固體攝像裝置、用於固體攝像裝置的驅動方法和電子設備的製作方法

2023-10-08 22:04:54

專利名稱：固體攝像裝置、用於固體攝像裝置的驅動方法和電子設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體攝像裝置、用於該固體攝像裝置的驅動方法及裝配有該固體攝像 裝置的電子設備。
背景技術：
固體攝像裝置概略地分類為以電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)圖像 傳感器和互補型金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 圖像傳感器為代表的兩種類型的固體攝像裝置。這些固體攝像裝置廣泛地用於數位相機和 數碼攝像機等中。近來，從低電源電壓和低能耗的觀點看，MOS型圖像傳感器更多地用作被 安裝在例如裝配有照相機的手機等行動裝置中的固體攝像裝置。作為在個體像素中實現同時存儲的CMOS固體攝像裝置，已經提出了一種CMOS固 體攝像裝置，它的每個像素都設有存儲元件(電容)以確保全局快門(global shutter)成 像。由於CXD固體攝像裝置具有垂直移位寄存器並且同時讀取全部像素中的電荷，從而能 夠實現全局快門成像。在具有垂直移位寄存器以保證全局快門成像的CXD固體攝像裝置中，光會洩漏到 垂直移位寄存器中，因而導致拖尾。CXD固體攝像裝置可以檢測每列的光學黑像素區域(所 謂的光學黑體(optical black, 0PB)區域)處的拖尾。因此，CCD固體攝像裝置可以通過 進行用從像素獲得的信號減去從光學黑像素區域得到的信號(0ΡΒ數據)的處理來修正拖 尾(例如，參見JP-A-2006-210560(專利文件1))。每個像素都設有存儲元件以保證全局快門成像的CMOS固體攝像裝置需要應對的 問題是由洩漏到用於保存電荷的存儲元件中的光所引起的拖尾的發生以及由於拖尾所引 起的圖像質量劣化。由於由洩漏到各像素中的光所引起的信號(拖尾)不會被傳輸到CMOS 固體攝像裝置的光學黑像素區域中，因而對於各像素不能檢測到漏光。結果，能夠實現全局 快門成像的CMOS固體攝像裝置具有這樣的問題不能修正由漏光所引起的圖像質量劣化。

發明內容
因此，本發明的目的是期望提供一種固體攝像裝置以及用於該固體攝像裝置的驅 動方法，所述固體攝像裝置可以修正由洩漏到能夠實現全局快門成像的CMOS固體攝像裝 置的存儲部中的漏光所引起的信號。本發明的另一目的是期望提供諸如照相機等裝配有這種固體攝像裝置的電子設 備。
本發明實施例的固體攝像裝置具有設置在能夠進行全局快門的像素部中的普通像素和漏光修正用像素。所述普通像素至少包括光電轉換部和與所述光電轉換部相鄰的存 儲部。所述漏光修正用像素用於修正由洩漏到所述存儲部中的漏光所引起的圖像質量劣 化。在本發明上述實施例的固體攝像裝置中，與正常信號和漏光信號的合併信號相對 應的電荷被存儲在普通像素的存儲部中，並且從所述普通像素輸出該合併信號。所述漏光 修正用像素僅輸出漏光信號。此後，對所述合併信號和所述漏光信號進行減法處理從而得 到正常信號。本發明另一實施例的用於固體攝像裝置的驅動方法使用了如下的固體攝像裝置， 所述固體攝像裝置包括設置在具有多個像素且能夠進行全局快門的像素部中的普通像素 和漏光修正用像素。所述普通像素至少包括光電轉換部和與所述光電轉換部相鄰的存儲 部。所述漏光修正用像素至少具有光接收區域和與所述光接收區域相鄰的存儲部。在本發明的上述實施例中，從所述普通像素輸出正常信號與由洩漏到所述存儲部 中的漏光所引起的漏光信號的合併信號，並且從所述漏光修正用像素僅輸出由洩漏到所述 存儲部中的漏光所引起的漏光信號；對來自所述普通像素的所述合併信號和來自所述漏光 修正用像素的所述漏光信號進行減法處理，從而修正來自所述普通像素的漏光信號。由於本發明實施例的用於固體攝像裝置的驅動方法在隨後的信號處理中從普通 像素的正常信號中減去了由洩漏到所述存儲部中的漏光所引起的漏光信號，因而修正了所 述普通像素中的漏光信號。本發明又一實施例的電子設備包括光學系統、固體攝像裝置以及對所述固體攝像 裝置的輸出信號進行處理的信號處理電路。所述固體攝像裝置具有設置在能夠進行全局快 門的像素部中的普通像素和漏光修正用像素。所述普通像素至少包括光電轉換部和與所述 光電轉換部相鄰的存儲部。所述漏光修正用像素用於修正由洩漏到所述存儲部中的漏光所 引起的圖像質量劣化。此外，所述固體攝像裝置具有如下功能對從所述漏光修正用像素得 到的信號和從所述漏光修正用像素周圍的所述普通像素得到的信號進行減法處理，從而修 正從所述漏光修正用像素周圍的所述普通像素得到的所述信號。由於本發明實施例的電子設備具有設置在所述固體攝像裝置的像素部中的漏光 修正用像素，因而可以檢測漏光信號。能夠通過對該漏光信號與所述普通像素中的正常信 號和漏光信號的合併信號進行減法處理，來修正所述普通像素中的漏光信號。如上所述明顯可知的是，本發明實施例的固體攝像裝置及用於該固體攝像裝置的 驅動方法能夠對可以執行全局快門成像的固體攝像裝置中由洩漏到存儲部中的漏光所引 起的信號進行修正。本發明實施例的裝配有這種固體攝像裝置的電子設備能夠對可以執行全局快門 成像的固體攝像裝置中由洩漏到存儲部中的漏光所引起的信號進行修正，因而提供了具有 高畫質和高質量的電子設備。


