固态成像装置、制造以及驱动该装置的方法以及电子设备的制作方法

专利名称：固态成像装置、制造以及驱动该装置的方法以及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态成像装置，具体地涉及(XD(电荷耦合装置)固态成像装置、制造 固态成像装置的方法和驱动固态成像装置的方法。此外，本发明涉及使用固态成像装置的 电子设备。
背景技术：
一段时间以来，在固态成像装置中，为了实现具有宽动态范围的成像功能，已经开 发了各种方法。作为当中广泛使用的方法，日本未审查专利申请No. 2003-219281公开了一 种以执行短秒曝光和长秒曝光并且使用计算将具有不同曝光期间的低灵敏度信号和高灵 敏度信号彼此组合的方式获得宽动态范围的信号。图11示出了使用具有不同曝光期间的多个信号的相关技术的固态成像装置的驱 动时间图。图11所示的时间图是应用到其中传输类型是IT(线间传输)类型并且读取类 型是整个像素读取类型的CCD类型固态成像装置。如图11所示，通过施加衬底快门脉冲开始短秒曝光(图11中的a)。通过应用读 取脉冲将由短秒曝光产生的信号电荷读取到竖直CCD (图11中的b)。随后，在竖直CCD中， 通过竖直传输脉冲在竖直的方向上传输通过短秒曝光获得的信号电荷(图11中的c)。在 竖直CCD中传输通过短秒曝光产生的信号电荷的期间，通过施加衬底快门脉冲开始长秒曝 光(图11中的d)。随后，在竖直CCD完全传输通过短秒曝光产生的信号电荷之后，通过施 加读取脉冲将通过长秒曝光产生的信号电荷读取到竖直CCD (图11中的e)，并通过竖直传 输脉冲在竖直方向上传输(图11中的f)。然而，在驱动相关技术的固态成像装置的操作中，在长秒曝光短于场期间的情况 下，由图11中的e所示的读取脉冲的时机确定长秒曝光的结束。即，由于通过在竖直传输 CCD中完全传输通过短秒曝光产生的信号电荷之后使用竖直CCD可以读取通过长秒曝光产 生的信号电荷，由图11中的e所示的读取脉冲的时机的位置固定。由于此原因，通过衬底快门脉冲确定长秒曝光的开始。然而，在短秒曝光之后，根 据图11中的e所示的读取脉冲施加衬底快门脉冲，并且长秒曝光如图11中的d所示开始。 因而，在短秒曝光和长秒曝光之间存在时间间隔。在此情况下，不期望捕获由于计算问题造 成的移动物体的图像。即，短秒曝光和长秒曝光之间的时间间隔造成移动物体的信号的宽 动态范围的计算的问题。

发明内容
因而，期望提供一种CXD型固态成像装置、制造固态成像装置的方法和驱动能缩 短短秒曝光和长秒曝光之间的时间间隔并适合地获得宽动态范围的固态成像装置的方法。 还期望提供一种使用固态成像装置的电子设备。据本发明实施例的固态成像装置是全像素类型成像元件，其包括衬底和衬底电压 电源，其中衬底电压电源在受光期间向衬底施加电位并在非受光期间向衬底施加电位，受光期间包括彼此不同的第一和第二曝光期间。衬底设置有多个像素，每个像素包括受光部 分、存储电容器、暗电流抑制部分、读取栅极部分和竖直传输寄存器。受光部分形成在衬底的前表面一侧上并根据所接受的光产生信号电荷。存储电容 器形成在与受光部分相邻的区域中，使得当向衬底施加第一电位时在受光部分中产生的信 号电荷传输到存储电容器中并存储和保持在其中。暗电流抑制部分形成在受光部分和存储电容器中。电子快门调节层是形成在面对衬底中的受光部分并从存储电容器离开预定偏移 区域的区域中。此外，电子快门调节层是调节衬底的电位分布的层，使得当向衬底施加第 二电位时在受光部分中产生的信号电荷朝着衬底的后表面一侧扫掠。读取栅极部分在第一和第二曝光期间之后读取存储在存储电容器中的信号电荷。竖直传输寄存器在竖直方向上传输由读取栅极部分读取的信号电荷。制造根据本发明实施例的固态成像装置的方法包括以下步骤准备第一导电类型 半导体衬底；并且在半导体衬底上形成第二导电类型半导体阱层。该方法还包括以下步骤 在半导体阱层的前表面一侧形成受光部分、与受光部分相邻的存储电容器和间隔着读取栅 极部分与存储电容器相邻的竖直传输通道。该方法包括以下步骤在形成半导体阱层的之 前或者之后，在半导体衬底和半导体阱层之间面对受光部分并从存储电容器离开了期望偏 移区域的区域中形成第一导电类型的电子快门调节层。该方法还包括以下步骤在存储电 容器和受光部分的入射侧上部中形成暗电流抑制部分。该方法还包括以下步骤将衬底连 接到在受光期间和非受光期间施加不同电位的衬底电压电源。该方法还包括以下步骤通 过在读取通道的上部形成读取电极，形成电极配线，所述电极配线在第一曝光期间和具有 与第一曝光期间不同的曝光期间的第二曝光期间之后施加读取脉冲。驱动根据本发明实施例的固态成像装置的方法包括以下步骤在以上所述的固态 成像装置的，向衬底施加来自衬底电压电源的第一电位，使得在受光部分中产生的信号电 荷开始传输到存储电容器中。该方法还包括以下步骤将来自衬底电压电源的第二电位施 加到半导体衬底，使得在受光部分中产生的信号电荷到存储电容器的传输结束，并且在受 光部分中产生的信号电荷朝着衬底的后表面一侧扫掠。在固态成像装置和驱动根据本发明的固态成像装置的方法中，信号电荷没有存储 在受光部分中，并且随时传输到存储电容器或者朝着衬底扫掠。此外，当改变衬底电压时， 在受光部分中产生的信号电荷排出和传输到存储电容器或者朝着衬底扫掠。根据本发明的电子设备包括光学透镜、固态成像装置和信号处理电路。根据本发 明实施例的电子设备采用根据本发明实施例的固态成像装置。根据本发明实施例，可以获得这样的固态成像装置，其通过缩短短秒曝光和长秒 曝光之间的时间间隔，即使在捕获移动物体的图像时，也能获得具有宽动态范围的高品质 图像。


