(57)【要約】【課題】固体撮像素子内において、受光領域から電荷―電圧変換領域へと電荷を転送する際に、電荷の逆流を生じさせること無く、効果的に電荷を転送する。【解決手段】受光部２３と電荷―電圧変換電荷−電圧変換領域２２の間の領域２７の上部に酸化膜を介して被着形成された電極２６に高レベルの電圧を印加して、領域２３から領域２７へと電荷を引き出した後、電圧Φ３０を高レベルから低レベルへと段階的にゆっくり低下させることにより、領域２７から領域２３への電荷の逆流を生じさせること無く、領域２７の電荷を電荷−電圧変換領域２２へと効果的に転送することができる固体撮像素子。【選択図】図５
2007166382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、該電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得る電荷−電圧変換領域と、前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域を平衡状態において電気的に分離するために前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域の間に設けられた転送領域と、前記転送領域の上部に酸化膜を介して形成された電極と、を有する固体撮像素子と、
発生した電荷を、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと転送させる際に、前記電極への印加電圧を所定の低レベルから高レベルに変化させて前記電荷蓄積領域から前記酸化膜を介して前記転送領域へと電荷を引き出した後、該印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させる電圧印加手段と、
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、前記電極への印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させるに際し、該漸減させる形態として、前記電荷蓄積領域から引き出した信号電荷が再び前記電荷蓄積領域へと逆流することなく前記電荷−電圧変換領域へ転送されるような中間段階を経て漸減させるように該印加電圧の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記固体撮像素子は、前記電荷−電圧変換領域と同じ導電型であって自己の上部に酸化膜を介して形成されたリセット用電極が設けられたリセット用転送領域によって電荷−電圧変換領域と隔てられて形成された不要電荷排出用の領域を更に備え、
前記電圧印加手段は、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと電荷の転送を行なう前に、前記リセット用電極に所定の電圧を印加して前記電荷−電圧変換領域の不要電荷を前記リセット用転送領域を経て不要電荷排出用の領域に転送することによってこの荷−電圧変換領域の状態を初期化して前記電荷−電圧変換領域のポテンシャルを相対的に高くするように該印加電圧の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段は、前記電極への印加電圧を当該中間段階を経て漸減させるに際し、前記高レベルと低レベルとの中間に値する１つ以上の電圧レベルの段階を経て該電圧を変化させるように該印加電圧の制御を行うことを特長とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記電圧印加手段は、前記電極への印加電圧の当該中間段階の値として、該印加電圧が印加されたときの前記電極の下部の半導体基板表面付近のポテンシャルが、電荷が引き抜かれた後の前記電荷蓄積領域のポテンシャルよりも高く、且つ、前記電荷蓄積領域から引き抜かれた電荷の一部又は全部が流れ込んだ前記電荷−電圧変換領域のポテンシャルよりも低い値をとるように該印加電圧の制御を行うことを特徴とする請求項２又は請求項４の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、該電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得る電荷−電圧変換領域と、前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域を平衡状態において電気的に分離するために前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域の間に設けられた転送領域と、前記転送領域の上部に酸化膜を介して形成された電極と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、
