专利名称：固态图象传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态图象传感器以及使用相同装置的一种图象检出系统，尤其涉及这样一种固态图象传感器它具有多个按照行和列的方向排成阵列的光电转换部件；一个电荷转移装置，用于转移在该光电转换部件中产生的诸信号电荷；以及一个放大装置，用于放大与该电荷转移装置所转移的信号电荷相对应的一个信号，并输出该信号。
有许多种传统的固态图象传感器(或检出装置)，它们使用光电二极管作为光电转换部件，并使用一个FET或CCD来移动存储在该光电二极管中的光载流子。这些固态图象传感器被用于各种设备，例如太阳能电池、图象照相机、复印机和传真设备，并用于改进这些设备的转换效率和集成密度。
一种FET移动方案的装置被称为MOS固态图象传感器。例如，在日本的09-46596号延迟公开专利申请中就公开了一种称为CMOS传感器的固态图象传感器。以下简要描述该安排方案。
附
图1是一张示意图，显示了与日本的09-46596号延迟公开专利申请的附图8所披露的一种CMOS传感器中的一个像素相对应的一种像素安排方案。
如附图1所示，一个像素具有一个光电二极管PD；一个转移开关MS11，用于转移来自该光电二极管PD的诸信号电荷；一个放大装置MS14，用于放大该转移信号，并输出该信号；一个选择开关MS13，用于选择该像素；以及一个复位开关MS12，用于清除残余的诸信号电荷，并将其复位为一个电位VR。信号φTX、ΦRES、φSEL分别用于控制该转移开关MS11、复位开关MS12和选择开关MS13。
对于上述的固态图象传感器，并没有披露一个像素的各部件(转移开关、放大装置、选择开关和复位开关)的优化布局。根据本发明的发明人的研究，在像素部件或互连的某些安排下，来自信号φRES或φSEL的互调失真会引起一个问题，即由于互连导致填充因数降低，或者由于互连的存在，使得电容量增大，导致灵敏度降低。
本发明的目的在于提供一种围绕一个光电转换部件的各部件的优化布局。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种固态图象传感器，它包含光电转换部件；电荷转移装置，用于转移在该光电转换部件中产生的诸信号电荷；以及放大装置，用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号，并输出该信号；其中，一组光电转换部件、一组电荷转移装置和一组放大装置是以行或/和列的方向排列的，并且，彼此间很靠近的该电荷转移装置和该放大装置被互相连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种固态图象传感器，其中，一组光电转换部件按照行和列的方向排列，与该光电转换部件相对应，用于转移在该光电转换部件中所产生的诸信号电荷的电荷转移装置也是按照行和列的方向排列的，用于复位该电荷转换装置或者用于同时复位该电荷转移装置以及对应于该电荷转移装置的诸光电转换部件的复位装置被安排在该电荷转移装置的一个阵列方向的一侧，用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号的放大装置被安排在该电荷转移装置的该阵列方向的另一侧。
仍然根据本发明的另一个方面，提供了一种固态图象传感器，其中，一组光电转换部件按照行和列的方向排列；用于转移在该光电转换部件中产生的诸信号电荷的电荷转移装置，以及用于复位该电荷转移装置或者用于同时复位该电荷转移装置以及诸光电转换部件的复位装置被安排在环绕诸光电转换部件的一个行和列的方向上，用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号并输出该信号的所述放大装置被安排在另外一个方向上，这个方向不同于所述电荷转移装置以及所述复位装置环绕着它而被安排的那个方向，或者将所述放大装置安排在沿着一根对角线的方向环绕另一个光电转换部件的另一个方向上，其中，所述放大装置被安排在最靠近所述的一个光电转换部件的一侧。
