式、低灵敏度模式的输出信号都对应于RGB贝叶排列。因而，去马赛克等的颜色信号处理可 以原样利用以往的处理。此外，在本实施例的CMOS图像传感器中，第1、第2光电二极管PD1、PD2以(两种 颜色的正方形或矩形交替配置而成的)方格花纹状配置。所以，如图2A所示，如果将浮动 扩散器FD配置在第1、第2光电二极管PDl与PD2之间、再在剩下的间隙中配置放大晶体管 AMP及复位晶体管RST，则能够在单元格内容易地进行各部件的布局。<第2实施例>图6是将第2实施例的CMOS图像传感器的摄像区域的元件形成区域及栅极的布 局图像的一部分与各种信号线一起概略地表示的图案俯视图。在图6中，示出了传递第m 行的像素驱动信号ADRES (m)、RESET (m)、READl (m)、READ2 (m)的信号线、传递第(m+1)行的 像素驱动信号ADRES (m+1)、RESET (m+1)、READl (m+1)、READ2 (m+1)的信号线、第η列的两个 垂直信号线11-1 (n) U1-2 (η)以及第(η+1)列的两个垂直信号线11-1 (η+1)、11-2 (η+1)。 即，在本实施例中，垂直信号线在每个单元格列中分别设有两个，每隔单元格行的1行对两 个垂直信号线中的不同的垂直信号线分别传递由放大晶体管放大后的信号。另外，滤色器 及微透镜的布局与图2Β所示的第1实施例的布局是相同的。在第2实施例的CMOS图像传感器中，与第1实施例同样，在单元格中配置有高灵 敏度和低灵敏度的两个光电二极管，在高灵敏度的光电二极管上配置有面积较大的微透 镜，在低灵敏度的光电二极管上配置有面积较小的微透镜。这里，为了提高帧速率(在1秒 钟能够输出的画面数)，相对于摄像区域的各列配置两个垂直信号线，将放大晶体管的输出 每隔摄像区域的1行连接在不同的垂直信号线上。根据本实施例，能够得到与第1实施例 同样的效果，而且还能够将两行的单元格的信号同时读出，实现帧速率的提高。〈第3实施例>图7是将第3实施例的CMOS图像传感器的摄像区域的1个单元格取出、概略地表 示元件形成区域及栅极、滤色器以及微透镜的布局图像的图案俯视图。在第3实施例中，与第1实施例相比，关于单元格1中配置有高灵敏度的第1光电 二极管PDl和低灵敏度的第2光电二极管PD2这一点、滤色器及微透镜以RGB贝叶排列配置 这一点、单元格1的电路结构、读出方法是相同的。高灵敏度的光电二极管PDl如图所示， 具有例如大致L字状的平面形状。在单元格1中配置有相同大小的4个微透镜40，这一点 与第1实施例不同，在高灵敏度的光电二极管PDl上分散配置有3个微透镜40a，在低灵敏 度的光电二极管PD2上配置有1个微透镜40b。即，将光聚光在第1光电二极管PDl上的微透镜由3个微透镜40a构成，这3个微透镜40a的平面面积的和比将光聚光在第2光电二 极管PD2上的微透镜40b的平面面积大。另外，将光聚光在第1光电二极管PDl上的微透 镜也可以由超过3个的数量的微透镜构成。根据第3实施例，由于作为配置在各单元格中的微透镜而仅存在大小相同的1种， 所以与如第1实施例那样在各单元格中存在不同大小的两种微透镜的结构相比，能够得到 制造方法变得简单的效果。〈第4实施例>图8是概略地表示第4实施例的CMOS图像传感器的模块图。关于在该CMOS图像 传感器的摄像区域10中以矩阵状配置有多个单元格1、在各单元格1内配置有各一个高灵 敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2这一点、滤色器以RGB贝叶排列配置这一点、以及设 有垂直移位寄存器12、电流源13、⑶S&ADC14、水平移位寄存器15、信号电平判断电路16、定 时发生电路17等这一点，与第1实施例相同。但是，各单元格的电路结构、读出方法与第1 实施例不同。S卩，单元格l(m，η)与第1实施例的结构相比，在复位寄存器RST的源极与浮动扩 散器FD之间插入有电容调节(附加)用的晶体管HSAT，这一点是不同的。此外，垂直移位 寄存器12除了对摄像区域的各行供给ADRES (m)、RESET (m)、READl (m)、READ2 (m)等的像素 驱动信号以外，还供给用来控制晶体管HSAT的像素驱动信号HSAT(m)。在经由第1读出晶体管READl或第2读出晶体管READ2读出的信号电荷量较多的 情况下，对电容调节用的晶体管HSAT的栅电极施加较高的电压而将晶体管HSAT控制为开 启状态。由此，晶体管HSAT被作为MOS电容器使用，被追加到浮动扩散器FD的电容中。由 此，能够将浮动扩散器FD的动态范围扩大。另外，在经由第1读出晶体管READ1、第2读出 晶体管READ2读出的信号电荷量较少的情况下，将晶体管HSAT控制为关闭状态。