JP2871640B2 - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

固体撮像素子の駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は抵抗性ゲート電荷転
送素子を有する固体撮像素子の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、固体撮像素子として主にインター
ライン型の電荷結合素子（ＩＴ−ＣＣＤ）が用いられて
いる。このＩＴ−ＣＣＤでは、フォトダイオード列に隣
接して多数の転送電極で構成される垂直ＣＣＤがあり、
全部または１つ置きのフォトダイオードに蓄積された信
号電荷を垂直ＣＣＤに同時に読みだしている。そして、
転送電極に転送パルスを印加することで、信号電荷を垂
直ＣＣＤ端にある水平ＣＣＤに転送している。
【０００３】このＩＴ−ＣＣＤでは、全部または１つ置
きのフォトダイオードに蓄積された信号電荷を蓄積でき
るだけの容量が垂直ＣＣＤに必要で、セルの縮小に伴い
フォトダイオードの容量を確保することが困難になって
くる。
【０００４】この問題を解決する方法として、多数の転
送電極で構成された垂直ＣＣＤの代わりに、１つの抵抗
性ゲートで構成された垂直電荷転送素子を用いた固体撮
像素子が考案されている。（Hyndrik Heyns et al, "Th
e Resistive Gate CTD Area-Image Sensor", IEEE Tran
saction on Electron Devices, Vol.ED-25, No.2, pp.
135-139, 1978.）この固体撮像素子では、抵抗性ゲート
の両端に定電位差を与えて電荷転送チャネルを傾斜さ
せ、信号電荷を転送する。各フォトダイオードの転送は
行毎に行なわれるので、１本の垂直電荷転送素子は１つ
のフォトダイオードの信号電荷のみを転送すればよい。
従って垂直電荷転送素子の容量を小さくすることがで
き、その分フォトダイオードの容量を大きくすることが
できる。以下、この固体撮像素子について詳しく説明す
る。
【０００５】図１０は垂直抵抗性ゲート電荷転送素子を
用いた固体撮像素子を示す平面図である。フォトダイオ
ード１は、窓の開いた表面チャネルのＭＯＳ型でｐ型シ
リコン上に絶縁膜を介してポリシリコンからなる蓄積電
極４が形成されている。蓄積電極に正の電圧を印加して
電位井戸を形成し、そこに蓄積電極の上下領域で光生成
した信号電荷を蓄積する。フォトダイオード列に隣接し
て垂直抵抗性ゲート電荷転送素子が形成され、これはＰ
型シリコン中のｎウェルで形成された電荷転送チャネル
２と、その上に絶縁膜を介して高抵抗なポリシリコンか
らなる抵抗性ゲート３から構成される。垂直シフトレジ
スタ５でフォトダイオード行を選択して、フォトダイオ
ード行に蓄積された信号電荷を電荷転送チャネル２に読
み出す。抵抗性ゲートの両端に定電位を与える電圧ＲＧ
- 及びＲＧ+ を印加して、電荷転送チャネル２のチャネ
ル電位を傾斜させ、信号電荷を水平ＣＣＤ１１の方向へ
転送する。この例では電子が信号電荷であり、抵抗性ゲ
ート端のうち水平ＣＣＤに近い方に与える電圧を遠い方
の端よりも高くする。垂直抵抗性ゲートと水平ＣＣＤの
間にそれぞれゲートＴＧＡ８、ＴＧＢ１０で隔てられて
蓄積ゲート９があり、ＴＧＡをオン、ＴＧＢをオフし
て、垂直抵抗性ゲート下の電荷転送チャネルを転送され
て来た信号電荷を蓄積ゲート９に蓄積する。次の水平帰
線期間にＴＧＢをオン、蓄積ゲートをオフして、信号電
荷を蓄積ゲート９から水平ＣＣＤへと転送し、水平電荷
転送期間に水平ＣＣＤで信号電荷を出力１２まで転送し
て、電圧に変換して出力する。この他、フォトダイオー
ドに蓄積された余剰電荷を掃き出すために、垂直抵抗性
ゲート電極下端に電荷転送チャネル２を分岐させ、ブル
ーミング抑制ゲート７及びブルーミング抑制ドレイン６
が形成されている。
【０００６】図１１及び図１２は画素の構成を説明する
ための、それぞれ平面図及び図１１中のＤ−Ｄ’断面図
である。ｐ型シリコン１５にｐ+ チャネルストップ１４
