固体摄像元件及其制造方法

专利名称：固体摄像元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种固体摄像元件及其制造方法，详细而言，涉及一种为了拍摄破坏、
爆炸、燃烧等高速现象而能够进行最佳的高速动作的固体摄像元件及其制造方法。
背景技术：
以往开发了用于在短时间内连续对例如爆炸、破坏、燃烧、冲突、放电等高速现象 进行摄影的高速摄影装置(高速摄像机)(参照非专利文献1等)。在这样的高速摄影装置 中，甚至需要100万帧/秒左右以上的极高速摄影。因此，利用了与以往一般摄相机或数码 相机等中使用的摄像元件不同的、具有特殊结构的、能够进行高速动作的固体摄像元件。
作为这样的固体摄像元件，以往，利用了专利文献1等中记载的元件。这些元件被 称作像素周边记录型摄像元件(IS-CCD)。针对该摄像元件进行示意说明。S卩，在作为受光部 的每一个光电二极管上具备分别兼作记录张数(帧数)份的传送的蓄积用CCD，在摄影中， 依次向蓄积用CCD传送由光电二极管进行了光电变换后的像素信号。而且，摄影结束后，统 一读取存储在蓄积用CCD中的记录帧数份的像素信号，在摄像元件的外部再现记录帧数份 的图像。在摄影中，超过了记录帧数份的像素信号按形成时间从早到晚的顺序被废弃，从而 在蓄积用CCD中始终保存最新的规定帧数份的像素信号。因此，若在摄影结束时中止向蓄 积用CCD传送像素信号，则获得时间上比该时刻早记录帧数份的时间以后的最新的图像。
但是，在如上述的高速摄影中，为了得到一帧的像素信号而曝光光电二极管的时 间比一般的摄影短很多。例如，进行100万帧/秒的高速摄影时，一帧的图像的曝光时间是 IP s以下。因此，为了确保检测灵敏度，需要尽量增加向各像素中的光电二极管的光的入 射量，并且期望尽量增加光电二极管的受光面的尺寸。但是，光电二极管的受光面的尺寸越 大，则产生如下的不良情况。 图21是表示使用了一般的嵌入型光电二极管的像素结构的俯视图。构成为在光 电二极管PD的侧方配置浮动扩散区FD，设置在其间的传送晶体管TX导通时，光电荷从光电 二极管PD流入浮动扩散区FD并被蓄积。RG是用于重置浮动扩散区FD的晶体管。
但是，在这样的结构中，若光电二极管PD的受光面的尺寸较大，则不能忽略在光 电二极管PD中生成的光电荷到达浮动扩散区FD所需的时间， 一部分电荷不能在规定的短 的光电变换时间内到达浮动扩散区FD。因此，会降低光电荷的利用效率，即使增大光电二极 管PD的受光面的尺寸也不能提高对应量的检测灵敏度，因此成为像质劣化的最大的因素。
专利文献1 :特开2001-345441号公报 非专利文献1 :近藤等5名，"高速摄像机HyperVision HPV-1的开发"，岛津评论， 岛津评论编辑部，2005年9月30日发行，第62巻，第1、2号，p. 79-8
发明内容
本发明鉴于上述课题而形成，其主要目的在于提供一种即使为了高速摄影而获取 一帧图像的光电荷蓄积时间短的情况下，也能有效地利用光电二极管中生成的光电荷并能够改善检测灵敏度的固体摄像元件及其制造方法。 为了解决上述课题而构成的本发明的固体摄像元件是配置了多个像素的固体摄 像元件，其特征在于，各像素具备接受光而生成光电荷的光电二极管；形成在所述光电二 极管的受光面的中央部的浮动区域；和栅极配置成包围所述浮动区域的传送晶体管。
在该发明的固体摄像元件中，希望从所述受光面的周边部向中央部改变电势，以 使由所述光电二极管生成的光电荷集中到受光面的中央侧。 作为本发明的固体摄像元件的一个方式，能够构成为从所述光电二极管的受光面 的周边部向中央侧，使注入到基板中的杂质的浓度和/或深度以倾斜状变化。
另外，作为本发明的固体摄像元件的另一方式，能够构成为从所述光电二极管的 受光面的周边部向中央侧，使注入到基板中的杂质的浓度和/或深度以阶梯状变化。
实际上，例如通过离子注入等向层叠形成在半导体基板上的基体(例如p型阱) 导入杂质(例如，磷P、砷As、硼B等)时，使杂质的浓度和/或深度形成为阶梯状，之后进 行基于热等的退火处理时，杂质扩散从而杂质层的角度变圆，接近于倾斜状。因此，有时倾 斜状和阶梯状的差别并不明显。 另外，作为制造本发明的固体摄像元件的制造方法的一个方式，可通过使用多个 光掩模来改变杂质离子的注入深度，从而从光电二极管的受光面的周边部向中央改变电 势。 另外，作为制造本发明的固体摄像元件的制造方法的其它方式，可通过使用多个 光掩模来改变杂质离子的注入量，从而从光电二极管的受光面的周边部向中央改变电势。
(发明效果) 在本发明的固体摄像元件中，由于在光电二极管的受光面的大致中央处形成有浮 动扩散区等浮动区域，因此与在光电二极管的受光面的一个端部形成浮动区域时相比，能 够縮短从受光面的某一位置到浮动区域的最大距离。因此，能够縮短光电二极管中生成的 光电荷到达浮动区域所需的时间，即使光电荷蓄积时间有限或者增大了光电二极管的受光 面的尺寸，也能减少不能到达浮动区域而被废弃的即不能反映在光信号中的电荷的量。由 此，能够提高检测灵敏度或S/N。 另外，在从受光面的周边部向中央部改变电势的构成中，根据按照由杂质的浓度 或深度的不同而以倾斜状或阶梯状变化的方式形成的电势，从受光面的周边侧向中央侧促 进由光电二极管生成的光电荷的移动。因此，容易在传送晶体管的周围聚集光电荷，传送晶 体管为导通状态时，能够有效且迅速向浮动区域传送光电荷。由此，即使光电二极管的受光 面的尺寸大且光电荷蓄积时间短，也能有效地收集光电二极管中生成的光电荷并将其反映 在信号中。由此，能够提高检测灵敏度或S/N，并能够改善高速摄影的图像质量。


