(57)【要約】  本発明は、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することが可能な固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とするものである。本発明は、フォトダイオード（２１０）と、複数の転送電極を有する垂直ＣＣＤ（２２０）とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、読み出し電極のうちの所定の転送電極を電位ＶHとすることによりフォトダイオード（２１０）から信号電荷を読み出し、電位ＶMと電位ＶLを持つ駆動パルスを転送電極に印加することにより信号電荷を列方向に転送し、読み出し電極は、これに隣接する転送電極よりも大きな面積を有し、信号電荷の読み出しでは、電位ＶHが印加されている間は、所定の読み出し電極に隣接する一方の転送電極を電位ＶMとし、かつ所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び所定の電極以外の読み出し電極の電位を変化させる。
2009078173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配置された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出す読み出しステップと、
前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送する転送ステップとを含み、
前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有し、
前記読み出しステップでは、前記所定の読み出し電極に前記第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させる
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記転送ステップでは、前記複数の転送電極に５相以上の駆動パルスが印加される
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記転送電極が１２相の垂直ＣＣＤで構成されており、
前記転送ステップでは、静止画を撮影する駆動モードでは１２相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動し、画素混合を行う一部のモードでは６相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動する
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記転送電極が１２相の垂直ＣＣＤで構成されており、
前記転送ステップでは、静止画を撮影する駆動モードでは１２相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動し、画素混合を行う一部のモードでは６相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
行列状に配置された複数のフォトダイオードと、
前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段と、
前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出し、前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送し、前記信号電荷の読み出しでは、前記所定の読み出し電極に第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２の電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を第２電位から第３電位又は第３電位から第２電位に変化させる転送制御手段とを備え、
前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関し、特に垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ等の撮像装置を構成する固体撮像装置には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置が利用されている。ＣＣＤ型固体撮像装置においては、光入射によりフォトダイオードで生成した信号電荷が垂直ＣＣＤに読み出され、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより電荷検出部（ＦＤ部）まで転送される。【０００３】
このようなＣＣＤ型固体撮像装置において、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへの読み出し電圧を低くし、消費電力の低減を図った場合、図２１に示されるような問題が生じる。すなわち、転送電極（読み出し電極）５２３Ｃに印加される読み出し電圧φＶ１が低くなると、チャネルストップ５２８のポテンシャル変動（ＧＮＤ≧正方向の変動）の影響が大きくなり、フォトダイオード５２４に蓄積された信号電荷の一部が垂直ＣＣＤ５２５に読み出されず、信号電荷の読み出し残りが生じるのである。このような問題を解決する技術として特許文献１に記載の固体撮像装置の駆動方法がある。【０００４】
この駆動方法においては、転送電極５２３Ｃに読み出し電圧φＶ１を印加する際に、読み出し電圧φＶ１に対して逆極性に遷移された逆変調パルスをこの転送電極５２３Ｃに隣接する転送電極に印加している。これにより、図２２に示されるように、転送電極５２３Ｃ下にあるチャネルストップ５２８のポテンシャル変動の影響を抑えることができるため、フォトダイオード５２４の信号電荷の読み出し残りの発生を防止できる。
【特許文献１】特開平７−３２２１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年の微細化に伴い信号電荷読み出しに必要な読み出しチャンネル幅を確保するため、読み出し電圧が印加される読み出し電極５２３Ｃに隣接する転送電極の面積は該読み出し電極にくらべ小さくなってきており、読み出し電圧φＶ１を印加する際に、読み出し電圧φＶ１に対して逆極性に遷移された逆変調パルスをこの読み出し電極５２３Ｃに隣接する転送電極に印加したとしても、読み出し電極５２３Ｃ下にあるチャネルストップ５２８のポテンシャル変動の影響を十分におさえることが困難になってきている。特にセルサイズが２．４μｍサイズ以下となるまで微細化された場合には、この問題がより顕著になる。【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することが可能な固体撮像装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出す読み出しステップと、前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送する転送ステップとを含み、前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有し、前記読み出しステップでは、前記所定の読み出し電極に前記第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させることを特徴とする。ここで、前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させてもよい。【０００８】
これにより、フォトダイオードの信号電荷が読み出されるときに、第１電位つまり読み出し電圧が印加されている転送電極（所定の読み出し電極）に隣接する転送電極の一方、及び読み出し電圧が印加されている転送電極以外の前記第１電位とされる転送電極（所定の読み出し電極以外の読み出し電極）を含む２つ以上の転送電極の電位を変化させる。従って、特許文献１に記載の駆動方法と比較して読み出し電圧が印加された転送電極下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに同転送電極下のポテンシャル形状がフォトダイオードから転送電極に向かって漸次下がる傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオードの信号電荷の読み出し残りの発生が防止されるので、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することができる。【０００９】
また、前記複数の転送電極に前記駆動パルスを供給する配線は、シャント配線構造を有してもよい。【００１０】
これによって、信号電荷の高速転送を実現できる。【００１１】
また、前記転送ステップでは、前記複数の転送電極に５相以上の駆動パルスが印加されてもよい。【００１２】
これによって、固体撮像装置の小型化に伴い画素が微細化され、信号電荷の転送容量が小さくなった場合においても、十分な転送容量を確保することができ、固体撮像装置の小型化と、感度特性、スミア特性及び飽和特性等の画像特性の向上との両立を実現することができる。【００１３】
また、前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させてもよい。また、前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させてもよい。【００１４】
これによって、読み出し電圧が印加された転送電極下のポテンシャル形状がフォトダイオードから転送電極に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオードの信号電荷の読み出し残りの発生が高確率で防止されるので、読み出し電圧を大きく低減することができる。【００１５】
また本発明は、行列状に配置された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段と、前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出し、前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送し、前記信号電荷の読み出しでは、前記所定の読み出し電極に第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２の電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を第２電位から第３電位又は第３電位から第２電位に変化させる転送制御手段とを備え、前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有することを特徴とする固体撮像装置とすることもできる。【００１６】
これによって、読み出し電圧を低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、同実施の形態の固体撮像素子の詳細な構成を示す図である。
【図３】図３は、同実施の形態の垂直ＣＣＤの電極構造を示す上面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すタイミングチャートである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示す電荷転送イメージ図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図５Ａ】図５Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すタイミングチャートである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図６Ａ】図６Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すタイミングチャートである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示す電荷転送イメージ図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図７Ａ】図７Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すタイミングチャートである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示す電荷転送イメージ図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図８Ａ】図８Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すタイミングチャートである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示す電荷転送イメージ図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施の形態の固体撮像装置（固体撮像素子）の構造を示す上面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、同実施の形態の固体撮像素子の断面図（図９のＡ−Ａ’線における断面図）である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、同実施の形態の固体撮像素子の断面図（図９のＢ−Ｂ’線における断面図）である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子の構造を示す上面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子の構造を示す上面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。
