(57)【要約】【課題】ブルーミング等の画質不良を抑制してフォトダイオードのダイナミックレンジを最大化し、かつ読み出し動作の不完全による画質不良も抑制することが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】Ｐ型ウェル領域１９１が形成されたＮ型の半導体基板１４７と、Ｐ型ウェル領域１９１に形成された複数のフォトダイオード１４１と、読み出しゲート及び非読み出しゲートと電荷転送領域１９５とから構成される垂直ＣＣＤ１４３とを有する固体撮像素子１４０と、各読み出しゲートに垂直転送クロックを印加する駆動パルス制御部１５０とを備え、駆動パルス制御部１５０は、ＬＯＷレベル電圧及びＭＩＤＤＬＥレベル電圧を持つ垂直転送クロックを印加することにより電荷転送領域１９５内の信号電荷を垂直転送し、ＬＯＷレベル電圧及びＭＩＤＤＬＥレベル電圧は、いずれもＰ型ウェル領域１９１の電位を基準としてマイナスの電圧である。【選択図】図６
2009153057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの信号電荷の読み出しと信号電荷の垂直転送を行うための読み出しゲートと、信号電荷の垂直転送を行うための非読み出しゲートと、前記ウェル領域に形成された、読み出された信号電荷を転送するための電荷転送領域とから構成される垂直ＣＣＤとを有する固体撮像素子と、
各前記読み出しゲートに対して第１駆動パルスを印加することにより前記固体撮像素子を制御する駆動パルス制御手段とを備え、
前記駆動パルス制御手段は、各前記読み出しゲートに対して、第１電圧と第２電圧とを交互に変化させる第１駆動パルスを印加することにより前記電荷転送領域内の信号電荷を垂直転送し、
前記第１電圧及び第２電圧は、いずれも前記ウェル領域の電位を基準としてマイナスの電圧である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動パルス制御手段は、第３電圧と第４電圧とを交互に変化させる第２駆動パルスを生成する駆動パルス生成部と、前記第２駆動パルスを所定の電圧だけシフトさせて前記第１駆動パルスを生成するパルスシフト部とを備える
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】
前記駆動パルス制御手段は、各前記非読み出しゲートに対して、前記第２駆動パルスを印加することにより前記電荷転送領域内の信号電荷を垂直転送する
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記固体撮像素子は、ダイオードを有し、
前記パルスシフト部は、前記ダイオードにより前記第２駆動パルスを所定の電圧だけシフトさせるクランプ回路を備える
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記駆動パルス制御手段は、電源から前記第１電圧及び第２電圧の供給を受けて前記第１駆動パルスを生成する
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６】
前記フォトダイオードは、前記ウェル領域表面に形成された第２導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域下方に形成された第１導電型の第２半導体領域とから構成され、
前記第１半導体領域及び第２半導体領域は、前記電荷転送領域と並んで位置し、
前記第１半導体領域の前記電荷転送領域側の側部は、前記第２半導体領域の前記電荷転送領域側の側部に対して前記電荷転送領域から離れる方向に後退している
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷の読み出しと信号電荷の垂直転送を行うための読み出しゲートと、信号電荷の垂直転送を行うための非読み出しゲートと、前記ウェル領域に形成された、読み出された信号電荷を転送するための電荷転送領域とから構成される垂直ＣＣＤとを有する固体撮像素子と、各前記読み出しゲートに対して第１駆動パルスを印加することにより前記固体撮像素子を制御する駆動パルス制御手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
各前記読み出しゲートに対して、第１電圧と第２電圧とを交互に変化させる第１駆動パルスを印加することにより前記電荷転送領域内の信号電荷を垂直転送し、
前記第１電圧及び第２電圧は、いずれも前記ウェル領域の電位を基準としてマイナスの電圧である
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記第１駆動パルスは、第３電圧と第４電圧とを交互に変化させる第２駆動パルスを所定の電圧だけシフトさせて生成される
ことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記信号電荷の垂直転送では、各前記非読み出しゲートに対して、前記第２駆動パルスを印加する
ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、フォトダイオードの分離技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１０００万画素超まで固体撮像装置の高画素化が進み、銀塩なみの静止画を撮影したり、動画を撮影したりすることが可能になっている。この高画素化に伴い、固体撮像装置の単位画素サイズのピッチは２μｍを切り、更に微細化が進行している。以下、インターライン転送固体撮像装置（ＩＴＣＣＤ）を例にとって、従来の固体撮像装置の構成とその駆動方法（例えば、特許文献１参照）について説明する。
【０００３】
図２１は、従来のＩＴＣＣＤの概略構成を示す図である。
このＩＴＣＣＤは、半導体基板（図外）上に２次元状に配設されるフォトダイオード５３２と、フォトダイオード５３２に蓄積された信号電荷を垂直方向へ転送するための垂直ＣＣＤ５３３と、垂直ＣＣＤ５３３によって転送された信号電荷を水平方向へ転送するための水平ＣＣＤ５３５と、水平ＣＣＤ５３５によって転送された信号電荷を検知し出力する出力部５３６とを備える。
【０００４】
図２２は、従来のＩＴＣＣＤの断面図（図２１のＡＡ’における断面図）である。
Ｎ型の半導体基板５３７にはＰ型ウェル領域５３８が形成され、Ｐ型ウェル領域５３８にはフォトダイオード５３２を構成する高濃度のＮ型の半導体領域（信号電荷蓄積領域）５３９と、高濃度のＰ型の半導体領域（正電荷蓄積領域）５４０が形成されている。
【０００５】
Ｐ型ウェル領域５３８には、さらに、垂直ＣＣＤ５３３を構成するＮ型のチャンネル領域（電荷転送領域）５４１が形成されている。チャンネル領域５４１の下方にはＰ型の半導体領域５４２が形成され、チャンネル領域５４１の側方にはＰ型のチャネルストップ領域５４３が形成されている。
【０００６】
半導体基板５３７上には、絶縁膜５４５を介して読み出し電極及び転送電極としての機能を有する転送電極５４６が形成され、転送電極５４６の上には、層間絶縁膜５４７を介して遮光膜５４８が形成されている。
【０００７】
このとき、転送電極５４６としては、フォトダイオード５３２から垂直ＣＣＤ５３３に信号電荷を読み出すための読み出し電極としての機能を有する転送電極（以下、「読み出しゲート」とも記す）と、読み出し電極としての機能を有しない、つまり信号電荷を垂直方向に転送するための転送電極としての機能のみを有する転送電極（以下、「非読み出しゲート」とも記す）とがある。
【０００８】
図２３は垂直ＣＣＤ５３３を駆動する駆動パルス制御部を示す図である。図２４は、駆動パルス制御部から出力される電圧パルス（φＶパルス）の波形を示す図である。なお、図２４は読み出しゲートに印加される電圧パルスの波形を示している。非読み出しゲートに印加される電圧パルスの波形は、図２４の電圧パルスにおいてＨＩＧＨレベル電圧ＶＨがなくなった波形となる。
【０００９】
駆動パルス制御部は、入力されるＨＩＧＨレベル電圧ＶＨ、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ及びＬＯＷレベル電圧ＶＬにより電圧パルス（垂直転送パルス）を生成する。
【００１０】