発生した電荷を、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと転送させる際に、前記電極への印加電圧を所定の低レベルから高レベルに変化させて前記電荷蓄積領域から前記酸化膜を介して前記転送領域へと電荷を引き出した後、該印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、該電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得る電荷−電圧変換領域と、前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域を平衡状態において電気的に分離するために前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域の間に設けられた転送領域と、前記転送領域の上部に酸化膜を介して形成された電極と、を有する固体撮像素子と、
発生した電荷を、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと転送させる際に、前記電極への印加電圧を所定の低レベルから高レベルに変化させて前記電荷蓄積領域から前記酸化膜を介して前記転送領域へと電荷を引き出した後、該印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させる電圧印加手段と、を備え、
前記電圧印加手段による当該印加電圧の漸減は３．３Ｖを１マイクロ秒の間で低減させるようにして行う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、自己に入射した電磁波に相応した電圧出力を発生する固体撮像素子とこれに対応する電圧印加手段を含む固体撮像装置、及び、該固体撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子において、入射してきた電磁波のエネルギーにより半導体基板内で発生し蓄積された電荷を、この電荷の量に相応した電圧に変換するために同固体撮像素子の半導体基板内に形成された電荷-電圧変換領域へと転送するに際しては、一般に、次のような方法がとられる。
即ち、半導体基板表面上に酸化膜を介して被着形成された転送電極（ゲート電極）に所定の電圧を印加し、酸化膜を介してゲート電極の直下にある半導体基板表面付近のポテンシャルを変化させ、それによって発生するフリンジ電界を利用して、ポテンシャルの低い領域からポテンシャルの高い領域へと電荷転送する。
【０００３】
しかし、この電荷転送を行うと、転送開始時点には、電荷の存在により低いポテンシャル場であった半導体基板表面付近のポテンシャルが、電荷量が減少するのに伴って上昇し、他方、転送されてきた電荷が流れ込む領域のポテンシャルは、電荷の流入により低下する。
上述のような該当する各領域のポテンシャルの遷移により、半導体基板内の２領域間のポテンシャル差が転送開始前に比べて小さくなり、即ち、フリンジ電界の効果が低下し、それに伴って転送効率が低下する。特に、転送される電荷量が多い場合には、この転送効率の低下が著しく、転送電荷の逆流が生じることもある。
【０００４】
３相以上の多相駆動方式をとる電荷結合素子（ＣＣＤ）を有する固体撮像素子における上述のような問題を解決するため、電荷の受け渡しにより低下した２領域間のうち、電荷を受け渡す側の領域上部に存在する電極に、従来の高レベルおよび低レベルの間に該当する中間レベルの電圧を印加するようにして、低下したポテンシャル差を再び大きくする、即ち、転送終盤において低下した転送効率を向上させるといった方策をとることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−６６３９０号公報（段落００１８〜段落００２３、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この既提案の技術を図６及び図７を参照して説明する。図６は従来の電荷結合素子（ＣＣＤ）の構造を表す断面図である。この電荷結合素子（ＣＣＤ）は３相以上の多相駆動方式をとるものであり、半導体基板１内に、夫々埋め込みチャネル１１，１２，１３，１４が設けられ、この埋め込みチャネル１２の領域から埋め込みチャネル１３の領域へと電荷が転送されている様子が矢線で表されている。
