固体撮像素子、それを備えたカメラ、および、固体撮像素子の駆動方法
【課題】フレームレートを高めつつ、スミア段差の発生を防止する。
【解決手段】画素部は、切出領域３０１とそれ以外の不要領域３０２とに区画されている。画素部では、行毎に、第１配線１０４および第２配線１０５の両方または一方が設けられている。不要領域３０２では、画素毎に設けられたゲート電極１０３が、行毎に設けられた第１配線１０４に行単位で共通に接続されている。切出領域３０１では、画素毎に設けられたゲート電極１０３が、行毎に設けられた第２配線１０５に行単位で共通に接続されている。
【解決手段】画素部は、切出領域３０１とそれ以外の不要領域３０２とに区画されている。画素部では、行毎に、第１配線１０４および第２配線１０５の両方または一方が設けられている。不要領域３０２では、画素毎に設けられたゲート電極１０３が、行毎に設けられた第１配線１０４に行単位で共通に接続されている。切出領域３０１では、画素毎に設けられたゲート電極１０３が、行毎に設けられた第２配線１０５に行単位で共通に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、デジタルカメラにはオートフォーカス機能が搭載されている。オートフォーカス機能は、レンズの位置を１ステップずつ移動させながら被写体を撮影し、撮影画像のコントラストがピークとなるレンズ位置を割り出すことにより実現される。このとき被写体が移動すると適正なレンズ位置を割り出すことができないので、オートフォーカス機能の実行中はフレームレートをできるだけ高めることが望ましい。そこで、従来の固体撮像素子では、各画素から読み出された信号電荷を行単位で垂直転送するに当たり、オートフォーカス機能に必要な行の信号電荷は通常の転送速度で転送し、それ以外の不要な行の信号電荷は高速で転送することが行われている。このように、不要な行の信号電荷を高速転送して短時間で排出することにより、フレームレートを高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−２２８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の固体撮像素子では、フレームレートを高めることはできるものの、垂直転送部を通常転送と高速転送とで切り替えるため、「スミア段差」と呼ばれる画像ノイズが生じることがある。スミアとは、強い光が入射されて遮光膜の隙間から垂直転送部に光が漏れ込んだ場合に、垂直転送部内の光が漏れ込んだ箇所でノイズ電荷が発生し、その箇所を通過する信号電荷にノイズ電荷が混合されてしまう現象をいう。
【０００５】
通常、スミアは、信号電荷とは別にノイズ電荷のみを垂直転送させ、外部の信号処理回路でそのノイズ電荷を検出し、これを信号電荷から差し引く演算を施すことにより解消することができる。これは、垂直転送部の転送速度が一定であれば、ノイズ発生箇所の通過時間が何れの信号電荷でも同じになるので、混合されるノイズ電荷の量が何れの信号電荷でも同じになるからである。
【０００６】
ところが、フレームレートを高めるために通常転送と高速転送とを切り替えた場合には、通常転送中にノイズ発生箇所を通過する信号電荷と、高速転送中にノイズ発生箇所を通過する信号電荷とで、ノイズ発生箇所の通過時間が異なることとなり、混合されるノイズ電荷の量が異なることとなる。そのため、外部の信号処理回路でノイズ電荷を検出し、これを信号電荷から差し引いた場合に、通常転送中にノイズ発生箇所を通過した信号電荷には差し引かれる量が適量であっても、高速転送中にノイズ発生箇所を通過した信号電荷には差し引かれる量が過多となる。これは画像として見た場合、縦のラインのある部分が明るく、残りの部分が暗くなるので、「スミア段差」と呼ばれている。このような「スミア段差」が生じた場合には、オートフォーカス機能が正常に働かないことがある。
【０００７】
また、オートフォーカス機能だけでなく、動画撮影機能でも同様の問題が生じる場合がある。デジタルカメラでは高画素化が進み、１０００万画素を超えるものまで出現している。静止画撮影では解像度が重視されるので、画素部の全領域に含まれる画素から信号電荷を読み出し、動画撮影ではフレームレートが重視されるので、一部領域に含まれる画素から信号電荷を読み出すことが行われている。ところが、近年、解像度も重視したＨＤ（High Definition）動画を撮影できることが商品価値を高める傾向にあり、垂直転送部において通常転送と高速転送との切り替えが必須となってきている。そうすると、強い光が入射した場合に「スミア段差」が生じてしまい、画質が低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、フレームレートを高めつつ、スミア段差の発生を防止することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る固体撮像素子は、光電変換部を有する画素が複数行および複数列に配置された画素部と、画素毎に当該画素から信号電荷を読み出して垂直方向に転送するためのゲート電極を有する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子であって、前記画素部は、前記複数行よりも少ない行数の隣接行を含み且つ前記複数列と同数またはそれよりも少ない列数の隣接列を含む切出領域と、それ以外の不要領域とに区画され、前記画素部では、行毎に、不要領域のゲート電極に給電を行う第１の配線および切出領域のゲート電極に給電を行う第２の配線の両方または一方が設けられ、前記画素部の不要領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第１の配線に行単位で共通に接続され、前記画素部の切出領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第２の配線に行単位で共通に接続されている。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、切出領域内のゲート電極と不要領域内のゲート電極とが別々の配線に接続されているので、画素部内の画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す際に、切出領域内の画素からは信号電荷を読み出し、不要領域内の画素からは信号電荷を読み出さないようにすることができる。このように、不要な信号電荷が垂直転送部に読み出されないので、あるフレーム用に切出領域内の画素の信号電荷を垂直転送部に読み出し、それらを垂直転送することにより切出領域外に掃き出したら、すぐに、次のフレーム用に切出領域内の画素の信号電荷を垂直転送部に読み出すことができる。従って、フレームレートを高めることができる。また、不要な信号電荷が垂直転送部に読み出されないので、垂直転送部に読み出された不要な信号電荷を排出するという作業がそもそも必要ない。そのため、垂直転送部において通常転送と高速転送とを切り替える必要がなく、スミア段差の発生を防止することができる。
【００１１】
また、前記画素部に含まれる何れの行にも第１および第２の配線の両方が設けられていることとしてもよい。駆動パルスを供給するという観点からは、切出領域と不要領域とが混在している行には第１および第２の配線の両方が設けられる必要があるが、それ以外の行には第１および第２の配線の両方が設けられる必要はない。しかしながら、上記構成を採用すれば、別の観点から以下のような効果を奏することができる。
（ａ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、コンタクトの位置を変更するだけで切出領域とするか不要領域とするかを決定することができる。そのため、設計変更を容易にすることができる。
（ｂ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、何れの行においても配線容量を揃えることができる。そのため、駆動パルスの伝播遅延の行毎の相違を考慮する必要がないので、設計を容易にすることができる。
