JP2006261532A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置において、一括電子シャッター機能と、ＣＤＳ機能の両方を実現し、かつ転送能力を高くする。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、入射した光によって光電変換素子が発生した電荷を蓄積する蓄積ウェル４と、電荷をキャリアポケット７へ転送するための転送手段と、キャリアポケット７に転送された電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための変調トランジスタＴｓと、を備えた単位画素を、複数配列して構成される。転送手段は、電荷保持領域２４と、第１の転送ゲート２２Ａと、第２の転送ゲート２２Ｂを有する。転送ゲート２２Ｂは、電荷を転送するときに、電荷保持領域２４とキャリアポケット７の間のポテンシャルを、電荷保持領域２４のポテンシャルとキャリアポケット７のポテンシャルの間のポテンシャルにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

携帯電話、デジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置として、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサ（以下、ＣＣＤセンサという）と、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサという）と、がある。

さらに、近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置（以下、基板変調型センサという）が提案されている。基板変調型センサについては、例えば、特許文献１に開示されている。

ＣＣＤセンサは、駆動電圧が高いため、消費電力が大きいが、ノイズ除去のための相関二重サンプリング（ＣＤＳ）機能と、高速に動く被写体の像に歪みがないように撮像するためのいわゆる一括電子シャッター機能とを実現している。この一括電子シャッター機能は、２次元的に配列された多数の受光素子について、同時に光発生電荷を蓄積することによって、被写体の像の歪みをなくすものである。よって、ＣＣＤセンサは、一般に、画質に優れているという利点がある。

一方、ＣＭＯＳセンサの中でも、４トランジスタ構成のＣＭＯＳ−ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）タイプのものは、一括電子シャッター機能は実現できていないが、ＣＤＳ機能を実現している。また、ＣＭＯＳセンサは、一般に、駆動電圧が低いため、消費電力が少なく、プロセスコストが低いという利点がある。一般的なＣＭＯＳ−ＡＰＳタイプのセンサにおいて、一括電子シャッターができないのは、読み出しライン毎に、電荷保持領域であるフローティングディフュージョンをリセットし、まずノイズ成分を読み出し、その後信号成分を読み出すというＣＤＳ機能を実現するために動作させているからである。

具体的には、ＣＭＯＳ−ＡＰＳタイプのセンサにおいて、ＣＤＳ機能実現のために、電荷の転送用のトランジスタが画素信号を読み出す選択ライン毎に順次リセットされてノイズ成分が読み出され、その後信号成分が読み出される。信号成分の読み出しは、選択ライン毎に順次リセットされながら行われていく。よって、高速の被写体を撮像したときに、初めのラインと最後の読み出しラインの間では、読み出しタイミングが徐々にずれていくので、得られる被写体の像に歪みが生じる。

なお、ＣＭＯＳ−ＡＰＳタイプのセンサにおいて一括電子シャッター機能を実現することも可能であるが、一括電子シャッター機能のために上述した転送用のトランジスタが使用されてしまう。よって、ＣＭＯＳ−ＡＰＳタイプのセンサにおいて一括電子シャッター機能を実現すると、ＣＤＳ機能は実現できず、画質が低下するという問題が生じてしまう。

また、上述した特許文献１に開示の基板変調型センサでは、まず信号成分が読み出され、リセット後、ノイズ成分が読み出され、その２つの信号成分の差をとることによって、その差が画素信号として出力される。

基板変調型センサの場合、読み出された信号成分には、前回リセットされた後に残ったノイズ成分を含み、読み出されるノイズ成分は、リセットされた後に残されたノイズ成分である。信号成分に含まれる前回リセットされた後に残ったノイズ成分の量と、今回リセットされた後に残されたノイズ成分の量が同じである保証はない。すなわち、出力される画素信号には、前回のノイズ成分が含まれるのであって、そのときのノイズ成分が含まれるわけではない。よって、基板変調型センサの場合、信号成分とノイズ成分が相関しておらず、ノイズ除去が正確にされないという欠点がある。これは、画質低下に繋がるものである。

また、基板変調型センサにおいても、一括電子シャッターを実現する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。その提案に係る技術の場合、全画素一括リセットして、その後画素信号の読み出しが、ライン毎に順次行われる。

さらに、ＣＭＯＳ−ＡＰＳタイプのセンサにおいて、一括電子シャッターを実現する方法として、転送ゲートの下に電荷保持領域を設けた固体撮像装置が提案されている（特許文献３参照）。
特開２００２−１３４７２９号公報 特開２００４−８７９６３号公報 特開２００２−３６８２０１号公報

しかし、上述した特許文献２に記載の技術の場合、画素信号の読み出しにおいて、信号成分が先に読み出され、リセット後ノイズ成分の読み出しが行われるので、信号成分とノイズ成分が相関しておらず、ノイズ除去が正確にされないという問題は依然として残る。

また、上述した特許文献３に記載の提案の場合、電荷保持領域と、フローティングディフュージョン領域と、これらの間の転送経路領域を介した電荷転送は、これらの領域のポテンシャルプロファイルのみを利用しているため、ゲート電圧を高くしなければならず、消費電力の面で好ましくなかった。また、このようなポテンシャルプロファイルを有するＣＭＯＳ−ＡＰＳタイプのセンサを製造することは容易ではない。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、消費電力を低くして、容易に製造でき、ＣＤＳ機能を実現しながら、一括電子シャッター機能も実現でき、さらに、電荷の転送能力の高い固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、入射した光によって光電変換素子が発生した電荷を蓄積する蓄積ウェルと、基板に形成され、前記電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送するための転送手段と、前記フローティングディフュージョン領域に転送された前記電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素を、複数配列して構成される固体撮像装置であって、前記転送手段は、前記基板の表面に第１の絶縁膜を介して設けられた第１の転送ゲートと、前記基板内であって前記第１の転送ゲートの下に前記電荷を保持する電荷保持領域とを有する転送制御素子と、前記基板の表面に第２の絶縁膜を介して設けられ、前記電荷保持領域から前記フローティングディフュージョン領域へ前記電荷を転送するときに、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域の間のポテンシャルを、前記電荷保持領域のポテンシャルと前記フローティングディフュージョン領域のポテンシャルの間のポテンシャルにする第２の転送ゲートとを有する。
このような構成によれば、消費電力を低くして、容易に製造でき、ＣＤＳ機能を実現しながら、一括電子シャッター機能も実現でき、さらに、電荷の転送能力の高い固体撮像装置を実現することができる。

また、本発明の固体撮像装置において、前記基板と前記第１の絶縁膜との間に前記電荷保持領域を構成する第１の不純物拡散層とは反対の導電型の第２の不純物拡散層が設けられ、前記電荷保持領域は、前記第２の不純物拡散層の下に埋め込まれていることが望ましい。
このような構成によれば、暗電流の発生を抑えることができる。

