(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備えた固体撮像装置を用い、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置の駆動方法であって、
複数の受光部が、前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すものであり、
さらに、前記信号電荷を前記転送領域へと読み出すときに、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHを印加し、
前記読み出し電圧ＶHが印加される電極間に存在し、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接しない前記電極の少なくとも一つに、前記読み出し電圧ＶHよりも低いバリア電圧ＶLを印加し、かつ
前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接する前記電極に、前記読み出し電圧ＶHよりも低く前記バリア電圧ＶLよりも高い中間電圧ＶMを印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備えた固体撮像装置を用い、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置の駆動方法であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すものであり、
さらに、前記信号電荷を前記転送領域へと読み出すときに、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHの印加を開始する時刻よりも所定の時間だけ前の時刻から前記読み出し電圧ＶHの印加を終了する時刻までの間に、
前記読み出しの対象とする信号電荷が存在する受光部に隣接する前記受光部に対応する前記電極に、前記読み出し電圧ＶHを印加するときの電圧変化と逆の電圧変化を与えることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備えた固体撮像装置を用い、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置の駆動方法であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すものであり、
さらに、前記信号電荷を前記転送領域へと読み出すときに、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHの印加を開始する時刻よりも所定の時間だけ前の時刻から前記読み出し電圧ＶHの印加を終了する時刻までの間に、
前記読み出し電圧ＶHが印加される電極以外であってこの電極に隣接しない前記電極に、前記読み出し電圧ＶHを印加するときの電圧変化と逆の電圧変化を与えることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
読み出した信号電荷を、互いに混合することなく、転送領域内を転送する請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備え、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置であって、
複数の受光部が、前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLが印加され、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMが印加されると、前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出し、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHが印加され、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極間に存在し、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接しない前記電極の少なくとも一つに、前記読み出し電圧ＶHよりも低いバリア電圧ＶLが印加され、かつ、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接する前記電極に、前記読み出し電圧ＶHよりも低く前記バリア電圧ＶLよりも高い中間電圧ＶMが印加されると、前記受光部の信号電荷を前記転送領域へと読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備え、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLが印加され、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMが印加されると、前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出し、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHの印加が開始される時刻よりも所定の時間だけ前の時刻から前記読み出し電圧ＶHの印加が終了される時刻までの間に、前記読み出しの対象とする信号電荷が存在する受光部に隣接する前記受光部に対応する前記電極に、前記読み出し電圧ＶHが印加されるときの電圧変化と逆の電圧変化が与えられると、前記受光部の信号電荷を前記転送領域へ読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備え、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLが印加され、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMが印加されると、前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出し、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHの印加が開始される時刻よりも所定の時間だけ前の時刻から前記読み出し電圧ＶHの印加が終了される時刻までの間に、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極以外であってこの電極に隣接しない前記電極に、前記読み出し電圧ＶHを印加するときの電圧変化と逆の電圧変化が与えられると、前記受光部の信号電荷を前記転送領域へと読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
