專利名稱：固態成像裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于各種設備的MOS型固態成像裝置，如用于家用攝相機、數字照相機或安裝在移動電話中的照相機。
背景技術：
參見圖9和10，下面介紹常規傳感器和驅動常規傳感器的方法。
圖9是常規傳感器的電路圖。圖9中所示的傳感器包括設置成2×2矩陣的光敏單元(每個單元被虛線包圍)。每個光敏單元包括光電二極管51、傳輸門52、浮置擴散層部分53、放大器晶體管54、復位晶體管55、和尋址晶體管56。而且，每個光敏單元對應形成圖像的一個像素。應該指出，為了簡化說明，這里假設光敏單元設置成2×2矩陣形式。然而，實際上，光敏單元設置成幾十到幾千行和列的矩陣形式。而且，在圖9中，包含在相同光敏單元中的元件設有相同的下標(a到d)，用于識別。
下面介紹圖9中所示的傳感器的驅動方法。為了從第一行上的光敏單元提取信號，首先通過垂直移位寄存器61控制包含于第一行上的第一光敏單元中的尋址寄存器56a和56b使其處于導通狀態。借此，浮置擴散層部分53a和53b復位。此時，放大器晶體管54a和裝入晶體管63p形成源跟隨器電路，在垂直信號線62p上產生輸出。同樣，放大器晶體管54a和裝入晶體管63p形成源跟隨器電路，在垂直信號線62q上產生輸出。這里，在垂直信號線62p和62q上呈現的電壓是噪聲電壓，它們與儲存在光電二極管51a和51b中的信號電荷無關。然后，傳輸門52a和52b被垂直移位寄存器61控制為導通狀態。這樣，儲存在光電二極管51a和51b中的信號電荷被轉移到浮置擴散層部分53a和53b，一起在垂直信號線62p和62q上出現對應儲存在光電二極管51a和51b中的信號電荷的信號電壓。
鉗位電容器64p和64q、鉗位晶體管65p和65q、采樣/保持晶體管66p和66q以及采樣/保持電容器67p和67q形成噪聲抑制電路。這個噪聲抑制電路獲得給浮置擴散層部分53施加信號電荷的像素輸出(信號輸出)和不給其施加信號電荷的像素輸出(即噪聲輸出)之間的差別。在圖9中所示傳感器中產生的噪聲主要包括由放大器晶體管54上的閾值電壓變化產生的噪聲和kTC噪聲，該kTC噪聲是在復位晶體管55產生的熱噪聲。當在垂直信號線62p和62q上出現噪聲輸出時，鉗位晶體管65p和65q和采樣/保持晶體管66p和66q被將處于導通狀態的控制端74和75控制。此時，通過鉗位電壓輸送端73給采樣/保持電容器67p和67q施加噪聲抑制鉗位電壓。預定時間之后，由控制端74控制鉗位晶體管65p和65q使其處于截止狀態。
然后，在垂直信號線62p和62q上出現都等于噪聲抑制信號電壓和噪聲電壓的和的若干個電壓。借此，垂直信號線62p和62q上的噪聲電壓各被改變為信號電壓和噪聲電壓的和，并且改變的每個量對應每個噪聲抑制信號電壓。相應地，在鉗位電容器64p和64q的采樣/保持側的電壓也被改變，改變的量對應噪聲抑制信號電壓。實際上，施加于采樣/保持電容器67p和67q的電壓分別從噪聲抑制鉗位電壓改變，改變的量對應通過由相應一個鉗位電容器和相應一個采樣/保持電容器劃分垂直信號線62p和62q對應之一上的信號電壓的改變量而獲得的電壓。因此，施加于每個采樣/保持電容器67p和67q的電壓是噪聲抑制鉗位電壓和被劃分信號電壓的和，并抑制了噪聲。將采樣/保持晶體管66p和66q控制為截止狀態之后，水平晶體管68p和68q依次地和選擇地被水平移位寄存器69控制為導通狀態。借此，從輸出端70連續輸出對應儲存在光電二極管51a和51b中的信號電荷的信號。
然后，為了從第二行的光敏單元提取信號，對第二行上的光敏單元進行與在第一行上的光敏單元上所進行的操作相同的操作。借此，從輸出端70輸出對應儲存在光電二極管51c和51d中的信號電荷的信號。
上述操作的時序圖示于
圖10中。在圖10中，儲存在一行光電二極管51中的信號從輸出端完全輸出的周期被稱為水平有效周期，而從光電二極管51向垂直信號線62輸出信號用于抑制包含于輸出信號中的噪聲的周期被稱為水平無效周期。此外，水平無效周期和水平有效周期集合起來稱為水平周期。水平周期是用于讀取每行信號所實際需要的時間周期。從整個傳感器讀取信號所需的時間周期稱為一幀周期。如圖10所示，儲存在光電二極管51中的信號電荷量取決于施加于傳輸門52的轉移脈沖的時間間隔。而且，轉移脈沖的時間間隔在一幀周期期間是不變的。因此，光電二極管51的靈敏度也是不變的。