また、本発明の固体撮像装置において、前記増幅手段は、前記フローティングディフュージョン領域に保持された前記電荷によって変調増幅素子の閾値電圧が制御され、前記電荷に応じた前記画素信号を出力する変調トランジスタを含むことが望ましい。
このような構成によれば、基板変調型センサにおいて、消費電力を低くして、容易に製造でき、ＣＤＳ機能を実現しながら、一括電子シャッター機能も実現でき、さらに、電荷の転送能力の高い固体撮像装置を実現することができる。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射した光に応じて光電変換素子が発生した電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記電荷を保持する電荷保持領域を有する転送手段と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、前記全画素について同時に、前記転送手段によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積手順と、前記全画素について同時に、前記転送手段の第１の転送ゲートによって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記電荷を前記電荷保持領域に転送させる第１の転送手順と、前記転送手段によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分変調手順と、前記転送手段の前記第１の転送ゲートと、前記第１の転送ゲートと前記フローティングディフュージョン領域の間に設けられた第２の転送ゲートとによって前記転送経路の電位障壁を制御し、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域の間のポテンシャルを、前記電荷保持領域のポテンシャルと前記フローティングディフュージョン領域のポテンシャルの間のポテンシャルになるようにして、前記電荷保持領域に蓄積された前記電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第２の転送手順と、前記転送手段によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記電荷を前記フローティングディフュージョン領域に保持させた状態で前記電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順と、を含む。
このような構成によれば、消費電力を低くして、容易に製造でき、ＣＤＳ機能を実現しながら、一括電子シャッター機能も実現でき、さらに、電荷の転送能力の高い固体撮像装置の駆動方法を実現することができる。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法において、前記信号成分変調手順後に、前記フローティングディフュージョン領域内の前記電荷を排出するためのリセット手順を有することが望ましい。
このような構成によれば、非選択ラインのキャリアポケット７に残存する電荷による影響を排除することができる。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法において、前記蓄積手順と、前記第１の転送手順との間に、前記電荷保持領域内の前記電荷を排出するためのリセット手順を有することが望ましい。
このような構成によれば、電荷保持領域を完全空乏化状態にし、蓄積ウェルからの電荷のみを蓄積して、転送することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態に係わる固体撮像装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示せず。

図１に示すように、本実施の形態の固体撮像装置は、複数のセンサセルが基板平面上に２次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイである。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで１画面の画素信号が得られる。図１において、点線で示した範囲が、単位画素である１つのセンサセルＣである。各センサセルは、フォトダイオード形成領域ＰＤを有する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、基板変調型センサである。図１では、その中で４つのセンサセルが示されている。４つのセンサセルが、それぞれフォトダイオード形成領域ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄ（以下、個々のフォトダイオード形成領域をＰＤという）を有している。各センサセルの構造は同じであるので、以下の説明では、フォトダイオード形成領域ＰＤａの部分について説明する。なお、本実施の形態は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。

図２に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤに対応して変調トランジスタ形成領域ＴＭが設けられている。フォトダイオード形成領域ＰＤから変調トランジスタ形成領域ＴＭへ電荷を転送するための転送トランジスタ形成領域ＴＴが、フォトダイオード形成領域ＰＤと変調トランジスタ形成領域ＴＭ間に設けられている。

本実施の形態では、転送トランジスタＴｒを構成する転送トランジスタ形成領域ＴＴは、電荷を一時保持するための電荷保持領域としてのキャリアポケット領域ＴＣＰを有し、さらに、転送能力を高くするための転送領域ＴＣを有する。この転送トランジスタ形成領域ＴＴに形成されるトランジスタ等が転送手段を構成する。本実施の形態では、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤに蓄積された電荷（光発生電荷）を、各センサセルのキャリアポケット領域ＴＣＰに転送して一旦保持し、選択ライン毎にキャリアポケット領域ＴＣＰから変調トランジスタ形成領域ＴＭへ転送する。

図１と図２を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する。図１に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤは、略矩形をしている。フォトダイオード形成領域ＰＤは、２次元マトリックスの縦方向に沿って設けられたソース線Ｓ及びドレイン線Ｄと、横方向に沿って設けられた２本の転送ゲート線ＴＸ１，ＴＸ２及びゲート線Ｇとの間に、より具体的には、ソース線Ｓ及びドレイン線Ｄと転送ゲート線ＴＸ１とＴＸ２とによって囲まれた領域に形成されている。転送ゲート線ＴＸ１とゲート線Ｇは、横方向に直線状に設けられるが、転送ゲート線ＴＸ２は、略リング状のゲート５（後述する）の部分では、ゲート５の形状に沿って曲がって形成されている。

図２に示すように、センサセルは、Ｐ型基板１ａ上に形成される。フォトダイオード形成領域ＰＤのＰ型基板１ａ上には、基板の深い位置にＮ^-のＮ型ウェル２が形成されている。一方、変調トランジスタＴＭ形成領域のＰ型基板１ａ上には、基板の比較的浅い位置にＮ^-のＮ型ウェル３が形成されている。なお、図２及びその説明中、Ｎ，Ｐの添え字の−，＋はその数によって不純物濃度のより薄い部分（添え字−−）からより濃い部分（添え字＋＋）の状態を示している。

フォトダイオード形成領域ＰＤのＮ型ウェル２上には、略フォトダイオード形成領域ＰＤの略全面に渡ってＰ層が形成され、そのＰ層は蓄積ウェル４として機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤの基板表面側には略全面に渡って、ピニング層として機能するＮ⁺拡散層８が形成されている。フォトダイオード形成領域ＰＤにおいては、基板１の表面に開口領域が形成され、その開口領域よりも広い領域のＰ型のウェルである蓄積ウェル４が形成されている。

光電変換素子の機能を有するフォトダイオード形成領域ＰＤの下方の基板１上に形成されたＮ型ウェル２とＰ型の蓄積ウェル４との境界領域には空乏領域が形成され、この空乏領域において、フォトダイオード形成領域の光を受ける開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。その発生した光発生電荷は蓄積ウェル４に蓄積される。

変調トランジスタ形成領域ＴＭに形成される増幅手段としての変調トランジスタＴｍとしては、例えば、ＮチャネルディプレッションＭＯＳトランジスタが用いられる。変調トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル３上には、基板１の表面にゲート絶縁膜１０を介して略リング状（図１では８角形）のゲート（以下、リングゲート又は単にゲートともいう）５が形成されている。リングゲート５下の基板１の表面にはチャネルを構成するＮ⁺拡散層１１が形成される。リングゲート５の開口部分の中央の基板表面にはＮ⁺⁺拡散層が形成されてソース領域（以下、単にソースともいう）１２が形成されている。変調トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル３上には、変調トランジスタを構成するリングゲート５の略外周形状に合わせてＰ層が形成され、そのＰ層が変調用ウェル６として機能する。この変調用ウェル６内には、リングゲート５のリング形状に沿って形成されたリング状の、Ｐ⁺拡散によるフローティングディフュージョン領域であるＰ型の高濃度領域のキャリアポケット７が形成されている
また、リングゲート５の周囲の基板表面にはＮ⁺拡散層が形成されてドレイン領域（以下、単にドレインともいう）１３を構成する。チャネルを構成するＮ⁺拡散層１１はソース領域１２とドレイン領域１３とに接続される。

