JP4003734B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、入射光に応じて光発生電荷を生成する固体撮像装置及びその駆動方法に間する。

携帯電話などに搭載される固体撮像装置として、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサと、ＣＭＯＳ型のイメージセンサと、がある。ＣＣＤ型のイメージセンサは画質に優れ、ＣＭＯＳ型のイメージセンサは消費電力が少なく、プロセスコストが低い。近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置が提案されている。閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置については、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１の固体撮像装置は、単位画素をマトリクス状に配列し、初期化、蓄積、読み出しの３つの状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。また、特許文献１の固体撮像装置は、各単位画素が、フォトダイオードと、変調トランジスタと、オーバーフロードレインゲートと、を有している。変調トランジスタのゲートはリング状に形成されている。

フォトダイオードへ入射した光によって発生した電荷（光発生電荷）は、リングゲートの下方に設けられたＰ型ウェルの領域に転送されて、この領域に形成されたキャリアポケットに蓄積される。キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって変調トランジスタの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタのソース領域に接続された端子から入射光に対応した信号（画素信号）が得られるようになっている。

また、２次元固体撮像装置において、いわゆる電子シャッタ機構を実現するために、キャリア領域に蓄積された光発生電荷であるキャリアを、信号読み出し用トランジスタへ転送する場合に、全画素のキャリアを一括転送する技術が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−１３４７２９号公報 特開平６−７７４５５号公報

しかし、このような全画素一括転送技術を用いる場合、転送のために用いられるトランジスタをオンさせるために、相当量の電流駆動能力を有する電源回路が必要となるという問題があった。具体的には、転送時に瞬間的に必要となる電流は、簡略的には次の式で表される。

Ｑ＝Ｃｇ×Ｎ／ｔ．ｔｘ ・・・ 式（１）
ここで、Ｑは、必要電荷量、Ｃｇは、ゲート容量、Ｎは、画素数、ｔ．ｔｘは、転送に要する時間である。

ところが、固体撮像装置のチップには、面積的な制限があるため、大電流を必要とするような電源回路を固体撮像装置のチップ上に組み込むことは困難な場合がある。また、たとえ、大電流のための電源回路をチップ上に組込んでも、それによりチップサイズが大きくなり、一つのウエハから取れるチップ数が少なくなるので、チップ製造の上でコストを上昇させることに繋がる。さらに、例えばそのような電源回路を外付けタイプとすることも考えられるが、撮像モジュールとしてみた場合に、部品点数が増加するので、結果として撮像モジュールとしてのコストが上昇してしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、転送用トランジスタをオンさせるために必要となる最大電流供給量を減少させる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、入射光に応じて光発生電荷を生成する複数の画素をマトリクス状に配列し、撮像に用いられる有効画素領域と、該有効画素領域とは別に設けられる非有効画素領域とを有する固体撮像装置において、各画素は、前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、変調トランジスタと、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに転送する転送制御素子とを有し、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに前記転送制御素子によって転送する場合に、前記有効画素領域内の前記光発生電荷と、前記有効画素領域内の前記光発生電荷を含まない前記光発生電荷とを、少なくとも２回以上に分けて転送を行うようにした。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光に応じて光発生電荷を生成する複数の画素をマトリクス状に配列し、撮像に用いられる有効画素領域と、該有効画素領域とは別に設けられる非有効画素領域とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、各画素には、前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、変調トランジスタと、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに転送する転送制御素子とを設け、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに前記転送制御素子によって転送する場合に、前記有効画素領域内の前記光発生電荷を転送する工程と、前記有効画素領域内の前記光発生電荷を含まない前記光発生電荷を転送する工程を有する。

このような構成によれば、転送用トランジスタをオンさせるために必要となる最大電流供給量を減少させる固体撮像装置及びその駆動方法を実現することができる。

また、本発明の固体撮像装置において、前記転送は、２次元である前記マトリクス領域の一つの軸方向に少なくとも２つに分割された領域について行われ、１つの領域は、前記有効画素領域を含む第１の領域であり、他の領域は、前記有効画素領域を含まない第２の領域であることが望ましい。

また、本発明の固体撮像装置において、前記第１の領域内の前記光発生電荷は、一括転送されることが望ましい。

このような構成によれば、有効画素領域については一括転送するので、電子シャッタの機能は維持しながら、転送用トランジスタをオンさせるために必要となる最大電流供給量を減少させることができる。

また、本発明の固体撮像装置において、前記第２の領域内の前記光発生電荷は、一括転送されることが望ましい。

また、本発明の固体撮像装置において、前記第２の領域は、オプティカルブラック領域を含むことが望ましい。

このような構成によれば、電子シャッタの機能は維持しながら、全体の転送期間を短くすることができる。

また、本発明の固体撮像装置において、前記第１の領域は、オプティカルブラック領域を含み、該オプティカルブラック領域の前記光発生電荷の信号に基づいて黒レベルを決定することが望ましい。

このような構成によれば、有効画素領域と黒レベルを決定する非有効画素領域との暗出力の差は無くなり、その結果画質の良い画像を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１乃至図１１は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は本実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図である。図２は図１の１セルの平面形状を示す平面図である。図３は、有効画素領域と非有効画素領域を説明するための図である。図４は図２のＡ−Ａ'線で切断して断面を示す断面図である。図５は素子の全体構造を示すブロック図であり、図６はセンサセルの等価回路図である。図７は本実施の形態における各駆動期間の概略を説明するためのタイミングチャートである。図８は各駆動期間毎のポテンシャルの関係を示す説明図であり、図９は駆動シーケンス中の各期間における駆動電圧の変化を示す説明図である。図１０及び図１１は駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。

本実施の形態の固体撮像装置は、光電変換素子と、蓄積ウェルと、変調用ウェルと、変調トランジスタと、を含む。光電変換素子は、本実施の形態の場合、フォトダイオードである。蓄積ウェルは、光電変換素子形成領域に設けられ、光電変換素子によって発生した電荷（以下、光発生電荷という）を蓄積する。変調用ウェルは、変調トランジスタ形成領域に設けられ、蓄積ウェルから転送された光発生電荷を保持する。変調トランジスタは、変調用ウェルに保持された光発生電荷により閾値が変調され、それに基づく画素信号を出力する。

また、本実施の形態の固体撮像装置は、光発生電荷転送経路と、転送制御素子と、を含む。光発生電荷転送経路は、蓄積ウェルと変調用ウェルとの間に設けられる。光発生電荷は、光発生電荷転送経路を通って、蓄積ウェルから変調用ウェルに転送される。転送制御素子は、光発生電荷転送経路の電位障壁を制御し、光発生電荷を蓄積ウェルから変調用ウェルへと移動させる。転送制御素子は、本実施の形態の場合、転送トランジスタである。重要なことは、蓄積ウェルと変調用ウェルとは転送制御素子によってポテンシャル上分離独立されていることである。これにより、蓄積期間と読み出し期間（以下、ブランキング期間ともいう）とを同一期間内に設定することができ、その結果、フレームレートの高速化が図れる。

また、本実施の形態の固体撮像装置は、残留電荷排出経路と、残留電荷排出用のコンタクト領域と、残留電荷排出制御素子と、を含む。残留電荷排出経路は、変調用ウェルと残留電荷排出用のコンタクト領域との間であって、かつ、基板表面に沿ってほぼ水平に設けられる。残留電荷排出経路は、残留電荷排出用のコンタクト領域を介して、基板上に設けられた配線層に電気的に接続されている。変調用ウェルに残留した電荷（以下、残留電荷という）は、残留電荷排出経路を通って、変調用ウェルから残留電荷排出用のコンタクト領域に転送される。残留電荷排出用のコンタクト領域は、残留電荷排出経路の内に形成される。残留電荷排出制御素子は、残留電荷排出経路の電位障壁を制御し、残留電荷を変調用ウェルから配線層へと排出させる。残留電荷排出制御素子は、本実施の形態の場合、クリアトランジスタである。重要なことは、残留電荷が変調用ウェルから、直接、基板垂直下方に排出されないことである。すなわち、残留電荷は基板表面に沿ってほぼ水平に、すなわち基板ラテラル方向に移動させられ、その後、基板上に形成された配線層へと排出される。これにより、変調トランジスタ形成領域においてポテンシャルの設計の自由度を向上することができる。

