JP2009253818A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素に電荷保持部と増幅部と電荷保持部から増幅部へ電荷を転送する転送部を有する固体撮像装置において、電荷保持部に混入する暗電流の低減と、転送部の耐圧維持を両立することを目的とする。
【解決手段】 画素に電荷保持部と増幅部とを有する固体撮像装置であって、電荷保持部から増幅部へ電荷を転送する転送部を非導通状態とする際に、転送電極に供給される第１の電圧は、転送部の導通期間中に転送電極に供給される電圧と逆極性の電圧であり、電荷保持部で電荷を保持している保持期間中に、電荷保持部の制御電極に供給される第２の電圧は、前記第１の電圧と同極性で且つその絶対値が前記第１の電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に電子シャッタ動作を可能とする電荷保持部を画素に設けた固体撮像装置に関する。

従来、光電変換素子の電荷を転送ＭＯＳトランジスタによりフローティングディフュージョン領域へ転送して電圧に変換して読み出す固体撮像装置が知られている。このような固体撮像装置において、光電変換素子での蓄積期間中に転送ＭＯＳトランジスタのチャネル部からの電子が光電変換素子へ流れ込み暗電流となる場合があった。これに対して特許文献１には、オフ時に転送ＭＯＳトランジスタの制御電極に印加する信号のレベルを、オフ時に他のＭＯＳトランジスタの制御電極に印加する信号のレベルよりも小さくすることにより抑制する構成が開示されている。

また特許文献２には、画素に、各光電変換素子に対応して設けられた電荷蓄積部を設け電子シャッタ動作を行なう構成が開示されている。電荷蓄積部のゲート電極にはストレージパルスが入力されている。このストレージパルスは、蓄積期間中の直前において、アクティブパルスが供給され蓄積期間中はインアクティブパルスが供給される。その後、光電変換素子の信号電荷を全画素同時に電荷蓄積部に転送させるのに先立って、電荷蓄積部をクリアする。具体的には、光電変換素子での蓄積期間完了時にフレームシフトパルス（ストレージパルス）をアクティブにするのに先立って、読出選択用トランジスタをオンさせる。これにより、電荷蓄積部に蓄積されている不要電荷をフローティングディフュージョンに転送しリセットしている。
特開２００１−２４５２１６号公報 特開２００４−１１１５９０号公報

特許文献２においては電荷蓄積部のゲート電極に入力するパルスの振幅、特に蓄積期間中に供給される電圧に関しての検討が充分ではなかった。

電荷蓄積部の電荷保持期間においても暗電流が混入する恐れがある。電荷蓄積部の電荷蓄積用の半導体領域と表面酸化膜との界面において暗電流が発生し、これが電荷保持部で保持されている電荷に混入する。特に、電荷保持部での電荷保持量を大きくするために、電荷保持部の半導体領域の不純物濃度をある程度高くした場合には影響が大きい。更に、特許文献１で記載されているように、転送電極下のチャネル部分での暗電流抑制も重要となる。しかし、転送部の非導通期間中に供給される電圧値と、前記電荷保持部の蓄積期間中に電荷保持部のゲート電極に供給される電圧の関係に関しては検討が成されていなかった。特に低電圧で動作させる際にはＭＯＳトランジスタの耐圧維持が重要な課題となる。

本発明は上記課題に鑑み、電荷保持部に混入する暗電流の低減と、転送部の耐圧維持を両立することを目的とする。

本発明は上記課題に鑑み、光電変換部と、前記光電変換部で生じた信号電荷を蓄積可能な半導体領域と、該半導体領域上に絶縁膜を介して配された制御電極とを含み、前記信号電荷を保持可能な電荷保持部と、増幅部と、前記電荷保持部と前記増幅部の入力部との導通を制御する転送電極を有する転送部と、を有する画素を複数有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記転送部を非導通状態とする際に前記転送電極に供給される第１の電圧は、前記転送部の導通期間中に前記転送電極に供給される電圧と逆極性の電圧であり、前記電荷保持部で電荷を保持している保持期間中に、前記制御電極に供給される第２の電圧は、前記第１の電圧と同極性で且つ前記第１の電圧よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、画素に電荷保持部を有するような構成において暗電流による影響の低減と電荷転送部の耐圧維持の両立が可能となる。

