JP3829832B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、高画質特性及び低消費電力特性を有する固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

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。
特開２００２−１３４７２９号公報

特許文献１の固体撮像装置においては、動きのある物体を撮像した際に生じる歪を防止するために、受光面全面で、かつ同時に光信号による映像を取り込んで、その光信号を電気信号に変換して映像信号として外部に取り出している。しかしながら、この読み出し方法では、受光面全面で、かつ同時に光信号による映像を取り込むために、蓄積期間と読み出し期間とを画素毎に制御できない。それ故、特定の画素を読み出している間に他の画素では蓄積動作を行うことができず、結果としてフレームレートを高くすることができない。

さらに、特許文献１の固体撮像装置では、フォトダイオードで発生した光発生電荷の一部は、Ｐ型層で形成されたオーバーフロードレイン領域を経由して、基板に排出される。

ところで、フォトダイオードを構成するＮ型層において、不純物濃度のピークが基板鉛直下方に深ければ深いほど、光電変換可能な入射光の波長範囲が広くなる。即ち、高画質化を考慮した場合には、Ｎ型層の深さを充分に深くする必要がある。一方、オーバーフロードレイン領域は、オーバーフロードレインゲートの下方から基板の裏面に至る深いＰ型層で構成される。このＰ型層は、上記のＮ型層形成後にＰ型不純物を打ち込むことによって形成されるため、深いＰ型層からなるオーバーフロードレイン領域を形成するためには、イオン打ち込みのエネルギーを大きくしなければならない。一般的に、打ち込みエネルギーを大きくして形成された不純物領域の面積は大きくなる。すなわち、オーバーフロードレイン領域の面積は大きくなってしまう。従って、高画質化と微細化とはトレードオフの関係にあり、高画質化のためにＮ層の深さを深くすると、固体撮像装置を微細化することができないという問題点もあった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、蓄積期間と読み出し期間とを共通の時間に設定可能にしてフレームレートを高速化すると共に、高画質化及び微細化を図ることができ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。

本発明に係る固体撮像装置は、基板と、前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記蓄積ウェルから転送された前記光発生電荷を保持する変調用ウェルと、前記変調用ウェルに保持された前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタと、
制御端が前記変調トランジスタの制御端と一体に形成され、前記蓄積ウェルと変調用ウェルとの間の転送経路の電位障壁を変化させて前記光発生電荷の転送を制御する転送制御素子と、前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子であって、前記転送制御素子による前記蓄積ウェルから前記変調用ウェルへの前記光発生電荷の転送期間を除く期間に、前記転送制御素子によって制御される、前記蓄積ウェルと前記変調用ウェルとの間の前記光発生電荷転送経路の電位障壁のポテンシャルよりも、前記蓄積ウェルに接続された前記不要電荷排出経路の電位障壁のポテンシャルを低くすることにより、前記蓄積ウェルからオーバーフローした前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる前記不要電荷排出制御素子と、を含む。

本発明の実施の形態によれば、光電変換素子によって発生した光発生電荷は蓄積ウェルに蓄積される。蓄積ウェルに蓄積された光発生電荷は、転送経路を介して変調用ウェルに転送される。変調用ウェルに保持された光発生電荷によって変調トランジスタのチャネルの閾値電圧が制御されて、前記光発生電荷に応じた画素信号が変調トランジスタから出力される。転送制御素子は、転送経路の電位障壁を変化させて光発生電荷の転送を制御することができる。また、不要電荷排出制御素子は、蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、転送制御素子による蓄積ウェルから変調用ウェルへの光発生電荷の転送期間以外の期間に、蓄積ウェルからオーバーフローした電荷を不要電荷排出経路を介して排出させる。これにより、変調トランジスタからの画素信号の読み出し期間において、蓄積ウェルからの変調用ウェルへの光発生電荷の転送を阻止しながら、蓄積ウェルに光発生電荷を蓄積させることができる。また、強い光が入射した場合等に蓄積ウェルに発生するオーバーフロー電荷については不要電荷排出経路を介して外部に排出される。こうして、読み出し期間と蓄積期間とを共通の時間に設定しても、確実な蓄積及び読み出しが可能である。しかも、変調トランジスタの制御端と転送制御素子の制御端とが一体に形成されており、変調トランジスタ及び転送制御素子は、これらの制御端に接続された配線を介して共通の駆動回路からの信号によって共通に制御される。従って、変調トランジスタ及び転送制御素子に接続する配線及び駆動回路を削減することができ、セルレイアウトの自由度を向上させることができる。

