固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备与流程

本发明涉及一种固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备。

背景技术：

互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)图像传感器已作为使用有光电转换元件的固态摄像装置(图像传感器)而被实际运用，该光转换元件检测光并产生电荷。

cmos图像传感器已广泛用作数码相机、摄像机、监控相机、医疗用内窥镜、个人电脑(pc)、手机等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分。

cmos图像传感器在每个像素中带有包括光电二极管(光电转换元件)及浮动扩散层(fd：floatingdiffusion，浮置扩散层)的fd放大器，该cmos图像传感器的主流读取类型为列并联输出类型，即，选择像素阵列中的某一行，同时向列(column)方向对这些行进行读取。

而且，为了提高特性，已提出了实现具有大动态范围的高画质的cmos图像传感器的各种方法(例如参照专利文献1)。

在专利文献1中记载有如下固态摄像装置，其对设置在像素内的浮置扩散层fd的电容，在来自同一像素的信号读取期间内，通过将连接着的开关进行切换，高效地调整来自被拍摄体的光信号的电荷-电压转换增益(gain)，而能够使能够转换的光信号最大化。

在该固态摄像装置中，增益(gain)调整是利用串联地连接于浮置扩散层fd的开关(合并开关)(binningswitch)的连接数来阶段性地调整浮置扩散层fd的电容，该浮置扩散层fd与连接于光电二极管的传输栅极连接。

此种固态摄像装置在信号量小的情况下，即在低照度的情况下，使所连接的开关数最小化而减小浮置扩散层fd的电容，提高转换增益(gain)，由此，提高灵敏度。

另一方面，在信号量大的情况下，即在更高照度的情况下，阶段性地增加连接开关数而增大浮置扩散层fd的电容，降低转换增益(gain)，由此，降低灵敏度，即使在信号电荷量大的情况下，通过在电荷-电压转换后，对所有信号电荷进行电压转换，仍可进行低照度至高照度的信号电荷-电压转换，动态范围扩大。

现有技术文献

专利文献

[专利文献1]日本专利5897752号

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题

在所述固态摄像装置中，通过增加串联地连接于浮置扩散层fd的开关的连接数，增大浮置扩散层fd的电容，结果会增大转换效率之差，由此，能实现动态范围的扩大。

但是，对于所述固态摄像装置，特别是在同一曝光期间内，切换开关的连接个数而动态地切换转换增益，多次读取信号，而扩大动态图像的动态范围性能的方式的情况下，存在信号切换时的噪声(noise)增大，导致包含切换附近的信号的图像的sn比变差，画质下降这样的缺点。

本发明提供可提高画质的固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备。

解决问题的方案

本发明的第一观点的固态摄像装置包括配置有像素的像素部，所述像素包含：光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；电荷传输栅极部，可在传输期间传输所述光电转换部所积累的电荷；浮置扩散层，通过所述电荷传输栅极部传输由所述光电转换部积累的电荷；源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷以与电荷量对应的增益转换为电压信号；以及电容可变部，可根据电容变更信号而变更所述浮置扩散层的电容，在对于所述积累期间的一个读取期间内的特定期间，通过所述电容可变部来变更所述浮置扩散层的电容，在所述一个所述读取期间内切换转换增益，所述电容可变部包含：合并开关，所述合并开关由连接在至少相邻的两个所述像素的所述浮置扩散层间，且根据所述电容变更信号而选择性地接通、断开的场效晶体管形成，且可切换被读取的所述像素的所述浮置扩散层的转换增益，所述合并开关是以如下方式形成：至少将寄生电容与连接于所述合并开关的布线的布线电容的至少一个，以与接通、断开对应的值附加于所述像素的所述浮置扩散层的电容。

本发明的第二观点是固态摄像装置的驱动方法，该固态摄像装置包括配置有像素的像素部，所述像素包含：光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；电荷传输栅极部，可在传输期间传输所述光电转换部所积累的电荷；浮置扩散层，通过所述电荷传输栅极部传输由所述光电转换部积累的电荷；源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷以与电荷量对应的增益转换为电压信号；以及电容可变部，可根据电容变更信号而变更所述浮置扩散层的电容，在对于所述积累期间的一个读取期间内的特定期间，通过所述电容可变部来变更所述浮置扩散层的电容，在所述一个所述读取期间内切换转换增益，所述固态摄像装置的驱动方法包含以下步骤：利用由场效晶体管形成的合并开关，将至少相邻的两个所述像素的所述浮置扩散层之间连接，形成所述电容可变部，以至少将寄生电容与连接于所述合并开关的布线的布线电容的至少一个，以与接通、断开对应的值附加于所述像素的所述浮置扩散层的电容的方式，形成所述合并开关，根据所述电容变更信号而选择性地使所述合并开关接通、断开，切换被读取的所述像素的所述浮置扩散层的转换增益。

本发明的第三观点的电子设备包括：固态摄像装置、与使被拍摄体像在所述固态摄像装置中成像的光学系统，所述固态摄像装置包含：配置有像素的像素部，所述像素包含：光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；电荷传输栅极部，可在传输期间传输所述光电转换部所积累的电荷；浮置扩散层，通过所述电荷传输栅极部传输由所述光电转换部积累的电荷；源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷以与电荷量对应的增益转换为电压信号；以及电容可变部，可根据电容变更信号而变更所述浮置扩散层的电容，且在对于所述积累期间的一个读取期间内的特定期间，通过所述电容可变部来变更所述浮置扩散层的电容，在所述一个所述读取期间内切换转换增益，所述电容可变部包含：合并开关，所述合并开关由连接在至少相邻的两个所述像素的所述浮置扩散层之间，且根据所述电容变更信号而选择性地接通、断开的场效晶体管形成，且可切换被读取的所述像素的所述浮置扩散层的转换增益，所述合并开关是以如下方式形成：至少将寄生电容与连接于所述合并开关的布线的布线电容的至少一个，以与接通、断开对应的值附加于所述像素的所述浮置扩散层的电容。

发明效果

根据本发明，能够提高画质。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的固态摄像装置的结构例的方块图。

图2是表示本第一实施方式的像素的一例的电路图。

图3(a)及(b)是表示本实施方式中的通常的像素读取动作时的快门扫描及读取扫描的动作时序的图。

图4(a)～(c)是用以对本发明实施方式的固态摄像装置的像素部的列输出的读取系统的结构例进行说明的图。

图5是表示本发明第一实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图6是表示本发明第一实施方式的固态摄像装置中的像素及电容可变部的主要部分的简略剖面的图，且是用以说明对浮置扩散层的电容附加的附加电容成分的图。

图7是对比地表示本第一实施方式中的第一合并晶体管的接通、断开与转换增益及调整后的浮置扩散层的总电容之间的关系的图。

图8是表示本第一实施方式的固态摄像装置中的高增益信号与低增益信号的输入输出特性的图。

图9(a)及(b)是表示作为不考虑附加电容的比较例的固态摄像装置中的高增益信号与低增益信号的输入输出特性的图。

图10是用以说明将合并开关应用于本第一实施方式的电容可变部的情况下的实现大动态范围的动作的时序图。

图11是表示本发明第二实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图12是表示本发明第三实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图13是表示本发明第三实施方式的固态摄像装置中的像素及电容可变部的主要部分的简略剖面的图，且是用以说明对浮置扩散层的电容附加的附加电容成分的图。

图14是对比地表示本第三实施方式中的第一合并晶体管及第二合并晶体管的接通、断开与转换增益及调整后的浮置扩散层的总电容之间的关系的图。

图15(a)～(d)是与电势的转变状态关联地表示本第三实施方式中的第一合并晶体管及第二合并晶体管的接通、断开与转换增益及调整后的浮置扩散层的总电容之间的关系的图。

图16(a)～(c)是模式性地表示根据本第三实施方式中的第一合并晶体管及第二合并晶体管的接通、断开而采用附加电容的布线上的范围的图。

图17是表示本第三实施方式的固态摄像装置中的高增益信号、中间增益信号及低增益信号的输入输出特性的图。

图18是表示本发明第四实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图19(a)～(c)是模式性地表示根据本第四实施方式中的第一合并晶体管及第二合并晶体管的接通、断开而采用附加电容的布线上的范围的图。