图1是表示本发明的一实施例的固体摄像元件的半导体芯片上的布局的示意俯 视图。 图2是在本实施例的固体摄像元件中表示像素区域内的一个像素的布局的示意 俯视图。 图3是表示本实施例的固体摄像元件的像素区域和存储区域的大致构成的俯视
4图。 图4是本实施例的固体摄像元件的半导体芯片的大致一半的主要部分的模块构 成图。 图5是本实施例的固体摄像元件的一个像素的电路构成图。 图6是在本实施例的固体摄像元件中表示一个像素的光电变换区域的布局的示 意俯视图。 图7是在本实施例的固体摄像元件中以光电变换区域为中心的主要部件的示意 纵剖视图。 图8是图6的A-A'向视线纵截面的示意电势图。 图9是在本实施例的固体摄像元件中对应于排列在垂直方向上的132个像素的一 个存储部单元的示意构成图。 图10是本实施例的固体摄像元件的一个存储部的电路构成图。 图11是在本实施例的固体摄像元件中表示用于使保持在各存储部中的信号通过
输出线来读取的示意构成的模块图。 图12是在本实施例的固体摄像元件中光电荷蓄积时间短时的动作模式的时序 图。 图13是图12所示的动作的各像素内的示意电势图。 图14是在本实施例的固体摄像元件中光电荷蓄积时间相对长时的动作模式的时 序图。 图15图14所示的动作的各像素内的示意电势图。 图16是在本实施例的固体摄像元件中依次读取像素信号时的动作时序图。
图17是本实施例的固体摄像元件的水平移位寄存器的主要部分的动作时序图。
图18是本实施例的固体摄像元件的垂直移位寄存器的主要部分的动作时序图。
图19是表示在本实施例的固体摄像元件中形成光电二极管时所使用的光掩模的 示意图。 图20是本发明的其它实施例的固体摄像元件的光电二极管的示意电势图。
图21是表示使用了一般的嵌入型光电二极管的像素构成的俯视图。
图中l-半导体基板；2、2a、2b-像素区域；10-像素；ll-光电变换区域；12-像素 电路区域；13-布线区域；14、141-像素输出线；15-驱动线；31-光电二极管；32-传送晶 体管；33、331、332-浮动扩散区(floating diffusion) ;333-金属布线；34-蓄积晶体管； 35-重置晶体管；36-蓄积电容；37、40-晶体管；38、41-选择晶体管；39-电流源；43-源极 跟随放大器；60-n型硅半导体基板；61-p型阱区域；62-n型半导体区域；63-p+型半导体区 域。
具体实施例方式
下面，参照

作为本发明的一实施例的固体摄像元件及其制造方法。
首先，说明本实施例的固体摄像元件的整体的构成和结构。图1是表示本实施例 的固体摄像元件的半导体芯片上的整体布局的示意俯视图，图3是表示本实施例的固体摄 像元件的像素区域和存储区域的大致构成的俯视图，图4是本实施例的固体摄像元件的半导体芯片的大致一半的主要部分的模块构成图。 如图1所示，在该固体摄像元件中，在半导体基板1上用于接受光来生成每个像素 的信号的像素区域2(2a、2b)和用于将所述信号保持规定帧数份的存储区域3a、3b未混在 一起而完全分离，并分别作为统一的区域来设置。在大致矩形状的像素区域2内，二维阵列 状地配置有N行、M列的共NXM个像素10，该像素区域2被分割成分别配置了 (N/2)XM个 像素10的第一像素区域2a、第二像素区域2b这两个区域。 在第一像素区域2a的下侧，隔着小面积的第一电流源区域6a而配置有第一存储 区域3a，在第二像素区域2b的上侧，同样隔着小面积的第二电流源区域6b而配置有第二 存储区域3b。第一和第二存储区域3a、3b中分别设有第一和第二垂直扫描电路区域4a、4b 以及第一和第二水平扫描电路区域5a、5b，其中以上两个扫描区域中分别设有用于控制从 存储区域3a、3b中读取信号的移位寄存器或译码器等电路。用于从各存储区域3a、3b向元 件的外部读取信号的输出线束SS01 SS64配置为上下各32组共计64组。
本实施例的固体摄像元件以将像素区域2的大致中央划分成上下两个的水平线 作为边界，构成为大致上下对称的结构。由于该上半部分和下半部分的结构或动作相同，因 此在以下的说明中，主要描述下方的第l像素区域2a、第一存储区域3a、第一垂直扫描电路 区域4a、第一水平扫描电路区域5a的结构以及动作。 像素数即上述N、M值可以分别任意地决定，这些值越大，则图像的分辨率就越大， 但是，另一方面会导致整体的芯片面积变大或者每一个像素的芯片面积变小。在该例中，设 N = 264、 M = 320。因此，如图3、图4所示，分别配置在第一、第二像素区域2a、2b中的像 素数是在水平方向上320像素、在垂直方向上132像素的共计42240像素。
