JP2007035859A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間で不要電荷を除去することのできる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 第１導電型の半導体基板と、半導体基板内に形成された、第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウェルと、ウェル内に形成された複数の第１導電型の電荷蓄積領域であって、行列状に配置され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域とその下方の半導体基板の第１導電型の領域との間に形成された、第２導電型の高濃度不純物層であって、ウェルよりも第２導電型の不純物濃度が高い高濃度不純物層と、行列状に配置された電荷蓄積領域の列に沿ってウェル内に形成され、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された信号電荷が列方向に転送される第１導電型の垂直転送チャネルと、ウェル内に形成され、垂直転送チャネルの端部に結合され、垂直転送チャネルから転送された信号電荷が行方向に転送される第１導電型の水平転送チャネルと有する固体撮像素子を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子とその駆動方法に関する。

図６（Ａ）は、ＣＣＤ(charge coupled device ：電荷結合素子)型固体撮像素子の受光領域を含む部分の概略を示す平面図であり、図６（Ｂ）は、画素ずらし配列されたＣＣＤ型固体撮像素子の概略的な平面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の６Ｃ−６Ｃ線に沿った断面図である。

図６（Ａ）を参照する。ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域（画素配列領域）１５は、正方行列状に配置されたフォトダイオード（光電変換素子）１２、及び、複数のフォトダイオード１２の列に沿って形成された複数の垂直転送チャネル４を含んで構成される。

フォトダイオード１２は、入射した光量に応じた信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、垂直転送電極Ｖ１またはＶ３に印加される駆動信号（読み出し電圧）によって、読み出しゲート１１から垂直転送チャネル４に読み出された後、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４に印加される駆動信号（転送電圧）によって、垂直転送チャネル４内を、水平転送チャネル１３に向かう方向（垂直方向、列方向）に転送される。なお、垂直転送電極Ｖ２及びＶ４は、第１層垂直転送電極であり、垂直転送電極Ｖ１及びＶ３は、第２層垂直転送電極である場合を示している。

水平転送チャネル１３は、受光領域１５外のウェル内に形成され、各垂直転送チャネル４の端部に電気的に結合されている。垂直転送チャネル４の末端まで転送された信号電荷は、水平転送チャネル１３に転送された後、水平転送電極の駆動により水平転送チャネル１３内を、全体として垂直方向と交差する方向、たとえば水平方向（垂直方向と直交する方向、行方向）に転送された後、電荷検出部１４に転送される。電荷検出部１４においては、水平転送チャネル１３から転送された信号電荷を基に、電荷−電圧変換、及び信号の増幅が行われる。増幅された画像信号は、外部に取り出される。なお、電荷検出部１４は、水平転送チャネル１３の端部に結合され、出力アンプを含んで構成される。

なお、フォトダイオード１２の配列は、図６（Ａ）に示したような行方向及び列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列されるテトラゴナル配列の他、行方向及び列方向に１つおきにたとえば１／２ピッチずつ位置をずらして配列される画素ずらし配列(pixel interleaved array; PIA)がある。

図６（Ｂ）は、画素ずらし配列されたＣＣＤ型固体撮像素子の概略的な平面図である。画素ずらし配列とは、第１の正方行列的に配列されたフォトダイオードと、その格子間位置に第２の正方行列的に配列されたフォトダイオードとからなるフォトダイオードの配列のことをいう。垂直転送チャネル４は、フォトダイオード１２の間を蛇行するように形成される。この場合も、信号電荷は垂直転送チャネル４内を全体として水平転送チャネル１３に向かう方向（垂直方向）に転送される。なお、画素ずらし配列におけるフォトダイオード１２は多くの場合、平面視上八角形状である。

図６（Ｃ）を参照する。ｎ型のシリコン基板１に形成されたｐ型のウェル２に、ｎ型の不純物添加領域で構成される電荷蓄積領域５、及びその隣に読み出しゲート１１を介して、ｎ型領域の垂直転送チャネル４が形成されている。フォトダイオードは、電荷蓄積領域５、及びその下方のウェル２を含んで構成される。

読み出しゲート１１及び垂直転送チャネル４上方には絶縁膜８を介して、垂直転送電極Ｖ３が形成されている。電荷蓄積領域５上のウェル２内、及び行方向、列方向に隣り合う電荷蓄積領域５間には、それぞれ高濃度でｐ型の不純物を添加した埋め込み領域６、及び、チャネルストップ領域７が形成される。

