专利名称：固态图像拾取装置和模块型固态图像拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合用来增加像素数目并且适于小型化的固态图像拾取装置、以及一种模块型固体图像拾取装置。
背景技术：
通常固态图像拾取装置包括多个像素，每个像素包括将入射光转换为信号电荷并且累积这种光电转换信号电荷的光电转换部分(光电二极管PD，传感器部分)、用于将这样累积的信号电荷转换成电压的累积区(浮动扩散区FD)、以及将在该光电转换部分累积的信号电荷传输到累积区(浮动扩散区FD)的传输栅极，所述传输栅极以XY矩阵形式(即二维形式)排布。
随着该固态图像拾取装置中的像素数目进一步增加、该固态图像拾取装置进一步最小化，单胞的尺寸进一步减小。同时，由晶体管占据的像素面积的比率增加，用作光电转换部分的光电二极管的面积减少，因此导致饱和电荷的数量减少。由于随着用作光电转换部分的光电二极管的饱和电荷减少，图像质量下降，因此饱和电荷数量减少成为该固态图像拾取装置中的严重问题。
附图中图1是示意平面图，示出了根据相关技术的固态图像拾取装置的一个像素的排布，附图标记1指代包括光电转换部分的光电二极管(PD)，附图标记2指代传输栅极，附图标记3指代浮动扩散(FD)区。
图2A是沿着图1中线II-II截取的横截面图。在图2A中，附图标记4指代p型半导体衬底。如图2A所示，n型区1a形成在该p型半导体衬底4上以形成光电二极管(PD)1。
而且，n+型区3a形成在该p型半导体衬底4上以形成浮动扩散(FD)区3，传输栅极2经过由SiO2制成的绝缘层5在光电二极管1的n型区1a和浮动扩散(FD)区3的n+型区3a之间形成在p型半导体衬底4上。
而且，在图2A中，附图标记6指代由n+型区6a形成的复位漏极。复位栅极7经过绝缘层5在浮动扩散(FD)区3的n+型区3a和复位漏极6的n+型区6a之间形成在p型半导体衬底4上。
在这种情况下，n形区1a、传输栅极2和n+型区3a构成了读取MOS(金属氧化物半导体)晶体管12，用于将像素读取到浮动扩散(FD)区3。n+型区3a、复位栅极7和n+型区6a构成了复位MOS晶体管14，用于重置浮动扩散(FD)区3的信号电荷。
图2B示出了当像素在如图2A所示固态图像拾取装置中累积时获得的电位分布。图2C示出了在读取信号被提供给传输栅极时获得的电位分布。图2D示出了在读取信号被从传输栅极2中读出之后获得的电位分布。
因此提出了一种增加光电二极管(PD)1的饱和电荷数量的方法。如图3A所示，通过增加掺入该光电二极管(PD)1中的n型杂质的剂量来使n型区1a转变为n+型区1b，从而如图3B所示，通过使光电二极管的电位形状变平而增加光电二极管(PD)1的饱和电荷数量。例如，日本公开专利申请No.2000-164849(专利文献1)。
但是，当固态图像拾取装置的像素数目增加并且该固态图像拾取装置小型化时，一个像素的单胞尺寸减小，从而对该光电二极管(PD)1的饱和电荷数量的增加有限。如果通过使饱和电荷的数量增大到该界限以上不增大浮动扩散(FD)区3的面积，那么当将读取信号供送给传输栅极2时，如图3C和3D所示，所有在光电二极管(PD)1中累积的电荷不能被传输给浮动扩散(FD)区3，电荷留在光电二极管(PD)1中。于是存在产生残余图像的缺点。
发明内容
鉴于上述方面，本发明的一个目的是提供一种固态图像拾取装置，其中可在不导致残余图像的同时增大光电二极管的饱和电荷的数量。
本发明的另一目的是提供一种模块型图像拾取装置，其中可在不导致残余图像的同时增大光电二极管的饱和电荷的数量。
