(57)【要約】【課題】画素サイズの微細化への対応を容易に実現可能とする。【解決手段】入射光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部１４と、前記光電変換部１４から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部１２と、前記光電変換部１４と前記電荷転送部１２との間で信号電荷の読み出し動作を行う読み出しゲート部１３とを備える固体撮像装置において、前記電荷転送部１２に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極１とは別に、前記読み出しゲート部１３に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される読み出し電極２を独立して形成する。【選択図】　　　　図１
2004088044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、
前記光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う読み出しゲート部と、
前記読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される読み出し電極とを備えるとともに、
前記読み出し電極は、前記転送電極とは独立に形成されてなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記転送電極は、複数の電極部分が互いに重なり合うことなく単層に配置されたものである
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記読み出し電極は、前記電極部分同士の境界部分の少なくとも一部を覆うように配置されたものである
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
入射光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、
前記光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う読み出しゲート部と、
前記読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される読み出し電極とを備えるとともに、
前記読み出し電極が前記転送電極とは独立に形成されてなる固体撮像装置に対して、
前記光電変換部から前記電荷転送部への信号電荷の読み出し動作の際に、前記読み出し電極のみに電圧を印加する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
入射光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、
前記光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う読み出しゲート部と、
前記読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される読み出し電極とを備えるとともに、
前記読み出し電極が前記転送電極とは独立に形成されてなる固体撮像装置に対して、
前記電荷転送部での信号電荷の転送中に、前記読み出し電極に負バイアスとなる電圧を印加する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
入射光量に応じて信号電荷を生成する第一光電変換部と、
前記第一光電変換部と並設された第二光電変換部と、
前記第一光電変換部と前記第二光電変換部との間に配され、各光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、前記第一光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第一読み出しゲート部と、
前記第一読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第一読み出し電極と、
前記第一読み出しゲート部と前記電荷転送部を挟んで対向する位置に配され、前記第二光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第二読み出しゲート部と、
前記第二読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第二読み出し電極とを備えるとともに、
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極は、いずれも前記転送電極とは独立に形成されてなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部とのいずれか一方が、前記第一光電変換部または前記第二光電変換部と前記電荷転送部との間を遮蔽するチャネルストップ部として機能する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極のそれぞれに対して個別に電圧を印加し得るように構成されている
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記電荷転送部を挟んで隣り合う前記第一光電変換部および前記第二光電変換部には、同一色成分のカラーフィルタが付設されている
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第一光電変換部および前記第二光電変換部が二次元マトリクス状に配されているとともに、前記電荷転送部は前記二次元マトリクスにおける垂直転送部として機能する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
入射光量に応じて信号電荷を生成する第一光電変換部と、
前記第一光電変換部と並設された第二光電変換部と、
前記第一光電変換部と前記第二光電変換部との間に配され、各光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、前記第一光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第一読み出しゲート部と、
前記第一読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第一読み出し電極と、
前記第一読み出しゲート部と前記電荷転送部を挟んで対向する位置に配され、前記第二光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第二読み出しゲート部と、
前記第二読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第二読み出し電極とを備えるとともに、
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極がいずれも前記転送電極とは独立に形成されてなる固体撮像装置に対して、
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極に印加する電圧を相違させて、前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部とのどちらか一方のみに読み出し動作を行わせる
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部とのどちらか一方のみに読み出し動作を行わせるのにあたり、前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極に対して互いに異なる電位の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
フレーム読み出し方式による信号電荷の読み出しに対応する
ことを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
入射光量に応じて信号電荷を生成する第一光電変換部と、
前記第一光電変換部と並設された第二光電変換部と、
前記第一光電変換部と前記第二光電変換部との間に配され、各光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、
前記第一光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第一読み出しゲート部と、
前記第一読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第一読み出し電極と、
前記第一読み出しゲート部と前記電荷転送部を挟んで対向する位置に配され、前記第二光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第二読み出しゲート部と、
前記第二読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第二読み出し電極とを備えるとともに、
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極がいずれも前記転送電極とは独立に形成されてなる固体撮像装置に対して、
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極に同電位の電圧を同時に印加して、前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部との両方に同時に読み出し動作を行わせる
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記第一光電変換部および前記第二光電変換部が二次元マトリクス状に配されており、当該二次元マトリクス中に前記電荷転送部が複数並設されている場合に、前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部との両方に同時に読み出し動作を行わせるのにあたって、並設された複数の電荷転送部を前記二次元マトリクスにおける水平方向の一つ置きに動作させる
ことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
フィールド読み出し方式による信号電荷の読み出しに対応する
ことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
入射光量に応じて信号電荷を生成する第一光電変換部と、
前記第一光電変換部と並設された第二光電変換部と、
前記第一光電変換部と前記第二光電変換部との間に配され、各光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、前記第一光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第一読み出しゲート部と、
前記第一読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第一読み出し電極と、
前記第一読み出しゲート部と前記電荷転送部を挟んで対向する位置に配され、前記第二光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う第二読み出しゲート部と、
前記第二読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第二読み出し電極とを備えるとともに、
前記第一読み出し電極および前記第二読み出し電極がいずれも前記転送電極とは独立に形成されてなる固体撮像装置に対して、
全画素読み出しの場合には、前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部とのどちらか一方のみに読み出し動作を行わせ、
画素混合読み出しの場合には、前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部との両方に同時に読み出し動作を行わせる
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１８】
静止画に対応するときには前記全画素読み出しを行い、動画に対応するときには前記画素混合読み出しを行う
ことを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
前記第一読み出しゲート部と前記第二読み出しゲート部との両方に同時に読み出し動作を行わせた後に、そのどちらか一方のみに読み出し動作を行わせる場合に、先に行った読み出し動作で得られた信号電荷を基に、後から行う読み出し動作時におけるアンプのゲイン調整を行う
ことを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ等の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、固体撮像装置としては、その撮像領域が図３に示すように構成されたＣＣＤイメージセンサが広く知られている。図例の撮像領域では、基板（シリコン基板等）上に、チャネルストップ部１１、垂直転送部１２、読み出しゲート部１３およびフォトセンサ部１４が水平方向に連続して配され、垂直方向におけるフォトセンサ部１４同士の間は画素分離部１５によって分離され、これらによって複数のフォトセンサ部１４が二次元マトリクス状に配列されている。そして、垂直転送部１２および読み出しゲート部１３の上方には、所定の電圧信号が印加される垂直転送電極１６が形成されている。このような構成により、固体撮像装置では、各フォトセンサ部１４に蓄積された信号電荷が垂直転送部１２によって順次転送され出力されるのである。なお、垂直転送電極１６の上方には、遮光膜１７があり、垂直転送部１２に光が入射して転送中の信号電荷にノイズが発生することを防止している。さらに、フォトセンサ部１４の上方では、遮光膜１７がカットされ、入射光がフォトセンサ部１４に入るように受光領域１８が形成されており、その入射光が信号電荷に変換されてフォトセンサ部１４に蓄積されるようになっている。
【０００３】
ところで、垂直転送電極１６は、例えば垂直転送部１２の４相駆動に対応したものであれば、図４に示すように、第一の転送電極１６ａおよび第二の転送電極１６ｂによって構成される。これら第一の転送電極１６ａおよび第二の転送電極１６ｂのそれぞれには、４相駆動に対応した電圧信号が所定タイミングで印加され、これにより垂直転送部１２のポテンシャルと読み出しゲート部１３のポテンシャルとを制御して、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２への信号電荷の読み出しおよび読み出した信号電荷の垂直転送部１２での転送を行うようになっている。
【０００４】
このような動作のために、第一の転送電極１６ａまたは第二の転送電極１６ｂの少なくとも一方は、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２への信号電荷の読み出し電極をも兼ねている。したがって、読み出し電極を兼ねる第一の転送電極１６ａまたは第二の転送電極１６ｂは、図５（ａ）に示すように、読み出しゲート部１３の上方をも覆うように配されている。さらに、第一の転送電極１６ａおよび第二の転送電極１６ｂは、垂直転送部１２の４相駆動のために、その一部が互いに重なり合うように配されており、例えば画素分離部１５の上方の領域では、図５（ｂ）に示すように、第二の転送電極１６ｂの上側に層間絶縁膜を挟んで第一の転送電極１６ａが重なった二層構造となっている。
【０００５】
なお、ここで説明した従来の固体撮像装置は、言うまでもなく公知公用の技術に基づくものであり、文献公知発明に係るものではない。したがって、ここでは、記載すべき先行技術文献情報はない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、固体撮像装置に対しては、画素サイズの微細化、すなわち受光領域１８の小型化および高密度化の要求が、非常に高まりつつある。しかしながら、上述した従来の固体撮像装置では、読み出しゲート部１３を動作させるための読み出し電極が、垂直転送部１２を動作させるための転送電極をも兼ねているため、画素サイズの微細化を実現する上で、以下に述べるような問題が生じてしまうことが考えられる。
【０００７】
従来の固体撮像装置では、フォトセンサ部１４で生成された信号電荷を垂直転送部１２へ読み出すべく、読み出しゲート部１３全体に読み出し電圧を印加しようとすると、必然的に画素分離部１５にもその読み出し電圧が印加されることになってしまう。このことは、垂直方向に隣り合うフォトセンサ部１４から信号電荷が同時に読み出され、その結果信号電荷の混合を招いてしまうことになるため、避けなければならない。つまり、読み出し電極が垂直転送部１２の動作電極をも兼ねている場合には、読み出しゲート部１３の全体ではなく、その一部分にしか読み出し電圧を印加することができない。したがって、画素サイズの微細化に伴って読み出しゲート部１３のゲート幅が縮小されると、読み出しを十分に行えるための読み出し電圧が高電圧化してしまうことになる。これは、画素サイズの微細化に対する大きな障害となり得る。
【０００８】
また、従来の固体撮像装置では、読み出し電極が垂直転送部１２の動作電極を兼ねているため、読み出し電圧が印加された場合に、垂直転送部１２である埋込チャネルのポテンシャルと、これに隣接するチャネルストップ部１１のポテンシャルとの間で、そのポテンシャル差が大きくなってしまうおそれがある。したがって、画素サイズの微細化に伴ってチャネルストップ部１１が縮小されると、局所的に高電界による降伏現象が起こり易くなり、ランダムノイズが発生し易くなってしまう。このことも、画素サイズの微細化に対する大きな障害となり得る。
【０００９】
さらに、従来の固体撮像装置では、画素サイズの微細化に伴って読み出しゲート部１３のゲート長が縮小されると、垂直転送部１２とフォトセンサ部１４との距離が近づくので、耐ブルーミング特性およびスミア特性の劣化を招く可能性がある。このことは、チャネルストップ部１１についても同様である。すなわち、チャネルストップ部１１の縮小によっても、垂直転送部１２とフォトセンサ部１４との距離が近づくので、耐ブルーミング特性およびスミア特性の劣化を招く可能性がある。これらのことも、画素サイズの微細化を困難にする要因となる。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した問題点を解消することができ、画素サイズの微細化を実現する上で非常に好適である、固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像装置で、入射光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、前記光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される読み出し電極とを備えるとともに、前記読み出し電極は、前記転送電極とは独立に形成されてなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像装置の駆動方法である。すなわち、入射光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から受け取った信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部に信号電荷を転送させるための電圧が印加される転送電極と、前記光電変換部と前記電荷転送部との間で信号電荷の読み出し動作を行う読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される読み出し電極とを備えるとともに、前記読み出し電極が前記転送電極とは独立に形成されてなる固体撮像装置に対して、前記光電変換部から前記電荷転送部への信号電荷の読み出し動作の際に、前記読み出し電極のみに電圧を印加し、または前記電荷転送部での信号電荷の転送中に、前記読み出し電極に負バイアスとなる電圧を印加することを特徴とする。
