(57)【要約】【課題】汎用性に優れた固体撮像素子を提供する。【解決手段】画素部１００を複数有する固体撮像素子１０であって、画素部１０は、光電変換部３と、光電変換部３で発生した電荷を各々蓄積可能な複数の電荷蓄積部（不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，２）とを有し、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１は、フローティングゲートＦＧ１とゲート電極（コントロールゲートＣＧ１）を有し、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２は、フローティングゲートＦＧ２とゲート電極（コントロールゲートＣＧ２）を有する。コントロールゲートＣＧ１とコントロールゲートＣＧ２は独立して駆動可能となっており、光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１とフローティングゲートＦＧ２に選択的に蓄積可能となっている。【選択図】図２
2010278655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素部を複数有する固体撮像素子であって、
前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を各々蓄積可能な複数の電荷蓄積部とを有し、
前記複数の電荷蓄積部の各々がフローティングゲートを含むトランジスタであり、
前記画素部の前記複数のトランジスタの各々は、独立して駆動可能なゲート電極を有し、前記電荷を前記フローティングゲートに蓄積する固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部が半導体基板内に設けられており、
前記半導体基板上方に設けられ、前記光電変換部の一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、
前記トランジスタの前記フローティングゲート及びチャネル領域が前記遮光膜によって覆われており、
前記光電変換部が、前記トランジスタのチャネル領域の下まで延在している固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、撮像装置、撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換によって発生した電荷をフローティングゲート等の電荷蓄積領域を有する不揮発性ＭＯＳメモリトランジスタによって記録し、該電荷によるメモリトランジスタの閾値電圧の変化を撮像信号として読み出す固体撮像素子が提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
このような固体撮像素子では、メモリトランジスタのトンネル酸化膜の厚みが製造工程によってばらつくと、閾値電圧の上昇が大きいメモリトランジスタと閾値電圧の上昇が小さいメモリトランジスタとが存在することになる。このような閾値電圧のばらつきは、読み出し時に画像データの明るさのむらとなって現れるため、できるだけ小さくすることが好ましい。
【０００４】
特許文献２には、不揮発性ＭＯＳメモリトランジスタを有する固体撮像素子において、上述した閾値電圧のばらつきを減少させる方法が開示されている。この方法では、まず、全ての画素のメモリトランジスタに弱い書き込み条件でダミー情報を書き込む。次に、各画素に書き込んだダミー情報を読み出してメモリに記憶する。次に、メモリに記憶された画素のダミー情報に応じた電圧で、該画素のメモリトランジスタのチャネル領域を予備充電する。この状態で、露光を開始するものである。
【０００５】
特許文献２に記載の方法では、露光開始までの間の駆動ステップが複雑化し、撮像、信号処理速度の低下が懸念される。また、ダミー情報を記憶しておくための外部メモリが必要となるため、例えば全画素を同時に露光するグローバルシャッタを実現しようとした場合には、全画素のダミー情報を記憶できるだけの大容量メモリが必要となる。
【０００６】
また、固体撮像素子においては、ダイナミックレンジを拡大するための様々な手法が提案されている（例えば特許文献３，４、非特許文献１参照）。
【０００７】
特に有効な手法として、露光時間（シャッタースピード）の異なる２枚の画像データを合成する方法が知られている。例えば、特許文献３に記載のように、２次元状に配置された光電変換部に対し、１画面分の画像を撮像する期間内に読み出し動作を複数回行い、読み出された複数の画像データを合成することでダイナミックレンジを拡大させる方法がある。
【０００８】
しかし、上記方法では、１回目の露光→読み出し→２回目の露光→読み出し→合成、のステップを踏む必要がある。このため、１回目の露光と２回目の露光とに時間差が生じてしまい、動く被写体等を撮影した場合には合成処理が難しくなってしまう。また、読み出しを高速に行う必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。
【０００９】
また、近年の医療では、電子内視鏡装置に固体撮像素子が用いられている。早期ガンを発見するために必要となる生体情報は通常の肉眼観察では見え難い場合が多く、診断の精度を向上させるためには複数の生体情報を可視化することが極めて有効である。そこで、電子内視鏡を用いた体内の撮影においては、白色光を光源とする通常撮影以外に、通常撮影では識別しづらい対象物（生体情報）をより鮮明に撮像するために、特殊光（例えば赤外光）を光源とする特殊撮影を行うといったことが行われている。
【００１０】
特許文献５では、可視域を透過し赤外域をカットする赤外カットフィルタと、赤外域を透過し可視域をカットする赤外透過フィルタとを固体撮像素子の前面に切り替えて挿入可能とし、赤外カットフィルタを固体撮像素子の前面に挿入した状態で可視光を対象物に当てて通常撮影を行い、これによって得られる信号から通常の可視画像を得る。続いて、赤外透過フィルタを固体撮像素子の前面に挿入した状態で赤外光を対象物に当てて特殊撮影を行い、これによって得られる信号から赤外画像を得ている。
【００１１】
この方法では、通常撮影と特殊撮影との間に信号の読み出しが必要となるため、通常撮影と特殊撮影との間に時間差ができてしまう。この結果、被写体が動いた場合等には同一条件で２つの撮影を行うことができず、対象物の正確な比較ができない。
【００１２】
また、電子内視鏡装置には、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各光で対象物を順次照明し、対象物からの光をカラーフィルタのない固体撮像素子で受光して撮影を行う面順次方式と、対象を白色光で照明し、ＲＧＢカラーフィルタを搭載した固体撮像素子で対象物からの光を受光して撮影を行う面同時方式とがある。
【００１３】
面順次方式の電子内視鏡装置は、固体撮像素子の各画素からＲＧＢの色信号が得られるため、信号補間処理が不要となり、偽色が発生しにくい。また、カラーフィルタがないことにより、光源の色特性（ＲＧＢ各色の分光特性）で色再現性を決められるので、忠実度の高い映像を得ることができる。また、カラーフィルタを搭載していないため、固体撮像素子の小型化を実現でき、内視鏡の細径化を図ることができ、患者への負担を軽くすることができる。このように、面順次方式には、種々の利点があり、画質向上による診断精度の向上や、内視鏡の細径化による患者の負担減を図る上で、面順次方式は有効である。
【００１４】
面順次方式における被写体の照明方式としては、白色光を発光する光源とＲＧＢの各色光を透過するカラーフィルタとを組み合わせた方式と、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光をそれぞれ発光する３つの光源を用いる方式とがあり、後者の方式については例えば特許文献６に開示されている。
【００１５】
しかしながら、面順次方式では、例えば、Ｒ光発光→信号読み出し→Ｇ光発光→信号読み出し→Ｂ光発光→信号読み出しのステップを踏むため、信号読み出し期間が長くなる。このため、次の発光までの時間が長くなり、この間に被写体が動く可能性も高くなって、色ずれが発生して画質が低下する恐れがある。信号読み出し期間を短くすれば色ずれは抑制できるが、信号読み出しを高速化しようとすると、各画素の露光時間を短くせざるを得なくなり、感度低下が避けられない。また、高速駆動に伴い素子自体の発熱量が多くなり、好ましくない。多画素化が進めば、当然、信号読み出し期間も長くなるため、今後は、このような画質低下を抑制することがより一層求められてくる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−２８０５３７号公報
【特許文献２】特開２００１−８５６６０号公報
【特許文献３】特開平７−３２２１４７号公報
【特許文献４】特開２００４−１１１８１７号公報
【特許文献５】特開２００１−８７２２１号公報
【特許文献６】特開２００７−２７５２４３号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】米本和也、ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサの基礎と応用、ＣＱ出版社、２００３年、ｐ２１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述してきた種々の課題を解決することが可能な汎用性に優れた固体撮像素子とこれを備えた撮像装置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】
【００１９】
本発明の固体撮像素子は、画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を各々蓄積可能な複数の電荷蓄積部とを有し、前記複数の電荷蓄積部の各々がフローティングゲートを含むトランジスタであり、前記画素部の前記複数のトランジスタの各々は、独立して駆動可能なゲート電極を有し、前記電荷を前記フローティングゲートに蓄積する。
【００２０】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、上述してきた種々の課題を解決することが可能な汎用性に優れた固体撮像素子とこれを備えた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一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平面模式図
【図２】図１に示す固体撮像素子の画素部の等価回路図
【図３】図２に示す画素部の平面レイアウト例を示す平面模式図
【図４】図３に示す画素部のＡ−Ａ’線断面模式図
【図５】図３に示す画素部のＢ−Ｂ’線断面模式図
【図６】図１に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャート
【図７】図１に示す固体撮像素子の撮像動作中の不揮発性メモリトランジスタの閾値電圧の分布の変化を示した図
【図８】図１に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示す等価回路図
【図９】図１に示した固体撮像素子の画素部の第二の変形例を示す等価回路図
【図１０】本発明の第二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平面模式図
【図１１】書き込み電圧とトランジスタの閾値電圧との関係を示した図
【図１２】図１０に示す固体撮像素子を搭載した撮像装置の概略構成を示す図
【図１３】図１０に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャート
【図１４】ダイナミックレンジ拡大処理を説明するための図
【図１５】図１０に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示す等価回路図
【図１６】図１０に示す固体撮像素子の別の駆動方法を説明するためのタイミングチャート
【図１７】本発明の第三の実施形態を説明するための内視鏡装置の概略構成を示す図
【図１８】カラーフィルタの分光特性と特殊光の輝線との関係を示した図
【図１９】図１７に示す内視鏡装置の動作を説明するためのタイミングチャート
【図２０】図１７に示す内視鏡装置の動作を説明するための模式図
【図２１】本発明の第四の実施形態を説明するための内視鏡装置の概略構成を示す図
【図２２】図２１に示す内視鏡装置における固体撮像素子の画素部の内部構成の等価回路図
【図２３】図２１に示す内視鏡装置の動作を説明するためのタイミングチャート
【図２４】図２１に示す内視鏡装置の動作を説明するための模式図
【図２５】図２１に示す内視鏡装置の効果を説明するための図
【００２３】
＜第一の実施形態＞
以下、本発明の第一の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、携帯電話機や電子内視鏡等に内蔵される撮像ユニットに搭載して用いられるものである。
【００２４】
図１は、本発明の第一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平面模式図である。図１（ａ）は固体撮像素子の全体を示した図であり、図１（ｂ）は（ａ）の固体撮像素子の読み出し回路の構成例を示した図である。図１に示す固体撮像素子１０は、画素部１００と、読み出し回路２０と、出力回路（トランジスタ３０、信号線７０、水平シフトレジスタ５０、出力部６０）と、制御部４０と、統括制御部８０とを備える。
【００２５】
画素部１００は、複数設けられ、半導体基板Ｋの列方向とこれに直交する行方向に二次元状（この例では正方格子状）に配列されている。
【００２６】
読み出し回路２０は、列方向に並ぶ画素部１００からなる画素部列毎に設けられ、各画素部１００から撮像信号を読み出すためのものである。
【００２７】
出力回路は、読み出し回路２０で読み出された１画素部行分の撮像信号を出力するための回路である。
【００２８】
制御部４０は、各画素部１００を制御するものである。
【００２９】
統括制御部８０は、固体撮像素子１０全体を統括制御するものである。固体撮像素子１０は、それを搭載する撮像装置のシステム制御部からの制御により、統括制御部８０が各部を制御することで動作する。
【００３０】
図２は、図１に示した固体撮像素子における画素部の等価回路を示した図である。図２に示すように、画素部１００は、光電変換部３と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２と、リセットトランジスタＲＴとを備える。
【００３１】
