專利名稱：固態(tài)成像裝置和相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有光電轉(zhuǎn)換元件的固態(tài)成像裝置和相機(jī)。
背景技術(shù)：
眾所周知，在諸如CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的固態(tài)成像裝置中，作為感光部的光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管中的晶體缺陷以及感光部和其上的絕緣膜之間界面中的深度缺陷會(huì)引起暗電流。作為抑制由于界面狀態(tài)密度而產(chǎn)生暗電流的方法，嵌入(embedded)光電二極管的結(jié)構(gòu)是有效的。例如，為了抑制η型半導(dǎo)體區(qū)域表面(即，η型半導(dǎo)體區(qū)域和絕緣膜之間的界面)附近的暗電流，通過形成η型半導(dǎo)體區(qū)域以及以高雜質(zhì)密度形成淺的ρ型半導(dǎo)體區(qū)域(孔累積區(qū)域)，來構(gòu)成嵌入光電二極管。作為嵌入光電二極管的制造方法，通常是離子注入用作ρ型雜質(zhì)的B或BF2并對其進(jìn)行退火，然后在形成光電二極管的η型半導(dǎo)體區(qū)域和絕緣膜之間的界面附件形成P型半導(dǎo)體區(qū)域。在CMOS圖像傳感器中，每個(gè)像素均包括光電二極管以及諸如讀出、復(fù)位和放大晶體管的各種晶體管。通過這些晶體管來處理經(jīng)過光電二極管光電轉(zhuǎn)換的信號。在每個(gè)像素上形成包括多層金屬配線的配線層。在配線層上形成指定入射到光電二極管上的光的波長的濾色片和使光會(huì)聚在光電二極管上的微型鏡頭(on-chip lens) 0作為這種CMOS圖像傳感器，提出了具有各種特性的裝置結(jié)構(gòu)。具體地，提出了各種裝置，例如，在光電轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)中采用CCD類特性的電荷調(diào)制裝置(CMD，參見日本專利第1938092號，JP-A-6-120473和JP-A-60-140752)、體充電調(diào)制裝置(BCMD，參見JP-A-64-14959)、浮阱放大器(FWA，參見日本專利第沈92218號和日本專利第3752773號)(其中，根據(jù)累積至最高點(diǎn)的光電空穴(photo-hole)的電荷量，在其表面上形成溝道，根據(jù)表面上的電荷量改變源極到漏極的電流，結(jié)果，可以對應(yīng)于信號電荷進(jìn)行讀出)以及Vth調(diào)制圖像傳感器作105，參見開^-2-304973、開4-2005-對44；34、日本專利第293M92號和JP-A-2005-85999)(其中，感光部和信號檢測部被分開并配置為彼此鄰近)。還提出了以下固態(tài)成像裝置具有使用入射光執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換、累積通過光電轉(zhuǎn)換獲得的信號電荷以及根據(jù)所累積的信號電荷的電荷量輸出信號電壓的所有功能的感光元件具有利于在根據(jù)平面的相同位置累積信號電荷并利于表面溝道電流流動(dòng)的電位分布 (參見 JP-A-2003-31785)。這些CMOS圖像傳感器基本上是從裝置前側(cè)照射光的前照式固態(tài)成像裝置。另一方面，提出了背(后)照式固態(tài)成像裝置，其具有其上形成有光電二極管和各
4種晶體管、接地而變薄的硅基板的后側(cè)，并使從基板的后側(cè)入射的光執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換(參見， JP-A-10-65138)。

發(fā)明內(nèi)容
在前照式CMD、BCMD, FWA、VMIS等中，由于基板被用作溢流(overflow)，所以背 (后)照式比較困難且復(fù)位電壓較高。在前照式CMD、BCMD, FWA、VMIS等中，由于感光部被配置在拾取晶體管旁邊，所以存在孔徑比降低的缺點(diǎn)。在現(xiàn)有的光柵結(jié)構(gòu)中，由于通過薄膜柵極接收光，所以存在藍(lán)色靈敏度降低的缺
點(diǎn)ο當(dāng)在如BCMD的前照型中的η-層上形成光柵型MOS晶體管時(shí)，在半導(dǎo)體表面附近執(zhí)行由光照射生成載流子(carrier)。因此，存在以下缺點(diǎn)，通過在半導(dǎo)體和絕緣膜之間的界面中存在的陷阱(trap)來捕獲載流子，即使施加了復(fù)位電壓也不能立即釋放所累積的載流子，并且影響了裝置的性能。當(dāng)在如VMIS的前照型中彼此鄰近地配置感光光電二極管區(qū)域和信號檢測晶體管時(shí)，用于通過接收光生成的電荷的累積和調(diào)制操作并不是動(dòng)態(tài)行為而是按時(shí)間分別執(zhí)行。 這不利于高速信號處理。類似地，當(dāng)在前照型中彼此鄰近地配置感光光電二極管區(qū)域和信號檢測晶體管時(shí)，諸如在信號檢測部上設(shè)置遮光膜的發(fā)明是很必要的。因此，存在元件制造處理復(fù)雜的缺
點(diǎn)ο在前照式BCMD圖像傳感器中，由于光柵電極下的整個(gè)溝道區(qū)域是電荷累積層，所以電流-電壓特性(ID-VDD)不是飽和特性而是三極管特性。因此，存在當(dāng)在源極跟隨型中使用圖像傳感器時(shí)，難以使用圖像傳感器的缺點(diǎn)。此外，在前照式CMOS圖像傳感器中，存在以下缺點(diǎn)通過像素上面的配線遮蔽光， 每個(gè)像素的靈敏度降低，并且當(dāng)被配線反射的光入射到相鄰像素上時(shí)，引起顏色混合等問題。在JP-A-2003-31785中公開的固態(tài)成像裝置中，為了實(shí)現(xiàn)具有單個(gè)阱的晶體管， 使用了兩層?xùn)艠O的結(jié)構(gòu)。因此，例如，存在元件分隔區(qū)域需要特定工作且元件制造處理復(fù)雜的缺點(diǎn)。由于該固態(tài)成像裝置同樣是前照型的，所以固態(tài)成像裝置同樣具有諸如藍(lán)色靈敏度降低以及前照型的顏色混合的問題。在JP-A-10-65138中公開的背照式固態(tài)成像裝置的情況下，在基板的前側(cè)和后側(cè)上形成空穴累積區(qū)域。然而，存在對通過離子注入形成的P型半導(dǎo)體區(qū)域較淺和密集的限制。因此，當(dāng)為了抑制暗電流而試圖進(jìn)一步增加P型半導(dǎo)體區(qū)域的雜質(zhì)密度時(shí)，P型半導(dǎo)體區(qū)域加深。當(dāng)P型半導(dǎo)體區(qū)域加深時(shí)，由于光電二極管的pn結(jié)與傳輸柵極被分離，所以可能降低傳輸柵極的讀出能力。因此，期望提供一種固態(tài)成像裝置和相機(jī)，它們可以有效迅速地執(zhí)行一系列操作 (例如，光電載流子的生成和累積、電荷的讀出和剩余電荷的傳輸(復(fù)位))，防止由于光而使陷阱對硅界面中的載流子產(chǎn)生影響，并實(shí)現(xiàn)了靈敏度的提高和像素尺寸減小，而不會(huì)劣
5化藍(lán)色光的靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種固態(tài)成像裝置，包括像素單元，形成在具有光照射于其上的第一基板表面?zhèn)群推渖闲纬啥鄠€(gè)元件的第二基板表面?zhèn)鹊幕迳?，并對于作為一個(gè)單位的像素單元中的每一個(gè)或者多個(gè)像素單元，被相鄰的單元組和元件分隔層所分隔。每個(gè)像素單元均具有形成在第一基板面?zhèn)壬系牡谝粚?dǎo)電阱和形成在第二基板面?zhèn)壬系牡诙?dǎo)電阱。第一導(dǎo)電阱接收來自第一基板面?zhèn)鹊墓猓⒕哂杏糜谒邮展獾墓怆娹D(zhuǎn)換功能和電荷累積功能。在第二導(dǎo)電阱中形成檢測第一導(dǎo)電阱中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的晶體管。優(yōu)選地，累積電荷和信號電荷是相同載流子。優(yōu)選地，晶體管具有讀出晶體管的功能、復(fù)位晶體管的功能和選擇晶體管的功能。優(yōu)選地，晶體管具有源極和漏極以及形成在源極和漏極之間的溝道形成區(qū)上的柵電極，并且像素信號復(fù)位是用于丟棄在漏極中的電荷的操作。優(yōu)選地，像素單元具有當(dāng)亮度低時(shí)調(diào)制度增加的伽瑪特性。優(yōu)選地，像素單元具有在大信號輸出期間容量增加的結(jié)構(gòu)并具有根據(jù)伽瑪特性實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的功能。優(yōu)選地，至少在第一導(dǎo)電阱和第二導(dǎo)電阱中的第一導(dǎo)電阱一側(cè)形成第二導(dǎo)電分隔層。優(yōu)選地，在第二導(dǎo)電阱或第二導(dǎo)電分隔層中形成第一導(dǎo)電源極區(qū)和第一導(dǎo)電漏極區(qū)，并在基板的第二基板面?zhèn)壬系脑礃O區(qū)和漏極之間的第二導(dǎo)電阱中的溝道形成區(qū)上形成柵電極。優(yōu)選地，多個(gè)像素單元以陣列形式配置，并與相鄰的像素單元共用一部分或多個(gè)漏極、源極、阱或柵極的接觸。優(yōu)選地，漏極、源極、阱和柵極的接觸配置在柵極的像素陣列的四個(gè)方向上。優(yōu)選地，多個(gè)像素單元以陣列形式配置，在像素陣列的一個(gè)方向上，以條紋形狀對像素單元共同形成像素單元的柵電極，并在源極區(qū)側(cè)或漏極區(qū)側(cè)上形成阱接觸。優(yōu)選地，在第二導(dǎo)電分隔層中形成阱接觸區(qū)。優(yōu)選地，阱接觸區(qū)形成在第一基板面?zhèn)壬系牡诙?dǎo)電分隔層中。優(yōu)選地，當(dāng)阱接觸形成在漏極側(cè)上時(shí)，以隨著漏極寬度的減小而收縮的形狀形成阱接觸。優(yōu)選地，在陣列形式的像素單元的配置中，漏極接觸按列分為兩個(gè)以上的組，并共用信號讀出處理系統(tǒng)的列電路。優(yōu)選地，為了減少阻抗，通過導(dǎo)體支持漏極線配線。優(yōu)選地，在第二基板面?zhèn)壬系木w管的柵電極或柵電極的更前部分中，固態(tài)成像裝置具有反射體，該反射體反射透射過基板的光并使光入射到基板的第二導(dǎo)電阱和第一導(dǎo)電阱上。優(yōu)選地，將基板的厚度設(shè)為可將近紅外光用作反射體的反射光的厚度。優(yōu)選地，將基板的厚度設(shè)為可將紅(R)光用作反射體的反射光的厚度。優(yōu)選地，電極配線由具有高可見光透射率的透明膜形成。優(yōu)選地，反射體還用作預(yù)定配線層。
