JP2009177009A - 撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の読み出し電圧を低くすることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板内に形成された光電変換素子５１と、半導体基板内に形成され光電変換素子５１で発生した電荷を転送する電荷転送チャネル５２ａと、電荷転送チャネル５２ａ上方に絶縁膜６２を介して形成された電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６とを含む固体撮像素子５を有するデジタルカメラであって、電荷転送電極Ｖ２が光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すための読み出し電極であり、半導体基板及び電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６の上方には、光電変換素子５１上方に開口を有する導電性の遮光膜５９が形成され、撮像期間のうち読み出し電極に読み出しパルスを印加する期間に、該読み出しパルスとは逆極性の電圧を遮光膜５９に印加する撮像素子駆動部１０を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記半導体基板内に形成され前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送チャネルと、前記電荷転送チャネル上方に絶縁膜を介して形成された電荷転送電極とを含む固体撮像素子を有する撮像装置に関する。

従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子において、低スミア、低読み出し電圧、及び低暗電流を実現するために、固体撮像素子に含まれる遮光膜に、電荷の読み出し期間にはプラスの電圧を印加し、それ以外の期間にはマイナスの電圧を印加する方法が提案されている（特許文献１参照）。

ＣＣＤ型の固体撮像素子には、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送チャネルと、電荷転送チャネル上方に形成された電荷転送電極とが含まれる。通常は、ｎ型シリコン基板内にｐウェル層を形成し、このｐウェル層の表面部にフォトダイオード（ＰＤ）を構成するｎ層と垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）のチャネルを構成するｎ層を形成する。

固体撮像素子のシリコン基板表面は、以下の（１）、（２）の理由により、ＶＣＣＤがｎ層である以外は通常ｐ層となっている。このため、シリコン基板表面付近の電位は、通常、一定電位（０Ｖ）に保たれている。
（１）ＰＤにおいては暗電流を抑制するため、シリコン基板表面をｐ層で覆う必要がある。
（２）ＶＣＣＤのチャネルがｎチャネルであるため、素子分離をｐ層で形成する必要がある。

一般的に、電荷転送電極は、読み出し電極を兼ねており、電荷読み出し時には、ＰＤとＶＣＣＤのチャネルとの間の読み出しゲート部以外にもプラスの電圧が印加される。このとき、ｐウェル層、とりわけシリコン基板表面の（電荷転送電極全体が覆っている部分の）ｐウェル層全体の電位がプラス側に変動してしまう。

そこで、特許文献２に開示されているように、電荷読み出し時に、読み出し電極以外の電荷転送電極に、読み出し電圧とは逆極性の電圧（以下、相殺パルスという）を印加し、ｐウェル層の電位を一定にすることが有効となる。

特許文献１に記載のように、読み出し時に遮光膜にプラスの電圧を印加する方法では、読み出し電極のゲート長が実効的に長くなり、読み出しゲート部のポテンシャル変調が良くなる効果はある。しかし、遮光膜は読み出し電極以外（例えば、遮光膜のＰＤの上部や素子分離層）の上にも形成されているため、遮光膜にプラス電圧を印加することにより、ｐウェル層、とりわけシリコン基板表面のｐウェル層の電位がプラス側に深くなる。したがって、相殺パルスなしでは、かえって空乏化電圧の上昇を招くといった不具合が発生してしまう。

