专利名称：固体摄像装置和固体摄像装置的驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种固体摄像装置和固体摄像装置的驱动方法，尤其涉及这样一种固体摄像装置和固体摄像装置的驱动方法，其通过垂直输送电极施加电压，使得垂直电荷输送区域(此后称为垂直CCD)的电势足够深并且沿传感器方向延伸垂直CCD的耗尽层来执行读出。
背景技术：
现在，在成为CCD固体摄像装置的主流的行间型(interline，IT型)CCD固体摄像装置以及用于广播电台等的框架行间型(frame interline，FIT型)CCD固体摄像装置的单位像素结构中，基本上如图1的结构剖面示意图和图2的平面布局图(图2的比例和图1的比例不是对应的)所示，在形成于半导体基板110中的P型阱112中形成用于进行光电变换和电荷积累的传感区域121。在传感区域121的一侧上，形成用于将电荷输送给垂直CCD的读出栅极区域122和用于输送由读出栅极区域122读出的电荷的垂直CCD123，读出栅极区域122位于传感区域121和垂直CCD123中间。而且，在像素111和与像素111相邻的像素(未示出)之间形成沟道阻止区域125。而且，在垂直CCD123(包括沟道区域124)、读出栅极区域122和沟道阻止区域125上形成输送电极127，在输送电极127与垂直CCD123、读出栅极区域122和沟道阻止区域125之间插入了绝缘膜126。而且，在传感区域121上形成开口130，并且形成用于覆盖输送电极127的遮光电极129，在输送电极127和遮光电极129之间插入了层间绝缘膜128(例如，参见专利文献1)。
在具有2.5平方μm像素的CCD结构的情形下，例如，假定沟道阻止区域宽0.35μm，读出栅极区域122宽0.35μm，以及传感区域121宽1.0μm，垂直CCD123的沟道区域124宽0.8μm。对于传统结构，由于CCD单位单元的尺寸减小，变得难以维持关于灵敏度的性能由传感区域121处理的电荷量、模糊(smear)、由垂直CCD123处理的电荷量等。
为了解决这些问题，已经公开了穿通读出结构(punch-through readoutstructure)的固体摄像装置(例如，参见非专利文献1和专利文献2)。
专利文献1日本专利特开平No.6-151792(第2-3页，图1)专利文献2日本专利特开平No.10-70263(第3-4页，图1)非专利文献1Toshifumi Ozaki，H.Ono，H.Tanaka，A.Sato，M.Nakai和T.Nishida，IEEETRANSACTION ON ELECTRON DEVICES，VOL.41，NO.7，(1994)，PP.1128-1134。
为了增加由垂直CCD处理的电荷量而不增加面积，有一种通过形成比较薄的栅极绝缘膜或浓地形成沟道掺杂剂来增加电容的方法。然而，这些方法的缺点是使得电荷输送困难。虽然垂直CCD的驱动振幅的增加导致所处理的电荷量增加，由于在传统结构中Vhigh的正侧驱动增加了暗电流(darkcurrent)，在这种情形下将VHigh电压设置成负电压。
发明内容
为了解决上述问题而作出本发明，因此本发明要解决的技术问题是提供一种固体摄像装置和固体摄像装置的驱动方法。
根据本发明，提供一种固体摄像装置，其包括在基板上的像素区域，该像素区域包括用于光电变换入射光的传感区域；在传感区域的一侧上形成的垂直电荷输送区域，在传感区域和垂直电荷输送区域之间插入一读出区域；以及在传感区域的相对的一侧上形成的沟道阻止区域，其中垂直电荷输送区域插入在传感区域和沟道阻止区域之间；以及垂直电荷输送区域上的垂直输送电极，其中在垂直输送电极和垂直电荷输送区域之间插入一绝缘膜。垂直输送电极形成在所述垂直电荷输送区域上，使得垂直输送电极的宽度和垂直电荷输送区域的沟道宽度实质上彼此相等。