（ｃ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、配線層上に形成される層間絶縁膜の平坦性を高めることができる。
【００１２】
また、前記画素部では垂直方向に並んだ所定数の行おきに第１の配線同士が電気的に接続されていると共に、前記所定数と同数の行おきに第２の配線同士が電気的に接続されていることとしてもよい。これにより、所定数の２倍の種類の駆動パルスにより垂直転送を行うことができる。
また、上記構成の固体撮像素子を備えたカメラは、上記効果と同様の効果を奏することができる。
【００１３】
また、上記構成の固体撮像素子の駆動方法は、前記第１および第２の配線に転送パルスを供給することにより、前記垂直転送部内に形成された電位井戸を垂直方向に転送させ、所定期間毎に、前記第２の配線に供給されている転送パルスに読み出しパルスを重畳させることにより、前記切出領域に含まれる画素の信号電荷を、前記垂直転送部内を転送されている電位井戸に読み出させ、前記所定期間は、前記垂直転送部内に形成された電位井戸が前記切出領域にある電位井戸の個数にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等かそれよりも長く、前記垂直転送部内にある電位井戸の個数分だけ転送されるのに要する期間よりも短い。
【００１４】
このように、所定期間を切出領域にある電位井戸の個数にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等かそれよりも長くすることにより、スミアによるノイズ信号のみが入った電位井戸を設けることができ、ノイズ信号を差し引く演算に利用することができる。また、垂直転送部内にある電位井戸の個数分だけ転送されるのに要する期間よりも短くすることで、フレームレートが低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の詳細構成を示す図であり、図２（ａ）は、図１の（ａ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｂ）は、図１の（ｂ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｃ）は、図１のＥ−Ｅ’線に沿った断面を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る切出領域および不要領域を示す図である。
【図４】全画素読出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図４（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図４（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。
【図５】切出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図５（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図５（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。
【図６】従来技術の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。
【図７】本実施形態の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。
【図８】従来技術の信号出力を説明するための図であり、図８（ａ）は、信号出力のタイミングを示し、図８（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、それぞれ図８（ａ）の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４における信号電荷の転送状況を示す図である。
【図９】本実施形態の信号出力を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る固体撮像素子を用いたカメラの構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態において切出領域に関する変形例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態において配線に関する変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜固体撮像素子の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の詳細構成を示す図であり、図２（ａ）は、図１の（ａ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｂ）は、図１の（ｂ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｃ）は、図１のＥ−Ｅ’線に沿った断面を示す図である。
【００１７】
固体撮像素子は、光電変換部１０１、垂直転送路１０２、ゲート電極１０３、第１配線１０４、第２配線１０５、コンタクト１０６、水平転送部１０７、出力部１０８を備える。
光電変換部１０１は、フォトダイオードで構成され、複数行および複数列に行列状に配置されている。光電変換部１０１のひとつが画素のひとつに相当し、複数行および複数列に配置された画素が画素部に相当する。
【００１８】
垂直転送路１０２は、半導体基板内に複数並設されている。ゲート電極１０３は、半導体基板上に垂直転送路１０２に沿って複数配置されている。垂直転送路１０２とゲート電極１０３とが垂直転送部に相当する。本実施形態では、ひとつの画素にひとつのゲート電極が設けられた１画素１電極の構成である。
第１配線１０４および第２配線１０５は、それぞれ電気的に絶縁され、各行に１本ずつ設けられている。本実施形態では、駆動パルスは、Ｖ１からＶ８までの８相駆動である。垂直方向に並んだ４行おきに第１配線１０４同士が電気的に接続され、垂直方向に並んだ４行おきに第２配線１０５同士が電気的に接続されている。以下に、ｎを１以上の整数としたときに各行の第１および第２配線に供給される駆動パルスの関係を示す。
【００１９】
４ｎ行目の第１配線：駆動パルスＶ１
４ｎ行目の第２配線：駆動パルスＶ２
４ｎ＋１行目の第１配線：駆動パルスＶ３
４ｎ＋１行目の第２配線：駆動パルスＶ４
４ｎ＋２行目の第１配線：駆動パルスＶ５
４ｎ＋２行目の第２配線：駆動パルスＶ６
４ｎ＋３行目の第１配線：駆動パルスＶ７
４ｎ＋３行目の第２配線：駆動パルスＶ８
また、画素部は切出領域３０１と不要領域３０２とから構成されている。静止画撮影などの全画素を読み出す場合（以下、「全画素読出モード」という）には、切出領域３０１および不要領域３０２の両方の画素から信号電荷が読み出され、オートフォーカス機能の実行中や動画撮影などの一部の画素を読み出す場合（以下、「切出モード」という）には、切出領域３０１の画素から信号電荷が読み出される。
【００２０】
上述したように、各行には第１配線１０４および第２配線の両方が設けられている。ゲート電極１０３は、第１配線１０４および第２配線１０５の何れかにコンタクト１０６を介して電気的に接続されているが、どちらと接続されるかは切出領域３０１と不要領域３０２とで異なる。具体的には、切出領域３０１ではゲート電極１０３は、第２配線１０５にコンタクトされ、不要領域３０２ではゲート電極１０３は、第１配線１０４にコンタクトされている。これにより、切出領域３０１では、垂直転送部が偶数番号の駆動パルスＶ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８で駆動され、不要領域３０２では、垂直転送部が奇数番号の駆動パルスＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７で駆動される。そのため、奇数番号の駆動パルスを転送パルスのみとし、偶数番号の駆動パルスを転送パルスに読み出しパルスを重畳したものとすれば、切出領域３０１に含まれる画素のみから信号電荷を垂直転送部に読み出し、読み出された信号電荷を垂直転送することができる。