图2是表示像素区域2(2a、2b)中的一个像素10的布局的示意俯视图。 一个像素 10所占的区域是大致正方形，其内部大致区分成三个区域，S卩，光电变换区域11、像素电路 区域12以及布线区域13。在布线区域13中，(N/2) + a根像素输出线14按照沿纵向方向 延伸的方式集中配置。这里，a可以是0，此时，在本例中通过一个布线区域13的像素输出 线的根数是132根。但是，一般形成多个这样平行延伸的布线(例如，A1等金属布线)时， 两端布线的宽度或寄生电容很容易就会变得不同。因此，实际上，夹持使信号通过的132根 像素输出线在两端各设置一根虚拟布线。此时，a =2，通过一个布线区域13的布线的根 数是134根。 图5是图2所示的一个像素10的电路构成图。各像素10包括接受光而生成光 电荷的光电二极管31、靠近光电二极管31而设置的用于传送光电荷的传送晶体管32、通过 传送晶体管32与光电二极管31连接且暂时蓄积光电荷并将其变换为电压信号的浮动扩散 区33、用于蓄积进行光电荷的蓄积动作时从光电二极管31经过传送晶体管32后溢出的即 溢出电荷的蓄积晶体管34以及蓄积电容36、用于排出蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36 中的电荷的重置晶体管35、用于将蓄积在浮动扩散区33中的电荷或蓄积在浮动扩散区33 和蓄积电容36两者中的电荷作为电压信号进行输出的由被串联连接的两个PMOS型晶体管 37、38和同样被串联连接的两个NMOS型晶体管40、41这两级构成的源极跟随放大器(相当 于本发明的缓冲元件)43、用于向源极跟随放大器43的前一级的两个晶体管37、38提供电 流的恒流晶体管等构成的电流源39。 在传送晶体管32、蓄积晶体管34、重置晶体管35以及源极跟随放大器43的选择
6晶体管38、41的栅极端子上分别连接用于提供由小T、小C、小R、小X构成的控制信号的驱 动线15。如图4所示，这些驱动线在像素区域2内的所有像素中共用。由此，能够在所有的 像素中同时进行驱动。 源极跟随放大器43的第二级的选择晶体管41的输出42，与配置在上述的布线区 域13中的132根像素输出线14中的一根(在图5中用符号141表示的像素输出线)连接。 在每一个各像素10中各设置1根该像素输出线141，即，针对各像素10独立地设置。因此， 在该固体摄像元件中，设有与像素数相同的像素输出线，即84480根像素输出线。
源极跟随放大器43具有作为以高速驱动像素输出线141的电流缓冲器的功能。如 图4所示，由于各像素输出线141从像素区域2a延伸到存储区域3a，因此会成为某种程度 的大的容性负载，为了以高速对该像素输出线141进行驱动，需要能够使大电流流过的大 尺寸的晶体管。但是，为了提高各像素10的光电变换增益，用于将光电荷变换为电压的浮 动扩散区33的电容越小越好。由于连接在浮动扩散区33的晶体管的栅极端子的寄生电容 会使浮动扩散区33的电容有效增加，因此由于上述原因，期望该晶体管37是栅极输入电容 小的小型晶体管。所以，为了满足输出侧中的大电流的提供和输入侧中的低电容，这里，将 源极跟随放大器43设置成两级构成，通过使前一级的晶体管37为小型晶体管来抑制输入 栅极电容，后一级的晶体管40、41使用大的晶体管来确保大的输出电流。
另外，在源极跟随放大器43中，从进行基本动作的这点来看，也可不设置前一级 的选择晶体管38，但是，通过在后一级的选择晶体管41为截止状态时同时使选择晶体管38 也处于截止状态来不让电流从电流源39流向晶体管37，从而能够抑制对应量的电流消耗。
图6是表示一个像素10的光电变换区域11的布局的示意俯视图，图7是以光电 变换区域11为中心的主要部件的示意纵剖视图，图8是图6的A-A'向视线纵截面的示意 电势图。 俯视下具有大致矩形状的受光面的光电二极管31是嵌入型光电二极管结构。由 于在高速摄影中曝光时间极其短，因此为了确保适当的曝光，需要尽量使各像素10的光电 二极管的受光面的面积大，并且需要尽量增加入射(受光)的光量。但是，一般，扩大光电 二极管的受光面的面积时，特别是在其周边侧所生成的光电荷到达浮动扩散区的所需时间 成为问题，在高速摄影的短短一个周期期间不能被传送的光电荷会被浪费，或者会成为引 起残像现象的原因。因此，在本实施例的固体摄像元件中，通过采用如下的特殊结构来提高 电荷传送的速度。 通常，如上所述，浮动扩散区被配置在光电二极管的侧方，如图6所示，在该固体 摄像元件中，光电二极管31的大致中央部形成有小面积的浮动扩散区331，按照包围该浮 动扩散区331的方式环状地设有传送晶体管32的栅极。如图7所示，例如，在n型硅半导 体基板(n-sub)60上形成规定厚度的p型阱(piell)区域61，并在p型阱区域61中形成 n型半导体区域62。在该n型半导体区域62的表层上形成p+型半导体区域63，根据该pn 结，构成嵌入型的光电二极管31。 光电二极管31的中央处形成有n型半导体区域62，其内侧，在p型阱区域61的表 层上形成有n+型半导体区域，其构成浮动扩散区域331。在作为该n+型半导体区域的浮 动扩散区域331和周围的n型半导体区域62之间，隔着表层的绝缘膜，形成由多晶硅等构 成的环状的栅极电极，并构成传送晶体管32。这样，通过在光电二极管31的中央处配置浮动扩散区331，与在相邻于光电二极管的任一端部而配置浮动扩散区时相比，从光电二极管 31的周边部到浮动扩散区331的光电荷的最大移动距离能縮短至1/2左右。