图20是表示与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案的第一例的图，且是用以对其布线间电容的形成方法进行说明的图。

图21是表示与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案的第二例的图，且是用以对其布线间电容的形成方法进行说明的图。

图22是表示与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案的第三例的图，且是用以对其布线间电容的形成方法进行说明的图。

图23是用以对图13的像素部及电容可变部中的mos电容的调整方法进行说明的图。

图24(a)及(b)是用以说明本发明实施方式的固态摄像装置可应用于表面照射型图像传感器与背面照射型图像传感器这两者的图。

图25是表示应用本发明实施方式的固态摄像装置的电子设备的结构的一例的图。

主要元件符号说明

10、10a～10f：固态摄像装置

20：像素部

200：半导体衬底

210～214：第一接触布线～第五接触布线

m1：第一导电层(第一金属层)

215～219：第一金属布线～第五金属布线

m2：第二导电层(第二金属层)

220：第六金属布线

237～245：第一接触布线～第九接触布线

246～255：第一金属布线～第十金属布线

256：第十一金属布线

30：垂直扫描电路

40：读取电路

50：水平扫描电路

60：时序控制电路

70：读取部

80、80a～80c：电容可变部

81：第一合并开关

82：第二合并开关

83：溢流漏极(ofd)栅极

91：微透镜阵列

92：彩色滤光片组

93：布线层

94：硅衬底

100：电子设备

110：cmos图像传感器

120：光学系统

130：信号处理电路(prc)

具体实施方式

以下，与附图关联地对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示本发明第一实施方式的固态摄像装置的结构例的方块图。

在本实施方式中，固态摄像装置10例如由cmos图像传感器构成。

如图1所示，该固态摄像装置10包括作为摄像部的像素部20、垂直扫描电路(行扫描电路)30、读取电路(列读取电路)40、水平扫描电路(列扫描电路)50及时序控制电路60作为主结构要素。

由这些结构要素中的例如垂直扫描电路30、读取电路40、水平扫描电路50及时序控制电路60构成像素信号的读取部70。

在本第一实施方式中，固态摄像装置10如下文所详述，呈行列状地排列于像素部20的像素(或像素部20)的结构包含可根据电容变更信号而变更浮置扩散层的电容的电容可变部。

固态摄像装置10在一个电荷的积累期间(曝光期间)后的一个读取期间内的特定期间，通过电容可变部来变更浮置扩散层的电容，而在该读取期间内切换转换增益。

在本第一实施方式中，读取部70构成为可在一个读取期间，进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取，该第一转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第一总电容对应的第一转换增益来进行像素信号的读取，该第二转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第二总电容(与第一总电容不同)对应的第二转换增益来进行像素信号的读取。

即，本实施方式的固态摄像装置10作为动态范围广的固态摄像元件而提供，该固态摄像元件对于在一次的积累期间(曝光期间)经过光电转换的电荷(电子)，在一个读取期间，在像素内部切换第一转换增益(例如高转换增益)模式与第二转换增益(低转换增益)模式而输出信号，输出亮信号与暗信号的两个信号。

再者，根据结构，如下文所详述，还可进行第三转换增益模式读取，该第三转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第三总电容(与第一总电容、第二总电容不同)对应的第三转换增益(中间转换增益)来进行像素信号的读取。

在本第一实施方式中，应用合并(binning)开关(合并晶体管)构成电容可变部。

在本第一实施方式中，电容可变部并非由电容器构成，而是由连接(配置)于沿着列方向相邻的两个像素pxln的浮置扩散层fd之间所形成的布线的第一合并开关、及连接在像素pxln+1的浮置扩散层fd与电源线vdd之间的第一合并开关构成。

在本第一实施方式中，根据电容变更信号来接通、断开第一合并开关，由此，将连接的浮置扩散层fd的数量切换为一个或多个，而变更读取对象像素的浮置扩散层fd的电容，切换被读取的像素的浮置扩散层fd的转换增益。

而且，在本第一实施方式中，第一合并开关是以如下方式形成，即，至少将寄生电容与连接于合并开关的布线的布线电容中的至少一个，以与接通、断开对应的值附加于像素的浮置扩散层fd的电容。

由此，本实施方式的固态摄像装置10是能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益，而可优化转换增益的切换点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像的构成。

本第一实施方式的读取部70基本上，在接续释放光电二极管及浮置扩散层的电荷的复位期间的积累期间，进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取。

另外，在本实施方式中，读取部70在接续复位期间的读取期间后进行的至少一个传输期间后的读取期间，进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取中的至少任一者。即，有时也会在传输期间后的读取期间，进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取这两者。而且，有时也会有进行以第三转换增益(中间转换增益)进行像素信号的读取的第三转换增益模式读取的情况。

在通常的像素读取动作中，通过读取部70的驱动进行快门扫描，然后进行读取扫描，但第一转换增益模式读取(hcg)与第二转换增益模式读取(lcg)、第三转换增益模式读取(mcg)是在读取扫描期间进行。

以下，在对固态摄像装置10的各部分的结构及功能的概要进行说明后，详述电容可变部的结构、与其关联的读取处理等。

(像素部20及像素pxl的结构)

像素部20，包含光电二极管(光电转换元件)与像素内放大器的多个像素排列为n行×m列的二维行列状(矩阵状)。

图2是表示本实施方式的像素的一例的电路图。

该像素pxl包括例如光电转换部(光电转换元件)即光电二极管(pd)。

相对于该光电二极管pd，分别包括一个作为电荷传输栅极部(传输元件)的传输晶体管tg-tr、作为复位元件的复位晶体管rst-tr、作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf-tr及作为选择元件的选择晶体管sel-tr。

而且，像素pxl包括电容可变部80，该电容可变部80连接于浮置扩散层fd(floatingdiffusion；浮动扩散层)，且可根据电容变更信号bin变更浮置扩散层fd的电容。

光电二极管pd产生并积累与入射光量对应的量的信号电荷(此处为电子)。

以下，对信号电荷为电子且各晶体管为n型晶体管的情况进行说明，但信号电荷也可为空穴(hole)，各晶体管也可为p型晶体管。

另外，本实施方式对于在多个光电二极管之间共享各晶体管的情况、或采用了不包括选择晶体管的3晶体管(3tr)像素的情况也有效。

在各像素pxl中，使用嵌入型光电二极管(ppd)作为光电二极管(pd)。

在形成光电二极管(pd)的衬底表面，存在由悬挂键(danglingbond)等缺陷引起的表面能级，因此，会因热能而产生大量的电荷(暗电流)，导致无法读取正确的信号。

嵌入型光电二极管(ppd)通过将光电二极管(pd)的电荷积累部嵌入衬底内，可减少暗电流混入信号的情况。

传输晶体管tg-tr连接在光电二极管pd与浮置扩散层fd之间，受到通过控制线施加至栅极的控制信号tg控制。

传输晶体管tg-tr在控制信号tg为高(h)电平的传输期间被选择而成为导通状态，将由光电二极管pd光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层fd。

复位晶体管rst-tr连接在电源线vrst与浮置扩散层fd之间，通过控制信号rst而受到控制。

再者，复位晶体管rst-tr也可以连接在电源线vdd与浮置扩散层fd之间，通过控制信号rst而受到控制的方式构成。

复位晶体管rst-tr在控制信号rst为h电平的期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散层fd复位为电源线vrst(或vdd)的电位。

再者，在本第一实施方式中，如下所述，用作电容可变部80的第一合并晶体管(81n、81n+1)也可为兼具有作为复位元件的功能的构成。

而且，也可采用如下结构，即，由经由第一合并晶体管(81n、81n+1)连接的多个像素的所有像素，共享由在复位期间pr中释放浮置扩散层fd的电荷的第一合并晶体管(81n+1)形成的复位元件。

源极跟随晶体管sf-tr与选择晶体管sel-tr串联地连接在电源线vdd与垂直信号线lsgn之间。

源极跟随晶体管sf-tr的栅极连接着浮置扩散层fd，选择晶体管sel-tr通过控制信号sel而受到控制。

选择晶体管sel-tr在控制信号sel为h电平的期间被选择而成为导通状态。由此，源极跟随晶体管sf-tr将列输出的读取信号vsl输出至垂直信号线lsgn，该列输出的读取信号vsl是将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号所得者。