根据第4实施例，与第1实施例相比能够进一步扩大单元格的动态范围。另外，与第1实施例同样，在高灵敏度模式时，并不限定于在浮动扩散器FD中将信 号电荷相加。也可以将第1、第2光电二极管PD1、PD2的信号电荷经由第1、第2读出晶体 管READ1、READ2独立地传送给浮动扩散器FD，并且将浮动扩散器FD的电位通过放大晶体 管AMP放大后将电压信号独立地输出，并在CMOS传感器的外部的信号处理电路中相加。进而，也可以与第2实施例同样，相对于摄像区域的各列配置两个垂直信号线，将 放大晶体管的输出每隔摄像区域的1行连接在不同的垂直信号线上。进而，也可以与第3实施例一样构成为，在单元格中配置相同大小的4个微透镜， 在高灵敏度的光电二极管PD上分散配置3个微透镜，在低灵敏度的光电二极管上配置1个 微透镜。在此描述了一些实施方式，但这些实施方式只是例示，本发明的范围并不受其限 制。事实上，能够通过不同的形式体现在此描述的方法和系统，而且，在不脱离本发明的主 旨的范围内可以对这些方法和系统的形式进行各种省略、替代和变更。本申请的权利要求 书涵盖了不脱离本发明的主旨的范围内的这些形式及其变更。
1权利要求
一种固体摄像装置，其特征在于，具有摄像区域和控制电路，所述摄像区域包括以矩阵状配置的多个单元格，上述单元格(1)包括第1光电二极管，对入射光进行光电变换之后储存；第1读出晶体管，与上述第1光电二极管连接，读出信号电荷；第2光电二极管，对入射光进行光电变换之后储存，光灵敏度比上述第1光电二极管小；第2读出晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出信号电荷；浮动扩散器，与上述第1及第2读出晶体管连接，储存信号电荷；复位晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动扩散器的电位复位；以及放大晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动扩散器的电位放大；所述控制电路具有第1及第2动作模式，在上述第1动作模式中，进行控制，将上述第1及第2光电二极管的信号电荷经由上述第1及第2读出晶体管传送到上述浮动扩散器中并相加，并且将上述浮动扩散器的电位用上述放大晶体管放大之后输出信号，在上述第2动作模式中，进行控制，将上述第2光电二极管的信号电荷经由上述第2读出晶体管传送到上述浮动扩散器中，并且将上述浮动扩散器的电位用上述放大晶体管放大之后输出信号。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，上述控制电路是按照单位像素行控制上述第1及第2读出晶体管以及上述复位晶体管 的垂直移位寄存器。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，上述单元格还包括与上述放大晶体管串联连接的地址晶体管。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，上述单元格还包括连接在上述复位晶体管与上述浮动扩散器之间的电容附加用的晶体管。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括按照单元格的列传递由上述放大晶体管放大后的信号的多个垂直信号线。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括多个垂直信号线，其中，对每个单元格的列设有两个垂直信号线，由上述放大晶 体管放大后的信号每隔单元格的行的1行被分别传递给上述两个垂直信号线中的不同的 垂直信号线。
7.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，若将上述第1光电二极管的光灵敏度用SENSl表示、将饱和电平用VSATl表示、将上述 第2光电二极管的光灵敏度用SENS2表示、将饱和电平用VSAT2表示，则设定上述第1、第2 光电二极管的光灵敏度及饱和电平，以使满足VSAT1/SENS1 < VSAT2/SENS2的关系式。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括 第1微透镜，将光聚光而照射在上述第1光电二极管上；以及 第2微透镜，将光聚光而照射在上述第2光电二极管上。
9.如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于，上述第1微透镜的平面面积比上述第2微透镜的平面面积大。
