(57)【要約】【課題】ＣＣＤ固体撮像素子の外部でスミアの補正のための減算処理を行う構成を採ると、消費電力が増大するとともに、Ｓ／Ｎが低下する。【解決手段】スミア成分を含む信号電荷に応じた電荷をフローティングディフュージョン領域２１に流し込むカレントミラー回路２２と、スミア成分である不要電荷に応じた電荷をフローティングディフュージョン領域２１から吸い込むカレントミラー回路２３とを設けるとともに、これらカレントミラー回路２２，２３の各動作を水平ＣＣＤ１４の転送動作に同期して切り替えることにより、フローティングディフュージョン領域２１において、スミア成分を含む信号電荷からスミア成分を減算する処理を行う。【選択図】図１
2005101791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換して得た信号電荷と不要電荷とを転送する電荷転送部と、
フローティングディフュージョン領域と、
前記電荷転送部によって転送されてくる信号電荷の電荷量に応じた電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流し込む第１の電流源と、
前記電荷転送部によって転送されてくる不要電荷の電荷量に応じた電荷を前記フローティングディフュージョン領域から吸い込む第２の電流源と、
前記電荷転送部の転送動作に同期して前記第１の電流源と前記第２の電流源の各動作を切り替える切替手段と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１、第２の電流源は、カレントミラー回路からなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記カレントミラー回路は、ＭＯＳトランジスタによって構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記ＭＯＳトランジスタは、サブスレッシホルド領域で動作する
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記カレントミラー回路は、バイポーラトランジスタによって構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記フローティングディフュージョン領域は、前記カレントミラー回路を構成するトランジスタと同じ導電型の不純物によって構成されかつ共通化されている
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に受光部で光電変換して得た信号電荷を電荷転送部で転送した後、当該信号電荷を電荷検出部で電気信号に変換して出力する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)固体撮像素子では、その特有の現象として、特に高輝度の被写体を撮像した際に、再生画像に縦方向（垂直方向）に縞状の明るい帯ができる所謂スミアが発生することが知られている。このスミアの発生は、受光部で光電変換して得た信号電荷を垂直転送部（垂直ＣＣＤ）を通して読み出すことに起因している。すなわち、特に受光部に強い光が入射した際に、遮光膜の不完全さによって入射光の一部が当該遮光膜を透過して垂直転送部に混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散により広がることによって垂直転送部に混入したり、多重反射によって垂直転送部にその側面から光が混入したりすることによってスミアが発生する。
【０００３】
従来、このスミアを低減するために、光電変換して得られる信号電荷（スミア成分を含む）と、スミア成分である不要電荷とを２つの水平転送部によって別々に水平転送し、かつ２つの電荷検出部にてそれぞれ電気信号に変換した後、ＣＣＤ固体撮像素子の外部に設けられた演算回路にて信号電荷に基づく出力信号から不要電荷に基づく出力信号を減算処理するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１６３２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術のように、信号電荷の他に不要電荷を読み出してＣＣＤ固体撮像素子の外部で減算処理する構成を採ると、情報量が２倍になることにより、２つの信号を外部に出力する出力部では当該２つの信号を２倍速で読み出すか、あるいは出力部を２つ設ける必要があるため、技術的な難易度が高くなったり、消費電力が増大するという問題が発生する。また、ノイズの主な発生源となる出力部を２つ設けることで、その分だけ発生するノイズも多くなるためＳ／Ｎが低下するという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、素子内部で減算処理を行うことで、消費電力の増大やＳ／Ｎの低下を伴うことなく、スミアや固定パターンノイズ等の補正を行うことが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による固体撮像素子は、光電変換して得た信号電荷と不要電荷とを転送する電荷転送部と、フローティングディフュージョン領域と、前記電荷転送部によって転送されてくる信号電荷の電荷量に応じた電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流し込む第１の電流源と、前記電荷転送部によって転送されてくる不要電荷の電荷量に応じた電荷を前記フローティングディフュージョン領域から吸い込む第２の電流源と、前記電荷転送部の転送動作に同期して前記第１の電流源と前記第２の電流源の各動作を切り替える切替手段とを備えた構成となっている。
