CN101465364B - 固态成像装置和相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态成像装置和相机，其中，该固态成像装置包括：像素单元，形成在基板上，该基板具有光照射于其上的第一基板表面侧和其上形成多个元件的第二基板表面侧，并且对于作为一个单位的像素单元中的每一个或者多个像素单元，像素单元被相邻的单元组和元件分隔层所分隔。每个像素单元均具有形成在第一基板面侧上的第一导电阱和形成在第二基板面侧上的第二导电阱。第一导电阱接收来自第一基板面侧的光并具有用于所接收光的光电转换功能和电荷累积功能。在第二导电阱中形成有检测第一导电阱中的累积电荷并具有阈值调制功能的晶体管。本发明可以有效且迅速地执行一系列操作，例如，光电载流子的生成和累积、电荷的读出以及剩余电荷的传输。

Description

固态成像装置和相机

相关申请的交叉参考

本发明包含于2007年12月18日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-326175的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种具有光电转换元件的固态成像装置和相机。

背景技术

众所周知，在诸如CCD图像传感器和CMOS图像传感器的固态成像装置中，作为感光部的光电转换元件的光电二极管中的晶体缺陷以及感光部和其上的绝缘膜之间界面中的深度缺陷会引起暗电流。

作为抑制由于界面状态密度而产生暗电流的方法，嵌入(embedded)光电二极管的结构是有效的。例如，为了抑制n型半导体区域表面(即，n型半导体区域和绝缘膜之间的界面)附近的暗电流，通过形成n型半导体区域以及以高杂质密度形成浅的p型半导体区域(孔累积区域)，来构成嵌入光电二极管。

作为嵌入光电二极管的制造方法，通常是离子注入用作p型杂质的B或BF₂并对其进行退火，然后在形成光电二极管的n型半导体区域和绝缘膜之间的界面附件形成p型半导体区域。

在CMOS图像传感器中，每个像素均包括光电二极管以及诸如读出、复位和放大晶体管的各种晶体管。通过这些晶体管来处理经过光电二极管光电转换的信号。在每个像素上形成包括多层金属配线的配线层。在配线层上形成指定入射到光电二极管上的光的波长的滤色片和使光会聚在光电二极管上的微型镜头(on-chip lens)。

作为这种CMOS图像传感器，提出了具有各种特性的装置结构。

具体地，提出了各种装置，例如，在光电转换元件结构中采用CCD类特性的电荷调制装置(CMD，参见日本专利第1938092号，JP-A-6-120473和JP-A-60-140752)、体充电调制装置(BCMD，参见JP-A-64-14959)、浮阱放大器(FWA，参见日本专利第2692218号和日本专利第3752773号)(其中，根据累积至最高点的光电空穴(photo-hole)的电荷量，在其表面上形成沟道，根据表面上的电荷量改变源极到漏极的电流，结果，可以对应于信号电荷进行读出)以及Vth调制图像传感器(VMIS，参见JP-A-2-304973、JP-A-2005-244434、日本专利第2935492号和JP-A-2005-85999)(其中，感光部和信号检测部被分开并配置为彼此邻近)。

还提出了以下固态成像装置：具有使用入射光执行光电转换、累积通过光电转换获得的信号电荷以及根据所累积的信号电荷的电荷量输出信号电压的所有功能的感光元件具有利于在根据平面的相同位置累积信号电荷并利于表面沟道电流流动的电位分布(参见JP-A-2003-31785)。

这些CMOS图像传感器基本上是从装置前侧照射光的前照式固态成像装置。

另一方面，提出了背(后)照式固态成像装置，其具有其上形成有光电二极管和各种晶体管、接地而变薄的硅基板的后侧，并使从基板的后侧入射的光执行光电转换(参见，JP-A-10-65138)。

发明内容

在前照式CMD、BCMD、FWA、VMIS等中，由于基板被用作溢流(overflow)，所以背(后)照式比较困难且复位电压较高。

在前照式CMD、BCMD、FWA、VMIS等中，由于感光部被配置在拾取晶体管旁边，所以存在孔径比降低的缺点。

在现有的光栅结构中，由于通过薄膜栅极接收光，所以存在蓝色灵敏度降低的缺点。

当在如BCMD的前照型中的n^-层上形成光栅型MOS晶体管时，在半导体表面附近执行由光照射生成载流子(carrier)。因此，存在以下缺点，通过在半导体和绝缘膜之间的界面中存在的陷阱(trap)来捕获载流子，即使施加了复位电压也不能立即释放所累积的载流子，并且影响了装置的性能。

当在如VMIS的前照型中彼此邻近地配置感光光电二极管区域和信号检测晶体管时，用于通过接收光生成的电荷的累积和调制操作并不是动态行为而是按时间分别执行。这不利于高速信号处理。

类似地，当在前照型中彼此邻近地配置感光光电二极管区域和信号检测晶体管时，诸如在信号检测部上设置遮光膜的发明是很必要的。因此，存在元件制造处理复杂的缺点。

在前照式BCMD图像传感器中，由于光栅电极下的整个沟道区域是电荷累积层，所以电流-电压特性(ID-VDD)不是饱和特性而是三极管特性。因此，存在当在源极跟随型中使用图像传感器时，难以使用图像传感器的缺点。

此外，在前照式CMOS图像传感器中，存在以下缺点：通过像素上面的配线遮蔽光，每个像素的灵敏度降低，并且当被配线反射的光入射到相邻像素上时，引起颜色混合等问题。

在JP-A-2003-31785中公开的固态成像装置中，为了实现具有单个阱的晶体管，使用了两层栅极的结构。因此，例如，存在元件分隔区域需要特定工作且元件制造处理复杂的缺点。

由于该固态成像装置同样是前照型的，所以固态成像装置同样具有诸如蓝色灵敏度降低以及前照型的颜色混合的问题。

在JP-A-10-65138中公开的背照式固态成像装置的情况下，在基板的前侧和后侧上形成空穴累积区域。然而，存在对通过离子注入形成的p型半导体区域较浅和密集的限制。因此，当为了抑制暗电流而试图进一步增加p型半导体区域的杂质密度时，p型半导体区域加深。当p型半导体区域加深时，由于光电二极管的pn结与传输栅极被分离，所以可能降低传输栅极的读出能力。

因此，期望提供一种固态成像装置和相机，它们可以有效迅速地执行一系列操作(例如，光电载流子的生成和累积、电荷的读出和剩余电荷的传输(复位))，防止由于光而使陷阱对硅界面中的载流子产生影响，并实现了灵敏度的提高和像素尺寸减小，而不会劣化蓝色光的灵敏度。

根据本发明的一个实施例，提供了一种固态成像装置，包括：像素单元，形成在具有光照射于其上的第一基板表面侧和其上形成多个元件的第二基板表面侧的基板上，并对于作为一个单位的像素单元中的每一个或者多个像素单元，被相邻的单元组和元件分隔层所分隔。每个像素单元均具有形成在第一基板面侧上的第一导电阱和形成在第二基板面侧上的第二导电阱。第一导电阱接收来自第一基板面侧的光，并具有用于所接收光的光电转换功能和电荷累积功能。在第二导电阱中形成检测第一导电阱中的累积电荷并具有阈值调制功能的晶体管。

