專利名稱：固體攝像裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及多個像素部被排列為一維或二維狀的固體攝像裝置。
背景技術：
固體攝像裝置是在受光部多個像素部被排列為一維或二維狀的裝 置，這些多個像素部上分別設置有光電轉換元件。作為光電轉換元件
一般使用光敏二極管。通常的具有pn接合構造的光敏二極管將相應于 光的入射而產生的電荷儲存于接合電容部。因此，通常的光敏二極管 在被施加一定的偏壓電壓之后，進行切斷并向其入射光的話，則會相 應于儲存電荷量而使接合電容部的電容值發生變動，從而使輸出電壓 也發生變動。也就是說，己知會滿足Q (儲存電荷量)=C (接合電容 )XV (輸出電壓)的關系，但是由于該接合電容C會相應于儲存電 荷量Q的變化而發生變化，故輸出電壓V不會相對于儲存電荷量做線 性變化。
作為可以解決該問題的光敏二極管，已知專利文件1所公開的埋 入型光敏二極管。在埋入型光敏二極管中，例如，在p型第l半導體 區域上形成iT型第2半導體區域，在該第2半導體區域及其周圍上形 成p+型第3半導體區域，由第1半導體區域上及第2半導體區域來形 成pn接合，另外，由第2半導體區域上及第3半導體區域來形成pn 接合。這樣的埋入型光敏二極管，可以完全地使第2半導體區域耗盡 ，從而使接合電容的電壓依賴性為零，若完全耗盡地使用則會減少接 合電容，使輸出電壓相對于儲存電荷量作線性變化，可以幾乎完全讀 出在pn接合部產生的電荷，由于耗盡層(Depletion Layer)不會接觸 于半導體區域和一般設置在半導體區域上的絕緣膜區域的界面，可以 抑制在半導體區域和絕緣膜區域的界面產生的泄漏電流，使光檢測的 S/N比以及線性特性優良。
專利文獻1:日本特開平11-274454號公報
發明內容
然而，對于埋入型光敏二極管而言存在如下問題點若完全耗盡 化則會使接合電容值會變小，電荷馬上就會飽和，在擴大動態范圍這 點上存在極限。
本發明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種可以 實現提高線性及動態范圍兩者的固體攝像裝置。
本發明的固體攝像裝置，是多個像素部被排列為一維或二維狀的 固體攝像裝置，其特征在于，多個像素部分別具備埋入型光敏二極 管，產生與入射光強度的量相應的電荷；電容元件，與埋入型光敏二 極管并聯連接，儲存由埋入型光敏二極管產生的電荷。根據本發明， 隨著光的入射而在埋入型光敏二極管PD產生的電荷，儲存在與該埋入 型光敏二極管PD并聯設置的電容元件C中。然后，輸出與儲存于該 電容元件C中的電荷量相應的電壓值。由此，該固體攝像裝置可以實 現提高線性及動態范圍兩者的目的。
另外，優選為，電容元件形成在埋入型光敏二極管的上方，包含 透明的一對電極層和被夾在該一對電極層之間的透明電介質層；并且 ，埋入型光敏二極管接受透過電容元件而入射的光。此時，由于埋入 型光敏二極管PD接受透過電容元件C而入射的光，各個像素部Pm，n
的布局面積可以縮小。或者，可以抑制各個像素部p，的布局面積的
擴大，并且可以確保埋入型光敏二極管PD的受光面積和靈敏度。
另外，優選為，多個像素部分別還具備放大晶體管，輸出與輸 入到門極端子的電壓值相應的電壓值；傳送晶體管，將與電容元件的 儲存電荷量相應的電壓值向放大晶體管的門極端子輸入；放電晶體管 ，進行電容元件的電荷的放電；選擇晶體管，選擇性地輸出從放大晶 體管輸出的電壓值。
另外，根據本發明的固體攝像裝置還具備配線，連接于包含在l