優(yōu)選地，在像素復(fù)位前。電荷被立即從漏極注入像素，然后像素被復(fù)位。優(yōu)選地，固態(tài)成像裝置包括逆Y校正電路，使用具有與像素單元的晶體管相同結(jié)構(gòu)的背柵終端的晶體管執(zhí)行逆伽瑪校正。優(yōu)選地，固態(tài)成像裝置包括用于從像素單元讀出信號的信號處理系統(tǒng)，并且信號處理系統(tǒng)包括比較器并將先前線的復(fù)位電平用作比較器的參考電平。優(yōu)選地，信號處理系統(tǒng)具有在D相讀出期間執(zhí)行模擬采樣而在P相讀出期間執(zhí)行數(shù)字采樣的功能。優(yōu)選地，以陣列形式配置像素單元，從而用多個(gè)像素獲得一個(gè)輸出信號。優(yōu)選地，以陣列形式配置像素單元并以多個(gè)像素為單位被元件分隔層分隔，以獲得一個(gè)輸出信號。優(yōu)選地，固態(tài)成像裝置包括信號處理系統(tǒng)，在從像素讀出信號期間，執(zhí)行用于繼續(xù)光電轉(zhuǎn)換而不復(fù)位像素的破壞性讀出。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種相機(jī)，包括固態(tài)成像裝置，從基板的第一基板面?zhèn)冉邮展?；光學(xué)系統(tǒng)，將入射光導(dǎo)向固態(tài)成像裝置的第一基板面?zhèn)龋灰约靶盘柼幚黼娐?，處理固態(tài)成像裝置的輸出信號。固態(tài)成像裝置包括像素單元，像素單元形成在具有其上照射光的第一基板面?zhèn)群推渖闲纬稍牡诙迕鎮(zhèn)鹊幕迳希τ谧鳛橐粋€(gè)單位的像素單元的每一個(gè)或者多個(gè)像素單元，被相鄰的單元組和元件分隔層所分隔。每個(gè)像素單元均具有形成在第一基板面?zhèn)壬系牡谝粚?dǎo)電阱和形成在第二基板面?zhèn)壬系牡诙?dǎo)電阱。 第一導(dǎo)電阱接收來自第一基板面?zhèn)鹊墓獠⒕哂杏糜谒邮展獾墓怆娹D(zhuǎn)換功能和電荷累積功能。在第二導(dǎo)電阱中形成檢測第一導(dǎo)電阱中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的晶體管。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，從基板后表面(第一基板面)側(cè)對單元結(jié)構(gòu)的像素照射光， 在第一導(dǎo)電阱中執(zhí)行所接收光的光電轉(zhuǎn)換，并累積光的電荷。檢測電荷累積并執(zhí)行形成在第二導(dǎo)電阱中的晶體管的閾值調(diào)制，以提取信號。以這種方式，像素單元具有背照型的雙阱結(jié)構(gòu)。累積電荷和溝道電流(信號電荷) 是相同載流子。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以有效且迅速地執(zhí)行一系列操作，例如，光電載流子的生成和累積、電荷的讀出以及剩余電荷的傳輸(復(fù)位)。此外，可以防止陷阱由于光而對硅界面中的載流子產(chǎn)生影響，并實(shí)現(xiàn)了靈敏度的提高和像素尺寸減小，而不會(huì)使對藍(lán)光的靈敏度劣化。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的示意性結(jié)構(gòu)的框圖；圖2A和圖2B是根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的像素部的基本結(jié)構(gòu)的示圖；圖3是根據(jù)該實(shí)施例的像素單元的等效電路的示圖；圖4是用于說明在前照式BMCD的情況下入射光的波長與晶體管的配置具有的關(guān)系的示圖；圖5是在前照型的情況下由透明電極、柵極二氧化硅膜和單晶硅形成的能帶狀態(tài)的概況的示圖；圖6是根據(jù)圖2A和圖2B所示裝置的電位狀態(tài)的變化的相對于在每個(gè)區(qū)域中垂直于半導(dǎo)體基板表面的方向上的半導(dǎo)體基板中的電子的電位變化的示圖；圖7是圖2A和圖2B所示的a_a’線的電位分布實(shí)例的示圖；圖8是根據(jù)實(shí)施例的信號讀出處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是根據(jù)實(shí)施例的像素部中的像素單元的布局實(shí)例的示圖；圖IOA和圖IOB是沿圖9所示的a_a’線和b_b，線截取的簡化截面圖；圖11是像素單元被配置為從圖9所示布局旋轉(zhuǎn)45度的結(jié)構(gòu)的示圖；圖12是在X方向(水平方向)條紋中共同使用柵極的布局實(shí)例的示圖；圖13是縮小了漏極側(cè)的布局實(shí)例的示圖；圖14是根據(jù)實(shí)施例的像素部中的像素單元的布局實(shí)例的示圖；圖15A和圖15B是沿圖14所示的a_a’線和b_b，線截取的簡化截面圖；圖16A和圖16B是在具有不同厚度的像素單元中設(shè)置反射體的實(shí)例的示圖；圖17A和圖17B是接觸共用像素部的像素單元陣列的實(shí)例的示圖；圖18是采用圖17所示的布局并簡化了共用列電路的信號處理系統(tǒng)和像素部的等效電路的示圖；圖19A和圖19B是圖17A和圖17B所示的方形陣列中的信號輸出順序的示圖；圖20A和圖20B是通過將圖17A和圖17B所示的方形陣列旋轉(zhuǎn)45度而形成的鋸齒形陣列的示圖；圖21是采用圖20A所示的布局并簡化了共用列電路的信號處理系統(tǒng)和像素部的等效電路的示圖；圖22k和圖22B是通過將圖17A和圖17B所示的方形陣列旋轉(zhuǎn)45度而形成的另一鋸齒形陣列的示圖；圖23是采用圖22A所示的布局并簡化了共用列電路的信號處理系統(tǒng)和像素部的等效電路的示圖；圖24A和圖24B是圖20A和圖20B所示的鋸齒形陣列中的信號輸出順序的示圖；圖25A和圖25B是圖22k和圖22B所示的鋸齒形陣列中的信號輸出順序的示圖；圖2隊(duì)和圖^B是用于說明當(dāng)采用方形陣列時(shí)的反射體的形成實(shí)例的示圖；圖27是反射體和配線共用布局的第一實(shí)例的示圖；圖觀是反射體和配線共用布局的第二實(shí)例的示圖；圖四是反射體和配線共用布局的第三實(shí)例的示圖；圖30A和圖30B是用于說明預(yù)線復(fù)位(pre-line reset)的基本概念的示圖；圖31A和圖31B是對應(yīng)于根據(jù)實(shí)施例的硬復(fù)位功能的信號處理系統(tǒng)的概念圖；圖32是用于說明包括逆Y校正電路的信號處理系統(tǒng)的基本概念的等效電路圖；圖33A 圖33C是預(yù)線復(fù)位系統(tǒng)、兩列共用和2X2像素定時(shí)的電平圖的示圖；圖34是以陣列形式配置多個(gè)像素并通過多個(gè)像素獲得一個(gè)輸出信號的結(jié)構(gòu)實(shí)例的平面圖；圖35是多個(gè)像素以陣列形式配置并以多個(gè)像素為單位執(zhí)行元件分隔以獲得一個(gè)輸出信號的結(jié)構(gòu)實(shí)例的平面圖；圖36A和圖36B是多個(gè)像素以陣列形式配置并以多個(gè)像素為單位執(zhí)行元件分隔以獲得一個(gè)輸出信號的結(jié)構(gòu)實(shí)例的截面8
圖37是多個(gè)像素以陣列形式配置并以多個(gè)像素為單位執(zhí)行元件分隔以獲得一個(gè)輸出信號的另一結(jié)構(gòu)實(shí)例的平面圖；圖38A和圖38B是沿圖37所示的a-a，線和b_b，線截取的簡化截面圖；圖39是非破壞性讀出的寬動(dòng)態(tài)范圍(寬D范圍)序列的實(shí)例的示圖；圖40是非破壞性讀出的低速實(shí)時(shí)取景序列的實(shí)例的示圖；以及圖41是應(yīng)用根據(jù)實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示圖。
具體實(shí)施例方式將在下文參照

本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的示意性結(jié)構(gòu)的框圖。如圖1所示，固態(tài)成像裝置1包括作為感應(yīng)部的像素部2、行方向(Y方向)控制電路3、列(X方向)方向控制電路4以及定時(shí)控制電路5。在像素部2中，如稍后所詳細(xì)描述的，例如，以矩陣形狀配置多個(gè)像素單元2A。根據(jù)實(shí)施例的像素部2的像素單元2A被配置為具有雙阱結(jié)構(gòu)的閾值調(diào)制(CMD) 系統(tǒng)的后(背)照式圖像傳感器。根據(jù)實(shí)施例的像素部2采用雙阱結(jié)構(gòu)。在像素部2中，累積電荷和溝道電流是相同載流子。像素部2具有一個(gè)晶體管的架構(gòu)(結(jié)構(gòu))，其中，一個(gè)晶體管具有讀出晶體管、復(fù)位晶體管和選擇晶體管的功能。在像素部2的像素陣列中，配置在同一行中的像素單元2A連接至公共行線H0、H1 等，以及配置在同一列中的像素單元2A連接至公共列線W、Vl等。在固態(tài)成像裝置1中，生成內(nèi)部時(shí)鐘的定時(shí)控制電路5、控制行尋址和行掃描的行方向(Y方向)控制電路3和控制列尋址和列掃描的列方向(X方向)控制電路4被配置為用于順序讀出像素部2的信號的控制電路。行方向(Y方向)控制電路3接收定時(shí)控制電路5的定時(shí)控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)預(yù)定行線HO、Hl等。列方向(X方向)控制電路4接收定時(shí)控制電路5的定時(shí)控制脈沖，接收讀出至預(yù)定列線V0、Vl等的信號，并執(zhí)行預(yù)定處理(CDS (相關(guān)雙采樣)處理)、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理等。稍后將詳細(xì)描述關(guān)于列方向控制電路4中從像素單元2A讀出信號的處理的結(jié)構(gòu)和功能。下面說明根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的像素部的特定驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖2A和圖2B是根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的像素部的基本結(jié)構(gòu)的示圖。圖2A 是平面圖，而圖2B是沿圖2A所示的a-a’線截取的簡化截面圖。如圖2B所示，固態(tài)成像裝置1被形成為后(背)照式裝置，其中，光從基板(硅基板)100的第一基板面101側(cè)(后側(cè))入射，并在第二基板面102側(cè)(前側(cè))上形成其中形成有MOS晶體管的元件區(qū)域部ΕΑΡ。