圖1是示出了適於本發明的CMOS固體攝像裝置的一個示例的示意性結構圖。圖2是示出了適於本發明的單位像素的一個示例的等效電路圖。
圖3是示出了本發明實施例中像素部的像素布局圖形的一個示例的示例性圖。圖4是示出了本發明第一實施例固體攝像裝置的像素部中普通像素的主要部分 的結構圖。圖5是示出了本發明第一實施例固體攝像裝置的像素部中漏光修正用像素的主 要部分的結構圖。圖6A 圖6C是在對用於第一實施例固體攝像裝置的驅動方法的說明中所涉及的 普通像素的電位狀態圖。圖7A 圖7C是在對用於第一實施例固體攝像裝置的驅動方法的說明中所涉及的 漏光修正用像素的電位狀態圖。圖8是示出了本發明第二實施例固體攝像裝置的像素部中漏光修正用像素的主 要部分的結構圖。圖9是示出了本發明第三實施例固體攝像裝置 的像素部中漏光修正用像素的主 要部分的結構圖。圖10是示出了本發明實施例的修正電路的圖。圖11是本發明第四實施例的電子設備的示意性結構圖。
具體實施例方式下面說明本發明的實施方式(以下稱作「實施例」)。按照下面的順序進行說明。1. CMOS固體攝像裝置的示意性結構示例2.本發明實施例的基本結構示例3.第一實施例(固體攝像裝置的結構示例)4.第二實施例(固體攝像裝置的結構示例)5.第三實施例(固體攝像裝置的結構示例)6.第四實施例(電子設備的結構示例)1. CMOS固體攝像裝置的示意性結構示例圖1示出了適於本發明各個實施例的CMOS固體攝像裝置的一個示例的示意性結 構。如圖1所示，本實施例的固體攝像裝置1被配置成包括像素部(被稱作攝像區域)3和 周邊電路部，上述像素部3具有以二維陣列規則地布置在半導體基板11 (例如矽基板)上 的多個像素2，每個像素2都包括光電轉換部。稍後將會說明像素2的電路結構示例。周邊電路部被配置成包括垂直驅動電路4、列信號處理電路5、水平驅動電路6、輸 出電路7和控制電路8。控制電路8接收用於指示操作模式等的輸入時鐘及數據，並輸出例如固體攝像裝 置的內部信息等數據。具體地，控制電路8生成使垂直驅動電路4、列信號處理電路5和水 平驅動電路6等基於垂直同步信號、水平同步信號和主時鐘進行工作的時鐘信號。然後，控 制電路8將這些信號輸入給垂直驅動電路4、列信號處理電路5和水平驅動電路6等。垂直驅動電路4例如由移位寄存器構成。垂直驅動電路4選擇像素驅動行，並向 所選擇的像素驅動行提供用於驅動像素的脈衝從而逐行地驅動像素。也就是，垂直驅動電 路4在垂直方向上依次逐行地對像素部3的各像素2進行選擇性地掃描，並通過垂直信號 線9將像素信號提供給列信號處理電路5，所述像素信號是根據由每個像素2中作為光電轉換元件的例如光電二極體所接收到的光量而產生的。列信號處理電路5例如對應於像素2的各列而被設置著，並且在各像素列中對從 一行像素2輸出的信號進行諸如噪聲去除等信號處理。也就是，列信號處理電路5進行諸 如用於去除像素2所特有的固定模式噪聲的相關雙採樣(Correlated Double Sampling, CDS)、信號放大和AD (模擬/數字)轉換等信號處理。水平選擇開關(未圖示)被連接在 列信號處理電路5的輸出級與水平信號線10之間。
水平驅動電路6例如由移位寄存器構成。水平驅動電路6依次輸出水平掃描脈衝 來依次選擇列信號處理電路5，並將像素信號從列信號處理電路5輸出至水平信號線10。輸出電路7對從列信號處理電路5通過水平信號線10依次提供的信號進行信號 處理，並輸出該經過處理後的信號。例如，可以是如下的情況僅進行緩衝的情況，或者進行 諸如黑電平調整和列差異修正等各種數位訊號處理的情況。輸入/輸出端子12與外部交 換信號。圖2示出了單位像素的結構示例。該電路示例的單位像素2包括作為光電轉換部 的例如光電二極體PD、把信號電荷臨時存儲在光電二極體PD中的存儲部13、以及具有多 個MOS電晶體的像素電晶體。像素電晶體包括六個電晶體，即，傳輸電晶體Trll、讀電晶體 Trl2、第一復位電晶體Trl3、放大電晶體Trl4、選擇電晶體Trl5和第二復位電晶體Trl6。 像素電晶體可以採用不具有選擇電晶體的另一種電路結構。連接在光電二極體PD與存儲部13之間的傳輸電晶體Trll響應於施加到傳輸晶 體管Trll的傳輸柵極上的傳輸脈衝把存儲在光電二極體PD(位於源極側)中的信號電荷 傳輸給存儲部13 (位於漏極側)。讀電晶體Trl2連接在存儲部13與浮動擴散部FD之間。 讀電晶體Trl2響應於施加到讀柵極電極42上的讀脈衝把存儲在存儲部13 (位於源極側) 中的信號電荷讀出至浮動擴散部FD(位於漏極側)。連接在浮動擴散部FD與電源14之間 的第一復位電晶體Trl3響應於施加到第一復位電晶體Trl3的復位柵極上的第一復位脈衝 把浮動擴散部FD復位成電源電位VDD。放大電晶體Trl4連接在選擇電晶體Trl5的漏極與電源14之間，並且它的放大柵 極與浮動擴散部FD連接。選擇電晶體Trl5的源極側與垂直信號線9連接。與讀出至浮動 擴散部FD的信號電荷量對應的像素信號通過放大電晶體Trl4和選擇電晶體Trl5被輸出 給垂直信號線9。此外，第二復位電晶體Trl6作為電子快門，用於把在一定期間內存儲到光電二極 管PD中的電荷排出。連接在光電二極體PD與電源14之間的第二復位電晶體Trl6響應於 施加到第二復位電晶體Trl6的復位柵極上的第二復位脈衝把光電二極體PD復位成電源電 位VDD。