個像素列的多個像素部的每一個選擇晶體管的輸出；第1保持部，連 接于配線，保持第1期間中從各像素部輸出的亮信號成分；第2保持 部，連接于配線，保持第2期間中從各像素部輸出的暗信號成分；差 運算部，輸入第1及第2保持部的輸出，輸出輸入信號的差分。此時，
暗信號成分會被去除，使S/N比更優良。
根據本發明的固體攝像裝置可以實現提高線性特性及動態范圍兩 者的目的。
圖1是本實施方式相關的固體攝像裝置1的整體構成圖。
圖2是各像素部Pm，n的電路圖。
圖3是各像素部P^的一部分的剖面圖。
圖4是各電壓保持部Hn的電路圖。
圖5是用于說明本實施方式的固體攝像裝置1的動作的時序圖。 圖6 (a)、圖6 (b)、圖6 (c)是表示其它實施方式中各像素部
P，的布局的平面示意圖。 符號說明 1:固體攝像裝置
2:受光部 3:讀出部 4:控制部
pm,n:像素部
Hn:電壓保持部
S:差運算部
具體實施例方式
以下參照附圖詳細說明用于實施本發明的最佳方式。另外，附圖 說明中對相同要素標以相同符號，并省略重復說明。
圖1是本實施方式的固體攝像裝置1的整體構成圖。此圖中所示
的固體攝像裝置1具備受光部2、讀出部3及控制部4。這些形成在共
同的半導體基板上。
受光部2具有以二維狀排列的M行N列的MXN個像素部Pu PM,N。各像素部Pm，n位于第m行第n列。在此，M及N分別是2以上 的整數，m為1以上M以下的任意整數，n為1以上N以下的任意整 數。各像素部P，具有共同的構造，是包含埋入型光敏二極管等的APS
(主動式像素傳感器)型，向配線Ln輸出與入射到該光敏二極管的光
的強度相應的電壓值。各配線Ln共同連接于位于第n列的M個像素部
Pu PM,n的各個輸出端。
讀出部3經由N條配線L, Ln逢接于受光部2，在將從各像素部
Pm,n輸出到配線Ln的電壓值加以輸入并對其進行特定處理之后，依次 輸出代表入射到各像素部P，的光的強度的電壓值V。ut,m，n。讀出部3 包含N個電壓保持部H, Hn及1個差運算部S。各電壓保持部Hn經 由配線U分別連接于位于第n列的M個像素部Pu PM，n的輸出端；
依次輸入從各像素部Pm,n往配線Ln輸出的2種電壓值Vm,w及Vm,n,2并 加以保持。差運算部S經由2條配線Lm及L32連接于各電壓保持部Hn
的輸出端，依次輸入從各電壓保持部Hn往配線L3" L32輸出的2種電 壓值Vm，^及Vm^進行差運算[Vm，w—Vm，n，2]，輸出代表其運算結果的 電壓值V。ut,m,n。
控制部4控制受光部2及讀出部3各自的動作。該控制部4例如
通過移位寄存器電路在規定時刻產生各種控制信號，并將這些控制信
號分別向受光部2及讀出部3傳送。另外，圖1中省略了用于傳送控 制信號的配線的圖。
圖2是各像素部P，的電路圖。各像素部Pm,n包含埋入型光敏
二極管PD，產生與入射光強度的量相應的電荷；電容元件C，與埋入 型光敏二極管PD并聯連接，儲存該埋入型光敏二極管PD所產生的電 荷；放大晶體管T,，輸出與輸入到門極端子的電壓值相應的電壓值； 傳送晶體管T2，將響應電容元件C的儲存電荷量的電壓值輸入到放大 晶體管T,的門極端子；放電晶體管T3，將電容元件C的電荷加以放電 ;選擇晶體管T4，將從放大晶體管Ti所輸出的電壓值選擇性地向配線 Ln輸出。
與先前的APS型的構成相比，該像素部Pn^的特點在于，與埋入 型光敏二極管PD并聯地設置有電容元件C。等效地而言，先前的APS 型的像素部中，光敏二極管的接合電容部與光敏二極管并聯地設置。
但是，在本實施方式的固體攝像裝置1的像素部Pm,n中，電容元件C
故意與埋入型光敏二極管PD的接合電容部分開地形成。
使放大晶體管T,的漏極端子為偏壓電位。傳送晶體管丁2，其漏極