また、前記不要電荷排出制御素子は、前記蓄積ウェルに蓄積されている光発生電荷を所定のタイミングで排出することで、前記蓄積ウェルにおける前記光発生電荷の蓄積期間を決定することを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、蓄積ウェルには、転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁の制御によって、光発生電荷が確実に蓄積される。所定のタイミングで蓄積ウェルに蓄積されている光発生電荷を排出することで、この排出タイミングから蓄積ウェルの光発生電荷の蓄積が開始される。蓄積ウェルに蓄積された光発生電荷を転送期間において転送経路を介して変調用ウェルに転送することで光発生電荷の蓄積が終了する。こうして、不要電荷排出経路を介した光発生電荷の排出によって、蓄積期間を自由に設定することができ、ノーマルモードだけでなく、高速シャッターモード及び低速シャッターモードによる撮像が可能となる。

また、前記不要電荷排出経路は、基板上の端子を介して外部の配線に接続されることを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、蓄積ウェルに蓄積された電荷は不要電荷排出経路から基板上の端子を経由して外部の配線に排出される。従って、基板内において基板の深さ方向に拡散層による排出経路を形成する必要がない。これにより、高画質化を図るために光電変換素子形成領域における基板の深さ方向を深くした場合でも、排出経路に大きな面積を必要とすることがなく、微細化が可能である。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷を保持することで変調トランジスタのチャネルの閾値電圧を制御する変調用ウェルと、制御端が前記変調トランジスタの制御端と一体に形成され、前記蓄積ウェルと変調用ウェルとの間の転送経路の電位障壁を制御する転送制御素子と、前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子とを具備した固体撮像装置の駆動方法であって、前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記転送経路の電位障壁のポテンシャルよりも、前記蓄積ウェルに接続された前記不要電荷排出経路の電位障壁のポテンシャルを低くすることにより、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる単独蓄積手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記変調トランジスタから前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順、前記変調用ウェルの残留電荷を排出させる排出手順及び前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記排出手順後に前記変調トランジスタから雑音成分を読み出す雑音成分変調手順からなる読み出し手順と、前記信号成分変調手順、排出手順及び雑音成分変調手順と同一の期間において前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子により前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記転送経路の電位障壁のポテンシャルよりも、前記蓄積ウェルに接続された前記不要電荷排出経路の電位障壁のポテンシャルを低くすることにより、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる並行蓄積手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記変調用ウェルに転送して保持させる転送手順とを具備したことを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、単独蓄積手順によって、光電変換素子によって発生した光発生電荷は少なくとも変調用ウェル側には流れることなく蓄積ウェルに蓄積される。また、変調トランジスタから光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順、変調用ウェルの残留電荷を排出させる排出手順及び排出手順後に変調トランジスタから雑音成分を読み出す雑音成分変調手順からなる読み出し手順と同一の期間において並行蓄積手順が行われて、光電変換素子による光発生発生電荷は少なくとも転送経路を介して変調用ウェルには流れることなく蓄積ウェルに蓄積される。これらの単独蓄積手順及び並行蓄積手順において蓄積ウェルに蓄積された光発生電荷は、転送手順において、変調用ウェルに転送されて保持される。変調用ウェルに保持された光発生電荷に応じた読み出しが、読み出し手順において行われる。読み出し手順による読み出し期間において光発生電荷の蓄積が同時に行われており、フレームレートを高速化することができる。また、変調トランジスタの制御と転送制御素子は、これらの制御端子に信号を供給する共通の駆動回路によって制御することができ、垂直駆動回路ブロックを減らすことができる。また、セルレイアウト上配線数を減らすことができるため単位画素の微細化、もしくは受光素子領域の拡大による高感度化などが容易になる。

前記転送手順は、前記単独蓄積手順と読み出し手順と同一期間に実行される並行蓄積手順とを１画面のライン数に基づく回数だけ繰り返した後に実行されることを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、転送手順から次の転送手順までに行われる全ラインの読み出しと同時に単独蓄積手順及び並行蓄積手順における蓄積動作が行われる。転送期間を除く１画面期間での蓄積が可能である。

