互補金屬氧化物半導體固態成像裝置的製作方法

2023-05-10 19:11:01 2

專利名稱：互補金屬氧化物半導體固態成像裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)固態成像裝置，該CMOS固態成像 裝置通過將經像素部分中的光電轉換獲得的電荷從傳輸柵極(transfer gate)傳輸到電 荷_電壓轉換裝置來獲得圖像信號。
背景技術：
CMOS固態成像裝置比CXD (電荷轉移裝置)可以有更小的尺寸和功耗，因此在數碼 靜態相機或蜂窩電話中用作成像裝置。為了進一步實現CMOS固態成像裝置的尺寸和功耗的減小，必需通過依據比例定 律減小每一像素的面積和減少形成像素的元件的大小來降低電源電壓。於是像素區域可以 減少，且敏感度成比例地降低。順便提及，日本專利No. 2618939在相關技術中公開了一種致力於增加CXD的速度 和圖像質量的技術。利用尺寸減小、解析度增加的CCD，該技術可以防止在進行高速讀取時 水平CCD寄存器之間的信號電荷的混雜(信號劣化)。已經公開了防止CXD中信號劣化的該技術；但是，當在CMOS固態成像裝置中可處 理的電荷減少時，卻沒有讓人滿意的針對S/N劣化的對策。S卩，該CMOS固態成像裝置具有 這樣的優點像素部分和外圍電路可以在同一過程中製造；但是，當像素區域依據比例定 律減小時，電源電壓也減小。這減小了在從像素部分讀出電荷時所使用的傳輸柵極上所施 加的電壓，這產生了由於飽和電荷質量降低所導致的S/N劣化。

發明內容
本發明被設計來解決前述問題。更具體而言，本發明提供了一種CMOS固態成像裝 置及其驅動方法，該裝置包括根據所接收光的量進行光電轉換的像素部分、用於通過像素 部分中的光電轉換部分讀出所獲得的電荷的傳輸柵極、以及設置在像素部分的外圍中的外 圍電晶體，其中，施加至傳輸柵極的電壓設定得比施加至外圍電晶體的電壓要大。本發明還提供了一種CMOS固態成像裝置，包括在其中存在成像區域的同一晶片 上設置的所述成像區域和電路區域，其中成像區域包括多個像素；多個像素的每個都具 有根據所接收的光產生電荷的光接收部分，以及從光接收部分讀出電荷的傳輸柵極；以及 施加至傳輸柵極的電壓高於施加至外圍電路區域中所包括的任何電晶體的柵極的電壓。


圖1是用於說明根據一個實施例的CMOS固態成像裝置的整體平面圖；圖2是根據一個實施例的CMOS固態成像裝置的像素部分的放大平面視圖3是另一像素部分的放大平面視圖；圖4是用於說明第一具體示例的橫截面示意圖；圖5是示出了電壓VTx和飽和信號的量之間的關係的模擬結果視圖；圖6是用於描述第二個具體示例的橫截面示意圖。
具體實施例方式下面將參考附圖對本發明的一個實施例進行說明。圖1是用於說明該實施例的 CMOS固態成像裝置的整體平面圖。圖2是該實施例的CMOS固態成像裝置的像素部分的放 大平面視圖。圖3是另一像素部分的放大平面視圖。更具體而言，如圖1所示，該實施例的CMOS固態成像裝置1被配置來在一個晶片 中具有成像區域10和外圍電路區域20。多個像素部分橫向和縱向地排布在成像區域10 中，並且放大電晶體、具有傳輸柵極的讀取電晶體等對應於每個像素部分形成。此外，控制施加至成像部分10中的各個像素部分和各個電晶體的電流源的電路、 處理在各個像素部分加載的信號的電路等形成在外圍電路區域20中。圖2中所示出的示例是四電晶體型CMOS固態成像裝置，其中對應於每個光接收部 分11，設置有讀取電晶體12、復位電晶體13、放大電晶體14和選擇電晶體15。