(57)【要約】【課題】光電変換素子から垂直電荷転送路に電荷を転送中に強い光を受けてもブルーミングを抑圧できる固体撮像素子の駆動方法を提供する。【解決手段】マトリクス状に配列されたフォトダイオードＰＤと、上記フォトダイオードＰＤによって発生した電荷を列方向に転送する垂直電荷転送路ＶＣＣＤと、垂直電荷転送路ＶＣＣＤから電荷を受け取って行方向に転送する水平電荷転送路と、フォトダイオードＰＤで発生した過剰な電荷を基板の深さ方向に排出するための縦型オーバーフロードレイン構造とを有する。上記フォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤの電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間に、フォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ２）を垂直電荷転送路ＶＣＣＤの隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁φＶＣＣＤ（ＶＬ）よりも低くする。【選択図】  図１
2004222159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配列された光電変換素子と、上記光電変換素子によって発生した電荷を列方向に転送する垂直電荷転送路と、上記垂直電荷転送路から電荷を受け取って行方向に転送する水平電荷転送路と、上記光電変換素子で発生した過剰な電荷を基板の深さ方向に排出するための縦型オーバーフロードレイン構造とを有する固体撮像素子において、
上記光電変換素子から上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間に、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
上記光電変換素子から上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間にのみ、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くし、
上記電荷転送期間後の垂直転送期間では、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記電荷転送期間の上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁よりも高くすることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
上記電荷転送期間に上記垂直電荷転送路に直流バイアス電圧を印加することによって、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域間に不純物拡散層を形成することによって、上記電荷転送期間において上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項２に記載の固体撮像素子において、
上記電荷転送期間にのみ上記垂直電荷転送路にパルス電圧を印加することによって、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
請求項２に記載の固体撮像素子において、
上記電荷転送期間にのみ上記垂直電荷転送路に印加する直流バイアス電圧を切り替えることによって、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１つに記載の固体撮像素子を駆動する固体撮像素子の駆動方法であって、
上記光電変換素子から上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間後に、上記基板に電圧を印加することにより上記光電変換素子内に蓄積されている電荷を上記基板に掃き出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関し、特にブルーミングを低減する固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像素子としては、光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路に転送するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は固体撮像素子の構成を説明するための図である。１１は２次元マトリクス状に配列されたフォトダイオード、１２はフォトダイオード１１から電荷を読み出し、その電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路、１３は垂直電荷転送路１２から電荷を受け取り、その電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路、１４は水平電荷転送路１３から電荷を受け、その電荷量に応じた電圧を出力する信号検出部である。上記垂直電荷転送路１２上の電極に駆動パルスφＶを印加して電荷を図４の上から下に転送するが詳細については後述する。
【０００４】
