(57)【要約】【課題】固体撮像素子のセンサ部に蓄積された信号電荷の流出を抑制して、実効的なセンサ部の飽和信号電荷量を向上させることができるカメラシステム、および固体撮像素子の駆動方法を提供する。【解決手段】全画素読み出し方式を採用し、センサ部１０に蓄積された信号電荷を複数回に分けて読み出す。たとえば、第１回目の読み出しにおいて、全てのセンサ部１０に蓄積された信号電荷のうち、一部の信号電荷を垂直転送部１１に読み出す（図５（ｂ）参照）。そして、第２回目の読み出しにおいて、第１回目の読み出しでは読み出されなかった残りの信号電荷を垂直転送部１１に読み出す（図５（ｃ）参照）。分割して読み出された信号は、信号処理回路において、個々のセンサ部に対応させて加算されて、映像信号が得られる。【選択図】図５
2006086845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーバーフローバリアにより飽和信号電荷量が規定された複数のセンサ部と、
前記センサ部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、
前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を転送する転送部と、
前記転送部により転送された信号電荷量に応じた信号電圧を出力する出力部と、
を有する固体撮像素子と、
前記読み出しゲート部に与える読み出しパルスの電圧が異なるように制御して、全ての前記センサ部に蓄積された電荷を複数回に分割して読み出す駆動手段と、
各センサ部に対応する信号電圧を加算して、映像信号を得る信号処理回路と
を有するカメラシステム。
【請求項２】
１回目の読み出しパルスが与えられる前から、前記センサ部に蓄積された全ての信号電荷が前記信号処理回路に出力されるまでの間、前記固体撮像素子へ入射する光を遮る光シャッタをさらに有する
請求項１記載のカメラシステム。
【請求項３】
前記センサ部は、縦型オーバーフローバリアを有する
請求項１記載のカメラシステム。
【請求項４】
前記駆動手段は、１回目の読み出しにおいて、読み出し後の当該信号電荷のフェルミ準位と前記オーバーフローバリアとの間の電位差が、０．５Ｖ以上形成されるような電圧をもつ読み出しパルスを与える
請求項１記載のカメラシステム。
【請求項５】
オーバーフローバリアにより飽和信号電荷量が規定された複数のセンサ部と、前記センサ部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を転送する転送部と、前記転送部により転送された信号電荷量に応じた信号電圧を出力する出力部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
全ての前記読み出しゲート部に第１の読み出しパルスを与えて、前記センサ部に蓄積された一部の信号電荷を前記転送部に読み出し、前記転送部により信号電荷を転送し、前記出力部を通して信号を出力させる第１ステップと、
全ての前記読み出しゲート部に第２の読み出しパルスを与えて、前記センサ部に蓄積された全ての信号電荷を前記転送部に読み出し、前記転送部により前記信号電荷を転送し、前記出力部を通して信号を出力させる第２ステップと、
分割して出力された各センサ部に対応する信号電圧を加算して、映像信号を得る第３ステップと
を有する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
前記第１ステップにおいて、読み出し後の当該信号電荷のフェルミ準位と前記オーバーフローバリアとの間の電位差が、０．５Ｖ以上形成されるような電圧をもつ第１の読み出しパルスを与える
請求項５記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
前記第１ステップと、前記第２ステップの間に、全ての前記読み出しゲート部に読み出しパルスを与えて、前記センサ部に残った信号電荷のうち一部の信号電荷を前記転送部に読み出し、前記転送部により前記信号電荷を転送し、前記出力部を通して信号を出力させるステップをさらに有する
請求項５記載の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、カメラシステム、および固体撮像素子の駆動方法に関し、特に、静止画撮像用のカメラシステム、および固体撮像素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
縦型オーバーフロードレイン（ＯＦＢ）構造のＣＣＤ（Charge Coupled Device）をデジタルカメラに用いた場合に、センサ部に蓄積された信号電荷が、熱的にオーバーフローバリアを超えて基板に流出する現象がある。上記の現象は、一般的にメカニカルシャッタを用いたインターレース読み出し方式の静止画ＣＣＤにおいて見られる現象である。