通過對硅晶片進(jìn)行鍍薄膜形成基板100，使得光可以從后側(cè)入射。根據(jù)固態(tài)成像裝置1的類型，基板100的厚度是用于可見光的2 μ m 6 μ m以及用于近紅外光的6 μ m 10 μ m。以這種方式，基板100具有其上照射光的第一基板面101側(cè)和其上形成元件的第二基板面102側(cè)。在基板100上形成通過相鄰的單元和元件分隔層所分隔的多個(gè)單元Cel(2A)。在該實(shí)施例中，在基板100上，對于作為一個(gè)單位的像素單元的每一個(gè)或者多個(gè)像素單元形成被相鄰單元組和元件分隔層分隔的多個(gè)像素單元Cel (2A)。每個(gè)像素單元Cel均包括形成在第一基板面101側(cè)上的第一導(dǎo)電(在該實(shí)施例中為η型)阱(下文稱作第一阱)110和與第一阱110相比進(jìn)一步形成在第二基板面102側(cè)上的第二導(dǎo)電(P型)阱(下文稱作第二阱)120。η型第一阱110用作從第一基板面101側(cè)接收光的感光部，并具有針對所接收光的光電轉(zhuǎn)換功能和電荷累積功能。在第二阱120中形成檢測第一阱110的感光部中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的MOS晶體管。與第一導(dǎo)電型(在該實(shí)施例中為η型)相對的第二導(dǎo)電型的ρ型元件分隔層(導(dǎo)電層)140被形成為環(huán)繞第一阱110的側(cè)壁。在第一基板面101上形成作為基板100的光入射面的P+層150。在ρ+層150的光入射面?zhèn)壬闲纬衫缬啥趸栊纬傻慕^緣膜和保護(hù)膜151。在保護(hù)膜151上形成僅透射期望波長區(qū)域中的光的濾色片152。在濾色片152上形成在第一阱110的感光部上會(huì)聚入射光的微透鏡153。在ρ型第二阱120中，在其中心以彼此遠(yuǎn)離的預(yù)定空間形成通過η+層形成的源極區(qū)121和漏極區(qū)122。在源極區(qū)121和漏極區(qū)122之間形成溝道形成區(qū)123。在沒有與第一阱110重疊的第二阱120的區(qū)域(底側(cè)區(qū)域)中形成由P+層形成的阱(基板)接觸區(qū)124 127。在形成有源極區(qū)121、漏極區(qū)122和阱接觸區(qū)IM 127的基板100的第二基板面 102的表面上通過預(yù)定處理選擇性地形成二氧化硅等的絕緣膜160。經(jīng)由絕緣膜160在基板100的第二基板面102側(cè)的源極區(qū)121和漏極區(qū)122之間的溝道形成區(qū)123上形成晶體管130的柵電極131。通過打開源極區(qū)121上的絕緣膜160的一部分形成連接至源極區(qū)121的晶體管 130的源電極132。類似地，通過打開漏極區(qū)122上的絕緣膜160的一部分形成連接至漏極區(qū)122的晶體管130的漏電極133。通過打開阱接觸區(qū)124 127上的絕緣膜160的一部分形成連接至阱接觸區(qū) 124 127的阱接觸電極170。例如，將阱接觸電極170的電平設(shè)為接地電位GND(OV) 或-1. 2V。在上述配置中，通過形成在第二基板面102側(cè)上的第二阱120中的源極區(qū)121、漏極區(qū)122和溝道形成區(qū)123以及形成在第二基板面102的表面?zhèn)壬闲纬傻臇烹姌O131、源電極132和漏電極133形成包括絕緣柵場效應(yīng)晶體管(稱作MOS晶體管)的晶體管130。在圖2Β中，參考標(biāo)號S表示晶體管130的源極，D表示130的漏極，以及G表示130 的柵極。以這種方式，根據(jù)該實(shí)施例的每個(gè)像素單元Cel (2Α)被形成為具有雙阱結(jié)構(gòu)的閾值調(diào)制(CMD)系統(tǒng)的后(背)照式圖像傳感器。圖3是根據(jù)該實(shí)施例的像素單元的等效電路的示圖。
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如圖3所示，像素單元Cel (2A)包括形成在第一阱110中的光電轉(zhuǎn)換和電荷累積元件部111以及由第二阱120和第二基板面102側(cè)上的電極形成的一個(gè)晶體管130。如上所述，根據(jù)該實(shí)施例的像素單元Cel是背照型并具有雙阱結(jié)構(gòu)。在像素單元 Cel中，累積電荷和溝道電流是相同載流子。此外，像素單元Cel具有一個(gè)晶體管的架構(gòu)(結(jié)構(gòu))，其中，一個(gè)晶體管具有讀出晶體管、復(fù)位晶體管和選擇晶體管的功能。換句話說，在該實(shí)施例中，像素單元Cel是背照型的并采用雙阱結(jié)構(gòu)而沒有采用單阱調(diào)制系統(tǒng)。以下說明了這樣做的原因。當(dāng)采用單阱調(diào)制系統(tǒng)時(shí)，需要用于線性提高的袋注入(pocket implantation)。這使得在為了減小累積區(qū)域而縮小像素尺寸期間難以獲得飽和的電荷Qs。即使單阱結(jié)構(gòu)具有高調(diào)制度和高轉(zhuǎn)換效率，但單阱結(jié)構(gòu)易受缺陷的影響。在單阱結(jié)構(gòu)中，線性(非線性如同貓爪)的像素波動(dòng)趨于頻繁發(fā)生，并且當(dāng)發(fā)生像素波動(dòng)時(shí)，難以校正像素波動(dòng)。由于在讀出期間發(fā)生閉合(pinning)，所以單阱結(jié)構(gòu)與列數(shù)字CDS并不相符。在模擬CDS中，容量的增加阻礙像素尺寸的減小。即使將單阱結(jié)構(gòu)與背照式相結(jié)合，但由于復(fù)位晶體管是必需的且像素單元具有兩個(gè)晶體管，所以這不利于像素尺寸的減小。另一方面，在該實(shí)施例中，像素單元Cel是背照型的并具有雙阱結(jié)構(gòu)，累積電荷和溝道電流是相同載流子，并且可以通過獨(dú)立的載流子執(zhí)行像素分隔。因此，晶體管結(jié)構(gòu)不必非要是環(huán)?？梢酝ㄟ^與普通晶體管結(jié)構(gòu)相同的所謂的漏極(D)/柵極(G)/源極(S)的單向結(jié)構(gòu)來配置晶體管。在該實(shí)施例中，采用了用于向晶體管130的漏極釋放信號載流子的結(jié)構(gòu)。這實(shí)現(xiàn)了完整的一個(gè)晶體管和橫向復(fù)位結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)晶體管用作讀出(拾取)晶體管、復(fù)位晶體管和選擇晶體管。換句話說，由于根據(jù)該實(shí)施例的像素單元結(jié)構(gòu)僅需要是單層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)而不是雙層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，所以元件分隔區(qū)并不需要特定工作。在相鄰的像素之間可以共用漏極、源極和柵極。因此，可以顯著地提高布局效率并執(zhí)行像素尺寸的減小。由于采用了晶體管漏極的橫向復(fù)位，所以可以共用一列并通過使用漏極的橫向配線以及使用共用像素單位中的分隔配線來縮小列電路。由于在晶體管的柵極上形成了一定空間，所以可以在該空間中設(shè)置使用配線金屬等的反射體結(jié)構(gòu)。結(jié)果，可以反射透過硅(Si)基板的光，再次光電轉(zhuǎn)換Si中的光，并例如提高近紅外靈敏度。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，通過在發(fā)光期間截止柵極并閉合硅(Si)基板的表面，在界面中生成的暗電流與空穴再結(jié)合。因此，沒有完全再結(jié)合的部件引起暗電流的不均勻和白點(diǎn)缺陷。另一方面，在根據(jù)該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，由于采用了雙阱結(jié)構(gòu)，所以具有可以從溝道向漏極釋放在Si表面上生成的暗電流電子并完全消除在界面中引起的暗電流和白點(diǎn)的優(yōu)勢。結(jié)果，即使在列讀出期間柵極導(dǎo)通，暗電流和白點(diǎn)也不會(huì)引發(fā)任何問題。因此，可以執(zhí)行信號的非破壞性讀出。
稍后將詳細(xì)描述用于實(shí)現(xiàn)像素尺寸減小的陣列結(jié)構(gòu)、包括反射體的結(jié)構(gòu)、信號讀出處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及信號的非破壞性讀出處理。下面說明具有上述結(jié)構(gòu)的像素單元中的操作。使光從后側(cè)的第一基板面(后表面)101入射到像素單元。主要通過像素單元的 η型第一阱110中的光電效應(yīng)生成電子和空穴對。通過形成單元的壁表面的ρ型元件分隔層140向外部釋放所生成的空穴。電子僅累積在η型第一阱110中并累積在作為MOS晶體管的晶體管130的源極和漏極之間的柵極區(qū)半導(dǎo)體表面附近形成的勢阱中。累積電荷的信號被放大并被晶體管130 檢測到，適當(dāng)?shù)蒯尫爬鄯e電荷，并執(zhí)行顏色混合和飽和電荷量的控制。固態(tài)成像裝置1的傳感器的半導(dǎo)體層的厚度約為2 μ m 10 μ m，這是足以顯示光波長范圍中的光電轉(zhuǎn)換的量子效率的厚度。另一方面，在前照型的情況下，通常，半導(dǎo)體基板的厚度需要保持在元件不太容易破裂的厚度(達(dá)到幾百μ m)。因此，不能忽視源極和漏極之間通過元件基板的漏電流，并且可能引起問題。另一方面，在該實(shí)施例中，由于元件厚度足夠小，所以可以減少通過基板的漏電流并防止出現(xiàn)任何問題。上面說明了根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置1的結(jié)構(gòu)和功能。下面更加詳細(xì)地說明固態(tài)成像裝置1。圖4是用于說明在前照式BMCD的情況下入射光的波長與晶體管的配置具有的關(guān)系的示圖。在圖4所示的前照式BMCD 10中，在基板前表面?zhèn)壬闲纬山^緣膜11、透明電極12、 遮光電極13等。參考數(shù)字14表示橫向漏極，15表示柵極絕緣膜，以及16表示硅基板。在圖4所示的前照型的情況下，光從設(shè)置晶體管的一側(cè)進(jìn)入。由于橫向漏極區(qū)14 被遮光電極13覆蓋，所以光從除橫向漏極區(qū)14之外的開口進(jìn)入硅基板16同時(shí)透過絕緣膜 11、透明電極12、柵極絕緣膜15等。具有大波長的紅光和近紅外光從硅表面進(jìn)入的相對較深。然而，藍(lán)光和近紫外光在不那么深的位置進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)具有小波長的光穿過基板上的絕緣多層膜時(shí)，光由于界面表面上的散射、吸收、反射等而趨于損失能量。另一方面，在根據(jù)圖2B所示實(shí)施例的后照式的情況下，光從沒有配置晶體管130 的一側(cè)進(jìn)入基板(硅基板)100。大部分具有大波長的光到達(dá)晶體管130的附近，但是僅有一部分具有小波長的光到達(dá)晶體管130的附近。關(guān)于為了使包括入射光波長的量子效率最大而應(yīng)該如何形成源極和漏極的漫射層和阱層，提出了各種建議。然而，關(guān)于穿過二氧化硅膜(絕緣膜)的光影響晶體管特性的可能性存在一點(diǎn)爭議。在該實(shí)施例中，盡管是定性地，但在某種程度上闡明了關(guān)于該要點(diǎn)的機(jī)構(gòu)。圖5是在前照型的情況下通過透明電極、柵極二氧化硅膜和單晶硅形成的能帶狀態(tài)的概況的示圖。柵極氧化膜的特性會(huì)隨制造方法或處理而顯著不同。當(dāng)沒有很好地控制處理的制造方法時(shí)，在二氧化硅膜中殘留下捕獲電子和空穴的陷阱。在圖中，在二氧化硅膜導(dǎo)帶下的 2. OeV的位置中存在捕獲電子的陷阱。
