(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、
該光電変換素子の側部に形成され、読み出しパルスが印加されたとき該光電変換素子の信号電荷が読み出され、転送パルスが印加されたとき前記読み出された前記信号電荷を転送する電荷転送路と、
前記半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され前記光電変換素子の各々の直上に開口を有する遮光膜であって、前記電荷転送路の読み出し電極に前記読み出しパルスが印加され前記光電変換素子から前記信号電荷が該電荷転送路に読み出されるとき、該信号電荷の該電荷転送路への読み出し前に該電荷転送路に印加される掃き出しパルスの印加終了後で且つ前記読み出しパルスに所定時間先行して該読み出しパルスと同極性の電位が印加され、該読み出しパルスの印加終了後に所定時間遅れ且つ前記転送パルスの印加開始前に該読み出しパルスと反対極性の電位が印加され、前記光電変換素子から前記信号電荷が前記電荷転送路に読み出される時以外では常に前記反対極性の電位に制御される導電性の遮光膜と
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換素子の表面部に設ける不純物表面層が中央部分の高濃度領域部と周辺部分の低濃度領域部とで構成され、前記遮光膜の前記開口の端部が前記低濃度領域部を覆う位置まで延設されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記遮光膜に印加される前記同極性の電位を少なくともプラス３ボルト以上とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板の表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、該光電変換素子の側部に形成され読み出しパルスが印加されたとき該光電変換素子の信号電荷が読み出され転送パルスが印加されたとき前記読み出された前記信号電荷を転送する電荷転送路と、前記半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され前記光電変換素子の各々の直上に開口を有する導電性の遮光膜とを備える固体撮像素子の駆動方法において、
前記電荷転送路の読み出し電極に前記読み出しパルスが印加され前記光電変換素子から前記信号電荷が該電荷転送路に読み出されるとき、該信号電荷の該電荷転送路への読み出し前に該電荷転送路に印加される掃き出しパルスの印加終了後で且つ前記読み出しパルスに所定時間先行して該読み出しパルスと同極性の電位が前記遮光膜に印加され、該読み出しパルスの印加終了後に所定時間遅れ且つ前記転送パルスの印加開始前に該読み出しパルスと反対極性の電位が前記遮光膜に印加され、前記光電変換素子から前記信号電荷が前記電荷転送路に読み出される時以外では常に前記反対極性の電位が前記遮光膜に印加されることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
前記遮光膜に印加する前記同極性の電位を少なくともプラス３ボルト以上とすることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
前記同極性の電位は、方形状または台形状の電位波形として前記遮光膜に印加されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
半導体基板の表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、
該光電変換素子の側部に形成され読み出しパルスが印加されたとき該光電変換素子の信号電荷が読み出され転送パルスが印加されたとき前記読み出された前記信号電荷を転送する電荷転送路と、
前記半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され前記光電変換素子の各々の直上に開口を有する導電性の遮光膜と、
前記電荷転送路の読み出し電極に前記読み出しパルスを印加して前記光電変換素子から前記信号電荷を該電荷転送路に読み出すとき、該信号電荷の該電荷転送路への読み出し前に該電荷転送路に印加する掃き出しパルスの印加終了後で且つ前記読み出しパルスに所定時間先行して該読み出しパルスと同極性の電位を前記遮光膜に印加し、該読み出しパルスの印加終了後に所定時間遅れ且つ前記転送パルスの印加開始前に該読み出しパルスと反対極性の電位を前記遮光膜に印加し、前記光電変換素子から前記信号電荷を前記電荷転送路に読み出す時以外では常に前記反対極性の電位を前記遮光膜に印加する撮像素子駆動手段と
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