埋め込み領域６は、電荷蓄積領域５をシリコン基板１の表面から埋め込む埋め込み領域である。また、チャネルストップ領域７は、電荷蓄積領域５、垂直転送チャネル４等の電気的な分離を行うための領域である。更に、絶縁膜８は、たとえばシリコン基板１表面上に形成された、酸化膜、窒化膜、酸化膜の積層構造（ＯＮＯ膜）である。垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、たとえばポリシリコンで形成される。

垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４上には、たとえばポリシリコンの熱酸化により得られる絶縁性の酸化シリコン膜１０が形成される。
図７（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、ＣＣＤ型固体撮像素子の駆動について説明する。

図７（Ａ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子を駆動するための駆動信号の一例を示す。図中横軸は時間を示し、Ｔ_１は電荷蓄積領域に電荷が蓄積される蓄積期間、Ｔ_２はスミア電荷の掃き出し転送を行う不要電荷除去期間、Ｔ_３は電荷蓄積領域から垂直転送チャネルへ信号電荷を読み出す読み出し期間、そして、Ｔ_４は垂直転送チャネル内において信号電荷の転送が行われ、また垂直転送チャネルから送られてきた信号電荷が１行分ごとに、水平転送チャネル内を転送される期間である。

図中縦軸は電圧を示し、たとえばＶＨは＋１５Ｖ、ＶＭは０Ｖ、ＶＬは−８Ｖ、ＨＭは＋３Ｖ、ＨＬは０Ｖ、ＶＯＦＤ＿Ｈは＋３０〜＋４０Ｖ、ＶＯＦＤ＿Ｌは＋１０〜＋１２Ｖである。

ＶＤ(vertical driving pulse)は垂直駆動パルス、ＨＤ(horizontaldriving pulse)は水平駆動パルス、ΦＶ１〜ΦＶ４はそれぞれ垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４に印加される駆動パルス、ΦＨ１及びΦＨ２は、それぞれ第１相及び第２相水平転送電極に印加される駆動パルス、ＯＦＤは基板引き抜き電圧、メカニカルシャッタは、撮像レンズからの被写体光束を、「開」により固体撮像素子の受光面に入射させ、「閉」により遮光する機械式シャッタ、そしてＯＳは出力電圧である。

期間Ｔ_１においては、開かれたメカニカルシャッタを通過した被写体からの光束が受光領域に入射し、フォトダイオードで光電変換が行われて、信号電荷が電荷蓄積領域に蓄えられる。期間Ｔ_１は、メカニカルシャッタが閉じることで終了する。

メカニカルシャッタが閉じて、固体撮像素子が遮光された状態となった後、垂直転送チャネルの不要電荷を除去するための不要電荷除去期間（高速転送期間）Ｔ_２が開始する。不要電荷には、垂直転送チャネル下に回りこんだ入射光による光電変換で発生するスミア成分と、電子の熱的励起による暗電流成分とがある。

スミア電荷は、垂直転送チャネルで直接光電変換されたものであり、フォトダイオードから垂直転送チャネルに信号電荷の読み出しを行うと、スミア電荷と信号電荷（画像電荷）が重畳されることで、輝度の高い部分の上下に白い筋や帯状の画像を発生させる。したがって、フォトダイオードから垂直転送チャネルに信号電荷を読み出す前にスミア電荷の掃き出しが必要である。

不要電荷除去期間（高速転送期間）Ｔ_２においては、ΦＶ１〜ΦＶ４、ΦＨ１、及びΦＨ２の駆動信号が印加される。垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４は４相駆動、水平転送電極Ｈ１及びＨ２は２相駆動である。

高速転送により不要電荷を除去した後、ＶＤを与えて読み出しゲート電極を兼ねる垂直転送電極（図６（Ａ）におけるＶ１またはＶ３）にＶＨ（信号電荷を読み出すために十分高い電圧）を印加し、読み出し期間Ｔ_３において電荷蓄積領域の信号電荷を垂直転送チャネルに移動させる。