【０００８】
上記構成の固体撮像素子において、電荷転送部によって転送されてくる信号電荷の電荷量に応じた電荷をフローティングディフュージョン領域に流し込む第１の電流源の動作と、電荷転送部によって転送されてくる不要電荷の電荷量に応じた電荷をフローティングディフュージョン領域から吸い込む第２の電流源の動作とを、切替手段によって電荷転送部の転送動作に同期して切り替えることにより、信号電荷の電荷量に応じた電荷から不要電荷の電荷量に応じた電荷を減算する処理をフローティングディフュージョン領域で、即ち固体撮像素子の内部で実現できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による固体撮像素子によれば、信号電荷の電荷量に応じた電荷から不要電荷の電荷量に応じた電荷を減算する処理を固体撮像素子の内部で実現できることで、固体撮像素子の外部で減算処理を行う場合のように、情報量が２倍になったり、出力部を２つ設けたりする必要がないため、消費電力の増大やＳ／Ｎの低下を伴うことなく、スミアや固定パターンノイズ等の補正を画素ごとに行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、例えばインターライン転送方式を採用した固体撮像素子に適用する場合を例に挙げて説明するが、これに限られるものではなく、フレームインターライン転送方式等、他の転送方式を採用した固体撮像素子にも適用可能である。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子、例えばＣＣＤ固体撮像素子を示す全体の概略構成図である。図１において、撮像部１１および水平ＣＣＤ（水平転送部）１４と共に、電荷検出部１５および出力バッファ１６が、例えばＮ型の半導体基板（図示せず）上に一体的に形成されている。
【００１２】
撮像部１１は、行列状に二次元配置され、受光した光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に光電変換する例えばフォトダイオードからなる多数の受光部（画素）１２と、これら多数の受光部１２の画素配列に対して垂直画素列ごとに配され、受光部１２から読み出される信号電荷を垂直方向（図の上下方向）に転送する垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１３とを有する構成となっている。
【００１３】
垂直ＣＣＤ１３は、少なくとも受光部１２と対応する部分に、垂直方向の画素数の２倍のパケット（１転送段）を有し、受光部１２の各々から読み出される信号電荷を１個おきのパケット（以下、「信号パケット」と記す）に格納し、この信号パケットと空のパケット（以下、「空パケット」と記す）とが交互に並んだ状態で垂直転送を行うように構成されている。ここで、垂直ＣＣＤ１３には、先述した理由によってスミアが発生するものとすると、垂直ＣＣＤ１３の信号パケット中の信号電荷はスミア成分を含むことになる。一方、空パケットにはスミア成分のみが不要電荷として存在することになる。
【００１４】
垂直ＣＣＤ１３の各々によって転送される信号電荷（ここでは、電子）は、撮像部１１から水平ＣＣＤ１４に行単位（ライン単位）で転送される。水平ＣＣＤ１４は、少なくとも受光部１２と対応する部分に、水平方向の画素数の２倍のパケットを有している。そして、この水平ＣＣＤ１４には、垂直ＣＣＤ１３から信号パケット中のスミア成分を含む信号電荷が１個おきのパケットに１行分転送されたら、１転送段分（１パケット分）だけシフトされ、次いで空パケット中のスミア成分である不要電荷が垂直ＣＣＤ１３から残りの１個おきのパケットに１行分転送されるようになっている。
【００１５】
水平ＣＣＤ１４は、撮像部１１から転送された１パケットおきの信号電荷＋スミア成分（図中、●印）とスミア成分である不要電荷（図中、○印）とを順に水平方向に転送し、転送先側の端部に設けられた電荷検出部１５に順次供給する。電荷検出部１５は、本発明の特徴とする部分であり、その具体的な構成および動作の詳細については後述する。出力バッファ１６は、電荷検出部１５で検出された信号電荷（信号電流）を信号電圧に変換して出力する。
【００１６】