光電変換部３は半導体基板Ｋ内に形成されている。不揮発性メモリトランジスタＭＴ１は、半導体基板Ｋ上方に形成された電荷蓄積領域であるフローティングゲートＦＧ１及びゲート電極であるコントロールゲートＣＧ１を含むＭＯＳトランジスタ構造となっている。不揮発性メモリトランジスタＭＴ２は、半導体基板Ｋ上方に形成された電荷蓄積領域であるフローティングゲートＦＧ２及びゲート電極であるコントロールゲートＣＧ２を含むＭＯＳトランジスタ構造となっている。リセットトランジスタＲＴは、光電変換部３の電荷をリセットするためのものである。不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と不揮発性メモリトランジスタＭＴ２は、それぞれ、光電変換部３で発生した電荷を蓄積可能な電荷蓄積部として機能する。
【００３２】
不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と不揮発性メモリトランジスタＭＴ２の各々の出力（ドレイン領域Ｄ１，Ｄ２）は、画素部列毎に設けられた出力信号線である列信号線１２に共通接続されており、この列信号線１２には読み出し回路２０が接続されている。不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２のソース領域Ｓは、画素部列毎に設けられたソース線ＳＬに共通接続されている。
【００３３】
リセットトランジスタＲＴは、リセットドレインＲＤと、ソース領域として機能する光電変換部３と、ゲート電極であるリセットゲートＲＧとを備えたＭＯＳ構造となっている。リセットドレインＲＤには、リセット電圧を供給するためのリセット電源線Ｖｃｃが接続されている。
【００３４】
不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のコントロールゲートＣＧ１には、行方向に並ぶ画素部からなるライン毎に設けられたゲート制御線ＣＧＬ１が接続されている。各ラインのゲート制御線ＣＧＬ１は制御部４０に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。
【００３５】
不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のコントロールゲートＣＧ２には、ライン毎に設けられたゲート制御線ＣＧＬ２が接続されている。各ラインのゲート制御線ＣＧＬ２は制御部４０に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。
【００３６】
リセットトランジスタＲＴのリセットゲートＲＧには、ライン毎に設けられたリセット制御線ＲＬが接続されている。各ラインのリセット制御線ＲＬは制御部４０に接続されており、ライン毎に独立に電圧を印加できるようになっている。制御部４０からリセット制御線ＲＬを介してリセットパルスが印加されることで、リセットトランジスタＲＴがオンし、光電変換部３に蓄積されている電荷がリセットトランジスタＲＴのドレインＲＤへと排出される構成となっている。
【００３７】
読み出し回路２０は、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のフローティングゲートＦＧ１に蓄積された電荷に応じた第一の信号と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のフローティングゲートＦＧ２に蓄積された電荷に応じた第二の信号との差分を撮像信号として読み出す信号読み出し手段である。
【００３８】
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、カウント方向切替部２０ｇとを備えた構成となっている。
【００３９】
読み出し制御部２０ａは、トランジスタ２０ｅ，２０ｆのオンオフを制御する。プリチャージ回路２０ｃは、列信号線１２に所定の電圧を供給して、列信号線１２をプリチャージするための回路である。センスアンプ２０ｂは、列信号線１２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。
【００４０】
ランプアップ回路２０ｄは、Ｎ−ｂｉｔカウンタ（例えばＮ＝８〜１２）を内蔵しており、制御部４０を介して画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２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。
【００４１】
カウント方向切替部２０ｇは、ランプアップ回路２０ｄに内蔵されるカウンタによるカウント方向をアップカウントとダウンカウントとのいずれかに設定する制御を行う。
【００４２】
列信号線１２がプリチャージされた状態でコントロールゲートＣＧ１の電圧が不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧を越えると不揮発性メモリトランジスタＭＴ１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）として不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧の変化（フローティングゲートＦＧ１に電荷が蓄積されていないときの閾値電圧を基準とした変化量）を信号として読み出すことができる。
【００４３】
列信号線１２がプリチャージされた状態でコントロールゲートＣＧ２の電圧が不揮発性メモリトランジスタＭＴ２の閾値電圧を越えると不揮発性メモリトランジスタＭＴ２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する。これにより、デジタル値として不揮発性メモリトランジスタＭＴ２の閾値電圧の変化（フローティングゲートＦＧ２に電荷が蓄積されていないときの閾値電圧を基準とした変化量）を信号として読み出すことができる。
【００４４】
読み出し回路２０では、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１からの信号の読み出しと、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２からの信号の読み出しとを連続して行い、それぞれの信号読み出し時のＮｂｉｔカウンタのカウント方向を逆にすることで、この２つの信号の差分をとった信号を、撮像信号として読み出すことを可能にしている。
【００４５】
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に接続されたランプアップ回路２０ｄで保持されているカウンタ値が信号線７０に出力され、これが撮像信号として出力部６０から出力される。
【００４６】
なお、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２の閾値電圧の変化を信号として読み出す方法としては上述したものに限らない。例えば、コントロールゲートＣＧ１とドレイン領域Ｄ１に一定の電圧を印加した場合の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン電流と、コントロールゲートＣＧ２とドレイン領域Ｄ２に一定の電圧を印加した場合の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン電流とを信号として読み出しても良い。
【００４７】
制御部４０は、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２を制御し、光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に注入して蓄積させる駆動を行う。不揮発性メモリトランジスタＭＴ１（ＭＴ２）では、コントロールゲートＣＧ１（ＣＧ２）に書き込みパルスが印加されることで、ファウラ−ノルドハイム（Ｆ−Ｎ）トンネル電流を用いて電荷を注入するＦＮトンネル注入、ダイレクトトンネル注入等により、光電変換部３で発生した電荷がフローティングゲートＦＧ１（ＦＧ２）に注入されて蓄積されるようになっている。
【００４８】
また、制御部４０は、各画素部１００の光電変換部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を空の状態にするリセット駆動と、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積された電荷を半導体基板に排出して消去する電荷消去駆動も行う。
【００４９】
図３は、図１に示した固体撮像素子の画素部の平面レイアウト例を示す平面模式図である。図４は、図３に示す画素部のＡ−Ａ’線断面模式図である。図５は、図３に示す画素部のＢ−Ｂ’線断面模式図である。
【００５０】
図４に示すように、光電変換部３は、Ｎ型シリコン基板１上のＰウェル層２内に形成されたＮ型不純物領域であり、このＮ型不純物領域とＰウェル層２とのＰＮ接合により、光電変換機能を実現している。この光電変換部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５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。なお、Ｎ型シリコン基板１とＰウェル層２とにより上記半導体基板Ｋが構成されている。
【００５１】
隣接する画素部１００同士は、ｐウェル層２内に形成された素子分離層４によって分離されている。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。
【００５２】
不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のソース領域Ｓは、光電変換部３の列方向隣に離間して設けられたＮ型不純物領域である。また、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン領域Ｄ１は、ソース領域Ｓの行方向隣に離間して設けられたＮ型不純物領域である。ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ１との間にはＰ型不純物領域であるチャネル領域６ａが形成されている。フローティングゲートＦＧ１は、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ１との間の半導体基板上方に絶縁膜７を介して設けられており、フローティングゲートＦＧ１の上方に絶縁膜１４を介してコントロールゲートＣＧ１が設けられている。なお、チャネル領域６ａは、コントロールゲートＣＧ１に印加される電圧に応じてキャリアが流れる領域である。ここでは、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ１とで挟まれた領域に電荷注入効率及び閾値電圧を制御する目的でＰ型不純物を注入してチャネル領域６ａを形成しているが、ここをｐウェル層２のままとしても良い。
【００５３】
不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン領域Ｄ２は、ソース領域Ｓの行方向隣に離間して設けられたＮ型不純物領域である。ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ２との間にはＰ型不純物領域であるチャネル領域６ｂが形成されている。フローティングゲートＦＧ２は、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ２との間の半導体基板上方に絶縁膜７を介して設けられており、フローティングゲートＦＧ２の上方に絶縁膜１４を介してコントロールゲートＣＧ２が設けられている。なお、チャネル領域６ｂは、コントロールゲートＣＧ２に印加される電圧に応じてキャリアが流れる領域である。ここでは、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ２とで挟まれた領域に電荷注入効率及び閾値電圧を制御する目的でＰ型不純物を注入してチャネル領域６ｂを形成しているが、ここをｐウェル層２のままとしても良い。
【００５４】
コントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２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。フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２を構成する導電性材料は、コントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２と同じものを用いることができる。
【００５５】
図３のレイアウト例では、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ１，Ｄ２が行方向に並べて配置されており、これらの間を、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２及びコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２が列方向に延びるように細長く形成されている。コントロールゲートＣＧ１は、行方向に延びるアルミ配線であるゲート制御線ＣＧＬ１の下方まで延びており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部１１によりゲート制御線ＣＧＬ１と接続されている。
【００５６】
コントロールゲートＣＧ２は、行方向に延びるアルミ配線であるゲート制御線ＣＧＬ２の下方まで延びており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部１６によりゲート制御線ＣＧＬ２と接続されている。
【００５７】
ドレイン領域Ｄ１，Ｄ２上方には、列方向に延びるアルミ配線である列信号線１２の一部が延びてきており、この一部とドレイン領域Ｄ１とがアルミニウム等で形成されたコンタクト部９により電気的に接続され、この一部とドレイン領域Ｄ２とがアルミニウム等で形成されたコンタクト部１０ａにより電気的に接続されている。
【００５８】
ソース領域Ｓ上にはアルミニウム等で形成されたコンタクト部８ａが形成され、コンタクト部８ａには配線８が接続されている。配線８は、列方向に延びるアルミ配線であるリセット電源線Ｖｃｃの下を通過してソース線ＳＬの下まで延びている。配線８とソース線ＳＬはアルミニウム等で形成されたコンタクト部８ｂにより電気的に接続されている。ソース線ＳＬは、列方向に並ぶ画素部１００からなる列毎に設けられており、所定の電位（例えば接地電位）に接続されている。
【００５９】
リセットトランジスタＲＴ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の列方向隣に離間して設けられたＮ型不純物領域であるドレイン領域ＲＤと、光電変換部３とドレイン領域ＲＤとの間の半導体基板上方に絶縁膜７を介して設けられたリセットゲートＲＧとを備えたＭＯＳトランジスタ構造となっている。
【００６０】