本发明的再一目的是提供一种形成为一套多个芯片的模块型固态图像拾取装置。
根据本发明的一方面提供了一种固态图像拾取装置，包括多个像素，每一像素包括用于将入射光转换为信号电荷并且累积这种光电转换信号电荷的光电转换部分、用于将这样累积的信号电荷转换成电压的累积区、以及将在该光电转换部分累积的信号电荷传输到累积区的传输栅极，其中饱和电荷的数量增加了在传输栅极下面形成的电位电平的差值。
在根据本发明的固态图像拾取装置中，光电转换部分和累积区由第一导电类型的半导体区形成，并且在传输栅极下面的累积区侧边的一部分被第一导电类型的杂质离子掺杂。
在根据本发明的固态图像拾取装置中，光电转换部分和累积区由第一导电类型的半导体区形成，并且在传输栅极下面的光电转换部分侧边的一部分被第二导电类型的杂质离子掺杂。
另外，根据本发明的另一方面，提供了一种模块型固态图像拾取装置，该装置包括由多个像素的阵列组成的图像拾取区和用于将入射光引入图像拾取区的光学系统，每一像素包括光电转换部分、用于读取由光电转换部分产生的电荷的读取栅极部分以及累积部分，该累积部分在该处累积通过所述读取栅极部分读出的电荷，其中读取栅极部分包括位于累积部分侧边上的第一杂质区、以及电位低于第一杂质区的第二杂质区，该第二杂质区与第一杂质区相邻。
在根据本发明的模块型固态图像拾取装置中，第一和第二杂质区在一个栅极电极下面形成。
根据本发明，由于在传输栅极下面形成电位电平差值，因此累积区的容量可增大，从而光电二极管(光电转换部分)的饱和电荷的数量可在不导致残余图像的同时增加。
图1是平面图，示出了根据相关技术的固态图像拾取装置的例子的主要部分；图2A是沿着图1中线II-II截取的横截面图，示出了根据相关技术的固态图像拾取装置的例子的主要部分；图2B至2D分别是示出了在图2A中所示固态图像拾取装置的电位分布的示意图；图3A是横截面图，示出了根据相关技术的固态图像拾取装置的例子的主要部分；图3B至3D分别是示出了在图3A中所示固态图像拾取装置的电位分布的示意图；图4是示意图，示出了根据本发明一实施例的固态图像拾取装置的布置；图5是示意图，示出了图4所示固态图像拾取装置的单元像素的一示例的布置；图6是根据本发明的固态图像拾取装置的主要部分的平面图；图7A是沿着图6中的线VII-VII截取的横截面图，示出了根据本发明该实施例的固态图像拾取装置；图7B至7D分别是示意图，示出了图7A所示的固态图像拾取装置的电位分布；图8是平面图，示出了根据本发明另一实施例的固态拾取装置的固态成像拾取装置；以及图9是示意平面图，示出了将本发明应用于模块型固态拾取装置的另一实施例。
具体实施例方式
下面将参照
根据本发明实施例的固态图像拾取装置和模块型固态图像拾取装置。
图4是示意图，示出了根据本发明一实施例的固态图像拾取装置的布置。图5是示出单元像素的一示例的布置的示意图表，该单元像素包括图4所示固态图像拾取装置的图像拾取区。
如图4和5所示，根据本发明的固态图像拾取装置包括由多个单元像素16组成的图像拾取区20、垂直扫描电路21和水平扫描电路22，所述多个单元像素以XY矩阵形式排列。设置在每一水平线上的多个单元像素16共同连接到扫描线上(即，复位线18、读取线17、选择线23)。而且，设置在每一垂直线上的多个单元像素16通过负荷MOS(金属氧化物半导体)晶体管24、CDS(相关双取样)电路25和水平选择晶体管(MOS)26分布连接到水平信号线27上。水平扫描电路22顺序给水平选择晶体管26供电来产生输出视频信号。