図１は固体撮像装置の概略ブロック図であり、複数の画素が行列状に配列された撮像領域１１、垂直走査回路１２及び水平走査回路１３を含む。垂直走査回路は不図示の電源供給部とともに後述の電圧供給部を構成する。水平走査回路１３は、撮像領域の画素の列に対応して設けられた信号線を順次走査することにより１行分の画素からの信号を出力回路１４から出力させる。

図２は、撮像領域１０１に含まれる画素の等価回路図である。説明の簡略化のために撮像領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素での領域を例に取っているが、画素の数をこれに限定するものではない。

２は光電変換部である。３は電荷保持部である。光電変換部で生じた信号電荷を保持する。４は増幅部の入力部である。８は第１の転送部である。電荷保持部の電荷を増幅部の入力部へ転送する。９は必要に応じて設けられる第２の転送部である。光電変換部の電荷を電荷保持部へ転送する。１０はリセット部である。少なくとも増幅部の入力部に基準電圧を供給する。更に電荷保持部に対して基準電圧を供給しても良い。１１は必要に応じて設けられる選択部である。信号線に画素行ごとの信号を出力させる。１２は増幅部である。信号線に設けられた定電流源とともにソースフォロワ回路を構成する。１３は電荷排出制御部である。光電変換部とオーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）として機能する電源線との接続を制御する。

図１、２の構成は以下の実施形態に共通に適用可能である。また等価回路はこれに限られるものではなく、一部の構成を複数の画素で共有してもよい。また、各素子の制御配線を一定電圧で固定し、導通の制御を行なわない構成にも適用可能である。

（第１の実施形態）
図３に本実施形態の固体撮像装置の平面図を示す。各領域は説明のために矩形であるが、各構成が矩形をしているわけではなく、この領域に各構成が少なくとも配されていることを示している。他の実施形態においても同様である。

１０１は光電変換部である。例えば、フォトダイオードを用いることができる。入射光により信号電荷と該信号電荷と逆極性の電荷との対が生じる。

１０２は電荷保持部である。光電変換部で生じた信号電荷を保持可能な構成となっている。信号電荷を蓄積する半導体領域とこの半導体領域の上に絶縁膜を介して配された制御電極により構成される。

１０３は電荷電圧変換部である。例えば、半導体基板に配されたフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）を含んで構成される。

１０４は第１の転送部である。第１の転送部は電荷保持部と電荷電圧変換部の間の第１の経路（第１のチャネル）のポテンシャル状態を制御可能である。ここでのポテンシャルは信号電荷に対してものである。第１の転送部により、電荷保持部から電荷電圧変換部への信号電荷の転送量を制御可能である。第１の転送部は絶縁膜を介して第１の経路上に配されたポリシリコンにより構成することができる。

１０５は第２の転送部である。光電変換部と電荷保持部との間の第２の経路のポテンシャル状態を制御可能である。第２の転送部により光電変換部から電荷保持部への信号電荷の転送量を制御可能である。第２の転送部は、絶縁膜を介して第２の経路上に配されたポリシリコンにより構成することができる。

１０６はリセット部である。例えば，ドレインにリセット用の電圧が供給されたＭＯＳトランジスタ（リセットＭＯＳトランジスタ）を用いることができる。リセット部１０６は、電荷蓄積部１０２及び電荷電圧変換部１０３の電荷を排出可能である。

１０７は増幅部である。例えばＭＯＳトランジスタ（増幅ＭＯＳトランジスタ）を用いることができる。増幅ＭＯＳトランジスタは不図示の定電流源とともにソースフォロワ回路を構成する。増幅ＭＯＳトランジスタのゲートが電荷電圧変換部１０３に接続されている。増幅ＭＯＳトランジスタのゲート及び電荷電圧変換部１０３が増幅部の入力部として機能する。