図３のレイアウト例では、リセットゲートＲＧは、行方向に延びるアルミ配線であるリセット制御線ＲＬの下に配置されており、ここで、アルミニウム等で形成されたコンタクト部ＲＧａによりリセット制御線ＲＬと接続されている。
【００６１】
ドレイン領域ＲＤ上方には、リセット電源線Ｖｃｃの一部が延びてきており、この一部とドレイン領域ＲＤとがアルミニウム等で形成されたコンタクト部ＲＤａにより電気的に接続されている。リセット電源線Ｖｃｃは、列方向に並ぶ画素部１００からなる列毎に設けられており、所定の電源電圧に接続されている。
【００６２】
なお、リセットトランジスタＲＴや不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２の配置は、図３に示したものに限らず、スペースに応じて適当に配置すれば良い。
【００６３】
各種配線の位置関係は、ゲート制御線ＣＧＬ１，ＣＧＬ２、リセット制御線ＲＬ、及び配線８よりも、ソース線ＳＬ、リセット電源線Ｖｃｃ、及び列信号線１２の方が上層に形成されたものとなっている。
【００６４】
画素部１００は、例えばタングステン等で構成された遮光膜Ｗ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。図４及び図５に示したように、半導体基板上方（ソース線ＳＬ、リセット電源線Ｖｃｃ、及び列信号線１２よりも上）には光電変換部３の一部の上方に開口ＷＨが形成された遮光膜Ｗが形成されている。
【００６５】
固体撮像素子１０では、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２への電荷注入効率向上を目的として、図４及び図５に示したように、光電変換部３が、遮光膜Ｗの開口ＷＨの下方だけでなく、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２のチャネル領域６ａ，６ｂの下まで延在している。
【００６６】
図４，５に示すように、光電変換部３は、開口ＷＨ下方に形成された本体部３ａと、そこからチャネル領域６ａ（６ｂ）の下まで延びる延在部３ｂとで構成されている。なお、図４では本体部３ａと延在部３ｂとに境界線（破線）を記してあるが、これは説明のためであり、実際にはこのような境界は存在しない。
【００６７】
本体部３ａは、光を受光するために開口ＷＨの下方に形成した部分である。延在部３ｂは、ｐウェル層２内部で不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２のチャネル領域６ａ，６ｂの下まで本体部３ａから延在させた部分である。延在部３ｂは、平面視においては、本体部３ａのソース領域Ｓとドレイン領域Ｄ１，Ｄ２の間の領域に対向する位置から、該領域に向かって列方向に延びて形成されている。即ち、平面視において不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２やリセットトランジスタＲＴの形成される領域においては、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２のチャネル領域６ａ，６ｂの下にのみ光電変換部３が存在するように、光電変換部３を形成した構成となっている。なお、チャネル領域６ａ，６ｂの下のみだけでなく、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２の全体の下まで光電変換部３が存在するように延在部３ｂを形成した構成としても良い。
【００６８】
チャネル領域６ａ（６ｂ）は、コントロールゲートＣＧ１（ＣＧ２）及びフローティングゲートＦＧ１（ＦＧ２）の直下にある。このため、このチャネル領域６ａ（６ｂ）の下（好ましくはチャネル領域６ａ（６ｂ）と平面視で重なる範囲の全て）まで光電変換部３を延在させることで、光電変換部３の電荷をＦＮトンネル注入或いはダイレクトトンネル注入によってフローティングゲートＦＧ１（ＦＧ２）に注入する場合に、コントロールゲートＣＧ１（ＣＧ２）に印加した電圧（ＣＧ電圧）によってほぼ垂直方向に光電変換部３からフローティングゲートＦＧ１（ＦＧ２）に電界を加えることができる。これにより、光電変換部３の電荷がコントロールゲートＣＧ１（ＣＧ２）の方向に向かって加速されやすくなる。この結果、低いＣＧ電圧でトンネリングを起こさせることができる。
【００６９】
固体撮像素子１０では、チャネル領域６ａ（６ｂ）を確保しつつ、このチャネル領域６ａ（６ｂ）の下に光電変換部３を延在させているため、光電変換部３とコントロールゲートＣＧ１（ＣＧ２）との重なり部分の大きさには制限がなくなり、電界方向をほぼ垂直にすることができる。この結果、効率的にトンネル電流を発生させることができる。
【００７０】
光電変換部３は、イオン注入の際のマスクパターンの制御によって基板表面に平行な方向の長さを制御することでき、イオン注入エネルギの制御によって基板表面に垂直な方向の長さを制御することできる。このようにすることで、本体部３ａと延在部３ｂからなる光電変換部３を形成することが可能である。
【００７１】
次に、以上のように構成された固体撮像素子１０の駆動方法を説明する。
【００７２】
図６は、図１に示す固体撮像素子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６では、任意のラインの画素部１００内の各部に供給される電圧変化を時間と共に示してある。
【００７３】
固体撮像素子１０では、撮影指示を受けると、これをスタートトリガとして、制御部４０が、全ての画素部１００のリセットトランジスタＲＴのリセットゲートＲＧにリセットパルスを供給すると共に、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２にリセットパルスと逆極性の電圧を供給する。これにより、光電変換部３に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタＲＴのドレインＲＤに排出されると共に、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されていた電荷も、光電変換部３を介してドレインＲＤに排出されて、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２は空の状態となる。リセットパルスの印加が終了すると、光電変換部３にはリセット動作によるリセットノイズ電荷が蓄積された状態となる。
【００７４】
リセットパルスの印加が終了すると、制御部４０は、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２に書き込みパルス（例えば７Ｖの電圧）を同時に印加して、光電変換部３に蓄積されているリセットノイズ電荷をフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に注入する。
【００７５】
全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２への書き込みパルスの印加が終了すると、全ての画素部１００で露光期間（電荷蓄積期間）が開始される。
【００７６】
露光期間の終了直前、制御部４０は、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧（例えば７Ｖ）を供給して、露光期間開始から現時点までに光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に注入する。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部３には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部３で発生した電荷もフローティングゲートＦＧ１に注入される。光電変換部３に蓄積された電荷は、本体部３ａから延在部３ｂに移動し、この延在部３ｂからチャネル領域６ａを介してフローティングゲートＦＧ１へと注入される。
【００７７】
コントロールゲートＣＧ１への書き込み電圧の印加が終了すると露光期間が終了する。そして、露光期間終了後、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして列信号線１２をプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２とセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ２へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。
【００７８】
ランプ波形電圧の印加後、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路２０内で保持される。読み出し回路２０のＮ−ｂｉｔカウンタは、カウント方向切替部２０ｇの制御により、例えばカウント値“０”を初期値として、初期値からダウンカウントし、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン電位が降下した時点でのカウント値（以下、第一のカウント値という）を保持する。
【００７９】
次に、ランプアップ回路２０ｄがコントロールゲートＣＧ１へのランプ波形電圧の印加を停止し、トランジスタ２０ｆをオフする。この状態で、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆを再びオンして、列信号線１２をプリチャージする。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ１へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。
【００８０】
ランプ波形電圧の印加後、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路２０内で保持される。読み出し回路２０のＮ−ｂｉｔカウンタは、カウント方向切替部２０ｇの制御により、先に保持された第一のカウント値を初期値として、該初期値からアップカウントし、１ライン目の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン電位が降下した時点でのカウント値を保持する。そして、このカウント値が撮像信号として出力アンプ６０から出力される。
【００８１】
第一のカウント値はマイナスとなっているため、このアップカウントにより、リセットノイズ電荷と露光期間中に光電変換部３で発生した電荷とを併せた電荷に応じた信号から、リセットノイズ電荷に応じた信号を減算した信号、つまり、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷に応じた信号のみを撮像信号として読み出すことができる。なお、アップカウントとダウンカウントを組み合わせる方法の例については、特開２００７−６００８０号公報にも開示されている。
【００８２】
２ライン目以降の画素部１００についても同様の駆動が行われ、全ラインから撮像信号が出力される。その後、制御部４０が、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２に負極性の消去電圧を印加し、半導体基板に正極性の電圧を印加する。これによりフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されていた電荷は、半導体基板に引き抜かれて消去される。
【００８３】
図７は、撮像動作中の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２の閾値電圧の分布の変化を示した図である。図７に示すように、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２の電荷を消去した直後と、電荷を消去してからリセットノイズ電荷を注入した後とでは、リセットノイズ電荷を注入した後の方が閾値電圧の分布幅は狭くなる。このように閾値電圧のばらつきを抑制した状態で、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に注入することができるため、露光期間中に発生した電荷による不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧の変化のばらつきも小さいものとなり、画像のむらを抑えることができる。また、フローティングゲートＦＧ１とフローティングゲートＦＧ２のいずれにも、リセットノイズ電荷が同じ量だけ注入されており、光電変換部３のリセット完了後にフローティングゲートＦＧ１に蓄積された電荷に応じた信号から、光電変換部３のリセット完了後にフローティングゲートＦＧ２に蓄積された電荷に応じた信号を減算する処理が読み出し回路２０により行われるため、リセットノイズを除去した撮像信号を得ることができる。このように、固体撮像素子１０によれば、閾値電圧のばらつきに起因する画質劣化と、フローティングゲート中の電荷消去時或いは光電変換部リセット時に発生するノイズを抑制することができる。
【００８４】
また、固体撮像素子１０によれば、光電変換部３の電荷をリセットした後に、フローティングゲートＦＧ１とフローティングゲートＦＧ２にリセットノイズ電荷を注入する処理を追加するだけでよいため、駆動ステップが複雑となることはなく、撮像、信号処理速度の向上を図ることができる。
【００８５】
また、固体撮像素子１０によれば、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のチャネル領域６ａと不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のチャネル領域６ｂの下に光電変換部３が存在することになるため、遮光膜開口ＷＨから入った光に応じて光電変換部３で発生した電荷を、光電変換部３のチャネル領域６ａ，６ｂとの重なり部分から該チャネル領域６ａ，６ｂを介してフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２へと効率的に注入することができ、感度向上を図ることができる。
【００８６】
なお、制御部４０は、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷の蓄積先を、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と不揮発性メモリトランジスタＭＴ２とで一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。露光期間中に光電変換部３で発生した電荷の蓄積先を、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２にした場合には、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１からの信号をダウンカウントによって先に読み出し、その後、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２からの信号をアップカウントによって読み出して撮像信号を出力するようにすれば良い。