在圖9所示的傳感器中，每個光敏單元由四個晶體管(傳輸門52、放大器晶體管54、復位晶體管55和尋址晶體管54)形成。通過對比，在近年來發明的用于實現尺寸減小的某些傳感器中，每個光敏單元由三個晶體管形成。這種新發明的傳感器具有如下結構其中從圖9所示的傳感器中省去了尋址晶體管56，并且功率源在光敏單元之間共享。為了允許從該傳感器讀取信號，要求將脈沖型源電壓輸送給每個光敏單元。
圖9所示傳感器的驅動方法例如在日本特許公開No.9-247537(1997-247537)中公開了。關于其中光敏單元各由三個晶體管形成的傳感器，已知沒有文獻對這些光敏單元的具體布置進行說明。
在上述傳感器以及半導體集成電路中，電路布置是確定電路尺寸、以及電路結構和設計規則的關鍵。通常，隨著電路尺寸變小，電路的產量相應提高，由此降低了電路的成本。因此，根據預定設計規則布置電路在設計半導體集成電路上是一項重要的技術任務。然而，關于其中光敏單元各由三個晶體管形成的傳感器，公眾尚未清楚地知道這些光敏單元的具體布置。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種傳感器的新電路結構，其中光敏單元都是由三個晶體管形成，并提供一種小電路尺寸的傳感器。
本發明具有以下技術特征以實現上述目的。
本發明的固態成像裝置根據接收的光學信號的強度輸出電信號。該固態成像裝置包括具有若干個光敏單元的光敏區，其中光敏單元在半導體襯底上被兩維地設置在行和列方向；電源線；垂直驅動器電路；多個垂直信號線；多個裝入寄存器；噪聲抑制電路；多個水平晶體管和水平驅動器電路。每個光敏單元包括用于儲存信號電荷的光電二極管，其中該信號電荷是通過對接收光進行光電轉換獲得的；用于傳輸儲存在光電二極管中的信號電荷的傳輸晶體管；用于暫時儲存被傳輸的信號電荷的浮置擴散層部分；用于放大儲存在浮置擴散層部分中的信號電荷的放大器晶體管；和用于使儲存在浮置擴散層部分中的信號電荷復位的復位晶體管。電源線公共地連接到放大器晶體管的漏極。垂直驅動器電路驅動同一行中設置的傳輸晶體管和另一相同行中設置的復位晶體管。垂直信號線公共地連接到設置在同一列中的放大器晶體管。裝入晶體管分別連接到垂直信號線。噪聲抑制電路抑制被輸出到垂直信號線上的信號噪聲。水平晶體管設置在行方向并被提供來自噪聲抑制電路的輸出。水平驅動器電路連續地和選擇地使水平晶體管工作，以便從噪聲抑制電路連續產生輸出。在每個光敏單元中，在由器件絕緣區包圍的一個有源區中形成光電二極管、傳輸晶體管、浮置擴散層部分、放大器晶體管和復位晶體管，并且包含于指定的一個光敏單元中的浮置擴散層部分連接到在列方向與指定光敏單元相鄰的光敏單元中包括的放大器晶體管的柵極。
借此，可以實現用于完成合適的布置的光敏單元的電路結構，而不損害固態成像裝置的功能。這就可以減小布置的光敏單元的尺寸，因而減小整個傳感器的電路尺寸。
在這個固態成像裝置中，共同地連接到設置在同一行中的傳輸晶體管的柵極的多個第一水平信號線和共同地連接到設置在同一行中的復位晶體管的柵極的多個第二水平信號線可以由相同材料制成。而且，指定一個光敏單元中的浮置擴散層部分可以設置在連接到相同光敏單元中包括的傳輸晶體管柵極的第一水平信號線、與連接到指定光敏單元中包括的復位晶體管的柵極的第二水平信號線之間。
通過第一水平信號線和傳輸晶體管的柵極以及第二水平信號線和復位晶體管的柵極由相同材料制成，不需要為這些信號線定線的接觸孔。因此，可以減小布置的光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的總尺寸。
而且，第一接觸孔可以設置在浮置擴散層部分上，以便連接浮置擴散層部分和放大器晶體管的柵極，第二接觸孔可以設置在由放大器晶體管和復位晶體管共有的公共漏極上，以便將公共漏極連接到電源線，第三接觸孔可以設置在放大器晶體管的源極上，以便將該源極連接到相應一個垂直信號線，并且第四接觸孔可以設置在放大器晶體管的柵極所在的布線區域上，以便連接浮置擴散層部分和放大器晶體管的柵極。此外，第一接觸孔、第二接觸孔、第三接觸孔、和第四接觸孔可以被大致排成一直線。另外，第一到第三接觸孔可以大致排成一直線。
通過在光敏單元的布置中使多個接觸孔大致排成一直線，可以減小布置這些接觸孔所需要的面積。因此，可以減小布置光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的總尺寸。
此外，連接浮置擴散層部分和放大器晶體管的柵極的信號線、電源線以及垂直信號線被形成在相同的布線層中。