在硅熱氧化膜的情況下，帶隙約為8. OeV。當(dāng)ITO用作透明電極時(shí)，溢出功約為 4. 3eV 4. 7eV。因此，透明電極的費(fèi)米能級位于硅熱氧化膜的能隙中心的下面一點(diǎn)。當(dāng)關(guān)注入射光中的藍(lán)光分量時(shí)，例如450nm的波長λ，根據(jù)愛因斯坦光電定律E = hv，其等于E = 2. 76eV。如圖所示，這個(gè)能量基本等于由透明電極的費(fèi)米能級測量的氧化膜中的電子陷阱的能級位置。對于這一點(diǎn)，如果與施加給硅基板的電壓相比，將較大的負(fù)電壓施加給透明柵電極，則通過光電效應(yīng)從金屬表面(透明電極)排出的電子在氧化膜中被激發(fā)并被陷阱所捕獲。被陷阱捕獲的電子通過電場再次排出，根據(jù)漂移電導(dǎo)流入硅單晶的導(dǎo)帶，使柵電極和硅進(jìn)入弱導(dǎo)電狀態(tài)，并引起晶體管特性和信號量的波動(dòng)。在根據(jù)該實(shí)施例的后照式中，具有大能量和小波長的光為硅基板中的光電載流子生成消耗其大部分能量，直到光到達(dá)晶體管區(qū)域。因此，后照式?jīng)]有前照型的缺點(diǎn)。圖6是根據(jù)圖2A和圖2B所示裝置的電位狀態(tài)變化相的對于每個(gè)區(qū)域中垂直于半導(dǎo)體基板表面的方向上的半導(dǎo)體基板中的電子的電位變化的示圖。在所有狀態(tài)中，阱接觸電極170的電壓VGND被設(shè)為0伏。⑴柵極讀出當(dāng)將晶體管130的柵極電壓VG設(shè)為1.0伏而將其漏極電壓VD設(shè)為1.8伏時(shí)，其源極電壓VS約為1.6V 1.4V。累積電荷(電子)減少且從源極流向漏極的溝道電子電流被調(diào)制并隨累積電荷的減少而減少。如果測量到該電流發(fā)生變化，則獲得累積電子的電荷
變化量。(ii)柵極累積(非讀出狀態(tài))當(dāng)將晶體管130的柵極電壓VG設(shè)為0伏而將其漏極電壓VD設(shè)為1. 8伏時(shí)，其源極電壓VS等于或低于1. 2V。在晶體管130的源極和漏極之間的柵極區(qū)中的半導(dǎo)體表面附近形成的勢阱中累積電子。(iii)柵極累積(非復(fù)位狀態(tài)，硬復(fù)位)當(dāng)將晶體管130的柵極電壓VG設(shè)為OV伏 -1. OV而將其漏極電壓VD設(shè)為1. 8V 時(shí)，其源極電壓VS具有高阻抗Hi-Z或LD。累積電子溢出。換句話說，像素單元Cel飽和。 就此，信號被保持。(iv)復(fù)位當(dāng)將晶體管130的柵極電壓VG設(shè)為OV -1. OV而將其漏極電壓VD設(shè)為等于或大于3. 0V，例如設(shè)為3. 7V時(shí)，其源極電壓VS具有高阻抗Hi-Z或LD。通過漏電極向外部釋放存在于累積阱中的電子。如上所述，在該實(shí)施例中，當(dāng)像素信號復(fù)位時(shí)，漏極電壓VD被調(diào)制，并且在某些情況下，漏極電壓VD和柵極電壓VG均被調(diào)制(在圖6所示的實(shí)例中，漏極和柵極之間的電位差增加)以釋放在漏電極中累積的信號電荷(電子)。在該實(shí)施例中，當(dāng)亮度低時(shí)，對像素單元給出所謂的伽瑪(Y)特性，以增加調(diào)制度和轉(zhuǎn)換效率。在該實(shí)施例中，向高動(dòng)態(tài)范圍(DR)應(yīng)用Y特性。以下說明像素單元的Y特性。
圖7是圖2A所示的a-a’線中的電位分布實(shí)例的示圖。作為雙阱的一個(gè)特性，如圖7所示，傳感器累積區(qū)域具有寬闊的電位形狀。因此， 雙阱的容量隨信號量改變并具有非線性(Y特性)。然而，在Y特性的情況下，即增益在小信號輸出期間響應(yīng)于單阱結(jié)構(gòu)的非線性而增加并且在小信號輸出期間缺乏信號的情況下，由于可以進(jìn)行逆Y校正并且增益在低亮度期間是負(fù)的，所以與信號同時(shí)壓縮噪聲。這可以減少噪聲。以這種方式，在該實(shí)施例中，正面利用了 Y特性，并且如圖2B所示，設(shè)置了用于累積小信號的相當(dāng)深的η型伽瑪袋(gamma pocket) 180。在伽瑪袋180中，信號載流子和信號電流集中在一點(diǎn)并提高了小信號的調(diào)制度?？梢栽趫?zhí)行信號處理的后級中在DSP中執(zhí)行逆伽瑪校正，并實(shí)現(xiàn)總的噪聲壓縮。如圖7所示，像素單元Cel具有其容量在大信號輸出期間增加以及根據(jù)Y特性實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍(DR)的結(jié)構(gòu)。圖8是根據(jù)該實(shí)施例的信號讀出處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。列⑴方向控制電路4包括⑶S電路41。將處于開(ON)狀態(tài)的像素單元Cel的累積信號通過信號傳輸線SL和開關(guān)SW傳送給⑶S電路41。參考符號IS表示用于形成源極跟隨器的電流源。上面說明了根據(jù)該實(shí)施例的像素單元的結(jié)構(gòu)和功能。下面說明像素部2的像素單元陣列、包括反射體的結(jié)構(gòu)等。圖9是根據(jù)該實(shí)施例的像素部中的像素單元的布局實(shí)例的示圖。圖IOA是沿圖9 所示的a-a’線截取的簡化截面圖。IOB是沿圖9所示的b-b’線截取的簡化截面圖。在該實(shí)施例中，以矩陣形狀配置像素單元Cel。采用了 Bayer陣列。在第一阱110和第二阱120的側(cè)壁上形成ρ型元件分隔層(導(dǎo)電層)140A。在ρ 型元件分隔層140Α中形成包括形成晶體管130的η+層的源極區(qū)141和漏極區(qū)142。在源極區(qū)141側(cè)或漏極區(qū)142側(cè)上形成阱接觸區(qū)143。在該實(shí)例中，在源極區(qū)141側(cè)形成阱接觸區(qū) 143。在與ρ型元件分隔層140Α相對的位置形成柵極接觸電極190。在除元件分隔層140Α之外的像素單元Cel的柵電極131的前側(cè)(沒有照射光的一側(cè))上形成反射體200。以這種方式，配置像素單元以與相鄰的像素單元共用部分或多個(gè)漏極、源極、阱或柵極的接觸。這可以提高布局效率。換句話說，由于可以通過一個(gè)晶體管來配置像素單元，所以在像素分隔層的四個(gè)方向上配置漏極、源極、柵極和阱的接觸，并且柵極占據(jù)整個(gè)像素。因此，晶體管的隨機(jī)噪聲顯著減少。在圖9所示的布局實(shí)例中，通過附圖所示的X和Y方向中的Y方向(垂直方向或行方向)上彼此相鄰的像素單元共用漏極接觸DCNT和源極接觸SCNT。柵極接觸GCNT和阱接觸WCNT被X方向(水平方向或列方向)上彼此相鄰的像素單元共用。以這種方式，可以在像素分割層的四個(gè)方向上配置漏極接觸DCNT、源極接觸 SCNT、柵極接觸GCNT和阱(基板)接觸WCNT。因此，如圖11所示，這種布局也可以用在所謂的鋸齒形陣列中。
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在圖11所示的實(shí)例中，將圖9所示的配置旋轉(zhuǎn)了 45度。圖12是在X方向(水平方向)條紋中共用柵極的布局實(shí)例的示圖。如圖所示，在這種布局中，在水平條紋中共用柵極并在源極側(cè)或漏極側(cè)上設(shè)定阱 (基板)接觸WCNT。這樣就可以容易地形成反射體200。在這種情況下，可以在X(水平)方向上每隔一列配置阱(基板)接觸WCNT?？梢愿鶕?jù)抗壓或布局來確定是否應(yīng)在漏極側(cè)或源極側(cè)設(shè)置阱(基板)接觸WCNT。當(dāng)在源極側(cè)上設(shè)定阱(基板)接觸WCNT時(shí)，由于電位差減小，所以具有可以容易地執(zhí)行像素尺寸縮小的優(yōu)點(diǎn)。圖13是縮小漏極側(cè)的布局實(shí)例的示圖。當(dāng)在漏極側(cè)上設(shè)置阱(基板)接觸WCNT時(shí)，漏極寬度減小，S卩，被縮小以確?？箟毫?。因此，由于源極側(cè)的溝道加寬，所以源極側(cè)加深且累積信號的部分和趨于被施加調(diào)制的部分彼此一致，并獲得了高調(diào)制特性。圖14是根據(jù)該實(shí)施例的像素部中的像素單元的布局實(shí)例的示圖。圖15A是沿圖 14所示的a-a’線截取的簡化截面圖。圖15B是沿圖14所示的b_b’線截取的簡化截面圖。圖14所示的布局與圖9所示實(shí)例的布局相同。然而，在該實(shí)例中，在第一基板面 101(后表面)側(cè)而不是第二基板面102側(cè)上形成阱(基板)接觸WCNT。在第二基板面102 側(cè)上包括P型元件分隔層140A的整個(gè)像素單元上形成柵電極131。在這種情況下，用于防止顏色混合的未示出的遮光膜還可以用作未示出的配線。通過采用這種結(jié)構(gòu)，對稱地形成反射體200的配線。這在抗壓方面是有利的。以下更加詳細(xì)地說明反射體200。在根據(jù)作為背照型并采用雙阱結(jié)構(gòu)的該實(shí)施例的像素單元Cel中，在晶體管130 的柵電極131上形成了一定空間。因此，可以在該空間中設(shè)置利用了配線金屬等的反射體結(jié)構(gòu)。透過硅基板100的光被反射體200反射并在硅基板100的第一阱110中再次光電轉(zhuǎn)換。例如，這可以提高近紅外靈敏度。在這種情況下，如圖16A所示，基板相對較厚(大約6 μ m 10 μ m)，并且例如可以通過使用反射體200對近紅外光的反射而施加給夜視監(jiān)控相機(jī)。此外，如圖16B所示，如果基板100的厚度正減小以反射G光至R光，則因?yàn)閮H需
