(57)【要約】【課題】ノイズの少ない高画質の撮像を行うことが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】全ての画素部１００の光電変換部３内の電荷を半導体基板に排出した後（ｔ１）、全ての画素部１００で同時に露光を開始し（ｔ２）、露光期間に光電変換部３で発生した電荷を該露光期間中にＦＧに注入し（ｔ２−ｔ３）、露光期間終了後、ＦＧに蓄積された電荷に応じた第一の信号を読み出し（ｔ４（ｎ））、ＦＧ内の電荷を書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤに排出し（ｔ５（ｎ））、その後、ＦＧに蓄積されているノイズに応じた第二の信号を読み出す（ｔ６（ｎ））駆動をライン毎にタイミングをずらして行う制御部４０と、第一の信号から第二の信号を減算して画像データ生成用の撮像信号を生成するＣＤＳ８０とを備える。【選択図】図４
2010093548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を含む画素部を多数有する撮像装置であって、
前記画素部は、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積するための半導体基板上方に設けられた電荷蓄積部を含むトランジスタを有し、
前記画素部の前記電荷蓄積部内の電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出して消去する電荷消去駆動と、露光期間に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に蓄積した後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第一の信号を読み出す第一の信号読み出し駆動と、前記電荷蓄積部内の電荷が前記電荷消去駆動によって前記ドレイン領域に排出された後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第二の信号を読み出す第二の信号読み出し駆動と、を複数の前記画素部からなるグループ毎に独立に行う駆動手段と、
同一の前記画素部から読み出された前記第一の信号と前記第二の信号を取得し、該第一の信号から該第二の信号を減算して画像データ生成用の信号を生成する信号生成手段とを備える撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、全ての前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を前記半導体基板に同時に排出する基板排出駆動も行い、
静止画撮像モード時には、前記駆動手段が、前記基板排出駆動を行って全ての前記画素部で露光期間を同時に開始させ、前記露光期間の終了後、前記グループ毎に、前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動をタイミングをずらして行う撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の撮像装置であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
前記駆動手段が、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する撮像装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の撮像装置であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
前記駆動手段が、露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する撮像装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行い、
動画撮像モード時には、前記駆動手段が、前記画素部に対して前記電荷排出駆動を行って露光期間を開始した後に前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う撮像装置。
【請求項６】
請求項５記載の撮像装置であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
前記駆動手段が、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する撮像装置。
【請求項７】
請求項５記載の撮像装置であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
前記駆動手段が、露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する撮像装置。
【請求項８】
請求項１又は２記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行い、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
動画撮像モード時には、前記駆動手段が、前記電荷排出駆動を行って前記画素部の露光期間を開始した後、前記露光期間中に前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順で行い、前記露光期間の終了後、前記書き込みトランジスタを駆動して前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入し、その後、前記第一の信号読み出し駆動を行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う撮像装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記電荷排出駆動が、前記書き込みトランジスタによって前記電荷蓄積部に前記電荷を注入するために前記書き込みトランジスタのゲート電極に印加すべき第一の電圧よりも低い第二の電圧を前記ゲート電極に印加することで、前記光電変換部で発生した電荷を前記書き込みトランジスタのチャネル領域を通過させて前記ドレイン領域に排出する駆動である撮像装置。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記画素部が前記トランジスタを２つ有し、
前記２つのトランジスタは、前記書き込みトランジスタと、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すための読み出しトランジスタであり、
前記電荷蓄積部がフローティングゲートであり、
前記書き込みトランジスタに含まれる前記フローティングゲートと、前記読み出しトランジスタに含まれる前記フローティングゲートとが電気的に接続されており、
前記電荷排出駆動が、前記光電変換部で発生した電荷を、前記書き込みトランジスタによって前記フローティングゲートに注入し、前記フローティングゲートに注入した電荷を、前記読み出しトランジスタのドレイン領域に排出する駆動である撮像装置。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記書き込みトランジスタが、ホットエレクトロン注入により前記電荷の注入を行う撮像装置。
【請求項１２】
請求項６〜１０のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記書き込みトランジスタが、トンネルエレクトロン注入により前記電荷の注入を行う撮像装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記光電変換部が、前記半導体基板上方に設けられた光電変換膜である撮像装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の撮像装置であって、
前記光電変換膜がアモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（銅−インジウム−ガリウム−セレン）系材料、又は有機材料で構成されている撮像装置。
【請求項１５】
光電変換部を含む画素部を多数有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記画素部は、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積するための半導体基板上方に設けられた電荷蓄積部を含むトランジスタを有し、
前記画素部の前記電荷蓄積部内の電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出して消去する電荷消去駆動と、露光期間に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に蓄積した後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第一の信号を読み出す第一の信号読み出し駆動と、前記電荷蓄積部内の電荷が前記電荷消去駆動によって前記ドレイン領域に排出された後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第二の信号を読み出す第二の信号読み出し駆動と、を複数の前記画素部からなるグループ毎に独立に行う駆動ステップと、
同一の前記画素部から読み出された前記第一の信号と前記第二の信号を取得し、該第一の信号から該第二の信号を減算して画像データ生成用の信号を生成する信号生成ステップとを備える固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
静止画撮像モード時、全ての前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を前記半導体基板に同時に排出する基板排出駆動を行って全ての前記画素部で露光期間を同時に開始させ、前記露光期間の終了後、前記グループ毎に、前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動をタイミングをずらして行う固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１７】
請求項１５又は１６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１８】