図２は、電荷検出部１５およびその周辺部分についての具体的な回路例を示す回路図である。
【００１７】
図２において、本回路例に係る電荷検出部１５は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域２１と、水平ＣＣＤ１４によって転送されてくる信号電荷の電荷量に応じた信号電荷をフローティングディフュージョン領域２１および後述するＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１１のドレインに流し込む第１の電流源である例えばカレントミラー回路２２と、水平ＣＣＤ１４によって転送されてくる不要電荷の電荷量に応じた電荷をフローティングディフュージョン領域２１から吸い込む第２の電流源である例えばカレントミラー回路２３と、水平ＣＣＤ１４の転送動作に同期してカレントミラー回路２２とカレントミラー回路２３の各動作を切り替える切替スイッチ２４と、フローティングディフュージョン領域２１をリセットするリセットトランジスタ２５とを有する構成となっている。
【００１８】
カレントミラー回路２２は、ゲートとドレインが共通に接続されかつ水平ＣＣＤ１４によって転送されて来る信号電荷を一時的に蓄積する容量Ｃｐの１端子に接続されるとともに、第１の電源電圧ＶＤＤ１（例えば、１５Ｖ）の直流電源２６の正極側端子にソースが接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１と、当該ＭＯＳトランジスタＱｐ１１とゲートが共通に接続されるとともに、ソースが直流電源２６の正極側端子に、ドレインが切替スイッチ２４を介してフローティングディフュージョン領域２１にそれぞれ接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１２と、ＭＯＳトランジスタＱｐ１１とゲートが共通に接続されるとともに、ソースが直流電源２６の正極側端子に、ドレインがＭＯＳトランジスタＱｎ１１のドレインに接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１３とから構成されている。
【００１９】
このカレントミラー回路２２において、当該カレントミラー回路２２の入力端子、即ちＭＯＳトランジスタＱｐ１１のゲートには、図２に示すように寄生容量Ｃｐが付く。そこで、変換効率や周波数特性が低下しないようにするために、カレントミラー回路２２を構成するＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３がサブスレッシホルド領域で動作するように当該ＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３の動作点を設定する。具体的には、ＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３のチャネル幅Ｗを大きくする。
【００２０】
カレントミラー回路２３は、ゲートとドレインが共通に接続されかつＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１３のドレインに接続され、ソースが接地されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１１と、当該ＭＯＳトランジスタＱｎ１１とゲートが共通に接続されるとともに、ソースが接地され、ドレインが切替スイッチ２４を介してフローティングディフュージョン領域２１に接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１２とから構成されている。
【００２１】
切替スイッチ２４は、ソースがＭＯＳトランジスタＱｐ１２のドレインに、ドレインがフローティングディフュージョン領域２１にそれぞれ接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１４と、当該ＭＯＳトランジスタＱｐ１４とゲートが共通に接続されるとともに、ドレインがフローティングディフュージョン領域２１に、ソースがＭＯＳトランジスタＱｎ１２のドレインにそれぞれ接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４とから構成されている。ＭＯＳトランジスタＱｐ１４，Ｑｎ１４の各ゲートには、水平ＣＣＤ１４を駆動する逆相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２の２倍の周期の切り替えパルスφＳＷが与えられる。
【００２２】
リセットトランジスタ２５は、第１の電源電圧ＶＤＤ１よりも低い第２の電源電圧ＶＤＤ２（例えば、５Ｖ）の直流電源２７の正極側端子にドレインが、フローティングディフュージョン領域２１にソースがそれぞれ接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタによって構成されている。リセットトランジスタ２５のゲートには、水平転送クロックφＨ１，φＨ２に同期し、かつその２倍の周期のリセットゲートパルスφＲＧが印加される。