【０００７】
図７は図６の電荷結合素子（ＣＣＤ）の各埋め込みチャネル１１，１２，１３，１４の領域におけるポテンシャルを表す図である。
半導体基板１上面に酸化膜２が形成され、酸化膜２上の各埋め込みチャネル１１，１２，１３，１４への対応位置に、夫々上部電極３，４，５，６が設けられている。各上部電極３，４，５，６には、これら上部電極に各対応して、端子Φ１，Φ２，Φ３，Φ４が夫々接続されている。
【０００８】
図６のような電荷結合素子（ＣＣＤ）では、埋め込みチャネル１２の領域から埋め込みチャネル１３の領域への電荷転送効率を向上させるため、埋め込みチャネル１２の領域に蓄積されている電荷の転送先の領域１３の上部電極４に高レベルのバイアスを印加し、同時に転送方向とは逆の領域１１の上部電極６に低レベルのバイアスを印加した上で、領域１２のポテンシャルが、領域１１と領域１３のそれぞれのポテンシャルの中間の任意のポテンシャルになるように領域１２上の電極５に高バイアスと低バイアスの間の任意の中間バイアスを印加して、領域１２と領域１３の間にポテンシャル差を発生させ、即ち、フリンジ電界を生じさせて、電荷を転送している。
【０００９】
このように、特許文献１に開示された技術では電荷を一時的に蓄積するすべての領域が、その上部に絶縁膜（酸化膜）２を介してそれぞれの電極を備える電荷転送装置に適用することを前提にしており、このような電荷転送装置内において電荷転送効率を向上させるための駆動方法を提供するものである。
従って、後述する本発明を適用するに好適な、電荷転送経路上のすべての領域がその上部に電極を有しているわけではないＣＭＯＳイメージセンサーに代表される固体撮像素子に対しては、上述のような従来の技術はこれを適用するに馴染まない。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、電荷転送経路上のすべての領域の上部に電極を有しているわけではないが故に、上述のような従来技術を適用できない固体撮像素子とこれに対応する電圧印加手段によって構成される固体撮像装置において、その電荷転送の効率を向上させることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するべく、本願では次に列記するような技術を提案する。
（１）自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、該電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得る電荷−電圧変換領域と、前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域を平衡状態において電気的に分離するために前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域の間に設けられた転送領域と、前記転送領域の上部に酸化膜を介して形成された電極と、を有する固体撮像素子と、
発生した電荷を、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと転送させる際に、前記電極への印加電圧を所定の低レベルから高レベルに変化させて前記電荷蓄積領域から前記酸化膜を介して前記転送領域へと電荷を引き出した後、該印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させる電圧印加手段と、
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【００１２】
（２）前記電圧印加手段は、前記電極への印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させるに際し、該漸減させる形態として、前記電荷蓄積領域から引き出した信号電荷が再び前記電荷蓄積領域へと逆流することなく前記電荷−電圧変換領域へ転送されるような中間段階を経て漸減させるように該印加電圧の制御を行うことを特徴とする（１）の固体撮像装置。
【００１３】
（３）前記固体撮像素子は、前記電荷−電圧変換領域と同じ導電型であって自己の上部に酸化膜を介して形成されたリセット用電極が設けられたリセット用転送領域によって電荷−電圧変換領域と隔てられて形成された不要電荷排出用の領域を更に備え、