を形成し、フォトダイオードと電荷転送チャネルを分離
する。電荷転送チャネルはｎウェル１３で構成され、そ
の上に酸化膜１７を介してポリシリコンからなる垂直抵
抗性ゲート３を形成する。垂直抵抗性ゲート上に酸化膜
１８を形成した後に、ポリシリコンから成る蓄積電極４
を形成する。フォトダイオードはｐ型シリコン上に酸化
膜１７を形成した構造で、受光領域は平面図で蓄積電極
の上下の空乏化している領域である。フォトダイオード
で光電変換された信号電荷は、蓄積電極４下の表面チャ
ネル型電位井戸に蓄積される。蓄積電極４上に酸化膜１
９を形成した後、アルミニウム等からなる遮光膜１６を
形成して、光が垂直電荷転送チャネルに入射することを
防止している。信号電荷を読み出すために、蓄積電極４
下にｐ+ チャネルストップ１４を含むようにｎウェル１
３を形成する。この部分のチャネルは埋め込み型でその
チャネル電位は２Ｖ程度に設計され、フォトダイオード
に蓄積された信号電荷は、図１２中の矢印２０のように
電荷転送チャネルに読み出される。
【０００７】図１３（ａ）、（ｂ）は垂直抵抗性ゲート
電荷転送素子を説明するための、それぞれ図１０中のＣ
−Ｃ’断面図及びチャネル電位分布図である。ｐ型シリ
コン１５中にｎウェル１３を形成し、その上に酸化膜１
７を介して１層目のポリシリコンからなる垂直抵抗性ゲ
ート３、蓄積ゲート９及び水平ＣＣＤ電極２５、さらに
酸化膜１８を介して２層目のポリシリコンからなるＴＧ
Ａ８及びＴＧＢ１０を形成する。垂直抵抗性ゲートの両
端に定電位差を与える電圧ＲＧ- とＲＧ+ を印加して、
転送チャネルのチャネル電位を傾斜させる。電圧ＲＧ+
を電圧ＲＧ- よりも高くすることで、矢印で示したよう
に水平ＣＣＤ方向へ信号電荷２１を転送する。垂直抵抗
性ゲート電荷転送素子のチャネル長が４ｍｍ、両端での
チャネル電位差が１０Ｖの場合、約２０μｓで電荷パケ
ットを１００％転送することができる。この時間はＮＴ
ＳＣ方式のテレビジョン方式での１水平走査時間６３．
５μｓに比ベて十分に小さい。ＴＧＡ８をオン、ＴＧＢ
１０をオフして、垂直抵抗性ゲート電荷転送素子を転送
されてきた信号電荷を蓄積ゲート９下に蓄積する。次の
水平帰線期間にＴＧＢをオン、蓄積ゲートをオフして、
信号電荷を蓄積ゲート９下から水平ＣＣＤへと転送し、
水平電荷転送期間に水平ＣＣＤで信号電荷を出力１２ま
で転送して、電圧に変換して出力する。
【０００８】図１４は、図１０に示した垂直抵抗性ゲー
ト電荷転送素子を用いた固体撮像素子の駆動方法を説明
するための図である。蓄積電極に印加するパルスをφＳ
ＴＥ、ブルーミング抑制ゲートに印加するパルスをφＡ
Ｂ、蓄積ゲートに印加するパルスをφＳＴＧ、垂直電荷
転送チャネルと接続されている水平ＣＣＤの電極に印加
するパルスをφＨ、ＴＧＡ及びＴＧＢに印加されるパル
スをそれぞれφＴＧＡ及びφＴＧＢ、あるフォトダィオ
ード行を選択するために蓄積電極に更に印加するパルス
をφＳｅｌｅｃｔとする。
【０００９】期間Ｔ１でＴＧＢをオンし、蓄積ゲートの
電位を低くすることで、前の水平帰線期間で読み出され
蓄積ゲートに蓄積されている、フォトダイオード行の信
号電荷を水平ＣＣＤに転送する。時刻Ｔ２でφＳｅｌｅ
ｃｔでマイナス方向の電圧パルスを蓄積電極に印加する
ことで、次の１水平ラインのフォトダイオード行に蓄積
された信号電荷を、対応する垂直電荷転送チャネルに読
み出すとともに、ブルーミング抑制ゲートをオフし、Ｔ
ＧＡをオンする。期間Ｔ３で水平ＣＣＤを駆動し、前フ
ォトダイオード行の信号電荷を出力へ転送し電圧に変換
して出力する。この間、垂直電荷転送チャネルに読み出
された信号電荷は、垂直抵抗性ゲートで形成された電位
勾配により蓄積ゲートまで転送される。全信号電荷が蓄
積ゲートに転送された後、時刻Ｔ４でブルーミング抑制
ゲートをオン、ＴＧＡをオフする。これと同時にφＳＴ
Ｅで蓄積電極の電位を時刻Ｔ２の時よりも減少させ、フ
ォトダイオードの電位井戸の容量を減少させることで、
各フォトダイオードに蓄積されている余剰電荷を垂直電
荷転送チャネルに掃き出す。余剰電荷は前述した信号電
荷と同様に転送され、ブルーミング抑制ゲートを通って