圖3所示出 的示例是三電晶體型CMOS固態成像裝置，其中對應於每個光接收部分11，設置有讀取晶體 管12、復位電晶體13和放大電晶體14。在兩個情況中，該實施例的CMOS固態成像裝置的特徵在於，將施加至讀取電晶體 12的傳輸柵極12a的電壓(VTx)設定得高於施加至其它外圍電晶體的電壓(VG)。這裡所稱的外圍電晶體包括在圖1所示的外圍電路區域20中工作的電晶體，和在 圖2和圖3所示的對應於每個光接收部分11設置的放大電晶體14和選擇電晶體15。通過將施加傳輸柵極12a的電壓設定得高於施加至外圍電晶體的電壓，即使在外 圍電晶體的驅動電壓由於根據比例定律而減小外圍電晶體的空間和功耗以及增加其速度 時，可以通過傳輸柵極12a從光接收部分11讀出的電荷的飽和量也不會減少，因為施加至 對應於光接收部分11的傳輸柵極12a電壓高。圖4是用於說明第一具體示例的橫截面示意圖。每個像素部分提供有包括一個光 電二極體的光接收部分11，對應於光接收部分11的傳輸柵極12a和浮置擴散(電荷-電壓 轉換部分)16，而且邏輯電晶體21設置在外圍電路區域中。在該示例中，施加至傳輸柵極12a的電壓VTx和施加至邏輯電晶體21的電壓VG 具有滿足VTx > VG這樣的關係。通過以這種方式將施加至傳輸柵極12a的電壓設定得高 於施加至外圍電路區域的邏輯電晶體21的電壓，可以增加可以完全從光接收部分11轉移 的信號電荷的數量，即飽和電荷的量。因此，不但像素的數量可以增加，元件的尺寸和功耗 可以根據比例定律減少，而且可以獲得更高的S/N和更高的圖像質量。圖5是示出了電壓VTx和飽和信號的量之間的關係的模擬結果視圖。圖表的橫 坐標用於VTx差值(來自外圍電晶體的驅動電壓的差值)，而縱坐標用於飽和信號的量 (a. u.)。如圖所示，當VTx差值為約0.5V時，飽和信號的量顯示了接近2倍的增加。這表 示即使輕微的電壓差值也會對飽和信號的量產生顯著的影響。飽和信號的量可以通過增加VTx差值得以增加；但是，隨著VTx差值增加，柵極長
4度變得更長，這導致像素部分區域的減少。所以VTx差值優選地在0. 5V到1. OV的量級，在 該量級像素部分區域保持不受影響。圖6是用於描述第二個具體示例的橫截面示意圖。像素部分提供有包括一個光電 二極體的光接收部分11，對應於光接收部分11的傳輸柵極12a和浮置擴散(電荷-電壓轉 換部分)16，而且邏輯電晶體21設置在外圍電路區域。此外，在該示例中，柵極絕緣膜的膜厚僅在光接收部分11的傳輸柵極12a的部分 中增加，並且在傳輸柵極12a中電荷的下遊設置有低濃度的輕摻雜漏極(LDD)。更具體而言，令Tox(Tx)為傳輸柵極12a中柵極絕緣膜的膜厚，Tox(Logic)為外 圍電路區域中的邏輯電晶體21的柵極絕緣膜的膜厚，那麼滿足Tox (Tx) > Tox(Logic)。令 NLDD(Tx)為對應於傳輸柵極12a的LDD的雜質濃度，NLDD(Logic)為外圍電路區域中的邏 輯電晶體21的LDD的雜質濃度，那麼滿足NLDD (Tx) > VG這樣的關係。於是，可以比上述的第一具體示例更大地增加飽和電荷的量。 總之，第二具體示例更適於這樣的應用，其要求比第一具體示例獲得更好的圖像質量。在任一具體示例中，如圖1所示的在外圍電路區域中提供的電壓控制電路以這樣 的方式進行配置，其中施加至對應於光接收部分11的傳輸柵極12a的電壓VTx和施加至外 圍電晶體的電壓VG單獨地提供。因此，使得滿足如第一具體實施例的VTx > VG和如第二具體實施例的VTx >> VG 的所施加電壓可以提供至相應的電晶體，作為CMOS固態成像裝置的驅動方法。