CN101820506B - 固态成像器件和固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了固态成像器件和固态成像装置。该成像器件包括成像部分、水平转移部分、输出部件、第一基准电势施加装置和第二基准电势施加装置，所述成像部件包括光接收部分和垂直转移寄存器，所述输出部件用于输出从电荷转换而成的电信号，所述电荷是从水平转移部分转移而来的。成像部分、水平转移部分和输出部件被形成在具有第二导电类型半导体区域的第一导电类型半导体基片中，基准电势被施加到第二导电类型半导体区域。第一基准电势施加装置向与形成输出部件的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加基准电势。第二基准电势施加装置向与形成成像部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加基准电势。

Description

固态成像器件和固态成像装置
本申请是申请日为2008年1月30日、申请号为200810000267.5、名称为“固态成像器件和固态成像装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及固态成像器件和固态成像装置。更具体而言，本发明涉及能够实现高帧速率的固态成像器件和固态成像装置。
背景技术
在摄像机和数码相机中，已经使用了在电荷转移部件中使用CCD寄存器的CCD型固态成像器件(参考日本未审查专利申请公布NO.2004-96546)。
这种CCD型固态成像器件具有多个像素，其中光电转换元件(光电二极管：PD)以矩阵的形状被二维地布置在半导体基片的成像区中。入射到每个像素上的光由光电二极管进行光电转换，以生成电荷，电荷经由垂直转移寄存器和水平转移部分被转移到输出部件的漂移扩散(FD)区域，MOS晶体管检测FD区域中的电势变化，并且该电势变化被转换成电信号，该电信号再被放大并输出为视频信号。
图5A是示出已知的CCD型固态成像器件的示意性平面图，图5B是沿图5A中的线A-A’截取的示意性截面图。该CCD型固态成像器件101主要由图像区102、水平转移部分103和输出部件104构成。图像区由以矩阵形状布置的光接收部分(未示出)和布置在相应光接收部分的每个纵列中的垂直转移寄存器(未示出)构成，所述垂直转移寄存器用于转移来自相应光接收部分的电荷。遮光膜105被形成在图像区和水平转移部分的上面。
CCD型固态成像器件被形成在具有P阱区域的n型半导体基片(N-sub)上。单个地电势供应源(GND)向如下区域施加地电势：对应于图像区的P阱区域(对应于图像区的P阱区域在下文中被称为“图像区P阱区域”)；对应于水平转移部分的P阱区域(对应于水平转移部分的P阱区域在下文中被称为“水平转移部分P阱区域”)；对应于输出部件的P阱区域(对应于输出部件的P阱区域在下文中被称为“输出部件P阱区域”)；以及遮光膜。N阱区域被形成在与用于提供水平转移时钟的焊盘107相对应的区域中。
在如上构造的CCD型固态成像器件中，当来自定时信号生成器电路(未示出)的垂直转移时钟施加到垂直转移寄存器时，从光接收部分读取到垂直转移寄存器的电荷沿垂直方向被转移。当来自定时信号生成器电路的水平转移时钟施加到水平转移部分时，被转移到水平转移部分的电荷沿水平方向被转移。来自水平转移部分的电荷被转换成FD区域中的电压，并且从输出部件读取该电压作为光接收信号。
由于近来市场对高图像质量的需求，加速了在CCD型固态成像器件中设置更多像素的发展趋势。此外，也越来越需要在短时间内同时捕获大量图像。因此，希望实现一种具有大量像素并且帧速率与当前所使用的帧速率大致相同的CCD型固态成像器件。
一种实现具有大量像素并且帧速率与当前使用的帧速率大致相同的CCD型固态成像器件的方法可以是(1)提高用于驱动CCD型固态成像器件的驱动频率的方法和(2)在有效像素时段期间执行垂直转移的方法。