【図１３】図１３は、垂直ＣＣＤの転送効率の劣化が起こるメカニズムを説明するための固体撮像素子の断面図である。
【図１４】図１４は、読み出し電圧の波形を示す図である。
【図１５】図１５は、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子の断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第１及び第２の実施の形態の変形例の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図１７】図１７は、同変形例の固体撮像素子の詳細な構成を示す図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すタイミングチャートである。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示す電荷転送イメージ図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すタイミングチャートである。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方式を示すタイミングチャートである。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方式を示す電荷転送イメージ図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方式を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図２１】図２１は、信号電荷の読み出し残りを説明するための図である。
【図２２】図２２は、特許文献１に記載の固体撮像装置の駆動方法における信号電荷の読み出し方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００    固体撮像素子
１１０    クロックドライバ（ＶＤｒ）
１２０    前処理部（ＣＤＳ／ＡＧＣ）
１３０    デジタル信号処理部（ＤＳＰ）
１４０    タイミングジェネレータ（ＴＧ）
２１０、４６０、５２４    フォトダイオード
２２０、４７０、５２５    垂直ＣＣＤ
２３０    水平ＣＣＤ
２４０    出力アンプ
３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、４４０、４７３ａ、４７３ｂ、４７３ｃ    導電性遮光膜
３２０、４５０、４７４    コンタクト
３３０、４７３    遮光膜
４００    周辺配線
４１０    φＶ電極
４３０    撮像領域
４７１、４７１ａ、４７１ｂ、４７１ｃ、５２３Ｃ    転送電極
４７２    ゲート絶縁膜
５２８    チャネルストップ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法について、図面を参照しながら説明する。【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は本実施の形態の固体撮像装置の概略構成を示す図である。【００２２】
図１より、入射光を光電変換し、光電変換することにより生じた信号電荷を転送するＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、クロックドライバ（ＶＤｒ）１１０と、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＤＣ（アナログ・デジタル変換）の処理を行なう前処理部（ＣＤＳ／ＡＧＣ）１２０と、画素補間や輝度・色差処理等を行なって映像信号を出力するデジタル信号処理部（ＤＳＰ）１３０と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１４０とを備える。【００２３】
ＶＤｒ１１０は、ＴＧ１４０から出力されたロジック信号Ｖ１〜Ｖ６、ＣＨ１、２、３から駆動パルスφＶ１〜φＶ６を生成し、駆動パルスφＶ１〜φＶ６を固体撮像素子１００に供給し、垂直ＣＣＤによる電荷転送を制御する。駆動パルスφＶ１〜φＶ６は、ハイレベルの電位ＶH、電位ＶHよりも低いミドルレベルの電位ＶM、及び電位ＶMよりも低いローレベルの電位ＶLの３つの電位を持つパルスである。例えば、駆動パルスφＶ１〜φＶ６は、電位ＶHとしての１２Ｖ、電位ＶMとしての０Ｖ、及び電位ＶLとしての−６Ｖの３つの電位を持つパルスとされる。なお、ＶＤｒ１１０は、本発明の転送制御手段の一例である。【００２４】
ＴＧ１４０は、ＤＳＰ１３０から水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤ及びクロック信号ＭＣＫの各パルスの入力を受け、固体撮像素子１００の駆動に用いられる駆動パルスφＨ１、φＨ２、φＲと、ロジック信号Ｖ１〜Ｖ６、ＣＨ１、２、３とを生成するとともに、前処理部１２０及びＤＳＰ１３０に信号処理パルスＰＲＯＣを出力する。【００２５】
図２は、本実施の形態の固体撮像素子１００の詳細な構成を示す図である。【００２６】
この固体撮像素子１００では、シリコン基板に複数のフォトダイオード２１０、複数の垂直ＣＣＤ２２０、水平ＣＣＤ２３０及び出力アンプ２４０が形成されている。【００２７】
複数のフォトダイオード２１０は、行列状（２次元状）に配置され、光電変換した信号電荷を蓄積する。各フォトダイオード２１０の上には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３色のカラーフィルタがそれぞれ配置されている。【００２８】
垂直ＣＣＤ２２０は、複数のフォトダイオード２１０の列毎に設けられた、転送電極Ｖ１〜Ｖ６を有する６相駆動のＣＣＤである。転送電極Ｖ１〜Ｖ６にはそれぞれ駆動パルスφＶ１〜φＶ６が印加される。垂直ＣＣＤ２２０では、駆動パルスφＶ１〜φＶ６の印加に応じてフォトダイオード２１０から読み出された信号電荷が列方向（図２のｂ方向）に転送される。【００２９】
水平ＣＣＤ２３０は、転送電極Ｈ１及びＨ２を有する２相駆動のＣＣＤである。転送電極Ｈ１及びＨ２にはそれぞれ駆動パルスφＨ１及びφＨ２が印加される。水平ＣＣＤ２３０は、駆動パルスφＨ１及びφＨ２の印加に応じて複数の垂直ＣＣＤ２２０により転送された信号電荷を行方向（図２のａ方向）に転送する。【００３０】
図３は、垂直ＣＣＤ２２０の電極構造を示す上面図である。【００３１】
図３より、垂直ＣＣＤ２２０の隣接する２つの転送電極は、一方の面積が他方の面積よりも大きい。具体的には、転送電極Ｖ１、Ｖ３及びＶ５の面積が転送電極Ｖ２、Ｖ４及びＶ６の面積よりも大きい。これにより、フォトダイオード２１０の信号電荷の読み出し通路上に設けられ、フォトダイオード２１０からの信号電荷の読み出しと、読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う転送電極（読み出し電極）の面積が大きくなる。言い換えると、フォトダイオード２１０の信号電荷の読み出し電圧、つまり電位ＶHが印加される転送電極（読み出し電極）の面積が大きくなる。その結果、画素を微細化した場合でも、信号電荷の読み出しに必要な読み出しチャンネル幅を確保することができる。【００３２】
なお、図３では、垂直ＣＣＤ２２０の隣接する２つの転送電極はその一部が互いにオーバーラップする２層構造で形成され、２層構造を有しているが、本発明の実施の形態に係わる固体撮像装置は、後述する図９のように垂直ＣＣＤ２２０の隣接する２つの転送電極がオーバーラップせずに、２つの転送電極が接するように形成された単層構造であってもよい。単層構造の場合は、転送電極間のカップリング容量を低減させることが出来る。【００３３】
図４Ａ〜図４Ｃは、上記構造を有する垂直ＣＣＤ２２０における信号電荷の転送方法を示す図である。図４Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図４Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図４Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。なお、同転送方法は、本発明の固体撮像装置の駆動方法の一例である。【００３４】
時間ｔ１において、駆動パルスφＶ４はローレベルにあり、転送電極Ｖ４には電位ＶLが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ３及びＶ５〜Ｖ６下に形成される。【００３５】
時間ｔ２において、駆動パルスφＶ１はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ１には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ１に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷が転送電極Ｖ１下に読み出される。転送電極Ｖ１に電位ＶHが印加されているときには、駆動パルスφＶ２はミドルレベルとされており、転送電極Ｖ１に隣接する一方の転送電極Ｖ２には電位ＶMが印加されている。【００３６】
時間ｔ３において、駆動パルスφＶ５は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ５の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が防止される。本発明では、読み出し電圧が印加される転送電極（読み出し電極）のうちの読み出し電圧が印加されている所定の転送電極以外の転送電極であって、後の信号電荷の読み出しにおいて読み出し電圧が印加される大きな面積を有する転送電極（本実施の形態では転送電極Ｖ１、Ｖ３及びＶ５が大きな面積となる）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。【００３７】
時間ｔ４において、駆動パルスφＶ６は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ６の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がさらに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が高確率で防止される。【００３８】
時間ｔ５において、駆動パルスφＶ１はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ１には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ３のポテンシャル井戸に転送される。【００３９】
時間ｔ６において、駆動パルスφＶ４はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ４には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ４及びＶ６下のポテンシャル井戸に転送される。【００４０】
図５Ａ〜図５Ｄは、上記構造を有する垂直ＣＣＤ２２０における信号電荷の混合（画素混合）を示す図である。図５Ａは同信号電荷の混合を示すタイミングチャートであり、図５Ｂは同信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図であり、図５Ｃ及び図５Ｄは同信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。【００４１】
時間ｔ１において、駆動パルスφＶ５及びφＶ６はローレベルにあり、転送電極Ｖ５及びＶ６には電位ＶLが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ４下に形成される。【００４２】
時間ｔ２において、駆動パルスφＶ５はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ５には電位ＶMが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ５下に形成される。【００４３】
時間ｔ３において、駆動パルスφＶ３はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ３には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ３に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷（図５Ｃにおけるａ）が転送電極Ｖ３下に読み出される。転送電極Ｖ３に電位ＶHが印加されているときには、転送電極Ｖ３に隣接する一方の転送電極Ｖ４には電位ＶMが印加されている。【００４４】
時間ｔ４において、駆動パルスφＶ１は駆動パルスφＶ３と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ１の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ３下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ３下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化するので、読み出し残りの発生が防止される。本発明では、読み出し電圧が印加される転送電極（読み出し電極）のうちの読み出し電圧が印加されている所定の転送電極以外の転送電極であって、後の信号電荷の読み出しにおいて読み出し電圧が印加される大きな面積を有する転送電極（本実施の形態では転送電極Ｖ１、Ｖ３及びＶ５が大きな面積となる）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。【００４５】