前記転送領域内で、前記受光部から読み出した信号電荷を、互いに混合することなく転送する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記転送領域と転送電極との間に形成される絶縁膜が、膜厚方向の誘電効果が等価となるようにシリコン酸化膜に置換したときに、１００ｎｍ以下の膜厚を有する、請求項５〜８のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、
電源と、
前記固体撮像装置と前記電源との間に設けられ、前記固体撮像装置の転送電極を構成する各電極へ印加するための電圧パターンを生成するコントローラとを備えたことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関するものであり、さらに詳しくは、電荷転送デバイス（ＣＣＤ）を用いた固体撮像装置の駆動方法と、この方法を実施するための構造を備えた固体撮像装置、および固体撮像装置を用いたカメラとに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤを用いた固体撮像装置は、フォトダイオードの光電変換機能により生じた信号電荷をフォトダイオードから垂直転送領域へと読み出し、この信号電荷を垂直転送領域内を転送（以下、「垂直転送」ともいう）し、次いで水平転送領域内を転送（以下、「水平転送」ともいう）するように駆動される。
【０００３】
以下、従来の駆動方法の例について図面を参照して説明する。まず、駆動方法の説明に引用する固体撮像装置について、図３１と、図３１におけるＶ−Ｖ方向の部分断面図である図３２とを用いて説明する。この固体撮像装置では、垂直転送電極１７１が、１つのフォトダイオード（受光部）１１０について２つの電極を備えている（例えば、電極１２２，１２３が１つのフォトダイオードに対応）。これらの電極１２１，１２２，，１２７，，には、信号電荷の垂直転送時に、φＶ101〜φＶ104のいずれかの電圧パターンが印加されるように配線されている。基板上に形成された絶縁膜１１８を介して印加される所定の電圧パターンにより、信号電荷は、ｎ型シリコン基板１１５のｐ型ウェル１１６内に形成された垂直転送領域１１７内を転送されていく。次いで、信号電荷は、水平転送領域１１２内を転送され、出力アンプ１１３に到達する。
【０００４】
図示した固体撮像装置において、垂直転送電極１７１に印加される従来の電圧パターンを図３３に示す。電圧パターンφＶ101〜φＶ104は、いずれも、高電圧ＶH、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLから選ばれる電圧に所定時間保持されることにより構成される（図中では、各電圧を添え字Ｈ，Ｍ，Ｌのみにより表示。以下、同様）。このような電圧パターンが垂直転送電極１７１に印加されて、垂直転送領域１１７には、図３４に示すポテンシャルの変化が生じる。
【０００５】
以下、図３４を参照してポテンシャルの変化に伴う信号電荷の転送について説明する。まず、時間ｔ2において、電極１２３，１２７には、電圧パターンφＶ101により高電圧ＶHが印加され、これに伴う電極１２３，１２７下方の垂直転送領域のポテンシャルの上昇により、フォトダイオード１１０に蓄積された信号電荷１０１が読み出される。このとき、信号電荷１０１は、垂直転送方向に配置された１つおきのフォトダイオードから読み出されることになる。一方、残りのフォトダイオードに蓄積された信号電荷１０２は、時間ｔ5において読み出される。これらの信号電荷１０１，１０２は、時間ｔ7において混合され、２フォトダイオード分の信号電荷１０３として、垂直転送領域内を転送されていく。ここでは、図３４に示したように、電極１２３により読み出された信号電荷は、電極１２１により読み出された信号電荷と混合される。
【０００６】
このような電荷の垂直転送を第１のフィールド（Ａフィールド）として、引き続き、第２のフィールド（Ｂフィールド）が実施される。図示を省略するが、Ｂフィールドでは、信号電荷１０１，１０２の混合に際し、Ａフィールドとは異なるもう一つの組み合わせが採用される。したがって、Ｂフィールドでは、電極１２３に印加される電圧により読み出された信号電荷は、時間ｔ7において、隣接する他方の電極１２５に印加される電圧により読み出される信号電荷と混合されることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体撮像装置の小型化および高画素化に伴い、いわゆる飽和特性を維持するために、垂直転送領域における単位面積当たりの取り扱い電荷量を増大させることが望まれている。図３２からも明らかなように、垂直転送領域１１７の取り扱い電荷量を増やすためには、コンデンサの容量増加を図る場合と同様、誘電体として作用する絶縁膜（ゲート絶縁膜）１１８の膜厚は薄いほうが有利となる。
【０００８】
しかしながら、絶縁膜の膜厚を減少させると、固体撮像装置のノイズが増加し、信号電荷の転送効率が低下する。これは、シリコンのアバランシェ降伏と関連している。すなわち、絶縁膜が薄くなるにつれて基板内部に生じる電界が増加し、ついには、シリコンのアバランシェ降伏が生じる電界にまで達する。アバランシェ降伏により発生する電荷の一部は、不要電荷となってノイズ（画像上のいわゆる「白傷状ノイズ」）を誘発する。また、発生する電荷の一部は、絶縁膜にたたき込まれて垂直転送領域内に不均一なポテンシャルを形成し、信号電荷の転送効率を低下させる。
【０００９】
また、固体撮像装置では、消費電力を削減するために、低電圧での駆動が望まれているため、読み出し電圧パルスのピーク電位は低いほうがよい。しかしながら、単に読み出し電圧を低下させたのでは、信号電荷の読み出し残りが生じるおそれがある。特に、ｎ型基板内に形成されたｐ型層内にフォトダイオードが形成されたデバイスでは、ｐ型層の電気抵抗に起因するｐ型層の電位変動のために、より高い読み出し電圧が必要となるため、上記読み出し残りが問題となり易い。
【００１０】
そこで、本発明は、小型化および高画素化した固体撮像装置において、絶縁膜を薄くしても、白傷状ノイズの発生や信号電荷の転送効率低下を抑制する固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。また、本発明は、読み出し電圧パルスのピーク電位を下げることができる固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、これらの駆動方法に適した構造を備えた固体撮像装置、および固体撮像装置を用いたカメラを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、従来の駆動方法では、信号電荷を読み出すために高電圧を印加する電極に隣接する電極に、信号電荷の不要な混合を防止するために、低電圧が印加されていることに着目した。上記に例示した駆動方法に限らず、従来は、信号電荷の読み出し時に、高電圧を印加する電極と低電圧が印加する電極とが隣り合っている。しかし、このような駆動方法では、隣接する電極間の限られたごく狭い空間（例えば、電極間は７０ｎｍ以下にまで狭小化される場合がある）に高い電圧差が生じ、シリコンのアバランシェ降伏が生じる程度の強い電界が発生しやすくなる。そこで、本発明の第１では、この電圧差を緩和する駆動方法を採用することとした。