【００１３】
上記構成の固体撮像装置および上記手順の固体撮像装置の駆動方法では、転送電極とは別に、読み出し電極が独立して形成されているため、例えば信号電荷の読み出し動作の際に、その読み出し電極のみに電圧を印加して、読み出しゲート部に読み出し動作を行わせることが可能となる。すなわち、読み出し電極の部分のみに電圧を印加し得るので、読み出しゲート部のゲート幅を最大限に活かして従来よりも広く利用することが可能となり、読み出しの低電圧化が容易となる。また、転送電極には読み出し動作のための電圧が印加されないので、例えばランダムノイズの要因となるポテンシャル差が生じ難くなる。また、例えば電荷転送部での信号電荷の転送中に、読み出し電極に負バイアスとなる電圧を印加すれば、その電荷転送部の隣接領域のポテンシャルを浅くできるので、耐ブルーミング特性やスミア特性等の改善も図れるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明に係る固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。
【００１５】
〔第１の実施の形態〕
先ず、本発明の第１の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態は、請求項１〜５に記載の発明に係るものである。
【００１６】
図１は本発明に係る固体撮像装置の要部の第１の概略構成例を模式的に示す平面図であり、図２はその断面図である。なお、図中および以下の説明において、従来のもの（図３〜５参照）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００１７】
ここで説明する固体撮像装置は、従来のものと略同様に、その撮像領域に、チャネルストップ部１１、垂直転送部１２、読み出しゲート部１３、フォトセンサ部１４、画素分離部１５および遮光膜１７を備えたものであるが、図１に示すように、垂直転送電極１および読み出し電極２が従来のものと異なり、読み出し電極２が垂直転送電極１とは別個独立に形成されている。
【００１８】
垂直転送電極１は、垂直転送部１２に信号電荷を転送させるための電圧信号（以下「垂直転送クロックパルス」という）が印加されるものであり、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂから構成されるものである。ただし、上述したように、読み出し電極２とは別個独立であるため、垂直転送電極１は、図２（ａ）に示すように、垂直転送部１２のみの上方に位置するように形成されており、読み出しゲート部１３の上方を覆うようには配されていない。
【００１９】
また、垂直転送電極１は、図２（ｂ）に示すように、垂直転送部１２上または画素分離部１５上のいずれにおいても、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂが互いに重なり合うことなく単層に配置されており、それぞれが電極分離用絶縁膜によって互いに絶縁されている。
【００２０】
一方、図１において、読み出し電極２は、読み出しゲート部１３に読み出し動作を行わせるためのもので、その動作に必要となる読み出し電圧信号が印加されるものである。ただし、読み出し電極２には、垂直転送電極１とは別個独立に形成されてなるものであることから、全く独立して読み出し電圧信号が印加され得るようになっている。
【００２１】
また、読み出し電極２は、図２（ａ）に示すように、垂直転送部１２上および画素分離部１５上において、垂直転送電極１の上側に層間絶縁膜を挟んで重なるように配されている。ただし、垂直転送電極１は垂直転送部１２の上方のみに位置しているため、読み出しゲート部１３の上方部分は、読み出し電極２に覆われることになる。
【００２２】
さらに、読み出し電極２は、垂直転送電極１の上側に重なるように配されているため、図２（ｂ）に示すように、垂直転送部１２上および画素分離部１５上において、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂの間の境界部分を覆うことにもなる。なお、読み出し電極２は、境界部分の少なくとも一部を覆うものであればよい。すなわち、通常の固体撮像装置では、マトリクス状のフォトセンサ部１４に対応して、読み出しゲート部１３、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂ、並びに読み出し電極２等も複数配設されるが、これら第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂの間の各境界部分は、複数の読み出し電極２のいずれかに覆われていればよい。
【００２３】
これらの垂直転送電極１および読み出し電極２は、例えばポリシリコンに代表される一般的な電極材料を用いて形成すればよい。また、その形成手順についても、周知のリソグラフィ技術やエッチング技術等を用いて行えばよい。
【００２４】
次に、以上のように構成された固体撮像装置に用いて好適な駆動方法について説明する。固体撮像装置の駆動にあたっては、先ず、読み出し電極２のみに対して、読み出し電圧信号（例えば１５Ｖのパルス信号）を印加する。このとき、垂直転送電極１については、例えば読み出し対象となるフォトセンサ部１４に対応する位置の第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂを垂直転送クロックパルスのハイレベル（例えば０Ｖレベル）とし、その他の第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂをローレベル（例えば−８．５Ｖレベル）の状態にしておく。
【００２５】
これらにより、垂直転送部１２はそのポテンシャル深さがフォトセンサ部１４から信号電荷を受け取り可能な状態になるとともに、読み出しゲート部１３では、その読み出しゲート部１３におけるポテンシャル深さの変位を通じて、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２への信号電荷の読み出し動作を行うことになる。つまり、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２への信号電荷の読み出し動作の際には、読み出し電極２のみに電圧を印加する。
【００２６】
そして、信号電荷の読み出し後は、続いて、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂに対して、例えば垂直転送部１２の４相駆動に対応する場合であれば、その４相駆動に対応した垂直転送クロックパルスを所定タイミングで印加する。このとき、読み出し電極２に対しては、負バイアスとなる電圧信号を印加する。
【００２７】
これらにより、垂直転送部１２では、その垂直転送部１２におけるポテンシャル深さの変位を通じて、フォトセンサ部１４から受け取った信号電荷の水平転送部（ただし不図示）への転送動作を行うことになる。つまり、垂直転送部１２での信号電荷の転送中には、読み出し電極２に負バイアスとなる電圧を印加する。
【００２８】
以上のような駆動方法を用いることで、本実施形態で説明した固体撮像装置では、▲１▼読み出し電圧の低電圧化、▲２▼ランダムノイズの抑制、▲３▼耐ブルーミング特性およびスミア特性の改善、▲４▼ポテンシャルディップの打ち消しによる転送効率の向上等を実現することが可能となる。以下、これらの点について、従来構造の固体撮像装置と比較しながら、順に詳しく説明する。
【００２９】
先ず、▲１▼読み出し電圧の低電圧化について説明する。既に説明したように、従来構造の固体撮像装置では、読み出しゲート部１３を動作させるための読み出し電極が垂直転送部１２を動作させるための転送電極をも兼ねているため、読み出しゲート部１３全体に読み出し電圧を印加しようとすると、垂直方向に隣り合うフォトセンサ部１４からも信号電荷が同時に読み出されてしまう。そのため、信号電荷の混合を避けるためには、読み出しゲート部１３の全体ではなく、その一部分にしか読み出し電圧を印加することができない。これに対して、本実施形態で説明した固体撮像装置では、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２へ信号電荷を読み出す際に、読み出し電圧を垂直転送電極１には印加せず、読み出し電極２にのみ印加することが可能となる。つまり、専用の読み出し電極２の存在によって、読み出しゲート部１３の部分にだけ読み出し電圧を印加できる。したがって、信号電荷の混合を生じさせることなく、読み出しゲート部１３のゲート幅全体に読み出し電圧を印加できるようになり、結果として読み出しゲート部１３のゲート幅を従来構造よりも広くして、読み出し電圧の低電圧化を図ることが可能となる。
【００３０】
続いて、▲２▼ランダムノイズの抑制について説明する。既に説明したように、従来構造の固体撮像装置では、読み出し電極が垂直転送部１２の動作電極をも兼ねているため、読み出し電圧が印加された場合に、垂直転送部１２の下方部分のポテンシャルが深くなり、これに隣接するチャネルストップ部１１のポテンシャルとの差が大きくなってしまう。そのため、画素サイズの微細化に伴ってチャネルストップ部１１が縮小されると、垂直転送部１２とチャネルストップ部１１の間に高電界が発生し、降伏現象による信号電荷が発生することで、ランダムなノイズの発生を招いてしまう。これに対して、本実施形態で説明した固体撮像装置では、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２へ信号電荷を読み出す際であっても、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂには読み出し電圧が印加されず、垂直転送クロックパルスのハイレベル状態の信号が印加されているだけなので、チャネルストップ部１１と垂直転送部１２のポテンシャル差は大きくならず、高電界が発生し難い。したがって、降伏現象に起因するランダムノイズの発生を抑制し得るのである。