前記光電変換素子の表面部に設ける不純物表面層が中央部分の高濃度領域部と周辺部分の低濃度領域部とで構成され、前記遮光膜の前記開口の端部が前記低濃度領域部を覆う位置まで延設されることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記撮像素子駆動手段は、前記遮光膜に印加する前記同極性の電位を少なくともプラス３ボルト以上とすることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像素子駆動手段は、前記同極性の電位を、方形状または台形状の電位波形として前記遮光膜に印加することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子及びその駆動方法等に係り、特に、スミア低減、読み出し電圧低電圧化等を図るのに好適な固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子の半導体基板には、表面部のｐウェル層に多数のｎ型領域部が二次元アレイ状に配列形成されることで、多数のフォトダイオード（ｐｎ接合部：光電変換素子）が形成される。そして、半導体基板の表面には、各フォトダイオード上に開口を有する金属製の遮光膜が積層される。従来の固体撮像素子は、この遮光膜に所定電位を印加する様になっている。
【０００３】
例えば下記特許文献１記載の従来技術では、上記のｎ型領域部の表面に逆導電型（ｐ型）の高濃度不純物層を形成すると共に、半導体基板表面に積層される絶縁層にコンタクトホールを設け、遮光膜と高濃度不純物層とがコンタクトホールを介して電気的に接続する様にしている。そして、遮光膜に所定電位を印加することで、フォトダイオード表面電位を、高濃度不純物層の擬フェルミレベル以下に設定する様にしている。
【０００４】
あるいは、フォトダイオードの表面電位よりも低い電位を遮光膜に印加することで、光電変換により発生した小数キャリア（正孔）を遮光膜に逃がし、信号電荷（電子）と小数キャリアとの再結合を減少させている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７―１５３９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の固体撮像素子は、遮光膜に所定電位を印加し、コンタクトホールを介し高濃度不純物層の電位を直接的に所定電位に制御することで、スミア低減等を図っている。しかし、近年の様に数百万画素以上を搭載する固体撮像素子では、１つ１つの画素（フォトダイオード）寸法が極めて小さいため、１つ１つの画素にコンタクトホールを開けることが困難になっている。また、コンタクトホールを介して直接的に遮光膜の金属が半導体層に接することによる金属汚染の影響も無視できなくなってきている。そこで、他の方法によるスミア低減等の固体撮像素子の性能改善が望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、スミア低減、読み出し電圧低電圧化等の素子性能の改善を図ることができる固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、
該光電変換素子の側部に形成され、読み出しパルスが印加されたとき該光電変換素子の信号電荷が読み出され、転送パルスが印加されたとき前記読み出された前記信号電荷を転送する電荷転送路と、
前記半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され前記光電変換素子の各々の直上に開口を有する遮光膜であって、前記電荷転送路の読み出し電極に前記読み出しパルスが印加され前記光電変換素子から前記信号電荷が該電荷転送路に読み出されるとき、該信号電荷の該電荷転送路への読み出し前に該電荷転送路に印加される掃き出しパルスの印加終了後で且つ前記読み出しパルスに所定時間先行して該読み出しパルスと同極性の電位が印加され、該読み出しパルスの印加終了後に所定時間遅れ且つ前記転送パルスの印加開始前に該読み出しパルスと反対極性の電位が印加され、前記光電変換素子から前記信号電荷が前記電荷転送路に読み出される時以外では常に前記反対極性の電位に制御される導電性の遮光膜と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換素子の表面部に設ける不純物表面層が中央部分の高濃度領域部と周辺部分の低濃度領域部とで構成され、前記遮光膜の前記開口の端部が前記低濃度領域部を覆う位置まで延設されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、前記遮光膜に印加される前記同極性の電位を少なくともプラス３ボルト以上とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、該光電変換素子の側部に形成され読み出しパルスが印加されたとき該光電変換素子の信号電荷が読み出され転送パルスが印加されたとき前記読み出された前記信号電荷を転送する電荷転送路と、前記半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され前記光電変換素子の各々の直上に開口を有する導電性の遮光膜とを備える固体撮像素子の駆動方法において、
