(57)【要約】【課題】電荷転送領域で発生する暗電流が映像信号に与える影響を低減して、白点の発生を抑制することができる固体撮像装置並びにその駆動方法およびその製造方法、並びにカメラシステムを提供する。【解決手段】読み出しゲート部１２を動作させることによりフォトダイオード１０内の信号電荷を垂直転送部１１に読み出し（図３（ｂ））、垂直転送部１１を動作させることにより信号電荷を例えば１画素分垂直方向に転送する（図３（ｃ））。そして、読み出しゲート部１２を動作させることにより、垂直転送部１１内の信号電荷をフォトダイオード１０へ戻した後に（図３（ｄ））、信号電荷を出力部１４へ向けて水平転送する（図３（ｅ））。水平転送後、再びフォトダイオード１０内の信号電荷を垂直転送部１１へ読み出す。上記の図３（ｃ）〜図３（ｅ）のステップを繰り返す。【選択図】図３
2006066954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列された各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とが形成されており、前記半導体基板上には絶縁膜が形成され、前記転送領域上部には前記絶縁膜を介して転送電極が形成されている固体撮像装置の駆動方法であって、
１画素あるいは複数の画素分、信号電荷を転送した後、前記転送領域から前記読み出し領域を介して、各信号電荷を発生させた各光電変換領域と異なる各光電変換領域に電荷を移す動作を有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】
前記転送領域から前記読み出し領域を介して、各信号電荷を発生させた各光電変換領域と異なる各光電変換領域に電荷を移す動作が、１画素あるいは複数の画素ごとに行われることを特徴とする
請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記読み出し領域の上部に前記絶縁膜を介して、読み出し電極が形成されており、前記各光電変換領域から前記転送領域、または前記転送領域から前記光電変換領域への電荷の転送が、前記読み出し電極に電圧を印加することにより行われることを特徴とする
請求項１または２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記読み出し電極が前記転送電極とは異なり、前記各光電変換領域から前記転送領域、または前記転送領域から前記光電変換領域への電荷の転送において、隣接する転送電極とは異なる電圧を印加することを特徴とする
請求項３記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記固体撮像装置が前記転送領域に対して垂直方向の転送方向である第２の転送領域を含むインターライン型の固体撮像装置である
請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記第２の転送領域の転送期間中、信号電荷が、各信号電荷を発生させた各光電変換領域と異なる各光電変換領域内に保持されていることを特徴とする
請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記光電変換領域への入射の有無が調整できるカメラシャッターまたはメカニカルシャッターを有し、前記光電変換領域において光電変換された電荷を転送する直前において、
前記カメラシャッターまたは前記メカニカルシャッターを用いて入射光を遮光し、その後、全ての光電変換領域に蓄積された電荷の転送が完了した後、前記カメラシャッターまたは前記メカニカルシャッターを開いて前記光電変換領域内に光を入射することを特徴とする
請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
半導体基板に電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列された各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とが形成されており、前記半導体基板上に絶縁膜が形成され、前記転送領域上部には前記絶縁膜を介して転送電極が形成されている固体撮像装置であって、
前記読み出し領域上において前記絶縁膜を介して、読み出し電極が形成されていることを特徴とする
固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板に電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列された各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とが形成されており、前記半導体基板上に絶縁膜が形成され、前記転送領域上部には前記絶縁膜を介して転送電極が形成されており、前記読み出し領域の上部には前記絶縁膜を介して読み出し電極が形成されている固体撮像装置と、
前記転送領域内において１画素あるいは複数の画素分、信号電荷を転送させる位相の異なる転送パルスを前記転送電極に与えた後に、全ての前記転送電極に同電位のパルスを与える転送用駆動回路と、
前記転送用駆動回路において全ての前記転送電極に同電位のパルスを与える際に、前記転送領域から前記光電変換領域に前記電荷を移すように前記読み出し領域の電位を変化させるパルスを前記読み出し電極に与える読み出し用駆動回路と
を有するカメラシステム。
【請求項１０】
半導体基板に、電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列した各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とを形成する工程と、
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記転送領域上部に前記絶縁膜を介して転送電極を形成する工程と、
前記読み出し制御部の上部に前記絶縁膜を介して読み出し電極を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ＣＣＤ型の固体撮像装置並びにその駆動方法およびその製造方法、並びに当該固体撮像装置を備えたカメラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型の固体撮像装置では、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオードに光が入射すると、フォトダイオードにより光は信号電荷に光電変換され、この信号電荷を電圧に変換することにより、映像信号が得られる構成になっている。
【０００３】
図１４は、従来の固体撮像装置の画素部における断面図である。
【０００４】
例えばｎ型の半導体基板１０１のｐ型ウェル領域１０２内に、ｎ型領域１０３が形成されている。ｎ型領域１０３の表面には、ｐ+ 領域１０４が形成されており、これにより埋め込み型のフォトダイオードＰＤが構成される。フォトダイオードＰＤの両隣には、ｐ型ウェル領域１０５が形成されており、ｐ型ウェル領域１０５内にｎ型の電荷転送領域１０６が形成されている。フォトダイオードＰＤと一方側（図中、右側）の電荷転送領域１０６との間のｐ型領域は、フォトダイオードＰＤから電荷転送領域１０６に信号電荷を読み出すためのｐ型の読み出し領域１０９となる。フォトダイオードＰＤと他方側（図中、左側）の電荷転送領域１０６との間には、高濃度にｐ型不純物を含有するチャネルストッパ領域１０８が形成されている。
【０００５】
半導体基板１０１上には、ゲート絶縁膜１１０が形成されている。電荷転送領域１０６の上部には、ゲート絶縁膜１１０を介して転送電極１１１が形成されている。転送電極１１１上には、層間絶縁膜１１２を介して、遮光膜１１３が形成されている。遮光膜１１３には、フォトダイオードＰＤの上方に、開口部１１４が形成されている。遮光膜１１３を被覆して全面に、例えばＢＰＳＧ（Borophosphosilicate glass)膜からなるカバー膜１１５が形成されており、カバー膜１１５上には樹脂等からなる平坦化膜１１６が形成されている。平坦化膜１１６上には、オンチップレンズ１１７が形成されている。
【０００６】
次に、上記の固体撮像装置の製造方法について、図１５を参照して説明する。
【０００７】
まず、図１５（ａ）に示すように、ｎ型のシリコンからなる半導体基板１０１に、ｐ型不純物あるいはｎ型不純物をイオン注入することにより、各種の半導体領域を形成する。これにより、半導体基板１０１に、ｐ型ウェル領域１０２と、フォトダイオードを構成するｎ型領域１０３と、ｐ型ウェル領域１０５と、ｎ型の電荷転送領域１０６と、ｐ型のチャネルストッパ領域１０８とが形成される。尚、フォトダイオードＰＤと一方側（図中、右側）の電荷転送領域１０６との間のｐ型領域が、読み出し領域１０９となる。続いて、半導体基板１０１を熱酸化することにより、半導体基板１０１の表面にゲート絶縁膜１１０を形成する。