根据本发明，提供一种固体摄像装置的驱动方法，固体摄像装置包括在基板上的像素区域，该像素区域包括用于光电变换入射光的传感区域；在传感区域的一侧上形成的垂直电荷输送区域，在传感区域和垂直电荷输送区域之间插入一读出区域；以及在与传感区域相对的一侧上形成的沟道阻止区域，垂直电荷输送区域插入在传感区域和沟道阻止区域之间；以及在垂直电荷输送区域上的垂直输送电极，在垂直输送电极和垂直电荷输送区域之间插入一绝缘膜。垂直输送电极形成在所述垂直电荷输送区域上，使得垂直输送电极的宽度和垂直电荷输送区域的沟道宽度实质上彼此相等。固体摄像装置的驱动电压振幅范围包括正电压。
在该固体摄像装置和该固体摄像装置的驱动方法中，在垂直电荷输送区域上设置垂直输送电极，在垂直输送电极和垂直电荷输送区域之间插入绝缘膜，垂直输送电极形成在所述垂直电荷输送区域(下文称作垂直CCD)上，使得垂直输送电极的宽度和垂直CCD的沟道宽度实质上彼此相等。因而垂直输送电极不会在沟道阻止区域和读出区域上延伸。也就是，沟道阻止区域可以被设定为负电压的遮光电极覆盖。通过给垂直输送电极施加电压，使垂直CCD的电势足够深并且沿传感区域方向延伸垂直CCD的耗尽层，来进行读出区域中的读出操作。
由垂直CCD处理的电荷量与驱动振幅基本成正比关系。也就是，关系式Q(电荷量)＝C(电容量)×V(电压)，其中当C基本上恒定时，Q与V成正比。因而，由于在垂直CCD驱动电压高电压侧的VHigh以正电压驱动垂直CCD，代替了传统固体摄像装置中在0V驱动垂直CCD，因此可以增加驱动振幅。
传统垂直CCD的VHigh正电压驱动耗尽了沟道阻止区域的硅和氧化硅之间的界面，因此与VHigh＝0V和VHigh为负电压的驱动相比，增加了暗电流。另一方面，即使在垂直CCD驱动电压的VHigh值在正电压侧时，因为设置为负电压的遮光电极可以覆盖沟道阻止区域，本发明也可以避免沟道阻止区域的消耗。由于可以设置为负电压的遮光电极位于沟道阻止区域上，因此通过将遮光电极设置为负电压，可以用空穴钉扎沟道停止区域，并且与传统固体摄像装置相比，可以减少暗电流。
此外，由于垂直输送电极处于垂直CCD沟道区域之上而没有沿读出区域方向延伸，所以即使在VHigh为若干伏特的正电压时，也可以维持耐传感区域模糊性。例如，可以将正电压VHigh值设定为3V或更低。
众所周知，模糊(smear)性能主要取决于遮光电极延伸部分的长度。具体地，随着遮光电极延伸部分的增加，垂直CCD的沟道区域和传感器的开口彼此变得越来越远，因而提高了耐斜入射光引起的模糊性。在根据本发明的固体摄像装置中，垂直输送电极被形成为使其宽度窄于传统固体摄像装置中垂直输送电极的宽度。因此，可以增加遮光电极在左侧和右侧的延伸长度，由此降低了模糊。
在根据本发明的固体摄像装置中，在从传感区域到垂直CCD的信号电荷读出中，将正电压(例如大约10V到15V)作为读出电压施加给垂直输送电极，以沿水平方向延伸垂直CCD的耗尽层，并且将硅基板中传感区域和垂直CCD之间的电势设置在垂直CCD电势值和传感区域电势值的中间。因而可以完全地输送信号电荷。
图1为传统固体摄像装置的结构剖面示意图；图2为传统固体摄像装置的平面布局图；图3为根据本发明固体摄像装置和固体摄像装置驱动方法的实施例的结构剖面示意图；以及图4为电势和输送电极电压之间的关系曲线图。
具体实施例方式
下面参考图3的结构剖面示意图，对根据本发明固体摄像装置和固体摄像装置驱动方法的实施例进行描述。
