CN101136425A - 固态成像装置和成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态成像装置和成像设备。该固态成像装置包括信号电荷检测单元，将信号电荷转换为电压以被输出，信号电荷通过光电转换入射光而获得，其中信号电荷检测单元在固态成像装置的输出栅极和复位栅极之间的沟道区上方通过绝缘膜设置具有碳纳米管沟道的驱动晶体管。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像装置和成像设备，其中在电荷检测电路中使用利用碳纳米管的晶体管。
背景技术
作为固态成像装置的信号电荷检测单元，存在浮置扩散层(此后称为FD，FD是浮置扩散的简称)的检测单元，且该类型广泛用作CCD(电荷耦合器件)型成像装置的电荷检测单元、CMOS传感器像素的电荷电压转换单元等。在该类型中，需要通过关联双采样(CDS)等消除KTC噪声(CCD特有的热噪声)，且存在限制使得在后级需要相对高的电压用于输出单元操作电压，然而在此类型中容易获得高转换增益。
作为FD以外的主要电荷检测类型，存在浮置栅极(此后称为FG，FG是浮置栅极的简称)型。FG型主要用作CCD装置的电荷检测单元，且例如用在CCD成像装置的水平CCD终端部分中，通过将信号电荷转移到复位到某一电势的用于电荷检测的浮置栅极下方的CCD沟道，FG电势根据信号电荷量而变化，且FG连接到输出MOSFET(FET：场效应晶体管)的栅极，且输出MOSFET的沟道电流原则上根据信号量而被调制。在此类型中，由于用于复位FG部分的晶体管和FG部分的区域的连接，电荷检测容量与FD型相比倾向于增加，结果，难以获得具有高转换效率的电荷检测单元。然而，由于在后级容易将输出单元的操作电压设置得较低且其被非破坏性地读取，从而具有通过设置多个FG提高检测电路的SN等优点。
作为上述以外的电荷检测类型，存在直接读取电流的方法和CMD(电荷调制装置)型电荷检测单元。直接读取电流的方法是这样的方法，其中允许信号电流在CCD终端的PN结中流动并且电流路径的R的两端的电压被读取，考虑到SN，该方法被认为是差的方法。在CMD型电荷检测类型中，通过利用埋入沟道CCD(BCCD)的上部的表面电势和下部的阱电势由BCCD中流动的信号电荷调制的现象，以交叉BCCD的形式形成具有与CCD相反的导电类型的晶体管，其中从相反导电类型的晶体管中流动的电流获得信号成分。虽然该方法具有可以非破坏性读取等优点，然而，结构复杂且在设计上制造余量低。
提出使用碳纳米管(此后称为CNT)晶体管用于光学传感的一些方法。作为其中一种，存在这样的示例，其中在氧化硅(SiO2)/硅(Si)结构上的碳纳米管FET被应用到光学传感器。这是光电转换本身在硅(Si)内部进行的技术，且由产生的电荷导致的硅(Si)表面的电势变化调制氧化膜上部的碳纳米管FET的沟道区电势(例如，参考Kazuhiko Matsuda(Osaka University)的“Application of Carbon nanotube SET/FET to Sensor”，papers of TechnicalMeeting of Institute of Electrical Engineers (Electronic Industry MaterialTechnical Meeting，December 19，2003)，EFM-03-44，P47 to 50，2003”。
发明内容
存在相关技术中的FD型输出单元种具有KTC噪声和电荷共有噪声(sharing noise)的问题，以及存在FG(浮置栅极)型中难以获得高转换增益的问题，FG型是与FD型相比不具有KTC噪声和电荷共有噪声的类型。
希望通过设置在碳纳米管沟道中使用的驱动晶体管来获得高转换增益同时抑制KTC噪声和电荷共有噪声。
根据本发明的实施方式，提供了一种固态成像装置，包括将信号电荷转换为电压以输出的信号电荷检测单元，该信号电荷通过入射光的光电转换获得，且信号电荷检测单元通过绝缘膜在固态成像装置的输出栅极和复位栅极之间的沟道区上方设置具有碳纳米管沟道的驱动晶体管。