【０００３】
すなわち、受光期間が終了し、メカニカルシャッタを閉じ、第１フィールドの読み出しが垂直転送部（垂直ＣＣＤ）を通して行われている間に、第１フィールドで読み出されなかったセンサ部の信号電荷が飽和信号付近にあった場合には、縦型オーバーフロードレインのバリア領域との電位差が小さいためにバリアを越えて信号電荷が流出してしまう。
【０００４】
そのため第２フィールド以降に読み出されるセンサ部に蓄積された信号電荷は、読み出されるまでの時間が長ければ長いほど飽和信号レベルからの信号電荷の流出が顕著になり、撮像素子のダイナミックレンジが減少する。多画素でフィールド期間の長い固体撮像素子ほどこの現象が顕著である。一般的な数メガピクセルの固体撮像素子では、２０％〜３０％の流出が起こり得る。
【０００５】
信号電荷の熱的な流出を抑えるために、受光蓄積が終わる時点で、オーバーフロードレイン電圧に相当する基板電圧を数ボルト減少させ、蓄積された電子のフェルミ準位（フェルミ電位）とオーバーフローバリアとの差を大きくして信号電荷の熱的流出を抑える方法がある。この場合には、メカニカルシャッタの閉じる動作と、基板電圧の変調を短期間に同期させて行う必要があり、高精度、高速のメカニカルシャッタが必要になる。
【０００６】
ところで、垂直転送のダイナミックレンジの向上を目的として、読み出しパルスの電圧を制御することにより、センサ部に蓄積された信号電荷を分割して読み出す固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第２５６８２３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の固体撮像素子では、ＦＩＴ（フレームインターライントランスファー）型に限定され、さらに、特殊な構造である。また、上記の特許文献１に記載の固体撮像素子は動画を撮像するためのものである。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体撮像素子のセンサ部に蓄積された信号電荷の流出を抑制して、実効的なセンサ部の飽和信号電荷量を向上させることができるダイナミックレンジの大きなカメラシステムを提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、固体撮像素子のセンサ部に蓄積された信号電荷の流出を抑制することができる固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明のカメラシステムは、オーバーフローバリアにより飽和信号電荷量が規定された複数のセンサ部と、前記センサ部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を転送する転送部と、前記転送部により転送された信号電荷量に応じた信号電圧を出力する出力部と、を有する固体撮像素子と、前記読み出しゲート部に与える読み出しパルスの電圧が異なるように制御して、全ての前記センサ部に蓄積された電荷を複数回に分割して読み出す駆動手段と、各センサ部に対応する信号電圧を加算して、映像信号を得る信号処理回路を有する。
【００１１】
上記の本発明のカメラシステムでは、駆動手段により全ての読み出しゲート部に第１の読み出しパルスが与えられて、センサ部に蓄積された一部の信号電荷が転送部に読み出される。読み出された信号電荷は、転送部により出力部へと転送される。出力部では、信号電荷量に応じた信号電圧が信号処理回路へと出力される。
２回の分割読み出しを行う場合には、駆動手段により全ての読み出しゲート部に第２の読み出しパルスが与えられて、センサ部に蓄積された残りの信号電荷が全て転送部に読み出される。読み出された信号電荷は、転送部により出力部へと転送される。出力部では、信号電荷量に応じた信号電圧が信号処理回路へと出力される。なお、３回以上の分割読み出しを採用してもよい。
信号処理回路により、分割して読み出された各センサ部に対応する信号電圧が加算されて、映像信号が得られる。