ブルーミング抑制ドレインから掃き出される。時刻Ｔ５
で蓄積電極の電位を時刻Ｔ２の値にもどし、フォトダイ
オードで発生する光生成電荷の蓄積動作を継続する。蓄
積ゲート下に蓄積されている信号電荷は、前述したよう
に次の水平帰線期間の期間Ｔ６に水平ＣＣＤに転送さ
れ、時刻Ｔ７から水平ＣＣＤで出力へ転送される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図１４に示した駆動方
法では、ブルーミング抑制動作を行なうために、水平電
荷転送期間に駆動パルスが印加されるので、出力波形に
そのパルスが飛び込むという欠点がある。
【００１１】この欠点は、例えば現在広く用いられてい
る縦型オーバーフロードレインを有するフォトダイオー
ドを用い、ブルーミングを起こす余剰電荷をフォトダイ
オードから基板に捨てることで解決することができる。
しかしこのフォトダイオードの読み出し電位は、従来例
での表面チャネルのＭＯＳ型と比較し高く、フォトダイ
オードの容量拡大や感度向上を図るとさらに高くなる。
従って、従来例のように垂直抵抗性ゲートに定電位を与
え、垂直電荷転送チャネルの電位をフォトダイオードの
読み出し電圧よりも高くする駆動方法を用いると、フォ
トダイオードの読み出し電圧が高くなるに従って、蓄積
ゲート下あるいは水平ＣＣＤのチャネル電位が高くな
る。これらの電位が高くなると最終的に出力のリセット
ドレインの電圧が高くなるという欠点となる。一方、リ
セットドレインの電圧が高くならないような駆動を考え
ると、蓄積ゲートや水平ＣＣＤ電極等に印加するパルス
の振幅が大きくなるという欠点となる。
【００１２】本発明は、上述の課題に鑑み、フォトダイ
オードの読み出し電位が高くなっても出力のリセットド
レイン電圧が高くなったり、駆動パルスの振幅が大きく
なるという欠点が生じない、垂直抵抗性ゲート電荷転送
素子を有する固体撮像素子の駆動方法を提供することを
目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、二次元に配列されたフォトダイオ
ードと、各フォトダイオードに蓄積された信号電荷の転
送を受けこれを垂直方向に転送する複数の垂直抵抗性ゲ
ート電荷転送素子と、前記フォトダイオードと垂直抵抗
性ゲート転送素子の間に配置され、フォトダイオードに
蓄積された信号電荷の垂直抵抗性ゲート電荷転送素子へ
の転送を制御する第１のトランスファーゲートと、前記
垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の後段に配置され、該垂
直抵抗性ゲート電荷転送素子より転送されてきた信号電
荷を蓄積する複数の蓄積ゲートと、前記複数の蓄積ゲー
トに蓄積されている信号電荷を受けこれを水平方向に転
送する水平レジスタと、前記水平レジスタの後段に配置
され、該水平レジスタから転送されて信号電荷を電圧に
変換する出力部と、を少なくとも有する固体撮像素子に
おいて、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の、前記水
平レジスタから遠い第１の端部のチャネル電位を、前記
第１のトランスファゲートのオン状態の電位よりも高く
して、各フォトダイオードに蓄積された信号電荷を前記
垂直抵抗性ゲート電荷転送素子に読み出した後、前記第
１のトランスファーゲートをオフし、前記垂直抵抗性ゲ
ート電荷転送素子の第１の端部のチャネル電位を、フォ
トダイオードから信号電荷を読み出す時よりも低く、か
つ前記第１のトランスファーゲートのオフ電位よりも高
く、かつ前記水平レジスタに近い第２の端部のチャネル
電位よりも低くして、定常状態では第１の端部から第２
端部に向かってチャネル電位の勾配が形成されるように
して、信号電荷を前記蓄積ゲートまで転送することを特
徴とする固体撮像素子の駆動方法が提供される。
【００１４】また、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子
の、前記水平レジスタから遠い第１の端部のチャネル電
位を、前記第１のトランスファゲートのオン状態の電位
よりも高く、かつ前記水平レジスタに近い第２の端部の