図５（ａ）は図４の点線で囲まれた部分の拡大図である。図５（ａ）に示すように、垂直電荷転送路ＶＣＣＤは例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって転送駆動され、電極Ｖ１とＶ３はフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路ＶＣＣＤに転送するための転送ゲートＴＧも兼ねている。
【０００５】
図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面図である。図５（ｂ）においてＮ型シリコン基板１の表面にＰ型ウェル２を設けている。Ｐ型ウェル２の表面に、フォトダイオードＰＤを構成するＮ型領域３が設けており、その表面に暗電流を低減するためのＰ＋型拡散層４を設けている。また、垂直電荷転送路ＶＣＣＤを構成するＮ型拡散層５の上に、絶縁膜６を介して転送ゲート電極７を形成している。転送ゲート電極７に正の電位が印加されると、ゲート下のＰ型領域にチャネルが形成され、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷は垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出される。上記転送ゲート電極７の上部に、アルミニウム膜などの遮光膜８を設けている。また、Ｎ型シリコン基板１には、Ｐ型ウェル２に対して逆バイアスになるような電圧を印加してフォトダイオードＰＤのポテンシャル井戸以上の過剰な電荷をＮ型シリコン基板１に掃き出す縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造を採用している。
【０００６】
図６は、フレーム蓄積モードにおけるフォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤへの信号電荷の転送期間の電極Ｖ１〜Ｖ４に印加される電圧のタイミングを示している。図７は図５（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面のポテンシャルプロファイルを、図８は図５（ａ）のＣ−Ｄ線から見た断面のポテンシャルプロファイルを示している。フォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤへの電荷転送期間（Ｔ１〜Ｔ３）の動作について図７、図８を用いて説明する。上記転送ゲート電極７に電圧ＶＸが印加されているときの転送ゲートＴＧ，垂直電荷転送路ＶＣＣＤ下の表面ポテンシャルをφＴＧ（ＶＸ）、φＶＣＣＤ（ＶＸ）と表す。
【０００７】
図６に示す期間Ｔ１は信号電荷蓄積期間の一部である。図７（ａ）、図８（ａ）はこの期間Ｔ１のポテンシャルプロファイルを示している。電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にはそれぞれＶＭ１，ＶＬ，ＶＬ，ＶＭ１の電圧が印加されている。電圧ＶＭ１は、信号蓄積期間でのフォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ１）を形成しており、図７（ａ）で示すように、フォトダイオードＰＤには受光により発生した信号電荷がポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ１）により垂直電荷転送路ＶＣＣＤへ漏れ出すことなくフォトダイオードＰＤ内に蓄積されている。電圧ＶＬは、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＬ）を作り出している。
【０００８】
次に、期間Ｔ２では、電極Ｖ１に電圧ＶＨを印加することによってフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を垂直電荷転送路ＶＣＣＤに転送する。図７（ｂ）、図８（ｂ）はこの期間Ｔ２のポテンシャルプロファイルを示した図である。
【０００９】
ここで、φＶＣＣＤ（ＶＨ）＜φＴＧ（ＶＨ）＜φＰＤの関係が成立しており、フォトダイオードＰＤで発生した信号電荷ＱＰＤは、転送ゲートＴＧを経て垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出される。
【００１０】
次に、期間Ｔ３では、フォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに信号電荷ＱＰＤの転送は完了し、フォトダイオードＰＤでは新たに次のフレームで読み出される信号電荷ＱＰＤの蓄積が開始される。
【００１１】