要大約一半的基板厚度，所以還可以進(jìn)一步將像素尺寸減半。通常，對于可視光，需要硅基板必須具有2 μ m 3 μ m的厚度，并且以達(dá)到約25度的入射角來接收光。限制約1 2的縱橫比。因此，約Iym 1.5 μπι是像素尺寸的限制。然而，如在該實(shí)施例中，如果使用反射體200，則硅基板必須僅具有Iym 1. 5μπι 的一半厚度。因此，作為像素尺寸，亞微米像素是可能的。在這種情況下，電極期望使用具有高可見光透射率的ITO膜。在該實(shí)施例中，反射體200是金屬(鋁，等)的配線。稍后描述該結(jié)構(gòu)實(shí)例。盡管沒有具體說明，但反射體可以由非導(dǎo)電絕緣膜等形成。下面說明通過共用列電路實(shí)現(xiàn)尺寸減小的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，在像素部2的像素單元的矩陣陣列中，將漏極接觸在列中被分為兩個(gè)以上的組以共用列方向(X方向)控制電路4中的列電路，并實(shí)現(xiàn)了尺寸的減小。圖17A和圖17B是接觸共用像素部的像素單元陣列實(shí)例的示圖。圖17A是像素單元布局實(shí)例的示圖。圖17B是對應(yīng)于圖17A的圖樣布局的示圖。圖18是采用圖17所示的布局并簡化了共用列電路的信號處理系統(tǒng)和像素部的等效電路的示圖。在下面的說明中，假設(shè)信號Sel被提供給晶體管的所選柵極。在該實(shí)例中，兩條垂直線共用漏極。在圖17A所示的實(shí)例中，以矩陣形狀配置所選擇并示出的16個(gè)單元Cel?；旧?，采用了 Bayer陣列。在第一行第一列中配置G (綠色，Gr)像素單元Cel 11， 在第一行第二列中配置B (藍(lán)色)像素單元Cell2，在第二行第一列中配置R(紅色)像素單元Cel21，以及在第二行第二列中配置G(Gb)像素單元Cel22。類似地，在第一行第三列中配置G(Gr)像素單元Cell3，在第一行第四列中配置 B像素單元Cell4，在第二行第三列中配置R像素單元Cel23，以及在第二行第四列中配置 G(Gb)像素單元Cel24。在第三行第一列中配置G像素單元Cel31，在第三行第二列中配置B像素單元 Cel32，在第四行第一列中配置R像素單元Cel41，以及在第四行第二列中配置G(Gb)像素單元 Cel42。類似地，在第三行第三列中配置G(Gr)像素單元Cel33，在第三行第四列中配置 B像素單元Cel34，在第四行第三列中配置R像素單元Cel43，以及在第四行第四列中配置 G(Gb)像素單元Cel44。在像素單元陣列的每列中，彼此相鄰的奇數(shù)行和偶數(shù)行中的像素單元共用了漏極接觸。在圖17A所示的實(shí)例中，像素單元Celll和Cel21共用漏極接觸DCNT，以及像素單元Cel31和Cel41共用漏極接觸DCNT。類似地，像素單元Cell2和Cel22共用漏極接觸DCNT，以及像素單元Cel32和 Cel42共用漏極接觸DCNT。像素單元Cel 13和Cel23共用漏極接觸DCNT，以及像素單元Cel33和Cel43共用漏極接觸DCNT。像素單元Cel 14和CelM共用漏極接觸DCNT，以及像素單元CelM和Cel44共用漏極接觸DCNT。在圖17A所示的實(shí)例中，通過共用漏極接觸DCNT的第一行中的像素單元Celll Cel 14以及第二行中的像素單元Cel21 CelM形成組GRPl。類似地，通過共用漏極接觸DCNT的第三行中的像素單元Cel31 Cel34以及第四行中的像素單元Cel41 Cel44形成組GRP2。在彼此相鄰的組之間的每列中，彼此相鄰的像素單元共用源極接觸SCNT。在圖17A所示的實(shí)例中，組GRPl的像素單元Cel21與組GRP2的像素單元Cel31 共用源極接觸SCNT。組GRPl的像素單元Cel22與組GRP2的像素單元Cel32共用源極接觸SCNT。組GRPl的像素單元Cel23與組GRP2的像素單元Cel33共用源極接觸SCNT。
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組GRPl的像素單元CelM與組GRP2的像素單元CelM共用源極接觸SCNT。在圖17B中，參考符號LGNDl LGND5等表示連接至阱接觸WCNT的地線，LSGNl LSGN4等表示連接至源極接觸SCNT的信號線，LGTl LGT3等表示連接至柵極接觸的柵極線，以及LDRNl LDRN2等表示連接至漏極接觸的漏極線。為Y方向(行方向)上的每列配置地線LGND和信號線LSGN。為X方向(列方向)上的每行配置柵極線LGT和漏極線LDRN。通過配線的層疊結(jié)構(gòu)形成地線LGND、信號線LSGN、柵極線LGT和漏極線LDRN。例如，通過底層中的第一金屬配線(IMT)形成地線LGND。通過從底部開始的第二層中的第二金屬配線QMT)形成信號線LSGN。通過從底部開始的第三層中的第三金屬配線(3MT)經(jīng)由設(shè)置在線之間同時(shí)保持絕緣特性的絕緣膜來形成柵極線LGT和漏極線LDRN。在該實(shí)施例中，通過例如Al配線Lal來支持(back)由第三金屬配線形成的漏極線LDRN，以減少阻抗作為防備頂降低的措施。在該實(shí)施例中，如圖17A、圖17B和圖18所示，在組GRl GRP3的每個(gè)組中，在共用漏極接觸的像素單元中，柵極接觸GCNT和阱(基板)接觸WCNT被形成為在X方向(列方向)上面向相反方向。在奇數(shù)列和偶數(shù)列中，柵極接觸GCNT和阱(基板)接觸WCNT被形成為也面向相反方向。具體地，在組GRPl中，在X方向上，在圖中的左側(cè)形成第一列中像素單元Celll中的柵極接觸GCNT，以及在X方向上，圖中的右側(cè)形成阱接觸WCNT。在第一列中的像素單元Cel21上，在X方向上圖中的右側(cè)形成柵極接觸GCNT，以及在X方向上圖中的左側(cè)形成阱接觸WCNT。像素單元Celll的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第二列中的地線LGND2。像素單元Cel21的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第一列中的地線LGNDl。在第二列中的像素單元Cell2上，在X方向上，在圖中的右側(cè)形成柵極接觸GCNT。 在X方向上，在圖中的左側(cè)形成阱接觸WCNT。在X方向上，在圖中的左側(cè)形成第二列中的像素單元Cel22的柵極接觸GCNT。在 X方向上，在圖中的右側(cè)形成阱接觸WCNT。像素單元Cell2的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第二列中的地線LGND2。像素單元Cel22的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第三列中的地線LGND3。在X方向上，在圖中的左側(cè)形成第三列中的像素單元Cell3的柵極接觸GCNT，以及在X方向上，在圖中的右側(cè)形成阱接觸WCNT。在X方向上，在圖中的右側(cè)形成第三列中的像素單元Cel23的柵極接觸GCNT，以及在X方向上，在圖中的左側(cè)形成阱接觸WCNT。像素單元Cell3的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第四列中的地線LGND4。像素單元Cel23的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第三列中的地線LGND3。在X方向中上，在圖中的右側(cè)形第四列中的像素單元Cell4柵極接觸GCNT。在X 方向上，在圖中的左側(cè)形成阱接觸WCNT。在X方向上，在圖中的左側(cè)形成第四列中的像素單元CelM的柵極接觸GCNT，以及在X方向上，在圖中的右側(cè)形成阱接觸WCNT。像素單元Cell4的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第四列中的地線LGND4。像素單元Cel24的晶體管130的柵極經(jīng)由柵極接觸GCNT連接至柵極線LGT1。阱接觸WCNT連接至配置在第五列中的地線LGND5 (未示出)。組GRP2和GRP3基本上以相同的模式形成。因此，省略組GRP2和GRP3的詳細(xì)說明。如圖18所示，對于頂部讀出和底部讀出，將信號線LSGNl LSGN4等分別分為兩種信號線 LSGNl-T 和 LSGN1-B, LSGN2-T 和 LSGN2-B、LSGN3-T 和 LSGN3-B 以及 LSGN4-T 和 LSGN4-B 等。設(shè)置奇數(shù)組選擇開關(guān)(頂部開關(guān))OGSWl和偶數(shù)組選擇開關(guān)(底部開關(guān))EGSWl，并以兩列為單位設(shè)置頂部開關(guān)0GSW2和底部開關(guān)EGSW2。信號線LSGNl-T和LSGN2-T連接至頂部開關(guān)OGSWl的兩個(gè)切換端。信號線LSGNl-B 和LSGN2-B連接至底部開關(guān)EGSWl的兩個(gè)切換端。信號線LSGNl-T和LSGN2-T連接至奇數(shù)組GRPl、GRP3等的源極接觸SCNT。信號線LSGNl-B和LSGN2-B連接至偶數(shù)組GRP2、GRP4 等的源極接觸SCNT。類似地，信號線LSGN3-T和LSGN4-T連接至頂部開關(guān)0GSW2的兩個(gè)切換端。信號線LSGN3-B和LSGN4-B連接至底部開關(guān)EGSW2的兩個(gè)切終端。信號線LSGN3-T和LSGN4-T 連接至奇數(shù)組GRP1、GRP3等的源極接觸SCNT。信號線LSGN3-B和LSGN4-B連接至偶數(shù)組 GRP2、GRP4等的源極接觸SCNT。頂部開關(guān)0GSW1、0GSW2等的固定端連接至第一信號傳輸線LSTM1。底部開關(guān) EGSffU EGSW2的固定端連接至第二信號傳輸線LSTM2。電流源1401連接至第一信號傳輸線LSTMl。電流源1401與第一信號傳輸線LSTMl 的連接點(diǎn)經(jīng)由電容器C401連接至列電路400的比較器401。比較器401的反相輸入(_)連接至電容器C401。將基準(zhǔn)電位給予其非反相輸入 ⑴。在比較器401的反相輸入㈠和輸出之間連接復(fù)位開關(guān)402。通過例如MOS晶體管形成開關(guān)402。電流源1411連接至第二信號傳輸線LSTM2。電流源1401與第二信號傳輸線LSTM2 的連接點(diǎn)經(jīng)由電容器C411連接至列電路410的比較器411。比較器411的反相輸入端(_)連接至電容器C411。將基準(zhǔn)電位提供給其非反相輸入端⑴。在比較器411的反相輸入端(_)和輸出之間連接復(fù)位開關(guān)412。