(57)【要約】【課題】スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立させる。【解決手段】固体撮像装置１００は、複数のフォトダイオード１１０と、第１垂直ＣＣＤ１３０と、水平ＣＣＤ１４０と、ドレイン１７０と、複数の転送制御部２００とを備え、複数の転送制御部２００のそれぞれは、水平ＣＣＤ１４０及びドレイン１７０の少なくとも１つに電荷を転送する分岐部２１１と、分岐部２１１と水平ＣＣＤ１４０との間にポテンシャルバリアを形成する垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２と、分岐部２１１とドレイン１７０との間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲート２３０とを備え、固体撮像装置１００は、さらに、電荷をドレイン１７０に掃き捨てる第１駆動モードと、電荷をドレイン１７０に掃き捨てない第２駆動モードのいずれかを固体撮像装置１００からの信号量に応じて選択し、選択した駆動モードに応じて印加する電圧を制御するタイミング発生回路１６０を備える。【選択図】図２
2012129658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置であって、
２次元状に配列された複数のフォトダイオードと、
それぞれが前記複数のフォトダイオードの列に対応して設けられ、対応する列の複数のフォトダイオードから読み出された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を水平方向に転送する水平転送部と、
前記複数の垂直転送部によって転送された電荷が掃き捨てられるドレインと、
それぞれが少なくとも１つの前記垂直転送部に対応して設けられ、対応する垂直転送部により転送された電荷を前記水平転送部及び前記ドレインのいずれかに転送する複数の転送制御部とを備え、
前記複数の転送制御部のそれぞれは、
前記対応する垂直転送部によって転送された電荷を、前記水平転送部及び前記ドレインに転送するための経路である分岐部と、
前記分岐部と前記水平転送部との間に設けられ、印加される電圧に応じて、前記分岐部と前記水平転送部との間にポテンシャルバリアを形成する垂直転送部最終ゲートと、
前記分岐部と前記ドレインとの間に設けられ、印加される電圧に応じて、前記分岐部と前記ドレインとの間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲートとを備え、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、前記垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てない第２駆動モードとを有し、前記固体撮像装置から出力される信号量に応じて前記第１駆動モード及び前記第２駆動モードのいずれかを選択し、選択した駆動モードに応じて、前記ドレインゲート及び前記垂直転送部最終ゲートに印加する電圧を制御する駆動制御部を備える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の転送制御部のそれぞれは、２つ以上の前記垂直転送部に対応して設けられており、
前記複数の転送制御部のそれぞれは、さらに、
対応する２つ以上の前記垂直転送部と前記分岐部との間に設けられ、対応する２つ以上の前記垂直転送部によって転送された電荷を前記分岐部に転送する合流部を備える
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記固体撮像装置から出力される信号量は、前記固体撮像装置に設定されるＩＳＯ感度に基づく量であり、
前記駆動制御部は、ＩＳＯ感度として第１ＩＳＯ値が設定された場合に前記第１駆動モードを選択し、ＩＳＯ感度として前記第１ＩＳＯ値より高い第２ＩＳＯ値が設定された場合に前記第２駆動モードを選択する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記固体撮像装置から出力される信号量は、前記フォトダイオードから読み出される電荷量であり、
前記駆動制御部は、前記電荷量が所定の閾値より小さい場合に前記垂直転送部に発生する暗電流を前記ドレインに掃き捨てるために、前記第１駆動モードを選択する
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記駆動制御部は、間引き読み出しを行う場合に、前記固体撮像装置から出力される信号量に基づいて、前記第１駆動モード及び前記第２駆動モードのいずれかを選択する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記駆動制御部は、前記第１駆動モードを選択した場合、前記垂直転送部の転送を行う際に、前記フォトダイオードから読み出された電荷を含む信号パケットの後ろに、前記フォトダイオードから読み出された電荷を含まない空パケットを作成し、前記空パケットに蓄積される暗電流を前記ドレインに掃き捨てる
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記駆動制御部は、静止画を撮影するスチルモード時における多フィールド読み出しにおける前記垂直転送部の転送を行う際に、前記第１駆動モードを選択した場合、前記信号パケットの後ろに前記からパケットを作成する
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記固体撮像装置は、
２次元状に配列された複数のフォトダイオードと、
それぞれが前記複数のフォトダイオードの列に対応して設けられ、対応する列の複数のフォトダイオードから読み出された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を水平方向に転送する水平転送部と、
前記複数の垂直転送部によって転送された電荷が掃き捨てられるドレインと、
それぞれが少なくとも１つの前記垂直転送部に対応して設けられ、対応する垂直転送部により転送された電荷を前記水平転送部及び前記ドレインのいずれかに転送する複数の転送制御部とを備え、
前記複数の転送制御部のそれぞれは、
前記対応する垂直転送部によって転送された電荷を、前記水平転送部及び前記ドレインに転送するための経路となる分岐部と、
前記分岐部と前記水平転送部との間に設けられ、印加される電圧に応じて、前記分岐部と前記水平転送部との間にポテンシャルバリアを形成する垂直転送部最終ゲートと、
前記分岐部と前記ドレインとの間に設けられ、印加される電圧に応じて、前記分岐部と前記ドレインとの間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲートとを備え、
前記固体撮像装置の駆動方法は、
前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、前記垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てない第２駆動モードとのいずれかを、前記固体撮像装置から出力される信号量に応じて選択し、
選択した駆動モードに応じて、前記ドレインゲート及び前記垂直転送部最終ゲートに印加する電圧を制御する
固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、垂直転送部と水平転送部との間に設けられた電荷排出用ドレインを有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像部、あるいはファックスやイメージスキャナの画像認識部を構成する。固体撮像装置が備える撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサが広く用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ型イメージセンサを用いた固体撮像装置の平面構造について、図１の模式図を参照して説明する。なお、図１は、従来の固体撮像装置１０の構成を示す模式図である。
【０００４】
フォトダイオード１１は、光電変換部の一例であり、マトリクス状に複数配列されている。複数のフォトダイオード１１の各列間に、垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１２が配列されている。このようにして、従来の固体撮像装置の撮像領域１３が形成されている。
【０００５】
