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特開2024-168303固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024168303
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器
(51)【国際特許分類】
H04N 25/585 20230101AFI20241128BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20241128BHJP
【ＦＩ】
H04N25/585
H01L27/146 D
H01L27/146 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023084853
(22)【出願日】2023-05-23
(71)【出願人】
【識別番号】521182560
【氏名又は名称】ブリルニクス シンガポール プライベート リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001863
【氏名又は名称】弁理士法人アテンダ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】盛 一也
(72)【発明者】
【氏名】宮内 健
(72)【発明者】
【氏名】阿部 啓史
(72)【発明者】
【氏名】陳 ▲こう▼吟
(72)【発明者】
【氏名】張 旭廷
【テーマコード（参考）】
4M118
5C024
【Ｆターム（参考）】
4M118AA01
4M118AA02
4M118AA05
4M118AA10
4M118AB01
4M118BA14
4M118CA02
4M118CA22
4M118DD04
4M118DD09
4M118FA06
4M118GC08
4M118GC20
4M118GD04
4M118HA25
5C024CX46
5C024EX43
5C024EX51
5C024GX03
5C024GX16
5C024GX18
5C024GY39
5C024GY41
(57)【要約】
【課題】最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの性能を効率的に向上させることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供する。
【解決手段】透明度の高いカラーフィルタ(W)に大きなＭＬを割り当て、透明度の低いカラーフィルタ (B,R) に小さなＭＬを割り当てて均一にＭＬを形成する。大きいＭＬの下のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
【選択図】図５
【解決手段】透明度の高いカラーフィルタ(W)に大きなＭＬを割り当て、透明度の低いカラーフィルタ (B,R) に小さなＭＬを割り当てて均一にＭＬを形成する。大きいＭＬの下のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、
前記画素部は、
隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットが形成され、
前記画素ユニットの第１の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、
入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を含み、
前記画素ユニットの第２の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、
入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を含み、
前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域は、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きい
固体撮像装置。
前記画素部は、
隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットが形成され、
前記画素ユニットの第１の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、
入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を含み、
前記画素ユニットの第２の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、
入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を含み、
前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域は、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きい
固体撮像装置。
【請求項2】
前記第２のマイクロレンズの前記光電変換部の光入射面に平行な方向の径が、前記第１のマイクロレンズの径より大きい
請求項１記載の固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項3】
前記第２の画素の前記第２のマイクロレンズは、
担当する前記第２の画素領域から当該第２の画素に隣接する前記第１の画素領域にわたって放射状に延設されている
請求項２記載の固体撮像装置。
担当する前記第２の画素領域から当該第２の画素に隣接する前記第１の画素領域にわたって放射状に延設されている
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項4】
前記第２のマイクロレンズは、延設部を延設方向に均等に延ばすことが可能な多面体形状が採用されている
請求項３記載の固体撮像装置。
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項5】
少なくとも２つの画素ユニットの画素同士を隣接させて単位カラーマトリックスが形成されている
請求項１記載の固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項6】
前記単位カラーマトリックスは、応答性を高めるための高透明の前記第２の透過フィルタとしてのW（クリア、モノ）フィルタを含む
請求項５記載の固体撮像装置。
請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項7】
前記単位カラーマトリックスは、背景光の減算および/または特定の光イメージング用の前記第１の透過フィルタとしてのＩＲフィルタを含む
請求項５記載の固体撮像装置。
請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項8】
前記画素部は、共有画素が形成され、
前記共有画素は、
光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも２つの光電変換素子と、
前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷をそれぞれ個別に転送可能な少なくとも２つの転送素子と、
前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、を含み、
１つの前記フローティングディフュージョンが前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、
一の前記光電変換素子からの第１の飽和信号は一の前記転送素子を介して前記フローティングディフュージョンに転送され、
他の前記光電変換素子からの第２の飽和信号は前記フローティングディフュージョン領域外に排出される
請求項１記載の固体撮像装置。
前記共有画素は、
光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも２つの光電変換素子と、
前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷をそれぞれ個別に転送可能な少なくとも２つの転送素子と、
前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、を含み、
１つの前記フローティングディフュージョンが前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、
一の前記光電変換素子からの第１の飽和信号は一の前記転送素子を介して前記フローティングディフュージョンに転送され、
他の前記光電変換素子からの第２の飽和信号は前記フローティングディフュージョン領域外に排出される
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項9】
前記共有画素は、
各光電変換素子に排出用ゲート転送用ゲートの２つの制御ゲートを有し、蓄積された電荷を排出して蓄積時間を個別に制御可能である
請求項８記載の固体撮像装置。
各光電変換素子に排出用ゲート転送用ゲートの２つの制御ゲートを有し、蓄積された電荷を排出して蓄積時間を個別に制御可能である
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項10】
前記共有画素は、
各光電変換素子に対応するように配置されるカラーフィルタを含み、
対応するオーバーフロー光電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積される前記第１の光電変換素子に高透過カラーフィルタが適用され、より低い透過カラーフィルタは、対応する光電荷が蓄積された読み出し信号を格納する前記第２の光電変換素子に適用される
請求項８記載の固体撮像装置。
各光電変換素子に対応するように配置されるカラーフィルタを含み、
対応するオーバーフロー光電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積される前記第１の光電変換素子に高透過カラーフィルタが適用され、より低い透過カラーフィルタは、対応する光電荷が蓄積された読み出し信号を格納する前記第２の光電変換素子に適用される
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項11】
前記共有画素は、
高透過フィルタを前記第１の光電変換素子に割り当てて、光電変換素子からのすべての信号が飽和するまで信号応答範囲を拡張することにより、前記第２の光電変換素子に低透過フィルタを割り当てることができるように形成されている
請求項１０記載の固体撮像装置。
高透過フィルタを前記第１の光電変換素子に割り当てて、光電変換素子からのすべての信号が飽和するまで信号応答範囲を拡張することにより、前記第２の光電変換素子に低透過フィルタを割り当てることができるように形成されている
請求項１０記載の固体撮像装置。
【請求項12】
前記共有画素は、
オーバーフロー電荷蓄積が発生した前記共有画素内の高透過光電変換素子に対してフルウェル容量を拡張することが可能である
請求項８記載の固体撮像装置。
オーバーフロー電荷蓄積が発生した前記共有画素内の高透過光電変換素子に対してフルウェル容量を拡張することが可能である
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項13】
前記画素部の前記共有画素から画素信号を読み出す読み出し部を有し、
前記読み出し部は、
前記共有画素の読み出しシーケンスにおいて、
前記第１の光電変換素子からの読み出し信号(Ｑｐｄ０)の読み出し処理で開始し、
次いで、オーバーフロー信号(Ｑｆｄ) の読み出し処理を行い、総処理光電荷が拡張させ、
その後、前記第２の光電変換素子からの読み出し信号（Ｑｐｄ１)の読み出し処理を行い、
光電荷の総量は、前記第１の光電変換素子による（Ｑｐｄ０＋Qｆｄ）と前記第２の光電変換素子のＱｐｄ１とにより与えられる
請求項１３記載の固体撮像装置。
前記読み出し部は、
前記共有画素の読み出しシーケンスにおいて、
前記第１の光電変換素子からの読み出し信号(Ｑｐｄ０)の読み出し処理で開始し、
次いで、オーバーフロー信号(Ｑｆｄ) の読み出し処理を行い、総処理光電荷が拡張させ、
その後、前記第２の光電変換素子からの読み出し信号（Ｑｐｄ１)の読み出し処理を行い、
光電荷の総量は、前記第１の光電変換素子による（Ｑｐｄ０＋Qｆｄ）と前記第２の光電変換素子のＱｐｄ１とにより与えられる
請求項１３記載の固体撮像装置。
【請求項14】
前記読み出し部は、
複数の動作シーケンスを有する画素毎にアナログサンプルホールド回路ないは各信号シーケンスのデジタル変換（ＡＤＣ）によるグローバル読み出しを実施するように構成される
請求項１３記載の固体撮像装置。
複数の動作シーケンスを有する画素毎にアナログサンプルホールド回路ないは各信号シーケンスのデジタル変換（ＡＤＣ）によるグローバル読み出しを実施するように構成される
請求項１３記載の固体撮像装置。
【請求項15】
前記共有画素は、
前記フローティングディフュージョンに接続された蓄積素子と、
前記蓄積素子を介して前記フローティングディフュージョンの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を含む、
請求項１４記載の固体撮像装置。
前記フローティングディフュージョンに接続された蓄積素子と、
前記蓄積素子を介して前記フローティングディフュージョンの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を含む、
請求項１４記載の固体撮像装置。
【請求項16】
光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記画素部においては、
隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットを形成し、
前記画素ユニットの第１の画素では、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、
入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を形成し、
前記画素ユニットの第２の画素では、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、
入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を形成し、
前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域を、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きく形成する
固体撮像装置の製造方法。
前記画素部においては、
隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットを形成し、
前記画素ユニットの第１の画素では、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、
入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を形成し、
前記画素ユニットの第２の画素では、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、
入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を形成し、
前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域を、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きく形成する
固体撮像装置の製造方法。
【請求項17】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、
前記画素部は、
隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットが形成され、
前記画素ユニットの第１の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、
入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を含み、
前記画素ユニットの第２の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、
入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を含み、
前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域は、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きい
電子機器。
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、
前記画素部は、
隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットが形成され、
前記画素ユニットの第１の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、
入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を含み、
前記画素ユニットの第２の画素は、
対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、
入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を含み、
前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域は、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きい
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
【0003】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
【0004】
一般的に、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素は、たとえば１個のフォトダイオードに対して、転送素子としての転送トランジスタ、リセット素子としてのリセットトランジスタ、ソースフォロワ素子（増幅素子）としてのソースフォロワトランジスタ、および選択素子としての選択トランジスタの４素子を能動素子として含んで構成される。
【0005】
ＣＭＯＳイメージセンサは、一般的に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色フィルタやシアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの４色補色フィルタを用いてカラー画像を撮像する。
【0006】
一般的に、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、画素（ピクセル）は個別にフィルタを備えている。フィルタは、主として赤色光を透過させる赤（Ｒ）フィルタ、主として緑色光を透過させる緑（Ｇｒ，Ｇｂ）フィルタ、および主として青色光を透過させる青（Ｂ）フィルタの４つを正方配列したサブピクセル群が単位ＲＧＢサブピクセルグループであるマルチピクセルとして２次元状に配列されている。
【0007】
また、ＣＭＯＳイメージセンサへの入射光はフィルタを介してフォトダイオードで受光される。フォトダイオードは、人間の可視領域（３８０ｎｍ～７８０ｎｍ程度）より広いい波長域（３８０ｎｍ～１１００ｎｍ）の光を受光して信号電荷を発生させることから、赤外光分の誤差が生じて、色再現性が低下する。
このため、あらかじめ赤外線カットフィルタ（ＩＲカットフィルタ）により赤外光を除去するのが一般的である。
このため、あらかじめ赤外線カットフィルタ（ＩＲカットフィルタ）により赤外光を除去するのが一般的である。
【0008】
赤外線カット（IR-Cut）フィルタを備えたＲＧＢピクセルを使用することで、飽和光強度の高い可視光までの良好な色再現性を得られ、高ダイナミックレンジ化を図ることが可能となる。
また、ＩＲなしのＷ（ホワイト/クリア）ピクセルを使用することにより可視から近赤外線の波長帯に対する高感度性能なカットフィルタを得ることができる（たとえば非特許文献１参照）。
また、ＩＲなしのＷ（ホワイト/クリア）ピクセルを使用することにより可視から近赤外線の波長帯に対する高感度性能なカットフィルタを得ることができる（たとえば非特許文献１参照）。
【0009】
「W」フィルタは、Ｒ、Ｇ、Ｂなどの他のフィルタよりも可視光条件に対する応答性がはるかに高いため、「ホワイト / クリア」フィルタ テクノロジーをカラー マトリックスで使用することにより、光応答性パフォーマンスを向上させ、低照度性能を向上させることが可能となる。
【0010】
図１は、Ｗ，Ｒ，Ｇ，Ｂ等の種々のカラーマトリックスにおける光応答特性を示す図である。
【0011】
図１からわかるように、可視光の飽和点は、カラー マトリックスの高透過率のカラーフィルタ（ＣＦ）によって制限される。
したがって、ＷやＧの飽和点だけを伸ばせば、画素サイズを増やさずにダイナミックレンズ（ＤＲ）を伸ばす、すなわち高ダイナミック化を図ることができる。
したがって、ＷやＧの飽和点だけを伸ばせば、画素サイズを増やさずにダイナミックレンズ（ＤＲ）を伸ばす、すなわち高ダイナミック化を図ることができる。
【0012】