つまり、特許文献１の技術を実際に実施しようとする際には、特許文献２に記載のように、相殺パルスを併用して用いる必要がある。しかし、例えば、ＰＤからＶＣＣＤに電荷を読み出すときに、ＶＣＣＤのチャネルのバリアを形成している電荷転送電極と読み出しパルスを印加している読み出し電極との間にＶＣＣＤのチャネルのパケットを形成している電荷転送電極が１つだけ存在するように１ＰＤあたりの電荷転送電極の数やＶＣＣＤの駆動相数が決められた固体撮像素子において相殺パルスを適用すると、読み出し電極の隣の電極に相殺パルスが必ず印加されるため、読み出し電極と隣接電極とに大きな電位差が発生してしまい、素子の信頼性が低下してしまうという問題がある。又、限られた電荷転送電極の中で相殺パルスの印加を行うため、タイミング設計上の制約が大きいという問題もある。
特開２００６−１２１１１２号公報 特開平７−３２２１４３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子の電荷転送電極に読み出し時に相殺パルスを与えずに、固体撮像素子の読み出し電圧を低くすることが可能な撮像措置を提供することを目的とする。又、タイミング設計上の自由度も向上させることが可能な撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記半導体基板内に形成され前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送チャネルと、前記電荷転送チャネル上方に絶縁膜を介して形成された電荷転送電極とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、前記電荷転送電極が前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すための読み出しパルスが印加される読み出し電極を含み、前記固体撮像素子が、前記半導体基板及び前記電荷転送電極の上方に形成され、前記光電変換素子上方に開口を有する導電性の遮光膜を含み、少なくとも前記読み出し電極に前記読み出しパルスを印加する期間、前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する電圧印加手段を備える。

本発明の撮像装置は、前記電圧印加手段が、前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間にも前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する。

本発明の撮像装置は、前記電圧印加手段が、前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間では、前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧よりも絶対値が小さい電圧を前記遮光膜に印加する。

本発明の撮像装置は、前記電荷転送電極には前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットを形成するための第一の電圧と、前記電荷転送チャネルに前記パケット同士のバリアを形成するための前記第一の電圧よりも低い第二の電圧とが印加可能であり、前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧が前記第二の電圧と同じである。

本発明の撮像装置は、前記遮光膜と前記電荷転送電極との距離が、隣接する２つの前記電荷転送電極間の距離よりも大きい。

本発明の撮像装置は、前記遮光膜と前記電荷転送電極との間に、隣接する２つの前記電荷転送電極間より耐圧の高い材料の膜が含まれている。

本発明の撮像装置は、前記耐圧の高い材料が窒化珪素である。

本発明の撮像装置は、前記遮光膜が、平面視において前記光電変換素子と重なりを有している。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すときに、前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットのバリアを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極と、前記読み出しパルスが印加される前記読み出し電極との間に、前記パケットを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極が１つだけ存在するような構成の固体撮像素子である。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記半導体基板内に形成され前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送チャネルと、前記電荷転送チャネル上方に絶縁膜を介して形成された電荷転送電極とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記電荷転送電極が前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すための読み出しパルスが印加される読み出し電極を含み、前記固体撮像素子が、前記半導体基板及び前記電荷転送電極の上方に形成され、前記光電変換素子上方に開口を有する導電性の遮光膜を含み、少なくとも前記読み出し電極に前記読み出しパルスを印加する期間、前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間にも前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間では、前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧よりも絶対値が小さい電圧を前記遮光膜に印加する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記電荷転送電極には前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットを形成するための第一の電圧と、前記電荷転送チャネルに前記パケット同士のバリアを形成するための第二の電圧とが印加可能であり、前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧が前記第二の電圧と同じである。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記遮光膜と前記電荷転送電極との距離が、隣接する２つの前記電荷転送電極間の距離よりも大きい。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記遮光膜と前記電荷転送電極との間に、隣接する２つの前記電荷転送電極間より耐圧の高い材料の膜が含まれている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記耐圧の高い材料が窒化珪素である。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記遮光膜が、平面視において前記光電変換素子と重なりを有している。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記固体撮像素子が、前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すときに、前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットのバリアを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極と、前記読み出しパルスが印加される前記読み出し電極との間に、前記パケットを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極が１つだけ存在するような構成の固体撮像素子である。

本発明によれば、固体撮像素子の電荷転送電極に読み出し時に相殺パルスを与えずに、固体撮像素子の読み出し電圧を低くすることが可能な撮像措置を提供することを目的とする。又、タイミング設計上の自由度も向上させることが可能な撮像装置の駆動方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、ＣＣＤ型の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。

又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１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。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６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７とを備え、これらはシステム制御部１１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１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

図２は、図１に示すデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の構成例を示す平面模式図である。
図２に示す固体撮像素子は、垂直方向とこれに直交する水平方向に正方格子状に配列された多数の光電変換素子（例えばフォトダイオード）５１と、各光電変換素子５１で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部５２と、複数の垂直電荷転送部５２を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部５３と、水平電荷転送部５３を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部５４とを備える。