在根据本发明实施方式的固态成像装置中，包括驱动晶体管的碳纳米管的沟道的电势被转移到控制栅极下方的沟道的信号电荷调制，因此在所述驱动晶体管中流动的电流被调制并被转换为信号电压以被读出，因此，驱动晶体管具有高跨导(gm)。此外，信号电荷检测单元尺寸小并具有高灵敏度和高频特性(f特性)。
在根据本发明实施方式的固态成像装置中，信号电荷检测单元与沟道区(例如CCD沟道)连续设置，且通过CCD转移(完全转移)进行从信号电荷检测单元到复位栅极的电荷转移，因此，存在该装置不具有KTC噪声或电荷共有噪声并将成为高灵敏度的成像装置的优点。虽然信号电荷检测单元基本上是FG类型的，但可以获得比FG型高的转换增益。
而且在根据本发明实施方式的固态成像装置中，通过放大(amp)晶体管的栅极进行从电荷电压转换单元到放大晶体管的信号电压的转移，例如浮置扩散，存在该装置不具有KTC噪声或电荷共有噪声并将成为高灵敏度成像装置的优点。
附图说明
图1是示出根据本发明实施方式(第一实施方式)的固态成像装置的结构剖面图；
图2是示出根据本发明实施方式(第一实施方式)的固态成像装置的结构平面图；
图3是示出根据本发明实施方式(第一实施方式)的固态成像装置的示意性结构图；
图4是解释FD类型的电路图；
图5是解释FG类型的电路图；
图6是示出根据本发明实施方式(第二实施方式)的固态成像装置的结构平面图；且
图7是示出根据本发明实施方式的成像设备的方框图。
具体实施方式
将参考图1和图2所示的固态成像装置的输出单元的结构图和图3的固态成像装置的结构图解释根据本发明的实施方式(第一实施方式)的固态成像装置。
将以CCD固态成像装置作为示例解释固态成像装置的概要。如图3所示，固态成像装置(CCD固态成像装置)1包括成像单元13、水平转移单元14和输出单元15，成像单元13具有光电转换入射光的光电转换单元11和垂直转移在光电转换单元11进行光电转换所获得的电荷的垂直转移单元12，水平转移单元14水平转移已被垂直转移的信号电荷到输出侧，输出单元15将从水平转换单元14输出的信号电荷转换为电压以被放大。
输出单元15的细节在图1和图2中示出。半导体衬底10提供有水平转移单元(例如水平转移CCD)14。水平转移单元14具有这样的结构，其中通过绝缘膜22在半导体衬底10中形成的沟道区21上设置转移栅极23，且各个转移栅极23连接到各个垂直转移单元，虽然未示出。在半导体衬底10上的水平转移单元的输出侧上，通过绝缘膜22顺序形成输出栅极(水平输出栅极)24、信号电荷检测单元25和复位栅极26。信号电荷检测单元25例如包括驱动晶体管31。
在驱动晶体管31中，碳纳米管沟道32设置在形成于沟道区21上的绝缘膜22的上方。源极33设置在碳纳米管沟道32的一侧，且漏极34设置在碳纳米管沟道32的另一侧。控制栅极35通过绝缘膜(未示出)设置在沟道32上方。沟道32的方向是与水平转移单元14的电荷转移方向交叉的方向(图中的垂直方向)。因此，在将沟道区21夹置在中间的两侧位置，驱动晶体管31的源极33和漏极34的位置位于绝缘膜22的上方。
负载MOS场效应晶体管(FET)41连接在驱动晶体管31的源极33侧，且负载MOSFET 43通过驱动MOSFET 42连接，这形成两级源极跟随器。虽然在此实施方式中形成了两级源极跟随器，源极跟随器的级数可以是一级、三级或四级。负载MOSFET 41、43作为实施方式，然而它们不一定是芯片上(on-chip)的。此外，晶体管不一定是MOSFET而可以是双极晶体管或发射极跟随器等。考虑到图的清楚，图1所示的控制栅极35在图2中未示出。
复位栅极26以一间隙设置在控制栅极35的信号电荷的行进方向的侧面。复位漏极27形成在复位栅极26的驱动晶体管31的相对侧的半导体衬底10上。