【００２１】
水平転送部１０７は、垂直転送部から行単位で転送された信号電荷を水平方向に転送する。出力部１０８は、水平転送部１０７から転送された信号電荷を電圧信号に変換して、外部に出力する。
図３は、本発明の実施形態に係る切出領域および不要領域を示す図である。
切出領域３０１は、画素部に含まれる全ての行よりも少ない行数の隣接行を含み、且つ、画素部に含まれる全ての列よりも少ない列数の隣接列を含むように区画されている。不要領域３０２は、切出領域３０１以外の領域であり、領域３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄからなる。ここで、隣接行とは、垂直方向に連続して並ぶ行のことを言い、隣接列とは、水平方向に連続して並ぶ列のことを言う。
＜固体撮像素子の駆動方法＞
次に、固体撮像素子の駆動方法を説明する。
【００２２】
図４は、全画素読出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図４（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図４（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＶ転送（繰り返し）と表記されている期間に複数回繰り返される。
【００２３】
駆動パルスは、ＶＨ（読み出し電圧：ハイレベル）、ＶＭ（蓄積電圧：ミドルレベル）、ＶＬ（バリア電圧：ローレベル）の３値の電圧を取り得る。駆動パルスは、転送パルスと読み出しパルスとに成分を分けて考えることができる。このとき、ＶＭとＶＬとの繰り返しが転送パルスに相当し、ＶＨが読み出しパルスに相当する。読み出しパルスは、所定期間毎に転送パルスに重畳される。ここでは、時刻Ｔ＝ｔ（Ｎ）と時刻Ｔ＝ｔ（Ｎ＋１）とで読み出しパルスが重畳されている。
【００２４】
Ｔ＝ｔ（Ｎ）では、駆動パルスＶ１，Ｖ２の両方に読み出しパルスが重畳されているので、４ｎ行目の全ての画素から信号電荷が垂直転送部に読み出される。垂直転送部に読み出された信号電荷は、Ｖ転送（繰り返し）の期間に水平転送部を介して外部に出力される。これにより、４ｎ行目の画素の画素信号をフィールド読み出しすることができる。また、Ｔ＝ｔ（Ｎ＋１）では、駆動パルスＶ３，Ｖ４の両方に読み出しパルスが重畳されている。そのため、４ｎ＋１行目の画素の画素信号をフィールド読み出しすることができる。その後、同様に、４ｎ＋２行目の画素の画素信号および４ｎ＋３行目の画素の画素信号がそれぞれフィールド読み出しされる。これにより、最終的に全画素の画素信号が外部に出力される。
【００２５】
図５は、切出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図５（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図５（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶ転送（繰り返し）と表記されている期間に複数回繰り返される。
Ｔ＝ｔ（Ｎ）では、駆動パルスＶ２には読み出しパルスが重畳されているが、駆動パルスＶ１には読み出しパルスが重畳されていない。そのため、切出領域に含まれる画素のうちの４ｎ行目の画素のみから信号電荷が垂直転送部に読み出される。垂直転送部に読み出された信号電荷は、Ｖ転送（繰り返し）の期間に水平転送部を介して外部に出力される。また、Ｔ＝ｔ（Ｎ＋１）では、切出領域に含まれる画素のうち４ｎ＋１行目の画素のみから信号電荷が垂直転送部に読み出される。その後、同様に、切出領域に含まれる画素のうち、４ｎ＋２行目，４ｎ＋３行目の画素からそれぞれ信号電荷が垂直転送部に読み出される。これにより、不要領域に含まれる画素の信号電荷は外部に出力することなく、切出領域に含まれる画素の信号電荷のみを外部に出力することができる。
【００２６】
なお、全画素読出モードおよび切出モードの何れも所定期間毎に読み出しパルスが重畳されているが、切出モードでは全画素読出モードに比べて読み出しパルスを重畳する間隔が短い（詳細については、図７を用いて説明する）。
＜従来技術と本実施形態との対比＞
次に、従来技術と本実施形態との対比を行う。まずは、図６（従来技術）と図７（本実施形態）とを用いて「スミア段差」の観点で対比し、次に、図８（従来技術）と図９（本実施形態）とを用いてフレームレートの観点で対比する。
【００２７】
図６は、従来技術の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。Ｐ１からＰ１２まではそれぞれ電位井戸を表している。また、「高輝度」と表示されている箇所がノイズ発生箇所である。
Ｔ＝ｔ１では、垂直転送部に読み出しパルスが供給される。従来技術では、切出モードであっても切出領域と不要領域との両方に読み出しパルスが供給される。そのため、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸には切出領域の信号電荷が読み出されると共に、電位井戸Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２には不要領域の不要な信号電荷が読み出される。
【００２８】
Ｔ＝ｔ１からＴ＝ｔ２まで、Ｐ１，Ｐ２の不要電荷を排出するため、垂直転送部が高速転送される。高速転送中にノイズ発生箇所を通過するＰ７，Ｐ８にはスミアによるノイズ電荷が混合されない（厳密に言えば、ノイズ電荷は混合されるが、通常転送中に混合される量に比べて少ない）。
Ｔ＝ｔ３からＴ＝ｔ６まで、Ｐ３からＰ１０までの信号電荷を出力するため、垂直転送部が通常転送される。この間にノイズ発生箇所を通過する電位井戸にはスミアによるノイズ電荷が混合される。
【００２９】
Ｔ＝ｔ６からＴ＝ｔ７まで、Ｐ１１，Ｐ１２の不要電荷を排出するため、垂直転送部が高速転送される。Ｔ＝ｔ７に、Ｔ＝ｔ１で読み出された信号電荷が全て外部出力される。
Ｔ＝ｔ８では、垂直転送部に再び読み出しパルスが供給される。以降は、上述した動作を繰り返す。この例では、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸に読み出された信号電荷のうち、Ｐ４からＰ８までの電位井戸にはノイズ電荷が混合されず、Ｐ３，Ｐ９，Ｐ１０の電位井戸にはノイズ電荷が混合される。このように、従来技術では、垂直転送部において通常転送と高速転送とを切り替えるので、ノイズ電荷が混合される信号電荷とノイズ電荷が混合されない信号電荷とが混在し、「スミア段差」が生じてしまう。
【００３０】
図７は、本実施形態の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。
Ｔ＝ｔ１では、垂直転送部に読み出しパルスが供給される。本実施形態では、切出モードでは切出領域のみに読み出しパルスが供給される。そのため、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸には切出領域の信号電荷が読み出され、不要領域の不要な信号電荷は読み出されない。
【００３１】
Ｔ＝ｔ１からＴ＝ｔ５まで、垂直転送部が通常転送される。この間にノイズ発生箇所を通過する電位井戸にはスミアによるノイズ電荷が混合される。
Ｔ＝ｔ６では、垂直転送部に読み出しパルスが供給される。これにより、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸には切出領域の信号電荷が読み出される。このとき、Ｐ３からＰ６までの各電位井戸には既にノイズ電荷が入っているので、信号電荷とノイズ電荷とが混合される。このように、本実施形態では、垂直転送部において通常転送と高速転送とを切り替えないので、何れの電位井戸にも一定量のノイズ電荷が混合されることとなり、「スミア段差」が生じない。
【００３２】