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、オーバーフローバリアにより飽和信号電荷量が規定された複数のセンサ部と、前記センサ部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を転送する転送部と、前記転送部により転送された信号電荷量に応じた信号電圧を出力する出力部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、全ての前記読み出しゲート部に第１の読み出しパルスを与えて、前記センサ部に蓄積された一部の信号電荷を前記転送部に読み出し、前記転送部により信号電荷を転送し、前記出力部を通して信号を出力させる第１ステップと、全ての前記読み出しゲート部に第２の読み出しパルスを与えて、前記センサ部に蓄積された全ての信号電荷を前記転送部に読み出し、前記転送部により前記信号電荷を転送し、前記出力部を通して信号を出力させる第２ステップと、分割して出力された各センサ部に対応する信号電圧を加算して、映像信号を得る第３ステップとを有する。
【００１３】
上記の本発明の固体撮像素子の駆動方法では、第１ステップにおいて、全ての読み出しゲート部に第１の読み出しパルスが与えられて、センサ部に蓄積された一部の信号電荷が転送部に読み出される。読み出された信号電荷は、転送部により出力部へと転送される。出力部では、信号電荷量に応じた信号電圧が信号処理回路へと出力される。
２回の分割読み出しを行う場合には、第２ステップにおいて、全ての読み出しゲート部に第２の読み出しパルスが与えられて、センサ部に蓄積された残りの信号電荷が全て転送部に読み出される。読み出された信号電荷は、転送部により出力部へと転送される。出力部では、信号電荷量に応じた信号電圧が信号処理回路へと出力される。なお、３回以上の分割読み出しを採用してもよい。
第３ステップにおいて、分割して読み出された各センサ部に対応する信号電圧が加算されて、映像信号が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のカメラシステムによれば、固体撮像素子のセンサ部に蓄積された信号電荷の流出を抑制して、実効的なセンサ部の飽和信号電荷量を向上させることができ、ダイナミックレンジを大きくすることができる。
本発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、固体撮像素子のセンサ部に蓄積された信号電荷の流出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明のカメラシステム、および固体撮像素子の駆動方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るカメラシステムの概略構成図である。
本実施形態に係るカメラシステムは、固体撮像素子（ＣＣＤ）１と、固体撮像素子１の撮像部に入射光を導く光学系、たとえば入射光を撮像面上に結像させる光学レンズ２と、露光時間を決める光シャッタ３と、固体撮像素子１および光シャッタ３を駆動する駆動回路４と、固体撮像素子１の出力信号を処理する信号処理回路５とを有する。
【００１７】
光シャッタ３は、たとえばメカニカルシャッタからなる。光シャッタ３は、そのほかにも、たとえば液晶シャッタにより構成されてもよい。駆動回路４は、後述する固体撮像素子１の駆動方法の一連の動作を実現すべく、固体撮像素子１および光シャッタ３を駆動する。信号処理回路５は、固体撮像素子１の出力信号に対してカメラ信号処理を施して映像信号として出力する。
【００１８】
図２は、固体撮像素子１と、駆動回路４と、信号処理回路５の詳細な構成の一例を示す図である。
【００１９】
固体撮像素子１は、画素毎にマトリックス状に配置されたセンサ部１０を複数有する。センサ部１０は、入射光量に応じた信号電荷を生成し、当該信号電荷を蓄積する。
【００２０】
センサ部１０の垂直列毎に、垂直転送部１１が配置されており、垂直転送部１１とセンサ部１０との間が読み出しゲート部１２となる。読み出しゲート部１２は、後述するように半導体基板に形成された読み出し領域と、読み出し領域上に絶縁膜を介して形成された電極とを有する。当該電極は、本実施形態では、転送電極を兼ねる。電極に読み出しパルスが供給されることにより、読み出し領域の電位が制御されて、信号電荷がセンサ部１０から垂直転送部１１へ読み出される。
【００２１】
垂直転送部１１は、センサ部１０から読み出された信号電荷を垂直方向Ｖに転送する。垂直転送部１１は、全画素読み出しを実現すべく、１つのセンサ部１０に対して３つ以上の転送電極１３が配置されている。本実施形態では、１つのセンサ部１０に対して３つの転送電極１３が配置されている例である。なお、図面の簡略化のため、左側の１つの垂直転送部１１にのみ転送電極１３を図示している。転送電極１３には、位相の異なる転送パルスＶ１、Ｖ２、Ｖ３が印加される。本例では、３相駆動の例であるが、４相以上の駆動方式を採用してもよい。
【００２２】
垂直転送部１１による信号電荷の転送先には、水平転送部１４が配置されている。水平転送部１４は、たとえば２相駆動方式である。水平転送部１４に、位相の異なる２相の転送パルスＨ１、Ｈ２が印加されることにより、信号電荷は水平方向Ｈに転送される。