第二復位電晶體Trl6被配置為所謂的溢出溝道機構(overflow drain mechanism), 其具有用作溢出柵極的復位柵極以及用作溢出漏極的漏極。在曝光期間中，在像素部3中實施全局快門。也就是，當通過向第二復位電晶體 Trie施加第二復位脈衝(被稱作快門脈衝)而使其接通時，當前為止存儲到全部像素的光 電二極體PD中的電荷被同時排出到溢出漏極。然後，在剩餘的曝光期間內生成的信號電荷 被存儲到全部像素的光電二極體PD中。當接著進行讀出時，全部像素的傳輸電晶體Trll 同時接通，全部像素的光電二極體PD的信號電荷被同時傳輸至存儲部13。此後，接通一行 像素的讀電晶體Trl2，並且逐個像素行地把存儲在存儲部13中的信號電荷讀出至浮動擴散部FD。然後，通過放大電晶體Trl4和選擇電晶體Trl5將信號電荷輸出到至垂直信號線 9。當讀出一行像素的信號電荷時，通過第一復位電晶體Trl3將存儲部13中的信號電荷排 出。可以對每行像素的存儲部13中的信號電荷或者同時對全部像素的存儲部13中的信號 電荷進行復位。通常，對全部像素中的信號電荷同時進行復位。
2.本發明實施例的基本結構示例本發明實施例的固體攝像裝置具有用於修正由漏光所引起的圖像質量劣化的像 素(以下稱作「漏光修正用像素」)，且每對應於多個像素都布置有一個漏光修正用像素。漏 光修正用像素僅輸出由漏光所引起的信號(漏光信號；拖尾成分)。本發明實施例的固體 攝像裝置用從漏光修正用像素周圍的普通像素得到的信號(正常信號和漏光信號的合併 信號)減去由漏光修正用像素得到的信號，由此僅得到正常信號，從而修正了周圍的普通 像素的圖像質量劣化。也就是，本實施例具有如下功能通過對從漏光修正用像素周圍的普 通像素得到的信號與由漏光修正用像素得到的信號進行減法處理，從而修正從周圍的普通 像素得到的信號。圖3是示出了本發明實施例固體攝像裝置的像素布局的一個示例的示意性結構 圖。像素部23具有普通像素22，即布置成例如正方形格子圖形或拜耳圖形的紅色、綠色和 藍色(RGB)像素22R、22G和22B。根據本實施例，在有效像素區域的像素布局圖形中，漏光 修正用像素24被布置成在每一組像素25中都設有一個漏光修正用像素24。每一組像素 25中的其他像素都是普通像素22。也就是，在有效像素區域中由普通像素形成的已知一組 像素中，由漏光修正用像素24取代了任意顏色的像素，例如取代了綠色像素22G。此時，在 位於漏光修正用像素24之上的層上形成有綠色濾色器。漏光修正用像素24也可取代紅色像素22R或藍色像素22B。在此情況下，在位於 漏光修正用像素24之上的層上形成有紅色濾色器或藍色濾色器。也可以採用在位於漏光 修正用像素24之上的層上沒有形成濾色器的結構。在本示例中，設計了如下的拜耳型像素布局圖形在具有以3個像素X3個像素= 9個像素作為一組的各組像素25的中心處，漏光修正用像素24取代了各組像素中的一個綠 色像素。漏光修正用像素24在整個有效像素區域中進行取代的比例是任選的。自然地，減 小該比例能夠減少漏光修正用像素24的數量。然而，由於漏光修正用像素24數量的減少 會增大漏光修正用像素24與普通像素22之間的間距，因而在來自漏光修正用像素24的漏 光信號的電平與來自普通像素22的由漏光所引起的漏光信號的電平之間會出現誤差。所 以，優選將漏光修正用像素24的比例設定在不會出現上述誤差的範圍內。儘管是在像素布 局圖形是圖3所示的正方形格子圖形的情況下對漏光修正用像素24進行了布置，但漏光修 正用像素24的上述布置對於其他像素布局圖形(如拜耳布局圖形)也是有效的。各個普通像素22(22R、22G、22B)都具有例如作為光電轉換部的光電二極體PD、存 儲元件(以下稱作「存儲部」)36和浮動擴散部(FD) 37。漏光修正用像素24具有光接收區域54、存儲部36和浮動擴散部(FD) 37。3.第一實施例固體攝像裝置的結構示例圖4和圖5示出了本發明第一實施例的固體攝像裝置。第一實施例採用了具有圖 3所示的像素布局圖形的結構。圖4示出了普通像素的主要部分沿圖3中的A-A線的截面，圖5示出了漏光修正用像素的主要部分沿圖3中的B-B線的截面。第一實施例的固體攝像裝置31具有其中形成有第二導電型(例如，ρ型)半導體 阱區域33的第一導電型(例如，η型)半導體基板72，並具有以圖3所示的像素布局圖形 布置在P型半導體阱區域33中的普通像素22和漏光修正用像素24。如圖4所示，普通 像素22(22R、22G、22B)具有形成在P型半導體阱區域33頂面處 的作為光電轉換部的光電二極體PD以及由η型半導體區域形成的存儲部36。在P型半導 體阱區域33頂面處形成有浮動擴散部(FD) 37和溢出溝道機構40。溢出溝道機構40被配 置作為第二復位電晶體Trl6。光電二極體PD被配置為埋入型光電二極體，該埋入型光電二極體在用作電荷存 儲層的η型半導體區域34的頂面上具有高雜質濃度的P型半導體區域35。該P型半導體區 域35也用作抑制暗電流的區域。存儲部36被形成得鄰近於光電二極體PD的一端。傳輸柵 極電極(TRG) 41形成在存儲部36與光電二極體PD之間且柵極絕緣膜39介於傳輸柵極電極 41跟存儲部36及光電二極體PD之間，由此形成了傳輸電晶體Trll。