图1是根据本发明第一实施例的固态成像装置的示意构造图。图2是根据本发明第一实施例的固态成像装置的示意剖面构造图。图3A和图3B是根据本发明第一实施例的固态成像装置的衬底的电位的图形。
图4A至图4C是根据本发明第一实施例的固态成像装置的(第一)制造处理图。图5A和图5B是根据本发明第一实施例的固态成像装置的(第二)制造处理图。图6是根据本发明第一实施例的固态成像装置的驱动时间图。图7A和图7B是示出在驱动根据本发明第一实施例的固态成像装置时传输信号电 荷的情况的(第一)图。图8C至图8E是示出在驱动根据本发明第一实施例的固态成像装置时传输信号电 荷的情况的(第二)图。图9是根据本发明第二实施例的固态成像装置的示意剖面视图。图10是根据本发明第三实施例的电子设备的示意构造图。图11是相关技术的固态成像装置的驱动时间图。
具体实施例方式以下将参照图1至图10描述根据本发明实施例的固态成像装置、制造固态成像装 置的方法、驱动固态成像装置的方法和电子设备。以下将以以下项目的顺序描述本发明。此 外，本发明不限于以下示例。1.第一实施例固态成像装置的示例1. 1.固态成像装置的整体构造1.2.固态成像装置的剖面构造1. 3.制造固态成像装置的方法1.4.驱动固态成像装置的方法2.第二实施例固态成像装置的示例3.第三实施例电子设备的示例1.第一实施例1. 1.固态成像装置的整体构造图1是根据本发明第一实施例的C⑶类型固态成像装置的示意构造。如图1所示， 根据本实施例的固态成像装置1包括形成在衬底6上的多个受光部分2、分别形成为与受光 部分2相邻的存储电容器8、竖直传输寄存器3和水平传输寄存器4。此外，单位像素7包 括一个受光部分2、存储电容器8和与存储电容器8相邻的竖直传输寄存器3。在此实施例 中，固态成像装置1的传输类型是IT (线间传输)类型，其中，单独形成包括受光部分2和 竖直传输寄存器3的传输部分，并且其读取类型是其中同时读取所有像素的整体像素读取 类型。 受光部分2包括光电转换元件，即，光电二极管，并产生信号电荷。在此实施例中， 多个受光部分2在水平和竖直方向上形成在衬底6上，以具有矩阵形状。每个存储电容器8形成为与每个受光部分2相邻，并存储通过受光部分2产生的 信号电荷。每个竖直传输寄存器3构造成具有CXD结构，并针对在竖直方向上布置的每个受 光部分2和存储电容器8竖直地设置。竖直传输寄存器3读取存储在存储电容器8中的信 号电荷，并沿竖直方向传输该信号电荷。在此实施例中，具有形成在其上的竖直传输寄存器 3的传输工作台构造成被从传输驱动脉冲电路(未示出)施加的传输驱动脉冲在例如四相位模式下驱动。此外，在竖直传输寄存器3的最终段，当施加传输驱动脉冲时，存储在最终 段中的信号电荷传输到水平传输寄存器4。竖直传输寄存器能读取所有像素，即，竖直传输 寄存器能同时传输所有像素的像素信号。即，竖直传输寄存器包括用于一个像素的一比特 传输机构。水平传输机构4形成为具有CCD结构，并形成在竖直传输寄存器3的最终段的一 端中。具有形成在其上的水平传输寄存器4的传输工作台每个水平线水平地传输通过竖直 传输寄存器3竖直传输的信号电荷。输出电路5通过电荷电压转换输出通过水平传输寄存器4水平传输的信号电荷作 为图像信号。在具有以上所述的构造的固态成像装置1中，存储在受光部分2中的信号电荷被 竖直传输寄存器3竖直地传输，并传输到水平传输寄存器4的内部。然而，在传输到水平传 输寄存器4的内部的信号电荷中，水平传输寄存器4内的信号电荷在水平方向上传输，并通 过输出电路5输出作为图像信号。1. 2固态成像装置的剖面结构图2示出了用于根据本实施例的固态成像装置1的一个像素的示意剖面构造。在 此本发明的实施例中，第一导电类型设定为N类型，并且第二导电类型设定为P类型。根据本实施例的固态成像装置1包括半导体衬底12、半导体阱层13和衬底电压电 源(未示出)。此外，半导体阱层13包括构成像素7的受光部分2、存储电容器8、读取栅极 部分26、竖直传输寄存器3、电子快门调节层14以及第一和第二暗电流抑制部分18和23。通过例如由硅形成的N型CZ衬底形成半导体衬底12。此外，半导体衬底12连接 到衬底电压电源(未示出)。衬底电压电源在光被受光部分2接收的期间、信号电荷从存储 电容器8读取到竖直传输寄存器3的期间以及信号电荷被竖直传输寄存器3传输的期间向 半导体衬底12供应不同衬底电压Vsub。衬底电压电源可以设置在元件的外部，但是可以设 置在固态成像装置1的内部作为衬底电压产生电路。由形成在半导体衬底12上的P型外延层形成半导体阱层13。在此实施例中，在半 导体阱层13中，与面对半导体衬底12的表面的相反的表面设定为受光表面。受光部分2包括N型低浓度杂质区域(N—区域)17和P型低浓度杂质区域(P—区 域)16。N—区域17形成在半导体阱层13的受光表面上。P—区域16相对于N—区域17形 成在与受光表面相反的区域上以与N—区域接触。即，通过包括下文描述的上暗电流抑制部 分18、下P—区域16与N—区域17的连接面形成根据本实施例的受光部分2。在受光部分2 中，从受光表面入射的光通过连接面进行光电转换以根据光强度产生信号电荷。存储电容器8包括N型杂质区域(N区域)22和P型高浓度杂质区域(P+区域)21， 并形成为与形成在半导体阱层13上的受光区域2相邻。