【００２３】
水平転送部１４による信号電荷の転送先には、出力部１５が配置されている。出力部１５は、たとえばフローティングディフュージョンを有し、信号電荷量に応じた電圧を出力する。
【００２４】
駆動回路４は、たとえば、駆動制御回路４１と、読み出し用駆動回路４２と、垂直転送用駆動回路４３と、水平転送用駆動回路４４と、光シャッタ駆動回路４５とを有する。
【００２５】
駆動制御回路４１は、読み出し用駆動回路４２、垂直転送用駆動回路４３、水平転送用駆動回路４４、光シャッタ駆動回路４５の動作のタイミングを制御するための制御信号を出力する。
【００２６】
読み出し用駆動回路４２は、駆動制御回路４１からの制御信号に基づいて、全ての読み出しゲート部１２にたとえば、読み出しパルスを供給する。本実施形態では、読み出し用駆動回路４２は、２種類以上の振幅の異なる読み出しパルスＲ１，Ｒ２を発生する。そして、読み出しゲート部１２は、全てのセンサ部１０に蓄積された信号電荷を複数回に分割して読み出す。
【００２７】
垂直転送用駆動回路４３は、駆動制御回路４１からの制御信号に基づいて、たとえば、３相の転送パルスＶ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。水平転送用駆動回路４４は、駆動制御回路４１からの制御信号に基づいて、たとえば、２相の転送パルスＨ１、Ｈ２を出力する。
【００２８】
光シャッタ駆動回路４５は、駆動制御回路４１からの制御信号に基づいて、光シャッタ３の開閉動作を制御する。
【００２９】
信号処理回路５は、Ａ／Ｄ変換回路５１と、スイッチ５２と、フレームメモリ５３、５４と、加算回路５５とを有する。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換回路５１は、出力部１５から出力されたアナログ信号の信号電圧をデジタル信号に変換する。
【００３１】
スイッチ５２は、Ａ／Ｄ変換回路５１に対してフレームメモリ５３あるいはフレームメモリ５４を接続する。Ａ／Ｄ変換回路５１とフレームメモリ５３が接続されている場合には、Ａ／Ｄ変換回路５１から出力された全てのセンサ部１０の信号は、フレームメモリ５３に記憶される。あるいは、Ａ／Ｄ変換回路５１とフレームメモリ５４が接続されている場合には、Ａ／Ｄ変換回路５１から出力された全てのセンサ部の信号は、フレームメモリ５４に記憶される。
【００３２】
フレームメモリ５３，５４は、全てのセンサ部１０から読み出された信号を蓄積する。本実施形態では、２回で全てのセンサ部１０の信号を読み出すためにフレームメモリを２つ設けているが、３回以上に分割して読み出す場合には、分割回数分のフレームメモリを設ければよい。
【００３３】
加算回路５５は、２つのフレームメモリ５３、５４に記憶された信号を、各センサ部１０ごとに加算する。これにより、分割して読み出された各センサ部１０からの信号は、１つの画像信号となる。図示はしないが、加算回路５５により得られた１枚分の画像信号に対して、所定の信号処理が施されて最終的な映像信号が得られる。
【００３４】
図３は、固体撮像素子１の構成の一例を示す要部断面図である。本実施形態に係る固体撮像素子１は、縦型オーバーフロードレイン構造をもつ。
【００３５】
半導体基板２０には、ｐ型ウェル領域２１が形成されている。半導体基板２０は、ｎ型のシリコンからなる。ｐ型ウェル領域２１には、ｎ型領域２２が形成されており、ｎ型領域２２の表面にはｐ＋領域２３が形成されている。ｎ型領域２２と、ｐ＋領域２３とにより暗電流を抑制した埋め込みフォトダイオードからなるセンサ部１０が構成される。
【００３６】
センサ部１０の両隣には、ｐ型ウェル領域２４が形成されており、ｐ型ウェル領域２４内にｎ型の電荷転送領域２５が形成されている。センサ部１０と一方側（図中、右側）の電荷転送領域２５との間のｐ型領域は、センサ部１０に蓄積された信号電荷を電荷転送領域２５に読み出すための読み出し領域２６となる。センサ部１０と他方側（図中、左側）の電荷転送領域２５との間には、高濃度にｐ型不純物を含有するチャネルストッパ領域２７が形成されている。
【００３７】
半導体基板２０上には、たとえば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２８が形成されている。読み出し領域２６および電荷転送領域２５上には、ゲート絶縁膜２８を介して転送電極１３が形成されている。垂直転送部１１は、電荷転送領域２５、ゲート絶縁膜２８、転送電極１３により構成される。読み出しゲート部１２は、読み出し領域２６、ゲート絶縁膜２８、転送電極１３により構成される。
【００３８】