【００８７】
また、以上の説明では、リセットノイズ電荷のみが蓄積されたフローティングゲートＦＧ２からの信号の読み出しを先に行うものとしたが、フローティングゲートＦＧ１からの信号の読み出しの後に、フローティングゲートＦＧ２からの信号の読み出しを行うものとしても良い。また、フローティングゲートＦＧ２からの信号の読み出し時にカウント方向をダウンカウントとし、フローティングゲートＦＧ１からの信号の読み出し時にカウント方向をアップカウントとしたが、これは逆であっても良い。いずれであっても、フローティングゲートＦＧ１に蓄積された電荷に応じた信号とフローティングゲートＦＧ２に蓄積された電荷に応じた信号との差分を撮像信号として読み出すことが可能である。
【００８８】
また、固体撮像素子１０では、リセットノイズを効果的になくすため、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のチャネル長及びチャネル幅と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のチャネル長及びチャネル幅は同一となるように設計しておくことが好ましい。
【００８９】
また、以上の説明では、取り扱い電荷（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型領域とＰ型領域を入れ替え、各部に印加する電圧の極性を逆にすれば良い。
【００９０】
以下、図１に示した固体撮像素子１０の変形例について説明する。
【００９１】
（第一の変形例）
図８は、図１に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示した等価回路図である。図８において図２と同じ構成には同一符号を付してある。図８に示した画素部を有する固体撮像素子と図２に示した画素部を有する固体撮像素子との違いは、列方向に並ぶ画素部からなる列毎に、読み出し回路２０を１つではなく２つ設けた点である。図８に示した固体撮像素子では、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の出力（ドレイン領域Ｄ１）と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２の出力（ドレイン領域Ｄ２）とに、それぞれ別の列信号線１２ａ，１２ｂが接続され、列信号線１２ａ，１２ｂのそれぞれに、読み出し回路２０が接続された構成となっている。
【００９２】
図８に示した読み出し回路２０は、図１（ｂ）に示した構成からカウント方向切替部２０ｇを削除した構成であり、ランプアップ回路２０ｄに内蔵されるＮ−ｂｉｔカウンタは、例えば初期値を“０”としたアップカウントを行って、列信号線１２ａ，１２ｂの電位が変化したときのランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持するものとなっている。
【００９３】
図８に示した固体撮像素子では、さらに、列毎に差分回路２１が設けられている。差分回路２１は、対応する列の２つの読み出し回路２０に接続され、２つの読み出し回路２０から読み出された２つの撮像信号の差分を演算するものである。演算して得られた撮像信号は、水平シフトレジスタ５０の制御により、選択トランジスタ３０、信号線７０を介して出力部６０から出力される。
【００９４】
以上のように構成された固体撮像素子の撮像動作を説明する。露光期間で発生した電荷がフローティングゲートＦＧ１に蓄積されるまでの動作は図６で説明したのと同じである。
【００９５】
フローティングゲートＦＧ１への電荷注入終了後、列信号線１２ａに接続された読み出し回路２０により信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして、列信号線１２ａをプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２ａとセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ１へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。そして、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持される。
【００９６】
次に、列信号線１２ｂに接続された読み出し回路２０により信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして、列信号線１２ｂをプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２ｂとセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ２へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。そして、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持される。
【００９７】
次に、差分回路２１により、列信号線１２ａに接続された読み出し回路２０で保持されたカウント値から、列信号線１２ｂに接続された読み出し回路２０で保持されたカウント値が減算され、これが撮像信号として出力される。
【００９８】
２ライン目以降の画素部１００についても同様の駆動が行われて全ラインから撮像信号が出力される。全ラインから撮像信号が出力された後、制御部４０は、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２に負極性の消去電圧を印加し、半導体基板に正極性の電圧を印加する。これによりフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されていた電荷は、半導体基板に引き抜かれて消去される。
【００９９】
以上のように、図８に示した構成であっても、閾値電圧のばらつきと、フローティングゲート中の電荷消去時或いは光電変換部リセット時に発生するノイズを抑制して画質向上を図ることができる。図２に示した構成は、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と不揮発性メモリトランジスタＭＴ２とで読み出し回路２０を共通化した構成であるため、図８に示した構成よりも回路規模を縮小できる利点がある。
【０１００】
（第二の変形例）
図９は、図１に示した固体撮像素子の画素部の第二の変形例を示した等価回路図である。この変形例では、図２に示した不揮発性メモリトランジスタＭＴ１を、フローティングゲートＦＧ１への電荷の書き込み用の書き込みトランジスタＷＴ１と、フローティングゲートＦＧ１に蓄積された電荷に応じた不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧を検出するための読み出しトランジスタＲＴ１との２つで構成し、それぞれでフローティングゲートＦＧ１を共有した特許文献１に記載のような構成となっている。不揮発性メモリトランジスタＭＴ２も同様に、書き込みトランジスタＷＴ２と読み出しトランジスタＲＴ２とで構成され、それぞれのトランジスタでフローティングゲートＦＧ２を共有した構造となっている。
【０１０１】
また、図９では、光電変換部３と書き込みトランジスタＷＴ１，ＷＴ２のソース領域とが接続された構成としている。また、読み出しトランジスタＲＴ１，ＲＴ２のドレイン領域が列信号線１２に共通接続され、列信号線１２に図１（ｂ）に示した読み出し回路２０が接続された構成となっている。書き込みトランジスタＷＴ１のゲート電極（書き込みコントロールゲート）はＷＣＧ１で示し、書き込みトランジスタＷＴ２のゲート電極（書き込みコントロールゲート）はＷＣＧ２で示し、読み出しトランジスタＲＴ１のゲート電極（読み出しコントロールゲート）はＲＣＧ１で示し、読み出しトランジスタＲＴ２のゲート電極（読み出しコントロールゲート）はＲＣＧ２で示してある。書き込みコントロールゲートＷＣＧ１には配線ｗｃｇ１が接続され、書き込みコントロールゲートＷＣＧ２には配線ｗｃｇ２が接続され、読み出しコントロールゲートＲＣＧ１には配線ｒｃｇ１が接続され、読み出しコントロールゲートＲＣＧ２には配線ｒｃｇ２が接続されている。配線ｗｃｇ１，ｗｃｇ２，ｒｃｇ１，ｒｃｇ２は、それぞれ行方向に並ぶ画素部１００のライン毎に設けられ、制御部４０によって電圧を印加できるようになっている。
【０１０２】
図９に示した固体撮像素子の撮像動作は、図１に示したものと同様である。具体的には、光電変換部３をリセットした後に、書き込みコントロールゲートＷＣＧ１，ＷＣＧ２に書き込み電圧を印加してリセットノイズ電荷をフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積する。次いで、露光期間中に発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に蓄積する。電荷の蓄積が終了すると、読み出し回路２０が、読み出しトランジスタＲＴ２の閾値電圧を信号として読み出し、その後、読み出しトランジスタＲＴ１の閾値電圧を信号として読み出すことで、撮像信号が出力される。
【０１０３】
このように、図９に示した共有ＦＧ構造であっても、閾値電圧のばらつきと、フローティングゲート中の電荷消去時或いは光電変換部リセット時に発生するノイズを抑制して高画質撮像を可能にすることができる。なお、図９に示した構成においても、書き込みトランジスタＷＴ１のフローティングゲートＦＧ１及びチャネル領域と書き込みトランジスタＷＴ２のフローティングゲートＦＧ２及びチャネル領域を遮光膜によって遮光し、光電変換部３を、書き込みトランジスタＷＴ１のチャネル領域と書き込みトランジスタＷＴ２のチャネル領域の下まで延在させた構成とすることで、電荷注入効率を向上させることができる。
【０１０４】
＜第二の実施形態＞
以下、本発明の第二の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、携帯電話機や電子内視鏡等に内蔵される撮像ユニットに搭載して用いられるものである。
【０１０５】
図１０は、本発明の第二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平面模式図である。図１０に示す固体撮像素子１０は、図１に示した固体撮像素子１０の読み出し回路２０の構成要素のうち、カウント方向切替部２０ｇを削除し、制御部４０の機能を一部変更したものである。以下、変更された制御部４０の機能について説明する。
【０１０６】
制御部４０は、光電変換部３をリセットした後、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のコントロールゲートＣＧ１に第一の電圧を印加して光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に蓄積する制御と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のコントロールゲートＣＧ２に上記第一の電圧とは異なる大きさの第二の電圧を印加して光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ２に蓄積する制御とを行う。これら２つの制御は同時に実施しても良いし、タイミングをずらして実施しても良い。
【０１０７】
図１１は、不揮発性メモリトランジスタのコントロールゲートに印加する電圧Ｖｃｇを変化させたときの、不揮発性メモリトランジスタの閾値電圧と露光時間との関係を示した図である。図１１のデータは、不揮発性メモリトランジスタのフローティングゲートと半導体基板との間にあるトンネル酸化膜の厚みが３ｎｍのときのものとなっている。図１１の縦軸が不揮発性メモリトランジスタの閾値電圧を示し、横軸が光電変換部を露光している時間を示す。図１１に示すように、コントロールゲートに印加する電圧Ｖｃｇを大きくするほど、短い時間で閾値電圧が大きく変化していることがわかる。また、電圧Ｖｃｇが大きいほど、閾値電圧が飽和するまでの時間も早くなっている。このように、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１，ＭＴ２は、コントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２に印加する書き込み電圧の大きさによって、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２への電荷注入効率と、その閾値電圧の飽和値とを制御することができる。
【０１０８】
不揮発メモリトランジスタでは、フローティングゲートに注入される電荷は、フローティングゲート直下に隣接するソース、ドレイン領域あるいは基板側から十分に供給されてトンネル酸化膜下の領域で待機している。これらの電荷は、電圧Ｖｃｇ印加によりフローティングゲートにトンネリング注入される。これに対し、光電変換部３（フォトダイオード領域）に入射した光によって発生した光電荷はトンネル酸化膜下に移動する過程において、電界による運動エネルギーを増大させることになる。その結果、電荷がトンネル酸化膜のポテンシャル障壁を乗り越えてフローティングゲートに注入されるメカニズムには従来のＦＮトンネル注入、ダイレクトトンネル注入に加え、運動エネルギーを考慮したホットエレクトロン注入効果が期待できる。この運動エネルギーの効果は、電圧Ｖｃｇの増加によって顕著になると考えられる。
【０１０９】
例えば、Ｖｃｇ＝３Ｖで光電変換部３からフローティングゲートＦＧ１に電荷を注入した場合と、Ｖｃｇ＝９Ｖで光電変換部３からフローティングゲートＦＧ１に電荷を注入した場合とを比較する。Ｖｃｇ＝３Ｖのときは、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧が緩やかに立ち上がり、飽和するまで時間がかかる。一方、Ｖｃｇ＝９Ｖのときは、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧が急峻に立ち上がり、短い時間で飽和する。このため、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の閾値電圧の変化を信号として読み出すと、Ｖｃｇ＝３Ｖのときに得られる信号は、短時間で光電変換部３を露光したときに得られる信号の特性と同様の傾向になり、Ｖｃｇ＝９Ｖのときに得られる信号は、長時間で光電変換部３を露光したときに得られる信号の特性と同様の傾向になる。このため、光電変換部３で発生した電荷を、Ｖｃｇの値を変えてフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に書き込むことにより、感度の異なる２つの信号を画素部１００から読み出すことが可能となる。