さらに、本実施の形態の固体撮像装置は、不要電荷排出経路と、不要電荷排出用のコンタクト領域と、不要電荷排出制御素子と、を含む。不要電荷排出経路は、蓄積ウェルと不要電荷排出用のコンタクト領域との間であって、かつ、基板表面に沿ってほぼ水平に設けられる。不要電荷排出経路は、不要電荷排出用のコンタクト領域を介して、基板上に設けられた配線層に電気的に接続されている。蓄積ウェルに蓄積されずに該蓄積ウェルからオーバーフローし、かつ、画像信号に寄与しない不要な電荷（以下、不要電荷という）は、不要電荷排出経路を通って、蓄積ウェルから不要電荷排出用のコンタクト領域に転送される。不要電荷排出用のコンタクト領域は、不要電荷排出経路の内に形成される。不要電荷排出制御素子は、不要電荷排出経路の電位障壁を制御し、不要電荷を蓄積ウェルから配線層へと排出させる。不要電荷排出制御素子は、本実施の形態の場合、ラテラルオーバーフロードレイン（以下、ＬＯＤという）トランジスタである。重要なことは、不要電荷が蓄積ウェルおよび不要電荷排出用のコンタクト領域のいずれか一方から、直接、基板垂直下方に排出されないことである。すなわち、不要電荷は基板表面に沿ってほぼ水平に、すなわち基板ラテラル方向に移動させられ、その後、基板上に形成された配線層へと排出される。これにより、光電変換素子形成領域における不純物層の深さを深くして高画質化を図った場合でも、微細化を可能にすることができる。

本実施の形態は、蓄積の初期化のために、ＬＯＤトランジスタを用いて蓄積ウェルに蓄積されている不要電荷をコンタクト領域を介して排出する。不要電荷の排出期間を所定のラインの読み出しのためのブランキング期間と次のラインの読み出しのためのブランキング期間との間に設定することによって、画像信号の出力に遅延が生じない連続撮影を可能にするものである。

＜センサセルの構造＞
本実施の形態における固体撮像装置は、後述するように、単位画素であるセンサセルがマトリクス状に配列されて構成されたセンサセルアレイを有している。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで１画面の画像信号が得られる。

先ず、図１乃至図４を参照して各センサセルの構造について説明する。図１は水平３画素×垂直３画素のセンサセルを示し、図２は１つのセンサセルを示している。なお、１つのセンサセルは図２の破線にて示す範囲である。なお、本実施の形態は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。図３は、有効画素領域と非有効画素領域を説明するための図である。また、図４は図２のＡ−Ａ'線で切断したセルの断面構造を示している。

図１及び図２の平面図に示すように、単位画素であるセンサセル３内に、フォトダイオードＰＤと変調トランジスタＴＭとが隣接して設けられている。変調トランジスタＴＭとしては、例えば、ＮチャネルディプレッションＭＯＳトランジスタが用いられる。単位画素はほぼ長方形状を有し、その各辺は、センサセルアレイの列又は行方向に対して斜めに傾斜している。

光電変換素子形成領域であるフォトダイオードＰＤ形成領域（図４のＰＤ）においては、基板１の表面に開口領域２が形成され、基板１表面の比較的浅い位置には開口領域２よりも広い領域のＰ型のウェルである蓄積ウェル４が形成されている。この蓄積ウェル４に所定の距離だけ離間して、変調トランジスタＴＭ形成領域（図４のＦＰＷ）にＰ型のウェルである変調用ウェル５が形成されている。

変調用ウェル５上には、基板１表面にリング状のゲート（リングゲート）６が形成されており、リングゲート６の中央の開口部分の基板１表面近傍領域には、高濃度Ｎ型領域であるソース領域７が形成されている。リングゲート６の周囲にはＮ型のドレイン領域８が形成されている。ドレイン領域８の所定位置には、基板１表面近傍にＮ⁺層のドレインコンタクト領域９が形成される。

変調用ウェル５は変調トランジスタＴＭのチャネルの閾値電圧を制御するものである。変調用ウェル５内には、リングゲート６の下方にＰ型の高濃度領域であるキャリアポケット１０（図４）が形成されている。変調トランジスタＴＭは、変調用ウェル５、リングゲート６、ソース領域７及びドレイン領域８によって構成されて、変調用ウェル５（キャリアポケット１０）に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。

フォトダイオードＰＤの開口領域２下方の基板１上に形成された後述するＮ型ウェル２１とＰ型の蓄積ウェル４との境界領域には空乏領域（図示せず）が形成され、この空乏領域において、開口領域２を介して入射した光による光発生電荷が生じる。本実施の形態においては発生した光発生電荷は蓄積ウェル４に蓄積されるようになっている。

蓄積ウェル４に蓄積された電荷は、変調用ウェル５に転送されてキャリアポケット１０に保持される。これにより、変調トランジスタＴＭのソース電位は、変調用ウェル５に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードＰＤへの入射光に応じたものとなる。

蓄積ウェル４近傍の基板１表面には、蓄積ウェル４に蓄積されている光発生電荷のうち蓄積ウェル４からオーバーフローする電荷を含み画像信号に寄与しない不要電荷を排出するためのコンタクト領域（以下、ＯＤコンタクト領域という）１１が高濃度Ｐ型拡散層によって形成されている。このＯＤコンタクト領域１１と蓄積ウェル４領域との間の基板１表面上には、ＯＤコンタクト領域１１と蓄積ウェル４領域との間にオーバーフローした電荷を含む不要電荷の経路（以下、不要電荷排出経路という）ＲＬを形成するためのラテラルオーバーフロードレイン（以下、ＬＯＤという）トランジスタＴＬのＬＯＤゲート１２が形成されている。なお、ＬＯＤゲート１２は平面的には一端が蓄積ウェル４の領域上に掛かっている。

不要電荷排出制御素子としてのＬＯＤトランジスタＴＬを設けることにより、ＯＤコンタクト領域１１と蓄積ウェル４との間の電位障壁を制御して、不要電荷をＬＯＤトランジスタＴＬを介してＯＤコンタクト領域１１から基板上の配線を介して排出することができる。

本実施の形態においては、蓄積ウェル４と変調用ウェル５との間には、転送制御素子としての転送トランジスタＴＴが形成されている。転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３は、蓄積ウェル４と変調用ウェル５との間の経路（以下、単に転送経路という）ＲＴの基板１表面上に形成される。転送トランジスタＴＴによって、転送経路ＲＴの電位障壁を制御して、蓄積ウェル４から変調用ウェル５への電荷の転送を制御することができるようになっている。

また、本実施の形態においては、変調用ウェル５近傍の基板表面には、高濃度Ｐ型拡散層による排出用のコンタクト領域（以下、排出コンタクト領域という）１５が形成されている。この排出コンタクト領域１５と変調用ウェル５領域との間の基板１表面上には、排出コンタクト領域１５と変調用ウェル５領域との間の経路（以下、残留電荷排出経路という）ＲＣの電位障壁を制御するためのクリアトランジスタＴＣのクリアゲート１４が形成されている。なお、クリアゲート１４は平面的には一端が変調用ウェル５の領域上に掛かっている。

また、図３に示すように、固体撮像装置は、複数のセンサセル３がマトリックス状に多数配列された撮像面１０Ａを有する。撮像面１０Ａは、撮像に用いられる有効画素領域１０Ｂと、有効画素領域１０Ｂの外側の非有効画素領域１０Ｃ（斜線部）に分けられる。非有効画素領域１０Ｃは、いわゆるオプティカルブラック領域であり、黒色判定に利用される領域である。垂直走査回路６０ａと水平走査回路６０ｂＢによって、各センサセルの画像信号が読み出される。図３において、２次元である前記マトリクス領域の一つの軸方向に少なくとも３つに分割されている。一つは、有効画素領域１０Ｂを含む領域Ｂであり、他の２つは、有効画素領域１０Ｂを含まない非有効画素のみを含む領域ＡとＣである。図３における垂直走査回路６０ａと水平走査回路６０ｂの構成についは後述する。

＜センサセルの断面＞
更に、図４を参照して、センサセル３の断面構造を詳細に説明する。なお、図４中、Ｎ，Ｐの添え字の−，＋はその数によって不純物濃度のより薄い部分（添え字−−−）からより濃い部分（添え字＋＋＋）の状態を示している。