N区域22形成在位于半导体阱层 13的受光表面的一侧上并在水平方向上与构成受光部分2的N—区域17相邻的区域中。P+ 区域21相对于N区域22形成在与受光表面的相反一侧的区域中以与N区域22接触。艮口， 通过将N区域22、下文将描述的上暗电流抑制部分23和下P+区域21彼此连接形成势能阱。 由受光部分2产生的信号电荷存储在N区域22中。此处，存储电容器8的静电电势比受光 部分2的静电电势更深。第一暗电流抑制部分18形成在于半导体阱层13中形成的受光部分2的受光表面的最外表面上。此外，第二暗电流抑制部分23形成在存储电容器8的受光表面的最外表面 上。第一和第二暗电流抑制部分18和23通过P型高浓度杂质区域形成，并从受光部分2到 存储电容器8彼此一体地形成。在第一和第二暗电流抑制部分18和23中，在受光表面的 边界面中产生的暗电流被P型高浓度杂质区域中的作为载流子的多个电子空穴抑制。艮口， 在根据本实施例的受光部分2和存储电容器8中，形成HAD (空穴堆积二极管HAD 商标)结 构，即，所谓的嵌入式光电二极管。电子快门调节层14通过N型高浓度杂质区域形成在半导体衬底12的、与半导体 阱层13接触并面对受光部分2的区域中。此外，电子快门调节层14形成在从具有存储电 容器8的区域朝着受光部分2在水平方向上离开预定偏移区域24的位置处。如下所述，偏 移区域24确定为使得半导体衬底12和半导体阱层13的电位分布最佳化。读取栅极部分26包括读取通道27和读取电极28a。读取通道27通过P型或者 N型低浓度杂质区域形成在于半导体阱层13的表面上形成的存储电容器8相邻的区域中。 此外，读取电极28a通过栅极绝缘层29形成在读取通道27的上部。竖直传输寄存器3包括竖直传输通道25和竖直传输电极28。竖直传输通道25通 过N型杂质区域形成在与读取通道27相邻的区域中。传输部分半导体阱层33通过P型杂 质区域形成在竖直传输通道25的下方。竖直传输电极28隔着栅极绝缘层29形成在于半导体阱层13上形成的竖直传输 通道25的上部上。尽管在附图中未示出，多行竖直传输电极28形成在水平方向上，并且其 与存储电容器8相邻的部分还用作读取电极28a。在竖直传输寄存器3中，通过读取栅极部 分26读取到竖直传输通道25的信号电荷竖直例如通过施加四相竖直传输脉冲传输到在水 平方向上形成的多行竖直传输电极28。在本实施例中，栅极绝缘层29共同地形成在半导体阱层13的整个表面上。此外， 在包围构成像素7的受光区域2、存储电容器8和竖直传输寄存器3的区域中，分割相邻像 素的通道停止部分15包括P型高浓度杂质区域。遮光层31形成为隔着层间绝缘层30覆盖包括诸如竖直传输电极28的电极的半 导体阱层13的上表面(除去受光部分2的开口区域)。即，读取栅极部分26或者竖直传输 寄存器3被遮光层31覆盖。此时，存储电容器8的上部的遮光层31的一端形成为具有朝 着受光部分2突伸预定区域的突起31a。接着，将参照图3A描述根据本实施例的固态成像装置1的电位轮廓。在以下描述 中，在半导体12和半导体阱层13不彼此区分开的情况下，半导体12和半导体阱层13总称 为“衬底”。图3A是示出沿着图2的线A-A’、B_B’和C_C’所取的衬底的电位的电位分布。线 A-A’表示包括受光部分2和电子快门调节层14的衬底的竖直方向的电位分布，并且线B-B’ 表示包括受光部分2和偏移区域24的衬底的竖直方向的电位分布。此外，线C-C’表示包 括存储电容器8的衬底的竖直方向的电位分布。图3A中所示的单点划线表示当衬底电压Vsub设定为第一电位(以下，Low)时沿 着线A-A’所取的电位Val。此外，图3A中所示的双点划线表示当衬底电压Vsub设定为高 于第一电位的第二电位(以下，High)时沿着线A-A’所取的电位。此外，图3A所示的虚线 表示当衬底电压Vsub设定为High时沿着线B-B’所取的电位Vbh。此处，图3A所示的虚线表示沿着线C-C’所取的存储电容器8的电位Vc。如图3A所示，在衬底电压Vsub设定为Low的情况下，在构成受光部分2的N_区域 17中，沿着线A-A’所取的电位Val比P_区域16或者半导体阱层13更深。S卩，在受光部分 2的N—区域17中，形成浅电位的阱。N—区域17的杂质的浓度设定为比具有在相关技术中 使用的一般HAD结构的受光部分浅约IV的电位。此外，在衬底电压Vsub为Low的情况下，尽管其未在附图中示出，沿着线B-B’所 取的电位等于沿着线A-A’所取的电位Val。在图3A中，构成受光部分2的P区域16下方 的半导体阱层13的电位描述为局部中性(非耗尽)状态，但是可以被耗尽。然而，在溢出 沟道类型的CCD类型固态成像装置中，为了通过耗尽使信号电荷朝着衬底溢流，如图3B所 示执行耗尽。在中性的情况下，过剩的电荷被过剩的光在横向方向上扩散，并流入竖直传输 寄存器，这会造成所谓的光晕图像。由于此原因，期望P—区域16的下方的半导体阱层13的 电位耗尽。接着，在衬底电压Vsub设定为High的情况下，沿着线A-A’所取的电位Vah通过 由N型高浓度杂质区域形成的电子快门调节层14的效果而整个地朝着深侧拉伸。此外，电 位Vah改变，以朝着半导体衬底12变深。此外，在线B-B’中，由于电子快门调节层14不是 由偏移区域24形成，所以电位仅仅朝着半导体衬底12略变深，因而，受光部分2的附近的 电位Vbh大致维持为当衬底电压Vsub是Low时的值。此外，沿着线C-C’所取的电位Vc通过构成存储电容器8的N区域22与具有比较 高的杂质浓度的P+区域21以及暗电流抑制部分23之间的连接面的效果形成具有比受光 部分2更深的电位的阱。