なお、本実施形態では、Ｎフィールドの読み出し（Ｔ＝ｔ１）とＮ＋１フィールドの読み出し（Ｔ＝ｔ６）との間隔は、垂直転送部内に形成された電位井戸が切出領域にある電位井戸の個数（８個）にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等である。そのため、Ｐ１０（Ｎ）とＰ３（Ｎ＋１）との間に、ノイズ電荷のみが入った電位井戸が存在する。これにより、外部の処理回路ではスミアによるノイズ電荷を検出することができ、信号電荷からノイズ電荷を差し引く処理を実行することができる。なお、この例では、ノイズ電荷のみが入った電位井戸の個数を１個としているが、それを複数個としてこれらの平均をとることとしてもよい。これにより、ノイズ電荷の検出精度を高めることができる。ただし、フィールド間の電位井戸の個数を多くしすぎると、それに応じてフレームレートが低下するので、垂直転送部にある電位井戸の個数（この例では１２個）よりも少ないほうが望ましい。
【００３３】
図８は、従来技術の信号出力を説明するための図であり、図８（ａ）は、信号出力のタイミングを示し、図８（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、それぞれ図８（ａ）の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４における信号電荷の転送状況を示す図である。図中、信号電荷が読み出されていない電位井戸を「空パケット」と表記している。これに対し、図９は、本実施形態の信号出力を説明するための図である。
【００３４】
従来技術では、不要領域から読み出された信号電荷を排出するのに、高速転送といえどもある程度の時間を要する。本実施形態では、不要領域からは信号電荷を読み出さないので、不要領域の信号電荷を排出するための時間を設ける必要がなく、その結果、フレームレートを高めることができる。
＜カメラの構成＞
図１０は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子を用いたカメラの構成を示す図である。
【００３５】
カメラ４０１は、光学系４０２、メカニカルシャッタ４０３、固体撮像素子４０４、信号処理部４０５、モニタ４０６、メモリ４０７、ユーザ操作部４０８、制御部４０９、っ駆動パルス生成部４１０を備える。
固体撮像素子４０４には、光学系４０２により集光された光がメカニカルシャッタ４０３を通じて入射される。これにより生じた信号電荷は信号処理部４０５に送られ、各種信号処理が施される。そのうちのひとつに、信号電荷からスミアによるノイズ電荷を差し引く演算処理が行われる。モニタ４０６は、信号処理部４０５から受けた映像信号に基づき映像を表示する。また、メモリ４０７は、信号処理部４０５から受けた映像信号を保存する。ユーザ操作部４０８は、例えば、シャッタボタン等である。制御部４０９は、ユーザ操作部４０８の操作に応じた指示を駆動パルス生成部４１０に出力する。例えば、シャッタボタンが半押し状態であれば、オートフォーカス機能を実行する指示を駆動パルス生成部４１０に出力する。駆動パルス生成部４１０は、動画モード、静止画モード、オートフォーカス機能など、その都度必要な駆動パルスを生成する。
【００３６】
この構成により、フレームレートを高めつつ、スミア段差の発生を防止することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限られず、例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では、切出領域は画素部の略中央に位置しているが、オートフォーカス機能や動画撮影などに必要な領域であれば、これに限られない。また、切出領域を１箇所だけでなく、複数個所に設けることとしてもよい。また、例えば、図１１のように区画することとしてもよい。
（２）実施形態では、全ての行に第１配線および第２配線が設けられているが、本発明は、これに限らない。駆動パルスを供給するという観点では、不要領域３０２しか存在しない行や、切出領域３０１しか存在しない行については、第１配線および第２配線の一方だけを設ければよい（例えば、図１２参照）。ただし、全ての行に第１配線および第２配線の両方を設けると、別の観点から以下のような効果を奏することができる。
（ａ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、コンタクトの位置を変更するだけで切出領域とするか不要領域とするかを決定することができる。そのため、設計変更を容易にすることができる。
（ｂ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、何れの行においても配線容量を揃えることができる。そのため、駆動パルスの伝播遅延の行毎の相違を考慮する必要がないので、設計を容易にすることができる。
（ｃ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、配線層上に形成される層間絶縁膜の平坦性を高めることができる。
【００３７】
従って、全ての行に第１配線および第２配線の両方を設けるのが好ましい。
（３）実施形態では、１画素１電極タイプであるが、１画素２電極タイプでも適用可能である。
（４）実施形態では８相駆動で説明しているが、これに限らない。少なくとも４相あればよい。
（５）実施形態では、１フレームの画素信号を複数のフィールドに分けて読み出しているが、本発明は、これに限らず、１フレームの画素信号を１回で読み出すこととしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、デジタルカメラ等に利用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１ 光電変換部
１０２ 垂直転送路
１０３ ゲート電極
１０４ 第１配線
１０５ 第２配線
１０６ コンタクト
１０７ 水平転送部
１０８ 出力部
３０１ 切出領域
３０２ 不要領域
４０１ カメラ
４０２ 光学系
４０３ メカニカルシャッタ
４０４ 固体撮像素子
４０５ 信号処理部
４０６ モニタ
４０７ メモリ
４０８ ユーザ操作部
４０９ 制御部
４１０ 駆動パルス生成部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、デジタルカメラにはオートフォーカス機能が搭載されている。オートフォーカス機能は、レンズの位置を１ステップずつ移動させながら被写体を撮影し、撮影画像のコントラストがピークとなるレンズ位置を割り出すことにより実現される。このとき被写体が移動すると適正なレンズ位置を割り出すことができないので、オートフォーカス機能の実行中はフレームレートをできるだけ高めることが望ましい。そこで、従来の固体撮像素子では、各画素から読み出された信号電荷を行単位で垂直転送するに当たり、オートフォーカス機能に必要な行の信号電荷は通常の転送速度で転送し、それ以外の不要な行の信号電荷は高速で転送することが行われている。このように、不要な行の信号電荷を高速転送して短時間で排出することにより、フレームレートを高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−２２８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の固体撮像素子では、フレームレートを高めることはできるものの、垂直転送部を通常転送と高速転送とで切り替えるため、「スミア段差」と呼ばれる画像ノイズが生じることがある。スミアとは、強い光が入射されて遮光膜の隙間から垂直転送部に光が漏れ込んだ場合に、垂直転送部内の光が漏れ込んだ箇所でノイズ電荷が発生し、その箇所を通過する信号電荷にノイズ電荷が混合されてしまう現象をいう。
【０００５】
通常、スミアは、信号電荷とは別にノイズ電荷のみを垂直転送させ、外部の信号処理回路でそのノイズ電荷を検出し、これを信号電荷から差し引く演算を施すことにより解消することができる。これは、垂直転送部の転送速度が一定であれば、ノイズ発生箇所の通過時間が何れの信号電荷でも同じになるので、混合されるノイズ電荷の量が何れの信号電荷でも同じになるからである。
【０００６】