通過連接浮置擴散層部分和放大器晶體管的柵極的信號線、電源線和垂直信號線由相同金屬布線層形成，不需要為這些信號線定線的接觸孔。因此，可以減小布置的光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的總尺寸。
此外，電源線可包括共同連接到設置在同一列上的放大器晶體管漏極的多個垂直電源線。而且，連接浮置擴散層部分的指定之一和相應一個放大器晶體管的柵極的信號線可設置在垂直信號線之一和垂直電源線之一之間，其中垂直信號線之一連接到包括指定浮置擴散層部分的光敏單元之一的放大器晶體管，垂直電源線之一連接到相應放大器晶體管的漏極。
借此，可以使光敏單元的布置圖形簡化和有規則。因此，可以減小布置的光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的總尺寸。
另外，包含于每個光敏單元中的所有晶體管是N溝道MOS晶體管。
本發明的這些和其它目的、特點、方案和優點將從下面結合附圖的本發明的詳細說明中體現得更明顯。
附圖簡述圖1是用于表述本發明所涉及的示例傳感器的電路圖；圖2A和2B是根據本發明實施例的傳感器的噪聲抑制電路的詳細示意圖；圖3是根據本發明實施例的傳感器的驅動方案的時序圖；圖4是用于表述本發明所涉及的示例傳感器的布置的示意圖；圖5是表示用于表述本發明所涉及的示例傳感器的另一布置的示意圖；圖6是根據本發明實施例的傳感器的電路圖；圖7是表示根據本發明實施例的傳感器的布置的示意圖；
圖8是表示根據本發明實施例的傳感器的另一布置的示意圖；圖9是常規傳感器的電路圖；和圖10是表示常規傳感器的驅動方案的時序圖。
具體實施例方式
在描述根據本發明實施例的傳感器之前，先介紹其中光敏單元各由三個晶體管形成的示例傳感器。圖1中所示的示例傳感器包括設置成m×n矩陣的若干個光敏單元(各由虛線包圍)、電源線10、垂直移位寄存器11、n個垂直信號線12-1到12-n、n個裝入寄存器13-1到13-n、噪聲抑制電路14、n個水平晶體管15-1到15-n、和水平移位寄存器16。每個光敏單元包括光電二極管1、傳輸門2、浮置擴散層部分3、放大器晶體管4和復位晶體管5。圖1中的第一和第二行和列上的四個光敏單元當中，包含于相同光敏單元中的部件設有相同的下標(a到d)，用于區別。光敏單元具有包括三個晶體管(傳輸門2、放大器晶體管4和復位晶體管5)和不包括尋址晶體管的特征。實際上，傳感器中的m和n的值是幾十到幾千的數量級。
設置成m×n矩陣的光敏單元形成在半導體襯底上。更詳細地說，光敏單元形成在P型襯底上或N型襯底上的P阱中。在每個光敏單元中，光電二極管1對接收的光進行光電轉換，然后存儲信號電荷。傳輸門2設置在光電二極管1和浮置擴散層部分3之間，用以將存儲在光電二極管1中的信號電荷傳送到浮置擴散層部分3。浮置擴散層部分3暫時儲存從光電二極管1傳輸來的信號電荷。放大器晶體管4將儲存在浮置擴散層部分3中的信號電荷放大。復位晶體管5使儲存在浮置擴散層部分3中的信號電荷復位。
在設置這些光敏單元的光敏區域上，電源線10和垂直信號線12-1到12-n被定線。此外，兩種類型的信號線(即m個信號線17-1到17-m和m個信號線18-1到18-m)被定線。電源線10共同地連接到所有光敏單元的放大器晶體管4的漏極。在本例中，假設電源線10在一端共同地連接到所有光敏單元中包括的放大器晶體管4的漏極和復位晶體管5的漏極。而且，假設每個光敏單元被施加脈沖型源電壓VddC，該脈沖型源電壓VddC是通過設置在電源線10的另一端的電源端20供給的。應該指出的是，雖然在圖1中每個光敏單元連接到單電源線10，也可使用兩個或多個電源線給每個光敏單元供電。
垂直信號線12-1到12-n分別被設置用于若干列光敏單元。垂直信號線12-1到12-n各將設置在同一列中的光敏單元中包括的相應一個放大器晶體管4、裝入晶體管13-1到13-n之相應的一個、和噪聲抑制電路14連接在一起。信號線17-1到17-m和信號線18-1到18-m是垂直移位寄存器11的輸出信號線，并且分別被設置用于若干行光敏單元。信號線17-1到17-m各連接設置在同一行的光敏單元中包含的傳輸門2的柵極。信號線18-1到18-m各連接設置在同一行的光敏單元中包括的復位晶體管5的柵極。