如图3所示，在半导体基板10上形成多个像素区域11。该像素区域11具有与普通IT型或FIT型固体摄像装置相同的布局。顺便提及，该图示出了一个像素区域。
在形成于半导体基板(例如硅基板)10的上部中的P型阱12中形成用于进行光电变换和电荷积累的传感区域21。这个传感区域21例如如下构成在传感区域21的下层中形成N型杂质区域21N和在传感区域21的上层中形成P型杂质区域21P。在传感区域21的一侧上形成的是用于将电荷输送给垂直CCD的读出区域22和用于输送由读出区域22读出的电荷的垂直CCD23，读出区域22位于传感区域21和垂直CCD23之间。垂直CCD23由N型杂质区域构成，在N型杂质区域的上层形成N+型杂质区域作为沟道区域24。而且，在像素11和与像素11相邻的像素(未示出)之间形成P型沟道阻止区域25。而且，在垂直CCD23的沟道区域24上设置垂直输送电极27，在沟道区域24和垂直输送电极27之间插入了绝缘膜26。具体地，垂直输送电极27形成在垂直CCD23的沟道区域24上方，使得垂直输送电极27的宽度和垂直CCD23的沟道区域24的宽度基本彼此相等。因而，垂直输送电极27被形成为不与读出区域22和沟道阻止区域25重叠。
此外，形成用于覆盖垂直输送电极27等的层间绝缘膜28。在层间绝缘膜28上形成遮光电极29。在传感区域21上形成开口30。对遮光电极29施加负电压(例如-2V到-10V)。
在这样形成的固体摄像装置1中，对于垂直CCD 23中驱动振幅值的低电压侧的电压VLow和高电压侧的电压Vhigh，VLow为-10V到-5V以及Vhigh为正电压。正电压例如高达3V。
在固体摄像装置1中，通过给垂直输送电极27施加读出电压VT，并且通过读出电压VT调节和控制垂直CCD 23的沟道区域24的电势和读出区域22的电势，从传感区域21读出信号电荷并输出至垂直CCD 23。也就是，施加到垂直输送电极27的电压使得垂直CCD 23的电势足够深并且沿着传感区域21的方向延伸垂直CCD 23的耗尽层，由此进行读出和输出。
由垂直CCD 23处理的电荷量Q具有这样的关系式，Q＝C(电容)×V(电压)，因此当C基本上恒定时，Q与V成正比。也就是，由垂直CCD 23处理的电荷量Q基本上与垂直CCD 23的驱动振幅成正比关系。因此，由于垂直CCD 23的驱动电压的高电压侧的电压Vhigh在正电压时驱动垂直CCD23，所以可以增大驱动振幅。
传统垂直CCD的VHigh的正电压驱动耗尽了沟道阻止区域的硅和氧化硅之间的界面，因此与VHigh＝0V和VHigh＝负电压的驱动相比较，增加了暗电流。另一方面，即使当垂直CCD23的驱动电压的VHigh值在正电压侧时，因为设定为负电压的遮光电极29覆盖沟道阻止区域25，本发明也可以避免沟道阻止区域25的耗尽。由于可以设定为负电压的遮光电极29位于沟道阻止区域25之上，通过将遮光电极29设定为负电压可以用空穴将沟道阻止区域25钉扎，因此与传统固体摄像装置相比，可以减少暗电流。
此外，由于垂直输送电极27处于垂直CCD 23的沟道区域24之上而没有沿读取区域22方向延伸，所以即使在VHigh为若干伏特的正电压时，也可以维持从传感区域21图像发晕的耐性。例如，可以将正电压VHigh的值设定为大约3V或更低。
众所周知，模糊(smear)性能主要取决于垂直输送电极27的下部的遮光电极29的延伸部分的长度。具体地，随着遮光电极29的延伸部分的增加，垂直CCD 23的沟道区域24和传感区域21的开口30变得彼此越来越远，因而提高了对于由斜入射光引起的模糊性的耐性。在根据本发明的固体摄像装置1中，垂直输送电极27被形成为使垂直输送电极27的宽度等于沟道区域24的宽度。因而垂直输送电极27的宽度窄于传统固体摄像装置中垂直输送电极的宽度。因此，在读出区域22侧和沟道阻止区域25侧，遮光电极的延伸长度可以增加相应于传统重叠在读出栅极区域和沟道阻止区域上的量，由此降低了模糊性。