上記構造を有するＩＴＣＣＤでは、信号電荷の読み出し時Ｔ１においてＨＩＧＨレベル電圧ＶＨが読み出しゲートに印加され、フォトダイオード５３２に蓄えられた信号電荷が垂直ＣＣＤ５３３に読み出された後、電圧パルスはＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭになる。その後、Ｔ２における電圧変化のように、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ及びＬＯＷレベル電圧ＶＬの電圧変化が読み出しゲート及び非読み出しゲートに印加され、垂直方向の電荷転送が行われる。
【００１１】
読み出しゲート又は非読み出しゲートにＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭが印加されているときは、そのゲートの下方は信号電荷を蓄積する状態となり信号電荷（電子）が蓄えられる。一方、ＬＯＷレベル電圧ＶＬが印加されているときは、そのゲートの下方はバリア状態となり信号電荷が押し出される。読み出しゲート及び非読み出しゲートは複数枚を１組としてゲートそれぞれにはＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ又はＬＯＷレベル電圧ＶＬが印加され、信号電荷が混合することなく垂直転送される。
【００１２】
読み出しゲートにＨＩＧＨレベル電圧ＶＨが印加されていない間は、次のＨＩＧＨレベル電圧ＶＨの印加まで光電変換した電子がフォトダイオード５３２に信号電荷として蓄積されていく。このとき、入射光量が大きいと次のＨＩＧＨレベル電圧ＶＨの印加までにフォトダイオード５３２は信号電荷で飽和し、隣接する垂直ＣＣＤ５３３に溢れだしブルーミング現象が引き起こされることがあるが、これを防止するために過剰な信号電荷を基板深部のオーバーフロードレイン（図外）に排出するのが一般的である。
【特許文献１】特開２００５−９３９１５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の固体撮像装置及びその駆動方法では、単位画素の微細化により読み出しゲートが形成される領域の寸法が縮小されたとき、ゲート部分（読み出しゲート近傍のウェル領域）のポテンシャルコントロールが困難になり、ブルーミングなど信号電荷の漏れが発生しやすくなる。すなわち、フォトダイオードと垂直ＣＣＤの間の分離の形成には十分な距離と不純物濃度が必要であるが、微細化により距離を保つことができなくなり、フォトダイオードと垂直ＣＣＤの間に十分なポテンシャル障壁を確保できずブルーミング抑制が困難になる。
【００１４】
また、フォトダイオードと垂直ＣＣＤの間の距離を縮小し、さらにフォトダイオードと垂直ＣＣＤの間のウェル領域の不純物濃度を上げた場合、信号電荷の読み出し動作時にフォトダイオードから垂直ＣＣＤへの電荷転送が不完全になりやすくなる。従って、単位画素の微細化時の不純物濃度とポテンシャルのコントロールは困難である。特許文献１ではフォトダイオードと垂直ＣＣＤの間のウェル領域の不純物濃度を上げずにポテンシャル障壁を確保することを目的としているが、更に単位画素の微細化が進行すると破綻することが明らかである。
【００１５】
そこで、本発明は、単位画素を微細化した場合でも、フォトダイオードと垂直ＣＣＤの間の分離を維持して信号電荷の漏れを防止し、かつ信号電荷の読み出し動作時における転送残りを防止し、フォトダイオードの特性を十分に引き出すことが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【００１６】
すなわち、ブルーミング等の画質不良を抑制してフォトダイオードのダイナミックレンジを最大化し、かつ読み出し動作の不完全による画質不良も抑制することが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷の読み出しと信号電荷の垂直転送を行うための読み出しゲートと、信号電荷の垂直転送を行うための非読み出しゲートと、前記ウェル領域に形成された、読み出された信号電荷を転送するための電荷転送領域とから構成される垂直ＣＣＤとを有する固体撮像素子と、各前記読み出しゲートに対して第１駆動パルスを印加することにより前記固体撮像素子を制御する駆動パルス制御手段とを備え、前記駆動パルス制御手段は、各前記読み出しゲートに対して、第１電圧と第２電圧とを交互に変化させる第１駆動パルスを印加することにより前記電荷転送領域内の信号電荷を垂直転送し、前記第１電圧及び第２電圧は、いずれも前記ウェル領域の電位を基準としてマイナスの電圧であることを特徴とする。ここで、前記駆動パルス制御手段は、電源から前記第１電圧及び第２電圧の供給を受けて前記第１駆動パルスを生成してもよい。
【００１８】
これによって、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧（第１電圧）及びＬＯＷレベル電圧（第２電圧）がともにマイナス電圧の第１駆動パルスが読み出しゲートに印加されて信号電荷の垂直転送が行われる。従って、垂直ＣＣＤとフォトダイオードを分離するウェル領域ではポテンシャルが上昇し、ピンニング状態となる。その結果、フォトダイオードが蓄積された信号電荷で飽和しても垂直ＣＣＤに溢れることはなくなるので、フォトダイオードと垂直ＣＣＤの間のウェル領域の不純物濃度を上げることなく、ブルーミング等の不具合を抑制することができる。すなわち、ブルーミング等の画質不良を抑制してフォトダイオードのダイナミックレンジを最大化し、かつ読み出し動作の不完全による画質不良も抑制することができる。
【００１９】
また、前記駆動パルス制御手段は、第３電圧と第４電圧とを交互に変化させる第２駆動パルスを生成する駆動パルス生成部と、前記第２駆動パルスを所定の電圧だけシフトさせて前記第１駆動パルスを生成するパルスシフト部とを備えてもよい。
【００２０】
これによって、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧をマイナス電圧とするための電源の増加が不要となるので、部品増と消費電力増を抑制することができる。
【００２１】
また、前記駆動パルス制御手段は、各前記非読み出しゲートに対して、前記第２駆動パルスを印加することにより前記電荷転送領域内の信号電荷を垂直転送してもよい。
【００２２】
これによって、読み出しゲートに印加される第１駆動パルスと非読み出しゲートに印加される第２駆動パルスでＭＩＤＤＬＥレベル電圧及びＬＯＷレベル電圧が異なる。従って、読み出しゲートと非読み出しゲートの電圧差に応じたポテンシャルの段差が形成された状態で電荷転送が行われる。その結果、このポテンシャル段差により電荷転送が促進され、転送動作における信号電荷の転送効率を改善できる。
【００２３】
また、前記固体撮像素子は、ダイオードを有し、前記パルスシフト部は、前記ダイオードにより前記第２駆動パルスを所定の電圧だけシフトさせるクランプ回路を備えてもよい。
【００２４】
これによって、クランプ回路のダイオードに固体撮像素子内部のダイオードが用いられるため、部品数を低減することができる。
【００２５】
また、前記フォトダイオードは、前記ウェル領域表面に形成された第２導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域下方に形成された第１導電型の第２半導体領域とから構成され、前記第１半導体領域及び第２半導体領域は、前記電荷転送領域と並んで位置し、前記第１半導体領域の前記電荷転送領域側の側部は、前記第２半導体領域の前記電荷転送領域側の側部に対して前記電荷転送領域から離れる方向に後退していてもよい。
【００２６】
これによって、第１半導体領域は電荷転送領域から距離を持って構成されるため、信号電荷の読み出し動作時に垂直ＣＣＤとフォトダイオードを分離するポテンシャルを十分低下させることができる。
【００２７】
なお、前記第１駆動パルスと第２駆動パルスは、垂直転送時の駆動パルス電圧の違いを示すために２種類の駆動パルスとして説明しているが、それぞれタイミングの異なる複数の駆動パルスを用いることも出来る。
【００２８】
なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現することができるだけでなく、このような固体撮像装置が備える特徴的な手段をステップとする駆動方法として実現したり、それらのステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やインターネット等の伝送媒体を介して配信することができるのは言うまでもない。さらに、このような固体撮像装置を備えるカメラとして構成することもできる。