【００１２】
すなわち、本発明の第１の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備えた固体撮像装置を用い、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置の駆動方法であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すものであり、
さらに、前記信号電荷を前記転送領域へと読み出すときに、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に読み出し電圧ＶHを印加し、
前記読み出し電圧ＶHが印加される電極間に存在し、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接しない前記電極の少なくとも一つに、前記読み出し電圧ＶHよりも低いバリア電圧ＶLを印加し、かつ
前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接する前記電極に、前記読み出し電圧ＶHよりも低く前記バリア電圧ＶLよりも高い中間電圧ＶMを印加することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の駆動方法によれば、信号電荷の読み出し時に、高電圧である読み出し電圧ＶHが付与される電極に隣接する電極に、バリア電圧ＶLよりは高い中間電圧ＶMが付与されているため、隣接する電極間の電圧差を緩和することができる。
【００１４】
なお、本明細書では、電圧の高低を、その絶対値にかかわらず、電位の高低により判断して記載する。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明者は、読み出し電圧ＶHを印加しない電極に電圧を印加すれば、受光部の不純物層の電位を、一時的にシフトさせることができる点に着目した。
【００１６】
すなわち、本発明の第２の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備えた固体撮像装置を用い、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置の駆動方法であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すものであり、
さらに、前記信号電荷を前記転送領域へと読み出すときに、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に、読み出し電圧ＶHの印加を開始する時刻よりも所定の時間だけ前の時刻から前記読み出し電圧ＶHの印加を終了する時刻までの間に、
前記読み出しの対象とする信号電荷が存在する受光部に隣接する前記受光部に対応する前記電極に、前記読み出し電圧ＶHを印加するときの電圧変化と逆の電圧変化を与えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第３の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板内の前記受光部の列に沿って形成された転送領域と、前記転送領域上に配置された複数の電極からなる転送電極とを備えた固体撮像装置を用い、前記受光部に蓄積された信号電荷を、前記受光部から前記転送領域に読み出し、前記複数の電極に電圧を印加しながら前記転送領域内を転送する固体撮像装置の駆動方法であって、
複数の受光部が前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とからなり、前記複数の受光部にそれぞれ３つの電極が対応し、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すものであり、
さらに、前記信号電荷を前記転送領域へと読み出すときに、
読み出しの対象とする前記信号電荷が存在する前記受光部に対応する前記電極に、読み出し電圧ＶHの印加を開始する時刻よりも所定の時間だけ前の時刻から前記読み出し電圧ＶHの印加を終了する時刻までの間に、
前記読み出し電圧ＶHが印加される電極以外であってこの電極に隣接しない前記電極に、前記読み出し電圧ＶHを印加するときの電圧変化と逆の電圧変化を与えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第２および第３の駆動方法によれば、信号電荷の読み出し時に、受光部内の不純物層の電位が、一時的に、読み出し電圧により印加される電位とは逆にシフトする。このため、読み出し残りを生じさせずに信号電荷を読み出すための電圧が低くなる。
【００１９】
しかも、上記第２の駆動方法によれば、電極間の容量結合による読み出し電圧が印加された読み出し電極の電位低下が抑制されている。すなわち、同一の受光部に対応する電極は、当該受光部を介して容量結合した状態にあるが、上記第２の駆動方法では、同一の受光部に対応しない電極に上記逆の電圧変化を与えているため、上記容量結合による読み出し電圧が印加された読み出し電極の電位低下が生じにくい。
【００２０】
また、上記第３の駆動方法によれば、隣接する電極間の電圧差を緩和するために、前記読み出し電圧ＶHが印加される電極に隣接しない前記電極に、前記逆の電圧変化を与えることとしている。
【００２１】
本発明の駆動方法を実施するときには、読み出した信号電荷の転送についても、固体撮像装置のいわゆるゲート数（受光部１つに対応する転送電極の電極数）に応じた更なる工夫を講じることが好ましい。
【００２２】
例えば、いわゆる２ゲートの固体撮像装置（図３１に示したように、複数の受光部が行列状に配置され、転送領域が垂直転送領域であり、垂直転送領域の端部には水平転送領域が接続しており、垂直転送電極において受光部ごとに２つの電極が対応する固体撮像装置）を用いる場合には、垂直転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とから、信号電荷を、上記方法により個別に読み出すこととして、この信号電荷の転送については、
前記第１の受光部群に属する受光部から読み出した第１の信号電荷を、前記第２の受光部群に属する受光部に対応する電極下方の前記垂直転送領域にまで転送し、前記第２の受光部群に属する受光部から第２の信号電荷を読み出すとともに前記第１の信号電荷と混合し、混合した信号電荷をさらに前記垂直転送領域内を前記水平転送領域にまで転送する第１のフィールドの駆動と、