１０８は選択部である。不図示の垂直出力線への信号出力を制御する。ＭＯＳトランジスタ（選択ＭＯＳトランジスタ）を用いて構成することができる。

１０９は光電変換部の電荷を後述のオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）領域へ排出するための排出電荷制御部である。光電変換部とＯＦＤ領域との間の経路のポテンシャル状態を制御する。絶縁膜を介して経路上に配されたポリシリコンにより構成することができる。１１０はＯＦＤ領域である。電源電圧が供給された半導体領域である。

図４に図３のＡ−Ａ´における断面図を示す。図３の各構成部に対応する構成に同様の符号を付す。以下では、半導体領域の導電型は信号電荷として電子を用いる場合に関して説明する。ホールを用いる場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。

２０１はＰ型の半導体領域である。Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物イオンを注入して形成することもできるし、Ｐ型の半導体基板を用いてもよい。

２０２は光電変換部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）である。信号電荷である電子と同極性である。Ｐ型の半導体領域２０１（第２導電型の第２の半導体領域）の一部とＰＮ接合を構成する。

２０３はＮ型半導体領域２０２の表面に設けられたＰ型の半導体領域である。光電変換部を埋め込み型フォトダイオードとするために設けられ、界面準位の影響を低減し光電変換部表面で生じる暗電流の発生を抑制する。光電変換部は少なくとも第１の半導体領域と、該第１の半導体領域とＰＮ接合を形成する第２の半導体領域とを含んで構成される。

２０４は第１の転送部を構成する第１の転送電極である。第１の転送電極に供給する電圧によって、電荷保持部と電荷電圧変換部（後述の第４の半導体領域）の間のポテンシャル状態を制御可能である。第１の転送電極は、後述の第３の半導体領域と第４の半導体領域との間の第１の経路上に絶縁膜を介して配される。

２０５は電荷蓄積部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第３の半導体領域）である。光電変換部から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成となっている。２０６は制御電極である。第３の半導体領域上に絶縁膜を介して配され、第３の半導体領域の、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。電荷保持部において電荷を保持する保持期間中に制御電極２０６に電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域２０５の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。後述するように、この時、供給される電圧は、第３の半導体領域と絶縁膜との界面にホールを集める必要があるため負電圧が好ましく、例えば−３Ｖ程度の電圧が供給される。この電圧は第３の半導体領域の不純物濃度により適宜変更される。

図３の電荷保持部１０２は、Ｎ型半導体領域２０５及び制御電極２０６を含んで構成される。

２０７は第２の転送部１０５を構成する第２の転送電極である。光電変換部と電荷保持部との間の第２の経路のポテンシャル状態を制御可能である。

２０８はフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）である。電荷電圧変換部として機能する。増幅ＭＯＳトランジスタのゲートとプラグ２０９等を介して電気的に接続されている。

２１０は遮光膜である。入射光が電荷蓄積部へ侵入しないように配置されている。少なくとも電荷保持部１０２を覆っていることが必要であるが、図示するように、第２の転送電極の全体及び第１の転送電極の一部の上部まで延在して配置されていると更に遮光機能が高まり好ましい。

２１１は電荷排出用の制御電極である。光電変換部とＯＦＤ領域との間の第３の経路のポテンシャル状態を制御可能である。電荷排出制御電極は第３の経路上に絶縁膜を介して配されている。入射光により光電変換部に生じた電荷をＯＦＤ領域に排出可能なようにポテンシャル状態を制御する。２１１に供給する電圧により、光電変換部での蓄積期間（露光期間）の長さを制御可能である。

２１２はＯＦＤ領域（第５の半導体領域）、２１３はＯＦＤ領域へ電源電圧を供給するためのプラグである。

図３、４に示した単位画素が、複数、好ましくは二次元状に配されて、固体撮像装置が構成されている。画素はリセット部、増幅部、選択部などを複数の光電変換部で共有することも可能である。

図５に図３、４に示した固体撮像装置の駆動パルスの一例を示す。ここでは本実施形態の特徴に直接関係する駆動パルスのみについて説明する。上述のリセットＭＯＳトランジスタ、選択ＭＯＳトランジスタの具体的な駆動パルスの詳細は省略する。