請求項１５又は１６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１９】
請求項１５又は１６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
動画撮像モード時、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行って前記画素部の露光期間を開始した後、前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２１】
請求項１９記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２２】
請求項１５又は１６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、
動画撮像モード時、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行って前記画素部の露光期間を開始した後、前記露光期間中に前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順で行い、前記露光期間の終了後、前記書き込みトランジスタを駆動して前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入し、その後、前記第一の信号読み出し駆動を行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷排出駆動が、前記書き込みトランジスタによって前記電荷蓄積部に前記電荷を注入するために前記書き込みトランジスタのゲート電極に印加すべき第一の電圧よりも低い第二の電圧を前記ゲート電極に印加することで、前記光電変換部で発生した電荷を前記書き込みトランジスタのチャネル領域を通過させて前記ドレイン領域に排出する駆動である固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２４】
請求項２０〜２２のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記画素部が前記トランジスタを２つ有し、
前記２つのトランジスタは、前記書き込みトランジスタと、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すための読み出しトランジスタであり、
前記電荷蓄積部がフローティングゲートであり、
前記書き込みトランジスタに含まれる前記フローティングゲートと、前記読み出しトランジスタに含まれる前記フローティングゲートとが電気的に接続されており、
前記電荷排出駆動が、前記光電変換部で発生した電荷を、前記書き込みトランジスタによって前記フローティングゲートに注入し、前記フローティングゲートに注入した電荷を、前記読み出しトランジスタのドレイン領域に排出する駆動である固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２５】
請求項２０〜２４のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
ホットエレクトロン注入により前記電荷の注入が行われるように前記書き込みトランジスタを駆動する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２６】
請求項２０〜２４のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
トンネルエレクトロン注入により前記電荷の注入が行われるように前記書き込みトランジスタを駆動する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２７】
請求項１５〜２６のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記光電変換部が、前記半導体基板上方に設けられた光電変換膜である固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２８】
請求項２７記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記光電変換膜がアモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（銅−インジウム−ガリウム−セレン）系材料、又は有機材料で構成されている固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換部を含む画素部を多数有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオード（ＰＤ）等の光電変換素子で発生した電荷を、電荷蓄積部として機能するフローティングゲート（ＦＧ）を有するＭＯＳトランジスタによって該ＦＧに注入して蓄積し、ＦＧに蓄積された電荷に応じた信号を外部に読み出すことで撮像を行う固体撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の装置では、ＦＧ内の電荷を消去した後も、ＦＧ内には僅かながら電荷が残る可能性がある。また、ＦＧ内の電荷を消去してから、露光期間中に発生した電荷をＦＧに注入するまでの間に、ＦＧの周囲からノイズが発生し、これがＦＧ内に侵入してしまう可能性もある。しかも、上述したような残留電荷やノイズは、その量が全てのＦＧで一致するとは限らない。
【０００４】
このため、露光期間中にＰＤで発生した電荷に応じた信号のみを取り出すためには、ＦＧ内に元々あった電荷に応じたノイズ信号を、露光期間中に発生して該ＦＧに注入された電荷に応じた信号から減算する処理を画素毎に行う必要がある。
【０００５】
特許文献１に記載の装置でも、フレームメモリを設け、画素毎にノイズ信号を取得して記憶しておくことで、画素毎に上記処理を行うことが可能になる。ただし、フレームメモリを設けると、チップ全体として大型化してしまうため、望ましくない。
【０００６】
また、特許文献１には、上記ノイズ信号の影響を減らすために、各画素の読み出しトランジスタの閾値を一定レベルにリセット（ＦＧへの電荷注入又は引き抜き）する方法が開示されているが、リセット時に閾値がばらつくのを回避することは難しい。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２８０５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ノイズの少ない高画質の撮像を行うことが可能な撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、光電変換部を含む画素部を多数有する撮像装置であって、前記画素部は、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積するための半導体基板上方に設けられた電荷蓄積部を含むトランジスタを有し、前記画素部の前記電荷蓄積部内の電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出して消去する電荷消去駆動と、露光期間に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に蓄積した後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第一の信号を読み出す第一の信号読み出し駆動と、前記電荷蓄積部内の電荷が前記電荷消去駆動によって前記ドレイン領域に排出された後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第二の信号を読み出す第二の信号読み出し駆動と、を複数の前記画素部からなるグループ毎に独立に行う駆動手段と、同一の前記画素部から読み出された前記第一の信号と前記第二の信号を取得し、該第一の信号から該第二の信号を減算して画像データ生成用の信号を生成する信号生成手段とを備える。
【００１０】
この構成により、各画素部から第一の信号と第二の信号を読み出し、その差分をとって暗時ノイズを除去することができる。第二の信号は画素部毎に得られるため、固定パターンノイズを抑制した高画質の画像を提供することが可能になる。また、第一の信号及び第二の信号をグループ毎にタイミングをずらして読み出すことが可能なため、画像データ生成用の信号の生成をグループ毎に行うことができる。このため、１つのグループから読み出される第二の信号を保持できるだけのメモリがあれば良く、全ての画素部から読み出した暗時ノイズを記憶しておくフレームメモリを設ける場合と比較して、撮像装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００１１】
本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、全ての前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を前記半導体基板に同時に排出する基板排出駆動も行い、静止画撮像モード時には、前記駆動手段が、前記基板排出駆動を行って全ての前記画素部で露光期間を同時に開始させ、前記露光期間の終了後、前記グループ毎に、前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動をタイミングをずらして行う。
【００１２】
この構成により、静止画撮像モード時には、全ての画素部で露光を同時に開始するグローバルシャッタを実現することができ、歪みのない高画質の静止画を得ることができる。
【００１３】
本発明の撮像装置は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、前記駆動手段が、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００１４】
この構成により、露光期間中に電荷蓄積部への電荷の注入が行われるため、撮像に要する時間を短縮することができる。
【００１５】
本発明の撮像装置は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、前記駆動手段が、露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００１６】