例如传输晶体管tg-tr、复位晶体管rst-tr及选择晶体管sel-tr的各栅极以行为单位而被连接，因此，对一行的各像素同时并行地进行所述动作。

在像素部20中，像素pxl以n行×m列配置，因此，各控制信号sel、rst、tg用的控制线分别有n条，垂直信号线lsgn有m条。

在图1中，将各控制信号sel、rst、tg用的控制线表示为一条行扫描控制线。

垂直扫描电路30根据时序控制电路60的控制，在快门行及读取行中，通过行扫描控制线来驱动像素。

另外，垂直扫描电路30根据地址信号，输出进行信号的读取的读取行、与对光电二极管pd所积累的电荷进行复位的快门行的行地址的行选择信号。

如上所述，在通常的像素读取动作中，通过读取部70的垂直扫描电路30的驱动进行快门扫描，然后进行读取扫描。

图3(a)及(b)是表示本实施方式中的通常的像素读取动作时的快门扫描及读取扫描的动作时序的图。

对选择晶体管sel-tr的接通(导通)、断开(非导通)进行控制的控制信号sel在快门扫描期间psht被设定为l电平，使选择晶体管sel-tr保持为非导通状态，并在读取扫描期间prdo被设定为h电平，使选择晶体管sel-tr保持为导通状态。

而且，在快门扫描期间psht，控制信号rst为h电平的期间，在特定期间控制信号tg被设定为h电平，通过复位晶体管rst-tr及传输晶体管tg-tr对光电二极管pd及浮置扩散层fd进行复位。

在读取扫描期间prdo内，控制信号rst被设定为h电平，通过复位晶体管rst-tr对浮置扩散层fd进行复位，在该复位期间pr后的读取期间prd1，读取复位状态的信号。

在读取期间prd1后，在特定期间，控制信号tg被设定为h电平，通过传输晶体管tg-tr将光电二极管pd的积累电荷传输至浮置扩散层fd，在该传输期间pt后的读取期间prd2，读取与所积累的电子(电荷)对应的信号。

再者，在本第一实施方式的通常的像素读取动作中，积累期间(曝光期间)exp作为一例，如图3(b)所示，是从在快门扫描期间psht对光电二极管pd及浮置扩散层fd进行复位而将控制信号tg切换为l电平，直到为了结束读取扫描期间prdo的传输期间pt而将控制信号tg切换为l电平为止的期间。

读取电路40也可采用如下结构，即，包含与像素部20的各列输出对应地配置的多个列信号处理电路(未图示)，并可利用多个列信号处理电路进行列并行处理。

读取电路40的结构可包含相关双采样(cds：correlateddoublesampling)电路或adc(模拟数字转换器；ad转换器)、放大器(amp、amplifier)、采样保持(s/h)电路等。

这样，例如，读取电路40如图4(a)所示，也可为包含将像素部20的各列输出的读取信号vsl转换为数字信号的adc41的构成。

或者，读取电路40例如如图4(b)所示，也可配置对像素部20的各列输出的读取信号vsl进行放大的放大器(amp)42。

另外，读取电路40例如如图4(c)所示，也可配置对像素部20的各列输出的读取信号vsl进行采样、保持的采样保持(s/h)电路43。

水平扫描电路50对由读取电路40的adc等多个列信号处理电路处理后的信号进行扫描，并往水平方向传输，输出至未图示的信号处理电路。

时序控制电路60产生像素部20、垂直扫描电路30、读取电路40、水平扫描电路50等的信号处理所需的时序信号。

以上，对固态摄像装置10的各部分的结构及功能的概要进行了说明。

其次，详述本第一实施方式的电容可变部80的结构、附加电容的结构、与其关联的读取处理等。

在本第一实施方式中，应用合并开关(合并晶体管)构成电容可变部80。

图5是表示本发明第一实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

在本第一实施方式中，电容可变部80并非由电容器构成，而是由连接(配置)于在列方向相邻的多个像素pxln－1、pxln、pxln+1的浮置扩散层fd之间所形成的布线wr的第一合并开关81n－1、81n、81n+1、及连接在像素pxln+1的浮置扩散层fd与电源线vdd之间的未图示的第一合并开关构成。

在本第一实施方式中，第一合并开关81(··、n－1、n、n+1、··)由绝缘栅型场效晶体管例如n沟道mos(nmos)晶体管形成。

在以下的说明中，有时也将合并开关称为合并晶体管。

另外，有时也利用符号bin_mc来表示第一合并晶体管。

在本第一实施方式中，根据电容变更信号binn－1、binn、binn+1来接通、断开第一合并开关81n－1、81n、81n+1，由此，将连接的浮置扩散层fd的数量切换为一个或多个，而变更读取对象像素的浮置扩散层fd的电容，切换被读取的像素pxln或pxln+1的浮置扩散层fd的转换增益。

而且，在本第一实施方式中，第一合并开关81是以如下方式形成，即，将寄生电容(mos电容)与连接于合并开关81的布线的布线电容以与接通、断开对应的值附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容，能够优化浮置扩散层fd的电容，根据模式将转换增益调整为优化值。

在本第一实施方式中，由一列的所有像素··pxln－1、pxln、pxln+1··共享复位元件，例如一列的一端侧的像素pxl0(图5中未图示)的浮置扩散层fd与靠近一列的另一端侧的像素pxln－1而形成的电源线vdd(图5中未图示)间，经由对应于各像素且级联连接地形成于布线wr的第一合并晶体管(开关)··81n－1、81n、81n+1··而被连接，第一合并开关间的布线wr上的节点··ndn－1、ndn、ndn+1··与对应的像素··pxln－1、pxln、pxln+1··的浮置扩散层fd连接。

在第一实施方式中，最靠另一端侧的未图示的第一合并晶体管(开关)81n－1作为共享的复位元件而发挥功能。

藉由此种结构，根据本第一实施方式的固态摄像装置10，可灵活地切换浮置扩散层fd的连接数，对于动态范围的扩展性是优异的。

而且，本第一实施方式的固态摄像装置10，能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益，而可优化转换增益的切换点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

另外，本第一实施方式的固态摄像装置10，因像素内的晶体管数少，所以能够提高pd开口率，并提高光电转换灵敏度或饱和电子数。

此处，对主要的附加电容成分进行说明，附加该主要的附加电容成分的目的在于以与第一合并晶体管(合并开关)81的接通、断开对应的值，优化读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容，而根据模式将转换增益调整为优化值。

再者，此处，对栅极或扩散层等的用以与上层连接的所谓的接触(contact)是作为布线的一部分而被称为接触布线。

图6是表示本发明第一实施方式的固态摄像装置10中的像素pxl及电容可变部80的主要部分的简略剖面的图，且是用以说明对浮置扩散层fd的电容附加的附加电容成分的图。

在图6的例子中，在半导体衬底(以下，有时也仅称为衬底)200的表面侧(一面侧)，并联地形成有光电二极管pd、传输晶体管tg-tr、浮置扩散层fd及第一合并晶体管(合并开关)81。

在传输晶体管tg-tr中，栅极(gt-tg)201隔着栅极氧化膜204，形成在作为源极漏极而发挥功能的光电二极管pd的光电转换及电荷积累区域202的一端侧与作为浮置扩散层fd而发挥功能的n+扩散层203之间的沟道形成区域上。

包含栅极(gt-bin)205以及作为源极漏极而发挥功能的一个n+扩散层206及另一个扩散层207而形成第一合并晶体管81。

在第一合并晶体管81中，栅极(gt-bin)205隔着栅极氧化膜208，形成在作为源极漏极而发挥功能的n+扩散层206与n+扩散层207之间的沟道形成区域上。

另外，在衬底200上，在光电二极管pd的光电转换及电荷积累区域202的另一端侧，形成有作为与基准电位vss(例如接地电位gnd)连接的电极而发挥功能的p+扩散层209。

形成于衬底200的传输晶体管tg-tr的栅极201、形成浮置扩散层fd的n+扩散层203、形成第一合并晶体管81的栅极205、n+扩散层206、207及p+扩散层209连接着接触布线210～214的一端(下端)侧。