讀柵極電極(R0G)42 形成在存儲部36與浮動擴散部(FD) 37之間且柵極絕緣膜39介於讀柵極電極42跟存儲部 36及浮動擴散部37之間，由此形成了讀電晶體Trl2。溢出溝道機構40具有由鄰近於光電 二極體PD另一端的η型半導體區域形成的溢出漏極區域38。溢出柵極電極(OFG) 43形成 在溢出漏極區域38與光電二極體PD之間且柵極絕緣膜39介於溢出柵極電極43跟溢出漏 極區域38及光電二極體PD之間，由此形成了溢出溝道機構40或第二復位電晶體Trl6。溢 出柵極電極(OFG)43相當於第二復位柵極電極，而溢出漏極區域38相當於復位漏極區域。隔著絕緣膜或防反射膜45在基板表面的頂部處形成有遮光膜46以防止光進入存 儲部36或浮動擴散部(FD)37。在圖4中，遮光膜46被形成為在除了光電二極體PD上方之 外的區域中覆蓋著電晶體Trll、Trl2、Trl6和其他像素電晶體(未圖示)。遮光膜46被形 成在絕緣膜45上，並且在除了光電二極體PD上方之外的區域中覆蓋著電晶體Trll、Trl2、 Trl6和其他像素電晶體(未圖示)。浮動擴散部(FD) 37利用貫穿遮光膜46的接觸通道52 與形成在上層處的多層布線層51的所需布線49連接。多層布線層51是通過設置多條布 線49且這些布線之間隔著層間絕緣膜48而形成的。傳輸柵極電極41同樣利用貫穿遮光 膜46的接觸通道52與所需布線49連接。讀柵極電極42也利用貫穿遮光膜46的接觸通 道52與所需布線49連接。儘管未圖示，但溢出柵極電極43也利用貫穿遮光膜46的接觸 通道52與所需布線49連接。由於構成像素電晶體的其他電晶體，即第一復位電晶體Trl3、放大電晶體Trl4和 選擇電晶體Trl5與普通像素的電晶體相似，因而省略對它們的說明。如圖5所示，按照與圖4所示的普通像素22基本上相同的方式配置漏光修正用像 素24。也就是，在漏光修正用像素24中，在P型半導體阱區域33的頂面處形成了由作為光 電轉換部且具有pn結的光電二極體PD形成的光接收區域54。存儲部36和由η型半導體 區域形成的浮動擴散部(FD) 37也形成在P型半導體阱區域33的頂面處。此外，溢出溝道 機構40也形成在P型半導體阱區域33的頂面處。該溢出溝道機構40被配置作為第二復 位電晶體Tr 16。光電二極體PD被配置為埋入型光電二極體，該埋入型光電二極體在用作電荷存 儲層的η型半導體區域34的頂面上具有高雜質濃度的P型半導體區域35。存儲部36被形成得鄰近於光電二極體PD的一端。傳輸柵極電極(TRG) 41形成在存儲部36與光電二極體 PD之間且柵極絕緣膜39介於傳輸柵極電極41跟存儲部36及光電二極體PD之間，由此形 成了傳輸電晶體Trll。讀柵極電極(ROG)42形成在存儲部36與浮動擴散部(FD)37之間且 柵極絕緣膜39介於讀柵極電極42跟存儲部36及浮動擴散部37之間，由此形成了讀晶體 管Trl2。溢出溝道機構40具有由鄰近於光電二極體PD另一端的η型半導體區域形成的溢 出漏極區域38。溢出柵極電極(0FG)43形成在溢出漏極區域38與光電二極體PD之間且柵 極絕緣膜39介於溢出柵極電極43跟溢出漏極區域38及光電二極體PD之間，由此形成了 溢出溝道機構40或第二復位電晶體Trl6。溢出柵極電極(OFG)43相當於第二復位柵極電 極。隔著絕緣膜或防反射膜45在基板表面的頂部處形成有遮光膜46以防止光進入存 儲部36或浮動擴散部(FD)37。在圖5中，遮光膜46被形成為在除了光電二極體PD上方之 外的區域中覆蓋著電晶體Trll、Trl2、Trl6和其他像素電晶體(未圖示)。漏光修正用像 素24中的傳輸電晶體Trll的柵極被設計成常閉的。在本實施例中，省去了用於把傳輸晶 體管Trll的傳輸柵極電極41與布線49連接起來的接觸通道。另外，可以通過增大傳輸晶 體管Trll的閾值電壓來實現常閉狀態。此外，在此情況下，應該通過基板或另一布線49來 使傳輸柵極電極41按照期望接地。
浮動擴散部(FD) 37利用貫穿遮光膜46的接觸通道52與形成在上層處的多層布 線層51的所需布線49連接。讀柵極電極42利用貫穿遮光膜46的接觸通道52與所需布 線49連接。漏光修正用像素24的溢出柵極電極(OFG)被設計成常開的。根據本實施例，可以 通過減小具有溢出柵極電極43的第二復位電晶體Trl6的閾值電壓來實現常開狀態。在此 情況下，採用向柵極電極43施加電壓的結構或者不向柵極電極43施加電壓的結構都是可 以的；而根據理想的垂直結構，是將電壓施加到柵極電極43上。理想的垂直結構意味著位 於矽基板上的結構(包括遮光膜46、多層布線層51和接觸通道52的垂直結構)對於普通 像素和漏光修正用像素而言儘可能相同。在此情況下，用於漏光修正用像素的柵極電極43 和用於普通像素的柵極電極43具有相同的結構。由於柵極電極(OFG)43與處於相同電位 的全部像素連接以同時對全部像素進行復位，因而電壓也被施加到漏光修正用像素的柵極 電極(ore) 43上。換句話說，溢出柵極電極(OFG) 43被設計成常開的從而將光電二極體PD所生成的 全部電荷排出到溢出漏極區域38。儘管未圖示，第二復位電晶體Trl6的閾值電壓被設定 成與普通像素的閾值電壓相等，並且溢出柵極電極43可被配置成通過接觸通道52與所需 布線49連接，因而可以向溢出柵極電極43施加用於將溢出柵極電極43設為常開狀態的電壓。