前記第２の受光部群に属する受光部から読み出した第２の信号電荷を、前記第１の受光部群に属する受光部に対応する電極下方の前記垂直転送領域にまで転送し、前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出すとともに前記第２の信号電荷と混合し、混合した信号電荷をさらに前記垂直転送領域内を前記水平転送領域にまで転送する第２のフィールドの駆動と、を含む方法とすることが好ましい。
【００２３】
また、同じく２ゲートの固体撮像装置を用いる場合の好ましい別の方法は、垂直転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とから信号電荷を、上記方法により個別に読み出すこととして、
前記第１の受光部群に属する受光部から読み出した第１の信号電荷を前記垂直転送領域内を前記水平転送領域にまで転送する第１のフィールドの駆動と、
前記第２の受光部群に属する受光部から読み出した第２の信号電荷を前記垂直転送領域内を前記水平転送領域にまで転送する第２のフィールドの駆動と、を含む方法である。
この方法によれば、前記第１の信号電荷と前記第２の信号電荷とが個別に前記水平転送領域にまで転送される。
【００２４】
上記方法では、好ましくは、第１のフィールドと第２のフィールドとが交互に実施される。
【００２５】
また、いわゆる３ゲートの固体撮像装置（転送電極において受光部ごとに３つの電極が対応する固体撮像装置）を用いる場合には、上記２ゲートの固体撮像装置について例示した方法を適用することも可能であるが、以下の方法を採用してもよい。
この方法は、転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群と、前記受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群とから信号電荷を、上記方法により個別に読み出すこととして、
前記第１の受光部群に属する受光部から第１の信号電荷を読み出し、
前記第１の受光部群に属する受光部に対応する前記３つの電極の両端の電極にバリア電圧ＶLを印加し、かつ前記両端の電極に挟まれた中央の電極に中間電圧ＶMを印加して前記中央の電極下方の前記転送領域に前記第１の信号電荷を保持しながら、前記第２の受光部群に属する受光部から信号電荷を読み出す方法である。
【００２６】
また、いわゆる４ゲートまたはそれ以上のゲート数を有する固体撮像装置（転送電極において受光部ごとに４以上の電極が対応する固体撮像装置）を用いる場合には、転送領域に沿って配置された受光部群から信号電荷を同時に読み出す方法を適用することが好ましい。
【００２７】
上記３ゲートおよび４ゲート以上の固体撮像装置の駆動方法においては、読み出した信号電荷を、互いに混合することなく、転送領域内を転送することが可能となる。
【００２８】
さらに本発明は、上記３ゲートの固体撮像装置の駆動方法に適した固体撮像装置を提供する。この固体撮像装置は、半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記受光部の列に沿って前記半導体基板内に形成された転送領域と、前記受光部ごとに３つの電極が対応するように前記転送領域上に配置された転送電極とを備え、
さらに、前記転送領域に沿って一つおきに配置された受光部からなる第１の受光部群に対応する前記電極からなる第１の電極群と、前記第１の受光部群に属する受光部と交互に配置された受光部からなる第２の受光部群に対応する前記電極からなる第２の電極群とに個別に接続する２以上の系統の配線を備えたことを特徴とする。
【００２９】
この固体撮像装置によれば、信号電荷の読み出し時に隣接する電極間の電圧差を緩和し、かつ３層構成の転送電極を用いながらも、第１および第２の受光部群から読み出した信号電荷を、互いに混合せず、独立して転送できる。
【００３０】
また、本発明の固体撮像装置を用いたカメラは、本発明の駆動方法を実施するための電圧パターンを電源から転送電極を構成する各電極に付与するコントローラと、その駆動方法を実施する上記いずれかに記載の固体撮像装置とを備えたことを特徴とする。このカメラでは、転送領域と転送電極との間に形成される絶縁膜が、膜厚方向の誘電効果が等価となるようにシリコン酸化膜に置換したときに、１００ｎｍ以下の膜厚を有するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態を説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態では、いわゆる２ゲートの固体撮像装置の駆動方法の一形態について説明する。図１、および図１のＩ−Ｉ方向の部分断面図である図２に示すように、この固体撮像装置には、シリコン基板内に、互いに離間しながら縦横に配列したフォトダイオード１０が形成されている。このように、行列状に配置されたフォトダイオード１０の間には、フォトダイオードの列に沿って互いに平行に伸長するように垂直転送領域１７が形成されている。垂直転送領域１７は、本実施形態では、ｎ型シリコン基板１５のｐ型ウェル１６内に形成されたｎ型拡散領域である。また、垂直転送領域１７上には、絶縁膜１８を介して、１つのフォトダイオードに対して２つの電極を割り当てた垂直転送電極７１が形成されている。この垂直転送電極７１は、具体的には、２層構成のポリシリコン膜として形成される。
【００３２】
本実施形態では、垂直転送電極７１に、いわゆる４相駆動が適用される。このため、垂直転送電極７１を構成する各電極２１、２２，，２７，，は、４種の電圧パターンφＶ1〜φＶ4のいずれかが印加されるように、４本の配線のいずれかと接続している。各電極と４本の配線との接続は、配列にしたがって規則的に行われる。なお、これらの配線は、図示を省略するコントローラを介して電源と接続している。
【００３３】
この固体撮像装置の駆動方法を、図３および図４を参照して説明する。図３には、垂直転送電極７１に印加される電圧パターンφＶ1〜φＶ4が示されている。各電圧パターンφＶ1〜φＶ4は、高電圧ＶH、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLから選択される電圧に所定時間保持することにより構成される。このような電圧パターンが垂直転送電極に印加されることにより、垂直転送領域には、時間の経過（ｔ1〜ｔ10）とともに、図４に示すポテンシャルの変化が生じる。
【００３４】
時間ｔ2において、φＶ1は読み出しのための高電圧ＶHに保持される。この高電圧ＶHをピークとする時間ｔ2前後の電圧パルスは、読み出し電極となる電極のうち、電極２３，２７に印加され、これらの電極に対応するフォトダイオード１０に蓄積された信号電荷１を、ポテンシャルが上昇（図中Ｈ）した垂直転送領域へと読み出す。このように、本実施形態では、まず、垂直転送方向について一つおきのフォトダイオードから、信号電荷が読み出される。