また、高ダイナミックレンジ化のアプローチの一つとして、横型オーバーフロー蓄積容量（LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor）の構成を挙げることができる。
【0013】
ところで近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、画素数の増加に伴い、画素サイズの微細化の要求が高まり、これに対応すべく、１つのフローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する複数画素共有技術が提案されている（たとえば特許文献１または２参照）。
【0014】
特許文献１には、１つのフローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを２組のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する２画素共有構造を有するＣＭＯＳイメージセンサの画素の一例が示されている。
また、特許文献２には、１つのフローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを４組のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する４画素共有構造を有するＣＭＯＳイメージセンサの画素の一例が示されている。
また、特許文献２には、１つのフローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを４組のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する４画素共有構造を有するＣＭＯＳイメージセンサの画素の一例が示されている。
【0015】
共有画素ＰＸＬ１は、素子の形成領域として、中央部分の中央領域ＣＴＡＲ１、並びに、中央領域ＣＴＡＲ１を挟んで両側（Ｙ方向）の第１の領域ＦＳＡＲ１および第２の領域ＳＣＡＲ１を含んで、矩形領域ＲＣＴ１が割り当てられている。
共有画素のレイアウトは、基本的に、素子形成領域の中央部分にフローティングディフュージョンＦＤが配置され、このフローティングディフュージョンＦＤを中心として複数の光電変換素子であるフォトダイオードＰＤが放射状に配置される。
共有画素のレイアウトは、基本的に、素子形成領域の中央部分にフローティングディフュージョンＦＤが配置され、このフローティングディフュージョンＦＤを中心として複数の光電変換素子であるフォトダイオードＰＤが放射状に配置される。
【0016】
たとえば、２画素共有構造の場合、中央領域ＣＴＡＲ１には、フローティングディフュージョンＦＤがＸ方向およびＹ方向の中央部に形成され、そのＸ方向の図中右側に、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒが形成され、左側にソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、選択トランジスタＳＥＬ－Ｔｒが形成されている。
なお、これらの左右等の配置は、一例であって図示する例であることを問わない。
なお、これらの左右等の配置は、一例であって図示する例であることを問わない。
【0017】
第１の領域ＦＳＡＲ１には、第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが隣接するように形成されている。
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが中央領域ＣＴＡＲ１側にフローティングディフュージョンＦＤと接続するように矩形状に形成されている。
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが中央領域ＣＴＡＲ１側にフローティングディフュージョンＦＤと接続するように矩形状に形成されている。
【0018】
第２の領域ＳＣＡＲ１には、第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが形成されている。
第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが中央領域ＣＴＡＲ１側にフローティングディフュージョンＦＤと接続するように形成されている。
第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが中央領域ＣＴＡＲ１側にフローティングディフュージョンＦＤと接続するように形成されている。
【0019】
このような構成を採用することにより、画素構成要素を２つ、４つの複数の画素で共通化できるため、１画素当たりのフォトダイオードＰＤのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。
【0020】
また、共有ＦＤ構造を有することから、フォトダイオードＰＤ間で発生する色信号のクロストークを防ぐことができるＤＴＩ（Deep Trench Isolation）技術が適用される。
この場合、共有ＦＤ領域の下では、完全なディープトレンチ分離を行うためのフルＤＴＩの代わりに、サブディープトレンチ分離を行うためのサブＤＴＩが使用される。
この場合、共有ＦＤ領域の下では、完全なディープトレンチ分離を行うためのフルＤＴＩの代わりに、サブディープトレンチ分離を行うためのサブＤＴＩが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【特許文献1】特開２００７－８１０３３号公報
【特許文献2】特開２０１３－６２７８９５号公報
【非特許文献】
【0022】
【非特許文献1】S. Kawada、S. Sakai、N. Akahane、R. Kuroda、S. Sugawa、「IR-Cut RGB および可視-近-IR ピクセルを備えたワイド ダイナミック レンジの市松模様カラー CMOS イメージ センサー」、SENSORS、2009 年 IEEE、2009 年、pp. 1648-1651、doi: 10.1109/ICSENS.2009.5398511。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
しかしながら、上記した各種ＣＭＯＳイメージセンサには、それぞれ以下に示すような不利益や利益がある。
【0024】
「W」フィルタは、Ｒ、Ｇ、Bなどの他のフィルタよりも可視光条件に対する応答性がはるかに高いため、「ホワイト / クリア」フィルタ テクノロジーをカラー マトリックスで使用して、応答性パフォーマンスを向上させ、低照度性能を向上させる。
ただし、強い光量下での実際の使用では、対応するＡＤＣコードで白の飽和信号が最初にクリップされ、その後、Ｒ、Ｇ、Ｂ などの他の信号が飽和していない間に色再現性が崩壊し、飽和点差による高照度性能の低下を招く。
ただし、強い光量下での実際の使用では、対応するＡＤＣコードで白の飽和信号が最初にクリップされ、その後、Ｒ、Ｇ、Ｂ などの他の信号が飽和していない間に色再現性が崩壊し、飽和点差による高照度性能の低下を招く。
【0025】
ＦＤを共有するＬＯＦＩＣに関して、ワイドダイナミックレンジ（DR）ＣＭＯＳイメージセンサは、可視波帯の良好な色再現性と高感度で実証されている。ＦＤ共有ＬＯＦＩＣ は、ピクセルサイズを最小化して、共有ＰＤの１つの飽和を拡張できる。
言い換えれば、提案されたＦＤ共有ＰＤレイアウトとオーバーフロー方向制御を備えたピクセル回路は、ＨＤＲコンセプトのさらなるピクセル縮小を可能にする。
言い換えれば、提案されたＦＤ共有ＰＤレイアウトとオーバーフロー方向制御を備えたピクセル回路は、ＨＤＲコンセプトのさらなるピクセル縮小を可能にする。
【0026】
飽和点最適化のためのカラーフィルタ割り当ての例について述べる。
Ｗのような透明度の高いフィルタには彩度の高い ＰＤ が割り当てられ、それ自体の彩度点が拡張され、R/B のような透明度の低いフィルタには彩度の ＰＤ が低く割り当てらる。
Ｗのような透明度の高いフィルタには彩度の高い ＰＤ が割り当てられ、それ自体の彩度点が拡張され、R/B のような透明度の低いフィルタには彩度の ＰＤ が低く割り当てらる。
【0027】
また、デュアル サイズ マイクロレンズＭＬにおいては、大小のサイズの ＰＤ がピクセル内で結合され、極低照度から極度にハイライトの光応答までの光応答を形成する。
【0028】
ＬＯＦＩＣを用いた飽和点最適化技術が適用されたシングルチップのワイドダイナミックレンジ (ＤＲ) ＣＭＯＳイメージセンサは、可視波長帯の良好な色再現性と高感度で実証されている。
ＬＯＦＩＣアーキテクチャに基づくＣＭＯＳイメージ センサは、ダイナミック レンジを最大化するために感度に応じて各カラー画素（ピクセル）の静電容量値が最適化される。
ＬＯＦＩＣアーキテクチャに基づくＣＭＯＳイメージ センサは、ダイナミック レンジを最大化するために感度に応じて各カラー画素（ピクセル）の静電容量値が最適化される。
【0029】
また、画素サイズの縮小とＨＤＲ技術を採用したＣＭＯＳイメージセンサは、ＦＤ共有ＰＤレイアウトとオーバーフロー方向制御を備えた画素（ピクセル）回路を有している。
これにより、さらなる画素サイズの縮小が可能になるが、ＨＤＲではＬＯＦＩＣを使用し、フローティングディフュージョンＦＤ（ＦＤノード）は個々のフォトダイオードＰＤのオーバーフロー信号電荷を保持することは困難である。
これにより、さらなる画素サイズの縮小が可能になるが、ＨＤＲではＬＯＦＩＣを使用し、フローティングディフュージョンＦＤ（ＦＤノード）は個々のフォトダイオードＰＤのオーバーフロー信号電荷を保持することは困難である。
【0030】
以下に、画素サイズやクロストークによる課題についてさらに考察する。
上述した２画素共有あるいは４画素共有の共有画素は、画素構成要素を２つまたは４つの画素で共通化できるため、１画素当たりのフォトダイオードＰＤのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。
上述した２画素共有あるいは４画素共有の共有画素は、画素構成要素を２つまたは４つの画素で共通化できるため、１画素当たりのフォトダイオードＰＤのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。
【0031】
しかしながら、たとえば４画素共有構造の場合、フローティングディフュージョンＦＤ部の面積が大きくなり、これにより、フローティングディフュージョンＦＤの容量が大きくなって変換利得が下がり、ノイズが増大するという不利益がある。
【0032】
また、共有画素は、基本的に、たとえばフローティングディフュージョンＦＤを中心に放射状にフォトダイオードＰＤが形成される。そのため、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは電気的に接続されることから、画素のうちの近接した領域に形成された別ノードのフローティングディフュージョンＦＤに接続される。
このため、接合（ジャンクション）容量および、電気的に接続するための配線容量が増えて、ＦＤノードの容量（Cｆｄ）が増加して、変換利得が低減して、ノイズ特性が劣化するという不利益がある。
このため、接合（ジャンクション）容量および、電気的に接続するための配線容量が増えて、ＦＤノードの容量（Cｆｄ）が増加して、変換利得が低減して、ノイズ特性が劣化するという不利益がある。
【0033】
また、一般に、所定のフォトダイオードＰＤの蓄積電荷を超えた信号（オーバーフロー電荷）は、隣接画素へ流れ込むと、電荷の混合（偽信号となる）が起きる。
これを防止するために、オーバーフロー電荷が隣接画素に漏れこむ前に接続されたフローティングディフュージョンＦＤに流れこむような構成がとられる。
この構成の場合には、フローティングディフュージョンＦＤの電荷を読み出し中に共有する画素からの電荷の漏れこみが発生した場合には偽信号が発生する。たとえば、ベイヤ配列の場合、Ｒ信号を読み出し中にＧ信号のオーバーフロー電荷が発生した場合、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤで電荷混合が発生する。
これを防止するために、オーバーフロー電荷が隣接画素に漏れこむ前に接続されたフローティングディフュージョンＦＤに流れこむような構成がとられる。
この構成の場合には、フローティングディフュージョンＦＤの電荷を読み出し中に共有する画素からの電荷の漏れこみが発生した場合には偽信号が発生する。たとえば、ベイヤ配列の場合、Ｒ信号を読み出し中にＧ信号のオーバーフロー電荷が発生した場合、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤで電荷混合が発生する。
【0034】
以上のように共有構造を有する従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、カラーマトリックスで「白」を使用する場合、最大の光応答を確保することは困難であり、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することは困難で、これらの技術的な制限を緩和することで、さらに画素サイズを縮小することは困難である。
【0035】
本発明は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能で、しかもフローティングディフュージョンにおける電荷混合を防止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。
さらに本発明は、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの性能を効率的に向上させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。
さらに本発明は、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの性能を効率的に向上させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0036】
本発明の第１の観点の固体撮像装置は、光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、前記画素部は、隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットが形成され、前記画素ユニットの第１の画素は、対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を含み、前記画素ユニットの第２の画素は、対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を含み、前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域は、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きい（広い）。
【0037】
本発明の第２の観点は、光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有する固体撮像装置の製造方法であって、前記画素部においては、隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットを形成し、前記画素ユニットの第１の画素では、対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を形成し、前記画素ユニットの第２の画素では、対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を形成し、前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域を、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きく形成する。
【0038】
本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換部を含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、前記画素部は、隣接する少なくとも２つの前記画素により画素ユニットが形成され、前記画素ユニットの第１の画素は、対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタと、入射光を、前記第１の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第１のマイクロレンズと、を含み、前記画素ユニットの第２の画素は、対応する前記光電変換部の光入射面への光入射路に配置された、前記第１の透過フィルタより透明度の高い第２の透過フィルタと、入射光を、前記第２の透過フィルタを通して対応する前記光電変換部の光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズと、を含み、前記第２のマイクロレンズが担当する第２の光入射照射領域は、前記第１のマイクロレンズが担当する第１の光入射照射領域より大きい（広い）。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能で、しかもフローティングディフュージョンにおける電荷混合を防止することが可能となる。
さらに本発明によれば、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの重要な性能を効率的に向上させることが可能となる。
さらに本発明によれば、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの重要な性能を効率的に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】Ｗ，Ｒ，Ｇ，Ｂ等の種々のカラーマトリックスにおける光応答特性を示す図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図3】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一例を示す回路図である。
【図4】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を、サイズが均一なマイクロレンズ群を含む比較例としての画素アレイと比較して示す図である。
【図5】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの応答性向上のための拡大マイクロレンズの平面図およびその簡略断面図の一例を、サイズが均一なマイクロレンズ群を含む比較例としての画素アレイと比較して示す図である。
【図6】第２のマイクロレンズとして多面体形状の一つである８面体形状を採用した一例を示す図である。
【図7】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
【図8】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素に採用可能な読み出し動作例を示す図であって、共有画素の回路例、タイミングチャート、およびポテンシャル遷移を関連付けて示す図である。
【図9】ＦＤ共有型ＰＤの光電荷状態についてポテンシャル遷移に関連付けて説明するための図である。
【図10】共有ＦＤ構造とカラーマトリックス補間を使用したＲＷＷＢ（ＲＣＣＢ）構成での光応答例について説明するための図である。
【図11】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の効果について説明するための図である。
【図12】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
【図13】２×２ＦＤ共有画素用カラーマトリックスの形成例を示す図である。
【図14】W-ＩＲ-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示す図である。
【図15】４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示す図である。
【図16】４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示す図である。
【図17】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素に採用可能なＬＯＦＩＣおよびＳＥＨＤＲの部分利用時の４共有ＰＤビニング読み出し動作例を示すタイミングチャートであって、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示す図である。
【図18】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置に採用可能なＬＯＦＩＣの部分利用時およびＳＥＨＤＲの読み出し動作例を示す図である。
【図19】４共ｚ有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの他の形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示す図である。
【図20】４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの他の形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示す図である。
【図21】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の効果について説明するための図である。
【図22】本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【0042】