通過例如MOS晶體管形成開關(guān)412。在這種結(jié)構(gòu)中，可以分別為奇數(shù)和偶數(shù)采樣信號以奇數(shù)的D相Do、奇數(shù)的P相Po、 偶數(shù)的D相De和偶數(shù)的P相Pe的順序執(zhí)行復(fù)位。在垂直和水平方向上，可以用數(shù)字相加 (垂直方向上，相反增加)執(zhí)行來自相同顏色像素的信號的任意相加處理。圖19A和圖19B是圖17A和圖17B所示的方形陣列中的信號輸出順序的示圖。圖 19A是當(dāng)不共用水平列時(shí)用于輸出信號的信號輸出順序的示圖。圖19B是當(dāng)共用水平列時(shí)用于輸出信號的信號輸出順序的示圖。在圖19A和圖19B中，為了以信號輸出順序配置像素單元，從布局圖所示垂直反轉(zhuǎn)像素單元的配置。在該實(shí)例中，行和列表示為V行和H列，并為各行和各列附加上數(shù)字。向輸出信號給出對應(yīng)于像素單元RGB和矩陣陣列的數(shù)字。例如，第一行、第一列中的信號表示為R11，以及第一行、第二列中的信號表示為G12。在圖19A所示實(shí)例的情況下，以根據(jù)底側(cè)和頂側(cè)上的像素單元陣列的順序來輸出信號。在圖19B所示實(shí)例的情況下，以時(shí)分方式輸出信號。例如，首先，在底側(cè)讀出像素單元G12、G14等的信號以及在頂側(cè)讀出像素單元B22 和B24的信號，然后，在底側(cè)讀出像素單元R11、R13等的信號以及在頂側(cè)讀出像素單元G21 和G23的信號。以這種方式，可以為每種相同顏色執(zhí)行信號讀出并執(zhí)行來自相同顏色像素的信號的任意相加處理。如上所述，在圖17A、圖17B和圖18所示實(shí)例中，為每兩條線交替讀出以及在奇數(shù)列和偶數(shù)列中分開讀出( 和Gr。在該實(shí)例中，由于通過兩條線共用漏極，所以根據(jù)上部和下部列陣列的平行處理 (雙倍速度)是必要的。此外，由于為每兩條線從上面和下面交替輸出GrAib的信號，所以垂直執(zhí)行數(shù)字相加或2/4稀疏?？梢愿鶕?jù)水平復(fù)位漏極的分離(S卩，分為奇數(shù)列和偶數(shù)列)共用兩個(gè)以上的列(1/ η減速)ο此外，可以執(zhí)行列減少。此外，在顏色編碼同步中，可以通過同一列信號中的數(shù)字相加執(zhí)行來自相同顏色像素的任意的信號相加處理。此外，由于通過用于減小阻抗的Al支持漏極線LDRN的水平配線，所以可以防止傳輸至漏極線的信號電壓的降低。圖20Α和圖20Β是通過將圖17Α和圖17Β所示的方形陣列旋轉(zhuǎn)45度而形成的鋸齒形陣列的示圖。圖20Α是像素單元的布局實(shí)例的示圖。圖20Β是對應(yīng)于圖20Α的圖案布局的示圖。圖21是采用圖20Α所示的布局并簡化了共用列電路的信號處理系統(tǒng)和像素部的等效電路的示圖。通過簡單地將電極和電極下的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45度并為鋸齒形陣列設(shè)計(jì)配線，可以實(shí)現(xiàn)鋸齒形陣列。
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在這種情況下，基本操作與圖17A、圖17B和圖18所示方形陣列的情況下的操作相同?？梢苑謩e為奇數(shù)和偶數(shù)采樣信號以奇數(shù)的D相Do、奇數(shù)的P相Po、偶數(shù)的D相De和偶數(shù)的P相Pe的順序執(zhí)行復(fù)位。在垂直和水平方向上，可以用數(shù)字相加(垂直方向上，相反增加)執(zhí)行來自相同顏色像素的信號的任意相加處理。圖22A和圖22B是通過旋轉(zhuǎn)圖17A和圖17B所示的方形陣列而形成的另一鋸齒形陣列的示圖。圖22A是像素單元的布局實(shí)例的示圖。圖22B是對應(yīng)于圖22A的圖案布局的示圖。圖23是采用圖22A所示的布局并簡化了共用列電路的信號處理系統(tǒng)和像素部的等效電路的示圖。在圖20A、20B和圖21所示的實(shí)例中，信號讀出的形式與圖17A、圖17B和圖18的情況相同。然而，在圖22A、圖22B和圖23所示的實(shí)例中，交替配置底部的各列和頂部的各列。在這種情況下，基本操作與在圖17A、圖17B和圖18所示方形陣列情況下的操作相同?？梢苑謩e為奇數(shù)和偶數(shù)采樣信號以奇數(shù)的D相Do、奇數(shù)的P相Po、偶數(shù)的D相De和偶數(shù)的P相Pe的順序執(zhí)行復(fù)位。在垂直和水平方向上，可以用數(shù)字相加(垂直方向上，相反增加)執(zhí)行來自相同顏色像素的信號的任意相加處理。圖24A和圖24B是圖20A和圖20B所示的鋸齒形陣列中的信號輸出順序的示圖。 圖24A是當(dāng)不共用水平列時(shí)用于輸出信號的信號輸出順序的示圖。圖24B是當(dāng)共用水平列時(shí)用于輸出信號的信號輸出順序的示圖。在該實(shí)例中，行和列被表示為V行和H列，并為各行和各列附加上數(shù)字。為輸出信號給出對應(yīng)于像素單元RGB和矩陣陣列的數(shù)字。在圖24A所示實(shí)例的情況下，以根據(jù)底側(cè)和頂側(cè)上的像素單元陣列的順序輸出信號。在圖24B所示實(shí)例的情況下，以時(shí)分方式輸出信號。例如，首先，在底側(cè)讀出像素單元R11、R13等的信號以及在頂側(cè)讀出像素單元G22 和G24的信號，然后，在底側(cè)讀出像素單元B12、B14等的信號以及在頂側(cè)讀出像素單元G23 和G25的信號。以這種方式，可以為每種相同顏色執(zhí)行信號讀出以及執(zhí)行來自相同顏色像素的信號的任意相加處理。圖25A和圖25B是圖22A和圖22B所示的鋸齒形陣列中的信號輸出順序的示圖。 圖25A是當(dāng)不共用水平列時(shí)用于輸出信號的信號輸出順序的示圖。圖24B是當(dāng)共用水平列時(shí)用于輸出信號的信號輸出順序的示圖。在該實(shí)例中，行和列被表示為V行和H列，并為各行和各列附加上數(shù)字。向輸出信號給出對應(yīng)于像素單元RGB和矩陣陣列的數(shù)字。在圖25A所示實(shí)例的情況下，以根據(jù)底側(cè)和頂側(cè)上的像素單元陣列的順序輸出信號。在圖25B所述實(shí)例的情況下，以時(shí)分方式輸出信號。例如，首先，在底側(cè)讀出像素單元Rll、R13、R15等的信號以及在頂側(cè)讀出像素單元G21、G23和G25的信號，然后，在底側(cè)讀出像素單元G22、G24、G^等的信號以及在頂側(cè)讀出像素單元B12、B14和B16的信號。 以這種方式，可以為每種相同顏色執(zhí)行信號讀出以及執(zhí)行來自相同顏色像素的信號的任意相加處理。 上面說明了像素單元陣列的具體實(shí)例。下面說明當(dāng)采用圖17A和圖17B所示的方形陣列時(shí)的反射體的形成實(shí)例。在根據(jù)該實(shí)施例的像素單元陣列中，可以在柵極的四個(gè)方向上配置漏極接觸 DCNT、源極接觸SCNT、柵極接觸GCNT和阱(基板)接觸WCNT。因此，如圖26A所示，整個(gè)感光區(qū)都是柵極區(qū)。因此，如圖26B所示，反射體200基本上可以被形成為疊加在整個(gè)柵極區(qū)上。換句話說，當(dāng)采用圖17A和圖17B所示的方形陣列時(shí)，可以通過使用層疊結(jié)構(gòu)的任意配線來形成反射體。下面說明第一至第三實(shí)例。圖27是反射體和配線共用布局的第一實(shí)例的示圖。圖觀是反射體和配線共用布局的第二實(shí)例的示圖。圖四是反射體和配線共用布局的第三實(shí)例的示圖。在圖27所示的第一實(shí)例中，不同于圖17A和圖17B所示的實(shí)例，柵極線LGT是第一金屬配線，漏極線LDRN是第二金屬配線，以及信號線LSGN和地線LGND是第三金屬配線。在這種情況下，柵極線LGT的第一金屬配線用作反射體200。與柵極區(qū)相關(guān)聯(lián)并且選擇性地形成反射體200。在圖觀所示的第二實(shí)例中，如圖17A和圖17B所示的實(shí)例，地線LGND是第一金屬配線，信號線LSGN是第二金屬配線，以及柵極線LGT和漏極線LDRN是第三金屬配線。在這種情況下，地線LGND的第一金屬配線用作反射體200。在圖四所示的第三實(shí)例中，如圖27所示的實(shí)例，柵極線LGT是第一金屬配線，漏極線LDRN是第二金屬配線，以及信號線LSGN和地線LGND是第三金屬配線。在這種情況下，柵極線LGT的第一金屬配線被用作反射體200。以條紋狀形成反射體 200。上面說明了像素單元結(jié)構(gòu)、陣列和反射體形成的實(shí)例。下面說明包括列電路側(cè)的信號處理系統(tǒng)的特性結(jié)構(gòu)和功能。首先，在該實(shí)施例中，固態(tài)成像裝置1具有預(yù)線復(fù)位功能，用于將先前線的復(fù)位電平用作列電路400 (410)的比較器401(411)的參考電平來提高大光量阻抗。圖30A和圖30B是用于說明預(yù)線復(fù)位的基本概念的示圖。圖30A是等效電路的示圖。圖30B是時(shí)序圖。在這種情況下，在比較器401 (411)中與斜坡波形VRAMP的比較操作之前(D相讀出之前)，接通列電路400(410)的開關(guān)(SW)402G12)，并連接比較器的輸入和輸出以執(zhí)行電路復(fù)位。因此，通過將先前線的復(fù)位電平用作列電路400(410)的比較器401(411)的參考電平來提高大光量阻抗。該實(shí)施例采用了通過在像素復(fù)位使像素單元飽和緊前從漏極向像素注入電荷之后執(zhí)行復(fù)位操作(硬復(fù)位像素單元)減少殘留圖像的功能。