【００３５】
時間ｔ2において、φＶ3はポテンシャル障壁（図中Ｌ）を形成するための低電圧ＶLに保持される。読み出し時に低電圧ＶLを印加することは、信号電荷１の不要な漏れ出しや混合を防止するためには効果がある。従来、この低電圧ＶLは、信号電荷を読み出す電極２３，２５に隣接する電極２２，２４，２６に与えられていた。しかし、ここでは、信号電荷を読み出す電極と一以上の電極を隔てた位置に存在する電極に低電圧ＶLが印加される。この電極は、信号電荷を読み出す２つの電極２３，２７に着目すると、両電極２３，２７の間に位置する電極２４、２５、２６であって上記両電極２３，２７に隣接しない電極、すなわち、電極２５のみとなる。
【００３６】
一方、時間ｔ2において、φＶ2およびφＶ4は、高電圧ＶHよりも低く低電圧ＶLよりも高い中間電圧ＶMに保持される。こうして、信号電荷を読み出す電極２３，２７に隣接するすべての電極２２，２４，２６には、高電圧ＶHと低電圧ＶLとの間の電圧ＶMが印加されることになる。
【００３７】
このように、中間電圧ＶMが印加される電極を、高電圧ＶHが印加されている電極と低電圧ＶLが印加されている電極との間に介在させることにより、時間ｔ2における垂直転送領域のポテンシャルに、従来よりも段差をなだらかにする中間ステップ（図中Ｍ）を形成することができる。
【００３８】
引き続き、時間ｔ3〜ｔ7において、信号電荷１は垂直転送されていく。この間、各電極には、低電圧ＶLと中間電圧ＶMとが印加される。
【００３９】
時間ｔ8に至った段階で、今度は、読み出し電極となる電極のうち、電極２１，２５に読み出しのための高電圧ＶHが印加され、これらの電極に対応するフォトダイオードから信号電荷２が読み出される。この読み出しのために、時間ｔ8において、φＶ3は高電圧ＶHに保持される。時間ｔ2における分布と同様、時間ｔ8においても、高電圧ＶHが印加されている電極と低電圧ＶLが印加されている電極との間に中間電圧ＶMが印加された電極が介在するように、電圧パターンφＶ1，φＶ2，φＶ4が制御される。
【００４０】
時間ｔ8において新たに読み出された信号電荷２は、信号電荷２が読み出される位置にまで予め転送された信号電荷１と、読み出されると同時に混合される。こうして得られた垂直転送方向フォトダイオード２つ分（２画素分）の信号電荷３が、時間ｔ9〜ｔ10においてさらに垂直転送されていく。
【００４１】
以上説明した信号電荷の読み出しおよび転送の一連の動作をＡフィールドとして、引き続きＢフィールドの一連の動作が実施される。Ｂフィールドにおける、各電圧パターンφＶ1〜φＶ4、および各電圧パターンφＶ1〜φＶ4が印加されることにより生じる垂直転送領域のポテンシャルの変化を、それぞれ図５および図６に示す。
【００４２】
Ｂフィールドでは、Ａフィールドとは逆に、まず、電極２１，２５から信号電荷４が読み出され（時間ｔ2）、その後に電極２３，２７から信号電荷５が読み出されると同時に信号電荷４と混合される（時間ｔ8）。その結果、混合される２画素分の信号電荷６は、Ａフィールドにおいて混合された信号電荷３とは異なるフォトダイオードの組み合わせから得られたものとなる。その他の点では、Ｂフィールドにおける信号電荷の読み出しおよび転送の動作は、Ａフィールドにおける動作と同じである。
【００４３】
本実施形態では、ＡフィールドおよびＢフィールドが交互に行われるように図外コントローラから電圧パルスが印加され、インターレスが実施される。なお、いずれのフィールドにおいても、水平転送領域１２にまで垂直転送されてきた信号電荷は、同領域内をそのまま水平転送され、出力アンプ１３に到達する。信号電荷の水平転送等、上記以降のステップは、従来から実施されてきた方法により行えば足りるので、ここでは説明を省略する。
【００４４】
また、ＶH、ＶM、ＶLの値は、特に制限されないが、例えば、ＶH＝１５Ｖ、ＶM＝０Ｖ、ＶL＝−７Ｖとされる。ＶMは０Ｖとすることが好ましい。
【００４５】
上記固体撮像装置の別の駆動方法として、図３および図４に示した電圧パターンに代えて、図７および図８の電圧パターンφＶ1〜φＶ4を適用してもよい。この電圧パターンでは、時間ｔ2内において、電極２５に印加される電圧が中間電圧ＶM（ｔ20）から低電圧ＶL（ｔ21）に変更される。このように、信号電荷を読み出す電極２３，２７に高電圧ＶHが印加されている期間（ｔ2）に、この読み出しのための電圧変化（ＶMからＶH）とは逆の電圧変化（ここではＶMからＶL）を、信号電荷を読み出す電極以外の電極に与えると、フォトダイオードに形成されている不純物層の電位が上記逆の変化と同様の方向（ＶL側）にシフトする。したがって、フォトダイオードの電位もこの方向にシフトすることになり、読み出しのために必要な電圧も低くなる。こうして、固体撮像装置の駆動電圧の低下が実現できる。
【００４６】
しかも、図７および図８の電圧パターンφＶ1〜φＶ4では、図３および図４に示したパターンと同様、隣接する電極間に印加される電圧差が緩和されている。これは、上記「逆の電圧変化」を、信号電荷を読み出す電極２３，２７に隣接しない電極２５に与えているからである。なお、図７および図８の電圧パターンφＶ1〜φＶ4は、時間ｔ2および時間ｔ8（ｔ8においてもｔ2と同様に逆の電圧変化を印加）における電圧変化を除いては、図３および図４に示したパターンと同じであるため、説明は省略する。なお、図５および図６に対応するＢフィールドの電圧パターンφＶ1〜φＶ4を、図９および図１０に示す。
【００４７】
上記逆の電圧変化は、信号電荷を読み出すための電圧が印加されている期間の直前に与えてもよい。この場合、上記逆の電圧変化を与えてから、信号電荷を読み出す電圧を印加するまでの時間は短いほうが、電位的な非平衡の程度が大きいため、フォトダイオードの電位シフトの効果が大きい。この時間は、上記逆の電圧変化による非平衡状態が解消するまでの期間内とすることが適当である。この期間は、ウェル（ｐ型層）の電気抵抗に応じて変化する平衡状態に戻るまでの時定数によって定まる。通常の不純物層の電気抵抗を考慮すると、この時間は、５μｓ（マイクロ秒）以下、さらに１μｓ以下、特に０．５μｓ以下が好ましい。
【００４８】
なお、逆の電圧変化を与えるのは、読み出し電圧ＶH印加と同時よりも、ＶH印加直前またはＶH印加開始後のほうが大きな効果が得られる。
【００４９】
また、高電圧ＶHが印加される電極２３，２７に対応するフォトダイオードと、上記逆の電圧変化が与えられる電極２１，２５に対応するフォトダイオードとは、同一ではなく互いに隣接している。フォトダイオードは電気的に浮遊状態にあるため、同一のフォトダイオードに対応する電極は、そのフォトダイオードを介して互いに容量結合している。このため、上記逆の電圧変化を信号電荷を読み出すフォトダイオードに対応する電極に与えると、容量結合の影響により、実効的な読み出し電圧が与えた電圧ＶHよりも小さくなってしまう。しかし、上記形態のように、隣接するフォトダイオードに対応する電極に上記逆の電圧変化を与えれば、容量結合の影響を排除しながら、フォトダイオードの電位シフトによる読み出し電圧の低下を実現できる。