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一例を示す回路図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一例を示す回路図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。
【0043】
この固体撮像装置１０は、図２に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（カラム読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。
【0044】
本実施形態に係る固体撮像装置１０の画素は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となるように、そして、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの重要な性能を効率的に向上させることが可能となるように、次に示すような特徴的な構成が採用されている。
本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０では、透明度（透過率）の高いカラーフィルタ、たとえば(Ｗ)フィルタ に大きなサイズの マイクロレンズＭＬLを割り当て、透明度の低い、たとえば可視光域カラーフィルタ (Ｂ,Ｒ) に小さなサイズのマイクロレンズＭＬＳを割り当てて不均一にマイクロレンズＭＬを形成する。
また大きいサイズのマイクロレンズＭＬＬの下層のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０では、透明度（透過率）の高いカラーフィルタ、たとえば(Ｗ)フィルタ に大きなサイズの マイクロレンズＭＬLを割り当て、透明度の低い、たとえば可視光域カラーフィルタ (Ｂ,Ｒ) に小さなサイズのマイクロレンズＭＬＳを割り当てて不均一にマイクロレンズＭＬを形成する。
また大きいサイズのマイクロレンズＭＬＬの下層のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
【0045】
以下に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部における画素構造等の構成、機能等について説明した後、画素や画素部のカラーフィルタマトリックス等の特徴的な構成の概要について説明する。
【0046】
（本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素等の構成の概要）
本第１の実施形態に係る画素２００は、図３に示すように、光電変換読み出し部２１０、ＡＤ変換部２２０、およびメモリ部２３０を含んで構成されている。
本第１の実施形態の画素部２０は、第１の基板１１０と第２の基板１２０の積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されるが、本例では、図３に示すように、第１の基板１１０に光電変換読み出し部２１０が形成され、第２の基板１２０にＡＤ変換部２２０およびメモリ部２３０が形成されている。
本第１の実施形態に係る画素２００は、図３に示すように、光電変換読み出し部２１０、ＡＤ変換部２２０、およびメモリ部２３０を含んで構成されている。
本第１の実施形態の画素部２０は、第１の基板１１０と第２の基板１２０の積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されるが、本例では、図３に示すように、第１の基板１１０に光電変換読み出し部２１０が形成され、第２の基板１２０にＡＤ変換部２２０およびメモリ部２３０が形成されている。
【0047】
画素２００の光電変換読み出し部２１０は、フォトダイオード（光電変換素子）と画素内アンプとを含んで構成される。
具体的には、この光電変換読み出し部２１０は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードＰＤを有する。
このフォトダイオードＰＤに対して、転送素子としての転送トランジスタＴＧ－Ｔｒ、リセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒ、シャッターゲート素子としてのシャッタゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒ、出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤ、および読み出しノードＮＤ２をそれぞれ一つずつ有する。
このように、第１の実施形態に係る画素２００の光電変換読み出し部２１０は、転送トランジスタＴＧＴｒ、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、カレントトランジスタＣ－Ｔｒ、蓄積トランジスタＢＩＮーＴｒおよびシャッタゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒの６トランジスタ（６Ｔｒ）を含んで構成されている。
具体的には、この光電変換読み出し部２１０は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードＰＤを有する。
このフォトダイオードＰＤに対して、転送素子としての転送トランジスタＴＧ－Ｔｒ、リセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒ、シャッターゲート素子としてのシャッタゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒ、出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤ、および読み出しノードＮＤ２をそれぞれ一つずつ有する。
このように、第１の実施形態に係る画素２００の光電変換読み出し部２１０は、転送トランジスタＴＧＴｒ、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、カレントトランジスタＣ－Ｔｒ、蓄積トランジスタＢＩＮーＴｒおよびシャッタゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒの６トランジスタ（６Ｔｒ）を含んで構成されている。
【0048】
そして、本第１の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、カレントトランジスタＩＣ－Ｔｒ、および読み出しノードＮＤ１を含んで出力バッファ部２１１が構成されている。
【0049】
本第１の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０は、出力バッファ部２１１の読み出しノードＮＤ２がＡＤ変換部２２０の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部２１０は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬをＡＤ変換部２２０に出力する。
光電変換読み出し部２１０は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬをＡＤ変換部２２０に出力する。
【0050】
より具体的には、光電変換読み出し部２１０は、ＡＤ変換部２２０の第１の比較処理期間ＰＣＭＰ１において、蓄積期間ＰＩに光電変換素子であるフォトダイオードＰＤから出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号ＶＳＬを出力する。
【0051】
さらに、光電変換読み出し部２１０は、ＡＤ変換部２２０の第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、蓄積期間ＰＩ後の転送期間ＰＴに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤに転送されたフォトダイオードＰＤの積電荷に応じた電圧信号ＶＳＬを出力する。
光電変換読み出し部２１０は、第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)（ＶＲＳＴ）および読み出し信号(信号電圧)（ＶＳＩＧ）をＡＤ変換部２２０に出力する。
光電変換読み出し部２１０は、第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)（ＶＲＳＴ）および読み出し信号(信号電圧)（ＶＳＩＧ）をＡＤ変換部２２０に出力する。
【0052】
フォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔（ホール）であったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔（ホール）であったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
【0053】
各画素２００において、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
【0054】
光電変換読み出し部２１０の転送トランジスタＴＧ－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧにより制御される。
転送トランジスタＴＧ－Ｔｒは、制御信号ＴＧがハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、フォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタＴＧ－Ｔｒは、制御信号ＴＧがロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、フォトダイオードＰＤは蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタＴ―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。
転送トランジスタＴＧ－Ｔｒは、制御信号ＴＧがハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、フォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタＴＧ－Ｔｒは、制御信号ＴＧがロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、フォトダイオードＰＤは蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタＴ―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。
【0055】
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電源電圧（電源電位という場合もある）ＶＤＤの電源線ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴにより制御される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源電圧ＶＤＤの電源線Ｖｄｄの電位にリセットする。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源電圧ＶＤＤの電源線Ｖｄｄの電位にリセットする。
【0056】
ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒは、ソースが読み出しノードＮＤ１に接続され、ドレイン側が電源線Ｖｄｄに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。
読み出しノードＮＤ１と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのゲートは制御信号ＶＢＮＰＩＸの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ１とＡＤ変換部２２０の入力部間の信号線ＬＳＧＮ１は、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒにより駆動される。
読み出しノードＮＤ１と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのゲートは制御信号ＶＢＮＰＩＸの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ１とＡＤ変換部２２０の入力部間の信号線ＬＳＧＮ１は、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒにより駆動される。
【0057】
シャッターゲート素子としてのシャッタゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒは、ＡＤ変換の第２の比較処理ＰＣＭＰ２中に不規則な強い光がフォトダイオードＰＤに入射した場合に、フォトダイオードＰＤから不要な電荷を出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ領域外に放出可能な電荷放出部の一形態として示されている。
【0058】
シャッタゲートトランジスタＳＧ－ＴｒはフォトダイオードＰＤの電荷蓄積部と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸにソース、ドレインが接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＳＧにより制御される。
シャッターゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒは、制御信号ＳＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積部と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸＡ間にアンチブルーミングパスを形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。
シャッターゲートトランジスタＳＧ－Ｔｒは、制御信号ＳＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積部と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸＡ間にアンチブルーミングパスを形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。
【0059】
蓄積トランジスタＢＩＮ―Ｔｒは、フローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタＲＳＴ―Ｔｒとの間に接続され、その接続ノードＮＤ２と基準電位ＶＳＳとの間に蓄積キャパシタＣＳが接続されている。
蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮにより制御される。
蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積キャパシタＣＳとを接続する。
蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮにより制御される。
蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積キャパシタＣＳとを接続する。
【0060】
このように、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、光電変換読み出し部２１０は、フォトダイオードＰＤ、フローティングディフュージョンＦD、転送トランジスタＴＧ－Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、蓄積（ビニング(ＢＩＮ)）トランジスタＢＩＮ－Ｔｒ、ソースフォロワ（ＳＦ)トランジスタＳＦ－Ｔｒを含んで構成されている。
【0061】
フォトダイオードＰＤは、転送トランジスタＴＧ－ＴｒがフローティングディフュージョンＦDへの電荷転送に接続されている固定フォトダイオードによって形成される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電荷転送の前に強制的にフローティングディフュージョンＦDをリセットレベル（Ｖｒｓｔ）にするために接続される。
なお、光電気変換された電子はフォトダイオードＰＤに蓄積され、転送トランジスタＴＧ－ＴｒによってフローティングディフュージョンＦDに転送される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電荷転送の前に強制的にフローティングディフュージョンＦDをリセットレベル（Ｖｒｓｔ）にするために接続される。
なお、光電気変換された電子はフォトダイオードＰＤに蓄積され、転送トランジスタＴＧ－ＴｒによってフローティングディフュージョンＦDに転送される。
【0062】
蓄積された光電荷信号のそれぞれは、列またはピクセル単位のＡＤＣの各信号用のメモリのペアを使用して、単一フレームで読み出すことができる。
複数ノードのマルチゲイン読み出しにより、低照度（高ゲイン）から明光（低ゲイン）まで信号範囲を確保できるダイナミックレンジ拡張が可能である。
複数ノードのマルチゲイン読み出しにより、低照度（高ゲイン）から明光（低ゲイン）まで信号範囲を確保できるダイナミックレンジ拡張が可能である。
【0063】
ＡＤＣ変換は、蓄積された光電荷ごとに発生する可能性があり、少なくとも複数のＡＤＣ変換が異なる変換利得（変換ゲイン）に利用可能である。
これらのデジタルコードは、ポスト データ処理後に線形化されたコードにすることができる。
これらのデジタルコードは、ポスト データ処理後に線形化されたコードにすることができる。
【0064】
以上に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素構成、機能等について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素や画素部のカラーフィルタマトリックス等の特徴的な構成の概要を説明する。
次に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素や画素部のカラーフィルタマトリックス等の特徴的な構成の概要を説明する。
【0065】
（画素部２０の構成例）
図４（Ａ）,（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を、サイズが均一なマイクロレンズ群を含む比較例としての画素アレイと比較して示す図である。
図４（Ａ）が第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を示し、図４（Ｂ）がサイズが均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイを比較例として示している。
なお、図４はカラーマトリックスがＲＢＷ構成でのカラーマトリックスとマイクロレンズ（ＭＬ）の例を示している。
図４（Ａ）,（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を、サイズが均一なマイクロレンズ群を含む比較例としての画素アレイと比較して示す図である。
図４（Ａ）が第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を示し、図４（Ｂ）がサイズが均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイを比較例として示している。
なお、図４はカラーマトリックスがＲＢＷ構成でのカラーマトリックスとマイクロレンズ（ＭＬ）の例を示している。
【0066】
図５（Ａ）,（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの応答性向上のための拡大マイクロレンズの平面図およびその簡略断面図の一例を、サイズが均一なマイクロレンズ群を含む比較例としての画素アレイと比較して示す図である。
図４（Ａ）が第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を示し、図５（Ｂ）がサイズが均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイを比較例として示している。
なお、図４はカラーマトリックスがＲＢＷ構成でのカラーマトリックスとマイクロレンズ（ＭＬ）の例を示している。
図４（Ａ）が第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のサイズが不均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイの一例を示し、図５（Ｂ）がサイズが均一なマイクロレンズ群を含む画素アレイを比較例として示している。
なお、図４はカラーマトリックスがＲＢＷ構成でのカラーマトリックスとマイクロレンズ（ＭＬ）の例を示している。
【0067】
画素部２０は、複数の画素２００がＮ行Ｍ列の行列状（マトリクス状）に配列されている。
通常、図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、画素部２０Ｒのすべての画素サイズが均一であるとともに、各画素への光の入射を行う各マイクロレンズが全体で均一となるように構成されている。
通常、図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、画素部２０Ｒのすべての画素サイズが均一であるとともに、各画素への光の入射を行う各マイクロレンズが全体で均一となるように構成されている。
【0068】