前記電荷転送路の読み出し電極に前記読み出しパルスが印加され前記光電変換素子から前記信号電荷が該電荷転送路に読み出されるとき、該信号電荷の該電荷転送路への読み出し前に該電荷転送路に印加される掃き出しパルスの印加終了後で且つ前記読み出しパルスに所定時間先行して該読み出しパルスと同極性の電位が前記遮光膜に印加され、該読み出しパルスの印加終了後に所定時間遅れ且つ前記転送パルスの印加開始前に該読み出しパルスと反対極性の電位が前記遮光膜に印加され、前記光電変換素子から前記信号電荷が前記電荷転送路に読み出される時以外では常に前記反対極性の電位が前記遮光膜に印加されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記遮光膜に印加する前記同極性の電位を少なくともプラス３ボルト以上とすることを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像素子の駆動方法の前記同極性の電位は、方形状または台形状の電位波形として前記遮光膜に印加されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の撮像装置は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、
該光電変換素子の側部に形成され読み出しパルスが印加されたとき該光電変換素子の信号電荷が読み出され転送パルスが印加されたとき前記読み出された前記信号電荷を転送する電荷転送路と、
前記半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され前記光電変換素子の各々の直上に開口を有する導電性の遮光膜と、
前記電荷転送路の読み出し電極に前記読み出しパルスを印加して前記光電変換素子から前記信号電荷を該電荷転送路に読み出すとき、該信号電荷の該電荷転送路への読み出し前に該電荷転送路に印加する掃き出しパルスの印加終了後で且つ前記読み出しパルスに所定時間先行して該読み出しパルスと同極性の電位を前記遮光膜に印加し、該読み出しパルスの印加終了後に所定時間遅れ且つ前記転送パルスの印加開始前に該読み出しパルスと反対極性の電位を前記遮光膜に印加し、前記光電変換素子から前記信号電荷を前記電荷転送路に読み出す時以外では常に前記反対極性の電位を前記遮光膜に印加する撮像素子駆動手段と
を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の撮像装置は、前記光電変換素子の表面部に設ける不純物表面層が中央部分の高濃度領域部と周辺部分の低濃度領域部とで構成され、前記遮光膜の前記開口の端部が前記低濃度領域部を覆う位置まで延設されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の撮像装置の前記撮像素子駆動手段は、前記遮光膜に印加する前記同極性の電位を少なくともプラス３ボルト以上とすることを特徴とする。
【００１７】
本発明の撮像装置の前記撮像素子駆動手段は、前記同極性の電位を、方形状または台形状の電位波形として前記遮光膜に印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、遮光膜への印加電圧を、読み出しパルスに同期したパルス電圧とし、高レベル電位を読み出しパルスと同極性電位、低レベル電位を反対極性電位としたため、スミア特性が改善し、ブレークダウン電圧が改善し、空乏化電圧が改善し、低読み出し電圧駆動を可能にし、読み出しゲートオフ電圧が改善するなど、素子性能が向上するという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。図示するデジタルカメラは、撮影レンズ１０と、ＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルカメラの全体を統括制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ発光部１６及び受光部１７を制御し、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞り１２の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００２１】
また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。
【００２２】
デジタルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。
【００２３】
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算しデジタル信号処理部２６が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。
【００２４】
図２は、図１に示す固体撮像素子１００の平面模式図である。図示する固体撮像素子１００は、半導体基板上に多数のフォトダイオード（光電変換素子）１０１が二次元アレイ状に配列形成され、奇数行のフォトダイオード１０１に対して偶数行のフォトダイオード１０１が１／２ピッチづつずらして配置（所謂、ハニカム画素配列）されている。
【００２５】