ところが、フレームレートを高めるために通常転送と高速転送とを切り替えた場合には、通常転送中にノイズ発生箇所を通過する信号電荷と、高速転送中にノイズ発生箇所を通過する信号電荷とで、ノイズ発生箇所の通過時間が異なることとなり、混合されるノイズ電荷の量が異なることとなる。そのため、外部の信号処理回路でノイズ電荷を検出し、これを信号電荷から差し引いた場合に、通常転送中にノイズ発生箇所を通過した信号電荷には差し引かれる量が適量であっても、高速転送中にノイズ発生箇所を通過した信号電荷には差し引かれる量が過多となる。これは画像として見た場合、縦のラインのある部分が明るく、残りの部分が暗くなるので、「スミア段差」と呼ばれている。このような「スミア段差」が生じた場合には、オートフォーカス機能が正常に働かないことがある。
【０００７】
また、オートフォーカス機能だけでなく、動画撮影機能でも同様の問題が生じる場合がある。デジタルカメラでは高画素化が進み、１０００万画素を超えるものまで出現している。静止画撮影では解像度が重視されるので、画素部の全領域に含まれる画素から信号電荷を読み出し、動画撮影ではフレームレートが重視されるので、一部領域に含まれる画素から信号電荷を読み出すことが行われている。ところが、近年、解像度も重視したＨＤ（High Definition）動画を撮影できることが商品価値を高める傾向にあり、垂直転送部において通常転送と高速転送との切り替えが必須となってきている。そうすると、強い光が入射した場合に「スミア段差」が生じてしまい、画質が低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、フレームレートを高めつつ、スミア段差の発生を防止することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る固体撮像素子は、光電変換部を有する画素が複数行および複数列に配置された画素部と、画素毎に当該画素から信号電荷を読み出して垂直方向に転送するためのゲート電極を有する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子であって、前記画素部は、前記複数行よりも少ない行数の隣接行を含み且つ前記複数列と同数またはそれよりも少ない列数の隣接列を含む切出領域と、それ以外の不要領域とに区画され、前記画素部では、行毎に、不要領域のゲート電極に給電を行う第１の配線および切出領域のゲート電極に給電を行う第２の配線の両方または一方が設けられ、前記画素部の不要領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第１の配線に行単位で共通に接続され、前記画素部の切出領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第２の配線に行単位で共通に接続されている。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、切出領域内のゲート電極と不要領域内のゲート電極とが別々の配線に接続されているので、画素部内の画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す際に、切出領域内の画素からは信号電荷を読み出し、不要領域内の画素からは信号電荷を読み出さないようにすることができる。このように、不要な信号電荷が垂直転送部に読み出されないので、あるフレーム用に切出領域内の画素の信号電荷を垂直転送部に読み出し、それらを垂直転送することにより切出領域外に掃き出したら、すぐに、次のフレーム用に切出領域内の画素の信号電荷を垂直転送部に読み出すことができる。従って、フレームレートを高めることができる。また、不要な信号電荷が垂直転送部に読み出されないので、垂直転送部に読み出された不要な信号電荷を排出するという作業がそもそも必要ない。そのため、垂直転送部において通常転送と高速転送とを切り替える必要がなく、スミア段差の発生を防止することができる。
【００１１】
また、前記画素部に含まれる何れの行にも第１および第２の配線の両方が設けられていることとしてもよい。駆動パルスを供給するという観点からは、切出領域と不要領域とが混在している行には第１および第２の配線の両方が設けられる必要があるが、それ以外の行には第１および第２の配線の両方が設けられる必要はない。しかしながら、上記構成を採用すれば、別の観点から以下のような効果を奏することができる。
（ａ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、コンタクトの位置を変更するだけで切出領域とするか不要領域とするかを決定することができる。そのため、設計変更を容易にすることができる。
（ｂ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、何れの行においても配線容量を揃えることができる。そのため、駆動パルスの伝播遅延の行毎の相違を考慮する必要がないので、設計を容易にすることができる。
（ｃ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、配線層上に形成される層間絶縁膜の平坦性を高めることができる。
【００１２】
また、前記画素部では垂直方向に並んだ所定数の行おきに第１の配線同士が電気的に接続されていると共に、前記所定数と同数の行おきに第２の配線同士が電気的に接続されていることとしてもよい。これにより、所定数の２倍の種類の駆動パルスにより垂直転送を行うことができる。
また、上記構成の固体撮像素子を備えたカメラは、上記効果と同様の効果を奏することができる。
【００１３】
また、上記構成の固体撮像素子の駆動方法は、前記第１および第２の配線に転送パルスを供給することにより、前記垂直転送部内に形成された電位井戸を垂直方向に転送させ、所定期間毎に、前記第２の配線に供給されている転送パルスに読み出しパルスを重畳させることにより、前記切出領域に含まれる画素の信号電荷を、前記垂直転送部内を転送されている電位井戸に読み出させ、前記所定期間は、前記垂直転送部内に形成された電位井戸が前記切出領域にある電位井戸の個数にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等かそれよりも長く、前記垂直転送部内にある電位井戸の個数分だけ転送されるのに要する期間よりも短い。
【００１４】
このように、所定期間を切出領域にある電位井戸の個数にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等かそれよりも長くすることにより、スミアによるノイズ信号のみが入った電位井戸を設けることができ、ノイズ信号を差し引く演算に利用することができる。また、垂直転送部内にある電位井戸の個数分だけ転送されるのに要する期間よりも短くすることで、フレームレートが低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の詳細構成を示す図であり、図２（ａ）は、図１の（ａ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｂ）は、図１の（ｂ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｃ）は、図１のＥ−Ｅ’線に沿った断面を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る切出領域および不要領域を示す図である。
【図４】全画素読出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図４（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図４（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。
【図５】切出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図５（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図５（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。