垂直移位寄存器11以如下方式作為垂直驅動器電路工作。當源電壓VddC為高電平時，垂直移位寄存器11同時驅動設置在同一行的光敏單元中包括的傳輸門2。而且，當源電壓VddC為高電平時，垂直移位寄存器11同時驅動設置在同一行的光敏單元中包括的復位晶體管5。然而，驅動復位晶體管5的這種操作進行的時間不同于驅動傳輸門2的上述操作的時間。裝入晶體管13-1到13-n分別連接到垂直信號線12-1到12-n，并設置在行方向排成直線。噪聲抑制電路14連接到垂直信號線12-1到12-n，并且被供給從放大器晶體管4輸出的信號，以便消除所供給的信號中包括的噪聲分量。水平晶體管15-1到15-n被設置在行方向，各被供給從噪聲抑制電路14輸出的n個信號的相應一個。水平移位寄存器16作為水平驅動器電路工作。即，水平移位寄存器16連續地和選擇地使水平晶體管15-1到15-n工作。借此，從噪聲抑制電路14輸出的n個信號從輸出端21連續輸出。
圖2A和2B是詳細描述噪聲抑制電路14的示意圖。如圖2A所示，噪聲抑制電路14包括n個采樣/保持晶體管31-1到31-n、n個鉗位電容器32-1到32-n、n個鉗位晶體管33-1到33-n、和n個采樣/保持電容器34-1到34-n。噪聲抑制電路14用與圖9中所示噪聲抑制電路相同的方式工作，盡管采樣/保持晶體管31-1到31-n的設置不同于圖9中的它們的對應部分的設置。采樣/保持晶體管31-1到31-n之每一個的柵極被施加從控制端22輸入的采樣/保持控制信號。同樣，鉗位晶體管33-1到33-n之每一個的柵極被施加從控制端23輸入的鉗位控制信號。這兩個控制信號如圖2B所示那樣變化。這兩個控制信號都處于高電平的周期為噪聲輸出周期。采樣/保持控制信號處于高電平和鉗位控制信號處于低電平的周期為信號輸出周期。
參見圖3中所示的時序圖，下面介紹驅動圖1中所示傳感器的方案。為了驅動這個傳感器，將執行的方案包括在每個水平周期脈沖驅動電源線10的步驟；由垂直移位寄存器11從m×n個光電二極管1的一行讀取信號的步驟；和由水平移位寄存器16連續輸出從該一行讀取的信號。
如圖3所示，在初始狀態下，源電壓VddC處于低電平。就是說，在初始狀態下，電源線10沒有被驅動。為了從第一行上的光敏單元提取信號，首先將源電壓VddC控制在高電平。這將使每個光敏單元的傳輸門2和復位晶體管5的漏極處于高電平。接著，當電源線10被驅動時，垂直移位寄存器11使信號線18-1在預定時間周期內處于高電平。這使第一行上的光敏單元的復位晶體管5(包括復位晶體管5a和5b)的柵極電位處于高電平，由此使這些復位晶體管5處于導通狀態。此時，第一行上的光敏單元的放大器晶體管4(包括放大器晶體管4a和4b)也處于工作狀態。同時，在垂直信號線12-1到12-n上出現噪聲輸出。這些噪聲輸出是在第一行上光敏單元的浮置擴散層部分3(包括浮置擴散層部分3a和3b)中存儲的信號電荷被復位時產生的。
然后，當驅動電源線10時，垂直移位寄存器11使信號線17-1在預定時間周期內處于高電平。這使第一行上光敏單元的傳輸門2(包括傳輸門2a和2b)的柵極電位處于高電平，由此使這些傳輸門2處于導通狀態。此時，在第一行上光敏單元的光電二極管1(包括光電二極管1a和1b)中存儲的信號電荷被讀到浮置擴散層部分3。然后對應于讀取信號電荷的信號輸出呈現在垂直信號線12-1到12-n上。
通過這種方式，在垂直信號線12-1到12-n的每個上出現噪聲電壓，然后出現信號電壓與噪聲電壓的和。然后噪聲抑制電路14以與常規噪聲抑制電路相同的方式工作，抑制輸出到垂直信號線12-1到12-n的信號的噪聲。然后噪聲抑制電路14輸出n個信號給相應的水平晶體管15-1到15-n。
在噪聲抑制電路14的工作之后，源電壓VddC改變為低電平。接著，在電源線10未被驅動時，垂直移位寄存器11使信號線18-1在預定時間周期內處于高電平。這使儲存在第一行上光敏單元的浮置擴散層部分3(包括浮置擴散層部分3a和3b)中的信號電荷復位。而且，第一行上光敏單元的放大器晶體管4(包括放大器晶體管4a和4b)被設置為非工作狀態，直到它們下一次被選擇為止。
然后水平移位寄存器16產生n個輸出信號，這些信號耦合到水平晶體管15-1到15-n的柵極。水平移位寄存器16選擇地使這n個輸出信號處于高電平，由此連續地和選擇地控制水平晶體管15-1到15-n處于導通狀態。借此，對應在第一行上的光電二極管1(包括光電二極管1a和1b)中存儲的信號電荷的信號從輸出端21連續輸出。
接著，為了從第二行上的光敏單元提取信號，在第二行的光敏單元上執行與對第一行上的光敏單元執行的操作相同操作。借此，從輸出端21連續輸出對應第二行上的光電二極管1(包括光電二極管1c和1d)中存儲的信號電荷的信號。然后，對第三到第m行上的光敏單元進行相同的操作。應該指出，圖3中所示的水平消隱周期、水平有效周期、一個水平周期、和一幀周期的定義與常規傳感器中的相同。而且，如常規傳感器那樣，該示例傳感器的每個光電二極管1的靈敏度是恒定的。