転送電極１３を被覆するように、酸化シリコンからなる層間絶縁膜２９を介して、遮光膜３０が形成されている。遮光膜３０には、センサ部１０の上方に開口部３１が形成されている。
【００３９】
図示はしないが、遮光膜３０上には、必要に応じて、層内レンズや、カラーフィルタや、オンチップレンズが形成される。
【００４０】
上記の固体撮像素子１では、センサ部１０において、基板表面からｐ＋領域２３と、ｎ型領域２２と、ｐ型ウェル領域２１と、ｎ型の半導体基板２０が形成されている。このため、センサ部１０において実質的に信号電荷が蓄積されるｎ型領域２２に対してｐ型ウェル領域２１がオーバーフローバリアを形成し、半導体基板２０がオーバーフロードレインとなるいわゆる縦型オーバーフロードレイン構造が構成されている。
【００４１】
図４（ａ）は、センサ部１０のｎ型領域２２に飽和信号電荷量に近い信号電荷が蓄積されている場合におけるポテンシャル図である。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、ｎ型領域２２の電位は、ｐ型ウェル領域２１の電位よりも大きい。従って、ｐ型ウェル領域２１により囲まれたｎ型領域２２の電位井戸に、信号電荷が蓄積される。
【００４３】
ここで、たとえばインターレース読み出しを採用した場合には、第２フィールド以降に読み出されるセンサ部１０のｎ型領域２２に蓄積された信号電荷は、読み出されるまでに時間を要する。このため、このセンサ部１０のｎ型領域２２に、信号電荷が飽和信号電荷量近くまで蓄積している場合には、熱的にオーバーフローバリアを越えて半導体基板２０に流出してしまう。たとえば、読み出すまでの数十ｍ秒〜数１００ｍ秒の間に、２０％〜３０％の信号電荷が当初の状態から流出することが起こる。
【００４４】
図４（ｂ）に示すように、信号電荷の半導体基板２０への流出現象は、ｐ型ウェル領域２１により形成されるオーバーフローバリアと信号電荷（ここでは信号電子）のフェルミレベルの差Ｂが約２０ｋＴ／ｑ（２０ｋＴ／ｑ＝約０．５Ｖ、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｑ：電荷量）程度になるまで続く。
【００４５】
反対に、センサ部１０の中でも蓄積された信号電荷量が飽和信号レベルにいたっておらず、かつｐ型ウェル領域２１により形成されるオーバーフローバリアと信号電荷（ここでは信号電子）のフェルミレベル差が約２０ｋＴ／ｑ（２０ｋＴ／ｑ＝約０．５Ｖ、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｑ：電荷量）以上あるセンサ部１０の信号電荷は、熱的に流出する量は実際上問題ない。
【００４６】
信号電荷の半導体基板２０への流出を防止するため、全画素読み出し方式により、全てのセンサ部１０に蓄積された信号電荷を一括して全て読み出すことも考えられる。しかし、できるだけセンサ部１０の面積を大きくする観点から、垂直転送部１１の取り扱い電荷量はそれほど多くすることができない。
【００４７】
このため、本実施形態では、光シャッタ３により固体撮像素子１を遮光して、固体撮像素子１のセンサ部１０から信号電荷を読み出す際に、上記した信号電荷の熱的流出を抑えるために、インターレース読み出しを行わずに、全画素読み出しであって、ｎ回（ｎ＝２、３、４など）の分割読み出しを行う。
【００４８】
以下、本実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法について、図５〜図８を参照して説明する。なお、本実施形態では、２回（ｎ＝２）に分割して信号電荷を読み出す例について説明する。
【００４９】
図５（ａ）は、受光直後の状態を示す。各センサ部１０に丸印で示した信号電荷が蓄積されているとする。なお、説明を容易にするため、センサ部１０に４つの丸印で示す信号電荷量が蓄積されている場合には、飽和信号電荷量に近い信号電荷が蓄積されているとする。
【００５０】
本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、第１回目の読み出しにおいて、読み出し用駆動回路４２により全ての読み出しゲート部１２（より詳細には読み出しゲート部１２を構成する転送電極１３）に第１の読み出しパルスＲ１を与えて、センサ部１０に蓄積された信号電荷の一部を垂直転送部１１に読み出す。図５（ｂ）では、２つ以上の丸印で示す信号電荷が蓄積されたセンサ部１０から、２つの丸印で示す信号電荷だけセンサ部１０に残し、残りの信号電荷を読み出した状態を図解している。
【００５１】