【００３１】
次いで、▲３▼耐ブルーミング特性およびスミア特性の改善について説明する。本実施形態で説明した固体撮像装置では、読み出し電極２が垂直転送電極１とは独立していることから、垂直転送部１２での信号電荷の転送中に、その読み出し電極２に負バイアスとなる電圧を印加することが可能となる。つまり、負バイアスの印加により、読み出しゲート部１３およびチャネルストップ部１１のポテンシャルを浅くすることが可能となる。これにより、フォトセンサ部１４から垂直転送部１２（特に、その埋込チャネルの部分）との間のポテンシャルバリアが高くなるので、画素サイズの微細化に伴って読み出しゲート部１３のゲート長が縮小され、垂直転送部１２とフォトセンサ部１４との距離が近づいても、従来構造のようにスミア特性が劣化してしまうのを抑制することができる。さらには、負バイアスの印加により、読み出しゲート部１３およびチャネルストップ部１１のポテンシャルが、垂直転送電極１に印加される垂直転送クロックパルスによるポテンシャルの変調を受け難くなるため、耐ブルーミング特性を読み出し電圧で調整することも可能となる。したがって、本実施形態で説明した固体撮像装置では、垂直転送電極１とは独立した読み出し電極２に負バイアスの電圧を印加することで、垂直転送期間中の耐ブルーミング特性およびスミア特性を改善することができるのである。なお、このときに印加する負バイアスの電圧は、耐ブルーミング特性およびスミア特性の改善、すなわちポテンシャルバリアの制御に必要十分なものであればよく、その具体的な大きさはチャネルストップ部１１、垂直転送部１２、読み出しゲート部１３等の形成材料や大きさ等から特定されるポテンシャルの状態を基に決定すればよい。
【００３２】
最後に、▲４▼ポテンシャルディップの打ち消しによる転送効率の向上について説明する。本実施形態で説明した固体撮像装置では、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂがそれぞれ互いに重なり合うことなく単層に配置されている。そして、垂直転送部１２と画素分離部１５の上方部分において、どちらも電極分離用絶縁膜によって電気的に分離されている。このような単層構造の場合、電極分離用絶縁膜の部分には、電圧が印加されない。そのため、通常は、垂直転送電極１を単層にすると、従来構造の固体撮像装置のように垂直転送電極１６の一部が互いに重なり合う場合に比べて、ポテンシャルディップ（窪み）が発生しやすい。
【００３３】
ポテンシャルディップについては、例えば、電極分離用絶縁膜の下方部分にＰ型の不純物をイオン・インプランテーションにより打ち込むことで、これを打ち消すことも考えられる。ところが、ポテンシャルディップを打ち消すために追加するＰ型不純物の濃度が高いと、そのＰ型不純物が、製造工程において加わる熱によって垂直転送電極１の下部に拡散し易くなってしまう。このようにＰ型不純物が拡散した場合、転送方向に対してポテンシャルバリアが形成されてしまうので、結果として転送効率が劣化してしまうことになる。
【００３４】
これに対して、本実施形態で説明した固体撮像装置では、電極分離用絶縁膜の部分、すなわち第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂの間の境界部分を覆うように、読み出し電極２が配置されているため、その読み出し電極２に電圧を印加することで、電極分離用絶縁膜の下方部分のポテンシャルを調整することが可能となる。つまり、垂直転送期間中に読み出し電極２に対して負バイアスの電圧を印加することで、第一の転送電極１ａおよび第二の転送電極１ｂの間の境界部分の下方部分におけるポテンシャルを浅くできる。したがって、ポテンシャルディップを打ち消すためのＰ型不純物の追加打ち込み量を、負バイアスを印加しない場合よりも少なく、あるいは無くすことができ、そのＰ型不純物により形成されるポテンシャルバリアに起因する垂直転送部１２での転送効率の劣化を防ぐことが可能となる。このときの負バイアスの電圧は、転送効率の劣化防止に必要十分なものであればよい。
【００３５】
このことは、換言すると、垂直転送部１２での転送効率の劣化を招くことなく、垂直転送電極１の単層化を実現可能にする。つまり、読み出し電極２を垂直転送電極１とは独立に設けるべく、その読み出し電極２が垂直転送電極１の上側に層間絶縁膜を挟んで重なるように配された積層構造を有していても、垂直単層電極１の単層化が実現可能なので、従来構造（垂直転送電極１６が二層構造の場合）に比べて電極部分の高さ方向の大きさを変える必要がない。したがって、読み出し電極２の分だけ撮像領域に配置される配線数が増えても、それにより撮像領域が大型化してしまうのを回避することができる。
【００３６】
これら▲１▼〜▲４▼の実現によって、本実施形態で説明した固体撮像装置およびその駆動方法では、従来構造では生じてしまう画素サイズの微細化に伴う問題点を解消することができるので、画素サイズの微細化、すなわち受光領域１８の小型化および高密度化を実現する上で非常に好適であると言える。また、画素サイズの微細化に伴って、受光領域１８の集積度も上がるため、同一光学サイズ上での多画素化が実現可能となることも期待される。
【００３７】
なお、本実施形態は、本発明を実現した一具体例に過ぎず、本発明がこれに限定されないことは言うまでもない。特に、垂直単層電極１および垂直転送部１２は、４相駆動以外に対応したものであっても構わないことは勿論である。つまり、本発明は、本実施形態で説明した具体例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することは可能である。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態も、請求項１に記載の発明に係るものである。
【００３９】
図６は本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す平面図であり、図７〜１０，１２はその断面図である。また、図１１は、その固体撮像装置の形成手順の一例を示す説明図である。なお、比較のため、同様に構成された従来の固体撮像装置の例の平面図を図１３に、その断面図を図１４〜１７に示す。また、図１８〜２０には、その固体撮像装置の一部分の形成手順の例を示す。これらの図中および以下の説明において、既に説明したもの（図１〜５参照）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００４０】
ここで、先ず、図１３〜１７に示す従来の固体撮像装置について簡単に説明する。図例の固体撮像装置は、いわゆる全画素読み出し方式に対応したものであり、基板（シリコン基板等）上の撮像領域に、チャネルストップ部１１、垂直転送部１２、読み出しゲート部１３、フォトセンサ部１４、垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅおよび遮光膜１７を備えたものである。このうち、読み出しゲート部１３は、図１６に示すように、薄いＰ層を用いて構成されており、これによって垂直転送部１２と読み出しゲート部１３とが分離されている。また、読み出しゲート部１３の上には、図１８〜２０に示す手順で形成された垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅがある。したがって、この固体撮像装置では、図１７に示すように、垂直転送電極１６ｅに電圧を印加して、垂直転送部１２とともに読み出しゲート部１３のポテンシャルをフォトセンサ部１４より低くすることで、フォトセンサ部１４に蓄積された信号電荷を読み出すことが可能となる。
【００４１】
ところが、このような信号電荷の読み出しを行う固体撮像装置は、読み出しゲート部１３の幅およびポテンシャル電位が、垂直転送部１２とフォトセンサ部１４のパターニングのズレの影響や不純物の拡散の影響等を直接受けてしまうため、歩留まりの向上や微細化の推進等という観点からは非常に不利な構造であると言える。また、このような従来の固体撮像装置では、信号電荷を読み出すときに非常に大きな電圧が必要になってしまうのに加えて、大光量がフォトセンサ部１４に入射した場合に垂直転送部１２に電荷が洩れてきてしまい、ブルーミングノイズが発生する原因となってしまうおそれもある。これを防ぐためには、読み出しゲート部１３のＰ層の濃度を増加させることも考えられるが、その場合には電荷読み出し時に必要となる印加電圧が益々増加してしまうことになる。
【００４２】
これらのことを解決するためには、例えば遮光膜１７のフォトセンサ部１４への張り出し部分の真下に読み出しゲート部１３を配置し、その遮光膜１７に直接電圧を印加することも考えられる。しかし、この場合、その遮光膜１７が基板（シリコン基板等）に対する汚染源となって、シリコンの格子欠陥を誘発して、暗電流の発生源となってしまうおそれがある。そのため、遮光膜１７に直接電圧を印加することは必ずしも好適ではない。
【００４３】
これに対して、本実施形態で説明する固体撮像装置は、図６〜１２に示すように、その撮像領域に、チャネルストップ部１１、垂直転送部１２、読み出しゲート部１３、フォトセンサ部１４、垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅおよび遮光膜１７に加えて、垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅとは別個独立に形成されて読み出し電極２を備えるとともに、その読み出し電極２に電圧を印加するための駆動用配線３と、読み出し電極２と駆動用配線３とのコンタクト３ａとを備えている。なお、図６中では、分かり易くするために、垂直転送電極１６ｄの外部からの引き回しと、垂直転送電極１６ｅの外部からの引き回しと、遮光膜１７との図示を省略している。
【００４４】
このような構成の固体撮像装置では、図９に示すように、垂直転送部１２の真上に垂直転送電極１６ｅが、読み出しゲート部１３の真上に読み出し電極２が、それぞれ位置するようになっている。また、読み出し電極２は垂直転送電極１６ｅに一部重なるようになっているが、さらにその上方には、読み出し電極２を駆動するために、外部から駆動用配線３（または微結晶シリコンやアモルファスシリコン等でできた電極）が引き回されている。このとき、それぞれの間には、薄膜の酸化膜または窒化シリコン膜を介在させるようにしてもよい。