包含于圖1的示例傳感器中的光敏單元的布置圖形可以如圖4所示那樣，例如，如果不對該布置給予特殊考慮。在圖4中，被虛線包圍的部分對應一個光電單元。而且，在每個光敏單元中，被細實線包圍的區域表示有源區200，陰影區域表示多晶硅布線211到213，黑色粗線表示金屬布線221到224，并且具有對角線的方塊表示接觸孔。應該指出的是，上面的說明也適用于下面進一步介紹的其它布置圖。
有源區200被器件隔離區(未示出)包圍，并具有形成在其中的若干個器件，這些器件用做電路及其電極如光電二極管，以及每個晶體管的柵極、源極和漏極。在圖4所示的布置圖形中，每個光敏單元包括一個有源區200。
在有源區200和多晶硅布線211-213彼此重疊的部分中，形成若干個晶體管。在圖4中，在每個光敏單元中，有源區200和多晶硅布線211-213在三個部分彼此重疊。具體而言，在有源區200和多晶硅布線211彼此重疊的部分中，形成傳輸門202(圖1中的傳輸門2)。在有源區200和多晶硅布線212彼此重疊的部分中，形成復位晶體管205(圖1中的復位晶體管5)。在有源區200和多晶硅布線213彼此重疊的部分中，形成放大器晶體管204(圖1中的放大器晶體管4)。
有源區200中，被傳輸門202和復位晶體管205限定的區域對應浮置擴散層部分203(圖1中的浮置擴散層部分3)。而且，有源區200中，位于傳輸門202的與浮置擴散層部分相對的一側上的區域對應光電二極管201(圖1中的光電二極管1)。
通過以上述方式形成的三個晶體管和浮置擴散層部分203利用預定的方案彼此電連接，可以實現圖1中所示的光敏單元。在圖4所示的布置圖形中，通過金屬布線實現了連接。具體而言，使用五種類型的金屬布線用于每個光敏單元，其中四種類型的金屬布線(即金屬布線221-224)示于圖4中。金屬布線221連接相同光敏單元中包括的浮置擴散層部分203和放大器晶體管204的柵極。金屬布線222連接在行方向彼此相鄰的光敏單元中包括的多晶硅布線211。這些多晶硅布線211和金屬布線222形成圖1中所示的信號線17。金屬布線223連接在行方向彼此相鄰的光敏單元中包括的多晶硅布線212。這些多晶硅布線212和金屬布線223形成圖1中所示的信號線18。金屬布線224連接設置在相同列上的光敏單元中包括的放大器晶體管204的柵極。金屬布線224形成圖1中所示的垂直信號線12。應該指出的是，圖1中所示的電源線10在圖4中未示出。
在半導體制造中，有源區200、多晶硅布線211-213和金屬布線221-224以不同的工藝形成。為了電連接該區域和這三種類型的布線，需要用于連接各層的接觸孔。在圖4所示的布置圖形中，每個光敏單元設有八個接觸孔。
如上所述，在圖4所示的布置圖形中，多晶硅布線211和金屬布線222形成圖1中所示的信號線17。這是因為延伸多晶硅布線211到一部分金屬布線222，使有源區200和多晶硅布線的另外的重疊，由此在此重疊部分中形成不需要的晶體管。但是，當使用多晶硅布線211和金屬布線222時，在每個光敏單元中需要兩個接觸孔231和232，用于將這些布線連接在一起。相應地，金屬布線221必須被定線，以便環繞接觸孔232。此外，接觸孔233必須設置在金屬布線221的金屬布線223一側上(圖4中的右側)，由此在水平方向不利地增加了光敏單元的尺寸。因此，在圖4所示的布置圖形中，由于信號線17由兩種類型的布線形成，不利地增加了光敏單元在水平方向的尺寸。
通過為了克服上述缺點而給出的特殊考慮，圖1中所示的示例傳感器所包含的光敏單元的布置圖形可以例如如圖5所示那樣。在這個布置圖形中，信號線17只是通過多晶硅布線211實現的。因此，圖5的布置圖形不需要圖4的布置圖形中包括的接觸孔231和232，由此與圖4的布置圖形相比，減小了光敏單元在水平方向的尺寸。
然而，在圖5所示的布置圖形中，多晶硅布線212和金屬布線223形成圖1中的信號線18。通過只用多晶硅布線212形成信號線18，可以進一步減小光敏單元的尺寸。
根據本發明一個實施例的傳感器的下列說明集中在用于實現合適布置的光敏單元的新電路結構上，并且該布置的結果是具有這種電路結構的光敏單元。
圖6是根據本發明實施例的傳感器電路圖。根據該實施例的傳感器不同于示例傳感器(圖1)的地方只在于光敏單元的電路結構。因此，圖6主要示出了設置成2×2矩陣的光敏單元(每個由虛線包圍)，并且未示出與圖1中相同的電路(垂直移位寄存器11、裝入晶體管13-1到13-n、噪聲抑制電路14、水平晶體管15-1到15-n以及水平移位寄存器16)。