仍然根据本发明的另一个方面，提供了一种包含一个固态图象传感器的图象检出系统，包括光电转换部件；电荷转移装置，用于转移在该光电转换部件中产生的诸信号电荷；以及放大装置，用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号，并输出该信号；其中，一组光电转换部件、一组电荷转移装置和一组放大装置是以行或/和列的方向排列的，并且彼此间很靠近的该电荷转移装置和该放大装置被互相连接；以及一个信号处理电路，用于处理从该固态图象传感器输出的信号。
根据上述安排方案，可以得到较高的的填充因数和较高的灵敏度。
本发明的其它目的、特点和优点在以下的说明和附图中是显而易见的。
附图1显示了一个固态图象传感器的一个像素；附图2显示了一个固态图象传感器的示意性布局；附图3显示了一个固态图象传感器的另一个示意性布局；附图4显示了根据第一个实施例的一个固态图象传感器的示意性布局；附图5显示了根据第一个实施例的该固态图象传感器的一个特定布局；附图6显示了根据第一个实施例的该固态图象传感器的该特定布局；附图7显示了根据第二个实施例的一个固态图象传感器的示意性布局；附图8显示了根据第二个实施例的该固态图象传感器的该示意性布局的一个修改方案；附图9显示了根据第二个实施例的该固态图象传感器的该示意性布局的另一个修改方案；附图10仍然是根据第二个实施例的该固态图象传感器的该示意性布局的另一个修改方案；附图11仍然是根据第二个实施例的该固态图象传感器的该示意性布局的另一个修改方案；附图12显示了根据第二个实施例的该固态图象传感器的一个特定布局；附图13显示了根据第二个实施例的该固态图象传感器的该特定布局；附图14显示第一和第二个实施例的该固态图象传感器的一个像素部分的电路安排；附图15显示了该该固态图象传感器的另一个像素；附图16显示了根据第三个实施例的一个固态图象传感器的示意性布局；和附图17显示第一到第三个实施例中使用了一个该固态图象传感器的一个图象检出系统。
优选实施例的描述以下描述本发明的诸实施例。在描述之前，先描述本发明的技术背景。
作为一个固态图象传感器的一个像素的安排，首先描述带有一个光电二极管(PD)、一个转移开关(TX)、一个浮动扩散器(FD)、一个复位开关(RES)、一个复位电源(VR)、一个选择开关(SEL)、一个放大装置(SF)、一个输出部件(OUT)和一个VDD电源(VDD)的安排方案。
在这个固态图象传感器中，为了增大该光电二极管(PD)部件的面积，以存储在该阵列像素中经过光电转换后的电荷，除该光电二极管部件(PD)之外的部件必须以高密度设置于该光电二极管部件(PD)的周围。为了提高该像素的填充因数，最好降低触点的数目，并使所有的像素都具有相等的扩散区域。
根据上述观点，当将一个VDD电源用作复位电源时，最好使用附图2所示的安排方案。如果该复位电源(VR)在安排上不依赖于该VDD电源，则最好使用附图3所示的安排方案。
然而，当该浮动扩散器FD和该放大装置的门连接在一起时，使用附图2或附图3所示的安排方案有以下缺点(1)在附图2或附图3所示的安排方案中，用于控制该转移开关(TX)的一个信号φTX的控制线、用于控制该复位开关(RES)的一个信号φRES的控制线和用于控制该选择开关(SEL)的一个信号φSEL的控制线，在相邻的光电二极管部件PD之间的水平方向(列方向)上延展。
为了将该浮动扩散器(FD)和该放大装置(SF)的门连接在一起，而不增加该控制线延展处的诸光电二极管部件PD之间的间隔，该浮动扩散器和该放大装置是通过在该复位开关(RES)的门或该选择开关(SEL)的门上方延展的一个多层互连线而连接在一起。
然而，在这种情况下，从该信号φRES或φSEL到该浮动扩散器(FD)的互调失真会带来问题。
(2)当需要在避开该复位开关RES或选择开关SEL的门的条件下形成一根互连线时，它必须在该光电二极管部件PD之上被形成，这样就降低了填充因数。
(3)如果该浮动扩散器(FD)和该放大装置(SF)的门之间的互连线很长，则该浮动扩散器FD的电容量增加，从而降低了灵敏度。
为了在保持附图2或附图3所示的安排方案的同时解决以上的问题，本发明是经过发明人的广泛研究和审视后作出的。
以下描述本发明的实施例。
在以下待描述的附图中，加于PD、TX、SEL、OUT、RES、SF和FD的后缀表示非用于转移、输出和复位来自一个光电二极管部件PD的信号的部件，而是围绕一个光电二极管部件PD排列的、通常被认为是一个像素的部件。