【００２３】
図３に、水平転送クロックφＨ１，φＨ２、切り替えパルスφＳＷおよびリセットゲートパルスφＲＧのタイミング関係を示す。出力バッファ１６は、第２の電源電圧ＶＤＤ２を動作電源としている。
【００２４】
図４は、図２中点線で囲んだ領域Ａの部分、即ちカレントミラー回路２２を構成するＭＯＳトランジスタＱｐ１２、カレントミラー回路２３を構成するＭＯＳトランジスタＱｎ１２および切替スイッチ２４を構成するＭＯＳトランジスタＱｐ１４，Ｑｎ１４の構造を示す断面図である。
【００２５】
図４において、例えばＮ型の半導体基板３１上に形成されたＰ型ウェル領域３２の表層部にはＮ型ウェル領域３３が形成されている。Ｎ型ウェル領域３３の表層部には、ＭＯＳトランジスタＱｐ１２のドレイン領域およびＭＯＳトランジスタＱｐ１４のソース領域となるＰ+ 型不純物領域３４、ＭＯＳトランジスタＱｐ１２のソース領域となるＰ+ 型不純物領域３５およびＭＯＳトランジスタＱｐ１４のドレイン領域となるＰ+ 型不純物領域３６とが形成されている。
【００２６】
不純物領域３４，３５は、両者間のチャネル領域の上方にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成されたゲート電極３７と共にＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１２を構成している。不純物領域３４，３６は、両者間のチャネル領域の上方にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成されたゲート電極３８と共にＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１４を構成している。不純物領域３４は、ＭＯＳトランジスタＱｐ１２のドレイン領域およびＭＯＳトランジスタＱｐ１４のソース領域として共通化されている。
【００２７】
Ｐ型ウェル領域３２の表層部には、ＭＯＳトランジスタＱｎ１２のドレイン領域およびＭＯＳトランジスタＱｎ１４のソース領域となるＮ+ 型不純物領域３９、ＭＯＳトランジスタＱｎ１２のソース領域となるＮ+ 型不純物領域４０およびＭＯＳトランジスタＱｎ１４のドレイン領域となるＮ+ 型不純物領域４１とが形成されている。不純物領域３９，４０は、両者間のチャネル領域の上方にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成されたゲート電極４２と共にＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１２を構成している。
【００２８】
不純物領域３９，４１は、両者間のチャネル領域の上方にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成されたゲート電極４３と共にＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４を構成している。Ｎ+ 型不純物領域３９は、ＭＯＳトランジスタＱｎ１２のドレイン領域およびＭＯＳトランジスタＱｎ１４のソース領域として共通化されている。また、フローティングディフュージョン領域２１は、Ｎ+ 型不純物領域４１とＰ+ 型不純物領域３６とに分割されている。
【００２９】
図５は、図２中点線で囲んだ領域Ｂの部分、即ちリセットトランジスタ２５の構造を示す断面図であり、図中、図４と同等部分には同一符号を付して示している。
【００３０】
図５において、例えばＮ型の半導体基板３１上のＰ型ウェル領域３２の表層部には、リセットトランジスタ（ＮｃｈＭＯＳトランジスタ）２５のソース領域となるＮ+ 型不純物領域４１と、リセットトランジスタ（ＮｃｈＭＯＳトランジスタ）２５のドレイン領域となるＮ+ 型不純物領域４４とが形成されている。Ｎ+ 型不純物領域４１は、ＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４のドレイン領域およびリセットトランジスタ２５のソース領域として共通化され、フローティングディフュージョン領域２１の一部を構成している。
【００３１】
Ｎ+ 型不純物領域４４は、ソース領域となるＮ+ 型不純物領域４１との間のチャネル領域の上方にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成されたゲート電極４５と共にＮｃｈＭＯＳトランジスタからなるリセットトランジスタ２５を構成している。
【００３２】
続いて、上記構成の電荷検出部１５の動作について、図３のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００３３】
