CN101924112A - 固态图像捕获成像装置、其制造方法、其驱动方法和电子设备 - Google Patents

固态图像捕获成像装置、其制造方法、其驱动方法和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固态图像捕获成像装置、其制造方法、其驱动方法和电子设备。该固态成像装置，包括：衬底；衬底电压供应装置，在光接收阶段，将第一电势施加到所述衬底，在非光接收阶段，将第二电势施加到所述衬底；以及多个像素，包括：光接收部分，响应于接收的光产生信号电荷；存储电容器，存储和保持所述信号电荷；暗电流抑制部分；电子快门调节层，调节所述衬底中的电势分布，使得信号电荷被清扫到所述衬底的背面侧；读出栅极部分，读出所述存储电容器中所存储的所述信号电荷；和垂直转移寄存器，沿垂直方向转移所述读出栅极部分所读出的所述信号电荷。

Description

固态图像捕获成像装置、其制造方法、其驱动方法和电子设备
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置，更具体地涉及电荷耦合装置(CCD)型固态成像装置(下面称为CCD成像装置)、固态成像装置的制造方法以及固态成像装置的驱动方法。另外，本发明涉及使用固态成像装置的电子设备。
背景技术
用于小型移动设备(诸如移动电话)的数码相机模组的固态成像装置优选地具有在没有机械快门的情况下适于数码相机模组的构造。
在逐行扫描CCD成像装置中，存储在所有像素的光接收部分中的信号电荷被转移到遮光的垂直CCD中，以使得一个读出操作读出一帧(日本未审查专利申请公开No.07-336604)。另一方面，在隔行扫描CCD成像装置中，存储在没有像素的光接收部分中的信号电荷使用垂直CCD以间隔方式读出(日本未审查专利申请公开No.02-243073)。在此情况下，在读取时间中由每个像素的光接收部分的光电转换所连续生成的信号电荷必然被添加到相关信号电荷。
为此，为了在没有机械快门的情况下实现数码相机，需要使用逐行扫描CCD作为固态成像装置。
但是，因为逐行扫描CCD成像装置需要具有每个光接收部分的垂直CCD的1位转移阶段，垂直CCD中的转移电极的结构变得复杂并且垂直CCD中每次转移的信号电荷的量容易受到限制。相反，如果假设使用机械快门，隔行扫描CCD成像装置可以多次转移信号电荷，并且因此通常可以通常处理大量电荷。
另一方面，当CMOS型固态成像装置(下面称为CMOS成像装置)用于数码相机模组时，可以进行光接收部分中的线顺序的光接收以及通过 转移晶体管线顺序读取。为此，可以通过在结束光接收阶段后立即以线顺序读取光接收部分中的信号电荷来降低连续入射在光接收部分上的光的影响。
如上所述，因为在CMOS成像装置中以线顺序读取信号电荷，例如，屏幕中的上线和下线具有不同的光接收时间区(光接收的定时)。如果像素数量较大，必然耗费较长时间来读取所有屏幕。但是，当拍摄移动物体时，因为CMOS成像装置的像素的每条线具有在不同定时捕获的不同信息，所以获得模糊图像。
为了上述原因，目前安装在移动电话中的相机使用CMOS成像装置，但是通过安装机械快门防止光接收时间的差异。换而言之，当打开机械快门时，CMOS成像装置中的光接收部分在某段时间中进行信号电荷的生成和累积，在关闭机械快门后以线顺序从每个光接收部分读出信号电荷。
如上，逐行扫描CCD成像装置具有CCD中的电极变得复杂的问题，而CMOS成像具有这样问题，该装置必须使用机械快门以防止光接收时间区的差异。
发明内容
期望提供一种可以在没有主体外快门的情况下用于电子设备的CCD成像装置、固态成像装置的制造方法以及固态成像装置的驱动方法。另外，期望提供使用固态成像装置的电子设备。
根据本发明上述，一种固态成像装置，包括：衬底；衬底电压供应装置，在光接收阶段和非光接收阶段，将不同电势施加到所述衬底。此外，该衬底上形成有多个像素，包括：光接收部分；存储电容器；暗电流抑制部分；读出栅极部分以及垂直转移寄存器。
光接收部分形成在所述衬底的表面侧并响应于接收的光产生信号电荷。存储电容器形成于邻近所述光接收部分的区域，并在所述第一电势施加到所述衬底时转移所述光接收部分产生信号电荷并且存储和保持信号电荷。
暗电流抑制部分形成于所述光接收部分和所述存储电容器上。
电子快门调节层在所述衬底中形成于和所述光接收部分相对并与所述存储电容器偏离了预定的偏移区域的区域中。另外，所述电子快门调节层调节所述衬底中的电势分布，使得在所述第二电势施加到所述衬底时所述光接收部分中产生的信号电荷被清扫到所述衬底的背面侧。
读出栅极部分读出所述存储电容器中所存储的所述信号电荷，
垂直转移寄存器沿垂直方向转移所述读出栅极部分所读出的所述信号电荷。