10.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括 多个第1微透镜，将光聚光而照射在上述第1光电二极管上； 第2微透镜，将光聚光而照射在上述第2光电二极管上。
11.如权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于，上述多个第1微透镜的平面面积之和比上述第2微透镜的平面面积大。
12.—种固体摄像装置，其特征在于， 具有摄像区域和控制电路，所述摄像区域包括以矩阵状配置的多个单元格，上述单元格包括 第1光电二极管，对入射光进行光电变换之后储存； 第1读出晶体管，与上述第1光电二极管连接，读出信号电荷； 第2光电二极管，对入射光进行光电变换之后储存，光灵敏度比上述第1光电二极管第2读出晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出信号电荷；浮动扩散器，与上述第1及第2读出晶体管连接，储存信号电荷；复位晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动扩散器的电位复位；以及放大晶体管，与上述浮动扩散器连接，将浮动扩散器的电位放大；所述控制电路具有第1及第2动作模式，在上述第1动作模式中，进行控制，将上述第1及第2光电二极管的信号电荷经由上述 第1及第2读出晶体管独立地传送到上述浮动扩散器中，并且将上述浮动扩散器的电位用 上述放大晶体管放大之后独立地输出信号，在上述第2动作模式中，进行控制，将上述第2光电二极管的信号电荷经由上述第2读 出晶体管传送到上述浮动扩散器中，并且将上述浮动扩散器的电位用上述放大晶体管放大 之后输出信号。
13.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，上述控制电路是按照单元格的行控制上述第1及第2读出晶体管以及上述复位晶体管 的垂直移位寄存器。
14.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，上述单元格还包括与上述放大晶体管串联连接的地址晶体管。
15.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括按照单元格的列传递由上述放大晶体管放大后的信号的多个垂直信号线。
16.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括多个垂直信号线，其中，对每个单元格的列设有两个垂直信号线，由上述放大晶 体管放大后的信号每隔单元格的行的1行被分别传递给上述两个垂直信号线中的不同的 垂直信号线。
17.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，若将上述第1光电二极管的光灵敏度用SENSl表示、将饱和电平用VSATl表示、将上述 第2光电二极管的光灵敏度用SENS2表示、将饱和电平用VSAT2表示，则设定上述第1、第光电二极管的光灵敏度及饱和电平，以使满足VSAT1/SENS1 < VSAT2/SENS2的关系式。
18.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括 第1微透镜，将光聚光而照射在上述第1光电二极管上；以及 第2微透镜，将光聚光而照射在上述第2光电二极管上。
19.如权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于， 上述第1微透镜的平面面积比上述第2微透镜的平面面积大。
20.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，还包括多个第1微透镜，将光聚光而照射在上述第1光电二极管上；第2微透镜，将光聚光而 照射在上述第2光电二极管上。
全文摘要
根据一实施例，固体摄像装置包括阵列区域和控制电路。阵列区域以矩阵状配置有包括第1、第2光电二极管、第1、第2读出晶体管、复位晶体管、以及放大晶体管的多个单元格。控制电路具有第1及第2动作模式，在第1动作模式中，进行将第1及第2光电二极管的信号电荷经由第1及第2读出晶体管传送到浮动扩散器中并相加、并且将浮动扩散器的电位用放大晶体管放大之后输出信号的控制，在第2动作模式中，进行将第2光电二极管的信号电荷经由第2读出晶体管传送到浮动扩散器中、并且将浮动扩散器的电位用放大晶体管放大之后输出信号的控制。
文档编号H04N5/335GK101945225SQ20101022125
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月2日
发明者物井诚, 田中长孝 申请人:株式会社东芝