专利名称：固态成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态成像装置，具体涉及一种具有像素阵列的线 性图像传感器，其中像素阵列中多个接收元件沿着电荷转移方向布置，
而且像素阵列每一侧上设置有多个CCD寄存器。
背景技术：
线性图像传感器将光接收元件(例如光电二极管)中存储的信号 电荷通过CCD (电荷耦合器件)寄存器进行转移，并输出被转换为电压 的信号电荷。由于容易设计，所以通常使用具有CCD寄存器的线性图像 传感器，这些CCD寄存器设置在光电二极管(像素)阵列的每一侧上。 还经常使用交错式结构。交错式结构具有多个像素阵列，这些像素阵 列偏移1/2、 1/3、 1/4...像素间距。通过使用该结构，线性图像传感器可以是高分辨率的。
如上所述，日本未审专利申请公布No. 2-91954 (Hirama)中公开 了一种具有CCD寄存器的固态成像装置，这些CCD寄存器设置在光电二 极管阵列的每一侧上。Hirama的固态成像装置公开了一种结构，其中 每一个CCD寄存器连接到浮置扩散区(floating diffusion)。然而， 当每一个CCD寄存器都具有输出电路时，固态成像装置需要具有两个输 出电路。因此存在一个问题，即固态成像装置的面积增大。
为了克服上述问题，Hirama公开了另一种固态成像装置，其中通 过把两行CCD寄存器的同侧上的边缘折叠90度而把两行CCD寄存器结合 到一起。这样，结合后的CCD寄存器连接至单一的浮置扩散区。浮置扩 散区将结合后的CCD寄存器输出的信号电荷转换为电压。在这种情况 下，由于CCD寄存器被折叠了90度，所以难以对CCD寄存器进行布图设 计。此外，输入CCD寄存器的信号电荷的转移效率容易变差。在另一种固态成像装置中，两行CCD寄存器逐渐接近。这样，结合后的CCD寄存 器的结点与单一的浮置扩散区相连。
图7示出了两行CCD寄存器逐渐接近的固态成像装置，结合后的 CCD寄存器在结合后的CCD寄存器的结点处与单一的浮置扩散区相连。 如图7所示，固态成像装置90具有光电二极管阵列91 (其包括例如多个 光电二极管等的光接收元件)、CCD寄存器92、 CCD寄存器93、浮置扩散 区94、复位晶体管95、输出电路96以及恒压源91至93。 CCD寄存器92 和CCD寄存器93在电荷转移方向的末端结合在一起。输出电路96和浮置 扩散区94连接至金属配线97。浮置扩散区94连接至复位晶体管95。在 固态成像装置90中，从CCD寄存器92和CCD寄存器93输出的信号电荷在 浮置扩散区94处被转换为电压，并通过金属配线97从输出电路96输出 该电压。
日本未审专利申请公布No. 7-46371 (Akiyama)中公开了另一种 固态成像装置。该固态成像装置包括一个或两个输出电路。这样，该 输出电路根据两行CCD寄存器输出的电荷而输出电压。即， Akiyama的 固态成像装置将每一个CCD寄存器所转移的电荷输入电荷合成部分，与电荷合成部分相连的单一输出电路根据信号电荷而输出电压。否则， 每一个CCD寄存器所转移的电荷从与每一个CCD寄存器相连的输出电路输出。
然而，在Hirama的两行CCD寄存器逐渐接近、且从单个浮置扩散 区输出信号电荷的固态成像装置中，CCD寄存器的元件数增加，而且固 态成像装置的面积增大。原因如下。例如，当布置在CCD寄存器92和CCD 寄存器93之间的光电二极管较大时，CCD寄存器92和CCD寄存器93的距 离较长。在这种情况下，两行CCD寄存器逐渐接近，而且两行CCD寄存 器被结合在一起。CCD寄存器的元件数由此增加。当两行CCD寄存器的 距离较长时，使两行CCD寄存器逐渐接近，从而需要CCD寄存器的多个 电极，以改进信号电荷的转移效率的能力。即，固态成像装置的面积 增大。在Akiyama公开的固态成像装置中，当两行CCD寄存器结合到一 起时，需要对CCD寄存器的多个元件进行布置，而且固态成像装置的面 积增大，如同Hirama的技术。当两行CCD寄存器中的每一个均输出信号电荷时，固态成像装置的面积增大，因为每一个CCD寄存器都具有输出 电路。
发明内容