传输晶体管tg-tr的栅极201连接着第一接触布线210，该第一接触布线210用以将控制信号tg传递至作为电荷传输栅极部的传输晶体管tg-tr。

n+扩散层203连接着第二接触布线211，该第二接触布线211用以将浮置扩散层fd连接于作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf-tr的栅极。

第一合并晶体管81的一个n+扩散层206连接着第三接触布线212，该第三接触布线212经由布线wr201与连接于浮置扩散层fd的第二接触布线211电连接。

第一合并晶体管81的另一个n+扩散层207连接着与下个行的像素侧连接的第四接触布线213。

p+扩散层209连接着用以连接于基准电位vss的第五接触布线214。

再者，第一合并晶体管81的栅极205连接着用以传递电容变更信号bin的布线wr202。

包含作为第一导电层(第一金属层)m1的第一金属布线215～第五金属布线219而形成第一接触布线210～第五接触布线214。

具体而言，第一接触布线210的另一端侧连接于第一金属布线215。

第二接触布线211的另一端侧连接于第二金属布线216。

第三接触布线212的另一端侧连接于第三金属布线217。

第四接触布线213的另一端侧连接于第四金属布线218。

第五接触布线214的另一端侧连接于第五金属布线219。

而且，形成有作为与第一导电层m1不同的第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220，该第六金属布线220是形成可与第一导电层(第一金属层)m1的布线形成电容的至少一条布线。

在图6的例子中，作为第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220是以可与第一金属布线215～第五金属布线219中的第三金属布线217及第四金属布线218形成电容的方式，相向地配置。

而且，作为第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220经由连接于基准电位vss的布线wr203而连接于第一导电层(第一金属层)m1的第五金属布线219。

在图6所示的像素pxl及电容可变部80的结构中，作为对浮置扩散层fd的电容cfd附加的附加电容成分，能够以如下所述的六个电容c0～c5例示。

第一是作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c0。

第二是第一接触布线210与第二接触布线211间的布线间电容c1。

第三是形成浮置扩散层fd的n+扩散层203中的结电容c2。

第四是第一导电层(第一金属层)m1的第三金属布线217与第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220间的布线间电容c3。

第五是第一合并晶体管81的栅极电容c4。

第六是第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线218与第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220间的布线间电容c5。

在本第一实施方式中，读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd被以与第一合并晶体管81的接通、断开对应的值而附加了mos晶体管的寄生电容(mos电容、结电容或栅极电容等)及布线间电容。

这样，本实施方式的固态摄像装置10能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益。由此，可优化转换增益的切换点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

图7是对比地表示本第一实施方式中的第一合并晶体管81的接通、断开与转换增益及调整后的浮置扩散层fd的总电容之间的关系的图。

在本第一实施方式中，当第一合并晶体管81为断开状态时，转换增益成为高转换增益(high)。

在此情况下，源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c0、第一接触布线210与第二接触布线211间的布线间电容c1、形成浮置扩散层fd的n+扩散层203中的结电容c2、及第一导电层(第一金属层)m1的第三金属布线217与第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220间的布线间电容c3相加，作为附加电容cbin1(＝c0+c1+c2+c3)而附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd。

该高转换增益的情况下的浮置扩散层fd的第一总电容成为cbin1。

在本第一实施方式中，当第一合并晶体管81为接通状态时，转换增益达到低转换增益(low)。

在此情况下，除了源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c0、第一布线210与第二布线211间的布线间电容c1、形成浮置扩散层fd的n+扩散层203中的结电容c2、及第一导电层(第一金属层)m1的第三金属布线217与第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220间的布线间电容c3相加所得的附加电容cbin1(＝c0+c1+c2+c3)之外，第一合并晶体管81的栅极电容c4、及第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线218与第二导电层(第二金属层)m2的第六金属布线220间的布线间电容c5相加，作为附加电容cbin2(＝c4+c5)也附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd。

该低转换增益的情况下的浮置扩散层fd的第二总电容变为cbin1+cbin2。

实际上，在低转换增益的情况下，会达到第二总电容cbin1+cbin2与相邻的像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值。

图8是表示本第一实施方式的固态摄像装置10中的高增益信号与低增益信号的输入输出特性的图。

图9(a)及(b)是表示作为不考虑附加电容的比较例的固态摄像装置中的高增益信号与低增益信号的输入输出特性的图。

在图8、图9(a)及(b)中，横轴表示输入光信号(的转换电荷量)q[e]，纵轴表示电荷-电压转换后的信号电压sig。

再者，在图9(a)及(b)中，左侧的纵轴表示电荷-电压转换后的信号sig，右侧的纵轴表示电荷-电压转换后的噪声。

再者，信号电压sig、转换增益cg由下式算出。

sig＝q「e」/ctot

cg＝q/ctot

在比较例的固态摄像装置中，通过增加串联地连接于浮置扩散层fd的开关的连接数，并增大浮置扩散层fd的电容，结果会增大转换效率之差，由此，可扩大动态范围。

但是，对于比较例的固态摄像装置，特别是在同一曝光期间内，切换开关的连接个数而动态地切换转换增益，多次读取信号，而扩大动态图像的动态范围性能的方式的情况下，如图9(a)及(b)所示，存在信号切换时的噪声增大，导致包含切换附近的信号的图像的sn比变差，画质下降这样的缺点。

相对于此，本第一实施方式的固态摄像装置10中，能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益。由此，如图8所示，可优化转换增益的切换点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

其次，与图10关联地说明将合并开关(合并晶体管)应用于本第一实施方式的电容可变部的情况下的实现大动态范围的动作。

图10是用以说明将合并开关(合并晶体管)应用于本第一实施方式的电容可变部的情况下的实现大动态范围的动作的时序图。

在本第一实施方式中，于读取像素的列方向，将与两端的像素对应的电容变更信号设为l电平，由此，设为非复位状态。

例如，于读取像素pxln的列方向，将与两端的像素pxln－1、pxln+1对应的电容变更信号binn－1、binn+1设为l电平，由此，设为非复位状态。

另外，例如，于读取像素pxln+1的列方向，将与两端的像素pxln、pxln+2(未图示)对应的电容变更信号binn、binn+2(未图示)设为l电平，由此，设为非复位状态。

但是，此为一例，在增加连接的浮置扩散层的数量的情况下，不将与真正相邻的像素对应的电容变更信号bin设为l电平，而是根据其连接方式，将与离开多行(两行或两行以上)的像素对应的电容变更信号bin设为l电平，由此，设为非复位状态。

在读取扫描期间prdo内，如图10所示，为了选择像素阵列中的某一行例如第n行，与该选择的行的各像素pxln连接的控制信号sel被设定为h电平，像素pxln的选择晶体管sel-tr成为导通状态。

在该选择状态下，在复位期间pr11内，所有的第一合并晶体管81n－1、81n、81n+1，在电容变更信号binn－1、binn、binn+1作为复位信号而于h电平的期间被选择而成为导通状态，各浮置扩散层fd被复位为电源线vdd的电位。

在经过该复位期间pr11后，电容变更信号binn－1、binn+1切换为l电平，第一合并晶体管81n－1、81n+1切换为非导通状态。

另一方面，电容变更信号binn仍保持为h电平，第一合并晶体管81n保持为导通状态。

第一合并晶体管81n－1、81n+1切换为非导通状态，第一合并晶体管81n保持为导通状态，由此，复位期间pr11结束，以从第一总电容cbin1增加至第二总电容cbin1+cbin2与相邻的像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值的方式，变更像素pxln的浮置扩散层fd的电容(电荷量)。

而且，直到传输期间pt11开始为止的期间，成为读取复位状态时的像素信号的第一读取期间prd11。

在第一读取期间prd11开始后的时刻t1，电容变更信号binn保持为h电平的状态下，由读取部70进行第一低转换增益模式读取lcg11，该第一低转换增益模式读取lcg11是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)变更为第二总电容及像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值后的低转换增益(第二转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(lcg11)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

在第一读取期间prd11，在时刻t1进行了第一低转换增益模式读取lcg11后，电容变更信号binn切换为l(低电平)，而从第二总电容cbin1+cbin2减少至第一总电容cbin1的方式，变更浮置扩散层fd的电容(电荷量)。在此情况下，也不会加上相邻的像素pxln+1的第一总电容量，以减少至仅像素pxln的第一总电容的方式进行变更。