根据本发明的另一实施例，一种固态成像装置的制造方法包括以下步骤：制备第一导电类型半导体衬底；在所述半导体衬底上形成第二导电类型半导体阱层；在所述半导体阱层的表面侧形成光接收部分，与所述光接收部分相邻的存储电容器，以及经由插入其间的读出栅极部分与所述存储电容器相邻的垂直转移沟道；在形成所述半导体阱层之前或之后，在所述半导体衬底和所述半导体阱层之间、与所述光接收部分相对并与所述存储电容器偏离了预定的偏移区域的区域中形成第一导电类型的电子快门调节层；在所述存储电容器和光接收部分上方的光入射侧形成暗电流抑制部分；以及将在光接收阶段和非光接收阶段施加不同电势的衬底电压供应装置连接到所述衬底。
根据本发明的又一实施例，一种固态成像装置驱动方法包括如下步骤：通过所述衬底电压供应装置将所述第一电势施加到所述衬底而开始将所述光接收部分中产生的信号电荷向所述存储电容器转移；以及通过所述衬底电压供应装置将所述第二电势施加到所述半导体衬底而终止将所述光接收部分中产生的信号电荷向所述存储电容器转移，将所述光接收部分中产生的所述信号电荷清扫到所述衬底侧，并读出所述存储电容器中存储的信号电荷。
在根据本发明上述实施例的固态成像装置驱动方法中，信号电荷不存储在光接收部分中，而是在任何时间转移到存储电容器或清扫到衬底侧。另外，通过改变衬底电压，光接收部分中所生成的信号电荷不间断地转移到存储电容器并清扫到衬底侧。
根据本发明实施例，一种电子设备包括光学透镜、固态成像装置和信 号处理电路。根据本发明上述实施例的固态成像装置应用到本发明实施例的这种电子设备中。
根据本发明的上述实施例，可以获得采用非逐行扫描方法并且可以在没有主体外快门(机械快门)的情况下应用到电子设备的固态成像装置。在此构造中，可以获得便宜、小型以及质轻的电子设备。
附图说明
图1是图示根据本发明第一实施例的固态成像装置的构造示意图；
图2是图示根据本发明第一实施例的固态成像装置的构造示意剖视图；
图3是图示根据本发明第一实施例的固态成像装置的衬底电势图；
图4A-4C是图示根据本发明第一实施例的固态成像装置的制造过程图(第一部分)；
图5A-5B是图示根据本发明第一实施例的固态成像装置的制造过程图(第二部分)；
图6A和6B是图示根据本发明第一实施例在驱动固态成像装置期间信号电荷转移的外光图(第一部分)；
图7A和7B是图示根据本发明第一实施例在驱动固态成像装置期间信号电荷转移的外光图(第二部分)；
图8是图示根据本发明第二实施例的固态成像装置的示意性剖视图；以及
图9是图示根据本发明第三实施例的电子设备的构造示意图。
具体实施方式
下面，参考图1-9描述根据本发明实施例的固态成像装置、其制造方法、其驱动方法以及电子设备的示例。依照下面次序描述本发明的实施例。本发明不局限于下面给出的示例。
1.第一实施例：固态成像装置的示例
1.1固态成像装置的构造
1.2固态成像装置的剖面构造
1.3固态成像装置的制造方法
1.4固态成像装置的驱动方法
2.第二实施例：固态成像装置的示例
3.第三实施例：电子设备的示例
<1.第一实施例>
[1.1固态成像装置的构造]
图1是图示根据本发明第一实施例的CCD成像装置的示意图。如图1所示，本实施例的固态成像装置1包括形成在衬底6上的多个光接收部分2、邻近每个光接收部分2形成的存储电容器8、垂直转移寄存器3、水平转移寄存器4和输出电路5。单元像素7包括一个光接收部分2、一个存储电容器8以及邻近存储电容器8的垂直转移晶体管3。本实施例的固态成像装置1的转移方案是隔行转移(IT)方案，其中包括光接收部分2和垂直转移晶体管3的转移部分被分开，并且隔行扫描进行每条线依次读取。隔行扫描方案包括疏伐(thinning)读取或隔多行读出(诸如1∶3、1∶4或1∶5)。
光接收部分2包括光电变换器(即，光电二极管)并生成信号电荷。在本实施例中，多个光接收部分2沿水平和垂直方向以矩阵形式形成于衬底6上。
存储电容器8邻近每个光接收部分2形成并且存储每个光接收部分2所生成的信号电荷。
多个垂直转移寄存器3具有CCD结构，并且对于沿垂直方向布置的光接收部分2和存储电容器8中的每一个沿垂直方向形成。垂直转移晶体管3读出存储电容器8中存储的信号电荷，以沿垂直方向转移信号电荷。本实施例中形成的垂直转移晶体管3的转移阶段例如通过从转移驱动脉冲电路(未示出)中所施加的转移驱动脉冲使用4相驱动。另外，在垂直转移晶体管3的最后阶段，保持在最后阶段的信号电荷在施加转移驱动脉冲的情况下被转移到水平转移寄存器4。
水平转移寄存器4形成于使用CCD结构的垂直转移寄存器3的最后 阶段的一端。在其中形成水平转移寄存器4的转移阶段中，沿水平方向对一个水平线由垂直转移寄存器3所垂直转移的信号电荷。
输出电路5通过电荷-电压转换将由水平转移寄存器4所水平转移的信号电荷输出作为视频信号。
在上述构造的固态成像装置1中，存储在光接收部分2中的信号电荷被垂直转移寄存器3沿垂直方向转移，并然后被转移到水平转移寄存器4中。此外，转移到水平转移寄存器4中的每个信号电荷被沿水平方向转移并且通过输出电路5输出为视频信号。