変調用ウェル６は変調トランジスタＴｍのチャネルの閾値電圧を制御するものである。変調トランジスタＴｍは、変調用ウェル６、リングゲート５、ソース領域１２及びドレイン領域１３によって構成されて、キャリアポケット７に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。

また、図１に示すように、リングゲート５の所定位置には、基板１表面近傍にＮ⁺層のゲートコンタクト領域５ａが形成される。ソース領域１２の所定位置には、基板１表面近傍にＮ⁺層のソースコンタクト領域１２ａが形成される。ドレイン領域１３の所定位置には、基板１表面近傍にＮ⁺層のドレインコンタクト領域１３ａが形成される。

蓄積ウェル４に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域ＴＴを介して変調用ウェル６に転送されてキャリアポケット７に保持される。変調トランジスタとして機能する変調トランジスタ形成領域ＴＭのソース電位は、変調用ウェル６に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域ＰＤへの入射光に応じたものとなる。

蓄積ウェル４近傍の基板１表面には、高濃度Ｐ⁺⁺型拡散層によってオーバーフロー電荷を含む不要電荷排出用の拡散領域（以下、ＯＦＤ領域という）１４が形成されている。蓄積ウェルの不要な過剰電荷を排出する排出手段としてのＯＦＤ領域１４は、蓄積ウェル４に蓄積されずに該蓄積ウェル４からオーバーフローし、かつ、画素信号に寄与しない不要な電荷（以下、不要電荷という）を、基板へ排出するための領域である。

転送トランジスタ形成領域ＴＴについて説明する。転送トランジスタＴｒを構成する転送トランジスタ形成領域ＴＴは、図２に示すように、転送蓄積領域ＴＡと転送領域ＴＣを有する。転送蓄積領域ＴＡは、電荷を一時保持するためのキャリアポケット領域ＴＣＰを基板内に含む。

具体的には、１つのセンサセル内のフォトダイオード形成領域ＰＤと変調トランジスタ形成領域ＴＭとの間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域ＴＴが形成される。転送トランジスタ領域ＴＴの転送蓄積領域ＴＡは、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁膜２１を介して転送ゲート２２Ａを有する。この転送トランジスタ領域ＴＴのチャネル、すなわち転送経路は、転送ゲート２２Ａへの印加電圧によって制御される。

転送ゲート２２Ａの下には、キャリアポケット領域ＴＣＰが設けられる。キャリアポケット領域ＴＣＰは、変調トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル３上に、Ｐ層が形成され、そのＰ層は、転送用蓄積ウェルとして機能する。この転送用蓄積ウェルは、Ｐ⁺拡散による転送用キャリアポケット２４である。基板表面に対して直交する方向から見たときに、図１の転送ゲート２２Ａの内側に、キャリアポケット２４（図１では図示せず）が形成されている。

また、転送ゲート２２Ａは、基板の表面側において形成され、基板を、基板の表面に対して直交する方向からみたときに一部が蓄積ウェル４の上を覆うように、表面にゲート絶縁膜２１を介して設けられている。

また、転送ゲート２２Ａのゲート絶縁層２１に接する基板表面には、キャリアポケット２４とは反対の導電型である、Ｎ型の不純物拡散層から構成される埋込層２５が形成されている。埋込層２５は、ゲート絶縁層２１の下に形成されている。埋込層２５は、基板１を、基板１の表面に対して直交する方向からみたときに、転送ゲート２２Ａの一部と重なるように形成されている。Ｐ型のキャリアポケット２４の上面の全領域が、埋込層２５によって覆われて、キャリアポケット２４がゲート絶縁層２１に接していない。この埋込層２５は、いわゆるピニング層としての機能を有し、暗電流の発生を抑制する。この転送ゲート２２Ａ及びキャリアポケット２４を含む転送蓄積領域ＴＡが、蓄積ウェル４からの電荷を一旦蓄積した後に、変調用ウェル６に転送する制御を行う転送制御素子を構成する。

さらに、転送蓄積領域ＴＡと変調トランジスタ形成領域ＴＭの間に転送ゲート２２Ｂが、設けられている。
転送ゲート２２Ｂは、基板１の表面側において形成され、基板１を、基板１の表面に対して直交する方向からみたときに、転送ゲート２２Ａ側の辺は、転送ゲート２２Ａの形状に沿った形状を有し、リングゲート５側の辺は、リングゲート５の形状に沿った形状を有している。この転送ゲート２２Ｂにより、転送ゲート２２Ａ下のキャリアポケット２４と変調トランジスタ下のキャリアポケット７間にできる転送経路２６の電位障壁を、キャリアの転送時に下げるように制御できるようになる。

図１に示すように、転送トランジスタ領域ＴＴの転送ゲート２２Ａは、矩形のフォトダイオード形成領域ＰＤの一辺に沿った略矩形形状を有する。なお、本実施の形態では、図１に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤの１つの角の近傍にリングゲート５が設けられており、さらに転送ゲート２２Ｂも設けられているので、転送トランジスタ領域ＴＴの転送ゲート２２Ａの、リングゲート５側の部分は、一部がリングゲート５の形状に沿って切り取られた形状となっている。

さらに、図１に示すように、転送ゲート２２Ａの所定位置には、基板１表面近傍にＮ⁺層のゲートコンタクト領域２２Ａａが形成される。同様に、転送ゲート２２Ｂの所定位置には、基板１表面近傍にＮ⁺層のゲートコンタクト領域２２Ｂａが形成される。
なお、基板表面には図示しない層間絶縁膜を介して、上述した転送ゲート線ＴＸ１、ＴＸ２、ソース線Ｓ等の配線層が形成される。ゲートコンタクト領域２２Ａａ、２２Ｂａ、ソースコンタクト領域１２ａ等は、層間絶縁膜に開孔したコンタクトホールによって配線層の各配線に電気的に接続される。各配線は例えばアルミニウム等の金属材料で構成される。
以上説明した転送トランジスタ領域ＴＴの転送ゲート２２Ａ、転送ゲート２２Ｂ及びキャリアポケット２４は、転送手段を構成する。

図３は、固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。図３は、上から、蓄積モード（Ｍ１）、一括転送モード（Ｍ２）、保持・ノイズ出力モード（Ｍ３）、転送モード（Ｍ４）、及び信号出力モード（Ｍ５）におけるポテンシャルを示す。なお、図３においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を正孔のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。