垂直電荷転送部５２は、垂直方向に並ぶ光電変換素子５１からなる光電変換素子列に対応してその右側部に垂直方向に延びて形成された電荷転送チャネル５２ａ（一部のみ図示）と、その電荷転送チャネル５２ａ上方に垂直方向に配列された、それぞれ独立に電圧を印加可能な電荷転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６とで構成されている。

光電変換素子列の各光電変換素子５１と、それに対応する電荷転送チャネル５２ａとの間には、各光電変換素子５１で発生して蓄積された電荷を該電荷転送チャネル５２ａに読み出すための電荷読出し部５５（図では模式的に矢印で示してある）が形成されている。

水平方向に並ぶ光電変換素子５１からなる光電変換素子行のうち、奇数行の光電変換素子５１には３つの電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ３が対応して設けられ、偶数行の光電変換素子５１には３つの電荷転送電極Ｖ４〜Ｖ６が対応して設けられている。電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６には、それぞれ、電荷転送チャネル５２ａに電荷を蓄積するパケットを形成するためのローレベル（以下ＶＬという。例えば−８Ｖ）の転送パルスと、電荷転送チャネル５２ａに該パケット同士のバリアを形成するためのＶＬよりも高いミドルレベル（以下ＶＭという。例えば０Ｖ）の転送パルスとが、撮像素子駆動部１０から印加可能になっている。以下では、ＶＬの転送パルスが印加された状態の電荷転送電極のことをバリア電極とも言い、ＶＭの転送パルスが印加された状態の電荷転送電極のことをパケット電極とも言う。

電荷転送電極Ｖ２と電荷転送電極Ｖ５は、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すための読み出し電極も兼ねており、対応する光電変換素子５１に隣接する電荷読出し部５５も覆って形成されている。電荷転送電極Ｖ２，Ｖ５にはＶＭよりも高いハイレベル（以下ＶＨという。例えば１２〜１３Ｖ）の読み出しパルスも印加可能となっている。この読み出し電極に読み出しパルスを印加することで、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すことができる。

図２に示した固体撮像素子は、例えば、第１フィールドでは、電荷転送電極Ｖ４をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にした状態で、電荷転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加して奇数行の光電変換素子５１から電荷を読み出した後、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６に６相の転送パルスを印加してこの電荷を転送する。次に、第２フィールドでは、電荷転送電極Ｖ１をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にした状態で、電荷転送電極Ｖ５に読み出しパルスを印加して偶数行の光電変換素子５１から電荷を読み出した後、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６に６相の転送パルスを印加してこの電荷を転送する。このような動作により、全ての光電変換素子５１から電荷を読み出すことができる。

図３は、図１に示すデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の別の構成例を示す平面模式図である。図３において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図３に示す固体撮像素子は、図２に示す垂直電荷転送部５２を垂直電荷転送部５２’に変更した構成となっている。

垂直電荷転送部５２’は、電荷転送チャネル５２ａと、その電荷転送チャネル５２ａ上方に垂直方向に配列された、それぞれ独立に電圧を印加可能な電荷転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とで構成されている。

奇数行の光電変換素子５１には２つの電荷転送電極Ｖ１，Ｖ２が対応して設けられ、偶数行の光電変換素子５１には２つの電荷転送電極Ｖ３，Ｖ４が対応して設けられている。電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４には、それぞれ、ＶＬの転送パルスとＶＭの転送パルスとが撮像素子駆動部１０から印加可能になっている。

電荷転送電極Ｖ１と電荷転送電極Ｖ３は、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すための読み出し電極も兼ねており、対応する光電変換素子５１に隣接する電荷読出し部５５も覆って形成されている。電荷転送電極Ｖ１，Ｖ３には読み出しパルスも印加可能となっている。この読み出し電極に読み出しパルスを印加することで、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すことができる。

図３に示した固体撮像素子は、例えば、第１フィールドでは、電荷転送電極Ｖ３をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にした状態で、電荷転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加して奇数行の光電変換素子５１から電荷を読み出した後、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスを印加してこの電荷を転送する。次に、第２フィールドでは、電荷転送電極Ｖ１をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にした状態で、電荷転送電極Ｖ３に読み出しパルスを印加して偶数行の光電変換素子５１から電荷を読み出した後、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスを印加してこの電荷を転送する。このような動作により、全ての光電変換素子５１から電荷を読み出すことができる。