[1.2固态成像装置的剖面构造]
图2是图示根据本实施例的固态成像装置1中一个像素的构造的示意剖视图。在本实施例中，本发明在这样的假设下进行解释，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型。
根据本实施例的固态成像装置1包括半导体衬底12、半导体阱层13和衬底电压供应装置(未示出)。半导体阱层13形成有构造像素7的光接收部分2、存储电容器8、读出栅极部分26、垂直转移寄存器3、电子快门调节层14、以及第一和第二暗电流抑制部分18和23。
半导体衬底12例如由硅制成的N型CZ衬底所构成。衬底电压供应装置在光接收部分2的光接收阶段和信号电荷从存储电容器8中读出到垂直转移寄存器3并且通过垂直转移寄存器3中转移信号电荷的阶段将不同衬底电压Vsub施加到半导体衬底12。衬底电压供应装置可以设置在装置外，或作为衬底电压生成电路而设置在固态成像装置1内。
半导体阱层13由形成于半导体衬底12上的p型外延层构成。在本实施例中，半导体阱层13中与面向所述半导体衬底12的表面相反的表面是光接收面。
光接收部分2由第一暗电流抑制部分18、N型轻掺杂区域(N-型)17和P型轻掺杂区域(P-型)16构成。N-区域17形成于半导体阱层13的光接收表面侧。P-区域16相对于N-区域17形成于和光接收表面的相反侧，以与N-区域17进行接触。换而言之，本实施例的光接收部分2由包括N- 区域17和P-区域16之间的结合面的光电二极管形成。在光接收部分2中，从光接收表面入射的光经过结合面的光电转换，并响应于光量而生成信号电荷。
存储电容器8由N型杂质区域(N区域)22和P型重掺杂区域(P+区域)21构成，并且邻近于形成在半导体阱层13上的光接收部分2形成。N区域22形成在半导体阱层13的光接收面侧，并且沿水平方向邻近于构成光接收部分2的N-区域17。P+区域21相对于N区域22形成于光接收面的相反侧，以与N区域22进行接触。换而言之，电势阱由N区域22和P+区域21之间的结合面生成，光接收部分2中生成的信号电荷存储在N区域22中。这里，存储电容器8的静电势被构造成比光接收部分2的静电势更深。
第一暗电流抑制部分18形成于半导体阱层13上形成的光接收部分2的光接收表面侧的最外侧表面上。第二暗电流抑制部分23形成于存储电容器8的光接收表面侧的最外侧表面上。第一和第二暗电流抑制部分18和23由P型重掺杂区域构成，并且从光接收部分2到存储电容器8的跨度一体形成。在第一和第二暗电流抑制部分18和23中，光接收面的界面处所生成的暗电流在存在P型重掺杂区域的多数载流子的孔的情况下降低。换而言之，在根据本实施例的光接收部分2和存储电容器8中，设置孔累积二极管构造(HAD：注册商标)(所谓嵌入光电二极管)。
电子快门调节层14形成于面对半导体衬底12中面对半导体阱层13的表面侧中的光接收部分2的区域中，并且具有N型重掺杂区域。此外，电子快门调节层14形成为沿水平方向从存储电容器8到光接收部分2侧偏离预定偏移区域24。确定偏移区域24使得半导体衬底12和半导体阱层13的电势分布如下所述优化。
读出栅极部分26由读出沟道27和读出电极28a构成。读出沟道27形成于邻近半导体阱层13的表面上的存储电容器8的区域，并且具有P型或N型轻掺杂区域。另外，读出电极28a间隔有栅极绝缘膜29形成于读出沟道27上方。
垂直转移寄存器3由垂直转移沟道25和垂直转移电极28a构成。垂直 转移沟道25形成于邻近读出沟道27的区域，并且具有N型掺杂区域。在垂直转移沟道25下方，形成具有P型杂质区域的转移部分半导体阱层33。
垂直转移电极28在间隔有栅极绝缘膜29的情况下形成在半导体阱层13上方的转移沟道25上方。尽管图中没有示出，但是沿水平方向形成多个垂直转移电极28，其用作邻近存储电容器8的部分中的读取电极28a。在垂直转移寄存器3中，由垂直转移沟道25中的读出栅极部分26所读出的信号电荷沿垂直方向例如通过施加4相垂直转移脉冲而被转移到沿水平方向形成的多个垂直转移电极28中。
在本实施例中，栅极绝缘膜29形成在半导体阱层13上。在围绕构成像素7的光接收部分2存储电容器8以及垂直转移寄存器3的区域中，沟道停止部分15形成有分开邻近像素的P型重掺杂区域。
遮光膜31被形成为间隔有中间绝缘膜30覆盖除了光接收部分2的开口区域之外包括电极(诸如垂直转移电极28)的半导体阱层13上方的表面。在此情况下，存储电容器8上方的遮光膜31的端部形成具有沿光接收部分2侧延伸预定区域的突出部分31。
接着，参考图3描述根据本实施例的固态成像装置1的电势分布。在下面说明中，半导体衬底12和半导体阱层13在不需要进行区别而描述该两个部件的情况下称为“衬底”。
图3是图示图2中沿线A-A′、B-B′和C-C′的衬底的电势分布图。线A-A′是包括衬底的光接收部分2和电子快门调节层14沿垂直方向的电势分布，B-B′是包括衬底的光接收部分2和偏移区域24沿垂直方向的电势分布。另外，线C-C′示出包括衬底的存储电容器8沿垂直方向的电势分布。