接着，在时刻t2处，由读取部70进行第一高转换增益模式读取hcg11，该第一高转换增益模式读取hcg11是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)被变更后的高转换增益(第一转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(hcg11)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

此处，第一读取期间prd11结束，到达第一传输期间pt11。再者，此时，电容变更信号binn在直到经过第一传输期间pt11后的下一个第二传输期间pt12即将开始前为止的特定期间，仍保持为l电平。

在第一传输期间pt11，传输晶体管tg-tr在控制信号tg为h电平的期间被选择而成为导通状态，将由光电二极管pd光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层fd。

在经过该第一传输期间pt11后(传输晶体管tg-tr为非导通状态)，到达读取与由光电二极管pd光电转换并积累的电荷对应的像素信号的第二读取期间prd12。

在第二读取期间prd12开始后的时刻t3，电容变更信号binn被设定为l电平的状态下，由读取部70进行第二高转换增益模式读取hcg12，该第二高转换增益模式读取hcg12是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)被设定为第一总电容cbin1后的高转换增益(第一转换增益)进行像素信号的读取。此时，在各像素pxln中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(hcg12)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

在第二读取期间prd12内，在时刻t3进行了第二高转换增益模式读取hcg12后，电容变更信号binn切换为h电平，以从第一总电容cbin1增加至第二总电容cbin1+cbin2与相邻的像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值的方式，变更浮置扩散层fd的电容(电荷量)。

与该电容变更大致并行地，到达第二传输期间pt12。再者，此时，电容变更信号binn在经过第二传输期间pt12后，仍保持为h电平。

在第二传输期间pt12，传输晶体管tg-tr在控制信号tg为高电平(h)的期间被选择而成为导通状态，将由光电二极管pd光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层fd。

在经过该第二传输期间pt12后(传输晶体管tg-tr为非导通状态)，到达进一步读取与由光电二极管pd光电转换并积累的电荷对应的像素信号的第三读取期间prd13。

在第三读取期间prd13开始后的时刻t4，电容变更信号binn保持为h电平的状态下，由读取部70进行第二低转换增益模式读取lcg12，该第二低转换增益模式读取lcg12是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)被设定为第二总电容及像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值后的低转换增益(第二转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(lcg12)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

接着，在例如构成读取部70的一部分的读取电路40中，取得第二高转换增益模式读取hcg12的读取信号vsl(hcg12)与第一高转换增益模式读取hcg11的读取信号vsl(hcg11)的差分{vsl(hcg12)－vsl(hcg11)}而进行cds处理。

同样地，在读取电路40中，取得第二低转换增益模式读取lcg12的读取信号vsl(lcg12)与第一低转换增益模式读取lcg11的读取信号vsl(lcg11)的差分{vsl(lcg12)－vsl(lcg11)}而进行cds处理。

其次，如图10所示，为了选择像素阵列中的第n行的下一行例如第n+1行，代替第n行，与该选择的第n+1行的各像素pxln+1连接的控制信号sel被设定为h电平，像素pxln的选择晶体管sel-tr成为导通状态。

此时，电容变更信号binn仍保持为存取第n行时的h电平。

接着，在该选择状态下，在复位期间pr12，所有的第一合并晶体管81n－1、81n、81n+1在电容变更信号binn－1、binn、binn+1作为复位信号而于h电平的期间被选择而成为导通状态，各浮置扩散层fd被复位为电源线vdd的电位。

在经过该复位期间pr12后，电容变更信号binn切换为l电平，第一合并晶体管81n切换为非导通状态。

另一方面，电容变更信号binn+1、binn－1仍保持为h电平，第一合并晶体管81n+1、81n－1保持为导通状态。

第一合并晶体管81n切换为非导通状态，第一合并晶体管81n+1、81n－1保持为导通状态，由此，复位期间pr12结束，以从第一总电容cbin1增加至第二总电容cbin1+cbin2与相邻的像素pxln+2的第一总电容量相加所得的电容值的方式，变更像素pxln+1的浮置扩散层fd的电容(电荷量。

而且，直到传输期间pt13开始为止的期间，成为读取复位状态时的像素信号的第一读取期间prd14。

在第一读取期间prd14开始后的时刻t1，电容变更信号binn+1保持为h电平的状态下，由读取部70进行第一低转换增益模式读取lcg13，该第一低转换增益模式读取lcg13是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)变更为第二总电容cbin1+cbin2及像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值后的低转换增益(第二转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln+1中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(lcg13)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

在第一读取期间prd14，在时刻t1进行了第一低转换增益模式读取lcg13后，电容变更信号binn+1切换为l(低电平)，而从第二总电容cbin1+cbin2减少至第一总电容cbin1的方式，变更浮置扩散层fd的电容(电荷量)。在此情况下，不加上相邻的像素pxln+2的第一总电容量，以减少至仅像素pxln+1的第一总电容ctot1的方式进行变更。

接着，在时刻t2，由读取部70进行第一高转换增益模式读取hcg13，该第一高转换增益模式读取hcg13是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)被变更后的高转换增益(第一转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln+1中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(hcg13)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

此处，第一读取期间prd14结束，到达第一传输期间pt13。再者，此时，电容变更信号binn+1在直到经过第一传输期间pt13后的下一个第二传输期间pt14即将开始前为止的特定期间，仍保持为l电平。

在第一传输期间pt13，传输晶体管tg-tr在控制信号tg为h电平的期间被选择而成为导通状态，将由光电二极管pd光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层fd。

在经过该第一传输期间pt13后(传输晶体管tg-tr为非导通状态)，到达读取与由光电二极管pd光电转换并积累的电荷对应的像素信号的第二读取期间prd15。

在第二读取期间prd15开始后的时刻t3，电容变更信号binn+1被设定为l电平的状态下，由读取部70进行第二高转换增益模式读取hcg14，该第二高转换增益模式读取hcg14是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)被设定为第一总电容cbin1后的高转换增益(第一转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln+1中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(hcg14)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

在第二读取期间prd15，在时刻t3进行了第二高转换增益模式读取hcg14后，电容变更信号binn+1切换为h电平，以从第一总电容cbin1增加至第二总电容cbin1+cbin2与相邻的像素pxln+2的第一总电容量相加所得的电容值的方式，变更浮置扩散层fd的电容(电荷量)。

与该电容变更大致并行地，到达第二传输期间pt14。再者，此时，电容变更信号binn+1在经过第二传输期间pt14后，仍保持为h电平。

在第二传输期间pt14，传输晶体管tg-tr在控制信号tg为h电平的期间被选择而成为导通状态，将由光电二极管pd光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层fd。

在经过该第二传输期间pt14后(传输晶体管tg-tr为非导通状态)，到达进一步读取与由光电二极管pd光电转换并积累的电荷对应的像素信号的第三读取期间prd16。

在第三读取期间prd16开始后的时刻t4，电容变更信号binn+1保持为h电平的状态下，由读取部70进行第二低转换增益模式读取lcg14，该第二低转换增益模式读取lcg14是指以浮置扩散层fd的电容(电荷量)被设定为第二总电容cbin1+cbin2及像素pxln+1的第一总电容量相加所得的电容值后的低转换增益(第二转换增益)进行像素信号的读取。

此时，在各像素pxln+1中，通过源极跟随晶体管sf-tr将浮置扩散层fd的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号vsl(lcg14)输出至垂直信号线lsgn，并供应于，例如保持于读取电路40。

接着，在例如构成读取部70的一部分的读取电路40中，取得第二高转换增益模式读取hcg14的读取信号vsl(hcg14)与第一高转换增益模式读取hcg13的读取信号vsl(hcg13)的差分{vsl(hcg14)－vsl(hcg13)}而进行cds处理。

同样地，在读取电路40中，取得第二低转换增益模式读取lcg14的读取信号vsl(lcg14)与第一低转换增益模式读取lcg13的读取信号vsl(lcg13)的差分{vsl(lcg14)－vsl(lcg13)}而进行cds处理。