优选地，累积电荷和信号电荷是相同载流子。

优选地，晶体管具有读出晶体管的功能、复位晶体管的功能和选择晶体管的功能。

优选地，晶体管具有源极和漏极以及形成在源极和漏极之间的沟道形成区上的栅电极，并且像素信号复位是用于丢弃在漏极中的电荷的操作。

优选地，像素单元具有当亮度低时调制度增加的伽玛特性。

优选地，像素单元具有在大信号输出期间容量增加的结构并具有根据伽玛特性实现高动态范围的功能。

优选地，至少在第一导电阱和第二导电阱中的第一导电阱一侧形成第二导电分隔层。

优选地，在第二导电阱或第二导电分隔层中形成第一导电源极区和第一导电漏极区，并在基板的第二基板面侧上的源极区和漏极之间的第二导电阱中的沟道形成区上形成栅电极。

优选地，多个像素单元以阵列形式配置，并与相邻的像素单元共用一部分或多个漏极、源极、阱或栅极的接触。

优选地，漏极、源极、阱和栅极的接触配置在栅极的像素阵列的四个方向上。

优选地，多个像素单元以阵列形式配置，在像素阵列的一个方向上，以条纹形状对像素单元共同形成像素单元的栅电极，并在源极区侧或漏极区侧上形成阱接触。

优选地，在第二导电分隔层中形成阱接触区。

优选地，阱接触区形成在第一基板面侧上的第二导电分隔层中。

优选地，当阱接触形成在漏极侧上时，以随着漏极宽度的减小而收缩的形状形成阱接触。

优选地，在阵列形式的像素单元的配置中，漏极接触按列分为两个以上的组，并共用信号读出处理系统的列电路。

优选地，为了减少阻抗，通过导体支持漏极线配线。

优选地，在第二基板面侧上的晶体管的栅电极或栅电极的更前部分中，固态成像装置具有反射体，该反射体反射透射过基板的光并使光入射到基板的第二导电阱和第一导电阱上。

优选地，将基板的厚度设为可将近红外光用作反射体的反射光的厚度。

优选地，将基板的厚度设为可将红(R)光用作反射体的反射光的厚度。

优选地，电极配线由具有高可见光透射率的透明膜形成。

优选地，反射体还用作预定配线层。

优选地，在像素复位前。电荷被立即从漏极注入像素，然后像素被复位。

优选地，固态成像装置包括：逆γ校正电路，使用具有与像素单元的晶体管相同结构的背栅终端的晶体管执行逆伽玛校正。

优选地，固态成像装置包括用于从像素单元读出信号的信号处理系统，并且信号处理系统包括比较器并将先前线的复位电平用作比较器的参考电平。

优选地，信号处理系统具有在D相读出期间执行模拟采样而在P相读出期间执行数字采样的功能。

优选地，以阵列形式配置像素单元，从而用多个像素获得一个输出信号。

优选地，以阵列形式配置像素单元并以多个像素为单位被元件分隔层分隔，以获得一个输出信号。

优选地，固态成像装置包括：信号处理系统，在从像素读出信号期间，执行用于继续光电转换而不复位像素的破坏性读出。

根据本发明的另一实施例，提供了一种相机，包括：固态成像装置，从基板的第一基板面侧接收光；光学系统，将入射光导向固态成像装置的第一基板面侧；以及信号处理电路，处理固态成像装置的输出信号。固态成像装置包括像素单元，像素单元形成在具有其上照射光的第一基板面侧和其上形成元件的第二基板面侧的基板上，并对于作为一个单位的像素单元的每一个或者多个像素单元，被相邻的单元组和元件分隔层所分隔。每个像素单元均具有形成在第一基板面侧上的第一导电阱和形成在第二基板面侧上的第二导电阱。第一导电阱接收来自第一基板面侧的光并具有用于所接收光的光电转换功能和电荷累积功能。在第二导电阱中形成检测第一导电阱中的累积电荷并具有阈值调制功能的晶体管。

根据本发明的实施例，从基板后表面(第一基板面)侧对单元结构的像素照射光，在第一导电阱中执行所接收光的光电转换，并累积光的电荷。

检测电荷累积并执行形成在第二导电阱中的晶体管的阈值调制，以提取信号。

以这种方式，像素单元具有背照型的双阱结构。累积电荷和沟道电流(信号电荷)是相同载流子。

根据本发明的实施例，可以有效且迅速地执行一系列操作，例如，光电载流子的生成和累积、电荷的读出以及剩余电荷的传输(复位)。

此外，可以防止陷阱由于光而对硅界面中的载流子产生影响，并实现了灵敏度的提高和像素尺寸减小，而不会使对蓝光的灵敏度劣化。

附图说明

图1是根据本发明实施例的固态成像装置的示意性结构的框图；

图2A和图2B是根据该实施例的固态成像装置的像素部的基本结构的示图；

图3是根据该实施例的像素单元的等效电路的示图；

图4是用于说明在前照式BMCD的情况下入射光的波长与晶体管的配置具有的关系的示图；

图5是在前照型的情况下由透明电极、栅极二氧化硅膜和单晶硅形成的能带状态的概况的示图；

图6是根据图2A和图2B所示装置的电位状态的变化的相对于在每个区域中垂直于半导体基板表面的方向上的半导体基板中的电子的电位变化的示图；

图7是图2A和图2B所示的a-a’线的电位分布实例的示图；

图8是根据实施例的信号读出处理系统的结构的示意图；

图9是根据实施例的像素部中的像素单元的布局实例的示图；

图10A和图10B是沿图9所示的a-a’线和b-b’线截取的简化截面图；

图11是像素单元被配置为从图9所示布局旋转45度的结构的示图；

图12是在X方向(水平方向)条纹中共同使用栅极的布局实例的示图；

图13是缩小了漏极侧的布局实例的示图；

图14是根据实施例的像素部中的像素单元的布局实例的示图；

图15A和图15B是沿图14所示的a-a’线和b-b’线截取的简化截面图；

图16A和图16B是在具有不同厚度的像素单元中设置反射体的实例的示图；

图17A和图17B是接触共用像素部的像素单元阵列的实例的示图；

图18是采用图17所示的布局并简化了共用列电路的信号处理系统和像素部的等效电路的示图；

图19A和图19B是图17A和图17B所示的方形阵列中的信号输出顺序的示图；

图20A和图20B是通过将图17A和图17B所示的方形阵列旋转45度而形成的锯齿形阵列的示图；

图21是采用图20A所示的布局并简化了共用列电路的信号处理系统和像素部的等效电路的示图；

图22A和图22B是通过将图17A和图17B所示的方形阵列旋转45度而形成的另一锯齿形阵列的示图；

图23是采用图22A所示的布局并简化了共用列电路的信号处理系统和像素部的等效电路的示图；

图24A和图24B是图20A和图20B所示的锯齿形阵列中的信号输出顺序的示图；

图25A和图25B是图22A和图22B所示的锯齿形阵列中的信号输出顺序的示图；

图26A和图26B是用于说明当采用方形阵列时的反射体的形成实例的示图；

图27是反射体和配线共用布局的第一实例的示图；

图28是反射体和配线共用布局的第二实例的示图；

图29是反射体和配线共用布局的第三实例的示图；

图30A和图30B是用于说明预线复位(pre-line reset)的基本概念的示图；

图31A和图31B是对应于根据实施例的硬复位功能的信号处理系统的概念图；

图32是用于说明包括逆γ校正电路的信号处理系统的基本概念的等效电路图；

图33A～图33C是预线复位系统、两列共用和2×2像素定时的电平图的示图；

图34是以阵列形式配置多个像素并通过多个像素获得一个输出信号的结构实例的平面图；

图35是多个像素以阵列形式配置并以多个像素为单位执行元件分隔以获得一个输出信号的结构实例的平面图；

图36A和图36B是多个像素以阵列形式配置并以多个像素为单位执行元件分隔以获得一个输出信号的结构实例的截面图；

图37是多个像素以阵列形式配置并以多个像素为单位执行元件分隔以获得一个输出信号的另一结构实例的平面图；

图38A和图38B是沿图37所示的a-a’线和b-b’线截取的简化截面图；

图39是非破坏性读出的宽动态范围(宽D范围)序列的实例的示图；

图40是非破坏性读出的低速实时取景序列的实例的示图；以及

图41是应用根据实施例的固态成像装置的相机系统的结构实例的示图。

具体实施方式

将在下文参照附图说明本发明的实施例。

图1是根据本发明实施例的固态成像装置的示意性结构的框图。

如图1所示，固态成像装置1包括作为感应部的像素部2、行方向(Y方向)控制电路3、列(X方向)方向控制电路4以及定时控制电路5。

在像素部2中，如稍后所详细描述的，例如，以矩阵形状配置多个像素单元2A。

根据实施例的像素部2的像素单元2A被配置为具有双阱结构的阈值调制(CMD)系统的后(背)照式图像传感器。

根据实施例的像素部2采用双阱结构。在像素部2中，累积电荷和沟道电流是相同载流子。像素部2具有一个晶体管的架构(结构)，其中，一个晶体管具有读出晶体管、复位晶体管和选择晶体管的功能。

在像素部2的像素阵列中，配置在同一行中的像素单元2A连接至公共行线H0、H1等，以及配置在同一列中的像素单元2A连接至公共列线V0、V1等。

在固态成像装置1中，生成内部时钟的定时控制电路5、控制行寻址和行扫描的行方向(Y方向)控制电路3和控制列寻址和列扫描的列方向(X方向)控制电路4被配置为用于顺序读出像素部2的信号的控制电路。