転送期間Ｔ_４においては、ΦＶ１〜ΦＶ４、ΦＨ１、及びΦＨ２の駆動信号を印加し、垂直及び水平転送チャネル内の転送を行って、信号電荷を電荷検出部に移動させる。
図７（Ｂ）は、図６（Ｃ）のＸ−Ｙ線に沿ったポテンシャルプロファイルである。実線は読み出し電圧（ＶＨ）を印加しないときの電位を示し、点線は印加したときの電位を示す。斜線を付した箇所は電荷蓄積領域に蓄積されている信号電荷を示す。

読み出し電圧（ＶＨ）を印加することで、垂直転送チャネル方向へのバリアがなくなり、信号電荷は垂直転送チャネルに移動する。このときフォトダイオードは完全空乏化した状態になる。読み出し電圧（ＶＨ）として、フォトダイオードを完全空乏化させるのに十分な電圧（最小空乏化電圧以上の電圧）を印加する必要がある。

画素数の多い固体撮像素子においては、不要電荷は多数の垂直段を転送される必要がある。駆動周波数を一定とすると、スミア掃き出し駆動に必要な時間が長くなる。この結果、連写性能等の低下が引き起こされ、固体撮像素子の品質が十分に達成されない場合がある。

また、スミア掃き出し駆動中も、熱的励起による暗電流成分が発生するため、特に暗電流成分が多数発生する高温動作時に、暗電流成分ムラによる画像劣化が生じる等、高品質の撮像が実現できない場合がある。

しかしスミア掃き出しを行わないとすれば、スミア電荷が信号電荷に重畳され、画質が劣化する。

特開平１０−１３７４８号公報

本発明の目的は、短時間で不要電荷を除去することのできる固体撮像素子を提供することである。
また、本発明の他の目的は、短時間で不要電荷を除去することのできる固体撮像素子の駆動方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に形成された、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウェルと、前記ウェル内に形成された複数の前記第１導電型の電荷蓄積領域であって、行列状に配置され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域の下方の前記半導体基板の第１導電型の領域との間に形成された、前記第２導電型の高濃度不純物層であって、前記ウェルよりも前記第２導電型の不純物濃度が高い高濃度不純物層と、 前記行列状に配置された電荷蓄積領域の列に沿って前記ウェル内に形成され、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された前記信号電荷が列方向に転送される前記第１導電型の垂直転送チャネルと、前記ウェル内に形成され、前記垂直転送チャネルの端部に結合され、前記垂直転送チャネルから転送された前記信号電荷が行方向に転送される前記第１導電型の水平転送チャネルとを有する固体撮像素子が提供される。

この固体撮像素子を、たとえば以下の駆動方法で駆動すれば、短時間で不要電荷を除去することができる。
本発明の他の観点によれば、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に形成された、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウェルと、前記ウェル内に形成された複数の前記第１導電型の電荷蓄積領域であって、行列状に配置され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域の下方の前記半導体基板の第１導電型の領域との間に形成された、前記第２導電型の高濃度不純物層であって、前記ウェルよりも前記第２導電型の不純物濃度が高い高濃度不純物層と、前記行列状に配置された電荷蓄積領域の列に沿って前記ウェル内に形成され、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された前記信号電荷が列方向に転送される前記第１導電型の垂直転送チャネルと、前記ウェル内に形成され、前記垂直転送チャネルの端部に結合され、前記垂直転送チャネルから転送された前記信号電荷が行方向に転送される前記第１導電型の水平転送チャネルとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、（ａ）前記電荷蓄積領域に光を入射させて、信号電荷を蓄積する工程と、（ｂ）前記半導体基板に電圧を印加して、前記垂直転送チャネル内の電荷を前記半導体基板に排出する工程と、（ｃ）前記工程（ａ）において前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を、前記垂直転送チャネルに読み出す工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）において前記垂直転送チャネルに読み出された信号電荷を、前記垂直転送チャネル内、及び水平転送チャネル内を転送する工程とを有する固体撮像素子の駆動方法が提供される。

この固体撮像素子の駆動方法によれば、高速転送によってではなく、基板に電圧を印加することによって不要電荷を除去する。

短時間で不要電荷を除去することのできる固体撮像素子を提供することができる。
また、短時間で不要電荷を除去することのできる固体撮像素子の駆動方法を提供することができる。

図１（Ａ）は、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域を含む部分の概略を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ背景技術の図６（Ａ）及び（Ｃ）に対応する。