時間ｔ５において、駆動パルスφＶ２は駆動パルスφＶ３と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ２の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ３下のポテンシャル形状がさらに変化するので、読み出し残りの発生が高確率で防止される。【００４６】
時間ｔ６において、駆動パルスφＶ３はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ３には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ３〜Ｖ５下のポテンシャル井戸に転送される。【００４７】
時間ｔ７〜ｔ１２において、駆動パルスφＶ１〜φＶ４及びφＶ６の電位を変化させることで、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ３、Ｖ５及びＶ６下のポテンシャル井戸に転送される。【００４８】
時間ｔ１３において、駆動パルスφＶ１はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ１には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ１に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷（図５Ｃにおけるｂ）が転送電極Ｖ１下に読み出され、既に読み出された信号電荷（図５Ｃにおけるａ）と混合される。転送電極Ｖ１に電位ＶHが印加されているときには、転送電極Ｖ１に隣接する一方の転送電極Ｖ２には電位ＶMが印加されている。【００４９】
時間ｔ１４において、駆動パルスφＶ５は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ５の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化するので、読み出し残りの発生が防止される。【００５０】
時間ｔ１５において、駆動パルスφＶ６は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ６の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がさらに変化するので、読み出し残りの発生が高確率で防止される。【００５１】
時間ｔ１６〜ｔ２２において、ｔ６〜ｔ１２までと同様の動作が行われ、混合された信号電荷（図５Ｃにおけるａ＋ｂ）が転送電極Ｖ３〜Ｖ６及びＶ１下のポテンシャル井戸に転送される。【００５２】
時間ｔ２３において、駆動パルスφＶ５はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ５には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ５に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷（図５Ｄにおけるｃ）が転送電極Ｖ５下に読み出され、既に混合された信号電荷（図５Ｄにおけるａ＋ｂ）と混合される。転送電極Ｖ５に電位ＶHが印加されているときには、転送電極Ｖ５に隣接する転送電極Ｖ６には電位ＶMが印加されている。【００５３】
時間ｔ２４において、駆動パルスφＶ３は駆動パルスφＶ５と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ３の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ５下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ５下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化するので、読み出し残りの発生が防止される。【００５４】
時間ｔ２５において、駆動パルスφＶ４は駆動パルスφＶ５と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ４の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ５下のポテンシャル形状がさらに変化するので、読み出し残りの発生が高確率で防止される。【００５５】
時間ｔ２６〜３１において、混合された信号電荷（図５Ｄにおけるａ＋ｂ＋ｃ）が水平ＣＣＤ２３０に向けて転送される。【００５６】
以上のように、本実施の形態の信号電荷の転送方法によれば、フォトダイオード２１０の信号電荷が読み出されるときに、読み出し電圧としての電位ＶHが印加されている転送電極（例えば図４Ａ〜図４Ｃの転送電極Ｖ１）に隣接する転送電極の一方は電位ＶMが印加され、読み出し電圧が印加されている転送電極に隣接する他方の転送電極（例えば図４Ａ〜図４Ｃの転送電極Ｖ６）、及び読み出し電圧が印加されている転送電極以外の別のタイミングで読み出し電圧が印加される転送電極（例えば図４Ａ〜図４Ｃの転送電極Ｖ５）の２つの転送電極の電位が変化される。従って、読み出し電圧が印加された転送電極下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに同転送電極下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が防止されるので、読み出し電圧を低減することができる。本発明では大きな面積を有する転送電極（本実施の形態ではＶ１、Ｖ３及びＶ５）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。読み出し残りが発生した場合、フォトダイオード２１０毎の信号電荷の読み出し量のばらつきが生じるため、画像のざらつき等の画像不良が発生する。よって、読み出し残りの発生の防止は、画像不良の防止につながる。【００５７】
なお、本実施の形態の信号電荷の転送方法において、読み出し電圧が印加されている転送電極に隣接する一方の転送電極、及び読み出し電圧が印加されている転送電極以外の別のタイミングで読み出し電圧が印加される転送電極の２つの転送電極の電位が変化されるとしたが、前記２つの転送電極を含む３つの転送電極の電位を変化させても良い。更に一度変化させた転送電極を複数回変化させてもよい。【００５８】
図６Ａ〜図６Ｃ及び図７Ａ〜図７Ｃは、この場合の信号電荷の転送方法を示す図である。図６Ａ及び図７Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図６Ｂ及び図７Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図６Ｃ及び図７Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。【００５９】
図６Ａ〜図６Ｃの信号電荷の転送方法は、時間ｔ４において駆動パルスφＶ６がローレベルに変化後（転送電極Ｖ６の電位はＶL）、ｔ５において駆動パルスφＶ６が再び変化されてミドルレベルとされ、転送電極Ｖ６の電位のみが電位ＶMに変化されるという点で図４Ａ〜図４Ｃに示される信号電荷の転送方法と異なる。図７Ａ〜図７Ｃの信号電荷の転送方法は、時間ｔ５において駆動パルスφＶ４のみが変化されてミドルレベルとされ、転送電極Ｖ４の電位のみが電位ＶMに変化されるという点で図４Ａ〜図４Ｃに示される信号電荷の転送方法と異なる。いずれの場合にも、本実施の形態の信号電荷の転送方法と比較してポテンシャル井戸が大きくなるので、電荷転送容量を大きくすることができる。従って、固体撮像装置の小型化に伴い画素が微細化され、垂直ＣＣＤの転送容量が小さくなった場合においても、十分な転送容量を確保することができ、固体撮像装置の小型化と、感度特性、スミア特性及び飽和特性等の画像特性の向上との両立を実現することができる。【００６０】
また、本実施の形態の信号電荷の転送方法において、読み出し電圧が印加されている期間における２つの転送電極の一方の電位が変化された後で他方の転送電極の電位を変化させるとしたが、２つの転送電極の電位を同時に変化させても良い。図８Ａ〜図８Ｃは、この場合の信号電荷の転送方法を示す図である。図８Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図８Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図８Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。【００６１】
この信号電荷の転送方法は、時間ｔ３において駆動パルスφＶ５及びφＶ６が共に変化されてローレベルとされて転送電極Ｖ５及びＶ６の電位が共に電位ＶLに変化されるという点で図４Ａ〜図４Ｃに示される信号電荷の転送方法と異なる。【００６２】
（第２の実施の形態）
本実施の形態の固体撮像装置は、転送電極Ｖ１〜Ｖ６に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造を有するという点で第１の実施の形態と異なる。すなわち、本実施の形態の固体撮像装置では、垂直ＣＣＤ上に設けられ、垂直ＣＣＤの垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）への光の入射を防止する遮光膜が導電性遮光膜とされ、垂直ＣＣＤの転送電極に駆動パルスを供給するための配線として機能している。【００６３】
図９は、本実施の形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の構造を示す上面図である。図１０Ａは、同固体撮像素子の断面図（図９のＡ−Ａ’線における断面図）である。図１０Ｂは、同固体撮像素子の断面図（図９のＢ−Ｂ’線における断面図）である。【００６４】
この固体撮像素子は、垂直ＣＣＤ上つまり転送電極Ｖ１〜Ｖ６上に配設された列方向（図９のｂ方向）に走る導電性遮光膜３００ａ、３００ｂ及び３００ｃと、行方向（図９のａ方向）に走る遮光膜３３０とを備える。導電性遮光膜３００ａ、３００ｂ及び３００ｃは、それぞれ行方向で電気的に分離されている。導電性遮光膜３００ａは、コンタクト３２０を介して転送電極Ｖ３と電気的に接続され、転送電極Ｖ３に駆動パルスφＶ３を供給する。導電性遮光膜３００ｂは、コンタクト３２０を介して転送電極Ｖ２と電気的に接続され、転送電極Ｖ２に駆動パルスφＶ２を供給する。導電性遮光膜３００ｃは、コンタクト３２０を介して転送電極Ｖ１と電気的に接続され、転送電極Ｖ１に駆動パルスφＶ１を供給する。【００６５】
以上のように本実施の形態の固体撮像装置によれば、垂直ＣＣＤにおいて第１の実施の形態と同様の信号電荷の転送方法により信号電荷が転送される。従って、読み出し電圧を低減することができる。【００６６】
また、本実施の形態の固体撮像装置によれば、固体撮像素子の転送電極Ｖ１〜Ｖ６に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造を有する。従って、信号電荷の高速転送が可能になる。これについて以下で詳述する。【００６７】
図１１Ａは転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子の構造を示す上面図であり、図１１Ｂは同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。図１２Ａは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子の構造を示す上面図であり、図１２Ｂは同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。【００６８】
いずれの固体撮像素子においても、入力端子に金属材料から構成される周辺配線４００が接続され、この周辺配線４００にポリシリコン材料から構成されるφＶ電極４１０が接続されている。ポリシリコン材料は抵抗成分が高いため、φＶ電極４１０を伝達する駆動パルスの波形は鈍っていく。これは入力端子からの配線距離が長くなるほど顕著になるため、入力端子（図１１ＡにおけるＡ部）、及び撮像領域４３０の周辺部（図１１ＡにおけるＢ部）並びに中央部（図１１ＡにおけるＣ部）における駆動パルスの波形は、図１１Ｂに示されるように、互いにずれたものとなる。その結果、垂直ＣＣＤの転送速度が低下し、また撮像領域４３０の周辺部及び中央部で電荷転送能力が異なることになる。【００６９】
しかしながら、図１２Ａの固体撮像素子においては、タングステン等の金属材料から構成される導電性遮光膜４４０が周辺配線４００及びφＶ電極４１０にコンタクト４５０を介して接続されている。金属材料は抵抗成分が極めて低いため、導電性遮光膜４４０を伝達する駆動パルスの波形は殆ど鈍らない。従って、入力端子（図１２ＡにおけるＡ部）、及び撮像領域４３０の周辺部（図１２ＡにおけるＢ部）並びに中央部（図１２ＡにおけるＣ部）における駆動パルスの波形は、図１２Ｂに示されるように、略同じものとなる。その結果、垂直ＣＣＤの転送速度の低下がなくなり、また撮像領域４３０の周辺部及び中央部での電荷転送能力の差はなくなるのである。【００７０】
一方、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子は、信号電荷の高速転送を可能にするものの、垂直ＣＣＤの信号電荷の転送効率については劣化するため、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子ではみられない撮像領域内の画像不良が生じる。これについて以下で詳述する。【００７１】
図１３は、垂直ＣＣＤの転送効率の劣化が起こるメカニズムを説明するための固体撮像素子の断面図である。図１４は、読み出し電圧の波形を示す図である。【００７２】