行方向(Y方向)控制电路3接收定时控制电路5的定时控制脉冲，并驱动预定行线H0、H1等。

列方向(X方向)控制电路4接收定时控制电路5的定时控制脉冲，接收读出至预定列线V0、V1等的信号，并执行预定处理(CDS(相关双采样)处理)、模数转换处理等。

稍后将详细描述关于列方向控制电路4中从像素单元2A读出信号的处理的结构和功能。

下面说明根据该实施例的固态成像装置的像素部的特定驱动结构。

图2A和图2B是根据该实施例的固态成像装置的像素部的基本结构的示图。图2A是平面图，而图2B是沿图2A所示的a-a’线截取的简化截面图。

如图2B所示，固态成像装置1被形成为后(背)照式装置，其中，光从基板(硅基板)100的第一基板面101侧(后侧)入射，并在第二基板面102侧(前侧)上形成其中形成有MOS晶体管的元件区域部EAP。

通过对硅晶片进行镀薄膜形成基板100，使得光可以从后侧入射。根据固态成像装置1的类型，基板100的厚度是用于可见光的2μm～6μm以及用于近红外光的6μm～10μm。

以这种方式，基板100具有其上照射光的第一基板面101侧和其上形成元件的第二基板面102侧。在基板100上形成通过相邻的单元和元件分隔层所分隔的多个单元Cel(2A)。

在该实施例中，在基板100上，对于作为一个单位的像素单元的每一个或者多个像素单元形成被相邻单元组和元件分隔层分隔的多个像素单元Cel(2A)。

每个像素单元Cel均包括形成在第一基板面101侧上的第一导电(在该实施例中为n型)阱(下文称作第一阱)110和与第一阱110相比进一步形成在第二基板面102侧上的第二导电(p型)阱(下文称作第二阱)120。

n型第一阱110用作从第一基板面101侧接收光的感光部，并具有针对所接收光的光电转换功能和电荷累积功能。

在第二阱120中形成检测第一阱110的感光部中的累积电荷并具有阈值调制功能的MOS晶体管。

与第一导电型(在该实施例中为n型)相对的第二导电型的p型元件分隔层(导电层)140被形成为环绕第一阱110的侧壁。在第一基板面101上形成作为基板100的光入射面的p⁺层150。

在p⁺层150的光入射面侧上形成例如由二氧化硅形成的绝缘膜和保护膜151。在保护膜151上形成仅透射期望波长区域中的光的滤色片152。在滤色片152上形成在第一阱110的感光部上会聚入射光的微透镜153。

在p型第二阱120中，在其中心以彼此远离的预定空间形成通过n⁺层形成的源极区121和漏极区122。在源极区121和漏极区122之间形成沟道形成区123。

在没有与第一阱110重叠的第二阱120的区域(底侧区域)中形成由p⁺层形成的阱(基板)接触区124～127。

在形成有源极区121、漏极区122和阱接触区124～127的基板100的第二基板面102的表面上通过预定处理选择性地形成二氧化硅等的绝缘膜160。

经由绝缘膜160在基板100的第二基板面102侧的源极区121和漏极区122之间的沟道形成区123上形成晶体管130的栅电极131。

通过打开源极区121上的绝缘膜160的一部分形成连接至源极区121的晶体管130的源电极132。

类似地，通过打开漏极区122上的绝缘膜160的一部分形成连接至漏极区122的晶体管130的漏电极133。

通过打开阱接触区124～127上的绝缘膜160的一部分形成连接至阱接触区124～127的阱接触电极170。例如，将阱接触电极170的电平设为接地电位GND(0V)或-1.2V。

在上述配置中，通过形成在第二基板面102侧上的第二阱120中的源极区121、漏极区122和沟道形成区123以及形成在第二基板面102的表面侧上形成的栅电极131、源电极132和漏电极133形成包括绝缘栅场效应晶体管(称作MOS晶体管)的晶体管130。

在图2B中，参考标号S表示晶体管130的源极，D表示130的漏极，以及G表示130的栅极。

以这种方式，根据该实施例的每个像素单元Cel(2A)被形成为具有双阱结构的阈值调制(CMD)系统的后(背)照式图像传感器。

图3是根据该实施例的像素单元的等效电路的示图。

如图3所示，像素单元Cel(2A)包括形成在第一阱110中的光电转换和电荷累积元件部111以及由第二阱120和第二基板面102侧上的电极形成的一个晶体管130。

如上所述，根据该实施例的像素单元Cel是背照型并具有双阱结构。在像素单元Cel中，累积电荷和沟道电流是相同载流子。此外，像素单元Cel具有一个晶体管的架构(结构)，其中，一个晶体管具有读出晶体管、复位晶体管和选择晶体管的功能。

换句话说，在该实施例中，像素单元Cel是背照型的并采用双阱结构而没有采用单阱调制系统。以下说明了这样做的原因。

当采用单阱调制系统时，需要用于线性提高的袋注入(pocketimplantation)。这使得在为了减小累积区域而缩小像素尺寸期间难以获得饱和的电荷Qs。

即使单阱结构具有高调制度和高转换效率，但单阱结构易受缺陷的影响。在单阱结构中，线性(非线性如同猫爪)的像素波动趋于频繁发生，并且当发生像素波动时，难以校正像素波动。

由于在读出期间发生闭合(pinning)，所以单阱结构与列数字CDS并不相符。在模拟CDS中，容量的增加阻碍像素尺寸的减小。

即使将单阱结构与背照式相结合，但由于复位晶体管是必需的且像素单元具有两个晶体管，所以这不利于像素尺寸的减小。

另一方面，在该实施例中，像素单元Cel是背照型的并具有双阱结构，累积电荷和沟道电流是相同载流子，并且可以通过独立的载流子执行像素分隔。因此，晶体管结构不必非要是环。可以通过与普通晶体管结构相同的所谓的漏极(D)/栅极(G)/源极(S)的单向结构来配置晶体管。

在该实施例中，采用了用于向晶体管130的漏极释放信号载流子的结构。这实现了完整的一个晶体管和横向复位结构，其中，一个晶体管用作读出(拾取)晶体管、复位晶体管和选择晶体管。

换句话说，由于根据该实施例的像素单元结构仅需要是单层栅极结构而不是双层栅极结构，所以元件分隔区并不需要特定工作。

在相邻的像素之间可以共用漏极、源极和栅极。因此，可以显著地提高布局效率并执行像素尺寸的减小。

由于采用了晶体管漏极的横向复位，所以可以共用一列并通过使用漏极的横向配线以及使用共用像素单位中的分隔配线来缩小列电路。

由于在晶体管的栅极上形成了一定空间，所以可以在该空间中设置使用配线金属等的反射体结构。结果，可以反射透过硅(Si)基板的光，再次光电转换Si中的光，并例如提高近红外灵敏度。

在现有结构中，通过在发光期间截止栅极并闭合硅(Si)基板的表面，在界面中生成的暗电流与空穴再结合。因此，没有完全再结合的部件引起暗电流的不均匀和白点缺陷。

另一方面，在根据该实施例的结构中，由于采用了双阱结构，所以具有可以从沟道向漏极释放在Si表面上生成的暗电流电子并完全消除在界面中引起的暗电流和白点的优势。

结果，即使在列读出期间栅极导通，暗电流和白点也不会引发任何问题。因此，可以执行信号的非破坏性读出。

稍后将详细描述用于实现像素尺寸减小的阵列结构、包括反射体的结构、信号读出处理系统的结构和功能以及信号的非破坏性读出处理。

下面说明具有上述结构的像素单元中的操作。

使光从后侧的第一基板面(后表面)101入射到像素单元。主要通过像素单元的n型第一阱110中的光电效应生成电子和空穴对。通过形成单元的壁表面的p型元件分隔层140向外部释放所生成的空穴。

电子仅累积在n型第一阱110中并累积在作为MOS晶体管的晶体管130的源极和漏极之间的栅极区半导体表面附近形成的势阱中。累积电荷的信号被放大并被晶体管130检测到，适当地释放累积电荷，并执行颜色混合和饱和电荷量的控制。

固态成像装置1的传感器的半导体层的厚度约为2μm～10μm，这是足以显示光波长范围中的光电转换的量子效率的厚度。

另一方面，在前照型的情况下，通常，半导体基板的厚度需要保持在元件不太容易破裂的厚度(达到几百μm)。因此，不能忽视源极和漏极之间通过元件基板的漏电流，并且可能引起问题。

另一方面，在该实施例中，由于元件厚度足够小，所以可以减少通过基板的漏电流并防止出现任何问题。

上面说明了根据该实施例的固态成像装置1的结构和功能。

下面更加详细地说明固态成像装置1。

图4是用于说明在前照式BMCD的情况下入射光的波长与晶体管的配置具有的关系的示图。

在图4所示的前照式BMCD 10中，在基板前表面侧上形成绝缘膜11、透明电极12、遮光电极13等。参考数字14表示横向漏极，15表示栅极绝缘膜，以及16表示硅基板。