这种类型的传感器的布局刊载于1997年2月出版的IEEE固态电路杂志，第32卷，第2期，187-197页上的“用于高集成图象系统的CMOS有源像素图象传感器”一文中，如该文附图6和附图9(使用光门的CMOS传感器)所示或者附图10(使用光电二极管的CMOS传感器)所示。这种类型的传感器的一个像素几乎呈矩形或类似于矩形的形状，含有一个转移开关TX和一个复位开关RES的像素部件分布在该光电转换部件，如一个光电二极管部件PD周围。因此，在本发明中，带有一个光电二极管部件PD2、一个转移开关TX2、一个浮动扩散器FD2、一个复位开关RES2、一个选择开关SEL2、一个放大装置SF2和一个输出部件OUT2的安排，可以看成是一个像素，因而，一个信号可以从具有该光电二极管部件PD2的像素，使用另一个像素的放大装置SF1或SF3输出。
附图4显示了本发明的第一个实施例的示意性布局。该实施例与附图2所示的使用VDD电源作为复位电源的安排方案相对应。在该实施例中，如附图4所示，为了读出来自该光电二极管部件PD2的信号，使用放大装置SF1和相邻光电二极管部件PD1一侧的输出部件OUT1，围绕该光电二极管部件PD2的浮动扩散器FD2是与该光电二极管部件PD2一侧的放大装置SF1相连的。
在这一安排中，该互连线比该浮动扩散器FD2和该放大装置SF2的门相连时的互连线要短，而且该互连线不在该复位开关RES2的门或该选择开关SEL2的门的上方延展。因此，上述问题(1)-(3)便得以解决。
附图5和附图6更加详尽地显示了附图4所示的布局。附图5显示了一个不用第二铝层作为上部互连线的布局。附图6显示了包含第二铝层作为上部互连线的布局。附图5和附图6只显示了四个像素。以下仅描述从该光电二极管部件PD2读出的信号，但它可应用于其余的光电二极管部件。
如附图5所示，该转移开关TX2、浮动扩散器FD2、复位开关RES2、选择开关SEL2、放大装置SF2和输出部件OUT2围绕在该光电二极管部件部件PD2的周围。一个同样用作复位电源的VDD电源放置于该复位开关RES2和选择开关SEL2之间。附图5中以粗线标出的区域是有源区域。
在本实施例中，来自该光电二极管部件PD2的信号不是通过该放大装置SF2和输出部件OUT2输出，而是通过排列在相同行上的光电二极管部件PD1一侧的输出部件OUT1输出的。为了这一目的，光电二极管部件PD2一侧的浮动扩散器FD2和光电二极管部件PD1一侧的放大装置SF1，通过一个多晶硅层和一个第一铝层连接在一起。该放大装置SF1和输出部件OUT1被形成于与该光电二极管PD1相同的有源区域内。
根据本实施例，浮动扩散器FD和放大装置SF之间的互连线变短，而且该互连线并非排列在该复位开关RES的门或该选择开关SEL的门上方。此外，在该实施例中，浮动扩散器FD2和放大装置SF1之间的互连线在信号φnSEL的控制线和信号φnRES的控制线之间延展，从而防止了该输出信号受信号φnSEL或信号φnRES的影响，如附图6所示。
附图7显示了本发明的第二个实施例的示意性布局。这个实施例对应于图3所示的安排，它具有一个不依赖于一个VDD电源的复位电源。如附图7所示，在本实施例中，为了使用一个放大装置(SF3)和在对角线方向围绕光电二极管部件PD3的输出部件(OUT3)输出来自光电二极管部件PD2的信号，围绕该光电二极管部件PD2的一个浮动扩散器FD2与围绕该光电二极管部件PD3的放大装置SF3连接在一起。
在该实施例中，该互连线变短，并且不在复位开关RES2的门上方延展，从而上述问题(1)-(3)，如同第一个实施例一样，便得以解决。
此外，根据本实施例，即使使用多层互连线，将该互连线排列在信号φSEL的控制线上，也不会产生互调失真。更特别地，在本实施例中，即使用于控制选择开关(SEL)的信号φSEL的控制线在该浮动扩散器FD2的上方延展，该控制线也不与该选择开关SEL3相连，而是与下一个上部行上的选择开关SEL2相连(一个选择脉冲信号并没有施加于该选择开关SEL2)，从而没有互调失真产生。
可以针对第二个实施例作出如下所述的各种修改方案。
(Ⅰ)如附图8所示，放大装置SF和选择开关SEL被反过来设置。
(Ⅱ)如附图9所示，转移开关TX2、浮动扩散器FD2、复位开关RES2和复位电源VR被放置在该光电二极管部件PD2的上侧，该浮动扩散器FD2与上部行的放大装置SF(未画出)相连。