【発明の効果】
【００２９】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、読み出しゲート近傍のウェル領域の不純物濃度を薄く形成することができ、信号電荷の読み出し動作が容易になる。さらに、マイナスにシフトした垂直転送クロックのＭＩＤＤＬＥレベル電圧の効果により、信号電荷の読み出し動作時以外の状態にてゲート部分のポテンシャル障壁を大きくできるため、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへの電荷溢れを抑制することができる。その結果、ブルーミングの発生を抑制しフォトダイオードのダイナミックレンジを最大化することができる。
【００３０】
よって、本発明により微細化に伴った単位画素特性の最大化が図られ、微細化が進む今日における本発明の実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置を利用したカメラ（撮像装置）の構成を示す図である。
【００３３】
図１に示されるようにカメラ１０１は、被写体の光学像を撮像素子に結像させるレンズ１１０と、レンズ１１０を通過した光学像の光学処理を行うミラーや、メカニカルシャッタなどの光学系１２０と、本願発明に係る固体撮像装置１３０と、信号処理部１６０と、デジタルシグナルプロセッサ（以下、「ＤＳＰ」とも記す）１７０等とを備える。
【００３４】
固体撮像装置１３０は、固体撮像素子１４０と、駆動パルス制御部１５０とを備える。
固体撮像素子１４０は、ＣＣＤイメージセンサ等により実現され、受光量に応じた画素信号を出力する。
【００３５】
駆動パルス制御部１５０は、ＤＳＰ１７０の指示に従って、固体撮像素子１４０に対して種々の駆動パルスを種々のタイミングで発生させることにより、固体撮像素子１４０を制御する。具体的には、駆動パルス制御部１５０は、固体撮像素子１４０の垂直ＣＣＤの読み出しゲート及び非読み出しゲートに対して駆動パルスを印加することにより、固体撮像素子１４０を制御する。
【００３６】
信号処理部１６０は、固体撮像素子１４０から出力されるフィールドスルーの信号と出力信号との差分をとるＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路１６１と、ＣＤＳ回路１６１から出力されるＯＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｌａｃｋ）レベルの信号を検出するＯＢクランプ回路１６２と、ＯＢレベルと有効画素の信号レベルとの差分をとり、その差分のゲインを調整するＧＣＡ（Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１６３と、ＧＣＡ１６３から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１６４等とから構成される。
【００３７】
ＤＳＰ１７０は、ＡＤＣ１６４から出力されたデジタル信号に信号処理を施すと共に、駆動パルス制御部１５０の制御を行う。
【００３８】
図２は、図１に示される固体撮像素子１４０の構成を示すブロック図である。
図２に示されるように、固体撮像素子１４０は、インターライン・トランスファ（ＩＴ）型のＣＣＤイメージセンサであり、半導体基板（以下、単に基板とも呼ぶ）１４７と、半導体基板１４７上に二次元配列された複数のフォトダイオード１４１と、複数の垂直ＣＣＤ１４３と、水平ＣＣＤ１４５と、出力アンプ１４６と、基板バイアス電圧発生回路１８０と、トランジスタＱ１とを有する。また、同図には、固体撮像素子１４０の半導体基板１４７のバイアス電圧（以下、基板バイアスとも呼ぶ。）Ｖｓｕｂを変調する回路として、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣも併せて図示されている。
【００３９】
この基板バイアスＶｓｕｂの制御によって、フレーム読み出し時における飽和信号電荷量Ｑｓの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておくように構成されている。ここでフレーム読み出しは、露光時間経過後に光学系１２０のメカニカルシャッタ（図外）を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、１枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。
【００４０】
図２において、複数のフォトダイオード１４１は二次元配列され撮像エリア１４４を形成する。各フォトダイオード１４１は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード１４１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード１４１に蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤ１４３の読み出しゲート部１４２に読み出しパルスが印加されることにより垂直ＣＣＤ１４３に読み出される。
【００４１】
垂直ＣＣＤ１４３は、フォトダイオード１４１の垂直列ごとに設けられ、各フォトダイオード１４１から読み出しゲート部１４２を介して読み出された信号電荷を水平ＣＣＤ１４５に垂直転送する。垂直ＣＣＤ１４３は、フォトダイオード１４１ごとに設けられた、フォトダイオード１４１の信号電荷を垂直ＣＣＤ１４３に読み出すための読み出しゲート及び信号電荷の垂直転送を行うための非読み出しゲートを有する。ＩＴ方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ１４３には、例えば６相の垂直転送クロック（駆動パルス）φＶ１〜φＶ６によって転送駆動するための転送電極（読み出しゲート及び非読み出しゲート）が繰り返し配置され、転送電極への垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６の印加に応じ、フォトダイオード１４１から読み出された信号電荷が各垂直ＣＣＤ１４３で順に垂直方向に転送される。これにより、複数の垂直ＣＣＤ１４３から水平ブランキング期間において１走査線（１ライン）分の信号電荷が水平ＣＣＤ１４５に出力される。６相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６の内２相目と４相目と６相目のφＶ２とφＶ４とφＶ６は、垂直転送のための交互に変化するＬＯＷレベル電圧とＭＩＤＤＬＥレベル電圧の２値をとりうる。これに対して、１相目、３相目及び５相目の垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とφＶ５が印加される転送電極は、読み出しゲート部１４２の読み出し電極も兼用しているので、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とφＶ５は、交互に変化するＬＯＷレベル電圧とＭＩＤＤＬＥレベル電圧とＨＩＧＨレベル電圧の３値をとりうる。この３値目のＨＩＧＨレベル電圧のパルスは読み出しゲート部１４２に与えられる読み出しパルスとなる。
【００４２】
ここで、垂直ＣＣＤ１４３に供給される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は本発明の第１駆動パルスの一例であり、該垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６のＬＯＷレベル電圧及びＭＩＤＤＬＥレベル電圧は、それぞれ本発明の第１電圧及び第２電圧の一例である。
【００４３】
なお、垂直ＣＣＤ１４３が垂直転送クロックφＶ１〜φＶ８によって転送駆動する構成である場合には、８相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ８の内２相目と４相目と６相目と８相目のφＶ２とφＶ４とφＶ６とφＶ８は、非読み出しゲートに印加され、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とφＶ５とφＶ７は、読み出しゲートに印加されるが、本実施形態では、以下に６相駆動の場合を例として説明する。
【００４４】