また、１画面期間内の任意の期間に前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる初期化手順を更に具備し、前記転送手順は、前記単独蓄積手順と読み出し手順と同一期間に実行される並行蓄積手順とを１画面のライン数及び前記初期化手順の前記１画面期間内のタイミングに基づく回数だけ繰り返した後に実行されることを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、１画面期間内の任意の期間に蓄積ウェルに蓄積されている光発生電荷を排出することで、この任意の期間の終了タイミングから蓄積ウェルの光発生電荷の蓄積が開始される。蓄積ウェルに蓄積された光発生電荷が転送経路を介して変調用ウェルに転送されることで光発生電荷の蓄積が終了する。こうして、不要電荷排出経路を介した光発生電荷の排出のタイミングに応じて、蓄積期間を自由に設定することができ、ノーマルモードだけでなく、高速シャッターモード及び低速シャッターモードによる撮像が可能となる。

また、前記初期化手順から前記転送手順までの期間が１画面期間よりも短い高速シャッターモードを有することを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、蓄積期間を短縮することができ、極めて明るい光が入射する場合でも、画像全体が白っぽくなって、コントラストが低下してしまうことを防止することができる。

また、前記初期化手順から前記転送手順までの期間が１画面期間よりも長い低速シャッターモードを有することを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、蓄積期間を長くすることができ、入射する光が極めて暗い場合でも、充分な明るさの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１０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、図２は図１の１セルの平面形状を示す平面図、図３は図２のＡ−Ａ’線で切断して断面を示す断面図である。図４は素子の全体構造を示すブロック図であり、図５はセンサセルの等価回路図である。図６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７は各区同期間毎のポテンシャルの関係を示す説明図であり、図８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９及び図１０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。

更に、本実施の形態においては、変調トランジスタＴＭと転送トランジスタＴＴのゲートを一体化したものであり、これにより、トランジスタＴＭ，ＴＴのゲートに接続する配線数を削減することができ、また、トランジスタＴＭ，ＴＴの駆動のための駆動回路を省略することができる。これにより、セルレイアウト上極めて有利である。

＜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３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。また、図３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。

フォトダイオードＰＤ形成領域（図３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３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、一端側がリング状で他端側が線状のゲート（リング転送ゲート）６のリング状部分（以下、リングゲート部という）６ａが形成されており、リングゲート部６ａ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。リングゲート部６ａ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、リングゲート部６ａ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３）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、リングゲート部６ａ、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、高濃度Ｐ型拡散層によってオーバーフロー電荷を含む不要電荷排出用のコンタクト領域（以下、ＯＤコンタクト領域という）１１が形成されている。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ＬＯＤ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。

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のゲートは、リング転送ゲート６の直線状部分（以下、転送ゲート部という）６ｂによって構成される。転送ゲート部６ｂ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。

このように、本実施の形態においては、変調トランジスタＴＭ及び転送トランジスタＴＴを構成するリングゲート部６ａと転送ゲート部６ｂとは一体的に形成されており、リング転送ゲート６に駆動電圧を印加することによって、変調トランジスタＴＭと転送トランジスタＴＴとは同時に制御されるようになっている。

＜センサセルの断面＞
更に、図３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３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３は略々１単位画素（セル）の変調トランジスタＴＭ形成領域（ＦＰＷ）フォトダイオードＰＤ形成領域（ＰＤ）とを示している。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。

フォトダイオードＰＤ形成領域のＰ型基板１ａ上には、基板の深い位置にＮ^-のＮ型ウェル２１が形成されている。一方、変調トランジスタＴＭ形成領域のＰ型基板１ａ上には、基板の比較的浅い位置にＮ^-のＮ型ウェル２１’が形成されている。これらのＮ型ウェル２１，２１’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部６ｂ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、転送ゲート部６ｂ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２５を介してリングゲート部６ａが形成され、リングゲート部６ａ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。リングゲート部６ａ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、リングゲート部６ａ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、ＯＤコンタクト領域１１が形成されている。ＯＤコンタクト領域１１は、基板表面にＰ⁺⁺拡散層を形成することで得られる。

