JP4330607B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、複数の画素を含む固体撮像装置に関する。
従来、複数の画素を含む撮像部を備えた固体撮像装置において、複数の画素のそれぞれに複数の転送ゲート電極が配置された構造が知られている（たとえば、特許文献１参照）。上記特許文献１に開示された固体撮像装置の撮像部は、基板上に、ゲート絶縁膜を介して、複数の転送ゲート電極が互いに所定の間隔を隔てて形成された構造を有する。
また、従来の固体撮像装置では、撮像期間（蓄積期間）の際に、各画素に配置された複数の転送ゲート電極のうちの所定の転送ゲート電極をオン状態にすることによって、オン状態の転送ゲート電極下の領域に形成されるポテンシャル井戸に、光電変換により生成された電子（信号電荷）が蓄積される。また、上記した撮像期間の際には、各画素間の境界近傍に配置された転送ゲート電極は、オフ状態になるように制御されている。これにより、オフ状態の転送ゲート電極下の領域にポテンシャルバリアが形成されるので、所定の画素と隣接する別の画素で生成された電子が所定の画素に混入するのを抑制することが可能となる。上記のようにして各画素に蓄積された電子は、全ての転送ゲート電極をオン状態とオフ状態とに所定の周期で切り替えることにより、電子を蓄積するためのポテンシャル井戸が形成される領域を転送方向（転送ゲート電極の延びる方向と直交する方向）に順次移動させることによって順次転送される。なお、上記特許文献１では、撮像期間と転送期間とにおける転送ゲート電極のオン電圧およびオフ電圧は、それぞれ、＋５Ｖおよび−１０Ｖに設定されている。
特開平６−３１１４３５号公報
上記特許文献１に開示された従来の固体撮像装置では、転送期間の際に、−１０Ｖの絶対値の大きいオフ電圧が印加されるので、オフ状態の転送ゲート電極下の領域に正孔が発生しやすい。このため、正孔と電子とが再結合することに起因して、電子の転送効率が低下するという不都合がある。この不都合を解消する方法としては、転送ゲート電極のオフ電圧（−１０Ｖ）の絶対値を小さくすることにより、転送期間におけるオフ状態の転送ゲート電極下の領域に発生する正孔の量を減少させることによって、正孔と電子とが再結合する確率を低下させることが考えられる。
しかしながら、上記特許文献１では、転送ゲート電極のオフ電圧の絶対値を小さくした場合には、転送期間におけるオフ状態の転送ゲート電極下の領域に発生する正孔の量を減少させることができる一方、撮像期間の際に、オフ状態の転送ゲート電極下の領域のポテンシャルが大きくなることによりポテンシャルバリアの高さが小さくなるので、所定の画素と隣接する別の画素で生成された電子がポテンシャルバリアを乗り越えて所定の画素に混入しやすくなるという不都合が生じる。さらに、転送期間における転送ゲート電極のオフ電圧の絶対値を小さくした場合には、撮像期間の際に、オフ状態の転送ゲート電極下の領域（基板とゲート電極との界面）に発生する正孔の量が減少するので、暗電流となる電子が界面準位を介して伝導帯に励起されやすくなるという不都合も生じる。これらの結果、上記特許文献１では、電子（信号電荷）の転送効率を向上させながら、混色や暗電流の発生を抑制するのが困難であるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、混色や暗電流の発生を抑制し、かつ、電子（信号電荷）の転送効率を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による固体撮像装置は、複数の画素と、複数の画素にそれぞれ配置された転送ゲート電極とを備えている。そして、撮像期間における少なくとも各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極のオフ電圧は、転送期間における少なくとも各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極のオフ電圧よりも低い。なお、各画素間の境界を跨ぐ転送ゲート電極が存在する場合には、その転送ゲート電極が、本発明の各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極である。また、各画素間の境界を跨ぐゲート電極が存在しない場合には、各画素間の境界に隣接する２つの転送ゲート電極のうちの少なくとも１つの転送ゲート電極が、本発明の各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極である。
この一の局面による固体撮像装置では、上記のように、撮像期間における少なくとも各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極のオフ電圧を、転送期間における少なくとも各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極のオフ電圧よりも低くすることによって、撮像期間における各画素間の境界近傍に位置するオフ状態の転送ゲート電極下の領域のポテンシャルを、転送期間における各画素間の境界近傍に位置するオフ状態の転送ゲート電極下の領域のポテンシャル深さよりも浅くすることができる。これにより、撮像期間の際に、各画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極下の領域のポテンシャルバリアの高さを大きくすることができるので、撮像期間の際に、所定の画素と隣接する別の画素で生成された電子（信号電荷）がポテンシャルバリアを乗り越えて所定の画素に混入するのを抑制することができる。その結果、混色が発生するのを抑制することができる。また、撮像期間における転送ゲート電極のオフ電圧を、転送期間における転送ゲート電極のオフ電圧よりも低くすることによって、たとえば、基板上に、ゲート絶縁膜を介して転送ゲート電極が形成された構成において、撮像期間においてオフ状態の転送ゲート電極下の基板とゲート絶縁膜との界面に発生する正孔の量を、転送期間においてオフ状態の転送ゲート電極下の基板とゲート絶縁膜との界面に発生する正孔の量よりも多くすることができる。これにより、撮像期間の際には、オフ状態の転送ゲート電極下の基板とゲート絶縁膜との界面に多くの正孔が存在するので、暗電流となる電子が界面準位を介して伝導帯に励起されるのを抑制することができる。したがって、撮像期間の際に、暗電流が発生するのを抑制することができる。また、撮像期間における転送ゲート電極のオフ電圧を、転送期間における転送ゲート電極のオフ電圧よりも低くすることによって、転送期間においてオフ状態の転送ゲート電極下の領域に発生する正孔の量を、撮像期間においてオフ状態の転送ゲート電極下の領域に発生する正孔の量よりも少なくすることができる。これにより、転送期間の際に、電子と正孔とが再結合する確率を低くすることができるので、電子の転送効率を向上させることができる。これらの結果、一の局面では、混色や暗電流の発生を抑制し、かつ、電子（信号電荷）の転送効率を向上させることができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、転送ゲート電極は、各画素間の境界近傍に位置する複数の第１転送ゲート電極と、複数の第１転送ゲート電極に挟まれるように配置される第２転送ゲート電極とを含み、複数の第１転送ゲート電極および第２転送ゲート電極は、撮像期間の際に、オン状態とオフ状態とに切り替えられる。このように構成すれば、撮像期間の際に、同一の画素内において、電子を蓄積するためのポテンシャル井戸を、複数の第１転送ゲート電極下の領域と、第２転送ゲート電極下の領域とにそれぞれ形成することができる。これにより、撮像期間の際に、同一の画素内において、複数の第１転送ゲート電極下の領域と、第２転送ゲート電極下の領域とで発生する暗電流を平均化処理することができるので、複数の第１転送ゲート電極下の領域と、第２転送ゲート電極下の領域とで発生する暗電流のばらつきを抑制することができる。
この場合、好ましくは、撮像期間の際に、各画素間の境界近傍において隣接する複数の第１転送ゲート電極のうち少なくとも１つは、オフ状態になっている。このように構成すれば、各画素間の境界近傍において隣接する２つの第１転送ゲート電極下の領域のうち少なくとも１つがポテンシャルバリアになっているので、隣接する各画素間で蓄積される電子が混入することを抑制することができる。
上記第１転送ゲート電極および第２転送ゲート電極を含む固体撮像装置において、好ましくは、隣接する画素の第１転送ゲート電極間の境界部と、画素の上方に設けられた複数の色領域を有するカラーフィルタの各色領域の境界部との間に設けられ、各画素間を分離するための遮光膜をさらに備える。このように構成すれば、容易に、所定の画素に隣接する画素に入射された光が、所定の画素に混入するのを抑制することができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、転送ゲート電極は、各画素間の境界近傍に位置する第３転送ゲート電極を含み、第３転送ゲート電極は、撮像期間の際に、常にオフ状態に保持されている。このように構成すれば、撮像期間を通して、各画素間の境界近傍に位置する第３転送ゲート電極下の領域にポテンシャルバリアが形成された状態が保持されるので、容易に、各画素間の分離を行うことができる。