如以上的说明所述，在本第一实施方式的固态摄像装置10中，根据电容变更信号binn－1、binn、binn+1来接通、断开第一合并开关81n－1、81n、81n+1，由此，将连接的浮置扩散层fd的数量切换为一个或多个，而变更读取对象像素的浮置扩散层fd的电容，切换被读取的像素pxln或pxln+1的浮置扩散层fd的转换增益。

而且，在本第一实施方式的固态摄像装置10中，第一合并开关81是以如下方式形成，即，将寄生电容(mos电容)与连接于合并开关81的布线的布线电容以与接通、断开对应的值附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容，而能够优化浮置扩散层fd的电容，根据模式将转换增益调整为优化值。

由此，根据本第一实施方式的固态摄像装置10，能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式对任意的优化值获得转换增益，而可优化转换增益的改变点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

另外，可一边增加积累电容并一边减少噪声，提高灵敏度，从而可谋求不损害光学特性而扩大动态范围。

另外，根据本第一实施方式，能够对于在一次的积累期间(曝光期间)经过光电转换所得的电荷(电子)，在像素内部，在一个读取期间，切换高转换增益模式与低转换增益模式而输出信号，输出亮信号与暗信号这两方，而能够获得如下效果，即，能够消除高转换增益模式及低转换增益模式时的复位噪声，能够抑制产生动态物体失真并扩大动态范围，进而能够实现高画质化。

而且，根据本第一实施方式，可灵活地切换浮置扩散层fd的连接数，动态范围的扩展性优异。另外，因为像素内的晶体管数少，所以能够提高pd开口率，并提高光电转换灵敏度或饱和电子数。

(第二实施方式)

图11是表示本发明第二实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第二实施方式的画pxla及电容可变部80a与第一实施方式的电容可变部80的不同点如下所述。

本第二实施方式的固态摄像装置10a如图11所示，采用了由多个(在本例中为两个)光电二极管pda、pdb及传输晶体管tga-tr、tgb-tr共享一个浮置扩散层fd的像素共享构造。

根据本第二实施方式，能够获得与所述第一实施方式相同的效果。

(第三实施方式)

图12是表示本发明第三实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第三实施方式的电容可变部80b与第一实施方式的电容可变部80的不同点如下所述。

在本第三实施方式中，除了级联连接在布线wr上且以对应于各像素的方式形成的第一合并晶体管(合并开关)81n－1、81n、81n+1之外，在各像素pxln－1、pxln、pxln+1的浮置扩散层fd与布线wr的节点ndn－1、ndn、ndn+1之间，连接有例如由nmos晶体管形成的第二合并晶体管(合并开关)82n－1、82n、82n+1。

第一合并晶体管81n－1、81n、81n+1分别根据第一电容变更信号bin1n－1、bin1n、bin1n+1而选择性地接通、断开，第二合并晶体管82n－1、82n、82n+1分别根据第二电容变更信号bin2n－1、bin2n、bin2n+1而选择性地接通、断开。

在本第三实施方式中，第一电容变更信号bin1n－1、bin1n、bin1n+1与第二电容变更信号bin2n－1、bin2n、bin2n+1成对(pair)，并以相同的时序(相位)切换为h电平、l电平。

在此种结构中，第一合并晶体管81n－1、81n、81n+1用于相邻的fd布线wr的连接及切断。

第二合并晶体管82n－1、82n、82n+1配置在各像素pxln－1、pxln、pxln+1的传输晶体管tg-tr的附近，并在高转换增益模式下，用于使浮置扩散层fd节点的寄生电容最小化。

而且，在本第三实施方式的电容可变部80b中，在各像素pxln－1、pxln、pxln+1的第一合并晶体管81n－1、81n、81n+1与上侧的相邻像素的连接部和电源线vdd之间，连接有溢流(overflow)漏极(ofd)栅极83n－1、83n、83n+1。

ofd栅极83n－1、83n、83n+1以在高亮度时，从光电二极管pd溢出至浮置扩散层fd的电子(电荷)不会漏至相邻像素的方式，将溢流电子释放至电源线(端子)。

另外，通过将ofd栅极83n－1、83n、83n+1的电压设定得高于第一电容变更信号bin1n－1、bin1n、bin1n+1以及第二电容变更信号bin2n－1、bin2n、bin2n+1的l电平的电压，能够防止相邻像素的浮置扩散层fd的电位因从光电二极管pd溢出的电子(电荷)而下降。

另外，也可将ofd栅极83n－1、83n、83n+1用于复位。相对于包括复位元件与合并开关的结构，因为连接于浮置扩散层fd节点的元件数少，所以高转换增益时的特性优异。

再者，在以下的说明中，有时也利用符号bin_mc来表示第一合并晶体管，利用符号bin_fd来表示第二合并晶体管。

而且，在本第三实施方式中，第一合并晶体管81及第二合并晶体管82是以如下方式形成，即，将寄生电容(mos电容)与连接于合并晶体管81及82的布线的布线电容以与接通、断开对应的值附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容，能够优化浮置扩散层fd的电容，根据模式将转换增益调整为优化值。

即，在本第三实施方式中，包括两个第一合并晶体管81及第二合并晶体管82，以切换浮置扩散层fd的电容。

由此，作为与转换增益对应的总电容ctot，除了能够获得实现高转换增益的第一总电容ctot11及实现低转换增益的第二总电容ctot12之外，还能够获得第三总电容ctot13，该第三总电容ctot13实现具有高转换增益与低转换增益之间的值的中间转换增益。

再者，在此情况下，也能以中间转换增益读取模式进行读取，但也可代替利用高转换增益进行的读取、或利用低转换增益进行的读取，将利用中间转换增益进行的读取作为高转换增益读取或低转换增益读取而进行处理。

根据此种结构，本第三实施方式的固态摄像装置10b可灵活地切换浮置扩散层fd的电容及连接数，动态范围的扩展性优异。

而且，本第三实施方式的固态摄像装置10b能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益，从而可优化转换增益的改变点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

此处，对主要的附加电容成分进行说明，附加该主要的附加电容成分的目的在于以与第一合并晶体管(合并开关)81及第二合并晶体管(合并开关)82的接通、断开对应的值，优化读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容，根据模式将转换增益调整为优化值。

再者，此处，对栅极或扩散层等的用以与上层连接的所谓的接触作为布线的一部分而被称为接触布线。

图13是表示本发明第三实施方式的固态摄像装置10b中的像素pxl及电容可变部80b的主要部分的简略剖面的图，且是用以说明对浮置扩散层fd的电容附加的附加电容成分的图。

在图13的例子中，在半导体衬底(以下，仅称为衬底)200b的表面侧(一面侧)，并联地形成有光电二极管pd、传输晶体管tg-tr、浮置扩散层fd、第二合并晶体管(合并开关)82、第一合并晶体管(合并开关)81及ofd栅极83。

在传输晶体管tg-tr中，栅极(gt-tg)221隔着栅极氧化膜224，形成在作为源极漏极而发挥功能的光电二极管pd的光电转换及电荷积累区域222的一端侧与作为浮置扩散层fd而发挥功能的n+扩散层223之间的沟道形成区域上。

包含栅极(gt-bin2)225以及作为源极漏极而发挥功能的一个n+扩散层223及另一个扩散层226而形成第二合并晶体管82。

在第二合并晶体管82中，栅极(gt-bin2)225隔着栅极氧化膜227，形成在浮置扩散层fd及作为源极漏极而发挥功能的n+扩散层223与n+扩散层226之间的沟道形成区域上。

包含栅极(gt-bin1)228以及作为源极漏极而发挥功能的一个n+扩散层229及另一个n+扩散层230而形成第一合并晶体管81。

在第一合并晶体管81中，栅极(gt-bin1)228隔着栅极氧化膜231，形成在作为源极漏极而发挥功能的n+扩散层229与n+扩散层230之间的沟道形成区域上。

再者，在第二合并开关82的另一个n+扩散层226与第一合并晶体管81的另一个n+扩散层230之间，作为一例，形成有元件分离区域(sti)232。

包含栅极(gt-ofd)233以及作为源极漏极而发挥功能的一个n+扩散层229及另一个n+扩散层234而形成ofd栅极83。

在ofd栅极83中，栅极(gt-ofd)233隔着栅极氧化膜235，形成在作为源极漏极而发挥功能的n+扩散层229与n+扩散层234之间的沟道形成区域上。

另外，在衬底200b上，在光电二极管pd的光电转换及电荷积累区域222的另一端侧，形成有作为与基准电位vss(例如接地电位gnd)连接的连接电极而发挥功能的p+扩散层236。