在根據該實施例的傳感器中，如示例傳感器那樣，每個光敏單元包括光電二極管1、傳輸門2、浮置擴散層部分3、放大器晶體管4和復位晶體管5。這五個部件用與示例傳感器相同的方式執行功能。
根據該實施例的傳感器中包括的光敏單元不同于示例傳感器中包括的光敏單元的地方在于以下方面。就是說，在示例傳感器中，如上所述，一個光敏單元中包括的浮置擴散層部分3連接到相同光敏單元所包含的放大器晶體管4的柵極。相比之下，在根據該實施例的傳感器中，如圖6所示，指定光敏單元中包括的浮置擴散層部分3連接到放大器晶體管4的柵極，其中該放大器晶體管4被包含于在行方向與指定的光敏單元相鄰的另一光敏單元(在圖6中直接位于指定光敏單元下面的光敏單元)中。例如，在圖6中，被包含于左上側所示的光敏單元中的浮置擴散層部分3a連接到位于左下側的光敏單元中包括的放大器晶體管4c。同樣，在左下側所示的光敏單元中包括的浮置擴散層部分3c連接到直接位于左下側光敏單元下面的光敏單元(圖6中所示的只是其一部分)中包括的放大器晶體管4e。
同樣，通過浮置擴散層部分3連接到另一光敏單元中包括的放大器晶體管4的柵極，借助該其它光敏單元中包括的放大器晶體管4的操作，在垂直信號線12上出現對應儲存在光電二極管1中的信號電荷的信號輸出。即使利用這種電路結構，傳感器的整個操作與示例傳感器的操作相同，只要這兩個光敏單元被設置在同一列中。因此，通過對根據該實施例的傳感器采用驅動示例傳感器的方案(參見圖3)，甚至可以從根據該實施例的傳感器正確讀取對應輸送給該傳感器的光學信號的電信號。
圖6的光敏單元的布置圖形可以如圖7所示。在這種布置圖形中，如圖4和5中的布置圖形，在每個光敏單元中包含一個有源區100。在每個光敏單元中，有源區100和多晶硅布線111-113在三個部分彼此重疊，其中在每個光敏單元中形成三個晶體管。具體而言，在有源區100和多晶硅布線111彼此重疊的部分中，形成傳輸門102(圖6中的傳輸門2)。在有源區100和多晶硅布線112彼此重疊的部分中，形成復位晶體管105(圖6中的復位晶體管5)。在有源區100和多晶硅布線113彼此重疊的部分中，形成放大器晶體管104(圖6中的放大器晶體管4)。
有源區100中，由傳輸門102和復位晶體管105限定的區域對應浮置擴散層部分103(圖6中的浮置擴散層部分3)。而且，有源區100中，位于相對于浮置擴散層部分103的傳輸門102的相對側上的區域對應光電二極管101(圖6中的光電二極管1)。
在圖7所示布置圖形中，在每個光敏單元中使用三種類型的金屬布線121-123。金屬布線121連接指定光敏單元中包括的浮置擴散層部分103和在列方向與該指定光敏單元相鄰的另一光敏單元中包括的放大器晶體管104的柵極。金屬布線122連接在同一列上設置的光敏單元中包括的放大器晶體管104的柵極，由此形成圖1所示的垂直信號線12。金屬布線123連接由設置在相同列上的光敏單元中包括的放大器晶體管104和復位晶體管105共有的公共漏極，由此實現圖1所示的電源線10的一部分(在列方向延伸的部分)。應該指出的是，圖7所示的布置圖形不需要對應于圖4的布置圖形中包括的金屬布線222和223的金屬布線。
在半導體制造中，以不同的工藝形成有源區100、多晶硅布線111-113和金屬布線121-123。為了電連接該區域和這三種類型的布線，在圖7所示的布置圖形中為每個光敏單元提供四個接觸孔131-134。
與示例傳感器(圖4和5)中包括的光敏單元的布置圖形相比，根據該實施例(圖7)的傳感器中包括的光敏單元的布置圖形具有下列特征。在示例傳感器的布置圖形中，光敏區設置在矩形區域上。相反，在根據該實施例的傳感器的布置圖形中，光敏區設置在根據有源區100的形狀將兩個矩形結合在一起的一區域(由虛線包圍的部分)上。更詳細地說，這里假設提供三個光敏單元A、B和C，并且光敏單元B在行方向與光敏單元A相鄰，光敏單元C在列方向與光敏單元A相鄰。這里，考慮到每個光敏單元被分為第一區和第二區的情況，第一區包括光電二極管101、傳輸門102和浮置擴散層部分103的一部分(在圖7中，金屬布線122的左側上的區域)，第二區包括其余的浮置擴散層部分103、放大器晶體管104和復位晶體管105(在圖7，金屬布線122右側上的區域)。在這種情況下，廣義地講，光敏單元C的第二區布置在光敏單元A的第一區和光敏單元B的第一區之間。這使得很容易連接一指定光敏單元中包括的浮置擴散層部分103和在列方向與該指定光敏單元相鄰的另一光敏單元中包括的放大器晶體管104的柵極。