由此，无论是 在光电二极管31的周边部的哪一个位置处产生的光电荷，都能縮短其到达浮动扩散区331 的时间，即使分配给光电荷的蓄积动作的时间短，也能减少不能到达浮动扩散区31的光电 荷。 另外，形成p+型半导体区域63、n型半导体区域62或p型阱区域61时，如图19 所示，使用遮蔽区域71和通过区域72的位置不同的多个光掩模70a 70d，使杂质的注入 (dope)量(或注入深度)按多个阶段变化。而且，通过实施退火处理来使注入的杂质适当 地进行扩散，使得杂质的掺入量(或注入深度)从光电二极管31的周边部向中央(即浮动 扩散区331)缓慢增加。因此，向光电二极管31的pn结施加适当的偏压时，如图8(a)所示， 形成从光电二极管31的周边部向中央侧向下倾斜的电势梯度。 该电势梯度的大小可以根据如下方式决定。即，针对光电荷在光电二极管31之中 移动时的允许时间t、最大移动距离W、电荷的移动度P 、电势梯度，针对在光电二极管31中 生成的平均的内部电场E，使t《W/(y *E)成立。根据该形成的即由工序上的方法形成的 电势梯度，由受光而在光电二极管31中生成的光电荷越在其周边部生成的电荷越被较大 程度地加速，从而向中央侧前进。 此时，若传送晶体管32为截止状态，则如图8 (a)所示，形成在传送晶体管32的环 状栅极电极正下方的势垒的周围汇集光电荷，若传送晶体管32被导通，则如图8(b)所示， 汇集的光电荷会立刻通过传送晶体管32落入浮动扩散区331中。另一方面，光正在入射的 期间，传送晶体管32维持导通状态时，沿着电势梯度集中在中央处的光电荷直接通过传送 晶体管32落入浮动扩散区331中。在何种情况下都能够以高的概率且迅速向浮动扩散区 331传送光电二极管31中生成的光电荷。 在光电二极管31的中央部设置浮动扩散区331来得到了如上述的很大的优点。 但是，与该浮动扩散区331靠近地配置蓄积溢出的光电荷的蓄积电容36等时，会产生数值 孔径降低的问题。因此，这里，在像素电路区域12中，作为n+半导体区域形成与上述那样 直接使光电荷流入的浮动扩散区(以下称作第一浮动扩散区)331不同的第二浮动扩散区 332，并且通过利用铝(Al)等金属布线333来连接第一浮动扩散区331与第二浮动扩散区 332之间，使两者变成等电位。即，这里，第一浮动扩散区331和第二浮动扩散区332构成一 体，起到作为将电荷信号变换为电压信号的检测节点的浮动扩散区33的作用。
另外，在这里使光电二极管31的电势构成为倾斜状，但是例如如图20所示，也可 以使电势形成为阶梯状。此时，光电二极管31中产生的光电荷在交替地反复进行漂移和扩 散的同时向中央侧前进。由此，能够有效地使光电荷流入浮动扩散区331中。
下面，详细说明第一和第二存储区域3a、3b的内部构成。如图4所示，第一和第二 存储区域3a、3b内，沿着分别与像素区域2a、2b内的排列在垂直方向上的132个像素10连 接的132根像素输出线14的延伸方向，配置有蓄积帧数L份的存储部单元20。在该例中， 蓄积帧数L即连续摄影帧数是104，在垂直方向上排列有104个存储部单元20，而且其在水 平方向上排列有320个。因此，在第一存储区域3a中排列有104X320个=33280个存储 部单元20。在第二存储区域3b中也排列有同样数量的存储部单元20。
图9是表示1个存储部单元20的内部构成的示意图。 一个存储部单元20内排列有水平方向上的11个、垂直方向上的12个共计132个存储部22，各存储部22分别与不同 的一根像素输出线141连接。通过像素输出线141，各存储部22分别与像素区域2a内的像 素10 —一对应，一个存储部单元20内的132个存储部22中分别保持有像素区域2a内的 垂直方向的132个像素10的输出信号。因此，在图4中，排列在水平方向的一行上的320 个存储部单元20(在图4中，用符号21表示的存储部单元行)中保持有由132X320像素 (pixel)构成的1帧的下半部分的像素信号，在图3所示的上侧的第二存储区域3b中也相 同，排列在水平方向的一行上的320个存储部单元中保持有由320X 132像素构成的1帧的 上半部分的像素信号，两者构成一帧的图像。通过在垂直方向上排列104个存储部单元行 21，能够保持104帧份的像素信号。 如图9所示，在各存储部单元20中，132个存储部22的所有的输出都被连接在一 起构成一根信号输出线23。而且，如图4所示，排列在水平方向上的存储部单元20其相邻 的每10个构成一组，水平方向上具有32组存储部单元20的组，每一组的IO个存储部单元 20的信号输出线23被连接在一起形成一根。另外，排列在垂直方向上的104个存储部单 元20的信号输出线23也被连接在一起形成一根。因此，在存储区域3a中，对于水平方向 上10个、垂直方向上104个共计1040个存储部单元20以及包含在各存储部单元20中的 存储部22的数量来说，137280个存储部22的输出被连接在一起构成一根输出线23。在图 3中，用符号50表示了具有同一输出线23的存储部单元20的块，即存储部单元模块。根据 上述构成，来自第一存储区域3a的信号输出线23的个数是32根，从第二存储区域3b也抽 出同样的信号输出线。用SS01 SS64表示通过这些信号输出线上的信号。