在图4所示的前照型的情况下，光从设置晶体管的一侧进入。由于横向漏极区14被遮光电极13覆盖，所以光从除横向漏极区14之外的开口进入硅基板16同时透过绝缘膜11、透明电极12、栅极绝缘膜15等。具有大波长的红光和近红外光从硅表面进入的相对较深。然而，蓝光和近紫外光在不那么深的位置进行了光电转换。当具有小波长的光穿过基板上的绝缘多层膜时，光由于界面表面上的散射、吸收、反射等而趋于损失能量。

另一方面，在根据图2B所示实施例的后照式的情况下，光从没有配置晶体管130的一侧进入基板(硅基板)100。大部分具有大波长的光到达晶体管130的附近，但是仅有一部分具有小波长的光到达晶体管130的附近。

关于为了使包括入射光波长的量子效率最大而应该如何形成源极和漏极的漫射层和阱层，提出了各种建议。

然而，关于穿过二氧化硅膜(绝缘膜)的光影响晶体管特性的可能性存在一点争议。在该实施例中，尽管是定性地，但在某种程度上阐明了关于该要点的机构。

图5是在前照型的情况下通过透明电极、栅极二氧化硅膜和单晶硅形成的能带状态的概况的示图。

栅极氧化膜的特性会随制造方法或处理而显著不同。当没有很好地控制处理的制造方法时，在二氧化硅膜中残留下捕获电子和空穴的陷阱。在图中，在二氧化硅膜导带下的2.0eV的位置中存在捕获电子的陷阱。

在硅热氧化膜的情况下，带隙约为8.0eV。当ITO用作透明电极时，溢出功约为4.3eV～4.7eV。因此，透明电极的费米能级位于硅热氧化膜的能隙中心的下面一点。

当关注入射光中的蓝光分量时，例如450nm的波长λ，根据爱因斯坦光电定律E＝hv，其等于E＝2.76eV。如图所示，这个能量基本等于由透明电极的费米能级测量的氧化膜中的电子陷阱的能级位置。

对于这一点，如果与施加给硅基板的电压相比，将较大的负电压施加给透明栅电极，则通过光电效应从金属表面(透明电极)排出的电子在氧化膜中被激发并被陷阱所捕获。

被陷阱捕获的电子通过电场再次排出，根据漂移电导流入硅单晶的导带，使栅电极和硅进入弱导电状态，并引起晶体管特性和信号量的波动。

在根据该实施例的后照式中，具有大能量和小波长的光为硅基板中的光电载流子生成消耗其大部分能量，直到光到达晶体管区域。因此，后照式没有前照型的缺点。

图6是根据图2A和图2B所示装置的电位状态变化相的对于每个区域中垂直于半导体基板表面的方向上的半导体基板中的电子的电位变化的示图。

在所有状态中，阱接触电极170的电压VGND被设为0伏。

(i)栅极读出

当将晶体管130的栅极电压VG设为1.0伏而将其漏极电压VD设为1.8伏时，其源极电压VS约为1.6V～1.4V。累积电荷(电子)减少且从源极流向漏极的沟道电子电流被调制并随累积电荷的减少而减少。如果测量到该电流发生变化，则获得累积电子的电荷变化量。

(ii)栅极累积(非读出状态)

当将晶体管130的栅极电压VG设为0伏而将其漏极电压VD设为1.8伏时，其源极电压VS等于或低于1.2V。在晶体管130的源极和漏极之间的栅极区中的半导体表面附近形成的势阱中累积电子。

(iii)栅极累积(非复位状态，硬复位)

当将晶体管130的栅极电压VG设为0V伏～-1.0V而将其漏极电压VD设为1.8V时，其源极电压VS具有高阻抗Hi-Z或LD。累积电子溢出。换句话说，像素单元Cel饱和。就此，信号被保持。

(iv)复位

当将晶体管130的栅极电压VG设为0V～-1.0V而将其漏极电压VD设为等于或大于3.0V，例如设为3.7V时，其源极电压VS具有高阻抗Hi-Z或LD。通过漏电极向外部释放存在于累积阱中的电子。

如上所述，在该实施例中，当像素信号复位时，漏极电压VD被调制，并且在某些情况下，漏极电压VD和栅极电压VG均被调制(在图6所示的实例中，漏极和栅极之间的电位差增加)以释放在漏电极中累积的信号电荷(电子)。

在该实施例中，当亮度低时，对像素单元给出所谓的伽玛(γ)特性，以增加调制度和转换效率。

在该实施例中，向高动态范围(DR)应用γ特性。

以下说明像素单元的γ特性。

图7是图2A所示的a-a’线中的电位分布实例的示图。

作为双阱的一个特性，如图7所示，传感器累积区域具有宽阔的电位形状。因此，双阱的容量随信号量改变并具有非线性(γ特性)。

然而，在γ特性的情况下，即增益在小信号输出期间响应于单阱结构的非线性而增加并且在小信号输出期间缺乏信号的情况下，由于可以进行逆γ校正并且增益在低亮度期间是负的，所以与信号同时压缩噪声。这可以减少噪声。

以这种方式，在该实施例中，正面利用了γ特性，并且如图2B所示，设置了用于累积小信号的相当深的n型伽玛袋(gammapocket)180。

在伽玛袋180中，信号载流子和信号电流集中在一点并提高了小信号的调制度。

可以在执行信号处理的后级中在DSP中执行逆伽玛校正，并实现总的噪声压缩。

如图7所示，像素单元Cel具有其容量在大信号输出期间增加以及根据γ特性实现高动态范围(DR)的结构。

图8是根据该实施例的信号读出处理系统的结构的示意图。

列(X)方向控制电路4包括CDS电路41。将处于开(ON)状态的像素单元Cel的累积信号通过信号传输线SL和开关SW传送给CDS电路41。参考符号IS表示用于形成源极跟随器的电流源。

上面说明了根据该实施例的像素单元的结构和功能。

下面说明像素部2的像素单元阵列、包括反射体的结构等。

图9是根据该实施例的像素部中的像素单元的布局实例的示图。图10A是沿图9所示的a-a’线截取的简化截面图。10B是沿图9所示的b-b’线截取的简化截面图。

在该实施例中，以矩阵形状配置像素单元Cel。采用了Bayer阵列。

在第一阱110和第二阱120的侧壁上形成p型元件分隔层(导电层)140A。在p型元件分隔层140A中形成包括形成晶体管130的n⁺层的源极区141和漏极区142。在源极区141侧或漏极区142侧上形成阱接触区143。在该实例中，在源极区141侧形成阱接触区143。

在与p型元件分隔层140A相对的位置形成栅极接触电极190。

在除元件分隔层140A之外的像素单元Cel的栅电极131的前侧(没有照射光的一侧)上形成反射体200。

以这种方式，配置像素单元以与相邻的像素单元共用部分或多个漏极、源极、阱或栅极的接触。这可以提高布局效率。

换句话说，由于可以通过一个晶体管来配置像素单元，所以在像素分隔层的四个方向上配置漏极、源极、栅极和阱的接触，并且栅极占据整个像素。因此，晶体管的随机噪声显著减少。

在图9所示的布局实例中，通过附图所示的X和Y方向中的Y方向(垂直方向或行方向)上彼此相邻的像素单元共用漏极接触DCNT和源极接触SCNT。栅极接触GCNT和阱接触WCNT被X方向(水平方向或列方向)上彼此相邻的像素单元共用。

以这种方式，可以在像素分割层的四个方向上配置漏极接触DCNT、源极接触SCNT、栅极接触GCNT和阱(基板)接触WCNT。因此，如图11所示，这种布局也可以用在所谓的锯齿形阵列中。

在图11所示的实例中，将图9所示的配置旋转了45度。

图12是在X方向(水平方向)条纹中共用栅极的布局实例的示图。

如图所示，在这种布局中，在水平条纹中共用栅极并在源极侧或漏极侧上设定阱(基板)接触WCNT。这样就可以容易地形成反射体200。

在这种情况下，可以在X(水平)方向上每隔一列配置阱(基板)接触WCNT。

可以根据抗压或布局来确定是否应在漏极侧或源极侧设置阱(基板)接触WCNT。

当在源极侧上设定阱(基板)接触WCNT时，由于电位差减小，所以具有可以容易地执行像素尺寸缩小的优点。

图13是缩小漏极侧的布局实例的示图。

当在漏极侧上设置阱(基板)接触WCNT时，漏极宽度减小，即，被缩小以确保抗压力。

因此，由于源极侧的沟道加宽，所以源极侧加深且累积信号的部分和趋于被施加调制的部分彼此一致，并获得了高调制特性。

图14是根据该实施例的像素部中的像素单元的布局实例的示图。图15A是沿图14所示的a-a’线截取的简化截面图。图15B是沿图14所示的b-b’线截取的简化截面图。