これに対して、本第１の実施形態に係る画素部２０は、サイズが不均一なマイクロレンズ群（ＭＬＬ，ＭＬＳ）を含む画素アレイが形成されている。
【0069】
より具体的には、画素部２０は、光電変換部としてのフォトダイオードＰＤを含み、入射した光に対して光電変換を行う複数の画素２００がアレイ状に配置されている。
画素部２０においては、隣接する少なくとも２つの画素２０１，２０２により画素ユニットＰＸＵが形成されている。
画素部２０においては、隣接する少なくとも２つの画素２０１，２０２により画素ユニットＰＸＵが形成されている。
【0070】
画素ユニットＰＸＵの第１の画素２０１は、対応するフォトダイオードＰＤの光入射面への光入射路に配置された、所定の透明度を有する第１の透過フィルタＴＦ１と、入射光を、第１の透過フィルタＴＦ１を通して対応するフォトダイオードＰＤの光入射面ＩＮＰＳに向けて照射させる第１のマイクロレンズＭＬ１（ＭＬＳ）と、を含んで構成されている。
なお、第１の透過フィルタＴＦ１としては、透明度（透過率）が第２の透過フィルタＴＦ２より低い、たとえば可視光帯域のＲフィルタ、Ｂフィルタ等が適用可能である。
なお、第１の透過フィルタＴＦ１としては、透明度（透過率）が第２の透過フィルタＴＦ２より低い、たとえば可視光帯域のＲフィルタ、Ｂフィルタ等が適用可能である。
【0071】
画素ユニットＰＸＵの第２の画素２０２は、対応するフォトダイオードＰＤの光入射面ＩＮＰＳへの光入射路に配置された、第１の透過フィルタＴＦ１より透明度の高い第２の透過フィルタＴＦ２２と、入射光を、第２の透過フィルタＴＦ２を通して対応するフォトダイオードＰＤの光入射面に向けて照射させる第２のマイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）と、を含んで構成されている。
【0072】
本第１の実施形態において、第２のマイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）が担当する第２の光入射照射領域ＡＲ２は、第１のマイクロレンズＭＬ１(ＭＬＳ)が担当する第１の光入射照射領域ＡＲ１より大きい（広い）。
【0073】
ここで、光入射照射領域ＡＲとは、マイクロレンズＭＬが入射光を取り込めるＸ方向の領域、および、または、マイクロレンズＭＬがフォトダイオードＰＤへ照射するＸ方向の領域をいうことが可能である。
【0074】
また、本第１の実施形態においては、第２のマイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）のフォトダイオードＰＤの光入射面ＩＮＰＳに平行な方向の径Ｒ２が、第１のマイクロレンズＭＬ１（ＭＬＳ）の径Ｒ１より大きい。
換言すると、本第１の実施形態において、この径Ｒの大小でマイクロレンズＭＬの大小が判断可能である。
換言すると、本第１の実施形態において、この径Ｒの大小でマイクロレンズＭＬの大小が判断可能である。
【0075】
そして、本第１の実施形態においては、第２の画素２０２の第２のマイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）は、担当する第２の画素領域から第２の画素２０２に隣接する第１の画素領域にわたって放射状に延設されている。
図４（Ｂ）および図５（Ｂ）では、マイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）は平面視して円形をなす外縁部が隣接のサイズの小さい第１の画素２０１側に少しはみ出した形態で形成されている。
図４（Ｂ）および図５（Ｂ）では、マイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）は平面視して円形をなす外縁部が隣接のサイズの小さい第１の画素２０１側に少しはみ出した形態で形成されている。
【0076】
図６は、第２のマイクロレンズとして多面体形状の一つである８面体形状を採用した例を示す図である。
本第１の実施形態において、第２のマイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）は、図６に示すように、延設部ＥＴＰを延設方向（Ｘ、Ｙ方向）に均等に延ばすことが可能な多面体形状（図６の例では８面体形状）ＲＳＢを採用することが可能である。
本第１の実施形態において、第２のマイクロレンズＭＬ２（ＭＬＬ）は、図６に示すように、延設部ＥＴＰを延設方向（Ｘ、Ｙ方向）に均等に延ばすことが可能な多面体形状（図６の例では８面体形状）ＲＳＢを採用することが可能である。
【0077】
また、本第１の実施形態においては、少なくとも２つの画素ユニットＰＸＵの画素同士、たとえば第１の画素と第２の画素を隣接させて単位カラーマトリックスＰＣＭＴＸが形成されている。
本第１の実施形態においては、単位カラーマトリックスＰＣＭＴＸは、応答性を高めるための高透明の第２の透過フィルタとしてのW（クリア、モノ）フィルタを含む。
また、単位カラーマトリックスＰＣＭＴＸは、背景光の減算および/または特定の光イメージング用の第２の透過フィルタとしてのＩＲフィルタを含んでもよい。
本第１の実施形態においては、単位カラーマトリックスＰＣＭＴＸは、応答性を高めるための高透明の第２の透過フィルタとしてのW（クリア、モノ）フィルタを含む。
また、単位カラーマトリックスＰＣＭＴＸは、背景光の減算および/または特定の光イメージング用の第２の透過フィルタとしてのＩＲフィルタを含んでもよい。
【0078】
【0079】
画素２００のＡＤ変換部２２０は、光電変換読み出し部２１０により出力されるアナログの電圧信号ＶＳＬを、所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形または固定電圧の参照電圧ＶＲＥＦと比較して、デジタル信号に変換する機能する。
【0080】
ＡＤ変換部２２０は、図２に示すように、比較器（ＣＯＭＰ）２２１、出力側の負荷キャパシタＣＬ１、およびリセットスイッチＳＷ－ＲＳＴを含んで構成されている。
【0081】
比較器２２１は、第１の入力端子としての反転入力端子（－）に、光電変換読み出し部２１０の出力バッファ部２１１から信号線ＬＳＧＮ１に出力された電圧信号ＶＳＬが供給され、第２の入力端子としての非反転入力端子（＋）に参照電圧ＶＲＥＦが供給され、電圧信号ＶＳＴと参照電圧ＶＲＥＦとを比較し、デジタル化した比較結果信号ＳＣＭＰを出力するＡＤ変換処理（比較処理）を行う。
【0082】
比較器２２１は、第１の入力端子としての反転入力端子（－）に結合キャパシタＣＣ１が接続されており、第１の基板１１０側の光電変換読み出し部２１０の出力バッファ部２１１と第２の基板１２０側のＡＤ変換部２２０の比較器２２１の入力部をＡＣ結合することにより、低ノイズ化を図り、低照度時に高ＳＮＲを実現可能なように構成されている。
【0083】
また、比較器２２１は、出力端子と第１の入力端子としての反転入力端子（－）との間にリセットスイッチＳＷ－ＲＳＴが接続され、出力端子と基準電位ＶＳＳとの間に負荷キャパシタＣＬ１が接続されている。
【0084】
基本的に、ＡＤ変換部２２０においては、光電変換読み出し部２１０の出力バッファ部２１１から信号線ＬＳＧＮ１に読み出されたアナログ信号（電位ＶＳＬ）は比較器２２１で参照電圧ＶＲＥＦ、たとえばある傾きを持った線形に変化するスロープ波形であるランプ信号ＲＡＭＰと比較される。
このとき、たとえば比較器２２１と同様に列毎に配置された図示しないカウンタが動作しており、ランプ波形のあるランプ信号ＲＡＭＰとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで電圧信号ＶＳＬをデジタル信号に変換する。
基本的に、ＡＤ変換部２２０は、参照電圧ＶＲＥＦ（たとえばランプ信号ＲＡＭＰ）の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号ＶＳＬとランプ信号ＲＡＭＰ（参照電圧ＶＲＥＦ）が交わったとき、比較器２２１の出力が反転し、図示しないカウンタの入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックを図示しないカウンタに入力し、そのときのカウンタの値（データ）がメモリ部２３０に記憶されてＡＤ変換を完了させる。
以上のＡＤ変換期間終了後、各画素２００のメモリ部２３０に格納されたデータ（信号）は読み出し力回路４０から図示しない信号処理回路に出力され、所定の信号処理により２次元画像が生成される。
このとき、たとえば比較器２２１と同様に列毎に配置された図示しないカウンタが動作しており、ランプ波形のあるランプ信号ＲＡＭＰとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで電圧信号ＶＳＬをデジタル信号に変換する。
基本的に、ＡＤ変換部２２０は、参照電圧ＶＲＥＦ（たとえばランプ信号ＲＡＭＰ）の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号ＶＳＬとランプ信号ＲＡＭＰ（参照電圧ＶＲＥＦ）が交わったとき、比較器２２１の出力が反転し、図示しないカウンタの入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックを図示しないカウンタに入力し、そのときのカウンタの値（データ）がメモリ部２３０に記憶されてＡＤ変換を完了させる。
以上のＡＤ変換期間終了後、各画素２００のメモリ部２３０に格納されたデータ（信号）は読み出し力回路４０から図示しない信号処理回路に出力され、所定の信号処理により２次元画像が生成される。
【0085】
メモリ部２３０はＳＲＡＭやＤＲＡＭにより構成され、デジタル変換された信号が供給され、フォトコンバージョン符号に対応し、画素アレイ周辺の読み出し回路４０の外部ＩＯバッファにより読み出すことができる。
本例では、メモリ部２３０は、比較器２２１の出力に２つのメモリ２３１，２３２が接続されている。
本例では、メモリ部２３０は、比較器２２１の出力に２つのメモリ２３１，２３２が接続されている。
【0086】
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路５０の制御に応じてシャッタ行および読み出し行において行走査制御線を通してデジタル画素２００の光電変換読み出し部２１０の駆動を行う。
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路５０の制御に応じて、各画素２００の比較器２２１に対して、比較処理に準じて設定される参照電圧ＶＲＥＦを供給する。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路５０の制御に応じて、各画素２００の比較器２２１に対して、比較処理に準じて設定される参照電圧ＶＲＥＦを供給する。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。
【0087】
読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
【0088】
読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路やＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ；ＡＤ変換器）、アンプ（ＡＭＰ，増幅器）、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路等を含んで構成可能である。
【0089】
以下に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の効果についてて説明する。
【0090】
（第１の実施形態の効果）
以上説明したように、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０では、透明度の高いカラーフィルタ、たとえば(W)フィルタ に大きなサイズの マイクロレンズＭＬLを割り当て、透明度の低い、たとえば可視光域カラーフィルタ (B,R) に小さなサイズのマイクロレンズＭＬＳを割り当てて不均一にマイクロレンズＭＬを形成する。
また大きいサイズのマイクロレンズＭＬＬの下層のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
以上説明したように、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０では、透明度の高いカラーフィルタ、たとえば(W)フィルタ に大きなサイズの マイクロレンズＭＬLを割り当て、透明度の低い、たとえば可視光域カラーフィルタ (B,R) に小さなサイズのマイクロレンズＭＬＳを割り当てて不均一にマイクロレンズＭＬを形成する。
また大きいサイズのマイクロレンズＭＬＬの下層のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
【0091】
以上の構成により、下部透明(R-B) カラー マトリックスの飽和点は、W フィルタの特性によって制限される。
Ｗ（クリア）フィルタでより高い透明度を提供するＲＢ（W）フィルタ構成の場合、飽和点はWフィルタによって制限される。そのため、逆に色再現性を確保するための最高照度を下げている。
オーバーフロー電荷蓄積が ＦＤ で発生した ＦＤ共有 ＰＤ では、最高の透過性 ＰＤ に対してフルウェル容量を拡張することができる。
Ｗ（クリア）フィルタでより高い透明度を提供するＲＢ（W）フィルタ構成の場合、飽和点はWフィルタによって制限される。そのため、逆に色再現性を確保するための最高照度を下げている。
オーバーフロー電荷蓄積が ＦＤ で発生した ＦＤ共有 ＰＤ では、最高の透過性 ＰＤ に対してフルウェル容量を拡張することができる。
【0092】
本第１の実施形態では、より高い応答性を得ることができ、優れた色再現性を備えたより高いダイナミックレンジでより高い低照度ＳＮＲ 性能を得ることができる。
さらに、従来のデュアルサイズＰＤやＬＯＦＩＣ構成に比べて、ＦＤやゲインバッファなどの画素回路構成部品の一部を共通化して彩度を高くできるため、画素サイズを小さくして高解像度化が可能となる。
さらに、従来のデュアルサイズＰＤやＬＯＦＩＣ構成に比べて、ＦＤやゲインバッファなどの画素回路構成部品の一部を共通化して彩度を高くできるため、画素サイズを小さくして高解像度化が可能となる。
【0093】
本第１の実施形態においては、フルウェル容量（ＦＷＣ）は、オーバーフロー電荷蓄積が起こったＦＤ共有ＰＤ内の最も高い透過ＰＤに対して拡張することができる。
この構成では、Ｑｐｄ によって支配される完全なウェル容量拡張のための画素サイズのオーバーヘッドを持つ必要はない。
したがって、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、前述のように、応答性が高く、低照度ＳＮＲ性能が高く、ダイナミックレンジが高く、色再現性に優れている。
この構成では、Ｑｐｄ によって支配される完全なウェル容量拡張のための画素サイズのオーバーヘッドを持つ必要はない。
したがって、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、前述のように、応答性が高く、低照度ＳＮＲ性能が高く、ダイナミックレンジが高く、色再現性に優れている。
【0094】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
【0095】
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００と異なる点は、次の通りである
【0096】
本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Aの共有画素２００Ａは、２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１で１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒに接続された第１のフォトダイオードＰＤ０と、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続された第２のフォトダイオードＰＤ１と、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒおよび第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、第１のフォトダイオードＰＤ０に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒと、第２のフォトダイオードＰＤ１に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒとを備えている。
そして、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａにおいて、第１のフォトダイオードＰＤ０からの第１の飽和信号ＳＡＴ０は、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒを介してフローティングディフュージョンＦＤに完全にオーバーフローし、第２のフォトダイオードＰＤ１からの第２の飽和信号ＳＡＴ１は第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒを介して排出される。
第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒに接続された第１のフォトダイオードＰＤ０と、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続された第２のフォトダイオードＰＤ１と、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒおよび第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、第１のフォトダイオードＰＤ０に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒと、第２のフォトダイオードＰＤ１に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒとを備えている。
そして、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａにおいて、第１のフォトダイオードＰＤ０からの第１の飽和信号ＳＡＴ０は、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒを介してフローティングディフュージョンＦＤに完全にオーバーフローし、第２のフォトダイオードＰＤ１からの第２の飽和信号ＳＡＴ１は第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒを介して排出される。
【0097】
本第２の実施形態において、固体撮像装置１０Ａは、後で詳述するように、画素部２０に行列状に配列される画素（または画素部２０）は、出力ノードとしての１つのフローティグディフュージョンＦＤおよび出力バッファを形成するソースフォロワ素子（ソースフォロワトランジスタ）を、２つの光電変換素子（フォトダイオードＰＤ）および転送素子（転送トランジスタ）により共有されている。
そして、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Aの共有画素は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となるように、そして、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの重要な性能を効率的に向上させることが可能となるように、次に示すような特徴的な構成が採用されている。
そして、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Aの共有画素は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となるように、そして、最大限の光応答を確保することが可能で、再現性に加えて低光ＳＮＲを確保することが可能であり、しかもさらなる画素サイズの縮小化を図ることが可能で、ダイナミックレンジ、応答性、解像度などの重要な性能を効率的に向上させることが可能となるように、次に示すような特徴的な構成が採用されている。
【0098】
以下に、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素や画素部のカラーフィルタマトリックス等の特徴的な構成の概要を説明した後、共有画素構造や配列等の構成、機能等の詳細について順を追って説明する。
【0099】
（本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素等の特徴的な構成の概要）
本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａにおいて、共有画素２００Ａの共有ＦＤ構造は、第１のフォトダイオードＰＤ０と第２のフォトダイオードＰＤ１を含んで構成され、第１のフォトダイオードＰＤ０で飽和した第１の飽和信号がフローティングディフュージョンＦDに完全に転送(オーバーフロー)される。
共有画素２００Ａにおいて、他の共有ＰＤである第２のフォトダイオードＰＤ１からフローティングディフュージョンＦDへのオーバーフロー信号はシャッターゲートＳＧ（ＡＢ）の他側を介してドレインに放出（排出）される。そのため、フローティングディフュージョンＦDへのオーバーフロー信号はなく。そのため、この構成要素は共通のＦＤ構造でありながら、信号のクロストークとしてオーバーフロー信号が混入することはない。