各フォトダイオード１１に蓄積された電荷は、読み出しゲート部１４がＯＮすることで垂直ＣＣＤ１２へ移送され、垂直ＣＣＤ１２により、水平ＣＣＤ（水平転送部）１５へ向けて垂直方向に並列転送される。したがって、水平ＣＣＤ１５には、複数本の垂直ＣＣＤ１２から１走査線に相当する信号電荷が順次転送される。水平ＣＣＤ１５に達した電荷は、水平方向へ転送されて、電荷検出部１６により信号電圧に変換され、出力アンプ１７で増幅された後、ＣＣＤ出力として出力される。
【０００６】
垂直ＣＣＤ１２は、タイミング発生回路１８から供給される、例えば４相の転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３及びφＶ４によって転送駆動される。これにより、垂直ＣＣＤ１２に読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間に１走査線に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送される。水平ＣＣＤ１５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１及びφＨ２によって転送駆動される。これにより、１走査線分の信号電荷は、水平ブランキング期間後の水平走査期間において、順次水平方向に転送される。
【０００７】
次に、固体撮像装置が備える電荷排出制御部１９について、図１の模式図を参照して説明する。
【０００８】
従来の固体撮像装置は、複数本の垂直ＣＣＤ１２と水平ＣＣＤ１５との間のＶＨ転送段部分に電荷排出制御部１９を備えている。この電荷排出制御部１９を駆動制御するゲートコントロールパルスＧφ１及びＧφ２についても、タイミング発生回路１８から供給される。
【０００９】
なお、複数個のゲートコントロールパルスＧφ１及びＧφ２を用意することで、信号電荷を選択的に排出することが可能となり、信号電荷の列間引きや行間引きの組み合わせを増やすことができる利点がある。ゲート電極２１ａ〜２１ｄには、ゲートコントロールパルスＧφ１及びＧφ２のいずれか一方が与えられるようになっている。ＨＩＧＨレベルのゲートコントロールパルスＧφ１及びＧφ２（３値パルスの場合、ＭＩＤＤＬＥレベルに相当）をゲート電極２１ａ〜２１ｄに与えることにより、電荷掃き捨て用ドレイン２０ａ及び２０ｂに信号電荷を排出する。
【００１０】
特許文献１には、プレビューモード時の間引きのために、信号電荷、スミア電荷及び暗電流を選択的に電荷掃き捨て用ドレイン２０ａ及び２０ｂに捨てる技術が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−０１１４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来技術では、転送効率特性が劣化するという課題がある。
【００１３】
近年の固体撮像素子の高画素化（高密度化）に伴う単位画素サイズの微細化のために、スミア特性及び転送効率特性を向上させることが非常に難しくなってきている。転送効率特性については、高画素化（高密度化）に伴う単位画素サイズの微細化がさらに進み、加工精度の困難さを解消するために１画素１電極構造が必須となってきている。１画素１電極構造では、従来は１画素に対し２電極で電荷転送を行ってきていたのに対し、１画素に対し１電極で電荷転送を行う。このため、１電極に対する転送長が長くなり、垂直転送に対しては不利となる。
【００１４】
また、微細化に伴い垂直転送部の転送幅は縮小されていくが、転送容量を保つためには、転送電極のゲート絶縁膜の薄膜化や不純物濃度の高濃度化といった対策が迫られる。しかしながら、これらの対策を行った場合、特にＩＳＯ感度を高くしたカメラ設定では、取扱信号量が極端に減少し、転送劣化による信号の取り残しの影響が画質を大幅に劣化させている。
【００１５】
また、スミア特性については、プレビューモード時などの間引き読み出しによって発生する信号電荷のない空パケットが、垂直転送中に溜まったスミア成分を電荷掃き捨て用ドレインに掃き捨てることによってスミア特性を改善することができる。しかしながら、プレビューモード時の空パケットは、フォトダイオードから読み出した信号電荷が入っている信号パケットが垂直転送不良によりこぼした電荷を受け止め、水平転送部で加算することで垂直転送効率の悪化を防いでいる働きもある。このため、垂直転送不良で空パケットにこぼしてしまった電荷を電荷掃き捨て用ドレインに捨てることで、垂直転送不良が際立ってしまい、さらなる画質の悪化を招いてしまう。
【００１６】
特に、垂直転送効率が悪い固体撮像素子については、画質確認では黒縦線が目立ってしまい、プレビューモード時の空パケットのスミア成分を電荷掃き捨て用ドレインに掃き捨てることによるスミア特性の改善を行うことができない。
【００１７】
以上より、プレビューモードのスミア特性を改善するために、電荷掃き捨て用ドレインに、空パケットに溜まった電荷を掃き捨てるという駆動を行った場合は、垂直転送不良による画質の悪化がさらに顕著になる。つまり、スミア特性の改善は、垂直転送不良とトレードオフの関係となってしまう。
【００１８】
そこで、本発明は、スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立することができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、２次元状に配列された複数のフォトダイオードと、それぞれが前記複数のフォトダイオードの列に対応して設けられ、対応する列の複数のフォトダイオードから読み出された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を水平方向に転送する水平転送部と、前記複数の垂直転送部によって転送された電荷が掃き捨てられるドレインと、それぞれが少なくとも１つの前記垂直転送部に対応して設けられ、対応する垂直転送部により転送された電荷を前記水平転送部及び前記ドレインのいずれかに転送する複数の転送制御部とを備え、前記複数の転送制御部のそれぞれは、前記対応する垂直転送部によって転送された電荷を、前記水平転送部及び前記ドレインに転送するための経路である分岐部と、前記分岐部と前記水平転送部との間に設けられ、印加される電圧に応じて、前記分岐部と前記水平転送部との間にポテンシャルバリアを形成する垂直転送部最終ゲートと、前記分岐部と前記ドレインとの間に設けられ、印加される電圧に応じて、前記分岐部と前記ドレインとの間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲートとを備え、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、前記垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てない第２駆動モードとを有し、前記固体撮像装置から出力される信号量に応じて前記第１駆動モード及び前記第２駆動モードのいずれかを選択し、選択した駆動モードに応じて、前記ドレインゲート及び前記垂直転送部最終ゲートに印加する電圧を制御する駆動制御部を備える。
【００２０】
これにより、固体撮像装置から出力される信号量に応じて、電荷をドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、電荷をドレインに掃き捨てない第２駆動モードとのいずれかを選択するので、スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立することができる。例えば、信号量に応じてスミア特性が目立つ場合には、第１駆動モードを選択することで、電荷をドレインに掃き出させることができ、スミア特性を向上させることができる。また、電荷の取りこぼしが問題になる場合には、第２駆動モードを選択することで、電荷をドレインに掃き出さないようにすることができ、転送効率を高めることができる。
【００２１】
また、前記複数の転送制御部のそれぞれは、２つ以上の前記垂直転送部に対応して設けられており、前記複数の転送制御部のそれぞれは、さらに、対応する２つ以上の前記垂直転送部と前記分岐部との間に設けられ、対応する２つ以上の前記垂直転送部によって転送された電荷を前記分岐部に転送する合流部を備えてもよい。
【００２２】
これにより、複数の垂直ＣＣＤによって転送される電荷を合流部でまとめることで、ドレインゲート及びドレインを形成するスペースを確保することができる。
【００２３】
また、前記固体撮像装置から出力される信号量は、前記固体撮像装置に設定されるＩＳＯ感度に基づく量であり、前記駆動制御部は、ＩＳＯ感度として第１ＩＳＯ値が設定された場合に前記第１駆動モードを選択し、ＩＳＯ感度として前記第１ＩＳＯ値より高い第２ＩＳＯ値が設定された場合に前記第２駆動モードを選択してもよい。