由於構成像素電晶體的其他電晶體，即第一復位電晶體Trl3、放大電晶體Trl4和 選擇電晶體Trl5與普通像素的電晶體相似，因而省略對它們的說明。下面參照示出了電位狀態的圖6A 圖7C來說明用於第一實施例的固體攝像裝置 的驅動方法。圖6A 圖6C示出了普通像素的電位狀態，圖7A 圖7C示出了漏光修正用 像素的電位狀態。當向第二復位電晶體Trl6的溢出柵極電極(OFG) 43施加復位脈衝時，像素部3中的全部像素22 (22R、22G和22B)進行通過完全排出電荷而實現的全局復位操作。在普通像素22中，當向傳輸電晶體Trll的傳輸柵極電極(TRG)41施加傳輸脈衝 時，全部像素中的信號電荷被同時傳輸。因此，像素部3中的全部普通像素22進行通過 全 局復位操作以及從全部像素同時進行的傳輸而實現的全局快門成像。圖6A和圖7A示出了曝光完成時的電位狀態。如圖6A所示，在曝光完成之後，在 普通像素22的光電二極體PD中生成了電荷，因而在該光電二極體PD中存儲有正常信號電 荷eSl。此外，由在曝光期間內洩漏的漏光所引起的漏光信號電荷eMl被存儲到普通像素 22的存儲部36中。如圖7A所示，在漏光修正用像素24中，第二復位電晶體Trl6被保持為常開，因而 光電二極體PD中的電荷被全部排出到溢出漏極區域38中，因而在光電二極體PD中沒有存 儲電荷。只有由在曝光期間內洩漏的漏光所引起的漏光信號電荷eMl被存儲在漏光修正用 像素24的存儲部36中。在曝光時，在光接收區域54中生成的電荷被排出到與漏光修正用 像素24的光接收區域54相鄰的第二復位電晶體Trl6的溢出漏極區域38中，而只有漏光 電荷被存儲在存儲部36中。圖6B和圖7B示出了在曝光完成之後的傳輸操作中的電位狀態。如圖6B所示，在 普通像素22中，將傳輸電晶體Trll接通以把每個普通像素中的正常信號電荷eSl都傳輸 給存儲部36。結果，在存儲部36中，正常信號電荷eSl和漏光信號電荷eMl相加在一起。如圖7B所示，在漏光修正用像素24中，傳輸電晶體Trll被保持為常閉，因而不進 行傳輸操作。因此，漏光信號電荷eMl被保持為存儲在存儲部36中。圖6C和圖7C示出了從全部普通像素22將電荷同時傳輸之後在電荷保持期間內 的電位狀態。「電荷保持期間」是其中一行像素的信號電荷被讀出但其他行像素的信號電 荷沒有被讀出而是處於等待狀態的期間。在機械快門處於打開時(在對動態圖片等進行成 像的情況下)，或者沒有機械快門時，即使在電荷保持期間也有光進入到固體攝像裝置中， 因此該光洩漏到存儲部36中從而有漏光信號電荷eM2加到漏光信號電荷eMl上。結果，在 普通像素22中，如圖6C所示，在存儲部36中存儲了作為正常信號電荷eSl、漏光信號電荷 eMl及漏光信號電荷eM2之和的信號電荷。在漏光修正用像素24中，如圖7C所示，在存儲部36中存儲了作為漏光信號電荷 eMl及漏光信號電荷eM2之和的漏光信號電荷。普通像素22和漏光修正用像素24中的漏光信號電荷eM2的大小與電荷保持時間 成比例，並且該大小一直增大直到讀電晶體Trl2接通並且信號電荷被傳輸至浮動擴散部 (FD) 37為止。在圖3所示的能夠全局快門成像的CMOS固體攝像裝置中，逐個像素行地將讀 電晶體Trl2接通從而進行讀出操作。因此，雖然電荷保持時間對於逐個像素行而言是不同 的，但由於漏光修正用像素24和普通像素22的位置彼此靠近因而使電荷保持時間基本上 相同，所以漏光信號電荷eM2的電平變成相互一致。此後，逐行像素地接通讀電晶體Trl2，並把存儲在存儲部36中的合併信號電荷讀 出給浮動擴散部(FD)37。然後，對該合併信號電荷進行光電轉換，並且普通像素22的正常 信號Si、漏光信號Ml及漏光信號M2的合併信號被輸出至垂直信號線9。漏光修正用像素 24的漏光信號Ml及漏光信號M2的合併信號被輸出至垂直信號線9。然後，使用位於下一級的減法單元(減法電路)對從漏光修正用像素24得到的漏光信號與含有從普通像素得到的正常信號及漏光信號的信號進行減法處理，從而輸出普通 像素的正常信號。也就是，對從漏光修正用像素24得到的漏光信號Ml和M2的合併信號進 行運算處理，並且用從漏光修正用像素24周圍的普通像素22得到的正常信號Si、漏光信號 Ml和M2的合併信號減去上述所得到的信號，因而僅輸出普通像素22的正常信號Si。顯然， 漏光修正用像素24能夠檢測出進入到與之相鄰的普通像素22中的漏光信號M1+M2。上述 減法處理的執行能夠修正普通像素22的漏光信號。
在浮動擴散部(FD)37中，電子從與絕緣膜的界面漏出，從而產生暗電流。對於相 鄰像素來說浮動擴散部(FD) 37中的暗電流是彼此接近的。因此，對來自漏光修正用像素24 的漏光信號和來自與該漏光修正用像素24相鄰的普通像素22的信號執行的減法處理能夠 減少普通像素22的浮動擴散部(FD)37中的暗電流。當紅色、綠色和藍色普通像素中由於濾色器不同因而漏光信號量(拖尾量)不相 同時，可以在對來自漏光修正用像素的漏光信號量進行權重信號處理之後再執行減法處理。圖10示出了位於下一級處以進行減法處理的修正電路65的一個示例。修正電路 65包括選擇電路66、減法電路71、存儲電路67、限制電路68、增益控制器69和低通濾波器 (LPF) 70。來自普通像素22中的紅色像素22R、綠色像素22G和藍色像素22B的合併信號 S1+M1+M2以及來自漏光修正用像素24的漏光信號M1+M2被輸入給選擇電路66。