図４は１単位画素（セル）とこのセルに隣接する画素のフォトダイオードＰＤ形成領域（ＰＤ）とを示している。１セルは、フォトダイオードＰＤ形成領域（ＰＤ）と変調トランジスタＴＭ形成領域（ＦＰＷ）とを有する。セル内及び隣接するセル同士のフォトダイオードＰＤ形成領域と変調トランジスタＴＭ形成領域との間にアイソレーション領域（ＩＳＯ）が設けられている。

基板１の比較的深い位置には、Ｐ型基板１ａの全域にＮ^-のＮ型ウェル２１が形成されている。このＮ型ウェル２１上にＮ^-層による素子分離用のアイソレーション領域２２が形成されている。Ｎ型ウェル２１上には、アイソレーション領域２２を除く素子全体にＰ^--層２３が形成されている。

フォトダイオードＰＤ形成領域におけるＰ^--層２３が蓄積ウェル４として機能する。変調トランジスタＴＭ形成領域におけるＰ^--層２３は変調用ウェル５として機能し、この変調用ウェル５内には、Ｐ^-拡散によるキャリアポケット１０が形成されている。

セル内のフォトダイオードＰＤ形成領域と変調トランジスタＴＭ形成領域との間のアイソレーション領域２２には、基板表面側において、転送トランジスタＴＴが形成される。転送トランジスタＴＴは、基板表面にチャネルを構成するＰ^---拡散層２４が形成され、基板表面にゲート絶縁膜２５を介して転送ゲート１３が形成されて構成される。このＰ^---拡散層２４は蓄積ウェル４と変調用ウェル５とに接続されて転送経路ＲＴを構成し、転送ゲート１３の印加電圧に応じてこの転送経路ＲＴの電位障壁が制御される。

変調トランジスタＴＭ形成領域においては、基板表面にゲート絶縁膜２６を介してリングゲート６が形成され、リングゲート６下の基板表面にはチャネルを構成するＮ^--拡散層２７が形成される。リングゲート６の中央の基板表面にはＮ⁺⁺拡散層が形成されてソース領域７を構成する。また、リングゲート６の周囲の基板表面にはＮ⁺拡散層が形成されてドレイン領域８を構成する。チャネルを構成するＮ^--拡散層２７はソース領域７とドレイン領域８とに接続される。

隣接するセル同士のフォトダイオードＰＤ形成領域と変調トランジスタＴＭ形成領域との間のアイソレーション領域２２には、基板表面側において、排出コンタクト領域１５及びＯＤコンタクト領域１１が形成されている。本実施の形態においては、これらの排出コンタクト領域１５とＯＤコンタクト領域１１とを兼用しているが、別体で構成してもよい。排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１は、基板表面にＰ⁺⁺拡散層を形成することで得られる。

そして、変調トランジスタＴＭ形成領域と排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１との間の基板表面側において、クリアトランジスタＴＣが形成されている。クリアトランジスタＴＣは、変調トランジスタＴＭ形成領域と排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１との間の基板表面に、チャネルを構成するＰ^---拡散層２８が形成され、基板表面にゲート絶縁膜２９を介してクリアゲート１４が形成されて構成される。このＰ^---拡散層２８は変調用ウェル５と排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１とに接続されて残留電荷排出経路ＲＣを構成し、クリアゲート１４の印加電圧に応じてこの残留電荷排出経路ＲＣの電位障壁が制御される。

フォトダイオードＰＤ形成領域と排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１との間の基板表面側において、ＬＯＤトランジスタＴＬが形成されている。ＬＯＤトランジスタＴＬは、フォトダイオードＰＤ形成領域と排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１との間の基板表面に、チャネルを構成するＰ^---拡散層３０が形成され、基板表面にゲート絶縁膜３１を介してＬＯＤゲート１２が形成されて構成される。このＰ^---拡散層３０は蓄積ウェル４と排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１とに接続されて不要電荷排出経路ＲＬを構成し、ＬＯＤゲート１２の印加電圧に応じてこの不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁が制御される。

なお、フォトダイオードＰＤ形成領域の基板表面側にはピニング層としてのＮ⁺拡散層３２が形成されている。

基板表面には層間絶縁膜４１を介して下層配線層４５が形成され、下層配線層４５上には層間絶縁膜４２を介して上層配線層４６が形成される。更に、上層配線層４６上には層間絶縁膜４３を介して遮光層４７が形成され、遮光層４７上にはパシベーション膜４４が形成される。クリアゲート１４、ＬＯＤゲート１２、転送ゲート１３、排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１並びにソース領域７は、層間絶縁膜４１に開孔したコンタクトホール５１によって下層配線層４５の各配線５２に電気的に接続される。なお、下層及び上層配線層４５，４６の各配線５２，５３は例えばアルミニウム等の金属材料で形成される。

更に、下層配線層４５の各配線５２と上層配線層４６の各配線５３とは、層間絶縁膜４２に形成したコンタクトホール５４を介して電気的に接続されている。また、層間絶縁膜４３には遮光層４７に形成された遮光膜５６と上層配線層４６の１配線とを接続するためのコンタクトホール５５が開孔されており、排出及びＯＤコンタクト領域１５，１１は、下層及び上層配線層４５，４６を介して遮光膜５６に接続されるようになっている。

本実施の形態においては、転送トランジスタＴＴ、クリアトランジスタＴＣ及びＬＯＤトランジスタＴＬを独立して制御して、転送経路ＲＴ、残留電荷排出経路ＲＣ及び不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁を制御するようになっている。正孔のポテンシャルを基準にこれらの経路ＲＴ，ＲＣ，ＲＬのポテンシャルの高低を説明すると、蓄積期間においては、転送経路ＲＴ、残留電荷排出経路ＲＣ及び不要電荷排出経路ＲＬのポテンシャルを光発生電荷（ホールの場合）の蓄積が可能なように、充分に高いポテンシャルに設定すると共に、残留電荷排出経路ＲＣ及び不要電荷排出経路ＲＬのポテンシャルを転送経路ＲＴのポテンシャルよりも低く設定するようになっている。なお、以後、通常の電子を基準にしたポテンシャルの高低の説明ではなく、ポテンシャルの高低については正孔のポテンシャルを基準にして説明する、
また、図３における有効画素領域１０Ｂにおける各センサセルの構造は、図４に示すものであるが、図３における非有効画素領域１０Ｃ、すなわちオプティカルブラック領域は、遮光層４７に形成された遮光膜５６は、フォトダイオード形成領域（ＰＤ）も覆うように、非有効画素領域１０Ｃの全面に亘って形成されている。そして、非有効画素領域１０Ｃにおけるセンサセル３の出力信号が、黒色判定に用いられる。

＜装置全体の回路構成＞
次に、図５を参照して本実施の形態に係る固体撮像装置全体の回路構成について説明する。

固体撮像装置６１は図２のセンサセル３をセンサセルアレイ６２とセンサセルアレイ６２中の各センサセル３を駆動する回路６４〜７０とを有している。センサセルアレイ６２は、セル３をマトリクス状に配置して構成されている。センサセルアレイ６２は、例えば、６４０×４８０の有効画素領域１０Ｂ内の複数のセンサセル３と、図３に示すように、有効画素領域１０Ｂの外側の非有効画素領域１０Ｃであるオプティカルブラック（ＯＢ）のための領域（ＯＢ領域）内の複数のセンサセル３を含む。ＯＢ領域を含めると、センサセルアレイ６２は例えば７１２×５００のセンサセル３で構成される。

＜センサセルの等価回路＞
図６は図５中の各センサセルの具体的な回路構成を示している。図６（Ａ）はセンサセルの等価回路を示し、図６（Ｂ）はセンサセルと各信号線との接続を示している。
各センサセル３は、光電変換を行うフォトダイオードＰＤと、光信号を検出して読み出すための変調トランジスタＴＭ並びに光発生電荷の転送を制御する転送トランジスタＴＴとを含む。フォトダイオードＰＤは入射光に応じた電荷（光発生電荷）を生じさせ、生じた電荷を蓄積ウェル４（図６では接続点ＰＤＷに相当）内に蓄積する。転送トランジスタＴＴは、蓄積期間において蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷を、転送期間において変調トランジスタＴＭの閾値変調用の変調用ウェル５（図６では接続点ＭＴＷに相当）内のキャリアポケット１０に転送させて保持させる。