【００２４】
これにより、低ＩＳＯ感度時、例えば、太陽光等の高輝度も含む被写体を撮像する時については、空パケットに溜まっているスミア電荷の他に垂直転送不良による信号が混ざっていたとしても、信号量が大きいため垂直転送不良による画質の悪化はほとんど目立たない。したがって、低ＩＳＯ感度時については、第１駆動モードを選択することで、ドレインに電荷を捨てても垂直転送不良の影響は少なく、スミア特性を向上させるとともに、転送効率を高めることができる。
【００２５】
逆に、高ＩＳＯ感度時、例えば、非常に小さな明かりの被写体を撮像する時については、もともと取り扱う信号電荷量が少ないため、垂直転送不良での電荷の取り残しによる黒縦線及び画面上下の着色等の画素不良が発生しやすい。したがって、高ＩＳＯ感度時については、第２駆動モードを選択し、電荷を掃き捨てないことで、転送効率を高めることができる。また、高ＩＳＯ感度時は、スミアが発生するような被写体ではない場合が多く、空パケットにスミア電荷は溜まらないので、ドレインに電荷を掃き捨てる必要はない。
【００２６】
また、前記固体撮像装置から出力される信号量は、前記フォトダイオードから読み出される電荷量であり、前記駆動制御部は、前記電荷量が所定の閾値より小さい場合に前記垂直転送部に発生する暗電流を前記ドレインに掃き捨てるために、前記第１駆動モードを選択してもよい。
【００２７】
これにより、暗電流成分を掃き捨てることができるので、画質を向上させることができる。
【００２８】
また、前記駆動制御部は、間引き読み出しを行う場合に、前記固体撮像装置から出力される信号量に基づいて、前記第１駆動モード及び前記第２駆動モードのいずれかを選択してもよい。
【００２９】
これにより、プレビューモードにおいては、高ＩＳＯ感度時に、垂直転送不良により空パケットにこぼした電荷をドレインに捨てることによって、黒縦線の不良がさらに際立ってしまう。このため、高ＩＳＯ感度時に、第２駆動モードを選択することで、転送効率を高め、画質の劣化を防止することができる。
【００３０】
また、前記駆動制御部は、前記第１駆動モードを選択した場合、前記垂直転送部の転送を行う際に、前記フォトダイオードから読み出された電荷を含む信号パケットの後ろに、前記フォトダイオードから読み出された電荷を含まない空パケットを作成し、前記空パケットに蓄積される暗電流を前記ドレインに掃き捨ててもよい。
【００３１】
これにより、信号パケットの後ろに、転送不良により信号パケットが取りこぼした電荷を転送するための空パケットを作成することで、転送不良の発生を抑制し、転送効率を高めることができる。
【００３２】
また、前記駆動制御部は、静止画を撮影するスチルモード時における多フィールド読み出しにおける前記垂直転送部の転送を行う際に、前記第１駆動モードを選択した場合、前記信号パケットの後ろに前記からパケットを作成してもよい。
【００３３】
これにより、スチルモードの多フィールド読み出しでは、暗電流が発生してしまうので、第２駆動モードを選択することで、暗電流をドレインに掃き捨てることができ、画質を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明の一態様に係る固体撮像装置の駆動方法は、前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、前記垂直転送部によって転送された電荷を前記ドレインに掃き捨てない第２駆動モードとのいずれかを、前記固体撮像装置から出力される信号量に応じて選択し、選択した駆動モードに応じて、前記ドレインゲート及び前記垂直転送部最終ゲートに印加する電圧を制御する。
【００３５】
これにより、固体撮像装置から出力される信号量に応じて、電荷をドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、電荷をドレインに掃き捨てない第２駆動モードとのいずれかを選択するので、スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立することができる。例えば、信号量に応じてスミア特性が目立つ場合には、第１駆動モードを選択することで、電荷をドレインに掃き出させることができ、スミア特性を向上させることができる。また、電荷の取りこぼしが問題になる場合には、第２駆動モードを選択することで、電荷をドレインに掃き出さないようにすることができ、転送効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の一態様に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の固体撮像装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の転送制御部付近の構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の転送制御部付近の構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図６Ａ】本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部の空パケットのドレイン掃き捨てにおけるｔ＝０時のポテンシャル分布の一例を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部の空パケットのドレイン掃き捨てにおけるｔ＝１時のポテンシャル分布の一例を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部の空パケットのドレイン掃き捨てにおけるｔ＝２時のポテンシャル分布の一例を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部の空パケットのドレイン掃き捨てにおけるｔ＝３時のポテンシャル分布の一例を示す図である。
【図６Ｅ】本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部の空パケットのドレイン掃き捨てにおけるｔ＝１時のドレインゲート下のポテンシャルを調整した場合のポテンシャル分布の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る第２駆動モードでの転送制御部の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施の形態１に係る駆動モードの選択処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２に係るスチルモード時の転送制御部の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るスチルモード時で転送制御部の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る駆動モードの選択処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、本発明の実施の形態における固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を参照して具体的に説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、電荷をドレインに掃き捨てる第１駆動モードと、電荷をドレインに掃き捨てない第２駆動モードとを有し、当該固体撮像装置から出力される信号量に応じて、第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択することを特徴とする。例えば、第１駆動モードでは、プレビューモードの間引き読み出し時において、垂直転送期間中に空パケットに溜まったスミア電荷及び暗電流を電荷掃き捨て用のドレインに掃き捨てることができる。また、第２駆動モードでは、主に信号量が微少な電荷を扱う場合において、垂直転送不良によって信号パケットから空パケットに電荷をこぼしたときに、空パケットと信号パケットとを加算することで垂直転送効率を改善することができる。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の構成の一例を示す模式図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の転送制御部２００近辺の一例を示す模式図である。
【００４１】