由選擇電 路66從這兩個輸入中選擇的一者即來自普通像素22的合併信號被輸入給減法電路71，而 來自漏光修正用像素24的漏光信號即上述兩個輸入中的另一者被輸入給存儲電路67並存 儲在存儲電路67中。從存儲電路67輸出的漏光信號被輸入給限制電路68，在此處判定是 否修正該漏光信號。當漏光信號大於預定閾值時，就判定為要對該漏光信號進行修正，並將 該漏光信號輸入給增益控制器69。增益控制器69根據輸入到選擇電路66的漏光信號來 修正該漏光信號的電平。例如，存儲在像素的存儲部中的漏光信號的電平會根據顏色而不 同。因此，增益控制器69根據例如紅色、綠色和藍色普通像素之中每一者的漏光信號來設 定漏光修正用像素24的修正量或來自漏光修正用像素24的漏光信號的電平權重。接著， 從增益控制器69輸出的漏光修正用像素24的漏光信號通過低通濾波器70被輸入給減法 電路71。然後，減法電路71對來自紅色像素22R、綠色像素22G和藍色像素22B的信號的 合併信號以及漏光修正用像素24的漏光信號進行減法處理，並輸出正常信號。在具有為每個像素都配置的存儲部36並能確保全局快門成像的CMOS固體攝像裝 置中，第一實施例的固體攝像裝置31及驅動方法能夠檢測由洩漏到存儲部36中的漏光所 引起的漏光信號並修正該漏光信號。由洩漏到存儲部36中的漏光所引起的漏光信號的示 例包括透過遮光膜46的漏光信號；從基板與遮光膜46之間漏出的漏光信號；由從光電二 極管PD的開口區域漏出的直射光和衍射光所引起的漏光信號；由光電二極體PD表面的P 型半導體區域的電子擴散所引起的漏光信號；以及由作為存儲部36的η型半導體區域的外 部的電子擴散所引起的漏光信號。此外，由於本實施例中相鄰像素的浮動擴散部(FD) 37的暗電流是彼此接近的，因 而通過信號處理也能夠減少浮動擴散部(FD) 37的暗電流。由於漏光修正用像素24和普通像素22被設計成具有相同的結構，因而洩漏到漏 光修正用像素的存儲部中的光與洩漏到普通像素的存儲部中的光相等。這是因為洩漏到存儲部中的光量在換算成電子數時只是幾IOe-這樣非常小的量，並且十分依賴於垂直周 邊結構。4.第二實施例固體攝像裝置的結構示例圖8示出了本發明實施例的固體攝像裝置，特別是第二實施例的漏光修正用像 素。像第一實施例那樣，第二實施例採用了具有圖3所示的像素布局圖形的結構。圖8示 出了漏光修正用像素的主要部分沿圖3中的B-B線的截面結構。這裡，普通像素與第一實 施例中所說明的普通像素相同。
第二實施例的固體攝像裝置61具有其中形成有第二導電型(例如，ρ型)半導體 阱區域33的第一導電型(例如，η型)半導體基板72，並具有以圖3所示的像素布局圖形 布置在P型半導體阱區域33中的普通像素22和漏光修正用像素24。如圖8所示，在漏光修正用像素24中形成有形成在P型半導體阱區域33表面上 的光接收區域54、由η型半導體區域形成的存儲部36、由η型半導體區域形成的浮動擴散 部(FD) 37、以及溢出溝道機構40。光接收區域54被配置成省去了離子注入的η型半導體 區域34並且沒有ρη結。在頂面上只形成有能夠抑制暗電流的具有高雜質濃度的P型半導 體區域35。光接收區域54可以被配置成不具有在其內形成的P型半導體區域35。與光接 收區域54相鄰的溢出溝道機構40被配置作為第二復位電晶體Trl6。由於存儲部36、浮動擴散部(FD) 37和溢出溝道機構40的結構與第一實施例的前 述說明中所描述的那些結構相同，因而對與圖4中對應的部分給出了相同的附圖標記，以 避免多餘的說明。由於傳輸電晶體Trll、讀電晶體Trl2和第二復位電晶體Trl6等的結構 與第一實施例的前述說明中所描述的那些結構相同，因而對與圖4中對應的部分給出了相 同的附圖標記，以避免多餘的說明。下面說明第二實施例的固體攝像裝置61的驅動方法。普通像素22(22R、22G、22B) 的電位狀態與圖6A 圖6C所示的第一實施例中普通像素22的電位狀態相同。在曝光完 成之後，正常信號電荷eSl存儲在光電二極體PD中，並且由漏光所引起的漏光信號電荷eMl 存儲在存儲部36中(參見圖6A)。在傳輸時，當傳輸電晶體Trll接通時，全部像素的光電 二極體PD中的正常信號電荷eSl被同時傳輸至各存儲部36中以分別與漏光信號電荷eMl 相加(參見圖6B)。此後，在保持著電荷的同時，有光洩漏到存儲部36中因而使其增加漏光 信號電荷eM2。如果有光被輸入給漏光修正用像素24的光接收區域54，則由於光接收區域54不 具有ρη結，因而其內也不會存儲信號電荷。因此，在曝光之後，漏光信號電荷eMl僅存儲在 存儲部36中。由於垂直驅動電路4的傳輸電晶體Trll是常閉的，因而即使在傳輸普通像 素22的正常信號電荷eSl時漏光信號電荷eMl也被保持為存儲在漏光修正用像素24的存 儲部36中。此後，即使在隨後的電荷保持期間內，也有光洩漏到存儲部36中從而使其增加 漏光信號電荷eM2。此後，如第一實施例的前述說明中所述的那樣逐個像素行地接通讀電晶體Trl2， 使普通像素22的合併信號電荷eSl+eMl+eM2被讀出到浮動擴散部(FD)37。此外，漏光修 正用像素24的合併漏光信號電荷eMl+eM2被讀出到浮動擴散部(FD) 37中。然後，在光電 轉換之後從普通像素22的合併信號S1+M1+M2中減去漏光修正用像素24的合併漏光信號M1+M2，從而僅輸出普通像素22的正常信號Si。