フォトダイオードＰＤ形成領域とＯＤコンタクト領域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ＯＤコンタクト領域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ＯＤコンタクト領域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Ｎ⁺拡散層３２が形成されている。

基板表面には図示しない層間絶縁膜を介して配線層（図示せず）が形成される。ＬＯＤゲート１２、リング転送ゲート部６、ＯＤコンタクト領域１１、ソース領域７及びドレインコンタクト領域９は、層間絶縁膜に開孔したコンタクトホールによって配線層の各配線に電気的に接続される。図３ではＯＤコンタクト領域１１が配線５１に接続されていることを示している。なお、各配線は例えばアルミニウム等の金属材料で構成される。

本実施の形態においては、転送トランジスタＴＴ及びＬＯＤトランジスタＴＬを独立して制御して、転送経路ＲＴ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，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、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。

＜作用＞
このように構成されたセンサセルを用いることで、蓄積期間とブランキング期間とを同一の期間に実施することが可能である。

（従来例との対比）
上述した特許文献１の装置においては、フォトダイオードの形成領域及び変調トランジスタのリングゲートの下方にフォトダイオードの開口領域及びリングゲートに略一致した平面形状で、Ｐ型の第１及び第２のウェル領域が一体的に形成される。そして、フォトダイオードの開口領域から入射した光によって発生した光発生電荷は、第１のウェル領域からリングゲート下方の第２のウェル領域に転送され、この部分に形成された低いポテンシャル（正孔を基準）のキャリアポケットに蓄積される。

このような特許文献１の装置において、フォーカルプレーンシャッターを用いて初期化するラインを１フレーム期間内でシフトしながら、蓄積及び読み出しを行うこともできる。しかし、この場合には、各セルは、各ライン毎に、蓄積期間のタイミングが異なり、画像のサンプリングタイミングが垂直方向にずれてしまう。従って、撮像対象に動きがある場合には、画像の垂直方向のサンプリングタイミングのずれから、画像に歪が生じる。特に、高解像度の要求からライン数が多い場合には、上下のライン間で時間のずれが大きくなり、歪が目立ってしまう。

そこで、特許文献１においては、全てのセルの蓄積期間を共通の期間に設定することにしている。即ち、蓄積期間には、トランスファゲートによって、一体的に形成された第１のウェル領域と第２のウェル領域との間の電位障壁を低くする。これにより、光発生電荷は第１のウェル領域から第２のウェル領域に転送されてキャリアポケットに蓄積され続ける。蓄積期間が終了すると、読み出し期間において、キャリアポケット内の電荷に応じた画素信号を出力する。特許文献１の装置においては、この読み出し期間において、受光領域で発生した光発生電荷をオーバーフロードレイン領域を介して基板に排出するようにしており、これにより、有効な光発生電荷のみを蓄積期間において蓄積することを可能にしている。

これに対し、本実施の形態においては、蓄積期間と読み出し期間とを共通の時間に設定する。即ち、転送トランジスタＴＴ、ＬＯＤトランジスタＴＬを独立して制御することで、蓄積期間には、転送経路ＲＴ、不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁を充分に高いポテンシャルに設定する。また、後述する転送期間以外の期間、例えば蓄積期間には、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。これにより、蓄積期間において、変調用ウェル５と蓄積ウェル４との間の電荷の転送を阻止して光発生電荷を蓄積ウェル４に蓄積させることができる。

このように、変調用ウェル５に転送されて保持された光発生電荷に基づく読み出しが終了するまでの期間は、蓄積期間内であっても、保持している光発生電荷の量を一定にすることができる。従って、蓄積期間においても、変調用ウェル５に保持された電荷に基づく画素信号の読み出しが可能である。

また、蓄積期間には、蓄積ウェル４は、転送トランジスタＴＴ及びＬＯＤトランジスタＴＬによる充分に高い電位障壁によってポテンシャル的には囲まれており、変調用ウェル５の読み出し期間であっても、蓄積動作が可能である。しかも、極めて強い光が入射した場合等のように、光発生電荷によるポテンシャルが著しく高くなった場合でも、光発生電荷は変調用ウェル５側ではなく、ＯＤコンタクト領域１１側に流れ、読み出しに悪影響を与えることはない。