【０１１０】
次に、図１０に示した固体撮像素子１０を搭載する撮像装置の一例について説明する。
【０１１１】
図１２は、図１０に示す固体撮像素子を搭載した撮像装置の概略構成を示す図である。
図示する撮像装置の撮像系は、撮影レンズ４１と、固体撮像素子１０と、この両者の間に設けられた絞り４２と、赤外線カットフィルタ４３と、光学ローパスフィルタ４４とを備える。
【０１１２】
撮像装置の電気制御系全体を統括制御するシステム制御部５１は、被写体を照明するための光を発光する発光部であるフラッシュ発光部５２及び受光部５３を制御し、レンズ駆動部４８を制御して撮影レンズ４１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部４９を介し絞り４２の開口量を制御して露光量調整を行う。フラッシュ発光部５２はキセノンランプ等で構成される。
【０１１３】
また、システム制御部５１は、固体撮像素子１０を駆動し、撮影レンズ４１を通して撮像した被写体画像を撮像信号として出力させる。システム制御部５１には、操作部５４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【０１１４】
撮像装置の電気制御系は、メインメモリ５６と、メインメモリ５６に接続されたメモリ制御部５５と、ダイナミックレンジ拡大処理、補間演算やガンマ補正演算、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部５７と、デジタル信号処理部５７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部５８と、測光データを積算しデジタル信号処理部５７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部５９と、着脱自在の記録媒体６１が接続される外部メモリ制御部６０’と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部６３が接続される表示制御部６２とを備え、これらは、制御バス６４及びデータバス６５によって相互に接続され、システム制御部５１からの指令によって制御される。
【０１１５】
次に、以上のように構成された撮像装置による撮像動作について説明する。
【０１１６】
図１３は、図１０に示す固体撮像素子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１３では、任意のラインの画素部１００内の各部に供給される電圧変化を時間と共に示してある。
【０１１７】
システム制御部５１により撮像指示がなされると、固体撮像素子１０では、この撮影指示をスタートトリガとして、制御部４０が、全ての画素部１００のリセットトランジスタＲＴのリセットゲートＲＧにリセットパルスを供給すると共に、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２にリセットパルスと逆極性の電圧を供給する。これにより、光電変換部３に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタＲＴのドレインＲＤに排出されると共に、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されていた電荷も、光電変換部３を介してドレインＲＤに排出される。リセットパルスの印加が終了すると、光電変換部３を露光する露光期間が開始され、この期間中に光電変換部３に入射した光に応じた電荷が光電変換部３に蓄積される。
【０１１８】
露光期間の終了直前になると、制御部４０は、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧Ｖｐ１（例えば３Ｖ）を供給し、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ２に書き込み電圧Ｖｐ１よりも大きい書き込み電圧Ｖｐ２（例えば１０Ｖ）を供給する。コントロールゲートＣＧ１とコントロールゲートＣＧ２への書き込み電圧の印加は同時に行う。この書き込み電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の印加により、露光期間開始から現時点までに光電変換部３で発生した電荷がフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に注入される。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部３には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部３で発生した電荷もフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に注入される。光電変換部３に蓄積された電荷は、本体部３ａから延在部３ｂに移動し、この延在部３ｂからチャネル領域６ａ，６ｂを介してフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２へと注入される。
【０１１９】
制御部４０は、コントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２への書き込み電圧の印加を同時に終了して、露光期間を終了させる。露光期間が終了すると、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして列信号線１２をプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２とセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ１へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。
【０１２０】
ランプ波形電圧の印加後、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路２０内で保持される。保持されたカウント値は、露光期間に光電変換部３で発生して蓄積された電荷のうち、書き込み電圧Ｖｐ１でフローティングゲートＦＧ１に書き込まれた電荷に応じた撮像信号（この撮像信号は相対的に低い感度となるため、以下、低感度撮像信号という）として、水平シフトレジスタ５０の制御により信号線７０を介して出力部６０から出力される。低感度撮像信号の出力後は、トランジスタ２０ｆがオフされ、ランプ波形電圧の印加が停止され、カウント値がリセットされる。
【０１２１】
次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして列信号線１２をプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２とセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ２へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。
【０１２２】
ランプ波形電圧の印加後、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路２０内で保持される。保持されたカウント値は、露光期間に光電変換部３で発生して蓄積された電荷のうち、書き込み電圧Ｖｐ２でフローティングゲートＦＧ２に書き込まれた電荷に応じた撮像信号（この撮像信号は相対的に高い感度となるため、以下、高感度撮像信号という）として、水平シフトレジスタ５０の制御により信号線７０を介して出力部６０から出力される。高感度撮像信号の出力後は、トランジスタ２０ｆがオフされ、ランプ波形電圧の印加が停止され、カウント値がリセットされる。
【０１２３】
２ライン目以降の各画素部１００についても同様に、列信号線１２のプリチャージ、ランプ波形電圧のコントロールゲートＣＧ１への印加、ドレイン電圧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の保持、該カウント値の出力、列信号線１２のプリチャージ、ランプ波形電圧のコントロールゲートＣＧ２への印加、ドレイン電圧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の保持、該カウント値の出力の一連の動作が行われて、全ての画素部１００から低感度撮像信号と高感度撮像信号が読み出される。固体撮像素子１０から出力された低感度撮像信号と高感度撮像信号はメインメモリ５６に一時記憶される。
【０１２４】
全ての画素部１００から低感度撮像信号と高感度撮像信号が読み出された後、デジタル信号処理部５７が、メインメモリ５６に一時記憶された、同じ光電変換部３から得られた低感度撮像信号と高感度撮像信号を合成してダイナミックレンジを拡大する処理を実施する。
【０１２５】
図１４は、ダイナミックレンジ拡大処理の一例を説明するための図である。図１４（ａ）に示したように、低感度撮像信号の光信号強度−出力信号の特性曲線は符号Ｄで示したようになり、高感度撮像信号の光信号強度−出力信号の特性曲線は符号Ｃで示したようになる。
【０１２６】
デジタル信号処理部５７では、まず、高感度撮像信号に対して閾値処理を施す。閾値処理とは、高感度撮像信号を、そのレベルが所定値以上の部分を一定値にする処理である。例えば、図１４（ｂ）に示したように、レベルＬ以上の高感度撮像信号は、全てレベルＬとなるように処理される。
【０１２７】
次に、デジタル信号処理部５７は、レベルＬに対応する光信号強度に対応する低感度撮像信号のレベルがレベルＬとなるようにレベル調整を行う。そして、レベルＬに対応する光信号強度よりも光信号強度が小さい領域の高感度撮像信号の特性曲線Ｃと、レベルＬに対応する光信号強度よりも光信号強度が大きい領域でのレベル調整後の低感度撮像信号の特性曲線Ｄとを合成して、合成後曲線を得る（図１４（ｃ））。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【０１２８】
以上のように、図１０に示す固体撮像素子１０によれば、１つの画像を得るための撮像において、感度の異なる２つの撮像信号を得ることができるため、これらを合成することでダイナミックレンジを拡大することができる。また、２つの撮像信号は、同一の露光期間で得られるため、動く被写体であっても、ダイナミックレンジ拡大処理を容易に行うことができる。また、低感度撮像信号と高感度撮像信号を高速に読み出す必要がなくなるため、消費電力を低く抑えることもできる。
【０１２９】
また、図１０に示す固体撮像素子１０によれば、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のチャネル領域６ａと不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のチャネル領域６ｂの下に光電変換部３が存在することになるため、遮光膜開口ＷＨから入った光に応じて光電変換部３で発生した電荷を、光電変換部３のチャネル領域６ａ，６ｂとの重なり部分から該チャネル領域６ａ，６ｂを介してフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２へと効率的に注入することができ、感度向上を図ることができる。
【０１３０】
なお、以上の説明では、フローティングゲートＦＧ１からの信号の読み出しを先に行うものとしたが、この順番はいずれであっても良い。また、コントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧Ｖｐ１を印加し、コントロールゲートＣＧ２に書き込み電圧Ｖｐ２を印加するものとしたが、コントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧Ｖｐ２を印加し、コントロールゲートＣＧ２に書き込み電圧Ｖｐ１を印加しても良い。
【０１３１】
なお、図１０に示す固体撮像素子１０では、制御部４０が、書き込み電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２のそれぞれの印加先を、コントロールゲートＣＧ１とコントロールゲートＣＧ２とで一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。つまり、コントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧Ｖｐ１を印加してフローティングゲートＦＧ１に電荷を注入し、コントロールゲートＣＧ２に書き込み電圧Ｖｐ２を印加してフローティングゲートＦＧ２に電荷を注入する第一の制御と、コントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧Ｖｐ２を印加してフローティングゲートＦＧ１に電荷を注入し、コントロールゲートＣＧ２に書き込み電圧Ｖｐ１を印加してフローティングゲートＦＧ２に電荷を注入する第二の制御とを設け、これらを一定期間毎に交互に切り替えて実施することが好ましい。例えば、１フレーム毎や１０回撮像を行う毎に、第一の制御と第二の制御を切り替えればよい。これにより、素子の高寿命化を期待することができる。
【０１３２】
また、図１０に示す固体撮像素子１０では、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のチャネル長及びチャネル幅と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のチャネル長及びチャネル幅が同一となるように設計しておくことが好ましい。このようにすることで、コントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２に印加する書き込み電圧の差に応じた分だけ、電荷注入効率を変えることができ、低感度撮像信号と高感度撮像信号の感度差の制御が容易となる。
【０１３３】
また、以上の説明では、ダイナミックレンジ拡大処理を図１０に示す固体撮像素子１０の外部で実施しているが、これを該固体撮像素子１０内で行っても良い。
【０１３４】
以下、第二の実施形態の変形例について説明する。
【０１３５】
（第一の変形例）
図１５は、図１０に示した固体撮像素子の画素部の第一の変形例を示した等価回路図である。図１５において図２と同じ構成には同一符号を付してある。図１５に示した画素部を有する固体撮像素子と図２に示した画素部を有する固体撮像素子との違いは、列方向に並ぶ画素部からなる列毎に、読み出し回路２０を１つではなく２つ設けた点である。図１５に示した固体撮像素子では、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１の出力（ドレイン領域Ｄ１）と、不揮発性メモリトランジスタＭＴ２の出力（ドレイン領域Ｄ２）とに、それぞれ別の列信号線１２ａ，１２ｂが接続され、列信号線１２ａ，１２ｂのそれぞれに、読み出し回路２０が接続された構成となっている。