图10是表示一个存储部22的电路构成的图。由与一根像素输出线141连接的 采样晶体管26 (26a 26d)、通过采样晶体管26与像素输出线141连接的电容25 (25a 25d)、用于读取保持在电容25中的模拟电压信号的读取晶体管27(27a 27d)构成作为最 小存储单位的存储元件24 (24a 24d)。 一个存储部22由四个存储元件24a 24d形成一 组而构成。因此，在一个存储部22中能够保持从同一个像素输出的四个不同的模拟电压信 号。由于通过四个读取晶体管27a 27d的信号输出线23a、23b、23c、23d分别被独立地设 置，因此实际上具有四根如图9所示的信号输出线23。 这是因为，为了进行如后述的动态范围扩大处理，需要独立地保持对应于溢出前 的电荷的信号、对应于溢出后的电荷的信号、包含在对应于溢出前的电荷的信号中的噪声 信号、包含在对应于溢出后的电荷的信号中的噪声信号这四个模拟电压信号。但是，并不一 定要拘泥于这样的目的，也能以其它动作方式利用各存储元件24a 24d。例如，若不利用 各像素10的蓄积晶体管36，则无需考虑溢出后的信号或包含在溢出后的信号中所包含的 噪声信号，能够利用存储元件24来增加这部分的连续摄影的帧数。由此，能够进行两倍的 208帧的连续摄影。另外，若也不进行噪声去除，则能够进行进一步的两倍的416帧的连续 摄影° 与各像素10内的蓄积电容36相同，例如能够由双多晶硅栅极结构或层叠(stack) 结构形成电容25a 25d。进行利用了CCD结构的电荷保持时，存在因热激励等引起暗电荷 而导致的伪信号被附加在光信号中的问题，但是，使用双多晶硅栅极结构或层叠结构的电 容25a 25d时，不会产生这样的暗电荷，因此不会附加伪信号，能够提高读取到外部的信 号的S/N。
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图11是表示用于使保持在存储区域3a内的各存储部中的信号通过如上述的信 号输出线23来读取的示意构成的模块图。配置成二维阵列状的存储部单元20(20-01 20-10)的垂直方向的每一列上配置有水平移位寄存器HSR1 HSR320，水平方向的每一行 上配置有垂直移位寄存器VSR1 VSR104。进行依次读取时，根据水平移位寄存器HSR1 HSR320和垂直移位寄存器VSR1 VSR104的组合选择存储部单元20，在被选择的存储部单 元20中按顺序选择存储部22来读取像素信号。 接着，说明使用本实施例的固体摄像元件来进行高速摄影时的动作。首先，根据图 12 图15说明各像素10中的光电变换动作和将根据此而生成的信号保存在一个存储部 22中的动作。 在本实施例的固体摄像元件中，光电荷蓄积时间短时和光电荷蓄积时间相对长时 能够选择不同的两个动作模式。作为目标，前者是光电荷蓄积时间为10i! s至100i! s程度 以下的、能够忽略传送晶体管32中产生的暗电荷量的情况，进行IOO万帧/秒以上的高速 摄影时，优选采用该动作模式。
(A)光电荷蓄积时间短时的动作模式 图12是光电荷蓄积时间短时的动作模式的驱动时序图，图13是该动作中的各像 素10内的示意电势图。另外，在图13(后述的图15也相同)中(^、(^、(^分别表示光电 二极管31、浮动扩散区33、蓄积电容36的容量，CFD+CCS表示浮动扩散区33与蓄积电容36 的合成容量。 此时，将提供给各像素10的共同的控制信号小X设为高电平，使源极跟随放大器 43内的选择晶体管38、41均维持导通状态。而且，在进行光电荷蓄积之前，将同样作为共同 的控制信号的小T、小C、小R设为高电平，使传送晶体管32、蓄积晶体管34以及重置晶体管 35均导通(时刻tO)。由此，重置(初始化)浮动扩散区33和蓄积电容36。另外，此时，光 电二极管31处于完全被耗尽的状态。此时的电势状态如图13(a)所示。
之后，使小R置于低电平来使重置晶体管35截止时，浮动扩散区33中产生噪声信 号N2，该噪声信号N2等效于包括在该浮动扩散区33和蓄积电容36中产生的随机噪声、源 极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声(参照图13(b))，并 且对应于该噪声信号N2的输出电流会流向像素输出线141。所以，通过在该定时(时刻tl) 向存储部22赋予采样脉冲小N2来使采样晶体管26d导通，从而获取通过像素输出线141 输出的噪声信号N2并将其保持在电容25d中。 之后，使小C处于低电平来使蓄积晶体管34截止时，根据浮动扩散区33和蓄积电 容36的各自的电容CFD、 Ccs之比，分配该时刻蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的信 号电荷(参照图13(c))。此时，浮动扩散区33中产生噪声信号Nl，该噪声信号Nl等效于 包括使小C截止时所产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差 引起的固定模式噪声，并且对应于该噪声信号N1的输出电流会流向像素输出线141。所以， 通过在该定时(时刻t2)向存储部22赋予采样脉冲小N1来使采样晶体管26c导通，从而 获取通过像素输出线141输出的噪声信号Nl并将其保持在电容25c中。