端子連接于放大晶體管T,的門極端子，其源極端子連接于光敏二極管
PD的陰極以及電容元件C的一個端子。光敏二極管PD的陽極與電容 元件C的相反側的端子連接于接地電位。放電晶體管T3，其源極端子 連接于放大晶體管T,的門極端子，使其漏極端子為偏壓電位。選擇晶 體管T4，其源極端子連接于放大晶體管1^的源極端子，其漏極端子連 接于配線Ln。另外，該配線U與恒電流源相連。放大晶體管Ti及選擇 晶體管T4與恒電流源一起構成源極跟隨器(Source follower)電路。
向傳送晶體管T2的門極端子輸入傳送控制信號Tmns。向放電晶體 管丁3的門極端子輸入放電控制信號Reset。另外，向選擇晶體管T4的 門極端子輸入選擇控制信號Address。當傳送控制信號Tmns為高電平 、放電控制信號Reset為低電平時，傳送晶體管T2將與電容元件C的 儲存電荷量相應的電壓值輸入到放大晶體管^的門極端子。當傳送控 制信號Tmns為高電平、放電控制信號Reset也為高電平時，傳送晶體 管T2及放電晶體管T3放出電容元件C的電荷。另外，當選擇控制信號 Address為高電平時，選擇晶體管14將從放大晶體管T,輸出的電壓值 向配線Ln輸出。
這樣構成的各像素部Pm,n，通過使傳送控制信號Tram為低電平、 放電控制信號Reset為高電平，使放大晶體管的門極端子的電荷放 電，若選擇控制信號Address為高電平，則從該初期化狀態的放大晶體 管T,輸出的電壓值(暗信號成分)經過選擇晶體管T4而輸出到配線 U。另一方面，當放電控制信號Reset為低電平、傳送控制信號Tram 及選擇控制信號Address分別為高電平時，與在光敏二極管PD產生并 儲存于電容元件C的電荷量相應的電壓值，輸入到放大晶體管1的門 極端子，然后，相應于該輸入電壓值而從放大晶體管Ti輸出的電壓值
(亮信號成分)，經過選擇晶體管T4而輸出到配線Ln。
圖3是各像素部Pm,n的一部分的剖面圖。此圖表示埋入型光敏二
極管PD、電容元件C及傳送晶體管T2的剖面。如此圖所示，各像素
部Pm，n具有形成在半導體基板10上的p型第1半導體區域11， lT型第
2半導體區域12、 p+型第3半導體區域13、 n+型第4半導體區域14、 n+型第5半導體區域15、絕緣層16、門極電極層17、第1電極層18 、電介質層19及第2電極層20。
p+型第3半導體區域13和n+型第4半導體區域14分別形成在p 型第1半導體區域11以及n—型第2半導體區域12兩者的上方。n+型 第5半導體區域15形成在p型第1半導體區域11上。絕緣層16形成 在該半導體層的除了一部分以外的大致整體的上方。門極電極層17形 成在n+型第4半導體區域14與n+型第5半導體區域15之間的p型第 1半導體區域11的上方，且形成在絕緣層16上。第1電極層18、電 介質層19及第2電極層20形成在p+型第3半導體區域13的上方，且 依次形成在絕緣層16上。第1電極層18電連接于p型第1半導體區 域ll，第2電極層20電連接于n+型第4半導體區域14。
p型第1半導體區域11、 n—型第2半導體區域12及p+型第3半導 體區域13構成埋入型光敏二極管PD。 p型第1半導體區域11、 n+型 第4半導體區域14、 n+型第5半導體區域15以及門極電極層17構成 傳送晶體管T2。另外，第1電極層18、電介質層19及第2電極層20 構成電容元件C。