图14所示的布局与图9所示实例的布局相同。然而，在该实例中，在第一基板面101(后表面)侧而不是第二基板面102侧上形成阱(基板)接触WCNT。在第二基板面102侧上包括p型元件分隔层140A的整个像素单元上形成栅电极131。

在这种情况下，用于防止颜色混合的未示出的遮光膜还可以用作未示出的配线。

通过采用这种结构，对称地形成反射体200的配线。这在抗压方面是有利的。

以下更加详细地说明反射体200。

在根据作为背照型并采用双阱结构的该实施例的像素单元Cel中，在晶体管130的栅电极131上形成了一定空间。因此，可以在该空间中设置利用了配线金属等的反射体结构。

透过硅基板100的光被反射体200反射并在硅基板100的第一阱110中再次光电转换。例如，这可以提高近红外灵敏度。

在这种情况下，如图16A所示，基板相对较厚(大约6μm～10μm)，并且例如可以通过使用反射体200对近红外光的反射而施加给夜视监控相机。

此外，如图16B所示，如果基板100的厚度正减小以反射G光至R光，则因为仅需要大约一半的基板厚度，所以还可以进一步将像素尺寸减半。

通常，对于可视光，需要硅基板必须具有2μm～3μm的厚度，并且以达到约25度的入射角来接收光。限制约1∶2的纵横比。因此，约1μm～1.5μm是像素尺寸的限制。

然而，如在该实施例中，如果使用反射体200，则硅基板必须仅具有1μm～1.5μm的一半厚度。因此，作为像素尺寸，亚微米像素是可能的。

在这种情况下，电极期望使用具有高可见光透射率的ITO膜。

在该实施例中，反射体200是金属(铝，等)的配线。稍后描述该结构实例。

尽管没有具体说明，但反射体可以由非导电绝缘膜等形成。

下面说明通过共用列电路实现尺寸减小的结构。

在这种情况下，在像素部2的像素单元的矩阵阵列中，将漏极接触在列中被分为两个以上的组以共用列方向(X方向)控制电路4中的列电路，并实现了尺寸的减小。

图17A和图17B是接触共用像素部的像素单元阵列实例的示图。图17A是像素单元布局实例的示图。图17B是对应于图17A的图样布局的示图。

图18是采用图17所示的布局并简化了共用列电路的信号处理系统和像素部的等效电路的示图。

在下面的说明中，假设信号Sel被提供给晶体管的所选栅极。

在该实例中，两条垂直线共用漏极。

在图17A所示的实例中，以矩阵形状配置所选择并示出的16个单元Cel。

基本上，采用了Bayer阵列。在第一行第一列中配置G(绿色，Gr)像素单元Cel11，在第一行第二列中配置B(蓝色)像素单元Cel12，在第二行第一列中配置R(红色)像素单元Cel21，以及在第二行第二列中配置G(Gb)像素单元Cel22。

类似地，在第一行第三列中配置G(Gr)像素单元Cel13，在第一行第四列中配置B像素单元Cel14，在第二行第三列中配置R像素单元Cel23，以及在第二行第四列中配置G(Gb)像素单元Cel24。

在第三行第一列中配置G像素单元Cel31，在第三行第二列中配置B像素单元Cel32，在第四行第一列中配置R像素单元Cel41，以及在第四行第二列中配置G(Gb)像素单元Cel42。

类似地，在第三行第三列中配置G(Gr)像素单元Cel33，在第三行第四列中配置B像素单元Cel34，在第四行第三列中配置R像素单元Cel43，以及在第四行第四列中配置G(Gb)像素单元Cel44。

在像素单元阵列的每列中，彼此相邻的奇数行和偶数行中的像素单元共用了漏极接触。

在图17A所示的实例中，像素单元Cel11和Cel21共用漏极接触DCNT，以及像素单元Cel31和Cel41共用漏极接触DCNT。

类似地，像素单元Cel12和Cel22共用漏极接触DCNT，以及像素单元Cel32和Cel42共用漏极接触DCNT。

像素单元Cel13和Cel23共用漏极接触DCNT，以及像素单元Cel33和Cel43共用漏极接触DCNT。

像素单元Cel14和Cel24共用漏极接触DCNT，以及像素单元Cel34和Cel44共用漏极接触DCNT。

在图17A所示的实例中，通过共用漏极接触DCNT的第一行中的像素单元Cel11～Cel14以及第二行中的像素单元Cel21～Cel24形成组GRP1。

类似地，通过共用漏极接触DCNT的第三行中的像素单元Cel31～Cel34以及第四行中的像素单元Cel41～Cel44形成组GRP2。

在彼此相邻的组之间的每列中，彼此相邻的像素单元共用源极接触SCNT。

在图17A所示的实例中，组GRP1的像素单元Cel21与组GRP2的像素单元Cel31共用源极接触SCNT。

组GRP1的像素单元Cel22与组GRP2的像素单元Cel32共用源极接触SCNT。

组GRP1的像素单元Cel23与组GRP2的像素单元Cel33共用源极接触SCNT。

组GRP1的像素单元Cel24与组GRP2的像素单元Cel34共用源极接触SCNT。

在图17B中，参考符号LGND1～LGND5等表示连接至阱接触WCNT的地线，LSGN1～LSGN4等表示连接至源极接触SCNT的信号线，LGT1～LGT3等表示连接至栅极接触的栅极线，以及LDRN1～LDRN2等表示连接至漏极接触的漏极线。

为Y方向(行方向)上的每列配置地线LGND和信号线LSGN。

为X方向(列方向)上的每行配置栅极线LGT和漏极线LDRN。

通过配线的层叠结构形成地线LGND、信号线LSGN、栅极线LGT和漏极线LDRN。

例如，通过底层中的第一金属配线(1MT)形成地线LGND。

通过从底部开始的第二层中的第二金属配线(2MT)形成信号线LSGN。

通过从底部开始的第三层中的第三金属配线(3MT)经由设置在线之间同时保持绝缘特性的绝缘膜来形成栅极线LGT和漏极线LDRN。

在该实施例中，通过例如Al配线Lal来支持(back)由第三金属配线形成的漏极线LDRN，以减少阻抗作为防备IR降低的措施。

在该实施例中，如图17A、图17B和图18所示，在组GR1～GRP3的每个组中，在共用漏极接触的像素单元中，栅极接触GCNT和阱(基板)接触WCNT被形成为在X方向(列方向)上面向相反方向。

在奇数列和偶数列中，栅极接触GCNT和阱(基板)接触WCNT被形成为也面向相反方向。

具体地，在组GRP1中，在X方向上，在图中的左侧形成第一列中像素单元Cel11中的栅极接触GCNT，以及在X方向上，图中的右侧形成阱接触WCNT。

在第一列中的像素单元Cel21上，在X方向上图中的右侧形成栅极接触GCNT，以及在X方向上图中的左侧形成阱接触WCNT。

像素单元Cel11的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第二列中的地线LGND2。

像素单元Cel21的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第一列中的地线LGND1。

在第二列中的像素单元Cel12上，在X方向上，在图中的右侧形成栅极接触GCNT。在X方向上，在图中的左侧形成阱接触WCNT。

在X方向上，在图中的左侧形成第二列中的像素单元Cel22的栅极接触GCNT。在X方向上，在图中的右侧形成阱接触WCNT。

像素单元Cel12的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第二列中的地线LGND2。

像素单元Cel22的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第三列中的地线LGND3。

在X方向上，在图中的左侧形成第三列中的像素单元Cel13的栅极接触GCNT，以及在X方向上，在图中的右侧形成阱接触WCNT。

在X方向上，在图中的右侧形成第三列中的像素单元Cel23的栅极接触GCNT，以及在X方向上，在图中的左侧形成阱接触WCNT。

像素单元Cel13的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第四列中的地线LGND4。

像素单元Cel23的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第三列中的地线LGND3。

在X方向中上，在图中的右侧形第四列中的像素单元Cel14栅极接触GCNT。在X方向上，在图中的左侧形成阱接触WCNT。

在X方向上，在图中的左侧形成第四列中的像素单元Cel24的栅极接触GCNT，以及在X方向上，在图中的右侧形成阱接触WCNT。

像素单元Cel14的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第四列中的地线LGND4。

像素单元Cel24的晶体管130的栅极经由栅极接触GCNT连接至栅极线LGT1。阱接触WCNT连接至配置在第五列中的地线LGND5(未示出)。

组GRP2和GRP3基本上以相同的模式形成。因此，省略组GRP2和GRP3的详细说明。

如图18所示，对于顶部读出和底部读出，将信号线LSGN1～LSGN4等分别分为两种信号线LSGN1-T和LSGN1-B、LSGN2-T和LSGN2-B、LSGN3-T和LSGN3-B以及LSGN4-T和LSGN4-B等。