然而，如果通过提高用于驱动CCD型固态成像器件的驱动频率来实现与当前所使用的帧速率大致相同的帧速率，则可能导致以下问题，例如由于提高驱动频率而导致发热增多、消耗功率增加、CCD型固态成像器件的基片昂贵、外围组件数目增加。通过提高用于驱动CCD型固态成像器件的驱动频率来实现与当前所使用的帧速率大致相同的帧速率不能说是一种令人满意的方法。此外，相对于最近对提高帧速率的要求而言，仅仅采用提高驱动频率的措施已接近极限。
如果通过在有效像素时段内执行垂直转移来实现与当前所使用的帧速率大致相同的帧速率，则可能会产生串扰噪声，如以下[1]到[5]所示。
[1]如图6所示，在有效像素时段内的垂直转移期间，在垂直转移时钟上升和下降时会在图像区中产生串扰噪声，并且该串扰噪声经由图像区中的遮光膜被传播到图像区P阱区域。传播到图像区P阱区域的串扰噪声被传播到输出部件P阱区域。因此由于背栅(back gate)效应，在CCD型固态成像器件的输出信号中产生串扰噪声。
[2]如图7所示，在有效像素时段内的垂直转移期间，在垂直转移时钟上升和下降时会在图像区中产生串扰噪声，并且该串扰噪声被传播到光接收部件的沟道截止区域和图像区P阱区域。传播到图像区P阱区域的串扰噪声被传播到输出部件P阱区域。因此由于背栅效应，在CCD型固态成像器件的输出信号中产生串扰噪声。
[3]如图8所示，在有效像素时段内的垂直转移期间，在垂直转移时钟上升和下降时会在图像区中产生串扰噪声，并且该串扰噪声经由光接收部件的沟道截止区域和图像区P阱区域被传播到n型半导体基片。传播到图像区P阱区域的串扰噪声被传播到输出部件P阱区域。因此由于背栅效应，在CCD型固态成像器件的输出信号中产生串扰噪声。由于在FD区域中的MOS晶体管的n沟道之下并且在输出电路的第一级源极跟随器的驱动侧的P阱区域(图8中的字符X所指示的区域)的耗尽(depletion)，使得来自n型半导体基片的背栅效应很大。
[4]如图9所示，在有效像素时段内的垂直转移期间，在垂直转移时钟上升和下降时会在图像区中产生串扰噪声，该串扰噪声经由光接收部件的沟道截止区域和图像区P阱区域被传播到n型半导体基片，并且还被传播到输出信号布线和输出信号焊盘106。因此，在CCD型固态成像器件的输出信号中产生串扰噪声。
[5]如图10A所示，在有效像素时段内的垂直转移期间，水平转移时钟的高频成分(高频噪声)被重叠在垂直转移时钟上，成为耦合噪声。
重叠在垂直转移时钟上的耦合噪声被传播到P阱区域，使得高频噪声被重叠在CCD型固态成像器件的输出信号上。如图10B所示，在垂直转移时钟的平常状态和转移状态中，高频噪声分别具有不同的波形。因此，当观察图像帧的任一行的输出信号电平时，出现输出信号的波动，如图10C所示。
在日本未审查专利申请公布NO.2005-269060中提出了通过大大地缩短水平消隐时段来实现高帧速率的技术。根据该技术，在有效像素时段执行垂直转移，并且驱动时钟波形在垂直转移期间被提供给CCD型固态成像器件的垂直转移寄存器。驱动时钟波形具有瞬时速度为ΔV/ΔT(其中，ΔV是电压，ΔT是时间)的上升下降斜度，这使得相关双采样电路能够消除在驱动时钟波形的上升和下降处所产生的串扰噪声。
然而，即使采用这样的技术，也不能完全消除串扰噪声。
发明内容
本发明针对于上述与发展中的技术相关的问题。本发明的一个优点在于提供了一种即使在有效像素时段内执行垂直转移也能够抑制图像质量降低的固态成像器件和固态成像装置。
根据本发明的实施例，提供了一种固态成像器件，包括：成像部分，该成像部分包括以具有行和列的矩阵的形式布置的多个光接收部分和布置在光接收部分的每个纵列中的垂直转移寄存器，该垂直转移寄存器用于沿垂直方向转移从光接收部分转移来的电荷；水平转移部分，用于沿水平方向转移从垂直转移寄存器转移来的电荷；输出部件，用于输出从电荷转换而成的电信号，所述电荷是从水平转移部分转移而来的；第一基准电势施加装置和第二基准电势施加装置。成像部分、水平转移部分和输出部件被形成在具有第二导电类型半导体区域的第一导电类型半导体基片中，并且预定的基准电势被施加到第二导电类型半导体区域。第一基准电势施加装置向与形成输出部件的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加基准电势。第二基准电势施加装置向与形成成像部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加基准电势。
根据本发明的实施例，固态成像器件包括第一基准电势施加装置和第二基准电势施加装置，该第一基准电势施加装置用于向与形成输出部件的区域相对应的第二导电类型半导体区域(下文中被称为“输出部件第二导电类型半导体区域”)施加基准电势，该第二基准电势施加装置用于向与形成成像部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域(下文中被称为“成像部分第二导电类型半导体区域”)施加基准电势。就是说，基准电势被施加给输出部件第二导电类型半导体区域和成像部分第二导电类型半导体区域。因此，通过经由对于输出部件第二导电类型半导体区域和成像部分第二导电类型半导体区域而言不同的基准电势施加装置来施加基准电势，可以向输出部件第二导电类型半导体区域和成像部分第二导电类型半导体区域分别施加足够的基准电势，使得每个区域可以被可靠地分隔开。因此，可以抑制如下现象的发生，该现象即在成像部分中产生的串扰噪声从成像部分第二导电类型半导体区域传播到输出部件第二导电类型半导体区域。
所述固态成像器件可以包括第三基准电势施加装置，用于向与形成水平转移部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域(下文中被称为“水平转移部分第二导电类型半导体区域”)施加基准电势。就是说，分别利用不同的基准电势施加装置向输出部件第二导电类型半导体区域、成像部分第二导电类型半导体区域和水平转移部分第二导电类型半导体区域施加基准电势。因此，足够的基准电势被施加给输出部件第二导电类型半导体区域、成像部分第二导电类型半导体区域和水平转移部分第二导电类型半导体区域中的每一者，使得每个区域可以被可靠地分隔开。因此，可以抑制如下几种现象的发生，这些现象即：成像部分中产生的串扰噪声从成像部分第二导电类型半导体区域传播到水平转移部分第二导电类型半导体区域；串扰噪声从成像部分第二导电类型半导体区域传播到输出部件第二导电类型半导体区域；以及串扰噪声从水平转移部分第二导电类型半导体区域传播到输出部件第二导电类型半导体区域。
该固态成像器件可以包括第四基准电势施加装置，用于向用于对成像部分进行遮光的遮光膜施加基准电势。就是说，利用彼此不同的基准电势施加装置向成像部分第二导电类型半导体区域和成像部分遮光膜施加基准电势。因此，足够的基准电势被施加给成像部分第二导电类型半导体区域和成像部分遮光膜中每一者，使得各个区域可以被可靠地分隔开。因此，可以抑制如下现象的发生，该现象即在成像部分中所产生的串扰噪声从成像部分遮光膜传播到成像部分第二导电类型半导体区域。
输出部件第二导电类型半导体区域被利用水平转移部分第二导电类型半导体区域而与成像部分第二导电类型半导体区域分隔开。因此，可以抑制如下现象的发生，该现象即在成像部分中所产生的串扰噪声直接从成像部分第二导电类型半导体区域传播到输出部件第二导电类型半导体区域。
该固态成像器件可以包括第五基准电势施加装置，用于向水平转移部分遮光膜施加基准电势。就是说，利用彼此不同的基准电势施加装置向成像部分第二导电类型半导体区域、成像部分遮光膜和水平转移部分遮光膜施加基准电势。因此，足够的基准电势被施加给成像部分第二导电类型半导体区域、用于遮盖成像部分的遮光膜以及用于遮盖水平转移部分的遮光膜，使得成像部分第二导电类型半导体区域和遮光膜可以被可靠地地分隔开。因此，可以抑制如下现象的发生，该现象即在成像部分中所产生的串扰噪声从成像部分遮光膜传播到水平转移部分遮光膜。
输出部件第二导电类型半导体区域中的掺杂量可以被设置为大于成像部分第二导电类型半导体区域中的掺杂量。因此可以抑制串扰噪声从第一导电类型半导体基片传播到输出部件第二导电类型半导体区域。类似地，输出部件第二导电类型半导体区域的掺杂位置可以被设置为比成像部分第二导电类型半导体区域的掺杂位置更深。因此可以抑制串扰噪声从第一导电类型半导体基片传播到输出部件第二导电类型半导体区域。