在本发明的一个实施例中， 一种固态成像装置包括像素阵列， 包括沿电荷转移方向布置的多个光接收元件，所述多个光接收元件把 光信号转换为电信号；设置在所述像素阵列的每一侧上的第一电荷转 移单元和第二电荷转移单元，用于把从像素阵列输入的信号电荷沿所 述电荷转移方向进行转移；第一浮置扩散区，与第一电荷转移单元相 连；第二浮置扩散区，与第二电荷转移单元相连；配线层，把第一浮 置扩散区与第二浮置扩散区相连；以及连接至所述配线层的输出电路，输出根据第一浮置扩散区和第二浮置扩散区的电势的信号电压。
根据本发明的实施例，浮置扩散区通过配线层与多个CCD寄存器相连，由此形成了单一输出电路。
本发明的固态成像装置能够防止固态成像装置的面积的增大以及转移效率的恶化。
根据下文结合附图对特定的优选实施例的描述，本发明的上述和 其他目标、优点和特征将会变得更加明显，其中
图l是根据本发明第一实施例的固态成像装置的示意图2是图1中所示的固态成像装置的布局图示例；
图3是根据本发明第一实施例的固态成像装置的驱动时序图4是根据本发明第二实施例的固态成像装置的示意图5是固态成像装置的示意图6是图5中所示的固态成像装置的布局图；以及
图7是根据现有技术的固态成像装置的示意图。
具体实施例方式
此处将参考示意性实施例来描述本发明。本领域的技术人员可以
理解，可以使用本发明的教益而实现多个备选实施例，而且本发明不 限于为了解释目的而示出的实施例。
第一实施例
后文参考图l来描述本发明的第一实施例。图l是根据该实施例的 固态成像装置l的示意图。如图1所示，固态成像装置l包括光电二极管
阵列2 (像素阵列)、CCD寄存器3 (第一电荷转移单元)、CCD寄存器4 (第二电荷转移单元)、浮置扩散区FD1和FD2 (第一和第二浮置扩散 区)、金属配线5 (配线层)、输出电路6、复位晶体管R1和R2、以及多 个恒压源E1至E4。下文详细描述固态成像装置l的结构。
CCD寄存器3和CCD寄存器4中的每一个设置在光电二极管阵列(像 素阵列)2的每一侧上。在光电二极管阵列2中，例如多个光电二极管 (像素)的光接收元件沿电荷转移方向布置(未示出)。CCD寄存器3 和CCD寄存器4是用于转移信号电荷的电荷转移单元。CCD寄存器3和CCD 寄存器4沿相同的方向转移电荷。CCD寄存器3包括在电荷转移方向的末 端形成的输出栅极(未示出)。CCD寄存器4包括在电荷转移方向的末端 形成的输出栅极(未示出)。形成于CCD寄存器3的末端的输出栅极连接 至浮置扩散区FD1。形成于CCD寄存器4的末端的输出栅极类似地连接至 浮置扩散区FD2。形成于半导体衬底中的浮置扩散区FD1和形成于半导 体衬底中的浮置扩散区FD2彼此分开。这些浮置扩散区FD1和FD2通过金 属配线5彼此相连，并且该金属配线5连接至输出电路6。在该实施例中， 由于浮置扩散区FD1和FD2通过金属配线5相连，因而浮置扩散区作为单 一电容器操作。根据信号电荷的电压可以从单一输出电路6输出。为了 防止逐个像素(pixel to pixel)存储的信号电荷的混合，浮置扩散 区FD1与复位晶体管R1相连，且浮置扩散区FD2与复位晶体管R2相连。 浮置扩散区FD1是复位晶体管R1的漏极区。详情在下文描述。作为复位 晶体管R1源极区的第一复位漏极RD1连接至恒压源E1，作为复位晶体管 R2源极区的第二复位漏极RD2连接至恒压源E2。例如，输出电路6包括 晶体管6a和晶体管6b。输出电路6的结构与源极跟随器相对应。晶体管 6a连接至恒压源E3，晶体管6b连接至恒压源E4。
参考图2详细描述固态成像装置1的结构，图2是图1中所示的固态 成像装置l的布局图的示例。图2中所示的CCD寄存器3和CCD寄存器4包 括在绝缘薄膜上形成的多个转移电极，所述绝缘薄膜例如形成于半导 体衬底上。用于进行转移的两相时钟脉冲①l和O2施加到转移电极。 CCD寄存器3包括转移电极3a至3h，并且用于进行转移的时钟脉冲①1 或0 2交替输入转移电极3a至3h。类似地，CCD寄存器4包括转移电极4a 至4h，并且用于进行转移的时钟脉冲①l或①2交替输入转移电极4a至 4h。光电二极管阵列2中的奇数阵列的光电二极管中存储的电荷例如输 入CCD寄存器3，并且该电荷从形成于CCD寄存器3末端的输出栅极7 (第 一输出栅极)输出。光电二极管阵列2中的偶数阵列的光电二极管中存 储的电荷例如输入CCD寄存器4，并且该电荷从形成于CCD寄存器4末端 的输出栅极8 (第二输出栅极)输出。DC电压恒定地施加到输出栅极7 和输出栅极8，并且每一个CCD寄存器的输出栅极7和输出栅极8输出转 移至输出栅极7和8的电荷。复位晶体管R1具有作为栅电极的第一复位 栅极RG1。第一复位栅极RG1被设置在浮置扩散区FD1和第一复位漏极 RD1之间。复位晶体管R2具有作为栅电极的第二复位栅极RG2。第二复 位栅极RG2被设置在浮置扩散区FD2和第二复位漏极RD2之间。