変調トランジスタＴＭは、キャリアポケット１０に光発生電荷が保持されることでバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット１０内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタＴＭのソース電圧は、キャリアポケット１０内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードＰＤの入射光の明るさに対応したものとなる。

変調用ウェル５と端子との間には残留電荷排出制御素子であるクリアトランジスタＴＣが配置されている。クリアトランジスタＴＣは変調用ウェル５と端子との間の電位障壁を制御して、画素信号の読み出し終了後にセル３の変調用ウェル５に残留した電荷を端子に排出させる。一方、蓄積ウェル４と端子との間には不要電荷排出制御素子としてのＬＯＤトランジスタＴＬが配置されている。ＬＯＤトランジスタＴＬは蓄積ウェル４と端子との間の電位障壁を制御して、蓄積ウェル４内の不要電荷を端子に排出させる。

このように各セル３は、変調トランジスタＴＭのリングゲート６、ソース及びドレイン、転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３、クリアトランジスタＴＣのクリアゲート１４並びにＬＯＤトランジスタＴＬのＬＯＤゲート１２に駆動信号が印加されることで、蓄積、転送、読み出し及び排出等の動作を呈する。セル３の各部には図５に示すように、垂直駆動走査回路６４〜６６、ドレイン駆動回路６７及び転送駆動走査回路６８から信号が供給されるようになっている。これらの垂直駆動走査回路６４〜６６、ドレイン駆動回路６７及び転送駆動走査回路６８によって、ブランキング手段、蓄積クリア手段及び転送手段が構成される。

図６（Ｂ）はマトリクス状に配列されたセル３のうちの１つのセルについて、各走査回路６４〜６６、各駆動回路６７，６８及び信号出力回路６９との接続を示している。他のセルの接続状態も同様である。各セル３は、センサセルアレイ６２に水平方向に配列された複数のソース線と垂直方向に配列された複数のゲート線との交点に対応して設けられている。水平方向に配列された各ラインの各セル３は、変調トランジスタＴＭのリングゲート６が共通のゲート線に接続され、垂直方向に配列された各列の各セル３は、変調トランジスタＴＭのソースが共通のソース線に接続される。

複数のゲート線の１つにオン信号を供給することで、オン信号が供給されたゲート線に共通接続された各セルが同時に選択されて、これらの選択されたセルの各ソースから各ソース線を介して画素信号が出力される。垂直駆動走査回路６４は１フレーム期間においてゲート線にオン信号を順次シフトさせながら供給する。オン信号が供給されたラインの各セルからの画素信号が１ライン分同時にソース線から読み出されて信号出力回路６９に供給される。１ライン分の画素信号は水平駆動走査回路７０によって、信号出力回路６９から画素毎に順次出力（ライン出力）される。

本実施の形態においては、蓄積ウェル４と変調用ウェル５とはポテンシャル上分離独立して形成されており、蓄積ウェル４と変調用ウェル５との間の電位障壁を制御する転送トランジスタＴＴによって、フォトダイオードＰＤによる光発生電荷の蓄積と、変調トランジスタＴＭによる画素信号の読出しとが同時に実行可能である。転送トランジスタＴＴの制御は、転送駆動走査回路６８からゲート信号を各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に供給することで行われる。後述するように、有効画素領域１０Ｂと非有効画素領域１０Ｃに対する転送トランジスタＴＴの制御は、全画素一括転送しないように、行われる。

また、本実施の形態においては、上述したように、隣接配置される蓄積ウェル４の不要電荷排出経路ＲＬと変調用ウェル５からの残留電荷排出経路ＲＣとを相互に異なる経路に設定し、これらの２つの経路の電位障壁を夫々制御するＬＯＤトランジスタＴＬ及びクリアトランジスタＴＣを設けることで、蓄積ウェル４からの不要電荷の排出及び変調用ウェル５からの残留電荷の排出をポテンシャル上確実に行うことができるようになっている。ＬＯＤトランジスタＴＬ及びクリアトランジスタＴＣの制御は、垂直駆動走査回路６５，６６から夫々ゲート信号を各ＬＯＤゲート１２又はクリアゲート１４に供給することで行われる。なお、ドレイン駆動回路６７は、各変調トランジスタＴＭのドレインに、ドレイン電圧を供給する。

＜転送期間、及び蓄積期間と読み出し期間との関係＞
図７は本実施の形態における各駆動期間を説明するためのタイミングチャートである。なお、図７はノーマルモード時の駆動シーケンスを示している。図７において、Ｌ1 ，Ｌ2 ，…は、センサセルアレイ６２の各ラインに対応している。

後述するように、蓄積期間は全セルで共通の期間に設定される。しかし、読み出しは、ライン毎に行われる。ライン毎に読み出しを行うタイミングが異なり、図７では各ラインの読み出し期間（以下、ブランキング期間ともいう）をパルス形状によって示している。

［転送期間］
まず、転送期間について述べる。図７は、１フレームにおける各期間のタイミングを示す。転送期間は、少なくとも２つの転送期間、すなわち転送期間１及び転送期間２を含む。図３に示す撮像面１０Ａは、有効画素領域１０Ｂを含む領域と非有効画素領域１０Ｃのみの領域とを、２次元のマトリクス領域の１つの軸方向、例えば垂直方向（図３）において分割した場合に、図３に示すように、有効画素領域１０Ｂを含む領域Ｂと、非有効画素領域１０Ｃのみの２つの領域Ａ及びＣとに領域が分けられる。領域Ｂは、非有効画素領域１０Ｃのセンサセルも含む。

転送期間１では、転送駆動走査回路６８からゲート信号を領域Ｂ内の各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に一斉に供給することによって、領域Ｂ内の全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に一括転送される。
転送期間２では、転送駆動走査回路６８からゲート信号を領域Ａ及びＣ内の各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に一斉に供給することによって、領域Ａ及びＣ内の全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に一括転送される。従って、撮像面１０Ａ内の複数のセンサセルの画素信号が、全画素一括して転送されるのではなく、２回に分けて転送される。
このように、有効画素領域１０Ｂ内の全センサセルの画素信号は一括して転送されるので、いわゆる電子シャッタ機能は維持され、オプティカルブラック領域を含む領域のセンサセルの画素信号は、別のタイミングで一括転送されるので、転送に要する必要電流量が減少する。

なお、領域Ａと領域Ｃとを分けて、転送駆動走査回路６８からゲート信号を、領域Ａの各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に一斉に供給し、別のタイミングで領域Ｃの各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に一斉に供給することによって、領域Ａ及びＣ内のそれぞれの全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に転送するようにしてもよい。

［読み出し期間］
本実施の形態においては、読み出し期間（ブランキング期間）は、Ｓ（シグナル）変調期間、クリア期間及びＮ（ノイズ）変調期間によって構成される。セル３同士のばらつきや、各種ノイズの除去のために、同一セルから信号成分とノイズ成分とを読み出して比較する。Ｓ変調期間には、変調用ウェル５に蓄積された光発生電荷に基づく画素信号を読み出すＳ変調動作が行われる。クリア期間には、ノイズ成分を読み出すために、変調用ウェル５に残留する光発生電荷を残留電荷排出経路ＲＣを介して排出するクリア動作が行われる。Ｎ変調期間には、変調用ウェル５からノイズ成分を読み出すために、クリア後の画素信号を読み出すＮ変調動作を行う。

［蓄積期間］
本実施の形態においては、ブランキング期間においても、蓄積ウェル４に対しては蓄積動作（並行蓄積動作）を行うようになっている。即ち、ブランキング期間のＳ変調期間、クリア期間及びＮ変調期間は、夫々、蓄積の点から言えば、Ｓ変調時の並行蓄積期間Ｓｓ、クリア時の並行蓄積期間Ｓｃ及びＮ変調時の並行蓄積期間Ｓｎとなる。

本実施の形態の蓄積期間は、ブランキング期間と同一期間の並行蓄積期間の他に、単独の蓄積動作を行う単独蓄積期間Ｓａを含む。ブランキング期間において読み出された画素信号は、ラインメモリ（図５の信号出力回路６９に相当）に保持される。このラインメモリから１ライン分の画素信号が画素単位で順次出力されて、ラインメモリの出力が終了した後に次のラインの各セルからの読み出しが行われる。従って、ラインメモリから出力が終了するまでは、次ラインのセルからの読み出しを行うことができず、単独蓄積期間Ｓａは、このようなラインメモリからの画素信号の転送出力（ライン出力）に必要な期間（以下、ライン出力期間という）に設定される。