図３に示した固体撮像素子は、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出した状態で、電荷転送チャネル５２ａのバリアを形成している電荷転送電極と読み出しパルスを印加している読み出し電極との間に、パケットを形成している電荷転送電極が１つだけ存在するように１光電変換素子あたりの電荷転送電極の数（＝２個）や垂直電荷転送部５２’の駆動相数（＝４相）が決められている。このため、相殺パルスを適用しようとすると、読み出し電極の隣に相殺パルスが印加されることになり、素子の信頼性が低下するという問題がある。

図４は、図１に示すデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の別の構成例を示す平面模式図である。
図４に示す固体撮像素子は、図２に示す固体撮像素子の水平方向に並ぶ光電変換素子５１からなる光電変換素子行のうち、偶数番目にある光電変換素子行を、奇数番目にある光電変換素子行に対して、各光電変換素子行の光電変換素子５１の配列ピッチの１／２だけ水平方向にずらしたものとなっている。更に、偶数番目の光電変換素子行の各光電変換素子５１の位置をずらしたため、電荷転送チャネル５２ａを、光電変換素子列の間を各光電変換素子５１を避けて垂直方向に延びる蛇行形状としている。

図４に示す固体撮像素子の電荷転送チャネル５２ａ上方には、電荷転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が設けられている。電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ光電変換素子行の間を各光電変換素子５１を避けて水平方向に延びる蛇行形状となっている。電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４には、それぞれＶＬとＶＭの転送パルスが撮像素子駆動部１０により印加可能となっている。

奇数番目の光電変換素子行の各光電変換素子には電荷転送電極Ｖ３，Ｖ４，Ｖ１，Ｖ２をこの順に並べた電極群が対応し、偶数番目の光電変換素子行の各光電変換素子には電荷転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４をこの順に並べた電極群が対応している。

光電変換素子列の各光電変換素子５１と、それに対応する電荷転送チャネル５２ａとの間には、各光電変換素子５１で発生して蓄積された電荷を該電荷転送チャネル５２ａに読み出すための電荷読出し部５５（図では一部のみ図示した）が形成されている。

電荷転送電極Ｖ１と電荷転送電極Ｖ３は、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すための読み出し電極も兼ねており、対応する光電変換素子５１に隣接する電荷読出し部５５も覆って形成されている。電荷転送電極Ｖ１，Ｖ３にはＶＨの読み出しパルスも印加可能となっている。この読み出し電極に読み出しパルスを印加することで、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出すことができる。

図４に示した固体撮像素子は、例えば、まず、電荷転送電極Ｖ３をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にした状態で、電荷転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加して奇数行の光電変換素子５１から電荷を読み出した後、電荷転送電極Ｖ１をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、この状態で電荷転送電極Ｖ３に読み出しパルスを印加して偶数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。その後は、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスを印加してこの電荷を転送する。このような動作により、全ての光電変換素子５１から電荷を読み出すことができる。

図４に示した固体撮像素子は、光電変換素子５１から電荷転送チャネル５２ａに電荷を読み出した状態で、電荷転送チャネル５２ａのバリアを形成している電荷転送電極と読み出しパルスを印加している読み出し電極との間に、パケットを形成している電荷転送電極が１つだけ存在するように１光電変換素子あたりの電荷転送電極の数（＝４個）や垂直電荷転送部５２’の駆動相数（＝４相）が決められている。このため、相殺パルスを適用しようとすると、読み出し電極の隣に相殺パルスが印加されることになり、素子の信頼性が低下するという問題がある。

図５は、図２〜図４に示した固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図である。
光電変換素子５１と電荷転送チャネル５２ａと電荷読出し部５５は、それぞれ、ｎ型シリコン基板上に形成されたｐウェル層５７内に形成されている。このｎ型シリコン基板とｐウェル層５７とにより半導体基板が構成されている。