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、図２に示されるように、複数のフォトダイオード１１０と、複数の読み出しゲート部１２０と、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０と、水平ＣＣＤ１４０と、信号出力部１５０と、タイミング発生回路１６０と、複数のドレイン１７０と、複数の転送制御部２００とを備える。
【００４２】
複数のフォトダイオード１１０は、固体撮像装置１００の撮像領域に、２次元状に配列されている。複数のフォトダイオード１１０は、光電変換部の一例であり、入射した光の量に応じた信号電荷を生成する。
【００４３】
読み出しゲート部１２０は、複数のフォトダイオード１１０のそれぞれに対応して設けられている。読み出しゲート部１２０は、対応するフォトダイオード１１０によって生成された信号電荷を第１垂直ＣＣＤ１３０へ転送する。
【００４４】
複数の第１垂直ＣＣＤ１３０のそれぞれは、垂直転送部の一例であり、複数のフォトダイオード１１０の列に対応して設けられ、対応する複数のフォトダイオード１１０から読み出された電荷を垂直方向に転送する。複数の第１垂直ＣＣＤ１３０のそれぞれには、タイミング発生回路１６０から垂直転送パルスφＶ１〜φＶ１２が印加され、電荷を垂直方向に転送する。なお、第１垂直ＣＣＤ１３０の駆動方式は、２相若しくは４相駆動、又は、それ以上の駆動方式でもよい。
【００４５】
水平ＣＣＤ１４０は、水平転送部の一例であり、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷を水平方向に転送する。水平ＣＣＤ１４０には、タイミング発生回路１６０から水平転送パルスφＨ１及びφＨ２（図示せず）が印加される。なお、水平ＣＣＤ１４０の駆動方式は、２相若しくは４相駆動、又は、それ以上の駆動方式でもよい。
【００４６】
信号出力部１５０は、水平ＣＣＤ１４０によって転送された電荷を画像信号として出力する。例えば、信号出力部１５０は、水平ＣＣＤ１４０によって転送された電荷を増幅して出力する。
【００４７】
タイミング発生回路１６０は、駆動制御部の一例であり、第１駆動モードと第２駆動モードとを有し、固体撮像装置１００から出力される信号量に応じて第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択する。そして、タイミング発生回路１６０は、選択した駆動モードに応じて、第１垂直ＣＣＤ１３０、水平ＣＣＤ１４０及び転送制御部２００などに、電荷を転送するための駆動パルスを供給する。
【００４８】
なお、第１駆動モードは、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷をドレイン１７０に掃き捨てる駆動モードである。第２駆動モードは、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷をドレイン１７０に掃き捨てない駆動モードである。具体的な駆動パルスの例については、後で説明する。
【００４９】
ドレイン１７０は、電荷を掃き出すための領域である。ドレイン１７０には、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０により転送された電荷が掃き捨てられる。
【００５０】
転送制御部２００は、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０に対応して設けられ、対応する複数の第１垂直ＣＣＤ１３０により転送された電荷を、水平ＣＣＤ１４０及びドレイン１７０の少なくとも１つに転送する。転送制御部２００は、ストレージゲート（図示せず）と、ホールドゲート（図示せず）と、第２垂直ＣＣＤ２１０と、合流部２２０と、ドレインゲート２３０とを有する。
【００５１】
図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の転送制御部２００近辺の構成の一例を示す模式図である。
【００５２】
第２垂直ＣＣＤ２１０は、垂直転送部の一例であり、対応する複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷を垂直方向に転送する。第２垂直ＣＣＤ２１０は、分岐部２１１と、垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２とを備える。
【００５３】
分岐部２１１は、合流部２２０と垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２との間に設けられ、合流部２２０から転送された電荷を、水平ＣＣＤ１４０及びドレイン１７０の少なくとも１つに転送するための経路である。
【００５４】
垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２は、垂直転送部最終ゲートの一例であり、分岐部２１１と水平ＣＣＤ１４０との間に設けられ、印加される電圧（パルス）に応じて、分岐部２１１と水平ＣＣＤ１４０との間にポテンシャルバリアを形成する。
【００５５】
合流部２２０は、対応する複数の第１垂直ＣＣＤ１３０と分岐部２１１との間に設けられ、対応する複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷を分岐部２１１に転送する。ここでは、合流部２２０は、３つの第１垂直ＣＣＤ１３０のそれぞれによって転送された電荷を分岐部２１１に転送する。
【００５６】
ドレインゲート２３０は、分岐部２１１とドレイン１７０との間に設けられ、印加される電圧（パルス）に応じて、分岐部２１１とドレイン１７０との間にポテンシャルバリアを形成する。ドレインゲート２３０は、図３に示すように、電荷転送チャネル２３１と、ゲート電極２３２と、Ｐ型不純物領域２３３とを備える。
【００５７】
電荷転送チャネル２３１は、ゲート電極２３２の下方に形成されており、分岐部２１１からドレイン１７０へ電荷を排出するときの電荷の通り道である。ゲート電極２３２には、タイミング発生回路１６０から駆動パルスφＶＤＧが印加される。Ｐ型不純物領域２３３は、ゲート電極２３２下の電荷転送チャネル２３１に、Ｐ型不純物をストライプ状に注入して形成された領域である。
【００５８】
なお、例えば、ドレインゲート２３０のパルス印加を３値制御とする。つまり、各種駆動パルスを生成し、固体撮像装置１００に供給する駆動パルス生成部（図示せず）が、タイミング発生回路１６０を介して、ドレインゲート２３０に３値の駆動パルスを供給する。なお、ドレインゲート２３０を含めた全てのゲート電極の駆動パルスの制御については、タイミング発生回路１６０を通じて行われる。つまり、タイミング発生回路１６０は、駆動モードに応じて、ドレインゲート２３０及び垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２に印加する電圧（駆動パルス）を制御する。
【００５９】
また、ドレイン１７０には、レイアウトが簡単にできることと、ドレインゲート２３０からドレイン１７０に電荷を掃き出しやすくすることとを目的として、電源電圧を印加することが望ましい。しかしながら、ドレイン１７０とドレイン１７０周辺のＰ層との距離が近いと高電界となってしまい、ホットキャリアを発生させてしまう。これは、白縦線として画質不良を起こしてしまうため、電荷掃き出しが問題無い範囲であれば、電源電圧から降圧した電圧を印加してもよい。
【００６０】
なお、図２及び図３においては、微細セルを想定したレイアウトとなっており、ドレインゲート２３０及びドレイン１７０のスペースを確保するため、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０を合流部２２０で束ねた構造となっている。ここでは、１つの転送制御部２００は、３つの第１垂直ＣＣＤ１３０に対応して設けられている。
【００６１】
セルサイズが十分に大きく、ドレインゲート２３０及びドレイン１７０を設置するスペースがある場合は、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０を束ねる構造にしなくてもよい。設置するスペースとは、ドレイン１７０と周辺Ｐ層との間に発生する電界を低く抑えることができ、白縦線等の画像不具合が出ないと判断できる程度のスペースのことである。
【００６２】
つまり、転送制御部２００は、合流部２２０を備えずに、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０と１対１で対応して設けられていてもよい。この場合、分岐部２１１は、対応する第１垂直ＣＣＤ１３０と垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２との間に設けられ、対応する第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷を、水平ＣＣＤ１４０及びドレイン１７０の少なくとも１つに転送する。