第二导电类型半导体区域可以被形成在与形成外部端子的区域和形成布线的区域相对应的区域中，所述外部端子用于输出经输出部件转换的信号，所述布线用于连接输出部件和外部端子，并且基准电势可被施加到与形成外部端子和布线的区域相对应的第二导电类型半导体区域。因此，可以抑制串扰噪声从第一导电类型半导体基片传播到外部端子和布线。
根据本发明的另一实施例，提供了一种固态成像装置，该装置包括：固态成像器件、定时信号发生器电路、第一基准电势施加装置和第二基准电势施加装置。该固态成像器件包括：成像部分，该成像部分具有以具有行和列的矩阵的形式布置的多个光接收部分和布置在光接收部分的每个纵列中的垂直转移寄存器，该垂直转移寄存器用于沿垂直方向转移从光接收部分转移来的电荷；水平转移部分，用于沿水平方向转移从垂直转移寄存器转移来的电荷；输出部件，用于输出从电荷转换而成的电信号，所述电荷是从水平转移部分转移而来的。成像部分、水平转移部分和输出部件被形成在具有第二导电类型半导体区域的第一导电类型半导体基片中，并且预定的基准电势被施加到第二导电类型半导体区域。定时信号发生器电路向固态成像器件施加用于驱动垂直转移寄存器的垂直转移时钟和用于驱动水平转移部分的水平转移时钟。第一基准电势施加装置向与形成输出部件的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加基准电势。第二基准电势施加装置向与形成成像部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加基准电势。
根据本发明的另一实施例，固态成像装置包括用于向输出部件第二导电类型半导体区域施加基准电势的第一基准电势施加装置和用于向成像部分第二导电类型半导体区域施加基准电势的第二基准电势施加装置。因此，足够的基准电势被施加给输出部件第二导电类型半导体区域和成像部分第二导电类型半导体区域，使得每个区域可以被可靠地分隔开。因此，可以抑制如下现象的发生，该现象即在成像部分中产生的串扰噪声从成像部分第二导电类型半导体区域传播到输出部件第二导电类型半导体区域。
用于向固态成像器件施加垂直转移时钟的布线可以通过预定的电容来接地。可以抑制第二导电类型半导体区域的电势波动。此外，用于向固态成像器件施加水平转移时钟的布线可以包括铁氧体磁珠(ferrite bead)，使得可以抑制耦合噪声。
在根据本发明实施例的固态成像器件和固态成像装置中，可以在图像上不存在串扰噪声影响的情况下实现高帧速率。可以实现更多的像素，而不降低帧速率。
附图说明
图1A和1B是图示了采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件的示意图。
图2是图1A中的字符B所指示的区域的放大图。
图3A和3B是图示背栅效应的曲线图。
图4是图示采用本发明的实施方式的CCD型固态成像装置的示意图。
图5A和5B是图示已知的CCD型固态成像器件的示意图。
图6是图示串扰噪声的产生的图。
图7是图示串扰噪声的产生的图。
图8是图示串扰噪声的产生的图。
图9是图示串扰噪声的产生的图。
图10A到10C是图示串扰噪声的产生的图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，将参考附图描述本发明的实施例。
图1A是示出作为采用本发明实施方式的固态成像器件一种示例的CCD型固态成像器件的示意性截面图，图1B是沿图1A中所示的线A-A’所截取的示意性截面图。该CCD型固态成像器件1主要由图像区2、水平转移部分3和输出部件4构成。图像区由以矩阵形状布置的光接收部分(未示出)和布置在相应光接收部分的每个纵列中的垂直转移寄存器(未示出)构成，所述垂直转移寄存器用于转移来自相应光接收部分的电荷。第一遮光膜5a被形成在图像区域上面，且第二遮光膜5b被形成在水平转移部分上面。焊盘6被形成以从输出部件向外部输出电信号。该焊盘和输出部件用电线连接。