【図６】従来技術の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。
【図７】本実施形態の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。
【図８】従来技術の信号出力を説明するための図であり、図８（ａ）は、信号出力のタイミングを示し、図８（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、それぞれ図８（ａ）の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４における信号電荷の転送状況を示す図である。
【図９】本実施形態の信号出力を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る固体撮像素子を用いたカメラの構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態において切出領域に関する変形例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態において配線に関する変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜固体撮像素子の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の詳細構成を示す図であり、図２（ａ）は、図１の（ａ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｂ）は、図１の（ｂ）で示す行の一部を拡大した図であり、図２（ｃ）は、図１のＥ−Ｅ’線に沿った断面を示す図である。
【００１７】
固体撮像素子は、光電変換部１０１、垂直転送路１０２、ゲート電極１０３、第１配線１０４、第２配線１０５、コンタクト１０６、水平転送部１０７、出力部１０８を備える。
光電変換部１０１は、フォトダイオードで構成され、複数行および複数列に行列状に配置されている。光電変換部１０１のひとつが画素のひとつに相当し、複数行および複数列に配置された画素が画素部に相当する。
【００１８】
垂直転送路１０２は、半導体基板内に複数並設されている。ゲート電極１０３は、半導体基板上に垂直転送路１０２に沿って複数配置されている。垂直転送路１０２とゲート電極１０３とが垂直転送部に相当する。本実施形態では、ひとつの画素にひとつのゲート電極が設けられた１画素１電極の構成である。
第１配線１０４および第２配線１０５は、それぞれ電気的に絶縁され、各行に１本ずつ設けられている。本実施形態では、駆動パルスは、Ｖ１からＶ８までの８相駆動である。垂直方向に並んだ４行おきに第１配線１０４同士が電気的に接続され、垂直方向に並んだ４行おきに第２配線１０５同士が電気的に接続されている。以下に、ｎを１以上の整数としたときに各行の第１および第２配線に供給される駆動パルスの関係を示す。
【００１９】
４ｎ行目の第１配線：駆動パルスＶ１
４ｎ行目の第２配線：駆動パルスＶ２
４ｎ＋１行目の第１配線：駆動パルスＶ３
４ｎ＋１行目の第２配線：駆動パルスＶ４
４ｎ＋２行目の第１配線：駆動パルスＶ５
４ｎ＋２行目の第２配線：駆動パルスＶ６
４ｎ＋３行目の第１配線：駆動パルスＶ７
４ｎ＋３行目の第２配線：駆動パルスＶ８
また、画素部は切出領域３０１と不要領域３０２とから構成されている。静止画撮影などの全画素を読み出す場合（以下、「全画素読出モード」という）には、切出領域３０１および不要領域３０２の両方の画素から信号電荷が読み出され、オートフォーカス機能の実行中や動画撮影などの一部の画素を読み出す場合（以下、「切出モード」という）には、切出領域３０１の画素から信号電荷が読み出される。
【００２０】
上述したように、各行には第１配線１０４および第２配線の両方が設けられている。ゲート電極１０３は、第１配線１０４および第２配線１０５の何れかにコンタクト１０６を介して電気的に接続されているが、どちらと接続されるかは切出領域３０１と不要領域３０２とで異なる。具体的には、切出領域３０１ではゲート電極１０３は、第２配線１０５にコンタクトされ、不要領域３０２ではゲート電極１０３は、第１配線１０４にコンタクトされている。これにより、切出領域３０１では、垂直転送部が偶数番号の駆動パルスＶ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８で駆動され、不要領域３０２では、垂直転送部が奇数番号の駆動パルスＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７で駆動される。そのため、奇数番号の駆動パルスを転送パルスのみとし、偶数番号の駆動パルスを転送パルスに読み出しパルスを重畳したものとすれば、切出領域３０１に含まれる画素のみから信号電荷を垂直転送部に読み出し、読み出された信号電荷を垂直転送することができる。
【００２１】
水平転送部１０７は、垂直転送部から行単位で転送された信号電荷を水平方向に転送する。出力部１０８は、水平転送部１０７から転送された信号電荷を電圧信号に変換して、外部に出力する。
図３は、本発明の実施形態に係る切出領域および不要領域を示す図である。
切出領域３０１は、画素部に含まれる全ての行よりも少ない行数の隣接行を含み、且つ、画素部に含まれる全ての列よりも少ない列数の隣接列を含むように区画されている。不要領域３０２は、切出領域３０１以外の領域であり、領域３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄからなる。ここで、隣接行とは、垂直方向に連続して並ぶ行のことを言い、隣接列とは、水平方向に連続して並ぶ列のことを言う。
＜固体撮像素子の駆動方法＞
次に、固体撮像素子の駆動方法を説明する。
【００２２】
図４は、全画素読出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図４（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図４（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＶ転送（繰り返し）と表記されている期間に複数回繰り返される。
【００２３】
駆動パルスは、ＶＨ（読み出し電圧：ハイレベル）、ＶＭ（蓄積電圧：ミドルレベル）、ＶＬ（バリア電圧：ローレベル）の３値の電圧を取り得る。駆動パルスは、転送パルスと読み出しパルスとに成分を分けて考えることができる。このとき、ＶＭとＶＬとの繰り返しが転送パルスに相当し、ＶＨが読み出しパルスに相当する。読み出しパルスは、所定期間毎に転送パルスに重畳される。ここでは、時刻Ｔ＝ｔ（Ｎ）と時刻Ｔ＝ｔ（Ｎ＋１）とで読み出しパルスが重畳されている。
【００２４】
Ｔ＝ｔ（Ｎ）では、駆動パルスＶ１，Ｖ２の両方に読み出しパルスが重畳されているので、４ｎ行目の全ての画素から信号電荷が垂直転送部に読み出される。垂直転送部に読み出された信号電荷は、Ｖ転送（繰り返し）の期間に水平転送部を介して外部に出力される。これにより、４ｎ行目の画素の画素信号をフィールド読み出しすることができる。また、Ｔ＝ｔ（Ｎ＋１）では、駆動パルスＶ３，Ｖ４の両方に読み出しパルスが重畳されている。そのため、４ｎ＋１行目の画素の画素信号をフィールド読み出しすることができる。その後、同様に、４ｎ＋２行目の画素の画素信号および４ｎ＋３行目の画素の画素信号がそれぞれフィールド読み出しされる。これにより、最終的に全画素の画素信号が外部に出力される。
【００２５】
図５は、切出モードにおいて垂直転送部に供給される駆動パルスを示しており、図５（ａ）は、画素から垂直転送部に信号電荷を読み出す動作が含まれる１水平期間を示し、図５（ｂ）は、そのような読み出し動作が含まれない１水平期間を示す。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶ転送（繰り返し）と表記されている期間に複数回繰り返される。