利用这种构造，第二暗电流抑制部分23具有零电位，并且N区域 22的电位在表面的方向上上拉变浅。即使在电容量中，由于对于N区域22有上和下P+区 域(第二暗电流抑制部分23和P+区域21)，电容量是两个容量之和，因而，电容量增大。1. 3制造固态成像装置的方法将参照图4A至图4C和图5D和5E描述制造具有以上所述的构造的固态成像装置 的方法。在图4A至图4C中，用相同的参考标号来表示与图2相同的构成部分，并省去其描 述。首先，如图4A所示，例如，准备诸如CZ衬底的N型半导体衬底12，并且通过离子注 射将高浓度N型杂质注射到半导体衬底12上的预定位置，由此形成电子快门调节层14。接着，如图4B所示，通过外延形成包括P—型外延层的半导体阱层13。接着，如图4C所示，P型杂质通过离子注射以预定的深度注射到半导体阱层13的 形成竖直传输寄存器3的区域，由此形成传输部分半导体阱层33。N型杂质通过离子注射 注射到传输部分半导体阱层33上的预定的区域上，由此形成竖直传输通道25。此外，P型 杂质通过离子注射注射到与竖直传输通道25相邻的区域，由此形成通道停止部分15。接着，如图5D所示，低浓度P型杂质和N型杂质通过离子注射注射到半导体阱层 13的表面的预定位置，由此形成包括P—区域16和N—区域17的受光部分2。此外，高浓度 P型杂质和N型杂质通过离子注射注射到半导体层13的表面的预定位置，由此形成包括P+ 区域21和N区域22的存储电容器8。然后，P型高浓度杂质通过离子注射注射到具有形成 在其上的存储电容器8和受光部分2的半导体阱层13的最外表面，由此形成第一和第二暗 电流抑制部分18和23。此外，具有存储电容器8的区域和具有竖直传输通道25的区域之间的区域形成为构成读取栅极部分26的读取通道27。接着，如图5E所示，栅极绝缘层29形成在半导体阱层13的上部上，并且竖直传输 电极28形成在栅极绝缘层29上。多行竖直传输电极28在水平方向上形成在竖直传输通 道25的上部上。此外，如图5E所示，与读取通道27相邻的竖直传输通道25的上部上的竖 直传输电极28延伸到读取通道27的上部。因而，竖直传输电极28还用作读取电极28a。此外，在形成期望的电极之后，遮光层31隔着层间绝缘层30形成在除了受光部 分2以外的区域中。遮光层31还可以用作期望的配线层。此外，衬底电压电源连接到衬底 以在受光期间和非受光期间的每个施加不同的电位。此外，读取电极形成在读取通道的上 部上，由此，形成在第一曝光期间和具有与第一曝光期间不同时间段的第二曝光期间之后 施加读取脉冲的电极配线。以此方式，形成图2所示的固态成像装置1。此外，尽管在附图中未示出，期望配线层、平坦化层、滤色器、芯片上透镜等如相关 技术的固态成像装置的层那样形成在遮光层31上，由此获得根据本实施例的固态成像装 置1。在此实施例中，描述了其中半导体阱层13由P—型外延层形成的示例，但是半导体 阱层13可以由N—型外延层形成。在此情况下，P型杂质通过离子注射注射到N—型外延层 中以包括布置成矩阵形状的多个像素7，由此形成P阱(对应于半导体阱层13)。此外，为 了实现构成受光部分2的P—区域的轮廓的功能，该构造可以与本实施例不同。电子快门调节层14可以以形成半导体阱层13并且在高能量状态下通过离子注射 注射高浓度N型杂质的方式形成。此外，在本实施例中，电子快门调节层14形成为嵌在半 导体衬底12中，但是可以形成为与半导体衬底12接触。在本实施例中，描述了其中同时形成第一和第二暗电流抑制部分18和23的示例， 但是第一和第二暗电流抑制部分18和23可以单独形成或者可以在形成竖直传输电极28 之后形成。在本实施例中，描述了栅极绝缘层29形成在半导体阱层13的整个表面上的示例， 但是竖直传输通道25和读取通道27上的栅极绝缘层29可以与在受光部分2或者存储电 容器8上形成的绝缘层单独地形成。在图5Ε所示的处理之后，可以形成受光部分2或者存储电容器8。1. 4驱动固态成像装置的方法接着，将描述根据本实施例的驱动固态成像装置1的方法。首先，在实际驱动根据 本实施例的固态成像装置1的情况之前，将参照图3Α描述在受光部分2和存储电容器8中 产生和存储信号电荷的原理。如图3Α所示，在衬底电压Vsub设定为Low的情况下，在沿着线A- A’所取的电位 Val的情况下，N_区域17的电位比P_区域16或者半导体阱层13的电位更深。此外，在衬 底电压Vsub为Low的情况下，尽管其未在附图中示出，但是沿着线B-B’所取的电位大致等 于沿着线A-A’所取的电位Val。此外，沿着线C-C’所取的电位Vc通过构成存储电容器8 的N区域22和P+区域21之间的连接面的效果形成具有比受光部分2深的电位。因此，当衬底电压Vsub设定为Low时，在受光部分2中产生的信号电荷放电并传 输到存储电容器8中以存储和维持在存储电容器8中，而不是存储在受光部分2中。在此 实施例中，其中衬底电压Vsub为Low的期间设定为“受光期间”。