この場合、好ましくは、転送ゲート電極は、第３転送ゲート電極に挟まれるように、各画素の内側にそれぞれ配置された複数の第４転送ゲート電極をさらに含み、複数の第４転送ゲート電極は、撮像期間の際に、オン状態とオフ状態とに切り替えられる。このように構成すれば、撮像期間の際に、同一の画素内において、電子を蓄積するためのポテンシャル井戸を、所定の第４転送ゲート電極下の領域と、所定の第４転送ゲート電極とは別の第４転送ゲート電極下の領域とに交互に形成することができる。これにより、撮像期間の際に、同一の画素内において、複数の第４転送ゲート電極下の領域で発生する暗電流を平均化処理することができるので、複数の第４転送ゲート電極下の領域で発生する暗電流のばらつきを抑制することができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、転送ゲート電極を含むとともに、撮像期間の際に電子を生成する撮像部と、転送期間の際に撮像部から電子が転送されるとともに、電子を蓄積する蓄積部とをさらに備える。このように構成すれば、撮像部および蓄積部を備えたいわゆるフレームトランスファ型の固体撮像装置において、混色や暗電流の発生を抑制し、かつ、電子（信号電荷）の転送効率を向上させることができる。
なお、上記の構成において、さらに以下のような構成も考えられる。
上記転送ゲート電極が第３転送ゲート電極を含む構成において、好ましくは、画素の上方に設けられ、複数の色領域を有するカラーフィルタをさらに備え、カラーフィルタの各色領域の境界部は、第３転送ゲート電極が位置する領域の上方に配置されている。このように構成すれば、撮像期間における第３転送ゲート電極は、各画素間の分離を行うポテンシャルバリアを形成する機能のみを有するので、第３転送ゲート電極（カラーフィルタの各色領域の境界部）を覆うように画素分離のための遮光膜を設けた場合には、電子が蓄積される領域の露出面積が小さくなるのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、第３転送ゲート電極と、カラーフィルタの各色領域の境界部との間に設けられ、各画素間を分離するための遮光膜をさらに備える。このように構成すれば、容易に、電子が蓄積される領域の露出面積が小さくなるのを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の全体構成を示した概略図である。図２は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部および蓄積部の構造を説明するための平面図である。図３は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部の構造を説明するための断面図である。まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。
第１実施形態による固体撮像装置は、図１に示すように、撮像部１と、蓄積部２と、水平転送部３と、出力部４とを備えたフレームトランスファ構造を有する。撮像部１は、図２に示すように、複数の画素５（１点鎖線で囲まれた領域）がマトリクス状に配置された構造を有する。なお、図２には、図面の簡略化のため、９つの画素５のみを図示しているが、実際には、９つ以上の画素５がマトリクス状に配置されている。この撮像部１（画素５）は、光の入射量に応じて電子（信号電荷）を生成および蓄積するとともに、その電子を蓄積部２に転送する機能を有する。また、図１に示すように、蓄積部２は、撮像部１から転送された電子を蓄積するとともに、その電子を水平転送部３に転送する機能を有する。水平転送部３は、蓄積部２から転送された電子を出力部４に順次転送する機能を有する。出力部４は、水平転送部３から転送された電子を電気信号として出力する機能を有する。
また、図２に示すように、撮像部１および蓄積部２には、複数の転送ゲート電極６が転送方向と直交する方向（行方向）に延びるように設けられている。また、複数の転送ゲート電極６は、転送方向に互いに所定の間隔を隔てて配列されている。また、撮像部１に位置する複数の転送ゲート電極６には、それぞれ、電子を転送するための３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３が供給されるとともに、蓄積部２に位置する転送ゲート電極６には、それぞれ、電子を転送するための３相のクロック信号ＣＬＫ４〜ＣＬＫ６が供給される。そして、複数の転送ゲート電極６の各々にクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ６が供給されることにより、複数の転送ゲート電極６下の領域の各々に、電子を蓄積および転送するためのポテンシャル井戸が形成される。また、行方向に隣接する画素５間には、行方向に隣接する画素５間を分離するための画素分離領域７が、転送方向に沿って蓄積部２にまで延びるように形成されている。
ここで、第１実施形態では、撮像部１において、転送ゲート電極６は、転送ゲート電極６ａ、６ｂおよび６ｃを含んでいる。撮像部１の転送ゲート電極６ｃは、各画素５間の転送方向の境界に配置されているとともに、その転送ゲート電極６ｃには、クロック信号ＣＬＫ３が供給される。また、撮像部１の転送ゲート電極６ａおよび６ｂは、転送ゲート電極６ｃに挟まれるように、各画素５の内側に配置されているとともに、その転送ゲート電極６ａおよび６ｂには、それぞれ、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ２が供給される。なお、転送ゲート電極６ａおよび６ｂは、本発明の「第４転送ゲート電極」の一例であり、転送ゲート電極６ｃは、本発明の「第３転送ゲート電極」の一例である。
そして、第１実施形態では、撮像期間の際には、転送ゲート電極６ａおよび６ｂが所定の周期でオン状態とオフ状態とに切り替わるとともに、転送ゲート電極６ｃが常にオフ状態に保持されるように、３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３が制御される。また、転送期間の際には、撮像部１および蓄積部２の全ての転送ゲート電極６がオン状態とオフ状態とに所定の周期で切り替わるように、３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３およびＣＬＫ４〜ＣＬＫ６が制御される。また、３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３は、撮像期間における転送ゲート電極６のオフ電圧が、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧よりも低くなるように設定されている。第１実施形態では、撮像期間における転送ゲート電極６のオフ電圧が約−８Ｖに設定されているとともに、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧が約−５Ｖに設定されている。
また、図３に示すように、撮像部１（画素部５）の断面構造としては、ｎ型シリコン基板８上に、ｐ型シリコン層９およびｎ型シリコン層１０が順次形成されている。そして、ｎ型シリコン層１０上に、ＳｉＯ２膜からなるゲート絶縁膜１１を介して、上記した転送ゲート電極６ａ〜６ｃが形成されている。また、第１実施形態では、ｎ型シリコン基板８、ｐ型シリコン層９およびｎ型シリコン層１０によって、縦型オーバーフロードレイン構造が構成されている。すなわち、第１実施形態では、縦型オーバーフロードレイン構造によって、オフ状態のゲート電極６ａ〜６ｃ下の領域で熱励起などにより発生した暗電流となる電子がｎ型シリコン基板８側に引き抜かれる。
また、撮像部１の上方には、光の三原色（Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）およびＢ（ブルー））に対応する複数の色領域を有するベイヤー配列のカラーフィルタ１２が設けられている。このカラーフィルタ１２は、図２に示すように、同じ色領域が互いに隣接しないように、かつ、Ｇ（グリーン）に対応する色領域の数がＲ（レッド）およびＢ（ブルー）に対応する色領域の数の２倍になるように配列されている。
また、第１実施形態では、図３に示すように、カラーフィルタ１２の各色領域の転送方向の境界部１２ａは、各画素５間の転送方向の境界と一致するように、転送ゲート電極６ｃが位置する領域の上方に配置されている。また、転送ゲート電極６ｃと、カラーフィルタ１２の各色領域の境界部１２ａとの間には、各画素５間を分離するための遮光膜１３が設けられている。この遮光膜１３は、転送ゲート電極６ｃと同じ転送方向の幅を有するとともに、転送ゲート電極６ｃの上面の全てを覆うように配置されている。また、カラーフィルタ１２と遮光膜１３との間には、光を集光するためのレンズ１４が各画素５毎に１つずつ設けられている。
図４は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作を説明するための電圧波形図である。図５および図６は、それぞれ、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作を説明するためのポテンシャル図である。なお、図５および図６には、図５および図６の左端の画素５の転送ゲート電極６ａ、６ｂおよび６ｃの下に蓄積された電子の動作のみを表しているが、実際には、各画素５の転送ゲート電極６ａ、６ｂおよび６ｃの下にも電子が蓄積されており、各画素５の転送ゲート電極下の電子の動作は、左端の画素５と同様である。次に、図１〜図６を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作について説明する。