前記電圧印加手段は、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと電荷の転送を行なう前に、前記リセット用電極に所定の電圧を印加して前記電荷−電圧変換領域の不要電荷を前記リセット用転送領域を経て不要電荷排出用の領域に転送することによってこの荷−電圧変換領域の状態を初期化して前記電荷−電圧変換領域のポテンシャルを相対的に高くするように該印加電圧の制御を行うことを特徴とする（１）の固体撮像装置。
【００１４】
（４）前記電圧印加手段は、前記電極への印加電圧を当該中間段階を経て漸減させるに際し、前記高レベルと低レベルとの中間に値する１つ以上の電圧レベルの段階を経て該電圧を変化させるように該印加電圧の制御を行うことを特長とする（２）の固体撮像装置。
（５）前記電圧印加手段は、前記電極への印加電圧の当該中間段階の値として、該印加電圧が印加されたときの前記電極の下部の半導体基板表面付近のポテンシャルが、電荷が引き抜かれた後の前記電荷蓄積領域のポテンシャルよりも高く、且つ、前記電荷蓄積領域から引き抜かれた電荷の一部又は全部が流れ込んだ前記電荷−電圧変換領域のポテンシャルよりも低い値をとるように該印加電圧の制御を行うことを特徴とする（２）又は（４）の何れか一の固体撮像装置。
【００１５】
（６）自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、該電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得る電荷−電圧変換領域と、前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域を平衡状態において電気的に分離するために前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域の間に設けられた転送領域と、前記転送領域の上部に酸化膜を介して形成された電極と、を有する固体撮像素子の制御方法であって、
発生した電荷を、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと転送させる際に、前記電極への印加電圧を所定の低レベルから高レベルに変化させて前記電荷蓄積領域から前記酸化膜を介して前記転送領域へと電荷を引き出した後、該印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【００１６】
（７）自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、該電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得る電荷−電圧変換領域と、前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域を平衡状態において電気的に分離するために前記電荷蓄積領域及び前記電荷−電圧変換領域の間に設けられた転送領域と、前記転送領域の上部に酸化膜を介して形成された電極と、を有する固体撮像素子と、
発生した電荷を、前記電荷蓄積領域から前記電荷−電圧変換領域へと転送させる際に、前記電極への印加電圧を所定の低レベルから高レベルに変化させて前記電荷蓄積領域から前記酸化膜を介して前記転送領域へと電荷を引き出した後、該印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させる電圧印加手段と、を備え、
前記電圧印加手段による当該印加電圧の漸減は３．３Ｖを１マイクロ秒の間で低減させるようにして行うことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の効果】
【００１７】
電荷転送経路上のすべての領域がその上部に電極を有しているような構造ではない固体撮像装置において、自己に入射した電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域に蓄積した電荷を、転送領域へと引き出した後に、該転送領域の電荷を、電荷−電圧変換領域へ転送する際に、転送領域から電荷蓄積領域へと電荷が逆流すること無く、その電荷転送の効率を向上させることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することができる。したがって、イメージラグ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】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、以下に参照する図においては、便宜上、説明の主題となる要部は適宜誇張し、要部以外については適宜簡略化し乃至省略されている。