接着，在衬底电压Vsub设定为High的情况下，由于电子快门调节层14包括N型 高浓度杂质区域，沿着线A-A’所取的衬底的电位Vah整体地朝着深侧拉伸。此外，由于电 子快门调节层14不是形成在沿着线B-B’的部分中，电位朝着半导体衬底12略深，因而，受 光部分的附近的电位Vbh没有如在衬底电压Vsub是Low的情况那样改变。因此，当衬底电压Vsub设定为High时，由于沿着线A-A，所取的电位Vah比沿着 线B-B’所取的电位Vbh更深，故在受光部分2中产生的信号电荷不传输到存储电容器8中。 此外，由于通过电子快门调节层14的效果压着P型半导体阱层13的阻挡层，沿着线A-A’ 所取的电位Vbh朝着半导体衬底12变深。由于此原因，在受光部分2中产生的信号电荷朝 着半导体衬底12扫掠。即，在衬底电压Vsub设定为High的情况下，由受光部分2的光电 转换产生的信号电荷不流到存储电容器8中，并朝着半导体衬底12扫掠。在此实施例中， 其中衬底电压Vsub为High的期间设定为“非受光期间”。此外，此时，沿着线B-B’的电位Vbh中受光部分2的附近的电位通过偏移区域24 的效果基本上维持到当衬底电压Vsub为Low时的值。因而，存储和保持在存储电容器8中 的信号电荷不反向流到受光部分2。此外，因而，即使当衬底电压Vsub变成High时，存储在 存储电容器8中的信号电荷能维持信号电荷量，直到受光部分2中的电位Vc较浅的位置的 附近。基于信号电荷的产生和存储的原理，将参照图6至图8描述驱动根据本实施例的 固态成像装置的方法。图6是根据本实施例的固态成像装置1的驱动时间图。此外，图7A 至图7B和图8C至图8E示意性地示出了在根据本实施例的固态成像装置1中针对一个像 素的竖直传输寄存器3、读取栅极部分26、存储电容器8和受光部分2的电位阱，并示意性 地示出了传输信号电荷的情况。在图7A至图7B和图8C至图8E中，相同的参考标号用来 表示与图2相同的构成部件，并且将省去其描述。首先，通过将衬底电压Vsub设定为Low开始受光期间。根据受光期间的开始，在 受光部分2中开始第一曝光期间T中的短秒曝光。在短秒曝光中，如图7A所示，通过入射 到受光部分2的光电转换产生的信号电荷32a由于衬底电压Vsub是Low而排出并传输到 存储电容器8，并存储和保持在其中。因而，在固态成像装置1的所有像素中，通过在受光部 分2中的光电转换同时产生的信号电荷32a存储和保持在存储电容器8中。接着，通过向读取电极28a施加读取脉冲Φ Vt，短秒曝光结束。根据读取脉冲Φ Vt 的施加，如图7Β所示，在所有的像素中，在短秒曝光期间存储在存储电容器8中的信号电荷 32a同时读取到竖直传输通道25。在读取脉冲转为关之后，当竖直传输脉冲Φ V施加到竖 直传输电极28时，所有像素的信号电荷在竖直方向上同时传输。此外，此时，由于衬底电压 Vsub是Low，在第二曝光期间2Τ(>Τ)的长秒曝光在短秒曝光结束的同时开始。如图8C 所示，在长秒曝光期间，通过光L的光电转换产生的信号电荷32b排出并传输到存储电容器 8。S卩，在衬底电压Vsub是Low的情况下，在受光部分2中产生的信号电荷32b随时传输到 存储电容器8。由于此原因，紧接在其中施加读取脉冲Φ Vt以读取通过短秒曝光产生的信 号电荷32a的1 μ s的期间之后，开始长秒曝光。随后，通过将衬底电压Vsub设定为High结束长秒曝光，并且开始非受光期间。当 衬底电压Vsub设定为High时，如图8D所示，在非受光期间在受光部分2中产生的信号电荷 32朝着半导体衬底12扫掠以便存储在存储电容器8中。即，当衬底电压Vsub设定为High时，开始非受光期间，并且用于所有像素的长秒曝光结束。然后，在竖直传输通过短秒曝光产生的信号电荷32a之后，施加读取脉冲c^Vt，并 且如图8E所示，将通过长秒曝光产生的信号电荷32b同时读取到竖直传输通道25。此外， 根据竖直传输脉冲Φ V的施加，在所有像素中，信号电荷32b在竖直方向上同时传输。在此实施例中，在通过长秒曝光产生的信号电荷32b中，在直到施加读取脉冲 ΦVt以读取在短秒曝光之后通过长秒曝光产生的信号电荷32b的期间a(图6)期间，信号 电荷存储和保持在存储电容器中。此外，在竖直方向传输通过短秒曝光产生的所有信号电 荷32a之后，当施加读取脉冲C^Vt时，通过长秒曝光产生的信号电荷32b读取到竖直传输 通道25。即，即使当通过短秒曝光产生的信号电荷32a的竖直传输的时机迟于长秒曝光结 束的时机时，通过长秒曝光产生的信号电荷32b也存储和保持在存储电容器8中。在竖直方向上通过竖直传输寄存器3传输的信号电荷32a和32b由水平传输寄存 器4在水平方向上传输，并通过输出电路5输出作为图像信号。此外，在此实施例中，每个 水平行顺次执行由短秒曝光产生的信号电荷的竖直传输和水平传输。由于此原因，在由短 秒曝光产生的信号电荷被输出部分读取之后，由长秒曝光产生的信号电荷读取到竖直传输 通道，由此执行竖直传输或者水平传输。在根据本实施例的固态成像装置1中，在捕获移动物体的图像的情况下，通过将 衬底电压Vsim再次设定为Low，重复地执行下一个场的短秒曝光和长秒曝光。在根据本实施例的固态成像装置1中，当计算通过短秒曝光和长秒曝光获得的信 号时，获得宽动态范围的信号。在相关技术的固态成像装置中，如图11所示，由于通过施加读取脉冲确定长秒曝 光结束的时机，根据施加读取脉冲的时机执行长秒曝光。当长秒曝光短于一个场的期间，短 秒曝光和长秒曝光之间的时间间隔较大。在此实施例中，在直到在长秒曝光结束之后施加 下一个读取脉冲期的期间a，由长秒曝光获得的信号电荷存储和保持在存储电容器8中。由 于此原因，长秒曝光的时机可以独立于读取脉冲的时机。在根据本实施例的固态成像装置1中，由于在执行短秒曝光和长秒曝光的期间将 衬底电压Vsub设定为Low，可以将由受光部分2产生的信号电荷排出和传输到存储电容器 8。