形成于衬底200的传输晶体管tg-tr的栅极221、形成浮置扩散层fd的n+扩散层223、形成第二合并开关82的栅极225、n+扩散层226、形成第一合并晶体管81的n+扩散层229、230、形成ofd栅极83的栅极233、n+扩散层234及p+扩散层236连接着接触布线237～245的一端(下端)侧。

传输晶体管tg-tr的栅极221连接着第一接触布线237，该第一接触布线237用以将控制信号tg传递至作为电荷传输栅极部的传输晶体管tg-tr。

n+扩散层223连接着第二接触布线238，该第二接触布线238用以将浮置扩散层fd连接于作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf-tr的栅极。

第二合并晶体管82的栅极225连接着第三接触布线239，该第三接触布线239用以将第二电容变更信号bin2传递至第二合并晶体管82。

第二合并晶体管82的另一个n+扩散层226连接着第四接触布线240，该第四接触布线240经由布线wr211与连接于第一合并晶体管81的一个扩散层229的第五接触布线241电连接。

第一合并晶体管81的一个n+扩散层229连接着第五接触布线241。

第一合并晶体管81的另一个n+扩散层230连接着与下一行的像素侧连接的第六接触布线242。

ofd栅极83的栅极233连接着用以将控制信号ofrst传递至栅极233的第七接触布线243。

ofd栅极83的另一个n+扩散层234连接着用以连接于电源电位vdd的第八接触布线244。

p+扩散层236连接着用以连接于基准电位vss的第九接触布线245。

再者，第一合并晶体管81的栅极228连接着用以传递第一电容变更信号bin1的布线wr222。

包含作为第一导电层(第一金属层)m1的第一金属布线246～第九金属布线254而形成第一接触布线237～第九接触布线245。

具体而言，第一接触布线237的另一端侧连接于第一金属布线246。

第二接触布线238的另一端侧连接于第二金属布线247。

第三接触布线239的另一端侧连接于第三金属布线248。

第四接触布线240的另一端侧连接于第四金属布线249。

第五接触布线241的另一端侧连接于第五金属布线250。

第六接触布线242的另一端侧连接于第六金属布线251。

第七接触布线243的另一端侧连接于第七金属布线252。

第八接触布线244的另一端侧连接于第八金属布线253。

第九接触布线245的另一端侧连接于第九金属布线254。

在图13的例子中，在第四金属布线249与第六金属布线251之间配置(形成)有第十金属布线255。

而且，形成有作为与第一导电层m1不同的第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256，该第十一金属布线256形成可与第一导电层(第一金属层)m1的布线形成电容的至少一条布线。

在图13的例子中，第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256与第一导电层(第一金属层)m1的第十金属布线255由第十接触布线257连接。

在图13的例子中，作为第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256是以可与第一金属布线246～第十金属布线255中的第四金属布线249、第五金属布线250及第六金属布线251(及第十金属布线255)形成电容的方式，与这些金属布线相向地配置。

而且，作为第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256经由连接于基准电位vss的布线wr223而连接于第一导电层(第一金属层)m1的第九金属布线254。

在图13所示的像素pxl及电容可变部80b的结构中，作为对浮置扩散层fd的电容cfd附加的附加电容成分，能够例示如下所述的十一个电容c10～c20。

第一是作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c10。

第二是第一接触布线237与第二接触布线238之间的布线间电容c1。

第三是第二接触布线238与第三接触布线239之间的布线间电容c12。

第四是形成浮置扩散层fd的n+扩散层223中的结电容c13。

第五是第二合并晶体管82的栅极电容c14。

第六是第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线249与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256之间的布线间电容c15。

第七是第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线249与第十金属布线255之间的布线间电容c16。

第八是第一导电层(第一金属层)m1的第五金属布线250与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256之间的布线间电容c17。

第九是第一合并晶体管81的栅极电容c18。

第十是第一导电层(第一金属层)m1的第六金属布线251与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线256之间的布线间电容c19。

第十一是第一导电层(第一金属层)m1的第六金属布线251与第十金属布线255之间的布线间电容c20。

在本第三实施方式中，读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd以与第一合并晶体管81及第二合并晶体管82的接通、断开对应的值而被附加mos晶体管的寄生电容(mos电容、结电容或栅极电容等)及布线间电容。

这样，本第三实施方式的固态摄像装置10b能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益。由此，可优化转换增益的改变点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

图14是对比地表示本第三实施方式中的第一合并晶体管(开关)81及第二合并晶体管(开关)82的接通、断开与转换增益及调整后的浮置扩散层fd的总电容之间的关系的图。

图15(a)～(d)是与电势(potential)的转变状态关联地表示本第三实施方式中的第一合并晶体管(开关)81及第二合并晶体管(开关)82的接通、断开与转换增益及调整后的浮置扩散层fd的总电容之间的关系的图。

图15(a)表示像素及电容可变部80的主要部分的简略剖面。图15(b)表示高转换增益时的状态，图15(c)表示中间转换增益时的状态，图15(d)表示低转换增益时的状态。

图16(a)～(c)是模式性地表示根据本第三实施方式中的第一合并晶体管(开关)81及第二合并晶体管(开关)82的接通、断开而采用附加电容的布线上的范围的图。

图16(a)表示第二合并开关(bin_fd)82为断开状态且第一合并开关(bin_mc)81为断开状态的高转换增益时的状态。

图16(b)表示第二合并开关(bin_fd)82为接通状态且第一合并开关(bin_mc)81为断开状态的中间转换增益时的状态。

图16(c)表示第二合并开关(bin_fd)82为接通状态且第一合并开关(bin_mc)81为接通状态的低转换增益时的状态。

在本第三实施方式中，当第二合并开关(bin_fd)82为断开状态，且第一合并开关(bin_mc)81为断开状态时，转换增益达到高转换增益(high)。

在此情况下，源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c0、第一接触布线237与第二接触布线238之间的布线间电容c11、第二接触布线238与第三接触布线239之间的布线间电容c12及形成浮置扩散层fd的n+扩散层223中的结电容c13相加，作为附加电容cbin11(＝c10+c11+c12+c13)而附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd。

该高转换增益的情况下的浮置扩散层fd的第一总电容ctot11成为cbin11。

在本第三实施方式中，当第二合并开关(bin_fd)82为接通状态，且第一合并开关(bin_mc)81为断开状态时，转换增益达到中间转换增益(middle)。

在此情况下，除了源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c0、第一接触布线237与第二接触布线238之间的布线间电容c11、第二接触布线238与第三接触布线239之间的布线间电容c12及形成浮置扩散层fd的n+扩散层223中的结电容c13相加所得的附加电容cbin11(＝c10+c11+c12+c13)之外，以下的附加电容也附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd。

即，第二合并晶体管82的栅极电容c14、第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线249与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线226之间的布线间电容c15、第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线249与连接于第二导电层(第二金属层)m2的第十金属布线255之间的布线间电容c16及第一导电层(第一金属层)m1的第五金属布线250与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线226之间的布线间电容c17相加，作为附加电容cbin13(＝c14+c15+c16+c17)而附加。

该中间转换增益的情况下的浮置扩散层fd的第三总电容ctot13变为cbin11+cbin13。

在本第三实施方式中，当第二合并开关(bin_fd)82为接通状态，且第一合并开关(bin_mc)81为接通状态时，转换增益达到低转换增益(low)。

在此情况下，除了源极跟随晶体管sf-tr的栅极电容c0、第一接触布线237与第二接触布线238之间的布线间电容c11、第二接触布线238与第三接触布线239之间的布线间电容c12及形成浮置扩散层fd的n+扩散层223中的结电容c13相加所得的附加电容cbin11(＝c10+c11+c12+c13)、以及第二合并晶体管82的栅极电容c14、第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线249与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线226之间的布线间电容c15、第一导电层(第一金属层)m1的第四金属布线249与连接于第二导电层(第二金属层)m2的第十金属布线255之间的布线间电容c16及第一导电层(第一金属层)m1的第五金属布线250与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线226之间的布线间电容c17相加所得的附加电容cbin13(＝c14+c15+c16+c17)之外，如下的附加电容也附加于读取对象像素pxl的浮置扩散层fd的电容cfd。