この構成により、露光期間中は電荷蓄積部への電荷の注入が行われないため、露光期間中に発生するノイズが電荷蓄積部に侵入するのを防ぐことができ、ノイズ低減を図ることができる。
【００１７】
本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行い、動画撮像モード時には、前記駆動手段が、前記画素部に対して前記電荷排出駆動を行って露光期間を開始した後に前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う。
【００１８】
この構成により、動画撮像モード時には、グループ毎に露光期間をずらした所謂ローリングシャッタでの撮像が可能となる。このように、グローバルシャッタによる静止画撮像とローリングシャッタによる動画撮像とを、駆動の切り替えのみで実施することができる。したがって、自然で滑らかな動画撮像と、高画質の静止画撮像とを両立させた撮像装置を低コストで提供することができる。
【００１９】
本発明の撮像装置は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、前記駆動手段が、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００２０】
この構成により、露光期間中に電荷蓄積部への電荷の注入が行われるため、撮像に要する時間を短縮することができる。
【００２１】
本発明の撮像装置は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、前記駆動手段が、露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００２２】
この構成により、露光期間中は電荷蓄積部への電荷の注入が行われないため、露光期間中に発生するノイズが電荷蓄積部に侵入するのを防ぐことができ、ノイズ低減を図ることができる。
【００２３】
本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行い、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、動画撮像モード時には、前記駆動手段が、前記電荷排出駆動を行って前記画素部の露光期間を開始した後、前記露光期間中に前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順で行い、前記露光期間の終了後、前記書き込みトランジスタを駆動して前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入し、その後、前記第一の信号読み出し駆動を行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う。
【００２４】
この構成により、露光開始後、電荷消去駆動、第二の信号読み出し駆動、電荷注入、第一の信号読み出し駆動の順に駆動が行われるため、第二の信号を読み出した後に、該第二の信号を暗時ノイズとして含む第一の信号を読み出すことができる。したがって、第一の信号から第二の信号を減算して得られる信号は、露光期間中に光電変換部で発生した電荷に応じた信号と正確に一致し、暗時ノイズを正確に除去することができる。
【００２５】
本発明の撮像装置は、前記電荷排出駆動が、前記書き込みトランジスタによって前記電荷蓄積部に前記電荷を注入するために前記書き込みトランジスタのゲート電極に印加すべき第一の電圧よりも低い第二の電圧を前記ゲート電極に印加することで、前記光電変換部で発生した電荷を前記書き込みトランジスタのチャネル領域を通過させて前記ドレイン領域に排出する駆動である。
【００２６】
本発明の撮像装置は、前記画素部が前記トランジスタを２つ有し、前記２つのトランジスタは、前記書き込みトランジスタと、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すための読み出しトランジスタであり、前記電荷蓄積部がフローティングゲートであり、前記書き込みトランジスタに含まれる前記フローティングゲートと、前記読み出しトランジスタに含まれる前記フローティングゲートとが電気的に接続されており、前記電荷排出駆動が、前記光電変換部で発生した電荷を、前記書き込みトランジスタによって前記フローティングゲートに注入し、前記フローティングゲートに注入した電荷を、前記読み出しトランジスタのドレイン領域に排出する駆動である。
【００２７】
本発明の撮像装置は、前記書き込みトランジスタが、ホットエレクトロン注入により前記電荷の注入を行う。
【００２８】
本発明の撮像装置は、前記書き込みトランジスタが、トンネルエレクトロン注入により前記電荷の注入を行う。
【００２９】
本発明の撮像装置は、前記光電変換部が、前記半導体基板上方に設けられた光電変換膜である。
【００３０】
本発明の撮像装置は、前記光電変換膜がアモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（銅−インジウム−ガリウム−セレン）系材料、又は有機材料で構成されている。
【００３１】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、光電変換部を含む画素部を多数有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記画素部は、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積するための半導体基板上方に設けられた電荷蓄積部を含むトランジスタを有し、前記画素部の前記電荷蓄積部内の電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出して消去する電荷消去駆動と、露光期間に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に蓄積した後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第一の信号を読み出す第一の信号読み出し駆動と、前記電荷蓄積部内の電荷が前記電荷消去駆動によって前記ドレイン領域に排出された後に前記電荷蓄積部内にある電荷に応じた第二の信号を読み出す第二の信号読み出し駆動と、を複数の前記画素部からなるグループ毎に独立に行う駆動ステップと、同一の前記画素部から読み出された前記第一の信号と前記第二の信号を取得し、該第一の信号から該第二の信号を減算して画像データ生成用の信号を生成する信号生成ステップとを備える。
【００３２】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、静止画撮像モード時、全ての前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を前記半導体基板に同時に排出する基板排出駆動を行って全ての前記画素部で露光期間を同時に開始させ、前記露光期間の終了後、前記グループ毎に、前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動をタイミングをずらして行う。
【００３３】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００３４】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００３５】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、動画撮像モード時、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行って前記画素部の露光期間を開始した後、前記第一の信号読み出し駆動、前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順に行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う。
【００３６】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を、前記露光期間中に前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００３７】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、露光期間中は前記光電変換部で発生した電荷の前記電荷蓄積部への注入を停止し、前記露光期間の終了後、前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入するように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００３８】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記トランジスタが、前記電荷蓄積部に前記電荷を注入して蓄積させるための書き込みトランジスタであり、動画撮像モード時、前記画素部の前記光電変換部で発生した電荷を該画素部内の前記トランジスタのドレイン領域に排出する電荷排出駆動を行って前記画素部の露光期間を開始した後、前記露光期間中に前記電荷消去駆動、前記第二の信号読み出し駆動をこの順で行い、前記露光期間の終了後、前記書き込みトランジスタを駆動して前記露光期間中に前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷蓄積部に注入し、その後、前記第一の信号読み出し駆動を行う一連の駆動を、前記グループ毎にタイミングをずらして行う。
【００３９】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記電荷排出駆動が、前記書き込みトランジスタによって前記電荷蓄積部に前記電荷を注入するために前記書き込みトランジスタのゲート電極に印加すべき第一の電圧よりも低い第二の電圧を前記ゲート電極に印加することで、前記光電変換部で発生した電荷を前記書き込みトランジスタのチャネル領域を通過させて前記ドレイン領域に排出する駆動である。