図１は、本発明の実施の形態における固体撮像素子の断面図である。図１の固体撮像素子１００において、Ｐ型半導体領域（基板）２０内に、外部から自己に入射してきた電磁波に相応して発生する電荷を蓄積する電荷蓄積領域としてのＮ型領域２３が設けられ、このＮ型領域２３の上部にＰ型領域２４が形成されている。
【００１９】
また、電荷蓄積領域（Ｎ型領域）２３から転送される電荷をＮ型領域２３での電荷の発生状況に相応した値の電圧信号を得るべく電荷−電圧変換する電荷−電圧変換領域としてのＮ型領域２２が形成されている。
電荷蓄積領域２３と電荷−電圧変換領域２２との間には、電荷蓄積領域２３から電荷−電圧変換領域２２へと電荷が転送される際に通過する領域であって電荷蓄積領域２３及び電荷−電圧変換領域２２を平衡状態において電気的に分離するように作用する転送領域としてのＰ型領域２７が形成されている。そして、この転送領域（Ｐ型領域）２７の上部に酸化膜２を介して電極２６が被着形成されている。図１では、電荷蓄積領域２３から転送領域２７を経て電荷−電圧変換領域２２へと信号電荷が移動する様子が太線の矢線で象徴的に表されている。
【００２０】
上述のような構造を有する固体撮像素子１００は、Ｐ型半導体基板２０の表面近傍に転送領域（Ｐ型領域）２７をイオン注入技術にて形成した後、Ｐ型半導体基板２０表面に熱酸化による酸化膜２を形成し、この酸化膜２上にポリシリコンの電極２５及び電極２６を被着形成する。
その後イオン注入技術を用い、受光部であり且つ受光信号電荷を蓄積するＮ型の電荷蓄積領域２３と、電荷蓄積領域２３の上部を覆うＰ型領域２４と、電荷を電圧へ変換するＮ型領域である電荷−電圧変換領域２２と、端子３３により常にＶｄｄ電圧が印加されているＮ型領域２１とを形成する。
【００２１】
その後、これらの領域上部に層間膜を堆積形成し、転送領域２７に対応して端子３０を、電荷−電圧変換領域２２に対応して端子３１を、後述するリセット用転送領域２７ａに対応して端子３２を、及び、Ｎ型領域２１に対応して端子３３をそれぞれ形成する。
上述のような構造の固体撮像素子１００のＮ型領域２１は不要電荷排出用の領域として機能するものであり、既述のとおり、このＮ型領域２１は電荷−電圧変換領域２２と同じ導電型である。そして、この不要電荷排出用のＮ型領域２１は、上述の電荷−電圧変換領域２２とは、自己の上部に酸化膜２を介して形成されたリセット用電極としての電極２５（ここに端子３２が形成されている）が設けられたリセット用転送領域２７ａによって隔てられて形成されている。
【００２２】
図１の固体撮像素子１００では、電荷蓄積領域２３から転送領域２７を経て電荷−電圧変換領域２２へと電荷が転送されるに際して、電極２６（即ち、端子３０）に印加する電圧Φ３０の如何によってその転送状況が制御される。本発明の固体撮像装置でこのような固体撮像素子とこれに対応する電圧印加手段とを含んで構成され、この固体撮像装置及びその駆動方法によれば、上述のように電荷の転送を制御するに際しての転送効率を向上させることができる。
【００２３】
以下に、図１の固体撮像素子１００について更に詳述する。既述のように、電荷蓄積領域２３内に蓄積されている電荷が、転送領域２７を経由して電荷−電圧変換領域２２へと転送されるが、図１中の太線の矢印はこの電圧転送の様子を象徴的に示している。
ここで、固体撮像素子内に外部から入射してきた電磁波により発生した電荷が電荷蓄積領域２３に蓄積されつつあるとき、電荷蓄積領域２３の上部に、電極（フォトゲードや、電荷結合素子の上部電極のような電極）を備えていない、図１に示すような種別の固体撮像素子１００内では、先ず、電極２６に、後に図面を参照して詳述する電圧印加手段から所定の電圧Φ３０を印加して電荷蓄積領域２３から転送領域２７へと電荷を引き出した後の電荷蓄積領域２３のポテンシャルは、電荷蓄積領域２３自身が有する単位電荷蓄積容量に比例したポテンシャルとなる。
【００２４】
このため、電荷蓄積領域２３から転送領域２７へと電荷を引き出す際には、電荷を引き出した後の電荷蓄積領域２３のポテンシャルよりも転送領域２７のポテンシャルが大きくなるような高レベルの電圧Φ３０を電極２６（端子３０）に印加するに印加する。
次いで、電荷蓄積領域２３から引き出された電荷が転送領域２７にあり、これを電荷−電圧変換領域２２へと転送する際に、電極２６に印加する電圧Φ３０を高レベルから低レベルへと急峻に低下させると、時として未だ転送領域２７にある電荷が電荷蓄積領域２３へと逆戻りする。