图3中所示的单点划线表示当衬底电压Vsub被设定为第一电压(下面称为低)时沿线A-A′的电压Val。图3中所示的双点划线表示当衬底电压Vsub被设定为比第一电压高的第二电压(下面称为高)时沿线A-A′的电压Vah。另外，图3中所示的虚线表示当衬底电压Vsub被设定为高时沿线B-B′的电压Vbh。图3中所示的实线表示沿线C-C′的电压Vc。
如图3所示，当衬底电压Vsub被设定为低时，沿线A-A′的电压Val 被构造使得构成光接收部分2的N-区域17中的电势比P-区域16或半导体阱层13中的电势更深。换而言之，在光接收部分2的N-区域17中形成具有浅电势的阱。N-区域17的杂质浓度被设定为具有比通常使用的HAD结构的光接收部分浅约1V的电势。
此外，当衬底电压Vsub被设定为低时，沿线B-B′的衬底电势变成与沿线A-A′的电势Val相同。
接着，当衬底电压Vsub被设定为高时，由于由N型重掺杂区域形成的电子快门调节层14的影响，沿线A-A′的电势Vah整体被下拉。此外，电势Vah变化以使得半导体衬底12侧更深。另外，因为电子快门调节层14由于偏移区域24而没有形成于线B-B′上，由于衬底电压Vsub较低，所以光接收部分2周围的电势保持为基本相同的值，在半导体衬底12具有侧稍微更深电势。
此外，沿线C-C′的电势Vc被构造使得由于构成存储电容器8的N区域22与具有相对深杂质浓度的P+区域21的结合面影响而具有比光接收部分2更深的电势阱。
[1.3固态成像装置的制造方法]
参考图4A-4C和5D-5E描述具有上述构造的固态成像装置的制造方法。图4A-4C中与图2中对应的部件被赋予相同标号，并且不再重复重叠描述。
如图4A所示，制备N型半导体衬底12，诸如CZ衬底，通过在半导体衬底12上方的位置通过进行深浓度的N型杂质离子注入而形成电子快门调节层14。
接着，如图4B所示，由P型外延生长层形成的半导体阱层13通过外延生长方法形成。
接着，如图4C所示，转移部分半导体阱层33通过进行P型杂质的离子注入而形成，以具有形成半导体阱层13的垂直转移晶体管3的预定深度区域。垂直转移沟道25通过在转移部分半导体阱层33上的预定区域进行N型杂质离子注入而形成。另外，沟道停止部分15通过在邻近垂直转 移沟道25的区域中进行P型杂质离子注入而形成。
接着，如图5D所示，由P-区域16和N-区域17构成的光接收部分2通过在半导体阱层13的表面上的预定位置处进行P型和N型杂质的离子注入而形成。另外，由P+区域21和N区域22构成的存储电容器8通过在半导体阱层13的表面上的预定位置处进行深浓度的P型杂质和N型杂质的离子注入而形成。此外，第一和第二暗电流抑制部分18和23通过在形成存储电容器8和光接收部分2的区域中的半导体阱层13的最外表面上进行重浓度的P型杂质的离子注入而形成。此外，形成存储电容器8的区域和形成垂直转移沟道25的区域之间的区域被假设为构成读出栅极部分26的读出沟道27。
接着，如图5E所示，栅电极绝缘膜29形成于半导体阱层13上方，而垂直转移电极28形成于栅极绝缘膜29上。多个垂直转移电极28沿水平方向形成于垂直转移沟道25的上方。此外，如图5E所示，邻近读出沟道27的垂直转移沟道25上方的垂直转移电极28被形成为延伸到读出沟道27的上方。因此，垂直转移电极28也用作读出电极28a。
在形成电极之后，遮光膜31间隔中间绝缘膜30形成于处理光接收部分2的区域中，由此形成如图2所示的固态成像装置1。遮光膜31可以用作布线层。
接着，布线层或一般固态成像装置的相同层(扁平膜)、颜色滤波器以及芯片级透镜形成在遮光膜31的上层上，由此完成根据本实施例的固态成像装置1。
在本实施例中，半导体阱层13由P型外延生长层构成，但是也可以由N型外延生长层构成。在此情况下，通过在N型外延生长层中进行P型杂质的离子注入而形成半导体阱层13，使得包括矩阵形状布置的多个像素7。此外，为功能实现的原因，需要构造与本实施例不同的构成光接收部分2的P-区域的分布。
电子快门调节层14可以在形成半导体阱层13之后通过进行高能量、高浓度的N型杂质的离子注入而形成。另外，在本实施例中，电子快门调节层14形成为嵌入半导体衬底12侧，但是可以形成为与半导体衬底12接 触。
在本实施例中，作为示例，第一和第二暗电流抑制部分18和23同时形成，但是也可以分别形成，并且可以在形成垂直转移电极28之后形成。
在本实施例中，作为示例，栅极绝缘膜29形成于整个半导体阱层13上，但是垂直转移沟道25和读取沟道27上方的栅极绝缘膜29可以与光接收部分2和存储电容器8上方形成的其他绝缘膜分别形成。
光接收部分2或存储电容器8可以在图5E所示的处理之后形成。
[1.4固态成像装置的驱动方法]