図１（Ａ）を参照する。ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域（画素配列領域）１５は、正方行列状に配置されたフォトダイオード（光電変換素子）１２、及び、複数のフォトダイオード１２の列に沿って形成された複数の垂直転送チャネル４を含んで構成される。

フォトダイオード１２は、入射した光量に応じた信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、垂直転送電極Ｖ１またはＶ３に印加される駆動信号（読み出し電圧）によって、読み出しゲート１１から垂直転送チャネル４に読み出された後、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４に印加される駆動信号（転送電圧）によって、垂直転送チャネル４内を、水平転送チャネル１３に向かう方向（垂直方向、列方向）に転送される。なお、垂直転送電極Ｖ２及びＶ４は、第１層垂直転送電極であり、垂直転送電極Ｖ１及びＶ３は、第２層垂直転送電極である場合を示している。

水平転送チャネル１３は、受光領域１５外のウェル内に形成され、各垂直転送チャネル４の端部に電気的に結合されている。垂直転送チャネル４の末端まで転送された信号電荷は、水平転送チャネル１３に転送された後、水平転送電極の駆動により水平転送チャネル１３内を、全体として垂直方向と交差する方向、たとえば水平方向（垂直方向と直交する方向、行方向）に転送された後、電荷検出部１４に転送される。電荷検出部１４においては、水平転送チャネル１３から転送された信号電荷を基に、電荷−電圧変換、及び信号の増幅が行われる。増幅された画像信号は、外部に取り出される。なお、電荷検出部１４は、水平転送チャネル１３の端部に結合され、出力アンプを含んで構成される。

なお、フォトダイオード１２の配列は、図１（Ａ）に示したような行方向及び列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列されるテトラゴナル配列の他、行方向及び列方向に１つおきにたとえば１／２ピッチずつ位置をずらして配列される画素ずらし配列がある。

実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子においては、平面視上、行列状に形成されたフォトダイオード１２の各列の下方に、ストライプ状に高濃度ｐ型不純物層２０が形成されている。本図においては、一点鎖線で高濃度ｐ型不純物層２０を表示した。

図１（Ｂ）を参照する。ｎ型のシリコン基板１に形成されたｐ型のウェル２に、ｎ型の不純物添加領域で構成される電荷蓄積領域５、及びその隣に読み出しゲート１１を介して、ｎ型領域の垂直転送チャネル４が形成されている。

電荷蓄積領域５と、その下方のシリコン基板１のｎ型領域との間に高濃度ｐ型不純物層２０が形成される。このため、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子においては、電荷蓄積領域５及び高濃度ｐ型不純物層２０を含んで、フォトダイオードが形成される。なお、高濃度ｐ型不純物層２０のｐ型不純物濃度は、ウェル２のそれより高い。

ここで、シリコン基板１のｎ型不純物濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１５ｃｍ^−３、たとえば５×１０^１４ｃｍ^−３である。また、ウェル２は、ｐ型不純物濃度が、１×１０^１５〜１×１０^１６ｃｍ^−３、たとえば５×１０^１５ｃｍ^−３であり、シリコン基板１の表面から、深さ２〜４μｍ、たとえば３μｍの位置にそのピーク位置が形成されている。更に、高濃度ｐ型不純物層２０は、ｐ型不純物濃度が、１×１０^１５〜１×１０^１７ｃｍ^−３、たとえば１×１０^１６ｃｍ^−３であり、シリコン基板１の表面から、深さ１〜３μｍ、たとえば２μｍの位置にそのピーク位置が形成されている。

読み出しゲート１１及び垂直転送チャネル４上方には絶縁膜８を介して、垂直転送電極Ｖ３が形成されている。電荷蓄積領域５上のウェル２内、及び行方向、列方向に隣り合う電荷蓄積領域５間には、それぞれ高濃度でｐ型の不純物を添加した埋め込み領域６、及び、チャネルストップ領域７が形成される。

埋め込み領域６は、電荷蓄積領域５をシリコン基板１の表面から埋め込む埋め込み領域である。また、チャネルストップ領域７は、電荷蓄積領域５、垂直転送チャネル４等の電気的な分離を行うための領域である。更に、絶縁膜８は、たとえばシリコン基板１表面上に形成された、酸化膜、窒化膜、酸化膜の積層構造（ＯＮＯ膜）である。垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、たとえばポリシリコンで形成される。

垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４上には、たとえばポリシリコンの熱酸化により得られる絶縁性の酸化シリコン膜１０が形成される。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図１（Ｂ）のＸ−Ｙ線に沿ったポテンシャルプロファイルである。各図について、実線は基板引き抜きパルス電圧または読み出し電圧を印加しないときの電位を示し、一点鎖線は印加したときの電位を示す。図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、実施例による固体撮像素子の効果について説明する。

図２（Ａ）の実線部分を参照する。斜線を付した左側の箇所は電荷蓄積領域に蓄積されている信号電荷を示す。また、斜線を付した右側の箇所は垂直転送チャネルの不要電荷を示す。

図２（Ａ）の一点鎖線部分を参照する。実線で示す状態に、基板引き抜き電圧（ＯＦＤパルス）を印加する。垂直転送チャネルは、比較的低濃度のｐ型ウェル中に形成されているため、基板引き抜き電圧（ＯＦＤパルス）によってポテンシャルバリアが消失し、垂直転送チャネル中の電荷は、シリコン基板に移動する。このようにして、垂直高速転送を行うことなく、垂直転送チャネルから不要電荷を除去することができる。

一方、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子においては、電荷蓄積領域と、その下方のシリコン基板のｎ型領域との間に高濃度ｐ型不純物層が形成されている。このため、基板引き抜き電圧（ＯＦＤパルス）を印加した場合であっても、電荷蓄積領域中の信号電荷は、高濃度ｐ型不純物層の形成するポテンシャルバリアに阻まれ、電荷蓄積領域にとどまる。

図２（Ｂ）の実線部分を参照する。斜線を付した箇所は電荷蓄積領域に蓄積されている信号電荷を示す。
図２（Ｂ）の一点鎖線部分を参照する。実線で示す状態に、読み出し電圧（ＶＨパルス）を印加すると、垂直転送チャネル方向へのバリアがなくなり、信号電荷は電荷蓄積領域から垂直転送チャネルに転送される。図２（Ａ）で説明した基板引き抜き電圧（ＯＦＤパルス）の印加による不要電荷除去工程の後に、本図で示した電荷蓄積領域からの信号電荷読み出しを行うことで、スミア電荷を重畳させることなく、信号電荷を読み出すことができる。

図２（Ｃ）を用いて、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子におけるオーバフロードレイン動作（フォトダイオードの過大信号電荷を基板に排出する動作）について説明する。なお、斜線を付した左側の箇所は電荷蓄積領域に蓄積された電荷を示し、右側の箇所は垂直転送チャネルに蓄積された電荷を示す。実線の斜線で容量範囲内の電荷を示し、点線の斜線を用いて過大電荷を示した。

実線部分及び点線部分を参照する。読み出しゲート下の電位が垂直転送チャネルの下部に位置する比較的低濃度のｐ型ウェルのバリア電位よりも浅く、同時にチャネルストップ領域７の電位よりも深くなるように、製造条件を設定する。

このような電位状態においては、電荷蓄積領域に蓄積された過大信号電荷は、垂直転送チャネルに溢れる。更にこの状態が長く続くと、垂直転送チャネルは過大信号電荷で満たされ、垂直転送チャネルの電荷蓄積容量をも超える。

この場合、その過大信号電荷は、垂直転送チャネルの下部に位置する比較的低濃度のｐ型ウェルのバリアを乗り越えることで、基板へと排出される。
したがって、電荷蓄積領域の容量を超えた過大信号電荷が、隣接する電荷蓄積領域へと流れ込むことなく、垂直転送チャネル及び基板へと排出される。

一点鎖線部分を参照する。上記動作に続き、通常約３０Ｖの基板引き抜きパルス電圧ＶＯＦＤ＿Ｈをシリコン基板に印加する。これにより垂直転送チャネルに残っていた電荷もすべて基板に引き抜かれるため、電荷蓄積領域の容量を超えた過大信号電荷はすべて基板へと排出されたことになる。以上の通り、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を垂直転送チャネルに読み出す読み出し動作を行う前に上記２段階の動作を行うことで、オーバフロードレイン動作が実現される。