また、特許文献１の装置においては、第１のウェル領域側の排出経路に用いられるオーバーフロードレイン領域を基板から基板表面にまで至る深いＰ層で構成する必要から、高画質化及び微細化の両方を満足する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、蓄積ウェル４のオーバーフロー電荷を含む不要電荷は、水平方向に転送された後、ＯＤコンタクト領域１１から基板１上の配線５１を介して排出される。従って、基板１ａから基板１表面にまで至る深いオーバードレイン領域を形成する必要はなく、高画質化及び微細化の両方を満足させることができる。

＜装置全体の回路構成＞
次に、図４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１乃至ず３のセンサセル３を含むセンサセルアレイ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６４，６５，６７〜７０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のセル３と、オプティカルブラック（ＯＢ）のための領域（ＯＢ領域）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のセル３で構成される。

＜センサセルの等価回路＞
図５は図４中の各センサセルの具体的な回路構成を示している。図５（Ａ）はセンサセルの等価回路を示し、図５（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５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５では接続点ＴＭＷ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。

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のリングゲート部６ａ、ソース及びドレイン、転送トランジスタＴＴの転送ゲート部６ｂ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、上述した蓄積、転送、読み出し及び排出等の動作を呈する。なお、変調トランジスタＴＭのリングゲート部６ａと転送トランジスタＴＴの転送ゲート部６ｂとは、リング転送ゲート６として一体形成されている。セル３の各部には図４に示すように、垂直駆動走査回路６４，６５及びドレイン駆動回路６７から信号が供給されるようになっている。

図５（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６４，６５、各駆動回路６７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のリング転送ゲート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、上述したように、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、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が設けられており、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される。転送トランジスタＴＴの制御は、垂直駆動走査回路６４からゲート信号を各転送トランジスタＴＴのリング転送ゲート６に供給することで行われる。

また、本実施の形態においては、上述したように、蓄積ウェル４の不要電荷排出経路ＲＬの電位障壁を制御するＬＯＤトランジスタＴＬを設けることで、蓄積ウェル４からの不要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の制御は、垂直駆動走査回路６５からゲート信号を各ＬＯＤゲート１２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。

なお、本実施の形態においては、変調トランジスタＴＴと転送トランジスタＴＭとは、一体的に形成されたリング転送ゲート６を介して垂直駆動走査回路６４から共通に供給されるゲート信号によって制御される。即ち、変調トランジスタＴＴと転送トランジスタＴＭを制御するためには、共通の駆動回路、ゲート線（コンタクト用の配線）があればよく、セルレイアウト上極めて有利である。

＜蓄積期間と読み出し期間との関係＞
図６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６は後述するノーマルモード時の駆動シーケンスを示している。図６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６では各ラインの読み出し期間（ブランキング期間）をパルス形状によって示している。以下、読み出しを行うラインを読み出しラインといい、読み出しライン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いい、非読み出しラインの各セルを非読み出しセルという。

［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４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）に必要な期間に設定される。

［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６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と並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎ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６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（読み出しセルとなって）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。

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６に示すように、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６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。後述するように、転送期間には、全セルが転送動作を行う。

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。

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６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。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が巡回的に繰り返される。

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、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７及び図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７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７（Ａ）は単独蓄積時の状態を示し、図７（Ｂ）は転送時の状態を示し、図７（Ｃ）はＳ変調又はＮ変調（Ｓ／Ｎ変調）時の状態を示し、図７（Ｄ）はクリア時の状態を示し、図７（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７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７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６のパルスによって示される。

図７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７の左側から右側に向かって、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、転送ゲート部（ＴＸ）６ｂ（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。

また、図８は各期間における駆動電圧の変化を示している。図８において破線は選択ラインの駆動電圧の変化を示している。図８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８は図７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８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。

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７（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８にも示すように、図７（Ａ）に示す単独蓄積期間Ｓａにおいては、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に１．０Ｖ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７（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７（Ｂ）に示す転送期間においては、リング転送ゲート（ＲＧ）６に０．０Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に２．５Ｖ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。

リング転送ゲート６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。また、図７（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７（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８の破線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に２．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に１．０Ｖ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。リング転送ゲート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８の実線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に１．０Ｖ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、リング転送ゲート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転送ゲート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７（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８の破線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に７．０Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に１．０Ｖを印加し、ドレインＤに５．０Ｖを印加し、ソースに５．０Ｖを印加する。