【００４０】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記画素部が前記トランジスタを２つ有し、前記２つのトランジスタは、前記書き込みトランジスタと、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すための読み出しトランジスタであり、前記電荷蓄積部がフローティングゲートであり、前記書き込みトランジスタに含まれる前記フローティングゲートと、前記読み出しトランジスタに含まれる前記フローティングゲートとが電気的に接続されており、前記電荷排出駆動が、前記光電変換部で発生した電荷を、前記書き込みトランジスタによって前記フローティングゲートに注入し、前記フローティングゲートに注入した電荷を、前記読み出しトランジスタのドレイン領域に排出する駆動である。
【００４１】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、ホットエレクトロン注入により前記電荷の注入が行われるように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００４２】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、トンネルエレクトロン注入により前記電荷の注入が行われるように前記書き込みトランジスタを駆動する。
【００４３】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記光電変換部が、前記半導体基板上方に設けられた光電変換膜である。
【００４４】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記光電変換膜がアモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（銅−インジウム−ガリウム−セレン）系材料、又は有機材料で構成されている。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、ノイズの少ない高画質の撮像を行うことが可能な撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いられるものである。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図２は、図１に示す画素部の概略構成を示す断面模式図である。図３は、図２に示す画素部の等価回路図である。
【００４８】
固体撮像素子１０は、同一平面上の行方向とこれに直交する列方向にアレイ状（ここでは正方格子状）に配列された多数の画素部１００を備える。
【００４９】
画素部１００は、Ｎ型シリコン基板１とこの上に形成されたＰウェル層２からなる半導体基板内に形成されたＮ型不純物層３を備える。Ｎ型不純物層３はＰウェル層２内に形成され、このＮ型不純物層３とＰウェル層２とのＰＮ接合により、光電変換部として機能するフォトダイオード（ＰＤ）が形成される。以下では、Ｎ型不純物層３のことを光電変換部３と言う。光電変換部３は、その表面に完全空乏化や暗電流抑制のためにＰ型不純物層９が形成された、所謂埋め込み型フォトダイオードとなっている。
【００５０】
半導体基板には、光電変換部３で発生した電荷に応じた電圧信号を外部に読み出すことが可能な読み出し部が形成されている。
【００５１】
この読み出し部は、書き込みトランジスタＷＴと、読み出しトランジスタＲＴとを備える。書き込みトランジスタＷＴと読み出しトランジスタＲＴとは、光電変換部３の右隣に少し離間して設けられた素子分離領域５によって分離されている。また、Ｐウェル層２内の画素部１００同士の構成要素は、素子分離領域８によって互いに分離されている。
【００５２】
素子分離法には、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法、及び高濃度不純物イオン注入による方法等が適用できる。
【００５３】
書き込みトランジスタＷＴは、ソース領域として機能する光電変換部３と、光電変換部３の右に離間して設けられた高濃度のＮ型不純物からなるドレイン領域である書き込みドレインＷＤと、光電変換部３と書き込みドレインＷＤとの間の半導体基板上方に酸化膜１１を介して設けられたゲート電極である書き込みコントロールゲートＷＧと、書き込みコントロールゲートＷＧと酸化膜１１との間に設けられたフローティングゲートＦＧとを備えたＭＯＳトランジスタ構造となっている。
【００５４】
書き込みコントロールゲートＷＧを構成する導電性材料は、例えばポリシリコンを用いることができる。リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）を高濃度にドープしたドープドポリシコンでも良い。あるいは、チタン（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）等の各種金属とシリコンを組み合わせたシリサイド（Silicide）やサリサイド（Self-alingn Silicide）でも良い。
【００５５】
読み出しトランジスタＲＴは、素子分離領域５の右隣に設けられた高濃度のＮ型不純物からなるドレイン領域である読み出しドレインＲＤと、読み出しドレインＲＤの右隣に少し離間して設けられたＮ型不純物からなるソース領域である読み出しソースＲＳと、読み出しドレインＲＤと読み出しソースＲＳとの間の半導体基板上方に酸化膜１１を介して設けられたゲート電極である読み出しコントロールゲートＲＧと、読み出しコントロールゲートＲＧと酸化膜１１との間に設けられたフローティングゲートＦＧとを備えたＭＯＳトランジスタ構造となっている。
【００５６】
読み出しコントロールゲートＲＧを構成する導電性材料は、書き込みコントロールゲートＷＧと同じものを用いることができる。読み出しドレインＲＤには列信号線１２が接続されている。読み出しソースＲＳにはグランド線が接続されている。読み出しドレインＲＤは、列信号線１２とオーミック接触が取れるように不純物濃度が調整されている。読み出しソースＲＳは、グランド線とオーミック接触が取れるように不純物濃度が調整されている。
【００５７】
フローティングゲートＦＧは、Ｐ型不純物層９と読み出しソースＲＳとの間の半導体基板上方に酸化膜１１を介して設けられた電気的に浮遊した電極である。フローティングゲートＦＧ上には酸化シリコン等の絶縁膜１９を介して書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧが設けられている。フローティングゲートＦＧを構成する導電性材料は、書き込みコントロールゲートＷＧと同じものを用いることができる。
【００５８】
尚、フローティングゲートＦＧは、書き込みトランジスタＷＴと読み出しトランジスタＲＴとで共通の一枚構成に限らず、書き込みトランジスタＷＴと読み出しトランジスタＲＴとでそれぞれ分離して設け、分離した２つのフローティングゲートＦＧを配線によって電気的に接続した構成としても良い。また、光電変換部３からフローティングゲートＦＧへの電荷注入が起こり易いように、書き込みコントロールゲートＷＧと光電変換部３を一部オーバーラップさせても良い。
【００５９】
画素部１００は、図示しない遮光膜によって、光電変換部３の一部以外の領域に光が入射しない構造になっている。
【００６０】
固体撮像素子１０は、書き込みトランジスタＷＴ及び読み出しトランジスタＲＴの制御を行う制御部４０と、読み出しトランジスタＲＴの閾値電圧を検出する読み出し回路２０と、読み出し回路２０に接続されたＣＤＳ８０と、ＣＤＳ８０から出力される１ライン分の撮像信号を信号線７０に順次読み出す制御を行う水平シフトレジスタ５０と、信号線７０に接続された出力アンプ６０とを備える。
【００６１】
読み出し回路２０は、列方向に並ぶ複数の画素部１００で構成される各列に対応して設けられており、対応する列の各画素部１００の読み出しドレインＲＤに列信号線１２を介して接続されている。又、読み出し回路２０は制御部４０にも接続されている。
【００６２】
読み出し回路２０は、図１（ｂ）に示すように、読み出し制御部２０ａと、センスアンプ２０ｂと、プリチャージ回路２０ｃと、ランプアップ回路２０ｄと、トランジスタ２０ｅ，２０ｆとを備えた構成となっている。
【００６３】
読み出し制御部２０ａは、画素部１００から電圧信号を読み出す際、トランジスタ２０ｆをオンしてプリチャージ回路２０ｃから画素部１００の読み出しドレインＲＤに列信号線１２を介してドレイン電圧（Ｖｒ）を供給する（プリチャージ）。次に、トランジスタ２０ｅをオンして画素部１００の読み出しドレインＲＤとセンスアンプ２０ｂを導通させる。
【００６４】
センスアンプ２０ｂは、画素部１００の読み出しドレインＲＤの電圧を監視し、この電圧が変化したことを検出し、ランプアップ回路２０ｄにその旨を通知する。例えば、プリチャージ回路２０ｃによってプリチャージされたドレイン電圧が降下したことを検出しセンスアンプ出力を反転させる。
【００６５】
ランプアップ回路２０ｄは、Ｎ−ｂｉｔカウンタを内蔵しており、制御部４０を介して画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧに漸増または漸減するランプ波形電圧を供給すると共に、ランプ波形電圧の値に対応するカウント値（Ｎ個の１、０の組み合わせ）を出力する。
【００６６】
読み出しコントロールゲートＲＧの電圧が読み出しトランジスタＲＴの閾値電圧を越えると読み出しトランジスタＲＴが導通し、このとき、プリチャージされていた列信号線１２の電位が降下する。これがセンスアンプ２０ｂによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路２０ｄは、この反転信号を受けた時点におけるランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持（ラッチ）する。これにより、デジタル値（１，０の組み合わせ）として閾値電圧の変化を読み出すことができる。
【００６７】
ＣＤＳ８０は、対応する画素部１００の光電変換部３で発生した電荷に応じた電圧信号に含まれるノイズを除去し、画像データ生成用の撮像信号を生成する。
【００６８】
水平シフトレジスタ５０により１つの水平選択トランジスタ３０が選択されると、その水平選択トランジスタ３０に接続されたＣＤＳ８０で生成された撮像信号が信号線７０に出力され、これが出力アンプ６０から出力される。
【００６９】
なお、読み出し回路２０による読み出しトランジスタＲＴの閾値電圧の変化を読み出す方法としては上述したものに限らない。例えば、読み出しコントロールゲートＲＧと読み出しドレインＲＤに一定の電圧を印加した場合の読み出しトランジスタＲＴのドレイン電流を撮像信号として読み出しても良い。
【００７０】