以此方式，漏光修正用像素24能夠檢測出 輸入到相鄰的普通像素22中的漏光信號M1+M2。第二實施例的固體攝像裝置61及其驅動方法起到了與第一實施例相類似的作 用，使得能夠進行全局快門成像的CMOS固體攝像裝置可以檢測出洩漏到存儲部36中的漏 光信號並修正該漏光信號。由於該漏光修正用像素24的光接收區域54不具有pn結，因而 更易於製造出該固體攝像裝置。第一實施例需要附加步驟或掩模來改變電晶體特性，而第 二實施例不需要這種附加步驟或掩模。圖8中的溢出柵極電極(0FG)43和溢出漏極區域38可以省去。值得注意的是，將 漏光修正用像素24配置成具有與普通像素22儘可能相同的結構是有利的，這是因為可以 對漏光信號(拖尾量)進行準確地檢測從而提供該漏光信號與普通像素的漏光信號之間的 正確相關性。
5.第三實施例固體攝像裝置的結構示例圖9示出了本發明實施例的固體攝像裝置，特別是第三實施例的漏光修正用像 素。像第一實施例那樣，第三實施例採用了具有圖3所示的像素布局圖形的結構。圖9示 出了漏光修正用像素的主要部分沿圖3中的B-B線的截面結構。這裡，普通像素與第一實 施例的前述說明中所說明的普通像素相同。第三實施例的固體攝像裝置63具有其中形成有第二導電型(例如，ρ型)半導體 阱區域33的第一導電型(例如，η型)半導體基板72，並具有以圖3所示的像素布局圖形 布置在P型半導體阱區域33中的普通像素22和漏光修正用像素24。如圖9所示，在漏光修正用像素24中形成有形成在P型半導體阱區域33表面上的 光接收區域54、由η型半導體區域形成的存儲部36、由η型半導體區域形成的浮動擴散部 (FD) 37、以及溢出溝道機構40。光接收區域54被配置為埋入型光電二極體，該埋入型光電 二極體在用作電荷存儲層的η型半導體區域34的頂面上形成有高雜質濃度的P型半導體 區域35。像第一實施例那樣，溢出溝道機構40被配置作為第二復位電晶體Trl6，並且具有 溢出漏極區域38和溢出柵極電極(OFG) 43，該溢出漏極區域38和該溢出柵極電極(OFG) 43 之間隔著柵極絕緣膜39。光接收區域54的η型半導體區域34與溢出溝道機構40的溢出 漏極區域38連接。在本實施例中，溢出漏極區域38在溢出柵極電極(0FG)43下面呈伸長 狀延伸，從而與光接收區域54的η型半導體區域34連接。溢出柵極電極(0FG)43可以施 加接地(GND)電位。由於存儲部36、浮動擴散部(FD) 37、傳輸電晶體Trll和讀電晶體Trl2等的結構 與第一實施例的說明中描述的那些結構相同，因而對圖4中的對應部分給出相同的附圖標 記，避免多餘的說明。下面說明用於第三實施例的固體攝像裝置63的驅動方法。普通像素22(22R、22G、 22B)的電位狀態與圖6A 圖6C所示的第一實施例的普通像素22的電位狀態相同。在曝 光完成之後，正常信號電荷eSl存儲在光電二極體PD中，並且由漏光所引起的漏光信號電 荷eMl存儲在存儲部36中(參見圖6A)。在傳輸時，當傳輸電晶體Trll接通時，全部像素 的光電二極體PD中的正常信號電荷eSl被同時傳輸至存儲部36中以分別與漏光信號電荷 eMl相加(參見圖6B)。此後，在電荷保持的同時，有光洩漏到存儲部36中因而使其增加漏光信號電荷eM2。在漏光修正用像素24中，光接收區域54的η型半導體區域34與溢出漏極區域38 連接，從在提供了 η型半導體區域34與溢出漏極區域38之間的常導通狀態。因此，儘管在 曝光期間中在具有光電二極體PD結構的光接收區域54中生成了電荷，但所生成的電荷被 排出到溢出漏極區域38中，而沒有存儲在光接收區域54中。因此，在曝光之後，漏光信號 電荷eMl僅存儲在存儲部36中。由於漏光修正用像素24的傳輸電晶體Trll是常閉的，因 而即使在傳輸普通像素22的正常信號電荷eSl時漏光信號電荷eMl也被保持為存儲在漏 光修正用像素24的存儲部36中。此後，即使在隨後的電荷保持期間內，也有光洩漏到存儲 部36中從而使其增加漏光信號電荷eM2此後，如第一實施例的前述說明中所述的那樣逐個像素行地接通讀電晶體Trl2， 使普通像素22的合併信號電荷eSl+eMl+eM2被讀出到浮動擴散部(FD)37。此外，漏光修 正用像素24的合併漏光信號電荷eMl+eM2被讀出到浮動擴散部(FD)37中。然後，在光電 轉換之後從普通像素22的合併信號S1+M1+M2中減去漏光修正用像素24的合併漏光信號 M1+M2，從而僅輸出普通像素22的正常信號Si。以此方式，漏光修正用像素24能夠檢測出 輸入到相鄰的普通像素22中的漏光信號M1+M2。儘管在本實施例中有遮光膜46形成在普通像素22和漏光修正用像素24的頂部， 但本發明也能夠適於其中普通像素22和漏光修正用像素24不具有遮光膜46的情況。6.第四實施例電子設備的結構示例本發明實施例的固體攝像裝置可適用於下面的電子設備例如數位相機和攝像機 等照相機系統；具有攝像功能的可攜式電話；以及具有攝像功能的其他設備。圖11示出了適用於作為本發明電子設備的一個示例的照相機的第四實施例。第 四實施例的照相機是作為一個示例的能夠拍攝靜態圖像或動態圖片的攝像機。本實施例的 照相機81具有固體攝像裝置82、將入射光引導至固體攝像裝置82的光接收傳感器部的光 學系統83、以及快門單元84。