本実施の形態においては、図７では図示を省略しているが、ライン出力期間においても、後述する蓄積初期化の処理であるＰＤクリアを実施するＰＤクリア期間（蓄積初期化期間）を設けるようになっている。なお、ＰＤクリアは蓄積ウェル４内の不要電荷を排出する処理、即ち、蓄積の初期化のための処理であり、蓄積期間の始期を決定するものである。

［フレーム内のシーケンス］
本実施の形態においては、例えば図７に示すように、１フレーム期間は、後述する転送期間及びＰＤクリア期間の後に、単独蓄積期間Ｓａ（ライン出力期間と同一期間）と並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎ（ブランキング期間と同一期間）とが巡回的に繰り返されて構成される。センサセルアレイ６２の全てのセル３は、単独蓄積期間Ｓａ及び並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎの動作を巡回的に繰り返し、並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎのうち図７のパルス形状で示す期間だけ、ライン毎にブランキング期間に設定されて読み出し動作が行われる。単独蓄積期間Ｓａとブランキング期間とは、１フレーム期間において、ライン数分だけ繰り返えされる。

即ち、１フレーム期間はライン数分のブランキング期間を有し、各ラインは夫々１フレーム期間中で１回のブランキング期間だけ読み出しを行うライン（以下、読み出しラインという）に指定される。読み出しライン中の各セルを読み出しセルという。また、読み出しライン以外のラインを非読み出しラインと呼び、非読み出しライン中の各セルを非読み出しセルという。

後述するように、単独蓄積期間Ｓａ及び並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎにおいては、蓄積ウェル４に光発生電荷が逐次蓄積される。図７に示すように、ブランキング期間前に発生しているＰＤクリア期間終了時からフレーム期間の終了時までの間が蓄積期間であり、この期間に蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷は、次のフレームの先頭期間である図７に示す転送期間において、蓄積ウェル４から変調用ウェル５に転送されて保持される。転送期間には、全セルに対して一括転送動作を行うのではなく、上述したように、撮像面１０Ａ内の複数のセンサセルの画素信号が、２回に分けて転送される。

次に、僅かな期間であるが、転送期間終了から蓄積期間の開始までの間に生じた光発生電荷を排出させるために、ＰＤクリア期間が設定される。ＰＤクリア期間においては、全セルの蓄積ウェル４から不要電荷が排出される。なお、ＰＤクリア期間は、蓄積期間の長さを設定するためのものであり、ノーマルモードではＰＤクリア期間は省略可能である。従って、ノーマルモードでは、ライン出力期間においてＰＤクリア期間を設定する必要はない。

所定のラインについてみれば、例えば、ラインＬ１の各セルは、図７に示すブランキング期間に、読み出しセルとして、変調トランジスタＴＭ側では、Ｓ変調動作、クリア動作及びＮ変調動作が行われ、同時に、蓄積ウェル４側では、Ｓ変調時の並行蓄積動作Ｓｓ、クリア時の並行蓄積動作Ｓｃ及びＮ変調時の並行蓄積動作Ｓｎが行われる。ラインＬ１の各セルは、このブランキング期間以外の期間は非読み出しセルとして、単独蓄積動作Ｓａ、Ｓ変調時の並行蓄積動作Ｓｓ、クリア時の並行蓄積動作Ｓｃ及びＮ変調時の並行蓄積動作Ｓｎを巡回的に繰り返す。

即ち、いずれのセルも、転送期間及びＰＤクリア期間を除く期間は、全て、単独又は並行蓄積期間に設定され、特に、読み出しセルのブランキング期間についても、並行蓄積動作が行われる。そして、蓄積された光発生電荷は、次のフレームの先頭の転送期間において、具体的には２回の転送期間に分けて、変調用ウェル５に転送される。即ち、前フレームのＰＤクリア期間の終了（ＰＤクリア期間が省略された場合には転送期間の終了）から転送期間の開始時までが各セルの蓄積期間であり、ブランキングに用いられる画素信号は前フレームの蓄積期間に蓄積された光発生電荷に基づくものとなる。

＜ポテンシャル＞
次に、図８を参照して単独蓄積期間Ｓａ、転送期間、Ｓ変調期間（並行蓄積期間Ｓｓ）、クリア期間（並行蓄積期間Ｓｃ）、Ｎ変調期間（並行蓄積期間Ｓｎ）及びＰＤクリア期間における動作について、ポテンシャルの関係に基づいて説明する。図８は各期間におけるポテンシャルの関係を正孔のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す説明図である。図８（Ａ）は単独蓄積時の状態を示し、図８（Ｂ）は転送時の状態を示し、図８（Ｃ）はＳ変調又はＮ変調（Ｓ／Ｎ変調）時の状態を示し、図８（Ｄ）はクリア時の状態を示し、図８（Ｅ）は高速シャッターモードにおける蓄積ウェル４のクリア（ＰＤクリア）時の状態を示している。図８の左側の欄は読み出しセルの状態を示し、右側の欄は非読み出しセルの状態を示している。なお、図８は梨地模様によって電荷によるポテンシャルの変化を示している。また、上述したように、各セルが読み出しセル又は非読み出しセルのいずれになるかは、図７のパルスによって示される。

また、図９は各期間における駆動電圧の変化を示している。図９は各期間における駆動電圧の変化を示すものであり、実際の駆動シーケンスと設定する期間の順は異なる。図９は図８に示した駆動電圧の設定を時間順に表示したものである。なお、図９は、ブランキング期間については、読み出しセルの駆動電圧を破線で示し、非読み出しセルの駆動電圧を実線にて示している。

図８は横軸に図２の各セルの切断線に対応した位置をとり縦軸にホールを基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図８の左側から右側に向かって、排出コンタクト領域（Ｓｕｂ）、クリアゲート（ＣＧ）１４（残留電荷排出経路部分）、キャリアポケット（ＰＫＴ）１０の一端側、ソース（Ｓ）、キャリアポケット（ＰＫＴ）１０の他端側、転送ゲート（ＴＸ）１３（転送経路ＲＴ部分）、蓄積ウェル領域（ＰＤ）、ＬＯＤゲート（ＬＯＤ）１２（不要電荷排出経路ＲＬ部分）及びＯＤコンタクト領域（Ｓｕｂ）の位置の基板内のポテンシャルを示している。

各部のポテンシャルは駆動電圧によって変化する。例えば、ソース電圧及びドレイン電圧等を高く又は低くすると、その周囲のポテンシャルも同様に高くなったり低くなったりする。例えば、蓄積ウェル４のポテンシャルは、主に、変調トランジスタＴＭのソースとドレインの印加電圧の両方の影響を受ける。また、変調用ウェル５についても、主に、変調トランジスタＴＭのゲート電圧の高低に応じて高くなったり低くなったりする。

本実施の形態においては、図８（Ａ）に示す単独蓄積期間Ｓａには、全セルに対して同一の駆動が行われる。図９にも示すように、図８（Ａ）に示す単独蓄積期間Ｓａにおいては、リングゲート（ＲＧ）６に０．０Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に２．５Ｖを印加し、クリアゲート１４に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．０Ｖを印加し、ドレインＤに１．０Ｖを印加し、ソースに１．０Ｖを印加する。ドレイン電圧は比較的低い値に設定される。

単独蓄積時には、転送トランジスタＴＴによって蓄積ウェル４と変調用ウェル５との間の転送経路ＲＴの電位障壁を充分に高くする。また、ＬＯＤトランジスタＴＬによって蓄積ウェル４とＯＤコンタクト領域１１との間の不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁を充分に高くする。更に、転送経路ＲＴの電位障壁のポテンシャルを不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁のポテンシャルよりも高くする。蓄積ウェル４は比較的高い濃度に設定されて、電荷の蓄積前のポテンシャルは比較的低い。蓄積が開始されると、フォトダイオードＰＤの開口領域２から入射した光によって電荷が発生し、蓄積ウェル４内に蓄積される。図８（Ａ）は梨地模様によって電荷の蓄積によるポテンシャルの増加を示している。