【００５０】
（第２の実施形態）
本実施形態では、２ゲートの固体撮像装置の駆動方法の別の一形態について説明する。ここで用いる固体撮像装置は、第１の実施形態で説明した固体撮像装置と同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
本実施形態では、信号電荷が、垂直転送領域で混合されずに独立して転送される。具体的には、図１１および図１２に示すように、Ａフィールドでは、第１の実施形態と同様にして、電極２３，２７に対応するフォトダイオードから、信号電荷１が読み出される。しかし、本実施形態では、信号電荷１は、水平転送領域まで（さらには水平転送領域においても）、他の信号電荷と混合されることなく独立して転送されていく。
【００５２】
Ｂフィールドでは、図１３および図１４に示すように、電極２１，２５から信号電荷２が読み出されるが、この信号電荷も、他の信号電荷と混合されることなく垂直転送され、さらには水平転送されていく。
【００５３】
このように、第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、独立して読み出した信号電荷により、インターレスが行われる。
【００５４】
本実施形態でも、第１の実施形態と同様、信号電荷を読み出すための電圧を印加している間またはこの直前に、「逆の電圧変化」を与えることにより、上記読み出しのための電圧を低くすることができる。このための電圧パターンの例を、図１５〜図１８に示す。以下では特に言及せず、電圧パターンも例示しないが、この点は、第３の実施形態以降でも同様である。
【００５５】
（第３の実施形態）
本実施形態では、いわゆる３ゲートの固体撮像装置の駆動方法の一形態について説明する。３ゲートであっても、基本的には、上記実施形態で説明した方法に準じ、信号電荷を読み出し、転送することは可能である。しかし、ここでは、上記実施形態とは異なり、単一のフィールドにおいて、垂直転送方向に配列したすべてのフォトダイオードから信号電荷を読み出しうる駆動方法について説明する。
【００５６】
このような駆動方法の実施には、図１９および図２０（図１９のII−II方向の部分断面図）に示す固体撮像装置が好適である。従来、３ゲートの固体撮像装置には、いわゆる３相駆動が適用されてきた。しかし、本実施形態の固体撮像装置では、３ゲートの電極４１，４２，，４７，，に全部で６種の配線が接続されており、いわゆる６相駆動が可能とされている。この６相駆動により、上記駆動方法が以下のように実現される。なお、固体撮像装置の基本的な構成については、第１の実施形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００５７】
図２１には、垂直転送電極７２に印加される電圧パターンφＶ1〜φＶ6が示されている。各電圧パターンφＶ1〜φＶ6は、ここでも、高電圧ＶH、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLから選択される電圧に所定時間保持することにより構成される。なお、電圧パターンφＶ1〜φＶ6は、印加される電極群によって、第１系統（φＶ6、φＶ1、φＶ2）および第２系統（φＶ3、φＶ4、φＶ5）とに分類できる。両系統の電圧パターンが印加される電極群は、互いに１つおきに配置された受光部群に対応している。
【００５８】
このように、少なくとも２つの系統に分類できる電圧パターンが、これに対応する少なくとも２系統の配線を介して各電極群に印加されることにより、垂直転送領域には、時間の経過（ｔ1〜ｔ10）とともに、図２２に示すポテンシャルの変化が生じる。
【００５９】
時間ｔ2において、φＶ1は読み出しのための高電圧ＶHに保持される。この高電圧ＶHをピークとする時間ｔ2前後の電圧パルスは、読み出し電極となる電極のうち、電極４３に印加され、この電極に対応するフォトダイオード１０に蓄積された信号電荷１を垂直転送領域に読み出す。時間ｔ2においては、第１および第２の実施形態と同様、垂直転送方向に沿って１つおきのフォトダイオードから信号電荷１が読み出される。
【００６０】
本実施形態でも、時間ｔ2において、φＶ2およびφＶ6は、中間電圧ＶMに保持されて、信号電荷１を読み出す電極４３に隣接するすべての電極４２，４４のポテンシャルを極度に引き下げないようにしている。
【００６１】
また、時間ｔ2において、同時に信号電荷を読み出す電極間に存在し、かつ信号電荷を読み出す電極に隣接しない電極４１，４５，４６，４７は、電圧パターンφＶ3、φＶ4およびφＶ5によって、低電圧ＶLが印加されている。なお、本実施形態では、３つの電極４５，４６，４７に低電圧ＶLが印加されているが、信号電荷の不要な混合を防止するバリアを形成するという低電圧ＶL印加の目的が達成される限り、これらの電極から選ばれる１ないし２の電極にのみ低電圧ＶLを印加しても構わない。
【００６２】
引き続き、時間ｔ3〜ｔ5にかけては、次の信号電荷の読み出しのための準備が行われる。時間ｔ5において、信号電荷１は、読み出された位置（中間電圧ＶMが印加された電極４３下方の垂直転送領域）で保持され、信号電荷の漏れ出しを防止するために、電極４２，４４には、低電圧ＶLが印加される。
【００６３】
このように、読み出した信号電荷１を転送することなく、その場で保持し、かつ全体のポテンシャルを下方にシフトさせた状態で、時間ｔ6において、今度は、別のフォトダイオードから信号電荷２が読み出される。ここでも、信号電荷を読み出す電極４６には高電圧ＶHが、この電極４６に隣接するすべての電極４５，４７には中間電圧ＶMが印加される。このとき、電極４４には、中間電圧ＶMではなく低電圧ＶLが印加されているので、信号電荷１，２の不要な混合も防止される。
【００６４】
こうして、個別に読み出された信号電荷１，２は、時間ｔ8〜ｔ10において、互いに混合されることなく垂直転送され、さらには水平転送されていく。
【００６５】
（第４の実施形態）
本発明は、いわゆる４ゲートまたはそれ以上のゲート数を有する固体撮像装置にも適用できる。本実施形態では、４ゲートの固体撮像装置の駆動方法の一形態について説明する。
【００６６】
本実施形態で用いる固体撮像装置を図２３および図２４（図２３のIII−III方向の部分断面図）に示す。この固体撮像装置は、１受光部に対して４つの電極が準備されている点、各電極３１，３２，，３７，，に対し、４種の配線が接続されて４相駆動が可能とされている点を除いては、上記実施形態で説明した固体撮像装置と同様であるので、ここでは、説明を省略する。
【００６７】