信号電荷蓄積期間中にフォトダイオードＰＤで発生した電荷は、全て垂直電荷転送路ＶＣＣＤに転送されている。図７（ｃ），図８（ｃ）は期間Ｔ３のポテンシャルプロファイルを示した図である。仮に信号電荷ＱＰＤが垂直電荷転送路ＶＣＣＤの取り扱い電荷量（ＱＶＣＣＤ）を超えると、電荷量ＱＶＣＣＤ以上の余剰な電荷が垂直電荷転送路ＶＣＣＤの電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁φＶＣＣＤ（ＶＬ）を超えて隣接するの電荷蓄積領域に漏れこみブルーミングが発生する。ブルーミングの詳細については後述する。通常ＣＣＤのダイナミックレンジは電荷量ＱＶＣＣＤで制限されている。電荷量ＱＶＣＣＤを増加するには、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの面積を大きく、また、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに印加する電圧を大きくする必要があるが、一方ＣＣＤの感度を上げるためには、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの面積を小さくしてフォトダイオードＰＤの占める面積の割合を大きくする必要がある。固体撮像素子の微細化・低電圧化が進む中、効率よく信号電荷を転送するために信号電荷ＱＰＤＭＡＸと電荷量ＱＶＣＣＤは、ほぼ同じ値（ＱＰＤＭＡＸ  ＜  ＱＶＣＣＤ  かつ  ＱＰＤ≒ＱＶＣＣＤ）になるように調整されている。
【００１２】
次に、期間Ｔ４で垂直電荷転送路ＶＣＣＤから水平電荷転送路ＨＣＣＤに信号電荷の転送が行なわれる。
【００１３】
上記固体撮像素子が強い光を受光すると、フォトダイオードＰＤで発生した電荷が周辺の垂直電荷転送路ＶＣＣＤにもれるブルーミングという現象が引き起こされる。これは、フォトダイオードＰＤ内に信号電荷を蓄積していくうちにフォトダイオードＰＤのポテンシャルφＰＤが上昇し、垂直電荷転送路ＶＣＣＤとフォトダイオードＰＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ１）を超えてしまい、信号電荷が垂直電荷転送路ＶＣＣＤに漏れ込んでしまうために発生するものである。ブルーミング対策としてこの漏れ出す電荷をシリコン基板１に掃き捨てることのできる縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造が従来の技術として知られている。
【００１４】
図９はＶＯＤ構造のポテンシャルプロファイルを示している。この図９の縦軸は、ＰＤ領域の深さ方向のポテンシャルを示した図である。入射光によってフォトダイオードＰＤで発生した電荷は、シリコン基板１の電位Ｖｓｕｂ（Ｎｏｒｍａｌ）によって規定されるポテンシャルφＶＯＦＤ障壁内に蓄積される。図９の実線は、このときのＶＯＤ構造のポテンシャルプロファイルを表わしている。このモードでは、一定の電荷ＱＰＤＭＡＸまでの信号電荷はフォトダイオードＰＤに蓄積され、それ以上に発生した信号電荷は、φＴＧ（ＶＭ１）＞φＶＯＦＤの条件が満たされていれば、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに漏れ込むことなく基板に掃き捨てられる。また、ＶＯＤ構造のシリコン基板１に電圧Ｖｓｕｂ（Ｓｈｕｔｔｅｒ）を印加することによりフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を全てシリコン基板１に掃き捨てる電子シャッターを行なうことができる。図９の点線は、電子シャッターが行なわれたときのＶＯＤ構造のポテンシャルプロファイルを表わしている。この電子シャッターは、露光時間の設定や残像を無くすために用いられる。
【００１５】
【特許文献１】
特開昭６０−１８２７６８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ＶＯＤ構造を採用している固体撮像素子は、信号蓄積期間中に強い光を受けても信号電荷ＱＰＤＭＡＸ以上の電荷は基板に掃き捨てられ、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに漏れ込むことはない。また、上記固体撮像素子では、通常の光量を受光している場合、信号蓄積期間に比べてフォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤへの信号転送期間は十分に短いので、フォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤへの転送期間に発生した信号電荷は、信号電荷蓄積期間中にフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷量ＱＰＤに比べて無視できるほどの量である。しかし、フォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに電荷を転送中に太陽などの強い光を受けると転送中に発生した電荷が垂直電荷転送路ＶＣＣＤの電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁を越えて隣接する電荷蓄積領域に漏れ込んでしまいブルーミングが発生する可能性がある。
【００１７】
そこで、この発明の目的は、光電変換素子から垂直電荷転送路に電荷を転送中に強い光を受けてもブルーミングを抑圧できる固体撮像素子およびその駆動方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の固体撮像素子は、マトリクス状に配列された光電変換素子と、上記光電変換素子によって発生した電荷を列方向に転送する垂直電荷転送路と、上記垂直電荷転送路から電荷を受け取って行方向に転送する水平電荷転送路と、上記光電変換素子で発生した過剰な電荷を基板の深さ方向に排出するための縦型オーバーフロードレイン構造とを有する固体撮像素子において、上記光電変換素子から上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間に、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴としている。
【００１９】
上記構成の固体撮像素子によれば、上記光電変換素子から垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間に、光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることにより、垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間に漏れ出すのを防止して、光電変換素子から垂直電荷転送路に電荷を転送中に強い光を受けてもブルーミングを抑圧できる。
【００２０】
また、一実施形態の固体撮像素子は、上記光電変換素子から上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間にのみ、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くし、上記電荷転送期間後の垂直転送期間では、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記電荷転送期間の上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁よりも高くすることを特徴としている。
【００２１】
上記実施形態の固体撮像素子によれば、上記電荷転送期間後の垂直転送期間では、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記電荷転送期間の上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁よりも高くすることによって、垂直電荷転送路の取り扱い電荷量を増大することができる。
【００２２】
また、一実施形態の固体撮像素子は、上記電荷転送期間に上記垂直電荷転送路に直流バイアス電圧を印加することによって、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴としている。
【００２３】
上記実施形態の固体撮像素子によれば、上記電荷転送期間に垂直電荷転送路に直流バイアス電圧を印加することによって、光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることが容易にできる。
【００２４】
また、一実施形態の固体撮像素子は、上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域間に不純物拡散層を形成することによって、上記電荷転送期間において上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態の固体撮像素子によれば、上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域間に不純物拡散層を形成することによって、垂直電荷転送路に直流バイアス電圧を印加することなしに、光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることが容易にでき、駆動回路を簡略化できる。
【００２６】
また、一実施形態の固体撮像素子は、上記電荷転送期間にのみ上記垂直電荷転送路にパルス電圧を印加することによって、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴としている。
【００２７】
上記実施形態の固体撮像素子によれば、上記電荷転送期間にのみ上記垂直電荷転送路にパルス電圧を印加することによって、光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることが容易にできる。
【００２８】
また、一実施形態の固体撮像素子は、上記電荷転送期間にのみ上記垂直電荷転送路に印加する直流バイアス電圧を切り替えることによって、上記光電変換素子と上記垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることを特徴としている。
【００２９】
上記実施形態の固体撮像素子によれば、上記電荷転送期間にのみ上記垂直電荷転送路に印加する直流バイアス電圧を切り替えることによって、光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることが容易にできる。
【００３０】
また、この発明の固体撮像素子の駆動方法は、上記のいずれか１つの固体撮像素子を駆動する固体撮像素子の駆動方法であって、上記光電変換素子から上記垂直電荷転送路の電荷蓄積領域に電荷を転送する電荷転送期間後に、上記基板に電圧を印加することにより上記光電変換素子内に蓄積されている電荷を上記基板に掃き出すことを特徴としている。
【００３１】