制御部４０は、行方向に並ぶ複数の画素部１００からなる各ラインの各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ、読み出しコントロールゲートＲＧ、及び書き込みドレインＷＤに、それぞれ書き込み制御線、読み出し制御線、書き込みドレイン線を介して接続されている。書き込みドレインＷＤは、書き込みドレイン線とオーミック接触が取れるように不純物濃度が調整されている。
【００７１】
制御部４０は、書き込みトランジスタＷＴを制御して、光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧに注入して蓄積させる駆動を行う。フローティングゲートＦＧに電荷を注入する方法としては、チャンネルホットエレクトロン（ＣＨＥ）等のホットエレクトロンを用いてフローティングゲートＦＧに電荷を注入するホットエレクトロン注入と、ファウラ−ノルドハイム（Ｆ−Ｎ）トンネル電流等を用いてフローティングゲートＦＧにトンネリングによって電荷を注入するトンネルエレクトロン注入とがある。
【００７２】
また、制御部４０は、上述した方法で読み出しトランジスタＲＴを制御して、フローティングゲートＦＧに蓄積された電荷に応じた電圧信号を読み出す駆動を行う。
【００７３】
また、制御部４０は、各画素部１００の露光期間（１つの画像データを生成するための撮像信号を得るために光電変換部３を露光する期間）の開始直前までに光電変換部３で発生して蓄積された電荷を外部に排出して光電変換部３を空の状態にする電荷排出駆動と、フローティングゲートＦＧに蓄積された電荷を外部に排出して消去する電荷消去駆動とを行う。
【００７４】
電荷排出駆動としては、露光開始直前までに光電変換部３で発生した電荷を該露光開始直前に書き込みドレインＷＤ又は読み出しドレインＲＤに排出するドレイン排出駆動と、露光開始直前までに光電変換部３で発生した電荷を半導体基板に排出する基板排出駆動との２種類がある。
【００７５】
ドレイン排出駆動の具体的方法としては、書き込みトランジスタＷＴによってフローティングゲートＦＧに電荷を注入するために書き込みコントロールゲートＷＧに印加すべき第一の電圧（Ｖｐｐ）よりも低く、且つ、フローティングゲートＦＧへの電荷注入が起こらない程度の第二の電圧（Ｖｃｃ）を書き込みコントロールゲートＷＧに印加し、光電変換部３で発生した電荷を書き込みトランジスタＷＴのチャネル領域を通過させて書き込みドレインＷＤに排出する方法と、光電変換部３で発生した電荷を書き込みトランジスタＷＴによってフローティングゲートＦＧに注入し、フローティングゲートＦＧに注入した電荷を読み出しドレインＲＤに排出する方法とがある。
【００７６】
電荷消去駆動としては、書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤにそれぞれ第一の極性（例えば正極性）の電圧（Ｖｃｃ）を印加し、書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧにそれぞれ第一の極性と反対極性（例えば負極性）の電圧（−Ｖｐｐ）を印加し、フローティングゲートＦＧに蓄積された電荷を書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤに排出することで、フローティングゲートＦＧ内の電荷の消去を行うドレイン消去駆動と、半導体基板に正極性の電圧（Ｖｃｃ）を印加し、書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧにそれぞれ負極性の電圧（−Ｖｐｐ）を印加して、フローティングゲートＦＧに蓄積された電荷を半導体基板に引き抜くことで電荷の消去を行う基板消去駆動との２種類がある。
【００７７】
なお、読み出しドレインＲＤへの電圧の印加は、読み出し制御部２０ａとプリチャージ回路２０ｃを制御することで行う。プリチャージ回路２０ｃは、電圧信号読み出しのために読み出しドレインＲＤに印加する電圧（Ｖｒ）と、電荷消去のために読み出しドレインＲＤに印加する電圧（Ｖｃｃ）との２種類のレベルの電圧を生成して列信号線１２に供給することが可能となっており、ドレイン消去駆動時には、制御部４０の指示により、読み出しドレインＲＤに電圧Ｖｃｃを供給する。読み出し制御部２０ａは、ドレイン消去駆動時には、制御部４０の指示により、トランジスタ２０ｅをオフ、トランジスタ２０ｆをオンにする。
【００７８】
なお、図１では、制御部４０が固体撮像素子１０に内蔵されているが、制御部４０の機能を、固体撮像素子１０を搭載する撮像装置側に持たせても良い。
【００７９】
次に、以上のように構成された固体撮像素子の駆動方法を説明する。以下では、電荷注入をＣＨＥ注入によって行う場合について説明する。
【００８０】
（静止画撮像モード時の駆動方法）
図４は、図１に示す固体撮像素子の静止画撮像モード時の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図４では、ｎライン目の画素部１００内の各部の電位変化と、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の各部の電位変化とを時間と共に示してある。図４において、固体撮像素子の構成要素の名称の隣に記した「（ｎ）」や「（ｎ＋１）」は、それぞれ、ｎライン目、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の構成要素であることを示している。なお、静止画撮像モード時には、固体撮像素子１０の全ての画素部１００で露光を同時に行って撮像を行う。
【００８１】
まず、露光開始前の時刻ｔ１において、制御部４０は、電子シャッタ動作として半導体基板の電位をＶｃｃにし、時刻ｔ１以前に全ての画素部１００の光電変換部３に蓄積された電荷を半導体基板に排出する（基板排出駆動）。この基板排出駆動により全ての画素部１００の光電変換部３には電荷が存在しない状態になる。フローティングゲートＦＧは時刻ｔ１以前に電荷の消去を行っているため、時刻ｔ１ではフローティングゲートＦＧ中にも電荷はほとんど蓄積されていない。従って、時刻ｔ１での排出動作により、全ての画素部１００の光電変換部３及びフローティングゲートＦＧのいずれにも電荷がほとんど蓄積されていない状態になる。
【００８２】
露光期間の開始タイミングである時刻ｔ２になると、制御部４０は、半導体基板の電位をＬｏｗレベルに設定する。また、全ての画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧの電位をＶｐｐに、書き込みドレインＷＤの電位をＶｃｃに設定する。このような電圧設定により、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷は、酸化膜１１を通過してフローティングゲートＦＧへと注入される（ＣＨＥ注入）。
【００８３】
なお、読み出しドレインＲＤからの電荷の漏れ出しを抑えるために、露光期間中は全ての画素部１００の読み出しドレインＲＤの電圧をＬｏｗレベルに設定しておくことが好ましい。これにより、感度低下を防ぐことができる。
【００８４】
また、トンネルエレクトロン注入により電荷注入を行う場合には、露光期間中の書き込みドレインＷＤの電位をＬｏｗレベルに設定すれば良い。トンネルエレクトロン注入によりフローティングゲートＦＧに電荷を注入する駆動を採用した場合には、フローティングゲートＦＧへの電荷注入期間中に、書き込みドレインＷＤから暗電流が発生するのを抑えることができ、ノイズの少ない高画質の画像を提供することが可能になる。
【００８５】
このように、時刻ｔ２からｔ３の露光期間中には、全ての画素部１００で同時に電荷の蓄積が行われる。なお、光電変換部３で発生した電荷が速やかに且つ確実にフローティングゲートＦＧへと注入されるように、酸化膜１１の膜厚等は調整されている。
【００８６】
露光期間の終了タイミングである時刻ｔ３になると、制御部４０は、全ての画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧと書き込みドレインＷＤの電位をそれぞれＬｏｗレベルに設定する。これにより、時刻ｔ３以降に全ての画素部１００の光電変換部３で発生する電荷はフローティングゲートＦＧに注入されなくなり、電荷の蓄積が終了する。
【００８７】
ｎライン目の各画素部１００の撮像信号の読み出し期間の開始タイミングである時刻ｔ４（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤをプリチャージした後、ｎライン目の各画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧへのランプ波形電圧の印加を開始する（図では、読み出しコントロールゲートＲＧへの印加波形を簡略化している）。そして、ｎライン目の読み出しドレインＲＤの電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値（第一の信号）が各読み出し回路２０内で保持され、この第一の信号がＣＤＳ回路８０でサンプリングされ、ホールドされる。
【００８８】
ｎライン目の各画素部１００からの第一の信号の出力の完了後、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧの電位を−Ｖｐｐに設定し、ｎライン目の各画素部１００の書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤの電位をＶｃｃに設定して電荷消去駆動（ドレイン消去駆動）を実施する（時刻ｔ５（ｎ））。これにより、ｎライン目のフローティングゲートＦＧに蓄積されていた電荷は、書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤに排出されることになる。
【００８９】
制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ、読み出しコントロールゲートＲＧ、書き込みドレインＷＤ、及び読み出しドレインＲＤの電位をＬｏｗレベルに戻してドレイン消去駆動を終了させる。その後、時刻ｔ６（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤをプリチャージした後、ｎライン目の各画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧへのランプ波形電圧の印加を開始する（図では、読み出しコントロールゲートＲＧへの印加波形を簡略化している）。そして、ｎライン目の読み出しドレインＲＤの電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値（第二の信号）が各読み出し回路２０内で保持され、この第二の信号がＣＤＳ回路８０でサンプリングされ、ホールドされる。