フォトダイオード４６０に蓄積された信号電荷は、遮光膜４７３下方の垂直ＣＣＤ４７０の転送電極４７１に読み出し電圧を印加することにより読み出されるが（図１３（ａ））、長期間使用されて読み出しが繰り返されると、信号電荷の一部がＶＣＣＤを突き抜け（図１３（ｂ））、信号電荷の一部がゲート絶縁膜４７２にトラップされ、垂直ＣＣＤが劣化する（図１３（ｃ））。従って、通常状態（劣化していない状態）の垂直ＣＣＤにおいては、転送電極４７１に印加される読み出し電圧の波形（図１４（ａ））と略同一の波形（図１４（ｂ））の読み出し電圧がＶＣＣＤに印加されるが、劣化状態の垂直ＣＣＤにおいては、ゲート絶縁膜４７２がマイナスの電荷を帯びているため、転送電極４７１に印加される読み出し電圧の波形（図１４（ａ））からマイナス側にシフトした波形（図１４（ｃ））の読み出し電圧がＶＣＣＤに印加されることとなる。その結果、読み出し電圧が上昇し読み出し残りが発生する。【００７３】
このような読み出し電圧の上昇による読み出し残りは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子では、画像のざらつき等の画像不良につながる。なぜならば、この固体撮像素子では、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子と異なり、読み出し電圧上昇の程度が転送電極により異なるため、フォトダイオードに応じて読み出し電圧上昇による読み出し残りの影響が異なることとなり、読み出し電圧上昇に伴う読み出し残りによる画像のざらつき等の画像不良として現れるのである。【００７４】
具体的には、図１５の固体撮像素子の断面図に示されるように、読み出し電圧（電位ＶH）を供給する導電性遮光膜４７３ｃの下方に位置する垂直ＣＣＤでは、コンタクト４７４を介して転送電極４７１ｃに読み出し電圧（電位ＶH）が印加された場合、転送電極４７１ｃと導電性遮光膜４７３ｃとの間に電位差が生じない。従って、信号電荷のゲート絶縁膜４７２へのトラップが殆ど生じず、読み出し電圧上昇が起こる確率は低い。【００７５】
しかし、読み出し電圧より低い電圧（電位ＶM又はＶL）を供給する導電性遮光膜４７３ａ又は４７３ｂの下方に位置する垂直ＣＣＤでは、転送電極４７１ａ又は４７１ｂに読み出し電圧（電位ＶH）が印加された場合、転送電極４７１ａと導電性遮光膜４７３ａ又は転送電極４７１ｂと導電性遮光膜４７３ｂとの間に電位差が生じる。【００７６】
そして、この電位差は転送電極４７１ａと導電性遮光膜４７３ａとの間で特に大きい。従って、導電性遮光膜４７３ａ又は４７３ｂの下方の垂直ＣＣＤにおいては、読み出し電圧上昇が起こる確率は高い。その結果、各部位の読み出し電圧上昇の程度が異なることとなり、読み出し残り量が画面内で不均一になり画像のざらつき等の画像不良が顕著に現われる。【００７７】
これに対して、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子では、遮光膜はＧＮＤにつなぐか不定の状態とされるため、読み出し電圧上昇そのものが起こり難く、また起こったとしても読み出し残り量はほぼ均一であり画像不良につながらない。【００７８】
以上より、本実施の形態の固体撮像装置は、読み出し電圧の上昇を低減することが可能であるため、読み出し残りが不均一になり易い、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子を備えるカメラに特に有用である。【００７９】
以上、本発明の固体撮像装置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、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。【００８０】
例えば、上記実施の形態において、垂直ＣＣＤは、転送電極Ｖ１〜Ｖ６を有する６相駆動のＣＣＤであるとした。しかし、上記実施の形態の信号電荷の転送方法が適用可能なＣＣＤであれば、つまり５相以上の駆動パルスが印加される複数の転送電極を有するＣＣＤであればこれに限られず、例えば８相駆動のＣＣＤであってもよい。【００８１】
（第１、第２の実施の形態の変形例）
上述した実施の形態では、垂直ＣＣＤの転送電極（垂直転送電極）が６相構造の固体撮像素子の場合について説明したが、垂直転送電極が１２相構造の固体撮像素子でも６相構造の固体撮像素子と同様の効果を得ることが出来る。【００８２】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態に係る固体撮像装置であり、１２相構造の垂直転送電極を用いた固体撮像装置について説明する。【００８３】
図１６は本変形例の固体撮像装置の概略構成を示す図であり、図１７は本変形例の固体撮像素子１００の詳細な構成を示す図である。【００８４】
また、図１８Ａ〜図１８Ｃは１２相の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示す図である。図１８Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図１８Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図１８Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。【００８５】
まず、図１８Ａより、時間ｔ１において、駆動パルスφＶ８〜φＶ１０はローレベルにあり、転送電極Ｖ８〜Ｖ１０には電位ＶLが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ７並びにＶ１１及びＶ１２下に形成される。【００８６】
時間ｔ２において、駆動パルスφＶ１はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ１には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ１に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷が転送電極Ｖ１下に読み出される。転送電極Ｖ１に電位ＶHが印加されているときには、駆動パルスφＶ２はミドルレベルとされており、転送電極Ｖ１に隣接する一方の転送電極Ｖ２には電位ＶMが印加されている。【００８７】
時間ｔ３において駆動パルスφＶ１１は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ１１の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が防止される。本発明では、読み出し電圧が印加される転送電極（読み出し電極）のうちの読み出し電圧が印加されている所定の転送電極以外の転送電極であって、後の信号電荷の読み出しにおいて読み出し電圧が印加される大きな面積を有する転送電極（本実施の形態ではＶ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９及びＶ１１が大きな面積となる）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。【００８８】
時間ｔ４において、駆動パルスφＶ１２は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ１２の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がさらに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が高確率で防止される。【００８９】
時間ｔ５において、駆動パルスφＶ１はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ１には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ７下のポテンシャル井戸に転送される。【００９０】
時間ｔ６において、駆動パルスφＶ８はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ８には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ８下のポテンシャル井戸に転送される。【００９１】
時間ｔ７において、駆動パルスφＶ９はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ９には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ９下のポテンシャル井戸に転送される。【００９２】
時間ｔ８において、駆動パルスφＶ１０はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ１０には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ１０下のポテンシャル井戸に転送される。【００９３】
本変形例では駆動パルスφＶ１にハイレベルが印加されている期間中に駆動パルスφＶ１１及びφＶ１２を駆動パルスＶ１と逆極性の電位に変化させローレベルとし、転送電極Ｖ１１及びＶ１２の電位がＶHと逆極性の電位ＶLに変化されたが、変化される転送電極は電位ＶHが印加されている転送電極に隣接する一方の転送電極、及び読み出し電圧としての電位ＶHが印加される転送電極であれば問題なく、例えば転送電極Ｖ１１の代わりに転送電極Ｖ９を電位ＶLと変化させても同様の効果が得られる。【００９４】
図１９Ａ〜図１９Ｄは１２相の垂直ＣＣＤ２２０における信号電荷の混合（画素混合）を示す図である。図１９Ａは同信号の混合を示すタイミングチャートであり、図１９Ｂは同信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図であり、図１９Ｃ及び図１９Ｄは同信号電荷の混合を示すポテンシャル図である。本駆動タイミングでは駆動パルスφＶ１＝φＶ７、φＶ２＝φＶ８、φＶ３＝φＶ９、φＶ４＝φＶ１０、φＶ５＝φＶ１１、φＶ６＝φＶ１２として６種類の駆動パルスを印加しており、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ７は同じ電位が印加されることになる。同様に転送電極Ｖ２と転送電極Ｖ８、転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ９、転送電極Ｖ４と転送電極Ｖ１０、転送電極Ｖ５と転送電極Ｖ１１、転送電極Ｖ６と転送電極Ｖ１２にはそれぞれ同じ電位が印加されることとなり、電荷転送としては図５Ａ〜図５Ｄでの動作と全く同じとなる。【００９５】
なお、本変形例では、画素混合を行わない場合（例えば静止画を撮影する駆動モードの場合）には垂直ＣＣＤに１２種類の駆動パルスを印加し、１２相駆動を行い、画素混合を行う場合（画素混合を行う一部のモードの場合）には垂直ＣＣＤに６種類の駆動パルスを印加し６相駆動を行った。しかし、図２０Ａ〜図２０Ｃに示すように画素混合を行わない場合に６種類の駆動パルスを用いて６相駆動を行ってもよい。さらに、画素混合を行う場合にも１２種類の駆動パルスを用いて１２相駆動を行ってもよい。なお、１２相駆動を行う場合には転送電極での転送容量を大きくすることができ、さらに飽和特性を改善できるという長所を有している。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に利用でき、特にＣＣＤ型固体撮像装置の駆動方法等に利用することができる。
【図１】
2009078173.tif 000003
【図２】
2009078173.tif 000004
【図３】
2009078173.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
2009078173.tif 000009
【図５Ｂ】
2009078173.tif 000010
【図５Ｃ】
2009078173.tif 000011
【図５Ｄ】
2009078173.tif 000012
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
2009078173.tif 000022
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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】
2009078173.tif 000033
【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
2009078173.tif 000038
【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月7日(2010.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関し、特に垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ等の撮像装置を構成する固体撮像装置には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置が利用されている。ＣＣＤ型固体撮像装置においては、光入射によりフォトダイオードで生成した信号電荷が垂直ＣＣＤに読み出され、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより電荷検出部（ＦＤ部）まで転送される。
【０００３】