図２５および図２６を参照して、この固体撮像装置の駆動方法を説明する。図２５には、垂直転送電極７３に印加される電圧パターンφＶ1〜φＶ4が示されている。各電圧パターンφＶ1〜φＶ4は、ここでも、高電圧ＶH、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLから選択される電圧に所定時間保持することにより構成される。このような電圧パターンが印加されることにより、垂直転送領域１７には、時間の経過（ｔ1〜ｔ10）とともに、図２６に示すポテンシャルの変化が生じる。
【００６８】
時間ｔ2において、φＶ1は読み出しのための高電圧ＶHに保持される。この高電圧ＶHをピークとする時間ｔ2前後の電圧パルスは、読み出し電極となる電極３３、３７に印加され、これらの電極に対応するフォトダイオード１０に蓄積された信号電荷１を垂直転送領域１７に読み出す。
【００６９】
４ゲート以上の固体撮像装置の場合は、上記各実施形態のように、フォトダイオードを垂直転送方向について「間引く」必要はなく、一回の読み出し動作により、垂直転送方向に沿って配列したすべてのフォトダイオードから信号電荷１を読み出すことが可能となる。
【００７０】
本実施形態でも、時間ｔ2において、φＶ2およびφＶ4は、中間電圧ＶMに保持されて、信号電荷１を読み出す電極３３、３７に隣接するすべての電極３２，３４，３６下方の垂直転送領域におけるポテンシャルの低下を緩和している。また、時間ｔ2において、φＶ3は、低電圧ＶLに保持されて、電極３１，３５下方の垂直転送領域のポテンシャルを、不要な信号電荷の混合が防止される程度にまで低下させている。
【００７１】
時間ｔ3以降において、信号電荷１は、混合されることなく、独立して垂直転送されていく。本実施形態では、同一のフィールドにおいて、フォトダイオードから信号電荷を読み出す動作を複数回行う必要はない。
【００７２】
以上説明した実施の形態によれば、いずれの場合も、信号電荷の読み出し時にシリコン基板に与えられる電界を低下させることができるため、シリコンのアバランシェ降伏に伴う、ノイズの発生や転送効率の低下を抑制することができる。
【００７３】
本発明の実施に際しては、固体撮像装置のアプリケーションに応じ、上記各実施形態および上記各実施形態から自明の形態から、適宜、適切な形態を採用することが好ましい。
【００７４】
例えば、いわゆる４ゲートの固体撮像装置を用いた第４の実施形態は、一回の読み出し動作によりすべてのフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出すことができるから、画像情報を表示する上でのタイムラグを短縮したい場合には好適である。一方、２ゲートの固体撮像装置を用いた上記実施形態は、垂直転送領域における飽和電荷量を考慮すると有利となる。これらの形態では、例えば図８に典型的に示されているように、信号電荷の転送中の蓄積領域として、垂直転送方向に１フォトダイオード分に相当する長さを備えた垂直転送領域を使用できるからである。
【００７５】
もっとも、本発明の駆動方法を適用すれば、特定の形態を採用しなくても、固体撮像装置の飽和特性を向上させることが可能となる。この点を図１９〜図２２を参照して以下に説明する。
【００７６】
固体撮像装置の小型化および高精細化による垂直転送領域の飽和電荷量の制限は、特にフォトダイオードに多量の信号電荷が蓄積された場合には、信号電荷の読み出し残りを発生させていた。すなわち、図２７に示した、図３１の固体撮像装置の信号電荷読み出し部分近傍において、入射光により生じ、フォトダイオード１１０に蓄積された信号電荷は、電極１２３により、垂直転送領域１１７に読み出される。
【００７７】
このとき、垂直転送領域１１７には、読み出しのための高電圧ＶHが印加され、ポテンシャルが上昇しているため、信号電荷１０５は、図２８(ａ)に示すように、フォトダイオード１１０から垂直転送領域１１７へと移動する。しかし、垂直転送領域１１７の面積が制限され、しかも信号電荷１０５が多量に生じていると、図２８(ｂ)に示すように、垂直転送領域のポテンシャルは、読み出された信号電荷１０６によって、すべての信号電荷を受け入れる前にフォトダイオード１１０と同程度にまで低下する。その結果、フォトダイオード１１０と垂直転送領域１１７との間の領域（いわゆる読み出し制御領域）におけるポテンシャル１０７の傾きが水平に近くなる、もしくは読み出し制御領域にバリアが発生し、フォトダイオードに信号電荷１０５が残ることになる。このような信号電荷の読み出し残り（非空乏化）は、残像となって固体撮像装置の画質を劣化させる。
【００７８】
しかし、本発明によれば、読み出しのための高電圧ＶHが印加される電極に隣接する電極に中間電圧ＶMが印加されるために、従来よりも、信号電荷を受け入れる垂直転送領域の飽和容量が増大する。すなわち、図２９と図３０との比較から明らかであるが、本発明の駆動方法を適用すると、垂直転送方向において隣接する電極に中間電圧ＶMが印加されているために、垂直転送領域１７では、従来のように上記隣接する電極に低電圧ＶLが印加されている垂直転送領域１１７よりも、信号電荷を受け入れる容量が増加し、読み出された信号電荷によるポテンシャルの低下も緩和される。
【００７９】
このように、本発明の駆動方法によれば、画像情報上のノイズの発生や信号電荷の転送効率の向上のみならず、小型化および高精細化により面積が制限される垂直転送領域の信号電荷の受け入れ容量の増大も実現することができる。
【００８０】
本発明の駆動方法は、シリコン基板上に形成される絶縁膜が薄い固体撮像装置に特に有効となる。絶縁膜がシリコン酸化膜の場合には、その膜厚が１００ｎｍ以下、好ましくは６０ｎｍ以下であれば、本発明の駆動方法の効果を十分に得ることができる。絶縁膜が他の材料から構成される場合には、各材料の誘電率と酸化シリコンとの誘電率との比に基づいて、膜厚方向の誘電効果が等価となるようにシリコン酸化膜に換算し、その膜厚が１００ｎｍ以下であれば、同様に、本発明の効果を十分に得ることができる。
【００８１】
絶縁膜が複数の層からなる場合にも、シリコン酸化膜の単一層に換算して上記判断を適用できる点は、同様である。例えば、膜厚５０ｎｍのシリコン酸化膜上に膜厚２０ｎｍのシリコン窒化膜を形成した２層構成の絶縁膜は、膜厚方向の誘電効果に関しては、膜厚６０ｎｍのシリコン酸化膜と等価となる。なお、このようなシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との２層構成を採用すると、フォトダイオード上方における反射防止効果によって感度を向上させることも可能となる。
【００８２】
以上、各実施形態では、すべて、垂直転送電極として形成した電極を、信号電荷読み出しのための読み出し電極として用いたが、本発明は、これに限ることなく、読み出し電極を独立に設けた固体撮像装置に対しても適用できる。また、垂直転送領域と水平転送領域とを備えたいわゆるエリアセンサに限らず、リニアセンサについても適用が可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、小型化および高画素化した固体撮像装置において、白傷状ノイズの発生や信号電荷の転送効率低下を抑制することができる。また、駆動電圧の低電圧化を実現しながらも、小型化および高画素化に伴う信号電荷の読み出し残りを抑制することが可能となる。