【００６３】
図４は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の転送制御部２００付近の構成の一例を示す模式図である。図４は、水平ＣＣＤ１４０と第１垂直ＣＣＤ１３０との間のＶ−Ｈ繋ぎ部の詳細なゲート構成を示している。Ｖ−Ｈ繋ぎ部は、例えば、転送制御部２００のストレージゲート２４１、ホールドゲート２４２、合流部２２０、分岐部２１１及び垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２に相当する。
【００６４】
図４に示すように、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、３つの第１垂直ＣＣＤ１３０に対して１つの転送制御部２００が設けられている。３つの第１垂直ＣＣＤ１３０と合流部２２０との間には、それぞれ、ストレージゲート２４１と、ホールドゲート２４２とが設けられている。
【００６５】
３つのストレージゲート２４１にはそれぞれ、駆動パルスφＶＳＴＬ、φＶＳＴＣ及びφＶＳＴＲが印加される。３つのホールドゲート２４２にはそれぞれ、駆動パルスφＶＨＬＤＬ、φＶＨＬＤＣ及びφＶＨＬＤＲが印加される。
【００６６】
また、合流部２２０には、駆動パルスφＶＪＣが印加され、分岐部２１１には、駆動パルスφＶＢＲが印加される。垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２には、駆動パルスφＶＬが印加され、ドレインゲート２３０には、駆動パルスφＶＤＧが印加される。
【００６７】
続いて、本発明の実施の形態１に係る第１駆動モード及び第２駆動モードについて説明する。
【００６８】
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、タイミング発生回路１６０は、上述したように、第１駆動モードと第２駆動モードとを有し、固体撮像装置１００から出力される信号量に応じて第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択する。例えば、タイミング発生回路１６０は、固体撮像装置１００から出力される信号量が多い場合に、第１駆動モードを選択し、信号量が少ない場合に、第２駆動モードを選択する。
【００６９】
なお、固体撮像装置１００から出力される信号量は、例えば、固体撮像装置１００に設定されるＩＳＯ感度に基づく値である。つまり、タイミング発生回路１６０は、ＩＳＯ感度の値に応じて、第１駆動モード及び第２駆動モードを選択してもよい。この場合、固体撮像装置１００から出力される信号量は、ＩＳＯ感度が高い程、少なくなり、ＩＳＯ感度が低い程、多くなる。
【００７０】
言い換えると、ＩＳＯ感度として第１ＩＳＯ値が設定された場合の信号量は、第１ＩＳＯ値より高い第２ＩＳＯ値が設定された場合の信号量より大きい。このとき、タイミング発生回路１６０は、第１ＩＳＯ値が設定された場合に第１駆動モードを選択し、第２ＩＳＯ値が設定された場合に第２駆動モードを選択する。つまり、タイミング発生回路１６０は、低ＩＳＯ感度の場合に第１駆動モードを選択し、高ＩＳＯ感度の場合に第２駆動モードを選択する。
【００７１】
また、固体撮像装置１００から出力される信号量は、例えば、撮像領域の複数のフォトダイオード１１０から読み出される電荷量、具体的には、電荷の総量又は平均値でもよい。
【００７２】
まず、第１駆動モードについて説明する。第１駆動モードは、例えば、プレビューモード時の空パケットに溜まったスミア電荷を、ドレインゲート２３０からドレイン１７０に掃き捨てる駆動モードである。これにより、スミア特性を改善することができる。なお、プレビューモードは、画像の記録を行わず、固体撮像装置１００を備えるカメラが備える表示部（例えば、液晶ディスプレイ）に、画像の表示を行うモードである。
【００７３】
図５は、本発明の実施の形態１に係る第１駆動モードでの転送制御部２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【００７４】
水平転送期間では、φＶＤＧをＭｉｄｄｌｅレベルにすることで、ドレインゲート２３０にＭｉｄｄｌｅレベル電圧を印加する。また、このとき、φＶＬをＬｏｗレベルにすることで、垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２にＬｏｗレベル電圧を印加する。これにより、垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２によって水平ＣＣＤ１４０側には、ドレイン１７０側より高いポテンシャルバリアが形成される。
【００７５】
これにより、水平転送期間に極めて大量の光に相当する電荷が生成された場合でも、オーバーフローしてドレイン１７０に掃き捨てられる。したがって、画質の劣化を招く余分な電荷が水平ＣＣＤ１４０に流入するのを防止することができる。
【００７６】
そして、タイミング発生回路１６０は、ドレインゲート２３０に印加する電圧を制御することで、空パケット３０１のスミア信号などの不要電荷をドレイン１７０に掃き捨てる。具体的な例については、図６Ａ〜図６Ｅを用いて後で説明する。
【００７７】
不要電荷の掃き捨てが終わった後、信号パケット３００の電荷が、水平ＣＣＤ１４０に転送される。このとき、φＶＢＲをＬｏｗレベルにして分岐部２１１にＬｏｗレベル電圧を印加する前に、φＶＤＧをＬｏｗレベルにしてドレインゲート２３０にＬｏｗレベル電圧を印加する。これにより、ポテンシャルディップの発生を防止し、水平ＣＣＤ１４０に電荷を転送することができる。
【００７８】
図６Ａ〜図６Ｅは、第１駆動モードにおけるドレイン１７０へ不要電荷を掃き捨てるときのポテンシャル分布の一例を示す図である。具体的には、図６Ａ〜図６Ｅは、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧が印加されているとき、つまり、転送制御部２００の空パケット３０１のスミア信号等の不要電荷をドレイン１７０に掃き捨てるときの転送制御部２００におけるポテンシャル分布を示す。
【００７９】
図６Ａは、垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２にＬｏｗレベル電圧を印加している状態であって、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加する前の状態で空パケットのスミア信号等の不要電界が溜まっている状態のポテンシャル図である（図５のｔ＝０時）。
【００８０】
このとき、垂直ＣＣＤ最終ゲート２１２は、ポテンシャルバリアを形成し、水平ＣＣＤ１４０方向へ電荷を転送しない。また、ドレインゲート２３０にはＭｉｄｄｌｅレベル電圧が印加され、ポテンシャルバリアが形成されているため、電荷はドレイン１７０にも掃きだされない。したがって、図６Ａに示すように、分岐部２１１、合流部２２０及びホールドゲート２４２に電荷が溜まっている。
【００８１】
図６Ｂは、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、ドレイン１７０に電荷を掃き出し始める状態のポテンシャル図である（図５のｔ＝１時）。ドレインゲート２３０にはＨｉｇｈレベル電圧を印加するため、Ｍｉｄｄｌｅレベル電圧を印加してドレイン１７０へ転送するドレインゲート２３０の２値制御時よりも高電界を得ることができる。このため、図６Ｂに示すように、ドレインゲート２３０にはポテンシャルバリアが形成されずに、ドレイン１７０へ不要電荷を掃き出しやすくすることができ、また、不要電荷の掃き出しが列毎にバラツキを起こす課題をなくすことができる。
【００８２】
図６Ｃは、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、ドレイン１７０に電荷を掃き出している状態のポテンシャル図である（図５のｔ＝２時）。ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加したときに、蓄積転送ゲート（分岐部２１１）後方のゲート（合流部２２０）に印加する電圧を、Ｍｉｄｄｌｅレベル電圧からＬｏｗレベル電圧に変化させる。これにより、ウェル固定によりドレイン掃き出し方向への電界を確保することができる。
【００８３】