まず、図３に示した撮像部１において、カラーフィルタ１２を透過した光がレンズ１４により集光されることによって、各画素５に光が入射される。これにより、各画素５において、対応するカラーフィルタ１２の色領域を透過した光が光電変換されて電子（信号電荷）が生成される。
この際、３相のクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖ、約−８Ｖおよび約−８Ｖにする（図４に示すｔ１の期間）。これにより、図５に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオン状態となるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオフ状態となる。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態となる。このため、転送ゲート電極６ａ下の領域にポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、転送ゲート電極６ａ下の領域で生成された光電変換による電子が蓄積される。また、転送ゲート電極６ａ下の領域に形成されるポテンシャル井戸には、光電変換された電子に加えて、熱励起などにより発生する暗電流となる電子も蓄積される。なお、撮像期間に転送ゲート電極６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−８Ｖ）は、後述する転送期間に転送ゲート電極６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−５Ｖ）よりも低い。
ここで、転送ゲート電極６ａ下の領域に実際に形成されるポテンシャル井戸のポテンシャル（図５の破線）は、転送ゲート電極６ａ下の領域から転送ゲート電極６ｂおよび６ｃ下の領域に向かって徐々に小さくなるとともに、ポテンシャルの大きい部分が転送ゲート電極６ｂおよび６ｃ下の領域にまで広がる。このため、転送ゲート電極６ａ下の領域に実際に形成されるポテンシャル井戸には、転送ゲート電極６ａ下の領域で生成された光電変換による電子のみならず、転送ゲート電極６ａ下の領域近傍で生成された光電変換による電子も蓄積される。さらに、第１実施形態では、転送ゲート電極６ａ下の領域に実際に形成されるポテンシャル井戸のポテンシャルの大きい部分は、転送ゲート電極６ｃに低いオフ電圧（約−８Ｖ）が印加されていることにより、オフ状態の転送ゲート電極６ｃ下の領域を越えて所定の画素５からその所定の画素５と隣接する別の画素５にまでは達しない。したがって、第１実施形態では、オフ状態の転送ゲート電極６ｃ下の領域は、各画素５間を分離するためのポテンシャルバリアとして確実に機能する。
また、第１実施形態では、転送ゲート電極６ｃに低いオフ電圧（約−８Ｖ）が印加されていることにより、オフ状態の転送ゲート電極６ｃ下のｎ型シリコン層１０（図３参照）とゲート絶縁膜１１（図３参照）との界面に多くの正孔が発生する。このため、暗電流となる電子が界面準位を介して伝導帯に励起されるのが抑制されている。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−８Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約−８Ｖから約３Ｖに変化させる（図４に示すｔ２の期間）。これにより、図５に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオン状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオン状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１の期間に転送ゲート電極６ａ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−８Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ１を約３Ｖから約−８Ｖに変化させる（図４に示すｔ３の期間）。これにより、図５に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオフ状態に変化するとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ｂ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ２の期間に転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子と、転送ゲート電極６ｂ下の領域で生成された光電変換による電子および熱励起などによる電子（暗電流となる電子）が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−８Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ１を約−８Ｖから約３Ｖに変化させる（図４に示すｔ４の期間）。これにより、図５に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオン状態に変化するとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ３の期間に転送ゲート電極６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
この後、上記したｔ１〜ｔ４の期間に行われた動作と同様の動作を繰り返し行う。すなわち、転送ゲート電極６ａおよび６ｂを、オン状態とオフ状態とに所定の周期で切り替えるとともに、転送ゲート電極６ｃを、オフ状態に保持する。
次に、転送期間の際には、３相のクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖ、約−５Ｖおよび約−５Ｖにする（図４に示すｔ１１の期間）。これにより、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオン状態となるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオフ状態となる。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態となる。このため、転送ゲート電極６ａ下の領域にポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、撮像期間に蓄積されていた電子が蓄積される。なお、転送期間に転送ゲート電極６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−５Ｖ）は、上記した撮像期間に転送ゲート電極６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−８Ｖ）よりもＶｄ（約３Ｖ）（図４参照）だけ小さい。
ここで、第１実施形態では、転送ゲート電極６ｃに高いオフ電圧（約−５Ｖ）が印加されていることにより、転送期間にオフ状態の転送ゲート電極６ｃ下の領域に発生する正孔の量が、上記した撮像期間にオフ状態の転送ゲート電極６ｃ下の領域に発生する正孔の量よりも少なくなる。したがって、転送ゲート電極６ｃ下の領域に電子が転送された際に、電子と正孔とが再結合する確率が低くなる。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−５Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約−５Ｖから約３Ｖに変化させる（図４に示すｔ１２の期間）。これにより、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオン状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオン状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１１の期間に転送ゲート電極６ａ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−５Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ１を約３Ｖから約−５Ｖに変化させる（図４に示すｔ１３の期間）。これにより、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオフ状態に変化するとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ｂ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１２の期間に転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ２を、それぞれ、約−５Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ３を約−５Ｖから約３Ｖに変化させる（図４に示すｔ１４の期間）。