而且，在示例傳感器的布置圖形中，圖1所示的信號線17和18之至少一個是通過多晶硅布線和金屬布線兩者形成的。相反，在根據該實施例的傳感器的布置圖形中，信號線17只由多晶硅布線111形成，信號線18只由多晶硅布線112形成。換言之，信號線17和18由相同材料制成。此外，浮置擴散層部分103位于連接到相同光敏單元中包括的傳輸門102的多晶硅布線111和連接到相同光敏單元中包括的復位晶體管105的多晶硅布線112之間。因此，信號線17和傳輸門102的柵極、以及信號線18和復位晶體管的柵極分別由相同材料形成。因此，為了定線這些信號線，不需要接觸孔。這就減小了布置的光敏單元的尺寸，由此減小了整個傳感器的電路尺寸。
此外，在根據該實施例的傳感器的布置圖形中，如上所述，使用三種類型的金屬布線121-123，并且提供四個接觸孔131-134。接觸孔131設置在浮置擴散層部分103上，以便將浮置擴散層部分103和放大器晶體管104的柵極連接在一起。接觸孔132設置在由放大器晶體管104和復位晶體管105共有的公共漏極上，以便將公共漏極連接到金屬布線123(圖1中的電源線10)。接觸孔133設置在放大器晶體管104的源極上，以便將該源極連接到金屬布線122(圖1中的垂直信號線12)。接觸孔134設置在與放大器晶體管104相同的布線區上，以便將浮置擴散層部分103和放大器晶體管104的柵極連接在一起。在根據該實施例的傳感器的布置圖形中，這四個接觸孔131-134被大致排在一條直線中。這可以減小用于布置這四個接觸孔所需要的面積。因此，可以減小布置的光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的電路尺寸。
此外，將浮置擴散層部分103和放大器晶體管104的柵極連接在一起的金屬布線121、金屬布線122(圖1中的垂直信號線12)和金屬布線123(圖1中的電源線10)都是由金屬制成。這樣，這三種類型的布線可以通過使用相同的金屬布線層來形成。因此，不需要接觸孔用于定線這些信號線。因此，可以減小布置的光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的電路尺寸。
此外，金屬布線122和123被平行定線在具有設置在其上的光敏單元的光敏區上，其中金屬布線121位于金屬布線122和123之間。更詳細地說，連接浮置擴散層部分103和放大器晶體管104的柵極的金屬布線121位于連接到放大器晶體管104的金屬布線122和連接到上述放大器晶體管104的漏極的金屬布線123之間，其中上述放大器晶體管104被包含于包括上述浮置擴散層部分103的光敏單元中。這使得光敏單元的布置圖形簡單和有規則。因此，可以減小布置的光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的電路尺寸。
通過這種方式，圖6中的傳感器中包括的光敏單元可以以最少量的浪費空間進行規則布置。此外，不象圖4和5所示的布置圖形那樣，圖7中所示的布置圖形沒有在光電二極管上定線的任何金屬布線。因此，根據該實施例，通過采用實現光敏單元(每個光敏單元由三個晶體管形成)的合適布置的傳感器的電路結構，可以減小光敏單元的尺寸，因而又減小了整個傳感器的尺寸。這提供了提高傳感器產量和降低傳感器成本的效果。
圖8是圖6中所示的光敏單元的另一布置圖形的示意圖。圖8的布置圖形不同于圖7的布置圖形的地方在于以下方面。即，在圖7所示的布置圖形中，被包含于每個光敏單元中的四個接觸孔131-134被大致排在一條直線上。相反，在圖8所示的布置圖形中，每個光敏單元中包括的四個接觸孔131-134中，其中三個接觸孔131-133被大致排在一條直線上，但是接觸孔134在這條直線之外。根據布置該傳感器所使用的設計規則，可以采用圖8所示的布置。
在根據該實施例的傳感器中，被包含于每個光敏單元中的所有晶體管優選是N溝道MOS晶體管，原因如下。在近年來，由于大多數邏輯電路是通過使用CMOS制造的，因此MOS-型固態成像裝置也經常使用CMOS制造。由于用于邏輯電路的CMOS工藝包括大量復雜工藝，因此只為了制造該傳感器而改變甚至這些工藝的一部分也是非常困難的。因此，為了制造該傳感器，必須給已有的制造工藝添加專用于該傳感器的附加工藝。在這種情況下，硼(它是p型雜質)的質量輕和可自由活動，因此在半導體內難以制成很小。考慮到這一點，在專用于制造該傳感器的工藝中只使用NMOS是有利的。