【０１３６】
図１５に示した固体撮像素子では、さらに、列毎に、閾値処理部２１と、合成処理部２２とが設けられている。閾値処理部２１は、列信号線１２ｂに接続された読み出し回路２０で読み出された高感度撮像信号に対して、上述した閾値処理を行って、処理後の信号を出力する。合成処理部２２は、閾値処理後の高感度撮像信号と、列信号線１２ａに接続された読み出し回路２０で読み出された低感度撮像信号とを合成してダイナミックレンジを拡大させる処理を行う。合成処理部２２で処理後の信号は水平シフトレジスタ５０を含む出力回路から固体撮像素子外部へと出力される。
【０１３７】
以上のように構成された固体撮像素子の撮像動作を説明する。露光期間で発生した電荷がフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されるまでの動作は図１３で説明したのと同じである。
【０１３８】
露光期間の終了後、列信号線１２ａに接続された読み出し回路２０により低感度撮像信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして、列信号線１２ａをプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２ａとセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ１へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。そして、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持される。低感度撮像信号の保持後は、ランプ波形電圧の印加が停止され、トランジスタ２０ｆがオフされる。保持された低感度撮像信号は合成処理部２２に入力される。
【０１３９】
次に、列信号線１２ｂに接続された読み出し回路２０により高感度撮像信号の読み出しが行われる。まず、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして、列信号線１２ｂをプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２ｂとセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ２へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。そして、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持される。高感度撮像信号の保持後は、ランプ波形電圧の印加が停止され、トランジスタ２０ｆがオフされる。保持された高感度撮像信号は閾値処理された後、上記低感度撮像信号と合成されて、固体撮像素子外部へと出力される。合成信号の出力後は、カウンタがリセットされる。
【０１４０】
２ライン目以降の画素部１００についても同様の駆動が行われて全ラインからダイナミックレンジ拡大処理がなされた撮像信号が出力される。
【０１４１】
以上のように、図１５に示した構成（固体撮像素子内部でダイナミックレンジ拡大処理を行う構成）であっても、複雑な駆動を行うことなく、消費電力を抑えて、高画質化を図ることができる。図２に示した構成は、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と不揮発性メモリトランジスタＭＴ２とで読み出し回路２０を共通化した構成であるため、図１５に示した構成よりも回路規模を縮小できる利点がある。
【０１４２】
（第二の変形例）
第二の変形例では、図１０に示した固体撮像素子の別の駆動方法について説明する。
【０１４３】
図１６は、図１０に示す固体撮像素子の別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１６では、任意のラインの画素部１００内の各部に供給される電圧変化を時間と共に示してある。
【０１４４】
システム制御部５１により撮像指示がなされると、固体撮像素子１０では、この撮影指示をスタートトリガとして、制御部４０が、全ての画素部１００のリセットトランジスタＲＴのリセットゲートＲＧにリセットパルスを供給すると共に、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１，ＣＧ２にリセットパルスと逆極性の電圧を供給する。これにより、光電変換部３に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタＲＴのドレインＲＤに排出されると共に、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されていた電荷も、光電変換部３を介してドレインＲＤに排出されて、フローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２は空の状態となる。リセットパルスの印加が終了すると、時間ｔ１だけ光電変換部３を露光する第一の露光期間（短時間露光期間とも言う）が開始され、この期間中に光電変換部３に入射した光に応じた電荷が光電変換部３に蓄積される。
【０１４５】
第一の露光期間の終了直前になると、制御部４０は、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ１に書き込み電圧（例えば７Ｖ）を供給して、第一の露光期間開始から現時点までに光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に注入する。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部３には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部３で発生した電荷もフローティングゲートＦＧ１に注入される。光電変換部３に蓄積された電荷は、本体部３ａから延在部３ｂに移動し、この延在部３ｂからチャネル領域６ａを介してフローティングゲートＦＧ１へと注入される。
【０１４６】
コントロールゲートＣＧ１への書き込み電圧の印加が終了すると第一の露光期間が終了する。そして、第一の露光期間の終了と共に、時間ｔ１よりも長い時間ｔ２だけ光電変換部３を露光する第二の露光期間（長時間露光期間とも言う）が開始され、この期間中に光電変換部３に入射した光に応じた電荷が光電変換部３に蓄積される。
【０１４７】
第二の露光期間の終了直前になると、制御部４０は、全ての画素部１００のコントロールゲートＣＧ２に書き込み電圧（例えば７Ｖ）を供給して、第二の露光期間開始から現時点までに光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ２に注入する。この書き込み電圧の印加中も、光電変換部３には光が入射しているため、この光に応じて光電変換部３で発生した電荷もフローティングゲートＦＧ２に注入される。光電変換部３に蓄積された電荷は、本体部３ａから延在部３ｂに移動し、この延在部３ｂからチャネル領域６ｂを介してフローティングゲートＦＧ２へと注入される。そして、コントロールゲートＣＧ２への書き込み電圧の印加が終了すると第二の露光期間が終了する。
【０１４８】
第二の露光期間が終了すると、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして列信号線１２をプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２とセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ１へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。
【０１４９】
ランプ波形電圧の印加後、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ１のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路２０内で保持される。保持されたカウント値は、第一の露光期間に光電変換部３で発生して蓄積された電荷に応じた撮像信号（以下、短露光撮像信号という）として、水平シフトレジスタ５０の制御により信号線７０を介して出力部６０から出力される。短露光撮像信号の出力後は、トランジスタ２０ｆがオフされ、ランプ波形電圧の印加が停止され、カウント値がリセットされる。
【０１５０】
次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｆをオンして列信号線１２をプリチャージする。次に、読み出し制御部２０ａがトランジスタ２０ｅをオンして、列信号線１２とセンスアンプ２０ｂとを導通する。この状態で、ランプアップ回路２０ｄが、制御部４０を介して、１ライン目の各画素部１００のコントロールゲートＣＧ２へのランプ波形電圧（Ｖｔｈ読み出し電圧）の印加を開始する。
【０１５１】
ランプ波形電圧の印加後、１ライン目の各画素部１００の不揮発性メモリトランジスタＭＴ２のドレイン電位が降下すると、その時点でのランプ波形電圧の値に対応するカウント値が各読み出し回路２０内で保持される。保持されたカウント値は、第二の露光期間に光電変換部３で発生して蓄積された電荷に応じた撮像信号（以下、長露光撮像信号という）として、水平シフトレジスタ５０の制御により信号線７０を介して出力部６０から出力される。長露光撮像信号の出力後は、トランジスタ２０ｆがオフされ、ランプ波形電圧の印加が停止され、カウント値がリセットされる。
【０１５２】
２ライン目以降の各画素部１００についても同様に、列信号線１２のプリチャージ、ランプ波形電圧のコントロールゲートＣＧ１への印加、ドレイン電圧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の保持、該カウント値の出力、列信号線１２のプリチャージ、ランプ波形電圧のコントロールゲートＣＧ２への印加、ドレイン電圧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の保持、該カウント値の出力の一連の動作が行われて、全ての画素部１００から短露光撮像信号と長露光撮像信号が読み出される。固体撮像素子１０から出力された短露光撮像信号と長露光撮像信号はメインメモリ５６に一時記憶される。
【０１５３】
全ての画素部１００から短露光撮像信号と長露光撮像信号が読み出された後、デジタル信号処理部５７が、メインメモリ５６に一時記憶された、同じ光電変換部３から得られた短露光撮像信号と長露光撮像信号を合成してダイナミックレンジを拡大する処理を実施する。
【０１５４】
以上のように、第二の変形例によれば、１つの画像を得るための撮像において、露光期間の異なる２つの撮像信号を得ることができるため、これらを合成することでダイナミックレンジを拡大することができる。また、第一の露光期間と第二の露光期間は間をあけることなく連続して行われるため、動く被写体であっても、ダイナミックレンジ拡大処理を容易に行うことができる。また、短露光撮像信号と長露光撮像信号を高速に読み出す必要がなくなるため、消費電力を低く抑えることもできる。
【０１５５】
なお、制御部４０は、第一の露光期間中に光電変換部３で発生した電荷と、第二の露光期間中に光電変換部３で発生した電荷のそれぞれの蓄積先を、不揮発性メモリトランジスタＭＴ１と不揮発性メモリトランジスタＭＴ２とで一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。つまり、第一の露光期間中に光電変換部３で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタＭＴ１に蓄積し、第二の露光期間中に光電変換部３で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタＭＴ２に蓄積する第一の制御と、第一の露光期間中に光電変換部３で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタＭＴ２に蓄積し、第二の露光期間中に光電変換部で発生した電荷を不揮発性メモリトランジスタＭＴ１に蓄積する第二の制御とを設け、これらを一定期間毎に交互に切り替えるようにすることが好ましい。例えば、１フレーム毎や１０回撮像を行う毎に、第一の制御と第二の制御を切り替えればよい。これにより、素子の高寿命化を期待することができる。
【０１５６】
また、以上の説明では、フローティングゲートＦＧ１からの信号の読み出しを先に行うものとしたが、この順番はいずれであっても良い。また、第一の露光期間の時間ｔ１を第二の露光期間の時間ｔ２よりも小さくしたが、ｔ１＞ｔ２であっても良い。
【０１５７】
＜第三の実施形態＞
図１７は、本発明の第三の実施形態を説明するための内視鏡装置の概略構成を示す図である。図１７に示す内視鏡装置は、光源１’と、固体撮像素子１０’と、光源駆動部２１’と、信号処理部２３’と、システム制御部２４’と、表示部２２’と、操作部２５’とを備える。固体撮像素子１０’は、図１に示した固体撮像素子１０の画素部１００の構成として、図９に示した構成を採用したものとなっている。固体撮像素子１０’の各画素部１００の光電変換部３の上方には図示しないカラーフィルタが設けられている。このカラーフィルタには、青色（Ｂ）光の波長域（一般的には約３８０ｎｍ〜約５２０ｎｍ）を透過するＢカラーフィルタと、緑色（Ｇ）光の波長域（一般的には約４５０ｎｍ〜約６１０ｎｍ）を透過するＧカラーフィルタと、赤色（Ｒ）光の波長域（一般的には約５５０ｎｍ〜約７００ｎｍ）を透過するＲカラーフィルタとが含まれており、これらカラーフィルタの配列はベイヤー配列となっている。
【０１５８】
光源１’は、複数種類の光を選択的に切り替えて発光可能な発光手段である。光源１’には、対象物を肉眼で見たのと同じように撮影するために必要な通常光を発光する通常光ユニットと、通常光では識別できない部位を識別可能にするために必要な特殊光を発光する特殊光ユニットが含まれる。
【０１５９】
通常光ユニットには、例えば、白色光を発光するハロゲンランプ１ａ’が含まれる。なお、通常光ユニットは、Ｒの波長域の光と、Ｂの波長域の光と、Ｇの波長域の光とを含む光を発光できるものであれば良く、例えば、Ｒ光を発光するＬＥＤと、Ｇ光を発光するＬＥＤと、Ｂ光を発光するＬＥＤとを含み、これらを同時に発光させる構成としても良い。
【０１６０】
特殊光ユニットは、それぞれ異なる発光波長域を持つ特殊光１，２，３を同時に発光することで、３つの発光波長域を持つ特殊光を発光するものとなっている。この特殊光ユニットには、それぞれ発光波長を任意に設定可能なＬＥＤ１ｂ’、ＬＥＤ１ｃ’、ＬＥＤ１ｄ’が含まれる。
【０１６１】
ＬＥＤ１ｂ’は、図１８に示すように、Ｂカラーフィルタの透過波長域内にある特定波長に輝線を持つ特殊光１を発光する。ＬＥＤ１ｃ’は、図１８に示すように、Ｇカラーフィルタの透過波長域内にある特定波長に輝線を持つ特殊光２を発光する。ＬＥＤ１ｄ’は、図１８に示すように、Ｒカラーフィルタの透過波長域内にある特定波長に輝線を持つ特殊光３を発光する。