図３は、横軸に図２と同様に、図１のＡ−Ａ'線に沿った位置をとり、縦軸にホールを基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図３の左側から右側に向かって、リングゲート５の一端側、ソース領域１２、リングゲート５の他端側、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａ、転送ゲート２２Ｂ、蓄積ウェル４、及びＯＦＤ領域１４の位置の基板内のポテンシャルを示している。

蓄積モード（Ｍ１）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａには、蓄積ウェル４とキャリアポケット２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。転送ゲート２２Ｂにも、変調用ウェル６とキャリアポケット２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。蓄積ウェル４とＯＦＤ領域１４間のポテンシャルは、転送ゲート２２Ａの領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル４から溢れた電荷がＯＦＤ領域１４へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介してキャリアポケット２４には流さないようにしながら蓄積ウェル４に蓄積させる手順が行われる。

一括転送モード（Ｍ２）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａには、蓄積ウェル４とキャリアポケット２４との間に、電位障壁が形成されないように低い、所定の第１の電圧が印加される。転送ゲート２２Ｂには、変調用ウェル６とキャリアポケット２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。このとき、キャリアポケット２４のポテンシャルは蓄積ウェル４よりも低いので、蓄積ウェル４に蓄積された電荷は、キャリアポケット２４へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル４に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット２４に転送させる手順が行われる。

保持・ノイズ出力モード（Ｍ３）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａには、蓄積ウェル４とキャリアポケット２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。転送ゲート２２Ｂには、変調用ウェル６とキャリアポケット２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、キャリアポケット２４へ流れ込んだ電荷は、キャリアポケット２４に保持される。さらに、この状態で、後述するように、リセットとノイズ成分の読み出しが行われる。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａと、転送ゲート２２Ｂのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をキャリアポケット７に流さない状態でキャリアポケット７の雑音成分を読み出す手順が行われる。

ライン毎に行われる転送モード（Ｍ４）のときは、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａには、キャリアポケット２４と変調用ウェル６との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の第２の電圧が印加される。また、転送ゲート２２Ｂには、キャリアポケット２４と変調用ウェル６との間に、電位障壁が形成されないように所定の電圧が印加される。さらに、転送ゲート２２Ｂによって形成されるポテンシャルは、転送ゲート２２Ａによって形成されたポテンシャルよりも低く、かつ変調用ウェル６のポテンシャルよりも高くなるように、所定の電圧が転送ゲート２２Ｂに印加される。すなわち、転送ゲート２２Ｂは、キャリアポケット２４からキャリアポケット７へ電荷を転送するときに、キャリアポケット２４とキャリアポケット７の間のポテンシャルを、キャリアポケット２４のポテンシャルとキャリアポケット７のポテンシャルの間のポテンシャルにする。

このとき、転送ゲート２２Ｂによって形成されるポテンシャルはキャリアポケット２４よりも低く、さらに変調用ウェル６のポテンシャルは転送ゲート２２Ｂによって形成されるポテンシャルよりも低いので、キャリアポケット２４に蓄積された電荷は、変調用ウェル６へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａと、転送ゲート２２Ｂに印加される電圧を所定の電圧にすることによって転送経路の電位障壁を制御して、キャリアポケット２４に蓄積された光発生電荷のほとんど全部をキャリアポケット７に転送させる手順が行われる。

上述したように、転送ゲート２２Ａのゲート絶縁層２１と転送用キャリアポケット２４との間に設けられた埋込層２５によって、暗電流の発生を抑制する。しかし、埋込層２５があるために、ドレイン領域の電圧によってピニングされて、転送ゲート２２Ａに所定の電圧を印加しても、転送ゲート２２Ａの下のポテンシャルが充分に上昇せず、光発生電荷が全て転送できないことが生じ得る。そこで、本実施の形態では、上述したように、転送ゲート２２Ｂを設けて上述したような所定の電圧を印加することによって、キャリアポケット２４に蓄積された光発生電荷を全て転送することができるようにしている。

信号出力モード（Ｍ５）のときは、転送ゲート２２Ａには、キャリアポケット２４と蓄積ウェル４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。転送ゲート２２Ｂにも、変調用ウェル６とキャリアポケット２４との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、変調用ウェル６へ流れ込んだ電荷は、変調用ウェル６に保持される。さらに、この状態で、後述するように、信号成分の読み出しが行われる。すなわち、信号成分変調手順として、転送トランジスタＴｒのゲート電圧とドレイン電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷を変調用ウェル６に保持させた状態でキャリアポケット７から光発生電荷に応じた画素信号を出力させる手順が行われる。

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、ＣＤＳ機能と一括電子シャッター機能が実現される駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。

図４は、本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図４に示すように、１フレーム期間Ｆは、リセット期間（Ｒ１）、蓄積期間（Ａ）、一括転送期間（Ｔ）及び画素信号読み出し期間（Ｓ）の４つの期間を含む。

リセット期間（Ｒ１）は、１フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセット期間（Ｒ１）において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル４、キャリアポケット２４及び変調用ウェル６から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各センサセルの蓄積ウェル４に対する電荷の蓄積が開始される。

リセット期間（Ｒ１）に続く蓄積期間（Ａ）は、各センサセルが蓄積モード（Ｍ１）となり、光を受けてフォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した光発生電荷を蓄積ウェル４に蓄積するための期間である。

蓄積期間（Ａ）に続く一括転送期間（Ｔ）は、各センサセルが一括転送モード（Ｍ２）となり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤに蓄積された電荷を、各センサセルのキャリアポケット領域ＴＣＰに転送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間（Ｔ）における一括転送動作は、上述した転送トランジスタＴｒの転送ゲート２２Ａに所定の第１の電圧を同時に印加することによって行われる。

一括転送モード（Ｍ２）の後には、キャリアポケット領域ＴＣＰに電荷を保持する状態、すなわち上述した保持・ノイズ出力モード（Ｍ３）となる。

図４に示すように、一括転送期間（Ｔ）後の画素信号読み出し期間（Ｓ）は、キャリアポケット領域ＴＣＰに保持された電荷を、選択ライン毎に変調トランジスタ形成領域ＴＭへ転送する水平ブランキング期間（Ｈ）を有する。すなわち、図４に示すように、画素信号読み出し期間（Ｓ）においては、第１行目Ｌ１から最終行目Ｌｎまでのｎラインについて、水平ブランキング期間（Ｈ）が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキング期間（Ｈ）は、図５に示すように、リセット期間（Ｒ２）とノイズ成分・信号成分読み出し期間（ＳＳ）を含む。

図５は、一括転送期間（Ｔ）と水平ブランキング期間（Ｈ）を説明するためのタイミングチャートである。水平ブランキング期間（Ｈ）は、選択ライン毎に発生する。図５は、一括転送期間（Ｔ）と水平ブランキング期間（Ｈ）における、転送ゲート線ＴＸ１に接続された転送ゲート２２Ａ及び転送ゲート線ＴＸ２に接続された転送ゲート２２Ｂと、変調トランジスタＴｍのゲート（Ｇ）５、ソース（Ｓ）１２及びドレイン（Ｄ）１３に印加される電圧波形を示す。