光電変換素子５１は、ｐウェル層５７表面から内側に形成されたｎ型不純物層５１ａと、ｎ型不純物層５１ａ表面から内側に形成された暗電流抑制のためのｐ型不純物層５１ｂとで構成されている。

光電変換素子５１と、該光電変換素子５１に対応しない電荷転送チャネル５２ａとの間には、ｐ型不純物層からなる素子分離層５６が形成されている。

電荷転送チャネル５２ａはｐウェル層５７表面から内側に形成されたｎ型不純物層によって構成されている。電荷読出し部５５は、光電変換素子５１と電荷転送チャネル５２ａとの間のｐウェル層５７の一領域によって形成されている。

電荷転送電極Ｖ２は、電荷転送チャネル５２ａだけでなく電荷読出し部５５上方も覆って形成されている。電荷転送電極Ｖ２は、ｐウェル層５７上に形成されたゲート絶縁膜６２の上に形成されている。電荷転送電極Ｖ２及びゲート絶縁膜６２上には、電荷転送電極Ｖ２と隣接する電荷転送電極との絶縁を図るための絶縁膜５８が形成されている。

絶縁膜５８上には導電性があり且つ遮光性があるタングステン等からなる遮光膜５９が形成されている。遮光膜５９は、光電変換素子５１の上方に開口を有しており、この開口面積によって光電変換素子５１の受光範囲が規定される。遮光膜５９の開口は、平面視において光電変換素子５１よりも内側に形成されており、遮光膜５９は、平面視において光電変換素子５１と重なる部分を有している。又、遮光膜５９には図示しない配線が接続され、この配線には、撮像素子駆動部１０から所定の電圧が印加可能となっている。

尚、図１に示すデジタルカメラに搭載する固体撮像素子は、遮光膜を有するＣＣＤ型の固体撮像素子であれば良く、図２，３，４に示したものに限らない。

以下、デジタルカメラの撮像時の動作について説明する。
図６は、図２に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図７は、図３に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図８は、図４に示す固体撮像素子の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。

（図２に示す固体撮像素子の駆動例）
図６に示すように、まず、第１フィールドでは、電荷読み出し前に電荷転送電極Ｖ４をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加しておく。この状態で、電荷転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加して奇数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。電荷転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加している期間は、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加する。電荷の読み出し完了後は、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６に６相の転送パルスを印加して、読み出した電荷を転送する。

次に、第２フィールドでは、電荷読み出し前に電荷転送電極Ｖ１をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加しておく。この状態で、電荷転送電極Ｖ５に読み出しパルスを印加して偶数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。電荷転送電極Ｖ５に読み出しパルスを印加している期間は、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加する。電荷の読み出し完了後は、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ６に６相の転送パルスを印加して、読み出した電荷を転送する。
撮像素子駆動部１０は、固体撮像素子５が動作している期間のうち、読み出し電極に読み出しパルスが印加されている期間を除く期間では、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加し続ける。

このように、読み出し電極に読み出しパルスを印加している期間、遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性の電圧を印加することで、ｐウェル層５７、とりわけその表面の電位を安定にしたまま、電荷の読み出しを行うことが可能となり、空乏化電圧の上昇を抑えることができる。ｐウェル層５７の電位が安定することで、電荷読み出し時にパケット電極となっている電荷転送電極のいずれかに読み出しパルスとは逆極性の相殺パルスを印加する必要がなくなるため、電荷読み出し時にパケット電極数が１つ減ってしまうことがなく、垂直電荷転送部５２の飽和容量を稼ぐことができる。

（図３に示す固体撮像素子の駆動例）
図７に示すように、まず、第１フィールドでは、電荷読み出し前に電荷転送電極Ｖ３をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加しておく。この状態で、電荷転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加して奇数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。電荷転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加している期間は、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加する。電荷の読み出し完了後は、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスを印加して、読み出した電荷を転送する。

次に、第２フィールドでは、電荷読み出し前に電荷転送電極Ｖ１をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加しておく。この状態で、電荷転送電極Ｖ３に読み出しパルスを印加して偶数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。電荷転送電極Ｖ３に読み出しパルスを印加している期間は、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加する。電荷の読み出し完了後は、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスを印加して、読み出した電荷を転送する。
撮像素子駆動部１０は、固体撮像素子５が動作している期間のうち、読み出し電極に読み出しパルスが印加されている期間を除く期間では、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加し続ける。