设置奇数组选择开关(顶部开关)OGSW1和偶数组选择开关(底部开关)EGSW1，并以两列为单位设置顶部开关OGSW2和底部开关EGSW2。

信号线LSGN1-T和LSGN2-T连接至顶部开关OGSW1的两个切换端。信号线LSGN1-B和LSGN2-B连接至底部开关EGSW1的两个切换端。信号线LSGN1-T和LSGN2-T连接至奇数组GRP1、GRP3等的源极接触SCNT。信号线LSGN1-B和LSGN2-B连接至偶数组GRP2、GRP4等的源极接触SCNT。

类似地，信号线LSGN3-T和LSGN4-T连接至顶部开关OGSW2的两个切换端。信号线LSGN3-B和LSGN4-B连接至底部开关EGSW2的两个切终端。信号线LSGN3-T和LSGN4-T连接至奇数组GRP1、GRP3等的源极接触SCNT。信号线LSGN3-B和LSGN4-B连接至偶数组GRP2、GRP4等的源极接触SCNT。

顶部开关OGSW1、OGSW2等的固定端连接至第一信号传输线LSTM1。底部开关EGSW1、EGSW2的固定端连接至第二信号传输线LSTM2。

电流源I401连接至第一信号传输线LSTM1。电流源I401与第一信号传输线LSTM1的连接点经由电容器C401连接至列电路400的比较器401。

比较器401的反相输入(-)连接至电容器C401。将基准电位给予其非反相输入(+)。

在比较器401的反相输入(-)和输出之间连接复位开关402。通过例如MOS晶体管形成开关402。

电流源I411连接至第二信号传输线LSTM2。电流源I401与第二信号传输线LSTM2的连接点经由电容器C411连接至列电路410的比较器411。

比较器411的反相输入端(-)连接至电容器C411。将基准电位提供给其非反相输入端(+)。

在比较器411的反相输入端(-)和输出之间连接复位开关412。通过例如MOS晶体管形成开关412。

在这种结构中，可以分别为奇数和偶数采样信号以奇数的D相Do、奇数的P相Po、偶数的D相De和偶数的P相Pe的顺序执行复位。在垂直和水平方向上，可以用数字相加(垂直方向上，相反增加)执行来自相同颜色像素的信号的任意相加处理。

图19A和图19B是图17A和图17B所示的方形阵列中的信号输出顺序的示图。图19A是当不共用水平列时用于输出信号的信号输出顺序的示图。图19B是当共用水平列时用于输出信号的信号输出顺序的示图。

在图19A和图19B中，为了以信号输出顺序配置像素单元，从布局图所示垂直反转像素单元的配置。

在该实例中，行和列表示为V行和H列，并为各行和各列附加上数字。向输出信号给出对应于像素单元RGB和矩阵阵列的数字。例如，第一行、第一列中的信号表示为R11，以及第一行、第二列中的信号表示为G12。

在图19A所示实例的情况下，以根据底侧和顶侧上的像素单元阵列的顺序来输出信号。

在图19B所示实例的情况下，以时分方式输出信号。

例如，首先，在底侧读出像素单元G12、G14等的信号以及在顶侧读出像素单元B22和B24的信号，然后，在底侧读出像素单元R11、R13等的信号以及在顶侧读出像素单元G21和G23的信号。

以这种方式，可以为每种相同颜色执行信号读出并执行来自相同颜色像素的信号的任意相加处理。

如上所述，在图17A、图17B和图18所示实例中，为每两条线交替读出以及在奇数列和偶数列中分开读出Gb和Gr。

在该实例中，由于通过两条线共用漏极，所以根据上部和下部列阵列的平行处理(双倍速度)是必要的。此外，由于为每两条线从上面和下面交替输出Gr/Gb的信号，所以垂直执行数字相加或2/4稀疏。

可以根据水平复位漏极的分离(即，分为奇数列和偶数列)共用两个以上的列(1/n减速)。

此外，可以执行列减少。

此外，在颜色编码同步中，可以通过同一列信号中的数字相加执行来自相同颜色像素的任意的信号相加处理。

此外，由于通过用于减小阻抗的Al支持漏极线LDRN的水平配线，所以可以防止传输至漏极线的信号电压的降低。

图20A和图20B是通过将图17A和图17B所示的方形阵列旋转45度而形成的锯齿形阵列的示图。图20A是像素单元的布局实例的示图。图20B是对应于图20A的图案布局的示图。

图21是采用图20A所示的布局并简化了共用列电路的信号处理系统和像素部的等效电路的示图。

通过简单地将电极和电极下的结构旋转45度并为锯齿形阵列设计配线，可以实现锯齿形阵列。

在这种情况下，基本操作与图17A、图17B和图18所示方形阵列的情况下的操作相同。可以分别为奇数和偶数采样信号以奇数的D相Do、奇数的P相Po、偶数的D相De和偶数的P相Pe的顺序执行复位。在垂直和水平方向上，可以用数字相加(垂直方向上，相反增加)执行来自相同颜色像素的信号的任意相加处理。

图22A和图22B是通过旋转图17A和图17B所示的方形阵列而形成的另一锯齿形阵列的示图。图22A是像素单元的布局实例的示图。图22B是对应于图22A的图案布局的示图。

图23是采用图22A所示的布局并简化了共用列电路的信号处理系统和像素部的等效电路的示图。

在图20A、20B和图21所示的实例中，信号读出的形式与图17A、图17B和图18的情况相同。然而，在图22A、图22B和图23所示的实例中，交替配置底部的各列和顶部的各列。

在这种情况下，基本操作与在图17A、图17B和图18所示方形阵列情况下的操作相同。可以分别为奇数和偶数采样信号以奇数的D相Do、奇数的P相Po、偶数的D相De和偶数的P相Pe的顺序执行复位。在垂直和水平方向上，可以用数字相加(垂直方向上，相反增加)执行来自相同颜色像素的信号的任意相加处理。

图24A和图24B是图20A和图20B所示的锯齿形阵列中的信号输出顺序的示图。图24A是当不共用水平列时用于输出信号的信号输出顺序的示图。图24B是当共用水平列时用于输出信号的信号输出顺序的示图。

在该实例中，行和列被表示为V行和H列，并为各行和各列附加上数字。为输出信号给出对应于像素单元RGB和矩阵阵列的数字。

在图24A所示实例的情况下，以根据底侧和顶侧上的像素单元阵列的顺序输出信号。

在图24B所示实例的情况下，以时分方式输出信号。

例如，首先，在底侧读出像素单元R11、R13等的信号以及在顶侧读出像素单元G22和G24的信号，然后，在底侧读出像素单元B12、B14等的信号以及在顶侧读出像素单元G23和G25的信号。

以这种方式，可以为每种相同颜色执行信号读出以及执行来自相同颜色像素的信号的任意相加处理。

图25A和图25B是图22A和图22B所示的锯齿形阵列中的信号输出顺序的示图。图25A是当不共用水平列时用于输出信号的信号输出顺序的示图。图24B是当共用水平列时用于输出信号的信号输出顺序的示图。

在该实例中，行和列被表示为V行和H列，并为各行和各列附加上数字。向输出信号给出对应于像素单元RGB和矩阵阵列的数字。

在图25A所示实例的情况下，以根据底侧和顶侧上的像素单元阵列的顺序输出信号。

在图25B所述实例的情况下，以时分方式输出信号。

例如，首先，在底侧读出像素单元R11、R13、R15等的信号以及在顶侧读出像素单元G21、G23和G25的信号，然后，在底侧读出像素单元G22、G24、G26等的信号以及在顶侧读出像素单元B12、B14和B16的信号。

以这种方式，可以为每种相同颜色执行信号读出以及执行来自相同颜色像素的信号的任意相加处理。

上面说明了像素单元阵列的具体实例。

下面说明当采用图17A和图17B所示的方形阵列时的反射体的形成实例。

在根据该实施例的像素单元阵列中，可以在栅极的四个方向上配置漏极接触DCNT、源极接触SCNT、栅极接触GCNT和阱(基板)接触WCNT。因此，如图26A所示，整个感光区都是栅极区。