これにより、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオン状態に変化する。このため、転送ゲート電極６ｂおよび６ｃ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１３の期間に転送ゲート電極６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−５Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約３Ｖから約−５Ｖに変化させる（図４に示すｔ１５の期間）。これにより、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオフ状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオン状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ｃ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１４の期間に転送ゲート電極６ｂおよび６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−５Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ１を約−５Ｖから約３Ｖに変化させる（図４に示すｔ１６の期間）。これにより、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ａがオン状態に変化するとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｂがオフ状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極６ｃがオン状態に保持される。このため、転送ゲート電極６ｃおよび６ａ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１５の期間に転送ゲート電極６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
この後、上記したｔ１１〜ｔ１６の期間に行われた動作と同様の動作を繰り返し行うことによって、撮像期間に所定の画素５で蓄積された電子を、所定の画素５と隣接する別の画素５に順次転送する。このようにして、撮像期間に撮像部１に蓄積された１フレーム（全ての画素５）の電子を蓄積部２（図２参照）に転送する。なお、蓄積部２では、上記したｔ１１〜ｔ１６の期間と同様にして転送ゲート電極６を駆動させる。そして、蓄積部２に蓄積された電子を１行分ずつ水平転送部３（図１参照）に転送するとともに、その１行分の電子を出力部４（図１参照）に出力する。
第１実施形態では、上記のように、撮像期間における各画素５間の境界に位置する転送ゲート電極６ｃのオフ電圧（約−８Ｖ）を、転送期間における各画素５間の境界に位置する転送ゲート電極６ｃのオフ電圧（約−５Ｖ）よりも低くすることによって、撮像期間における各画素５間の境界に位置するオフ状態の転送ゲート電極６ｃ下の領域のポテンシャルを、転送期間における各画素５間の境界に位置するオフ状態の転送ゲート電極６ｃ下の領域のポテンシャル深さよりも浅くすることができる。これにより、撮像期間の際に、各画素５間の境界に位置する転送ゲート電極６ｃ下の領域のポテンシャルバリアの高さを大きくすることができるので、撮像期間の際に、所定の画素５と隣接する別の画素５で生成された電子（信号電荷）がポテンシャルバリアを乗り越えて所定の画素５に混入するのを抑制することができる。その結果、混色が発生するのを抑制することができる。
また、撮像期間における転送ゲート電極６のオフ電圧（約−８Ｖ）を、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧（約−５Ｖ）よりも低くすることによって、撮像期間においてオフ状態の転送ゲート電極６下のｎ型シリコン層１０とゲート絶縁膜１１との界面に発生する正孔の量を、転送期間においてオフ状態の転送ゲート電極６下のｎ型シリコン層１０とゲート絶縁膜１１との界面に発生する正孔の量よりも多くすることができる。これにより、撮像期間の際には、オフ状態の転送ゲート電極６下のｎ型シリコン層１０とゲート絶縁膜１１との界面に多くの正孔が存在するので、暗電流となる電子が界面準位を介して伝導帯に励起されるのを抑制することができる。したがって、撮像期間の際に、暗電流が発生するのを抑制することができる。
また、撮像期間における転送ゲート電極６のオフ電圧（約−８Ｖ）を、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧（約−５Ｖ）よりも低くすることによって、転送期間においてオフ状態の転送ゲート電極６下の領域に発生する正孔の量を、撮像期間においてオフ状態の転送ゲート電極６下の領域に発生する正孔の量よりも少なくすることができる。これにより、転送期間の際に、電子と正孔とが再結合する確率を低くすることができるので、電子の転送効率を向上させることができる。これらの結果、第１実施形態では、混色や暗電流の発生を抑制し、かつ、電子（信号電荷）の転送効率を向上させることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、各画素５間の境界に位置する転送ゲート電極６ｃを、撮像期間の際に、常にオフ状態に保持することによって、撮像期間を通して、各画素５間の境界に位置する転送ゲート電極６ｃ下の領域にポテンシャルバリアが形成された状態が保持されるので、容易に、各画素５間の分離を行うことができる。
また、第１実施形態では、上記のように、各画素５の内側にそれぞれ配置された２つの転送ゲート電極６ａおよび６ｂを、撮像期間の際に、オン状態とオフ状態とに周期的に切り替えることによって、撮像期間の際に、同一の画素５内において、電子を蓄積するためのポテンシャル井戸を、転送ゲート電極６ａ下の領域と、転送ゲート電極６ｂ下の領域とに交互に形成することができる。これにより、撮像期間の際に、同一の画素５内において、転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域で発生する暗電流を平均化処理することができるので、転送ゲート電極６ａおよび６ｂ下の領域で発生する暗電流のばらつきを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、カラーフィルタ１２の各色領域の境界部１２ａを、転送ゲート電極６ｃが位置する領域の上方に配置することによって、撮像期間における転送ゲート電極６ｃは、各画素５間の分離を行うポテンシャルバリアを形成する機能のみを有するので、転送ゲート電極６ｃ（カラーフィルタ１２の各色領域の境界部１２ａ）を覆うように画素分離のための遮光膜１３を設けたとしても、電子が蓄積される領域の露出面積が小さくなるのを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、転送ゲート電極６ａ、６ｂおよび６ｃを含むとともに、撮像期間の際に電子を生成する撮像部１と、転送期間の際に撮像部１から電子が転送されるとともに、電子を蓄積する蓄積部２とを備えることによって、撮像部１および蓄積部２を備えたいわゆるフレームトランスファ型の固体撮像装置において、混色や暗電流の発生を抑制し、かつ、電子（信号電荷）の転送効率を向上させることができる。
次に、上記した暗電流の発生の抑制および電子（信号電荷）の転送効率の向上に関する効果を確認するために行った実験について説明する。
まず、暗電流に関する効果を確認するための実験では、暗時において、上記した第１実施形態による固体撮像装置（図１〜図３参照）を用いて撮像を行った。この際、画素５の内側に配置された転送ゲート電極６ａおよび６ｂをオン状態とオフ状態とに１回ずつ切り替えた。また、各画素５間の境界に配置された転送ゲート電極６ｃをオフ状態に保持した。そして、転送ゲート電極６のオフ電圧を−８Ｖ（第１実施形態）に設定することにより、各画素５の出力電圧を測定した。また、比較例として、転送ゲート電極６のオフ電圧を−５Ｖに設定することにより、各画素５の出力電圧を測定した。その結果、実施形態の暗時における各画素５の出力電圧のばらつきは、比較例の暗時における各画素５の出力電圧のばらつきに比べて約３５％低減された。
この結果から、転送ゲート電極６のオフ電圧を−８Ｖに設定した第１実施形態では、暗電流の発生が比較例よりも抑制されたために、各画素５の出力電圧のばらつきが低減したと考えられる。すなわち、転送ゲート電極６のオフ電圧を−８Ｖに設定することによって、転送ゲート電極６のオフ電圧を−５Ｖに設定する場合に比べて、オフ状態の転送ゲート電極６下のｎ型シリコン層１０とゲート絶縁膜１１との界面に多くの正孔が発生するために、暗電流となる電子が界面準位を介して伝導帯に励起されるのが抑制されたと考えられる。