一括転送期間（Ｔ）においては、転送ゲート２２Ａは、３．３Ｖから０Ｖになり、ゲート５は１．０Ｖで、ドレイン１３は１．０Ｖから３．３Ｖになり、ソース１２は１．０Ｖである。

リセット期間（Ｒ２）においては、転送ゲート２２Ａと２２Ｂは、ハイインピーダンスで、ゲート５は１．０Ｖから８．０Ｖになり、ドレイン１３は３．３Ｖから６．０Ｖになり、ソース１２は１．０Ｖから６．０Ｖになる。リセット期間（Ｒ２）におけるリセット動作によって、キャリアポケット７内の電荷が排出される。

ノイズ成分・信号成分読み出し期間（ＳＳ）においては、まず、ノイズ成分を読み出すために、転送ゲート２２Ａと２２Ｂは３．３Ｖで、ゲート５は１．０Ｖから２．８Ｖになり、ドレイン１３は３．３Ｖで、ソース線Ｓにはノイズ成分の電圧が出力される（Ｍ３）。その後、転送ゲート２２Ａは３．３Ｖから５．０Ｖになり、転送ゲート２２Ｂは３．３Ｖから０Ｖになり、ゲート５は１．０Ｖで、ソース１２は１．０Ｖである。これにより、キャリアポケット２４からキャリアポケット７への電荷転送が行われる（Ｍ４）。

次に、信号成分を読み出すために、転送ゲート２２Ａと２２Ｂは３．３Ｖで、ゲート５は１．０Ｖから２．８Ｖになり、ドレイン１３は３．３Ｖで、ソース線Ｓには信号成分の電圧が出力される。これにより、キャリアポケット７の電荷量から信号成分が読み出される（Ｍ５）。

その後は、転送ゲート２２Ａと２２Ｂは３．３Ｖに、ゲート５は１．０Ｖに、ドレイン１３は３．３Ｖになり、ソース１２は１．０Ｖになる。

以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、消費電力を低くして、容易に製造でき、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能の両方が実現できる。
従って、結果として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。

さらに、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、第１の転送ゲートのゲート絶縁層と転送用キャリアポケットを有する転送用蓄積ウェルとの間に設けられた埋込層によって、暗電流の発生を抑制しつつ、第２の転送ゲートの電圧を制御することによって転送用キャリアポケットから変調用ウェルのキャリアポケットへ転送されるキャリアを確実に転送することができる。従って、本実施の形態に係る固体撮像装置におけるキャリアの転送能力は、暗電流を抑えながら、転送能力を落ちないようにすることができる。
なお、非選択ラインの出力を抑えるために、水平ブランキング期間（Ｈ）の最後に、リセット動作を行うようにしてもよい。たとえば、図５において、点線で示すタイミングＲＸにおいてリセット信号を与えることによって、非選択ラインのキャリアポケット７に残存する光発生電荷による影響を排除することができる。

さらに、図６と図７に示すように、第２の転送ゲートを、２層構造で形成するようにしてもよい。図６は、第１の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の平面図である。図７は、第１の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の部分断面図である。第２の転送ゲートである転送ゲート１２２Ｂは、図６に示すように、基板１を基板表面に直交する方向からみたときに、一部が転送ゲート２２Ａに上から重なり、かつ他の一部がリングゲート５の一部に上から重なるように形成される。
このように転送ゲート２２Ｂを形成することによって、高密度に固体撮像装置を形成することができる。

さらに、図８及び図９に示すように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加するようにしてもよい。図８は、第１の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図９は、第１の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の一括転送期間（Ｔ）と水平ブランキング期間（Ｈ）を含むタイミングチャートである。図８に示すように、蓄積期間（Ａ）と一括転送期間（Ｔ）の間に、リセット期間（Ｒ２２）が設けられる。図９は、その詳細を示し、リセット期間（Ｒ２２）では、転送ゲート線ＴＸ１に接続された転送ゲート２２Ａ及び転送ゲート線ＴＸ２に接続された転送ゲート２２Ｂと、変調トランジスタＴｍのゲート（Ｇ）５、ソース（Ｓ）１２及びドレイン（Ｄ）１３に印加される電圧波形が示されている。

このように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加することによって、キャリアポケット２４を完全空乏化状態する。その結果、蓄積ウェル４からの光発生電荷のみを蓄積して、転送することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を詳細に説明する。図１０は本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図である。図１１は図１０のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示せず。

本実施の形態の固体撮像装置は、図１０に示すように、複数のセンサセルが基板平面上に２次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイを有している。図１０において破線で示した範囲が、単位画素である１つのセンサセルＣである。本実施の形態に係る固体撮像装置は、ＣＭＯＳ−ＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型センサである。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで１画面の画素信号が得られる。

本実施の形態に係る固体撮像装置は、ＣＤＳ機能と一括電子シャッター機能の双方を達成するものである。図１０は４つのセンサセルのみを示している。４つのセンサセルが、それぞれフォトダイオード形成領域ＰＤ１を有している。各センサセルの構造は相互に同一である。なお、本実施の形態は光発生電荷として電子を用いる例を示している。光発生電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。

図１１に示すように、固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域ＰＤ１、転送トランジスタ形成領域ＴＴ１、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１、増幅トランジスタＴＡｍ１形成領域及び選択トランジスタＴＳ１形成領域を有する。

リセットトランジスタＲＳＴを形成するリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１には、フローティングディフュージョン５８が形成されている。転送トランジスタ形成領域ＴＴ１内には電荷保持領域ＴＣＰ１が形成されている。電荷保持領域ＴＣＰ１には、転送された光発生電荷を一時保持するための電荷保持領域である不純物層５６が形成されている。

本実施の形態では、転送トランジスタＴｒ１を構成する転送トランジスタ形成領域ＴＴ１は、電荷を一時保持するための電荷保持領域としてのキャリアポケット領域ＴＣＰ１を有し、さらに、転送能力を高くするための転送領域ＴＣ１を有する。この転送トランジスタ形成領域ＴＴ１に形成されるトランジスタ等が転送手段を構成する。本実施の形態において、全画素一括して（すなわち全センサセルについて同時に）、各フォトダイオード形成領域ＰＤ１に蓄積された光発生電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰ１に転送して不純物層５６に一旦保持し、その後、選択ライン毎に電荷保持領域ＴＣＰ１からリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１内のフローティングディフュージョン５８に転送する。この転送トランジスタ形成領域ＴＴ１に形成されるトランジスタ等が転送手段を構成する。

図１０と図１１を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する。なお、図１１及びその説明中、Ｎ，Ｐの添え字の−，＋はその数によって不純物濃度のより薄い部分（添え字−−）からより濃い部分（添え字＋＋）の状態を示している。