如图5所示，该单元像素16包括用作光电转换部分的光电二极管1、用来将像素信号读给浮动扩散(FD)区3的读取MOS晶体管12(读取MOS晶体管12的栅极被称作“传输栅极2”)、用作放大器的放大MOS晶体管13、用于重置浮动扩散(FD)区3的信号电荷的复位MOS晶体管14、以及用作选择器的垂直选择MOS晶体管15。单元像素16以XY矩阵形式排列，即以二维形式排列。
如图5所示，在该单元像素16中，分别是读取MOS晶体管12的栅极(传输栅极2)与读取线17连接，复位MOS晶体管14的栅极(复位栅极7)与复位线18连接，垂直选择MOS晶体管15的栅极与选择线19连接，垂直选择MOS晶体管15的源极与垂直信号线28连接。
该固态图像拾取装置的操作将在下面加以描述。首先，通过选择线19被施加选择脉冲φSEL的线(水平线)由垂直扫描电路21加以选择。之后，复位脉冲φRST为复位MOS晶体管14供电，从而重置所选定线的每一像素16的浮动扩散(FD)区3的电位。在使浮动扩散(FD)区3的电位复位之后，停止给复位MOS晶体管14供电。此时，所选定线的每一像素16的复位电平通过由放大MOS晶体管13和负荷MOS晶体管24形成的源极跟随器电路输出给垂直信号线28。接着，将读取脉冲φTRG施加给读取MOS晶体管12的栅极来给读取MOS晶体管12供电，从而从光电二极管(PD)1向浮动扩散(FD)区3读出信号电荷。接着，停止给MOS晶体管12供电。此时，所选定线的每一像素16的信号电平输出给垂直信号线28。此时，对复位电平和信号电平之间的信号差进行取样，并且该信号差由设置在每一列的CDS电路25保持。接着，水平扫描电路22顺序选择水平选择晶体管26，来通过输出电路输出来自水平信号线27的所选定线的每一像素的信号。这一操作重复进行以输出所有像素16的信号。
在该实施例中，固态图像拾取装置的单元像素16如图6和图7A至7D所示构建。
图6是平面图，示出了根据本实施例的固态图像拾取装置的一个像素(单元像素16)的布置的例子。如图6所示，利用包括光电转换部分的光电二极管(PD)1来将入射光转换为信号电荷，并且因此光电转换的信号电荷在该光电二极管(PD)1中累积。利用包括累积区的浮动扩散(FD)区3将如此累积的信号电荷转换成电压。利用传输栅极2将在光电二极管(PD)1中累积的信号电荷传输给浮动扩散(FD)区3。
图7A是沿着图6中的线VII-VII截取的横截面图。在图7A中，附图标记4指代p型半导体衬底。通过增加植入n型杂质的剂量来在p型半导体衬底4上形成n+型区1b。从而如图7A所示，形成将饱和电荷的数量增加到预定饱和电荷数量的光电二极管(PD)1，因此甚至当固态图像拾取装置的像素数量增加、固态图像拾取装置小型化时也能防止图像质量下降。
而且，n+型区3a形成在p型半导体衬底4上，从而形成浮动扩散(FD)区3。传输栅极2经过由SiO2薄膜制成的绝缘层5在光电二极管1的n+型区1b和浮动扩散(FD)区3的n+型区3a之间形成在p型半导体衬底4上。
在这种情况下，传输栅极2和n+型区3a构成读取MOS晶体管12，用于读取浮动扩散(FD)区3的光电二极管(PD)1的n+型区1b的累积信号电荷。
而且如图7A所示，复位漏极6包括由n+型区6a，它复位电极重置浮动扩散(FD)区3的信号电荷。复位栅极7经过绝缘层5在浮动扩散(FD)区3的n+型区3a和复位漏极6的n+型区6a之间形成在p型半导体衬底4上。
在这种情况下，浮动扩散(FD)区3的n+型区3a、复位栅极7和复位漏极6的n+型区6a构成了复位MOS晶体管14，用于重置浮动扩散(FD)区3的信号电荷。