上記固体撮像素子の駆動方法によれば、上記電荷転送期間後に、上記基板に電圧を印加することにより光電変換素子内に蓄積されている電荷を基板に掃き出すので、電荷転送期間中に強い光を受光して過剰な電荷が発生しても、垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域に漏れ出すことなく、ブルーミングを抑圧することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の固体撮像素子およびその駆動方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。なお、この固体撮像素子は、マトリクス状に配列された光電変換素子と、上記光電変換素子によって発生した電荷を列方向に転送する垂直電荷転送路と、上記垂直電荷転送路から電荷を受け取って行方向に転送する水平電荷転送路と、上記光電変換素子で発生した過剰な電荷を基板の深さ方向に排出するための縦型オーバーフロードレイン構造とを有する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１（ａ）はこの発明の第１実施形態の固体撮像素子の断面構造を示しており、図１（ｂ），（ｃ）はこの固体撮像素子のポテンシャルプロファイルを示している。なお、図１（ａ）は、図５（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面図である。この第１実施形態の固体撮像素子は、駆動方法を除いて図４および図５（ａ）に示す固体撮像素子と同一の構成をしており、図４および図５（ａ）を援用する。
【００３４】
図１（ａ）に示すように、Ｎ型シリコン基板１の表面にＰ型ウェル２を設けている。上記Ｐ型ウェル２の表面には、フォトダイオードＰＤを構成するＮ型領域３を設けており、その表面には暗電流を低減するためのＰ＋型拡散層４を設けている。また、垂直電荷転送路ＶＣＣＤを構成するＮ型拡散層５の上に、絶縁膜６を介して転送ゲート電極７を形成している。上記転送ゲート電極７に正の電位が印加されると、転送ゲート電極７下のＰ型領域にチャネルが形成されフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの電荷蓄積領域に読み出される。上記転送ゲート電極７の上部に、アルミニウム膜などの遮光膜８を設けている。また、Ｎ型シリコン基板１には、Ｐ型ウェル２に対して逆バイアスになるような電圧を印加してフォトダイオードＰＤのポテンシャル井戸以上の過剰な電荷をＮ型シリコン基板１に掃き出すＶＯＤ構造を採用している。
【００３５】
この第１実施形態の固体撮像素子において、信号電荷蓄積期間である期間Ｔ１に強い光を受光して最大取り扱い電荷量ＱＰＤＭＡＸの信号電荷がフォトダイオードＰＤに蓄積されているとする。電極Ｖ１には、電圧ＶＭ２が印加されており、信号電荷ＱＰＤＭＡＸ以上に発生した電荷は、φＶＯＦＤ＜φＴＧ（ＶＭ２）が成立しているため、ＶＯＤ構造により垂直電荷転送路ＶＣＣＤではなくＮ型シリコン基板１に掃き出される。
【００３６】
図１（ｂ）は期間Ｔ２における図１（ａ）に示す断面のポテンシャルプロファイルである。電極Ｖ１に電圧ＶＨが印加されており、信号電荷蓄積期間である期間Ｔ１にフォトダイオードＰＤに蓄積されていた信号電荷ＱＰＤＭＡＸは、期間Ｔ２において発生した電荷と共に垂直電荷転送路ＶＣＣＤに転送される。この状態では、フォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、転送ゲートＴＧ下に形成されたチャネルにより導通状態にあり、たとえ異常に強い光を受光してフォトダイオードＰＤで大量の電荷が発生しても過剰な電荷は、ＶＯＤ構造によりＮ型シリコン基板１に掃き出されることになる。
【００３７】
図１（ｃ）は、期間Ｔ３の図１（ａ）に示す断面のポテンシャルプロファイルである。この期間Ｔ３において、電極Ｖ１に電圧ＶＭ２が印加されており、転送ゲートＴＧでの表面ポテンシャルφＴＧ（ＶＭ２）がフォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤのポテンシャル障壁となっている。この電極Ｖ１に電圧ＶＭ２を印加することは、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに直流バイアス電圧を印加することに相当する。上記垂直電荷転送路ＶＣＣＤの電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁φＶＣＣＤ（ＶＬ）は、図１（ｃ）に示すようにフォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ２）と比較して、
φＶＣＣＤ（ＶＬ）  ＞  φＴＧ（ＶＭ２）
の条件が成立しており、信号電荷ＱＰＤＭＡＸ以上の余剰な電荷は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ間に漏れ出すことなくフォトダイオードＰＤの方に掃き出されることになる。
【００３８】
上記フォトダイオードＰＤに掃き戻された電荷をそのままにしておくと、信号電荷を蓄積するときに残像として画質の劣化を引き起こしてしまう。そこで、掃き戻された余剰な電荷は、期間Ｔ２の終了後の期間Ｔ３にＮ型シリコン基板１に電圧Ｖｓｕｂ（Ｓｈｕｔｔｅｒ）を印加してＮ型シリコン基板１に掃き出す。
【００３９】