図３は、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子を駆動するための駆動信号の一例を示す。図中横軸は時間を示し、Ｔ_１は電荷蓄積領域に電荷が蓄積される蓄積期間、Ｔ_２はスミア電荷の除去を行う不要電荷除去期間、Ｔ_３は電荷蓄積領域から垂直転送チャネルへ信号電荷を読み出す読み出し期間、そして、Ｔ_４は垂直転送チャネル内において信号電荷の転送が行われ、また垂直転送チャネルから送られてきた信号電荷が１行分ごとに、水平転送チャネル内を転送される期間である。

図中縦軸は電圧を示す。たとえばＶＨは＋１５Ｖ、ＶＭは０Ｖ、ＶＬは−８Ｖ、ＨＭは＋３Ｖ、ＨＬは０Ｖ、ＶＯＦＤ＿Ｈは＋３０〜＋４０Ｖ、ＶＯＦＤ＿Ｌは＋１０〜＋１２Ｖである。

ＶＤは垂直駆動パルス、ＨＤは水平駆動パルス、ΦＶ１〜ΦＶ４はそれぞれ垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４に印加される駆動パルス、ΦＨ１及びΦＨ２は、それぞれ第１相及び第２相水平転送電極に印加される駆動パルス、ＯＦＤは基板引き抜き電圧、メカニカルシャッタは、撮像レンズからの被写体光束を、「開」により固体撮像素子の受光面に入射させ、「閉」により遮光する機械式シャッタ、そしてＯＳは出力電圧である。

期間Ｔ_１においては、開かれたメカニカルシャッタを通して、被写体からの光束が受光領域に入射し、フォトダイオードで光電変換が行われ、信号電荷が電荷蓄積領域に蓄えられる。期間Ｔ_１は、メカニカルシャッタが閉じることで終了する。

なお、図７（Ａ）に示した駆動信号の例においては、期間Ｔ_１ではΦＶ１及びΦＶ４がＶＬであり、ΦＶ２及びΦＶ３がＶＭであるところ、本図においては、ΦＶ４のみがＶＬであり、ΦＶ１乃至ΦＶ３がＶＭである。これは３つの連続する転送段のポテンシャルを高くすることにより、電荷蓄積領域と垂直転送チャネルとの間に存在するバリアの電位を深くすることで、図２（Ｃ）を参照して説明したオーバフロードレイン動作を効果的にするためである。

４転送段当たり１段のポテンシャルバリアは、たとえフリンジ電界が存在していても、垂直転送チャネル内の電荷輸送を抑制する。垂直転送チャネル内のポテンシャルの均一性が保証される場合は、垂直転送チャネルの全転送段のポテンシャルを高くしてもよい。ただし、図７（Ａ）に示した駆動信号の例と同様にしてもよい。

メカニカルシャッタが閉じて、固体撮像素子が遮光された状態となった後、垂直転送チャネルの不要電荷を除去するための不要電荷除去期間Ｔ_２において、垂直転送チャネルの全転送段のポテンシャルを低く（ΦＶ１〜ΦＶ４の印加電圧をＶＬと）した上で、基板引き抜きパルス電圧ＶＯＦＤ＿Ｈを印加する。垂直転送チャネルと基板との間に、｜ＶＬ｜＋ＶＯＦＤ＿Ｈの電圧が印加され、図２（Ａ）を用いて説明したように、垂直転送チャネル内の不要電荷が基板に排出される。垂直転送チャネルの全転送段のポテンシャルを低くすることで、垂直転送チャネルの完全空乏化に必要な基板電圧を低く抑えることができる。なお、垂直転送チャネルの全転送段のポテンシャルを低くすることは必須ではない。

実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動にあっては、高速転送によってではなく、基板に引き抜きパルス電圧を入力することによって不要電荷を除去するため、不要電荷除去期間Ｔ_２を短縮することが可能である。その結果、たとえば固体撮像素子の連写性能を向上させることができる。また、高温動作時の暗電流成分の蓄積を大幅に減少させることができ、暗電流成分ムラを抑止することができる。

基板引き抜きパルス電圧の印加により垂直転送チャネルの不要電荷を除去した後、読み出しゲート電極を兼ねる垂直転送電極（図１（Ａ）におけるＶ１またはＶ３）に読み出し電圧ＶＨを印加し、読み出し期間Ｔ_３において電荷蓄積領域の信号電荷を垂直転送チャネルに移動させる。