CCD型固态成像器件被形成在具有P阱区域的n型半导体基片(N-sub)上。地电势被施加给P阱区域作为基准电势。从图像区P阱区域地线(VGND)施加地电势到图像区P阱区域。从图像区遮光膜地线(WGND)施加地电势到图像区遮光膜。从水平转移部分地线(HGND)施加地电势到水平转移部分P阱区域和水平转移部分的遮光膜。从输出部件地线(AGND)施加地电势到输出部件P阱区域和与焊盘和电线相对应的P阱区域。
输出部件P阱区域(图1B中的字符Y所指示的区域)的掺杂位置被设置为比图像区P阱区域的掺杂位置和水平转移部分P阱区域的掺杂位置更深。
之所以输出部件P阱区域的掺杂位置被设置为比图像区P阱区域的掺杂位置和水平转移部分P阱区域的掺杂位置更深，是为了抑制由于n型半导体基片的电势变化所引起的背栅效应。如果由于n型半导体基片的电势变化所引起的背栅效应得以抑制，则不必要求输出部件P阱区域的掺杂位置被设置为比图像区P阱区域的掺杂位置和水平转移部分P阱区域的掺杂位置更深。例如，可以通过将输出部件P阱区域的掺杂量设置为比图像区P阱区域的掺杂量和水平转移部分P阱区域的掺杂量更大，来抑制由于n型半导体基片的电势变化所引起的背栅效应。
在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，地电势从VGND施加到图像区P阱区域，并且从WGND施加到图像区遮光膜。因此可以抑制[1]中所述的串扰噪声。
就是说，在已知的CCD型固态成像器件中，地电势是从单个地电势(GND)施加到图像区遮光膜和图像区P阱区域的。相比之下，在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，图像区遮光膜焊盘和图像区P阱区域焊盘是相互独立地形成的。从VGND向图像区P阱区域施加电势，而从WGND向图像区遮光膜施加地电势。因此，可以抑制串扰噪声从图像区遮光膜传播到图像区P阱区域的现象，使得可以抑制[1]中所述的串扰噪声。
此外，在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，从VGND向图像区P阱区域施加电势，从HGND向水平转移部分P阱区域施加地电势，并且从AGND向输出部件P阱区域施加地电势。这些区域的分隔可得以加强，使得可以抑制串扰噪声从图像区P阱区域和水平转移部分P阱区域向输出部件P阱区域传播的现象。因此，可以抑制[2]中所述的串扰噪声。
在图1A中的字符B所指示的区域中，输出部件P阱区域位于图像区P阱区域附近。如图2所示，输出部件P阱区域通过水平转移部分P阱区域而与图像区P阱区域分隔开。因此，可以抑制串扰噪声直接从图像区P阱区域传播到输出部件P阱区域的现象。还可以通过在输出部件P阱区域和图像区P阱区域之间形成与被施加了地电势的n型半导体基片的接触，来抑制串扰噪声直接从图像区P阱区域传播到输出部件P阱区域的现象。
此外，在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，输出部件P阱区域的掺杂位置被设置为比图像区P阱区域的掺杂位置和水平转移部分P阱区域的掺杂位置更深。因此，来自n型半导体基片的背栅效应得以抑制，并且可以抑制[3]中所述的串扰噪声。
就是说，因为在FD区域中的MOS晶体管的n沟道之下并且在输出电路的第一级源极跟随器的驱动侧的P阱区域的耗尽，使得已知的CCD型固态成像器件容易受到来自n型半导体基片的背栅效应的影响(参考图3A)。通过将输出部件P阱区域的掺杂位置设置为比图像区P阱区域的掺杂位置和水平转移部分P阱区域的掺杂位置更深，可以抑制来自n型半导体基片的背栅效应(参考图3B)。因此可抑制[3]中所述的串扰噪声。
如图4中所示，通过为用于向基片偏置电路施加基片时钟(φSUB)的布线增加接地电容7，从垂直转移时钟到基片时钟的耦合得以抑制，使得可以抑制由于n型半导体基片中的传播所引起的串扰噪声。
此外，在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，从AGND向与形成焊盘和电线的区域相对应的P阱区域施加地电势。因此，可以抑制[4]中所述的串扰噪声。