此外，短秒曝光和长秒曝光的时间间隔可以设定为其中在短秒曝光之后施加读取脉冲的 几μ s期间。即，与相关技术的固态成像装置相比，可以缩短短秒曝光和长秒曝光之间的时 间间隔达其中信号电荷存储在存储电容器中的期间a。即使在施加读取脉冲的期间，由于衬 底电压Vsub为Low，在受光部分2中产生的信号电荷传输到存储电容器8中，因而，短秒曝 光和长秒曝光之间的时间间隔基本上不存在。由于此原因，即使在捕获移动物体的图像的 情况下，也降低了图像的偏差，因而可以适合地计算宽动态范围的信号。如图7A和8C所示，由于由受光部分2产生的信号电荷32a和32b排出和传输到 存储电容器8，不必在每个受光部分2和每个存储电容器8之间提供传输电极，因而简化了 结构。由于此原因，可以获得大面积的受光部分2的通道或者存储电容器8，因而增大了灵 敏度或者动态范围。此外，由于在受光部分2和存储电容器8之间没有传输电极，在信号电 荷传输期间由硅形成的衬底的边界面没有被耗尽，因而，可以抑制暗电流的增大。此外，在受光部分2中，需要延伸耗尽层，以为了确保光谱灵敏度特性，并且容易 将具有深的静电电势的位置设定为衬底的表面的深的位置。此外，由于存储电容器8能存储和保持信号电荷，可以将具有最深的静电电势的位置设定为衬底的表面的浅位置，因而 容易降低读取电压。此外，在相关技术的固态成像装置中，信号电荷产生和存储在受光部分中。在根据 本实施例的固态成像装置1中，由于信号电荷没有存储在受光部分2中，可以使受光部分2 的静电电势比现有技术的存储信号电荷的受光部分的静电电势浅几伏特。因而，可以降低 受光部分2的最大电场。因而，可以降低由于电场引起的暗电流的增大。在根据本实施例的固态成像装置1中，受光部分2和存储电容器8通过HAD结构 设置有第一和第二暗电流抑制部分18和23，并且表面通常填充有电子空穴。由于此原因， 可以抑制在形成栅极绝缘层29的氧化层界面或者形成衬底的硅中产生的暗电流。根据此实施例，存储电容器8被遮光层31遮蔽。因而，如图6、7A和7B所示，可以 防止在受光期间和受光前后期间经过存储电容器8的光L引起的光电转换。根据本实施例，遮光层31形成为具有从存储电容器8朝着受光部分2突伸的突起 31a。由于此原因，由于衬底电压Vsub是High，即使在受光期间结束之后，可以抑制入射光 L中入射到存储电容器8的附近的光作为一种拖影进入存储电容器8。根据本实施例，如图2所示，由于构成存储电容器8的N区域22的下部设置有比 较高浓度P+区域21，可以增大形成在N区域22和P+区域21之间的连结面中形成的耗尽 层的容量。因而，可以抑制拖影混在存储电容器8中。2.第二实施例图7A和图7B示出了根据本发明第二实施例的固态成像装置的示意剖视构造。在 图7A和图7B中，相同的参考标号用来表示与图2相同的构成部件，并将省去其描述。根据本实施例的固态成像装置41是其中修改根据第一实施例的固态成像装置的 第二暗电流抑制部分的一部分的示例。在此示例中，存储电容器8的第二暗电流抑制部分44包括暗电流抑制电极42和 DC电压电源43。暗电流抑制电极42隔着栅极绝缘层29形成在半导体阱层13的存储电容 器8的上部上。即使在固态成像装置41中，沿着图7A和图7B中的线A-A’、B-B，和C_C’所取的 电位具有与在第一实施例中描述的图3A的那些电位相同的轮廓。此外，固态成像装置41的第二暗电流抑制部分44可以以下述方式形成在根据第 一实施例的制造方法中，第二暗电流抑制部分23没有形成在图5E所示的处理中，但是暗电 流抑制电极42形成在图5E所示的处理中。其它制造处理与第一实施例的处理相同。在根据本实施例的固态成像装置41中，由于负偏置电压通常通过DC电压电源43 施加到暗电流抑制电极42，构成存储电容器8的N区域22的表面反转，以被填充有电子空 穴。因而，由于在存储电容器8的边界面产生的暗电流在电子空穴中受到再组合，可以抑制 存储电容器8中的暗电流。在此实施例中，描述了其中负的偏置电压施加到暗电流抑制电 极42的构造，但是暗电流抑制电极42可以电连接到遮光层31以向暗电流抑制电极42和 遮光层31施加负电压。因而，可以简化用于向每个像素施加负的电压的配线。即使在根据本实施例的固态成像装置41中，可以通过与驱动根据第一实施例的 固态成像装置1的方法相同的方法驱动固态成像装置41。即使在此实施例中，可以缩短短 秒曝光和长秒曝光之间的时间间隔。由于此原因，由于即使在捕获移动物体的图像的情况下降低了图像的偏移，可以适合地计算宽动态范围的信号。此外，可以获得与第一实施例相 同的优点。在以上所述第一和第二实施例中，描述了其中第一导电类型设定为N型和第二导 电类型设定为P型的构造，但是第一导电类型可以是P型，并且第二导电类型可以是N型。 在此情况下，期望施加到固态成像装置的脉冲是具有与以上所述示例的极性相反的极性的 脉冲。本发明不限于应用到固态成像装置，而是可以应用到成像装置。此处，成像装置是 指诸如数字静止相机或者摄像机的照像系统或者具有成像功能的诸如蜂窝电话机的电子 装置。此外，安装到电子装置的相机模块可以用作成像装置。以下，将描述使用根据本发明 实施例的固态成像装置的电子设备。3.第三实施例图9示出了根据本发明第三实施例的电子设备200的示意构造。根据本发明的电 子设备200是其中根据本发明第一实施例的固态成像装置1引用到相机的应用示例。根据此实施例的电子设备200的示意剖面构造示出在图9中。在根据本实施例的 电子设备200中，例举了能捕获静止图像的数字静止相机，但是本发明不限于静止图像。