チャネル電位と同じにして、各フォトダイオードに蓄積
された信号電荷を前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子に
読み出した後、前記第１のトランスファーゲートをオフ
し、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の第１の端部の
チャネル電位を、フォトダイオードから信号電荷を読み
出す時よりも低く、かつ前記第１のトランスファーゲー
トのオフ電位よりも高く、かつ前記水平レジスタに近い
第２の端部のチャネル電位よりも低くして、定常状態で
は第１の端部から第２端部に向かってチャネル電位の勾
配が形成されるようにして、信号電荷を前記蓄積ゲート
まで転送することを特徴とする。
【００１５】更に、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子
と前記蓄積ゲートの間に第２のトランスファーゲートを
配置し、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の、前記水
平レジスタから遠い第１の端部のチャネル電位を、前記
第１のトランスファゲートのオン状態の電位よりも高く
し、かつ前記第２のトランスファーゲートをオフし、各
フォトダイオードに蓄積された信号電荷を前記垂直抵抗
性ゲート電荷転送素子に読み出した後、前記第１のトラ
ンスファーゲートをオフし、第２のトランスファーゲー
トをオンして、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の第
１の端部のチャネル電位を、フォトダイオードから信号
電荷を読み出す時よりも低く、かつ前記第１のトランス
ファーゲートのオフ電位よりも高く、かつ前記水平レジ
スタに近い第２の端部のチャネル電位よりも低くして、
定常状態では第１の端部から第２端部に向かってチャネ
ル電位の勾配が形成されるようにして、信号電荷を前記
蓄積ゲートまで転送することを特徴とする。
【００１６】本発明の固体撮像素子の駆動方法によれ
ば、垂直抵抗性ゲート電荷転送素子で信号電荷を転送す
る時に、水平レジスタから遠い端部の垂直電荷転送チャ
ネルのチャネル電位を、信号電荷を読み出す時よりも低
くできるので、蓄積ゲートや水平レジスタ電極の駆動振
幅を大きくすることなく、出力のリセットドレイン電圧
を低くできる。一方、出力のリセットドレイン電圧及び
蓄積ゲートや水平レジスタ電極の駆動振幅を一定とした
時には、垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の電荷転送チャ
ネルの勾配を大きくすることができ、フレームレートを
高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施例について図面
を参照して説明する。
【００１８】図１は本発明の固体撮像素子の駆動方法を
適用する固体撮像素子の概略平面図である。フォトダイ
オード１０１は縦型オーバーフロードレイン構造を持
ち、ブルーミング抑制も行なう。このフォトダイオード
が二次元に配置され、各フォトダイオード列に対応して
垂直抵抗性ゲート電荷転送素子が形成される。これは、
ｐウェル中のｎウェルに形成された電荷転送チャネル１
０２と、その上に絶縁膜を介して高抵抗なポリシリコン
からなる垂直抵抗性ゲート１０３から構成される。垂直
電荷転送チャネルはトランスファーゲート１０６を介し
てフォトダイオードと接続され、トランスファーゲート
はトランスファーゲート電極１０４で制御される。トラ
ンスファーゲート電極に制御パルスを印加し、フォトダ
イオード行を選択するための垂直シフトレジスタ１０５
があり、フォトダイオード行に蓄積された信号電荷を垂
直電荷転送チャネルに読み出す。垂直抵抗性ゲートの両
端に電位パルスを印加する手段を有し、垂直電荷転送チ
ャネルのチャネル電位を傾斜させ、電荷を水平ＣＣＤ１
１１の方向へ転送する。垂直抵抗性ゲート端には転送さ
れてきた信号電荷を蓄積するための蓄積ゲート１０９が
あり、水平ＣＣＤ１１１とは垂直最終ゲート１１０を介