由于传送晶体管32维持导通状态，因此通过入射到光电二极管31的光而产生的 光电荷通过传送晶体管32(图8(b)所示的状态)流入浮动扩散区33中，与之前的噪声信 号Nl叠加并被蓄积在浮动扩散区33中(时刻t3)。假设入射强光而在光电二极管31中产生了大量的光电荷，并且浮动扩散区33已饱和，则溢出的电荷通过蓄积晶体管34被蓄积在 蓄积电容36中(参照图13(d))。通过将蓄积晶体管34的阈值电压适当设定得较低，能够 从浮动扩散区33向蓄积电容36有效地传送电荷。由此，即使浮动扩散区33的电容CFD较 小而能够蓄积的最大饱和电荷较少，也能将饱和的电荷无废弃地有效进行利用。这样，浮动 扩散区33中的电荷饱和(溢出)前和电荷饱和(溢出)后的任意情况下所产生的电荷都 能被作为输出信号而加以利用。 若经过了规定的光电荷蓄积时间，则在使蓄积晶体管34截止的状态下通过向存 储部22赋予采样脉冲小Sl来使采样晶体管26a导通，从而在该时刻(时刻t4)使对应于蓄 积在浮动扩散区33中的电荷的信号通过像素输出线141输出，将其保持在电容25a中(参 照图13(e))。此时，由于蓄积在浮动扩散区33中的信号是在噪声信号Nl上叠加了对应于 溢出前的电荷的信号Sl的信号，因此保持在电容25a中的是不反映蓄积在蓄积电容36中 的电荷量的S1+N1。 紧接着，使小C处于高电平来使蓄积晶体管34导通时，在该时刻保持在浮动扩散 区33中的电荷和保持在蓄积电容36中的电荷被混合(参照图13(f))。在该状态下，通过 向存储部22赋予采样脉冲小S2来使采样晶体管26b导通(时刻t5)，从而使对应于蓄积在 浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷的信号，即在噪声信号N2上叠加了溢出后的信号S2 的信号通过像素输出线141输出，并将其保持在电容25b中。因此，保持在电容25b中的是 反映了蓄积在蓄积电容36中的电荷量的S2+N2。 如上所述，在包括在一个存储部22中的四个电容25a、25b、25c、25d中分别保持信 号S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此结束一个周期的图像信号的获取。如上所述，包括随机噪声和 固定模式噪声的噪声信号Nl、 N2和包括这些噪声信号的信号是分别求出的。因此，通过从 电容25a、25b、25c、25d读取各个信号之后对其进行减法运算处理，能够获得去除了噪声信 号N1、N2的影响的高S/N的图像信号。另外，由于从浮动扩散区33溢出的电荷都能无废弃 地加以利用，因此即使在强光入射的情况下也不易引起饱和，能够获得反映了该光的信号， 并且能够确保大的动态范围。另外，关于能够扩大这样的动态范围的详细说明例如在特开 2006-245522号公报等文献中有记载，因此在这里省略其说明。
(B)光电荷蓄积时间相对长时的动作模式 下面，说明光电荷蓄积时间相对长时的动作。图14是光电荷蓄积时间相对长时的 驱动时序图，图15是该动作的各像素内的示意电势图。 与光电荷蓄积时间短时的最大的不同点是在光电荷蓄积期间，使传送晶体管32 截止并将在光电二极管31中产生的光电荷蓄积在耗尽层中；光电荷蓄积期间使传送晶体 管32截止；通过在光电荷蓄积期间的最后进行噪声信号Nl的采样，使浮动扩散区33中产 生的暗电荷(和光电荷)不包括在S1信号中等。使传送晶体管32截止是因为为了使其栅 极正下方的硅_绝缘膜界面处于蓄电状态，从而使硅表面被空穴填充并防止来自硅_绝缘 膜界面的暗电荷的入侵。而且，由于光电荷蓄积时间长，因此为了抑制耗电而使源极跟随放 大器43的选择晶体管38、41截止规定时间。 进行光电荷蓄积之前，使小T、小C、小R处于高电平，使传送晶体管32、蓄积晶体管 34以及重置晶体管35均导通(时刻t10)。由此，对浮动扩散区33和蓄积电容36进行重 置(初始化)。另外，此时，光电二极管 处于完全被耗尽的状态。此时的电势的状态如图15(a)所示。 之后，使小R处于低电平来使重置晶体管35截止时，在浮动扩散区33中产生噪声 信号N2，该噪声信号N2等效于包括在该浮动扩散区33和蓄积电容36中产生的随机噪声、 源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声(参照图15(b))， 并且对应于该噪声信号N2的输出电流流向像素输出线141。所以，通过在该定时(时刻 tll)向存储部22赋予采样脉冲小N2来使采样晶体管26d导通，从而在电容25d中保持通 过像素输出线141输出的噪声信号N2。到此为止的动作与上述的光电荷蓄积时间短时的动 作模式相同。 之后，使小C处于低电平来使蓄积晶体管34截止时，根据浮动扩散区33和蓄积电 容36的各自的电容CFD、 Ccs之比，分配该时刻蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电 荷。而且，使小T处于低电平来使传送晶体管32截止，使小X也处于低电平来使源极跟随 放大器43的两个选择晶体管38、41也截止(时刻t12)。由此，在光电二极管31和浮动扩 散区33之间形成势垒，构成能够蓄积光电二极管31中的光电荷的状态(参照图15(c))。