如此，優選在埋入型光敏二極管PD的上方形成有電容元件C，構 成電容元件C的第1電極層18、電介質層19及第2電極層20分別是 透明的。此時，由于埋入型光敏二極管PD可以接受透過電容元件C 而入射的光，故可縮小各像素部Pm，n的布局面積。例如， 一對電極層 18、 20由多晶硅所構成，被夾在該一對電極層18、 20之間的電介質層 19則由石英玻璃(Si02)所構成。
圖4是各電壓保持部Hn的電路圖。如此圖所示，各電壓保持部
Hn包含第1保持部Hw和第2保持部Hw。第1保持部Hn,,和第2保持
部Hn，2分別是互相相同的構造，可以輸入并保持從位于第n列的M個
像素部Pi,n PM，n各自的選擇晶體管T4所依次輸出的電壓值，并且可以
輸出該保持的電壓值。
第l保持部H^包含晶體管Tu、晶體管Tu及電容元件d。電容
元件Q的一端為接地電位，電容元件Q的另一端則分別連接于晶體管
T 的漏極端子以及晶體管T12的源極端子。晶體管T 的源極端子經由 配線Ln而連接于像素部Pm,n的選擇晶體管T4。晶體管T12的漏極端子
連接于配線L3"具有這樣的構成的第l保持部Hn,i，當輸入于晶體管
Tu的門極端子的第1輸入控制信號Swml為高電平時，將從經由配線
Ln連接的像素部P一所輸出的電壓值保持于電容元件C1;當輸入于晶
體管Ti2的門極端子的輸出控制信號Read為高電平時，則將保持于電
容元件Q的電壓Vm,w輸出到配線L31。
第2保持部Hn,2包含晶體管T^、晶體管T22及電容元件C2。電容
元件c2的一端為接地電位，電容元件c2的另一端則分別連接于晶體管
T21的漏極端子以及晶體管T22的源極端子。晶體管T21的源極端子經由 配線Ln而連接于像素部Pm,n的選擇晶體管T4。晶體管T22的漏極端子
連接于配線L32。具有如此構成的第2保持部Hn，2，當輸入于晶體管丁21
的門極端子的第2輸入控制信號Swm2為高電平時，將從經由配線Ln 連接的像素部P，所輸出的電壓值保持于電容元件C2;當輸入于晶體 管T22的門極端子的輸出控制信號Read為高電平時，則將保持于電容
元件C2的電壓Vm，n,2輸出到配線L32。
第1保持部H^和第2保持部Hn,2分別在不同的時刻進行動作。 例如，在經由配線U連接的像素部Pm，n中，當傳送控制信號TYailS為
低電平、而放電控制信號Reset及選擇控制信號Address分別為高電平
時，第2保持部Hn,2輸入并保持從放大晶體管Ti輸出的電壓值(暗信 號成分)Vm,n,2。另一方面，在經由配線Ln連接的像素部Pm,n中，當放
電控制信號Reset為低電平、而傳送控制信號Trans及選擇控制信號 Address分別為高電平時，第1保持部輸入并保持從放大晶體管T,
輸出的電壓值(亮信號成分)Vm,n,i。
另外，傳送控制信號Tmns、放電控制信號Reset、選擇控制信號 Address、第1輸入控制信號Swml、第2輸入控制信號Swm2以及輸 出控制信號Read分別是從控制部4輸出的。
圖5是用于說明本實施方式的固體攝像裝置1的動作的時序圖。 另外，以下對1個像素部Pm,n的動作進行說明，但實際上，通過輸入 到各像素部Pm,n的選擇晶體管T4的門極端子的選擇控制信號Address ，以及輸入到各電壓保持部Hn的晶體管T12及T22各自的門極端子的輸 出控制信號Read,對MXN個像素部Pu PM,N依次從讀出部3輸出
與入射光強度相應的電壓值V。ut，u V。ut,M，N。
在該圖中，從上面依次表示了各自的電平變化輸入到像素部Pm,n
的傳送晶體管T2的門極端子的傳送控制信號Tmns;輸入到像素部Pm,n
的放電晶體管T3的門極端子的放電控制信號Reset;輸入到第1保持部