本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａにおいて、共有画素２００Ａの共有ＦＤ構造は、第１のフォトダイオードＰＤ０と第２のフォトダイオードＰＤ１を含んで構成され、第１のフォトダイオードＰＤ０で飽和した第１の飽和信号がフローティングディフュージョンＦDに完全に転送(オーバーフロー)される。
共有画素２００Ａにおいて、他の共有ＰＤである第２のフォトダイオードＰＤ１からフローティングディフュージョンＦDへのオーバーフロー信号はシャッターゲートＳＧ（ＡＢ）の他側を介してドレインに放出（排出）される。そのため、フローティングディフュージョンＦDへのオーバーフロー信号はなく。そのため、この構成要素は共通のＦＤ構造でありながら、信号のクロストークとしてオーバーフロー信号が混入することはない。
【0100】
各フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１には、それぞれ２つの転送ゲートが接続されており、蓄積された電荷を排出して蓄積時間を個別に制御することができる。また、上述のように、オーバーフロー方向がフローティングディフュージョンＦDに混入しないように制御することができる。
【0101】
共有画素２００Ａは、第１のフォトダイオードＰＤ０と第２のフォトダイオードＰＤ１により共有されるフローティングディフュージョンＦD、転送トランジスタＴＧ－Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ビニング(ＢＩＮ)トランジスタＢＩＮ－Ｔｒ、ソースフォロワ（ＳＦ)トランジスタＳＦ－Ｔｒを含んで構成されている。
【0102】
フォトダイオードＰＤ（０，１）は、転送トランジスタＴＧ－ＴｒがフローティングディフュージョンＦDへの電荷転送に接続されている固定フォトダイオードによって形成される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電荷転送の前に強制的にフローティングディフュージョンＦDをリセットレベル（Ｖｒｓｔ）にするために接続される。
なお、光電気変換された電子はフォトダイオードＰＤに蓄積され、転送トランジスタＴＧ－ＴｒによってフローティングディフュージョンＦDに転送される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電荷転送の前に強制的にフローティングディフュージョンＦDをリセットレベル（Ｖｒｓｔ）にするために接続される。
なお、光電気変換された電子はフォトダイオードＰＤに蓄積され、転送トランジスタＴＧ－ＴｒによってフローティングディフュージョンＦDに転送される。
【0103】
本第２の実施形態に係る読み出しシーケンスは、１番目のＰＤ読み出し信号Ｑｐｄ０で開始できる。
次に、２番目の蓄積ノードとして利用できるオーバーフロー信号Ｑｆｄが続き、総処理光電荷が拡張される。
その後、2番目のＰＤ信号Ｑｐｄ１が読み出される。
したがって、光電荷の総量は、第１のフォトダイオードＰＤ０と第２のフォトダイオードＰＤ１のそれぞれ（Ｑｐｄ１ + Ｑｆｄ） と Ｑｐｄ１で与えられる。
次に、２番目の蓄積ノードとして利用できるオーバーフロー信号Ｑｆｄが続き、総処理光電荷が拡張される。
その後、2番目のＰＤ信号Ｑｐｄ１が読み出される。
したがって、光電荷の総量は、第１のフォトダイオードＰＤ０と第２のフォトダイオードＰＤ１のそれぞれ（Ｑｐｄ１ + Ｑｆｄ） と Ｑｐｄ１で与えられる。
【0104】
蓄積された光電荷信号のそれぞれは、列またはピクセル単位のＡＤＣの各信号用のメモリのペアを使用して、単一フレームで読み出すことができる。
複数ノードのマルチゲイン読み出しにより、低照度（高ゲイン）から明光（低ゲイン）まで信号範囲を確保できるダイナミックレンジ拡張が可能である。
複数ノードのマルチゲイン読み出しにより、低照度（高ゲイン）から明光（低ゲイン）まで信号範囲を確保できるダイナミックレンジ拡張が可能である。
【0105】
ＡＤＣ変換は、蓄積された光電荷ごとに発生する可能性があり、少なくとも複数のＡＤＣ変換が異なる変換利得（変換ゲイン）に利用可能である。
これらのデジタルコードは、ポスト データ処理後に線形化されたコードにすることができる。
これらのデジタルコードは、ポスト データ処理後に線形化されたコードにすることができる。
【0106】
共有画素２００Ａにおいて、共有ＰＤの１つは大きなフルウェル容量（ＦＷＣ）を保持できるため、対応するオーバーフロー光電荷がフローティングディフュージョンＦDに蓄積される第１のフォトダイオードＰＤ０に高透過カラーフィルタが適用される。
低透過カラーフィルタは、対応する光電荷（フォトチャージ）が蓄積されたフォーカスピクセルＰＤのみを格納する第２のフォトダイオードＰＤ１に適用される。
低透過カラーフィルタは、対応する光電荷（フォトチャージ）が蓄積されたフォーカスピクセルＰＤのみを格納する第２のフォトダイオードＰＤ１に適用される。
【0107】
この構成では、第１のフォトダイオードＰＤ０の最大フォト領域が拡張され、信号比が高飽和のために維持される。
【0108】
カラーマトリックスのＲＧＢＷ 構成の例として、クリア (Ｗ) などの最高透過フィルタを第１のフォトダイオードＰＤ０に割り当てて、フォトダイオードＰＤ０からのすべての信号が飽和するまで信号応答範囲を拡張し、ＲまたはＢフィルタの低透過フィルタを第２のフォトダイオードＰＤ１に割り当てることがでる。
この構成により、単一のフォトダイオードＰＤ０の信号応答範囲を十分に拡張して、大幅な画素縮小を伴うすべての画素の色再現性を確保できる。
この構成により、単一のフォトダイオードＰＤ０の信号応答範囲を十分に拡張して、大幅な画素縮小を伴うすべての画素の色再現性を確保できる。
【0109】
マイクロ レンズは個々のフォトダイオードＰＤに対してカバーされているため、各マイクロレンズＭＬサイズは個々のカラーフィルタの透過性に対して最適化されている。これは、１つの共有ＰＤの飽和が、より高い応答性を持つことによってより拡張できるためである。
【0110】
また、共有ＦＤ構造のため、フォトダイオードＰＤ間発生する色信号のクロストークを防ぐことができる、部分的に開いたフルＤＴＩを備えたＢＳＩ (Back Sided Isolation) 構造上に画素（ピクセル）を形成することができる。
【0111】
以上に、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素や画素部のカラーフィルタマトリックス等の特徴的な構成の概要を説明した。
以下に、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの信号読み出し形態、共有画素構造や配列等の構成、機能等の詳細について順を追って説明する。
以下に、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの信号読み出し形態、共有画素構造や配列等の構成、機能等の詳細について順を追って説明する。
【0112】
（信号読み出し形態例）
まず、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの信号読み出し形態例について説明する。
まず、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの信号読み出し形態例について説明する。
【0113】
本第２の実施形態において、固体撮像装置１０Ａは、画素部２０Ａにおいて、画素として光電変換読み出し部２１０Ａ、ＡＤ（アナログデジタル）変換部２２０、およびメモリ部２３０を含み、たとえば積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている。なお、固体撮像装置１０は、グローバルシャッタの動作機能を持つように構成されてもよい。
本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａにおいては、第１の実施形態の場合と同様に、各画素がＡＤ（アナログデジタル）変換機能を有しており、ＡＤ変換部は、光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、読み出される電圧信号ＶＳＬに対してアナログデジタル（ＡＤ）変換処理を行い、デジタル化した比較結果信号を出力する比較器（コンパレータ）を有している。
本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａにおいては、第１の実施形態の場合と同様に、各画素がＡＤ（アナログデジタル）変換機能を有しており、ＡＤ変換部は、光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、読み出される電圧信号ＶＳＬに対してアナログデジタル（ＡＤ）変換処理を行い、デジタル化した比較結果信号を出力する比較器（コンパレータ）を有している。
【0114】
比較器は、読み出し部７０の制御の下、蓄積期間（露光期間）に光電変換素子であるフォトダイオードＰＤから出力ノード（フローティングディフュージョン）に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第１の比較結果信号を出力する第１の比較処理と、蓄積期間後の転送期間に出力ノードに転送されたフォトダイオードＰＤ（光電変換素子）の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第２の比較結果信号を出力する第２の比較処理と、を行う。
【0115】
そして、本実施形態においては、第２の比較処理中に不規則な強い光がフォトダイオードＰＤ（光電変換素子）に入射したとしても、光電変換素子から不要な電荷をフローティングディフュージョンＦＤ領域外に放出し、光電変換素子からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローしてＦＤレベルが変動することを防止するシャッタゲート（ＳＧ）を有している。
これにより、第２の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもＦＤレベルが変動することを防止し、正常なＡＤ変換処理を実現可能に構成されている。
これにより、第２の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもＦＤレベルが変動することを防止し、正常なＡＤ変換処理を実現可能に構成されている。
【0116】
そして、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大し画素を実現することを可能とするため、読み出し部７０はデジタル画素からの画素信号の読み出し処理およびＡＤ変換処理後のデータ格納を以下のように実行する。
【0117】
固体撮像装置１０において、比較器は、読み出し部７０の制御の下、異なる光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能である。
より具体的には、比較器は、異なる２つのフォトダイオード（光電変換素子）ＰＤで一つの出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤを共有する一つの光電変換読み出し部（画素）に接続されており、同一の光電変換読み出し部内の異なるフォトダイオードＰＤの蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。
また、比較器は、それぞれ一つまたは複数（本例では２）のフォトダイオードＰＤを含む複数の光電変換読み出し部が選択的に接続されて、一つの比較器が複数の光電変換読み出し部で共有されており、異なる光電変換読み出し部内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。
より具体的には、比較器は、異なる２つのフォトダイオード（光電変換素子）ＰＤで一つの出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤを共有する一つの光電変換読み出し部（画素）に接続されており、同一の光電変換読み出し部内の異なるフォトダイオードＰＤの蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。
また、比較器は、それぞれ一つまたは複数（本例では２）のフォトダイオードＰＤを含む複数の光電変換読み出し部が選択的に接続されて、一つの比較器が複数の光電変換読み出し部で共有されており、異なる光電変換読み出し部内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。
【0118】
本実施形態において、読み出し部７０は、少なくとも第１の読み出しモードＲＭＤ１、第２の読み出しモードＲＭＤ２、第３の読み出しモードＲＭＤ３、および第４の読み出しモードＲＭＤ４の４系統の読み出しモードうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しが可能である。
【0119】
読み出し部７０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部から出力ノード（フローティングディフュージョン）の第２電荷量に応じた第２変換利得（たとえば低変換利得：ＬＣＧ）で変換した読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
【0120】
または、読み出し部７０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部から出力ノード（フローティングディフュージョン）の第１電荷量に応じた第１変換利得（たとえば高変換利得：ＨＣＧ）で変換した読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
【0121】
読み出し部７０は、第２の読み出しモードＲＭＤ２時には、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器で第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、利得切換部により利得を切り換えて、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、利得切換部により利得を切り換えて、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
【0122】
読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１のリセット期間ＰＲ１後の第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第２の読み出し期間ＰＲＤ２後の第２のリセット期間ＰＲ２に続く第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＳＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第２の読み出し期間ＰＲＤ２後の第２のリセット期間ＰＲ２に続く第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＳＤを行うことが可能である。
【0123】
読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合であって、オーバーフロー電荷によって出力ノード（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位が変動し比較器の出力が反転するまでの時間をクロックで数えて信号量を予測し、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第２の読み出し期間ＰＲＤ２後の第２のリセット期間ＰＲ２に続く第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＳＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部７０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第２の読み出し期間ＰＲＤ２後の第２のリセット期間ＰＲ２に続く第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＳＤを行うことが可能である。
【0124】
以下、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要、特に、画素部２０および画素の構成および機能、それらに関連した読み出し処理等について詳述する。
【0125】
（共有画素２００Ａの構成例）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素の回路例を示している。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素の回路例を示している。
【0126】
前述したように、本第２の実施形態に係る共有画素２００Ａは、光電変換読み出し部２１０Ａ、ＡＤ変換部２２０、およびメモリ部２３０を含んで構成されている。
本第１の実施形態の画素部２０は、第１の基板１１０と第２の基板１２０の積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されるが、本例では、図３に示すように、第１の基板１１０に光電変換読み出し部２１０が形成され、第２の基板１２０にＡＤ変換部２２０およびメモリ部２３０が形成されている。
本第１の実施形態の画素部２０は、第１の基板１１０と第２の基板１２０の積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されるが、本例では、図３に示すように、第１の基板１１０に光電変換読み出し部２１０が形成され、第２の基板１２０にＡＤ変換部２２０およびメモリ部２３０が形成されている。
【0127】
共有画素２００Ａの光電変換読み出し部２１０Ａは、２つのフォトダイオード（光電変換素子）と１つの画素内アンプとを含んで構成される。
具体的には、この光電変換読み出し部２１０は、たとえば第１の光電変換素子である第１のフォトダイオードＰＤ０、および第２の光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１を有する。
本第２の実施形態の共有画素２００Ａは、第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１が、出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤを共有している。
具体的には、この光電変換読み出し部２１０は、たとえば第１の光電変換素子である第１のフォトダイオードＰＤ０、および第２の光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１を有する。
本第２の実施形態の共有画素２００Ａは、第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１が、出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤを共有している。
【0128】
第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する。
第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０とフローティングディフュージョンＦＤとの間に第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが接続され、蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間に第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが接続されている。
また、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが接続され、蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間に第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが接続されている。
第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０とフローティングディフュージョンＦＤとの間に第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが接続され、蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間に第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが接続されている。
また、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが接続され、蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間に第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが接続されている。
【0129】
そして、光電変換読み出し部２１０は、一つの出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤに対応して、リセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、蓄積素子としての蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒ、蓄積容量素子としての蓄積キャパシタＣＳ、および読み出しノードＮＤ１をそれぞれ一つずつ有する。