図５において、Ｔ_ＯＦＤは電荷排出制御電極２１１に供給される駆動パルスである。Ｔ_ｘ１は第１の転送電極２０４に供給される駆動パルスである。Ｔ_ｘ２は第２の転送電極２０７に供給される駆動パルスである。Ｔ_ｈｏｌｄは電荷保持部の制御電極２０６に供給される駆動パルスである。ＦＤ電位はＦＤ領域の電位変化の一例を示す。電位変化量は転送される電荷量により異なる。

ｍｏｄｅＦＤはＦＤ領域の駆動状態を示すものである。リセット期間とはリセット部からＦＤ領域へ基準電圧が供給された状態である。ただし、リセット期間の全期間に基準電圧が供給されている必要はなく、少なくとも電荷保持部からの電荷が転送される直前に供給されていれば良い。読み出し期間とは、ＦＤ領域へ電荷が転送され、選択部により外部に信号が読み出されている状態である。したがって、電荷保持部から転送された電荷がＦＤ領域に存在している期間となる。

ｍｏｄｅＰＤは光電変換部の駆動状態を示すものである。電荷排出期間とは、ＯＦＤ領域へ光電変換部の電荷が排出されている状態を示す。電荷排出期間の全期間において電荷が排出されている必要はなく、少なくとも蓄積期間の直前に電荷が排出されれば良い。ここで蓄積期間とは光電変換部において電荷を蓄積する期間である。蓄積期間においては電荷蓄積部及びＯＦＤ領域への電荷の移動が抑制されている。つまり第２の転送部は非導通状態となっている。

そしてこの蓄積状態の終了時に第２の転送部により光電変換部の電荷が電荷保持部へ転送される。撮像面全体で蓄積時間を揃えるグローバル電子シャッタ動作の場合には、蓄積期間の終了時に第２の転送部により行なわれる転送動作は全画素一括で行なわれる。また、グローバル電子シャッタ動作の場合には電荷排出期間の終了（蓄積期間の開始）も全画素で一括に行なう必要がある。

ｍｏｄｅＨＯＬＤは電荷蓄積部の駆動状態を示す。保持期間は、光電変換部から転送された電荷を保持している期間である。第２の転送部により全画素の光電変換部の電荷を電荷保持部に転送した後に、第１の転送部により行順次にＦＤ領域へ転送を行なうが、第２の転送部による転送と、第１の転送部による転送の間の期間が電荷蓄積部での保持期間にあたる。

次に図５における各転送電極、制御電極に供給するパルスに関して説明する。本実施形態の特徴は、電荷保持部での保持期間中に電荷保持部の制御電極に供給する電圧が負電圧である点である。更に、保持期間において電荷保持部の制御電極に供給される第１の負電圧の絶対値が、第１の転送電極の非導通時に供給される第２の負電圧の絶対値よりも大きい点である。より一般的にいうと、第１の転送部の非導通期間中に供給される第１の電圧は、第１の転送部の導通期間中に供給される電圧と逆極性の電圧である。更に、電荷保持部の蓄積期間中に制御電極に供給される第２の電圧は、第１の電圧と同極性で且つ第１の電圧の絶対値よりも大きい。

第１の電圧、第２の電圧は図１の垂直走査回路を含む電圧供給部により供給される。電圧供給部は、第１の転送部の非導通期間中に、第１の転送部の導通期間中に供給される電圧と逆極性の第１の電圧を、前記第１の転送電極に供給する。第１の電圧は、図１の駆動制御配線を介して供給される。さらに電圧供給部は、電荷保持部の蓄積期間中に、電荷保持部の制御電極に前記第１の電圧と同極性で且つその絶対値が前記第１の電圧の絶対値よりも大きい第２の電圧を供給するように構成されている。

ここで第１の転送電極の非導通期間中の電圧と、電荷保持部の制御電極の保持期間中の電圧の大小関係に関して説明する。

電荷保持部の制御電極はＮ型半導体領域２０５上部に配されている。Ｎ型半導体領域２０５は信号電荷の蓄積機能を高めるために不純物濃度を高くする必要がある。不純物濃度が高くなるにつれて、暗電流の抑制のためにより負の電圧が必要になる。