(Ⅲ)如附图10所示，该选择开关SEL、输出部件OUT、VDD电源VDD和放大装置SF位于该光电二极管部件PD的左侧。
(Ⅳ)如附图11所示，该浮动扩散器FD位于图的右侧，该转移开关TX、浮动扩散器FD、复位开关RES和复位电源VR的安排正好与附图7所示的安排相反，并且该浮动扩散器FD与下侧的光电二极管部件PD相连。
在上述附图中，该光电二极管部件PD呈矩形。然而，该光电二极管部件PD不必总是呈这种形状，它可以是任何形状，只要该形状能够最大限度地存储电荷即可。
附图12和附图13更详尽地显示了附图7所示的布局。附图12显示了不用一个第二铝层作为上部互连线的布局。附图13显示了包含一个第二铝层作为上部互连线的布局。附图12和附图13只显示了四个像素。以下仅描述从该光电二极管部件PD2读出的信号，它同样可应用于其余的光电二极管部件。
如附图12所示，转移开关TX2、浮动扩散器FD2、复位开关RES2、选择开关SEL2、放大装置SF2和输出部件OUT2被放置在该光电二极管部件PD2的周围。复位电源VR和VDD电源与该复位开关RES2和选择开关SEL2相邻放置。附图12中以粗线标出的两个区域是有源区域。
在这个实施例中，来自光电二极管PD2的信号不是通过该放大装置SF2和输出部件OUT2输出的，而是通过在对角线方向围绕该光电二极管PD3的放大装置SF3和输出部件OUT3输出的。为了这一目的，围绕该光电二极管PD2的浮动扩散器FD和围绕该光电二极管PD3的放大装置SF3通过一个多晶硅层和一个第一铝层连接在一起。
根据本实施例，浮动扩散器FD和放大装置SF之间的互连线变短，而且该互连线并非排列在该复位开关RES的门或该选择开关SEL的门的上方。
在该实施例中，选择开关SEL3的门与信号φnSEL的控制线相连。基于这一原因，即使信号φn+1SEL的控制线延伸到该浮动扩散器FD2的上方，也不会产生互调失真问题。
附图14显示了第一和第二个实施例的该固态图象传感器的一个像素部分的电路安排。
附图14显示了一个4×4像素安排，以及一个与附图1所示的安排相同的像素。
本发明并不局限于附图1所示的像素安排。正如第三个实施例那样，一个选择装置可以连接在一个放大装置和一个输出部件之间，如附图15所示。
附图16显示了一个具有附图15所示像素安排的固态图象传感器(或检出装置)的布局。
在附图16所示的布局中，VDD电源VDD和输出部件OUT与附图2中所示的布局的对应部件正好颠倒。对于这一布局，该互连线比连接浮动扩散器FD2和放大装置FD2的门的互连线要短，所以，该互连线并非排列在复位开关RES2的门和选择开关SEL2的门的上方。
作为第四个实施例，附图17显示了使用第一至第三个实施例中所描述的一个固态图象传感器的固态图象检出系统。如附图17所示，该入射光透过一个光学系统71和一个光圈80，在一个固态图象传感器72上成像。光信息通过该固态图象传感器72上的一个像素阵列被转换成电信号并输出。该输出信号由一个信号处理电路73根据预定的方案进行转换并输出。该已处理的信号由一个信息记录装置记录或转移到一个记录系统/通信系统74中。该已记录或已转移的信号由一个复制系统77进行复制。光圈80、固态图象传感器72和信号处理电路73由一个时钟控制电路75来控制。该光学系统71、时钟控制电路75、记录系统/通信系统74和复制系统77由一个系统控制电路76来控制。
如上所述，根据第一至第四个实施例，该浮动扩散器(FD)和放大装置(SF)之间的互连线变短，并且该互连线并非排列在复位装置(RES)的门和选择装置(SEL)的门的上方。因此，不会从信号φRES或φSEL产生互调失真，从而得到具有高填充因数和灵敏度的固态图象传感器以及使用该装置的图象检出系统。
只要不背离本发明的精神和范围，可以构筑出许多大不相同的实施例。应当理解，除所附权利要求书所规定的之外，本发明并不局限于本说明书中所描述的特定实施例。
权利要求
1.一种固态图象传感器，包括一个光电转换部件；电荷转移装置，用于转移在该光电转换部件中产生的诸信号电荷；以及放大装置，用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号，并输出该信号，其中，一组光电转换部件、一组电荷转移装置和一组放大装置是以行或/和列的方向排列的，以及彼此间很靠近的该电荷转移装置和该放大装置被互相连接。