在固态成像装置1中，当从水平转移单元14转移的信号电荷通过水平输出栅极24下方的沟道区21被转移到控制栅极35下方的沟道区21时，根据信号电荷量在沟道区21产生电势变化。在沟道区21发生的电势变化通过电容耦合来调制驱动晶体管31的沟道32的电势。驱动晶体管31的电流-电压(I-V)特性倾向于与MOSFET的电流-电压(I-V)特性相同。因此，沟道区21充当驱动晶体管31的栅极电极单元。因此，在驱动晶体管31中流动的电流通过接受调制而被转换为信号电压，并通过源极跟随器作为信号输出被输出到外部。
在该实施方式中，在读出信号电荷之后，复位栅极26成为高电势(High)且电荷从沟道区21被清除到复位漏极27。在复位操作中，也可能的是，电势被施加到控制栅极35的下侧(Low-side)，且沟道区21的电势浅从而促进从沟道区21到复位栅极26的完全转移。
在固态成像装置1中，信号电荷检测单元25通过水平输出栅极24与水平转移单元14连续形成，其中通过CCD转移(完全转移)从信号电荷检测单元25到复位栅极26进行电荷转移。由于没有KTC噪声或电荷共有噪声，装置可以高度灵敏。虽然固态成像装置1基本上是FG型固态成像装置，但可以获得比FG型高的转换增益。
其原因解释如下。这里，如图4所示，在FD型中，由输出晶体管中的信号电荷量Qsig导致的电势变化由公式(1)给出：Vsig＝Qsig/(CFD+Cp）。在此情况下，由n+层形成的浮置扩散FD的电容由CFD表示，且输出晶体管的电容由Cp表示。
图4所示的浮置扩散FD也形成在CMOS传感器的像素上。而且在CMOS传感器中，由输出晶体管中的信号电荷量Qsig导致的电势变化Vsig由公式(1)给出：Vsig＝Qsig/(CFD+Cp)，与FD型方式相同，且信号输出基于电势变化Vsig形成。
如图5所示，在FG型中，当Cs1、Cox和Cp的串联电容是Ct时，可以得到公式(2)：1/Ct＝1/Cs1+1/Cox+1/Cp。此外，成立公式(3)Vsig*＝Qsig/(Cs2+Ct)和公式(4)输出晶体管中的电势变化Vsig＝(Cs1+Cox)·Vsig*/(Cs1+Cox+Cp)的关系。这里，公式(1)和公式(4)以简单的方式表示。例如，当通过假设CFD＝Cp＝Cs1＝Cox＝Cs2＝1(单位电容)来估计时，公式(1)的电容系数是1/2，且公式(4)的电容系数是1/4，结果，FG型中的电容影响导致的转换增益将是FD型的1/2。这是电容成分相同时以简单方式的估计，然而，实际值倾向于接近该值。
由于上述固态成像装置1具有其中Cox和Cp在FG型中共用的结构，涉及转换增益的电容成分将减少。当以如上所述简化的单位电容中讨论时，可以获得1/3，即可以获得FG型和FD型之间的中间值。就是说，与通常的FG型相比可以获得较大的转换增益。
在固态成像装置1中，形成其中碳纳米管用作沟道32的驱动晶体管31。虽然可以考虑由硅(Si)TFT形成的驱动晶体管，但其中碳纳米管用作沟道32的驱动晶体管31的跨导“gm”是具有相同尺寸的硅TFT或硅体晶体管“gm”的几十倍。通过其中碳纳米管用作沟道32的驱动晶体管31可以实现作为源极跟随器的具有大增益的放大器。
在具有图4所示的浮置扩散FD的CMOS传感器的像素中，形成其中碳纳米管用作沟道的放大晶体管131。虽然可以考虑其中由硅(Si)TFT形成该放大晶体管131的结构，但其中碳纳米管用作沟道的放大晶体管131的跨导“gm”是具有相同尺寸的硅TFT或硅体晶体管的“gm”的几十倍。因此，通过其中碳纳米管用作沟道的放大晶体管131可以实现作为源极跟随器的具有大增益的放大器。
其中碳纳米管用作沟道32的驱动晶体管31的1/f噪声即热噪声小于硅晶体管。因此，可以实现具有高S/N的放大器。
此外，其中碳纳米管用作沟道的放大晶体管131的1/f噪声即热噪声小于硅晶体管。因此，可以实现具有高S/N的放大器。
接着，将通过图6所示的固态成像装置的输出单元的结构平面图解释根据本发明一个实施方式(第二实施方式)的固态成像装置。