就是说，在已知的CCD型固态成像器件中，P阱区域未被形成在形成焊盘和电线的区域中。然而，在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，P阱区域被形成在形成焊盘和电线的区域中，并且地电势从AGND施加到P阱区域。因此，可以切断串扰噪声从n型半导体基片到焊盘和电线的传播通路，[4]中所述的串扰噪声可得以抑制。
在已知的CCD型固态成像器件中，N阱区域被形成在与用于提供水平转移时钟的焊盘相对应的区域中(参考图5)。通过去除该N阱区域，可以切断串扰噪声从n型半导体基片到水平转移时钟和从水平转移时钟到输出信号的传播通路。
此外，在采用本发明的实施方式的CCD型固态成像器件中，接地电容8被添加到用于向垂直转移寄存器施加垂直转移时钟的布线中，使得P阱区域的电势波动可得以抑制，并且可以减少来自水平转移时钟的高频噪声。通过为用于向水平转移部分施加水平转移时钟的布线添加具有吸收高频噪声并将这些噪声以热量形式辐射出去的功能的铁氧体磁珠9，可以减少耦合噪声。通过减少高频噪声和耦合噪声，可抑制[5]中所述的串扰噪声。
本领域技术人员应当理解，根据设计需求和其它因素可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要这些修改、组合、子组合和变更落在所附权利要求书及其等同物的范围内即可。
本申请要求2007年1月30日向日本专利局提交的日本专利申请No.2007-19356的优先权，该在先申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (2)

1.一种固态成像器件，包括：
成像部分，该成像部分包括以具有行和列的矩阵的形式布置的多个光接收部分和布置在所述光接收部分的每个纵列中的垂直转移寄存器，所述垂直转移寄存器用于沿垂直方向转移从所述光接收部分转移来的电荷；
水平转移部分，用于沿水平方向转移从所述垂直转移寄存器转移来的电荷；
输出部件，用于输出从电荷转换而成的电信号，所述电荷是从所述水平转移部分转移而来的；
其中，所述成像部分、所述水平转移部分和所述输出部件被形成在具有第二导电类型半导体区域的第一导电类型半导体基片中，并且地电势作为预定的基准电势被施加到所述第二导电类型半导体区域；
第一基准电势施加部分，该部分被配置用于向与形成所述输出部件的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加地电势；以及
第二基准电势施加部分，该部分被配置用于向与形成所述成像部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加地电势，
其中，所述第一导电类型是n型，所述第二导电类型是P型。
2.一种固态成像装置，包括：
固态成像器件，该固态成像器件包括：
成像部分，该成像部分具有以具有行和列的矩阵的形式布置的多个光接收部分和布置在所述光接收部分的每个纵列中的垂直转移寄存器，所述垂直转移寄存器用于沿垂直方向转移从所述光接收部分转移来的电荷；水平转移部分，用于沿水平方向转移从所述垂直转移寄存器转移来的电荷；输出部件，用于输出从电荷转换而成的电信号，所述电荷是从所述水平转移部分转移而来的，其中，所述成像部分、所述水平转移部分和所述输出部件被形成在具有第二导电类型半导体区域的第一导电类型半导体基片中，并且地电势作为预定的基准电势被施加到所述第二导电类型半导体区域；
定时信号发生器电路，用于向所述固态成像器件施加用于驱动所述垂直转移寄存器的垂直转移时钟和用于驱动所述水平转移部分的水平转移时钟；
第一基准电势施加部分，该部分被配置用于向与形成所述输出部件的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加地电势；以及
第二基准电势施加部分，该部分被配置用于向与形成所述成像部分的区域相对应的第二导电类型半导体区域施加地电势，
其中，所述第一导电类型是n型，所述第二导电类型是P型。
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