このような電荷の逆戻りを抑止するべく、電極２６（端子３０）に印加する電圧Φ３０を高レベルから低レベルへと低下させる際には、高レベルから低レベルへと徐々に低下させていく。
【００２５】
図２は、図１の固体撮像素子１００の電極２６に印加する電圧の経時変化を表すタイミング図である。本実施の形態では、図２に示すように、電極２６（端子３０）に印加する電圧Φ３０を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させる。
図示の例では、後述する電圧印加手段によって、電極２６（端子３０）への印加電圧を高レベルから低レベルへと所定の変化過程を経て漸減させるに際し、該漸減させる形態として、電荷蓄積領域２３から引き出した信号電荷が再び電荷蓄積領域２３へと逆流することなく電荷−電圧変換領域２２へと転送されるような（図示の場合は複数段階の）中間段階を経て漸減させるように該印加電圧の制御を行う。これにより電荷転送が効率よく行える。
【００２６】
固体撮像素子１００では、後述する電圧印加手段によって、電荷蓄積領域２３から電荷−電圧変換領域２２へと電荷の転送を行なう前に、リセット用電極２５（端子３２）に所定の電圧を印加して電荷−電圧変換領域２２の不要電荷をリセット用転送領域２７ａを経て不要電荷排出用の領域（Ｎ型領域２１）に転送することによってこの電荷−電圧変換領域２２の状態を初期化し、電荷−電圧変換領域２２のポテンシャルを相対的に高くするように該印加電圧の制御を行う。
【００２７】
即ち、電荷−電圧変換領域２２の初期化に際しては、リセット用電極２５（端子３２）に印加する電圧Φ３２を低レベルから高レベルに変え、平衡状態下では電気的に分離されている電荷−電圧変換領域２２と（不要電荷排出用の）Ｎ型領域２１とを電気的に導通状態にして行い、これにより電荷−電圧変換領域２２のポテンシャルを高くする。
次いで、電荷−電圧変換領域２２の初期化を終了するには、リセット用電極２５（端子３２）に印加する電圧Φ３２を高レベルから低レベルへと戻して電荷−電圧変換領域２２とＮ型領域２１とを電気的に分離し、電荷−電圧変換領域２２のポテンシャルを高い状態に保持したまま他の領域と電気的に分離する。
【００２８】
以上のようにして初期化が終了した後、電荷蓄積領域２３内の電荷を電荷−電圧変換領域２２へと転送する。
先ず、転送領域としてのＰ型領域２７上の電極２６（端子３０）へ印加する電圧Φ３０を低レベルから高レベルへと変化させ、電気的に分離されている電荷−電圧変換領域２２と電荷蓄積領域２３とを、転送領域２７を介して電気的に導通状態にする。
この導通状態では、電荷蓄積領域２３内の電荷が転送領域２７へと引き出され、引き出された一部の電荷は電荷−電圧変換領域２２へと直接流れ込むが、他の電荷は転送領域としてのＰ型領域２７内に滞留している。
【００２９】
電荷−電圧変換領域２２へ流れ込まずに転送領域２７に滞留している電荷を電荷蓄積領域２３へと逆流することなく電荷−電圧変換領域２２へと転送するため、転送領域としてのＰ型領域２７上の電極２６（端子３０）に印加する電圧Φ３０を高レベルから低レベルへと段階的に漸減させていく。このときの漸減させる態様としての電圧低下の速度は転送領域２７に滞留している電荷の数が多ければ緩やかとするほうが良い。後述するように、所定の条件下における発明者による実験では１マイクロ秒に３．３Ｖ降下させるといった程度の電圧低下の速度において良好な結果が得られることが検証されている。
【００３０】
図２では、電圧を高レベルから低レベルへと低下する際に、一例として高レベルと低レベルの間に８段の段階を設けているが、更に多段階にしても同様の効果が得られる。
また、段階数を減らしても同様の効果が得られるが、高レベルと低レベルの間に設ける中間階段の位置、つまり電極２６（端子３０）に印加する電圧Φ３０が重要である。
具体的には、後述する電圧印加手段によって、電極２６への印加電圧の当該中間段階の値として、該印加電圧が印加されたときの電極２６の下部の半導体基板表面付近（即ち、転送領域２７）のポテンシャルが、電荷が引き抜かれた後の電荷蓄積領域２３のポテンシャルよりも高く、且つ、電荷蓄積領域２３から引き抜かれた電荷の一部又は全部が流れ込んだ電荷−電圧変換領域２２のポテンシャルよりも低い値を少なくとも１段とるように該印加電圧Φ３０の制御を行う。
【００３１】
故に、最小で１段まで減らす際には、電極２６（端子３０）に印加する電圧Φ３０が、前述の条件を満たすように調節すれば、本発明から得られる高い転送効率は維持される。