このようなＣＣＤ型固体撮像装置において、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへの読み出し電圧を低くし、消費電力の低減を図った場合、図２１に示されるような問題が生じる。すなわち、転送電極（読み出し電極）５２３Ｃに印加される読み出し電圧φＶ１が低くなると、チャネルストップ５２８のポテンシャル変動（ＧＮＤ≧正方向の変動）の影響が大きくなり、フォトダイオード５２４に蓄積された信号電荷の一部が垂直ＣＣＤ５２５に読み出されず、信号電荷の読み出し残りが生じるのである。このような問題を解決する技術として特許文献１に記載の固体撮像装置の駆動方法がある。
【０００４】
この駆動方法においては、転送電極５２３Ｃに読み出し電圧φＶ１を印加する際に、読み出し電圧φＶ１に対して逆極性に遷移された逆変調パルスをこの転送電極５２３Ｃに隣接する転送電極に印加している。これにより、図２２に示されるように、転送電極５２３Ｃ下にあるチャネルストップ５２８のポテンシャル変動の影響を抑えることができるため、フォトダイオード５２４の信号電荷の読み出し残りの発生を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３２２１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年の微細化に伴い信号電荷読み出しに必要な読み出しチャンネル幅を確保するため、読み出し電圧が印加される読み出し電極５２３Ｃに隣接する転送電極の面積は該読み出し電極にくらべ小さくなってきており、読み出し電圧φＶ１を印加する際に、読み出し電圧φＶ１に対して逆極性に遷移された逆変調パルスをこの読み出し電極５２３Ｃに隣接する転送電極に印加したとしても、読み出し電極５２３Ｃ下にあるチャネルストップ５２８のポテンシャル変動の影響を十分におさえることが困難になってきている。特にセルサイズが２．４μｍサイズ以下となるまで微細化された場合には、この問題がより顕著になる。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することが可能な固体撮像装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出す読み出しステップと、前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送する転送ステップとを含み、前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有し、前記読み出しステップでは、前記所定の読み出し電極に前記第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させることを特徴とする。ここで、前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させてもよい。
【０００９】
これにより、フォトダイオードの信号電荷が読み出されるときに、第１電位つまり読み出し電圧が印加されている転送電極（所定の読み出し電極）に隣接する転送電極の一方、及び読み出し電圧が印加されている転送電極以外の前記第１電位とされる転送電極（所定の読み出し電極以外の読み出し電極）を含む２つ以上の転送電極の電位を変化させる。従って、特許文献１に記載の駆動方法と比較して読み出し電圧が印加された転送電極下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに同転送電極下のポテンシャル形状がフォトダイオードから転送電極に向かって漸次下がる傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオードの信号電荷の読み出し残りの発生が防止されるので、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することができる。
【００１０】
また、前記複数の転送電極に前記駆動パルスを供給する配線は、シャント配線構造を有してもよい。
【００１１】
これによって、信号電荷の高速転送を実現できる。
【００１２】
また、前記転送ステップでは、前記複数の転送電極に５相以上の駆動パルスが印加されてもよい。
【００１３】
これによって、固体撮像装置の小型化に伴い画素が微細化され、信号電荷の転送容量が小さくなった場合においても、十分な転送容量を確保することができ、固体撮像装置の小型化と、感度特性、スミア特性及び飽和特性等の画像特性の向上との両立を実現することができる。
【００１４】
また、前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させてもよい。また、前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させてもよい。
【００１５】
これによって、読み出し電圧が印加された転送電極下のポテンシャル形状がフォトダイオードから転送電極に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオードの信号電荷の読み出し残りの発生が高確率で防止されるので、読み出し電圧を大きく低減することができる。
【００１６】
また本発明は、行列状に配置された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段と、前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出し、前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送し、前記信号電荷の読み出しでは、前記所定の読み出し電極に第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２の電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を第２電位から第３電位又は第３電位から第２電位に変化させる転送制御手段とを備え、前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有することを特徴とする固体撮像装置とすることもできる。
【００１７】
これによって、読み出し電圧を低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、微細化が進展し読み出し電極に比べ、読み出し電極に隣接する転送電極が小さい場合でも読み出し電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、同実施の形態の固体撮像素子の詳細な構成を示す図である。
【図３】図３は、同実施の形態の垂直ＣＣＤの電極構造を示す上面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すタイミングチャートである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示す電荷転送イメージ図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図５Ａ】図５Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すタイミングチャートである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図６Ａ】図６Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すタイミングチャートである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示す電荷転送イメージ図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図７Ａ】図７Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すタイミングチャートである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示す電荷転送イメージ図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図８Ａ】図８Ａは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すタイミングチャートである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示す電荷転送イメージ図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、同実施の形態の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法の変形例を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施の形態の固体撮像装置（固体撮像素子）の構造を示す上面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、同実施の形態の固体撮像素子の断面図（図９のＡ−Ａ’線における断面図）である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、同実施の形態の固体撮像素子の断面図（図９のＢ−Ｂ’線における断面図）である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子の構造を示す上面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子の構造を示す上面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。
【図１３】図１３は、垂直ＣＣＤの転送効率の劣化が起こるメカニズムを説明するための固体撮像素子の断面図である。
【図１４】図１４は、読み出し電圧の波形を示す図である。
【図１５】図１５は、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子の断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第１及び第２の実施の形態の変形例の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図１７】図１７は、同変形例の固体撮像素子の詳細な構成を示す図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すタイミングチャートである。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示す電荷転送イメージ図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すタイミングチャートである。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方式を示すタイミングチャートである。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方式を示す電荷転送イメージ図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、同変形例の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方式を示すポテンシャル分布の変化図である。
【図２１】図２１は、信号電荷の読み出し残りを説明するための図である。
【図２２】図２２は、特許文献１に記載の固体撮像装置の駆動方法における信号電荷の読み出し方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は本実施の形態の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【００２２】
図１より、入射光を光電変換し、光電変換することにより生じた信号電荷を転送するＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、クロックドライバ（ＶＤｒ）１１０と、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＤＣ（アナログ・デジタル変換）の処理を行なう前処理部（ＣＤＳ／ＡＧＣ）１２０と、画素補間や輝度・色差処理等を行なって映像信号を出力するデジタル信号処理部（ＤＳＰ）１３０と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１４０とを備える。
【００２３】
ＶＤｒ１１０は、ＴＧ１４０から出力されたロジック信号Ｖ１〜Ｖ６、ＣＨ１、２、３から駆動パルスφＶ１〜φＶ６を生成し、駆動パルスφＶ１〜φＶ６を固体撮像素子１００に供給し、垂直ＣＣＤによる電荷転送を制御する。駆動パルスφＶ１〜φＶ６は、ハイレベルの電位ＶH、電位ＶHよりも低いミドルレベルの電位ＶM、及び電位ＶMよりも低いローレベルの電位ＶLの３つの電位を持つパルスである。例えば、駆動パルスφＶ１〜φＶ６は、電位ＶHとしての１２Ｖ、電位ＶMとしての０Ｖ、及び電位ＶLとしての−６Ｖの３つの電位を持つパルスとされる。なお、ＶＤｒ１１０は、本発明の転送制御手段の一例である。
【００２４】
ＴＧ１４０は、ＤＳＰ１３０から水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤ及びクロック信号ＭＣＫの各パルスの入力を受け、固体撮像素子１００の駆動に用いられる駆動パルスφＨ１、φＨ２、φＲと、ロジック信号Ｖ１〜Ｖ６、ＣＨ１、２、３とを生成するとともに、前処理部１２０及びＤＳＰ１３０に信号処理パルスＰＲＯＣを出力する。
【００２５】
図２は、本実施の形態の固体撮像素子１００の詳細な構成を示す図である。
【００２６】
この固体撮像素子１００では、シリコン基板に複数のフォトダイオード２１０、複数の垂直ＣＣＤ２２０、水平ＣＣＤ２３０及び出力アンプ２４０が形成されている。
【００２７】