接着，描述根据本实施例的固态成像装置1的驱动方法。在描述根据本实施例的固态成像装置1的实际驱动之前，首先参考图3描述光接收部分2和存储电容器8中的生成和累积信号电荷的原理。
如图3所示，当衬底电压Vsub被设定为低时，沿线A-A′的电压Val在N-区域17的电势比P-区域16或半导体阱层13中的电势更深。当衬底电压Vsub被设定为低时，沿线B-B′的电势也被认为与沿线A-A′的电势Val相同。此外，由于构成存储电容器8的N区域22与P+区域21的结合面影响，沿线C-C′的电势Vc具有比光接收部分2更深的电势阱。
为此，当衬底电压Vsub被设定为低时，由光接收部分2所生成的信号电荷没有存储在光接收部分2中，而是不间断地转移到存储电容器8，并且存储和保持在存储电容器8中。
接着，当衬底电压Vsub被设定为高时，因为由N型重掺杂区域形成的电子快门调节层14，沿线A-A′的电势Vah倾向于整体更深。另外，因为电子快门调节层14没有形成于线B-B′上，光接收部分周围的电势没有改变到较低衬底电压Vsub，仅在半导体衬底12侧具有侧稍微更深电势。
为此，当衬底电压Vsub被设定为较高时，光接收部分2中所生成的信号电荷被形成为沿线A-A′的电势Vah比沿线B-B′的电势Vbh更深，由此信号电荷没有转移到存储电容器8。沿线A-A′的电势Vah朝向半导体衬底12侧变得较深，因为P型半导体阱层13的阻挡层可以通过电子快门调 节层14的影响被压下。结果，将所述光接收部分19所生成的信号电荷清扫到半导体衬底12侧。换而言之，当衬底电压Vsub被设定为高时，经过光接收部分2进行光电转换的信号电荷没有流入存储电容器8，而是被清扫到半导体衬底12侧。
此外，在该点处，在沿线B-B′的电势Vbh中，光接收部分2周围的电势由于偏移区域24的影响而保持为接近当衬底电压Vsub设定为低时的值。因此，存储电容器20中存储和保持的信号电荷没有朝向光接收部分19侧回流。另外，这样，即使衬底电压Vsub为高时，存储在存储电容器8中的信号电荷可以将信号电荷量保持在具有浅电势Vc的光接收部分2的位置周围。
基于上述生成和累积信号电荷的原理，参考图6A-6B和7C-7D，描述根据本实施例的固态成像装置的驱动方法。图6A-6B和7C-7D示意性示出光接收部分2、存储电容器8、读出栅极部分26和垂直转移寄存器3中一个像素的电势阱以及转移信号电荷的外观。图6A-6B和7C-7D中与图2中对应的部件被赋予相同标号，并且不再重复重叠描述。
首先，给出衬底电压Vsub为低情况的描述。在此构造下，在同一时刻开始所有像素的信号电荷的生成和累积。下文中，当进行操作的阶段称为“光接收阶段”。
如图6A所示，在光接收阶段，因为衬底电压Vsub为低，所以入射在光接收部分2并且经过光电转换的光L所生成的信号电荷32不间断地存储和保持在存储电容器8中。因此，在固态成像装置1的所有像素中，在同一时刻进行光接收部分2中的光电转换所生成的信号电荷32存储并保持在存储电容器8中。
此外，在光接收阶段，当较强并过量的光入射在光接收部分上时，过量光所生成的信号电荷32被清扫到半导体衬底12侧。
接着，如图6B所示，给出衬底电压Vsub为高情况的描述。在此构造下，在同一时刻终止所有像素的信号电荷32的累积，并且执行信号电荷的读出和转移。下文中，当进行此操作的阶段称为“转移阶段(非光接收阶段)”。
如图6B所示，在光转移阶段，因为衬底电压Vsub为高，所以入射在光接收部分2并且经过光电转换的光L所生成的信号电荷32被清扫到半导体衬底12侧并且不转移到存储电容器8。换而言之，高的衬底电压在同一时刻终止所有像素的光接收阶段。
接着，如图7C所示，通过将读出电压施加到也用作读出电极28的垂直转移电极28，在垂直转移沟道中读取存储并保持在存储电容器8中的信号电荷32。来自存储电容器8的信号电荷32的读出操作采用与一般CCD成像方法中从光接收部分读出信号电荷的操作相同的隔行扫描方法。例如，每两条线、每三条线或每四条线进行隔行扫描。保持一条线的像素的信号电荷等待读出直到在存储电容器中读出信号电荷。
此外，如图7D所示，例如，通过将4相转移脉冲施加到垂直转移电极28，沿垂直方向转移垂直转移沟道25中读出的信号电荷32。来自存储电容器8的信号电荷32的读出和转移采用与一般CCD成像装置中从光接收部分读出信号电荷的操作相同的隔行扫描方法。
例如，当使用1∶2隔行扫描方案时，2N+1(N＝0、1、2、3...)行的像素中的信号电荷被读出并转移。然后，在下一个扫描场中，2N(N＝0、1、2、3...)行的像素中的信号电荷被读出并转移。这样，在1∶2隔行扫描方案中，两次读出并转移所有像素中的信号电荷。
类似地，当使用1∶3隔行扫描方案时，在第一扫描场中，3N+1(N＝0、1、2、3...)行的像素中的信号电荷被读出并转移。接着，在下一个扫描场中，3N+2(N＝0、1、2、3...)行的像素中的信号电荷被读出并转移，然后在第三扫描场中，3N+3(N＝0、1、2、3...)行的像素中的信号电荷被读出并转移。转移，在1∶3隔行扫描方案中，三次读出并转移所有像素中的信号电荷。