在本实施例中，另外如阴影所示利用例如As(砷)离子的n型杂质离子掺杂衬底4上的传输栅极2的浮动扩散(FD)区3侧边和浮动扩散(FD)区3，并且因此在传输电极2下面的浮动扩散(FD)区3的侧边的预定宽度形成为如图7A所示的n型区2a。在这种情况下，只有传输栅极2下面的浮动扩散(FD)侧边可被掺杂n型杂质就足以。
另外，在这种情况下，在该传输栅极2下面的浮动扩散(FD)区3的侧边形成为耗尽区，从而所述预定宽度的电位如图7B、7C和7D所示增高。因此在传输栅极2下面产生电位电平的差别，从而浮动扩散(FD)区3的容量在数量上增加该电位电平差值。
图7B示出了在如图7A所示累积像素时获得的电位分布。图7C示出了在将读取信号(来自水平扫描电路21的读取脉冲φTRG)提供给传输栅极(读取MOS晶体管12的栅极)2的电位分布。根据本实施例，与图3C相比，由于浮动扩散(FD)区3的容量在数量上增加了在传输栅极2下面的电位电平差值，因此可将光电二极管(PD)1的增加的饱和电荷数量都传递给浮动扩散(FD)区3。图7D示出了在从传输栅极读出读取信号，即，从传输栅极(读取MOS晶体管12的栅极)移除读取信号(读取脉冲φTRG)之后获得的电位分布。因此，可防止信号电荷残留在光电二极管(PD)1中，从而防止产生残余图像。
因此，根据本发明，甚至是在固态图像拾取装置的像素数量增加、固态图像拾取装置小型化而使单胞的尺寸减小时，也能防止图像质量变差。
图8是平面图，示出了根据本发明另一实施例的固态图像拾取装置的一个像素(单元像素16)的例子。在图8中，与图6中相同的部件用相同的附图标记指代。
根据如图8所示的实施例，与图6所示实施例不同，如阴影所示通过利用诸如B(硼)离子的p型杂质离子另外掺杂衬底4上的传输栅极2的光电二极管(PD)1的侧边和光电二极管(PD)1，在传输栅极2下面的光电二极管(PD)1的侧边的预定宽度形成为p型区。在这种情况下，只有在传输栅极2下面的光电二极管(PD)1的侧边可掺杂p型杂质离子就足以。
在图8所示实施例中，在传输栅极2下面的光电二极管(PD)1的侧边形成作为增强区，在传输栅极2下面的浮动扩散(FD)区3形成作为耗尽区，因此在该传输栅极2下面产生电位电平差。因此浮动扩散(FD)区3的容量增加了对应于该电位电平差的数量。
因此，应该容易明白，可借助于使用如图8所示单元像素的固态图像拾取装置来获得类似于前述实施例的作用和效果。
虽然目前为止已描述了p型半导体衬底4用作半导体衬底的实施例，但本发明不局限于此，n型半导体衬底当然也可用作所述半导体衬底。在这种情况下，在上述实施例中将n型极性转变为p型极性。而且在这种情况下，不用说会获得类似于上述实施例的作用和效果。
而且，根据本发明的固态图像拾取装置可形成为作为单个芯片的固态图像拾取装置，或者作为一套多个芯片的模块型固态图像拾取装置。图9是示意平面图，示出了另一实施例，其中将本发明应用于形成为一套多个芯片的模块型固态图像拾取装置。如图9所示，模块型固态图像拾取装置(或照相机)100可包括用于获取图片的传感器芯片110和用于处理数字信号的信号处理芯片120。另外，该模块型固态图像拾取装置100可包括光学系统130。甚至当该固态图像拾取装置是模块型固态图像拾取装置时，模块型固态图像拾取装置带有宽动态范围的高质量输出信号，该高质量输出信号能改善安装有该模块型固态图像拾取装置的电子装置的性能。
根据本发明，提供了一种固态图像拾取装置，包括多个像素，每一像素包括用于将入射光转换为信号电荷并且累积这种光电转换信号电荷的光电转换部分、用于将这样累积的信号电荷转换成电压的累积区、以及将在该光电转换部分累积的信号电荷传输到累积区的传输栅极，其中饱和电荷的数量增加了在传输栅极下面形成的电位电平的差值。