本実施形態では、第１回目の読み出しにおいて、センサ部１０に蓄積された信号電荷の全量を完全読み出しするのではなく、読み出し後のセンサ部１０に蓄積された信号電荷のフェルミ準位とオーバーフローバリアとの電位差が０．５Ｖ以上形成されるように、第１の読み出しパルスＲ１を制御した読み出しを行う。
【００５２】
図６は、飽和信号電荷量に近い信号電荷量が蓄積されたセンサ部１０（図５（ａ）において４つの丸印で示す信号電荷量が蓄積されたセンサ部１０に相当）からの信号電荷の読み出し前後のポテンシャル図である。図６（ａ）は、読み出し前のポテンシャル図であり、図６（ｂ）は、読み出し後のポテンシャル図である。
【００５３】
図６（ａ）に示すように、信号電荷量の多いセンサ部１０に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２を介して垂直転送部１１に読み出される。第１回目の読み出し後には、図６（ｂ）に示すように、センサ部１０のｎ型領域２２に蓄積された信号電荷のフェルミ準位と、ｐ型ウェル領域２１により形成されるオーバーフローバリアとの間の電位差Ｂ１が、０．５Ｖ以上形成される。
【００５４】
図７は、飽和信号電荷量には満たないが中程度に信号電荷量が蓄積されたセンサ部１０（図５（ａ）において３つの丸印で示す信号電荷量が蓄積されたセンサ部１０に相当）からの信号電荷の読み出し前後のポテンシャル図である。図７（ａ）は、読み出し前のポテンシャル図であり、図７（ｂ）は読み出し後のポテンシャル図である。
【００５５】
図７（ａ）に示すように、中程度の信号電荷量が蓄積されたセンサ部１０からも、読み出しゲート部１２を介して信号電荷が垂直転送部１１に読み出される。第１回目の読み出し後には、図７（ｂ）に示すように、センサ部１０のｎ型領域２２に蓄積された信号電荷のフェルミ準位と、ｐ型ウェル領域２１により形成されるオーバーフローバリアとの間の電位差Ｂ２が、０．５Ｖ以上形成される。
【００５６】
図８は、信号電荷量が少ないセンサ部１０（図５（ａ）において、１あるいは２つの丸印で示す信号電荷量が蓄積されたセンサ部１０に相当）からの信号電荷の読み出し前後のポテンシャル図である。図８（ａ）は、読み出し前のポテンシャル図であり、図８（ｂ）は、読み出し後のポテンシャル図である。図８に示すセンサ部１０には、当初からセンサ部１０のｎ型領域２２に蓄積された信号電荷のフェルミ準位と、ｐ型ウェル領域２１により形成されるオーバーフローバリアとの間の電位差Ｂ３が、０．５Ｖ以上形成されているとする。
【００５７】
このようなセンサ部１０においては、第１の読み出しパルスＲ１を与えても、既に電位差Ｂ３が０．５Ｖ以上形成されていることから、センサ部１０のｎ型領域２２に蓄積された信号電荷は読み出されない。
【００５８】
以上のようにして、第１回目の読み出し終了時には、全てのセンサ部１０において、信号電荷のフェルミ準位とオーバーフローバリアとの電位差が０．５Ｖ以上形成される。
【００５９】
第１回目の読み出しにおいて、垂直転送部１１に読み出された信号電荷は、垂直転送部１１により垂直方向Ｖに転送され、水平転送部１４により水平方向Ｈに転送される。水平転送部１４から出力部１５に転送された信号電荷は、出力部１５により信号電荷量に応じた電圧に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換回路５１により当該信号電圧はデジタル信号に変換されて、フレームメモリ５３に記憶される。
【００６０】
ｎ＝２の場合、最終の第２回目の読み出しには、完全読み出しができる十分な振幅をもつ第２の読み出しパルスＲ２を与える。これにより、図５（ｃ）に示すように、第１回目の読み出しでは読み出されなかった信号電荷の全てが垂直転送部１１に読み出される。
【００６１】
第２回目の読み出しにおいて、垂直転送部１１に読み出された信号電荷は、垂直転送部１１により垂直方向Ｖに転送され、水平転送部１４により水平方向Ｈに転送される。水平転送部１４から出力部１５に転送された信号電荷は、出力部１５により信号電荷量に応じた電圧に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換回路５１により当該信号電圧はデジタル信号に変換されて、フレームメモリ５４に記憶される。
【００６２】
フレームメモリ５３とフレームメモリ５４に記憶された信号は、個々のセンサ部１０の信号に対応させて、加算回路５５において加算される。加算されて得られた画像信号に対して、所望の信号処理が施されることにより、最終的な映像信号となる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態に係るカメラシステムおよび固体撮像素子の駆動方法では、全画素読み出し方式を採用し、センサ部１０に蓄積された信号電荷をｎ回に分けて分割読み出しを行っている。そして、第１回目の読み出しに用いる第１の読み出しパルスＲ１の振幅を制御することにより、読み出し後に残った信号電荷のフェルミ準位とオーバーフローバリアとの間の電位差を信号電荷の流出を防止し得るように確保している。