2.一种固态图象传感器，包括一组光电转换部件，按照行和列的方向排列；电荷转移装置，用于转移在该光电转换部件中所产生的诸信号电荷，与所述诸光电转换部件相对应，该电荷转移装置也是按照行和列的方向排列；复位装置，用于复位所述电荷转移装置，或者所述电荷转移装置以及与所述电荷转移装置相对应的所述光电转换部件，所述复位装置排列在所述电荷转移装置的一个阵列方向的一侧；以及放大装置，用于放大与所述电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号，所述放大装置排列在所述电荷转移装置的该阵列方向的另一侧。
3.一种根据权利要求2的装置，其中，所述光电转换部件和所述电荷转移装置被形成于一个有源区域内，所述放大装置被形成于包含另一个与所述光电转换部件相邻的光电转换部件的另一个有源区域内。
4.一种根据权利要求2的装置，其中，用于选择所述放大装置以便提供一个电压的选择装置被安排在所述电荷转移装置的该阵列方向的另一侧靠近所述放大装置的位置上，并且有待于向所述复位装置提供的该电压以及一个复位电压均由一个公共电源提供。
5.一种根据权利要求3的装置，其中，用于选择所述放大装置以便提供一个电压的选择装置被安排在所述电荷转移装置的该阵列方向的另一侧靠近所述放大装置的位置上，并且有待于向所述复位装置提供的该电压以及一个复位电压均由一个公共电源提供。
6.一种固态图象传感器，包括一组光电转换部件，按照行和列的方向排列；电荷转移装置，用于转移在所述光电转换部件中产生的诸信号电荷；以及复位装置，用于复位所述电荷转移装置，或者所述电荷转移装置和所述光电转换部件，所述电荷转移装置和所述复位装置排列在围绕该光电转换部件的一个行和列的方向上；以及放大装置，用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号并输出该信号，所述放大装置被安排在另外一个方向上，这个方向不同于所述电荷转移装置以及所述复位装置环绕着它而被安排的那个方向，或者将所述放大装置安排在沿着一根对角线的方向环绕另一个光电转换部件的另一个方向上，其中，所述放大装置被安排在最靠近所述的一个光电转换部件的一侧。
7.一种根据权利要求6的装置，还包括选择装置，它被安排在跟每一个光电转换部件的所述放大装置相靠近的位置上，用于选择所述放大装置以提供一个电压，以及在包含所述一个光电转换部件的一个方向中的一个光电转换部件阵列和包含所述另一个光电转换部件的一个方向中的另一个光电转换部件阵列之间，排列了一条第一控制线，用于控制所述一个光电转换部件阵列的每个电荷转移装置，一条第二控制线，用于控制每个复位装置，和一条第三控制线，用于控制与所述一个光电转换部件阵列不同的光电转换部件阵列的所述选择装置。
8.一种图象检出系统，包括(A)一个固态图象传感器，包括(a)一个光电转换部件；(b)电荷转移装置，用于转移在所述光电转换部件中产生的诸信号电荷；以及(c)放大装置，用于放大与所述电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号，并输出该信号，其中，一组光电转换部件、一组电荷转移装置和一组放大装置是以行或/和列的方向排列的，以及彼此间很靠近的所述电荷转移装置和所述放大装置被互相连接，以及(B)一个信号处理电路，用于处理从所述固态图象传感器输出的信号。
全文摘要
为了优化一个像素部分的布局,提供了一种固态图象传感器,包括一个光电转换部件;一个电荷转移部件,用于转移在该光电转换部件中产生的诸信号电荷;以及一个放大部件,用于放大与该电荷转移装置所转移的诸信号电荷相对应的一个信号,并输出该信号;其中,一组光电转换部件、一组电荷转移部件和一组放大部件是以行或/和列的方向排列的,并且彼此间很靠近的该电荷转移部件和该放大部件被互相连接。
文档编号H04N5/369GK1224971SQ9812544
公开日1999年8月4日 申请日期1998年12月25日 优先权日1997年12月26日
发明者樱井克仁, 须川成利, 上野勇武, 小川胜久, 小泉彻, 光地哲伸, 樋山拓己 申请人:佳能株式会社