接下来描述上文所述的固态成像装置l的操作。光电二极管阵列2 中的每一个光电二极管对信号电荷执行光电转换。然后，信号电荷在 每一个光电二极管中存储给定的时间段。然后，存储在每一个光电二 极管中的信号电荷通过图中未示出的转移栅极转移至CCD寄存器3或 CCD寄存器4。光电二极管阵列2的奇数阵列中的光电二极管中存储的信 号电荷例如被转移至CCD寄存器3。光电二极管阵列2的偶数阵列中的光 电二极管中存储的信号电荷例如被转移至CCD寄存器4。
转移至CCD寄存器3或CCD寄存器4的信号电荷顺序地转移至形成于 每一个CCD寄存器末端的输出栅极。CCD寄存器3和CCD寄存器4通过施加 时钟脉冲Φl和Φ2而操作，而且输入信号电荷被串行转移至形成于CCD 寄存器末端的输出栅极。CCD寄存器3从输出栅极7将电荷输出至浮置扩 散区FD1。CCD寄存器4从输出栅极8将电荷输出至浮置扩散区FD2。此时， 根据时钟脉冲Φl和时钟脉冲0 2，电荷交替地从CCD寄存器3或CCD寄存
器4输出至与CCD寄存器3或CCD寄存器4相连的每一个浮置扩散区。转移 电极3a形成于CCD寄存器3的电荷转移方向末端的输出栅极7之前。用于 进行转移的时钟脉冲①l输入转移电极3a。因此，当用于进行转移的时 钟脉冲Ol变低时，转移电极3a把所转移的信号电荷经输出栅极7输出 至浮置扩散区FDl。转移电极4a形成于CCD寄存器4的电荷转移方向末端 的输出栅极8之前。用于进行转移的时钟脉冲①2输入转移电极4a。因 此，当用于进行转移的时钟脉冲①2变低时，转移电极4a把所转移的信 号电荷经输出栅极8输出至浮置扩散区FD2。 CCD寄存器3和CCD寄存器4 交替输出信号电荷。
用于进行转移的时钟脉冲01输入CCD寄存器3的转移电极3a。经输 出栅极7输出至浮置扩散区FD1的电荷由浮置扩散区FD1的结电容(未示 出)转换为电压。在该实施例中，由于浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2 通过金属配线5彼此相连，所以浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2作为单 一电容器操作。从CCD寄存器3输出的一个特定像素的电荷存储在由浮 置扩散区FD1和浮置扩散区FD1组成的组合电容器中。电荷被转换为根 据每个电荷的电压。在浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2处转换的电压 被合并，而且该电压通过金属配线5输出至输出电路6。当根据电荷的 电压输出至输出电路6时，浮置扩散区FDl的电势由受复位脉冲cDR控制 的复位晶体管R1而初始化。类似地，浮置扩散区FD2的电势由受复位脉 冲①R控制的复位晶体管R2而初始化。
从CCD寄存器3输出的电荷存储在浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2 中。为了防止每一个像素的信号电荷的混合，在把电荷从CCD寄存器4 输出至浮置扩散区FD2之前对浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2的电势 进行初始化。因此，能够防止输入浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2的 每一个像素的信号电荷的混合。在对浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2 的电势进行初始化后，下一像素的信号电荷从CCD寄存器4输入到浮置 扩散区FD2。根据输入电荷的电压被输出至输出电路6，输出电路6根据 输入电压输出信号电压。