図６Ｄは、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、ドレイン１７０に電荷を掃き出している状態のポテンシャル図である（図５のｔ＝３時）。ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加してドレイン１７０に不要電荷を排出するときに、分岐部２１１にＬｏｗレベル電圧を印加することで、分岐部２１１、ドレインゲート２３０及びドレイン１７０間の転送電界が高くなるので、さらにドレイン１７０への電荷排出が行われやすくなる。
【００８４】
なお、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、ドレイン１７０に不要電荷を掃き出している時（図５のｔ＝１時）において、図６Ｅに示すように、ドレインゲート２３０とドレイン１７０とが同電位になるようにしてもよい。つまり、ドレインゲート２３０下の電荷転送チャネル２３１へのＰ型不純物の注入条件及び注入領域が調整されてもよい。
【００８５】
以上のように、第１駆動モードでは、スミア信号などの不要電荷がドレイン１７０に掃き出される。
【００８６】
なお、プレビューモード時では、フレームレートを向上させるために間引き読み出しを行っている。図６Ａ〜図６Ｅの例では、「信号パケット３００」、「空パケット３０１」の繰り返しで、「空パケット３０１」に溜まったスミア電荷をドレイン１７０に掃き捨てる例である。上述の駆動を行うことにより、スミア特性は−６ｄＢ改善する。
【００８７】
なお、さらにフレームレートを向上させるために間引き率を上げた駆動モードでは、「信号パケット」、「第１空パケット」、「第２空パケット」の繰り返しの駆動モードの場合には、２つの空パケットに溜まったスミア電荷をドレイン１７０に掃き捨てることにより、スミア特性は−１２ｄＢ改善する。
【００８８】
第１駆動モードでは、プレビューモードでのスミア特性を改善させることが主たる目的となる。このため、低ＩＳＯ感度時、例えば、太陽光等の明るい被写体を撮像する時に適した駆動である。つまり、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、ＩＳＯ感度が設定可能であり、設定されたＩＳＯ感度が低い場合に、第１駆動モードの駆動を行う。例えば、タイミング発生回路１６０は、ＩＳＯ感度が予め定められた閾値より低い場合に、第１駆動モードに基づいて駆動パルスを供給する。
【００８９】
次に、第２駆動モードについて説明する。第２駆動モードは、空パケットに溜まった電荷を、ドレインゲート２３０を介してドレイン１７０に掃き捨てない駆動モードである。具体的には、第２駆動モードは、水平ＣＣＤ１４０、又は、水平ＣＣＤ１４０と第１垂直ＣＣＤ１３０との間のＶ−Ｈ繋ぎ部にて、空パケットに溜まった電荷と信号電荷とを加算する駆動モードである。
【００９０】
第２駆動モードは、「信号パケット３００」「空パケット３０１」の繰り返しを行うという点は、第１駆動モードと同じである。第２駆動モードでは、垂直転送不良が発生し、「信号パケット３００」から「空パケット３０１」に電荷をこぼした場合に、水平ＣＣＤ１４０又はＶ−Ｈ繋ぎ部で、空パケットと信号パケットと加算することで、垂直転送不良での画質悪化を起こりにくくしている。
【００９１】
特に、高ＩＳＯ感度時、例えば、非常に小さな明かりの被写体を撮像する時については、もともと取り扱う信号電荷量が少ない。このため、垂直転送不良での電荷の取り残しによる黒縦線、及び、画面上下の着色等の画素不良が発生しやすいため、特に有効な手段となり得る。つまり、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、ＩＳＯ感度が設定可能であり、設定されたＩＳＯ感度が高い場合に、第２駆動モードの駆動を行う。例えば、タイミング発生回路１６０は、ＩＳＯ感度が予め定められた閾値より高い場合に、第２駆動モードに基づいて駆動パルスを供給する。
【００９２】
図７は、本発明の実施の形態１に係る第２駆動モードでの転送制御部２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。第１垂直ＣＣＤ１３０の画素部はＶ１〜Ｖ１２の繰り返しゲートとなっているが、便宜上Ｖ７以降で説明を行っている。
【００９３】
第２駆動モードと第１駆動モードとの違いは上述の通りで、第２駆動モードでは、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加せず、ドレインゲート２３０からドレイン１７０への掃き捨て動作がない。つまり、第２駆動モードでは、図７に示すように、ドレインゲート２３０に印加される駆動パルスφＶＤＧは、常にＭｉｄｄｌｅレベル又はＬｏｗレベルとなっている。これにより、ドレインゲート２３０には、ポテンシャルバリアが形成されるので、分岐部２１１からドレイン１７０へ電荷は掃き捨てられない。
【００９４】
また、第２駆動モードでは、「空パケット３０１」の電荷をストレージゲート２４１で「信号パケット３００」と加算して水平ＣＣＤ１４０に転送している。図７に示すように、「信号パケット３００」と「空パケット３０１」とが順に転送され、ストレージゲート２４１にて加算される。
【００９５】
図８は、本発明の実施の形態１に係る駆動モードの選択処理の一例を示すフローチャートである。
【００９６】
まず、固体撮像装置１００から出力される信号量が多いか少ないかが判定される（Ｓ１１０）。なお、この判定は、タイミング発生回路１６０が判定してもよく、あるいは、固体撮像装置１００の制御部（図示せず）が判定してもよい。例えば、制御部は、固体撮像装置１００に設定されたＩＳＯ感度を判定する。制御部は、ＩＳＯ感度が低い場合に、信号量が多いと判定し、ＩＳＯ感度が高い場合に、信号量が少ないと判定する。
【００９７】
信号量が多い場合（Ｓ１１０で“多い”）、タイミング発生回路１６０は、電荷をドレイン１７０に掃き捨てる第１駆動モードを選択する（Ｓ１２０）。信号量が少ない場合（Ｓ１１０で“少ない”）、タイミング発生回路１６０は、電荷をドレイン１７０に掃き捨てない第２駆動モードを選択する（Ｓ１３０）。
【００９８】
そして、タイミング発生回路１６０は、選択した駆動モードに従って、各電極に駆動パルスを供給する（Ｓ１４０）。具体的には、タイミング発生回路１６０は、第１駆動モードが選択した場合は、図５に示すタイミングチャートに従って、駆動パルスを供給する。また、タイミング発生回路１６０は、第２駆動モードを選択した場合は、図７に示すタイミングチャートに従って、駆動パルスを供給する。
【００９９】
以上のように、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷をドレイン１７０に掃き捨てる第１駆動モードと、複数の第１垂直ＣＣＤ１３０によって転送された電荷をドレイン１７０に掃き捨てない第２駆動モードとを有する。そして、固体撮像装置１００は、信号量に応じて第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択し、選択した駆動モードに応じて電荷の転送を制御する。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、例えば、低ＩＳＯ感度で信号量が多い場合には、第１駆動モードを選択し、高ＩＳＯ感度で信号量が少ない場合には、第２駆動モードを選択する。
【０１００】
このように、低ＩＳＯ感度時、例えば、太陽光などの高輝度も含む被写体を撮像する時については、電荷掃き捨て用のドレインに電荷を捨てたとしても、垂直転送不良の影響は少ないため、第１駆動モードを使用する。低ＩＳＯ感度の場合、空パケットに溜まっているスミア電荷の他に、垂直転送不良による信号が混ざっていたとしても、信号量が大きいため垂直転送不良による画質の悪化はほとんど目立たないため、問題なく使用することができる。
【０１０１】
逆に、高ＩＳＯ感度時、例えば、非常に小さな明かりの被写体を撮像する時については、もともと取り扱う信号電荷量が少ないため、垂直転送不良での電荷の取り残しによる黒縦線、及び、画面上下の着色等の画素不良が発生しやすい。また、プレビューモードにおいては、第１駆動モードの垂直転送不良で空パケットにこぼした電荷を、電荷掃き捨て用のドレインに捨てることによって黒縦線の不良がさらに際立ってしまう。
【０１０２】
したがって、仮に高ＩＳＯ感度時に第１駆動モードを使用した場合は、垂直転送不良が際立ってしまうため、高ＩＳＯ感度時には第２駆動モードを使用する。なお、高ＩＳＯ感度時には、そもそもスミアが発生する強い被写体を撮影する訳ではないので、空パケットにスミア電荷は溜まらず、電荷掃き捨て用のドレインに電荷を捨てる必要はない。