以上の読み出し動作によって転送期間中に強い光を受光して過剰な電荷が発生しても垂直電荷転送路ＶＣＣＤの隣接する電荷蓄積領域に漏れ出すことなくブルーミングを効果的に抑圧することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態の固体撮像素子について説明する。上記第１実施形態では、期間Ｔ３に、
φＶＣＣＤ（ＶＬ）  ＞  φＴＧ（ＶＭ２）
の条件が成立するような電圧ＶＭ２を電極Ｖ１に印加して、信号電荷転送後に過剰な電荷を垂直電荷転送路ＶＣＣＤからフォトダイオードＰＤに掃き出してブルーミングを抑圧している。しかし、期間Ｔ３に、
φＶＣＣＤ（ＶＬ）  ＞  φＴＧ（ＶＭ２）
の条件成立するようなポテンシャルφＴＧ（ＶＭ２）を設定した結果、従来の読み出し法では、
φＶＣＣＤ（ＶＬ）−φＶＣＣＤ（ＶＭ１）
で形成されていた電荷転送用ポテンシャル井戸が、
φＴＧ（ＶＭ２）−φＶＣＣＤ（ＶＭ２）
で形成されるポテンシャル井戸で形成されるため、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの取り扱い電荷量ＱＶＣＣＤが減少し固体撮像素子のダイナミックレンジの低下を引き起こす可能性がある。
【００４１】
そこで、この第２実施形態では、ダイナミックレンジの低下を引き起こさずにブルーミング抑圧をする固体撮像素子について詳細に説明する。
【００４２】
図２は電極Ｖ１〜Ｖ４に印加する電圧のタイミングチャートを示し、図３（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ期間Ｔ１，Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ３における図５（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面のポテンシャルプロファイルを示している。
【００４３】
図３（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤには信号電荷ＱＰＤが蓄積されている。電極Ｖ１には、電圧ＶＭ１が印加されており、
φＶＯＦＤ  ＜  φＴＧ（ＶＭ１）
の条件から信号電荷ＱＰＤＭＡＸ以上に発生した電荷は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤではなくＮ型シリコン基板１に掃き出される。
【００４４】
図３（ｂ）は、期間Ｔ２ａにおける図１（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面のポテンシャルプロファイルである。電極Ｖ１に電圧ＶＨが印加されており、信号蓄積期間である期間Ｔ１にフォトダイオードＰＤに蓄積されていた信号電荷ＱＰＤは、転送期間に発生した電荷と共に垂直電荷転送路ＶＣＣＤに転送される。
【００４５】
また、図３（ｃ）は、期間Ｔ２ｂにおける図１（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面のポテンシャルプロファイルである。電極Ｖ１には、
φＶＣＣＤ（ＶＬ）  ＞  φＴＧ（ＶＭ２）
の条件が成り立つ電圧ＶＭ２が印加されており、転送ゲートＴＧでの表面ポテンシャルφＴＧ（ＶＭ２）がフォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁となっている。この電極Ｖ１に電圧ＶＭ２を印加することは、垂直電荷転送路ＶＣＣＤにパルス電圧を印加することに相当する。強い光を受光して転送期間Ｔ２ａに信号電荷ＱＰＤＭＡＸ以上の電荷が垂直電荷転送路ＶＣＣＤに転送されたとしても、フォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ２）の方が、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁φＶＣＣＤ（ＶＬ）より低いため、電荷量ＱＶＣＣＤ以上の過剰な電荷は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに溢れることなくフォトダイオードＰＤに掃き戻される。
【００４６】
上記フォトダイオードＰＤに掃き戻された電荷をそのままにしておくと、信号電荷を蓄積するときに残像として画質の劣化を引き起こしてしまう。そこで、掃き戻された余剰な電荷は、転送期間Ｔ２ｂの終了後の期間Ｔ３でＮ型シリコン基板１に電圧Ｖｓｕｂ（Ｓｈｕｔｔｅｒ）を印加してＮ型シリコン基板１に掃き出す。
【００４７】
また、図３（ｄ）は、期間Ｔ３における図１（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面のポテンシャルプロファイルであり、電極Ｖ１には電圧ＶＭ１が印加されている。この電極Ｖ１に印加される電圧のＶＭ１からＶＭ２への変化は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに印加される直流バイアス電圧を切り替えることに相当する。信号読み出し期間Ｔ４では、φＶＣＣＤ（ＶＬ）−φＶＣＣＤ（ＶＭ１）で形成される電荷転送用ポテンシャル井戸で電荷が転送されるため、従来の取り扱い電荷量ＱＶＣＣＤの減少を引き起こすことなくブルーミングを抑圧することができる。
【００４８】