因此，如图26B所示，反射体200基本上可以被形成为叠加在整个栅极区上。

换句话说，当采用图17A和图17B所示的方形阵列时，可以通过使用层叠结构的任意配线来形成反射体。

下面说明第一至第三实例。

图27是反射体和配线共用布局的第一实例的示图。

图28是反射体和配线共用布局的第二实例的示图。

图29是反射体和配线共用布局的第三实例的示图。

在图27所示的第一实例中，不同于图17A和图17B所示的实例，栅极线LGT是第一金属配线，漏极线LDRN是第二金属配线，以及信号线LSGN和地线LGND是第三金属配线。

在这种情况下，栅极线LGT的第一金属配线用作反射体200。与栅极区相关联并且选择性地形成反射体200。

在图28所示的第二实例中，如图17A和图17B所示的实例，地线LGND是第一金属配线，信号线LSGN是第二金属配线，以及栅极线LGT和漏极线LDRN是第三金属配线。

在这种情况下，地线LGND的第一金属配线用作反射体200。

在图29所示的第三实例中，如图27所示的实例，栅极线LGT是第一金属配线，漏极线LDRN是第二金属配线，以及信号线LSGN和地线LGND是第三金属配线。

在这种情况下，栅极线LGT的第一金属配线被用作反射体200。以条纹状形成反射体200。

上面说明了像素单元结构、阵列和反射体形成的实例。

下面说明包括列电路侧的信号处理系统的特性结构和功能。

首先，在该实施例中，固态成像装置1具有预线复位功能，用于将先前线的复位电平用作列电路400(410)的比较器401(411)的参考电平来提高大光量阻抗。

图30A和图30B是用于说明预线复位的基本概念的示图。图30A是等效电路的示图。图30B是时序图。

在这种情况下，在比较器401(411)中与斜坡波形VRAMP的比较操作之前(D相读出之前)，接通列电路400(410)的开关(SW)402(412)，并连接比较器的输入和输出以执行电路复位。

因此，通过将先前线的复位电平用作列电路400(410)的比较器401(411)的参考电平来提高大光量阻抗。

该实施例采用了通过在像素复位使像素单元饱和紧前从漏极向像素注入电荷之后执行复位操作(硬复位像素单元)减少残留图像的功能。

图31A和图31B是根据该实施例的对应于硬复位功能的信号处理系统的示意图。图31A是等效电路的示图。图31B是时序图。

在这种情况下，在开关SW401与配置在信号传送线和列线400(410)之间的电容器C401(C411)之间设置晶体管Q401(漏极连接至电源电位，源极连接至比较器401(411))、经由开关SW402连接在晶体管Q401与地线之间的连接点的比较器C402、经由开关W403连接至晶体管Q401的源极的电流源I402以及连接至晶体管Q401的栅极的电流源I403。晶体管Q401的栅极连接至开关SW401。

在硬复位中，当晶体管130的栅极电压VG设为0V～-1.0V而漏极电压VD设为1.8V时，其源极电压VS为高阻抗Hi-Z或LD。累积的电子溢出(OF)。换句话说，像素单元Cel饱和。为此，信号被保持。

在下面的复位操作中，当晶体管130的栅极电压VG设为0V～-1.0V且其漏极电压VD设为等于或高于3.0V，例如，设为3.7V时，其源极电压VS为高阻抗Hi-Z或LD。通过漏电极向外部释放存在于累积阱中的电子。

在这种情况下，为了防止消耗采样时间的信号侧的泄漏，例如，仅在信号侧执行模拟采样并数字地执行CDS。结果，通过增加一个电容器获得了显著的改善效果。

例如，可以通过结合用于D相的模拟采样和用于P相的数字采样而以小尺寸提高大光量阻抗。

也可以对所谓的浮置扩散(FD)结构的像素单元施加对应于模拟SHD和数字CDS的电路结构。

在该实施例中，确实向像素单元给出γ特性。与γ特性相结合，通过使用具有与像素单元的晶体管130相同结构的背栅极终端的晶体管来配置逆γ校正电路。

图32是用于说明包括逆γ校正电路的信号处理系统的基本概念的等效电路图。

逆γ校正电路420包括具有背栅极终端的晶体管421、配置电流反射镜的晶体管422和423、开关SW421、电容器C421以及电流源I421、I422和I423。

连接晶体管421的源极和电流源I421。晶体管421的源极与电流源I421的连接点连接至开关SW401。晶体管421的漏极连接至晶体管422的源极。连接晶体管422的栅极和漏极。栅极和漏极的连接点连接至电流源I422、晶体管423的栅极和开关SW421。

晶体管423的漏极连接至电源电位。晶体管423的源极连接至电流源I423。晶体管423的源极与电流源I423的连接点连接至晶体管421的基板和电容器C401。电容器C421连接至开关SW421。

由于信号处理系统的时序图与图31B所示相同，所以在图中没有示出时序图。

通过逆γ校正电路420降低γ特性，即，γ特性的非线性被改变为线性以执行模数转换。

根据该实施例的信号处理系统具有如上所述的特性。

在通常的列数字CDS或ADC中，在一个H(水平)周期内缓慢执行CDS或ADC。假设在FD中存储信号。

然而，在阈值调制系统中，即使在CDS或ADC期间也会通过所接收的光引起信号改变。因此，当以大光量使用高速电子快门时，可能发生信号错误和黑浮(floating black)。

通常，通过高速模拟CDS来防止这种问题。在该系统中，可以考虑快门速度和信号量来校正黑电平。不考虑特定范围内的电子快门速度明确引起问题。

为了防止消耗采样时间的信号侧的泄漏，如上所述，例如，仅在信号侧执行模拟采样。结果，通过增加一个电容器获得了显著的提高效果。

使用先前线的复位电平的预线复位系统可以处理列CDS的复位。

图33A～图33C是预线系统、两列共用以及2×2像素定时的电平图的示图。图33A是工作电压实例的示图。图33B是两列共用中的静态图像顺序实例的示图。图33C是2×2像素相加顺序实例的示图。

在该实施例中，例如，如图34所示，以阵列形状配置像素单元(晶体管)以获得具有多个像素的一个输出信号。这可以获得高-Qs和低噪声动态范围。

在固态成像元件或元件外部的信号处理IC中，可以执行获得一个输出信号的方法。当在元件外部的信号处理IC中执行该方法时，存在例如可以校正缺陷像素的优点。

在该实施例中，例如，如图35的平面图和图36的简化截面图所示，如果最终获得一个输出，则以多个像素为单位执行元件分隔，以准备在以阵列形状配置的多个像素中混合信号。因此，传感器累积区域进一步被扩展，并且可以获得高动态范围(D范围)。

在该实施例中，例如，如图36B的简化截面图所示，如果滤色片译码在以阵列形状配置的多个像素中不是相同颜色，而是例如为原色B(Blue)和R(Red)，则获得补色品红色。因此，可以使用在凸轮编码器等中使用的补色信号处理。结果，颜色再现性与原色相同，并且可以获得通过共用滤色片材料提高大规模生产力。

在该实施例中，例如，如图37以及图38A和38B所示，在共用一部分或多个与相邻像素单元的漏极、源极、基板(阱)或栅极的接触的像素中，当以多个像素为单位执行元件分隔时，由于可以消除复位漏极下的元件分隔p阱，所以具有可以减小复位电压的效果。

在根据该实施例的固态成像装置1中，通过连续光电转换而不在从像素读出信号的过程中复位像素，可以执行非破坏性读出而不使暗电流劣化。

例如，根据非破坏性读出，可以在低速曝光和阀曝光(valveexposure)期间实现高-S/N宽动态范围(宽D范围)和实时取景。

根据非破坏性读出，还可以实现各种形式，例如，可以执行静态图像低速曝光以及运动图像的异步和同步同时操作，AE和AF的同时使用成为可能，并且可以在整个区域通过高速局部扫描随机地执行实时AE/AF。

图39是根据非破坏性读出的宽动态范围(宽D范围)序列的实例的示图。

在图39中，垂直方向表示信号电平，水平方向表示曝光时间。

<步骤ST1>

对信号电平进行复位并执行黑扫描。拍摄阈值Vh变化图像。

<步骤ST2>

在时间t1，执行第一中间扫描(SCAN#1)。拍摄高亮度图像并获得Vth差。

<步骤ST3>

在时间t2，执行第二中间扫描(SCAN#2)。拍摄中等亮度图像并获得Vth差。

<步骤ST4>

在时间t3，执行最终扫描以复位信号电平。拍摄低亮度图像(CDS)。

尽管图中没有示出，但如步骤ST5，通过对高亮度图像、中等亮度图像和低亮度图像进行图像组合来成像实现宽动态范围。(各个图像与时间比率相乘并通过电平进行组合以获得高DR图像。)