【００９０】
ＣＤＳ回路８０は、ｎライン目の画素部１００から読み出された第二の信号をホールドした後、既にホールドしているｎライン目の画素部１００から読み出された第一の信号から該第二の信号を減算して、画像データ生成用の撮像信号を生成する。そして、水平シフトレジスタ５０により１つの水平選択トランジスタ３０が選択されると、その水平選択トランジスタ３０に接続されたＣＤＳ８０で生成された撮像信号が信号線７０に出力され、これが出力アンプ６０から出力される。
【００９１】
ｎライン目の各画素部１００から撮像信号が出力されると、制御部４０は、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤをプリチャージした後、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧへのランプ波形電圧の印加を開始する（時刻ｔ４（ｎ＋１））。そして、（ｎ＋１）ライン目の読み出しドレインＲＤの電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値（第一の信号）が各読み出し回路２０内で保持され、この第一の信号がＣＤＳ回路８０でサンプリングされ、ホールドされる。
【００９２】
（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００からの第一の信号の出力の完了後、制御部４０は、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧの電位を−Ｖｐｐに設定し、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤの電位をＶｃｃに設定して電荷消去駆動（ドレイン消去駆動）を実施する（時刻ｔ５（ｎ＋１））。これにより、（ｎ＋１）ライン目のフローティングゲートＦＧに蓄積されていた電荷は、書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤに排出されることになる。
【００９３】
制御部４０は、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ、読み出しコントロールゲートＲＧ、書き込みドレインＷＤ、及び読み出しドレインＲＤの電位をＬｏｗレベルに戻してドレイン消去駆動を終了させる。その後、時刻ｔ６（ｎ＋１）になると、制御部４０は、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤをプリチャージした後、（ｎ＋１）ライン目の各画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧへのランプ波形電圧の印加を開始する。そして、（ｎ＋１）ライン目の読み出しドレインＲＤの電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値（第二の信号）が各読み出し回路２０内で保持され、この第二の信号がＣＤＳ回路８０でサンプリングされ、ホールドされる。
【００９４】
ＣＤＳ回路８０は、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００から読み出された第二の信号をホールドした後、既にホールドしている（ｎ＋１）ライン目の画素部１００から読み出された第一の信号から該第二の信号を減算して、画像データ生成用の撮像信号を生成する。そして、水平シフトレジスタ５０により１つの水平選択トランジスタ３０が選択されると、その水平選択トランジスタ３０に接続されたＣＤＳ８０で生成された撮像信号が信号線７０に出力され、これが出力アンプ６０から出力される。
【００９５】
このように、制御部４０は、撮像信号の読み出し駆動を各ライン毎に（ｔ４（ｎ＋１）−ｔ４（ｎ））だけタイミングをずらして実施する。ライン毎に信号の読み出しを行うため、時刻ｔ３から信号読み出し開始までの読み出し待機期間はライン毎に異なり、最も長いラインにおいては１ｍｓｅｃを遥かに上回る期間にも及ぶ。このため、露光期間および読み出し待機期間に電荷の漏れ出しが起こらないように、酸化膜１１の構造が調整されている。
【００９６】
全ての画素部１００から撮像信号を順次読み出した後、制御部４０は、全ての画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧの電位を−Ｖｐｐに設定し、半導体基板の電位をＶｃｃに設定して基板消去駆動を実施する（時刻ｔ７）。これにより全ての画素部１００のフローティングゲートＦＧに蓄積されていた電荷は半導体基板へと排出されることになる。この基板消去駆動を行うことにより、全ての画素部１００において、フローティングゲートＦＧ内の電荷を消去してから電荷の注入を開始するまでの時間を一様に揃えることができる。このため、フローティングゲートＦＧに蓄積されるノイズのばらつきを小さくすることができ、撮像信号の読み出し精度を向上させることができる。
【００９７】
（動画撮像モード時の駆動方法）
図５は、図１に示す固体撮像素子の動画撮像モード時の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図５では、ｎライン目の画素部１００内の各部の電位変化と、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の各部の電位変化とを時間と共に示してある。図５において、固体撮像素子の構成要素の名称の隣に記した「（ｎ）」や「（ｎ＋１）」は、それぞれ、ｎライン目、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の構成要素であることを示している。なお、動画撮像モード時には、固体撮像素子１０のライン毎に露光の開始タイミングをずらして撮像を行う。
【００９８】
ｎライン目の各画素部１００の露光期間の開始タイミングである時刻ｔ２（ｎ）の直前の時刻ｔ１（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みドレインＷＤと書き込みコントロールゲートＷＧの電位をそれぞれＶｃｃにしてドレイン排出駆動を実施する。これにより、時刻ｔ１（ｎ）以前にｎライン目の各画素部１００の光電変換部３で発生してここに蓄積されていた電荷は、フローティングゲートＦＧに注入されることなく書き込みトランジスタＷＴのチャネル領域を通って書き込みドレインＷＤへと移動し、ｎライン目の各画素部１００の光電変換部３には電荷が蓄積されていない状態となる。また、フローティングゲートＦＧは時刻ｔ１（ｎ）以前に電荷の消去を行っているため、時刻ｔ１（ｎ）ではフローティングゲートＦＧ中にも電荷はほとんど蓄積されていない。従って、時刻ｔ１（ｎ）でのドレイン排出駆動により、ｎライン目の各画素部１００の光電変換部３及びフローティングゲートＦＧのいずれにも電荷がほとんど蓄積されていない状態になる。
【００９９】
時刻ｔ２（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤの電位をＶｃｃに設定し、書き込みコントロールゲートＷＧの電位をＶｐｐに設定する。このような電圧設定により、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷は、酸化膜１１を通過してフローティングゲートＦＧへと注入される（ＣＨＥ注入）。
【０１００】
なお、読み出しドレインＲＤからの電荷の漏れ出しを抑えるために、露光期間中はｎライン目の画素部１００の読み出しドレインＲＤの電圧をＬｏｗレベルに設定しておくことが好ましい。これにより、感度低下を防ぐことができる。また、トンネルエレクトロン注入により電荷注入を行う場合には、露光期間中の書き込みドレインＷＤの電位をＬｏｗレベルに設定すれば良い。
【０１０１】
ｎライン目の各画素部１００の露光期間の終了タイミングである時刻ｔ３（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧと書き込みドレインＷＤと読み出しドレインＲＤの電位をそれぞれＬｏｗレベルに設定する。これにより、時刻ｔ３（ｎ）以降にｎライン目の各画素部１００の光電変換部３で発生する電荷はフローティングゲートＦＧに注入されなくなり、電荷の蓄積が終了する。時刻ｔ４（ｎ）〜ｔ６（ｎ）までの駆動は図４の時刻ｔ４（ｎ）〜ｔ６（ｎ）と同様である。動画撮像モードでは、基板消去駆動（図４の時刻ｔ７〜ｔ８）は行わない。
【０１０２】
制御部４０は、露光期間終了後、第一の信号の読み出し、電荷消去、第二の信号の読み出しを連続して行う。第一の信号の読み出し、電荷消去、及び第二の信号の読み出しにかかる時間をτとすると、制御部４０は、時刻ｔ１（ｎ）〜ｔ６（ｎ）の駆動をライン毎にタイミングτだけずらして実施する。時刻ｔ１（ｎ）〜時刻ｔ６（ｎ）の各々にτを足した時刻が、ｔ１（ｎ＋１）〜ｔ６（ｎ＋１）となっている。
【０１０３】
以上のように、固体撮像素子１０は、各画素部１００から第一の信号（露光期間に光電変換部３で発生する電荷に応じた電圧信号と、フローティングゲートＦＧに元々存在していたノイズに応じたノイズ信号との和）と第二の信号（フローティングゲートＦＧに元々存在していたノイズに応じたノイズ信号）を読み出し、その差分をとってノイズを低減した撮像信号を生成することができる。
【０１０４】
第二の信号は画素部１００毎に得られ、画素部１００毎に第一の信号から第二の信号を減算する処理が行われるため、フローティングゲートＦＧに蓄積されるノイズのばらつきによる固定パターンノイズを抑制した高画質の画像を提供することが可能になる。また、ライン毎に電荷消去駆動（ドレイン消去駆動）が実施されるため、第一の信号及び第二の信号をライン毎にタイミングをずらして読み出すことができる。したがって、１ライン分の第二の信号を保持できるだけのメモリがあれば十分であり、全ての画素部１００から読み出した第二の信号を記憶しておくフレームメモリを設ける場合と比較して、撮像装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【０１０５】