如图6所示，半导体衬底10设置有水平转移单元(例如水平转移CCD)14。该水平转移单元14具有这样的结构，其中转移栅极23通过绝缘膜(未示出)设置在形成于半导体衬底10中的沟道区21上，且各个转移栅极23连接到各个垂直转移单元，虽然未示出。在半导体衬底10上的水平转移单元14的输出侧上，通过绝缘膜顺序形成水平输出栅极24、信号电荷检测单元25和复位栅极26。由于信号电荷检测单元25能够进行非破坏性读取，例如设置多级的驱动晶体管31(31a)、31(31b)、31(31c)，且转移栅极28(28a)和28(28b)形成在各个驱动晶体管31(31a)、31(31b)、31(31c)之间。复位栅极26以一间隙形成在控制栅极35的信号电荷的行进方向的侧面。复位漏极27形成在复位栅极26的驱动晶体管31的相对侧的半导体衬底10上。
由碳纳米管制成的沟道32a到32c设置于形成在沟道区21上的绝缘膜上方的各个驱动晶体管31a到31c。源极33a到33c设置在碳纳米管沟道32a到32c的一侧，且漏极34a到34c设置在各个碳纳米管沟道32a到32c的另一侧。控制栅极(未示出)安装在绝缘膜(未示出)上方的沟道32上方。该结构与参考图1解释的控制栅极35相同。各个沟道32a到32c的方向是与水平转移单元14的电荷转移方向交叉的方向(图中的垂直方向)。因此，在将沟道区21夹置中间的两侧的位置，驱动晶体管31的源极33和漏极34的位置在绝缘膜上方。
负载MOS场效应晶体管(FET)41在驱动晶体管31的源极33的侧面连接从而形成源极跟随器。虽然在本实施方式中形成了两级源极跟随器，但源极跟随器的级数可以是一级或多级。负载MOSFET 41被作为实施方式，然而，它们不是总是在芯片上(on-chip)的。此外，晶体管不是总为MOSFET而可以为双极晶体管，或者发射极跟随器等。此外，延迟电路51、52和53设置在各个驱动晶体管的输出单元，它们通过加法器54进行加法从而被平均，因此进行输出。形成所谓的分布浮置栅极放大器。
在固态成像装置2中，假设信号在水平转移单元14中在图中从右向左转移。此时，当各个驱动晶体管31下方的沟道区21中的信号量为A时，假设由驱动晶体管31a产生信号量A*。假设水平转移单元14和延迟电路51到53按相同的时钟操作，考虑通过驱动晶体管31a下方的沟道区21非破坏性地传送的信号，由驱动晶体管31a产生信号量A*。类似地，由各个驱动晶体管31b、31c产生信号量A*。产生的各个信号量A*在加法器54中被读取，其被相加并通过延迟电路51到53平均。由于各个信号量A*在加法器54中通过延迟电路51到53读取，信号量A*被同时读取。这就是说，延迟电路50到53被调节使得各个信号量A*同时在加法器54中被读取。因此，由于在各个驱动晶体管31a到31c信号被非破坏性地读取而不损失信号量，例如当存在M级的放大级时，信号量将为M×(A*/A)。根据其中碳纳米管用作沟道32的驱动晶体管31的特性，当假设信号量A*/信号量
时，S/N通过M次采样为
倍。在该实施方式中，存在三级(驱动晶体管31a到31c)的采样级，因此，S/N的倍的增加是可能的。
接着，根据本发明实施方式的固态成像装置的制造方法将解释如下。相同的附图标记赋予制造方法中将解释的各个组成部分，这些组成部分与在第一实施方式中解释的组成部分相同。
例如，一般的N型硅基板用于形成固态成像装置的半导体衬底10。首先，N型外延层形成在半导体衬底10上以具有例如10gm的厚度。用于形成CCD单元的杂质分布形成在外延层上。即，形成沟道区21、沟道停止单元、光电转换单元11等。
接着，绝缘膜22(栅极绝缘膜)形成在外延层上。例如，该膜通过在900℃的热氧化方法由具有50nm厚度的硅氧化物膜形成。
接着，在形成之后，形成例如多晶硅膜来形成各个栅极，该多晶硅膜通过光刻技术、蚀刻技术等被图案化，以形成各个栅极(例如垂直转移单元12的CCD转移电极、水平转移单元14的CCD转移电极和水平输出栅极24的水平输出电极、复位栅极26的复位电极等)。此外，形成输出单元的MOS晶体管的电极。电极的形成可以在上述电极形成的同时进行。接着，形成各个MOS晶体管的源极/漏极区。