在根据本发明的固态图像拾取装置中，光电转换部分和累积区由第一导电类型的半导体区形成，并且在传输栅极下面的累积区侧边的一部分被第一导电类型的杂质离子掺杂。
在根据本发明的固态图像拾取装置中，光电转换部分和累积区由第一导电类型的半导体区形成，并且在传输栅极下面的光电转换部分侧边的一部分被第二导电类型的杂质离子掺杂。
另外，根据本发明，提供了一种模块型固态图像拾取装置，该装置包括由多个像素的阵列组成的图像拾取区和用于将入射光引入图像拾取区的光学系统，每一像素包括光电转换部分、用于读取由光电转换部分产生的电荷的读取栅极部分以及累积部分，该累积部分在该处累积通过所述读取栅极部分读出的电荷，其中读取栅极部分包括位于累积部分侧边上的第一杂质区、以及电位低于第一杂质区的第二杂质区，该第二杂质区与第一杂质区相邻。
在根据本发明的模块型固态图像拾取装置中，第一和第二杂质区在一个栅极电极下面形成。
而且，根据本发明，由于在传输栅极下面形成电位电平差值，因此累积区的容量可增大，从而光电二极管(光电转换部分)的饱和电荷的数量可在不导致残余图像的同时增加。
已经参照附图描述了本发明的优选实施例，但应该明白本发明不局限于这些确定的实施例，本领域的技术人员可在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下作出多种变型和修改。
权利要求
1.一种固态图像拾取装置，包括多个像素，每一像素包括光电转换部分，将入射光转换为信号电荷并且累积这种信号电荷；累积区，将所述累积的信号电荷转换成电压；以及传输栅极，将在所述光电转换部分累积的所述信号电荷传输到所述累积区，其中饱和电荷的数量增加了在传输栅极下形成的电位电平的差值。
2.如权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，所述光电转换部分和所述累积区由第一导电类型的半导体区形成，并且在所述传输栅极下面的所述累积区侧边的一部分被第一导电类型的杂质离子掺杂。
3.如权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，所述光电转换部分和所述累积区由第一导电类型的半导体区形成，并且在所述传输栅极下面的所述光电转换部分侧边的一部分被第二导电类型的杂质离子掺杂。
4.一种模块型固态图像拾取装置，包括由多个像素的阵列组成的图像拾取区，每一像素包括光电转换部分、用于读取由光电转换部分产生的电荷的读取栅极部分以及累积部分，该累积部分在该处累积通过所述读取栅极部分读出的电荷；和用于将入射光引入图像拾取区的光学系统，其中，读取栅极部分包括位于累积部分侧边上的第一杂质区、以及电位低于第一杂质区的第二杂质区，该第二杂质区与第一杂质区相邻。
5.如权利要求4所述的模块型固态图像拾取装置，其中，所述第一和第二杂质区在一个栅极电极下面形成。
全文摘要
一种固态图像拾取装置，包括多个以XY矩阵形式排列的像素，每一像素包括用于将入射光转换为信号电荷并且累积这种信号电荷的光电转换部分(1)、用于将这样累积的信号电荷转换成电压的累积区(3)、以及将在该光电转换部分(1)累积的信号电荷传输到累积区(3)的传输栅极(2)，其中饱和电荷的数量增加了在传输栅极(2)下面形成的电位电平的差值。
文档编号H04N5/335GK1649165SQ20051000640
公开日2005年8月3日 申请日期2005年1月31日 优先权日2004年1月30日
发明者三品浩司, 铃木亮司 申请人:索尼株式会社