【００４５】
そして、駆動用配線３は、コンタクト３ａを介して読み出し電極２と導通している。すなわち、遮光膜１７を読み出し電極２の上方に形成後、その遮光膜１７にコンタクト用の穴を形成し、その部分にコンタクト３ａが形成されている。ただし、駆動用配線３は、図１０に示すように、遮光膜１７の下方側で、読み出し電極２と直接コンタクトし得る位置に形成するようにしても良い。いずれの場合も、駆動用配線３は、垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅの真上にて、二次元マトリクスの垂直方向に延びており、図示しない外部電源と接続しているものとする。
【００４６】
このような構成の固体撮像装置は、図１１に示すような手順で形成することが考えられる。先ず、図１１（ａ）のように、基板（シリコン基板等）上に垂直転送電極１６ｅを形成する。形成方法としては、電極材料を一様に成膜した後に、フォトリソグラフィ技術等を用いてパターニングをし、ドライエッチング等で余分な電極材料を取り除き、その後レジストを剥離して完成させればよい。このときの電極材料としては、ポリシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコン等といったシリコン系材料を用いることが考えられる。そして、垂直転送電極１６ｅを形成すると、図１１（ｂ）のように、絶縁層を成膜した後、読み出し電極２を垂直転送電極１６ｅ上に一部重なるように形成する。このときに垂直転送電極１６ｅからはみ出している長さは、０．０１〜１．０μｍ程度とすることが望ましい。読み出し電極２の形成後は、図１１（ｃ）のように、絶縁層を成膜した上に遮光膜１７を形成する。そして、図１１（ｄ）のように、読み出し電極２と駆動用配線３とのコンタクトのための穴を空け、さらに図１１（ｅ）のように、駆動用配線３と遮光膜１７とをショートさせないための絶縁層を成膜する。このとき、読み出し電極２上は絶縁層を取り除いても、残しておいても、どちらでも構わない。そして最後に、図１１（ｆ）のように、読み出し電極２を駆動させるための駆動用配線３およびコンタクト３ａを形成する。
【００４７】
このように、本実施形態で説明した固体撮像装置では、垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅとは別に、読み出し電極２が独立して形成されているため、上述した第１の実施の形態の場合と全く同様に、▲１▼読み出し電圧の低電圧化、▲２▼ランダムノイズの抑制、▲３▼耐ブルーミング特性およびスミア特性の改善、▲４▼ポテンシャルディップの打ち消しによる転送効率の向上等を実現することが可能となる。したがって、従来構造では生じてしまう画素サイズの微細化に伴う問題点を解消することができ、画素サイズの微細化を実現する上で非常に好適であると言える。また、画素サイズの微細化に伴って、受光領域の集積度も上がるため、同一光学サイズ上での多画素化が実現可能となることも期待される。
【００４８】
また、従来構造の固体撮像装置では、読み出しゲート部１３をＰ層で作り込んでいたが（図１６参照）、本実施形態で説明した固体撮像装置では、読み出し電極２が独立して形成されているため、Ｐ層を作りこむ必要がなく、不純物を全く打ち込まずに読み出しゲート部１３を形成することも可能となる。そうした場合に、電荷転送時においては、読み出し電極２の印加電圧をマイナス側にしてやることによって、垂直転送部１２とフォトセンサ部１４とを明確に分離することが可能である。また、電荷読み出し時においても、Ｐ層であればそのポテンシャルを下げるために非常に高い電圧を印加しなければならないが、Ｐ層等の不純物を打ち込む必要がなければ、従来よりも低い電圧で信号電荷を読み出すことが可能になる。
【００４９】
このことは、図１２に示すポテンシャルをみても明らかである。すなわち、図例のポテンシャルと、従来構造におけるポテンシャル（図１７参照）とを比較すると、信号電荷を読み出すのに、従来構造では垂直転送電極１６ｅに、本実施形態で説明した固体撮像装置では垂直転送電極１６ｅおよび読み出し電極２の両方に、それぞれ電圧を印加するが、初期状態から電荷読み出し完了の状態までのポテンシャルの動きをみれば、明らかに垂直転送電極１６ｅと読み出し電極２の両方に印加するほうが、その電圧が低いことが分かる。
【００５０】
これらのことから、本実施形態で説明した固体撮像装置は、読み出しゲート部１３の作り込みばらつきを抑制し得ることから、歩留まりの向上や微細化の推進等という観点からも好適な構造であると言えるのに加えて、信号電荷の読み出し電圧を従来よりも抑制して、ブルーミングノイズの発生等を回避することができる。しかも、そのために、シリコンの格子欠陥を誘発して、暗電流の発生源となってしまう、といったことを招くおそれもない。
【００５１】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態は、請求項６〜８，１１，１２に記載の発明に係るものである。
【００５２】
図２１は本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成例を模式的に示す平面図であり、図２２，２３はその断面図である。また、図２４は、その固体撮像装置の形成手順の一例を示す説明図である。さらに、図２５，２６は、図２１の固体撮像装置の変形例を模式的に示す平面図である。なお、これらの図中および以下の説明においても、既に説明したもの（特に、図６〜２０参照）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００５３】
本実施形態で説明する固体撮像装置は、第２の実施の形態で説明したものと略同様に構成されたものであるが、図２１〜２３に示すように、読み出し電極（以下「第一読み出し電極」という）２に加えて、第二読み出し電極４を備えており、それぞれの読み出し電極２，４に対して個別に電圧を印加するための駆動用配線３，５およびコンタクト３ａ，５を備えている点で、上述した第２の実施の形態の場合とは異なる。そして、第二読み出し電極４の存在によって、第一読み出し電極２の直下に位置する読み出しゲート部（以下「第一読み出しゲート部」という）１３だけではなく、第二読み出し電極４の直下に位置するチャネルストップ部１１についても、フォトセンサ部１４に蓄積された信号電荷を垂直転送部１２へ読み出すための読み出しゲート部として機能し得るようになっている。このことから、本実施形態では、チャネルストップ部１１を、以下「第二読み出しゲート部」という。
【００５４】
つまり、本実施形態における固体撮像装置は、垂直転送部１２を挟んで隣り合う各フォトセンサ部１４の一方を「第一フォトセンサ部」、他方を「第二フォトセンサ部」とすると、第一フォトセンサ部１４と垂直転送部１２との間で信号電荷の読み出し動作を行う第一読み出しゲート部１３と、その第一読み出しゲート部１３に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第一読み出し電極２と、その第一読み出しゲート部２と垂直転送部１２を挟んで対向する位置に配され第二フォトセンサ部１４と垂直転送部１２との間で信号電荷の読み出し動作を行う第二読み出しゲート部１１と、その第二読み出しゲート部１１に読み出し動作を行わせるための電圧が印加される第二読み出し電極４とを備える。そして、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４は、いずれも垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅとは独立に形成されている。
【００５５】
このような構成の固体撮像装置は、図２４に示すような手順で形成することが考えられる。先ず、図２４（ａ）のように、第２の実施の形態の場合と同様にして、基板（シリコン基板等）上に垂直転送電極１６ｅを形成する。垂直転送電極１６ｅを形成すると、図２４（ｂ）のように、絶縁層を成膜した後、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４を垂直転送電極１６ｅ上に一部重なるように形成する。このときに垂直転送電極１６ｅからはみ出している長さは、０．０１〜１．０μｍ程度とすることが望ましい。また、各読み出し電極２，４の形成は、フォトリソグラフィ技術等を用いてパターニングすることで行えばよい。そして、各読み出し電極２，４の形成後は、図２４（ｃ）のように、絶縁層を成膜した上に遮光膜１７を形成する。さらに、図２４（ｄ）のように、各読み出し電極２，４と駆動用配線３，５とのコンタクトのための穴をそれぞれ別個に空けた後、図２４（ｅ）のように、駆動用配線３，５と遮光膜１７とをショートさせないための絶縁層を成膜する。このとき、各読み出し電極２，４上は絶縁層を取り除いても、残しておいても、どちらでも構わない。そして最後に、図２４（ｆ）のように、各読み出し電極２，４を個別に駆動させるための駆動用配線３，５およびコンタクト３ａ，５ａを形成する。
【００５６】
ここで、以上のように構成された固体撮像装置に用いて好適な駆動方法について説明する。固体撮像装置の駆動にあたっては、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４がいずれも垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅとは独立に形成されてなり、しかも駆動用配線３，５の存在により各読み出し電極２，４のそれぞれに対して個別に電圧を印加し得るように構成されていることから、これら第一読み出し電極２および第二読み出し電極４に印加する電圧を相違させて、第一読み出しゲート部１３と第二読み出しゲート部１１とのどちらか一方のみに読み出し動作を行わせるようにする。
【００５７】