【０００８】
次に、図１５（ｂ）に示すように、電荷転送領域１０６上に、ゲート絶縁膜１１０を介して転送電極１１１を形成する。その後、転送電極１１１の熱酸化を行い、シリコン酸化膜からなる絶縁膜を形成する。続いて、転送電極１１１をマスクとして、ｐ型不純物をイオン注入することにより、ｎ型領域１０３の表面にｐ+ 領域１０４を形成し、埋め込み型のフォトダイオードＰＤとする。
【０００９】
次に、図１５（ｃ）に示すように、転送電極１１１上に酸化シリコン膜を堆積させて層間絶縁膜１１２を形成する。続いて、層間絶縁膜１１２上に、アルミニウムまたはタングステンを堆積させ、フォトダイオードＰＤの上部をエッチングすることにより、開口部１１４をもつ遮光膜１１３を形成する。続いて、遮光膜１１３およびフォトダイオードＰＤの上部を覆うように、例えばＢＰＳＧ膜を堆積させてカバー膜１１５を形成する。その後、カバー膜１１５の形状を整えるため、リフロー工程を行う。リフロー工程における熱処理温度は、８００℃〜９５０℃である。このリフロー工程によりカバー膜１１５は、界面方向に凸形状となり、これが層内レンズと称されるレンズの原型となる。
【００１０】
以降の工程としては、ＣＣＤ型の固体撮像装置の暗電流を低減するために、シリコン界面のダングリングボンドを終端する必要があることから、水素を含むガス中で２５０℃〜４００℃前後の熱処理を行う。この工程によりシリコン界面のダングリングボンドをＳｉ−Ｈ結合により終端する。この工程は、シリコン界面上に様々な層が形成される前に行った方がいいが、上記したリフロー工程の前に行うことができない。これは、Ｓｉ−Ｈ結合が、５５０℃〜６００℃で切断されてしまうからである。
【００１１】
上記の水素を用いた熱処理の後に、平坦化膜１１６およびオンチップレンズ１１７の形成を行う。以上により、図１４に示す固体撮像装置が製造される。
【００１２】
上記構成の固体撮像装置において、常に暗電流が問題となる。暗電流とは、主に半導体基板１０１の表面から０．５μｍ以下の非常に浅い領域で発生する微小電流のことである。
【００１３】
ただし、図１４に示す固体撮像装置では、フォトダイオードＰＤ上における暗電流は十分に低減できる構造になっている。これは、半導体基板１０１の表面付近で発生する暗電流は、ダングリングボンドを水素処理により終端することにより低減されており、さらに、それでも発生する暗電流は、界面上のｐ+ 領域１０４が再結合領域となっていることから、界面上で再結合し暗電流にはなりにくい構造となっているからである。
【００１４】
一方で、電荷転送領域１０６で発生する暗電流は、フォトダイオードＰＤで発生する暗電流よりも、数倍から十数倍程度大きくなっており、この電荷転送領域１０６で発生する暗電流の低減は大きな課題となっている。電荷転送領域１０６の表面に浅いｐ+ 領域を形成した固体撮像装置の構造が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３２４８２２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、電荷転送領域１０６の表面にｐ+ 領域を形成することは好ましくない。これは、単純にｐ+ 領域を形成しない場合と比較して、電荷転送領域１０６の取り扱い電荷量が減少してしまうからである。電荷転送領域１０６は、無効領域であるために細い幅にすることが望ましいことから、電荷転送領域１０６の取り扱い電荷量の確保は、これとは別に大きな課題となっているためである。また、ｐ+ 領域の形成により、浮遊容量が増大し、駆動振幅の増大、消費電力の増大をもたらす結果となる。
【００１６】
以上の理由で、電荷転送領域１０６の表面にはｐ+ 領域を形成することができない結果、電荷転送領域１０６で発生する暗電流が映像信号に影響を与えてしまい、撮像画面の１つの欠陥である白点が発生する結果となる。
【００１７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電荷転送領域で発生する暗電流が映像信号に与える影響を低減して、白点の発生を抑制することができる固体撮像装置並びにその駆動方法およびその製造方法、並びにカメラシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板に電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列された各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とが形成されており、前記半導体基板上には絶縁膜が形成され、前記転送領域上部には前記絶縁膜を介して転送電極が形成されている固体撮像装置の駆動方法であって、１画素あるいは複数の画素分、信号電荷を転送した後、前記転送領域から前記読み出し領域を介して、各信号電荷を発生させた各光電変換領域と異なる各光電変換領域に電荷を移す動作を有することを特徴とする。
【００１９】
上記の本発明の固体撮像装置の駆動方法では、１画素あるいは複数の画素分、信号電荷を転送した後、転送領域から読み出し領域を介して、各信号電荷を発生させた各光電変換領域と異なる各光電変換領域に電荷を移す動作を有する。このため、例えば、１画素あるいは複数の画素を転送した後の待機時間において、信号電荷は、転送領域中ではなく、光電変換領域において保持される。
【００２０】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板に電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列された各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とが形成されており、前記半導体基板上に絶縁膜が形成され、前記転送領域上部には前記絶縁膜を介して転送電極が形成されている固体撮像装置であって、前記読み出し領域上において前記絶縁膜を介して、読み出し電極が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
上記の本発明の固体撮像装置では、読み出し領域上において絶縁膜を介して、転送電極とは独立した読み出し電極が形成されていることから、光電変換領域から転送領域への電荷の読み出しに加えて、転送領域から光電変換領域への電荷の戻しが可能となる。
【００２２】
上記の目的を達成するため、本発明のカメラシステムは、半導体基板に電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列された各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とが形成されており、前記半導体基板上に絶縁膜が形成され、前記転送領域上部には前記絶縁膜を介して転送電極が形成されており、前記読み出し領域の上部には前記絶縁膜を介して読み出し電極が形成されている固体撮像装置と、前記転送領域内において１画素あるいは複数の画素分、信号電荷を転送させる位相の異なる転送パルスを前記転送電極に与えた後に、全ての前記転送電極に同電位のパルスを与える転送用駆動回路と、前記転送用駆動回路において全ての前記転送電極に同電位のパルスを与える際に、前記転送領域から前記光電変換領域に前記電荷を移すように前記読み出し領域の電位を変化させるパルスを前記読み出し電極に与える読み出し用駆動回路とを有する。
【００２３】
上記の本発明のカメラシステムでは、転送用駆動回路により、転送領域内において１画素あるいは複数の画素分、信号電荷を転送させる位相の異なる転送パルスが転送電極に与えられた後に、全ての転送電極に同電位のパルスが与えられる。このとき、読み出し用駆動回路により、転送領域から光電変換領域に電荷を移すように読み出し領域の電位を変化させるパルスが読み出し電極に与えられる。これにより、信号電荷は、読み出し領域を介して転送領域から光電変換領域へと戻される。
上記のように、信号電荷が転送領域において１画素あるいは複数の画素分転送させた後に、信号電荷が光電変換領域に戻されることにより、１画素あるいは複数の画素を転送した後の待機時間において、信号電荷は、転送領域中ではなく、光電変換領域において保持される。
【００２４】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に、電荷を転送する転送領域と、前記転送領域の両側に画素毎に配列した各光電変換領域と、前記光電変換領域からの電荷を読み出す読み出し領域とを形成する工程と、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記転送領域上部に前記絶縁膜を介して転送電極を形成する工程と、前記読み出し制御部の上部に前記絶縁膜を介して読み出し電極を形成する工程とを有する。
【００２５】