リングゲート部（ＲＧ）６、ドレインＤ及びソースに充分に高い電圧を印加することで、変調用ウェル５のポテンシャルを充分に高くして、変調用ウェル５下方のＮ層２１’を介して残留電荷を基板１ａに排出する。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８の実線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖを印加し、ＬＯＤゲート１２に１．０Ｖを印加し、ドレインＤに５．０Ｖを印加し、ソースに５．０Ｖを印加する。リングゲート部（ＲＧ）６が低い電圧になっており、変調用ウェル５に蓄積されている光発生電荷は排出されない。

各ラインのセルのうち図６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、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７（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７（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７（Ｃ）の並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｎ及び図７（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７（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６にすように、１フレーム期間近傍の時間となる。このように、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７（Ｅ）に示す初期化期間である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８に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖ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（Ｈｉｇｈ−Ｚ）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７（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６のようにノーマルモード時に採用した場合には、図７（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。

なお、Ｓ／Ｎ変調期間においては、読み出しセルと非読み出しセルのリング転送ゲート（ＲＧ）６に印加する電圧の差が大きいほど、読み出しセルからの確実な読み出しが可能である。しかし、非読み出しセルのリング転送ゲート（ＲＧ）６に印加する電圧を０Ｖにすると、変調トランジスタＴＭと転送トランジスタＴＴのゲートが一体的に構成されていることから、転送経路ＲＴ）における電位障壁も下がって、蓄積ウェル４の電荷が変調用ウェル５に流れ込んでしまう虞がある。このため、本実施の形態においては、非読み出しセルについてはリング転送ゲート部６に１．５Ｖを印加するようになっている。

＜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９及び図１０は駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図９はノーマルモードを示し、図１０（Ａ）は高速シャッターモードを示し、図１０（Ｂ）は低速シャッターモードを示している。

図９のノーマルモード時には、上述した図６と同様の動作が行われる。なお、図９のノーマルモードにおいては、ＰＤクリア期間を省略している。また、図９及び図１０では図６の単独蓄積期間Ｓａ（ライン出力の期間）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９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り、１フレーム期間で全セルからの読み出しが終了する。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１０（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１０（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に設定する。上述したように、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７（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７（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８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。

図１０（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。

図１０（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１０（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１０（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。

＜実施の形態の効果＞
このように本実施の形態においては、光電変換素子形成領域に光発生電荷を蓄積する蓄積ウェル４を形成し、変調トランジスタＴＭ形成領域に、蓄積ウェル４とはポテンシャル上分離独立した変調用ウェル５を形成する。そして、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を設けると共に、蓄積期間とブランキング期間とを同一の時間に実行可能にして、フレームレートの高速化を実現している。

この場合において、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。これにより、転送期間以外の期間においては、変調用ウェル５と蓄積ウェル４との間で電荷が転送されることはなく、強い光が入射した場合等においても、蓄積ウェル４から溢れた光発生電荷は、変調用ウェル５側でなくＯＤコンタクト領域側１１に流すことができる。

また、本実施の形態においては、蓄積ウェル４からのオーバーフロー電荷を含む不要電荷は、コンタクト領域１１に接続された外部の信号線を介して排出されており、基板１ａから基板表面にまで至る深いオーバードレイン領域を形成する必要はなく、高画質化及び微細化の両方を満足することができる。

また、変調トランジスタＴＭのゲートと転送トランジスタＴＴのゲートとを一体的に構成して、共通のゲート線によってこれらのトランジスタＴＭ，ＴＴを駆動していることから、配線及び駆動回路を削減することができ、セルレイアウトの自由度を向上させることができる。

図１１乃至図１７は本発明の第２の実施の形態に係り、図１１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、図１２は図１１のＢ−Ｂ’線で切断して断面を示す断面図である。図１３は素子の全体構造を示すブロック図であり、図１４はセンサセルの等価回路図である。図１５は各区同期間毎のポテンシャルの関係を示す説明図であり、図１６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１７は駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。なお、図１１乃至図１７において、夫々図１、図３〜図５及び図７〜図１０と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態はＬＯＤトランジスタＴＬ、ＯＤコンタクト領域１１及び不要電荷排出経路ＲＬを省略した点が第１の実施の形態と異なるのみである。即ち、図１１及び図１２に示すように、フォトダイオードＰＤの蓄積ウェル４に接続される不要電荷排出経路ＲＬは形成されておらず、また、ＬＯＤトランジスタＴＬ及びＯＤコンタクト領域１１も形成されていない。他の構成は図１乃至図３と同様である。