また、第１の転送電極に非導通期間中に供給される電圧はＮＭＯＳトランジスタであれば０Ｖであることが多い。これは通常のＩＣにおいて、電源電圧を０〜３．３Ｖもしくは０〜５Ｖで使用するためである。０Ｖであると転送電極下のチャネル部分から生じる暗電流の影響を充分に抑制することができない。したがって各転送電極の非導通時に負電圧を供給し、チャネル部分にホールを集めることにより暗電流を抑制する（特許文献１参照）。上述の理由から、電荷保持部の制御電極と第１の転送電極の非導通時の電圧値を等しくし、例えば−３Ｖとすることも考えられる。このような関係とすれば、第１の転送電極下の暗電流及び電荷保持部における暗電流の両者の暗電流を抑制することが可能となる。しかしながら、そのような電圧にすると、第１の転送電極とＦＤ領域との間に大きな電界が印加され、ゲート・ドレイン間の酸化膜の絶縁耐圧性能が低下する場合がある。具体的には、第１の転送電極に例えば電荷保持部と同様に−３Ｖの電圧を供給したとする。第１の転送電極を含んで構成されるＭＯＳトランジスタのドレイン、つまりＦＤ領域には前のフレームの信号電荷が読み出された後、リセット部により基準電圧が供給された状態となっている。これは例えば５Ｖの電圧である。そうすると、ＦＤ領域の第１の転送電極側の端部には８Ｖの電圧が印加され、耐圧性能が低下してしまう。もしくはこのような電圧状態とならないようにＦＤ領域に印加される電圧値に制限がかかるもしくは駆動タイミングに制限がかかってしまう。

これに対して電荷保持部を構成するＮ型半導体領域２０５には、リセット期間においてリセット部から基準電圧（例えば５Ｖ）が供給される。しかし、Ｎ型半導体領域の表面にはホールが集まっており、そのホールは基板と同電位の０Ｖになっているので、Ｎ型半導体領域上の酸化膜にはたかだか−３Ｖ程度しか印加されない。また、ホールの集まりが一部とぎれる部位においても、Ｎ型半導体領域は、基準電圧に達する前に完全に空乏化してしまい、基準電圧になることはない。また、蓄積期間においては、光電変換部からの電荷が転送され、空乏化時の電圧からさらに電位が下がった状態となっている。

したがって、第１の転送部の非導通時に供給される負電圧よりも負側に大きくしたとしても第１の転送部ほど大きな電界が印加されることはない。したがって、電荷保持部の制御電極に、蓄積期間中に供給される電圧を、第１の転送電極の非導通時に供給される電圧よりも負側に大きくすることにより、暗電流の抑制と第１の転送部の耐圧維持とを両立することが可能となる。

次に具体的な駆動パルスに関して説明する。転送部及び電荷排出制御部はＨｉｇｈパルスで導通（ＯＮ）し、Ｌｏｗパルスで非導通（ＯＦＦ）となる。Ｔ_ＯＦＤ、Ｔ_ｘ１、Ｔ_ｘ２は、導通時の電圧が５Ｖ、非導通時の電圧が−１Ｖである。Ｔ_ｈｏｌｄは、電荷保持期間の電圧が−３Ｖである。

まず図５の初期状態として、ＦＤ領域がリセット期間、光電変換部が電荷排出期間、電荷保持部が電荷保持期間となっている。この時、Ｔ_ＯＦＤが導通状態であり、光電変換部からの電荷がＯＦＤ領域へ排出された状態となる。この状態では、光電変換部に光が入射しているものの光電変換により生じた電荷がすべてＯＦＤ領域へ排出されている。このとき電荷保持部は前のフレームで光電変換部から転送された信号電荷を保持している。

次に第１の転送部を導通状態にすべく、第１の転送電極に第１の電圧が供給され、電荷保持部に保持されていた電荷がＦＤ領域へ転送される。この動作により、電荷蓄積部での電荷保持期間が終了する。また第１の転送電極に第１の電圧が供給される所定時間前にＦＤ領域のリセット期間も終了する。