上記の本発明の固体撮像装置の製造方法は、読み出し電極を形成する工程を有することから、転送電極とは異なる読み出し電極が形成される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電荷転送領域で発生する暗電流が映像信号に与える影響を低減して、白点の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明の固体撮像装置並びにその駆動方法およびその製造方法、並びにカメラシステムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るカメラシステムの概略構成図である。
【００２９】
本実施形態に係るカメラシステムは、撮像デバイスである本実施形態に係る固体撮像装置１と、固体撮像装置１の撮像部に入射光を導く光学系、例えば入射光を撮像面上に結像させる光学レンズ２と、露光時間を決めるメカニカルシャッタ（あるいはカメラシャッタ）３と、固体撮像装置１およびメカニカルシャッタ３を駆動する駆動回路４と、固体撮像装置１の出力信号を処理する信号処理回路５とを有する。
【００３０】
上記のカメラシステムにおいて、駆動回路４は、後述する固体撮像装置の駆動方法の一連の動作を実現すべく、固体撮像装置１およびメカニカルシャッタ３を駆動する。信号処理回路５は、固体撮像装置１の出力信号に対してカメラ信号処理を施して映像信号として出力する。
【００３１】
図２は、固体撮像装置１および駆動回路４の詳細な構成の一例を示す図である。
【００３２】
固体撮像装置１は、画素毎にマトリックス状に配置されたフォトダイオード（光電変換領域）１０を複数有する。フォトダイオード１０は、入射光量に応じた信号電荷を生成し、当該信号電荷を蓄積する。
【００３３】
フォトダイオード１０の垂直列毎に、垂直転送部１１が配置されており、垂直転送部１１とフォトダイオード１０との間が読み出しゲート部１２となる。読み出しゲート部１２は、後述するように半導体基板に形成された読み出し領域と、読み出し領域上に絶縁膜を介して形成された専用の読み出し電極とを有する。読み出し電極に読み出し電圧が供給されることにより、読み出し領域の電位が制御されて、信号電荷がフォトダイオード１０から垂直転送部１１へ、あるいは垂直転送部１１からフォトダイオード１０へ移される。
【００３４】
垂直転送部１１は、後述するように半導体基板に形成された電荷転送領域と、当該電荷転送領域上に絶縁膜を介して形成された転送電極とを有する。垂直転送部１１は、フォトダイオード１０から読み出された信号電荷を垂直方向Ｖに転送する。垂直転送部１１は、例えば４相駆動方式である。この場合には、転送電極に４相の駆動パルスが印加されることにより、電荷転送領域の電位井戸の深さが制御されて、信号電荷は垂直方向Ｖに転送される。
【００３５】
垂直転送部１１による信号電荷の転送先には、１本の水平転送部１３が配置されている。なお、水平転送部１３が２本以上配置されていてもよい。水平転送部１３は、垂直転送部１１と同様に、半導体基板に形成された電荷転送領域（第２の転送領域）と、当該電荷転送領域上に絶縁膜を介して形成された転送電極とを有する。水平転送部１３は、例えば２相駆動方式である。この場合には、転送電極に２相の駆動パルスが印加されることにより、電荷転送領域の電位井戸の深さが制御されて、信号電荷は水平方向Ｈに転送される。
【００３６】
水平転送部１３による信号電荷の転送先には、出力部１４が配置されている。出力部１４は、例えば、フローティングディフュージョンを有し、信号電荷量に応じた電圧を出力する。出力部１４から出力された電圧は、信号処理回路５により所定の処理が施されて映像信号が得られる。
【００３７】
駆動回路４は、例えば、駆動制御回路４−１と、垂直転送用駆動回路４−２と、水平転送用駆動回路４−３と、読み出し用駆動回路４−４と、シャッタ駆動回路４−５とを有する。
【００３８】
駆動制御回路４−１は、垂直転送用駆動回路４−２、水平転送用駆動回路４−３、読み出し用駆動回路４−４、シャッタ駆動回路４−５の動作のタイミングを制御するための制御信号を出力する。
【００３９】
垂直転送用駆動回路４−２は、駆動制御回路４−１からの制御信号に基づいて、例えば、４相の駆動パルスＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を出力する。この駆動パルスＶ１〜Ｖ４の詳細な一例については、後述する。水平転送用駆動回路４−３は、駆動制御回路６からの制御信号に基づいて、例えば、２相の駆動パルスＨ１，Ｈ２を出力する。
【００４０】
読み出し用駆動回路４−４は、駆動制御回路４−１からの制御信号に基づいて、読み出し電極に所定のパルスを出力する。このパルスとして、フォトダイオード１０から垂直転送部１１へと電荷を読み出すためのパルスと、垂直転送部１１からフォトダイオード１０へと電荷を戻すためのパルスがある。その他、垂直転送部１１による垂直転送中に与えるパルスがある。例えば、読み出し時には１５Ｖ、垂直転送部１１からフォトダイオード１０へと電荷を戻す時には５Ｖ、他の場合には−７．５Ｖのパルスを出力する。
【００４１】
シャッタ駆動回路４−５は、駆動制御回路４−１からの制御信号に基づいて、メカニカルシャッタ３の開閉動作を制御する。
【００４２】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について、図３を参照して説明する。本実施形態では、一例として全画素読み出し方式を用いる例について説明する。なお、以下の動作は、駆動制御回路４−１からの制御信号に基づいて行われる。
【００４３】
まず、電子シャッタにより、フォトダイオード１０に蓄積されている電子を掃き出す。その後、図３（ａ）に示すように、フォトダイオード１０により入射光が受光され、入射光量に応じた信号電荷ｅに光電変換されて、フォトダイオード１０に蓄積される。
【００４４】
次に、シャッタ駆動回路４−５によりメカニカルシャッタ３を閉じた後に、図３（ｂ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４により読み出しゲート部１２を動作させ、全てのフォトダイオード１０に蓄積された信号電荷を垂直転送部１１に読み出す。
【００４５】
次に、図３（ｃ）に示すように、垂直転送用駆動回路４−２により垂直転送部１１を動作させ、１行（１画素分に相当）分、垂直方向Ｖに信号電荷を転送する。なお、水平転送部１３が２本以上存在する場合には、水平転送部１３の本数に相当する行数分だけ信号電荷を垂直方向Ｖに転送する。
【００４６】
次に、図３（ｄ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４および垂直転送用駆動回路４−２により、読み出しゲート部１２および垂直転送部１１を動作させて、水平転送部１３に入っていない行の信号電荷、すなわち垂直転送部１１内に存在する信号電荷をフォトダイオード１０に移す。これにより、信号電荷は、光電変換されたフォトダイオード１０に対して一行分または複数行分下のフォトダイオード１０に移される。
【００４７】
次に、図３（ｅ）に示すように、水平転送用駆動回路４−３により水平転送部１３を動作させて、垂直転送部１１から移された１行分の信号電荷を、出力部１４へ向けて水平方向Ｈに転送する。
【００４８】
水平転送部１３内の全ての信号電荷が出力部１４へと転送された後、図３（ｆ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４により読み出しゲート部１２を動作させ、フォトダイオード１０に移された信号電荷を垂直転送部１１に読み出す。
【００４９】
以降の駆動方法としては、図３（ｃ）〜図３（ｆ）のステップを繰り返すことにより、全ての信号電荷を出力部１４へと転送する。全ての信号電荷が出力部１４へと転送されるまで、メカニカルシャッタ３は閉じておく。
【００５０】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、出力部１４への水平方向の転送（図３（ｅ）参照）を行っている間、垂直転送部１１に存在していた信号電荷をフォトダイオード１０へと移して待機状態としている。このため、水平転送部１３による転送期間は、信号電荷は暗電流の少ないフォトダイオード１０内に存在することから、信号電荷へ暗電流が加算されることを低減することができる。
【００５１】
次に、上記の固体撮像装置の駆動方法を実現するための固体撮像装置の構造について説明する。図４は、本実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【００５２】
ｎ型のシリコンからなる半導体基板２１には、ｐ型ウェル領域２２が形成されている。ｐ型ウェル領域２２には、ｎ型領域２３が形成されており、ｎ型領域２３の表面にはｐ+
領域２４が形成されている。ｎ型領域２３とｐ+ 領域２４により暗電流を抑制した埋め込み型のフォトダイオード１０が構成される。
【００５３】