して接続され、水平帰線期間に信号電荷を水平ＣＣＤに
転送する。水平ＣＣＤ端には出力１１２があり、水平電
荷転送期間に水平ＣＣＤで転送された信号電荷を電圧に
変換して出力する。
【００１９】図２は、画素の構成を説明するための、図
１中のＡ−Ａ’断面図である。ｎ型シリコン１２３に第
１のｐウェル１１５を形成する。垂直抵抗ゲート電荷転
送素子は、この第１のｐウェル中に形成された第２のｐ
ウェル１２１とその上の第１のｎウェル１１３からなる
垂直電荷転送チャネルと、さらにその上に酸化膜１１７
を介して形成された１層目のポリシリコンからなる垂直
抵抗性ゲート１０３から構成される。トランスファーゲ
ートは、フォトダイオードと垂直電荷転送チャネル間の
ｐウェル１１５であり、その上に酸化膜１１７を介して
形成された２層目のポリシリコンからなるトランスファ
ーゲート電極１０４で制御される。フォトダイオード
は、第１のｐウェル中に形成された第２のｎウェル１２
２とその上のｐ+ チャネルストップ１１４と接続された
ｐ+ 層１２４で構成される。トランスファーゲート電極
１０４上に酸化膜１１９を形成した後、アルミニウム等
の金属膜で遮光膜１１６を形成して、光が垂直電荷転送
チャネルに入射することを防止している。フォトダイオ
ードの深さ方向のドーパントの分布を適切にすること
で、所望する電圧で完全空乏化し、またｐウェルの電位
を調整することで以下のように縦型オーバーフロードレ
インを実現できる。光生成した電荷は第２ｎウェルに形
成された電位井戸に第１ｐウェルに形成される電位障壁
まで蓄積される。その障壁の電位をトランスファーゲー
トのオフ電位よりも高くして、過剰に光生成した電荷は
電位障壁を越えて基板のｎシリコンに流れ、素子の外に
掃き出す。
【００２０】図３は垂直抵抗性ゲート電荷転送素子を説
明するための、図１中のＢ−Ｂ’断面図である。ｎ型シ
リコン１２３中に第１のｐウェル１１５、第２のｐウェ
ル１２１、第１のｎウェル１１３を形成し、その上に酸
化膜１１７を介して１層目のポリシリコンからなる蓄積
ゲート１０９及び水平ＣＣＤ電極１２５、さらに酸化膜
１１８を介して２層目のポリシリコンからなる垂直抵抗
性ゲート１０３及び垂直最終ゲート１１０を形成する。
垂直抵抗性ゲートの両端には電位パルスφＲＧ１及びφ
ＲＧ２を与える手段を有する。垂直抵抗性ゲートに電位
差を与えることを考えると、その抵抗が大きい方が消費
電流が小さくなるが、その電位をパルスで与えることを
考えると抵抗が大きいと応答速度が大きくなる。したが
って、駆動波形に最適な抵抗値が存在する。垂直抵抗性
ゲートの消費電流と応答速度の一例を以下に示す。垂直
抵抗性ゲート電極をポリシリコンで形成する場合、リン
拡散等の手法によって抵抗率２ｍΩ・ｃｍ程度を得るこ
とができる。幅１μｍ、長さ４ｍｍ、厚さ０．４μｍの
寸法の垂直抵抗性ゲートの抵抗は２００ｋΩであり、１
０Ｖの電位差で１つ当たり５０μＡの電流が流れる。ゲ
ート酸化膜厚を７０ｎｍとすると、垂直抵抗性ゲートの
容量は約２ｐＦである。したがって、時定数は約０．４
μｓで、パルスの立ち上がり及び立ち下がり時間は約
０．９μｓとなる。ポリシリコンの寸法や抵抗率、ゲー
ト絶縁膜の種類や膜厚等を変化させることで、約６〜１
１μＳの水平帰線期間内の駆動波形に最適な値を設計す
ることができる。
【００２１】図４は本発明の一実施例の固体撮像素子の
駆動方法を説明するための図である。垂直抵抗性ゲート
の両端に印加するパルスの内、水平ＣＣＤから遠い方を
φＲＧ１、近い方をφＲＧ２、あるフォトダイオード行
のトランスファーゲート電極に印加するパルスをφＴ
ｒ、蓄積ゲート及び垂直最終ゲートに印加するパルス
を、それぞれφＳＴＧ及びφＶＬＧとする。垂直電荷転
送チャネルと接続されている、水平ＣＣＤの電極に印加
するパルスをφＨとする。上記各パルスは高電位と低電
位の２値パルスであり、それぞれの電位をＶＨおよびＶ
Ｌと電極名で表わしている。φＲＧ１の高電位ＶＨ、Ｒ
Ｇ１は、φＲＧ２の低電位ＶＬ、ＲＧ２よりも低電位と
なっている。それ以外のパルスの電位は以下で説明する
駆動方法で、電荷の蓄積及び移動が可能な電位に設定さ