切替スイッチ２４は、水平転送パルスφＨ１，φＨ２の２倍の周期の切り替えパルスφＳＷに同期してカレントミラー回路２２，２３の各動作を切り替える。具体的には、水平ＣＣＤ１４からスミア成分を含む信号電荷（図１中、●印）が出力されるタイミングで切り替えパルスφＳＷが低レベルになることにより、ＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１４がオン状態となってカレントミラー回路２２の出力側をフローティングディフュージョン領域２１に接続し、当該カレントミラー回路２２を動作状態にする。
【００３４】
また、水平ＣＣＤ１４からスミア成分である不要電荷（図１中、○印）が出力されるタイミングで切り替えパルスφＳＷが高レベルになることにより、ＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４がオン状態となってカレントミラー回路２３の出力側をフローティングディフュージョン領域２１に接続し、当該カレントミラー回路２３を動作状態にする。
【００３５】
先ず、カレントミラー回路２２が動作状態にあるとき、水平ＣＣＤ１４によって転送されてきたスミア成分を含む信号電荷（ここでは、電子）による信号電流は、カレントミラー回路２２により折り返される。この転送されてきた電子は、金属配線等を介してＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１から流れてきた正孔と再結合することによって信号電流として流れる仕組みになっている。
【００３６】
ここで、ＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２の各ソースには、水平ＣＣＤ１４によって転送されてきた電子が流れ込めるように、水平ＣＣＤ１４のポテンシャル（例えば、１０Ｖ程度）に対して充分に高い電源電圧、例えば１５Ｖ程度の電源電圧ＶＤＤ１が印加されている。カレントミラー回路２２は、スミア成分を含む信号電荷による電流を折り返すことで、水平ＣＣＤ１４によって転送されてきたスミア成分を含む信号電荷に比例した電荷をＰ+ 型の不純物領域３６およびＮ+ 型不純物領域４１で形成されたフローティングディフュージョン領域２１に流し込む。
【００３７】
次に、カレントミラー回路２３が動作状態にあるとき、水平ＣＣＤ１４によって転送されてきたスミア成分である不要電荷による電流は、カレントミラー回路２２により折り返され、さらにカレントミラー回路２３で折り返される。これにより、カレントミラー回路２３は、不要電荷による電荷に比例した電荷をフローティングディフュージョン領域２１から吸い込む。
【００３８】
その結果、フローティングディフュージョン領域２１において、スミア成分を含む信号電荷による電荷からスミア成分である不要電荷による電荷が減算される。すなわち、ＣＣＤ固体撮像素子の内部において、スミア成分を含む信号電荷からスミア成分を減算する処理が行われる。この減算処理後の信号電荷は、フローティングディフュージョン領域２１の容量をＣｆｄとすると、当該容量Ｃｆｄによって信号電圧に変換される。そして、この信号電圧を例えばソースフォロア回路からなる出力バッファ１６によってインピーダンス変換して出力する。その後、フローティングディフュージョン領域２１は、リセットトランジスタ２５によって出力バッファ１６の電源電圧ＶＤＤ２と等しい電源電圧、例えば５Ｖ程度の低い電源電圧にリセットされる。
【００３９】
フローティングディフュージョン領域２１は、先述したように、切替スイッチ２４を構成するＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４のドレイン領域およびリセットトランジスタ（ＮｃｈＭＯＳトランジスタ）２５のソース領域となるＮ+ 型不純物領域４１と切替スイッチ２４を構成するＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１４のドレイン領域となるＰ+ 型不純物領域３６に分割されている。このように、フローティングディフュージョン領域２１の一部であるＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４のドレイン領域およびリセットトランジスタ２５のソース領域を共通化することで、各領域を分離するためのチャネルストップ部を設ける必要がなくなるため、その分だけフローティングディフュージョン領域２１を微細化できる。
【００４０】
ここで、電子１個の電荷量をｑとすると、電子１個が何Ｖの信号電圧に変換されるかを表す変換効率ηは、
η≒ｑ／Ｃｆｄ
で表される。したがって、フローティングディフュージョン領域２１を微細化することにより、変換効率ηの向上を図ることができる。
【００４１】
カレントミラー回路２２の入力端子、即ちＭＯＳトランジスタＱｐ１１のゲートには、図２に示したように寄生容量Ｃｐが付くが、特にカレントミラー回路２２を構成するＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３がサブスレッシホルド領域で動作するように動作点を設定しているため、信号電流が大きく変化しても点Ｐの電位、即ちＭＯＳトランジスタＱｐ１１のゲート電位は殆ど変化しない。したがって、寄生容量Ｃｐによる信号電荷を信号電圧に変換するときの変換効率の低下や周波数特性の低下は殆ど起こらない。