各フォトダイオード１０１上に図示した「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（赤＝Ｒ，緑＝Ｇ，青＝Ｂ）を表しており、各フォトダイオード１０１は、３原色のうちの１色の受光量に応じた信号電荷を蓄積する。尚、原色系カラーフィルタを搭載した例を図示するが、補色系カラーフィルタを搭載することでも良い。
【００２６】
半導体基板表面の水平方向には、各フォトダイオード１０１を避けるように蛇行して垂直転送電極Ｖ１，Ｖ２，…Ｖ８が敷設されている。半導体基板には垂直方向に並ぶフォトダイオード列の側部に図示しない埋め込みチャネルが、フォトダイオード１０１を避けるように垂直方向に蛇行して形成されている。
【００２７】
この埋め込みチャネルと、この上に設けられ垂直方向に蛇行して配置される垂直転送電極とで、垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２が形成され、図１に示す撮像素子駆動部２０から出力される垂直転送パルスφＶ１〜φＶ８（図示する例は、８相駆動の例である。）によって転送駆動される。
【００２８】
半導体基板の下辺部には、水平転送路（ＨＣＣＤ）１０３が設けられている。この水平転送路１０３も、埋め込みチャネルとその上に設けられた水平転送電極とで構成され、この水平転送路１０３は、図１に示す撮像素子駆動部２０から出力される水平転送パルスφＨ１，φＨ２によって２相駆動される。
【００２９】
水平転送路１０３の出力端部には、出力アンプ１０４が設けられる。出力アンプ１０４は、水平転送路１０３の端部まで転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を画像信号として出力する。
【００３０】
尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味である。
【００３１】
図２に示す固体撮像素子１００の表面の略全面には、各フォトダイオード１０１の直上に夫々開口が設けられた金属製の遮光膜が積層される。そして、固体撮像素子の表面所定箇所には、遮光膜に所要の制御パルス電圧φＭＶを印加するパッド１０５が設けられる。制御パルス電圧φＭＶは、図１に示す撮像素子駆動部２０からパッド１０５を介して遮光膜に印加される。
【００３２】
図３は、図２に示す固体撮像素子の略１画素分の断面模式図である。この固体撮像素子１００のｎ型半導体基板１１０には、ｐウェル層１１１が形成され、ｐウェル層１１１の表面部にｎ型領域部１１２が設けられることで、ｐウェル層１１１との間で光電変換を行うフォトダイオード１０１（以下、１１２をフォトダイオードともいう。）が形成される。
【００３３】
ｎ型領域部（フォトダイオード）１１２の隣接画素側には素子分離領域（ｐ＋領域）１１３が設けられ、フォトダイオード１１２の反対側には読み出しゲート部（ｐ−領域）１１４を介してｎ領域１１５が設けられる。このｎ領域１１５が、図２で説明した垂直転送路１０２の埋め込みチャネルを構成する。
【００３４】
ｎ型領域部１１２の表面部には、逆導電型（ｐ型）の高濃度不純物表面層１１６が設けられる。この高濃度不純物表面層１１６が設けられることで、暗電流として発生した自由電子が高濃度不純物表面層１１６のホールに捕捉され、暗電流成分が白キズとして画像中に現れるのが阻止される。
【００３５】
本実施形態の高濃度不純物表面層１１６は、ｎ型領域部１１２の表面の中央高濃度部（ｐ＋領域）１１６ａと、その周辺部の低濃度部（ｐ−領域）１１６ｂとに分けて設けられている。周辺を低濃度部１１６ｂとすることで周辺部の電界を弱め、フォトダイオード（ｎ型領域部）１１２の蓄積電荷を垂直転送路の埋め込みチャネル１１５に読み出すときの電圧を下げることが可能となる。
【００３６】
フォトダイオード１１２や埋め込みチャネル１１５等が形成された半導体基板１１０の最表面はＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造または酸化膜単層構造の透明絶縁層１１８で被覆され、絶縁層１１８の上の埋め込みチャネル１１５直上には、垂直転送電極膜（例えばポリシリコン膜）１１９が積層される。
【００３７】
垂直転送電極膜１１９の上には、絶縁層１２０を介して金属製の遮光膜１２１が積層される。遮光膜１２１の各フォトダイオード１１２直上には開口１２１ａが設けられ、入射光はこの開口１２１ａを通り、ｎ型領域部１１２内に入射される。
【００３８】
また、本実施形態の固体撮像素子１００では、遮光膜開口１２１ａの端部が、高濃度不純物表面層１１６のうち低濃度部１１６ｂを覆う位置まで延設されている。この遮光膜１２１に、図２に示すパッド（外部パルスφＭＶの入力端子）１０５が接続される。
【００３９】
遮光膜１２１の上には、図示しない透明な平坦化層が積層され、表面が平坦に形成された平坦化層の表面に、図示しないカラーフィルタ層が積層され、その上に、マイクロレンズが積層される。
【００４０】
斯かる構成のデジタルカメラで画像を撮像する場合、撮影レンズ１０を通して入射してきた被写界からの入射光が、固体撮像素子１００の受光面に照射される。各フォトダイオード１１２に光が入射すると、各フォトダイオード１１２には、夫々の入射光量に応じた信号電荷（この例では電子）が蓄積される。
【００４１】