このように構成されたセンサセルを用いた場合でも、第１の実施の形態と同様に、蓄積期間とブランキング期間とを同一の期間に実施することが可能である。

即ち、本実施の形態においても、転送トランジスタＴＴによって転送経路ＲＴを制御することで、蓄積期間において、変調用ウェル５と蓄積ウェル４との間の電荷の転送を阻止して光発生電荷を蓄積ウェル４に蓄積させることができる。

なお、本実施の形態においては、ＬＯＤトランジスタＴＬによるＰＤクリアを行うことができないので、蓄積ウェル４の蓄積期間は、転送トランジスタＴＴによって転送経路ＲＴの電位障壁を低くして行う転送期間によって決定される。即ち、転送期間の終了から次の転送期間の開始までが蓄積期間である。

次に、図１３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。また、図１４は図１３中の各センサセルの具体的な回路構成を示している。

本実施の形態においては、図１４に示すように、各セルはＬＯＤトランジスタＴＬが省略されている。従って、図１３に示すように、固体撮像装置全体の回路構成からは、ＬＯＤトランジスタを駆動する垂直駆動走査回路６５は省略されている。

本実施の形態においても、ＰＤクリア期間がない点を除き、駆動シーケンスは図６と同様である。即ち、蓄積期間は全セルで共通の期間に設定される。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。そして、本実施の形態においても、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。また、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を含み、１フレーム期間は、転送期間の後に、単独蓄積期間Ｓａと並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｃ，Ｓｎとが巡回的に繰り返されて構成される。

また、蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷は、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、全セルが転送動作を行う。そして、この転送期間から転送期間までの間が蓄積期間となる。

次に、図１５及び図１６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）及びＮ変調期間（並行蓄積期間Ｓｎ）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１５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１５（Ａ）は単独蓄積時の状態を示し、図１５（Ｂ）は転送時の状態を示し、図１５（Ｃ）はＳ変調又はＮ変調（Ｓ／Ｎ変調）時の状態を示し、図１５（Ｄ）はクリア時の状態を示している。図１５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１５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。なお、各セルが読み出しセルとなるタイミングは、後述する図１７のパルス部分で示される。

図１５は横軸に図１１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１５の左側から右側に向かって、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、転送ゲート部（ＴＸ）６ｂ（転送経路ＲＴ部分）、蓄積ウェル領域（ＰＤ）の位置の基板内のポテンシャルを示している。

また、図１６は各期間における駆動電圧の変化を示している。図１６において破線は選択ラインの駆動電圧の変化を示している。図１６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１６は図１５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。

本実施の形態においては、図１５（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１６にも示すように、図１５（Ａ）に示す単独蓄積期間Ｓａにおいては、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖ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。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１５（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も、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。

図１５（Ｂ）に示す転送期間においては、リング転送ゲート（ＲＧ）６に０．０Ｖ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。

リング転送ゲート６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。図１５（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１５（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１６の破線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に２．５Ｖ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。リング転送ゲート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１６の実線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖ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−Ｖｔｈ（＝０−Ｖｔｈ）が生じるが、リング転送ゲート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部６ａ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１５（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１６の破線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に７．０Ｖを印加し、ドレインＤに５．０Ｖを印加し、ソースに５．０Ｖを印加する。

これにより、変調用ウェル５のポテンシャルを高くして、変調用ウェル５に残留している電荷をＮ層２１’を介して基板１ａ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１６の実線に示すように、リング転送ゲート（ＲＧ）６に１．５Ｖを印加し、ドレインＤに５．０Ｖを印加し、ソースに５．０Ｖを印加する。これにより、変調用ウェル５のポテンシャルは低くなって、変調用ウェル５内において光発生電荷が保持される。各ラインのセルのうち図６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１５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１５（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１５（Ｃ）の並行蓄積期間Ｓｓ，Ｓｎ及び図１５（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１５（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、１フレーム期間近傍の時間となる。このように、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。