さらに具体的には、各読み出し電極２，４に対して互いに異なる電位の電圧を印加する。例えば第一読み出しゲート部１３のみに読み出し動作を行わせる場合であれば、第一読み出し電極２にプラス電位の電圧を印加し、第二読み出し電極４にマイナス電位の電圧を印加する。これにより、固体撮像装置では、図２３のポテンシャル図に示すように、第一読み出し電極２に対応する第一読み出しゲート部１３が読み出し動作を行う一方、第二読み出し電極４に対応する第二読み出しゲート部１１は第二フォトセンサ部１４と垂直転送部１２との間を遮蔽するチャネルストップ部として機能することになる。
【００５８】
したがって、本実施形態で説明した固体撮像装置では、第２の実施の形態の場合と略同様の読み取り動作を行うことになるので、既に第２の実施の形態において説明したように、従来構造では生じてしまう画素サイズの微細化に伴う問題点を解消することができ、作り込みばらつきを抑制して画素サイズの微細化を実現する上で非常に好適であると言える。
【００５９】
しかも、本実施形態における固体撮像装置では、垂直転送部１２の両側に第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１を備え、これらを第一読み出し電極２および第二読み出し電極４によって個別に動作させ得るため、各読み出し電極２，４に対して互いに異なる電位の電圧を印加するといった駆動方法の適用が可能である。したがって、例えば読み出し動作を行わせない読み出し電極へのマイナス電位の電圧の印加により、各読み出しゲート部１１，１３のポテンシャル差が顕在化することとなり、結果としてブルーミングノイズの発生等を回避する上でも非常に有効なものとなる。
【００６０】
さらに、本実施形態の固体撮像装置では、垂直転送部１２の両側に第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１を備え、これらを第一読み出し電極２および第二読み出し電極４によって個別に動作させ得ることから、垂直転送部１２の左右どちら側からも選択的に信号電荷の読み出しを行うことができるようになる。すなわち、垂直転送部１２の右側からであっても、あるいは左側からであっても、それぞれ独立して電荷を読み出すことが可能なため、駆動の自由度、柔軟性、汎用性等を高く維持することができる。
【００６１】
なお、本実施形態の固体撮像装置において、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４は、例えば図２５に示すように、その平面的形状を略Ｌ字状に形成してもよい。また、例えば図２６に示すように、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４の平面的形状を略Ｌ字状にするのに合わせて、駆動用配線３，５の平面的配置を略クランク状にすることも考えられる。このようにすれば、コンタクト３ａ，５ａを形成可能な領域が広がるため、その形成時に高い精度を必要とすることがなくなり、結果としてその形成が容易化する。
【００６２】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態は、請求項６，９，１０，１４，１５に記載の発明に係るものである。
【００６３】
上述した第１〜第３の各実施形態では、全画素読み出し方式に対応したものを例に挙げて説明したが、ここではいわゆる画素混合読み出し方式に対応したものを例に挙げて説明する。なお、画素混合読み出し方式とは、全画素読み出し方式のように二次元マトリクス状に配列された全てのフォトセンサ部１４について信号電荷を読み出すのではなく、例えば間引きモードのような選択的な信号電荷の読み出しを行うことを言う。
【００６４】
図２７は本発明に係る固体撮像装置の要部の第４の概略構成例を模式的に示す断面図であり、図２８は固体撮像装置が備えるカラーフィルタの配置例を示す説明図である。なお、これらの図中および以下の説明においても、既に説明したもの（特に、図２１〜２６参照）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００６５】
本実施形態で説明する固体撮像装置は、図２７に示すように、第３の実施の形態で説明したものと全く同様に構成されたものであるが、後述するように、その駆動方法が上述した第３の実施の形態の場合とは異なる。また、これに伴って、フォトセンサ部１４の受光領域１８を覆うカラーフィルタの配置が、従来のものとは異なっている。
【００６６】
ここで、カラーフィルタの配置について簡単に説明する。カラー画像に対応可能な固体撮像装置では、二次元マトリクス状に配列された各フォトセンサ部１４の受光領域１８がＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各色成分のカラーフィルタに覆われているが、その配置は図２８（ｂ）に示すようなものが一般的である。すなわち、従来におけるカラーフィルタの配置は、市松状に配されたＧ色成分の間をＲ色成分およびＢ色成分が交互に埋めるようになっている。これに対して、本実施形態で説明する固体撮像装置では、図２８（ａ）に示すように、互いに隣り合う二つの受光領域１８を一対とすると、その一対の受光領域１８を同一色成分のカラーフィルタが覆うように構成されている。
【００６７】
次に、以上のような固体撮像装置に用いて好適な駆動方法について説明する。
【００６８】
既に説明したように、固体撮像装置では、複数のフォトセンサ部１４が二次元マトリクス状に配列されている。そして、各フォトセンサ部１４から信号電荷を受け取る垂直転送部１２が、その受け取った信号電荷を二次元マトリクスの垂直方向へ転送する。このような構造の固体撮像装置において、従来、例えば間引きモードで画像を出力する際のように、画素混合読み出し方式に対応する場合には、フォトセンサ部１４および垂直転送部１２での垂直方向の画素加算は可能であるが、水平方向の画素加算は行っていない。そのために、例えば動画撮影時に画素数を落として表示もしくは記録させる必要がある場合、従来は、垂直方向の二画素分のうち一画素分の信号電荷しか出力できず、もう一画素分の信号電荷は掃き捨てることになるので、信号出力のダイナミックレンジの観点からは好適でない。
【００６９】
これに対して、本実施形態で説明する固体撮像装置は、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４がいずれも垂直転送電極１６ｃ，１６ｄ，１６ｅとは独立に形成されてなり、しかも駆動用配線３，５の存在により各読み出し電極２，４のそれぞれに対して個別に電圧を印加し得るように構成されている。このことから、固体撮像装置の駆動にあたっては、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４に対して、同時にプラス電位の電圧を印加する。つまり、第一読み出し電極２と第二読み出し電極４との両方に同時に読み出し動作を行わせるのである。これにより、垂直転送部１２を挟んで隣り合う左右のフォトセンサ部１４からは、それぞれに蓄積された信号電荷を混合して垂直転送部１２へ読み出すことが可能となり、結果として水平方向の画素加算が可能になる。
【００７０】
このとき、固体撮像装置では、フォトセンサ部１４が二次元マトリクス状に配列されており、各フォトセンサ部１４から信号電荷を受け取る垂直転送部１２がその受け取った信号電荷を二次元マトリクスの垂直方向へ転送する。すなわち、垂直転送部１２は、その二次元マトリクスにおける、いわゆる垂直転送レジスタとして機能する。したがって、垂直転送部１２を挟んで隣り合う左右のフォトセンサ部１４から同時に読み出し動作を行わせるのにあたっては、その二次元マトリクスにおいて並設された複数の垂直転送部１２を、水平方向の一つ置きに動作させるようにすればよい。
【００７１】
このように、本実施形態の固体撮像装置では、信号電荷をフォトセンサ部１４から垂直転送部１２に読み出す際に、これらの間を分けている第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１のサイズのコントロール性を向上させ、かつ、新たに第一読み出し電極２および第二読み出し電極４を追加することにより、低消費電力を図るとともに、二次元マトリクスの水平方向に隣り合う画素の信号電荷を混合して当該水平方向の画素加算を行うことが可能になる。
【００７２】
したがって、本実施形態の固体撮像装置によれば、画素混合読み出し方式に対応する場合であっても、第一読み出し電極２と第二読み出し電極４との両方に同時に電圧を印加することにより、一画素分の信号電荷を掃き捨てることなく、二画素分の信号電荷を混合して出力することができるために、従来のように垂直方向の画素加算を行っている場合に比べてダイナミックレンジを二倍にすることが可能になる。さらには、垂直方向の画素加算を垂直転送部１２内で合わせて行うようにすれば、ダイナミックレンジを四倍にすることが可能になる。
【００７３】
また、出力可能な信号電荷の量が、従来のように垂直方向の画素加算を行っている場合に比べて少なくとも二倍となるため、蓄積電荷を表示する際のオートアイリス機能における出力アンプのゲイン調整も、従来に比べてより一層正確に行うことができるようになる。
【００７４】
しかも、本実施形態の固体撮像装置では、カラーフィルタの配置が従来のベイヤー配列方式ではなく（図２８（ｂ）参照）、混合しあうフォトセンサ部１４同士で同じ色に感度を持つように配列されているため（図２８（ａ）参照）、水平方向で画素加算をする場合であっても、混色等が発生することがなく、画質劣化を招かない適切な画素加算を行うことが可能となる。
【００７５】
〔第５の実施の形態〕
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態も、請求項６〜１０，１７〜１９に記載の発明に係るものである。
【００７６】
上述した第１〜第３の各実施形態では全画素読み出し方式に対応したものを、また上述した第４の各実施形態では画素混合読み出し方式に対応したものを、それぞれ例に挙げて説明したが、ここでは両方式のいずれにも対応し得るものを例に挙げて説明する。
【００７７】