【００４２】
上述したように、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子では、スミア成分を含む信号電荷による電流をフローティングディフュージョン領域２１に流し込む第１の電流源と、スミア成分である不要電荷による電流をフローティングディフュージョン領域２１から吸い込む第２の電流源とを設けるとともに、これら第１、第２の電流源の各動作を水平ＣＣＤ１４の転送動作に同期して切り替えることにより、フローティングディフュージョン領域２１において、スミア成分を含む信号電荷からスミア成分を減算する処理を画素ごとに行うことができる。
【００４３】
すなわち、スミア成分を含む信号電荷からスミア成分を減算してスミアの補正を行う処理をＣＣＤ固体撮像素子の内部で行うことができる。これにより、スミアの補正を画素ごとに行う演算処理を、ＣＣＤ固体撮像素子の外部で行う場合のように、消費電力の増大やＳ／Ｎの低下を招いたりすることなく実現できる。また、ＣＣＤ固体撮像素子の外部に演算処理を行うための回路を設けなくて済むため、その分だけ外付け部品の点数を削減できる。
【００４４】
また、水平ＣＣＤ１４の出力段とフローティングディフュージョン領域２１との間に、水平ＣＣＤ１４によって転送されてくる電荷の電荷量に応じた電荷をフローティングディフュージョン領域２１に対して流し込む／吸い込むための電流源、例えばカレントミラー回路２２，２３を介在させることで、当該カレントミラー回路２２，２３は水平ＣＣＤ１４の出力段とフローティングディフュージョン領域２１との間を電位的に分離する作用をなす。これにより、フローティングディフュージョン領域２１のリセット電圧、即ち第２の電源電圧ＶＤＤ２を、水平ＣＣＤ１４のポテンシャル（例えば、１０Ｖ程度）とは独立して設定することができる。
【００４５】
すなわち、カレントミラー回路２２を構成するＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３の各ソースには、水平ＣＣＤ１４のポテンシャルに対して充分に高い電源電圧、例えば１５Ｖ程度の電源電圧ＶＤＤ１を印加する必要があるが、カレントミラー回路２２，２３によって水平ＣＣＤ１４の出力段とフローティングディフュージョン領域２１との間が電位的に分離されているため、フローティングディフュージョン領域２１をリセットするリセット電圧、即ちリセットトランジスタ２５のドレインに印加する第２の電源電圧ＶＤＤ２を第１の電源電圧ＶＤＤ１よりも低く設定できる。このように、リセット電圧を低電圧化できることにより、変換効率や周波数特性を低下させることなく、ＣＣＤ固体撮像素子の低消費電力化を図ることができる。
【００４６】
特に、水平ＣＣＤ１４の出力段とフローティングディフュージョン領域２１との間に介在させる第１、第２の電流源としてカレントミラー回路２２，２３を用いていることにより、水平ＣＣＤ１４によって転送されてくる電荷に比例した電荷をフローティングディフュージョン領域２１に対して流し込む／吸い込むことができるため、受光部１２で光電変換して得た信号電荷の電荷量に確実に対応した電圧値の信号電圧を出力することができる。
【００４７】
また、カレントミラー回路２２の入力端子には寄生容量Ｃｐが付くが、特にカレントミラー回路２２を構成するＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３がサブスレッシホルド領域で動作するように動作点を設定することで、信号電流が大きく変化しても点Ｐの電位が殆ど変化しないため、寄生容量Ｃｐに起因する変換効率ηの低下や周波数特性の低下は殆ど起こらない。
【００４８】
さらに、カレントミラー回路２２，２３をＭＯＳトランジスタで構成することにより、バイポーラトランジスタで構成する場合に比べて、簡単な工程でＣＣＤ固体撮像素子を製造できることになる。ただし、ＭＯＳトランジスタに限られるものではなく、ＭＯＳトランジスタに代えてバイポーラトランジスタを用いて構成することも可能である。バイポーラトランジスタで構成する場合には、ＭＯＳトランジスタで構成する場合に比べて、工程は多少複雑になるものの、特性に優れたＣＣＤ固体撮像素子を得ることができる。
【００４９】
なお、上記実施形態では、ＣＣＤ固体撮像素子の内部での演算処理によってスミアの補正を行う場合を例に挙げて説明したが、本発明はスミアの補正技術への適用に限られるものではなく、例えば、固定パターンノイズを除去する技術や、撮像した画像の背景部分を除去する技術にも適用することができる。
【００５０】