这样，在将读出操作分成几次的情况下，每条线的信号电荷32可以增加在垂直转移期间可以使用的转移阶段的数目，并且由此可以增加在垂直转移寄存器3中处理的电荷量。
在本实施例中，光接收部分2连续生成信号电荷，即使在上述的转移阶段，但是衬底电压Vsub为高，由此在转移阶段所光电转换的信号电荷 在任何时间都被清扫到半导体衬底12侧。
此后，由垂直转移寄存器3沿垂直方向转移的信号电荷32被水平转移寄存器4沿水平方向转移并且通过输出电路5输出为视频信号。
这样，在根据本实施例的固态成像装置1中，在衬底电压Vsub变化时，在光接收阶段刚接收部分2中所生成的信号电荷32被不间断地转移到存储电容器8，在转移阶段光接收部分2中所生成的信号电荷被清扫到衬底侧。换而言之，由于电子快门调节层14和偏移区域24的影响，仅通过衬底电压Vsub的变化，可以获得电子快门功能。因此，采用逐行扫描(本实施例中的隔行扫描方法)的CCD成像装置可以获得，并且可以在没有装置外快门(诸如，机械快门)的情况下应用到电子设备。
此外，如图6A所示，因为光接收部分2中所生成的信号电荷32不间断地转移到存储电容器8，所以不需要光接收部分2和存储电容器8之间的任何转移电极，由此结构变得简单。为此，可以增大光接收部分2的开口或存储电容器8的面积，并且可以增大灵敏度或动态范围。此外，因为光接收部分2和存储电容器8之间没有转移电极并且由硅形成的衬底界面在信号电荷转移期间没有耗尽，所以可以抑制暗电流的增大。
此外，因为光接收部分2具有光谱灵敏特性，所以不需要延伸耗尽层，并且可以容易地将深静电势的位置设定到距离衬底表面较深的位置。但是，因为存储电容器8专用于累积和存储信号电荷，可以将最浅静电势设定到距离衬底表面较浅的位置，由此可以容易地降低读出电压。
此外，在现有技术的固态成像装置中，在光接收部分中进行信号电荷的生成和累积。但是，根据本实施例的固态成像装置1，因为在光接收部分2中没有进行信号电荷的累积，所以可以将光接收部分2的静电势形成为比过去进行累积的光接收部分的静电势浅几个瓦特。因此，可以降低在光接收部分2的电场。因此，可以降低由于电场所产生的暗电流。
此外，在根据本实施例的固态成像装置1中，具有HAD结构的第一和第二暗电流抑制部分18和23形成在光接收部分2和存储电容器8中，并且表面布有孔。为此，可以抑制由构成衬底的硅或构成栅极绝缘膜29的氧化物膜所生成的暗电流。
此外，根据本实施例，存储电容器8由遮光膜31遮光。因此，如图6A-6B和7C-7D所示，在光接收阶段，甚至在光接收的前后，防止光L进入存储电容器8并进行光电转换。
此外，根据本实施例，遮光膜31被形成为具有从存储电容器8到光接收部分2的突出部分31a。为此，即使在衬底电压Vsub变高并且光接收阶段结束后，入射光L中入射在存储电容器8周围的光被抑制进入存储电容器8作为一种拖影(smear)。
此外，根据本实施例，如图2所示，通过在构成存储电容器8的N型区域下方具有相对重浓度的P+区域21，可以增大形成于N区域22和P+区域21之间的结合面中的耗尽层的容量。因此，可以抑制在存储电容器8中加入拖影。
<2.第二实施例>
图8是图示根据本发明第二实施例的固态成像装置的结构示意剖视图。图8中与图2中对应的部件被赋予相同标号，并且不再重复重叠描述。
根据本实施例的固态成像装置41是第一实施例中固态成像装置的第二暗电流抑制部分的部分修改结构的示例。
在本实施例中，存储电容器8中的第二暗电流抑制器44由暗电流抑制电极42和直流电压源43构成。暗电流抑制电极42在间隔有栅极绝缘膜29的情况下形成在半导体阱层13的存储电容器8上方。
在固态成像装置41中，沿图8中线A-A′、B-B′和C-C′的电势与根据第一实施例的图3中具有相同分布。
此外，固态成像装置41中的第二暗电流抑制电极44可以在没有根据第一实施例的制造方法中如图5E所示形成第二暗点抑制器23的情况下通过如图8中所示的处理形成暗电流抑制电极42而形成。
在根据本实施例的固态成像装置41中，将负偏振电压施加到暗电流抑制电极42，由此构成存储电容器8的N区域22可以反置并布有孔。因此，在存在孔的情况下可以降低存储电容器8的界面处所生成的暗电流， 由此可以抑制存储电容器8中的暗电流。
根据本实施例的固态成像装置41可以由与第一实施例的固态成像装置1相同的驱动方法驱动。在本实施例中，可以在没有装置外快门(诸如，机械快门)的情况下应用到采用非逐行扫描方法(本实施例中的隔行扫描方法)电子设备的CCD成像装置可以获得。另外，可以获得与第一实施例相同的效果。此外，暗电流抑制电极42和遮光膜31可以在像素部分彼此电连接并且然后连接到直流电压供应装置43。