通过入射到光电二极管31中的光而产生的光电荷被蓄积在光电二极管31的电容 CPD中，但是若在光电二极管31中产生饱和，则饱和量以上的过剩的电荷会通过传送晶体管 32叠加在如上述那样根据电容比分配的噪声信号上，并被蓄积在浮动扩散区33中。而且， 入射强光而使浮动扩散区33饱和时，电荷通过蓄积晶体管34被蓄积在蓄积晶体管36中 (参照图15(d))。 通过将蓄积晶体管34的阈值电压适当设定得比传送晶体管32的阈值电压还低， 能够将在浮动扩散区33中饱和的电荷有效地传送给蓄积电容36，而无需使其回到光电二 极管31侧。由此，即使浮动扩散区33的电容CFD小而能够蓄积的电荷量少，也能无废弃地 有效地利用溢出的电荷。这样，浮动扩散区33中的溢出前和溢出后的任意情况下所产生的 电荷都能作为输出信号来加以利用。 若经过了规定的光电荷蓄积时间，则使小X处于高电平来使选择晶体管38、41导 通之后，向存储部22赋予采样脉冲小N1来使采样晶体管26c导通，从而使对应于在该时刻 (时刻t13)蓄积在浮动扩散区33中的信号电荷的噪声信号Nl通过像素输出线141而输 出，并将其保持在电容25c中。此时的噪声信号N1中包含有因源极跟随放大器43的晶体 管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声。 之后，使小T处于高电平来使传送晶体管32导通，将蓄积在光电二极管31中的光 电荷完全传送给浮动扩散区33 (参照图15(e))。紧接着(时刻tl4)，通过向存储部22赋 予采样脉冲小S1来使采样晶体管26a导通，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33中的电荷 的信号通过像素输出线141输出，并将其保持在电容25a中。此时的信号是基于在之前的 噪声信号N1上叠加了蓄积在光电二极管31中的电荷的信号，即叠加了溢出前的信号S1的 信号，因此是S1+N1。 之后，使小C处于高电平来使蓄积晶体管34导通时，在该时刻保持在浮动扩散区 33中的电荷和保持在蓄积电容36中的电荷被混合(参照图15 (f))。在该状态(时刻115) 下，通过向存储部22赋予采样脉冲小S2来使采样晶体管26b导通，从而使对应于蓄积在浮 动扩散区33以及蓄积电容36中的电荷的信号通过像素输出线141输出，并将其保持在电 容25b中。此时的信号是S2+N2。
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如以上所述，在一个存储部22中包含的四个电容25a、25b、25c、25d中分别保持信 号S1+N1、 S2+N2、 Nl、 N2，以此结束一个周期的图像信号的获取。与光电荷蓄积时间短时的 动作模式同样，分别求出包括随机噪声和固定模式噪声的噪声信号Nl、 N2和包括这些噪声 信号的信号。因此，从电容25a、25b、25c、25d读取各个信号之后，通过进行减法运算处理， 能够获得去除了噪声信号Nl、 N2的影响的高S/N的像素信号。另外，由于也能无废弃地利 用从浮动扩散区33溢出的电荷，因此即使在强光入射下也不易引起饱和，并且能够获得反 映了该光的信号，并能确保大的动态范围。 如上所述，由于提供给各像素10的控制信号小X、小T、小R、小C相同，因此能在所 有的像素10中同时进行如上述的光电荷蓄积动作以及从各像素10向存储部22的信号的 传送动作。即，在上述一个周期中，一帧份的图像信号被保持在图3中的排列在存储区域3a 的水平方向上的320个存储部单元20内的存储部22中。通过反复进行104次该动作，在 所有的存储部单元20内的存储部22中保持像素信号。第105次以后，按照再次向最上面 的存储部单元20中写入像素信号的方式循环执行保持动作。例如，直到从外部赋予摄影停 止的指示信号为止，反复进行这样的动作。赋予摄影停止的指示信号来中止摄影时，那个时 刻在存储区域3a、3b中保持最新的104帧份的像素信号。 另外，在各存储部22中，如上所述，在已保持有一些信号的电容25中保持新的信 号时，为了废弃此前的信号而需要执行重置。因此，虽然未图示，但是，各像素输出线141上 分别连接有重置用的晶体管，重置某一个存储部22的电容25时，使该存储部22的采样晶 体管26导通并且使与对应的像素输出线141连接的重置用晶体管导通，蓄积在电容25上 的信号通过采样晶体管26、像素输出线141被重置。执行这样的重置后，在电容25中保持 新的信号。 保持在各存储部22的电容25中的信号依次使连接在同一个信号输出线23上的 读取晶体管27导通，从而进行读取。由于同一个存储部22的四个读取晶体管27a 27d 分别与不同的信号输出线23a 23d连接，因此能够同时读取分别保持在同一个存储部22 内的四个电容25a 25d中的信号。而且，通过由未图示的减法运算电路进行(S1+N1)-N1、 (S2+N2)-N2的减法运算处理，能够分别获取去除了随机噪声和固定模式噪声的Sl信号、S2 信号。另外，作为像素信号采用S1、S2的哪一个是按照以下方法进行的以Sl的饱和信号 量以下的适当的信号电平为基准(阈值)，根据在阈值以上还是小于阈值来分别选择S1、 S2。由于在饱和信号量以下实施这样的切换，能够避免信号S1的饱和偏差的影响。