水平ＣＣＤ１４５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ１４３から転送された１ライン分の信号電荷を１水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ１４６を介して出力する。この水平ＣＣＤ１４５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１とφＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ１４３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
【００４５】
出力アンプ１４６は、水平ＣＣＤ１４５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【００４６】
基板バイアス電圧発生回路１８０は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して半導体基板１４７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときは第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときはより低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。
【００４７】
上記の固体撮像素子１４０は、半導体基板１４７上に形成される。半導体基板１４７には、フォトダイオード１４１に蓄積された信号電荷を半導体基板１４７へ掃き出すための基板シャッタパルスφＳＵＢなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッタパルスφＳＵＢによる基板シャッタ機能は電子シャッタとも呼ばれる。
【００４８】
図３は、フォトダイオード１４１及び垂直ＣＣＤ１４３の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【００４９】
図３に示されるように、例えばＮ型の半導体基板１４７の表面にＰ型ウェル領域１９１が形成されている。Ｐ型ウェル領域１９１の表面にはＰ＋型の正孔蓄積領域１９３が形成され、さらにその下方にはＮ型の信号電荷蓄積領域１９２が形成されている。フォトダイオード１４１は、これら信号電荷蓄積領域１９２及び正孔蓄積領域１９３により構成されている。
【００５０】
ここで、Ｎ型の半導体基板１４７は本発明の第１導電型の半導体基板の一例であり、Ｐ型ウェル領域１９１は本発明の第２導電型のウェル領域の一例である。また、Ｐ＋型の正孔蓄積領域１９３は本発明の第２導電型の第１半導体領域の一例であり、Ｎ型の信号電荷蓄積領域１９２は本発明の第１導電型の第２半導体領域の一例である。
【００５１】
このフォトダイオード１４１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、Ｐ型ウェル領域１９１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１４１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合、越えた分の信号電荷がポテンシャルバリアを越えて半導体基板１４７側へ掃き出される。
【００５２】
このようにして、半導体基板１４７には、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード１４１が構成されている。
【００５３】
フォトダイオード１４１の横方向には、Ｐ型ウェル領域１９１内の読み出しゲート部１４２を構成する部分を介してＮ型の電荷転送領域１９５及びＰ＋型のチャンネルストッパ領域１９６が形成されている。電荷転送領域１９５は、フォトダイオード１４１から読み出された信号電荷を転送するための領域であり、Ｐ型ウェル領域１９１内に形成される。電荷転送領域１９５の下方には、スミア成分の混入を防止するためのＰ＋型の不純物拡散領域１９７が形成されている。
【００５４】
半導体基板１４７上には、電荷転送領域１９５の上方に位置するように、例えば多結晶シリコンからなる転送電極１９９が配設されている。電荷転送領域１９５及び転送電極１９９により垂直ＣＣＤ１４３が構成されている。転送電極１９９のＰ型ウェル領域１９１の上方に位置する部分は、読み出しゲート部１４２のゲート電極として機能する。
【００５５】
半導体基板１４７には、フォトダイオード１４１に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する（即ちオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルを決める）基板バイアスＶｓｕｂが印加されるようになっている。
【００５６】
図４は、フォトダイオード１４１の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
このフォトダイオード１４１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、オーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１４１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合に、その越えた分の信号電荷がポテンシャルバリアを越えて半導体基板１４７側へ掃き出される。このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスＶｓｕｂによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスＶｓｕｂにより制御可能である。
【００５７】
駆動パルス制御部１５０は、ＤＳＰ１７０から２垂直期間以上の時間（例えば、８秒）フォトダイオード１４１に信号電荷を蓄積される旨の指示があり、光学系１２０のメカニカルシャッタが開けられると、長秒蓄積モードを実行する。次いで、指示された時間が経過し、メカニカルシャッタが閉じられると、駆動パルス制御部１５０は、長秒蓄積モードの実行を終了し、垂直ＣＣＤ１４３のみを転送駆動し、垂直ＣＣＤ１４３のチャンネルのノイズを掃き出す垂直ＣＣＤ掃出モードを実行する。次いで、垂直ＣＣＤ掃出モードの実行が終了すると、駆動パルス制御部１５０は、全てのフォトダイオード１４１に蓄積されている信号電荷を垂直ＣＣＤ１４３に読み出させ、読み出された信号電荷を垂直ＣＣＤ１４３で転送させ、垂直ＣＣＤ１４３から水平ＣＣＤ１４５に転送させ、出力アンプ１４６を介して出力させる。
【００５８】
図５Ａは、図１に示される駆動パルス制御部１５０の概略構成を示すブロック図であり、図５Ｂは同駆動パルス制御部１５０の詳細な構成を示す図である。
【００５９】
図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、駆動パルス制御部１５０はその入力電源電圧として、ＨＩＧＨレベル電圧ＶＨ、ＧＮＤレベル電圧ＶＭ１、ＬＯＷレベル電圧ＶＬ以外の、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ２を必要とする。ここで例えばＨＩＧＨレベル電圧ＶＨは１２Ｖ、ＬＯＷレベル電圧ＶＬは−６Ｖ、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ２は−１Ｖである。この入力電源電圧は従来に比較し、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ２、つまり−１Ｖの電源が増加しているが、例えば−６Ｖ電源からレギュレータを介して生成することができる。駆動パルス制御部１５０は入力電源電圧及びφＶゲート信号の供給を受けてパルス発生器１５１により垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６を生成し、各読み出しゲート及び非読み出しゲートに対し印加する。
【００６０】
図６は、駆動パルス制御部１５０から出力される垂直転送パルスφＶ１、φＶ３又はφＶ５の一例を示す図である。
【００６１】
