JP2007221560A - 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置 - Google Patents

固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2007221560A
JP2007221560A JP2006040966A JP2006040966A JP2007221560A JP 2007221560 A JP2007221560 A JP 2007221560A JP 2006040966 A JP2006040966 A JP 2006040966A JP 2006040966 A JP2006040966 A JP 2006040966A JP 2007221560 A JP2007221560 A JP 2007221560A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
shielding film
potential
photoelectric conversion
light shielding
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006040966A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4774311B2 (ja
Inventor
Masanori Nagase
正規 永瀬
Shu Takahashi
周 高橋
Jiro Matsuda
二朗 松田
Mitsuru Iwata
充 岩田
Shinji Uie
眞司 宇家
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp filed Critical Fujifilm Corp
Priority to JP2006040966A priority Critical patent/JP4774311B2/ja
Priority to US11/705,766 priority patent/US7804534B2/en
Publication of JP2007221560A publication Critical patent/JP2007221560A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4774311B2 publication Critical patent/JP4774311B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N3/00—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages
    • H04N3/10—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
    • H04N3/14—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
    • H04N3/15—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation
    • H04N3/155—Control of the image-sensor operation, e.g. image processing within the image-sensor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14806—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14812—Special geometry or disposition of pixel-elements, address lines or gate-electrodes
    • H01L27/14818—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/73—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors using interline transfer [IT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

【課題】スミア低減等の素子性能の改善を図ることができる固体撮像素子の駆動方法等を提供する。
【解決手段】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、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信号電荷を転送する電荷転送路と、半導体基板の表面に絶縁層を介して積層され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、読み出しパルス１３１を電荷転送路の読み出し電極に印加するとき読み出しパルス１３１と同極性の電位１３５を遮光膜に印加し、読み出しパルス１３１が印加されない間は読み出しパルス１３１と反対極性の電位を遮光膜に印加する。
【選択図】図４

Description

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。
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。
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。
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。
特開平７―１５３９３２号公報
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。
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。
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し前記読み出しパルスが前記電荷転送路の読み出し電極に印加されるとき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が印加されない間は該読み出しパルスと反対極性の電位が印加される導電性の遮光膜とを備えることを特徴とする。
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。
本発明の固体撮像素子は、前記同極性の電位は前記読み出しパルスに所定時間先行して前記遮光膜に印加され、該読み出しパルスの終了後の所定時間遅れて前記反対極性の電位が印加されることを特徴とする。
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、前記読み出しパルスを前記電荷転送路の読み出し電極に印加するとき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、該読み出しパルスが印加されない間は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することを特徴とする。
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記同極性の電位を前記読み出しパルスに所定時間先行して前記遮光膜に印加し、該読み出しパルスの終了後の所定時間遅れて前記反対極性の電位を前記遮光膜に印加することを特徴とする。
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。
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、前記読み出しパルスを前記電荷転送路の読み出し電極に印加するとき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が印加されない間は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する撮像素子駆動手段とを備えることを特徴とする。
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。
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前記読み出しパルスに所定時間先行して前記遮光膜に印加し、該読み出しパルスの終了後の所定時間遅れて前記反対極性の電位を前記遮光膜に印加することを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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の印加すると、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１に示す固体撮像素子の表面模式図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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
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

Claims (10)

  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し前記読み出しパルスが前記電荷転送路の読み出し電極に印加されるとき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が印加されない間は該読み出しパルスと反対極性の電位が印加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。
  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。
  3. 前記同極性の電位は前記読み出しパルスに所定時間先行して前記遮光膜に印加され、該読み出しパルスの終了後の所定時間遅れて前記反対極性の電位が印加されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
  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、前記読み出しパルスを前記電荷転送路の読み出し電極に印加するとき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、該読み出しパルスが印加されない間は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することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
  5. 前記同極性の電位を前記読み出しパルスに所定時間先行して前記遮光膜に印加し、該読み出しパルスの終了後の所定時間遅れて前記反対極性の電位を前記遮光膜に印加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。
  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。
  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、前記読み出しパルスを前記電荷転送路の読み出し電極に印加するとき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が印加されない間は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。
  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。
  9. 前記撮像素子駆動手段は、前記同極性の電位を前記読み出しパルスに所定時間先行して前記遮光膜に印加し、該読み出しパルスの終了後の所定時間遅れて前記反対極性の電位を前記遮光膜に印加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。
  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。
JP2006040966A 2006-02-17 2006-02-17 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置 Expired - Fee Related JP4774311B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006040966A JP4774311B2 (ja) 2006-02-17 2006-02-17 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置
US11/705,766 US7804534B2 (en) 2006-02-17 2007-02-14 Solid-state imaging device, driving method thereof, and imaging apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006040966A JP4774311B2 (ja) 2006-02-17 2006-02-17 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007221560A true JP2007221560A (ja) 2007-08-30
JP4774311B2 JP4774311B2 (ja) 2011-09-14