本実施の形態においては、不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁及び転送経路ＲＴの電位障壁は充分に高く（ポテンシャルが高く）、光入射によって発生した電荷は変調用ウェル５に転送されることなく蓄積ウェル４内に蓄積される。仮に、極めて強い光が入射した場合でも、転送経路ＲＴの電位障壁の方が不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁よりも高いので、蓄積ウェル４から溢れた電荷は不要電荷排出経路ＲＬを介してＯＤコンタクト領域１１に排出され、変調用ウェル５内に流れ込むことはない。

図８（Ｂ）に示す転送期間においては、リングゲート（ＲＧ）６に０．０Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に０．０Ｖを印加し、クリアゲート１４に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．０Ｖを印加し、ドレインＤに４．０Ｖを印加し、ソースに０．０Ｖを印加する。
転送ゲート１３に０Ｖを印加しており、転送経路ＲＴの電位障壁は充分に低くなる。これにより、上述した単独蓄積期間Ｓａ及び後述する並行蓄積期間Ｓａ，Ｓｃ，Ｓｎにおいて蓄積ウェル４内に蓄積された電荷は、転送経路ＲＴを介して変調用ウェル５内に流れ込む。なお、ドレイン電圧を比較的高い電圧に設定することで、ポテンシャルの傾斜を大きくして、電荷の転送を容易にしている。

なお、クリアゲート１４による排出経路の電位障壁も充分な高さに設定されており、変調用ウェル５に保持された電荷が排出経路側に流れ出すことはない。また、図８（Ｂ）に示す転送期間においても、全セルが読み出しセルとなって同一の駆動が行われる。

読み出し期間には、主に信号成分（Ｓ）を読み出すシグナル変調（Ｓ変調）期間と、主にノイズ成分（Ｎ）を読み出すノイズ変調（Ｎ変調）期間と、ノイズ成分を読み出すために残留電荷をクリアするクリア（clear）期間とを有する。信号成分とノイズ成分とを読み出して比較することで、セルのばらつきや各種ノイズを除去した画像信号を得るのである。即ち、読み出し期間においては、Ｓ変調期間、クリア期間及びＮ変調期間がこの順で実施される。

Ｓ変調期間とＮ変調期間の制御は同一である。図８（Ｃ）に示すＳ／Ｎ変調期間においては、読み出しセルに対して、図９の破線に示すように、リングゲート（ＲＧ）６に２．５Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に２．５Ｖを印加し、クリアゲート１４に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．０Ｖを印加し、ドレインＤに２．５Ｖを印加する。ソースにはＶｇ−Ｖｔｈｓ（＝２．５−Ｖｔｈｓ）が生じる（Ｖｇはゲート電圧、ＶｔｈｓはＳ変調時のチャネルの閾値電圧）。

読み出しはライン毎に行われる。全ライン中の１ライン（読み出しライン）の各セルのみが読み出しセルとなり、他のライン（非読み出しライン）の各セルは非読み出しセルである。そして、読み出しラインからの各読み出しセルの読み出しが終了すると、読み出しラインがシフトして次のラインの各セルが読み出しセルとなり、他のセルは非読み出しセルとなる。同様にして、読み出しラインをシフトしながら、信号成分の読み出し（Ｓ変調）又はノイズ成分の読み出し（Ｎ変調）が行われる。

読み出しセルについては、変調用ウェル５に保持された電荷が蓄積ウェル４に流れ出さないように、転送トランジスタＴＴによる転送経路ＲＴの電位障壁を高くする。リングゲート６の電圧を高くしているので、これに伴ってソース電位は上昇する。変調トランジスタＴＭのチャネルの閾値電圧は、キャリアポケット１０に保持される電荷によって変化する。即ち、フォトダイオードＰＤの蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷がキャリアポケット１０に転送されることで、変調トランジスタＴＭのソース電位は、光発生電荷の発生量、即ち、入射光に応じたものとなる。

なお、非読み出しセルについては、図９の実線に示すように、リングゲート（ＲＧ）６に０．０Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に２．５Ｖを印加し、クリアゲート１４に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．０Ｖを印加し、ドレインＤに２．５Ｖを印加する。この場合にも、ソースにはＶｇ−Ｖｔｈｓ（＝０−Ｖｔｈｓ）が生じるが、リングゲート６の電圧が低いので、非読み出しセルの出力は読み出しセルの出力よりも充分に低いレベルとなる。従って、ソース線には読み出しセルの出力画素信号のみが現れる。

なお、読み出しセルと非読み出しセルとでリングゲート６に印加する電位差を充分に大きくしているので、例えば、画像が暗い場合等であっても、確実に読み出しセルの出力画素信号をソース線から取り出すことが可能である。

図８（Ｄ）に示すクリア期間においては、読み出しセルについては、図９の破線に示すように、リングゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に２．５Ｖを印加し、クリアゲート１４に０．０Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．０Ｖを印加し、ドレインＤに２．５Ｖを印加し、ソースに５．０Ｖを印加する。

これにより、クリアゲート１４による排出経路の電位障壁を充分に低下させて、変調用ウェル５に残留している電荷を排出経路から排出コンタクト領域１５に流す。これにより、変調用ウェル５内の光発生電荷を除去して、ノイズ成分の読み出し（ノイズ変調）を可能にする。

一方、非読み出しセルについては、図９の実線に示すように、リングゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に２．５Ｖを印加し、クリアゲート１４に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．０Ｖを印加し、ドレインＤに２．５Ｖを印加し、ソースに５．０Ｖを印加する。これにより、クリアゲート１４による残留電荷排出経路の電位障壁は高いままである。

各ラインのセルのうち図７のブランキング期間経過後の非読み出しセルは既に読み出しが終了しているが、ブランキング期間経過前のラインの非読み出しセルについては、まだ読み出しが行われていない。そこで、非読み出しセルについてはクリアゲート１４による排出経路の電位障壁を高いままにしておき、変調用ウェル５から電荷が排出されることを防止する。非読み出しセルについての図８（Ｃ），（Ｄ）の梨地模様部は、変調用ウェル５に読み出しが行われていない電荷が保持されていることを示している。

本実施の形態においては、上述したようにＳ／Ｎ変調期間及びクリア期間においては、並行蓄積動作を行う。図８（Ｃ），（Ｄ）はこの並行蓄積動作を示している。即ち、読み出し期間（Ｓ／Ｎ変調及びクリア期間）においては、転送経路ＲＴ及び不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁を高くすることによって、蓄積ウェル４に光発生電荷を蓄積する。これにより、変調トランジスタＴＭの読み出し期間（変調、クリア期間）は、フォトダイオードＰＤ側では光発生電荷の蓄積を行う蓄積期間（並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｎ，Ｓｃ）となる。なお、図８（Ｃ）の並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｎ及び図８（Ｄ）の並行蓄積期間Ｓｃにおいては、単独蓄積期間Ｓａに比べて、ドレイン電圧が高く、光発生電荷の蓄積の条件は異なる。また、図８（Ｃ），（Ｄ）に示すように、読み出しセルと非読み出しセルとでも若干光発生電荷の蓄積の条件は異なる。

このように、単独蓄積期間Ｓａ、Ｓ／Ｎ変調期間及びクリア期間においては、全てのセルで光発生電荷の蓄積が行われ、各セルの蓄積時間は図７に示すように、１フレーム期間近傍の時間となる。フォトダイオードＰＤ側に構成する電荷蓄積用の蓄積ウェル４と変調トランジスタＴＭ側に構成する変調用ウェル５とを別々に構成し、両者間の転送経路ＲＴの電位障壁を転送トランジスタＴＴによって制御するようにしたことから、蓄積ウェル４と変調用ウェル５とを同一期間において読み出し期間と並行蓄積期間とに設定することができ、フレームレートを高速化することができる。

図８（Ｅ）に示すＰＤクリア期間は、後述する高速又は低速シャッターモード時に採用される。図９に示すように、リングゲート（ＲＧ）６に０．０Ｖを印加し、転送ゲート（ＴＸ）１３に２．５Ｖを印加し、クリアゲート１４に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に０．０Ｖを印加し、ドレインＤに４．０Ｖを印加し、ソースはハイインピーダンスにする。なお、ＰＤクリア期間をノーマルモードで使用する場合の駆動電圧も図８（Ｅ）と同一である。