図１１に示すように、センサセルは、Ｎ型半導体領域５１上に形成されたＰ型半導体領域５２ａ上に形成される。本実施の形態では、半導体基板内にＰ型不純物領域を設けているが、これに限らず、Ｐ型半導体領域はＰ型半導体基板であってもよい。フォトダイオード形成領域ＰＤ１には、Ｐ型半導体領域５２ａ上にＮ型不純物層５２が形成されている。Ｐ型半導体領域５２ａとＮ型不純物層５２とによりフォトダイオードが形成される。光電変換素子は、Ｐ型半導体領域５２ａとＮ型不純物層５２とを含む。光電変換素子を構成するＮ型不純物層５２は光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルとして機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤ１の基板表面側には、Ｐ型半導体領域５２ａに電気的に接続されたＰ型不純物層５３が形成されている。この不純物層５３は、ピニング層として機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤ１においては、基板表面に開口領域が形成され、蓄積ウェル５２はこの開口領域の下方に形成されている。なお、図１０に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤ１は、基板表面に略Ｌ字状に形成される。

一方、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１のＰ型半導体領域５２ａ上には、基板表面に一対のＮ型の不純物層が形成されている。これらの一対の不純物層のうちフォトダイオード形成領域ＰＤ１側の不純物層が不純物領域としてのフローティングディフュージョン５８を構成し、他方の不純物層６０は固定電位点、例えばＶＤＤに接続される。

リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１の基板表面には、ゲート絶縁膜（図示省略）を介してリセットゲート（単にゲートともいう）５９が形成されている。リセットゲート５９下の基板表面にはチャネルが形成されるようになっている。リセットゲート５９に端子を介して所定の電圧を印加することによって、チャネルを導通させ、フローティングディフュージョン５８内の電荷を、他方の不純物層６０を介して排出して、フローティングディフュージョン５８の電位を初期化することができるようになっている。

フォトダイオードの開口領域下方においては、不純物層５３と蓄積ウェル５２との境界面から空乏層が蓄積ウェル５２の全体及びその周囲に広がっている。空乏層の領域において、開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は蓄積ウェル５２に収集される。

蓄積ウェル５２に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域ＴＴ１を介してフローティングディフュージョン５８に転送されて保持される。フローティングディフュージョン５８は増幅トランジスタ形成領域ＴＡｍ１（後述）のゲートＴＡｇに接続されている。増幅手段である増幅トランジスタＡｍｐを構成する増幅トランジスタ形成領域ＴＡｍ１のドレインは電源端子に接続されており、増幅トランジスタ形成領域ＴＡｍ１の出力は、フローティングディフュージョン５８の電位、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域ＰＤ１への入射光に応じたものとなる。

転送トランジスタ形成領域ＴＴ１について説明する。転送トランジスタＴｒ１を構成する転送トランジスタ形成領域ＴＴ１は、図１１に示すように、光発生電荷を一時保持するための電荷保持領域ＴＣＰ１を、Ｐ型半導体領域５２ａ内に有する。

具体的には、１つのセンサセル内のフォトダイオード形成領域ＰＤ１とリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１との間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域ＴＴ１が形成される。転送トランジスタ領域ＴＴ１は、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁層５５を介して転送ゲート５４Ａを有する。転送ゲート５４Ａの下方には、電荷保持領域ＴＣＰ１が設けられる。電荷保持領域ＴＣＰ１において、基板表面近傍に不純物層５６が形成されている。Ｎ型の不純物層５６は、転送ゲート５４Ａと容量結合している。転送ゲート５４Ａには端子を介して転送パルスが供給される。

転送トランジスタ領域ＴＴ１は、電荷転送領域ＴＣＰ１を含む転送蓄積領域ＴＡ１に加えて、さらに、転送制御領域ＴＣ１を含む。転送制御領域ＴＣ１は、転送蓄積領域ＴＡ１とリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１の間に設けられている。この転送ゲート５４Ａ及び不純物層５６を含む転送蓄積領域ＴＡ１が、蓄積ウェル５２からの電荷を一端蓄積した後に、フローティングディフュージョン５８に転送する制御を行う転送制御素子を構成する。

転送制御領域ＴＣ１には、転送ゲート５４Ｂが設けられている。転送ゲート５４Ｂは、図６に示すように、矩形の転送ゲート５４Ａの一辺と矩形のリセットゲート５９の間に、基板の表面側において矩形形状に形成されている。この転送ゲート５４Ｂにより、転送ゲート５４Ａ下の不純物層５６とリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１のフローティングディフュージョン５８間にできる転送経路の電位障壁を、キャリアの転送時に下げるように制御できるようになる。

以上説明した転送トランジスタ領域ＴＴ１の転送ゲート５４Ａ、転送ゲート５４Ｂ及び不純物層５６は、転送手段を構成する。

図１０に示すように、転送トランジスタ領域ＴＴ１の転送ゲート５４Ａは、略Ｌ字状のフォトダイオード形成領域ＰＤ１の一辺の端部に隣り合って略矩形形状に形成される。
本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤ１に隣り合って、フォトダイオード形成領域ＰＤからオーバーフローした電荷（余剰電荷）を排出するためのオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１が形成されている。オーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１には、基板表面に不純物領域としてのＮ型の不純物層６２が形成され、不純物層６２はリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１の他方の不純物層６０と共に、所定の固定電位点に接続されている。

転送トランジスタ形成領域ＴＴ１における電位障壁を高く設定した期間においては、フォトダイオード形成領域ＰＤ１内の蓄積ウェル５２と不純物層６２との間の電位障壁は転送トランジスタ形成領域ＴＴ１における電位障壁よりも低くなっている。これにより、フォトダイオード形成領域ＰＤ１において発生した余剰電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１に排出するようになっている。

図１２は、固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。図１２は、上から、蓄積モード（Ｍ１）、一括転送モード（Ｍ２）、保持モード（Ｍ３）、リセットモード（Ｍ４）、ノイズ成分読み出しモード（Ｍ５）、転送モード（Ｍ６）、及び信号成分読み出しモード（Ｍ７）におけるポテンシャルを示す。なお、図１２においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を光発生電荷である電子のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。図示しないタイミング制御回路から、転送線等に所定のタイミング信号が供給されることによって、固体撮像装置は各モード状態となる。

図１２は、横軸に図１１と同様に、図１０のＢ−Ｂ’線に沿った位置をとり、縦軸に電子を基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。なお、図１２は、図１０のＢ−Ｂ’線の途中まで、具体的には、オーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１からリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１までのポテンシャル図である。図１２は、左側から右側に向かって、リセットゲート５９、転送ゲート５４Ｂ、転送ゲート５４Ａ、蓄積ウェル５２及びオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１の不純物層６２の位置の基板内のポテンシャルを示している。