図６における垂直転送パルスφＶ１、φＶ３又はφＶ５は、駆動パルス制御部１５０に入力する電源電圧を反映し、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ２が−１Ｖとなっている。よって、垂直転送を担うパルスは、−１Ｖと−６ＶというＰ型ウェル領域１９１の電位を基準としてマイナス電圧のみのパルスである。ＨＩＧＨレベル電圧ＶＨは１２Ｖであり、信号電荷の読み出し動作時に転送電極（読み出しゲート）１９９に印加され、図７Ａに示されるようなポテンシャル分布を形成する。
【００６２】
図６において、時刻Ｔ１にて読み出し動作が行われ、その後時刻Ｔ２にて垂直転送が開始されることは従来と同じである。しかし、１つの読み出し動作から次の読み出し動作の間のフォトダイオード１４１に信号電荷が蓄積される期間において、転送電極１９９に印加されるＭＩＤＤＬＥレベル電圧ＶＭ２及びＬＯＷレベル電圧ＶＬがともにマイナス電圧であることが従来と異なっている。
【００６３】
このとき、図７Ｂのポテンシャル分布に示されるように、垂直ＣＣＤ１４３とフォトダイオード１４１を分離するｐ型領域（Ｐ型ウェル領域１９１）の表面付近では転送電極１９９に印加されたマイナス電圧によりポテンシャルが上昇し、ピンニング状態となっている。これにより、蓄積された信号電荷でフォトダイオード１４１が飽和しても垂直ＣＣＤ１４３に溢れることはなく、過剰電荷は基板深部のオーバーフロードレインに排出されるためブルーミング等の不具合を抑制することができる。
【００６４】
また、転送電極１９９にはマイナス電圧が印加されているため、フォトダイオード１４１周辺のｐ型領域はホール濃度が上昇し、特に読み出しゲート部１４２のフォトダイオード１４１側近傍のｐ型の不純物濃度が薄い領域においても、ホール濃度を上昇させることができ、温度により界面から発生する白キズなどの暗信号を再結合により抑制し、暗信号ノイズの特性も大幅に向上できる。
【００６５】
ｐ型領域でのホール濃度を十分な値とするためには、転送電極１９９に−２Ｖ程度の電圧が印加されれば十分である。シミュレーションの結果（図示せず）では、転送電極１９９に−１Ｖ程度の電圧を印加すると０Ｖ時と比較しホール濃度が３桁増加している。
【００６６】
読み出し動作のためには読み出しゲート部１４２のｐ型不純物濃度を上げることができない。そのため、ポテンシャル障壁が不十分なものとなり、ブルーミング耐性不足や、ホール濃度不足による暗信号ノイズ増加などの不具合を伴いやすいが、転送電極１９９からのマイナス電圧による補助によりポテンシャル障壁及び読み出し残りのどちらの課題も解消することができる。
【００６７】
以上の効果は、特に近年の微細化により画素ピッチが１．８μｍ以下になるような状況にて大きな効果が得られるが、フォトダイオード１４１と垂直ＣＣＤ１４３との分離面積を極力抑える目的であれば、画素ピッチに依らず多大な効果を得ることができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図８は、本実施の形態に係るカメラ（撮像装置）２０１の構成を示す図である。
【００６９】
本実施の形態に係るカメラ２０１は、実施の形態１に係る駆動パルス制御部１５０とは異なる構成の駆動パルス制御部２５０を備えるという点で実施の形態１のカメラ１０１と異なる。駆動パルス制御部２５０は、駆動パルス生成部２５２及びパルスシフト部２５３を備える。パルスシフト部２５３は一部を固体撮像素子１４０と兼用している回路部分を持っている。
【００７０】
図９Ａ及び図９Ｂは、駆動パルス制御部２５０の構成を示す図である。なお、図９Ｂは、図９Ａの垂直転送クロックφＶ１を生成する構成のみを示した図であるが、垂直転送クロックφＶ２〜φＶ６を生成する構成もこれと同様の構成を有する。
【００７１】
駆動パルス制御部２５０は、−１Ｖの電源を持っておらず、従来の固体撮像装置の駆動パルス制御部と同様の電源構成となっている。すなわち、駆動パルス生成部２５２は、その入力電源電圧として、ＨＩＧＨレベル電圧ＶＨ、ＧＮＤレベル電圧ＶＭ、ＬＯＷレベル電圧ＶＬのみを必要とする電源構成となっている。ここで例えばＨＩＧＨレベル電圧ＶＨは１２Ｖ、ＬＯＷレベル電圧ＶＬは−６Ｖである。
【００７２】
駆動パルス生成部２５２から出力される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は、従来の固体撮像装置の駆動パルス制御部と同様、ＨＩＧＨレベル電圧が１２Ｖ、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧が０Ｖ、ＬＯＷレベル電圧が−６Ｖとなっている。駆動パルス生成部２５２は、パルスシフト部２５３を介して固体撮像素子１４０に接続されている。
【００７３】
ここで、駆動パルス生成部２５２から出力される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は本発明の第２駆動パルスの一例であり、該垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６のＬＯＷレベル電圧及びＭＩＤＤＬＥレベル電圧は、それぞれ本発明の第３電圧及び第４電圧の一例である。
【００７４】
パルスシフト部２５３は、最低電位が−６．７Ｖとなるように、駆動パルス生成部２５２から出力される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６を所定の電圧、つまり約０．７Ｖシフトさせる回路である。つまり、ＨＩＧＨレベル電圧が１１．３Ｖ、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧が−０．７Ｖ、ＬＯＷレベル電圧が−６．７Ｖの垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６を出力する回路である。
【００７５】
ここで、パルスシフト部２５３から出力される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は本発明の第１駆動パルスの一例であり、該垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６のＬＯＷレベル電圧及びＭＩＤＤＬＥレベル電圧は、それぞれ本発明の第１電圧及び第２電圧の一例である。
【００７６】
固体撮像素子１４０内部の保護回路２４１には、ダイオード接続を行ったＭＯＳトランジスタ２８２が形成されている。パルスシフト部２５３は、この保護回路２４１の寄生ｐｎダイオード２８１により駆動パルス生成部２５２から出力される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６を所定の電圧だけシフトさせるクランプ回路を備える。パルスシフト部２５３では、ＭＯＳトランジスタ２８２により、ＬＯＷレベル電圧ＶＬの電源からＭＯＳトランジスタ２８２のドレインに存在している寄生ｐｎダイオード２８１での内蔵電圧分のみ低下した電圧にクランプされ、これに駆動パルス生成部２５２から出力された垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６が重畳される。従って、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は寄生ｐｎダイオード２８１のドロップ分だけ電圧シフトしたパルスとなってパルスシフト部２５３から出力される。通常のｐｎ（接合）ダイオードにおける内蔵電圧は約０．７Ｖであるので、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は、図１０に示されるように、ＨＩＧＨレベル電圧、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧、ＬＯＷレベル電圧共に約０．７Ｖ低下したパルスとなってパルスシフト部２５３から出力される。ＭＩＤＤＬＥレベル電圧であれば、通常はＧＮＤレベルの電圧であるが、このパルスシフト部２５３を通った後には約−０．７Ｖのマイナス電圧となって転送電極１９９に印加される。
【００７７】