電圧Φ３０を、高レベルと低レベルの間に設けられた複数の段階を経て低下させる時、それらの段階の間隔は、前記条件さえ満たせば、等間隔でも、非等間隔でも、どちらでも良い。
【００３２】
次に、上述の実施の形態において適用される電圧印加手段とその作用について図面を参照して説明する。
図３は、本発明の実施の形態に適用される電圧印加手段の要部の構成例を表す回路図である。
図４は、図３の電圧印加手段の作用を説明するタイミング図である。
図３の電圧印加手段（その要部たる回路）３００には、外部から高レベルの電圧ＶＨ、中間レベルの電圧ＶＭ、及び、低レベルの電圧ＶＬが常時印加されている。この回路に、図４のタイミング図で示す、夫々レベルが図示のタイミングで０−ＶＨ間で変化するパルス信号Φ１００、Φ１０１、Φ１０２、及び、Φ１０３を図示しない例えばマイクロプロセッサ等の信号源から各対応部に供給する。
【００３３】
上述のようにパルス信号Φ１００、Φ１０１、Φ１０２、及び、Φ１０３を各供給すると、回路３００の出力であるΦ３０として、図４の下段に図示のような、高、中間、低の各レベルの電圧値をとるパルス信号が出力される。
図３中のＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及び、ＴＲ４は夫々エンハンスメント型ＰＭＯＳトランジスタであり、ＴＲ５、ＴＲ６、及び、ＴＲ７はエンハンスメント型ＮＭＯＳトランジスタである。因みに、図３のパルス信号Φ３０は図１の端子３０に供給される電圧信号Φ３０に符合する。
【００３４】
次に、パルス信号Φ３０が高レベルの電圧ＶＨ、中間レベルの電圧ＶＭ、及び、低レベルの電圧ＶＬの各レベル間を段階的に変化する仕組みを簡単に説明する。
図４の時間ｔ１（より厳密には、時間の起算時点から時間ｔ１経過した時点であるが、以下、慣用されている「時間」の文言を用いる）以前は、パルス信号Φ１００、Φ１０１、Φ１０３は高レベルの正電圧ＶＨをとり、逆にパルス信号Φ１０２は０Ｖであるため、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３は閉じられているがトランジスタＴＲ４は開いている。故にトランジスタＴＲ７のゲートには高レベルの正電圧ＶＨが印加されているため開いており、Φ３０の出力部と低レベルの電圧ＶＬが印加されている端子部とが電気的に導通状態となっている。故に出力たるパルス信号Φ３０は低レベルの電圧ＶＬになる。
【００３５】
時間ｔ１のタイミングで、パルス信号Φ１００とΦ１０３とを高レベルの電圧ＶＨから０Ｖへと変化させ、逆にパルス信号Φ１０２を０Ｖから高レベルの電圧ＶＨに変化させると、トランジスタＴＲ２が開くと同時にトランジスタＴＲ４が閉じる。トランジスタＴＲ４が閉じたとこに伴ってトランジスタＴＲ７も閉じるため、パルス信号Φ３０の出力端子と低レベルの電圧ＶＬが印加されている端子部との導通が切断され、逆にトランジスタＴＲ２を通じてパルス信号Φ３０の出力部と低レベルの電圧ＶＨが印加されている端子部とが導通し、出力たるパルス信号Φ３０からは高レベルの電圧ＶＨになる。
【００３６】
時間ｔ２では、パルス信号Φ１００が０Ｖから高レベルの電圧ＶＨへと変化し、逆にパルス信号Φ１０１が高レベルの電圧ＶＨから０Ｖへと変化する。これに伴い、トランジスタＴＲ２が閉じられてパルス信号Φ３０の出力部と高レベルの電圧ＶＨが印加されている端子部との電気的導通状態が切断される。逆にトランジスタＴＲ１が開くためパルス信号Φ３０の出力部と中間レベルの電圧ＶＭが印加されている端子部とが電気的に導通状態となり、パルス信号Φ３０は中間レベルの電圧ＶＭになる。
【００３７】
時間ｔ３では、パルス信号Φ１０１とΦ１０３とが０Ｖから高レベルの電圧ＶＨへと変化し、パルス信号Φ１０２が高レベルの電圧ＶＨから０Ｖへと変化する。これにより、トランジスタＴＲ１及びＴＲ３が閉じる。トランジスタＴＲ１が閉じた事によりパルス信号Φ３０の出力部と中間レベルの電圧ＶＭが印加されている端子部との電気的導通状態が切断される。しかし、トランジスタＴＲ４が開くことによってトランジスタＴＲ７が開き、パルス信号Φ３０の出力部と低レベルの電圧ＶＬが印加されている端子部とが導通状態となる。故にパルス信号Φ３０は低レベルの電圧ＶＬになる。
【００３８】
図５は、図１の固体撮像素子の転送領域上の電極に図４の如く電圧を印加したときのポテンシャルの推移を説明するための図である。図５（Ａ）は、図１の固体撮像素子１００の要部である電荷蓄積領域２３、電荷−電圧変換領域２２、及び、転送領域２７の各部とその近傍部位を抜粋して示す図であり、図１との対応部は同一の参照符号を附してある。図１と同様に電荷蓄積領域２３から転送領域２７を経て電荷−電圧変換領域２２へと信号電荷が移動する様子が太線の矢線で象徴的に表されている。