このように、フォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに電荷を転送する期間Ｔ１に電極Ｖ１にかける電圧をＶＭ２からＶＭ１と変化させることによりフォトダイオードＰＤから垂直電荷転送路ＶＣＣＤへ電荷転送時のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ２）と垂直電荷転送路ＶＣＣＤ転送中のフォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ１）が、
φＴＧ（ＶＭ２）＜φＴＧ（ＶＭ１）
となるように設定することができ、次の垂直転送期間において垂直電荷転送路ＶＣＣＤの取り扱い電荷量ＱＶＣＣＤを減少させることなく、ブルーミングを抑圧することができる。上記電極Ｖ１の電圧を変化させる手段はこの期間にパルス上の電圧を印加してもよいし、電極Ｖ１に印加している電圧をスイッチ操作で切り替えてもよい。
【００４９】
上記第１，第２実施形態では、フレーム蓄積モードにおける駆動方法について説明したが、フィールド蓄積モードにおいてもこの発明は適用できる。このほかその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００５０】
また、上記第１，第２実施形態では、電荷転送期間に垂直電荷転送路ＶＣＣＤに直流バイアス電圧を印加する（電極Ｖ１に電圧ＶＭ２を印加する）ことによって、フォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤとの間のポテンシャル障壁φＴＧ（ＶＭ２）を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁φＶＣＣＤ（ＶＬ）よりも低くしたが、垂直電荷転送路の電荷蓄積領域の間に不純物拡散層を形成することによって、電荷転送期間において光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くするようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の固体撮像素子およびその駆動方法によれば、光電変換素子から垂直電荷転送路に電荷を転送中に強い光を受光して、垂直電荷転送路の取り扱い電荷量以上の電荷が垂直電荷転送路に転送されても、光電変換素子と垂直電荷転送路との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くすることにより、垂直電荷転送路の隣接する電荷蓄積領域間に電荷が漏れ出すのを防止して、ブルーミングを効果的に抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）はこの発明の第１実施形態の固体撮像素子を説明するための断面図であり、図１（ｂ），（ｃ）は上記固体撮像素子のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図２】図２はこの発明の第２実施形態の固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図３】図３は上記固体撮像素子の動作を説明するためのポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図４】図４は従来の固体撮像素子の構成を表す概略図である。
【図５】図５（ａ）は上記固体撮像素子の構造を示すための図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ｂ線から見た断面図である。
【図６】図６は上記固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】図７は上記固体撮像素子の動作を説明するための図５（ａ）に示す固体撮像素子のＡ−Ｂ線から見た断面のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図８】図８は上記固体撮像素子の動作を説明するための図５（ａ）に示す固体撮像素子のＣ−Ｄ線から見た断面のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図９】図９は縦型オーバーフロードレインの動作を説明するためのポテンシャルプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１…Ｎ型シリコン基板、
２…Ｐ型ウェル、
３…Ｎ型領域、
４…Ｐ＋型拡散層、
５…Ｎ型拡散層、
６…絶縁膜、
７…転送ゲート電極、
８…遮光膜、
１１…画素、
１２…垂直電荷転送路、
１３…水平電荷転送路、
１４…信号検出部。
【図１】
2004222159.tif 000003
【図２】
2004222159.tif 000004
【図３】
2004222159.tif 000005
【図４】
2004222159.tif 000006
【図５】
2004222159.tif 000007
【図６】
2004222159.tif 000008
【図７】
2004222159.tif 000009
【図８】
2004222159.tif 000010
【図９】
2004222159.tif 000011