フォトダイオード１０の両隣には、ｐ型ウェル領域２５が形成されており、ｐ型ウェル領域２５内にｎ型の電荷転送領域２６が形成されている。フォトダイオード１０と一方側（図中、右側）の電荷転送領域２６との間のｐ型領域は、フォトダイオード１０と電荷転送領域２６との間で信号電荷を移すための読み出し領域２７となる。フォトダイオード１０と他方側（図中、左側）の電荷転送領域２６との間には、高濃度にｐ型不純物を含有するチャネルストッパ領域２８が形成されている。
【００５４】
半導体基板２１上には、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜３０が形成されている。電荷転送領域２６上には、ゲート絶縁膜３０を介して転送電極３１が形成されている。転送電極３１は、例えばポリシリコンからなる。垂直転送部１１は、電荷転送領域２６、ゲート絶縁膜３０および転送電極３１により構成される。
【００５５】
読み出し領域２７上には、ゲート絶縁膜３０を介して専用の読み出し電極３２が形成されている。読み出し電極３２は、例えばポリシリコンからなる。読み出しゲート部１２は、読み出し領域２７、ゲート絶縁膜３０および読み出し電極３２により構成される。
【００５６】
図１４に示す従来の固体撮像装置と比較して、本実施形態に係る固体撮像装置では、読み出し領域２７上に、転送電極とは独立した読み出し電極３２が形成されている。これにより、上記したフォトダイオード１０から電荷転送領域２６への信号電荷の読み出し動作に加えて、電荷転送領域２６からフォトダイオード１０へ信号電荷を戻す動作が可能になる。
【００５７】
電荷転送領域２６の電位および読み出し領域２７の電位をそれぞれ適切に制御するため、転送電極３１と電荷転送領域２６との間のゲート絶縁膜３０の膜厚ｄ１と、読み出し電極３２と読み出し領域２７との間のゲート絶縁膜３０の膜厚ｄ２とを異なるように形成してもよい。例えば、膜厚ｄ２の方が、膜厚ｄ１よりも厚くなるようにする。これは、垂直転送部１１からフォトダイオード１０へと電荷を戻す際にかける電圧は、通常の読み出し電圧よりも低い電圧に設定しなければならず、電荷を戻す際には、読み出し電極の両端下部の位置に若干のバリアが生じこれが電荷の戻しを阻害するからである。膜厚ｄ２のほうを厚く設定することにより、フリンジング電界を両端に十分にかけることができ、バリアをつぶすことが可能となるからである。同様の理由で、転送電極３１と、読み出し電極３２の膜厚は異なるように形成してもよい。ゲート絶縁膜３０の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲で調整される。
【００５８】
転送電極３１および読み出し電極３２を被覆して酸化シリコンからなる層間絶縁膜３７が形成されている。層間絶縁膜３７内には、例えばポリシリコンからなる裏打ち配線３３が形成されており、所望の裏打ち配線３３と転送電極３１とがコンタクト３４を介して接続されている。転送電極３１、読み出し電極３２および裏打ち配線３３のレイアウトについては後述する。
【００５９】
転送電極３１、読み出し電極３２および裏打ち配線３３を被覆するように、層間絶縁膜３７上に遮光膜４０が形成されている。遮光膜４０は、例えばアルミニウムまたはタングステンからなる。遮光膜４０には、フォトダイオード１０の上方に開口部４１が形成されている。
【００６０】
遮光膜４０およびフォトダイオード１０の上部を被覆して、例えば、ＢＰＳＧ（Borophosphosilicate glass)膜からなるカバー膜４２が形成されている。カバー膜４２は、界面方向に凸形状となっており、層内レンズと称されるレンズの原型としての役割をもつ。
【００６１】
カバー膜４２上には、有機樹脂等からなる表面が平坦化された平坦化膜４３が形成されている。平坦化膜４３上には、オンチップレンズ４４が形成されている。オンチップレンズ４４は、入射した光をフォトダイオード１０に集光させる。
【００６２】
図５は、転送電極３１、読み出し電極３２および裏打ち配線３３のレイアウトを示す平面図である。理解を容易にするため、電極や配線以外のフォトダイオード１０をも図示している。なお、図４は、図５のＡ−Ａ’線における断面図に相当する。
【００６３】
転送電極３１は、転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４に大別される。転送電極３１Ｖ１には駆動パルスＶ１が印加され、転送電極３１Ｖ２には駆動パルスＶ２が印加され、転送電極３１Ｖ３には駆動パルスＶ３が印加され、転送電極３１Ｖ４には駆動パルスＶ４が印加される。
【００６４】
水平方向に並ぶフォトダイオード１０間において、垂直方向Ｖに転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４が繰り返し配置されている。転送電極３１Ｖ１は、水平方向に延在している。フォトダイオード１０に隣接する転送電極３１Ｖ２〜３１Ｖ４は、浮島状に分離して形成されている。なお、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４を区別する必要がない場合には、単に転送電極３１と称する。
【００６５】
フォトダイオード１０と転送電極３１Ｖ２〜３１Ｖ４との間には、垂直方向Ｖに延在する読み出し電極３２が配置されている。読み出し電極３２と転送電極３１Ｖ１とは交差するが、両者の間は絶縁膜により絶縁されている。
【００６６】
浮島状の転送電極３１Ｖ２〜３１Ｖ４へ駆動パルスを供給するため、転送電極３１Ｖ２〜３１Ｖ４上には、３本の裏打ち配線３３が垂直方向Ｖに延在している。裏打ち配線３３と、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４との間には層間絶縁膜３７が介在している。水平方向に延在する転送電極３１Ｖ１には、直接駆動パルスＶ１が印加される。
【００６７】
駆動パルスＶ２が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ２にコンタクト３４を介して共通接続されている。駆動パルスＶ３が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ３にコンタクト３４を介して共通接続されている。駆動パルスＶ４が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ４にコンタクト３４を介して共通接続されている。
【００６８】
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図６を参照して説明する。
【００６９】
まず、図６（ａ）に示すように、ｎ型のシリコンからなる半導体基板２１に、ｎ型不純物として砒素あるいは燐、ｐ型不純物としてボロンをイオン注入することにより、各種の半導体領域を形成する。これにより、半導体基板２１に、ｐ型ウェル領域２２と、フォトダイオードとなるｎ型領域２３と、ｐ型ウェル領域２５と、ｎ型の電荷転送領域２６と、チャネルストッパ領域２８が形成される。ｎ型領域２３と電荷転送領域２６の間のｐ型領域が、読み出し領域２７となる。続いて、熱酸化法により半導体基板２１上に、酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜３０を形成する。なお、読み出し領域２７上および電荷転送領域２６上とで膜厚を変える場合には、薄くしたい領域を選択的にエッチングした後に、再度熱酸化することにより膜厚の異なるゲート絶縁膜３０が形成される。
【００７０】
次に、図６（ｂ）に示すように、半導体基板２１上にポリシリコンを堆積し、パターンニングし、絶縁膜を堆積させる工程を繰り返すことにより転送電極３１と、読み出し電極３２と、裏打ち配線３３を形成する。なお、読み出し電極３２と裏打ち配線３３とは同時に形成してもよい。続いて、転送電極３１、読み出し電極３２、裏打ち配線３３をマスクとしてｐ型不純物をイオン注入することにより、ｎ型領域２３の表面にｐ+ 領域２４を形成する。これにより、ｎ型領域２３とｐ+ 領域２４からなる埋め込み型のフォトダイオード１０が形成される。
【００７１】
次に、図６（ｃ）に示すように、転送電極３１、読み出し電極３２、裏打ち配線３３を被覆する層間絶縁膜３７を形成する。続いて、層間絶縁膜３７上に、アルミニウムまたはタングステンを堆積し、フォトダイオード１０の上部をエッチングすることにより、開口部４１をもつ遮光膜４０を形成する。続いて、遮光膜４０およびフォトダイオード１０の上部を覆うように、例えばＢＰＳＧ膜を堆積してカバー膜４２を形成する。その後、カバー膜４２の形状を整えるため、リフロー工程を行う。リフロー工程における熱処理温度は、８００℃〜９５０℃である。このリフロー工程により、カバー膜４２は、界面方向に凸形状となり、これが層内レンズと称されるレンズの原型となる。
【００７２】