照相機81還具有用於驅動固體攝像裝置82的驅動電路85， 以及用於處理固體攝像裝置82的輸出信號的信號處理電路86。上述各實施例的任何一個固體攝像裝置都適用於固體攝像裝置82。光學系統(光 學透鏡)83在固體攝像裝置82的攝像面上形成來自被拍攝物的圖像光(入射光)的圖像。 結果，在給定期間內，信號電荷被存儲到固體攝像裝置82中。光學系統83可以是具有多個 光學透鏡的光學透鏡系統。快門單元84對固體攝像裝置82的光照射期間和遮光期間進行 控制。驅動電路85提供驅動信號以控制固體攝像裝置82的傳輸操作和快門單元84的開 關操作。根據由驅動電路85提供的驅動信號(時序信號)，進行固體攝像裝置82的信號傳 輸。信號處理電路86進行各種信號處理。經過了信號處理的視頻信號被存儲在例如存儲 器等存儲媒介中，或者被輸出給監視器。第四實施例的電子設備能夠修正固體攝像裝置的普通像素中由洩漏到存儲部中 的光所引起的漏光信號，並且輸出拖尾成分較少的正常信號。因此，本實施例能夠提供具有 高畫質和高質量的電子設備。例如，本實施例可以提供具有較高畫質的照相機。本領域技術人員應當理解，依據設計要求和其它因素，可以在本發明所附的權利 要求或其等同物的範圍內進行各種修改、組合、次組合及改變。
權利要求
一種固體攝像裝置，其包括普通像素，它設置在能夠進行全局快門的像素部中，並且至少包括光電轉換部和與所述光電轉換部相鄰的存儲部；以及漏光修正用像素，它設置在所述像素部中，用於修正由洩漏到所述存儲部中的漏光所引起的圖像質量劣化。
2.如權利要求1所述的固體攝像裝置，其中，能夠對從所述漏光修正用像素得到的信 號和從所述漏光修正用像素周圍的所述普通像素得到的信號進行減法處理，從而修正從所 述漏光修正用像素周圍的所述普通像素得到的信號。
3.如權利要求2所述的固體攝像裝置，其中，所述普通像素還具有浮動擴散部和對所 述光電轉換部中的電荷進行復位的復位部，並且所述漏光修正用像素至少具有光接收區域、與所述光接收區域相鄰的存儲部、以及浮 動擴散部，並且從所述漏光修正用像素輸出的是由洩漏到所述存儲部中的漏光所引起的漏 光信號。
4.如權利要求3所述的固體攝像裝置，其中，所述漏光修正用像素包括具有光電轉換部的光接收區域；以及對該光接收區域中的電荷進行復位的復位部。
5.如權利要求3所述的固體攝像裝置，其中，所述漏光修正用像素包括不具有Pn結的光接收區域；以及對該光接收區域中的電荷進行復位的復位部。
6.如權利要求4所述的固體攝像裝置，其中，所述漏光修正用像素的所述復位部具有 與所述光接收區域的電荷存儲區域連接的復位漏極區域。
7.如權利要求3所述的固體攝像裝置，其中，所述漏光修正用像素包括具有保持為常 閉狀態的柵極且位於所述光接收區域與所述存儲部之間的電晶體。
8.如權利要求4所述的固體攝像裝置，其中，所述漏光修正用像素的所述復位部具有 在曝光時保持為常閉狀態的柵極。
9.一種用於固體攝像裝置的驅動方法，所述固體攝像裝置包括普通像素，它設置在能夠進行全局快門的像素部中，並且至少包括光電轉換部和與所 述光電轉換部相鄰的存儲部；以及漏光修正用像素，它設置在所述像素部中，並且至少具有光接收區域和與所述光接收 區域相鄰的存儲部，所述驅動方法包括如下步驟從所述普通像素輸出正常信號與由洩漏到所述存儲部中的漏光所引起的漏光信號的 合併信號，並且從所述漏光修正用像素僅輸出由洩漏到所述存儲部中的漏光所引起的漏光 信號；以及對來自所述普通像素的所述合併信號和來自所述漏光修正用像素的所述漏光信號進 行減法處理，從而修正來自所述普通像素的漏光信號。
10.如權利要求9所述的驅動方法，其中，在所述漏光修正用像素中，把在所述光接收 區域中生成的電荷排出到與所述光接收區域相鄰的復位部中，並且把漏光信號電荷僅存儲 在所述存儲部中。2 一種電子設備，其包括光學系統；固體攝像裝置；以及對所述固體攝像裝置的輸 出信號進行處理的信號處理電路， 所述固體攝像裝置具有普通像素，它設置在能夠進行全局快門的像素部中，並且至少包括光電轉換部和與所 述光電轉換部相鄰的存儲部；漏光修正用像素，它設置在所述像素部中，用於修正由洩漏到所述存儲部中的漏光所 引起的圖像質量劣化；以及對從所述漏光修正用像素得到的信號和從所述漏光修正用像素周圍的所述普通像素 得到的信號進行減法處理，從而修正從所述漏光修正用像素周圍的所述普通像素得到的所 述信號的功能。
全文摘要
本發明公開了固體攝像裝置、用於固體攝像裝置的驅動方法和電子設備。該固體攝像裝置包括普通像素，它設置在能夠進行全局快門的像素部中，並且至少包括光電轉換部和與光電轉換部相鄰的存儲部；以及漏光修正用像素，它設置在所述像素部中，用於修正由洩漏到存儲部中的漏光所引起的圖像質量劣化。所述驅動方法包括如下步驟從普通像素輸出正常信號與由洩漏到存儲部中的漏光所引起的漏光信號的合併信號，並且從漏光修正用像素僅輸出由洩漏到存儲部中的漏光所引起的漏光信號；以及對來自普通像素的合併信號和來自漏光修正用像素的漏光信號進行減法處理，從而修正來自普通像素的漏光信號。本發明提供了具有高畫質和高質量的電子設備。
文檔編號H04N5/335GK101964877SQ20101023063
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月15日 優先權日2009年7月23日
發明者奧野潤 申請人:索尼公司