次に、ノーマル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１７は駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図１７（Ａ）はノーマルモードを示し、図１７（Ｂ）は低速シャッターモードを示している。図１７では単独蓄積期間Ｓａ（ライン出力の期間）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。

図１７（Ａ）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り、１フレーム期間で全セルからの読み出しが終了する。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１７（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。本実施の形態における低速シャッターモードにおいては、転送期間を複数フレーム期間に１回挿入する。

図１７（Ｂ）の例では、転送期間は２フレーム期間に１回挿入されており、この転送期間の終了から２フレーム期間後に次の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２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２倍の明るさの画像を得ることができる。なお、図１７（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。

このように本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

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。 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。 第１の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。 第２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１１のＢ−Ｂ’線で切断して断面を示す断面図。 第２の実施の形態の素子の全体構造を示すブロック図。 第２の実施の形態のセンサセルの等価回路図。 第２の実施の形態の各区同期間毎のポテンシャルの関係を示す説明図。 第２の実施の形態の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。 第２の実施の形態の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。

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。

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
   前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、
   前記蓄積ウェルから転送された前記光発生電荷を保持する変調用ウェルと、
   前記変調用ウェルに保持された前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタと、
   制御端が前記変調トランジスタの制御端と一体に形成され、前記蓄積ウェルと変調用ウェルとの間の転送経路の電位障壁を変化させて前記光発生電荷の転送を制御する転送制御素子と、
   前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子であって、前記転送制御素子による前記蓄積ウェルから前記変調用ウェルへの前記光発生電荷の転送期間を除く期間に、前記転送制御素子によって制御される、前記蓄積ウェルと前記変調用ウェルとの間の前記光発生電荷転送経路の電位障壁のポテンシャルよりも、前記蓄積ウェルに接続された前記不要電荷排出経路の電位障壁のポテンシャルを低くすることにより、前記蓄積ウェルからオーバーフローした前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる前記不要電荷排出制御素子と、
   を含む固体撮像装置。
2. 前記不要電荷排出制御素子は、前記蓄積ウェルに蓄積されている光発生電荷を所定のタイミングで排出することで、前記蓄積ウェルにおける前記光発生電荷の蓄積期間を決定する、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記不要電荷排出経路は、基板上の端子を介して外部の配線に接続される、請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷を保持することで変調トランジスタのチャネルの閾値電圧を制御する変調用ウェルと、制御端が前記変調トランジスタの制御端と一体に形成され、前記蓄積ウェルと変調用ウェルとの間の転送経路の電位障壁を制御する転送制御素子と、前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子とを具備した固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記転送経路の電位障壁のポテンシャルよりも、前記蓄積ウェルに接続された前記不要電荷排出経路の電位障壁のポテンシャルを低くすることにより、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる単独蓄積手順と、
   前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記変調トランジスタから前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順、前記変調用ウェルの残留電荷を排出させる排出手順及び前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記排出手順後に前記変調トランジスタから雑音成分を読み出す雑音成分変調手順からなる読み出し手順と、
   前記信号成分変調手順、排出手順及び雑音成分変調手順と同一の期間において前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子により前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記転送経路の電位障壁のポテンシャルよりも、前記蓄積ウェルに接続された前記不要電荷排出経路の電位障壁のポテンシャルを低くすることにより、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる並行蓄積手順と、
   前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記変調用ウェルに転送して保持させる転送手順と、を含む固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記転送手順は、前記単独蓄積手順と読み出し手順と同一期間に実行される並行蓄積手順とを１画面のライン数に基づく回数だけ繰り返した後に実行される、請求項４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. １画面期間内の任意の期間に前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる初期化手順を更に具備し、
   前記転送手順は、前記単独蓄積手順と読み出し手順と同一期間に実行される並行蓄積手順とを１画面のライン数及び前記初期化手順の前記１画面期間内のタイミングに基づく回数だけ繰り返した後に実行される、請求項４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記初期化手順から前記転送手順までの期間が１画面期間よりも短い高速シャッターモードを有する、請求項６に記載の固体撮像装置の駆動方法。
8. 前記初期化手順から前記転送手順までの期間が１画面期間よりも長い低速シャッターモードを有する、請求項６に記載の固体撮像装置の駆動方法。

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