蓄積モード（Ｍ１）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａには、蓄積ウェル５２と不純物層５６との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。オーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１への経路のポテンシャルは、転送ゲート５４Ａの領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル５２から溢れた電荷がオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１の不純物層６２へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介して電荷保持領域ＴＣＰ１の不純物層５６には流さないようにしながら蓄積ウェル５２に蓄積させる手順が行われる。

一括転送モード（Ｍ２）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａには、蓄積ウェル５２と不純物層５６との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、不純物層５６のポテンシャルは蓄積ウェル５２よりも低いので、蓄積ウェル５２に蓄積された電荷は、不純物層５６へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル５２に蓄積された光発生電荷を不純物層５６に転送させる手順が行われる。

保持モード（Ｍ３）のときは、図８に示すように、全画素について同時に、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル５２から、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介して電荷保持領域ＴＣＰ１の不純物層５６には流さないようにして、転送された光発生電荷が不純物層５６に保持される。
リセットモード（Ｍ４）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａには、蓄積ウェル５２と不純物層５６との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、不純物層５６とフローティングディフュージョン５８との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、不純物層５６へ流れ込んだ電荷は、不純物層５６に保持された状態となる。この状態で、リセットが行われる。フローティングディフュージョン５８には、暗電流等により、上述した蓄積、転送、保持モード（Ｍ１からＭ３）の間に不要電荷が溜まるおそれがあるため、リセットモード（Ｍ４）では、フローティングディフュージョン５８内の不要電荷の排除が行われる。

すなわち、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１のリセットゲート５９に所定の電圧が印加され、リセットトランジスタＲＳＴが導通し、フローティングディフュージョン５８に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。よって、フローティングディフュージョン５８内の光発生電荷の排出が行われて、フローティングディフュージョン５８内には、ノイズ成分以外は、電荷がないことになる。

ノイズ成分読み出しモード（Ｍ５）のときも、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａと転送ゲート５４Ｂには、蓄積ウェル５２と不純物層５６との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、不純物層５６とフローティングディフュージョン５８との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。この状態で、ノイズ成分の読み出しが行われる。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ｂのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をフローティングディフュージョン５８に流さない状態でフローティングディフュージョン５８のノイズ成分を読み出す手順が行われる。フローティングディフュージョン５８のノイズ成分を読み出す。これは、電荷が無い状態のフローティングディフュージョン５８に応じて、増幅トランジスタＡｍｐのゲート電位を変化するので、増幅トランジスタＡｍｐの出力電圧ＶＯは、フローティングディフュージョン５８の電位の無い状態に応じたもの、即ち、ノイズ成分に対応したものとなる。ノイズ成分の信号は、増幅トランジスタＡｍｐの出力は選択トランジスタ形成領域ＴＳ１の選択トランジスタＷＬを介して出力線に出力される。

転送モード（Ｍ６）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａには、不純物層５６とフローティングディフュージョン５８との間に、電位障壁が形成されないように、所定の電圧が印加される。このとき、不純物層５６よりもフローティングディフュージョン５８のポテンシャルは低いので、不純物層５６に蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン５８へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、不純物層５６に蓄積された光発生電荷をフローティングディフュージョン５８に転送させる手順が行われる。

このとき、さらに、転送ゲート５４Ｂには、不純物層５６とフローティングディフュージョン５８との間に、電位障壁が形成されないように所定の電圧が印加され、転送ゲート５４Ｂによって形成されるポテンシャルは、転送ゲート５４Ａによって形成されたポテンシャルよりも低く、かつフローティングディフュージョン５８のポテンシャルよりも高くなるように、所定の電圧が転送ゲート５４Ｂに印加される。すなわち、転送ゲート５４Ｂは、不純物層５６からフローティングディフュージョン５８へ電荷を転送するときに、不純物層５６とフローティングディフュージョン５８の間のポテンシャルを、不純物層５６のポテンシャルとフローティングディフュージョン５８のポテンシャルの間のポテンシャルにする。

すなわち、転送ゲート５４Ｂによって形成されるポテンシャルは不純物層５６よりも低く、さらにフローティングディフュージョン５８のポテンシャルは転送ゲート５４Ａによって形成されるポテンシャルよりも低いので、不純物層５６に蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン５８へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａと、転送ゲート５４Ｂに印加される電圧を所定の電圧にすることによって転送経路の電位障壁を制御して、不純物層５６に蓄積された光発生電荷をフローティングディフュージョン５８に転送させる手順が行われる。

信号成分読み出しモード（Ｍ７）のときは、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ｂには、不純物層５６とフローティングディフュージョン５８との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、フローティングディフュージョン５８へ流れ込んだ電荷は、フローティングディフュージョン５８に保持される。さらに、この状態で、信号成分の読み出しが行われる。すなわち、信号成分変調手順として、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａと転送ゲート５４Ｂのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をフローティングディフュージョン５８に保持させた状態で光発生電荷に応じた画素信号を出力させる手順が行われる。

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、ＣＤＳ機能と一括電子シャッター機能を実現させる駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。

図１３は本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図１３に示すように、１フレーム期間は、リセット期間Ｒ１１、蓄積期間Ａ１１、一括転送期間Ｔ１１、及び画素信号の読み出し期間Ｓ１１の４つの期間を含む。

リセット期間Ｒ１１は、１フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセット期間Ｒ１１において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル５２、一時蓄積拡散領域である不純物層５６及びフローティングディフュージョン５８から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各センサセルの蓄積ウェル５２に対する電荷の蓄積が開始される。

リセット期間Ｒ１１に続く蓄積期間Ａ１１は、各センサセルが蓄積モード（Ｍ１）となり、光を受けてフォトダイオード形成領域ＰＤ１において発生した光発生電荷を蓄積ウェル５２に蓄積するための期間である。

蓄積期間Ａ１１に続く一括転送期間Ｔ１１は、各センサセルが一括転送モード（Ｍ２）となり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤ１に蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰ１に転送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間ＴＣＰ１における一括転送動作は、上述した転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート５４Ａに所定の第１の電圧を同時に印加することによって行われる。

極めて強い光がフォトダイオード形成領域ＰＤ１に入射することによって、蓄積期間及び一括転送期間においてオーバーフロー電荷が発生することがある。フォトダイオード形成領域ＰＤ１からの余剰電荷は、ＯＦＤ経路を介してオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１に転送されて排出される。即ち、信号電荷（光発生電荷）が電荷保持領域ＴＣＰ１内に保持されると同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域ＯＦＤ１を介して排出される。

ここまでで、電荷保持領域ＴＣＰ１に電荷が保持された状態となるので、図１３に示すように、一括転送期間Ｔ１１後の画素信号読み出し期間Ｓ１１は、電荷保持領域ＴＣＰ１に保持された電荷を、選択ライン毎にリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ１のフローティングディフュージョン５８へ転送する水平ブランキング期間（Ｈ）を有する。すなわち、図１３に示すように、画素信号読み出し期間においては、第１行目Ｌ１から最終行目Ｌｎまでのｎラインについて、水平ブランキング期間が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキング期間は、図１４に示すように、リセット期間とノイズ成分・信号成分読み出し期間を含む。