在上述的第一和第二实施例中，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型的情况，但是，第一导电类型可以是P型，第二导电类型可以是N型。在此情况下，与上述示例不同的是，施加到固态成像装置的预定脉冲是具有相反极性。
本发明不限于固态成像装置，也可以应用到任何成像装置。这里，成像装置是指任何具有捕获功能的电子设备，诸如包括数码相机、摄像机等的照相系统或移动电话。此外，具有安装在电子设备中的模组(即，照相模组)的装置可以认为是这种成像装置。
下面，描述使用根据本发明实施例的固态成像装置的电子设备。
<3.第三实施例>
图9是图示根据本发明第三实施例的电子设备200的示例构造的实施例。
本实施例的电子设备200代表其中根据本发明上述第一实施例的固态成像装置1使用在相机中的实施例。
在图9中，图示根据本实施例的电子设备200的示意性剖面构造。根据本实施例的电子设备200是捕获静止图像的数码相机。
根据本实施例的电子设备200包括固态成像装置1、光学透镜210、驱动电路212以及信号处理电路213。
光学透镜210使得来自物体的图像光(入射光)在固态成像装置1的成像区域形成图像。因此，在一定时间阶段，信号电荷存储在固态成像装置1中。
驱动电路212提供固态成像装置1的转移操作信号。驱动电路212所提供的驱动信号(定时信号)进行固态成像装置1的信号转移。信号处理电路213执行各种信号处理。经过信号处理的图像信号存储在存储介质中(诸如，存储器)或输出到监视器。
在根据本实施例的电子装置200中，因为固态成像装置具有电子快门功能，所以处理固态成像装置之外不需要提供光学快门(诸如，机械快门)。为此，可以低成本制造电子设备，并且可以实现小型、质轻的电子设备。此外，用于本实施例的电子设备中的固态成像装置获得暗电流的抑制以及灵敏度的提高，由此获得图像质量的提高。
可以应用有固态成像装置1的电子设备不限于数码相机，也可以应用有任何成像装置，诸如用于移动设备(诸如移动电话)的照相模组。
在本实施例中，固态成像装置1应用于电子设备，但是可以使用根据第二实施例的固态成像装置。
本申请包含2009年2月5日在日本专利局递交的日本在先专利申请JP2009-025346所公开的主题有关的主题，该申请的全部内容通过引用方式结合于此。
本领域的技术人员应该理解到可以根据设计要求和其他因素进行各种修改、组合、子组合和替换，只要它们在权利要求的范围或者其等同范围内。

Claims (16)

1.一种固态成像装置，包括：
衬底；
衬底电压供应装置，在光接收阶段，将第一电势施加到所述衬底，在非光接收阶段，将第二电势施加到所述衬底；以及
多个像素，包括：光接收部分，形成在所述衬底的表面侧并响应于接收的光产生信号电荷；存储电容器，邻近于所述光接收部分形成，所述存储电容器存储和保持在所述第一电势施加到所述衬底时所述光接收部分产生并从其转移而来的所述信号电荷；暗电流抑制部分，形成于所述光接收部分和所述存储电容器上；电子快门调节层，在所述衬底中形成于和所述光接收部分相对并与所述存储电容器偏离了预定的偏移区域的区域中，所述快门调节层调节所述衬底中的电势分布，使得在所述第二电势施加到所述衬底时所述光接收部分中产生的信号电荷被清扫到所述衬底的背面侧；读出栅极部分，读出所述存储电容器中所存储的所述信号电荷；和垂直转移寄存器沿垂直方向转移所述读出栅极部分所读出的所述信号电荷。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中：
所述衬底包括第一导电类型半导体衬底和形成于所述半导体衬底上的第二导电类型半导体阱层；
所述光接收部分形成于所述半导体阱层上，并且具有位于第一导电类型杂质区域和其上的所述暗电流抑制部分之间以及位于所述第一导电类型杂质区域和第二导电类型杂质区域之间的结合面。
所述存储电容器包括位于所述第一导电类型杂质区域和第二导电类型杂质区域之间的结合面；并且
所述电子快门调节层由位于所述半导体衬底和所述半导体阱层之间的所述第一导电类型杂质区域形成。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，所述存储电容器的静电势被形成为比所述光接收部分的静电势更深。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，在所述光接收部分与所述存储电容器之间位于所述偏移区域上方的区域的所述静电势在光接收阶段和非光接收阶段两者中基本保持为相同的值。
5.根据权利要求4所述的固态成像装置，包括光入射侧位于所述存储电容器上方的遮光膜，所述遮光膜的端部具有延伸到所述光接收部分侧的突出部分。
6.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述光接收部分与所述存储电容器的所述暗电流抑制部分包括形成于所述光接收部分和所述存储电容器的光入射侧的表面上的第二导电类型杂质区域。