先ず、固定パターンノイズを除去する技術に適用する場合について説明する。その適用例としては２つ考えられる。第１に、画素ごとの暗時固定パターンノイズの除去である。これは、先ず、通常の撮像を行い、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出し、当該垂直ＣＣＤ１３を１パケット分だけシフトする。その後、メカニカルシャッタを閉じて暗時信号の撮像を行い、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出す。以降、垂直転送および水平転送を行うことで、図１中の●印が暗時固定パターンノイズ成分を含む信号電荷となり、○印が暗時固定パターンノイズ成分である不要電荷となるため、フローティングディフュージョン領域２１でそれらの減算処理を行うことにより、暗時固定パターンノイズを除去することができる。
【００５１】
第２に、画素ごとの飽和信号量バラツキの除去である。これは、先ず、通常の撮像を行い、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出し、当該垂直ＣＣＤ１３を１パケット分だけシフトする。その後、基板電圧を通常撮像時よりも高くして飽和信号量バラツキ信号の撮像を行い、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出す。以降、垂直転送および水平転送を行うことで、図１中の●印が飽和信号量バラツキ成分を含む信号電荷となり、○印が飽和信号量バラツキ成分である不要電荷となるため、フローティングディフュージョン領域２１でそれらの減算処理を行うことにより、画素ごとの飽和信号量バラツキを除去することができる。
【００５２】
次に、撮像した画像の背景部分を除去する技術に適用する場合には、例えば、強度変調をかけた変調光源を照明光源として用い、当該変調光源のパルス変調のＯＮ／ＯＦＦの周期に同期して行う。具体的には、変調光強度のＯＮ時に撮像を行い、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出し、当該垂直ＣＣＤ１３を１パケット分だけシフトする。このときの信号電荷は、（背景光＋変調光）成分である。次に、変調光強度のＯＦＦ時に撮像を行い、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出す。このときの信号電荷は、背景光成分のみである。
【００５３】
以降、垂直転送および水平転送を行うことで、図１中の●印が（背景光＋変調光）成分である信号電荷となり、○印が背景光成分である不要電荷となるため、フローティングディフュージョン領域２１でそれらの減算処理を行うことにより、撮像した画像の背景部分を除去し、変調光成分のみに対応した差分出力を得ることができる。
【００５４】
また、上記実施形態では、画素で光電変換した信号電荷を垂直ＣＣＤで垂直方向に転送し、さらに水平ＣＣＤで水平方向に転送し、水平ＣＣＤの後段に設けられた電荷検出部で信号電圧に変換して出力する水平ＣＣＤ方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を例に挙げて説明したが、この適用例に限られるものではない。すなわち、画素で光電変換した信号電荷を垂直ＣＣＤで垂直方向に転送し、垂直ＣＣＤの各々の後段に設けられた電荷検出部で電圧変換して得られる各信号電圧を水平走査にて順次読み出す水平スキャン方式のＣＣＤ固体撮像素子において、垂直ＣＣＤの各々の後段に設けられる出力部分にも同様に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
このように、スミアの補正、固定パターンノイズの除去、撮像画像の背景除去などが可能な本発明による固体撮像素子は、ビデオカメラやスチルカメラなどのカメラ装置の撮像デバイスとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子を示す全体の概略構成図である。
【図２】電荷検出部およびその周辺部分についての具体的な回路例を示す回路図である。
【図３】水平転送クロックφＨ１，φＨ２、切り替えパルスφＳＷおよびリセットゲートパルスφＲＧのタイミング関係を示すタイミングチャートである。
【図４】図２中点線で囲んだ領域Ａの部分の構造を示す断面図である。
【図５】図２中点線で囲んだ領域Ｂの部分の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１１…撮像部、１２…受光部、１３…垂直ＣＣＤ、１４…水平ＣＣＤ、１５…電荷検出部、１６…出力バッファ、２１…フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域、２２，２３…カレントミラー回路、２４…切替スイッチ、２５…リセットトランジスタ
【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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