【００３９】
図５（Ｂ）は図４におけるｔ１以前のタイミングにおける各部のポテンシャルを表す図、図５（Ｃ）は図４におけるｔ１〜ｔ２のタイミングにおける各部のポテンシャルを表す図、図５（Ｄ）は図４におけるｔ２〜ｔ３のタイミングにおける各部のポテンシャルを表す図である。
図５（Ｂ）、即ち、ｔ１以前のタイミング（電荷転送前）では、ハッチングを施して示した部分Ａｃの如く電荷蓄積領域２３に信号電荷が蓄積されている。
【００４０】
次いで、図５（Ｃ）、即ち、ｔ１〜ｔ２のタイミング（転送領域２７上の電極３０にパルス信号Φ３０として高レベルの電圧ＶＨが印加されているタイミング）では、ハッチングを施して示した部分Ａｔの如く、信号電荷が転送領域２７へと引き出され、一部は、電荷−電圧変換領域２２へと既に流れ込んでいる。このようにして電荷蓄積領域２３から信号電荷が流出する結果、電荷蓄積領域２３に相応する部位では、破線図示の水準から実線図示の水準へと破線の矢線で示す如くポテンシャルが上昇する。
【００４１】
更に、これに次ぐ図５（Ｄ）即ち、ｔ２〜ｔ３のタイミング（転送領域２７上の電極３０にパルス信号Φ３０として中間レベルの電圧ＶＭが印加されているタイミング）では、ハッチングを施して示した部分Ａｅの如く、転送領域２７へと引き出されてここに滞留していた信号電荷をも含む全ての電荷が電荷−電圧変換領域２２へと流れ込む。この結果、電荷−電圧変換領域２２のポテンシャルが実線図示の元の水準から細線図示のような水準Ｐｒへと僅かに減少する。そして、本発明の特徴である中間レベルの電圧ＶＭとしては、この電圧によって、転送領域２７のポテンシャルが矢線図示のＲfeの範囲となるような値を選択すればよい。
【００４２】
発明者は図３の回路を用いて当該固体撮像素子を駆動した際の電荷転送の状況について具体的な検証を実施した。その結果例を以下に示す。
図３中の高レベルの電圧ＶＨを３．３Ｖ、中間レベルの電圧ＶＭを２．０Ｖ、低レベルの電圧ＶＬを−０．５Ｖとし、図４の時間ｔ１を０秒、ｔ２を５００ナノ秒、ｔ３を１マイクロ秒とし、図１中の電荷蓄積領域２３に約１万個の電子が蓄積されている系では、時間ｔ１から時間ｔ２の間に電荷蓄積領域２３から転送領域２７へと電子が全て引出される。そして時間ｔ２から時間ｔ３の間に転送領域２７の電子が電荷−電圧変換領域２２へと転送される。このとき転送領域２７から電荷蓄積領域２３へと電荷が逆流することはない。
【００４３】
一方、上述の条件において、中間レベルの電圧ＶＭの値を高レベルの電圧ＶＨと同じ電圧にすると、即ち、図１の電極２６（端子３０）に印加する電圧Φ３０が高レベルの電圧ＶＨから低レベルの電圧ＶＬへと急峻に変化するとき、転送領域２７へと引出された電荷の内、約１００個の電子が電荷蓄積領域２３へと逆流してしまう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態における固体撮像素子の断面図である。
【図２】図１の固体撮像素子の電極に印加する電圧の経時変化を表すタイミング図である。
【図３】本発明の実施の形態に適用される電圧印加手段の要部の構成例を表す回路図である。
【図４】図３の電圧印加手段の作用を説明するタイミング図である。
【図５】図１の固体撮像素子の転送領域上の電極に図４の如く電圧を印加したときのポテンシャルの推移を説明するための図である。
【図６】従来の電荷結合素子（ＣＣＤ）の構造を表す断面図である。
【図７】図６の電荷結合素子（ＣＣＤ）の各領域のポテンシャルを表す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  半導体基板
２  酸化膜
３，４，５，６  上部電極
１１，１２，１３，１４  埋め込みチャネル
２０  Ｐ型半導体領域（基板）
２１  Ｎ型領域
２２  電荷−電圧変換領域（Ｎ型領域）
２３  電荷蓄積領域（Ｎ型領域）
２４  Ｐ型領域
２５，２６  電極
２７  転送領域（Ｐ型領域）
２７ａ  リセット用転送領域
３０，３１，３２，３３  端子
１００  固体撮像素子
３００  電圧印加手段（その要部たる回路）
【図１】
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【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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