【０１０３】
以上のことから、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００及びその駆動方法によれば、スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立することができる。特に、画素間引きなどを行うプレビューモード時におけるスミア特性の向上と転送効率の向上とを両立することができる。具体的には、微少電荷取扱時の転送効率悪化を防ぐことにより高ＩＳＯ感度での画質を向上させることができるのに加え、例えば、太陽光等の明るい被写体を撮像するときのスミア特性が良化することにより低ＩＳＯ感度時の画質も向上させることができる。
【０１０４】
なお、上記の実施の形態では、主に低ＩＳＯ感度時に使用する第１駆動モードと、主に高ＩＳＯ感度時に使用する第２駆動モードとについて説明したが、もともと垂直転送効率が問題なく、信号パケットから空パケットに信号を全く漏らさない理想的な固体撮像装置であれば、信号量に関係なく第１駆動モードのみを使用すればよい。
【０１０５】
しかしながら、今日ではセル微細化が急速に進んでおり、フォトダイオード１１０の開口率を高めるためには、第１垂直ＣＣＤ１３０のチャネル幅を狭める必要があり、高い垂直転送効率を維持することは厳しくなっている。高ＩＳＯ感度時の非常に小さな明かりの被写体を撮像する時には、もともと取り扱う信号電荷量が少ないため、垂直転送不良での電荷の取り残しによる黒縦線、及び、画面上下の着色等の画素不良が発生しやすい。また、プレビューモードにおいて第１駆動モードの垂直転送不良で空パケットにこぼした電荷を電荷掃き捨て用のドレインに捨てることによって黒縦線の不良がさらに際立ってしまう。
【０１０６】
そこで、第１駆動モードを使い続ける場合において、信号出力が小さい時、特に垂直転送不良を起こすような微小な信号の時には、第２駆動モードに切り替えて使用する。第１駆動モードと第２駆動モードとの切り替えにおいては、例えば、カメラゲインに基づいて切り替えてもよい。具体的には、固体撮像装置の出力に応じてカメラセットでゲインを上げるが、カメラゲインに閾値を設け、ある閾値のゲイン値を超えたら第２駆動モードに切り替え、閾値内に戻ったら第１駆動モードに戻す。この制御は、タイミング発生回路１６０によって行われる。また、閾値は、カメラセット個別の設定となる。
【０１０７】
上記の対応を行うことにより、太陽光等の多大な光が照射したときに発生するスミアを抑えることができ、かつ、カメラセットのゲインを上げて使用する微小な信号な時でも垂直転送効率を悪化させることがない固体撮像装置を提供することができる。これにより、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置によれば、微細高画素化に応じた良好な画像を得ることができる。
【０１０８】
（実施の形態１の変形例）
なお、実施の形態１では、図５のタイミングチャートに示すように、プレビューモード時の低ＩＳＯ感度時に「空パケット３０１」に溜まったスミア電荷をドレインゲート２３０からドレイン１７０に掃き捨てる例について説明している。しかしながら、空パケットに溜まる電荷はスミア電荷だけではなく、暗電流成分も当然ながら存在している。
【０１０９】
例えば、固体撮像装置１００に全く光が当たらない遮光状態の時には「空パケット３０１」にはスミア電荷は存在せず、暗電流成分のみが存在することになる。暗電流が存在し信号量が多くなってくると、暗電流成分は画面全体に白縦線となって現れ、画質不良となる。したがって、歩留まりを低下させてしまい、製造コストが高くなってしまう。
【０１１０】
そこで、信号が全く無い遮光状態時には、第１駆動モードに切り替えて使用することで「空パケット３０１」に溜まった暗電流成分をドレインゲート２３０からドレイン１７０に掃き捨てることで、暗電流を半減することができる。
【０１１１】
また、微小な信号がある場合は第２駆動モードを使用するが、遮光状態で垂直ＣＣＤに暗電流成分しか存在しない場合には、垂直転送不良による劣化はない。このため、ドレイン１７０への掃きだしを行っても問題はない。
【０１１２】
このように、本発明の実施の形態１の変形例では、タイミング発生回路１６０は、固体撮像装置１００から出力される信号量が所定の閾値より少ない場合には、垂直ＣＣＤに発生する暗電流をドレイン１７０に掃き捨てるために、第１駆動モードを選択する。具体的には、タイミング発生回路１６０は、信号量が略０である場合に、第１駆動モードを選択する。言い換えると、信号量が略０であるとは、複数のフォトダイオード１１０が遮光状態であることを意味する。つまり、固体撮像装置１００から出力される信号量は、複数のフォトダイオード１１０が遮光状態であるか否かに基づく値でもよく、具体的には、固体撮像装置１００から出力される信号量は、遮光状態である場合に、略０となり、この場合、第１駆動モードが選択される。
【０１１３】
したがって、本発明の実施の形態１の変形例によれば、暗電流成分も電荷掃き捨て用のドレインに掃き捨てることができるので、画質を向上させることができる。
【０１１４】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、遮光状態ではなく固体撮像装置から出力される信号量が多い場合は、電荷をドレインに掃き捨てない第２駆動モードを選択し、遮光状態であって信号量が少ない場合は、電荷をドレインに掃き捨てる第１駆動モードを選択する。例えば、スチルモードにおいて遮光状態である場合に第１駆動モードを選択することで、垂直ＣＣＤに発生する暗電流成分をドレインに掃き捨てることができる。
【０１１５】
なお、実施の形態２に係る固体撮像装置の構成は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同じであるので、説明を省略する。
【０１１６】
図９は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の比較例に係るスチルモード時の水平ブランキング時のタイミングチャートである。具体的には、図９は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の第２駆動モード、つまり、垂直ＣＣＤによって転送された電荷をドレインに掃き捨てない駆動モードを示している。
【０１１７】
スチルモードは、静止画を撮影するための撮影モードである。スチルモードでは、通常はフレーム駆動となり多フィールド読み出しで分割して読み出し、１枚の画を完成させる。図９においては１２フィールド読み出しの例で、Ｖ７ゲート以降を図示している。また、水平ＣＣＤ１４０の電荷転送においても３分割に分けて転送する例であり、図９では、最初の１フィールド目を図示している。
【０１１８】
スチルモードでは全画素を読み出し、プレビューモード時のような間引き読み出し又は画素加算がないことから、フレームレートがプレビューモードと比較して遅い。このため、第１垂直ＣＣＤ１３０を転送する期間が長い分、プレビューモード時よりも暗電流が悪化してしまう。
【０１１９】
特に今日の微細セルにおいては、世代毎に第１垂直ＣＣＤ１３０の線幅が細くなっており、第１垂直ＣＣＤ１３０のチャネルを形成するためにＮ型不純物を濃く注入する必要がある。このことから、セルを微細化するにつれ、暗電流が悪化する傾向にある。
【０１２０】
スチルモードのスミアについては、メカニカルシャッターを使用しているため、フォトダイオード１１０の第１垂直ＣＣＤ１３０への電荷読み出し前に、露光期間中に溜まったスミア電荷を、第１垂直ＣＣＤ１３０の高速掃き出しでドレイン１７０に掃き捨てる駆動が一般的である。このため、スミアが目立つということはない。
【０１２１】
このとき、暗電流については高速掃き捨て動作時に一旦はスミア電荷と一緒に掃き捨てられる。しかしながら、信号電荷を多フィールドで読み出し、第１垂直ＣＣＤ１３０を介して転送する間に暗電流が湧き出すため、暗電流の発生を抑えることができない。
【０１２２】
図１０は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置のスチルモード時の水平ブランキング時のタイミングチャートの一例である。具体的には、図１０は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の第１駆動モード、つまり、垂直ＣＣＤによって転送された電荷をドレインに掃き捨てる駆動モードを示している。図９に示すタイミングチャートと比較すると、「空パケット３０１」を追加し、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加している点が異なっている。