在根据本发明的固体摄像装置1，在从传感区域21到垂直CCD 23的信号电荷读出中，将正电压VT(例如约10V到15V)作为读出电压施加给垂直输送电极27，以沿水平方向延伸垂直CCD 23的耗尽层，并且将传感区域21和垂直CCD23之间的半导体基板10中的电位设置在垂直CCD23的电势值和传感区域21的电势值的中间。因此可以完全输送信号电荷。
接下来，以单元尺寸为2.5平方μm的IT型CCD固体摄像装置为例，将对垂直CCD的驱动电压范围进行描述。在这种情况，假定例如由形成传感区域的光电二极管处理的电荷量大约为一万，并且需要12V作为用于从光电二级管中读出的电压。也是技术上合理的假定，在这种单元尺寸的CCD中，处于空态(空级)时光电二极管的静电电势大约为5V并且处于充满状态(满级)时光电二极管的电势大约为1V。
图4为电势(纵坐标)和输送电极电压(横坐标)之间的关系曲线图，如图4所示，当给出垂直CCD的驱动电压的低电压(VLOW)侧的值时，如图所示设置垂直CCD的电势曲线P。在标准固体摄像装置中，Vlow值大约为-7V。连接光电二极管和垂直CCD的部分(输送区域)的最大电势值决定了用于从光电二极管中读出的电压、模糊性能等。通过适当地设置垂直CCD和光电二极管的杂质曲线和输送区域的长度、宽度和杂质浓度，可以从模拟中得到情况1和情况2的特性曲线作为输送区域的电势曲线。由于光电二极管的静电电势在空级时被设置为大约5V，示出了在情况1中的特性曲线下，从光电二极管的读出值可以大约是8V作为读出电压；并且情况2中的特性曲线下，大约为10.5V。在情况1和情况2中，当VH大约为5V时，输送区域的电势变为与在满级下光电二极管的电势(1V或更小)相等。因此，选择5V或更小的值作为VH值用于避免模糊。因而在这种情况下，垂直CCD的可驱动范围为-7V到+5V。然而，考虑到制造上变化的大约2V的裕度，因此选择VH＝3V。因此在这种情况下，垂直CCD的可驱动范围希望为-7V到+3V。
如上所述，根据本发明的固体摄像装置和固体摄像装置的驱动方法，可以在维持耐模糊性的同时，将垂直CCD的驱动电压的高电压VHigh侧设定成正电压，因此增加了作为垂直CCD的驱动振幅的VHigh-VLow值。因而，可以增加由垂直CCD处理的电荷量。因此可以得到具有宽动态范围的ITCCD固体摄像装置和FIT CCD固体摄像装置。
此外，在垂直CCD的沟道区域上方形成垂直输送电极，使得垂直输送电极的宽度基本上等于垂直CCD沟道区域的宽度。因而，与现有的固体摄像装置相比，没有处于垂直输送电极上方的遮光电极部分(所谓遮光电极的檐部分)的面积可以做得更宽。因而，可以改进主要取决于遮光电极的檐部分长度的模糊性能，因此可以得到低模糊IT CCD固体摄像装置和低模糊FITCCD固体摄像装置。
而且，由于垂直输送电极没有重叠沟道阻止区域并且遮光电极覆盖沟道阻止区域，所以通过使遮光电极的电压为负电压，可以有效地抑止趋向于从沟道阻止区域产生的暗电流。而且，可以将传感区域和垂直CCD之间的读出区域做成较短的沟道。因而可以相应地延伸传感区域，由此提高了对于所接收光的敏感度。
权利要求