图3示出了上述固态成像装置1的驱动时序图。时段(i)示出了CCD 寄存器3的输出信号，而时段(ii)示出了CCD寄存器4的输出信号。如图3所示，在输出根据从CCD寄存器3输出的电荷的电压后，施加复位脉 冲①R。然后，输出根据从CCD寄存器4输出电荷的电压。就是说，固态 成像装置1的输出电路6交替地输出来自CCD寄存器3和CCD寄存器4的信 号。
在该实施例中，CCD寄存器3和CCD寄存器4中的每一个均与浮置扩 散区相连。CCD寄存器3连接至浮置扩散区FD1而CCD寄存器4连接至浮置 扩散区FD2。浮置扩散区FD1和FD2通过金属配线5彼此相连，并作为单 一电容器操作。浮置扩散区FD1和FD2连接至单一输出电路6。浮置扩散 区FD1和FD2中的每一个连接至复位晶体管。根据现有技术，浮置扩散 区FD1和FD2中的每一个分别连接至输出电路。另一方面，在本发明的 该实施例中，由于浮置扩散区FD1和FD2通过金属配线5彼此相连，所以 仅使用一个输出电路6。因此，可以防止固态成像装置l的布局面积的 增大。每一个CCD寄存器连接至浮置扩散区，而不是把CCD寄存器3和CCD 寄存器4结合在一起。不需要把CCD寄存器进行结合。因此，可以防止 固态成像装置l的面积的增大。另外，由于多个CCD寄存器没有接合在 一起，而且CCD寄存器没有被折叠，所以不需要布局设计中较难的结合。 因此，固态成像装置l的设计是容易的。由于CCD寄存器3和4线性排列 而没有折叠，所以可以防止信号电荷的转移效率的恶化。
根据本实施例，存储在光电二极管阵列2的奇数阵列的光电二极管 中的电荷被输入CCD寄存器3，而存储在光电二极管阵列2的偶数阵列的 光电二极管中的电荷被输入CCD寄存器4。然而，存储在光电二极管阵 列2的偶数阵列的光电二极管中的电荷可以被输入CCD寄存器3，而存储 在光电二极管阵列2的奇数阵列的光电二极管中的电荷可以被输入CCD 寄存器4。固态成像装置的结构可以是交错式结构，其包括两个光电二 极管阵列和针对每一个像素阵列而设置的CCD寄存器，所述两个光电二 极管阵列包括偏移半个像素间距的像素。金属配线5不限于金属，而是 可以为任何导电材料。
第二实施例
接下来，下文描述本发明的第二实施例。在第一实施例中，浮置
扩散区FD1连接至复位晶体管R1，而浮置扩散区FD2连接至复位晶体管 R2。在第二实施例中，为了实现进一步的小型化并提高固态成像装置 的灵敏度，仅形成一个复位晶体管而不是形成与浮置扩散区FD1和浮置 扩散区FD2中每一个相连的复位晶体管。该实施例中的固态成像装置10 在图4中示出。在第二实施例中，与第一实施例中相同的元件由相同的 附图标记来表示，并省略对其细节的描述。
如图4所示，浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2共同连接至复位晶体 管R3。浮置扩散区FD1和浮置扩散区FD2通过金属配线5彼此相连。浮置 扩散区FDl和FD2的电势由受复位脉冲OR控制的复位晶体管R3来初始 化。由浮置扩散区FD1和FD2中的每一个所转换的电压通过金属配线5 输出至输出电路6，输出电路6根据输入电压而输出信号电压。在该实 施例中，由于固态成像装置具有共同连接至浮置扩散区FD1和FD2的复 位晶体管R3，所以可以减小固态成像装置10的寄生电容，而且能够提 高输出电压的灵敏度。固态成像装置10仅包括一个复位晶体管，由此 减小了固态成像装置10的面积。
图5是固态成像装置20的示意图。固态成像装置20示出了固态成像 装置10的结构的另一示例。在固态成像装置20中，与固态成像装置IO 中所示相同的元件由相同的附图标记来表示，而且省略对其的描述。
图4中示出了把复位晶体管R3连接至浮置扩散区FD2的配线。把复 位晶体管R3连接至浮置扩散区FD2的配线与配线5并联。然而，在图5 中，没有示出把复位晶体管R3连接至浮置扩散区FD2的配线。在图5所 示的电路中，复位晶体管R3和浮置扩散区FD2通过配线5相连。由此， 该配线可以在固态成像装置20中被简化。参考图6来详细描述固态成像 装置20的结构，图6示出了图5所示的固态成像装置20的布局。下文简 要描述固态成像装置20的结构。如图6中所示，复位晶体管R3形成于固 态成像装置20中。复位晶体管R3具有作为栅电极的第三复位栅极RG3。 第三复位栅极RG3被设置在浮置扩散区FD2和第三复位漏极RD3之间。图 5中的附图标记RD3与图2中的附图标记RD2相对应。类似地，图5中的附 图标记RG3与图2中的附图标记RG2相对应。