【０１２３】
図１０においては、１２フィールド読み出しの例で、Ｖ７ゲート以降を図示している。また、水平ＣＣＤ１４０の電荷転送においても３分割に分けて転送する例であり、図１０では、最初の１フィールド目を図示している。
【０１２４】
スチルモードにおいては、プレビューモードのようなフレームレートを上げるための間引き読み出しを行わず、図９のタイミングチャートのように、プレビューモードの「空パケット３０１」が存在しないことが一般的ではある。
【０１２５】
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置では、スチルモード時において図９のような「信号パケット３００」のみの駆動ではなく、図１０のように「信号パケット３００」の後ろに「空パケット３０１」を作り出している。加えて、ドレインゲート２３０にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、「空パケット３０１」に溜まっている暗電流成分をドレイン１７０に掃き捨てることで、暗電流成分を半減させることができる。
【０１２６】
図１０の「空パケット３０１」に溜まった暗電流成分をドレインゲート２３０からドレイン１７０に掃き捨てる動作については、上記の実施の形態１で説明している。本発明の実施の形態２についても、高輝度被写体を撮像した時において、第１垂直ＣＣＤ１３０が転送期間中に「空パケット３０１」にたまったスミア電荷をドレインゲート２３０からドレイン１７０に掃き捨てる一連の動作と同じとなっている。
【０１２７】
「空パケット３０１」を作成することにより、各ゲート電圧をＭＩＤＤＬＥ状態にすることで作成する「信号パケット３００」の電極数が相対的に減る。このため、飽和容量が減少する。そこで、信号出力が高いときは、図９の通常のタイミングチャートに従って駆動する。そして、固体撮像装置に全く光が当たらない遮光状態の時には、タイミング発生回路１６０は、図１０に示すような、ドレインに暗電流を掃き捨てるタイミングチャートに切り替えて駆動させる。
【０１２８】
図１１は、本発明の実施の形態２に係る駆動モードの選択処理の一例を示すフローチャートである。
【０１２９】
まず、複数のフォトダイオード１１０が遮光状態であるか否かが判定される（Ｓ２１０）。なお、この判定は、タイミング発生回路１６０が判定してもよく、あるいは、固体撮像装置１００の制御部（図示せず）が判定してもよい。例えば、制御部は、固体撮像装置のメカニカルシャッターが閉じているか否かを判定する。制御部は、メカニカルシャッターが閉じている場合に、遮光状態であると判定し、メカニカルシャッターが開いている場合に、遮光状態ではないと判定する。
【０１３０】
遮光状態である場合（Ｓ２１０でＹｅｓ）、タイミング発生回路１６０は、電荷をドレイン１７０に掃き捨てる第１駆動モードを選択する（Ｓ２２０）。遮光状態でない場合（Ｓ２１０でＮｏ）、タイミング発生回路１６０は、電荷をドレイン１７０に掃き捨てない第２駆動モードを選択する（Ｓ２３０）。
【０１３１】
そして、タイミング発生回路１６０は、選択した駆動モードに従って、各電極に駆動パルスを供給する（Ｓ２４０）。具体的には、タイミング発生回路１６０は、第１駆動モードが選択した場合は、図１０に示すタイミングチャートに従って、駆動パルスを供給する。また、タイミング発生回路１６０は、第２駆動モードを選択した場合は、図９に示すタイミングチャートに従って、駆動パルスを供給する。
【０１３２】
以上のように、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、遮光状態ではなく固体撮像装置から出力される信号量が多い場合は、図９に示すような第２駆動モードを選択し、遮光状態であって信号量が少ない場合は、図１０に示すような第１駆動モードを選択する。具体的には、スチルモードにおいて遮光状態である場合に、垂直ＣＣＤに発生する暗電流成分をドレインに掃き捨てるように、第１駆動モードを選択する。これにより、暗電流成分を低減することができるので、画質を向上させることができる。
【０１３３】
なお、スチルモードにおいて垂直転送効率が良くない固体撮像素子がある場合には、「空パケット３０１」には「信号パケット３００」からの転送できなかった電荷がこぼれてしまう。このため、選択的にドレインゲート２３０に電荷を掃き出さずに、水平ＣＣＤ１４０又はＶ−Ｈ繋ぎ部において「空パケット３０１」と「信号パケット３００」とを加算して垂直転送不良を改善する駆動を選択してもよい。
【０１３４】
以上、本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【０１３５】
例えば、図２に示すように、ドレイン１７０は、複数の転送制御部２００のそれぞれに対応するように設けているが、いくつかの転送制御部２００に共通のドレインを設けてもよい。
【０１３６】
また、上記の実施の形態では、固体撮像装置から出力される信号量に基づいて第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択しているが、固体撮像装置から出力される信号量は、固体撮像装置に設定されるモードに依存する値である。例えば、実施の形態１のように、高いＩＳＯ感度が設定された場合には、信号量は少なくなり、低いＩＳＯ感度が設定された場合には、信号量が多くなる。また、実施の形態２のように、フォトダイオードが遮光状態になるように設定された場合は、信号量は少なくなる。
【０１３７】
つまり、本発明の実施の形態では、固体撮像装置に設定されるモードに応じて、第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択している。例えば、実施の形態１では、低ＩＳＯ感度が設定された場合に第１駆動モードを選択し、高ＩＳＯ感度が設定された場合に第２駆動モードを選択する。また、実施の形態１の変形例及び実施の形態２では、フォトダイオードが遮光状態にあれば第１駆動モードを選択し、遮光状態になければ第２駆動モードを選択する。
【０１３８】
言い換えると、本発明の実施の形態では、フォトダイオードから読み出される電荷量、又は、垂直ＣＣＤを転送される電荷量に基づいて、第１駆動モード及び第２駆動モードのいずれかを選択する。
【０１３９】
また、図５、図７、図９及び図１０に示すタイミングチャートは一例であり、同じ効果を実現するような他のタイミングチャートに従って駆動してもよい。
【０１４０】
また、上記で用いた数字は全て、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。
【０１４１】
また、上記固体撮像装置の構成は、本発明を具体的に説明するために例示するためのものであり、本発明に係る固体撮像装置は、上記構成の全てを必ずしも備える必要はない。言い換えると、本発明に係る固体撮像装置は、本発明の効果を実現できる最小限の構成のみを備えればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法は、スミア特性の向上と転送効率の向上とを両立させることができるという効果を奏し、例えば、一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、医療用内視鏡のイメージセンサなどに利用することができる。
【符号の説明】
【０１４３】
１０、１００  固体撮像装置
１１、１１０  フォトダイオード
１２  垂直ＣＣＤ
１３  撮像領域
１４、１２０  読み出しゲート部
１５、１４０  水平ＣＣＤ
１６  電荷検出部
１７  出力アンプ
１８、１６０  タイミング発生回路
１９  電荷排出制御部
２０ａ、２０ｂ  電荷掃き捨て用ドレイン
２１ａ〜２１ｄ、２３２  ゲート電極
１３０  第１垂直ＣＣＤ
１５０  信号出力部
１７０  ドレイン
２００  転送制御部
２１０  第２垂直ＣＣＤ
２１１  分岐部
２１２  垂直ＣＣＤ最終ゲート
２２０  合流部
２３０  ドレインゲート
２３１  電荷転送チャネル
２３３  Ｐ型不純物領域
２４１  ストレージゲート
２４２  ホールドゲート
３００  信号パケット
３０１  空パケット
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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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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