なお、光電変換読み出し部２１０は、さらに選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ-Ｔｒを有する構成をとり得る。
なお、光電変換読み出し部２１０は、さらに選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ-Ｔｒを有する構成をとり得る。
【0130】
そして、本第１の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒおよび読み出しノードＮＤ１を含んで出力バッファ部２１１が構成されている。
また、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒおよび蓄積キャパシタＣＳを含んで利得切換部２１２が構成されている。
また、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒおよび蓄積キャパシタＣＳを含んで利得切換部２１２が構成されている。
【0131】
本第２の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０Ａは、出力バッファ部２１１の読み出しノードＮＤ１がＡＤ変換部２２０の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部２１０Ａは、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬをＡＤ変換部２２０に出力する。
光電変換読み出し部２１０Ａは、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬをＡＤ変換部２２０に出力する。
【0132】
本第２の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０Ａは、読み出し部７０の制御の下、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しを行う。
光電変換読み出し部２１０は、続いて、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して第１の読み出しモードＲＭＤ１または第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行う。
本第２の実施形態においては、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しを行い、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行う。
光電変換読み出し部２１０は、続いて、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して第１の読み出しモードＲＭＤ１または第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行う。
本第２の実施形態においては、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しを行い、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行う。
【0133】
たとえば、前述したように、光電変換読み出し部２１０Ａは、ＡＤ変換部２２０の第１の比較処理期間ＰＣＭＰ１において、蓄積期間ＰＩに光電変換素子であるフォトダイオードＰＤ０から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号ＶＳＬを出力する。
【0134】
さらに、光電変換読み出し部２１０Ａは、ＡＤ変換部２２０の第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、蓄積期間ＰＩ後の転送期間ＰＴに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤに転送されたフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に応じた電圧信号ＶＳＬを出力する。
光電変換読み出し部２１０は、第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)（ＶＲＳＴ）および読み出し信号(信号電圧)（ＶＳＩＧ）をＡＤ変換部２２０に出力する。
光電変換読み出し部２１０は、第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)（ＶＲＳＴ）および読み出し信号(信号電圧)（ＶＳＩＧ）をＡＤ変換部２２０に出力する。
【0135】
第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１は、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
各共有画素２００Ａにおいて、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による界面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
各共有画素２００Ａにおいて、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による界面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
【0136】
光電変換読み出し部２１０Ａの第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０とフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧ０により制御される。
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、制御信号ＴＧ０がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、第１のフォトダイオードＰＤ０およびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、制御信号ＴＧ０がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第１の転送トランジスタＴＧ０―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、制御信号ＴＧ０がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、第１のフォトダイオードＰＤ０およびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、制御信号ＴＧ０がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第１の転送トランジスタＴＧ０―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。
【0137】
第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号ＳＧ０により制御される。
第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、制御信号ＳＧ０がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸ間にアンチブルーミングとしての電荷放出（排出）パスを形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。
第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、制御信号ＳＧ０がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸ間にアンチブルーミングとしての電荷放出（排出）パスを形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。
【0138】
このように、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒと第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。
【0139】
光電変換読み出し部２１０Ａの第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１とフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧ１により制御される。
第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、第２のフォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位ＶＡＡＰＩＸに溢れ出す。
第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、第２のフォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位ＶＡＡＰＩＸに溢れ出す。
【0140】
第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号ＳＧ１により制御される。
第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、制御信号ＳＧ１がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１の電荷蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸ間にアンチブルーミングとしての電荷放出（排出）パス（経路）を形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。
第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、制御信号ＳＧ１がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１の電荷蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸ間にアンチブルーミングとしての電荷放出（排出）パス（経路）を形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。
【0141】
このように、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒと第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。
【0142】
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電源電圧ＶＡＡＰＩＸの電源線ＶaapixとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴにより制御される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源電圧ＶＡＡＰＩＸの電源線Ｖaapixの電位（Ｖrst）にリセットする。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源電圧ＶＡＡＰＩＸの電源線Ｖaapixの電位（Ｖrst）にリセットする。
【0143】
蓄積トランジスタＢＩＮ―Ｔｒは、フローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタＲＳＴ―Ｔｒとの間に接続され、その接続ノードＮＤ２と基準電位ＶＳＳとの間に蓄積キャパシタＣＳが接続されている。
蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮにより制御される。
蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積キャパシタＣＳとを接続する。
蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮにより制御される。
蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積キャパシタＣＳとを接続する。
【0144】
第１変換利得信号読み出し処理ＨＣＧＳＲＤ時には、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは非導通状態に保持され、出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷を分離させて読み出し処理が実行される。
第２変換利得信号読み出し処理ＬＣＧＳＲＤ時には、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは導通状態に保持され、出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて読み出し処理が実行される。
第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤ時には、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒおよび蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒが導通状態に保持され、出力ノードＮＤであるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷をクリアさせて読み出し処理が実行される。
第２変換利得信号読み出し処理ＬＣＧＳＲＤ時には、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは導通状態に保持され、出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて読み出し処理が実行される。
第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤ時には、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒおよび蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒが導通状態に保持され、出力ノードＮＤであるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷をクリアさせて読み出し処理が実行される。
【0145】
ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒは、ソースが読み出しノードＮＤ１に接続され、ドレイン側が電源線Ｖaapixに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。
そして、出力バッファ部２１１を形成する出力ノードＮＤ１は、ＡＤ変換部２２０の入力部に接続された信号線ＬＳＧＮ１に接続されている。
読み出しノードＮＤ１が接続された信号線ＬＳＧＮ１と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのゲートは制御信号ＶＢＮＰＩＸの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ１とＡＤ変換部２２０の入力部間の信号線ＬＳＧＮ１は、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒにより駆動される。
そして、出力バッファ部２１１を形成する出力ノードＮＤ１は、ＡＤ変換部２２０の入力部に接続された信号線ＬＳＧＮ１に接続されている。
読み出しノードＮＤ１が接続された信号線ＬＳＧＮ１と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのゲートは制御信号ＶＢＮＰＩＸの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ１とＡＤ変換部２２０の入力部間の信号線ＬＳＧＮ１は、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒにより駆動される。
【0146】
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ下には第１のフォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤにいたるオーバーフローＯＶＰが形成される。
なお、オーバーフローパスＯＶＰの電位は、たとえばゲート制御により行うことも可能である。
なお、オーバーフローパスＯＶＰの電位は、たとえばゲート制御により行うことも可能である。
【0147】
一方、第２の転送トランジスタＴＧ１-Ｔｒのゲート電極２１１０，および第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒのゲート電極２１１１が形成されている。
第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒ下にはフォトダイオードＰＤ０からｎ＋層２１０７にいたる電荷放出パスＤＭＰが形成される。
第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒ下にはフォトダイオードＰＤ０からｎ＋層２１０７にいたる電荷放出パスＤＭＰが形成される。
【0148】
このような構造において、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第１の転送トランジスタＴＧ０―Ｔｒ下のオーバーフローパスＯＶＰを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。
比較器２２１の第１の比較処理ＣＭＰＲ１ではオーバーフロー電荷が使用される。
比較器２２１の第１の比較処理ＣＭＰＲ１ではオーバーフロー電荷が使用される。
【0149】
これに対して、ＡＤ変換の第２の比較処理中に、不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射すると、フォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローして出力ノードであるフローティングディフュージョンＦＤのレベルが変動してしまい、正常なＡＤ変換処理を実現できないおそれがある。
そこで、本実施形態においては、第２の比較処理中に不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射したとしても、第１のフォトダイオードＰＤ０から不要な電荷をフローティングディフュージョンＦＤ領域外に放出し、第１のフォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローしてＦＤレベルが変動することを防止する第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒを有している。
これにより、第２の比較処理中に、不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射したとしてもＦＤレベルが変動することを防止し、正常なＡＤ変換処理を実現可能に構成されている。
そこで、本実施形態においては、第２の比較処理中に不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射したとしても、第１のフォトダイオードＰＤ０から不要な電荷をフローティングディフュージョンＦＤ領域外に放出し、第１のフォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローしてＦＤレベルが変動することを防止する第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒを有している。
これにより、第２の比較処理中に、不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射したとしてもＦＤレベルが変動することを防止し、正常なＡＤ変換処理を実現可能に構成されている。
【0150】
このような２組の第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送ゲートトランジスタＴＧ０－Ｔｒ、および第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、並びに、第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送ゲートトランジスタＴＧ１－Ｔｒ、および第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒにより一つの出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤを共有する画素２００の光電変換読み出し部２１０は、ダイナミックレンジを向上させるために、対応する読み出しモードに応じて、フォトダイオードＰＤの容量を異ならせている。
本第２の実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われ、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して、たとえば第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行うことに対応して、同一の光電変換読み出し部２１０内に形成された第１のフォトダイオードＰＤ０の容量が同一光電変換読み出し部２１０内に隣接して形成された第２のフォトダイオードＰＤ１の容量より小さく形成されている。