れる。その値は電極下の不純物分布に依存する。また図
５は図４の時刻Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６及び期間Ｔ７での、図
３に示した断面のチャネル電位分布図である。
【００２２】まず期間Ｔ１でφＶＬＧに高電位ＶＨ、Ｖ
ＬＧを印加して垂直最終ゲートをオンし、φＳＴＧに低
電位ＶＬ、ＳＴＧを印加して蓄積ゲートの電位を低くす
ることで、前の水平帰線期間で読み出され蓄積ゲートに
蓄積されている、前のフォトダイオード行の信号電荷を
水平ＣＣＤに転送する。次に時刻Ｔ２でφＲＧ１を高電
位ＶＨ、ＲＧ１とし、水平ＣＣＤから遠い垂直電荷転送
チャネルのチャネル電位を、オン時のトランスファーゲ
ートの電位よりも高くするとともにφＲＧ２を高電位Ｖ
Ｈ、ＲＧ２とする。ＶＨ、ＲＧ１はＶＨ、ＲＧ２よりも
低電位であるので、図５に示すように時刻Ｔ２で垂直電
荷転送チャネルのチャネル電位が傾斜する。期間Ｔ３で
φＴｒが印加されるあるフォトダイオード行のトランス
ファーゲートをオンして、このフォトダイオード行に蓄
積された信号電荷を、対応する垂直電荷転送チャネルに
読み出す。時刻Ｔ４にφＲＧ１を低電位ＶＬ、ＲＧ１と
し、水平ＣＣＤから遠い垂直電荷転送チャネルのチャネ
ル電位を、時刻Ｔ２の時よりも低くオフ時のトランスフ
ァーゲートの電位よりも高くする。期間Ｔ５で水平ＣＣ
Ｄを駆動し、前フォトダイオード行の信号電荷を出力へ
転送し電圧に変換して出力する。この間、垂直電荷転送
チャネルに読み出された信号電荷は、垂直抵抗性ゲート
で形成された電位勾配により蓄積ゲートまで転送され
る。垂直電荷転送チャネルの両端のチャネル電位差は、
ＶＨ、ＲＧ１をＶＬ、ＲＧ２よりも低電位にすること
で、φＲＧ１とφＲＧ２の振幅の和以上の電位差を印加
した時のチャネル電位差となる。時刻Ｔ６でφＲＧ２を
低電位ＶＬ、ＲＧ２として蓄積ゲートからの障壁を高く
し、期間Ｔ７で前述した期間Ｔ１のように信号電荷を水
平ＣＣＤへ転送し、時刻Ｔ８から水平ＣＣＤで出力へ転
送される。
【００２３】図６は本発明の第２の実施例の固体撮像素
子の駆動方法を説明するための図であり、図７は時刻Ｔ
２、Ｔ４及びＴ６でのチャネル電位の分布を示す図であ
る。この駆動方法を適用する固体撮像素子は第１の実施
例と同じ図１に示したものである。図６が図４に示した
第１の実施例と異なる点は、時刻Ｔ４でφＲＧ２を高電
位ＶＨ、ＲＧ２とする点と、ＶＨ、ＲＧ１とＶＬ、ＲＧ
２を同電位とする点である。図７に示したように時刻Ｔ
２でのチャネル電位の分布は垂直電荷転送チャネルに添
って一定である。この状態で、期間Ｔ３でフォトダイオ
ードに蓄積された信号電荷を垂直電荷転送チャネルに読
み出す。したがって、画素が縮小されトランスファーゲ
ートの電位が短チャネル効果により、垂直電荷転送チャ
ネルのチャネル電位の影響を受ける場合でも、その読み
出し特性の不均一性を抑制できる。その他の駆動方法は
上述した第１の実施例と同様なので省略する。
【００２４】図９は本発明の第３の実施例の固体撮像素
子の駆動方法を説明するための図であり、図８はその駆
動方法を適用する固体撮像素子の概略平面図である。図
８に示した固体撮像素子が図１と異なる点は、抵抗性ゲ
ートと蓄積ゲートの間にゲートＴＧＡ１０８を設けた点
である。また図９に示した駆動方法が図４と異なる点
は、φＲＧ２には常に高電位ＶＨ、ＲＧ２を与える点
と、期間Ｔ１にφＲＧ１を高電位ＶＨ、ＲＧ１にすると
ともにＴＧＡをオフして、期間Ｔ２にトランスファーゲ
ートと垂直最終電極をオンするとともに蓄積ゲートをオ
フする点である。ここでＶＨ、ＲＧ２はＶＨ、ＲＧ１以
上の高電位とする。ゲートＴＧＡにより、垂直電荷転送
チャネルと蓄積ゲートを切り離せるので、フォトダイオ
ードに蓄積された信号電荷を垂直電荷転送チャネルに読
み出す動作と、蓄積ゲートに蓄積された信号電荷を水平
ＣＣＤに転送する動作を同時に行なうことができる。水
平帰線期間の駆動に時間的な余裕ができるので、垂直抵
抗性ゲートの時定数を大きくすることができる。このこ
とは、垂直抵抗性ゲートの抵抗を大きくでき、消費電流