的晶體管Tu的門極端子的第1輸入控制信號Swml;輸入到第2 保持部Hn,2的晶體管T12的門極端子的第2輸入控制信號Swm2。另外 ，在從讀出部3輸出與向像素部Pm,n的入射光線強度相應的電壓值 V。ut,m,n的期間中，輸入到該像素部Pm,n的選擇晶體管T4的門極端子的 選擇控制信號Address為高電平。
在時刻之前，傳送控制信號Trans為低電平，放電控制信號Reset 為高電平，第1輸入控制信號Swml及第2輸入控制信號Swm2為低 電平。放電控制信號Reset在時刻t,轉變為低電平。然后，第2輸入控 制信號Swm2在時刻t2轉變為高電平，在時刻t3轉變為低電平。在該 第2輸入控制信號Swm2為高電平的時刻12到時刻t3的期間內，從像 素部Pm,。的放大晶體管T,輸出的電壓值(暗信號成分)V,，2被第2保 持部Hn,2的電容元件C2所保持。
接著，傳送控制信號Trans在時刻t4轉變為高電平，在時刻ts轉變 為低電平。由此，在光敏二極管PD產生并儲存于電容元件C的電荷 量所對應的電壓值，被輸入到放大晶體管^的門極端子。再接下來， 第1輸入控制信號Swml在時刻t6轉變為高電平，在時刻t7轉變為低 電平。在該第1輸入控制信號Swml為高電平的時刻16到時刻17的期 間內，從像素部Pm,n的放大晶體管L輸出的電壓值(亮信號成分)V^j 被第1保持部Hn>1的電容元件d所保持。
然后，傳送控制信號Tmns在時刻t8轉變為高電平，在時刻t9轉變 為低電平。放電控制信號Reset在時刻t9轉變為高電平。由此，使電容 元件C的電荷進行放電。
另外，在時刻t7之后，輸出控制信號Read會在一定期間成為高電 平。在此期間，由第1保持部Hn，i的電容元件d所保持的電壓值(亮
信號成分)V，，,輸出到配線L3p同時，由第2保持部Hn,2的電容元件
C2所保持的電壓值(暗信號成分)V，,2輸出到配線L32。然后，這些
電壓值Vm,w及V，，2輸入到差運算部S，通過該差運算部S進行差運 算[V，，廣Vm,n,2]，并輸出代表該運算結果的電壓值V。ut,m，n。如此，從
讀出部3所輸出的電壓值V。uun，n，是與入射到像素部P,的埋入型光 敏二極管PD的光的強度相應的值，其暗信號成分被去除，而S/N比優
良。
在本實施方式中，隨著光線的入射而在埋入型光敏二極管PD中所 產生的電荷，儲存在與該埋入型光敏二極管PD并聯設置的電容元件C 中。然后，該電容元件C中存儲的電荷量所對應的電壓值V,j從選擇 晶體管T4輸出到配線Ln。如此，由于使用埋入型光敏二極管PD，故 可以使第2半導體區域12完全耗盡(deplete)、使接合電容值減少， 可以幾乎完全讀出在pn接合部產生的電荷，抑制泄漏電流的產生，使 光檢測的S/N比以及線性特性更優良。另外，與埋入型光敏二極管PD 并聯地形成有電容元件C，在埋入型光敏二極管PD產生的電荷儲存于 電容元件C中，因此，解決了在埋入型光敏二極管的接合電容部中電 荷飽和的問題，可以擴大動態范圍。如此，該固體攝像裝置1可以實 現同時提高線性特性及動態范圍的目的。
另外，在本實施方式中，在埋入型光敏二極管PD的上方形成有電 容元件C，構成電容元件C的第1電極層18、電介質層19及第2電極 層20分別是透明的。由此，由于埋入型光敏二極管PD可以接受透過
電容元件C而入射的光，故可以使各像素部Pm,n的布局面積縮小。或
者，可以抑制Pm，n的布局面積的擴大，并可以確保埋入型光敏二極管 PD的受光面積和靈敏度。
本發明并不限定于上述實施方式，而可以有各種變形。例如，在
各像素部Pm,n中，埋入型光敏二極管PD、電容元件C及晶體管^