パルスシフト部２５３のコンデンサ２８４と抵抗２８５の値としては垂直ＣＣＤ１４３を構成する転送電極１９９の容量に合わせた値が選択される。ＬＯＷレベル電圧ＶＬの電源を基準にクランプ動作が行われるので、この値が不適切であると垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６の所定の電圧が時間と共に変動が大きくなりすぎる不具合が生じる。例えば、コンデンサ２８４は０．１μＦ程度、抵抗２８５は３９０ｋΩ程度であり、垂直ＣＣＤ１４３を構成する転送電極１９９の容量は１０００ｐＦ程度である。なお、この数値は垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６が印加される、それぞれの転送電極の容量により最適値を設定することが出来る。
【００７８】
以上のように本実施の形態の固体撮像装置２３０によれば、駆動パルス制御部２５０に電圧供給する電源の増加が不要となるので、部品増と消費電力増を抑制することができる。また、クランプ動作を行うダイオードに固体撮像素子１４０内部の回路のダイオードを用いるため、部品数を低減することができる。
【００７９】
また、本実施の形態の固体撮像装置２３０によれば、図１０に示されるように、パルスシフト部２５３により垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６全体がシフトされるため、ＨＩＧＨレベル電圧−ＭＩＤＤＬＥレベル電圧の電圧差や、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧−ＬＯＷレベル電圧の電圧差の変動が制限される。ＨＩＧＨレベル電圧−ＭＩＤＤＬＥレベル電圧の電圧差が大きくなると隣接する転送電極１９９間に加わる電圧差が大きくなりすぎて、耐圧不良などの不具合が発生する可能性がある。また、ＭＩＤＤＬＥレベル電圧−ＬＯＷレベル電圧の電圧差が小さくなると、隣接する転送電極１９９間の電圧差が最適値からずれて小さくなり、取扱可能な垂直転送最大容量の減少や、転送効率劣化といった不具合が発生する可能性が有るが、これらの弊害を防止することができる。
【００８０】
また、本実施の形態の固体撮像装置２３０によれば、パルスシフト部２５３によりＨＩＧＨレベル電圧も含めて電圧が低減され、例えば１２Ｖが１１．３Ｖ等に低減される。従って、読み出しゲートに印加する電圧絶対値を低減でき、電源電圧を変えずに読み出しゲートへの電圧ストレスを低減できるため、耐圧不良などの不具合を防止することができる。特に、ダイオードによるクランプ動作にて全体の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６をシフトするため、ダイオードの特性によっては、ＨＩＧＨレベル電圧のシフト量が他のＭＩＤＤＬＥレベル電圧及びＬＯＷレベル電圧のシフト量より大きくなり、結果的にＨＩＧＨレベル電圧の電圧低減効果が大きくなり、上記のストレス低減効果が大きくなる。
【００８１】
なお、本実施の形態のパルスシフト部２５３は図１１又は図１２に示される構成を有してもよい。すなわち、パルスシフト部２５３を構成するｐｎダイオードが固体撮像素子１４０の外部に外部接続ダイオード２９１及び２９２として設けられてもよい。
【００８２】
このようにパルスシフト部２５３のｐｎダイオードを外部接続することで電圧シフト量を調整することができる。外部接続ダイオード２９１の内蔵電圧を固体撮像素子１４０内部の寄生ｐｎダイオード２８１の内蔵電圧より小さいものを選択すれば、電圧シフト量を外部接続ダイオード２９１の内蔵電圧に従った電圧シフト量に調整することができる。また、図１２に示されるように、外部接続ダイオード２９１及び２９２を複数個直列に接続した場合には、電圧シフト量の調整の自由度を高めることができる。
【００８３】
なお、図１２においては保護回路を構成するマイナス電圧ＰＴを−８Ｖとしており、駆動パルス制御部２５０に印加されるＶＬ電圧−６Ｖより低い電圧としている。この構成であればパルスシフト部２５３での接続ダイオードの個数を増減させれば、垂直転送パルスをＬＯＷレベル電圧が最少約−８．７Ｖになるまでシフトすることができる。
【００８４】
ここで、図１１及び図１２では内蔵電圧の低いダイオードを外部接続することで説明したが、固体撮像素子１４０内部の回路にてダイオード特性の調整を行う変更を行っても同様の効果が得られることは明かである。一般的に半導体ＩＣの回路構成の変更には数ヶ月のリードタイムが必要になるが、基板の変更であれば実装部品が増加することになるが短期間での変更が可能になる場合があり、設計段階において最適な方法を選べばよい。
【００８５】
なお、図９Ｂ、図１１、図１２において、駆動パルス生成部２５２とパルスシフト部２５３を一体化させた構造（ワンチップ化した構造）であってもよい。なお、図９Ｂ、図１１、図１２において、駆動パルス生成部２５２にコンデンサ２８４と抵抗２８５に取り込んだ構造（ワンチップ化した構造）でもよい。これらの場合は更なる部品点数の削減が可能になる。
【００８６】
（実施の形態３）
図１３は、本実施の形態に係る固体撮像素子３４０の断面図である。具体的には、フォトダイオード３４１及び垂直ＣＣＤ１４３の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【００８７】
本実施の形態に係る固体撮像素子３４０は、実施の形態１に係るフォトダイオード１４１とは異なる断面構造のフォトダイオード３４１を備えるという点で実施の形態１の固体撮像素子１４０と異なる。フォトダイオード３４１は、信号電荷蓄積領域１９２及び正孔蓄積領域３９３により構成されている。信号電荷蓄積領域１９２及び正孔蓄積領域３９３は電荷転送領域１９５と並んで位置し、正孔蓄積領域３９３の電荷転送領域１９５側の側部は、信号電荷蓄積領域１９２の電荷転送領域１９５側の側部に対して電荷転送領域１９５から離れる方向に後退している。従って、Ｐ型ウェル領域１９１表面の濃いｐ型層（正孔蓄積領域３９３）が転送電極１９９のエッジから離れた場所に形成されていることとなる。
【００８８】
ｐ型層（正孔蓄積領域３９３）は、フォトダイオード３４１におけるシリコン界面で界面順位により発生する白キズなど暗出力のノイズ電子を十分なホール濃度により再結合消去させ、ノイズ発生を抑制する機能を有する。
【００８９】
しかしながら、転送電極１９９のエッジ近傍までこの濃いｐ型層を形成すると、読み出しゲート直下にｐ型不純物の拡散が生じ、信号電荷の読み出し動作時に十分ポテンシャルを低下させることができなくなることがある。また、濃いｐ型層はその部分のポテンシャルをゼロＶに固定する働きもあるため、ゲートエッジ近傍でのポテンシャルが低下しにくくなり、その結果読み出し残り等が発生し、十分な読み出し動作が困難になる。
【００９０】
これを避けるため、フォトダイオード３４１では、濃いｐ型層は読み出しゲート近傍から距離を持って構成されている。これにより、図１４Ａに示されるように、読み出し動作時にフォトダイオード３４１と垂直ＣＣＤ１４３のポテンシャルを十分低下させることができる。また、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６自体がマイナスの電圧になっているため、図１４Ｂに示されるように、読み出し動作時以外では転送電極１９９の直下までｐ型不純物が十分存在することと同じ効果が得られる。
【００９１】
転送電極１９９のエッジ近傍まで濃いｐ型層が存在する時でも転送電極１９９に高い電圧を印加すると十分な読み出し動作を行うことができるが、このとき、濃いｐ型層はゼロＶに固定されているため、その近傍には非常に高い電界が生じることとなり、ホットキャリアが発生しこれによる種々の不具合を引き起こす可能性もある。これは読み出し動作が行われる読み出しゲートに限られず、該当する高い電圧が印加される電極のエッジ全てに言えることである。従って、濃いｐ型層は電極のエッジから距離を保つのが望ましく、そのようなときに表面で不足しがちなｐ型層の機能を垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６のマイナス電圧で補うことができる。
【００９２】
（実施の形態４）
図１５Ａは、本実施の形態に係るカメラ４０１の構成を示す図である。図１５Ｂは、本実施の形態に係る固体撮像素子１４０の転送電極１９９の配置を示す図である。
【００９３】
本実施の形態に係るカメラ４０１は、実施の形態２に係る駆動パルス制御部２５０とは異なる構成の駆動パルス制御部４５０を備えるという点で実施の形態２のカメラ２０１と異なる。固体撮像素子１４０では、読み出しゲート４９９ａと非読み出しゲート４９９ｂが交互に設置され垂直ＣＣＤ１４３の転送電極１９９が形成されている。読み出しゲート４９９ａは非読み出しゲート４９９ｂよりフォトダイオード１４１への張り出しが大きく形成されており、読み出し動作を行いやすくされている。