【００６４】
このため、垂直転送部１１に読み出されるまでの間に、センサ部１０に蓄積された信号電荷が熱的にオーバーフローバリアを通して流出することを防止することができる。このため、実効的な飽和信号電荷量を高く設定することができ、固体撮像素子１のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【００６５】
全てのセンサ部１０の信号電荷を複数回に分けて読み出しているため、垂直転送部１１の取り扱い電荷量は、従来の全画素読み出し方式に比べて小さくすることができる。そのため、センサ部１０の面積を大きくすることができ、固体撮像素子１の飽和信号電荷量や感度を高くすることができる。あるいは、垂直転送部１１の幅を縮小することができ、固体撮像素子１において発生するスミアや暗電流を抑制することができる。
【００６６】
本実施形態では、分割して読み出した各センサ部１０からの信号を、信号処理回路５のフレームメモリ５３，５４にそれぞれ記憶させ、各センサ部１０に対応させて加算回路５５により加算して、１つの映像信号を得るようにしている。従って、固体撮像素子１の構造は、特殊なものとならない。
【００６７】
なお、特許文献１に記載の固体撮像素子では、固体撮像素子１の構造が特殊であり、かつ、ＦＩＴ（フレームインターライントランスファ）方式に限定されること、また、基本的に動画を得るためのものである。これに対して、本実施形態では、上記したように固体撮像素子１の外部の信号処理回路５で信号の加算を行うことから、固体撮像素子１の構造は特殊なものとならず、かつ、静止画用である。このことから、特許文献１に記載の固体撮像素子と、本実施形態にカメラシステムとは異なるものである。
【００６８】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
たとえば、本実施形態では、２回に分割してセンサ部１０の信号電荷を読み出す方式について説明したが、３回以上に分割して読み出してもよい。
また、本実施形態では、デジタル信号にした後に信号を加算する例について説明したが、アナログ信号を加算するようにしてもよい。また、本実施形態では、信号処理回路５内にＡ／Ｄ変換回路５１を設ける例について説明したが、固体撮像素子１内にＡ／Ｄ変換回路を設けて、デジタル信号として分割して信号処理回路５に転送するようにしてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本実施形態に係るカメラシステムの概略構成図である。
【図２】固体撮像素子と、駆動回路と、信号処理回路の詳細な構成の一例を示す図である。
【図３】固体撮像素子の構成の一例を示す要部断面図である。
【図４】センサ部のｎ型領域に飽和信号電荷量に近い信号電荷が蓄積されている場合におけるポテンシャル図である。
【図５】（ａ）は受光直後の状態を示す図であり、（ｂ）は第１回目の読み出し後の状態を示す図であり、（ｃ）は第２回目の読み出し（最終読み出し）後の状態を示す図である。
【図６】飽和信号電荷量に近い信号電荷量が蓄積されたセンサ部からの信号電荷の読み出し前後のポテンシャル図である。
【図７】飽和信号電荷量には満たないが中程度に信号電荷量が蓄積されたセンサ部からの信号電荷の読み出し前後のポテンシャル図である。
【図８】信号電荷量が少ないセンサ部からの信号電荷の読み出し前後のポテンシャル図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…固体撮像素子、２…光学レンズ、３…光シャッタ、４…駆動回路、５…信号処理回路、１０…センサ部、１１…垂直転送部、１２…読み出しゲート部、１３…転送電極、１４…水平転送部、１５…出力部、２０…半導体基板、２１…ｐ型ウェル領域、２２…ｎ型領域、２３…ｐ＋領域、２４…ｐ型ウェル領域、２５…電荷転送領域、２６…読み出し領域、２７…チャネルストッパ領域、２８…ゲート絶縁膜、２９…層間絶縁膜、３０…遮光膜、３１…開口部、４１…駆動制御回路、４２…読み出し用駆動回路、４３…垂直転送用駆動回路、４４…水平転送用駆動回路、４５…光シャッタ駆動回路、５１…Ａ／Ｄ変換回路、５２…スイッチ、５３…フレームメモリ、５４…フレームメモリ、５５…加算回路、Ｈ…水平方向、Ｖ…垂直方向
【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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