即，第一合并晶体管81的栅极电容c18、第一导电层(第一金属层)m1的第六金属布线251与第二导电层(第二金属层)m2的第十一金属布线226之间的布线间电容c19及第一导电层(第一金属层)m1的第六金属布线251与连接于第二导电层(第二金属层)m2的第十金属布线255之间的布线间电容c20相加，作为附加电容cbin12(＝c18+c19+c20)而附加。

该低转换增益的情况下的浮置扩散层fd的第二总电容ctot12变为cbin11+cbin13+cbin12。

再者，在低转换增益的情况下，当相邻的像素pxln+1的第二合并晶体管82为接通状态，且第一合并晶体管81为断开状态时，成为第二总电容ctot12(＝cbin11+cbin13+cbin12)与相邻的像素pxln+1的第三总电容量相加所得的电容值。

在低转换增益的情况下，当相邻的像素pxln+1的第二合并晶体管82为接通状态，且第一合并晶体管81为接通状态时，成为第二总电容ctot12(＝cbin11+cbin13+cbin12)与相邻的像素pxln+1的第二总电容量相加所得的电容值。

图17是表示本第三实施方式的固态摄像装置10中的高增益信号、中间增益信号及低增益信号的输入输出特性的图。

在图17中，横轴表示输入光信号(的转换电荷量)q[e]，纵轴表示电荷-电压转换后的信号电压sig。

相对于图9的比较例的固态摄像装置，本第三实施方式的固态摄像装置10b中，能够调整并优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的优化值的转换增益。由此，如图17所示，可优化转换增益的改变点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

本第三实施方式的实现大动态范围的动作，基本上，除了以与读取像素pxln的第一及第二电容变更信号bin1n、bin2n相同的时序(相位)，将读取像素例如相邻于像素pxln上侧的像素pxln+1的第一及第二电容变更信号bin1n+1、bin2n+1切换为h电平、l电平以外，与所述第一实施方式相同。

因此，省略第三实施方式的动作的详情。

根据本第三实施方式，当然能够获得与所述第一实施方式相同的效果，而且能够进一步优化浮置扩散层fd的电容，根据模式获得任意的进一步被优化的值的转换增益。由此，可进一步优化转换增益的改变点处的sn，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

(第四实施方式)

图18是表示本发明第四实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图19(a)～(c)是模式性地表示根据本第四实施方式中的第一合并晶体管(开关)81及第二合并晶体管(开关)82的接通、断开而采用附加电容的布线上的范围的图。

图19(a)表示第二合并开关(bin_fd)82为断开状态且第一合并开关(bin_mc)81为断开状态的高转换增益时的状态。

图19(b)表示合并开关(bin_fd)82为接通状态且第一合并开关(binmc)81为断开状态的中间转换增益时的状态。

图19(c)表示第二合并开关(bin_fd)82为接通状态且第一合并开关(bin_mc)81为接通状态的低转换增益时的状态。

本第四实施方式的画pxlc及电容可变部80c与第三实施方式的电容可变部80b的不同点如下所述。

本第四实施方式的固态摄像装置10c如图18及图19所示，采用了由多个(在本例中为两个)光电二极管pda、pdb及传输晶体管tga-tr、tgb-tr共享一个浮置扩散层fd的像素共享构造。

根据本第四实施方式，能够获得与所述第三实施方式相同的效果。

(布局图案与附加电容的形成方法)

此处，说明与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案例、布线间电容的形成方法及mos电容的调整方法。

图20是表示与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案的第一例的图，且是用以对其布线间电容的形成方法进行说明的图。

图21是表示与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案的第二例的图，且是用以对其布线间电容的形成方法进行说明的图。

图22是表示与图18中的像素部及电容可变部的结构对应的布局图案的第三例的图，且是用以对其布线间电容的形成方法进行说明的图。

图23是用以对图13的像素部及电容可变部中的mos电容的调整方法进行说明的图。

在图20的例子中，将由两个光电二极管pda、pdb及传输晶体管tga-tr、tgb-tr共享一个浮置扩散层fd的像素之间连接且配置有第一合并晶体管(binmc)的布线wr是藉由第一导电层(第一金属层)m1的金属布线wrm而呈大致直线状地形成。

而且，以与金属布线wrm平行且可形成电容的方式，藉由第二导电层(第二金属层)m2的金属布线形成接地布线lgnd。

在该第一导电层m1的金属布线wrm与第二导电层m2的接地布线lgnd之间形成布线间电容c15、c16、c17等。

在图21的例子中，将由两个光电二极管pda、pdb及传输晶体管tga-tr、tgb-tr共享一个浮置扩散层fd的像素之间连接且配置有第一合并晶体管(binmc)的布线wr是藉由第一导电层(第一金属层)m1的金属布线wrm1而呈大致直线状地形成，沿着该金属布线wrm1，第一导电层(第一金属层)m1的多条(在本例中为两条)金属布线wrm2、wrm3呈大致直线状且平行地形成。

而且，以与金属布线wrm平行且可形成电容的方式，藉由第二导电层(第二金属层)m2的金属实心布线形成接地布线lgnd。

在该第一导电层m1的金属布线wrm与第二导电层m2的接地布线lgnd之间形成布线间电容c15、c16、c17等。

在图22的例子中，将由两个光电二极管pda、pdb及传输晶体管tga-tr、tgb-tr共享一个浮置扩散层fd的像素之间连接且配置有第一合并晶体管(binmc)的布线wr是藉由第一导电层(第一金属层)m1的金属布线wrm1在多处弯曲而形成，沿着该金属布线wrm1，第一导电层(第一金属层)m1的多条(在本例中为两条)金属布线wrm2、wrm3在多处弯曲且平行地形成。

而且，以与金属布线wrm平行且可形成电容的方式，由第二导电层(第二金属层)m2的金属实心布线形成接地布线lgnd。

在该第一导电层m1的金属布线wrm与第二导电层m2的接地布线lgnd之间形成布线间电容c15、c16、c17等。

可通过变更第一合并晶体管81及第二合并晶体管82的晶体管尺寸来调整mos电容。

而且，在图23的例子中，增加栅极228、225的长度，或增加栅极氧化膜231、227的厚度来调整栅极电容。

(应用例)

图24是用以说明本发明实施方式的固态摄像装置可应用于表面照射型图像传感器与背面照射型图像传感器这两者的图。

图24(a)表示表面照射型图像传感器的简略结构，图24(b)表示背面照射型图像传感器的简略结构。

在图24中，符号91表示微透镜阵列，92表示彩色滤光片组，93表示布线层，94表示硅衬底。

所述本实施方式的固态摄像装置10如图24(a)及(b)所示，可应用于表面照射型图像传感器(fsi)与背面照射型图像传感器(bsi)这两者。

以上说明的固态摄像装置10、10a～10f能够作为摄像装置而应用于数码相机或摄像机、便携终端、或者监控用相机、医疗用内窥镜用相机等电子设备。

图25是表示搭载有应用了本发明实施方式的固态摄像装置的相机系统的电子设备的结构的一例的图。

如图25所示，本电子设备100包括可应用本实施方式的固态摄像装置10的cmos图像传感器110。

而且，电子设备100包括将入射光引导至该cmos图像传感器110的像素区域(使被拍摄体像成像)的光学系统(透镜等)120。

电子设备100包括对cmos图像传感器110的输出信号进行处理的信号处理电路(prc)130。

信号处理电路130对cmos图像传感器110的输出信号实施特定的信号处理。

由信号处理电路130处理后的图像信号可作为动态图像而显示在包含液晶显示器等的监视器中，或也可输出至打印机，或是直接记录于存储卡等存储介质等等，可有各种形态。

如上所述，通过搭载所述固态摄像装置10、10a～10f作为cmos图像传感器110，可提供高性能、小型、低成本的相机系统。

而且，能够实现使用于在相机的设置条件方面存在安装尺寸、可连接的线缆条数、线缆长度、设置高度等限制的用途的例如监控用相机、医疗用内窥镜用相机等电子设备。