7.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中：
所述光接收部分的所述暗电流抑制部分包括形成于所述光接收部分的光入射侧的表面上的所述第二导电类型杂质区域；并且
所述存储电容器的所述暗电流抑制部分包括形成于所述存储电容器上方的光入射侧的暗电流抑制电极以及将DC电压施加到所述暗电流抑制电极的DC电压供应装置。
8.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，所述暗电流抑制电极电连接到所述遮光膜。
9.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述遮光膜也形成于所述垂直转移寄存器上方。
10.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中，所述遮光膜被形成为覆盖所述光接收部分中除了开口区域之外的区域。
11.一种固态成像装置的制造方法，包括以下步骤：
制备第一导电类型半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成第二导电类型半导体阱层；
在所述半导体阱层的表面侧形成光接收部分，与所述光接收部分相邻的存储电容器，以及经由插入其间的读出栅极部分与所述存储电容器相邻的垂直转移沟道；
在形成所述半导体阱层之前或之后，在所述半导体衬底和所述半导体阱层之间、与所述光接收部分相对并与所述存储电容器偏离了预定的偏移区域的区域中形成第一导电类型的电子快门调节层；
在所述存储电容器和光接收部分上方的光入射侧形成暗电流抑制部分；以及
将在光接收阶段和非光接收阶段施加不同电势的衬底电压供应装置连接到所述衬底。
12.根据权利要求11所述的固态成像装置的制造方法，其中，所述半导体阱层包括形成于所述半导体衬底上的第二导电类型外延生长层。
13.根据权利要求12所述的固态成像装置的制造方法，其中，所述半导体阱层通过在所述半导体衬底上形成第一导电类型外延生长层之后在所述第一导电类型外延生长层的预定区域离子注入第二导电类型杂质形成。
14.一种固态成像装置驱动方法，所述固态成像装置包括：
衬底；
衬底电压供应装置，在光接收阶段，将第一电势施加到所述衬底，在非光接收阶段，将第二电势施加到所述衬底；以及
多个像素，包括：光接收部分，形成在所述衬底表面上并响应于接收的光产生信号电荷；存储电容器，邻近于所述光接收部分形成，所述存储电容器存储和保持在所述第一电势施加到所述衬底时所述光接收部分产生并从其转移而来的所述信号电荷；暗电流抑制部分，形成于所述光接收部分和所述存储电容器上；电子快门调节层，在所述衬底中形成于和所述光接收部分相对并与所述存储电容器偏离了预定偏移区域的区域中，所述快门调节层调节所述衬底中的电势分布，使得在所述第二电势施加到所述衬底时所述光接收部分中产生的信号电荷被清扫到所述衬底的背面；读出栅极部分，读出所述存储电容器中所存储的所述信号电荷；所述垂直转移寄存器沿垂直方向转移所述读出栅极部分所读出的所述信号电荷；所述驱动方法包括如下步骤：
通过所述衬底电压供应装置将所述第一电势施加到所述衬底而开始将所述光接收部分中产生的信号电荷向所述存储电容器转移；以及
通过所述衬底电压供应装置将所述第二电势施加到所述衬底而终止将所述光接收部分中产生的信号电荷向所述存储电容器转移，将所述光接收部分中产生的所述信号电荷清扫到所述衬底侧，并读出所述存储电容器中存储的信号电荷。
15.根据权利要求14所述的固态成像装置驱动方法，其中：
在形成于所述衬底上的所有像素的光接收部分中，在同一时刻发生所述光接收阶段的开始和终止；并且
在非光接收阶段中依次对每个像素进行从所述存储电容器中信号电荷的读出。
16.一种电子设备，包括：
光学透镜；以及
由所述光学透镜聚集的光入射到其上的固态成像装置，包括：衬底；衬底电压供应装置，在光接收阶段，将第一电势施加到所述衬底，在非光接收阶段，将第二电势施加到所述衬底；光接收部分，形成在所述衬底表面侧并响应于所接收的光产生信号电荷；存储电容器，邻近于所述光接收部分形成，所述存储电容器存储和保持在所述第一电势施加到所述衬底时所述光接收部分产生并从其转移而来的所述信号电荷；暗电流抑制部分，形成于所述光接收部分和所述存储电容器上；电子快门调节层，在所述衬底中形成于和所述光接收部分相对并与所述存储电容器偏离了预定的偏移区域的区域中，所述快门调节层调节所述衬底中的电势分布，使得在所述第二电势施加到所述衬底时所述光接收部分中产生的信号电荷被清扫到所述衬底的背面；读出栅极部分，读出所述存储电容器中所存储的所述信号电荷；所述垂直转移寄存器沿垂直方向转移所述读出栅极部分所读出的所述信号电荷；以及
信号处理电路，处理来自所述固态成像装置的输出信号。
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