【００８４】
本発明の駆動方法は、基本的に、従来から用いられてきた固体撮像装置にも、新たな電源等をさらに準備することなく、垂直転送電極に印加されるコントローラによる各電圧パターンの制御を変更すれば、実施可能となる。信号電荷転送の設計思想に応じてコントローラによる電圧パターンを制御すること自体は、当業者にとっては公知であるから、固体撮像装置のいわゆるゲート数に応じて上記で例示した代表的な各実施形態等、本明細書および添付図面の記載を参照することにより、当業者にとって本発明は容易に実施可能となる。固体撮像装置の小型化、高画素化がさらに進展している状況を鑑みると、本発明の産業上の利用価値は極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の駆動方法を適用できる固体撮像装置の一形態（いわゆる２ゲートの固体撮像装置）を示す平面図である。
【図２】  図１に示した固体撮像装置のＩ−Ｉ方向の部分断面図である。
【図３】  図１および図２に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する電圧パターンの一形態における、第１のフィールド（Ａフィールド）を示す図である。
【図４】  図３に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図５】  図１および図２に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する電圧パターンの上記一形態における、第２のフィールド（Ｂフィールド）を示す図である。
【図６】  図５に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図７】  図３の電圧パターンの別の例を示す図である。
【図８】  図７に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図９】  図５の電圧パターンの別の例を示す図である。
【図１０】  図９に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図１１】  図１および図２に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する電圧パターンの別の一形態における、第１のフィールド（Ａフィールド）を示す図である。
【図１２】  図１１に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図１３】  図１および図２に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する電圧パターンの上記別の一形態における、第２のフィールド（Ｂフィールド）を示す図である。
【図１４】  図１３に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図１５】  図１１の電圧パターンの別の例を示す図である。
【図１６】  図１５に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図１７】  図１３の電圧パターンの別の例を示す図である。
【図１８】  図１７に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図１９】  本発明の駆動方法を適用するための固体撮像装置の一形態（いわゆる３ゲートの固体撮像装置）を示す平面図である。
【図２０】  図１９に示した固体撮像装置のII−II方向の部分断面図である。
【図２１】  図１９および図２０に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する電圧パターンの一形態を示す図である。
【図２２】  図２１に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図２３】  本発明の駆動方法を適用するための固体撮像装置の一形態（いわゆる４ゲートの固体撮像装置）を示す平面図である。
【図２４】  図２３に示した固体撮像装置のIII−III方向の部分断面図である。
【図２５】  図２３および図２４に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する電圧パターンの一形態を示す図である。
【図２６】  図２５に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【図２７】  固体撮像装置の一般的な構成における、信号電荷が読み出される方向に沿った断面を示す図である。
【図２８】  図２７に示した固体撮像装置における信号電荷の読み出し残りを説明するための図である。
【図２９】  信号電荷の読み出しに伴う垂直転送領域のポテンシャルの変化における、従来の駆動方法による例を示す図である。
【図３０】  信号電荷の読み出しに伴う垂直転送領域のポテンシャルの変化における、本発明の駆動方法による例を示す図である。
【図３１】  従来の駆動方法を説明するための固体撮像装置の平面図である。
【図３２】  図３１に示した固体撮像装置のＶ−Ｖ方向の部分断面図である。
【図３３】  図３１および図３２に示した固体撮像装置を駆動するために、垂直転送電極に印加する従来の電圧パターンにおける、第１のフィールド（Ａフィールド）を示す図である。
【図３４】  図３３に示した電圧パターンを印加することにより固体撮像装置の垂直転送領域に生じるポテンシャルの変化を示した図である。
【符号の説明】
１，２，４，５      信号電荷
３，６              混合された信号電荷
１０                フォトダイオード（受光部）
１２                水平転送領域
１３                出力アンプ
１７                垂直転送領域
１８                絶縁膜
２１〜２７，３１〜３７，４１〜４７  垂直転送電極を構成する各電極
７１，７２，７３    垂直転送電極
【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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【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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