以降の工程としては、ＣＣＤ型の固体撮像装置の暗電流を低減させるために、シリコン界面のダングリングボンドを終端させる必要があることから、水素を含むガス中で２５０℃〜４００℃前後の熱処理を行う。この工程により、シリコン界面のダングリングボンドをＳｉ−Ｈ結合により終端する。この工程は、シリコン界面上に様々な層が形成された前に行った方がいいが、上記したリフロー工程の前に行うことができない。これは、Ｓｉ−Ｈ結合が、５５０℃〜６００℃で切断されてしまうからである。
【００７３】
上記の水素を用いた熱処理の後に、有機樹脂からなる平坦化膜４３を形成し、さらにオンチップレンズ４４を形成する。以上により、図４に示す固体撮像装置が製造される。
【００７４】
次に、図５に示す構造をもつ固体撮像装置を用いて、図３に示した駆動方法を実現するための駆動パルスに関して説明する。
【００７５】
図７は、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４に印加される駆動パルス、および読み出し電極３２に印加される読み出しパルスの時間的変化を示す図である。図７の各時刻ｔ１〜ｔ１２において、相対的に電位の高い部分（電位井戸の深い部分）に信号電荷が存在する。
【００７６】
図８は、基板水平方向および基板深さ方向におけるポテンシャル図であり、（ａ）はフォトダイオードでの電荷蓄積時および水平転送時のポテンシャル図、（ｂ）はフォトダイオードから電荷転送領域への電荷読み出し時のポテンシャル図、（ｃ）は電荷転送領域からフォトダイオードへ信号電荷を戻すときのポテンシャル図である。
【００７７】
時刻ｔ１は、フォトダイオード１０で光電変換され蓄積された信号電荷を、フォトダイオード１０から垂直転送部１１へ電荷を読み出した状態を示す（図３（ｂ）参照）。電荷を読み出すときの各電極の電圧は、例えばＶ１＝−７．５Ｖ、Ｖ２＝１５Ｖ、Ｖ３＝０Ｖ、Ｖ４＝−７．５Ｖであり、読み出し電極３２へは１５Ｖが印加される。読み出し電極３２に１５Ｖと高い電圧が印加される結果、図８（ｂ）に示す電位分布に示すように、図８（ａ）に示す電荷蓄積時における電位分布に比べて、読み出し領域２７の電位が上がり（電位障壁が下がる）、フォトダイオード１０内の信号電荷は、電荷転送領域２６へと読み出される。Ｖ２が１５Ｖと最も電圧が高いため、読み出された信号電荷は、転送電極３１Ｖ２下に集まる。
【００７８】
時刻ｔ２から時刻ｔ１０までは、垂直転送部１１により信号電荷を１画素分転送する動作を示す。時刻ｔ２から時刻ｔ１０までは、読み出し電極へは−７．５Ｖのパルスが与えられ、読み出し領域２７は、垂直転送部１１に存在する信号電荷に対して電位障壁を形成する。時刻ｔ２ではＶ２＝０Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ２下にあった信号電荷は、転送電極３１Ｖ２〜３１Ｖ３にまで広がる。
【００７９】
時刻ｔ３ではＶ４＝０と変化し、時刻ｔ４ではＶ２＝−７．５Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ３，３１Ｖ４下に転送される。さらに、時刻ｔ５ではＶ１＝０Ｖと変化し、時刻ｔ６ではＶ３＝−７．５Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ３，３１Ｖ４下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ４，３１Ｖ１下に転送される。
【００８０】
時刻ｔ７ではＶ２＝０Ｖと変化し、時刻ｔ８ではＶ４＝−７．５Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ４，３１Ｖ１下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２下に転送される。時刻ｔ９ではＶ３＝０Ｖに変化し、時刻ｔ１０ではＶ１＝−７．５Ｖに変化するため、転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３下に転送される。
【００８１】
時刻ｔ１０において、信号電荷が１画素分転送される。すなわち、１行分の信号電荷が水平転送部１３に転送される（図３（ｃ）参照）。
【００８２】
時刻ｔ１１は、信号電荷を垂直転送部１１からフォトダイオード１０へ戻した状態を示す（図３（ｄ）参照）。このときの電圧は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖであり、読み出し電極へは５Ｖを印加する。このとき、読み出し電極へ印加する電圧は、その下部の読み出し領域２７の電位が、空乏状態におけるフォトダイオード１０内の最高電位よりも低い電位になるように設定されていることが好ましい。これにより、図８（ｃ）に示すように、電荷転送領域２６からフォトダイオード１０へと信号電荷が戻される。
【００８３】
さらに、Ｖ２＝Ｖ３＝−７．５Ｖと変化させる前に、読み出し電極への電圧を−７．５Ｖから５Ｖに変化させることが好ましい。このパルス構成によって、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３下の信号電荷は、読み出し領域２７にまで広がり、その後、フォトダイオード１０へと効率的に移される。なお、先にＶ２＝Ｖ３＝−７．５Ｖとすると、未だフォトダイオード１０へ電荷を戻すための電位障壁が下がっていないことから、電荷が有効にフォトダイオード１０へ戻らずに周囲に拡散する恐れがある。
【００８４】
時刻ｔ１１の動作により信号電荷がフォトダイオード１０へ移された後、水平転送部１３による信号電荷の水平転送が行われる（図３（ｅ）参照）。水平転送部１３による水平転送が完了するまでは、信号電荷はフォトダイオード１０内に保持される。このときの電位分布は、図８（ｃ）の通りである。
【００８５】
水平転送後の後、時刻ｔ１と同じ動作が行われる（時刻ｔ１２）。これにより、図８（ａ）に示すように再び電荷転送領域２６の電位が引き上げられ、さらに、図８（ｂ）に示すように、読み出し領域２７の電位が引き上げられて、フォトダイオード１０から電荷転送領域２６へと電荷が読み出される（図３（ｆ）参照）。以降、同様にしてｔ１〜ｔ１１の動作を繰り返すことにより、全ての信号電荷が出力部１４へ転送される。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、水平転送部１３による信号電荷の水平転送期間において、垂直転送すべき残りの信号電荷は暗電流の少ないフォトダイオード１０内で保持することから、垂直転送部１１の電荷転送領域２６で発生する暗電流の影響を低減することができる。このため、最終的に出力部１４に出力され、信号処理回路５により得られる映像信号は、白点が低減されたものとなる。また、水平期間中において、垂直転送部１１の電荷転送領域２６で発生する暗電流の影響を受けないことから、水平転送部１３の駆動を低速化することができる。
【００８７】
本実施形態に係る固体撮像装置によれば、転送電極３１とは独立した読み出し電極３２を設けていることから、上記の駆動方法に必要な電荷転送領域２６からフォトダイオード１０へ信号電荷を戻す動作を実現することができる。この結果、暗電流による影響を抑えることができ、白点を低減することができる。
【００８８】
本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、転送電極３１とは独立した読み出し電極３２を形成することができる。従って、上記の駆動方法に必要な電荷転送領域２６からフォトダイオード１０へ信号電荷を戻す動作を実現することができる固体撮像装置を製造することができる。
【００８９】
本実施形態に係るカメラシステムによれば、上記の固体撮像装置を用いて上記の本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を実施することができる。この結果、固体撮像装置の電荷転送領域２６の暗電流による影響を低減し、白点を低減した映像信号を得ることができる。
【００９０】
（第２実施形態）
第１実施形態では、一例として全画素読み出し方式における固体撮像装置の駆動方法、構造について説明したが、本実施形態では、フレーム読み出し方式を採用する場合における固体撮像装置の駆動方法および構造について説明する。
【００９１】
本実施形態に係るカメラシステムの構成としては、第１実施形態で説明した図１および図２と同様である。まず、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について、図９および図１０を参照して説明する。なお、以下の動作は、駆動制御回路４−１からの制御信号に基づいて行われる。
【００９２】
図９は、第１フィールドの駆動方法を説明するための図であり、図１０は第２フィールドの駆動方法を説明するための図である。本実施形態では、第１フィールドで垂直に配列した奇数番目のフォトダイオード１０の信号電荷を読み出し、第２フィールドで垂直に配列した偶数番目のフォトダイオード１０の信号電荷を読み出す例について説明する。説明の容易のため、図９および図１０において、奇数番目のフォトダイオード１０の信号電荷を黒丸で示し、偶数番目のフォトダイオード１０の信号電荷を白丸で示す。