転送期間Ｔ_４においては、ΦＶ１〜ΦＶ４、ΦＨ１、及びΦＨ２の駆動信号を印加し、垂直及び水平転送チャネル内の転送を行って、信号電荷を電荷検出部に転送する。
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子における電子シャッタ動作について説明するための図である。電子シャッタとは、電荷蓄積領域の電荷を基板に排出し、固体撮像素子の情報をクリアし、新たな露光に備える機能である。

図４（Ａ）を参照する。本図は、図１（Ｃ）のＸ−Ｙ線に沿ったポテンシャルプロファイルである。実線は基板引き抜きパルス電圧及び読み出し電圧を印加しないときの電位を示し、一点鎖線は印加したときの電位を示す。また、斜線を付した箇所は電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を示す。

実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子においては、電荷蓄積領域と、その下方のシリコン基板のｎ型領域との間に高濃度ｐ型不純物層が形成されているため、基板引き抜きパルス電圧の印加のみでは、電荷蓄積領域の電荷は基板に排出されない。そこで、電荷蓄積領域の電荷を基板に排出するために、たとえば、読み出しパルス電圧と基板引き抜きパルス電圧とを同時に印加する。これらを同時に印加することにより、固体撮像素子内の電位は、実線で示す電位から一点鎖線で示す電位へと変化し、電荷蓄積領域に蓄えられた電荷は、基板に排出される。

図４（Ｂ）は、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子を駆動するための駆動信号の一例を示す。図３に示した駆動信号に電子シャッタ動作を加えたものである。
電荷蓄積期間Ｔ_１が開始される前の部分を参照する。読み出し電極を兼ねる垂直転送電極Ｖ１及びＶ３に読み出しパルス電圧が印加されるとともに、シリコン基板には、基板引き抜きパルス電圧が印加され、図４（Ａ）を参照して説明したように、電荷蓄積領域に蓄えられた電荷が基板に排出される。この電子シャッタ動作によって、固体撮像素子の情報がクリアされ、新たな撮像が開始される。すなわち、電子シャッタ動作によって、信号電荷蓄積開始時刻（電荷蓄積期間Ｔ_１の始点）が制御される。

なお、電子シャッタ動作は、図４（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明した方法に限られない。たとえば図４（Ｃ）に示すように、読み出しパルス電圧ＶＨを印加した後、垂直転送電極にＶＬ電圧を印加し、その後基板引き抜きパルス電圧を印加することによっても実現することができる。この方法によれば、電荷は一旦垂直転送チャネルに読み出された後、基板へ排出されることとなる。また、この方法によれば、図４（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明した方法、すなわち読み出しパルス電圧と基板引き抜きパルス電圧とを同時に印加する方法に比べて、垂直転送チャネルの完全空乏化に必要な最小の基板引き抜き電圧を低減することができる。

図５に、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子の変形例を示す。本図は、図１（Ｂ）に対応する断面図である。
図１（Ｂ）に示す実施例においては、高濃度ｐ型不純物層２０とチャネルストップ領域７とが、それぞれ独立に形成されていた。本図に示す変形例においては、両者が連続的に形成される。

高濃度ｐ型不純物層２０がチャネルストップ領域７と連続的に形成されているため、電荷蓄積領域から下方向にポテンシャルバリアが安定的に存在し、実施例と同様の効果が得られる。また、電位が固定されるため、高濃度ｐ型不純物層２０を図１（Ｂ）に示す実施例においてよりも、低濃度に形成することも可能であろう。

実施例には、フォトダイオードが正方行列状に配列された固体撮像素子を示したが、画素ずらし配列の固体撮像素子であってもよい。この場合も、平面視上、たとえば高濃度ｐ型不純物層をフォトダイオードの列方向に、ストライプ状に形成する。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

固体撮像素子一般に利用可能である。

（Ａ）は、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域を含む部分の概略を示す平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図１（Ｂ）のＸ−Ｙ線に沿ったポテンシャルプロファイルである。 実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子を駆動するための駆動信号の一例を示す。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子における電子シャッタ動作について説明するための図である。 実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子の変形例を示す断面図である。 （Ａ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域を含む部分の概略を示す平面図であり、（Ｂ）は、画素ずらし配列されたＣＣＤ型固体撮像素子の概略的な平面図であり、（Ｃ）は、図６（Ａ）の６Ｃ−６Ｃ線に沿った断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の駆動について説明するための図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ ウェル
４ 垂直転送チャネル
５ 電荷蓄積領域
６ 埋め込み領域
７ チャンネルストップ領域
８ 絶縁膜
１０ 酸化シリコン膜
１１ 読み出しゲート
１２ フォトダイオード
１３ 水平転送チャネル
１４ 電荷検出部
１５ 受光領域
２０ 高濃度ｐ型不純物層
Ｖ１〜Ｖ４ 垂直転送電極