このように、読み出し電極に読み出しパルスを印加している期間、遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性の電圧を印加することで、ｐウェル層５７、とりわけその表面の電位を安定にしたまま、電荷の読み出しを行うことが可能となり、空乏化電圧の上昇を抑えることができる。ｐウェル層５７の電位が安定することで、電荷読み出し時にパケット電極となっている電荷転送電極のいずれかに読み出しパルスとは逆極性の相殺パルスを印加する必要がなくなるため、電荷読み出し時にパケット電極数が１つ減ってしまうことがなく、垂直電荷転送部５２の飽和容量を稼ぐことができる。

又、図３に示したような構成の固体撮像素子において相殺パルスの手法を採用する場合には、読み出し電極に隣接する電荷転送電極には必ず相殺パルスが印加されることになる。このように、読み出し電極の隣の電荷転送電極に相殺パルスが印加されてしまうと、読み出し電極と、その隣の電荷転送電極との電位差が大きくなり、ブレークダウン、電荷転送電極間の絶縁破壊、信頼性低下（連続駆動による空乏化電圧の経時劣化、転送効率の経時劣化等）等の問題を引き起こしてしまう。このため、図３に示したような構成の固体撮像素子においては、相殺パルスの手法を採用することは特に好ましくない。そこで、遮光膜５９への印加電圧を制御する上述した駆動を採用することが特に有効となる。

（図４に示す固体撮像素子の駆動例）
図８に示すように、まず、電荷読み出し前に電荷転送電極Ｖ３をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加しておく。この状態で、電荷転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加して奇数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。電荷転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加している期間は、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加する。

奇数行の光電変換素子５１からの電荷の読み出し後、電荷転送電極Ｖ１をバリア電極、それ以外の電荷転送電極をパケット電極にし、遮光膜５９にＶＭのパルスを印加しておく。この状態で、電荷転送電極Ｖ３に読み出しパルスを印加して偶数行の光電変換素子５１から電荷を読み出す。電荷転送電極Ｖ３に読み出しパルスを印加している期間は、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加する。電荷の読み出し完了後は、電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスを印加して、読み出した電荷を転送する。

このように、読み出し電極に読み出しパルスを印加している期間、遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性の電圧を印加することで、ｐウェル層５７、とりわけその表面の電位を安定にしたまま、電荷の読み出しを行うことが可能となり、空乏化電圧の上昇を抑えることができる。ｐウェル層５７の電位が安定することで、電荷読み出し時にパケット電極となっている電荷転送電極のいずれかに読み出しパルスとは逆極性の相殺パルスを印加する必要がなくなるため、電荷読み出し時にパケット電極数が１つ減ってしまうことがなく、垂直電荷転送部５２の飽和容量を稼ぐことができる。

又、図４に示したような構成の固体撮像素子において相殺パルスの手法を採用する場合には、読み出し電極に隣接する電荷転送電極には必ず相殺パルスが印加されることになる（図８に示した破線が相殺パルスを印加する場合の波形）。このように、読み出し電極の隣の電荷転送電極に相殺パルスが印加されてしまうと、読み出し電極と、その隣の電荷転送電極との電位差が大きくなり、ブレークダウン、電荷転送電極間の絶縁破壊、信頼性低下（連続駆動による空乏化電圧の経時劣化、転送効率の経時劣化等）等の問題を引き起こしてしまう。このため、図４に示したような構成の固体撮像素子においては、相殺パルスの手法を採用することは特に好ましくない。そこで、遮光膜５９への印加電圧を制御する上述した駆動を採用することが特に有効となる。

尚、以上の説明では、固体撮像素子５が動作している期間のうち、読み出し電極に読み出しパルスが印加されている期間にのみ遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性のパルスを印加するものとしているが、この期間以外の期間において遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性のパルスを印加するようにしても良い。つまり、固体撮像素子５が動作している期間中、遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性のパルス（例えばＶＬのパルス）を常に印加し続けるようにしても良い。このようにすることで、スミアや暗電流を低減することができる。