図１４は水平ブランキング期間における、リセット、ノイズ成分読み出し、電荷転送、及び信号成分読み出しのタイミングを示すタイミングチャートである。
まず、一括転送期間Ｔ１１後のリセット期間Ｒ３１において、フローティングディフュージョン５８内の電荷が排出されて、フローティングディフュージョン５８の電位は初期値となっている。リセット期間Ｒ３１に続いて、ノイズ及び信号成分読み出し期間Ｓ２１が設けられている。
ノイズ成分読み出しのタイミングにおいて、まず、ノイズ成分が読み出される。続いて、電荷転送のタイミングにおいて、不純物層５６からフローティングディフュージョン５８に電荷が転送される。次に、信号成分読み出しタイミングにおいて、信号成分が読み出される。

以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、消費電力を低くして、容易に製造でき、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能の両方が実現できる。
従って、結果として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。

さらに、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、転送ゲートの電圧を制御することによって不純物層からフローティングディフュージョンへ転送されるキャリアを確実に転送することができる。従って、本実施の形態に係る固体撮像装置は、転送能力を落ちないようにすることができる。
なお、非選択ラインの出力を抑えるために、水平ブランキング期間（Ｈ）の最後に、リセット動作を行うようにしてもよい。たとえば、図１４において、点線で示すタイミングＲＸにおいてリセット信号を与えることによって、非選択ラインのフローティングディフュージョン５８に残存する光発生電荷による影響を排除することができる。

さらに、図１５と図１６に示すように、第２の転送ゲートを、２層構造で形成するようにしてもよい。図１５は、第２の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の平面図である。図１６は、第２の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の部分断面図である。第２の転送ゲートである転送ゲート１５４Ｂは、図１６に示すように、基板５１を基板表面に直交する方向からみたときに、一部が転送ゲート５４Ａに上から重なるように形成される。
このように転送ゲート１５４Ｂを形成することによって、高密度に固体撮像装置を形成することができる。

さらに、図１７及び図１８に示すように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加するようにしてもよい。図１７は、第２の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図１８は、第２の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の一括転送期間（Ｔ１１）と水平ブランキング期間（Ｈ）を含むタイミングチャートである。図１７に示すように、蓄積期間（Ａ１１）と一括転送期間（Ｔ１１）の間に、リセット期間（Ｒ３２）が設けられる。図１８は、その詳細を示し、リセット期間（Ｒ３２）では、転送ゲート線ＴＸ１に接続された転送ゲート５４Ａ及び転送ゲート線ＴＸ２に接続された転送ゲート５４Ｂと、リセットトランジスタＲＳＴと増幅トランジスタＡｍｐの電圧波形が示されている。

このように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加することによって、不純物層５６を完全空乏化状態する。その結果、蓄積ウェル５２からの光発生電荷のみを蓄積して、転送することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係わる固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図。 図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図。 第１の実施の形態に係わる固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャル図。 第１の実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。 水平ブランキング期間を説明するためのタイミングチャート。 第１の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の平面図。 第１の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の部分断面図。 第１の実施の形態の変形例に係わる駆動シーケンスのタイミングチャート。 第１の実施の形態の変形例に係わる水平ブランキング期間のタイミングチャート。 本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図。 図１０のＢ−Ｂ'線に沿った断面図。 第２の実施の形態に係わる固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャル図。 第２の実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。 水平ブランキング期間を説明するためのタイミングチャート。 第２の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の平面図。 第２の実施の形態の変形例に係わるに係わる固体撮像装置の部分断面図。 第２の実施の形態の変形例に係わる駆動シーケンスのタイミングチャート。 第２の実施の形態の変形例の水平ブランキング期間のタイミングチャート。

符号の説明

１ 基板、１ａ Ｐ型基板、２ Ｎ型ウェル、４ 蓄積ウェル、５ リングゲート、６ 変調用ウェル、７ キャリアポケット、２２Ａ，２２Ｂ、５４Ａ、５４Ｂ 転送ゲート、２４ 転送用キャリアポケット、５６ 不純物層、５８ フローティングディフュージョン領域、

Claims (6)

1. 入射した光によって光電変換素子が発生した電荷を蓄積する蓄積ウェルと、
   基板に形成され、前記電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送するための転送手段と、
   前記フローティングディフュージョン領域に転送された前記電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素を、複数配列して構成される固体撮像装置であって、
   前記転送手段は、
   前記基板の表面に第１の絶縁膜を介して設けられた第１の転送ゲートと、前記基板内であって前記第１の転送ゲートの下に前記電荷を保持する電荷保持領域とを有する転送制御素子と、
   前記基板の表面に第２の絶縁膜を介して設けられ、前記電荷保持領域から前記フローティングディフュージョン領域へ前記電荷を転送するときに、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域の間のポテンシャルを、前記電荷保持領域のポテンシャルと前記フローティングディフュージョン領域のポテンシャルの間のポテンシャルにする第２の転送ゲートとを有することを特徴とする固体撮像装置。
2. さらに、前記基板と前記第１の絶縁膜との間に前記電荷保持領域を構成する第１の不純物拡散層とは反対の導電型の第２の不純物拡散層が設けられ、前記電荷保持領域は、前記第２の不純物拡散層の下に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記増幅手段は、前記フローティングディフュージョン領域に保持された前記電荷によって変調増幅素子の閾値電圧が制御され、前記電荷に応じた前記画素信号を出力する変調トランジスタを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 入射した光に応じて光電変換素子が発生した電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記電荷を保持する電荷保持領域を有する転送手段と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記全画素について同時に、前記転送手段によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積手順と、
   前記全画素について同時に、前記転送手段の第１の転送ゲートによって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記電荷を前記電荷保持領域に転送させる第１の転送手順と、
   前記転送手段によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分変調手順と、
   前記転送手段の前記第１の転送ゲートと、前記第１の転送ゲートと前記フローティングディフュージョン領域の間に設けられた第２の転送ゲートとによって前記転送経路の電位障壁を制御し、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域の間のポテンシャルを、前記電荷保持領域のポテンシャルと前記フローティングディフュージョン領域のポテンシャルの間のポテンシャルになるようにして、前記電荷保持領域に蓄積された前記電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第２の転送手順と、
   前記転送手段によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記電荷を前記フローティングディフュージョン領域に保持させた状態で前記電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順と、
   を含む固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記信号成分変調手順後に、前記フローティングディフュージョン領域内の前記電荷を排出するためのリセット手順を有することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 前記蓄積手順と、前記第１の転送手順との間に、前記電荷保持領域内の前記電荷を排出するためのリセット手順を有することを徴とする請求項４又は請求口５記載の固体撮像装置の駆動方法。
   
   
   

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