根据本实施例的电子设备200包括固态成像装置1、光学透镜210、驱动电路212 和信号处理电路213。光学透镜210将来自物体的成像光(入射光)形成在固态成像装置1的成像表面 上。因而，在预定的期间，信号电荷存储在固态成像装置1中。驱动电路212供应固态成像装置1的传输操作信号。根据从驱动电路212供应的 驱动信号(时机信号)，执行固态成像装置1的信号传输。信号处理电路213执行各种信号 处理。尽管在附图中未示出，信号处理电路213设置有用于通过使用通过短秒曝光获得的 信号电荷和通过长秒曝光获得的信号电荷输出宽动态范围的信号的计算处理电路。受到信 号处理的图像信号存储在诸如存储器的存储介质中或者输出到监视器。在根据本实施例的电子设备200中，在固态成像装置中，可以通过使用通过短秒 曝光和长秒曝光获得的信号获得宽动态范围的图像。此外，由于短秒曝光和长秒曝光之间 的时间间隔缩短，即使在捕获移动物体的图像的情况下也可以适合地计算宽动态范围的信 号，因而，提高了图像的品质。作为能采用固态成像装置1的电子设备，本发明不限于数字静止相机，但是可以 应用到用于捕获静止图像或者移动图像的成像装置，诸如用于诸如数字静止相机或者蜂窝 电话机之类的移动装置的相机模块。在本实施例中，描述了其中固态成像装置1应用到电子设备的构造，但是可以使 用根据第二实施例的固态成像装置。本申请包含与2009年2月5日提交的日本在先专利申请JP2009-025348中揭示 主题相关的主题，其全部内容通过引用而结合于此。本领域的技术人员应该理解到，取决于设计要求和其它因素可以进行各种修改、 组合、子组合和替换，只要它们在权利要求或者其等同技术方案的范围内即可。
权利要求
一种固态成像装置，包括衬底；衬底电压电源，其在受光期间向所述衬底施加第一电位，并在非受光期间向所述衬底施加第二电位，所述受光期间包括彼此不同的第一和第二曝光期间；以及多个像素，每个像素包括受光部分，其形成在所述衬底的前表面一侧并根据所接收到的光产生信号电荷，存储电容器，其形成为与所述受光部分相邻，当所述第一电位施加到所述衬底时，在所述受光部分中产生的信号电荷传输到所述存储电容器，并且存储和保持在所述存储电容器中，暗电流抑制部分，其形成在所述受光部分和所述存储电容器中，电子快门调节层，其形成在面对所述衬底中的所述受光部分并从所述存储电容器离开了预定的偏移区域的区域中，并调节所述衬底的电位分布，使得当所述第二电位施加到所述衬底时，在所述受光部分中产生的所述信号电荷被扫掠到所述衬底的后表面侧，读取栅极部分，其在所述第一和第二曝光期间之后读取在所述存储电容器中存储的所述信号电荷，以及竖直传输寄存器，其在竖直方向上传输通过所述读取栅极部分读取的所述信号电荷。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述衬底包括第一导电类型的半导体衬底和形成在所述半导体衬底上的第二导 电类型的半导体阱层，其中，所述受光部分包括第一和第二导电类型杂质区域之间的连接面并形成在所述半 导体阱层上，其中，所述存储电容器包括所述第一和第二导电类型杂质区域之间的连接面，并且其中，所述电子快门调节层在所述半导体衬底和所述半导体阱层之间由所述第一导电 类型杂质区域形成。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，所述存储电容器的静电电势比所述受光部分的静电电势深。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，在所述偏移区域上部的、所述受光部分和所述存储电容器之间的区域的静电电 势在所述受光期间和所述非受光期间维持为大致相等的值。
5.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，所述存储电容器的光入射侧上部设置有遮光层，并且所述遮光层的端部设置有 朝着所述受光部分突伸的突起。
6.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述遮光层还形成在所述竖直传输寄存器的上部上。
7.根据权利要求6所述的固态成像装置，其中，形成所述遮光层以遮蔽除去所述受光部分的通道区域以外的区域。
8.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述受光部分和所述存储电容器的所述暗电流抑制部分包括在所述受光部分和 所述存储电容器的光入射侧前表面上形成的所述第二导电类型杂质区域。
9.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述受光部分的所述暗电流抑制部分包括在所述受光部分的光入射侧前表面上 形成的所述第二导电类型杂质区域，并且其中，所述存储电容器的所述暗电流抑制部分包括形成在所述存储电容器的所述光入 射侧上部上的暗电流抑制电极和向所述暗电流抑制电极施加直流电压的直流电压电源。
10.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，所述暗电流抑制电极电连接到所述遮光层。
11.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，在所述第一和第二曝光期间之后的所述信号电荷读取操作同时在所有像素中执行。