本第２の実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われ、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して、たとえば第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行うことに対応して、同一の光電変換読み出し部２１０内に形成された第１のフォトダイオードＰＤ０の容量が同一光電変換読み出し部２１０内に隣接して形成された第２のフォトダイオードＰＤ１の容量より小さく形成されている。
【0151】
第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０のＦＷＣはＦＤ飽和によって制限され、フォトダイオード自身のＦＷＣ(Full Well Capacity)には制限されない。
一方、第１の読み出しモードＲＭＤ１等による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ１のＦＷＣはフォトダイオードのＦＷＣに制限される。
したがって、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０はＦＷＣが小さくなるように形成され、第１の読み出しモードＲＭＤ１等による読み出しが行われる第２のフォトダイオードＰＤ１はＦＷＣが大きくなるように形成される。
一方、第１の読み出しモードＲＭＤ１等による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ１のＦＷＣはフォトダイオードのＦＷＣに制限される。
したがって、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０はＦＷＣが小さくなるように形成され、第１の読み出しモードＲＭＤ１等による読み出しが行われる第２のフォトダイオードＰＤ１はＦＷＣが大きくなるように形成される。
【0152】
（ＰＤ０）：
また、画素セルＰＸＬＣの第１のフォトダイオードＰＤ０（ＭＱＰＤ）において、蓄積された電荷はＰＤノードＰＮＤ０に蓄積され、オーバーフローした電荷はＦＤノードに蓄積される。そのため、飽和信号はＰＤのＦＷＣではなくＦＤ飽和によって制限される。
したがって、第１のフォトダイオードＰＤ０（ＭＱＰＤ）はＦＷＣを小さく構成され、第２のフォトダイオードＰＤ１（ＳＱＰＤ）はＦＷＣを大きく構成される。
光電荷は、それぞれの信号全体を変換するために、異なるゲインで少なくとも２回読み取ることができる。
また、画素セルＰＸＬＣの第１のフォトダイオードＰＤ０（ＭＱＰＤ）において、蓄積された電荷はＰＤノードＰＮＤ０に蓄積され、オーバーフローした電荷はＦＤノードに蓄積される。そのため、飽和信号はＰＤのＦＷＣではなくＦＤ飽和によって制限される。
したがって、第１のフォトダイオードＰＤ０（ＭＱＰＤ）はＦＷＣを小さく構成され、第２のフォトダイオードＰＤ１（ＳＱＰＤ）はＦＷＣを大きく構成される。
光電荷は、それぞれの信号全体を変換するために、異なるゲインで少なくとも２回読み取ることができる。
【0153】
（ＰＤ１）：
第２のフォトダイオードＰＤ１（ＳＱＰＤ）において、蓄積された電荷はＰＤノードＰＮＤ１に蓄積され、オーバーフローした電荷は電荷放出パスＤＭＰを通してドレインノードに排出される。
したがって、飽和信号はＦＤのＦＷＣではなくＰＤ飽和によって制限される。したがって、ＰＤはＦＷＣを小さく構成され、ＳＱＰＤはＦＷＣを大きく構成される。
第２のフォトダイオードＰＤ１（ＳＱＰＤ）において、蓄積された電荷はＰＤノードＰＮＤ１に蓄積され、オーバーフローした電荷は電荷放出パスＤＭＰを通してドレインノードに排出される。
したがって、飽和信号はＦＤのＦＷＣではなくＰＤ飽和によって制限される。したがって、ＰＤはＦＷＣを小さく構成され、ＳＱＰＤはＦＷＣを大きく構成される。
【0154】
図８（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素に採用可能な読み出し動作例を示す図であって、共有画素の回路例、タイミングチャート、およびポテンシャル遷移を関連付けて示す図である。
【0155】
この例では、電荷蓄積期間を経過した後、まず、第１のフォトダイオードＰＤ０を読み出し対象としてＬＯＦＩＣによるデュワル変換利得動作が行われる。
具体的には、第１のフォトダイオードＰＤ０に対し、高変換利得リセット信号読み出し処理ＨＣＧＲＳＴ（ＰＤ０）、高変換利得輝度信号読み出し処理ＨＣＧＳＩＧ（ＰＤ０）、および低変換利得輝度信号読み出し処理ＬＣＧＳＩＧ（ＰＤ０）が順を追って行われる。
具体的には、第１のフォトダイオードＰＤ０に対し、高変換利得リセット信号読み出し処理ＨＣＧＲＳＴ（ＰＤ０）、高変換利得輝度信号読み出し処理ＨＣＧＳＩＧ（ＰＤ０）、および低変換利得輝度信号読み出し処理ＬＣＧＳＩＧ（ＰＤ０）が順を追って行われる。
【0156】
次に、第２のフォトダイオードＰＤ１を読み出し対象としてＳEＨＤＲによるデュワル変換利得動作が行われる。
まず、第１のフォトダイオードＰＤ０または第２のフォトダイオードＰＤ１に対し、低変換利得リセット信号読み出し処理ＬＣＧＲＳＴ（ＰＤ０/１）が行われた後、高変換利得リセット信号読み出し処理ＨＣＧＲＳＴ（ＰＤ１）、高変換利得輝度信号読み出し処理ＨＣＧＳＩＧ（ＰＤ１）、および低変換利得輝度信号読み出し処理ＬＣＧＳＩＧ（ＰＤ１）が順を追って行われる。
まず、第１のフォトダイオードＰＤ０または第２のフォトダイオードＰＤ１に対し、低変換利得リセット信号読み出し処理ＬＣＧＲＳＴ（ＰＤ０/１）が行われた後、高変換利得リセット信号読み出し処理ＨＣＧＲＳＴ（ＰＤ１）、高変換利得輝度信号読み出し処理ＨＣＧＳＩＧ（ＰＤ１）、および低変換利得輝度信号読み出し処理ＬＣＧＳＩＧ（ＰＤ１）が順を追って行われる。
【0157】
次に、ＦＤ共有型ＰＤの光電荷状態について説明する。
図９は、ＦＤ共有型ＰＤの光電荷状態についてポテンシャル遷移に関連付けて説明するための図である。
図９は、ＦＤ共有型ＰＤの光電荷状態についてポテンシャル遷移に関連付けて説明するための図である。
【0158】
この例では、「Ｗ」ピクセルの応答性 [e-/lux] は４倍高いと推定され、フローティングディフュージョンＦＤ（ＦＤノード）の蓄積電荷 (Ｑｆｄ) も４倍であると推定される。
次に、Ｗの高い透過度フィルタの飽和点 [lux] を拡張して、飽和点を等しくする。
この例では、クリア (白) フィルタのオーバーフロー電荷をフローティングディフュージョンＦＤ（ＦＤノード）に保存できる。
Ｒ/Ｂのオーバーフロー電荷は、露光中にＦＤノードにカップリングされず、読み出し期間のみ、ＲとＧがＦＤノードに結合される。
次に、Ｗの高い透過度フィルタの飽和点 [lux] を拡張して、飽和点を等しくする。
この例では、クリア (白) フィルタのオーバーフロー電荷をフローティングディフュージョンＦＤ（ＦＤノード）に保存できる。
Ｒ/Ｂのオーバーフロー電荷は、露光中にＦＤノードにカップリングされず、読み出し期間のみ、ＲとＧがＦＤノードに結合される。
【0159】
次に、共有ＦＤ構造とカラーマトリックス補間を使用したＲＷＷＢ（ＲＣＣＢ）等の構成での光応答例について説明する。
図１０（Ａ）および（Ｂ）は、共有ＦＤ構造とカラーマトリックス補間を使用したＲＷＷＢ（ＲＣＣＢ）構成での光応答例について説明するための図である。
図１０（Ａ）は光応答特性の一例を示し、図１０（Ｂ）はＲＷＷＢ（ＲＣＣＢ）のカラーマトリックスでの補間例を示している。
図１０（Ａ）および（Ｂ）は、通常のカラーフィルタの透過率、並びに、Ｇフィルタの透過率を示す図である。
図１０（Ａ）および（Ｂ）は、共有ＦＤ構造とカラーマトリックス補間を使用したＲＷＷＢ（ＲＣＣＢ）構成での光応答例について説明するための図である。
図１０（Ａ）は光応答特性の一例を示し、図１０（Ｂ）はＲＷＷＢ（ＲＣＣＢ）のカラーマトリックスでの補間例を示している。
図１０（Ａ）および（Ｂ）は、通常のカラーフィルタの透過率、並びに、Ｇフィルタの透過率を示す図である。
【0160】
図１０の構成では、図１０（Ａ）に示すように、Ｗのダイナミックレンジは、マイクロレンズＭＬの最適化により拡張する。
また、図１０（Ｂ）のカラーマトリックスの補間処理では、Ｗ（Ｃ），Ｂ，Ｒを使用して、演算Ｇ＝Ｗ－Ｂ－Ｒをすることにより、グリーンＧフィルタの性能を、オリジナルのＧフィルタの性能に近い性能まで再生することができる。
また、図１０（Ｂ）のカラーマトリックスの補間処理では、Ｗ（Ｃ），Ｂ，Ｒを使用して、演算Ｇ＝Ｗ－Ｂ－Ｒをすることにより、グリーンＧフィルタの性能を、オリジナルのＧフィルタの性能に近い性能まで再生することができる。
【0161】
次に、第２の実施形態における２画素信号の読み出し動作方法についてさらに説明する。
共有画素に採用可能な読み出し動作方法としては、たとえば、第１のケース、第２のケース、および第３のケースに適用可能な方法を例示することができる。
共有画素に採用可能な読み出し動作方法としては、たとえば、第１のケース、第２のケース、および第３のケースに適用可能な方法を例示することができる。
【0162】
第１のケースは、全画素読み出しまたはビニング時に適用される。読み出し利得（ゲイン）はシングル利得で高変換利得（第１の変換利得）ＨＣＧまたは低変換利得（第２の変換利得）ＬＣＧのいずれかが適用される。
この場合の読み出し対象は、第１のフォトダイオードＰＤ０または第２のフォトダイオードＰＤ１のいずれかである。
この場合の読み出し対象は、第１のフォトダイオードＰＤ０または第２のフォトダイオードＰＤ１のいずれかである。
【0163】
第２のケースは、単一露光（シングルエクスポージャー）のハイダイナミックレンジ（SEHDR）パフォーマンス時に適用される。読み出し利得（ゲイン）はデュワル変換利得で高変換利得（第１の変換利得）ＨＣＧおよび低変換利得（第２の変換利得）ＬＣＧの両利得が適用される。
この場合の読み出し対象は、第１に第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷を高変換利得ＨＣＧで読み出し、第２に第２のフォトダイオードＰＤ１の電荷を低変換利得ＬＣＧで読み出す。
この場合の読み出し対象は、第１に第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷を高変換利得ＨＣＧで読み出し、第２に第２のフォトダイオードＰＤ１の電荷を低変換利得ＬＣＧで読み出す。
【0164】
第３のケースは、ＬＯＦＩＣモード時に適用される。読み出し利得（ゲイン）はデュワル変換利得で高変換利得（第１の変換利得）ＨＣＧおよび低変換利得（第２の変換利得）ＬＣＧの両利得が適用される。
この場合の読み出し対象は、第１に第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷を高変換利得ＨＣＧで読み出し、第２にフローティングディフュージョンＦＤの電荷を低変換利得ＬＣＧで読み出す。
この場合の読み出し対象は、第１に第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷を高変換利得ＨＣＧで読み出し、第２にフローティングディフュージョンＦＤの電荷を低変換利得ＬＣＧで読み出す。
【0165】
以上、第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａとして、2つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１で１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する共有画素を含む固体撮像装置の特徴的な構成、機能について説明した。
以下に、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの効果について図１１に関連付けて説明する。
なお、図１１において、符号１は1,小さい上で応答性を下げて延長する飽和点を示し、符号２は応答性であって「W」の PD がさらに増加することを示し、符号３は感度を上げてもリニアなフォトレスポンスが飽和点まで維持されることを示している。
以下に、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの効果について図１１に関連付けて説明する。
なお、図１１において、符号１は1,小さい上で応答性を下げて延長する飽和点を示し、符号２は応答性であって「W」の PD がさらに増加することを示し、符号３は感度を上げてもリニアなフォトレスポンスが飽和点まで維持されることを示している。
【0166】
（第２の実施形態の効果）
以上の構成により、下部透明(R-B) カラー マトリックスの飽和点は、W フィルタの特性によって制限される。
Ｗ（クリア）フィルタでより高い透明度を提供するＲＢ（W）フィルタ構成の場合、飽和点はWフィルタによって制限される。そのため、逆に色再現性を確保するための最高照度を下げている。
オーバーフロー電荷蓄積が ＦＤ で発生した ＦＤ共有 ＰＤ では、最高の透過性 ＰＤ に対してフルウェル容量を拡張することができる。
以上の構成により、下部透明(R-B) カラー マトリックスの飽和点は、W フィルタの特性によって制限される。
Ｗ（クリア）フィルタでより高い透明度を提供するＲＢ（W）フィルタ構成の場合、飽和点はWフィルタによって制限される。そのため、逆に色再現性を確保するための最高照度を下げている。
オーバーフロー電荷蓄積が ＦＤ で発生した ＦＤ共有 ＰＤ では、最高の透過性 ＰＤ に対してフルウェル容量を拡張することができる。
【0167】
本第２の実施形態では、より高い応答性を得ることができ、優れた色再現性を備えたより高いダイナミックレンジでより高い低照度ＳＮＲ 性能を得ることができる。
さらに、従来のデュアルサイズＰＤやＬＯＦＩＣ構成に比べて、ＦＤやゲインバッファなどの画素回路構成部品の一部を共通化して彩度を高くできるため、画素サイズを小さくして高解像度化が可能となる。
さらに、従来のデュアルサイズＰＤやＬＯＦＩＣ構成に比べて、ＦＤやゲインバッファなどの画素回路構成部品の一部を共通化して彩度を高くできるため、画素サイズを小さくして高解像度化が可能となる。
【0168】
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
【0169】
本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの共有画素２００Ｂが上述した第2
の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａと異なる点は、次の通りである。
の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａと異なる点は、次の通りである。
【0170】
第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａは、２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１で１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒに接続された第１のフォトダイオードＰＤ０と、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続された第２のフォトダイオードＰＤ１と、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒおよび第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、第１のフォトダイオードＰＤ０に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒと、第２のフォトダイオードＰＤ１に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒとを備えている。
そして、第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａにおいて、第１のフォトダイオードＰＤ０からの第１の飽和信号ＳＡＴ０は、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒを介してフローティングディフュージョンＦＤに完全にオーバーフローし、第２のフォトダイオードＰＤ１からの第２の飽和信号ＳＡＴ１は第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒを介して排出される。
第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒに接続された第１のフォトダイオードＰＤ０と、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続された第２のフォトダイオードＰＤ１と、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒおよび第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、第１のフォトダイオードＰＤ０に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒと、第２のフォトダイオードＰＤ１に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒとを備えている。
そして、第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの共有画素２００Ａにおいて、第１のフォトダイオードＰＤ０からの第１の飽和信号ＳＡＴ０は、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒを介してフローティングディフュージョンＦＤに完全にオーバーフローし、第２のフォトダイオードＰＤ１からの第２の飽和信号ＳＡＴ１は第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒを介して排出される。
【0171】
そして、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの共有画素２００Ｂは、２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１に、さらに２つのフォトダイオードＰＤ２、ＰＤ３を加えた４つのフォトダイオードＰＤ０～ＰＤ３で１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
具体的には、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂは、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒに接続された第１のフォトダイオードＰＤ０と、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続された第２のフォトダイオードＰＤ１と、第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒに接続された第３のフォトダイオードＰＤ２と、第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒに接続された第４のフォトダイオードＰＤ３と、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒ、および第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒに接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、第１のフォトダイオードＰＤ０に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒと、第２のフォトダイオードＰＤ１に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒと、第３のフォトダイオードＰＤ２に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒと、第４のフォトダイオードＰＤ３に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒとを備えている。
具体的には、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂは、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒに接続された第１のフォトダイオードＰＤ０と、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒに接続された第２のフォトダイオードＰＤ１と、第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒに接続された第３のフォトダイオードＰＤ２と、第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒに接続された第４のフォトダイオードＰＤ３と、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒ、および第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒに接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、第１のフォトダイオードＰＤ０に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒと、第２のフォトダイオードＰＤ１に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒと、第３のフォトダイオードＰＤ２に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒと、第４のフォトダイオードＰＤ３に接続されたアンチブルーミングゲートとしての第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒとを備えている。