ＬＯＤゲートを低くすることで、不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁を充分に低くして、蓄積ウェル４に蓄積されている不要電荷を不要電荷排出経路ＲＬからＯＤコンタクト領域１１を介して外部の信号線に排出する。なお、ＰＤクリア動作を図７のようにノーマルモード時に採用した場合には、図８（Ｅ）の変調用ウェル５の部分には残留電荷が残っていない状態となっている。

＜駆動シーケンス＞
次に、ノーマルモード、高速シャッターモード及び低速シャッターモードの各モードに
ついて動作シーケンスを説明する。
図１０はノーマルモード時の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。

図１０のノーマルモード時は上述した図７のノーマルモードと略同様の駆動が行われる。なお、図１０のノーマルモードにおいては、単独のＰＤクリア期間及びライン出力期間中のＰＤクリア期間は省略している。また、図１０では図７の単独蓄積期間Ｓａ（ライン出力期間）及びブランキング期間を合わせて１つのパルス形状にて示している。なお、上述したように、単独蓄積期間Ｓａは、ラインメモリからのデータの転送に要する時間であり、実際にはブランキング期間よりも長い時間を要する。

図１０のノーマルモードにおいては、各セルは１フレーム期間から転送期間を除く期間が蓄積期間である。蓄積期間終了後の次のフレームの先頭タイミングが転送期間に設定される。転送期間において、蓄積ウェル４に保持されている光発生電荷が変調用ウェル５のキャリアポケット１０に転送されて蓄積される。転送期間が終了すると、単独蓄積期間及びブランキング期間が繰返されて、各ラインのセルからの読み出しが連続して行われる。上述したように、転送期間は、２つの転送期間、すなわち転送期間１と転送期間２を含む。図３に示すように、転送期間１は、領域Ｂ内の全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に転送される。転送期間２は、領域Ａ及びＣ内の全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に転送される。

ブランキング期間と共通の時間を用いて並行蓄積期間を設定していることから、蓄積のために別の期間を設ける必要がなく、フレームレートを高速化することができる。
図１１は図１０と同一の手法によって駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。
図１１（Ａ）は高速シャッターモード時の駆動シーケンスを示している。
高速シャッターモードは例えば蓄積期間を短縮するためのものである。なお、従来例においては、ブランキングの終了後に第１のウェルの残留電荷を排出するようになっていることから、本実施の形態における高速シャッターモード等を実施することはできない。

例えば、フォトダイオードＰＤに極めて明るい光が入射された場合には、各セルの変調用ウェル５に流れ込む電荷の量が極めて多くなって、各セルから読み出した画素信号に基づく画像は、全体が白っぽく（明るく）なって、コントラストが低下してしまう。このような場合に、高速シャッターモードを採用する。高速シャッターモードにおいては、図１１（Ａ）に示すように、ＰＤクリア期間を１フレーム期間の任意の位置のライン出力期間に設定する。なお、図１１は上述したようにブランキング期間とライン出力期間とを１つのパルスにて示している。図１１ではＰＤクリア期間をライン出力期間の最後のタイミングに設定した例を示したが、ＰＤクリア期間は各パルス中のライン出力期間内であれば、いずれのタイミングに設定してもよい。また、蓄積期間は、前フレームのＰＤクリアの終了から転送期間の開始時までの期間である。

図８（Ｅ）に示すように、ＰＤクリア期間においては、蓄積ウェル４に蓄積されている電荷をＯＤコンタクト領域１１を介して外部に排出する。これにより、蓄積ウェル４にはＰＤクリア期間の終了時以後に発生した光発生電荷が蓄積される。ＰＤクリア期間終了後は、フレーム期間の終了まで単独蓄積期間Ｓａ及び並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎとが巡回的に繰り返される。こうして、ＰＤクリア期間の位置に応じた１フレーム期間よりも短い時間だけ蓄積が行われた後、フレームの先頭の転送期間において、蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷が変調用ウェル５に転送される。

読み出しはノーマルモード時と同様であり、読み出しラインが順次シフトしながら、１フレーム期間で全ラインの読み出しが終了する。なお、読み出しが終わっていないセルについては、図８（Ｅ）に示すように、変調用ウェル５内に電荷が保持されており、ＰＤクリア期間の位置に基づく蓄積期間に拘わらず、１フレーム期間で読み出しを行うことができる。

例えば、ＰＤクリア期間を１フレーム期間の略々中央に設定した場合には、蓄積期間は約１／２フレーム期間となり、変調用ウェル５に流れ込む電荷の量はノーマルモード時の約１／２になって、各セルから読み出される画素信号に基づく画像の明るさを適正な明るさにすることができる。これにより、明るいながらも充分な明暗を有する画像を得ることができる。

なお、図９に示す駆動電圧を各部に印加することでＰＤクリア期間を容易に設定することができることから、ＰＤクリア期間は画像の明るさに応じて任意の位置に配置することが可能である。従って、蓄積期間を自由に設定可能であり、各セルから画像の明るさに応じた最適なレベルの画素信号を得ることができる。

＜連続撮影とＰＤクリアとの関係＞
ところで、連続撮影時において、ＰＤクリア期間を、ブランキング期間とは独立に、フレーム期間の任意のタイミングに設定することが考えられる。ところが、そうすると、読み出し動作の途中でＰＤクリア動作が生じることになる。この場合には、ライン出力回路（図５の信号出力回路６９に相当）以降の回路において、画像信号に遅延が生じる。この画像信号の出力タイミングのずれを修正するために、ライン出力回路及び図示しない信号処理回路等の動作を停止させる等の処理が必要となり、回路が複雑化してしまう。

そこで、本実施の形態においては、ＰＤクリア期間をブランキング期間に同期させて発生させるようになっている。即ち、図９に示すように、ＰＤクリア期間を各ブランキング期間の終了直後に挿入する。即ち、ＰＤクリア期間として設定可能な期間は、１フレーム期間においてライン数（ブランキング数）だけ設けることができる。

図９に示すように、設定可能なＰＤクリア期間のうち、実際にＰＤクリアすべきタイミングのＰＤクリア期間において、図８（Ｅ）に示す駆動電圧の設定を行い、その他の設定可能なＰＤクリア期間、即ち、実際にはＰＤクリアしない期間には、図８（Ａ）に示す単独蓄積と同一の駆動電圧の設定を行う。

つまり、本実施の形態においては、ＰＤクリア期間は、ブランキング期間の直後の期間、換言すると、単独蓄積期間（ライン出力期間）の開始タイミングに設定可能である。実際にＰＤクリア動作させるためのＰＤクリア期間は、フレーム中の各ライン出力期間のうち、設定しようとする蓄積期間に応じた期間に発生させる。

ブランキング期間から次のブランキング期間までの全期間を単独蓄積期間（ライン出力期間）と呼ぶものとすると、ＰＤクリア期間は、この単独蓄積期間（ライン出力期間）内に設定することになり、図９の例では単独蓄積期間（ライン出力期間）の先頭タイミングでＰＤクリア期間を設定した例を示している。なお、ＰＤクリア期間は、単独蓄積期間（ライン出力期間）内の任意のタイミングに設定してもよいことは明らかである。例えば、シャッタースピードの設定に応じて、ＰＤクリア期間を単独蓄積期間（ライン出力期間）内の任意のタイミングに適宜設定可能である。

なお、ＰＤクリア期間として設定可能な期間であって実際にはＰＤクリア動作させない期間においては、上述したように、単独蓄積期間と同一の設定が行われる。従って、実際にＰＤクリア動作させるためのＰＤクリア期間が存在する単独蓄積間とそれ以外の単独蓄積期間とでは、単独蓄積期間の長さが若干異なる。しかし、ＰＤクリア期間は極めて短い時間であり、ＰＤクリア期間の有無による影響は極めて小さい。なお、上述したように、ＰＤクリア期間の終了タイミングから次のフレーム先頭の転送期間の開始までが蓄積期間である。

また、ノーマルモード時には、図７に示すように、ブランキング期間の開始直前のタイミングでＰＤクリア期間を発生させればよい。
ＰＤクリア期間がブランキング期間に同期して発生していることから、連続撮影モードにおいても、ＰＤクリア期間の有無に拘わらず、連続した画像信号を得ることができる。これにより、ＰＤクリア動作が生じた場合でも、ライン出力回路及び信号処理回路等の動作を停止させる必要はなく、回路構成を簡単化することができる。