また、固体撮像素子１０は、動画撮像モード時には、光電変換部３で発生した電荷の排出をドレイン排出駆動によりライン毎にタイミングをずらして行い、フローティングゲートＦＧ内の電荷に応じた信号の読み出し及び該電荷の消去をライン毎にタイミングをずらして行うことで、所謂ローリングシャッタ駆動を実現している。また、静止画撮像モード時には、光電変換部３で発生した電荷の排出を基板排出駆動により全ての画素部１００で同時に行うことで、所謂グローバルシャッタ駆動を実現している。
【０１０６】
ビデオ映像のように静止画像データを高速で連続して取得する動画撮像の場合、高速動作が要求される。また、ビデオ映像の表示は一般に線順次で行われる。このため、上述したように、動画撮像モード時にはローリングシャッタ駆動を採用することで、自然で滑らかな動画撮像を得たり表示したりすることが可能となる。一方、静止画撮像モードでは、ローリングシャッタ駆動を採用すると像歪みが発生してしまうため、グローバルシャッタ駆動を採用して歪みのない高画質化を目指すことが好ましい。
【０１０７】
また、固体撮像素子１０によれば、駆動方法の変更だけで、グローバルシャッタとローリングシャッタを切替えることができるため、製造コストの上昇を抑えることもできる。
【０１０８】
図４及び図５に示した駆動方法では、露光と、該露光時に光電変換部３で発生した電荷のフローティングゲートＦＧへの注入とを同時に行うものとした。しかし、この露光と電荷注入とはオーバーラップさせることなく、別々に実施するようにしても良い。以下、露光と電荷注入を分けて行う場合の固体撮像素子１０の駆動方法について説明する。
【０１０９】
図６は、図４に示す静止画撮像モード時の駆動方法の変形例を説明するためのタイミングチャートである。図６では、ｎライン目の画素部１００内の各部の電位変化と、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の各部の電位変化とを時間と共に示してある。図６において、固体撮像素子の構成要素の名称の隣に記した「（ｎ）」や「（ｎ＋１）」は、それぞれ、ｎライン目、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の構成要素であることを示している。
【０１１０】
図６に示した駆動方法は、図４に示した駆動方法が、露光とフローティングゲートＦＧへの電荷の注入とを同時に行っているのに対し、露光とフローティングゲートＦＧへの電荷の注入とを別々に行うように変更したものとなっている。
【０１１１】
時刻ｔ２直前までの駆動は図４と同じである。
【０１１２】
撮影条件に基づく露光期間の開始タイミングである時刻ｔ２になると、制御部４０は、半導体基板の電位をＬｏｗレベルに設定する。また、このとき、全ての画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ及び書き込みドレインＷＤの電位はＬｏｗレベルとし、光電変換部３で発生した電荷が書き込みトランジスタＷＴによってフローティングゲートＦＧに注入されないようにする。このような電圧設定により、露光期間中に全ての画素部１００の光電変換部３で発生した電荷はそのまま光電変換部３に蓄積される。また、書き込みドレインＷＤの電位がＬｏｗレベルに設定されているため、書き込みドレインＷＤで発生する暗電流は小さくなる。また、書き込みコントロールゲートＷＧの電位もＬｏｗレベルに設定されているため、この暗電流がフローティングゲートＦＧに注入されることはなく、フローティングゲートＦＧへのノイズの混入はほとんど起こらない。
【０１１３】
露光期間の終了タイミング（書き込み期間の開始タイミング）である時刻ｔ３になると、制御部４０は、全ての画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧの電位をＶｐｐに、書き込みドレインＷＤの電位をＶｃｃに設定する。このような電圧設定により、露光期間中に光電変換部３に蓄積された電荷は、酸化膜１１を通過してフローティングゲートＦＧへと注入される（ＣＨＥ注入）。なお、制御部４０は、書き込み期間中、読み出しドレインＲＤからの電荷の漏れ出しを抑えるために、全ての画素部１００の読み出しドレインＲＤの電圧をＬｏｗレベルに設定しておく。これにより、感度低下を防ぐことができる。
【０１１４】
なお、時刻ｔ３からｔ３’の書き込み期間には、書き込みドレインＷＤからの暗電流に起因するノイズがフローティングゲートＦＧへと注入されるリスクがある。しかし、書き込み期間は露光期間に比べて十分に短くてすむため、この期間に発生する暗電流に起因するノイズは無視できるほど小さくなる。また、書き込み期間において書き込みドレインＷＤの電位をＬｏｗレベルにして、トンネルエレクトロン注入により電荷をフローティングゲートＦＧに注入すれば、このノイズをより低減することができる。
【０１１５】
このように、時刻ｔ２からｔ３の露光期間中には、全ての画素部１００で同時に電荷の蓄積が行われる。また、時刻ｔ３からｔ３’の書き込み期間中には、全ての画素部１００で同時にフローティングゲートＦＧへの電荷注入が行われる。なお、光電変換部３に蓄積された電荷が速やかに且つ確実にフローティングゲートＦＧへと注入されるように、酸化膜１１の膜厚等は調整されている。
【０１１６】
書き込み期間の終了タイミング（時刻ｔ３’）になると、制御部４０は、全ての画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧと書き込みドレインＷＤの電位をそれぞれＬｏｗレベルに設定する。これにより、時刻ｔ３’以降に全ての画素部１００の光電変換部３で発生する電荷はフローティングゲートＦＧに注入されなくなり、電荷の書き込みが終了する。書き込み期間終了後の駆動（時刻ｔ４（ｎ）〜ｔ６（ｎ）、時刻ｔ４（ｎ＋１）〜ｔ６（ｎ＋１））は、図４と同じである。
【０１１７】
図７は、図５に示す動画撮像モード時の駆動方法の変形例を説明するためのタイミングチャートである。図７では、ｎライン目の画素部１００内の各部の電位変化と、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の各部の電位変化とを時間と共に示してある。図７において、固体撮像素子の構成要素の名称の隣に記した「（ｎ）」や「（ｎ＋１）」は、それぞれ、ｎライン目、（ｎ＋１）ライン目の画素部１００内の構成要素であることを示している。
【０１１８】
図７に示した駆動方法は、図５に示した駆動方法が、各ラインにおいて露光とフローティングゲートＦＧへの電荷の注入とを同時に行っているのに対し、露光とフローティングゲートＦＧへの電荷の注入とを別々に行うように変更したものとなっている。また、図５に示した駆動方法が、電荷注入後、第一の信号を読み出してから電荷消去駆動を行って第二の信号の読み出しているのに対し、先に電荷消去駆動を行って第二の信号を読み出してから電荷注入を行い、その後、第一の信号を読み出すように変更したものとなっている。
【０１１９】
時刻ｔ２（ｎ）直前までの駆動は図５と同じである。時刻ｔ２（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ及び書き込みドレインＷＤの電位をＬｏｗレベルとし、ｎライン目の各画素部１００の光電変換部３で発生した電荷が書き込みトランジスタＷＴによってフローティングゲートＦＧに注入されないようにする。このような電圧設定により、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷はそのまま光電変換部３に蓄積される。また、書き込みドレインＷＤの電位がＬｏｗレベルに設定されているため、書き込みドレインＷＤで発生する暗電流は小さくなる。また、書き込みコントロールゲートＷＧの電位もＬｏｗレベルに設定されているため、この暗電流がフローティングゲートＦＧに注入されることはなく、フローティングゲートＦＧへのノイズの混入はほとんど起こらない。
【０１２０】
ｎライン目の各画素部１００の露光期間の終了直前の時刻ｔ３（ｎ）になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ及び読み出しコントロールゲートＲＧの電位を−Ｖｐｐに設定し、ｎライン目の各画素部１００の書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤの電位をＶｃｃに設定して電荷消去駆動（ドレイン消去駆動）を実施する。これにより、この時点でフローティングゲートＦＧに蓄積されていた電荷は、書き込みドレインＷＤ及び読み出しドレインＲＤに排出される。
【０１２１】
制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧ、読み出しコントロールゲートＲＧ、書き込みドレインＷＤ、及び読み出しドレインＲＤの電位をＬｏｗレベルに戻してドレイン消去駆動を終了させる（時刻ｔ４（ｎ））。
【０１２２】
その後、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤをプリチャージした後、ｎライン目の各画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧへのランプ波形電圧の印加を開始する（時刻ｔ５（ｎ））。そして、ｎライン目の読み出しドレインＲＤの電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値（第二の信号）が各読み出し回路２０内で保持され、この第二の信号がＣＤＳ回路８０でサンプリングされ、ホールドされる。
【０１２３】
第二の信号の読み出しが終了し、露光期間の終了タイミング（時刻ｔ６（ｎ））になると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みドレインＷＤの電位をＶｃｃに設定し、書き込みコントロールゲートＷＧの電位をＶｐｐに設定する。このような電圧設定により、露光期間中に光電変換部３に蓄積された電荷は、酸化膜１１を通過してフローティングゲートＦＧへと注入される（ＣＨＥ注入）。なお、制御部４０は、この書き込み期間中、読み出しドレインＲＤからの電荷の漏れ出しを抑えるために、ｎライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤの電圧をＬｏｗレベルに設定しておく。これにより、感度低下を防ぐことができる。書き込み期間中、書き込みドレインＷＤの電位をＬｏｗレベルにして、トンネルエレクトロン注入によりフローティングゲートＦＧへの電荷注入を行っても良い。
【０１２４】