【0172】
このように、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの共有画素２００Ｂは、第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒおよび第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒにそれぞれ結合された第３のフォトダイオードＰＤ２および第４のフォトダイオードＰＤ３をさらに備えている。
ＦＤ共有画素２００Ｂのレイアウトは、第１のフォトダイオードＰＤ０，第２のフォトダイオードＰＤ１、第３のフォトダイオードＰＤ２、および第４のフォトダイオードＰＤ３を含んで形成され、ＰＤ０～ＰＤ３の飽和信号ＳＡＴ０～ＳＡＴ３のすべてがフローティングディフュージョンＦＤに完全に転送（オーバーフロー)され、転送トランジスタＴＧ（シャッタゲートトランジスタＳＧ）の反対側は、それ自体のオーバーフロー電荷をドレインに排出することができる。
また、ＰＤ０～ＰＤ３の飽和信号ＳＡＴ０～ＳＡＴ３の少なくとも１つがフローティングディフュージョンＦＤに完全に転送（オーバーフロー）されるように構成されているが、転送トランジスタＴＧ(シャッタゲートトランジスタＳＧ)の反対側はそれ自体のオーバーフロー電荷をドレインに排出できる。
ＦＤ共有画素２００Ｂのレイアウトは、第１のフォトダイオードＰＤ０，第２のフォトダイオードＰＤ１、第３のフォトダイオードＰＤ２、および第４のフォトダイオードＰＤ３を含んで形成され、ＰＤ０～ＰＤ３の飽和信号ＳＡＴ０～ＳＡＴ３のすべてがフローティングディフュージョンＦＤに完全に転送（オーバーフロー)され、転送トランジスタＴＧ（シャッタゲートトランジスタＳＧ）の反対側は、それ自体のオーバーフロー電荷をドレインに排出することができる。
また、ＰＤ０～ＰＤ３の飽和信号ＳＡＴ０～ＳＡＴ３の少なくとも１つがフローティングディフュージョンＦＤに完全に転送（オーバーフロー）されるように構成されているが、転送トランジスタＴＧ(シャッタゲートトランジスタＳＧ)の反対側はそれ自体のオーバーフロー電荷をドレインに排出できる。
【0173】
共有画素２００Ｂは、各ＰＤ０～ＰＤ３にはそれぞれ２つの電荷転送用トランジスタが接続されており、蓄積された電荷を排出し、蓄積時間を個別に制御できる。
また、共有画素２００Ａは、対応するＦＤ共有ＰＤ上にカラーフィルタが形成される。たとえば、ＲＧＢ,Ｇフィルタのカラーフィルタ構成は、ＦＤ共有ＰＤの２ｘ２ブロックに適用される。
また、共有ＦＤ構造のため、フォトダイオードＰＤ０～ＰＤ３間で発生する色信号のクロストークを防ぐことができるパーシャルフルＤＴＩを使用したＢＳＩ (Back Sided Isolations) 構造上にピクセルを形成することができる。
また、共有画素２００Ａは、対応するＦＤ共有ＰＤ上にカラーフィルタが形成される。たとえば、ＲＧＢ,Ｇフィルタのカラーフィルタ構成は、ＦＤ共有ＰＤの２ｘ２ブロックに適用される。
また、共有ＦＤ構造のため、フォトダイオードＰＤ０～ＰＤ３間で発生する色信号のクロストークを防ぐことができるパーシャルフルＤＴＩを使用したＢＳＩ (Back Sided Isolations) 構造上にピクセルを形成することができる。
【0174】
共有画素２００Ｂは、各光電変換素子を含む画素に対応するように配置されるカラーフィルタを含み、対応するオーバーフロー光電荷がフローティングディフュージョンＦＤに蓄積される１番目の第１の光電変換素子に感度の高い高透過カラーフィルタＷ（Ｃ）が適用され、感度のより低い透過カラーフィルタは、対応する光電荷が蓄積された読み出し信号を格納する２番目以降の第２の光電変換素子に適用され、感度の高い画素のオーバーフロー信号を拡張する場合に、感度の高い画素以外の画素のカラーフィルタを、Ｒ－Ｇ－Ｂ－ＩＲ、より低い透過カラーフィルタのいずれかに感度を持つものと組み合わせている。
【0175】
本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂにおいても、第１および第２の実施形態と同の構成を有することが可能である。すなわち、本第３の実施形態においても、透明度（透過率）の高いカラーフィルタ、たとえば(Ｗ)フィルタ に大きなサイズの マイクロレンズＭＬLを割り当て、透明度の低い、たとえば可視光域カラーフィルタ (Ｂ,Ｒ) に小さなサイズのマイクロレンズＭＬＳを割り当てて不均一にマイクロレンズＭＬを形成する。
また大きいサイズのマイクロレンズＭＬＬの下層のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
また大きいサイズのマイクロレンズＭＬＬの下層のカラーフィルタは、透明度の高い素材である必要がある。
【0176】
以下に、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの共有画素の構成や配列等、カラーマトリックスの構成、機能等について順を追って説明する。
【0177】
【0178】
図１３（Ａ）は、W-ＩＲ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
図１３（Ｂ）は、W-ＩＲ-Ｇ-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
図１３（Ｃ）は、W-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
図１４（Ａ）および（Ｂ）は、W-ＩＲ-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
図１３（Ｂ）は、W-ＩＲ-Ｇ-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
図１３（Ｃ）は、W-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
図１４（Ａ）および（Ｂ）は、W-ＩＲ-Ｂ-Ｒ画素を２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示している。
【0179】
また、図１５（Ａ）および（Ｂ）は、４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示している。
この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０は、カラーフィルタＩＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第３のフォトダイオードＰＤ２は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第４のフォトダイオードＰＤ３は、カラーフィルタＩＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０は、カラーフィルタＩＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第３のフォトダイオードＰＤ２は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第４のフォトダイオードＰＤ３は、カラーフィルタＩＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
【0180】
また、図１６（Ａ）および（Ｂ）は、４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示している。
可視光用ＶＩＳ: W-IRカラーマトリックスに対して可視光用ＶＩＳ読み取りのためのビニング処理を行うことにより可視画像マトリックスを取得する。
ＮＩＲ光用Ｗ-ＩＲマトリックスに対してＮＩＲ光用W－ＩＲ読み取りのためのビニング処理を行うことによりＮＩＲ画像マトリックスを取得する。
可視光用ＶＩＳ: W-IRカラーマトリックスに対して可視光用ＶＩＳ読み取りのためのビニング処理を行うことにより可視画像マトリックスを取得する。
ＮＩＲ光用Ｗ-ＩＲマトリックスに対してＮＩＲ光用W－ＩＲ読み取りのためのビニング処理を行うことによりＮＩＲ画像マトリックスを取得する。
【0181】
図１７（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素に採用可能なＬＯＦＩＣおよびＳＥＨＤＲの部分利用時の４共有ＰＤビニング読み出し動作例を示すタイミングチャートであって、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示してある。
【0182】
また、図１８（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置に採用可能なＬＯＦＩＣの部分利用時およびＳＥＨＤＲの読み出し動作例を示してある。
【0183】
共有画素に採用可能なＬＯＦＩＣおよびＳＥＨＤＲの部分利用時の読み出し動作方法としては、たとえば、図１８（Ａ）および（Ｂ）に記載のケースに適用可能な方法を例示することができる。
【0184】
【0185】
図１９（Ａ）および（Ｂ）は、４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの他の形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示している。
この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０は、カラーフィルタＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤのである。
第３のフォトダイオードＰＤ２は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第４のフォトダイオードＰＤ３は、カラーフィルタＢが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０は、カラーフィルタＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤのである。
第３のフォトダイオードＰＤ２は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第４のフォトダイオードＰＤ３は、カラーフィルタＢが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
【0186】
図２０（Ａ）および（Ｂ）は、４共有ＦＤピクセルであって、ＩＲ-Ｗ-ＩＲ-ＷのＲＧＢ-ＰＤ構成と共有されるＦＤを中心として２×２の正方配列したカラーマトリックスの他の形成例を示してあり、共有画素の読み出し回路例に関連付けて示している。
この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０は、カラーフィルタＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、カラーフィルタＩＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第３のフォトダイオードＰＤ２は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第４のフォトダイオードＰＤ３は、カラーフィルタＢが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０は、カラーフィルタＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、カラーフィルタＩＲが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
第３のフォトダイオードＰＤ２は、カラーフィルタＷが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤおよびＦＤである。
第４のフォトダイオードＰＤ３は、カラーフィルタＢが割り当てられ、電荷記憶の対象はＰＤのみである。
【0187】
ここで、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂとして、４つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１、ＰＤ２，ＰＤ３で１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する共有画素を含む固体撮像装置の特徴的な構成、機能についての概要を述べる。
【0188】
以上説明したように、本第３の実施形態によれば、共有ＦＤ ピクセル レイアウトは、1 番目、2 番目、3 番目、4 番目の フォトダイオードＰＤ０～ＰＤ３により構成され、ＰＤ飽和信号の少なくとも 1 つが フローティングディフュージョンＦＤに完全に転送 (オーバーフロー) されるように構成されている。一方、TG(AB) の反対側は自身のオーバーフロー電荷を排出できる。
画素は、ＦＤ共有ＰＤおよび第１および第２の実施形態で説明した他の構成要素から構成される。
各 ＰＤにはダンプドレインとコントロールゲートがあり、蓄積された電荷を排出して蓄積時間を個別に制御することができる。
カラーフィルタは、対応するＦＤ共有ＰＤ上に形成される。たとえば、少なくとも１つのＷフィルタにおけるカラーフィルタ構成が、ＦＤ共有ＰＤの２×２ブロックの１つに適用される。
画素は、ＦＤ共有ＰＤおよび第１および第２の実施形態で説明した他の構成要素から構成される。
各 ＰＤにはダンプドレインとコントロールゲートがあり、蓄積された電荷を排出して蓄積時間を個別に制御することができる。
カラーフィルタは、対応するＦＤ共有ＰＤ上に形成される。たとえば、少なくとも１つのＷフィルタにおけるカラーフィルタ構成が、ＦＤ共有ＰＤの２×２ブロックの１つに適用される。
【0189】
この構成により、共有 ＰＤ のビニング機能を使用できる。 さらに、オーバーフロー電荷は、2x2 ビニングでさらに完全に拡張された FD ノードに格納することができる。
読み出しシーケンスは、最初の PD 読み出し (Qpd0) 信号で開始でき、次にオーバーフロー信号 (Qfd) が続く。その後、2 番目の PD 信号 (Qpdq) の読み出しが続く。
したがって、光電荷の総量は、1st PD と 2nd PD がそれぞれ Qpd + Qfd と Qfd になる。そのため、ＦＤ共有 ＰＤ の 1st ＰＤ０ で飽和電荷量を伸ばすことができる。
各ピクセルのマイクロ レンズ (ML) が個々のＰＤ に適用され、大きなサイズの ML が高透明フィルタに配置され、高彩度 PD に割り当てられる。
読み出しシーケンスは、最初の PD 読み出し (Qpd0) 信号で開始でき、次にオーバーフロー信号 (Qfd) が続く。その後、2 番目の PD 信号 (Qpdq) の読み出しが続く。
したがって、光電荷の総量は、1st PD と 2nd PD がそれぞれ Qpd + Qfd と Qfd になる。そのため、ＦＤ共有 ＰＤ の 1st ＰＤ０ で飽和電荷量を伸ばすことができる。
各ピクセルのマイクロ レンズ (ML) が個々のＰＤ に適用され、大きなサイズの ML が高透明フィルタに配置され、高彩度 PD に割り当てられる。
【0190】
以下に、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの効果について図２１に関連付けて説明する。
【0191】
（第３の実施形態の効果）
本第３の実施形態では、飽和信号は、オーバーフロー電荷蓄積が起こったＦＤ共有ＰＤに対して拡張することができる。前述したように、ＦＤ拡張 ＰＤ にはより高い応答性が割り当てられ、より高い低照度 ＳＮＲ 性能とより高いダイナミック レンジの両方を得ることができる。
ＩＲ チャネルは基本的には（単一）量子化モードで動作する。
DR 要件が少ないことを考えると、 ＩＲチャネルの電荷オーバーフローパスは、アンチブルーミング ゲート(AB) を通過するように構成されている。
このゲートは、ＦＤのモノチャネルからのオーバーフロー電荷との混合を防ぐためのゲートである。
各フォトダイオード (ＰＤ) には独自の転送ゲート (TG) と AB ゲートの信号を駆動して、独立した露光時間制御が行われる。したがって、露光時間は2 つのチャネルは異なる場合があり、環境光と NIR プロジェクターがそれぞれ光を放出し、最適化することができる。
本第３の実施形態では、飽和信号は、オーバーフロー電荷蓄積が起こったＦＤ共有ＰＤに対して拡張することができる。前述したように、ＦＤ拡張 ＰＤ にはより高い応答性が割り当てられ、より高い低照度 ＳＮＲ 性能とより高いダイナミック レンジの両方を得ることができる。
ＩＲ チャネルは基本的には（単一）量子化モードで動作する。
DR 要件が少ないことを考えると、 ＩＲチャネルの電荷オーバーフローパスは、アンチブルーミング ゲート(AB) を通過するように構成されている。
このゲートは、ＦＤのモノチャネルからのオーバーフロー電荷との混合を防ぐためのゲートである。
各フォトダイオード (ＰＤ) には独自の転送ゲート (TG) と AB ゲートの信号を駆動して、独立した露光時間制御が行われる。したがって、露光時間は2 つのチャネルは異なる場合があり、環境光と NIR プロジェクターがそれぞれ光を放出し、最適化することができる。
【0192】
以上説明したように、本第３の実施形態に係る固体撮像装置は、従来のビニング方式と比較して、より高い低照度ＳＮＲ性能と、画素サイズのオーバーヘッドなしでより高いダイナミックレンジを実現するためのより高い応答性を達成できる。
【0193】
以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ，１０Ｂは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
【0194】
図２２は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載し
た電子機器の構成の一例を示す図である。
た電子機器の構成の一例を示す図である。
【0195】
本電子機器３００は、図２２に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０，１０Ａが適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ３１０を有する。
さらに、電子機器３００は、このＣＭＯＳイメージセンサ３１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）３２０を有する。
電子機器３００は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)３３０を有する。
さらに、電子機器３００は、このＣＭＯＳイメージセンサ３１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）３２０を有する。
電子機器３００は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)３３０を有する。
【0196】
信号処理回路３３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路３３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
信号処理回路３３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
【0197】
上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ，１０Ｂを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
【符号の説明】
【0198】
１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・固体撮像装置、２０・・・画素部、２００・・・画素、ＰＤ０・・・第１のフォトダイオード、ＰＤ１・・・第２のフォトダイオード、ＰＤ２・・・第３のフォトダイオード、ＰＤ３・・・第４のフォトダイオード、ＴＧ０－Ｔｒ・・・第１の転送トランジスタ、ＴＧ１－Ｔｒ・・・第２の転送トランジスタ、ＴＧ２－Ｔｒ・・・第３の転送トランジスタ、ＴＧ３－Ｔｒ・・・第４の転送トランジスタ、ＳＧ０－Ｔｒ・・・第１のシャッタゲートトランジスタ、ＳＧ１－Ｔｒ・・・第２のシャッタゲートトランジスタ、ＳＧ２－Ｔｒ・・・第３のシャッタゲートトランジスタ、ＳＧ３－Ｔｒ・・・第４のシャッタゲートトランジスタ、ＦD・・・フローティングディフュージョン、ＲＳＴ－Ｔｒ・・・リセットトランジスタ、ＳＦ－Ｔｒ・・・ソースフォロワトランジスタ、ＢＩＮ－Ｔｒ・・・蓄積トランジスタ、ＣＳ・・・蓄積キャパシタ、２２０・・・光電変換読み出し部、２３０・・・信号保持部、３０・・・垂直走査回路、４０・・・出力回路、５０・・・タイミング制御回路、６０・・・読み出し部、３００・・・電子機器、３１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、３２０・・・光学系、３３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】