このように、遮光膜５９に読み出しパルスとは逆極性のパルスを常に印加し続ける場合には、読み出しパルスが印加されている期間以外の期間に遮光膜５９に印加するパルスの絶対値を、読み出しパルスが印加されている期間に遮光膜５９に印加するパルスの絶対値よりも小さく（例えば−２，３Ｖ）しておくことが好ましい。このようにすることで、消費電力を低く抑えることができると共に、待機時のスミアを低減することができる

又、以上の説明では、読み出しパルスが印加されている期間中に遮光膜５９に印加するパルスをＶＬのパルスとしているが、このパルスは、読み出しパルスと逆極性のパルスであれば良く、その絶対値はいくらであっても良い。例えば−２Ｖや−３Ｖでも構わない。上述したように、遮光膜５９に印加するパルスをＶＬのパルスとすることで、遮光膜５９に印加するパルスを生成するドライバと、電荷転送電極に印加するパルスを生成するドライバとを共通化することができ、コスト削減が可能となる。

又、以上の説明では、読み出しパルスの印加と遮光膜５９へのＶＬのパルスの印加とを同時に行っているが、遮光膜５９に印加するＶＬのパルスの立ち上がり又は立ち下がりにおいて、ＶＬのパルスを読み出しパルスと時間差をつけて印加しても構わない。このようにすることで、遮光膜５９及び電荷転送電極間に急に電界がかかるのを防ぐことができる。又、図４に示す固体撮像素子の場合には、図８の括弧内に図示したように、電荷転送電極Ｖ１への読み出しパルス印加開始から、電荷転送電極Ｖ３への読み出しパルス印加終了までの期間、遮光膜５９にＶＬのパルスを印加し続けるようにしても良い。

又、図５に示すように、遮光膜５９は素子分離層５６も覆っているため、上述した駆動を行うことで、隣接する垂直電荷転送部５２同士の間でのブルーミングや、電荷読み出し時のブルーミングを抑制する効果も得られる。

（第二実施形態）
図９は、図５に示す固体撮像素子の変形例を示す図である。
図９に示す固体撮像素子は、図５に示す固体撮像素子の絶縁膜５８内に、窒化珪素（ＳｉＮ）等からなる反射防止膜６１を埋設した構成となっている。反射防止膜６１には、固体撮像素子の製造工程であるシンターリング工程において水素の通り道とするための開口が設けられている。

反射防止膜６１を設けることで、光電変換素子５１表面での入射光の乱反射を抑えることができるため、感度を向上させることができる。

尚、図９には図示していないが、電荷転送電極Ｖ２には他の電荷転送電極が隣接して設けられており、これらは酸化珪素等の電極間絶縁膜によって絶縁されている。又、各電荷転送電極と遮光膜５９との間には、該電極間絶縁膜と反射防止膜６１とが存在する。このため、遮光膜５９と各電荷転送電極との距離は、隣接する２つの電荷転送電極間の距離よりも大きくなっており、反射防止膜６１を設けることで、遮光膜５９と電荷転送電極間の耐圧を、電荷転送電極間の耐圧よりも上げることができる。又、窒化珪素は、酸化珪素よりも耐圧が遥かに高いため、このような理由からも、遮光膜５９と電荷転送電極間の耐圧を、電荷転送電極同士の間の耐圧よりも上げることができる。

本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図 図１に示すデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の構成例を示す平面模式図 図１に示すデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の別の構成例を示す平面模式図 図１に示すデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の別の構成例を示す平面模式図 図２及び図３及び図４のＡ−Ａ線断面模式図 図２に示す固体撮像素子の駆動タイミングチャートを示す図 図３に示す固体撮像素子の駆動タイミングチャートを示す図 図４に示す固体撮像素子の駆動タイミングチャートを示す図 図５に示す固体撮像素子の変形例（第二実施形態）を示す図

符号の説明

５ 固体撮像素子
１０ 撮像素子駆動部
５１ 光電変換素子
５２ 電荷転送チャネル
５９ 遮光膜
６２ 絶縁膜
Ｖ１〜Ｖ３ 電荷転送電極

Claims (18)