ＣＰＵ１５が撮像素子駆動部２０に指令を出力し撮像素子駆動部２０が読み出しパルスを固体撮像素子１００に出力すると、この読み出しパルスは読み出し電極兼用の垂直転送電極１１９に印加される。これにより、フォトダイオード１１２内の蓄積電荷（信号電荷）は、読み出しゲート部１１４を介して埋め込みチャネル１１５に読み出される。
【００４２】
ＣＰＵ１５が撮像素子駆動部２０に指令を出力し、撮像素子駆動部２０が撮像素子１００に対して垂直転送パルスφＶ，水平転送パルスφＨを出力すると、垂直転送路１０２上の各信号電荷は垂直転送路上を１転送電極毎に転送され、フォトダイオード１行分の信号電荷が水平転送路１０３に転送されると、この１行分の信号電荷が水平転送路１０３上を転送され、各信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号がアンプ１０４によって読み出される。
【００４３】
この様な信号電荷の読み出し動作において、本実施形態のデジタルカメラでは、ＣＰＵ１５が撮像素子駆動部２０に指令を出力し、遮光膜１２１に印加するパルス電圧φＭＶの制御を行う。以下、遮光膜の印加電圧制御について説明する。
【００４４】
図４（ａ）は、垂直転送電極（読み出し電極兼用）に印加するパルス波形を示す図であり、図４（ｂ）は、遮光膜に印加するパルス波形を示す図である。
【００４５】
垂直転送路にフォトダイオードから信号電荷を読み出す前に、垂直転送路を高速掃き出しパルス（例えば、Ｖmid＝０Ｖ，Ｖlow＝−８Ｖ）１３０で駆動する。これにより、垂直転送路上の不要電荷が垂直転送路から掃き出される。
【００４６】
次に、読み出し電極兼用の垂直転送電極に読み出しパルス（例えばＶhigh＝１５Ｖ）１３１を印加すると、フォトダイオードの蓄積電荷が垂直転送路に読み出される。そして、垂直転送路を転送パルス１３２によって駆動することで、信号電荷の水平転送路方向への転送が行われる。
【００４７】
このとき、ＣＰＵ１５は、図４（ｂ）に示す様に、パルス電圧（φＭＶ）１３５を遮光膜１２１にパッド１０５を介して印加する。このパルス電圧１３５は、読み出しパルス１３１に同期する様なパルス電圧であり、高レベル電位が読み出しパルス１３１と同極性の電位、この例では所定の正電位，低レベル電位が読み出しパルス１３１の反対極性の電位、この例では所定の負電位に制御される。
【００４８】
遮光膜１２１は、信号電荷をフォトダイオードから垂直転送路に読み出す時以外では、常に、所定の負電位に制御される。そして、読み出しパルス１３１を読み出し電極兼用の垂直転送電極に印加するとき、本実施形態では、読み出しパルス１３１に所定時間ｔ１だけ先行して、遮光膜１２１に所定の正電位が印加される。読み出しパルス１３１が終了したときは、この終了時点に所定時間ｔ２だけ遅れて、遮光膜１２１は所定の負電位に戻される。ｔ１＝ｔ２でも、ｔ１≠ｔ２でもよい。
【００４９】
尚、図４（ｂ）では、遮光膜印加電圧１３５のパルス波形を方形波としているが、台形波とすることでも良い。
【００５０】
図５は、本実施形態に係る固体撮像素子１００におけるスミア特性の改善を示す実測データのグラフである。遮光膜の印加電圧を常時「０Ｖ」に固定した場合、入射光の入射角度に対して、スミア絶対量は特性線Ｉ，IIのグラフとなる。特性線Ｉは、赤色（Ｒ）または青色（Ｂ）の信号電荷に含まれるスミア特性を示し、特性線IIは、緑色（Ｇ）の信号電荷に含まれるスミア特性を示す。
【００５１】
これに対し、本実施形態の固体撮像素子１００の様に、遮光膜印加電圧を所定の負電位（例えば−８Ｖ）に制御すると、図５に示す特性線III（ＲまたはＢのスミア特性），IV（Ｇのスミア特性）の様に、特性線Ｉ，IIと比較して、スミア特性が２０％程改善されることが分かる。
【００５２】
これは、遮光膜の開口１２１ａ端部と半導体基板１１０との間の絶縁層１１８を通って埋め込みチャネル１１５に侵入する電子を、遮光膜１２１に負電位を印加することで阻止することができるためと考えられる。遮光膜１２１に印加する負電位を更に大きくすることで、スミア改善率を向上させることができると期待できる。
【００５３】
図６は、遮光膜の印加電圧に対する空乏化電圧の変化を示す実測データのグラフである。図６の実測点のデータの並びから、遮光膜の印加電圧を高圧側にすればするほど、空乏化が改善されることが分かる。データから、空乏化電圧を１０Ｖ以下にしたいときは、遮光膜の印加電圧を＋３Ｖ以上にすれば良いことが分かる。
【００５４】
信号電荷をフォトダイオードから垂直転送路に読み出すときに、本実施形態では、遮光膜１２１に所定の正電位を印加する。図６のデータに基づき、所定の正電位を「＋３Ｖ」以上とすることで、空乏化電圧を１０Ｖ以下にすることができ、フォトダイオードから垂直転送路への信号電荷（電子）の移動を容易にすることができる。つまり、電子移動をアシストすることができる。
【００５５】
このとき、本実施形態では、図３に示す様に、高濃度不純物表面層１１６の低濃度部１１６ｂを覆う位置に遮光膜１２１を設けているため、遮光膜１２１がゲート電極の役目を果たし、より容易に、ｎ型領域部１１２の信号電荷が埋め込みチャネル１１５に移動させることができる。
【００５６】