【００９３】
まず、電子シャッタにより、フォトダイオード１０に蓄積されている電子を掃き出す。その後、図９（ａ）に示すように、フォトダイオード１０により入射光が受光され、入射光量に応じた信号電荷ｅに光電変換されて、フォトダイオード１０に蓄積される。
【００９４】
次に、シャッタ駆動回路４−５によりメカニカルシャッタ３を閉じた後に、図９（ｂ）に示すように、第１フィールドにおいて、読み出し用駆動回路４−４により垂直方向の奇数番目の読み出しゲート部１２を動作させ、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０に蓄積された信号電荷を垂直転送部１１に読み出す。
【００９５】
次に、図９（ｃ）に示すように、垂直転送用駆動回路４−２により垂直転送部１１を動作させ、２行（２画素分に相当）分、垂直方向Ｖに信号電荷を転送する。これにより、１行分の信号電荷が水平転送部１３に転送される。なお、水平転送部１３が２本以上存在する場合には、水平転送部１３の本数に相当する行数に２を掛けた分だけ信号電荷を垂直方向Ｖに転送する。
【００９６】
次に、図９（ｄ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４および垂直転送用駆動回路４−２により、読み出しゲート部１２および垂直転送部１１を動作させて、水平転送部１３に入っていない行の信号電荷、すなわち垂直転送部１１内に存在する信号電荷をフォトダイオード１０に移す。これにより、信号電荷は、光電変換されたフォトダイオード１０に対して２行分下のフォトダイオード１０に移される。また、２行分下のフォトダイオード１０に移されることから、フォトダイオード１０に読み出されずに保持された偶数番目の信号電荷と混色することもない。
【００９７】
図９（ｅ）に示すように、水平転送用駆動回路４−３により水平転送部１３を動作させて、垂直転送部１１から移された１行分の信号電荷を、出力部１４へ向けて水平方向Ｈに転送する。
【００９８】
水平転送部１３内の全ての信号電荷が出力部１４へと転送された後、図９（ｆ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４により垂直方向の奇数番目の読み出しゲート部１２を動作させ、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０に移された信号電荷を垂直転送部１１に再び読み出す。
【００９９】
以降の駆動方法としては、第１フィールドにおいて、図９（ｃ）〜図９（ｆ）のステップを繰り返すことにより、垂直方向の奇数番目の信号電荷を出力部１４へと転送する。垂直方向の奇数番目のすべての信号電荷が出力部１４へと転送されるまで、メカニカルシャッタ３は閉じておく。
【０１００】
第１フィールドの後には、図１０（ａ）に示すように、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０の信号電荷のみが残っている。第２フィールドにおいて、この偶数番目のフォトダイオード１０の信号電荷を読み出す。なお、メカニカルシャッタ３は閉じた状態にある。
【０１０１】
すなわち、図１０（ｂ）に示すように、第２フィールドにおいて、読み出し用駆動回路４−４により垂直方向の偶数番目の読み出しゲート部１２を動作させ、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０に蓄積された信号電荷を垂直転送部１１に読み出す。
【０１０２】
次に、図１０（ｃ）に示すように、垂直転送用駆動回路４−２により垂直転送部１１を動作させ、２行（２画素分に相当）分、垂直方向Ｖに信号電荷を転送する。これにより、１行分の信号電荷が水平転送部１３に転送される。なお、水平転送部１３が２本以上存在する場合には、水平転送部１３の本数に相当する行数に２を掛けた分だけ信号電荷を垂直方向Ｖに転送する。
【０１０３】
次に、図１０（ｄ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４および垂直転送用駆動回路４−２により、読み出しゲート部１２および垂直転送部１１を動作させて、水平転送部１３に入っていない行の信号電荷、すなわち垂直転送部１１内に存在する信号電荷をフォトダイオード１０に移す。これにより、信号電荷は、光電変換されたフォトダイオード１０に対して２行分下のフォトダイオード１０に移される。
【０１０４】
次に、図１０（ｅ）に示すように、水平転送用駆動回路４−３により水平転送部１３を動作させて、垂直転送部１１から移された１行分の信号電荷を、出力部１４へ向けて水平方向Ｈに転送する。
【０１０５】
水平転送部１３内の全ての信号電荷が出力部１４へと転送された後、図１０（ｆ）に示すように、読み出し用駆動回路４−４により垂直方向の偶数番目の読み出しゲート部１２を動作させ、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０に移された信号電荷を垂直転送部１１に再び読み出す。
【０１０６】
以降の駆動方法としては、第２フィールドにおいて、図１０（ｃ）〜図１０（ｆ）のステップを繰り返すことにより、垂直方向の偶数番目の信号電荷を出力部１４へと転送する。垂直方向の偶数番目のすべての信号電荷が出力部１４へと転送されるまで、メカニカルシャッタ３は閉じておく。
【０１０７】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、フレーム読み出し方式における第１および第２フィールドにおいて、出力部１４への水平方向の転送（図９（ｅ）および図１０（ｅ）参照）を行っている間、垂直転送部１１に存在していた信号電荷をフォトダイオード１０へと移して待機状態としている。このため、水平転送部１３による転送期間は、信号電荷は暗電流の少ないフォトダイオード１０内に存在することから、信号電荷へ暗電流が加算されることを低減することができる。
【０１０８】
次に、上記の固体撮像装置の駆動方法を実現するための固体撮像装置の構造について説明する。図１１は、転送電極３１、読み出し電極３２および裏打ち配線３３のレイアウトを示す平面図である。なお、理解を容易にするため、電極や配線以外のフォトダイオード１０をも図示している。なお、図１１のＡ−Ａ’線における断面図は、転送電極３１上の裏打ち配線３３の本数が４本となる点以外については図４と同様であるため説明は省略する。また、第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法については、第１実施形態と同様に説明されるため省略する。
【０１０９】
転送電極３１は、転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４に大別される。転送電極３１Ｖ１には駆動パルスＶ１が印加され、転送電極３１Ｖ２には駆動パルスＶ２が印加され、転送電極３１Ｖ３には駆動パルスＶ３が印加され、転送電極３１Ｖ４には駆動パルスＶ４が印加される。
【０１１０】
水平方向に並ぶフォトダイオード１０間において、垂直方向Ｖに転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４が繰り返し配置されている。本実施形態では、全ての転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４は、浮島状に分離して形成されている。なお、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４を区別する必要がない場合には、単に転送電極３１と称する。
【０１１１】
フォトダイオード１０と転送電極３１Ｖ２との間、フォトダイオード１０と転送電極３１Ｖ３との間には、読み出し電極３２−１，３２−２が配置されている。本実施形態では、読み出し電極３２−１，３２−２は、浮島状に形成されている。
【０１１２】
浮島状の読み出し電極３２−１，３２−２に駆動パルスを別々に供給するため、読み出し電極３２−１，３２−２にそれぞれコンタクト３６を介して接続された２本の裏打ち配線３５が水平方向に延在している。裏打ち配線３５は、垂直方向のフォトダイオード１０間に配置されている。また、２本の裏打ち配線３５は、水平方向に並ぶ全ての読み出し電極３２−１あるいは読み出し電極３２−２に共通接続されている。これにより、一方の裏打ち配線３５を介して、水平方向の全ての読み出し電極３２−１に読み出しパルスが印加され、例えば垂直方向の奇数番目の全てのフォトダイオード１０の信号電荷が読み出される。また、他方の裏打ち配線３５を介して、水平方向の全ての読み出し電極３２−２に読み出しパルスが印加され、例えば垂直方向の偶数番目の全てのフォトダイオード１０の信号電荷が読み出される。
【０１１３】