1. 半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記半導体基板内に形成され前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送チャネルと、前記電荷転送チャネル上方に絶縁膜を介して形成された電荷転送電極とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、
   前記電荷転送電極が前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すための読み出しパルスが印加される読み出し電極を含み、
   前記固体撮像素子が、前記半導体基板及び前記電荷転送電極の上方に形成され、前記光電変換素子上方に開口を有する導電性の遮光膜を含み、
   少なくとも前記読み出し電極に前記読み出しパルスを印加する期間、前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する電圧印加手段を備える撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置であって、
   前記電圧印加手段が、前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間にも前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する撮像装置。
3. 請求項２記載の撮像装置であって、
   前記電圧印加手段が、前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間では、前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧よりも絶対値が小さい電圧を前記遮光膜に印加する撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の撮像装置であって、
   前記電荷転送電極には前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットを形成するための第一の電圧と、前記電荷転送チャネルに前記パケット同士のバリアを形成するための前記第一の電圧よりも低い第二の電圧とが印加可能であり、
   前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧が前記第二の電圧と同じである撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像装置であって、
   前記遮光膜と前記電荷転送電極との距離が、隣接する２つの前記電荷転送電極間の距離よりも大きい撮像装置。
6. 請求項５記載の撮像装置であって、
   前記遮光膜と前記電荷転送電極との間には、隣接する２つの前記電荷転送電極間より耐圧の高い材料の膜が含まれている撮像装置。
7. 請求項６記載の撮像装置であって、
   前記耐圧の高い材料が窒化珪素である撮像装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の撮像装置であって、
   前記遮光膜が、平面視において前記光電変換素子と重なりを有している撮像装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の撮像装置であって、
   前記固体撮像素子が、前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すときに、前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットのバリアを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極と、前記読み出しパルスが印加される前記読み出し電極との間に、前記パケットを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極が１つだけ存在するような構成の固体撮像素子である撮像装置。
10. 半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記半導体基板内に形成され前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送チャネルと、前記電荷転送チャネル上方に絶縁膜を介して形成された電荷転送電極とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記電荷転送電極が前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに電荷を読み出すための読み出しパルスが印加される読み出し電極を含み、
    前記固体撮像素子が、前記半導体基板及び前記電荷転送電極の上方に形成され、前記光電変換素子上方に開口を有する導電性の遮光膜を含み、
    少なくとも前記読み出し電極に前記読み出しパルスを印加する期間、前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する固体撮像素子の駆動方法。
11. 請求項１０記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間にも前記読み出しパルスとは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加する固体撮像素子の駆動方法。
12. 請求項１１記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記読み出しパルスを印加する期間以外の期間では、前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧よりも絶対値が小さい電圧を前記遮光膜に印加する固体撮像素子の駆動方法。
13. 請求項１０〜１２のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記電荷転送電極には前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットを形成するための第一の電圧と、前記電荷転送チャネルに前記パケット同士のバリアを形成するための第二の電圧とが印加可能であり、
    前記読み出しパルスを印加する期間に前記遮光膜に印加する電圧が前記第二の電圧と同じである固体撮像素子の駆動方法。
14. 請求項１０〜１３のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記遮光膜と前記電荷転送電極との距離が、隣接する２つの前記電荷転送電極間の距離よりも大きい固体撮像素子の駆動方法。
15. 請求項１４記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記遮光膜と前記電荷転送電極との間には、隣接する２つの前記電荷転送電極間より耐圧の高い材料の膜が含まれている固体撮像素子の駆動方法。
16. 請求項１５記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記耐圧の高い材料が窒化珪素である固体撮像素子の駆動方法。
17. 請求項１０〜１６のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記遮光膜が、平面視において前記光電変換素子と重なりを有している固体撮像素子の駆動方法。
18. 請求項１０〜１７のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記固体撮像素子が、前記光電変換素子から電荷を前記電荷転送チャネルに読み出すときに、前記電荷転送チャネルに電荷を蓄積するパケットのバリアを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極と、前記読み出しパルスが印加される前記読み出し電極との間に、前記パケットを形成するための電圧が印加される前記電荷転送電極が１つだけ存在するような構成の固体撮像素子である
    固体撮像素子の駆動方法。

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