12.一种制造固态成像装置的方法，包括以下步骤准备第一导电类型半导体衬底；在所述半导体衬底上形成第二导电类型半导体阱层；在所述半导体阱层的前表面侧形成受光部分、与所述受光部分相邻的存储电容器以及 间隔着读取通道与所述存储电容器相邻的竖直传输通道；在形成所述半导体阱层之前或者之后，在所述半导体衬底和所述半导体阱层之间面向 所述受光部分并从所述存储电容器离开了期望的偏移区域的区域中，形成第一导电类型电 子快门调节层；在所述存储电容器和所述受光部分上部的光入射侧形成暗电流抑制部分；将所述衬底连接到在受光期间和非受光期间施加不同电位的衬底电压电源；并且通过在所述读取通道的上部形成读取电极来形成电极配线，所述电极配线在第一曝光 期间和具有与所述第一曝光期间不同的曝光期间的第二曝光期间之后施加读取脉冲。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过形成在所述半导体衬底上的第二导电类型的外延层形成所述半导体阱层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过在所述半导体衬底上形成第一导电类型外延层之后通过离子注射将第二导 电类型杂质注射到所述外延层的期望区域来形成所述半导体阱层。
15.一种驱动固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括衬底；衬底电压电源，其 在受光期间向所述衬底施加第一电位，并在非受光期间向所述衬底施加第二电位，所述受 光期间包括彼此不同的第一和第二曝光期间；以及多个像素，每个像素包括受光部分，其 形成在所述衬底的前表面一侧并根据所接收到的光产生信号电荷，存储电容器，其形成为 与所述受光部分相邻，当所述第一电位施加到所述衬底时，在所述受光部分中产生的信号 电荷传输到所述存储电容器，并且存储和保持在所述存储电容器中，暗电流抑制部分，其形 成在所述受光部分和所述存储电容器中，电子快门调节层，其形成在面对所述衬底中的所 述受光部分并从所述存储电容器离开了预定的偏移区域的区域中，并调节所述衬底的电位 分布，使得当所述第二电位施加到所述衬底时，在所述受光部分中产生的所述信号电荷被 扫掠到所述衬底的后表面侧，读取栅极部分，其在所述第一和第二曝光期间之后读取在所 述存储电容器中存储的所述信号电荷，以及竖直传输寄存器，其在竖直方向上传输通过所 述读取栅极部分读取的所述信号电荷，所述方法包括以下步骤通过将来自所述衬底电压电源的第一电位施加到所述衬底，使得在所述受光部分中产 生的所述信号电荷开始传输到所述存储电容器，开始第一曝光期间；通过允许所述读取栅极部分读取在所述第一曝光期间存储在所述存储电容器中的所 述信号电荷，在结束所述第一曝光期间之后，然后开始第二曝光期间；并且通过向所述衬底施加来自所述衬底电压电源的第二电位，在结束所述第二曝光期间之 后，将在所述受光部分中产生的所述信号电荷扫掠到所述衬底。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，同时在形成在所述衬底上的所有像素的所述受光部分中执行开始和结束所述受 光期间的操作和从所述存储电容器读取所述信号电荷的操作。
17.一种电子设备，包括 光学透镜；衬底电压电源，其在受光期间向所述衬底施加第一电位，并在非受光期间向所述衬底 施加第二电位，所述受光期间包括彼此不同的第一和第二曝光期间； 固态成像装置，其接收由所述光学透镜收集的光，并包括 受光部分，其形成在所述衬底的前表面一侧并根据所接收到的光产生信号电荷， 存储电容器，其形成为与所述受光部分相邻，当所述第一电位施加到所述衬底时，在所 述受光部分中产生的信号电荷传输到所述存储电容器，并且存储和保持在所述存储电容器 中，暗电流抑制部分，其形成在所述受光部分和所述存储电容器中， 电子快门调节层，其形成在面对所述衬底中的所述受光部分并从所述存储电容器离开 了预定的偏移区域的区域中，并调节所述衬底的电位分布，使得当所述第二电位施加到所 述衬底时，在所述受光部分中产生的所述信号电荷被扫掠到所述衬底的后表面侧，读取栅极部分，其在所述第一和第二曝光期间之后读取在所述存储电容器中存储的所 述信号电荷，以及竖直传输寄存器，其在竖直方向上传输通过所述读取栅极部分读取的所述信号电荷；以及信号处理电路，其处理从所述固态成像装置输出的输出信号。
18.根据权利要求17所述的电子设备，还包括计算处理电路，其通过使用在所述第一曝光期间之后存储的所述信号电荷和在所述第 二曝光期间之后存储的所述信号电荷执行宽动态范围的计算。
全文摘要
本发明涉及固态成像装置、制造以及驱动该装置的方法以及电子设备。固态成像装置包括衬底；衬底电压电源，其在受光期间向衬底施加第一电位，并在非受光期间向衬底施加第二电位，受光期间包括彼此不同的第一和第二曝光期间；以及多个像素，每个像素包括受光部分，其形成在衬底的前表面一侧上并根据所接收到的光产生信号电荷；存储电容器，其形成为与受光部分相邻，使得当向衬底施加第一电位时在受光部分中产生的信号电荷传输到存储电容器中并存储和保持在其中；暗电流抑制部分；电子快门调节层；读取栅极部分以及竖直传输寄存器，其在竖直方向上传输由读取栅极部分读取的信号电荷。
文档编号H01L27/148GK101924886SQ201010107218
公开日2010年12月22日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年2月5日
发明者神户秀夫 申请人:索尼公司