次にＦＤ領域に転送された電荷に基づく信号が外部へ読み出される。この期間がＦＤ領域の読み出し期間となる。ＦＤ電位はリセット部により供給された基準電圧から図示するように電荷保持部から転送された電荷量に応じた電位だけ低下する。つまりＦＤ領域において、信号電荷を電圧に変換している。この状態において選択部により増幅トランジスタへの電流供給を制御し、ソースフォロワ動作により、外部へ信号を読み出す。これがＦＤ領域の読み出し期間における動作である。

読み出し期間終了後にリセット部によりＦＤ領域に基準電圧が供給され、ＦＤ領域の電位が基準電位となる。これにより、再度ＦＤ領域がリセット期間となる。

次に、電荷排出制御部を非導通とすべくＴ_ＯＦＤに導通時に比べて低い電圧が供給される。これにより、光電変換部が電荷排出期間から電荷蓄積期間へ移行する。蓄積期間においては、電荷蓄積部の制御電極には、Ｔ_ＨＯＬＤとして第２の電圧、例えば−３Ｖが供給されており、Ｔ_ｘ１には第１の電圧、例えば−１Ｖが供給されている。

次に光電変換部での蓄積期間中に、第２の転送部を導通状態とすべく、Ｔ_Ｘ２に非導通状態と比べて高い電圧が供給され導通状態となり、電荷蓄積部に光電変換部の電荷が転送される。これにより光電変換部での電荷蓄積期間が終了する。この後、Ｔ_ＯＦＤに非導通時に比べて高い電圧が供給されることにより、光電変換部は電荷排出状態となる。そして電荷保持部は電荷保持状態となる。この際、第１の転送部は非導通状態である。この非導通期間中に第１の転送電極に供給される電圧（第１の電圧）は−１Ｖで、電荷保持部の制御電極に供給される電圧（第２の電圧）は−３Ｖである。つまり、第２の電圧は第１の電圧と同極性で且つ第１の電圧の絶対値よりも大きい。このような関係とすることにより電荷保持部での暗電流混入を低減し且つ、第１の転送部の耐圧を維持することが可能となる。

次に予め設定された露光時間に応じて、電荷排出制御部を非導通とすべく、Ｔ_ＯＦＤに導通状態と比べて低い電圧を供給する。これにより光電変換部の電荷排出状態は終了し、電荷蓄積状態へと移行する。

次にＴ_Ｘ２に第２の転送部を導通状態とする電圧を供給する。これにより光電変換部の電荷蓄積期間が終了する。電荷保持部に保持された電荷量に応じてＦＤ領域の電位が変化する。この電位変化に応じた信号をソースフォロワ回路で外部へ読み出す。

このような走査を連続して行なうことにより撮像を行なう。本実施形態においては１画素行の画素からの読み出しに関して説明したが、複数の画素行を有する場合には、光電変換部での電荷蓄積期間を全画素で同一の期間となる様に、第１の転送部、電荷排出制御部を制御する。そして、電荷保持部からＦＤ領域への電荷転送を画素行ごとに順次行なうことにより、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。もしくはグローバル電子シャッタ動作を行なわず、光電変換部から電荷保持部への転送も行順次に行なっても良い。

また、光電変換部での電荷蓄積時間は、第１の転送部、電荷排出制御部の制御により適宜設定可能である。

本実施形態によれば電荷保持部での電荷蓄積期間中に、電荷保持制御電極に供給する負電圧を供給することにより、暗電流混入を低減することが可能となる。加えて、第１の転送電極の非導通時において供給する電圧として、負電圧であって、電荷保持部の電荷保持期間中に供給される電圧よりも小さい電圧を供給する。これにより、電荷蓄積部での暗電流混入及び第１の転送部の耐圧維持との両立が可能となる。

また、本実施形態によれば、リセット部により第４の半導体領域へ供給される基準電圧が供給される期間と、前記転送電極に非導通時の前記第２の電圧が供給されている期間との少なくとも一部の期間を重ねることが可能となる。つまりリセット部の駆動タイミングの自由度を上げることが可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態の固体撮像装置の平面図を図６に示し、図６のＢ−Ｂ´断面を図７に示し、駆動パルス図を図８にそれぞれ示す。第１の実施形態と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、光電変換部と電荷保持部との間の経路の構造が第１の実施形態と異なる。第１の転送部が非導通状態となる電圧が供給されている状態で、光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送可能な構造となっている。例えば具体的な構成としては、第２の転送電極下が、埋め込みチャネル構造であり、非導通状態であっても表面よりも深い部位にエネルギー障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。

このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生じた信号電荷の大半が光電変換部で蓄積されることなく電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積期間を揃えることが可能となる。また、非導通時には表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。

別の観点でいうと、光電変換部及び電荷蓄積部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の経路（第２の経路）のポテンシャルが光電変換部とＯＦＤ領域との間の経路（第３の経路）のポテンシャルよりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。

さらに駆動という観点では、一蓄積期間の最中に電荷保持部において電荷を保持し、電荷保持部で保持された信号を画像として用いている。つまり、光電変換部での一蓄積期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお一蓄積期間とは一フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものであり、各フレームの露光時間と言い換えることもできる。

図６、７において１０４が第１の転送部である。５０１が低濃度のＮ型半導体領域であり、これによりチャネルを絶縁膜界面から所定の深さの領域に形成することが可能となる。また第２の転送部を構成する転送電極が電荷保持部の制御電極と共通化された構造となっている。共通電極に負電圧が供給されても、絶縁膜界面より所定の深さの領域に電子に対してポテンシャルが低い領域（埋め込みチャネル）が形成されるように電圧、もしくは経路の不純物濃度、位置は設定される。このチャネルを介して光電変換部から電荷保持部へ電荷が転送される。つまり第２の転送電極に非導通の駆動パルスが供給されても、電荷排出制御電極の電圧を調節することで光電変換部の電荷が電荷保持部へ転送される構成となる。

次に、図８の駆動パルス図に関して説明する。本実施形態においても駆動の要部は第１の実施形態と同様である。電荷蓄積部での保持期間において、上述の共通電極に供給される電圧が、第１の転送電極の非導通時に供給される電圧よりも低い電圧（負側に高い）である。このような駆動パルスを供給することにより、電荷保持部での暗電流混入を低減し、第１の転送部の耐圧を維持することが可能となる。

また第１の実施形態と異なる点として、電荷蓄積部での電荷保持期間中においては、電荷排出制御部を常に導通状態として、光電変換部を電荷排出状態としておく必要がある点である。この電荷排出状態は、第１の転送電極が導通状態となり、電荷保持部の電荷がＦＤ領域へ転送された以降の任意のタイミングで解除される。これは、上述したように、第２の転送部が非導通状態においても光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送可能な構成となっているためである。つまり、電荷保持部への電荷転送が完了した後、ＦＤ領域への電荷転送を待っている状態においても、光電変換部からの電荷が電荷保持部へ流入してしまう。このような状態では電荷保持部での保持期間の長さに応じて、光電変換部からの電荷流入量が異なってしまい、正確な信号読み出しが困難となる。したがって、少なくとも全画素において電荷蓄積部からＦＤ領域への電荷転送が完了するまで電荷排出部によって光電変換部の電荷を排出する必要がある。

第１の実施形態においては光電変換部で電荷を蓄積するためこの蓄積する期間を蓄積期間とした。しかし、本実施形態では光電変換された電荷の大半はすぐに電荷保持部へ転送されるため、光電変換部においては、電荷排出期間と、非排出期間とが交互に繰り返される状態となる。

本実施形態においては、図３と図６を比較すると明らかなように、電荷保持部での蓄積期間が第１の実施形態に比べて長くなる傾向にある。したがって電荷保持部で混入する暗電流の影響も第１の実施形態と比べてさらに大きくなる可能性がある。このような場合に上述のように、電圧の関係を規定することにより、更に電荷蓄積部での暗電流混入低減の効果は大きい。加えて、第２の転送部の耐圧維持も可能となる。

また本実施形態においては、第２の転送部のゲート電極と電荷保持部のゲート電極とを共通としたがこれに限られるものではない。共通にすることにより駆動配線が減り、開口率向上などの点で好ましいが、別電極とし、別駆動を行なうことも可能である。また、光電変換部での非排出期間の最後に全画素一括で共通電極を導通状態とすることにより、少量ではあるが光電変換部に残った電荷を信号として用いることが可能となり、低輝度領域での線形性という点で好ましい。