浮島状の転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４へ駆動パルスを供給するため、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４上には、４本の裏打ち配線３３が垂直方向Ｖに延在している。裏打ち配線３３と、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４および裏打ち配線３５との間には絶縁膜が介在している。
【０１１４】
駆動パルスＶ１が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ１にコンタクト３４を介して共通接続されている。駆動パルスＶ２が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ２にコンタクト３４を介して共通接続されている。駆動パルスＶ３が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ３にコンタクト３４を介して共通接続されている。駆動パルスＶ４が供給される裏打ち配線３３は、垂直方向Ｖに配置された全ての転送電極３１Ｖ４にコンタクト３４を介して共通接続されている。
【０１１５】
以上の構成により、第１フィールドにおいて、例えば読み出し電極３２−１に必要なパルスを印加することにより、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０から電荷転送領域への信号電荷の読み出し、および電荷転送領域から垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０への信号電荷の戻し動作が実現される。また、第２フィールドにおいて、例えば読み出し電極３２−２に必要なパルスを印加することにより、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０から電荷転送領域への信号電荷の読み出し、および電荷転送領域から垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０への信号電荷の戻し動作が実現される。
【０１１６】
次に、図１１に示す構造をもつ固体撮像装置を用いて、図９および図１０に示した駆動方法を実現するための駆動パルスに関して説明する。
【０１１７】
図１２は、第１フィールドにおいて、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４に印加される駆動パルス、および読み出し電極３２−１，３２−２に印加される読み出しパルスの時間的変化を示す図である。図１３は、第２フィールドにおいて、転送電極３１Ｖ１〜３１Ｖ４に印加される駆動パルス、および読み出し電極３２−１，３２−２に印加される読み出しパルスの時間的変化を示す図である。図１２および図１３の各時刻ｔ１〜ｔ１２において、相対的に電位の高い部分（電位井戸の深い部分）に信号電荷が存在する。
【０１１８】
まず、第１フィールドにおける駆動パルスおよび読み出しパルスについて、図１２を参照して説明する。
【０１１９】
時刻ｔ１は、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０から垂直転送部１１へ電荷を読み出した状態を示す（図９（ｂ）参照）。電荷を読み出すときの各電極の電圧は、例えばＶ１＝−７．５Ｖ、Ｖ２＝１５Ｖ、Ｖ３＝１５Ｖ、Ｖ４＝０Ｖであり、読み出し電極３２−１へは１５Ｖが印加され、読み出し電極３２−２へは−７．５Ｖが印加される。垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０に隣接する読み出し電極３２−１に１５Ｖと高い電圧が印加される結果、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０内の信号電荷は、電荷転送領域２６へと読み出される。このとき、読み出し電極３２−２には、−７．５Ｖが印加されており、信号電荷に対して電位障壁を形成しているため、偶数番目のフォトダイオード１０の電荷はフォトダイオード１０内に保持される。Ｖ２およびＶ３が１５Ｖと最も電圧が高いため、読み出された信号電荷は、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３下に集まる。
【０１２０】
時刻ｔ２から時刻ｔ１０までは、垂直転送部１１により信号電荷を２画素分転送する動作を示す。時刻ｔ２から時刻ｔ１０までは、読み出し電極３２−１，３２−２へは−７．５Ｖのパルスが与えられ、読み出し電極３２−１，３２−２下の読み出し領域２７は、垂直転送部１１に存在する信号電荷に対して電位障壁を形成する。時刻ｔ２ではＶ２＝Ｖ３＝０Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３下にあった信号電荷は、転送電極３１Ｖ２〜３１Ｖ４下にまで広がる。
【０１２１】
時刻ｔ３ではＶ２＝−７．５Ｖと変化し、時刻ｔ４ではＶ１＝０Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ，３１Ｖ３，３１Ｖ４下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ３，３１Ｖ４，３１Ｖ１下に転送される。さらに、時刻ｔ５ではＶ３＝−７．５Ｖと変化し、時刻ｔ６ではＶ２＝０Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ３，３１Ｖ４，３１Ｖ１下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ４，３１Ｖ１，３１Ｖ２下に転送される。
【０１２２】
時刻ｔ７ではＶ４＝−７．５Ｖと変化し、時刻ｔ８ではＶ３＝０Ｖと変化するため、転送電極３１Ｖ４，３１Ｖ１，３１Ｖ２下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２，３１Ｖ３下に転送される。時刻ｔ９ではＶ１＝−７．５Ｖに変化し、時刻ｔ１０ではＶ４＝０Ｖに変化するため、転送電極３１Ｖ１，３１Ｖ２，３１Ｖ３下に存在する信号電荷は、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４下に転送される。
【０１２３】
時刻ｔ１０において、信号電荷が２画素分転送され、１行分の信号電荷が水平転送部１３に転送される（図９（ｃ）参照）。
【０１２４】
時刻ｔ１１は、信号電荷を垂直転送部１１から垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０へ戻した状態を示す（図９（ｄ）参照）。このときの電圧は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖであり、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０に隣接する読み出し電極３２−１へは５Ｖを印加する。読み出し電極３２−２へは、−７．５Ｖを印加する。このとき、読み出し電極３２−１へ印加する電圧は、その下部の読み出し領域２７の電位が、空乏状態におけるフォトダイオード１０内の最高電位よりも低い電位になるように設定されていることが好ましいことは第１実施形態と同様である。
【０１２５】
さらに、Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖと変化させる前に、読み出し電極３２−１への電圧を−７．５Ｖから５Ｖに変化させることが好ましい。このパルス構成によって、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４下の信号電荷は、読み出し領域２７にまで広がり、その後、フォトダイオード１０へと効率的に移される。なお、先にＶ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖとすると、未だフォトダイオード１０へ電荷を戻すための電位障壁が下がっていないことから、電荷が有効にフォトダイオード１０へ戻らずに周囲に拡散する恐れがある。
【０１２６】
時刻ｔ１１の動作により信号電荷が垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０へ移された後、水平転送部１３による信号電荷の水平転送が行われる（図９（ｅ）参照）。水平転送部１３による水平転送が完了するまでは、信号電荷はフォトダイオード１０内に保持される。
【０１２７】
水平転送後の後、時刻ｔ１と同じ動作が行われる（時刻ｔ１２）。これにより、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０から電荷転送領域２６へと電荷が再び読み出される（図９（ｆ）参照）。以降、第１フィールドにおいて、同様にしてｔ１〜ｔ１１の動作を繰り返すことにより、垂直方向の奇数番目の全てのフォトダイオード１０の信号電荷が出力部１４へ転送される。