Claims (11)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板内に形成された、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウェルと、
   前記ウェル内に形成された複数の前記第１導電型の電荷蓄積領域であって、行列状に配置され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
   前記電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域の下方の前記半導体基板の第１導電型の領域との間に形成された、前記第２導電型の高濃度不純物層であって、前記ウェルよりも前記第２導電型の不純物濃度が高い高濃度不純物層と、
   前記行列状に配置された電荷蓄積領域の列に沿って前記ウェル内に形成され、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された前記信号電荷が列方向に転送される前記第１導電型の垂直転送チャネルと、
   前記ウェル内に形成され、前記垂直転送チャネルの端部に結合され、前記垂直転送チャネルから転送された前記信号電荷が行方向に転送される前記第１導電型の水平転送チャネルと
   を有する固体撮像素子。
2. 前記高濃度不純物層は、列方向にストライプ状に形成される請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 更に、前記ウェル内の、隣り合う前記電荷蓄積領域間に形成され、前記ウェルよりも前記第２導電型の不純物濃度が高いチャネルストップ領域を含み、前記チャネルストップ領域と前記高濃度不純物層とが連続している請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記行列状に配置された電荷蓄積領域が、第１の正方行列状に配列された第１の電荷蓄積領域と、前記第１の正方行列状に配列された第１の電荷蓄積領域の格子間位置に、第２の正方行列状に配列された第２の電荷蓄積領域とを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１導電型がｎ型である請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に形成された、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウェルと、前記ウェル内に形成された複数の前記第１導電型の電荷蓄積領域であって、行列状に配置され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域の下方の前記半導体基板の第１導電型の領域との間に形成された、前記第２導電型の高濃度不純物層であって、前記ウェルよりも前記第２導電型の不純物濃度が高い高濃度不純物層と、前記行列状に配置された電荷蓄積領域の列に沿って前記ウェル内に形成され、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された前記信号電荷が列方向に転送される前記第１導電型の垂直転送チャネルと、前記ウェル内に形成され、前記垂直転送チャネルの端部に結合され、前記垂直転送チャネルから転送された前記信号電荷が行方向に転送される前記第１導電型の水平転送チャネルとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
   （ａ）前記電荷蓄積領域に光を入射させて、信号電荷を蓄積する工程と、
   （ｂ）前記半導体基板に電圧を印加して、前記垂直転送チャネル内の電荷を前記半導体基板に排出する工程と、
   （ｃ）前記工程（ａ）において前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を、前記垂直転送チャネルに読み出す工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）において前記垂直転送チャネルに読み出された信号電荷を、前記垂直転送チャネル内、及び水平転送チャネル内を転送する工程と
   を有する固体撮像素子の駆動方法。
7. 前記工程（ｂ）を、前記電荷蓄積領域への光を遮った状態で行う請求項６に記載の固体撮像素子の駆動方法。
8. 前記第１導電型がｎ型であり、前記工程（ｂ）において前記半導体基板に電圧を印加するとき、前記工程（ａ）におけるよりも、前記垂直転送チャネルの電位を低くする請求項６または７に記載の固体撮像素子の駆動方法。
9. 前記工程（ａ）の前、更に、
   （ｆ）前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送チャネルに読み出すとともに、前記半導体基板に電圧を印加して、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記半導体基板に排出する工程
   を含む請求項６〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子の駆動方法。
10. 前記工程（ａ）の前、更に、
    （ｇ１）前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送チャネルに読み出す工程と、
    （ｇ２）前記工程（ｇ１）の後、前記半導体基板に電圧を印加する工程と
    を含み、前記工程（ｇ１）及び（ｇ２）によって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記半導体基板に排出する請求項６〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子の駆動方法。
11. 前記第１導電型がｎ型であり、前記工程（ｇ２）において前記半導体基板に電圧を印加するとき、前記工程（ａ）におけるよりも、前記垂直転送チャネルの電位を低くする請求項１０に記載の固体撮像素子の駆動方法。
    

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