複数のフォトダイオード２１０は、行列状（２次元状）に配置され、光電変換した信号電荷を蓄積する。各フォトダイオード２１０の上には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３色のカラーフィルタがそれぞれ配置されている。
【００２８】
垂直ＣＣＤ２２０は、複数のフォトダイオード２１０の列毎に設けられた、転送電極Ｖ１〜Ｖ６を有する６相駆動のＣＣＤである。転送電極Ｖ１〜Ｖ６にはそれぞれ駆動パルスφＶ１〜φＶ６が印加される。垂直ＣＣＤ２２０では、駆動パルスφＶ１〜φＶ６の印加に応じてフォトダイオード２１０から読み出された信号電荷が列方向（図２のｂ方向）に転送される。
【００２９】
水平ＣＣＤ２３０は、転送電極Ｈ１及びＨ２を有する２相駆動のＣＣＤである。転送電極Ｈ１及びＨ２にはそれぞれ駆動パルスφＨ１及びφＨ２が印加される。水平ＣＣＤ２３０は、駆動パルスφＨ１及びφＨ２の印加に応じて複数の垂直ＣＣＤ２２０により転送された信号電荷を行方向（図２のａ方向）に転送する。
【００３０】
図３は、垂直ＣＣＤ２２０の電極構造を示す上面図である。
【００３１】
図３より、垂直ＣＣＤ２２０の隣接する２つの転送電極は、一方の面積が他方の面積よりも大きい。具体的には、転送電極Ｖ１、Ｖ３及びＶ５の面積が転送電極Ｖ２、Ｖ４及びＶ６の面積よりも大きい。これにより、フォトダイオード２１０の信号電荷の読み出し通路上に設けられ、フォトダイオード２１０からの信号電荷の読み出しと、読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う転送電極（読み出し電極）の面積が大きくなる。言い換えると、フォトダイオード２１０の信号電荷の読み出し電圧、つまり電位ＶHが印加される転送電極（読み出し電極）の面積が大きくなる。その結果、画素を微細化した場合でも、信号電荷の読み出しに必要な読み出しチャンネル幅を確保することができる。
【００３２】
なお、図３では、垂直ＣＣＤ２２０の隣接する２つの転送電極はその一部が互いにオーバーラップする２層構造で形成され、２層構造を有しているが、本発明の実施の形態に係わる固体撮像装置は、後述する図９のように垂直ＣＣＤ２２０の隣接する２つの転送電極がオーバーラップせずに、２つの転送電極が接するように形成された単層構造であってもよい。単層構造の場合は、転送電極間のカップリング容量を低減させることが出来る。
【００３３】
図４Ａ〜図４Ｃは、上記構造を有する垂直ＣＣＤ２２０における信号電荷の転送方法を示す図である。図４Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図４Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図４Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。なお、同転送方法は、本発明の固体撮像装置の駆動方法の一例である。
【００３４】
時間ｔ１において、駆動パルスφＶ４はローレベルにあり、転送電極Ｖ４には電位ＶLが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ３及びＶ５〜Ｖ６下に形成される。
【００３５】
時間ｔ２において、駆動パルスφＶ１はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ１には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ１に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷が転送電極Ｖ１下に読み出される。転送電極Ｖ１に電位ＶHが印加されているときには、駆動パルスφＶ２はミドルレベルとされており、転送電極Ｖ１に隣接する一方の転送電極Ｖ２には電位ＶMが印加されている。
【００３６】
時間ｔ３において、駆動パルスφＶ５は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ５の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が防止される。本発明では、読み出し電圧が印加される転送電極（読み出し電極）のうちの読み出し電圧が印加されている所定の転送電極以外の転送電極であって、後の信号電荷の読み出しにおいて読み出し電圧が印加される大きな面積を有する転送電極（本実施の形態では転送電極Ｖ１、Ｖ３及びＶ５が大きな面積となる）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。
【００３７】
時間ｔ４において、駆動パルスφＶ６は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ６の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がさらに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が高確率で防止される。
【００３８】
時間ｔ５において、駆動パルスφＶ１はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ１には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ３のポテンシャル井戸に転送される。
【００３９】
時間ｔ６において、駆動パルスφＶ４はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ４には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ４及びＶ６下のポテンシャル井戸に転送される。
【００４０】
図５Ａ〜図５Ｄは、上記構造を有する垂直ＣＣＤ２２０における信号電荷の混合（画素混合）を示す図である。図５Ａは同信号電荷の混合を示すタイミングチャートであり、図５Ｂは同信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図であり、図５Ｃ及び図５Ｄは同信号電荷の混合を示すポテンシャル分布の変化図である。
【００４１】
時間ｔ１において、駆動パルスφＶ５及びφＶ６はローレベルにあり、転送電極Ｖ５及びＶ６には電位ＶLが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ４下に形成される。
【００４２】
時間ｔ２において、駆動パルスφＶ５はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ５には電位ＶMが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ５下に形成される。
【００４３】
時間ｔ３において、駆動パルスφＶ３はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ３には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ３に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷（図５Ｃにおけるａ）が転送電極Ｖ３下に読み出される。転送電極Ｖ３に電位ＶHが印加されているときには、転送電極Ｖ３に隣接する一方の転送電極Ｖ４には電位ＶMが印加されている。
【００４４】
時間ｔ４において、駆動パルスφＶ１は駆動パルスφＶ３と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ１の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ３下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ３下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化するので、読み出し残りの発生が防止される。本発明では、読み出し電圧が印加される転送電極（読み出し電極）のうちの読み出し電圧が印加されている所定の転送電極以外の転送電極であって、後の信号電荷の読み出しにおいて読み出し電圧が印加される大きな面積を有する転送電極（本実施の形態では転送電極Ｖ１、Ｖ３及びＶ５が大きな面積となる）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。
【００４５】
時間ｔ５において、駆動パルスφＶ２は駆動パルスφＶ３と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ２の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ３下のポテンシャル形状がさらに変化するので、読み出し残りの発生が高確率で防止される。
【００４６】
時間ｔ６において、駆動パルスφＶ３はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ３には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ３〜Ｖ５下のポテンシャル井戸に転送される。
【００４７】
時間ｔ７〜ｔ１２において、駆動パルスφＶ１〜φＶ４及びφＶ６の電位を変化させることで、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ３、Ｖ５及びＶ６下のポテンシャル井戸に転送される。
【００４８】
時間ｔ１３において、駆動パルスφＶ１はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ１には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ１に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷（図５Ｃにおけるｂ）が転送電極Ｖ１下に読み出され、既に読み出された信号電荷（図５Ｃにおけるａ）と混合される。転送電極Ｖ１に電位ＶHが印加されているときには、転送電極Ｖ１に隣接する一方の転送電極Ｖ２には電位ＶMが印加されている。
【００４９】
時間ｔ１４において、駆動パルスφＶ５は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ５の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化するので、読み出し残りの発生が防止される。
【００５０】
時間ｔ１５において、駆動パルスφＶ６は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ６の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がさらに変化するので、読み出し残りの発生が高確率で防止される。
【００５１】
時間ｔ１６〜ｔ２２において、ｔ６〜ｔ１２までと同様の動作が行われ、混合された信号電荷（図５Ｃにおけるａ＋ｂ）が転送電極Ｖ３〜Ｖ６及びＶ１下のポテンシャル井戸に転送される。
【００５２】
時間ｔ２３において、駆動パルスφＶ５はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ５には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ５に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷（図５Ｄにおけるｃ）が転送電極Ｖ５下に読み出され、既に混合された信号電荷（図５Ｄにおけるａ＋ｂ）と混合される。転送電極Ｖ５に電位ＶHが印加されているときには、転送電極Ｖ５に隣接する転送電極Ｖ６には電位ＶMが印加されている。
【００５３】
時間ｔ２４において、駆動パルスφＶ３は駆動パルスφＶ５と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ３の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ５下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ５下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化するので、読み出し残りの発生が防止される。
【００５４】
時間ｔ２５において、駆動パルスφＶ４は駆動パルスφＶ５と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ４の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ５下のポテンシャル形状がさらに変化するので、読み出し残りの発生が高確率で防止される。
【００５５】
時間ｔ２６〜３１において、混合された信号電荷（図５Ｄにおけるａ＋ｂ＋ｃ）が水平ＣＣＤ２３０に向けて転送される。
【００５６】
以上のように、本実施の形態の信号電荷の転送方法によれば、フォトダイオード２１０の信号電荷が読み出されるときに、読み出し電圧としての電位ＶHが印加されている転送電極（例えば図４Ａ〜図４Ｃの転送電極Ｖ１）に隣接する転送電極の一方は電位ＶMが印加され、読み出し電圧が印加されている転送電極に隣接する他方の転送電極（例えば図４Ａ〜図４Ｃの転送電極Ｖ６）、及び読み出し電圧が印加されている転送電極以外の別のタイミングで読み出し電圧が印加される転送電極（例えば図４Ａ〜図４Ｃの転送電極Ｖ５）の２つの転送電極の電位が変化される。従って、読み出し電圧が印加された転送電極下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに同転送電極下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が防止されるので、読み出し電圧を低減することができる。本発明では大きな面積を有する転送電極（本実施の形態ではＶ１、Ｖ３及びＶ５）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。読み出し残りが発生した場合、フォトダイオード２１０毎の信号電荷の読み出し量のばらつきが生じるため、画像のざらつき等の画像不良が発生する。よって、読み出し残りの発生の防止は、画像不良の防止につながる。