【０１２８】
次に、第２フィールドにおける駆動パルスおよび読み出しパルスについて、図１３を参照して説明する。
【０１２９】
時刻ｔ１は、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０から垂直転送部１１へ電荷を読み出した状態を示す（図１０（ｂ）参照）。電荷を読み出すときの各電極の電圧は、例えばＶ１＝−７．５Ｖ、Ｖ２＝１５Ｖ、Ｖ３＝１５Ｖ、Ｖ４＝０Ｖであり、読み出し電極３２−２へは１５Ｖが印加され、読み出し電極３２−１へは−７．５Ｖが印加される。垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０に隣接する読み出し電極３２−２に１５Ｖと高い電圧が印加される結果、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０内の信号電荷は、電荷転送領域２６へと読み出される。このとき、読み出し電極３２−１には、−７．５Ｖが印加されており、信号電荷に対して電位障壁を形成しておく。Ｖ２およびＶ３が１５Ｖと最も電圧が高いため、読み出された信号電荷は、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３下に集まる。
【０１３０】
時刻ｔ２から時刻ｔ１０までは、垂直転送部１１により信号電荷を２画素分転送する動作を示す。時刻ｔ２から時刻ｔ１０において、読み出し電極３２−１，３２−２に印加するパルス、および転送電極３１Ｖ一３１Ｖ４へ印加する駆動パルスについては、第１フィールドと同様のため、重複説明は省略する。
【０１３１】
第１フィールドと同様にして、時刻ｔ１０において、信号電荷が２画素分転送され、１行分の信号電荷が水平転送部１３に転送される（図１０（ｃ）参照）。
【０１３２】
時刻ｔ１１は、信号電荷を垂直転送部１１から垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０へ戻した状態を示す（図１０（ｄ）参照）。このときの電圧は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖであり、垂直方向の奇数番目のフォトダイオード１０に隣接する読み出し電極３２−２へは５Ｖを印加する。読み出し電極３２−１へは、−７．５Ｖを印加する。このとき、読み出し電極３２−２へ印加する電圧は、その下部の読み出し領域２７の電位が、空乏状態におけるフォトダイオード１０内の最高電位よりも低い電位になるように設定されていることが好ましいことは第１実施形態と同様である。
【０１３３】
さらに、Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖと変化させる前に、読み出し電極３２−２への電圧を−７．５Ｖから５Ｖに変化させることが好ましい。このパルス構成によって、転送電極３１Ｖ２，３１Ｖ３，３１Ｖ４下の信号電荷は、読み出し領域２７にまで広がり、その後、フォトダイオード１０へと効率的に移される。なお、先にＶ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝−７．５Ｖとすると、未だフォトダイオード１０へ電荷を戻すための電位障壁が下がっていないことから、電荷が有効にフォトダイオード１０へ戻らずに周囲に拡散する恐れがある。
【０１３４】
時刻ｔ１１の動作により信号電荷が垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０へ移された後、水平転送部１３による信号電荷の水平転送が行われる（図１０（ｅ）参照）。水平転送部１３による水平転送が完了するまでは、信号電荷はフォトダイオード１０内に保持される。
【０１３５】
水平転送後の後、時刻ｔ１と同じ動作が行われる（時刻ｔ１２）。これにより、垂直方向の偶数番目のフォトダイオード１０から電荷転送領域２６へと電荷が再び読み出される（図１０（ｆ）参照）。以降、第２フィールドにおいて、同様にしてｔ１〜ｔ１１の動作を繰り返すことにより、垂直方向の偶数番目の全てのフォトダイオード１０の信号電荷が出力部１４へ転送される。
【０１３６】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、フレーム読み出し動作においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【０１３７】
本実施形態に係る固体撮像装置によれば、転送電極３１とは独立して、読み出し電極３２−１，３２−２を設けていることから、フレーム読み出し動作において、上記の駆動方法に必要な電荷転送領域２６からフォトダイオード１０へ信号電荷を戻す動作を実現することができる。この結果、暗電流による影響を抑えることができ、白点を低減することができる。
【０１３８】
本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、第１実施形態と同様にして、転送電極３１とは独立した読み出し電極３２−１，３２−２を形成することにより、フレーム読み出し動作において、電荷転送領域２６からフォトダイオード１０へ信号電荷を戻す動作を実現することができる固体撮像装置を製造することができる。
【０１３９】
本実施形態に係るカメラシステムによれば、上記の固体撮像装置を用いて上記の本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を実施することができる。この結果、固体撮像装置の電荷転送領域２６の暗電流による影響を低減し、白点を低減した映像信号を得ることができる。
【０１４０】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態では、一例として全画素読み出し動作およびフレーム読み出し動作の場合について説明したが、本発明はフィールド読み出し動作に適用することも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本実施形態に係るカメラシステムの概略構成図である。
【図２】固体撮像装置および駆動回路の詳細な構成の一例を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を説明するための図である。
【図４】第１実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【図５】第１実施形態に係る固体撮像装置の画素の平面図である。
【図６】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。
【図７】第１実施形態における各電極に印加するパルスを示す図である。
【図８】基板水平方向および基板深さ方向におけるポテンシャル図である。
【図９】第２実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法において、第１フィールドの駆動方法を説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法において、第２フィールドの駆動方法を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る固体撮像装置の画素の平面図である。
【図１２】第２実施形態における各電極に印加するパルスを示す図である（第１フィールド）。
【図１３】第２実施形態における各電極に印加するパルスを示す図である（第２フィールド）。
【図１４】従来例の固体撮像装置の断面図である。
【図１５】従来例の固体撮像装置の製造における工程断面図である。
【符号の説明】
【０１４２】
１…固体撮像装置、２…光学レンズ、３…メカニカルシャッタ、４…駆動回路、４−１…駆動制御回路、４−２…垂直転送用駆動回路、４−３…水平転送用駆動回路、４−４…読み出し用駆動回路、４−５…シャッタ駆動回路、５…信号処理回路、１０…フォトダイオード（光電変換領域）、１１…垂直転送部、１２…読み出しゲート部、１３…水平転送部、１４…出力部、２１…半導体基板、２２…ｐ型ウェル領域、２３…ｎ型領域、２４…ｐ+ 領域、２５…ｐ型ウェル領域、２６…電荷転送領域、２７…読み出し領域、２８…チャネルストッパ領域、３０…ゲート絶縁膜、３１…転送電極、３２…読み出し電極、３３…裏打ち配線、３４…コンタクト、３５…裏打ち配線、３６…コンタクト、３７…層間絶縁膜、４０…遮光膜、４１…開口部、４２…カバー膜、４３…平坦化膜、４４…オンチップレンズ
【図１】
2006066954.tif 000003
【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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