如前所述，根據本發明的實施例的傳感器，通過采用新電路結構用于實現合適的布置，可以減小光敏單元的尺寸，由此減小整個傳感器的尺寸。
前面已經詳細介紹了本發明，前面說明的都是示意性的方案而不是限制性的。應該理解，在不脫離本發明的范圍的情況下可以設計很多變化和變型。
權利要求
1.一種固態成像裝置，根據接收到的光學信號的強度輸出電信號，該裝置包括一光敏區，具有在半導體襯底上在行和列方向兩維地設置的若干個光敏單元，每個光敏單元包括用于儲存通過對接收到的光進行光電轉換而獲得的信號電荷的光電二極管、用于傳輸儲存在光電二極管中的信號電荷的傳輸晶體管、用于暫時儲存被傳輸的信號電荷的浮置擴散層部分、用于放大儲存在浮置擴散層部分中的信號電荷的放大器晶體管、以及用于使儲存在浮置擴散層部分中的信號電荷復位的復位晶體管，一電源線，共同連接到所述放大器晶體管的漏極；一垂直驅動器電路，用于驅動設置在相同行的所述傳輸晶體管和設置在另一相同行的所述復位晶體管；多個垂直信號線，共同連接到設置在相同列的所述放大器晶體管；多個裝入晶體管，分別連接到所述垂直信號線；一噪聲抑制電路，用于抑制輸出到垂直信號線的信號的噪聲；多個水平晶體管，設置在行方向并被提供來自噪聲抑制電路的輸出；和一水平驅動器電路，連續地和選擇地使水平晶體管工作、以便使得從噪聲抑制電路連續產生輸出，其中在每個光敏單元中，光電二極管、傳輸晶體管、浮置擴散層部分、放大器晶體管、和復位晶體管被形成在由器件隔離區包圍的一個有源區中，并且被包含于指定的一個光敏單元中的浮置擴散層部分連接到在列方向中與該指定光敏單元相鄰的光敏單元中包括的放大器晶體管的柵極上。
2.根據權利要求1的固態成像裝置，其中共同連接到設置在相同行的所述傳輸晶體管的柵極的多個第一水平信號線和共同連接到設置在相同行的所述復位晶體管的柵極的多個第二水平信號線由相同材料制成，在指定的一個光敏單元中的浮置擴散層部分位于連接到該相同光敏單元中包括的傳輸晶體管的柵極的第一水平信號線和連接到該指定光敏單元中包括的復位晶體管的柵極的第二水平信號線之間。
3.根據權利要求1的固態成像裝置，其中在該浮置擴散層部分上設置第一接觸孔，以便連接該浮置擴散層部分和該放大器晶體管的柵極，在由該放大器晶體管和復位晶體管共有的公共漏極上設置第二接觸孔，以便將該公共漏極連接到電源線，在該放大器晶體管的源極上設置第三接觸孔，以便將該源極連接到相應的一個垂直信號線上，在該放大器晶體管的柵極所在的布線區域上設置第四接觸孔，以便連接該浮置擴散層部分和該放大器晶體管的柵極，并且第一接觸孔、第二接觸孔、第三接觸孔和第四接觸孔被大致排在一直線上。
4.根據權利要求1的固態成像裝置，其中在浮置擴散層部分上設置第一接觸孔，以便連接該浮置擴散層部分和該放大器晶體管的柵極，在由該放大器晶體管和復位晶體管共有的公共漏極上設置第二接觸孔，以便將該公共漏極連接到電源線，在放大器晶體管的源極上設置第三接觸孔，以便將該放大器晶體管的源極連接到相應的一個垂直信號線上，并且第一接觸孔、第二接觸孔和第三接觸孔被大致排在一直線上。
5.根據權利要求1的固態成像裝置，其中連接該浮置擴散層部分和該放大器晶體管的信號線、電源線和垂直信號線被形成在相同金屬布線層中。
6.根據權利要求1的固態成像裝置，其中該電源線包括共同連接到相同列上設置的放大器晶體管的漏極的多個垂直電源線，和將所述浮置擴散層部分的指定一個和放大器晶體管的相應一個的柵極連接在一起的信號線位于連接到包括該指定浮置擴散層部分的一個光敏單元中包括的放大器晶體管的垂直信號線之一、和連接到該相應放大器晶體管的漏極的垂直電源線之一之間。
7.根據權利要求1的固態成像裝置，其中每個光敏單元中包括的所有晶體管都是N溝道MOS晶體管。
全文摘要
在每個光敏單元中，光電二極管101、傳輸門102、浮置擴散層部分103、放大器晶體管104和復位晶體管105被形成在由器件隔離區包圍的一個有源區中。包含于一個光敏單元中的浮置擴散層部分103不連接此光敏單元中包括的放大器晶體管104，而是連接到與該一個光敏單元在列方向相鄰的另一光敏單元中包括的放大器晶體管104的柵極。多晶硅布線111連接設置在相同行的傳輸門102，多晶硅布線112連接設置在相同行的復位晶體管105。為了在行方向連接，只使用多晶硅布線。
文檔編號H04N5/357GK1527393SQ200410005238
公開日2004年9月8日 申請日期2004年2月17日 優先權日2003年3月7日
發明者稻垣誠, 松長誠之, 之 申請人:松下電器產業株式會社