次に、転送効率に関する効果を確認するための実験では、低照度の環境下において、上記した第１実施形態による固体撮像装置（図１〜図３参照）を用いて撮像を行った。撮像期間の際には、上記した暗電流に関する確認実験と同様に、転送ゲート電極６ａ〜６ｃを駆動させた。また、転送期間の際には、転送ゲート電極６を所定の周期でオン状態とオフ状態とに所定の周期で切り替えた。そして、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧を−５Ｖ（第１実施形態）に設定することにより、同一の転送ラインに含まれる複数の画素５毎の出力電圧を測定した。また、比較例として、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧を−６Ｖに設定することにより、同一の転送ラインに含まれる複数の画素５毎の出力電圧を測定した。その結果、第１実施形態における同一の転送ラインに含まれる複数の画素５毎の出力電圧のばらつきは、比較例における同一の転送ラインに含まれる複数の画素５毎の出力電圧のばらつきに比べて約４５％低減された。
この結果から、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧を−５Ｖに設定した第１実施形態では、転送期間において電子と正孔との再結合が低減されたために、同一の転送ラインに含まれる複数の画素５毎の出力電圧のばらつきが低減したと考えられる。すなわち、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧を−５Ｖに設定することによって、転送期間における転送ゲート電極６のオフ電圧を−６Ｖに設定する場合に比べて、転送期間においてオフ状態の転送ゲート電極６下の領域に発生する正孔の量が少なくなるために、電子と正孔とが再結合する確率が低くなったと考えられる。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態による固体撮像装置の撮像部および蓄積部の構造を説明するための平面図である。図８は、第２実施形態による固体撮像装置の撮像部の構造を説明するための断面図である。まず、図１、図７および図８を参照して、第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃが、各画素２５間の転送方向の境界に配置されている固体撮像装置の構造について説明する。
第２実施形態による固体撮像装置は、図１に示す第１実施形態と同様に、撮像部２１と、蓄積部２２と、水平転送部３と、出力部４とを備えたフレームトランスファ構造を有する。撮像部２１は、図７に示すように、複数の画素２５（１点鎖線で囲まれた領域）がマトリクス状に配置された構造を有する。なお、図７には、図面の簡略化のため、９つの画素２５のみを図示しているが、実際には、９つ以上の画素２５がマトリクス状に配置されている。この撮像部２１（画素２５）は、光の入射量に応じて電子（信号電荷）を生成および蓄積するとともに、その電子を蓄積部２２に転送する機能を有する。また、図１に示すように、蓄積部２２は、撮像部２１から転送された電子を蓄積するとともに、その電子を水平転送部３に転送する機能を有する。水平転送部３は、蓄積部２２から転送された電子を出力部４に順次転送する機能を有する。出力部４は、水平転送部３から転送された電子を電気信号として出力する機能を有する。
また、図７に示すように、撮像部２１および蓄積部２２には、複数の転送ゲート電極２６が転送方向と直交する方向（行方向）に延びるように設けられている。また、複数の転送ゲート電極２６は、転送方向に互いに所定の間隔を隔てて配列されている。また、撮像部２１に位置する複数の転送ゲート電極２６には、それぞれ、電子を転送するための３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３が供給されるとともに、蓄積部２２に位置する転送ゲート電極２６には、それぞれ、電子を転送するための３相のクロック信号ＣＬＫ４〜ＣＬＫ６が供給される。そして、複数の転送ゲート電極２６の各々にクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ６が供給されることにより、複数の転送ゲート電極２６下の領域の各々に、電子を蓄積および転送するためのポテンシャル井戸が形成される。また、行方向に隣接する画素２５間には、行方向に隣接する画素２５間を分離するための画素分離領域７が、転送方向に沿って蓄積部２２にまで延びるように形成されている。
ここで、第２実施形態では、撮像部２１において、転送ゲート電極２６は、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃを含んでいる。撮像部２１の転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃは、各画素２５間の転送方向の境界線を挟むように所定の間隔を隔てて配置されているとともに、その転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃには、それぞれ、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３が供給される。また、撮像部２１の転送ゲート電極２６ｂは、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに挟まれるように、各画素２５の内側に配置されているとともに、その転送ゲート電極２６ｂには、クロック信号ＣＬＫ２が供給される。なお、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃは、本発明の「第１転送ゲート電極」の一例であり、転送ゲート電極２６ｂは、本発明の「第２転送ゲート電極」の一例である。
そして、第２実施形態では、撮像期間の際には、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃが所定の周期でオン状態とオフ状態とに切り替わるように、３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３が制御される。また、転送期間の際には、撮像部２１および蓄積部２２の全ての転送ゲート電極２６がオン状態とオフ状態とに所定の周期で切り替わるように、３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３およびＣＬＫ４〜ＣＬＫ６が制御される。また、３相のクロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ３は、撮像期間における転送ゲート電極２６のオフ電圧が、転送期間における転送ゲート電極２６のオフ電圧よりも低くなるように設定されている。第２実施形態では、撮像期間における転送ゲート電極２６のオフ電圧が約−８Ｖに設定されているとともに、転送期間における転送ゲート電極２６のオフ電圧が約−５Ｖに設定されている。
また、図８に示すように、撮像部２１（画素部２５）の断面構造としては、ｎ型シリコン基板２８上に、ｐ型シリコン層２９およびｎ型シリコン層３０が順次形成されている。そして、ｎ型シリコン層３０上に、ＳｉＯ２膜からなるゲート絶縁膜３１を介して、上記した転送ゲート電極２６ａ〜２６ｃが形成されている。また、第２実施形態では、ｎ型シリコン基板２８、ｐ型シリコン層２９およびｎ型シリコン層３０によって、縦型オーバーフロードレイン構造が構成されている。すなわち、第２実施形態では、縦型オーバーフロードレイン構造によって、オフ状態の転送ゲート電極２６ａ〜２６ｃ下の領域で熱励起などにより発生した暗電流となる電子がｎ型シリコン基板２８側に引き抜かれる。
また、撮像部２１の上方には、光の三原色（Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）およびＢ（ブルー））に対応する複数の色領域を有するベイヤー配列のカラーフィルタ３２が設けられている。このカラーフィルタ３２は、図７に示すように、同じ色領域が互いに隣接しないように、かつ、Ｇ（グリーン）に対応する色領域の数がＲ（レッド）およびＢ（ブルー）に対応する色領域の数の２倍になるように配列されている。
また、第２実施形態では、図８に示すように、カラーフィルタ３２の各色領域の転送方向の境界部３２ａは、各画素２５間の転送方向の境界と一致するように、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに挟まれるように所定の間隔を隔てて配置されている。また、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに挟まれる画素２５の境界と、画素２５の上方に設けられた複数の色領域を有するカラーフィルタ３２の各色領域の境界部３２ａとの間に遮光膜３３が設けられている。また、カラーフィルタ３２と遮光膜３３との間には、光を集光するためのレンズ３４が各画素２５毎に１つずつ設けられている。