Ｔ＝ｔ（Ｎ）では、駆動パルスＶ２には読み出しパルスが重畳されているが、駆動パルスＶ１には読み出しパルスが重畳されていない。そのため、切出領域に含まれる画素のうちの４ｎ行目の画素のみから信号電荷が垂直転送部に読み出される。垂直転送部に読み出された信号電荷は、Ｖ転送（繰り返し）の期間に水平転送部を介して外部に出力される。また、Ｔ＝ｔ（Ｎ＋１）では、切出領域に含まれる画素のうち４ｎ＋１行目の画素のみから信号電荷が垂直転送部に読み出される。その後、同様に、切出領域に含まれる画素のうち、４ｎ＋２行目，４ｎ＋３行目の画素からそれぞれ信号電荷が垂直転送部に読み出される。これにより、不要領域に含まれる画素の信号電荷は外部に出力することなく、切出領域に含まれる画素の信号電荷のみを外部に出力することができる。
【００２６】
なお、全画素読出モードおよび切出モードの何れも所定期間毎に読み出しパルスが重畳されているが、切出モードでは全画素読出モードに比べて読み出しパルスを重畳する間隔が短い（詳細については、図７を用いて説明する）。
＜従来技術と本実施形態との対比＞
次に、従来技術と本実施形態との対比を行う。まずは、図６（従来技術）と図７（本実施形態）とを用いて「スミア段差」の観点で対比し、次に、図８（従来技術）と図９（本実施形態）とを用いてフレームレートの観点で対比する。
【００２７】
図６は、従来技術の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。Ｐ１からＰ１２まではそれぞれ電位井戸を表している。また、「高輝度」と表示されている箇所がノイズ発生箇所である。
Ｔ＝ｔ１では、垂直転送部に読み出しパルスが供給される。従来技術では、切出モードであっても切出領域と不要領域との両方に読み出しパルスが供給される。そのため、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸には切出領域の信号電荷が読み出されると共に、電位井戸Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２には不要領域の不要な信号電荷が読み出される。
【００２８】
Ｔ＝ｔ１からＴ＝ｔ２まで、Ｐ１，Ｐ２の不要電荷を排出するため、垂直転送部が高速転送される。高速転送中にノイズ発生箇所を通過するＰ７，Ｐ８にはスミアによるノイズ電荷が混合されない（厳密に言えば、ノイズ電荷は混合されるが、通常転送中に混合される量に比べて少ない）。
Ｔ＝ｔ３からＴ＝ｔ６まで、Ｐ３からＰ１０までの信号電荷を出力するため、垂直転送部が通常転送される。この間にノイズ発生箇所を通過する電位井戸にはスミアによるノイズ電荷が混合される。
【００２９】
Ｔ＝ｔ６からＴ＝ｔ７まで、Ｐ１１，Ｐ１２の不要電荷を排出するため、垂直転送部が高速転送される。Ｔ＝ｔ７に、Ｔ＝ｔ１で読み出された信号電荷が全て外部出力される。
Ｔ＝ｔ８では、垂直転送部に再び読み出しパルスが供給される。以降は、上述した動作を繰り返す。この例では、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸に読み出された信号電荷のうち、Ｐ４からＰ８までの電位井戸にはノイズ電荷が混合されず、Ｐ３，Ｐ９，Ｐ１０の電位井戸にはノイズ電荷が混合される。このように、従来技術では、垂直転送部において通常転送と高速転送とを切り替えるので、ノイズ電荷が混合される信号電荷とノイズ電荷が混合されない信号電荷とが混在し、「スミア段差」が生じてしまう。
【００３０】
図７は、本実施形態の垂直転送部において時間の経過とともに信号電荷が転送されていく様子を示す図である。
Ｔ＝ｔ１では、垂直転送部に読み出しパルスが供給される。本実施形態では、切出モードでは切出領域のみに読み出しパルスが供給される。そのため、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸には切出領域の信号電荷が読み出され、不要領域の不要な信号電荷は読み出されない。
【００３１】
Ｔ＝ｔ１からＴ＝ｔ５まで、垂直転送部が通常転送される。この間にノイズ発生箇所を通過する電位井戸にはスミアによるノイズ電荷が混合される。
Ｔ＝ｔ６では、垂直転送部に読み出しパルスが供給される。これにより、Ｐ３からＰ１０までの各電位井戸には切出領域の信号電荷が読み出される。このとき、Ｐ３からＰ６までの各電位井戸には既にノイズ電荷が入っているので、信号電荷とノイズ電荷とが混合される。このように、本実施形態では、垂直転送部において通常転送と高速転送とを切り替えないので、何れの電位井戸にも一定量のノイズ電荷が混合されることとなり、「スミア段差」が生じない。
【００３２】
なお、本実施形態では、Ｎフィールドの読み出し（Ｔ＝ｔ１）とＮ＋１フィールドの読み出し（Ｔ＝ｔ６）との間隔は、垂直転送部内に形成された電位井戸が切出領域にある電位井戸の個数（８個）にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等である。そのため、Ｐ１０（Ｎ）とＰ３（Ｎ＋１）との間に、ノイズ電荷のみが入った電位井戸が存在する。これにより、外部の処理回路ではスミアによるノイズ電荷を検出することができ、信号電荷からノイズ電荷を差し引く処理を実行することができる。なお、この例では、ノイズ電荷のみが入った電位井戸の個数を１個としているが、それを複数個としてこれらの平均をとることとしてもよい。これにより、ノイズ電荷の検出精度を高めることができる。ただし、フィールド間の電位井戸の個数を多くしすぎると、それに応じてフレームレートが低下するので、垂直転送部にある電位井戸の個数（この例では１２個）よりも少ないほうが望ましい。
【００３３】
図８は、従来技術の信号出力を説明するための図であり、図８（ａ）は、信号出力のタイミングを示し、図８（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、それぞれ図８（ａ）の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４における信号電荷の転送状況を示す図である。図中、信号電荷が読み出されていない電位井戸を「空パケット」と表記している。これに対し、図９は、本実施形態の信号出力を説明するための図である。
【００３４】
従来技術では、不要領域から読み出された信号電荷を排出するのに、高速転送といえどもある程度の時間を要する。本実施形態では、不要領域からは信号電荷を読み出さないので、不要領域の信号電荷を排出するための時間を設ける必要がなく、その結果、フレームレートを高めることができる。
＜カメラの構成＞
図１０は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子を用いたカメラの構成を示す図である。
【００３５】
カメラ４０１は、光学系４０２、メカニカルシャッタ４０３、固体撮像素子４０４、信号処理部４０５、モニタ４０６、メモリ４０７、ユーザ操作部４０８、制御部４０９、っ駆動パルス生成部４１０を備える。
固体撮像素子４０４には、光学系４０２により集光された光がメカニカルシャッタ４０３を通じて入射される。これにより生じた信号電荷は信号処理部４０５に送られ、各種信号処理が施される。そのうちのひとつに、信号電荷からスミアによるノイズ電荷を差し引く演算処理が行われる。モニタ４０６は、信号処理部４０５から受けた映像信号に基づき映像を表示する。また、メモリ４０７は、信号処理部４０５から受けた映像信号を保存する。ユーザ操作部４０８は、例えば、シャッタボタン等である。制御部４０９は、ユーザ操作部４０８の操作に応じた指示を駆動パルス生成部４１０に出力する。例えば、シャッタボタンが半押し状態であれば、オートフォーカス機能を実行する指示を駆動パルス生成部４１０に出力する。駆動パルス生成部４１０は、動画モード、静止画モード、オートフォーカス機能など、その都度必要な駆動パルスを生成する。
【００３６】
この構成により、フレームレートを高めつつ、スミア段差の発生を防止することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限られず、例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では、切出領域は画素部の略中央に位置しているが、オートフォーカス機能や動画撮影などに必要な領域であれば、これに限られない。また、切出領域を１箇所だけでなく、複数個所に設けることとしてもよい。また、例えば、図１１のように区画することとしてもよい。