下面，根据图16 图18说明从存储区域3a、3b依次读取信号的动作。图16是从 存储区域3a、3b依次读取信号时的动作时序图，图17是水平移位寄存器HSR的主要部分的 动作时序图，图18是垂直移位寄存器VSR的主要部分的动作时序图。 作为一个事例，在图11所示的第一帧的320个存储部单元20中说明左端侧的存 储部单元模块50的读取顺序。首先，在左端的存储部单元20-01中，从左向右按顺序读取 11像素份的图9所示的水平方向的第一行的存储部22的像素信号。通过激活水平移位寄 存器HSR1和垂直移位寄存器VSR1来选择该存储部单元20-01，并根据水平方向的读取时钟 H-CLK移动从水平方向的左到右方向逐个使存储部22的读取晶体管27导通的脉冲信号。 该脉冲信号的一例是图17所示的yl、 y2、 y3。这样结束一行份的读取时，赋予向垂直方向 进行读取的时钟V-CLK，由此向接下来的第二行的存储部22转移，同样从左向右进行移动并读取ll像素份。根据该反复动作，一直到第十二行的结束为止进行像素信号的读取。激 活该垂直方向的各行的读取晶体管27的信号的一例是图18所示的vl、v2、v3。
之后，这次通过激活水平移位寄存器HSR2和垂直移位寄存器VSR1，选择右边相邻 的存储部单元20-02，如图16所示，读取对象向该存储部单元20-02转移。这样，与上述同样 地，通过按行一列的顺序逐个像素使各存储部22的读取晶体管27导通，从而读取信号。这 样，按顺序将存储部单元20的选择进行到存储部单元20-10，在结束所述存储部单元20-10 的第十二行的存储部22的读取时，完成一帧份的读取。在其它存储部单元模块50中也与 上述动作并行地执行从对应的存储部单元的存储部的信号的读取。 如上所述，结束第一帧的所有像素信号的读取后，接着开始第二帧的像素信号的 读取。即，由于通过激活水平移位寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR2来选择图ll所示的 第二行的存储部单元中的左端的存储部，因此按照与第一帧相同的顺序执行读取，并通过 反复进行该动作来完成104帧为止的读取。但是，这样的读取顺序并不仅限于此，能够进行 适当的变更。 如上所述，在上述实施例的固体摄像元件中，能够在为了增加受光量而增大光电 二极管31的尺寸的同时，将光电荷迅速且以高效率传送给浮动扩散区33。因此，即使如高 速的连续摄影那样每帧的曝光时间短的情况下，也能提高检测灵敏度或S/N，并能够改善图 像质量。 另外，上述实施例是本发明所涉及的固体摄像元件及其制造方法的一例，显然，在 本发明的宗旨范围内即使进行适当变形或修正、追加也会包括在本申请的保护范围中。
权利要求
一种固体摄像元件，配置有多个像素，其特征在于，各像素具备接受光而生成光电荷的光电二极管；形成在所述光电二极管的受光面的中央部的浮动区域；和栅极配置成包围所述浮动区域的传送晶体管。
2. 根据权利要求l所述的固体摄像元件，其特征在于，从所述受光面的周边部向中央部改变电势，以使由所述光电二极管生成的光电荷集中 到受光面的中央侧。
3. 根据权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，从所述光电二极管的受光面的周边部向中央侧，使注入到基板中的杂质的浓度和/或 深度以倾斜状变化。
4. 根据权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，从所述光电二极管的受光面的周边部向中央侧，使注入到基板中的杂质的浓度和/或 深度以倾斜状变化。
5. —种固体摄像元件的制造方法，用于制造权利要求2 4的任一项所述的固体摄像 元件，其特征在于，通过使用多个光掩模来改变杂质离子的注入深度，从而从光电二极管的受光面的周边 部向中央改变电势。
6. —种固体摄像元件的制造方法，用于制造权利要求2 4的任一项所述的固体摄像 元件，其特征在于，通过使用多个光掩模来改变杂质离子的注入量，从而从光电二极管的受光面的周边部 向中央改变电势。
全文摘要
本发明提供一种固体摄像元件及其制造方法，在嵌入型光电二极管(31)的受光面的大致中央处形成浮动扩散区(331)，按照包围该浮动扩散区(331)的方式配置传送晶体管(32)的栅极电极。通过使光电二极管(31)的p+型半导体区域、n型半导体区域或p型阱区域的杂质浓度(或深度)从周边部向中央以倾斜状变化，向pn结施加适当的偏压时，形成从周边向中央向下倾斜的电势梯度。通过受光而产生的光电荷随着电势梯度而迅速汇集在中央处。另外，由于从光电二极管(31)的周边到浮动扩散区(331)的最大移动距离也短，因此即使光电荷蓄积时间短也能有效地收集光电荷。因此，通过有效利用在光电二极管(31)中产生的光电荷来提高检测灵敏度。
文档编号H04N5/335GK101796643SQ20088010561
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月4日 优先权日2007年9月5日
发明者富永秀树, 近藤泰志, 须川成利 申请人:国立大学法人东北大学;株式会社岛津制作所