图40是根据非破坏性读出的低速实时取景序列的实例的示图。

在图40中，垂直方向表示信号电平，水平方向表示曝光时间。

<步骤ST11>

对信号电平进行复位并执行黑扫描。拍摄阈值Vh变化图像。

<步骤ST12>

执行第一中间扫描(SCAN#1)。拍摄#1图像并获得#0Vth差，并例如进行显示用于监控。

<步骤ST13>

执行第二中间扫描(SCAN#2)。拍摄#2图像并获得#1Vth差，并例如进行显示用于监控。

<步骤ST14>

执行最终扫描。获取#n图像并获得#nVth差，并例如进行显示用于监控。

<步骤ST15>

执行拍摄扫描以复位信号电平。执行最终图像拍摄CDS和存储器中的记录。

<步骤ST16>

在异步型的情况下，按照1/30s显示步骤ST15中拍摄的图像(静态图像)。

以这种方式，根据非破坏性读出，可以在低速曝光和阀曝光期间实现例如高-S/N宽动态范围(宽D范围)和实时取景。

如上所述，根据该实施例，基板100包括其上照射光的第一基板面101侧和其上形成元件的第二基板面102侧。形成通过相邻单元组和元件分隔层分隔的多个像素单元Cel(2A)。每个像素单元Cel均包括形成在第一基板面101侧上的第一导电(该实施例中为n型)阱(第一阱)110和与第一阱110相比进一步形成在第二基板面102侧上的第二导电(p型)阱(第二阱)120。n型第一阱110用作接收来自第一基板面101侧的光的感光部，并具有用于所接收光的光电转换功能和电荷累积功能。在第二阱120中形成检测第一阱110的感光部中的累积电荷并具有阈值调制功能的MOS晶体管130。在第一阱110和第二阱120的侧壁上形成与第一导电类型(在该实施例中为n型)相反的第二导电类型的p型元件分隔层(导电层)140以环绕侧壁。

可以通过漏极(D)/栅极(G)/源极(S)结构的一个晶体管形成像素。因为像素结构与逻辑处理是兼容的，所以可以使步骤数量的增加最小化。

因为可以共用漏极、源极、栅极和阱的接触，所以布局效率较高，并且可以实现微像素。

由于栅极区较大，所以晶体管噪声非常小。

由于整个像素都是累积区域，斯普哦饱和信号量较大，并且可以实现高动态范围(DR)。

由于向漏极释放从界面生成的暗电流，所以不会发生界面中的暗电流图像缺陷。

可以执行非破坏性读出，其中，不管栅极是导通还是截止，暗电流都没有恶化。

整个感光部都是栅极。当安装反射体时，可以实现近红外高灵敏度和超好像素。

通过逆γ校正功能可以减少噪声。

可将具有上述特性的固态成像装置应用为数码相机和摄像机的成像装置。

图41是应用根据该实施例的固态成像装置的相机系统的结构实例的示图。

如图41所示，相机系统500包括：成像装置510，可应用根据该实施例的固态成像装置1；光学系统，将入射光引导至成像装置510的像素区(聚焦目标图像)，例如，在成像面上会聚入射光(图像光)的透镜520；驱动电路(DRV)530，驱动成像装置510；以及信号处理电路(PRC)540，处理成像装置510的输出信号。

驱动电路530包括定时生成器(未示出)，其生成各种定时信号，包括用于驱动成像装置510中的电路的开始脉冲和时钟脉冲。驱动电路530通过预定的定时信号驱动成像装置510。

信号处理电路540对成像装置510的输出信号应用诸如CDS(相关双采样)的信号处理。

在诸如存储器的记录介质中记录被信号处理电路540处理的图像信号。记录在记录介质中的图像信号通过打印机等进行硬拷贝。在包括液晶显示器的监控器上显示被信号处理电路540处理的图像信号作为运动图像。

如上所述，在诸如数码相机、监控相机、安装在便携电话上的相机、单镜头反光相机和扫描仪的成像装置和电子设备中，可以通过安装固态成像装置1作为成像装置510来实现高精度的相机。

本发明不受实施例说明的限制。

例如，在实施例中描述的数值和材料仅仅是实例。本发明不限于这些数值和材料。

此外，在不背离本发明精神范围的情况下可以进行各种改进。

此外，在不背离本发明精神的范围内可以有各种改进。本领域技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以在所附权利要求书的范围内或其等同范围内，进行各种修改、组合、再组合以及改进。

Claims (20)

1.一种固态成像装置，包括：像素单元，形成在基板上，该基板具有光照射于其上的第一基板表面侧和其上形成多个元件的第二基板表面侧，并且，以所述像素单元中的每一个或者多个像素单元为单位，所述像素单元被相邻的单元组和元件分隔层所分隔，其中，

所述像素单元中的每一个均包括：

第一导电阱，形成在所述第一基板表面侧上；以及

第二导电阱，形成在所述第二基板表面侧上，

所述第一导电阱接收来自所述第一基板表面侧的光，并具有用于所接收光的光电转换功能和电荷累积功能，以及在所述第二导电阱中形成有检测所述第一导电阱中的累积电荷并具有阈值调制功能的晶体管。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述累积电荷和信号电荷是相同载流子。

3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述晶体管具有读出晶体管的功能、复位晶体管的功能以及选择晶体管的功能。

4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述像素单元具有当亮度低时调制程度增加的伽玛特性。

5.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，所述像素单元具有在大信号输出期间容量增加的结构，并具有根据所述伽玛特性实现高动态范围的功能。

6.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，至少在所述第一导电阱和所述第二导电阱中的所述第一导电阱一侧上形成第二导电分隔层。

7.根据权利要求6所述的固态成像装置，其中，

在所述第二导电阱或所述第二导电分隔层中形成第一导电源极区和第一导电漏极区，以及

在所述基板的所述第二基板表面侧上的源极区和漏极区之间的所述第二导电阱中的沟道形成区上形成栅电极。

8.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，多个所述像素单元以阵列形式配置，并与相邻的像素单元共用一部分或多个漏极、源极、阱或栅极的接触。

9.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，

多个所述像素单元以阵列形式配置，

在像素阵列的一个方向上，以条纹形状对所述像素单元共同形成所述像素单元的栅电极，以及

在源极区侧或漏极区侧上形成阱接触。

10.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，在所述第二导电分隔层中形成阱接触区。

11.根据权利要求10所述的固态成像装置，其中，所述阱接触区形成在所述第一基板表面侧上的所述第二导电分隔层中。

12.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，当所述阱接触形成在漏极侧上时，以随漏极宽度的减小而收缩的形状形成所述阱接触。

13.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，在阵列形式的所述像素单元的配置中，漏极接触按列分为两个以上的组，并共用信号读出处理系统的列电路。

14.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，在所述第二基板表面侧上的所述晶体管的栅电极或所述栅电极的更前部中，所述固态成像装置具有反射体，所述反射体反射透射过所述基板的光并使所述光入射到所述基板的所述第二导电阱和所述第一导电阱上。

15.根据权利要求14所述的固态成像装置，其中，所述反射体还用作预定配线层。

16.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，在像素复位前，电荷被立即从漏极注入所述像素，然后所述像素被复位。

17.根据权利要求4所述的固态成像装置，还包括：逆伽玛校正电路，使用具有与所述像素单元的晶体管相同结构的背栅终端的晶体管来执行逆伽玛校正。

18.根据权利要求16所述的固态成像装置，还包括：用于从所述像素单元读出信号的信号处理系统，其中，

所述信号处理系统包括比较器，并将先前线的复位电平用作所述比较器的参考电平。

19.根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括：信号处理系统，在从所述像素读出信号期间，执行用于继续光电转换而不复位所述像素的破坏性读出。

20.一种相机，包括：

固态成像装置，从基板的第一基板表面侧接收光；

光学系统，将入射光导向所述固态成像装置的所述第一基板表面侧；以及

信号处理电路，处理所述固态成像装置的输出信号，其中

所述固态成像装置包括：像素单元，形成在基板上，该基板具有光照射于其上的第一基板表面侧和其上形成有多个元件的第二基板表面侧，并且，以所述像素单元中的每一个或者多个像素单元为单位，所述像素单元被相邻的单元组和元件分隔层所分隔，

所述像素单元中的每一个均包括：

第一导电阱，形成在所述第一基板表面侧上；以及

第二导电阱，形成在所述第二基板表面侧上，

所述第一导电阱接收来自所述第一基板表面侧的光，并具有用于所接收光的光电转换功能和电荷累积功能，以及

在所述第二导电阱中形成有检测所述第一导电阱中的累积电荷并具有阈值调制功能的晶体管。

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