（２）実施形態では、全ての行に第１配線および第２配線が設けられているが、本発明は、これに限らない。駆動パルスを供給するという観点では、不要領域３０２しか存在しない行や、切出領域３０１しか存在しない行については、第１配線および第２配線の一方だけを設ければよい（例えば、図１２参照）。ただし、全ての行に第１配線および第２配線の両方を設けると、別の観点から以下のような効果を奏することができる。
（ａ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、コンタクトの位置を変更するだけで切出領域とするか不要領域とするかを決定することができる。そのため、設計変更を容易にすることができる。
（ｂ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、何れの行においても配線容量を揃えることができる。そのため、駆動パルスの伝播遅延の行毎の相違を考慮する必要がないので、設計を容易にすることができる。
（ｃ）全ての行に両方の配線が設けられていれば、配線層上に形成される層間絶縁膜の平坦性を高めることができる。
【００３７】
従って、全ての行に第１配線および第２配線の両方を設けるのが好ましい。
（３）実施形態では、１画素１電極タイプであるが、１画素２電極タイプでも適用可能である。
（４）実施形態では８相駆動で説明しているが、これに限らない。少なくとも４相あればよい。
（５）実施形態では、１フレームの画素信号を複数のフィールドに分けて読み出しているが、本発明は、これに限らず、１フレームの画素信号を１回で読み出すこととしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、デジタルカメラ等に利用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１ 光電変換部
１０２ 垂直転送路
１０３ ゲート電極
１０４ 第１配線
１０５ 第２配線
１０６ コンタクト
１０７ 水平転送部
１０８ 出力部
３０１ 切出領域
３０２ 不要領域
４０１ カメラ
４０２ 光学系
４０３ メカニカルシャッタ
４０４ 固体撮像素子
４０５ 信号処理部
４０６ モニタ
４０７ メモリ
４０８ ユーザ操作部
４０９ 制御部
４１０ 駆動パルス生成部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を有する画素が複数行および複数列に配置された画素部と、画素毎に当該画素から信号電荷を読み出して垂直方向に転送するためのゲート電極を有する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子であって、
前記画素部は、前記複数行よりも少ない行数の隣接行を含み且つ前記複数列と同数またはそれよりも少ない列数の隣接列を含む切出領域と、それ以外の不要領域とに区画され、
前記画素部では、行毎に、不要領域のゲート電極に給電を行う第１の配線および切出領域のゲート電極に給電を行う第２の配線の両方または一方が設けられ、
前記画素部の不要領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第１の配線に行単位で共通に接続され、
前記画素部の切出領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第２の配線に行単位で共通に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記画素部に含まれる何れの行にも第１および第２の配線の両方が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記画素部では垂直方向に並んだ所定数の行おきに第１の配線同士が電気的に接続されていると共に、前記所定数と同数の行おきに第２の配線同士が電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像素子を備えたカメラ。
【請求項５】
請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第１および第２の配線に転送パルスを供給することにより、前記垂直転送部内に形成された電位井戸を垂直方向に転送させ、
所定期間毎に、前記第２の配線に供給されている転送パルスに読み出しパルスを重畳させることにより、前記切出領域に含まれる画素の信号電荷を、前記垂直転送部内を転送されている電位井戸に読み出させ、
前記所定期間は、前記垂直転送部内に形成された電位井戸が前記切出領域にある電位井戸の個数にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等かそれよりも長く、前記垂直転送部内にある電位井戸の個数分だけ転送されるのに要する期間よりも短いことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１】
光電変換部を有する画素が複数行および複数列に配置された画素部と、画素毎に当該画素から信号電荷を読み出して垂直方向に転送するためのゲート電極を有する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子であって、
前記画素部は、前記複数行よりも少ない行数の隣接行を含み且つ前記複数列と同数またはそれよりも少ない列数の隣接列を含む切出領域と、それ以外の不要領域とに区画され、
前記画素部では、行毎に、不要領域のゲート電極に給電を行う第１の配線および切出領域のゲート電極に給電を行う第２の配線の両方または一方が設けられ、
前記画素部の不要領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第１の配線に行単位で共通に接続され、
前記画素部の切出領域では、画素毎に設けられたゲート電極が、行毎に設けられた第２の配線に行単位で共通に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記画素部に含まれる何れの行にも第１および第２の配線の両方が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記画素部では垂直方向に並んだ所定数の行おきに第１の配線同士が電気的に接続されていると共に、前記所定数と同数の行おきに第２の配線同士が電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像素子を備えたカメラ。
【請求項５】
請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第１および第２の配線に転送パルスを供給することにより、前記垂直転送部内に形成された電位井戸を垂直方向に転送させ、
所定期間毎に、前記第２の配線に供給されている転送パルスに読み出しパルスを重畳させることにより、前記切出領域に含まれる画素の信号電荷を、前記垂直転送部内を転送されている電位井戸に読み出させ、
前記所定期間は、前記垂直転送部内に形成された電位井戸が前記切出領域にある電位井戸の個数にひとつ足した個数分だけ転送されるのに要する期間と同等かそれよりも長く、前記垂直転送部内にある電位井戸の個数分だけ転送されるのに要する期間よりも短いことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−５５２０１（Ｐ２０１１−５５２０１Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０１５７６（Ｐ２００９−２０１５７６）
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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