図７は、遮光膜の印加電圧に対する読み出しゲートオフ電圧の変化を示す実測データのグラフである。本実施形態の固体撮像素子１００では、フォトダイオードから垂直転送路に信号電荷を読み出すタイミングを除いた全タイミングで遮光膜印加電圧を所定の負電圧に制御する。これにより、信号電荷の読み出し時以外で読み出しゲート１１４の電位が低くなり、オフ電圧を高くすることが可能になる。
【００５７】
図７によれば、オフ電圧を０Ｖ以上にしたい場合には、遮光膜の印加電圧を−５Ｖ以下にすればよいことが分かる。即ち、信号電荷の読み出し時以外に、遮光膜１２１に負電圧を印加することで、信号電荷の読み出しに関係ないタイミングでフォトダイオード１１２から垂直転送路１１５に信号電荷（電子）が移動してしまう事態を防止することができる。遮光膜の印加電圧を更に下げることで、オフ電圧特性が更に良くなることが期待される。
【００５８】
図８は、遮光膜の印加電圧に対するブレークダウン電圧の変化を示す実測値データのグラフである。上述した様に、遮光膜１２１に、常時、負電圧を印加しておくと、スミアを低減することができる。しかし、信号電荷の読み出し時に遮光膜の電位を負電位にしたままだと、遮光膜１２１と読み出し電極（例えば、＋１５Ｖが印加される。）との間の電位差が大きくなってしまい、隣接画素との間に設けた素子分離領域１１３におけるブレークダウンが懸念される。
【００５９】
図８に示すデータによれば、遮光膜印加電圧が低いほど、ブレークダウンを発生させるブレークダウン電圧も低くなり、ブレークダウンが発生し易くなることを示している。
【００６０】
そこで、本実施形態の固体撮像素子１００では、信号電荷をフォトダイオードから垂直転送路に読み出す時、読み出しパルス１３１のオンに所定時間ｔ１だけ先行し読み出しパルス１３１のオフに所定時間ｔ２だけ遅れて、遮光膜印加電圧を所定の正電圧に制御する。
【００６１】
これにより、信号電荷の読み出し時に、遮光膜―隣接画素電極間の電位差を小さくすることができ、ブレークダウンの発生が回避される。図８のデータによれば、ブレークダウンが発生する電圧の特性曲線は、遮光膜印加電圧「＋３Ｖ」を境にして、大きく変化している。従って、遮光膜の印加電圧を少なくとも「＋３Ｖ」以上とすることで、ブレークダウンの発生を効果的に抑制することができる。また、遮光膜１２１に印加する正電圧を更に高くすることで、ブレークダウンに対する更なるマージンアップを図ることも可能である。
【００６２】
以上述べた様に、本実施形態によれば、遮光膜に印加するパルス電圧を読み出しパルスに合わせて印加し、また、このパルス電圧の高レベル電位，低レベル電位を上述した様に調整したため、撮像素子のスミア特性が改善でき、ブレークダウン電圧が改善でき、空乏化電圧が改善でき、読み出しゲートオフ電圧が改善できるという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る固体撮像素子は、素子性能が向上するという効果を奏し、デジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子及びその駆動方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図２に示す固体撮像素子の略１画素分の断面模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明する波形図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子で遮光膜に印加する電圧を変化させたときのスミア―入射光角度依存性の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の空乏化電圧―遮光膜印加電圧の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の読み出しゲートオフ電圧―遮光膜印加電圧の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子のブレークダウン電圧―遮光膜印加電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１５  ＣＰＵ
２０  撮像素子駆動部
１００  固体撮像素子
１０１  フォトダイオード
１０２  垂直転送路（ＶＣＣＤ）
１０３  水平転送路（ＨＣＣＤ）
１０４  出力アンプ
１０５  パッド（遮光膜への外部パルスの入力端子）
１１２  フォトダイオードを構成するｎ型領域部
１１５  垂直転送路の埋め込みチャネル
１１６  高濃度不純物表面層
１１６ａ  高濃度部
１１６ｂ  低濃度部
１２１  導電性の遮光膜
１２１ａ  遮光膜開口
１３０  掃き出しパルス
１３１  読み出しパルス
１３２  転送パルス
１３５  遮光膜印加電圧パルス
【図１】
0004774311.tif 000002
【図２】
0004774311.tif 000003
【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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