【００５７】
なお、本実施の形態の信号電荷の転送方法において、読み出し電圧が印加されている転送電極に隣接する一方の転送電極、及び読み出し電圧が印加されている転送電極以外の別のタイミングで読み出し電圧が印加される転送電極の２つの転送電極の電位が変化されるとしたが、前記２つの転送電極を含む３つの転送電極の電位を変化させても良い。更に一度変化させた転送電極を複数回変化させてもよい。
【００５８】
図６Ａ〜図６Ｃ及び図７Ａ〜図７Ｃは、この場合の信号電荷の転送方法を示す図である。図６Ａ及び図７Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図６Ｂ及び図７Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図６Ｃ及び図７Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【００５９】
図６Ａ〜図６Ｃの信号電荷の転送方法は、時間ｔ４において駆動パルスφＶ６がローレベルに変化後（転送電極Ｖ６の電位はＶL）、ｔ５において駆動パルスφＶ６が再び変化されてミドルレベルとされ、転送電極Ｖ６の電位のみが電位ＶMに変化されるという点で図４Ａ〜図４Ｃに示される信号電荷の転送方法と異なる。図７Ａ〜図７Ｃの信号電荷の転送方法は、時間ｔ５において駆動パルスφＶ４のみが変化されてミドルレベルとされ、転送電極Ｖ４の電位のみが電位ＶMに変化されるという点で図４Ａ〜図４Ｃに示される信号電荷の転送方法と異なる。いずれの場合にも、本実施の形態の信号電荷の転送方法と比較してポテンシャル井戸が大きくなるので、電荷転送容量を大きくすることができる。従って、固体撮像装置の小型化に伴い画素が微細化され、垂直ＣＣＤの転送容量が小さくなった場合においても、十分な転送容量を確保することができ、固体撮像装置の小型化と、感度特性、スミア特性及び飽和特性等の画像特性の向上との両立を実現することができる。
【００６０】
また、本実施の形態の信号電荷の転送方法において、読み出し電圧が印加されている期間における２つの転送電極の一方の電位が変化された後で他方の転送電極の電位を変化させるとしたが、２つの転送電極の電位を同時に変化させても良い。図８Ａ〜図８Ｃは、この場合の信号電荷の転送方法を示す図である。図８Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図８Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図８Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【００６１】
この信号電荷の転送方法は、時間ｔ３において駆動パルスφＶ５及びφＶ６が共に変化されてローレベルとされて転送電極Ｖ５及びＶ６の電位が共に電位ＶLに変化されるという点で図４Ａ〜図４Ｃに示される信号電荷の転送方法と異なる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
本実施の形態の固体撮像装置は、転送電極Ｖ１〜Ｖ６に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造を有するという点で第１の実施の形態と異なる。すなわち、本実施の形態の固体撮像装置では、垂直ＣＣＤ上に設けられ、垂直ＣＣＤの垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）への光の入射を防止する遮光膜が導電性遮光膜とされ、垂直ＣＣＤの転送電極に駆動パルスを供給するための配線として機能している。
【００６３】
図９は、本実施の形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の構造を示す上面図である。図１０Ａは、同固体撮像素子の断面図（図９のＡ−Ａ’線における断面図）である。図１０Ｂは、同固体撮像素子の断面図（図９のＢ−Ｂ’線における断面図）である。
【００６４】
この固体撮像素子は、垂直ＣＣＤ上つまり転送電極Ｖ１〜Ｖ６上に配設された列方向（図９のｂ方向）に走る導電性遮光膜３００ａ、３００ｂ及び３００ｃと、行方向（図９のａ方向）に走る遮光膜３３０とを備える。導電性遮光膜３００ａ、３００ｂ及び３００ｃは、それぞれ行方向で電気的に分離されている。導電性遮光膜３００ａは、コンタクト３２０を介して転送電極Ｖ３と電気的に接続され、転送電極Ｖ３に駆動パルスφＶ３を供給する。導電性遮光膜３００ｂは、コンタクト３２０を介して転送電極Ｖ２と電気的に接続され、転送電極Ｖ２に駆動パルスφＶ２を供給する。導電性遮光膜３００ｃは、コンタクト３２０を介して転送電極Ｖ１と電気的に接続され、転送電極Ｖ１に駆動パルスφＶ１を供給する。
【００６５】
以上のように本実施の形態の固体撮像装置によれば、垂直ＣＣＤにおいて第１の実施の形態と同様の信号電荷の転送方法により信号電荷が転送される。従って、読み出し電圧を低減することができる。
【００６６】
また、本実施の形態の固体撮像装置によれば、固体撮像素子の転送電極Ｖ１〜Ｖ６に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造を有する。従って、信号電荷の高速転送が可能になる。これについて以下で詳述する。
【００６７】
図１１Ａは転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子の構造を示す上面図であり、図１１Ｂは同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。図１２Ａは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子の構造を示す上面図であり、図１２Ｂは同固体撮像素子の各部位における駆動パルスの波形を示す図である。
【００６８】
いずれの固体撮像素子においても、入力端子に金属材料から構成される周辺配線４００が接続され、この周辺配線４００にポリシリコン材料から構成されるφＶ電極４１０が接続されている。ポリシリコン材料は抵抗成分が高いため、φＶ電極４１０を伝達する駆動パルスの波形は鈍っていく。これは入力端子からの配線距離が長くなるほど顕著になるため、入力端子（図１１ＡにおけるＡ部）、及び撮像領域４３０の周辺部（図１１ＡにおけるＢ部）並びに中央部（図１１ＡにおけるＣ部）における駆動パルスの波形は、図１１Ｂに示されるように、互いにずれたものとなる。その結果、垂直ＣＣＤの転送速度が低下し、また撮像領域４３０の周辺部及び中央部で電荷転送能力が異なることになる。
【００６９】
しかしながら、図１２Ａの固体撮像素子においては、タングステン等の金属材料から構成される導電性遮光膜４４０が周辺配線４００及びφＶ電極４１０にコンタクト４５０を介して接続されている。金属材料は抵抗成分が極めて低いため、導電性遮光膜４４０を伝達する駆動パルスの波形は殆ど鈍らない。従って、入力端子（図１２ＡにおけるＡ部）、及び撮像領域４３０の周辺部（図１２ＡにおけるＢ部）並びに中央部（図１２ＡにおけるＣ部）における駆動パルスの波形は、図１２Ｂに示されるように、略同じものとなる。その結果、垂直ＣＣＤの転送速度の低下がなくなり、また撮像領域４３０の周辺部及び中央部での電荷転送能力の差はなくなるのである。
【００７０】
一方、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子は、信号電荷の高速転送を可能にするものの、垂直ＣＣＤの信号電荷の転送効率については劣化するため、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子ではみられない撮像領域内の画像不良が生じる。これについて以下で詳述する。
【００７１】
図１３は、垂直ＣＣＤの転送効率の劣化が起こるメカニズムを説明するための固体撮像素子の断面図である。図１４は、読み出し電圧の波形を示す図である。
【００７２】
フォトダイオード４６０に蓄積された信号電荷は、遮光膜４７３下方の垂直ＣＣＤ４７０の転送電極４７１に読み出し電圧を印加することにより読み出されるが（図１３（ａ））、長期間使用されて読み出しが繰り返されると、信号電荷の一部がＶＣＣＤを突き抜け（図１３（ｂ））、信号電荷の一部がゲート絶縁膜４７２にトラップされ、垂直ＣＣＤが劣化する（図１３（ｃ））。従って、通常状態（劣化していない状態）の垂直ＣＣＤにおいては、転送電極４７１に印加される読み出し電圧の波形（図１４（ａ））と略同一の波形（図１４（ｂ））の読み出し電圧がＶＣＣＤに印加されるが、劣化状態の垂直ＣＣＤにおいては、ゲート絶縁膜４７２がマイナスの電荷を帯びているため、転送電極４７１に印加される読み出し電圧の波形（図１４（ａ））からマイナス側にシフトした波形（図１４（ｃ））の読み出し電圧がＶＣＣＤに印加されることとなる。その結果、読み出し電圧が上昇し読み出し残りが発生する。
【００７３】
このような読み出し電圧の上昇による読み出し残りは、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子では、画像のざらつき等の画像不良につながる。なぜならば、この固体撮像素子では、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子と異なり、読み出し電圧上昇の程度が転送電極により異なるため、フォトダイオードに応じて読み出し電圧上昇による読み出し残りの影響が異なることとなり、読み出し電圧上昇に伴う読み出し残りによる画像のざらつき等の画像不良として現れるのである。
【００７４】
具体的には、図１５の固体撮像素子の断面図に示されるように、読み出し電圧（電位ＶH）を供給する導電性遮光膜４７３ｃの下方に位置する垂直ＣＣＤでは、コンタクト４７４を介して転送電極４７１ｃに読み出し電圧（電位ＶH）が印加された場合、転送電極４７１ｃと導電性遮光膜４７３ｃとの間に電位差が生じない。従って、信号電荷のゲート絶縁膜４７２へのトラップが殆ど生じず、読み出し電圧上昇が起こる確率は低い。
【００７５】
しかし、読み出し電圧より低い電圧（電位ＶM又はＶL）を供給する導電性遮光膜４７３ａ又は４７３ｂの下方に位置する垂直ＣＣＤでは、転送電極４７１ａ又は４７１ｂに読み出し電圧（電位ＶH）が印加された場合、転送電極４７１ａと導電性遮光膜４７３ａ又は転送電極４７１ｂと導電性遮光膜４７３ｂとの間に電位差が生じる。
【００７６】
そして、この電位差は転送電極４７１ａと導電性遮光膜４７３ａとの間で特に大きい。従って、導電性遮光膜４７３ａ又は４７３ｂの下方の垂直ＣＣＤにおいては、読み出し電圧上昇が起こる確率は高い。その結果、各部位の読み出し電圧上昇の程度が異なることとなり、読み出し残り量が画面内で不均一になり画像のざらつき等の画像不良が顕著に現われる。
【００７７】
これに対して、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造でない固体撮像素子では、遮光膜はＧＮＤにつなぐか不定の状態とされるため、読み出し電圧上昇そのものが起こり難く、また起こったとしても読み出し残り量はほぼ均一であり画像不良につながらない。
【００７８】
以上より、本実施の形態の固体撮像装置は、読み出し電圧の上昇を低減することが可能であるため、読み出し残りが不均一になり易い、転送電極に駆動パルスを供給する配線がシャント配線構造である固体撮像素子を備えるカメラに特に有用である。
【００７９】
以上、本発明の固体撮像装置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、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００８０】
例えば、上記実施の形態において、垂直ＣＣＤは、転送電極Ｖ１〜Ｖ６を有する６相駆動のＣＣＤであるとした。しかし、上記実施の形態の信号電荷の転送方法が適用可能なＣＣＤであれば、つまり５相以上の駆動パルスが印加される複数の転送電極を有するＣＣＤであればこれに限られず、例えば８相駆動のＣＣＤであってもよい。
【００８１】
（第１、第２の実施の形態の変形例）
上述した実施の形態では、垂直ＣＣＤの転送電極（垂直転送電極）が６相構造の固体撮像素子の場合について説明したが、垂直転送電極が１２相構造の固体撮像素子でも６相構造の固体撮像素子と同様の効果を得ることが出来る。
【００８２】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態に係る固体撮像装置であり、１２相構造の垂直転送電極を用いた固体撮像装置について説明する。
【００８３】
図１６は本変形例の固体撮像装置の概略構成を示す図であり、図１７は本変形例の固体撮像素子１００の詳細な構成を示す図である。
【００８４】
また、図１８Ａ〜図１８Ｃは１２相の垂直ＣＣＤにおける信号電荷の転送方法を示す図である。図１８Ａは同転送方法を示すタイミングチャートであり、図１８Ｂは同転送方法を示す電荷転送イメージ図であり、図１８Ｃは同転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。
【００８５】
まず、図１８Ａより、時間ｔ１において、駆動パルスφＶ８〜φＶ１０はローレベルにあり、転送電極Ｖ８〜Ｖ１０には電位ＶLが印加される。その結果、信号電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸が転送電極Ｖ１〜Ｖ７並びにＶ１１及びＶ１２下に形成される。