図９は、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作を説明するための電圧波形図である。図１０および図１１は、それぞれ、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作を説明するためのポテンシャル図である。なお、図１０および図１１には、図１０および図１１の左端の画素２５の転送ゲート電極下に蓄積された電子の動作のみを表しているが、実際には、各画素２５の転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃの下にも電子が蓄積されており、各画素２５の転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃの下の電子の動作は、左端の画素２５と同様である。次に、図１および図７〜図１１を参照して、第２実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作について説明する。
まず、図８に示した撮像部２１において、カラーフィルタ３２を透過した光がレンズ３４により集光されることによって、各画素２５に光が入射される。これにより、各画素２５において、対応するカラーフィルタ３２の色領域を透過した光が光電変換されて電子（信号電荷）が生成される。
この際、３相のクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−８Ｖ、約３Ｖおよび約−８Ｖにする（図９に示すｔ１の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態となるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態となる。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態となる。このため、転送ゲート電極２６ｂ下の領域にポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、転送ゲート電極２６ｂ下の領域で生成された光電変換による電子が蓄積される。また、転送ゲート電極２６ｂ下の領域に形成されるポテンシャル井戸には、光電変換された電子に加えて、熱励起などにより発生する暗電流となる電子も蓄積される。なお、撮像期間に転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−８Ｖ）は、後述する転送期間に転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−５Ｖ）よりも低い。
ここで、転送ゲート電極２６ｂ下の領域に実際に形成されるポテンシャル井戸のポテンシャル（図１０の破線）は、転送ゲート電極２６ｂ下の領域から転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域に向かって徐々に小さくなるとともに、ポテンシャルの大きい部分が転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域にまで広がる。このため、転送ゲート電極２６ｂ下の領域に実際に形成されるポテンシャル井戸には、転送ゲート電極２６ｂ下の領域で生成された光電変換による電子のみならず、転送ゲート電極２６ｂ下の領域近傍で生成された光電変換による電子も蓄積される。さらに、第２実施形態では、転送ゲート電極２６ｂ下の領域に実際に形成されるポテンシャル井戸のポテンシャルの大きい部分は、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに低いオフ電圧（約−８Ｖ）が印加されていることにより、オフ状態の転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域を越えて所定の画素２５からその所定の画素２５と隣接する別の画素２５にまでは達しない。したがって、第２実施形態では、オフ状態の転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域は、各画素２５間を分離するためのポテンシャルバリアとして確実に機能する。
また、第２実施形態では、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに低いオフ電圧（約−８Ｖ）が印加されていることにより、オフ状態の転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下のｎ型シリコン層３０（図８参照）とゲート絶縁膜３１（図８参照）との界面に多くの正孔が発生する。このため、暗電流となる電子が界面準位を介して伝導帯に励起されるのが抑制されている。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ２を、それぞれ、約−８Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ３を約−８Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ２の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオン状態に変化する。このため、転送ゲート電極２６ｂおよび２６ｃ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１の期間に転送ゲート電極２６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−８Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約３Ｖから約−８Ｖに変化させる（図９に示すｔ３の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオフ状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオン状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ｃ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ２の期間に転送ゲート電極２６ｂおよび２６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子と、転送ゲート電極２６ｃ下の領域で生成された光電変換による電子および熱励起などによる電子（暗電流となる電子）が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−８Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約−８Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ４の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオン状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ｂおよび２６ｃ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ３の期間に転送ゲート電極２６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ２を、それぞれ、約−８Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ３を約３Ｖから約−８Ｖに変化させる（図９に示すｔ５の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態に変化する。このため、転送ゲート電極２６ｂ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ４の期間に転送ゲート電極２６ｂおよび２６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子と、転送ゲート電極２６ｂ下の領域で生成された光電変換による電子および熱励起などによる電子（暗電流となる電子）が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−８Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ１を約−８Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ６の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオン状態に変化するとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｂ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ５の期間に転送ゲート電極２６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−８Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約３Ｖから約−８Ｖに変化させる（図９に示すｔ７の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオン状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオフ状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ａ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ６の期間に転送ゲート電極２６ａおよび２６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子と、転送ゲート電極２６ａ下の領域で生成された光電変換による電子および熱励起などによる電子（暗電流となる電子）が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−８Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約−８Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ８の期間）。