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圖31A和圖31B是根據(jù)該實(shí)施例的對應(yīng)于硬復(fù)位功能的信號處理系統(tǒng)的示意圖。 圖31A是等效電路的示圖。圖31B是時(shí)序圖。在這種情況下，在開關(guān)SW401與配置在信號傳送線和列線400 (410)之間的電容器 C40KC411)之間設(shè)置晶體管Q401(漏極連接至電源電位，源極連接至比較器401 (411))、經(jīng)由開關(guān)SW402連接在晶體管Q401與地線之間的連接點(diǎn)的比較器C402、經(jīng)由開關(guān)W403連接至晶體管Q401的源極的電流源1402以及連接至晶體管Q401的柵極的電流源1403。晶體管Q401的柵極連接至開關(guān)SW401。在硬復(fù)位中，當(dāng)晶體管130的柵極電壓VG設(shè)為OV -1. OV而漏極電壓VD設(shè)為 1.8V時(shí)，其源極電壓VS為高阻抗Hi-Z或LD。累積的電子溢出(OF)。換句話說，像素單元 Cel飽和。為此，信號被保持。在下面的復(fù)位操作中，當(dāng)晶體管130的柵極電壓VG設(shè)為OV -1. OV且其漏極電壓VD設(shè)為等于或高于3. 0V,例如，設(shè)為3. 7V時(shí)，其源極電壓VS為高阻抗Hi-Z或LD。通過漏電極向外部釋放存在于累積阱中的電子。在這種情況下，為了防止消耗采樣時(shí)間的信號側(cè)的泄漏，例如，僅在信號側(cè)執(zhí)行模擬采樣并數(shù)字地執(zhí)行CDS。結(jié)果，通過增加一個(gè)電容器獲得了顯著的改善效果。例如，可以通過結(jié)合用于D相的模擬采樣和用于P相的數(shù)字采樣而以小尺寸提高大光量阻抗。也可以對所謂的浮置擴(kuò)散(FD)結(jié)構(gòu)的像素單元施加對應(yīng)于模擬SHD和數(shù)字⑶S 的電路結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，確實(shí)向像素單元給出Y特性。與Y特性相結(jié)合，通過使用具有與像素單元的晶體管130相同結(jié)構(gòu)的背柵極終端的晶體管來配置逆γ校正電路。圖32是用于說明包括逆Y校正電路的信號處理系統(tǒng)的基本概念的等效電路圖。逆Y校正電路420包括具有背柵極終端的晶體管421、配置電流反射鏡的晶體管 422和423、開關(guān)SW421、電容器C421以及電流源1421、1422和1423。連接晶體管421的源極和電流源1421。晶體管421的源極與電流源1421的連接點(diǎn)連接至開關(guān)SW401。晶體管421的漏極連接至晶體管422的源極。連接晶體管422的柵極和漏極。柵極和漏極的連接點(diǎn)連接至電流源1422、晶體管423的柵極和開關(guān)SW421。晶體管423的漏極連接至電源電位。晶體管423的源極連接至電流源1423。晶體管423的源極與電流源1423的連接點(diǎn)連接至晶體管421的基板和電容器C401。電容器 C421連接至開關(guān)SW421。由于信號處理系統(tǒng)的時(shí)序圖與圖31Β所示相同，所以在圖中沒有示出時(shí)序圖。通過逆Υ校正電路420降低γ特性，S卩，Y特性的非線性被改變?yōu)榫€性以執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)該實(shí)施例的信號處理系統(tǒng)具有如上所述的特性。在通常的列數(shù)字⑶S或ADC中，在一個(gè)H(水平)周期內(nèi)緩慢執(zhí)行⑶S或ADC。假設(shè)在FD中存儲(chǔ)信號。然而，在閾值調(diào)制系統(tǒng)中，即使在CDS或ADC期間也會(huì)通過所接收的光引起信號改變。因此，當(dāng)以大光量使用高速電子快門時(shí)，可能發(fā)生信號錯(cuò)誤和黑浮(floating black)。通常，通過高速模擬⑶S來防止這種問題。在該系統(tǒng)中，可以考慮快門速度和信號量來校正黑電平。不考慮特定范圍內(nèi)的電子快門速度明確引起問題。為了防止消耗采樣時(shí)間的信號側(cè)的泄漏，如上所述，例如，僅在信號側(cè)執(zhí)行模擬采樣。結(jié)果，通過增加一個(gè)電容器獲得了顯著的提高效果。使用先前線的復(fù)位電平的預(yù)線復(fù)位系統(tǒng)可以處理列CDS的復(fù)位。圖33A 圖33C是預(yù)線系統(tǒng)、兩列共用以及2X2像素定時(shí)的電平圖的示圖。圖 33A是工作電壓實(shí)例的示圖。圖3 是兩列共用中的靜態(tài)圖像順序?qū)嵗氖緢D。圖33C是 2 X 2像素相加順序?qū)嵗氖緢D。在該實(shí)施例中，例如，如圖34所示，以陣列形狀配置像素單元(晶體管)以獲得具有多個(gè)像素的一個(gè)輸出信號。這可以獲得高-Qs和低噪聲動(dòng)態(tài)范圍。在固態(tài)成像元件或元件外部的信號處理IC中，可以執(zhí)行獲得一個(gè)輸出信號的方法。當(dāng)在元件外部的信號處理IC中執(zhí)行該方法時(shí)，存在例如可以校正缺陷像素的優(yōu)點(diǎn)。在該實(shí)施例中，例如，如圖35的平面圖和圖36的簡化截面圖所示，如果最終獲得一個(gè)輸出，則以多個(gè)像素為單位執(zhí)行元件分隔，以準(zhǔn)備在以陣列形狀配置的多個(gè)像素中混合信號。因此，傳感器累積區(qū)域進(jìn)一步被擴(kuò)展，并且可以獲得高動(dòng)態(tài)范圍(D范圍)。在該實(shí)施例中，例如，如圖36B的簡化截面圖所示，如果濾色片譯碼在以陣列形狀配置的多個(gè)像素中不是相同顏色，而是例如為原色B(Blue)和R(Red)，則獲得補(bǔ)色品紅色。 因此，可以使用在凸輪編碼器等中使用的補(bǔ)色信號處理。結(jié)果，顏色再現(xiàn)性與原色相同，并且可以獲得通過共用濾色片材料提高大規(guī)模生產(chǎn)力。在該實(shí)施例中，例如，如圖37以及圖38A和38B所示，在共用一部分或多個(gè)與相鄰像素單元的漏極、源極、基板(阱)或柵極的接觸的像素中，當(dāng)以多個(gè)像素為單位執(zhí)行元件分隔時(shí)，由于可以消除復(fù)位漏極下的元件分隔P講，所以具有可以減小復(fù)位電壓的效果。在根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置1中，通過連續(xù)光電轉(zhuǎn)換而不在從像素讀出信號的過程中復(fù)位像素，可以執(zhí)行非破壞性讀出而不使暗電流劣化。例如，根據(jù)非破壞性讀出，可以在低速曝光和閥曝光(valve exposure)期間實(shí)現(xiàn)高-S/N寬動(dòng)態(tài)范圍(寬D范圍)和實(shí)時(shí)取景。根據(jù)非破壞性讀出，還可以實(shí)現(xiàn)各種形式，例如，可以執(zhí)行靜態(tài)圖像低速曝光以及運(yùn)動(dòng)圖像的異步和同步同時(shí)操作，AE和AF的同時(shí)使用成為可能，并且可以在整個(gè)區(qū)域通過高速局部掃描隨機(jī)地執(zhí)行實(shí)時(shí)AE/AF。圖39是根據(jù)非破壞性讀出的寬動(dòng)態(tài)范圍(寬D范圍)序列的實(shí)例的示圖。在圖39中，垂直方向表示信號電平，水平方向表示曝光時(shí)間。< 步驟 ST1>對信號電平進(jìn)行復(fù)位并執(zhí)行黑掃描。拍攝閾值Vh變化圖像。< 步驟 ST2>在時(shí)間tl，執(zhí)行第一中間掃描(SCAN#1)。拍攝高亮度圖像并獲得Vth差。< 步驟 ST3>在時(shí)間t2，執(zhí)行第二中間掃描(SCAN#2)。拍攝中等亮度圖像并獲得Vth差。< 步驟 ST4>在時(shí)間t3，執(zhí)行最終掃描以復(fù)位信號電平。拍攝低亮度圖像(⑶S)。盡管圖中沒有示出，但如步驟ST5，通過對高亮度圖像、中等亮度圖像和低亮度圖像進(jìn)行圖像組合來成像實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍。(各個(gè)圖像與時(shí)間比率相乘并通過電平進(jìn)行組合以獲得高DR圖像。)圖40是根據(jù)非破壞性讀出的低速實(shí)時(shí)取景序列的實(shí)例的示圖。在圖40中，垂直方向表示信號電平，水平方向表示曝光時(shí)間?！床襟EST11>對信號電平進(jìn)行復(fù)位并執(zhí)行黑掃描。拍攝閾值Vh變化圖像。< 步驟 ST12>執(zhí)行第一中間掃描(SCAN#1)。拍攝#1圖像并獲得#0Vth差，并例如進(jìn)行顯示用于監(jiān)控。< 步驟 ST13>執(zhí)行第二中間掃描(SCAN#2)。拍攝#2圖像并獲得#lVth差，并例如進(jìn)行顯示用于監(jiān)控?！床襟EST14>執(zhí)行最終掃描。獲取#n圖像并獲得#nVth差，并例如進(jìn)行顯示用于監(jiān)控。< 步驟 ST15>執(zhí)行拍攝掃描以復(fù)位信號電平。執(zhí)行最終圖像拍攝⑶S和存儲(chǔ)器中的記錄。< 步驟 ST16>在異步型的情況下，按照l/30s顯示步驟ST15中拍攝的圖像(靜態(tài)圖像)。以這種方式，根據(jù)非破壞性讀出，可以在低速曝光和閥曝光期間實(shí)現(xiàn)例如高-S/N 寬動(dòng)態(tài)范圍(寬D范圍)和實(shí)時(shí)取景。如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，基板100包括其上照射光的第一基板面101側(cè)和其上形成元件的第二基板面102側(cè)。形成通過相鄰單元組和元件分隔層分隔的多個(gè)像素單元 Cel (2A)。每個(gè)像素單元Cel均包括形成在第一基板面101側(cè)上的第一導(dǎo)電(該實(shí)施例中為η型)阱(第一阱)110和與第一阱110相比進(jìn)一步形成在第二基板面102側(cè)上的第二導(dǎo)電(P型)阱(第二阱)120。η型第一阱110用作接收來自第一基板面101側(cè)的光的感光部，并具有用于所接收光的光電轉(zhuǎn)換功能和電荷累積功能。在第二阱120中形成檢測第一阱110的感光部中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的MOS晶體管130。在第一阱110和第二阱120的側(cè)壁上形成與第一導(dǎo)電類型(在該實(shí)施例中為η型)相反的第二導(dǎo)電類型的 P型元件分隔層(導(dǎo)電層)140以環(huán)繞側(cè)壁。可以通過漏極(D)/柵極(G)/源極(S)結(jié)構(gòu)的一個(gè)晶體管形成像素。因?yàn)橄袼亟Y(jié)構(gòu)與邏輯處理是兼容的，所以可以使步驟數(shù)量的增加最小化。因?yàn)榭梢怨灿寐O、源極、柵極和阱的接觸，所以布局效率較高，并且可以實(shí)現(xiàn)微像素。由于柵極區(qū)較大，所以晶體管噪聲非常小。由于整個(gè)像素都是累積區(qū)域，斯普哦飽和信號量較大，并且可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍 (DR)。由于向漏極釋放從界面生成的暗電流，所以不會(huì)發(fā)生界面中的暗電流圖像缺陷?？梢詧?zhí)行非破壞性讀出，其中，不管柵極是導(dǎo)通還是截止，暗電流都沒有惡化。整個(gè)感光部都是柵極。當(dāng)安裝反射體時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)近紅外高靈敏度和超好像素。