【００８６】
時間ｔ２において、駆動パルスφＶ１はハイレベルとされ、複数の読み出し電極のうちの所定の読み出し電極としての転送電極Ｖ１には電位ＶHが印加される。その結果、転送電極Ｖ１に対応して設けられたフォトダイオード２１０の信号電荷が転送電極Ｖ１下に読み出される。転送電極Ｖ１に電位ＶHが印加されているときには、駆動パルスφＶ２はミドルレベルとされており、転送電極Ｖ１に隣接する一方の転送電極Ｖ２には電位ＶMが印加されている。
【００８７】
時間ｔ３において駆動パルスφＶ１１は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ１１の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル変動の影響を抑えることができ、さらに転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がフォトダイオード２１０から垂直ＣＣＤ２２０に向かって漸次下がる大きな傾斜のついたものに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が防止される。本発明では、読み出し電圧が印加される転送電極（読み出し電極）のうちの読み出し電圧が印加されている所定の転送電極以外の転送電極であって、後の信号電荷の読み出しにおいて読み出し電圧が印加される大きな面積を有する転送電極（本実施の形態ではＶ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９及びＶ１１が大きな面積となる）の電位を変化させるので、特許文献１に記載の技術に比べても更に読み出し残りの発生を防止することができる。
【００８８】
時間ｔ４において、駆動パルスφＶ１２は駆動パルスφＶ１と逆極性の電位に変化されてローレベルとされ、転送電極Ｖ１２の電位が電位ＶHと逆極性の電位ＶLに変化される。これにより、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極Ｖ１下のポテンシャル形状がさらに変化する。その結果、フォトダイオード２１０の信号電荷の垂直ＣＣＤ２２０への読み出しにおける読み出し残りの発生が高確率で防止される。
【００８９】
時間ｔ５において、駆動パルスφＶ１はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ１には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ７下のポテンシャル井戸に転送される。
【００９０】
時間ｔ６において、駆動パルスφＶ８はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ８には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ８下のポテンシャル井戸に転送される。
【００９１】
時間ｔ７において、駆動パルスφＶ９はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ９には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ９下のポテンシャル井戸に転送される。
【００９２】
時間ｔ８において、駆動パルスφＶ１０はミドルレベルとされ、転送電極Ｖ１０には電位ＶMが印加される。その結果、読み出された信号電荷が転送電極Ｖ１〜Ｖ１０下のポテンシャル井戸に転送される。
【００９３】
本変形例では駆動パルスφＶ１にハイレベルが印加されている期間中に駆動パルスφＶ１１及びφＶ１２を駆動パルスＶ１と逆極性の電位に変化させローレベルとし、転送電極Ｖ１１及びＶ１２の電位がＶHと逆極性の電位ＶLに変化されたが、変化される転送電極は電位ＶHが印加されている転送電極に隣接する一方の転送電極、及び読み出し電圧としての電位ＶHが印加される転送電極であれば問題なく、例えば転送電極Ｖ１１の代わりに転送電極Ｖ９を電位ＶLと変化させても同様の効果が得られる。
【００９４】
図１９Ａ〜図１９Ｄは１２相の垂直ＣＣＤ２２０における信号電荷の混合（画素混合）を示す図である。図１９Ａは同信号の混合を示すタイミングチャートであり、図１９Ｂは同信号電荷の混合を示す電荷混合転送イメージ図であり、図１９Ｃ及び図１９Ｄは同信号電荷の混合を示すポテンシャル図である。本駆動タイミングでは駆動パルスφＶ１＝φＶ７、φＶ２＝φＶ８、φＶ３＝φＶ９、φＶ４＝φＶ１０、φＶ５＝φＶ１１、φＶ６＝φＶ１２として６種類の駆動パルスを印加しており、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ７は同じ電位が印加されることになる。同様に転送電極Ｖ２と転送電極Ｖ８、転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ９、転送電極Ｖ４と転送電極Ｖ１０、転送電極Ｖ５と転送電極Ｖ１１、転送電極Ｖ６と転送電極Ｖ１２にはそれぞれ同じ電位が印加されることとなり、電荷転送としては図５Ａ〜図５Ｄでの動作と全く同じとなる。
【００９５】
なお、本変形例では、画素混合を行わない場合（例えば静止画を撮影する駆動モードの場合）には垂直ＣＣＤに１２種類の駆動パルスを印加し、１２相駆動を行い、画素混合を行う場合（画素混合を行う一部のモードの場合）には垂直ＣＣＤに６種類の駆動パルスを印加し６相駆動を行った。しかし、図２０Ａ〜図２０Ｃに示すように画素混合を行わない場合に６種類の駆動パルスを用いて６相駆動を行ってもよい。さらに、画素混合を行う場合にも１２種類の駆動パルスを用いて１２相駆動を行ってもよい。なお、１２相駆動を行う場合には転送電極での転送容量を大きくすることができ、さらに飽和特性を改善できるという長所を有している。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に利用でき、特にＣＣＤ型固体撮像装置の駆動方法等に利用することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１００    固体撮像素子
１１０    クロックドライバ（ＶＤｒ）
１２０    前処理部（ＣＤＳ／ＡＧＣ）
１３０    デジタル信号処理部（ＤＳＰ）
１４０    タイミングジェネレータ（ＴＧ）
２１０、４６０、５２４    フォトダイオード
２２０、４７０、５２５    垂直ＣＣＤ
２３０    水平ＣＣＤ
２４０    出力アンプ
３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、４４０、４７３ａ、４７３ｂ、４７３ｃ    導電性遮光膜
３２０、４５０、４７４    コンタクト
３３０、４７３    遮光膜
４００    周辺配線
４１０    φＶ電極
４３０    撮像領域
４７１、４７１ａ、４７１ｂ、４７１ｃ、５２３Ｃ    転送電極
４７２    ゲート絶縁膜
５２８    チャネルストップ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配置された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出す読み出しステップと、
前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送する転送ステップとを含み、
前記読み出しステップでは、前記所定の読み出し電極に前記第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させる
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記転送ステップでは、前記複数の転送電極に５相以上の駆動パルスが印加される
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記転送電極が１２相の垂直ＣＣＤで構成されており、
前記転送ステップでは、静止画を撮影する駆動モードでは１２相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動し、画素混合を行う一部のモードでは６相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動する
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記転送電極が１２相の垂直ＣＣＤで構成されており、
前記転送ステップでは、静止画を撮影する駆動モードでは１２相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動し、画素混合を行う一部のモードでは６相の駆動パルスを印加することにより前記転送電極を駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を前記第１電位の逆極性の電位に変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を変化させた後、前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極の電位を変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記読み出しステップでは、前記信号電荷が読み出される間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を同時に前記第１電位の逆極性に変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
行列状に配置された複数のフォトダイオードと、
前記複数のフォトダイオードの列毎に設けられ、複数の転送電極を有する複数の垂直転送手段と、
前記複数の転送電極のうちの、前記フォトダイオードからの信号電荷の読み出しと、前記読み出された信号電荷の列方向への転送とを行う読み出し電極のうちの所定の読み出し電極を第１電位とすることにより、前記フォトダイオードから信号電荷を読み出し、前記第１電位よりも低い第２電位と前記第２電位よりも低い第３電位とを持つ駆動パルスを前記複数の転送電極に印加することにより、前記読み出された信号電荷を列方向に転送し、前記信号電荷の読み出しでは、前記所定の読み出し電極に第１電位が印加されている間は、前記所定の読み出し電極に隣接する転送電極の一方は前記第２の電位とし、かつ前記所定の読み出し電極に隣接する他方の転送電極、及び前記所定の読み出し電極以外の読み出し電極の電位を第２電位から第３電位又は第３電位から第２電位に変化させる転送制御手段とを備える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１６】
前記読み出し電極は、該読み出し電極に隣接する２つの転送電極よりも大きな面積を有する
ことを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009078173.tif 000046
【図２】
2009078173.tif 000047
【図３】
2009078173.tif 000048
【図４Ａ】
2009078173.tif 000049
【図４Ｂ】
2009078173.tif 000050
【図４Ｃ】
2009078173.tif 000051
【図５Ａ】
2009078173.tif 000052
【図５Ｂ】
2009078173.tif 000053
【図５Ｃ】
2009078173.tif 000054
【図５Ｄ】
2009078173.tif 000055
【図６Ａ】
2009078173.tif 000056
【図６Ｂ】
2009078173.tif 000057
【図６Ｃ】
2009078173.tif 000058
【図７Ａ】
2009078173.tif 000059
【図７Ｂ】
2009078173.tif 000060
【図７Ｃ】
2009078173.tif 000061
【図８Ａ】
2009078173.tif 000062
【図８Ｂ】
2009078173.tif 000063
【図８Ｃ】
2009078173.tif 000064
【図９】
2009078173.tif 000065
【図１０Ａ】
2009078173.tif 000066
【図１０Ｂ】
2009078173.tif 000067
【図１１Ａ】
2009078173.tif 000068
【図１１Ｂ】
2009078173.tif 000069
【図１２Ａ】
2009078173.tif 000070
【図１２Ｂ】
2009078173.tif 000071
【図１３】
2009078173.tif 000072
【図１４】
2009078173.tif 000073
【図１５】
2009078173.tif 000074
【図１６】
2009078173.tif 000075
【図１７】
2009078173.tif 000076
【図１８Ａ】
2009078173.tif 000077
【図１８Ｂ】
2009078173.tif 000078
【図１８Ｃ】
2009078173.tif 000079
【図１９Ａ】
2009078173.tif 000080
【図１９Ｂ】
2009078173.tif 000081
【図１９Ｃ】
2009078173.tif 000082
【図１９Ｄ】
2009078173.tif 000083
【図２０Ａ】
2009078173.tif 000084
【図２０Ｂ】
2009078173.tif 000085
【図２０Ｃ】
2009078173.tif 000086
【図２１】
2009078173.tif 000087
【図２２】
2009078173.tif 000088
【国際調査報告】
2009078173.tif 000089
2009078173.tif 000090