因此，不僅 外圍電晶體的尺寸和功耗方法可以減小並速度可以增加，而且飽和電荷的量也可以同時增 加。這裡，通過將施加至傳輸柵極12a的電壓VTx設定得高於外圍電路區域20中所包 括的任何電晶體的電壓VG，可以最大程度上減小外圍電路部分的尺寸和功耗，並提高速度。在將施加至傳輸柵極12a的電壓VTx設定得高於外圍電路區域20中所包括的晶 體管的電壓VG，並且對於施加至包括在同一晶片上所有電晶體的柵極的電壓之中最大的值 的情形中，當晶片內的電晶體被設計來減小尺寸和功耗並且增加速度時，可以最大程度地 確保可以從光接收部分讀出的電荷的量，這又增強了圖像質量。或者，與施加至傳輸柵極12a的電壓VTx值相同的電壓可以施加至包括在像素中 的另一柵極(例如，復位電晶體13的柵極)。在這種情形，消除了調節施加至另一柵極的電壓的需要，從施加電壓到傳輸柵極 12a的電源，可以施加電壓到另一柵極。因為該實施例的CMOS固態成像裝置具有如上所述的優點，所以它作為安裝在緊 湊數碼靜態相機、蜂窩電荷和移動終端中成像裝置尤其有用。此外，本發明也可以應用於包括透鏡系統或單個晶片(模塊型)的CMOS固態成像
直ο就像所說明的那樣，本發明具有如下的優點。即，即使當CMOS固態成像裝置的外 圍電晶體的空間和功耗根據比例定律減少而同時其速度增加時，可以通過傳輸柵極從像素 部分讀出的飽和電荷的量也不會受到外圍電晶體的驅動電壓的抑制。因此，可以增加像素 部分的色調的表現層次(動態範圍)。
權利要求
一種互補金屬氧化物半導體固態成像裝置，包括像素部分，根據所接收光的量進行光電轉換；傳輸柵極，用於讀出通過所述像素部分中的光電轉換所獲得的電荷；以及邏輯電晶體，設置在外圍電路區域中，其特徵在於所述傳輸柵極的輕摻雜漏極的雜質濃度小於所述邏輯電晶體的輕摻雜漏極的雜質濃度。
2.根據權利要求1的互補金屬氧化物半導體固態成像裝置，其中施加到所述傳輸柵極的電壓設定得大於施加到所述邏輯電晶體的電壓。
3.根據權利要求2的互補金屬氧化物半導體固態成像裝置，其中施加到所述傳輸柵極的電壓是施加到設置在晶片中的全部電晶體的電壓中最高的電壓。
4.根據權利要求1的互補金屬氧化物半導體固態成像裝置，其中對應於所述傳輸柵極的柵極絕緣膜的厚度比對應於所述邏輯電晶體的柵極絕緣膜的 厚度要大。
5.根據權利要求1的互補金屬氧化物半導體固態成像裝置，其中所述互補金屬氧化物半導體固態成像裝置配置來具有這樣的雜質分布，其中只有設置 在所述傳輸柵極中電荷下遊的電荷_電壓轉換部分是場減弱的。
6.根據權利要求1的互補金屬氧化物半導體固態成像裝置，其中 所述像素部分和所述外圍電路區域在一個晶片中。全文摘要
本發明提供一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)固態成像裝置。該CMOS固態成像裝置能夠獲得更高的圖像質量，同時減少尺寸和功耗、增加像素的數量和速度。根據本發明，在CMOS固態成像裝置中，包括根據所接收光的量進行光電轉換的光接收部分(11)、用於光接收部分(11)的光電轉換部分讀出所獲得的電荷的傳輸柵極(12a)、以及設置在光接收部分(11)的外圍中的外圍電晶體，還包括其驅動方法，其中，施加至所述傳輸柵極的電壓設定得高於施加至外圍電晶體的電壓。
文檔編號H04N5/369GK101894850SQ201010225159
公開日2010年11月24日 申請日期2004年2月18日 優先權日2003年2月19日
發明者丸山康 申請人:索尼株式會社