接着，形成驱动晶体管31、源极33和漏极34。例如，在形成例如钛(Ti)、钨(W)、铂(Pt)等的金属膜或合金膜形成之后，该金属膜被处理。接着，通过形成碳纳米管来形成沟道32。对于该形成，可以使用例如化学气相沉积(CVD)等。绝缘膜(未示出)形成在沟道32上方。例如，该膜通过CVD法沉积硅氧化物膜而形成。此后，通过例如硅化钨(WSi)、铝(Al)等形成用于形成控制栅极35的导电层，然后该导电层被图案化以获得控制栅极35。此外，绝缘膜形成在整个表面上方。
接着，在通过常规的接触孔形成技术形成接触孔之后，通过例如铝、铜等形成金属布线。如果需要，则形成在光电转换单元上方具有开口的遮挡膜。在形成平坦化膜、钝化膜等之后，形成滤色器、芯片上透镜等以完成固态成像装置1。
接着，将参考图7的方框图解释根据本发明的实施方式的成像设备。
如图7所示，成像设备80包括根据本发明实施方式的固态成像装置1、2或3。将物体成像的成像光学系统82设置在聚集光一侧，信号处理电路84将已经在固态成像装置1、2或3光电转换的信号处理为图像。由信号处理电路84处理的图像信号被图像存储单元85存储。还优选图像存储单元85设置在外部。
由于根据本发明实施方式的固态成像装置1、2或3用在成像设备80中，不存在KTC噪声或电荷共有噪声，因此，具有成像设备可以获得高质量图像的优点。此外，具有可以获得高于FG型的转换增益的优点。
成像设备80不限于上述结构，且可以应用于使用固态成像装置的成像设备的任何结构。例如，该设备意味着照相机或包括成像功能的便携设备。此外，“成像”不仅包括在通过照相机拍照时的普通图像拾取，还包括作为延伸意义的指纹检测等。
优选固态成像装置1、2或3具有通过一个芯片形成的形状，且还优选具有拥有成像功能的模块形状，其中成像单元和信号处理单元或光学系统被一体封装。
本领域技术人员应该理解，根据设计需要和其他因素，可以进行各种改进、组合、子组合和变换，它们仍落入权利要求或其等同特征的范围内。
本发明包含于2006年8月29日在日本专利局提交的日本专利申请JP2006-231505的主题，将其全文引用结合于此。
Claims (8)
1.一种固态成像装置，包括：
信号电荷检测单元，将信号电荷转换为电压以被输出，所述信号电荷通过光电转换入射光而获得，
其中所述信号电荷检测单元在所述固态成像装置的输出栅极和复位栅极之间的沟道区上方通过绝缘膜设置了具有碳纳米管沟道的驱动晶体管。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述驱动器晶体管包括：
与所述沟道区交叉的碳纳米管沟道；
位于所述碳纳米管沟道一侧的源极；和
位于所述碳纳米管沟道另一侧的漏极。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述沟道包括通过绝缘膜的控制栅极。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中所述复位栅极以一间隙安装在所述控制栅极的信号电荷的行进方向的侧面。
5.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中复位漏极被提供在所述复位栅极的控制栅极的相对侧。
6.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中由所述驱动晶体管的碳纳米管制成的沟道的电势被转移到所述控制栅极下方的沟道的信号电荷调制，因此在所述驱动晶体管中流动的电流被调制并转换为信号电压以被读出。
7.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中多个驱动晶体管设置在所述输出栅极和复位栅极之间，且转移栅极通过绝缘膜设置在所述沟道区上方的驱动晶体管之间。
8.一种成像设备，包括：
固态成像装置，包括信号电荷检测单元，将电荷转换为电压以被输出，所述信号电荷通过光电转换入射光而获得，
其中所述信号电荷检测单元在所述固态成像装置的输出栅极和复位栅极之间的沟道区上方通过绝缘膜设置具有由碳纳米管制成的沟道的驱动晶体管。
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