を小さくできることを意味する。これ以外の動作は図４
と同様なので省略する。またこの実施例では、φＲＧ２
に常に高電位を与えているが、図４や図６で説明したよ
うにφＲＧ２にパルスを印加して、垂直電荷転送チャネ
ルを傾斜させるのに必要な電位振幅をφＲＧ１とφＲＧ
２に振り分けて、各パルスの振幅を小さくする駆動方法
もある。
【００２５】
【発明の効果】以上に説明したように本発明による固体
撮像素子の駆動方法によれば、垂直抵抗性ゲート電荷転
送素子で信号電荷を転送する時に、水平レジスタから遠
い端部の垂直電荷転送チャネルのチャネル電位を、信号
電荷を読み出す時よりも低くできるので、蓄積ゲートや
水平レジスタ電極の駆動振幅を大きくすることなく、出
力のリセットドレイン電圧を低くできる。一方、出力の
リセットドレイン電圧及び蓄積ゲートや水平レジスタ電
極の駆動振幅を一定とした時には、垂直抵抗性ゲート電
荷転送素子の電荷転送チャネルの勾配を大きくすること
ができる。これにより垂直抵抗性ゲート電荷転送素子で
の信号電荷の転送時間を縮められるので、より高いフレ
ームレートで駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の駆動方法を適用する、
固体撮像素子の概略平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例の駆動方法を示す図であ
る。
【図５】図４の時刻Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６及びＴ７の時の図
３に示したＢ−Ｂ’断面のチャネル電位分布を示す図で
ある。
【図６】本発明の第２の実施例の駆動方法を示す図であ
る。
【図７】図６の時刻Ｔ２、Ｔ４及びＴ６の時の図３に示
したＢ−Ｂ’断面のチャネル電位分布を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施例の駆動方法を適用する、
固体撮像素子の概略平面図である。
【図９】本発明の第３の実施例の駆動方法を示す図であ
る。
【図１０】従来の固体撮像素子の概略平面図である。
【図１１】従来の固体撮像素子の単位画素付近を示す平
面図である。
【図１２】図１１のＤ−Ｄ’断面図である。
【図１３】（ａ）は図１０のＣ−Ｃ’断面図であり、
（ｂ）はその断面でのチャネル電位分布を示す図であ
る。
【図１４】従来の固体撮像素子の駆動方法を示す図であ
る。
【符号の説明】
１、１０１ フォトダイオード ２、１０２ 電荷転送チャネル ３、１０３ 垂直抵抗性ゲート ４ 蓄積電極 ５、１０５ 垂直レジスタ ６ ブルーミング抑制ドレイン ７ ブルーミング抑制ゲート ８、１０８ ゲートＴＧＡ ９、１０９ 蓄積ゲート １０ ゲートＴＧＢ １１、１１１ 水平ＣＣＤ １２、１１２ 出力 １３ ｎウェル １４、１１４ ｐ+ チャネルストップ １５ ｐ型シリコン １６、１１６ 遮光膜 １７、１８、１９、１１７、１１８、１１９ 酸化膜 ２０、２１ 電荷の流れを示す矢印 ２５ 水平ＣＣＤ電極 １０４ トランスファーゲート電極 １０６ トランスファーゲート １１０ 垂直最終ゲート １１３ 第１のｎウェル １１５ 第１のｐウェル １２１ 第２のｐウェル １２２ 第２のｎウエル １２３ ｎ型シリコン １２４ ｐ+ 層 １２５ 水平ＣＣＤ電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二次元に配列されたフォトダイオード
    と、各フォトダイオードに蓄積された信号電荷の転送を
    受けこれを垂直方向に転送する複数の垂直抵抗性ゲート
    電荷転送素子と、前記フォトダイオードと垂直抵抗性ゲ
    ート電荷転送素子の間に配置され、フォトダイオードに
    蓄積された信号電荷の垂直抵抗性ゲート電荷転送素子へ
    の転送を制御する第１のトランスファーゲートと、前記
    垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の後段に配置され、該垂
    直抵抗性ゲート電荷転送素子より転送されてきた信号電