ｎライン目の画素部１００の書き込み期間の終了タイミングになると、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の書き込みコントロールゲートＷＧと書き込みドレインＷＤの電位をそれぞれＬｏｗレベルに設定する。これにより、書き込み期間終了以降にｎライン目の各画素部１００の光電変換部３で発生する電荷はフローティングゲートＦＧに注入されなくなり、電荷の書き込みが終了する。
【０１２５】
次に、制御部４０は、ｎライン目の各画素部１００の読み出しドレインＲＤをプリチャージした後、ｎライン目の各画素部１００の読み出しコントロールゲートＲＧへのランプ波形電圧の印加を開始する（時刻ｔ７（ｎ））。そして、ｎライン目の読み出しドレインＲＤの電位が降下した時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値（第一の信号）が各読み出し回路２０内で保持され、この第一の信号がＣＤＳ回路８０でサンプリングされ、ホールドされる。
【０１２６】
ＣＤＳ回路８０は、ｎライン目の画素部１００から読み出された第一の信号をホールドした後、該第一の信号から既にホールドしているｎライン目の画素部１００から読み出された第二の信号を減算して、画像データ生成用の撮像信号を生成する。そして、水平シフトレジスタ５０により１つの水平選択トランジスタ３０が選択されると、その水平選択トランジスタ３０に接続されたＣＤＳ８０で生成された撮像信号が信号線７０に出力され、これが出力アンプ６０から出力される。
【０１２７】
このように、制御部４０は、露光期間中に電荷の消去及び第二の信号の読み出しを行い、露光期間終了後、電荷の注入と第一の信号の読み出しを連続して行う。電荷の消去、第二の信号の読み出し、電荷の注入、及び第一の信号の読み出しにかかる時間をτとすると、制御部４０は、時刻ｔ１（ｎ）〜ｔ７（ｎ）の駆動を各ライン毎にタイミングτだけずらして実施する。時刻ｔ１（ｎ）〜時刻ｔ７（ｎ）の各々にτを足した時刻が、ｔ１（ｎ＋１）〜ｔ７（ｎ＋１）となっている。
【０１２８】
図６及び図７に示した駆動方法によれば、露光期間中はフローティングゲートＦＧへの電荷の注入が行われないため、露光期間中に発生するノイズがフローティングゲートＦＧに混入する可能性を低くすることができる。また、露光期間中に発生した電荷のフローティングゲートＦＧへの注入は、露光期間よりも十分に短い時間で行うことが可能である。このため、電荷を注入している期間（書き込み期間）におけるフローティングゲートＦＧへのノイズの混入は無視できる程度に小さくすることができる。この結果、図６に示した駆動方法の場合には、第一の信号に含まれるノイズを抑えることができる。
【０１２９】
また、図７に示した駆動方法によれば、電荷消去駆動、第二の信号読み出し、電荷注入、第一の信号読み出しの順に駆動が行われるため、第二の信号を読み出した後に、該第二の信号をノイズとして含む第一の信号を読み出すことができる。したがって、第一の信号から第二の信号を減算して得られる信号は、露光期間中に光電変換部で発生した電荷に応じた信号と正確に一致し、フローティングゲートＦＧに混入しているノイズを正確に除去することができる。
【０１３０】
なお、以上の説明では、ドレイン排出駆動として、光電変換部３で発生した電荷を書き込みトランジスタＷＴのチャネル領域を通過させて書き込みドレインＷＤに排出する方法を採用したが、光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧを経由させて読み出しドレインＲＤに排出する方法を採用しても良い。
【０１３１】
この場合は、制御部４０が、光電変換部３内の電荷を消去するときに、書き込みドレインＷＤの電位をＶｃｃ又Ｌｏｗレベルに設定し、書き込みコントロールゲートＷＧの電位をＶｐｐに設定して、光電変換部３内の電荷をフローティングゲートＦＧに注入すると共に、読み出しコントロールゲートＲＧの電位を−Ｖｐｐに設定し、読み出しドレインＲＤの電位をＶｃｃに設定して、フローティングゲートＦＧに注入された電荷を、瞬時に読み出しドレインＲＤへと排出する駆動を実施すれば良い。
【０１３２】
また、以上の説明では、ドレイン消去駆動時、フローティングゲートＦＧに蓄積された電荷を書き込みドレインＷＤと読み出しドレインＲＤに排出するものとしたが、電荷の排出先はこれらのいずれか一方であっても良い。つまり、図４、図５、図６、及び図７のドレイン消去駆動時において、書き込みドレインＷＤ又は読み出しドレインＲＤの電位をＬｏｗレベルに設定する駆動を採用しても良い。
【０１３３】
また、以上の説明では、画素部１００が書き込みトランジスタＷＴと読み出しトランジスタＲＴの２つを含む構成を例にしたが、書き込みトランジスタＷＴと読み出しトランジスタＲＴのそれぞれの機能を１つのトランジスタで実現することも可能である。
【０１３４】
例えば、図２において、読み出しトランジスタＲＴを省略し、書き込みドレインＷＤに列信号線１２を介して読み出し回路２０を接続した構成としても良い。この構成の場合、例えば、図４〜７に示した駆動において、書き込みドレインＷＤの電位をＶｒに設定し、書き込みコントロールゲートＷＧにランプ波形電圧を印加することで各画素部１００から電圧信号を読み出すことができる。
【０１３５】
電荷蓄積、信号読み出し、及び電荷消去を１つのトランジスタで行う場合、電荷を消去する際の電荷の排出経路が書き込みドレインＷＤのみとなる。これに対し、図２に示した構成によれば、電荷を消去する際の電荷の排出経路が書き込みドレインＷＤと読み出しドレインＲＤの２つになる。このため、電荷の排出をスムーズに行うことができ、電荷排出時間を短縮したり、フローティングゲートＦＧへの電荷の取り残しを確実に防いだりすることが可能となり、ドレイン消去駆動時の電荷排出効率を向上させることができる。この結果、残像を抑制した高画質撮像が可能となる。
【０１３６】
上述したように、読み出し部を１つのトランジスタで実現する場合には、そのトランジスタにＭＯＳ構造以外の構造も採用することができる。例えば、図２に示すフローティングゲートＦＧを窒化膜にし、書き込みコントロールゲートＷＧを該窒化膜上に直接形成したＭＮＯＳ型のトランジスタ構造や、図２に示すフローティングゲートＦＧを窒化膜にしたＭＯＮＯＳ型のトランジスタ構造であっても良い。ＭＮＯＳ型の場合は窒化膜と酸化膜１１からなる膜中のトラップ準位が、ＭＯＮＯＳ型の場合は窒化膜が、それぞれ電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能する。
【０１３７】
また、以上の説明では、光電変換部３が半導体基板内に形成された例を説明したが、これに限らない。
【０１３８】
図８は、図１に示す固体撮像素子の画素部の別の構成例を示す断面模式図である。図８に示す画素部は、図２に示す画素部のＰ型不純物層９及び光電変換部３の代わりにＮ型不純物層３’を設けた構成になっている。Ｎ型不純物層３’は、書き込みトランジスタＷＴのソース領域として機能する。
【０１３９】
半導体基板上方には、画素部毎に分離された画素電極２４が形成されている。画素電極２４上には光電変換膜２１が形成され、光電変換膜２１上には対向電極２２が形成されている。対向電極２２上には入射光に対して透明な保護膜２３が形成されている。
【０１４０】
対向電極２２は、入射光を透過する導電性材料（例えば、ＩＴＯ等のような金属化合物や非常に薄い金属膜等）で構成されており、全ての画素部で共通の一枚構成となっている。光電変換膜２１は、入射光に応じて電荷を発生する有機又は無機の光電変換材料を含んで構成された膜であり、全ての画素部で共通の一枚構成となっている。光電変換膜２１としては、例えばアモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（銅−インジウム−ガリウム−セレン）系材料等を用いることができる。
【０１４１】
なお、対向電極２２及び光電変換膜２１は、画素部１００毎に分離した構成としても良い。対向電極２２については、例えば、矩形の電極を共通配線した構造としても良い。
【０１４２】
Ｎ型不純物層３’は、アルミニウム等の導電性材料からなるプラグ１３を介して画素電極２４と接続されており、これにより、光電変換膜２１との電気的接続がなされている。
【０１４３】
このように構成された固体撮像素子では、露光期間が開始されると、露光期間中に光電変換膜２１で発生した電荷が画素電極２４、プラグ１３を通ってＮ型不純物層３’に移動する。そして、Ｎ型不純物層３’に移動した電荷が、酸化膜１１を通過してフローティングゲートＦＧへと注入される。
【０１４４】
このように、光電変換部が半導体基板上方に積層された構成の固体撮像素子であっても、上述したような効果を得ることができる。図８に示した構成によれば、光電変換部が読み出し部の上方に設けられているため、開口部を広く取ることができ、感度を向上させることができる。したがって、特に低照度において、高画質の画像を提供することが可能になる。
【０１４５】
なお、以上の説明では、取り扱い電荷（撮像信号として取り出す電荷）が電子の場合を想定しているが、取り扱い電荷が正孔の場合でも考え方は一緒である。取り扱い電荷が正孔の場合には、図面においてＮ領域とＰ領域を入れ替え、各部に印加する電圧の極性を逆にすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す模式図
【図２】図１に示す画素部の概略構成を示す断面模式図
【図３】図１に示す画素部の等価回路図
【図４】図１に示す固体撮像素子の静止画撮像モード時の駆動方法を説明するためのタイミングチャート
【図５】図１に示す固体撮像素子の動画撮像モード時の駆動方法を説明するためのタイミングチャート
【図６】図４に示す静止画撮像モード時の駆動方法の変形例を説明するためのタイミングチャート
【図７】図５に示す動画撮像モード時の駆動方法の変形例を説明するためのタイミングチャート
【図８】図１に示す固体撮像素子の画素部の別の構成例を示す断面模式図
【符号の説明】
【０１４７】
３    光電変換部
１００  画素部
ＷＴ  書き込みトランジスタ
ＷＧ  書き込みコントロールゲート
ＷＤ  書き込みドレイン
ＲＴ  読み出しトランジスタ
ＲＧ  読み出しコントロールゲート
ＲＤ  読み出しドレイン
ＦＧ  フローティングゲート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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