図１１（Ｂ）は低速シャッターモード時の駆動シーケンスを示している。
低速シャッターモードは例えば蓄積期間を１フレーム期間よりも長くするためのものである。例えば、フォトダイオードＰＤに入射される光が暗い場合には、各セルの変調用ウェル５に流れ込む電荷の量が減少して、各セルから読み出した画素信号に基づく画像は、全体が暗くなってしまう。このような場合に、低速シャッターモードを採用する。低速シャッターモードにおいては、ＰＤクリア期間を複数フレーム期間に１回挿入すると共に、転送期間を複数フレームに１回挿入する。

この場合においても、ＰＤクリア期間は、ブランキング期間に同期したライン出力期間の任意のタイミングで設定される。
図１１（Ｂ）の例では、ＰＤクリア期間は２フレーム期間に１回挿入されており、このＰＤクリア期間の終了から１．５フレーム期間後のフレーム先頭タイミングで転送期間が設定されている。従って、この場合の蓄積期間は１．５フレーム期間となる。これにより、ノーマルモード時よりも約１．５倍の明るさの画像を得ることができる。なお、図１１（Ｂ）の場合には、各セルからの読み出しは２フレーム期間に１回だけ行われることになり、フレームレートはノーマルモードの１／２となる。

図１１（Ａ），（Ｂ）のシャッターモードを採用することで、蓄積期間を自由に設定することができ、入射光の明るさに応じた最適な画像を得ることができる。
なお、低速シャッターモードにおいても、読み出しは転送期間後の約１フレーム期間に行われる。従来、読み出しを行うことによって蓄積されている光発生電荷も排出されてしまうことから、読み出しを行った次の１フレーム期間は、画像信号に寄与しないクリア動作を伴うダミー読み出しを行うことはできなかった。これに対し、本実施の形態においては、光発生電荷の蓄積と同時に読み出し動作が可能であることから、読み出しを行った次の１フレーム期間においても、クリア動作を伴うダミー読み出しが可能である。これにより、読み出しを行う論理回路等の構成が容易となるという利点がある。

以上の例では、図３に示すように、撮像面１０Ａは、有効画素領域１０Ｂを含む領域と非有効画素領域１０Ｃのみの領域とを垂直方向において分割されていた。しかし、次のような変形例であってもよい。すなわち、図１２に示すように、有効画素領域１０Ｂを含む領域Ｂ'と、非有効画素領域１０Ｃのセンサセル３のみの領域Ａ'及びＣ'とに領域が分けるようにしてもよい。図１２の場合は、撮像面１０Ａは、有効画素領域１０Ｂを含む領域と非有効画素領域１０Ｃのみの領域とを２次元マトリクスの水平方向において分割されている。

その場合、固体撮像装置全体の回路構成は、図１３に示すようになる。図１３は、その場合の固体撮像装置全体の回路構成図である。図１３において図５と同一の構成要素は同一の符号を付し、説明は省略する。ここでは、図５における転送駆動走査回路６８が、垂直方向の転送ゲート線を有する転送駆動走査回路６８ａとして設けられている。よって、転送期間１では、転送駆動走査回路６８からゲート信号を領域Ｂ'内の各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に一斉に供給することによって、領域Ｂ'内の全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に一括転送される。
転送期間２では、転送駆動走査回路６８からゲート信号を領域Ａ'及びＣ'内の各転送トランジスタＴＴの転送ゲート１３に一斉に供給することによって、領域Ａ'及びＣ'内の全センサセルの画素信号が蓄積ウェル４から変調用ウェル５に一括転送される。従って、撮像面１０Ａ内の複数のセンサセルの画素信号が、全画素一括して転送されるのではなく、２回に分けて転送される。

また、この変形例において、黒レベルを決定する領域として、有効画素領域１０Ｂの水平方向における非有効画素領域１０Ｃ、すなわち図１２における左右の非有効画素領域のセンサセルの画素信号を用いるようにする。これによれば、露光時間の異なる非有効画素領域のセンサセルの画素信号を用いないので、有効画素領域１０Ｂと黒レベルを決定する非有効画素領域１０Ｂとの暗出力の差は若干ではあるが、無くなる。その結果画質の良い画像を得ることができる。

なお、以上の２つの構成例では、有効画素領域を含む領域と、非有効画素領域のみを含む領域の２つに分け、その２つの領域に対応して転送期間を２つに分けており、有効画素領域を含む領域が１つ、そして非有効画素領域のみを含む領域は、２つある。具体的には、図３においては、領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃの３つの領域が、図１２においては、領域Ａ'、領域Ｂ'及び領域Ｃ'の３つの領域がある。そこで、これらの３つの領域を、別々に順番に転送するようにしてもよい。例えば、図３の場合は、順番としては、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの順でもよし、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ａの順、等でもよい。図１２の場合は、順番としては、領域Ａ'、領域Ｂ'、領域Ｃ'の順でもよし、領域Ｂ'、領域Ｃ'、領域Ａ'の順、等でもよい。

以上説明した構成によれば、式（１）において、画素数Ｎが全画素数ではなく、有効画素領域を含む領域の画素数と、それ以外の領域の画素数に分けられるので、結果として転送時に瞬間的に必要となる最大電流供給量は、減少する。すなわち、有効画素領域を含むセンサセルの画素信号と、非有効画素領域のセンサセルの画素信号とを別タイミングで転送するようにしたので、転送時に瞬間的に必要となる電流量が少なくなる。その結果、駆動回路を小さくできるので、固体撮像装置のチップを小さくできる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、転送用トランジスタをオンさせるために必要となる最大電流供給量を減少させる固体撮像装置及びその駆動方法を実現することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図。 図１の１セルの平面形状を示す平面図。 有効画素領域と非有効画素領域を説明するための図。 図２のＡ−Ａ'線で切断して断面を示す断面図。 素子の全体構造を示すブロック図。 センサセルの等価回路図。 本実施の形態における各駆動期間の概略を説明するためのタイミングチャート。 各区同期間毎のポテンシャルの関係を示す説明図。 駆動シーケンス中の各期間における駆動電圧の変化を示す説明図。 駆動シーケンスを示すタイミングチャート。 駆動シーケンスを示すタイミングチャート。 変形例における有効画素領域と非有効画素領域を説明するための図。 変形例における素子の全体構造を示すブロック図。

符号の説明

１…基板、４…蓄積ウェル、５…変調用ウェル、６…リングゲート、７…ソース領域、８…ドレイン領域、１１…ＯＤコンタクト領域、１５…排出コンタクト領域、ＰＤ…フォトダイオード、ＴＭ…変調トランジスタ、ＴＴ…転送トランジスタ、ＴＬ…ＬＯＤトランジスタ、ＴＣ…クリアトランジスタ。

Claims (7)

1. 入射光に応じて光発生電荷を生成する複数の画素をマトリクス状に配列し、撮像に用いられる有効画素領域と、該有効画素領域とは別に設けられる非有効画素領域とを有する固体撮像装置において、
   各画素は、前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、変調トランジスタと、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに転送する転送制御素子とを有し、
   前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに前記転送制御素子によって転送する場合に、前記有効画素領域内の前記光発生電荷と、前記有効画素領域内の前記光発生電荷を含まない前記光発生電荷とを、少なくとも２回以上に分けて転送を行うようにしたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記転送は、２次元である前記マトリクス領域の一つの軸方向に少なくとも２つに分割された領域について行われ、
   １つの領域は、前記有効画素領域を含む第１の領域であり、他の領域は、前記有効画素領域を含まない第２の領域であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１の領域内の前記光発生電荷は、一括転送されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２の領域内の前記光発生電荷は、一括転送されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２の領域は、オプティカルブラック領域を含むことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記第１の領域は、オプティカルブラック領域を含み、該オプティカルブラック領域の前記光発生電荷の信号に基づいて黒レベルを決定することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 入射光に応じて光発生電荷を生成する複数の画素をマトリクス状に配列し、撮像に用いられる有効画素領域と、該有効画素領域とは別に設けられる非有効画素領域とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   各画素には、前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、変調トランジスタと、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに転送する転送制御素子とを設け、
   前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を前記変調トランジスタに前記転送制御素子によって転送する場合に、
   前記有効画素領域内の前記光発生電荷を転送する工程と、
   前記有効画素領域内の前記光発生電荷を含まない前記光発生電荷を転送する工程を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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