    荷を蓄積する複数の蓄積ゲートと、前記複数の蓄積ゲー
    トに蓄積されている信号電荷を受けこれを水平方向に転
    送する水平レジスタと、前記水平レジスタの後段に配置
    され、該水平レジスタから転送されて信号電荷を電圧に
    変換する出力部と、を少なくとも有する固体撮像素子に
    おいて、 前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の、前記水平レジス
    タから遠い第１の端部のチャネル電位を、前記第１のト
    ランスファゲートのオン状態の電位よりも高くして、各
    フォトダイオードに蓄積された信号電荷を前記垂直抵抗
    性ゲート電荷転送素子に読み出した後、前記第１のトラ
    ンスファーゲートをオフし、前記垂直抵抗性ゲート電荷
    転送素子の第１の端部のチャネル電位を、フォトダイオ
    ードから信号電荷を読み出す時よりも低く、かつ前記第
    １のトランスファーゲートのオフ電位よりも高く、かつ
    前記水平レジスタに近い第２の端部のチャネル電位より
    も低くして、定常状態では第１の端部から第２端部に向
    かってチャネル電位の勾配が形成されるようにして、信
    号電荷を前記蓄積ゲートまで転送することを特徴とする
    固体撮像素子の駆動方法。
  2. 【請求項２】 前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の、
    前記水平レジスタから遠い第１の端部のチャネル電位
    を、前記第１のトランスファゲートのオン状態の電位よ
    りも高く、かつ前記水平レジスタに近い第２の端部のチ
    ャネル電位と同じにして、各フォトダイオードに蓄積さ
    れた信号電荷を前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子に読
    み出した後、前記第１のトランスファーゲートをオフ
    し、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の第１の端部の
    チャネル電位を、フォトダイオードから信号電荷を読み
    出す時よりも低く、かつ前記第１のトランスファーゲー
    トのオフ電位よりも高く、かつ前記水平レジスタに近い
    第２の端部のチャネル電位よ りも低くして、定常状態で
    は第１の端部から第２端部に向かってチャネル電位の勾
    配が形成されるようにして、信号電荷を前記蓄積ゲート
    まで転送することを特徴とする請求項１に記載の固体撮
    像素子の駆動方法。
  3. 【請求項３】 前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子と前
    記蓄積ゲートの間に第２のトランスファーゲートを配置
    し、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の、前記水平レ
    ジスタから遠い第１の端部のチャネル電位を、前記第１
    のトランスファゲートのオン状態の電位よりも高くし、
    かつ前記第２のトランスファーゲートをオフし、各フォ
    トダイオードに蓄積された信号電荷を前記垂直抵抗性ゲ
    ート電荷転送素子に読み出した後、前記第１のトランス
    ファーゲートをオフし、第２のトランスファーゲートを
    オンして、前記垂直抵抗性ゲート電荷転送素子の第１の
    端部のチャネル電位を、フォトダイオードから信号電荷
    を読み出す時よりも低く、かつ前記第１のトランスファ
    ーゲートのオフ電位よりも高く、かつ前記水平レジスタ
    に近い第２の端部のチャネル電位よりも低くして、定常
    状態では第１の端部から第２端部に向かってチャネル電
    位の勾配が形成されるようにして、信号電荷を前記蓄積
    ゲートまで転送することを特徴とする請求項１に記載の
    固体撮像素子の駆動方法。
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