本実施形態で説明する固体撮像装置は、第４の実施の形態で説明したものと略同様に構成されたものであるが、その駆動方法が上述した第１〜第４の実施の形態の場合とは異なる。具体的には、全画素読み出しの場合であれば、第３の実施の形態で説明したように、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４に異なる電位の電圧を印加して、第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１を個別に動作させ、垂直転送部１２の左右いずれか一方側から選択的に信号電荷の読み出しを行う。一方、画素混合読み出しの場合であれば、第４の実施の形態で説明したように、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４に同時にプラス電位の電圧を印加して、第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１の両方に同時に読み出し動作を行わせ、垂直転送部１２を挟んで隣り合う左右のフォトセンサ部１４に蓄積された信号電荷を混合して読み出すようにする。
【００７８】
全画素読み出し方式に対応する場合としては、例えば静止画の読み取りに対応するときが考えられる。また、画素混合読み出し方式に対応する場合としては、例えば動画の読み取りに対応するときが考えられる。
【００７９】
なお、全画素読み出しの場合と画素混合読み出しの場合との切り換えは、図示しない固体撮像装置の駆動回路にて行うようにすればよい。この駆動回路での切り換え動作については、公知技術を利用すれば実現可能であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００８０】
このように、本実施形態の固体撮像装置では、全画素読み出し方式と画素混合読み出し方式との両方に対応可能であるため、その汎用性を非常に高めることができる。しかも、いずれの方式に対応する場合であっても、第３または第４の実施の形態で説明したように、従来の固体撮像装置では得られない技術的効果を達成することができる。
【００８１】
その上、本実施形態の固体撮像装置では、全画素読み出し方式と画素混合読み出し方式との両方に対応可能であるため、以下に述べるような動作を行うことも可能となる。例えば、画素混合読み出し方式に対応すべく、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４に同時にプラス電位の電圧を印加して、第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１の両方に同時に読み出し動作を行わせた後に、全画素読み出し方式に対応すべく、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４に異なる電位の電圧を印加して、第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１のどちらか一方のみに読み出し動作を行わせる場合に、先に行った読み出し動作（画素混合読み出し方式によるもの）で得られた信号電荷を基に、後から行う読み出し動作（全画素読み出し方式によるもの）時におけるアンプのゲイン調整を行うようにする。このようにすれば、全画素読み出し方式により転送された蓄積電荷を電流として出力し表示するオートアイリス機能におけるアンプのゲイン調整が、その直前に行われた画素混合読み出し方式により転送された蓄積電荷によって決められることになるので、容易化および高精度化することが期待できるようになる。
【００８２】
〔第６の実施の形態〕
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態も、請求項１に記載の発明に係るものである。
【００８３】
図２９は本発明に係る固体撮像装置の要部の第５の概略構成例を模式的に示す平面図であり、図３０はその断面図である。また、図３１は、図２９に示した固体撮像装置の変形例を示す説明図である。なお、これらの図中および以下の説明においても、既に説明したもの（特に、図１〜５参照）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００８４】
ここで説明する固体撮像装置は、いわゆるインターレース（飛び越し走査）方式に対応したものである。インターレース方式とは、原稿のテレビジョンの走査方式として広く知られているもので、水平方向に延びる走査線を順次操作ではなく一本おきに飛び越して走査をする方式である。
【００８５】
従来、インターレース方式に対応する固体撮像装置としては、既に説明したように、第一の転送電極１６ａおよび第二の転送電極１６ｂを備えて垂直転送部１２の４相駆動を行うものが知られている（図４参照）。
これに対して、本実施形態で説明する固体撮像装置は、図２９および図３０に示すように、垂直転送電極１６ａ，１６ｂとは別個独立に形成された読み出し電極２を備えている。図例の固体撮像装置では、独立に形成された読み出し電極２を備えている点で既に説明した全画素読み出し方式の場合（第１または第２の実施の形態）と共通であるが、読み出し電極２をそのまま固体撮像装置の外部にまで引き回している点が異なる。なお、駆動用に外部より入力する端子の数が二個増えてしまうが、全画素読み出し方式の場合であっても、読み出し電極２を外部まで引き回しても構わないことは勿論である。
【００８６】
このような構成の固体撮像装置を用いてインターレース方式による画像読み取りを行う場合には、いわゆるフィールド読み出しと、いわゆるフレーム読み出しとの、どちらであっても対応することが可能である。フィールド読み出しでは、隣接する二画素の信号電荷を垂直転送部１２で混合し、各フィールドの信号を得る。そのためには、各フィールドで混合する画素の組み合わせが変わるように、各読み出し電極２に対して電圧を印加すればよい。なお、このときの画素混合は従来と同様であるため、ここではその説明を省略する。一方、フレーム読み出しでは、各フィールドで垂直の奇数番目と偶数番目の画素を切り換えて読み出すことで、飛び越し走査に対応している。したがって、フレーム読み出しの場合には、水平方向に延びる読み出し電極２に対して、垂直方向の一つおきに交互に電圧を印加すればよい。
【００８７】
以上のような駆動方法によって、本実施形態で説明する固体撮像装置では、フレーム読み出しおよびフィールド読み出し両方に対応することが可能となる。しかも、本実施形態の固体撮像装置では、読み出し電極２が垂直転送電極１６ａ，１６ｂとは別個独立に形成されているため、インターレース方式に対応する場合であっても、上述した第１または第２の実施の形態の場合と全く同様に、読み出し電圧の低電圧化、作り込みばらつきの抑制、ノイズ発生の回避等を実現することが可能となる。
【００８８】
ところで、読み出し電極２をそのまま固体撮像装置の外部まで引き回す場合には、必ずしも読み出し電極２が水平方向に延びる必要があるわけではない。例えば、フィールド読み出しにのみ対応するのであれば、図３１に示すように、読み出し電極２が垂直方向に延びるように、その読み出し電極２をそのまま固体撮像装置の外部まで引き回しても構わない。このようにしても、読み出し電極２を垂直転送電極１６ａ，１６ｂから独立させることで、読み出し電圧の低電圧化やノイズ発生の回避等の実現が可能である。
【００８９】
〔第７の実施の形態〕
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。ここで説明する実施の形態は、請求項６〜１９に記載の発明に係るものであり、特に請求項１３，１６に記載の発明に係るものである。
【００９０】
図３２は本発明に係る固体撮像装置の要部の第６の概略構成例を模式的に示す平面図であり、図３３はその断面図である。また、図３４は、図３２に示した固体撮像装置の変形例を示す説明図である。なお、これらの図中および以下の説明においても、既に説明したものと同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００９１】
ここで説明する固体撮像装置も、第６の実施の形態の場合と同様にインターレース方式に対応したものであるが、図３２および図３３に示すように、第一読み出し電極２に加えて第二読み出し電極４を備えており、それぞれの読み出し電極２，４がそれぞれ別個に固体撮像装置の外部まで引き回されている点で、上述した第６の実施の形態の場合とは異なる。すなわち、ここで説明する固体撮像装置は、第３〜第５の実施の形態の場合と略同様に構成されている。
【００９２】
このような構成の固体撮像装置を用いてインターレース方式による画像読み取りを行う場合には、フィールド読み出しと、フレーム読み出しと、水平方向の画素加算とを行うことが可能である。特に、フィールド読み出しを行う場合には、垂直方向の画素混合に代わって、または垂直方向の画素混合と併せて、水平方向の画素加算とを行うことが可能である。このときの水平方向の画素加算については、第４または第５の実施の形態で説明したように行えばよい。また、このとき、垂直転送部１２については、水平方向の一つおきに動作させればよい。すなわち、水平方向の一列おきに、垂直転送電極１６ａ，１６ｂに対する電圧の印加を行えばよい。
【００９３】
以上のような駆動方法によって、本実施形態で説明する固体撮像装置においては、フレーム読み出しおよびフィールド読み出し両方に対応することが可能となる。しかも、本実施形態の固体撮像装置では、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４がいずれも垂直転送電極１６ａ，１６ｂとは独立に形成されているため、インターレース方式に対応する場合であっても、上述した第１または第２の実施の形態の場合と全く同様に、読み出し電圧の低電圧化、作り込みばらつきの抑制、ノイズ発生の回避等の実現が可能である。さらには、上述した第３〜第５の実施の形態の場合と全く同様に、水平方向の画素加算を行うことが可能となるので、駆動の自由度、柔軟性、汎用性等を高く維持しつつ、ダイナミックレンジや出力アンプのゲイン調整等の点においても非常に有利なものとなる。