通過逆γ校正功能可以減少噪聲?？蓪⒕哂猩鲜鎏匦缘墓虘B(tài)成像裝置應(yīng)用為數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的成像裝置。圖41是應(yīng)用根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示圖。如圖41所示，相機(jī)系統(tǒng)500包括成像裝置510，可應(yīng)用根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置1 ；光學(xué)系統(tǒng)，將入射光引導(dǎo)至成像裝置510的像素區(qū)(聚焦目標(biāo)圖像)，例如，在成像面上會(huì)聚入射光(圖像光)的透鏡520 ；驅(qū)動(dòng)電路(DRV) 530，驅(qū)動(dòng)成像裝置510 ；以及信號處理電路(PRC) 540，處理成像裝置510的輸出信號。驅(qū)動(dòng)電路530包括定時(shí)生成器(未示出)，其生成各種定時(shí)信號，包括用于驅(qū)動(dòng)成像裝置510中的電路的開始脈沖和時(shí)鐘脈沖。驅(qū)動(dòng)電路530通過預(yù)定的定時(shí)信號驅(qū)動(dòng)成像裝置510。信號處理電路540對成像裝置510的輸出信號應(yīng)用諸如⑶S(相關(guān)雙采樣)的信號處理。在諸如存儲(chǔ)器的記錄介質(zhì)中記錄被信號處理電路540處理的圖像信號。記錄在記錄介質(zhì)中的圖像信號通過打印機(jī)等進(jìn)行硬拷貝。在包括液晶顯示器的監(jiān)控器上顯示被信號處理電路540處理的圖像信號作為運(yùn)動(dòng)圖像。如上所述，在諸如數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控相機(jī)、安裝在便攜電話上的相機(jī)、單鏡頭反光相機(jī)和掃描儀的成像裝置和電子設(shè)備中，可以通過安裝固態(tài)成像裝置1作為成像裝置510來實(shí)現(xiàn)高精度的相機(jī)。本發(fā)明不受實(shí)施例說明的限制。例如，在實(shí)施例中描述的數(shù)值和材料僅僅是實(shí)例。本發(fā)明不限于這些數(shù)值和材料。此外，在不背離本發(fā)明精神范圍的情況下可以進(jìn)行各種改進(jìn)。此外，在不背離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)可以有各種改進(jìn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素，可以在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)或其等同范圍內(nèi)，進(jìn)行各種修改、 組合、再組合以及改進(jìn)。
2權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像裝置，包括像素單元，形成在基板上，該基板具有光照射于其上的第一基板表面?zhèn)群推渖闲纬啥鄠€(gè)元件的第二基板表面?zhèn)龋⑶?，以所述像素單元中的每一個(gè)或者多個(gè)像素單元為單位，所述像素單元被相鄰的單元組和元件分隔層所分隔，其中，所述像素單元中的每一個(gè)均包括 第一導(dǎo)電阱，形成在所述第一基板表面?zhèn)壬希灰约暗诙?dǎo)電阱，形成在所述第二基板表面?zhèn)壬?，所述第一?dǎo)電阱接收來自所述第一基板表面?zhèn)鹊墓?，并具有用于所接收光的光電轉(zhuǎn)換功能和電荷累積功能，以及在所述第二導(dǎo)電阱中形成有檢測所述第一導(dǎo)電阱中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述累積電荷和信號電荷是相同載流子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述晶體管具有讀出晶體管的功能、復(fù)位晶體管的功能以及選擇晶體管的功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述像素單元具有當(dāng)亮度低時(shí)調(diào)制程度增加的伽瑪特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述像素單元具有在大信號輸出期間容量增加的結(jié)構(gòu)，并具有根據(jù)所述伽瑪特性實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，至少在所述第一導(dǎo)電阱和所述第二導(dǎo)電阱中的所述第一導(dǎo)電阱一側(cè)上形成第二導(dǎo)電分隔層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)成像裝置，其中，在所述第二導(dǎo)電阱或所述第二導(dǎo)電分隔層中形成第一導(dǎo)電源極區(qū)和第一導(dǎo)電漏極區(qū)，以及在所述基板的所述第二基板表面?zhèn)壬系脑礃O區(qū)和漏極區(qū)之間的所述第二導(dǎo)電阱中的溝道形成區(qū)上形成柵電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像裝置，其中，多個(gè)所述像素單元以陣列形式配置，并與相鄰的像素單元共用一部分或多個(gè)漏極、源極、阱或柵極的接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像裝置，其中， 多個(gè)所述像素單元以陣列形式配置，在像素陣列的一個(gè)方向上，以條紋形狀對所述像素單元共同形成所述像素單元的柵電極，以及在源極區(qū)側(cè)或漏極區(qū)側(cè)上形成阱接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)成像裝置，其中，在所述第二導(dǎo)電分隔層中形成阱接觸區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述阱接觸區(qū)形成在所述第一基板表面?zhèn)壬系乃龅诙?dǎo)電分隔層中。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)成像裝置，其中，當(dāng)所述阱接觸形成在漏極側(cè)上時(shí)，以隨漏極寬度的減小而收縮的形狀形成所述阱接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，在陣列形式的所述像素單元的配置中，漏極接觸按列分為兩個(gè)以上的組，并共用信號讀出處理系統(tǒng)的列電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中，在所述第二基板表面?zhèn)壬系乃鼍w管的柵電極或所述柵電極的更前部中，所述固態(tài)成像裝置具有反射體，所述反射體反射透射過所述基板的光并使所述光入射到所述基板的所述第二導(dǎo)電阱和所述第一導(dǎo)電阱上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述反射體還用作預(yù)定配線層。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中，在像素復(fù)位前，電荷被立即從漏極注入所述像素，然后所述像素被復(fù)位。
17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，還包括逆伽瑪校正電路，使用具有與所述像素單元的晶體管相同結(jié)構(gòu)的背柵終端的晶體管來執(zhí)行逆伽瑪校正。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)成像裝置，還包括用于從所述像素單元讀出信號的信號處理系統(tǒng)，其中，所述信號處理系統(tǒng)包括比較器，并將先前線的復(fù)位電平用作所述比較器的參考電平。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，還包括信號處理系統(tǒng)，在從所述像素讀出信號期間，執(zhí)行用于繼續(xù)光電轉(zhuǎn)換而不復(fù)位所述像素的破壞性讀出。
20.一種相機(jī)，包括固態(tài)成像裝置，從基板的第一基板表面?zhèn)冉邮展猓还鈱W(xué)系統(tǒng)，將入射光導(dǎo)向所述固態(tài)成像裝置的所述第一基板表面?zhèn)龋灰约靶盘柼幚黼娐?，處理所述固態(tài)成像裝置的輸出信號，其中所述固態(tài)成像裝置包括像素單元，形成在基板上，該基板具有光照射于其上的第一基板表面?zhèn)群推渖闲纬捎卸鄠€(gè)元件的第二基板表面?zhèn)龋⑶?，以所述像素單元中的每一個(gè)或者多個(gè)像素單元為單位，所述像素單元被相鄰的單元組和元件分隔層所分隔，所述像素單元中的每一個(gè)均包括第一導(dǎo)電阱，形成在所述第一基板表面?zhèn)壬?；以及第二?dǎo)電阱，形成在所述第二基板表面?zhèn)壬?，所述第一?dǎo)電阱接收來自所述第一基板表面?zhèn)鹊墓?，并具有用于所接收光的光電轉(zhuǎn)換功能和電荷累積功能，以及在所述第二導(dǎo)電阱中形成有檢測所述第一導(dǎo)電阱中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像裝置和相機(jī)，其中，該固態(tài)成像裝置包括像素單元，形成在基板上，該基板具有光照射于其上的第一基板表面?zhèn)群推渖闲纬啥鄠€(gè)元件的第二基板表面?zhèn)?，并且對于作為一個(gè)單位的像素單元中的每一個(gè)或者多個(gè)像素單元，像素單元被相鄰的單元組和元件分隔層所分隔。每個(gè)像素單元均具有形成在第一基板面?zhèn)壬系牡谝粚?dǎo)電阱和形成在第二基板面?zhèn)壬系牡诙?dǎo)電阱。第一導(dǎo)電阱接收來自第一基板面?zhèn)鹊墓獠⒕哂杏糜谒邮展獾墓怆娹D(zhuǎn)換功能和電荷累積功能。在第二導(dǎo)電阱中形成有檢測第一導(dǎo)電阱中的累積電荷并具有閾值調(diào)制功能的晶體管。本發(fā)明可以有效且迅速地執(zhí)行一系列操作，例如，光電載流子的生成和累積、電荷的讀出以及剩余電荷的傳輸。
文檔編號H04N5/335GK102184930SQ20111009093
公開日2011年9月14日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者丸山康, 原田耕一, 唐澤信浩, 寺籠博裕, 廣田功, 新田嘉一, 野村秀雄, 高島大 申請人:索尼株式會(huì)社