これにより、図１０に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオン状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−８Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｂ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ７の期間に転送ゲート電極２６ａ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
この後、上記したｔ１〜ｔ８の期間に行われた動作と同様の動作を繰り返し行う。すなわち、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃを、オン状態とオフ状態とに所定の周期で切り替える。
次に、転送期間の際には、３相のクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−５Ｖ、約３Ｖおよび約−５Ｖにする（図９に示すｔ１１の期間）。これにより、図１１に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態となるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態となる。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態となる。このため、転送ゲート電極２６ｂ下の領域にポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、撮像期間に蓄積されていた電子が蓄積される。なお、転送期間に転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−５Ｖ）は、上記した撮像期間に転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃをオフ状態にするためのオフ電圧（約−８Ｖ）よりもＶｄ（約３Ｖ）（図９参照）だけ小さい。
ここで、第２実施形態では、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃに高いオフ電圧（約−５Ｖ）が印加されていることにより、転送期間にオフ状態の転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃ下の領域に発生する正孔の量が、上記した撮像期間にオフ状態の転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃ下の領域に発生する正孔の量よりも少なくなる。したがって、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃ下の領域に電子が転送された際に、電子と正孔とが再結合する確率が低くなる。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ２を、それぞれ、約−５Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ３を約−５Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ１２の期間）。これにより、図１１に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオン状態に変化する。このため、転送ゲート電極２６ｂおよび２６ｃ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１１の期間に転送ゲート電極２６ｂ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−５Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約３Ｖから約−５Ｖに変化させる（図９に示すｔ１３の期間）。これにより、図１１に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオフ状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオフ状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオン状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ｃ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１２の期間に転送ゲート電極２６ｂおよび２６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ２およびＣＬＫ３を、それぞれ、約−５Ｖおよび約３Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ１を約−５Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ１４の期間）。これにより、図１１に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオン状態に変化するとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオフ状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオン状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１３の期間に転送ゲート電極２６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ２を、それぞれ、約３Ｖおよび約−５Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ３を約３Ｖから約−５Ｖに変化させる（図９に示すｔ１５の期間）。これにより、図１１に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオン状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオフ状態に保持される。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態に変化する。このため、転送ゲート電極２６ａ下の領域にのみポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１４の期間に転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
次に、クロック信号ＣＬＫ１およびＣＬＫ３を、それぞれ、約３Ｖおよび約−５Ｖに保持した状態で、クロック信号ＣＬＫ２を約−５Ｖから約３Ｖに変化させる（図９に示すｔ１６の期間）。これにより、図１１に示すように、クロック信号ＣＬＫ１（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ａがオン状態に保持されるとともに、クロック信号ＣＬＫ２（約３Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｂがオン状態に変化する。また、クロック信号ＣＬＫ３（約−５Ｖ）が供給される転送ゲート電極２６ｃがオフ状態に保持される。このため、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｂ下の領域に連続したポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に、ｔ１５の期間に転送ゲート電極２６ａ下の領域に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた電子が蓄積される。