T4的布局并不限于上述實施方式。圖6是表示其它實施方式的各像素 部P，的布局的平面示意圖。在該圖中，符號FET表示配置晶體管Tj T4的區域。圖6 (a)、圖6 (b)、圖6 (c)所分別表示的布局的任 意一個，分別與埋入型光敏二極管PD及電容元件C的配置區域相分 開。
圖6 (a)所示的布局中，晶體管T, T4的配置區域被埋入型光敏 二極管PD的配置區域及電容元件C的配置區域所包圍。圖6 (b)所 示的布局中，晶體管T, T4的配置區域和電容元件C的配置區域分別 位于埋入型光敏二極管PD的配置區域的外側。圖6 (c)所示的布局 中，晶體管T, T4的配置區域位于埋入型光敏二極管PD的配置區域 的外側，電容元件C的配置區域被埋入型光敏二極管PD的配置區域
所包圍。在這些情況下，電容元件可以是不透明的，但在使用透明的 電容元件時，透過電容的光會在電容元件C的配置區域的半導體區域
產生電荷，其進行擴散而被埋入型光敏二極管PD的配置區域所捕捉，
從而可以進一步提高效率。 產業上利用的可能性 本發明可以使用于固體攝像裝置。
權利要求
1.一種固體攝像裝置，多個像素部被排列為一維或二維狀，其特征在于，所述多個像素部分別具備埋入型光敏二極管，產生與入射光強度的量相應的電荷；和電容元件，與所述埋入型光敏二極管并聯連接，儲存由所述埋入型光敏二極管產生的電荷。
2. 如權利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于， 所述電容元件形成在所述埋入型光敏二極管的上方，包含透明的一對電極層和被夾在該一對電極層之間的透明電介質層；所述埋入型光敏二極管接受透過所述電容元件而入射的光。
3. 如權利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于， 所述多個像素部分別還具備放大晶體管，輸出與輸入到門極端子的電壓值相應的電壓值； 傳送晶體管，將與所述電容元件的儲存電荷量相應的電壓值向所 述放大晶體管的門極端子輸入；放電晶體管，進行所述電容元件的電荷的放電；選擇晶體管，選擇性地輸出從所述放大晶體管輸出的電壓值。
4. 如權利要求3所述的固體攝像裝置，其特征在于，還具備配線，連接于包含在1個像素列的多個像素部的每一個所述選擇晶體管的輸出；第1保持部，連接于所述配線，保持第1期間中從各像素部輸出 的亮信號成分；第2保持部，連接于所述配線，保持第2期間中從各像素部輸出 的暗信號成分；差運算部，輸入所述第1及第2保持部的輸出，輸出輸入信號的 差分<
全文摘要
本發明提供一種固體攝像裝置，其可以實現線性特性及動態范圍兩者的提高。固體攝像裝置的各像素部(P<sub>m，n</sub>)包括埋入型光敏二極管(PD)，產生與入射光強度的量相應的電荷；電容元件(C)，與埋入型光敏二極管(PD)并聯連接，儲存由該埋入型光敏二極管(PD)產生的電荷；放大晶體管(T<sub>1</sub>)，輸出與輸入到門極端子的電壓值相應的電壓值；傳送晶體管(T<sub>2</sub>)，將與電容元件(C)的儲存電荷量相應的電壓值向放大晶體管(T<sub>1</sub>)的門極端子輸入；放電晶體管(T<sub>3</sub>)，進行電容元件(C)的電荷的放電；選擇晶體管(T<sub>4</sub>)，選擇性地向配線(L<sub>n</sub>)輸出從放大晶體管(T<sub>1</sub>)輸出的電壓值。
文檔編號H04N5/369GK101103461SQ20068000190
公開日2008年1月9日 申請日期2006年2月2日 優先權日2005年2月7日
發明者久嶋龍次, 本田真彥, 森治通, 水野誠一郎, 藤田一樹 申請人:浜松光子學株式會社