【０１６２】
なお、特殊光１，２，３それぞれの特定波長は、観察したい生体情報に応じて決めておけば良い。例えば、発赤（ヘモグロビン）の有無を明確に認識できるようにするために対象物を照明すべき波長、自家蛍光の有無を明確に認識できるようにするために対象物を照明すべき波長、対象物の深部の血管を明確に認識できるようにするために対象物を照明すべき波長など、様々な波長が設定可能である。
【０１６３】
なお、対象物によっては、特定の波長の光を当てたときにその波長と異なる励起光を発するものがあり、この励起光による画像を観察したい場合もある。固体撮像素子１０’では、ＲＧＢ光以外の光が光電変換部３には入射しないため、Ｒの波長域、Ｇの波長域、Ｂの波長域のいずれかに発光波長を持つ励起光であればこれを検出することができる。励起光を検出するためには、対象物から励起光を発生させられるような発光波長を持つ特殊光を発光する必要がある。一方、特殊光と対象物から入射してくる光とで波長がずれない場合には、検出したい波長を特殊光の発光波長として設定しておけば良い。
【０１６４】
例えば、波長４００ｎｍの光を当てて対象物から反射してくる光を検出したい場合には、特殊光として、波長４００ｎｍに発光波長を持つ特殊光を発光できるようにしておけば良い。また、波長４００ｎｍの光を当てて対象物から反射してくる光と、波長５００ｎｍの光を当てて対象物から反射してくる光とを検出したい場合には、特殊光として、波長４００ｎｍと波長５００ｎｍに発光波長を持つ特殊光を発光できるようにしておけば良い。また、例えば波長６５０ｎｍの光を当てたときに対象物からは波長６８０ｎｍの励起光が発生するものとし、この励起光と、波長４００ｎｍの光を当てて対象物から反射してくる光と、波長５００ｎｍの光を当てて対象物から反射してくる光とを検出したい場合には、特殊光として、波長４００ｎｍと波長５００ｎｍと波長６５０ｎｍに発光波長を持つ特殊光を発光できるようにしておけば良い。
【０１６５】
このように、特殊光ユニットから発光させる特殊光は、取得したい画像データの数が２つ（白色光で撮影した画像１つと、特殊光で撮影した画像１つ）の場合は、その特殊光を対象物に当てたときの該対象物からの反射光又は励起光に、Ｒの波長域内の特定波長と、Ｇの波長域内の特定波長と、Ｂの波長域内の特定波長とのいずれかが含まれるように、発光波長を設定しておけば良い。また、取得したい画像データの数が３つ（白色光で撮影した画像１つと、特殊光で撮影した画像２つ）の場合は、その特殊光を対象物に当てたときの該対象物からの反射光又は励起光に、Ｒの波長域内の特定波長と、Ｇの波長域内の特定波長と、Ｂの波長域内の特定波長とのうちのいずれか２つが含まれるように、発光波長を設定しておけば良い。また、取得したい画像データの数が４つ（白色光で撮影した画像１つと、特殊光で撮影した画像３つ）の場合は、その特殊光を対象物に当てたときの該対象物からの反射光又は励起光に、Ｒの波長域内の特定波長と、Ｇの波長域内の特定波長と、Ｂの波長域内の特定波長とが含まれるように、発光波長を設定しておけば良い。
【０１６６】
光源駆動部２１’は、光源１’を駆動するものであり、通常光ユニットから通常光を発光させる駆動と、特殊光ユニットから特殊光を発光させる駆動とを選択的に切り替えて実施する。信号処理部２３’は、固体撮像素子１０’から出力される撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する。生成された画像データは記録媒体に記録されたり、表示部２２’に表示されたりする。
【０１６７】
システム制御部２４’は、内視鏡装置全体を統括制御する。操作部２５’は、内視鏡装置の各種操作を行うためのインターフェースである。
【０１６８】
以上のように構成された内視鏡装置の動作について説明する。図１９は、図１７に示す内視鏡装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。図２０は、図１７に示す内視鏡装置の動作を説明するための模式図である。
【０１６９】
操作部２５’が操作されて対象物の撮影指示がなされると、この指示がシステム制御部２４’に入力され、システム制御部２４’から固体撮像素子１０’へ撮影指示が通知される。
【０１７０】
固体撮像素子１０’では、撮影指示を受けると、これをスタートトリガとして、制御部４０が、全ての画素部１００のリセットトランジスタＲＴのリセットゲートＲＧにリセットパルスを供給する。これにより、光電変換部３に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタＲＴのドレインへと排出される。
【０１７１】
リセット完了後、システム制御部２４’は、光源駆動部２１’に指示を出し、ハロゲンランプ１ａ’から白色光を発光させる。なお、図１９では、リセットパルスの供給の後、少し時間をおいてから白色光を発光させているが、白色光の発光はリセット完了と同時であることが好ましい。
【０１７２】
白色光の発光は、例えば内視鏡装置で設定された露光期間だけ行われる。この白色光の発光期間中、固体撮像素子１０’のＲカラーフィルタを有する画素部１００では、対象物から入射してくる光のうちのＲ光だけが透過して光電変換部３に入射し、ここでＲ光に応じた電荷が発生して蓄積される。また、固体撮像素子１０’のＧカラーフィルタを有する画素部１００では、対象物から入射してくる光のうちのＧ光だけが透過して光電変換部３に入射し、ここでＧ光に応じた電荷が発生して蓄積される。また、固体撮像素子１０’のＢカラーフィルタを有する画素部１００では、対象物から入射してくる光のうちのＢ光だけが透過して光電変換部３に入射し、ここでＢ光に応じた電荷が発生して蓄積される。
【０１７３】
露光期間終了後、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ＷＣＧ１に書き込みパルスを供給して、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に蓄積させる。なお、書き込みパルスの供給は、露光期間の終了と同時に開始する方法と、露光期間の開始と同時に開始し、露光期間の終了と同時に終了する方法のどちらを採用しても良い。
【０１７４】
この書き込みパルスの供給により、図２０に示すように、各画素部１００で発生した電荷（Ｒ光による電荷、Ｇ光による電荷、Ｂ光による電荷）はその画素部１００のフローティングゲートＦＧ１に蓄積される。
【０１７５】
フローティングゲートＦＧ１への電荷の蓄積が終了すると、制御部４０は、再び、全ての画素部１００の光電変換部３をリセットする。
【０１７６】
２度目のリセット完了後、システム制御部２４’は、光源駆動部２１’に指示を出し、特殊光ユニットから特殊光（特殊光１，２，３）を発光させる。特殊光の発光はリセット完了と同時であることが好ましい。
【０１７７】
特殊光の発光は、例えば内視鏡装置で設定された露光期間だけ行われる。この特殊光の発光期間中、固体撮像素子１０’のＲカラーフィルタを有する画素部１００では、対象物から入射してくる光のうちの特殊光３による反射光又は励起光だけが透過して光電変換部３に入射し、ここで電荷が発生して蓄積される。また、固体撮像素子１０’のＧカラーフィルタを有する画素部１００では、対象物から入射してくる光のうちの特殊光２による反射光又は励起光だけが透過して光電変換部３に入射し、ここで電荷が発生して蓄積される。また、固体撮像素子１０’のＢカラーフィルタを有する画素部１００では、対象物から入射してくる光のうちの特殊光１による反射光又は励起光だけが透過して光電変換部３に入射し、ここで電荷が発生して蓄積される。
【０１７８】
露光期間終了後、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ＷＣＧ２に書き込みパルスを供給して、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ２に蓄積させる。なお、この電荷の蓄積は、露光期間の終了と同時に開始する方法と、露光期間の開始と同時に開始し、露光期間の終了と同時に終了する方法のどちらを採用しても良い。
【０１７９】
この書き込みパルスの供給により、図２０に示すように、各画素部１００で発生した電荷（特殊光１による電荷、特殊光２による電荷、特殊光３による電荷）はその画素部１００のフローティングゲートＦＧ２に蓄積される。
【０１８０】
固体撮像素子１０’では、書き込みコントロールゲートＷＣＧ１と書き込みコントロールゲートＷＣＧ２とがそれぞれ別の制御線（ｗｃｇ１，ｗｃｇ２）に接続されているため、上述したように、２回の露光の各々によって光電変換部３で発生した電荷を、それぞれ別のフローティングゲートに選択的に蓄積することが可能となっている。
【０１８１】
フローティングゲートＦＧ２への電荷蓄積終了後、制御部４０は、１ライン目の各画素部１００の読み出しトランジスタＲＴ１のドレイン電位をＶｒ（＜Ｖｃｃ）に設定し、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ＲＣＧ１へのランプ波形電圧の印加を開始する（ランプ波形電圧の印加開始後のカウント値は、例えば初期値（例えばゼロ）からアップカウントされる）。そして、１ライン目の読み出しトランジスタＲＴ１のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持され、このカウント値が撮像信号として出力アンプ６０から出力される。制御部４０は、２ライン目以降にも同様の駆動を行って、全てのラインのフローティングゲートＦＧ１に蓄積されていた電荷に応じた第一の撮像信号（Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号）を出力させる。
【０１８２】
次に、制御部４０は、１ライン目の各画素部１００の読み出しトランジスタＲＴ２のドレイン電位をＶｒ（＜Ｖｃｃ）に設定し、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ＲＣＧ２へのランプ波形電圧の印加を開始する（ランプ波形電圧の印加開始後のカウント値は、例えば初期値（例えばゼロ）からアップカウントされる）。そして、１ライン目の読み出しトランジスタＲＴ２のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持され、このカウント値が撮像信号として出力アンプ６０から出力される。制御部４０は、２ライン目以降にも同様の駆動を行って、全てのラインのフローティングゲートＦＧ２に蓄積されていた電荷に応じた第二の撮像信号（特殊光１信号、特殊光２信号、特殊光３信号）を出力させる。
【０１８３】
第二の撮像信号を出力させた後、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ＷＣＧ１，ＷＣＧ２及び読み出しコントロールゲートＲＣＧ１，ＲＣＧ２の電位を−Ｖｃｃに設定し、半導体基板の電位をＶｃｃに設定する。これによりフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２に蓄積されていた電荷は、半導体基板に引き抜かれて消去される。
【０１８４】
以上のような動作が１フレーム期間内に実施される。
【０１８５】
第一の撮像信号は、ベイヤー型の固体撮像素子から出力される撮像信号と同じであるため、信号処理部２３’により公知の信号処理を施すことで、通常のＲＧＢカラー画像データを生成することができる。このＲＧＢカラー画像データに基づくカラー画像により、対象物を肉眼で観察したのと同じ状況を、表示部２２’上で再現することができる。
【０１８６】
第二の撮像信号には、特殊光１に応じた信号と、特殊光２に応じた信号と、特殊光３に応じた信号とが含まれる。そこで、信号処理部２３’では、特殊光１に応じた信号のみから１つの画像データを生成し、特殊光２に応じた信号のみから１つの画像データを生成し、特殊光３に応じた信号のみから１つの画像データを生成する。これらの画像データにより、対象物の肉眼では確認しづらかった生体情報を強調した状態で再現することができる。
【０１８７】
以上のように、図１７に示す内視鏡装置によれば、露光を行うたびにその露光によって得られる電荷に応じた信号を読み出す必要がなく、複数回の露光後に信号をまとめて読み出すことができる。この結果、複数回の露光の間隔を短くすることができ、複数光源での撮像を短時間で連続して実施することができるため、ほぼ同一の被写体に対して条件を変えた画像を得ることができる。例えば、同一被写体に対し、通常の画像と共に、発赤の有無を識別可能な画像、自家蛍光の有無を識別可能な画像、深部血管の状態を確認可能な画像等を得ることができるため、内視鏡検査時の診断精度を向上させることができる。また、異なる波長、パルス幅、強度の光を用いて画像を強調して表示させることも可能なため、診断精度の飛躍的向上が実現する。
【０１８８】
また、図１７に示す内視鏡装置は、１フレームの画像データを得るための期間である１フレーム期間中に２回の撮影を実施し、２回の撮影後に、撮像信号を読み出す構成となっている。１フレーム期間中に２回の撮影を行おうとすると、２回の撮影の撮影間隔を短くする必要がある。一般的な固体撮像素子では、撮影を終了する毎に撮像信号を読み出す必要があり、撮影間隔を短くするためには撮像信号の読み出しを高速に行う必要がある。撮像信号の読み出しを高速に行うと、それだけ素子の発熱量が増大するだけでなく、露光時間を短縮せざるを得ないことに起因する感度低下の問題が深刻化する。内視鏡装置では、体内に挿入される先端部の発熱を極力抑える必要がある。この発熱量が増大すると、先端部に冷却機構等が必要となり、先端部の小型化を妨げることとなる。図１７に示す内視鏡装置によれば、撮像信号の読み出しを高速に行わずとも、撮影間隔を短くすることができる。このため、先端部での発熱を抑えることができるため、先端部の小型化を実現することができる。
【０１８９】
また、図１７に示す内視鏡装置によれば、フローティングゲートＦＧ２に電荷を蓄積する前に、光電変換部３内の電荷をリセットドレインに一旦排出する駆動を行っているため、異なる光源による露光時の電荷が混ざってしまうのを防ぐことができ、混色を防止して画質向上を図ることができる。
【０１９０】
また、図１７に示す内視鏡装置によれば、白色光による撮像信号と、特殊光１による撮像信号と、特殊光２による撮像信号と、特殊光３による撮像信号とを独立して読み出すことができる。このため、白色光と特殊光を同時に発光させて撮像信号を取得し、この撮像信号から白色光成分と特殊光成分を分離する方法と比較して、偽色の低減、信号処理量の削減等を図ることができ、高画質化、低コスト化を実現することができる。
【０１９１】
なお、以上の説明では、固体撮像素子１０’の画素部１００に設ける２つの電荷蓄積部を、それぞれ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つのＭＯＳトランジスタで構成したが、図２に示したように１つのトランジスタで構成しても良い。