在图6中，固态成像装置20具有形成于浮置扩散区FD2侧的复位晶
体管R3。然而，复位晶体管R3可以形成于浮置扩散区FD1侧而不是浮置 扩散区FD2侧。根据图5所示的示例，该配线与图4所示的示例相比得到 简化。
明显的是，本发明不限于上述实施例，而是可以在不背离本发明 的范围和精神的前提下进行修改和改变。本发明可以应用于以n行(n 而不是两行排列的CCD寄存器。
权利要求
1.一种固态成像装置，包括像素阵列，包括沿电荷转移方向布置的多个光接收元件，所述多个光接收元件把光信号转换为电信号；设置在所述像素阵列的每一侧上的第一电荷转移单元和第二电荷转移单元，用于把从像素阵列输入的信号电荷沿所述电荷转移方向进行转移；第一浮置扩散区，与第一电荷转移单元相连；第二浮置扩散区，与第二电荷转移单元相连；配线层，把第一浮置扩散区与第二浮置扩散区相连；以及连接至所述配线层的输出电路，根据第一浮置扩散区和第二浮置扩散区的电势，输出信号电压。
2. 根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括 复位漏极；以及被设置在第一浮置扩散区和所述复位漏极之间的复位栅极。
3. 根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，所述复位漏极和所述复位栅极分别是第一复位漏极和第一复位栅极，并且所述固态成 像装置还包括第二复位漏极以及被设置在第二浮置扩散区和第二复位 漏极之间的第二复位栅极。
4. 一种固态成像装置，包括 沿与电荷转移方向垂直的方向设置的多个像素； 第一和第二电荷转移单元，分别设置在所述多个像素的第一和第二侧上，并把从所述多个像素输入的信号电荷沿电荷转移方向进行转 移；第一和第二浮置扩散区，分别与第一和第二电荷转移单元相连； 配线层，把第一和第二浮置扩散区相连；以及 与所述配线层相连的单一输出电路，根据第一浮置扩散区和第二 浮置扩散区的电势，输出信号电压。
5. 根据权利要求4所述的固态成像装置，还包括 复位漏极；以及被设置在第一浮置扩散区和所述复位漏极之间的复位栅极。
6. 根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述复位漏极和所述复位栅极分别是第一复位漏极和第一复位栅极，并且所述固态成 像装置还包括第二复位漏极以及被设置在第二浮置扩散区和第二复位 漏极之间的第二复位栅极。
7. —种固态成像装置，包括 第一浮置扩散区； 第一电荷转移单元；第一输出栅极，设置在第一浮置扩散区和第一电荷转移单元之间；第二浮置扩散区； 第二电荷转移单元；第二输出栅极，设置在第二浮置扩散区和第二电荷转移单元之 间；以及配线层，把第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此相连。
8. 根据权利要求7所述的固态成像装置，还包括与所述配线层相连的输出电路。
9. 根据权利要求8所述的固态成像装置，还包括复位漏极；以及被设置在第一浮置扩散区和所述复位漏极之间的复位栅极。
10. 根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，所述复位漏极和所述复位栅极分别是第一复位漏极和第一复位栅极，并且所述固态成 像装置还包括第二复位漏极以及被设置在第二浮置扩散区和第二复位 漏极之间的第二复位栅极。
全文摘要
一种固态成像装置，包括像素阵列，包括沿电荷转移方向布置的多个光接收元件，所述多个光接收元件把光信号转换为电信号；设置在所述像素阵列的每一侧上的第一电荷转移单元和第二电荷转移单元，用于把从像素阵列输入的信号电荷沿所述电荷转移方向进行转移；第一浮置扩散区，与第一电荷转移单元相连；第二浮置扩散区，与第二电荷转移单元相连；配线层，把第一浮置扩散区与第二浮置扩散区相连；以及连接至所述配线层的输出电路，输出根据第一浮置扩散区和第二浮置扩散区的电势的信号电压。
文档编号H04N1/028GK101202295SQ200710196479
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月5日 优先权日2006年12月12日
发明者上村圣 申请人:恩益禧电子股份有限公司