この後、上記したｔ１１〜ｔ１６の期間に行われた動作と同様の動作を繰り返し行うことによって、撮像期間に所定の画素２５で蓄積された電子を、所定の画素２５と隣接する別の画素２５に順次転送する。このようにして、撮像期間に撮像部２１に蓄積された１フレーム（全ての画素２５）の電子を蓄積部２２（図７参照）に転送する。なお、蓄積部２２では、上記したｔ１１〜ｔ１６の期間と同様にして転送ゲート電極２６を駆動させる。そして、蓄積部２２に蓄積された電子を１行分ずつ水平転送部３（図１参照）に転送するとともに、その１行分の電子を出力部４（図１参照）に出力する。
第２実施形態では、上記のように、転送ゲート電極２６は、各画素２５間の境界近傍に位置する転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃと、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに挟まれるように配置される転送ゲート電極２６ｂとを含み、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃを、撮像期間の際に、オン状態とオフ状態とに切り替えることによって、撮像期間の際に、同一の画素２５内において、電子を蓄積するためのポテンシャル井戸を、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃ下の領域にそれぞれ形成することができる。これにより、撮像期間の際に、同一の画素２５内において、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃ下の領域で発生する暗電流を平均化処理することができるので、転送ゲート電極２６ａ、２６ｂおよび２６ｃ下の領域で発生する暗電流のばらつきを抑制することができる。
また、第２実施形態では、上記のように、撮像期間の際に、転送ゲート電極２６に含まれる各画素２５間の境界近傍において隣接する転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃのうち少なくとも１つを、オフ状態にすることによって、各画素２５間の境界近傍において隣接する転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃ下の領域のうち少なくとも１つがポテンシャルバリアになっているので、隣接する各画素２５間で蓄積される電子が混入することを抑制することができる。
また、第２実施形態では、上記のように、隣接する画素２５の転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃの境界部と、画素２５の上方に設けられた複数の色領域を有するカラーフィルタ３２の各色領域の境界部３２ａとの間に設けられ、各画素２５間を分離するための遮光膜３３を備えることによって、容易に、所定の画素２５に隣接する画素２５に入射された光が、所定の画素２５に混入するのを抑制することができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１実施形態では、撮像期間においてポテンシャル井戸を形成するための転送ゲート電極を、各画素に２つずつ配置する例を示したが、本発明はこれに限らず、撮像期間においてポテンシャル井戸を形成するための転送ゲート電極を、各画素に１つずつ配置してもよいし、３つ以上ずつ配置してもよい。
また、上記第１実施形態では、撮像期間の際に、各画素の内側に配置された２つの転送ゲート電極を、所定の周期でオン状態とオフ状態とに切り替えることにより、蓄積された電子を同一の画素内で転送する例を示したが、本発明はこれに限らず、撮像期間の際に、各画素の内側に配置された少なくとも１つの転送ゲート電極を、常にオン状態に保持するようにしてもよい。
また、上記第１実施形態および第２実施形態では、撮像期間におけるオフ電圧を約−８Ｖに設定し、転送期間におけるオフ電圧を約−５Ｖに設定する例を示したが、本発明はこれに限らず、撮像期間におけるオフ電圧が、転送期間におけるオフ電圧よりも低ければよい。たとえば、撮像期間および転送期間におけるオフ電圧を、それぞれ、０Ｖおよび２Ｖ（正電圧）に設定してもよい。また、撮像期間および転送期間におけるオフ電圧を、それぞれ、負電圧および正電圧に設定してもよい。
また、上記第２実施形態では、画素間の境界近傍に位置する転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃに１つの転送ゲート電極２６ｂが挟まれる例を示したが、本発明はこれに限らず、転送ゲート電極２６ａおよび２６ｃの間に２つ以上の転送ゲート電極２６ｂを配置してもよい。
本発明の第１実施形態および第２実施形態による固体撮像装置の全体構成を示した概略図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部および蓄積部の構造を説明するための平面図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部の構造を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作を説明するための電圧波形図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の撮像期間の動作を説明するためのポテンシャル図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の転送期間の動作を説明するためのポテンシャル図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の撮像部および蓄積部の構造を説明するための平面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の撮像部の構造を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の撮像期間および転送期間の動作を説明するための電圧波形図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の撮像期間の動作を説明するためのポテンシャル図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の転送期間の動作を説明するためのポテンシャル図である。
符号の説明
１、２１ 撮像部
２、２２ 蓄積部
５、２５ 画素
６、２６ 転送ゲート電極
６ａ、６ｂ 転送ゲート電極（第４転送ゲート電極）
６ｃ 転送ゲート電極（第３転送ゲート電極）
１２、３２ カラーフィルタ
１２ａ、３２ａ 境界部
１３、３３ 遮光膜
２６ａ、２６ｃ 転送ゲート電極（第１転送ゲート電極）
２６ｂ 転送ゲート電極（第２転送ゲート電極）

Claims (7)

  1. 複数の画素と、
    前記複数の画素にそれぞれ配置された転送ゲート電極とを備え、
    撮像期間における少なくとも各画素間の境界近傍に位置する前記転送ゲート電極のオフ電圧は、転送期間における前記少なくとも各画素間の境界近傍に位置する前記転送ゲート電極のオフ電圧よりも低い、固体撮像装置。
  2. 前記転送ゲート電極は、前記各画素間の境界近傍に位置する複数の第１転送ゲート電極と、
    前記複数の第１転送ゲート電極に挟まれるように配置される第２転送ゲート電極とを含み、
    前記複数の第１転送ゲート電極および前記第２転送ゲート電極は、前記撮像期間の際に、オン状態とオフ状態とに切り替えられる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記撮像期間の際に、前記各画素間の境界近傍において隣接する前記複数の第１転送ゲート電極のうち少なくとも１つは、オフ状態になっている、請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 隣接する画素の前記第１転送ゲート電極間の境界部と、前記画素の上方に設けられた複数の色領域を有するカラーフィルタの各色領域の境界部との間に設けられ、前記各画素間を分離するための遮光膜をさらに備える、請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記転送ゲート電極は、前記各画素間の境界近傍に位置する第３転送ゲート電極を含み、
    前記第３転送ゲート電極は、前記撮像期間の際に、常にオフ状態に保持されている、請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 前記転送ゲート電極は、前記第３転送ゲート電極に挟まれるように、前記各画素の内側にそれぞれ配置された複数の第４転送ゲート電極をさらに含み、
    前記複数の第４転送ゲート電極は、前記撮像期間の際に、オン状態とオフ状態とに切り替えられる、請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記転送ゲート電極を含むとともに、前記撮像期間の際に電子を生成する撮像部と、
    前記転送期間の際に前記撮像部から前記電子が転送されるとともに、前記電子を蓄積する蓄積部とをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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