【０１９２】
＜第四の実施形態＞
図２１は、本発明の第四の実施形態を説明するための内視鏡装置の概略構成を示す図である。図２１に示す内視鏡装置は、光源１’’と、固体撮像素子１０’’と、光源駆動部２１’’と、信号処理部２３’’と、システム制御部２４’’と、表示部２２’’と、操作部２５’’とを備える。
【０１９３】
光源１’’は、Ｒの波長域（一般的には約５５０ｎｍ〜約７００ｎｍ）の光を発光するＬＥＤ１ａ’’と、Ｇの波長域（一般的には約４５０ｎｍ〜約６１０ｎｍ）の光を発光するＬＥＤ１ｂ’’と、Ｂの波長域（一般的には約３８０ｎｍ〜約５２０ｎｍ）を発光するＬＥＤ１ｃ’’とを備える。これらは、一例としてＬＥＤとしているが、上述したＲ，Ｇ，Ｂの波長域の光を発光できるものであれば何でも良い。
【０１９４】
ＬＥＤ１ａ’’、１ｂ’’、１ｃ’’は、それぞれ光源駆動部２１’’によって独立に駆動される。各ＬＥＤから発せられた光は、図示しないライトガイドを介して固体撮像素子１０’’前方の撮影対象物（被写体）へと当てられる。
【０１９５】
信号処理部２３’’は、固体撮像素子１０’’から出力される撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する。生成された画像データは記録媒体に記録されたり、表示部２２’’に表示されたりする。
【０１９６】
システム制御部２４’’は、内視鏡装置全体を統括制御する。操作部２５’’は、内視鏡装置の各種操作を行うためのインターフェースである。
【０１９７】
固体撮像素子１０’’は、図１に示した固体撮像素子１０の画素部１００の構成として、図２２に示した構成を採用したものとなっている。図２２に示した構成は、図９に示した構成に、書き込みトランジスタＷＴ３及び読み出しトランジスタＲＴ３を追加した構成となっている。書き込みトランジスタＷＴ３の機能は、他の書き込みトランジスタＷＴ１，２の機能と同じである。読み出しトランジスタＲＴ３の機能は、他の読み出しトランジスタＲＴ１，２の機能と同じである。書き込みトランジスタＷＴ３のソースは光電変換部３に接続されている。読み出しトランジスタＲＴ３のドレインは列信号ＯＬに接続されている。
【０１９８】
固体撮像素子１０’’の各画素部１００の光電変換部３の上方にはカラーフィルタが設けられておらず、固体撮像素子１０’’に入射してくる全ての光が各光電変換部３に入射するようになっている。
【０１９９】
以上のように構成された内視鏡装置の動作について説明する。図２３は、図２１に示す内視鏡装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。図２４は、図２１に示す内視鏡装置の動作を説明するための模式図である。図２４では、２行×２列の計４つの画素部を模式的に図示してある。
【０２００】
操作部２５’’が操作されて対象物の撮影指示がなされると、この指示がシステム制御部２４’’に入力され、システム制御部２４’’から固体撮像素子１０’’へ撮影指示が通知される。
【０２０１】
固体撮像素子１０’’では、撮影指示を受けると、これをスタートトリガとして、制御部４０が、全ての画素部１００のリセットトランジスタＲＴのリセットゲートＲＧにリセットパルスを供給する。これにより、各画素部１００の光電変換部３に蓄積されていた不要電荷がリセットトランジスタＲＴのドレインへと排出される。
【０２０２】
リセット完了後、システム制御部２４’’は、光源駆動部２１’’に指示を出し、ＬＥＤ１ｂ’’からＧ光を発光させる。なお、図２３では、リセットパルスの供給の後、少し時間をおいてからＧ光を発光させているが、Ｇ光の発光はリセット完了と同時であることが好ましい。
【０２０３】
Ｇ光の発光は、例えば内視鏡装置で設定された露光期間だけ行われる。このＧ光の発光期間中、固体撮像素子１０’’の各画素部１００では、対象物から入射してくる光が光電変換部３に入射し、ここでＧ光に応じた電荷が発生して蓄積される。
【０２０４】
露光期間終了後、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ＷＣＧ１に書き込みパルスを供給して、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ１に蓄積させる。なお、書き込みパルスの供給は、露光期間の終了と同時に開始する方法と、露光期間の開始と同時に開始し、露光期間の終了と同時に終了する方法のどちらを採用しても良い。
【０２０５】
この書き込みパルスの供給により、図２４に示すように、各画素部１００で発生した電荷（Ｇ光による電荷、図中では“Ｇ”で示した）はその画素部１００のフローティングゲートＦＧ１に蓄積される。
【０２０６】
フローティングゲートＦＧ１への電荷の蓄積が終了すると、制御部４０は、再び、全ての画素部１００の光電変換部３の電荷をリセットする。
【０２０７】
２度目のリセット完了後、システム制御部２４’’は、光源駆動部２１’’に指示を出し、ＬＥＤ１ａ’’からＲ光を発光させる。Ｒ光の発光はリセット完了と同時であることが好ましい。
【０２０８】
Ｒ光の発光は、例えば内視鏡装置で設定された露光期間だけ行われる。このＲ光の発光期間中、固体撮像素子１０’’の各画素部１００では、対象物から入射してくる光が光電変換部３に入射し、ここでＲ光に応じた電荷が発生して蓄積される。
【０２０９】
露光期間終了後、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ＷＣＧ２に書き込みパルスを供給して、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ２に蓄積させる。
【０２１０】
この書き込みパルスの供給により、図２４に示すように、各画素部１００で発生した電荷（Ｒ光による電荷、図中では“Ｒ”で示した）はその画素部１００のフローティングゲートＦＧ２に蓄積される。
【０２１１】
フローティングゲートＦＧ２への電荷の蓄積が終了すると、制御部４０は、再び、全ての画素部１００の光電変換部３の電荷をリセットする。
【０２１２】
３度目のリセット完了後、システム制御部２４’’は、光源駆動部２１’’に指示を出し、ＬＥＤ１ｃ’’からＢ光を発光させる。Ｂ光の発光はリセット完了と同時であることが好ましい。
【０２１３】
Ｂ光の発光は、例えば内視鏡装置で設定された露光期間だけ行われる。このＢ光の発光期間中、固体撮像素子１０’’の各画素部１００では、対象物から入射してくる光が光電変換部３に入射し、ここでＢ光に応じた電荷が発生して蓄積される。
【０２１４】
露光期間終了後、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ＷＣＧ３に書き込みパルスを供給して、露光期間中に光電変換部３で発生した電荷をフローティングゲートＦＧ３に蓄積させる。
【０２１５】
この書き込みパルスの供給により、図２４に示すように、各画素部１００で発生した電荷（Ｂ光による電荷、図中では“Ｂ”で示した）はその画素部１００のフローティングゲートＦＧ３に蓄積される。
【０２１６】
固体撮像素子１０’’では、書き込みコントロールゲートＷＣＧ１と書き込みコントロールゲートＷＣＧ２と書き込みコントロールゲートＷＣＧ３とがそれぞれ別の制御線（ｗｃｇ１，ｗｃｇ２，ｗｃｇ３）に接続されているため、上述したように、３回の露光の各々によって光電変換部３で発生した電荷を、それぞれ別のフローティングゲートに選択的に蓄積することが可能となっている。
【０２１７】
フローティングゲートＦＧ３への電荷蓄積終了後、制御部４０は、１ライン目の各画素部１００の読み出しトランジスタＲＴ１のドレインをプリチャージし、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ＲＣＧ１へのランプ波形電圧の印加を開始する（ランプ波形電圧の印加開始後のカウント値は、例えば初期値（例えばゼロ）からアップカウントされる）。そして、１ライン目の読み出しトランジスタＲＴ１のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持され、このカウント値が撮像信号として出力部６０から出力される。制御部４０は、２ライン目以降にも同様の駆動を行って、全てのラインのフローティングゲートＦＧ１に蓄積されていた電荷に応じた第一の撮像信号（Ｇ信号）を出力させる。
【０２１８】
次に、制御部４０は、１ライン目の各画素部１００の読み出しトランジスタＲＴ２のドレインをプリチャージし、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ＲＣＧ２へのランプ波形電圧の印加を開始する（ランプ波形電圧の印加開始後のカウント値は、例えば初期値（例えばゼロ）からアップカウントされる）。そして、１ライン目の読み出しトランジスタＲＴ２のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持され、このカウント値が撮像信号として出力部６０から出力される。制御部４０は、２ライン目以降にも同様の駆動を行って、全てのラインのフローティングゲートＦＧ２に蓄積されていた電荷に応じた第二の撮像信号（Ｒ信号）を出力させる。
【０２１９】
次に、制御部４０は、１ライン目の各画素部１００の読み出しトランジスタＲＴ３のドレインをプリチャージし、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ＲＣＧ３へのランプ波形電圧の印加を開始する（ランプ波形電圧の印加開始後のカウント値は、例えば初期値（例えばゼロ）からアップカウントされる）。そして、１ライン目の読み出しトランジスタＲＴ３のドレイン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が各読み出し回路２０内で保持され、このカウント値が撮像信号として出力部６０から出力される。制御部４０は、２ライン目以降にも同様の駆動を行って、全てのラインのフローティングゲートＦＧ３に蓄積されていた電荷に応じた第三の撮像信号（Ｂ信号）を出力させる。
【０２２０】
第三の撮像信号を出力させた後、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ＷＣＧ１，ＷＣＧ２，ＷＣＧ３及び読み出しコントロールゲートＲＣＧ１，ＲＣＧ２，ＲＣＧ３の電位を−Ｖｃｃに設定し、半導体基板の電位をＶｃｃに設定する。これによりフローティングゲートＦＧ１，ＦＧ２，ＦＧ３に蓄積されていた電荷は、半導体基板に引き抜かれて消去される。
【０２２１】
以上のような動作が１フレーム期間内に実施される。
【０２２２】
このような動作により、固体撮像素子１０’’の各画素部１００からは、Ｇ信号と、Ｒ信号と、Ｂ信号が得られる。このため、信号補間処理等を行うことなく、これらの信号からＹＣ信号を生成するなどしてＪＰＥＧ形式のカラー画像データを生成することができる。このカラー画像データに基づくカラー画像により、対象物を肉眼で観察したのと同じ状況を、表示部２２’’上で再現することができる。
【０２２３】
以上のように、図２１に示す内視鏡装置によれば、露光を行うたびにその露光によって得られる電荷に応じた信号を読み出す必要がなく、３回の露光後に信号をまとめて読み出すことができる。この結果、３回の露光の間隔を短くすることができるため、被写体が動いた場合の色ずれを抑制することができる。したがって、内視鏡検査時の診断精度を向上させることができる。
【０２２４】
また、図２１に示す内視鏡装置は、１フレームの画像データを得るための期間である１フレーム期間中に３回の撮影を実施し、３回の撮影後に、撮像信号を読み出す構成となっている。１フレーム期間中に３回の撮影を行おうとすると、３回の撮影の間隔を短くする必要がある。図２５の上段に示したように、一般的な固体撮像素子では、撮影を終了する毎に撮像信号を読み出す必要があり、撮影間隔を短くするためには撮像信号の読み出しを高速に行う必要がある。撮像信号の読み出しを高速に行うと、それだけ素子の発熱量が増大する。内視鏡装置では、体内に挿入される先端部の発熱を極力抑える必要がある。この発熱量が増大すると、先端部に冷却機構等が必要となり、先端部の小型化を妨げることとなる。図２１に示す内視鏡装置によれば、図２５の下段に示したように、撮像信号の読み出しを高速に行わずとも、撮影間隔を短くすることができる。このため、先端部での発熱を抑えることができ、先端部の小型化を実現することができる。
【０２２５】
また、図２１に示す内視鏡装置によれば、フローティングゲートＦＧ２、ＦＧ３に電荷を蓄積する前に、光電変換部３内の電荷をリセットドレインに一旦排出する駆動を行っているため、異なる光による露光時の電荷が混ざってしまうのを防ぐことができ、混色を防止して更なる画質向上を図ることができる。
【０２２６】
なお、以上の説明では、固体撮像素子１０’’の画素部１００に設ける３つの電荷蓄積部を、それぞれ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つのＭＯＳトランジスタで構成したが、図２に示したように１つのトランジスタで構成しても良い。
【０２２７】
また、以上の説明では、光源として原色の光を発光するものを用いているが、補色（シアン、マゼンダ、イエロー）の３つの光を発光する光源を用いても、同様にカラー画像データを生成することができる。
【０２２８】
以上のように、本明細書には次の事項が開示されている。
【０２２９】
開示された固体撮像素子は、画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を各々蓄積可能な複数の電荷蓄積部とを有し、前記複数の電荷蓄積部の各々がフローティングゲートを含むトランジスタであり、前記画素部の前記複数のトランジスタの各々は、独立して駆動可能なゲート電極を有し、前記電荷を前記フローティングゲートに蓄積する。
【０２３０】
開示された固体撮像素子は、  前記光電変換部が半導体基板内に設けられており、前記半導体基板上方に設けられ、前記光電変換部の一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、前記トランジスタの前記フローティングゲート及びチャネル領域が前記遮光膜によって覆われており、前記光電変換部が、前記トランジスタのチャネル領域の下まで延在している。
【０２３１】
開示された撮像装置は前記固体撮像素子を備える。
【符号の説明】
【０２３２】
３  光電変換部
１０  固体撮像素子
２０  読み出し回路
４０  制御部
１００  画素部
ＲＴ  リセットトランジスタ
ＷＴ１，ＷＴ２  不揮発性メモリトランジスタ
ＦＧ１，ＦＧ２  フローティングゲート
【図１】
2010278655.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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