本発明に関して具体的な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。発明の要旨を逸脱しない限り、適宜変更、組み合わせは可能である。例えば実施形態においては、信号電荷を電子として説明したが、ホールとすることも可能である。この場合には各半導体領域の導電型が逆導電型となり、供給する電圧の極性が逆になるのみである。各転送ゲート電極及び電荷保持ゲート電極に対して、非導通時、電荷保持期間に負電圧を供給したが、これを正電圧にすればよい。

固体撮像装置の全体図の一例である。 固体撮像装置の等価回路図の一例である。 第１の実施形態の固体撮像装置の平面図である。 図３のＡ−Ａ´における断面図である。 第１の実施形態の駆動パルス図である。 第２の実施形態の固体撮像装置の平面図である。 図６のＢ−Ｂ´における断面図である。 第２の実施形態の駆動パルス図である。

符号の説明

１０１ 光電変換部
１０２ 電荷保持部
１０４ 第１の転送部
１０５ 第２の転送部
１０６ リセット部
１０７ 増幅部

Claims (7)

1. 光電変換部と、
   前記光電変換部で生じた信号電荷を蓄積可能な半導体領域と、該半導体領域上に絶縁膜を介して配された制御電極とを含み、前記信号電荷を保持可能な電荷保持部と、
   増幅部と、
   前記電荷保持部と前記増幅部の入力部との導通を制御する転送電極を有する転送部と、を有する画素を複数有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記転送部を非導通状態とする際に前記転送電極に供給される第１の電圧は、前記転送部の導通期間中に前記転送電極に供給される電圧と逆極性の電圧であり、
   前記電荷保持部で電荷を保持している保持期間中に、前記制御電極に供給される第２の電圧は、前記第１の電圧と同極性で且つ前記第１の電圧よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記増幅部の入力部に基準電圧を供給するリセット部を更に有し、
   前記リセット部により前記増幅部の入力部へ供給される基準電圧が供給される期間と、
   前記転送電極に非導通時の前記第２の電圧が供給されている期間とが、少なくとも一部の期間で重なっ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の駆動方法。
3. 第１導電型の第１の半導体領域と、該第１の半導体領域とＰＮ接合を形成する第２導電型の第２の半導体領域とを含み、入射光により信号電荷と該信号電荷と逆極性の電荷との対が生じる光電変換部と、
   第１導電型の第３の半導体領域と、該第３の半導体領域上に絶縁膜を介して配され、該第３の半導体領域の、前記絶縁膜との界面近傍の領域の前記信号電荷に対するポテンシャル状態を制御可能な制御電極と、を含む電荷保持部と、
   第１導電型の第４の半導体領域と、
   前記第３の半導体領域と前記第４の半導体領域との間の第１の経路上に絶縁膜を介して配された第１の転送電極を含み、前記第１の経路の前記信号電荷に対するポテンシャル状態を制御可能な第１の転送部と、
   前記第４の半導体領域の電位を基準電位とするためのリセット部と、を含む画素を複数有する固体撮像装置であって、
   前記第１の転送部及び前記制御電極に電圧を供給する電圧供給部を有し、該電圧供給部は、
   前記第１の転送部の非導通期間中に、前記第１の転送部の導通期間中に供給される電圧と逆極性の第１の電圧を、前記第１の転送電極に供給し、
   前記電荷保持部の蓄積期間中に、前記制御電極に前記第１の電圧と同極性で且つ前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧を供給することを特徴とする固体撮像装置。
4. 前記光電変換部と前記電荷保持部との間の第２の経路上に、絶縁膜を介して配された第２の転送電極を更に有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記光電変換部と前記電荷保持部との間の第２の経路が埋め込みチャネルであることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 更に、第１導電型の第５の半導体領域と、前記光電変換部と前記第５の半導体領域との間の第３の経路上に絶縁膜を介して配された電荷排出制御電極とを有する電荷排出部を有し、
   前記第２の経路の信号電荷に対するポテンシャルが、前記第３の経路の信号電荷に対するポテンシャルよりも低いことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記制御電極が前記第２の経路上まで延在していることを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の固体撮像装置。

Images