【００９４】
ところで、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４をそのまま固体撮像装置の外部まで引き回す場合にみは、これらが必ずしも水平方向に延びる必要はなく、例えばフィールド読み出しおよび水平方向の画素加算に対応するのであれば、図３４に示すように、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４が垂直方向に延びるようにしても構わない。このようにしても、第一読み出し電極２および第二読み出し電極４を垂直転送電極１６ａ，１６ｂから独立させることで、読み出し電圧の低電圧化や駆動の自由度確保等の実現が可能である。しかも、図３２の構成の場合には駆動用に外部より入力する端子の数が四個増えてしまうが、図３４の構成の場合であれば端子の数は二個増えるだけで済む。
【００９５】
なお、上述した第２〜第７の実施の形態も、本発明を実現した一具体例に過ぎず、本発明がこれに限定されないことは言うまでもない。例えば、垂直転送部１２の左右に第一読み出しゲート部１３および第二読み出しゲート部１１並びに第一読み出し電極２および第二読み出し電極４を形成する場合に、二次元マトリクスにおける全ての垂直転送部１２がこれらを左右に備えている必要はなく、適宜選択的に配設することも考えられる。つまり、本発明は、本実施形態で説明した具体例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００９６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、転送電極とは別に読み出し電極が独立して形成されている。したがって、例えば、信号電荷の読み出し動作の際にその読み出し電極のみに電圧を印加したり、あるいは電荷転送部での信号電荷の転送中に読み出し電極に負バイアスとなる電圧を印加したりすることで、読み出し電圧の低電圧化、ランダムノイズの抑制、耐ブルーミング特性およびスミア特性の改善等が可能となるので、従来に比べて画素サイズの微細化への対応が非常に容易となる。また、画素サイズの微細化に伴って画素部分の集積度も上がるため、同一光学サイズ上での多画素化の実現も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明に係る固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す断面図であり、（ａ）は図１中のＡ−Ａ′断面を示す図、（ｂ）は図１中のＢ−Ｂ′断面を示す図である。
【図３】固体撮像装置の撮像領域の構成例を示す模式図である。
【図４】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図５】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す断面図であり、（ａ）は図４中のＣ−Ｃ′断面を示す図、（ｂ）は図４中のＤ−Ｄ′断面を示す図である。
【図６】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す断面図（その１）であり、図６中のＥ−Ｅ′断面を示す図である。
【図８】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す断面図（その２）であり、図６中のＦ−Ｆ′断面を示す図である。
【図９】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す断面図（その３）であり、図６中のＧ−Ｇ′断面を示す図である。
【図１０】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す断面図（その４）であり、図６中のＧ−Ｇ′断面の他の例を示す図である。
【図１１】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例の形成手順の一例を示す説明図である。
【図１２】本発明に係る固体撮像装置の要部の第２の概略構成例を模式的に示す断面図（その５）であり、ポテンシャル状態の例を示す図である。
【図１３】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図１４】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す断面図（その１）であり、図１３中のＨ−Ｈ′断面を示す図である。
【図１５】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す断面図（その２）であり、図１３中のＩ−Ｉ′断面を示す図である。
【図１６】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す断面図（その３）であり、図１３中のＪ−Ｊ′断面を示す図である。
【図１７】従来の固体撮像装置の要部の概略構成例を模式的に示す断面図（その４）であり、ポテンシャル状態の例を示す図である。
【図１８】従来の固体撮像装置の一部分の形成手順の例を示す説明図（その１）である。
【図１９】従来の固体撮像装置の一部分の形成手順の例を示す説明図（その２）である。
【図２０】従来の固体撮像装置の一部分の形成手順の例を示す説明図（その３）である。
【図２１】本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図２２】本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成例を模式的に示す断面図（その１）であり、図２１中のＫ−Ｋ′断面を示す図である。
【図２３】本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成例を模式的に示す断面図（その２）であり、図２１中のＬ−Ｌ′断面を示す図である。
【図２４】本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成例の形成手順の一例を示す説明図である。
【図２５】本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成の変形例を模式的に示す平面図（その１）である。
【図２６】本発明に係る固体撮像装置の要部の第３の概略構成の変形例を模式的に示す平面図（その２）である。
【図２７】本発明に係る固体撮像装置の要部の第４の概略構成例を模式的に示す断面図であり、図２１中のＬ−Ｌ′断面を示す図である。
【図２８】本発明に係る固体撮像装置が備えるカラーフィルタの配置例を示す説明図であり、（ａ）はその一具体例を示す図、（ｂ）はその比較例である従来の配置を示す図である。
【図２９】本発明に係る固体撮像装置の要部の第５の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図３０】本発明に係る固体撮像装置の要部の第５の概略構成例を模式的に示す断面図であり、図２９中のＭ−Ｍ′断面を示す図である。
【図３１】本発明に係る固体撮像装置の要部の第５の概略構成の変形例を模式的に示す説明図である。
【図３２】本発明に係る固体撮像装置の要部の第６の概略構成例を模式的に示す平面図である。
【図３３】本発明に係る固体撮像装置の要部の第６の概略構成例を模式的に示す断面図であり、図３２中のＮ−Ｎ′断面を示す図である。
【図３４】本発明に係る固体撮像装置の要部の第６の概略構成の変形例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…垂直転送電極、１ａ…第一の転送電極、１ｂ…第二の転送電極、２…読み出し電極（第一読み出し電極）、４…第二読み出し電極、１１…チャネルストップ部（第二読み出しゲート部）、１２…垂直転送部、１３…読み出しゲート部（第一読み出しゲート部）、１４…フォトセンサ部、１５…画素分離部
【図１】
2004088044.tif 000003
【図２】
2004088044.tif 000004
【図３】
2004088044.tif 000005
【図４】
2004088044.tif 000006
【図５】
2004088044.tif 000007
【図６】
2004088044.tif 000008
【図７】
2004088044.tif 000009
【図８】
2004088044.tif 000010
【図９】
2004088044.tif 000011
【図１０】
2004088044.tif 000012
【図１１】
2004088044.tif 000013
【図１２】
2004088044.tif 000014
【図１３】
2004088044.tif 000015
【図１４】
2004088044.tif 000016
【図１５】
2004088044.tif 000017
【図１６】
2004088044.tif 000018
【図１７】
2004088044.tif 000019
【図１８】
2004088044.tif 000020
【図１９】
2004088044.tif 000021
【図２０】
2004088044.tif 000022
【図２１】
2004088044.tif 000023
【図２２】
2004088044.tif 000024
【図２３】
2004088044.tif 000025
【図２４】
2004088044.tif 000026
【図２５】
2004088044.tif 000027
【図２６】
2004088044.tif 000028
【図２７】
2004088044.tif 000029
【図２８】
2004088044.tif 000030
【図２９】
2004088044.tif 000031
【図３０】
2004088044.tif 000032
【図３１】
2004088044.tif 000033
【図３２】
2004088044.tif 000034
【図３３】
2004088044.tif 000035
【図３４】
2004088044.tif 000036