1.一种固体摄像装置，包括基板上的像素区域，所述像素区域包括用于光电变换入射光的传感区域；在所述传感区域的一侧上形成的垂直电荷输送区域，在所述传感区域和所述垂直电荷输送区域之间插入了读出区域；以及在与所述传感区域相对的一侧上形成的沟道阻止区域，所述垂直电荷输送区域被插入在所述传感区域和所述沟道阻止区域之间；以及在所述垂直电荷输送区域上的垂直输送电极，在所述垂直输送电极和所述垂直电荷输送区域之间插入了一绝缘膜，所述垂直输送电极形成在所述垂直电荷输送区域上，使得所述垂直输送电极的宽度和所述垂直电荷输送区域的沟道宽度实质上彼此相等。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中在所述垂直电荷输送区域中驱动振幅值的低电压侧上的电压VLow为-10V到-5V，并且在所述垂直电荷输送区域中驱动振幅值的高电压侧的电压Vhigh为正电压。
3.根据权利要求1所述的固体摄像装置，还包括在所述垂直输送电极上形成的遮光电极，在所述遮光电极和所述垂直输送电极之间插入一层间绝缘膜，其中在所述光电变换传感区域上形成开口；以及给所述遮光电极施加负电压。
4.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中通过给所述垂直输送电极施加读出电压VT并且通过所述读出电压VT调制和控制所述垂直电荷输送区域的沟道电势和读出沟道区域的电势，从所述光电变换传感区域读出并输出信号电荷给所述垂直电荷输送区域。
5.一种固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置包括基板上的像素区域，所述像素区域包括用于光电变换入射光的传感区域；在所述传感区域的一侧上形成的垂直电荷输送区域，在所述传感区域和所述垂直电荷输送区域之间插入一读出区域；以及在与所述传感区域相对的一侧上形成的沟道阻止区域，所述垂直电荷输送区域插入在所述传感区域和所述沟道阻止区域之间；以及在所述垂直电荷输送区域上的垂直输送电极，在所述垂直输送电极和所述垂直电荷输送区域之间插入一绝缘膜，所述垂直输送电极形成在所述垂直电荷输送区域上，使得所述垂直输送电极的宽度和所述垂直电荷输送区域的沟道宽度实质上彼此相等，其中所述固体摄像装置的驱动电压的振幅范围包括正电压。
6.根据权利要求5所述的固体摄像装置的驱动方法，其中所述垂直电荷输送区域中驱动电压振幅值的低电压侧的电压VLow为-10V到-5V，并且所述垂直电荷输送区域中驱动电压振幅值的高电压侧的电压Vhigh为正电压。
7.根据权利要求所述5的固体摄像装置的驱动方法，其中在所述光电变换传感区域上形成开口；在所述垂直输送电极上形成遮光电极，在所述遮光电极和所述垂直输送电极之间插入一层间绝缘膜，以及给所述遮光电极施加负电压。
8.根据权利要求所述5的固体摄像装置的驱动方法，其中通过给所述垂直输送电极施加读出电压VT并且通过所述读出电压VT调制和控制所述垂直电荷输送区域的沟道电势和读出沟道区域的电势，从所述传感区域读出并输出信号电荷给所述垂直电荷输送区域。
全文摘要
本发明公开一种固体摄像装置和固体摄像装置的驱动方法，该固体摄像装置包括半导体基板上的像素区域，该像素区域包括用于光电变换入射光的传感区域；在传感区域的一侧上形成的垂直CCD，其中在传感区域和垂直CCD之间插入读出区域；和在与传感区域相对的一侧上形成的沟道阻止区域，其中在传感区域和沟道阻止区域之间插入垂直CCD；以及垂直CCD上的垂直输送电极，其中在垂直输送电极和垂直CCD之间插入绝缘膜。垂直输送电极形成在上述垂直CCD上，使得垂直输送电极的宽度和垂直CCD的沟道宽度基本彼此相等。
文档编号H04N5/359GK1574384SQ20041006408
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月2日 优先权日2003年6月2日
发明者神户秀夫 申请人:索尼株式会社