【００９４】
図１６Ａは、本実施の形態に係る駆動パルス制御部４５０の構成を示す図である。図１６Ｂは、駆動パルス制御部４５０により読み出しゲート４９９ａに印加される垂直転送パルスφＶ１、φＶ３及びφＶ５の一例を示す図である。図１６Ｃは、駆動パルス制御部４５０により非読み出しゲート４９９ｂに印加される垂直転送パルスφＶ２、φＶ４及びφＶ６の一例を示す図である。
【００９５】
駆動パルス制御部４５０は、駆動パルス生成部２５２及びパルスシフト部４５３を備える。駆動パルス制御部４５０は、読み出しゲート４９９ａ用の配線のみにパルスシフト部４５３でのクランプ回路が接続され、非読み出しゲート４９９ｂ用の配線にはパルスシフト部４５３のクランプ回路が接続されず、非読み出しゲート４９９ｂ用の配線はそのまま固体撮像素子１４０に接続された回路構成を有する。
【００９６】
駆動パルス生成部２５２から出力された垂直転送パルスφＶ１〜φＶ６は、パルスシフト部４５３を介して固体撮像素子１４０の読み出しゲート４９９ａもしくは非読み出しゲート４９９ｂに印加される。パルスシフト部４５３では、電圧シフトは読み出しゲート４９９ａに印加される垂直転送パルスφＶ１、φＶ３及びφＶ５に対してのみ行われ、非読み出しゲート４９９ｂに印加される垂直転送パルスφＶ２、φＶ４及びφＶ６に対しては行われない。従って、非読み出しゲート４９９ｂには、駆動パルス生成部２５２からの電圧シフトされていない垂直転送パルスがそのまま印加される。
【００９７】
図１７及び図１８は垂直ＣＣＤ１４３の電荷転送方向での断面に対して、ある転送の瞬間のポテンシャル分布を示す図である。
【００９８】
本実施の形態の固体撮像装置４３０では、垂直転送パルスφＶ１、φＶ３及びφＶ５と垂直転送パルスφＶ２、φＶ４及びφＶ６のＭＩＤＤＬＥレベル電圧及びＬＯＷレベル電圧が異なる。従って、図１７に示されるように、読み出しゲート４９９ａと非読み出しゲート４９９ｂの電圧差が無い状態で電荷転送が行われるのではなく、図１８に示されるように、読み出しゲート４９９ａと非読み出しゲート４９９ｂの電圧差に応じたポテンシャルの段差が形成された状態で電荷転送が行われる。
【００９９】
その結果、転送される信号電荷は例えば電子数で１００個程度であり、垂直転送パルスがＭＩＤＤＬＥレベル電圧であっても読み出しゲート４９９ａと非読み出しゲート４９９ｂのポテンシャル段差により、信号電荷はほぼ非読み出しゲート４９９ｂ直下に集められることになる。また、垂直転送パルスがＬＯＷレベル電圧であっても読み出しゲート４９９ａと非読み出しゲート４９９ｂのポテンシャル段差により電荷転送が促進され、各転送動作における信号電荷の転送効率が改善される。
【０１００】
上記の様な転送効率の改善は、電極長が長く信号電荷の転送距離が長いため転送時間そのものが長い場合や、信号電荷をトラップし転送を阻害するようなポテンシャルディップが存在する場合でも、パルスに電圧差があれば電圧差によるポテンシャル段差によりその影響が無視できるようになることに起因する。これにより、転送不良による混色や、転送キズなどの不具合が防止される。転送の不具合による画質不良は、信号電荷量が少ない程顕著になるため、上記のような転送効率改善の効果は画質向上に対して影響が大きい。近年のＩＳＯ感度向上により取扱電荷量が減少する状況において特に有効な技術である。
【０１０１】
図１９Ａは、本実施の形態に係る固体撮像素子１４０の断面図である。具体的には、フォトダイオード１４１及び垂直ＣＣＤ１４３（垂直ＣＣＤ１４３の非読み出しゲート４９９ｂが形成された部分）の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【０１０２】
垂直ＣＣＤ１４３の非読み出しゲート４９９ｂが形成された部分においては、ゲートがフォトダイオード１４１までは伸びていない。従って、図１９Ｂのポテンシャル図（非読み出しゲート４９９ｂにＭＩＤＤＬＥレベル電圧としての０Ｖが印加された状態でのポテンシャル分布を示す図）に示されるように、ｐ型層（正孔蓄積領域１９３）が薄い状態でもゲートエッジではポテンシャルが０Ｖになり、この領域においてフォトダイオード１４１から垂直ＣＣＤ１４３への信号電荷の漏れであるブルーミングは発生しない。
【０１０３】
これは、非読み出しゲート４９９ｂのゲートエッジ境界でのｐ型層（正孔蓄積領域１９３）の形成領域が異なっている場合も同様である。すなわち、図２０Ａに示されるように、濃いｐ型層（正孔蓄積領域１９３）がフォトダイオード１４１に対して後退して形成されている場合でも、図２０Ｂに示されるように、濃いｐ型層（正孔蓄積領域１９３）がフォトダイオード１４１より広がって非読み出しゲート４９９ｂのゲートエッジ近傍まで延設されている場合も同様である。これらの場合においても、非読み出しゲート４９９ｂには高い電圧が印加されないため、ゲートエッジ近傍で高電界が発生することが無い。従って、濃いｐ型層（正孔蓄積領域１９３）はゲートエッジから離れていてもエッジ近傍まで延設していても良い。
【０１０４】
以上のように本実施の形態の固体撮像装置４３０によれば、実施の形態１の固体撮像装置と同様に、読み出しゲート直下のポテンシャル制御が適切に行われるため、ブルーミングの抑制や暗信号の抑制の効果を得ることができる。また、読み出しゲートと非読み出しゲートに電圧差が設けられるので、転送効率を改善する効果も得られる。
【０１０５】
なお、図１６Ａにおいて、駆動パルス生成部２５２とパルスシフト部４５３を一体化させた構造（ワンチップ化した構造）であってもよい。なお、図１６Ａにおいて、駆動パルス生成部２５２にコンデンサ２８４と抵抗２８５に取り込んだ構造（ワンチップ化した構造）でもよい。これらの場合は更なる部品点数の削減が可能になる。
【０１０６】
また、前記の様にコンデンサ２８４や抵抗２８５などのパルスシフト部の構成を駆動パルス生成部２５２と一体化させた構成においては、φＶ１〜φＶ６の垂直転送パルスに対してパルスシフトの有無をＤＳＰ１７０などの外部回路からの制御信号により切り替える構成であっても良い。このような構成であれば、更なる部品点数の削減に加えて、異なる撮像モードに合わせたパルスシフトを選択することができる。
【０１０７】
なお、遮光膜にマイナス電圧を印加し、読み出し動作時にプラス電圧を遮光膜に印加し読み出し動作を補助する技術がある（例えば特開２００５−１０９０２１号公報）。しかし、この技術では、読み出し動作時以外の期間でのゲート直下の領域では十分なブルーミング抑制効果が得られず、また、同期間におけるゲート直下で発生する暗出力抑制効果が得られない。すなわち、本発明は、本実施形態を用いて説明したように、読み出し動作時以外の期間でのゲート直下の領域では十分なブルーミング抑制効果を得ることが出来、また、同期間におけるゲート直下で発生する暗出力抑制効果を得ることが出来る。
【０１０８】
また、遮光膜を垂直転送配線に利用する技術があるが、これは、転送電極が水平方向に高抵抗配線（ポリシリコンなど電極材料）にて接続されているときに、遮光膜を垂直方向に走る配線として利用し、これと各転送電極との間に直接コンタクトをとり垂直転送パルスを供給する技術である。このとき遮光膜には一定の電圧ではなく、垂直転送パルスが印加されるため、言及した先行技術ではこれに対応できない。しかし、本発明は、本実施形態を用いて説明したように、転送電極下の領域に直接働きかけるため、遮光膜の構成に左右されずブルーミング抑制と暗出力低減効果を得ることができる。
【０１０９】
さらにまた、上記実施の形態ではＩＴ型の固体撮像装置で説明したが、固体撮像装置は、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの間に配設される蓄積部を有するフレームインターライン・トランスファ（ＦＩＴ）方式等の固体撮像装置であってもよい。また、１つのフォトダイオードに対して、３つ以上の転送電極を持つプログレス方式の固体撮像装置であってもよい。ＦＩＴ方式の固体撮像装置の場合は撮像エリアと蓄積部とで垂直転送を異なる駆動とすることができる。従来蓄積部にて暗出力発生を低減するために転送電圧をシフトする技術もあるが、撮像エリアの駆動を本願の駆動方法とすることで、ブルーミング抑制と読み出し電圧低減の両立のみでなく、撮像エリアにおいても白キズや暗出力低減の効果も得られる。