Family

ID=38498300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006040966A Expired - Fee Related JP4774311B2 (ja) 2006-02-17 2006-02-17 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7804534B2 (ja)
JP (1) JP4774311B2 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009081402A (ja) * 2007-09-27 2009-04-16 Sony Corp 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法及び撮像装置
US7714404B2 (en) * 2007-09-06 2010-05-11 Fujifilm Corporation Solid-state imaging device
CN102130140A (zh) * 2008-01-21 2011-07-20 索尼株式会社 固体摄像装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050106495A (ko) * 2003-03-06 2005-11-09 소니 가부시끼 가이샤 고체촬상소자 및 그 제조방법과 고체촬상소자의 구동방법
JP2009089075A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Fujifilm Corp 撮像素子の駆動方法及び撮像装置
JP5328224B2 (ja) 2008-05-01 2013-10-30 キヤノン株式会社 固体撮像装置
US8237832B2 (en) * 2008-05-30 2012-08-07 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with focusing interconnections
JP5396809B2 (ja) * 2008-10-17 2014-01-22 ソニー株式会社 固体撮像装置、カメラ、および、固体撮像装置の製造方法
JP5641287B2 (ja) * 2010-03-31 2014-12-17 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および、電子機器
JP2011249461A (ja) * 2010-05-25 2011-12-08 Toshiba Corp 固体撮像装置
JP5637384B2 (ja) * 2010-12-15 2014-12-10 ソニー株式会社 固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0244871A (ja) * 1988-08-04 1990-02-14 Nec Ic Microcomput Syst Ltd 固体撮像装置
JP2004273640A (ja) * 2003-03-06 2004-09-30 Sony Corp 固体撮像素子及びその製造方法
JP2005294857A (ja) * 2001-05-16 2005-10-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置の駆動方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07153932A (ja) 1993-09-30 1995-06-16 Sony Corp 固体撮像装置
US5736756A (en) * 1994-09-29 1998-04-07 Sony Corporation Solid-state image sensing device with lght shielding film
KR20050106495A (ko) * 2003-03-06 2005-11-09 소니 가부시끼 가이샤 고체촬상소자 및 그 제조방법과 고체촬상소자의 구동방법
JP2007324304A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Fujifilm Corp 固体撮像素子及び撮像装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0244871A (ja) * 1988-08-04 1990-02-14 Nec Ic Microcomput Syst Ltd 固体撮像装置
JP2005294857A (ja) * 2001-05-16 2005-10-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置の駆動方法
JP2004273640A (ja) * 2003-03-06 2004-09-30 Sony Corp 固体撮像素子及びその製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7714404B2 (en) * 2007-09-06 2010-05-11 Fujifilm Corporation Solid-state imaging device
JP2009081402A (ja) * 2007-09-27 2009-04-16 Sony Corp 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法及び撮像装置
CN102130140A (zh) * 2008-01-21 2011-07-20 索尼株式会社 固体摄像装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP4774311B2 (ja) 2011-09-14
US20080055449A1 (en) 2008-03-06
US7804534B2 (en) 2010-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4774311B2 (ja) 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置
US8530945B2 (en) Solid-state image pickup element, method of manufacturing the same, and electronic apparatus
US8810703B2 (en) Solid-state image pickup device, driving method of solid-state image pickup device, and electronic device
KR20150002593A (ko) 고체 촬상 장치 및 전자 기기
JP2009055320A (ja) 撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法
US9531971B2 (en) Imaging device, driving method and electronic apparatus with electric potential applied outside exposure period
US20080280388A1 (en) CCD type solid-state imaging device and method for manufacturing the same
JP4579043B2 (ja) 固体撮像素子及び撮像装置
US7659933B2 (en) Imaging device and driving method for solid-state imaging device
US10840288B2 (en) Imaging device, imaging apparatus, and image input device
WO2015170533A1 (ja) 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器
JP2006120966A (ja) 固体撮像装置
JP6578834B2 (ja) 撮像素子および撮像装置
JP2005012007A (ja) 固体撮像素子、固体撮像装置及びカメラ
JP4774348B2 (ja) デジタルカメラ及び固体撮像素子
JP2007201092A (ja) 固体撮像素子及びその駆動方法
JP2010245177A (ja) 撮像素子、撮像素子の製造方法、撮像素子の駆動方法及び撮像装置
JP2003153084A (ja) 固体撮像素子の制御装置および制御方法
JP2009070913A (ja) 固体撮像素子及び撮像装置
JP2009105609A (ja) 固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置
JP4593751B2 (ja) リニアセンサ及びその駆動方法
JP2011066685A (ja) 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置
JP2011211121A (ja) 固体撮像素子、撮像装置、固体撮像素子の駆動方法、及び固体撮像素子の製造方法
JP2007142696A (ja) 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置
JP2006120967A (ja) 固体撮像装置

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20071109

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20071116

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20071126

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080711

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20101029

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101102

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101216

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110531

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110627

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140701

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees