JP4444754B2

JP4444754B2 - 固体撮像装置の駆動方法

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Publication number: JP4444754B2
Application number: JP2004235104A
Authority: JP
Inventors: 誠小林; 勝己池田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: US20060035401A1; JP2006054685A; US7052929B2

Description

本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関し、特に電荷蓄積領域から電荷転送路に信号電荷を読み出す読み出しパルスの電圧を低下することのできる固体撮像装置の駆動方法に関する。

半導体基板上にホトダイオードを行列状に配列し、光学的画像を信号電荷に変換して撮像を行なう固体撮像装置が広く利用されるようになった。電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像装置においては、ホトダイオード列に近接して複数の垂直電荷転送路が配置され、複数の垂直電荷転送路の一端に水平電荷転送路が結合され、電荷転送路上の転送電極に読み出し／転送電圧を印加することにより、信号電荷がホトダイオードから垂直電荷転送路に読み出され、垂直電荷転送路、水平電荷転送路を介して順次出力される。

ホトダイオードは、半導体基板内で電気的に浮遊状態であり、周囲の領域と容量結合している。従って、周囲の電位によりその電位は変動する。電荷読み出し時にホトダイオードに蓄積された信号電荷を完全に読み出すためには、十分高い電圧、例えば＋１５Ｖの電圧を読み出し／転送電極に印加する。ところで、固体撮像装置の消費電力を低下させるために、駆動電圧を低下させることが一般的に望まれている。

単に読み出しパルスを低下させると、ホトダイオードから蓄積電荷を完全に読み出せなくなる。特にムービー動作のように引き続き撮像を行なう場合、ホトダイオードに信号電荷が残留すると、残留電荷はその後蓄積される信号電荷と混合され、残像が残った撮像を行なうことになる。残像は著しい画像劣化を招く。信号電荷読み出し時には、ホトダイオードを完全に空乏化させ、かつ読み出しパルス電圧を低下させることが望まれる。

ホトダイオードを空乏化させるために必要な最小の電圧である最小空乏化電圧を低減させる方法として、読み出しパルスの影響を少なくとも一部相殺する相殺パルスの印加が知られている。

図４Ａ−４Ｄは、特開平７−３２２１４３号が提案する固体撮像装置の駆動方法を示す。図４Ａは、固体撮像装置の部分平面図である。半導体基板表面に多数のホトダイオードからなるセンサ２２が正方（テトラゴナル）行列上に配置され、センサの列に沿って左側に垂直転送レジスタ２４が配置されている。各センサ２２と関連する垂直転送レジスタ２４との間には、読み出しゲート２７が配置されている。センサの各列と右隣の列の垂直転送レジスタ２４との間にはチャネルストップ２８が形成され、電気的分離を達成している。

垂直転送レジスタ２４は、半導体基板表面上に絶縁層を介して配置された転送電極２３を備える。転送電極２３は、第１のポリシリコン層で形成された転送電極２３Ｂ、２３Ｄとその上の第２のポリシリコン層で形成された転送電極２３Ａ、２３Ｃで構成される。これらの電極２３Ａ−２３Ｄに４相の駆動電圧φＶ１−φＶ４が印加される。

図４Ｂは、図４ＡのＢ−Ｂ線に沿う断面を示す。ｎ型シリコン基板３１にｐ型ウェル３２が形成され、ｐ型ウェル３２内にｎ型拡散領域３３が形成され、ｐｎ接合ホトダイオードを構成する。ｎ型拡散領域３３が電荷（電子）蓄積領域となる。ｐ型拡散領域３５は、ｎ型拡散領域３３を基板表面から離す埋め込み領域である。ホトダイオードのｎ型拡散領域３３に隣接してｐ型ウェル３４が形成され、その内部にｎ型拡散領域２６が形成されて、垂直転送レジスタの転送チャネルを構成する。

ホトダイオードのｎ型拡散領域３３と転送チャネル２６との間のｐ型ウェル３４が読み出しゲートを構成する。列間にはｐ型チャネルストップ２８が形成され、列間を電気的に分離する。転送チャネル２６上方には絶縁膜を介して転送電極２３Ｂ，２３Ｃが配置されている。ホトダイオードのｎ型拡散領域３３上方では転送電極２３は配置されず、入射光に対する窓が形成されている。

図４Ｃは、図４Ａに示す駆動電圧φＶ１−φＶ４の電圧波形を水平ブランキング信号Ｈ−ＢＬＫと共に示す。タイミングＴ１は、読み出し直前であり、タイミングＴ２、Ｔ３で読み出しを行なう。タイミングＴ４は、読み出し動作終了後の転送準備状態である。図４Ｄは、タイミングＴ１−Ｔ４における転送チャネル内のポテンシャル分布および電荷分布を示す。電子に対するポテンシャルで示されているので、図４Ｃの電圧とは逆符号となる。

タイミングＴ１において、読み出されないセンサに隣接する電極に印加されるφＶ２，φＶ３は低電圧レベルで電子に対するポテンシャルが高いバリアを形成し、読み出されるセンサに隣接する電極に印加されるφＶ４，φＶ１は中間電圧レベルで電子に対するポテンシャルが低いウェルを形成する。ウェル内にスミア電荷αが示されている。このスミア電荷は、行方向に隣接するセンサに対応するもので、読み出される信号電荷と合体されれば、不都合は生じないが、列方向に移動（再分配）されると画像を劣化させる。

タイミングＴ２において、まずφＶ１に高電圧レベルの読み出しパルスＰ１が重畳される。転送チャネル内のポテンシャルは下がり、読み出しゲートのバリアを消滅させてホトダイオードから電荷ｅ１を読み出す。但し、高電圧レベルの読み出しパルス印加によりホトダイオードの電位も上がり（ポテンシャルが下がり）、ホトダイオードに電荷が残っている状態である。

読み出しパルス印加後、φＶ３に逆極性の変調（相殺）パルスＳ１が重畳される。パルスＳ１の電圧、は例えば低電圧レベルの電圧と同一である。変調パルスＳ１は、ホトダイオードの電位を引き下げる（ポテンシャルを持ち上げる）機能を有する。このため、ホトダイオードに残留していた電荷も転送チャネルに読み出される。読み出しパルスのみでは電荷が残っているところ、変調パルスの印加により電荷を全て読み出せるようになったので、最小空乏化電圧が低下したことになる。

センサから信号電荷を読み出し始めたタイミングＴ２では、スミア電荷αはポテンシャルの低い領域φＶ４に残っている。タイミングＴ３で変調パルスを印加すると、φＶ４のポテンシャルが上がり、スミア電荷は低いポテンシャルのφＶ１下方に収集され、スミア電荷の再分配は生じないと説明されている。タイミングＴ４では、ウェルがφＶ１からφＶ３まで伸張され、転送を開始できる。

特開平７−３２２１４３号公報

本発明の目的は、最小空乏化電圧を低下でき、かつスミア電荷の再分配を防止できる固体撮像装置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、
半導体基板内の第１導電型の表面領域内に行列状に形成された、前記第１導電型と逆導電型の第２導電型の多数の電荷蓄積領域と、前記表面領域内で前記電荷蓄積領域の各列に近接して形成された前記第２導電型の複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の一端に結合された水平電荷転送路と、前記表面領域内で各電荷蓄積領域と関連する垂直電荷転送路との間に配置された前記第１導電型の読み出しゲートと、各垂直電荷転送路と交差するようにその上方に配置され、行方向に延在し、前記垂直電荷転送路内に各電荷蓄積領域当たり２段以上の転送段を画定し、バリア形成電圧と電荷蓄積電圧とを選択的に印加して、電荷を転送できると共に、前記読み出しゲートと関連する転送段に読み出しパルスを印加して、関連する電荷蓄積領域から該関連する転送段に信号電荷を読み出すことのできる複数の転送電極とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
（ａ）前記電荷蓄積領域上に光学的画像を結像し、信号電荷を蓄積すると共に、前記垂直電荷転送路にスミア電荷が生じるのを許容する工程と、
（ｂ）４段以上の転送段を１つの転送単位として、前記電荷蓄積領域から前記垂直電荷転送路に転送単位当り１つの信号電荷を読み出す読み出し工程であって、
（ｂ−１）転送単位当たり少なくとも１転送段のバリアを形成するバリア形成電圧を所定の転送電極に印加し、
（ｂ−２）関連する電荷蓄積領域から垂直電荷転送路に信号電荷を読み出すため所定の転送電極に読み出しパルスを印加し、
（ｂ−３）前記バリア形成電圧を印加された転送電極との間に少なくとも１転送段の間隔を置く所定の転送電極に、前記読み出しパルスによる電荷蓄積領域の電位変化を相殺する相殺パルスを印加する、
ことを含み、前記相殺パルスを印加する転送電極は前記バリア形成電圧を印加する転送電極および前記読み出しパルスを印加する転送電極とは別の転送電極であり、前記読み出しパルスによる電荷蓄積領域の電位変化を前記相殺パルスによって抑制すると共に前記相殺パルスを印加された転送電極の両側にスミア電荷に対するポテンシャルウェルを形成することによりスミア電荷の再分配を防止する読み出し工程と、
（ｃ）前記読み出しパルスおよび前記相殺パルスの消滅後、読み出した電荷を１行づつ前記垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路に転送する電荷転送工程と、
を含む固体撮像装置の駆動方法
を提供できる。

垂直電荷転送路にポテンシャルの不均一があっても、相殺パルス印加によって移動するスミア電荷はポテンシャルの低い領域にトラップされ、隣の信号電荷とは混合しない。相殺パルス消滅後は、対応する信号電荷と一体化できる。

本発明者は、相殺パルス印加時の電圧がバリア形成電圧と同一の条件で、バリア形成電極に隣接する電極に相殺パルスを印加すると、スミアムラと称する信号ムラが撮像領域全体に生じることがあることを見出した。その原因を考察し、以下のような可能性を見出した。

転送チャネルが完全に均一に作成されれば、上述のように最小空乏化電圧を低下させ、かつスミア電荷の再分配は生じないようにすることも可能であろう。しかし、製造プロセスのばらつきにより、転送チャネル内にポテンシャルの不均一が生じることがある。図４ＣのタイミングＴ３のポテンシャル分布において破線で示したように、電極Ｖ４の下流側でポテンシャルが若干高くなっているとする。すると、相殺パルスの印加により、スミア電荷は隣りのポテンシャルウェルまで転送されてしまう。

たとえ、ポテンシャルの不均一がないとしても、相殺パルスを印加された電極下のスミア電荷がどちらの方向に向かうかは不定であろう。進行方向にバリアが存在する間は、バリアに向かってスミア電荷が進行してもバリアでせき止められるであろう。しかし、相殺パルス印加によるチャネル領域のポテンシャル変化が速く、スミア電荷がバリアに到達した時には、相殺パルス印加電極下と、バリア形成電圧印加電極下とでポテンシャルの差がなくなっていることもあろう。この場合にも、スミア電荷はバリアを越えて隣の電荷と混合し得る。これらの現象はバリア形成電極の隣の電極に相殺パルスを印加することにより生じる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１Ａ−１Ｄは、本発明の実施例に用いる固体撮像装置の構成を示す平面図及び断面図である。なお、図示した固体撮像装置の構成は、公知のものである。

図１Ａに示すように、シリコン基板表面領域にホトダイオートを構成するｎ型領域である電荷蓄積領域７がテトラゴナル行列状に配置されている。電荷蓄積領域７の各列に沿って、垂直電荷転送路ＶＣＣＤが配置されている。電荷蓄積領域７とＶＣＣＤとの間には、ｐ型領域である読出しゲートＲＧが形成されている。

電荷蓄積領域７の各列に沿った、複数のＶＣＣＤの一端に水平電荷転送路ＨＣＣＤが結合されている。水平電荷転送路ＨＣＣＤの出力端には、出力アンプＯＡが接続されている。なお、転送路上方には絶縁膜を介して転送電極が配置されている。電荷蓄積領域７は感光領域であり、その上方にはベイヤ配列などの赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）等のカラーフィルタが配置される。図中、電荷蓄積領域に付したＲ，Ｇ，Ｂでカラーフィルタの色を示す。カラーフィルタ上方にはオンチップマイクロレンズが形成される。このような固体撮像装置の一般的情報に関しては、例えば特開２００３−６０１８５号公報の実施例、対応する図面の開示を参照できる。

図１Ｂは、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの延在方向に沿う断面構造を示す。ｎ型シリコン基板１の表面領域にｐ型ウエル２が形成され、ｐ型ウエル２の表面部に、ｎ型領域３が形成され、垂直電荷転送路ＶＣＣＤのチャネル領域を構成している。

シリコン基板表面上方には、絶縁膜４を介して第１ポリシリコン層５、第２ポリシリコン層６で形成された転送電極が配置されている。図１Ａの配置で、列方向に隣接する電荷蓄積領域間には、第１ポリシリコン層５と第２ポリシリコン層６が積層された配線領域があり、図１Ｂに示すようにＶＣＣＤ上方では第１ポリシリコン層５と第２ポリシリコン層６とは、別の領域上に配置されて下方にそれぞれの転送段を画定し、縁部のみを重ね合わせる。転送電極には、４層駆動パルスが印加される。そこで、転送電極をＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４と表記する。

図１Ｃは、転送電極下方の垂直電荷転送路内に転送段Ｖ１〜Ｖ４が画定された状態を概略的に示す。転送段Ｖ１〜Ｖ４と転送電極Ｖ１〜Ｖ４は平面視内の実効的配置が一致している。垂直電荷転送路ＶＣＣＤには、各電荷蓄積領域当たり、２段の転送段が形成され、４転送段を１単位として転送単位が構成される。１転送単位に２つの電荷蓄積領域が結合される。各読み出し動作においては、２つの電荷蓄積領域のいずれか一方が読み出される。

図１Ｄは、ホトダイオートの電荷蓄積領域７を通る行方向の断面構造を示す。ｎ型シリコン基板１の表面部に形成されたｐ型ウエル２内にホトダイオートの電荷蓄積領域を構成するｎ型領域７が形成され、縦型バイポーラトランジスタに類似する基板抜きシャッタ構造を形成している。ｎ型基板１に正極性の高い電圧を印加し、ｐ型ウェル２の形成するバリアを消滅させると、電荷蓄積領域７に蓄積された電荷を基板に抜き出すことができる。

電荷蓄積領域７に近接して、ｐ型ウェル２内に垂直電荷転送路のチャネルを構成するｎ型領域３が形成されている。ｎ型領域７の表面はｐ型埋め込み領域１７により基板表面から離されて、電荷保持特性を向上している。電荷蓄積領域７とチャネル領域３との間にはｐ型の読出しゲート領域ＲＧが形成されている。隣接する列間には、高いｐ型不純物濃度のチャネルストップ９が形成されている。

チャネル領域３の上方には、酸化膜／窒化膜／酸化膜の積層（ＯＮＯ膜）等の絶縁膜４を介して、第１ポリシリコン層又は第２ポリシリコン層で形成される転送電極５（６）が配置され、電荷結合素子（ＣＣＤ）を構成している。転送電極５，６表面は熱酸化膜等の絶縁層５ｘ（６ｘ）で覆われる。

なお、このような固体撮像装置の構成は公知のものであり、公知の種々の固体撮像装置の構成を採用することができる。

図２Ａ‐２Ｃは、図１Ａ−１Ｄに示す固体撮像装置の、実施例による駆動方法、特に電荷読出し方法を概略的に示すグラフである。

図２Ａは、駆動信号の波形を概略的に示す。横軸は時間軸であり、読出し期間ＲＰと転送期間ＴＰとを交互に含む。各信号波形の縦軸は電圧を表し、電極下のチャネル領域にバリアを形成するロー電圧ＶＬ，電極下のチャネル領域に電荷蓄積領域を形成するミドル電圧ＶＭ，および、電荷蓄積領域からＶＣＣＤに信号電荷を読み出すハイ電圧ＶＨが基準電圧として示されている。垂直同期信号ＶＤ及び水平同期信号ＨＤは、垂直期間及び水平期間を規定する。駆動信号φＶ１−φＶ４は、駆動電極Ｖ１−Ｖ４に印加される駆動電圧波形を示す。

従来、ＶＭとして例えば０Ｖ、ＶＨとして例えば＋１５Ｖ、ＶＬとして例えば−８Ｖが用いられた。本実施例においては、駆動電圧、特にＶＨの絶対値を減少させることを可能とする。

左側に示した読出し期間ＲＰにおいて、通常、駆動電圧φＶ１はバリア形成電圧ＶＬであり、駆動電圧φＶ２−φＶ４は電荷蓄積電圧ＶＭである。読み出しタイミングにおいて、駆動信号φＶ２に読出しパルスが重畳されて電位ＶＨとなり、関連する電荷蓄積領域から電荷を読み出す。読み出しパルスＶＨは、読み出しゲートＲＧのポテンシャルを下げ、バリアを消滅させて、電荷蓄積領域の信号電荷をＶＣＣＤに読み出す。

読み出しパルスの印加により電荷蓄積領域の電位も高くなり、最小空乏化電圧を高くする傾向がある。読み出しパルスとほぼタイミングを合わせ、バリア形成電圧φＶ１のいずれとも１電極離れた駆動電圧φＶ３に、読み出しパルスと逆方向の変化を示す相殺パルスが重畳され、例えば電位ＶＬとする。読み出しパルスが正極性の変化を示すとき、相殺パルスは負極性の変化を示し、読み出しパルスによる電荷蓄積領域の電位変化を抑制し、最小空乏化電圧を減少させる。

読み出しパルスと相殺パルスのタイミングは正確に一致している必要はなく、オーバーラップ期間を有して、相殺パルスが読み出しパルスの影響を少なくとも一部相殺し、電荷転送動作として実質的に同じ効果を示せばよい。

読み出し期間ＲＰに続く転送期間ＴＰにおいては、読み出された電荷が１行づつＶＣＣＤからＨＣＣＤに転送され、ＨＣＣＤは行ごとに高速で信号電荷を出力アンプに向かって転送し、出力アンプＯＡから１フィールド分の画像信号が出力される。

次の読み出し期間ＲＰにおいては、通常、駆動電圧φＶ１が、ＶＭに変更され、駆動電圧φＶ３がＶＬに変更され、駆動信号φＶ４に読み出しパルスが重畳される。いずれのバリア形成電圧φＶ３からも１電極離れた駆動信号φＶ１に相殺パルスが重畳される。前回読み出されなかった電荷蓄積領域の信号電荷が読み出され、続く転送期間ＴＰで次のフィールドの画像信号が出力される。

図２Ｂは、φＶ２に読み出しパルスが印加される読出し期間の駆動電圧波形を拡大して示す。図２Ｃは、タイミングＴ１、Ｔ２、Ｔ３における垂直電荷転送路内の電子に対するポテンシャル分布を示す。上述のように、電圧とポテンシャルの大小関係は逆転する。

タイミングＴ１においては、φＶ２、φＶ３、φＶ４がミドル電圧ＶＭ、φＶ１はロー電圧ＶＬである。従って、電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下方に連続したポテンシャルウエルが形成され、電極Ｖ１下方にはポテンシャルバリアが形成されている。ポテンシャルウエルにはスミア電荷が発生しているとする。

タイミングＴ２において駆動電圧φＶ２に読み出しパルスが重畳され、高電圧レベルのＶＨになる。読み出しパルスにほぼ同期して駆動電圧φＶ３に相殺パルスが重畳され、例えば低電圧レベルのＶＬになる。電極Ｖ２にＶＨが印加され、読み出しゲートのポテンシャルバリアが消滅することにより、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷がＶＣＣＤに読み出される。同時に電荷蓄積領域のポテンシャルも下がろうとする。

電極Ｖ３に相殺パルスを重畳することにより、電荷蓄積領域のポテンシャルを上げようとする作用が及び、読み出しパルスの影響を少なくとも一部相殺する。読み出しパルスと相殺パルスとは実線で示すように同一タイミングでもよいし、破線で示すようにいずれか一方が先行してもよい。両パルスは時間的にオーバーラップする部分を有し、互いの影響を相殺する機能を持つ。

電極Ｖ３に相殺パルスを印加し、電極Ｖ３下方のポテンシャルが上昇すると、電極Ｖ３下方に存在していたスミア電荷は、ポテンシャルが上昇するのにつれ両側に流れ出す。電極Ｖ３の両側には読み出しパルスＶＨを印加された電極Ｖ２下方の深いポテンシャルウエル及び電荷蓄積電圧ＶＭを印加された電極Ｖ４下方のポテンシャルウエルが存在する。従って、いずれに流れ出した電荷もこれらのポテンシャルウエルに捕獲される。相殺パルス印加電極とバリア形成電圧印加電極とが離れているため、バリアを越えてスミア電荷が移動することがない。

タイミングＴ３においては読み出しパルス及び相殺パルスが消滅し、電極Ｖ２，Ｖ３の電圧がＶＭとなり、タイミングＴ１と同一電圧に戻っている。電極Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の電圧は全てミドル電圧ＶＭとなり、下方のポテンシャル分布は連続した１つのポテンシャルウェルに戻る。２つのポテンシャルウエルに分離蓄積されていた電荷は再び合体する。このように、相殺パルスを印加しても、スミア電荷は元の位置に戻り、スミア電荷の再分配を防止することができる。

このように、バリア形成電圧が印加される転送電極との間に少なくとも１転送電極の間隔を置いて相殺パルスを印加することにより、スミア電荷の再分配を防止することができる。相殺パルスを印加された転送電極下方からスミア電荷が移動しても、両側にはポテンシャルウェルを形成するＶＭまたはＶＨを印加された転送段があるので、スミア電荷はそれらの転送段に捕獲され、再分配されずに済む。

２層ポリシリコンの転送電極を用い、１電荷蓄積領域当たり２転送段が形成され、１転送単位を４転送段とする場合、バリア形成転送段を１転送段としても残るのは３転送段のみである。バリア形成転送段との間に１転送段のギャップを置いて読み出しパルスを印加できるのは、３転送段の内の中央の転送段のみである。転送単位が３転送段以下では、このような駆動を行なうことはできない。

２層ポリシリコンの転送電極を用い、１電荷蓄積領域当たり２転送段が形成される場合を説明したが、３層ポリシリコン転送電極を用い、１電荷蓄積領域当たり３転送段が形成される構成も知られている。この場合、１転送単位が６転送段となり、バリア形成転送段を１転送段とすれば、残る転送段は５となり、選択の自由度が向上する。相殺パルスを印加する転送段を２転送段、３転送段とすることも可能である。バリア形成転送段を２転送段、３転送段にすることも可能である。

なお、上述の実施例において、相殺パルスを印加する電極Ｖ３と、対象となる電荷蓄積領域とは直接対向していない。相殺パルスを印加する電極Ｖ３と対象となる電荷蓄積領域とが直接対向している場合より、相殺パルスの影響は小さくなる。しかし、相殺パルスの影響は、電極Ｖ３下方のｐ型ウエル２等のｐ型領域を介して電荷蓄積領域７に伝達され、電荷蓄積領域７の電位変化を妨げる機能を果たす。従って、相殺パルスを印加する電極はどの電極でもよい。

列方向に隣接する画素間の配線領域でポリシリコン電極が積層される正方行列型固体撮像装置の場合、配線領域では最下層のポリシリコン電極のみがｐ型ウェルと対向する。ｐ型ウェルとの対向面積が大きな第１ポリシリコン電極を相殺パルス印加電極として用いる方が、第２ポリシリコン電極または第３ポリシリコン電極を用いる場合より効果が大きいであろう。

このような駆動方法は、テトラゴナル行列状にホトダイオートが配置された固体撮像装置に限らない。第１のテトラゴナル格子の格子点と、第１のテトラゴナル格子の格子間位置（第２のテトラゴナル格子の格子点）に画素が配置された画素ずらし配置（いわゆるハニカム配置）も知られている。第１のテトラゴナル格子と第２のテトラゴナル格子は、例えば１／２ピッチずらされる。このような固体撮像装置の一般的情報に関しては、例えば、特開平１０−１３６３９１号公報の実施例および関連図面の開示等を参照できる。

図３Ａは、画素ずらし配置（いわゆるハニカム配置）の固体撮像装置の構成を概略的に示す。電荷蓄積領域７は、隣接する列間で半ピッチずらして配置され、隣接する行間でも半ピッチずらして配置されている。画素ずらし配置においては、各列において１行おきに画素のない行が配置され、各行において１列ごとに画素のない列が配置される形状となる。

電荷蓄積領域７の各列左側にはチャネルストップ９が形成され、各列右側には垂直電荷転送路の転送チャネル３が配置される。但し、画素ずらし配置のため、水平方向に隣接する電荷蓄積領域７の間には、２つの転送チャネル３が配置される。これらの転送チャネル３は、チャネルストップ９で電気的に分離される。

垂直電荷転送路の転送チャネル３を覆うように、第１ポリシリコン層で形成された転送電極１２ａ、１２ｂ及び第２ポリシリコン層で形成された転送電極１１ａ、１１ｂが配置される。転送電極下方には転送段が画定される。画素ずらし配置において図に示すような駆動電極を形成することにより、各転送段はチャネルの延在方向と直角でなく、傾いた境界を有し、幅が変化するチャネル領域を構成する。このような転送段は転送効率に優れることが判明している。チャネルの延在方向と平行な境界を有する転送段も可能である。

垂直電荷転送路のチャネル３には、１つの電荷蓄積領域当り４段の転送段が画定されている。ムービーモード等でフィールドに分割した読み出しを行なう場合、例えば連続する２行の電荷を読み出し、引き続く２行の電荷は読み出さない。転送単位は８転送段となる。例えば、図中２行目と３行目の電荷蓄積領域７の信号電荷を読み出すため、電極Ｖ２とＶ４に読み出しパルスを印加する場合を説明する。

図３Ｂは、電極Ｖ１−Ｖ８に印加する駆動電圧φＶ１‐φＶ８の電圧波形を概略的に示す。先ず、駆動電圧φＶ４‐φＶ７がロー電圧ＶＬに設定され、駆動電圧φＶ８−φＶ３がミドル電圧ＶＭに設定される。読み出しタイミングにおいて駆動電圧φ２に読み出しパルスＶＨを重畳すると共に、駆動電圧φＶ１に相殺パルスを重畳する。駆動電圧φＶ２の読み出しパルスにより、２行目の電荷蓄積領域７から電荷が読み出しゲートを越えてＶＣＣＤの転送チャネル３に読み出される。

この時、図中上側に隣接する電極Ｖ１に相殺パルスが重畳される。電極Ｖ１下方のスミア電荷は電極Ｖ１下方から上下方向に流れ出る。電極Ｖ８にはミドル電圧ＶＭが印加されているため、上方に流れ出たスミア電荷は隣接するポテンシャルウエルにトラップされる。下方に隣接する電極Ｖ２には読み出しパルスが印加されているため、下方に流出したスミア電荷は信号電荷と共に深いポテンシャルウェルに蓄積される。読み出しパルス、相殺パルスの消滅と同時に、２つのポテンシャルウェルは合体した１つのポテンシャルウェルになる。スミア電荷も元のとおり合体する。

その後のタイミングにおいて電極Ｖ４の駆動電圧φＶ４をロー電圧ＶＬからミドル電圧ＶＭに変更し、電極Ｖ８の駆動電圧φＶ８をミドル電圧ＶＭからロー電圧ＶＬに変更する。ウェル領域が下流側に１転送段移動した状態となる。その後、電極Ｖ４の駆動電圧φＶ４に読み出しパルスＶＨを重畳すると共に、電極Ｖ３の駆動電圧φＶ３に相殺パルスを重畳する。

電極Ｖ３から上下に流出したスミア電荷は、電極Ｖ４下方の深いポテンシャルウエルにトラップされるか、電極Ｖ２、Ｖ１下方のポテンシャルウエルにトラップされる。その後読み出しパルス、相殺パルスが消滅すると、２つに分離したスミア電荷は信号電荷と一体化する。

このように、相殺パルスを印加する電極の両側に、積極的にポテンシャルウェルを形成することにより、スミア電荷が流出しても隣りの信号電荷と混合することが防止され、読み出しパルス、相殺パルスの消滅と共に信号電荷と一体化される。このようにして、スミアを防止した画像信号を得ることができる。なお、１電荷蓄積領域当たり４転送段、１転送単位当たり８転送段があるので、相殺パルス印加転送段をバリア形成転送段から離す転送段の選択は、上述の例に限らず、種々可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、画素ずらし配置において４層駆動を行うことも可能である。その他種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは等業者に自明であろう。

本発明の実施例に用いる固体撮像装置の構成を概略的に示す平面図及び断面図である。本発明の実施例による固体撮像装置の駆動方法を説明するグラフである。本発明の実施例による固体撮像装置の駆動方法を説明する平面図及びグラフである。従来の技術による固体撮像装置の駆動方法を説明する平面図である。従来の技術による固体撮像装置の駆動方法を説明する断面図である。従来の技術による固体撮像装置の駆動方法を説明するグラフである。従来の技術による固体撮像装置の駆動方法を説明するグラフである。

符号の説明

１シリコン基板
２ｐ型ウエル
３ｎ型チャネル
４絶縁層
５、６転送電極
７電荷蓄積領域
９チャネルストップ
１３、１７埋め込み領域
ＶＣＣＤ垂直電荷転送路
ＨＣＣＤ水平電荷転送路
ＲＧ読み出しゲート

Claims

半導体基板内の第１導電型の表面領域内に行列状に形成された、前記第１導電型と逆導電型の第２導電型の多数の電荷蓄積領域と、前記表面領域内で前記電荷蓄積領域の各列に近接して形成された前記第２導電型の複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の一端に結合された水平電荷転送路と、前記表面領域内で各電荷蓄積領域と関連する垂直電荷転送路との間に配置された前記第１導電型の読み出しゲートと、各垂直電荷転送路と交差するようにその上方に配置され、行方向に延在し、前記垂直電荷転送路内に各電荷蓄積領域当たり２段以上の転送段を画定し、バリア形成電圧と電荷蓄積電圧とを選択的に印加して、電荷を転送できると共に、前記読み出しゲートと関連する転送段に読み出しパルスを印加して、関連する電荷蓄積領域から該関連する転送段に信号電荷を読み出すことのできる複数の転送電極とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
（ａ）前記電荷蓄積領域上に光学的画像を結像し、信号電荷を蓄積すると共に、前記垂直電荷転送路にスミア電荷が生じるのを許容する工程と、
（ｂ）４段以上の転送段を１つの転送単位として、前記電荷蓄積領域から前記垂直電荷転送路に転送単位当り１つの信号電荷を読み出す読み出し工程であって、
（ｂ−１）転送単位当たり少なくとも１転送段のバリアを形成するバリア形成電圧を所定の転送電極に印加し、
（ｂ−２）関連する電荷蓄積領域から垂直電荷転送路に信号電荷を読み出すため所定の転送電極に読み出しパルスを印加し、
（ｂ−３）前記バリア形成電圧を印加された転送電極との間に少なくとも１転送段の間隔を置く所定の転送電極に、前記読み出しパルスによる電荷蓄積領域の電位変化を相殺する相殺パルスを印加する、
ことを含み、前記相殺パルスを印加する転送電極は前記バリア形成電圧を印加する転送電極および前記読み出しパルスを印加する転送電極とは別の転送電極であり、前記読み出しパルスによる電荷蓄積領域の電位変化を前記相殺パルスによって抑制すると共に前記相殺パルスを印加された転送電極の両側にスミア電荷に対するポテンシャルウェルを形成することによりスミア電荷の再分配を防止する読み出し工程と、
（ｃ）前記読み出しパルスおよび前記相殺パルスの消滅後、読み出した電荷を１行づつ前記垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路に転送する電荷転送工程と、
を含む固体撮像装置の駆動方法。
前記多数の電荷蓄積領域がテトラゴナル行列状に配置され、前記転送段の数は、各電荷蓄積領域当たり２または３であり、前記転送単位は４または６転送段である請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記転送電極が複数層の導電層で形成され、前記相殺パルスが印加される転送電極が最下層の導電層を含む請求項２記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記行列状の電荷蓄積領域は、第１の正方格子の格子点とその格子間位置とにハニカム状に配置されている請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記転送段の数は、各電荷蓄積領域当たり４であり、前記転送単位は８転送段である請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記相殺パルスは、前記バリア形成電圧と実質的に等しい請求項１〜５のいずれか１項記載の固体撮像装置の駆動方法。