【０１１０】
また、上記実施の形態において、駆動パルス制御部にて生成されるパルスはその入力電源に応じた電圧そのままを表示しているが、周辺回路の定数によりパルス振幅が電源電圧そのものの数値にならない場合が有る。このような場合であっても上記に説明してきたように垂直転送パルスをマイナス側に設定することで得られる効果が変わらないことは明白である。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、固体撮像装置に利用でき、特に高画質のデジタルカメラやビデオカメラ等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置を利用したカメラの構成を示す図である。
【図２】同実施の形態に係る固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図３】同実施の形態に係る固体撮像素子の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図４】フォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
【図５Ａ】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の概略構成を示すブロック図である。
【図５Ｂ】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の詳細な構成を示す図である。
【図６】駆動パルス制御部から出力される垂直転送パルスφＶ１、φＶ３又はφＶ５の一例を示す図である。
【図７Ａ】信号電荷の読み出し動作時のポテンシャル分布を示す図である。
【図７Ｂ】信号電荷の垂直転送動作時のポテンシャル分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るカメラの構成を示す図である。
【図９Ａ】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の構成を示す図である。
【図９Ｂ】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の構成を示す図である。
【図１０】駆動パルス制御部から出力される垂直転送パルスの一例を示す図である。
【図１１】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の変形例の構成を示す図である。
【図１２】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の変形例の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図１４Ａ】信号電荷の読み出し動作時のポテンシャル分布を示す図である。
【図１４Ｂ】信号電荷の垂直転送動作時のポテンシャル分布を示す図である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態４に係るカメラの構成を示す図である。
【図１５Ｂ】同実施の形態に係る固体撮像素子の転送電極の配置を示す図である。
【図１６Ａ】同実施の形態に係る駆動パルス制御部の構成を示す図である。
【図１６Ｂ】駆動パルス制御部により読み出しゲートに印加される垂直転送パルスφＶ１、φＶ３及びφＶ５の一例を示す図である。
【図１６Ｃ】駆動パルス制御部により読み出しゲートに印加される垂直転送パルスφＶ２、φＶ４及びφＶ６の一例を示す図である。
【図１７】垂直ＣＣＤにおけるポテンシャル分布を示す図である。
【図１８】垂直ＣＣＤにおけるポテンシャル分布を示す図である。
【図１９Ａ】同実施の形態に係る固体撮像素子の基板深さ方向の構造を示す断面図（図１５ＢのＢＢ’における断面図）である。
【図１９Ｂ】非読み出しゲートにＭＩＤＤＬＥレベル電圧としての０Ｖが印加された状態でのポテンシャル分布を示す図である。
【図２０Ａ】同実施の形態に係る固体撮像素子の基板深さ方向の構造を示す断面図（図１５ＢのＢＢ’における断面図）である。
【図２０Ｂ】同実施の形態に係る固体撮像素子の基板深さ方向の構造を示す断面図（図１５ＢのＢＢ’における断面図）である。
【図２１】従来のＩＴＣＣＤの概略構成を示す図である。
【図２２】従来のＩＴＣＣＤの断面図（図２１のＡＡ’における断面図）である。
【図２３】垂直ＣＣＤを駆動する駆動パルス制御部を示す図である。
【図２４】読み出しゲートに印加される電圧パルスの波形を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０１、２０１、４０１  カメラ
１１０    レンズ
１２０    光学系
１３０、２３０、４３０    固体撮像装置
１４０、３４０    固体撮像素子
１４１、３４１、５３２    フォトダイオード
１４２    読み出しゲート部
１４３、５３３    垂直ＣＣＤ
１４４    撮像エリア
１４５、５３５    水平ＣＣＤ
１４６    出力アンプ
１４７、５３７    半導体基板
１５０、２５０、４５０    駆動パルス制御部
１５１    パルス発生器
１６０    信号処理部
１６１    ＣＤＳ回路
１６２    ＯＢクランプ回路
１６３    ＧＣＡ
１６４    ＡＤＣ
１７０    ＤＳＰ
１８０    基板バイアス電圧発生回路
１９１、５３８    Ｐ型ウェル領域
１９２    信号電荷蓄積領域
１９３、３９３    正孔蓄積領域
１９５    電荷転送領域
１９６    チャンネルストッパ領域
１９７    不純物拡散領域
１９９、５４６    転送電極
２４１    保護回路
２５２    駆動パルス生成部
２５３、４５３    パルスシフト部
２８１    寄生ｐｎダイオード
２８２    ＭＯＳトランジスタ
２８４    コンデンサ
２８５    抵抗
２９１、２９２    外部接続ダイオード
４９９ａ    読み出しゲート
４９９ｂ    非読み出しゲート
５３６    出力部
５３９、５４０、５４２    半導体領域
５４１    チャンネル領域
５４３    チャネルストップ領域
５４５    絶縁膜
５４７    層間絶縁膜
５４８    遮光膜
【図１】
2009153057.tif 000003
【図２】
2009153057.tif 000004
【図３】
2009153057.tif 000005
【図４】
2009153057.tif 000006
【図５Ａ】
2009153057.tif 000007
【図５Ｂ】
2009153057.tif 000008
【図６】
2009153057.tif 000009
【図７Ａ】
2009153057.tif 000010
【図７Ｂ】
2009153057.tif 000011
【図８】
2009153057.tif 000012
【図９Ａ】
2009153057.tif 000013
【図９Ｂ】
2009153057.tif 000014
【図１０】
2009153057.tif 000015
【図１１】
2009153057.tif 000016
【図１２】
2009153057.tif 000017
【図１３】
2009153057.tif 000018
【図１４Ａ】
2009153057.tif 000019
【図１４Ｂ】
2009153057.tif 000020
【図１５Ａ】
2009153057.tif 000021
【図１５Ｂ】
2009153057.tif 000022
【図１６Ａ】
2009153057.tif 000023
【図１６Ｂ】
2009153057.tif 000024
【図１６Ｃ】
2009153057.tif 000025
【図１７】
2009153057.tif 000026
【図１８】
2009153057.tif 000027
【図１９Ａ】
2009153057.tif 000028
【図１９Ｂ】
2009153057.tif 000029
【図２０Ａ】
2009153057.tif 000030
【図２０Ｂ】
2009153057.tif 000031
【図２１】
2009153057.tif 000032
【図２２】
2009153057.tif 000033
【図２３】
2009153057.tif 000034
【図２４】
2009153057.tif 000035