CN102017150B - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个像素(100)的固态成像装置，各像素包含：用于保持来自光电转换部分(101)的信号载流子的第一保持部分(103)，用于放大和读取基于在光电转换部分中产生的信号载流子的信号的放大部分(109)，以及用于将光电转换部分中的电荷载流子排出到OFD区域的载流子排出控制部分(111)；并在光电转换部分和第一保持部分之间具有载流子路径，其中，当从光电转换部分的输出节点观察时，固态成像装置还包括通过第一传送单元(104)与第一保持部分并联电连接的第二保持部分(105)，由此在抑制产生混入电荷载流子保持部分中的噪声的同时使动画成像平滑化而不导致不连续的帧。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及固态成像装置，特别是涉及具有像素的固态成像装置，这些像素中的每一个具有能够进行电子快门操作的电荷载流子保持部分。
背景技术
常规上，作为具有像素(所述像素中的每一个具有能够电子快门操作的电荷载流子保持部分)的固态成像装置，已知在日本专利申请公开No.2006-262070和No.2006-246450中公开的配置。
日本专利申请公开No.2006-262070公开了具有通过MOS晶体管在向电源传送光电二极管的电荷载流子的第一模式和向电容器传送在光电二极管中产生的电荷载流子的第二模式之间执行切换的快门控制器的配置。
日本专利申请公开No.2006-246450公开了在光电转换时段的一部分上向电荷载流子蓄积区域传送在光电转换部分中产生的电荷的一部分的配置。
例如，在如日本专利申请公开No.2006-262070和No.2006-246450描述的那样在光电转换时段中向电荷载流子蓄积区域传送在光电转换时段中产生的信号载流子的配置的情况下，会出现以下的问题：将基于保持在电荷载流子蓄积区域中的电荷载流子的信号读出到共用输出线是线顺序的(line-sequential)。在这种情况下，需要在电荷载流子蓄积区域中保持电荷载流子，直到扫描单元选择像素并读出共用输出线上的信号。当在这种状态下将光射入光电转换部分中时，电荷会移动到电荷载流子蓄积区域中。当出现这种电荷载流子移动时，由于混入了在与基本光电转换时段不同的时段中产生的电荷载流子，因此出现噪声。由于电荷载流子混合量随在电荷载流子蓄积区域中保持的时间改变，因此，噪声作为图像阴影出现并且容易被视觉地识别。对于图像质量来说，噪声是不希望的。
发明内容
鉴于以上的问题，本发明的目的是，例如，在于光电转换时段中将电荷载流子传送到电荷载流子蓄积部分的配置中，抑制噪声混入电荷载流子蓄积区域中。
根据本发明，提供一种包括多个像素的固态成像装置，各像素包含：光电转换部分；用于保持来自光电转换部分的信号载流子的第一保持部分；用于放大并读取基于在光电转换部分中产生的信号载流子的信号的放大部分；和用于控制光电转换部分和溢出漏极区域之间的电连接的载流子排出(discharge)控制部分，其中，在埋入沟道结构中形成光电转换部分和第一保持部分之间的载流子路径，并且，通过第一保持部分和放大部分之间的第一传送部分布置第二保持部分。
从结合附图进行的以下描述，本发明的其它特征和优点将会清晰，在这些附图中，类似的附图标记始终表示相同或类似的部分。
被包含于说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与说明一起用于解释本发明的原理。
附图说明
图1是根据第一实施例的固态成像装置的等效电路图。
图2A和图2B分别是根据第一实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。
图3是根据第一实施例的固态成像装置的驱动脉冲模式。
图4是根据第二实施例的固态成像装置的等效电路图。
图5A、图5B和图5C分别是根据第二实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。
图6示出根据第二实施例的固态成像装置的驱动脉冲模式的例子。
图7示出根据第二实施例的固态成像装置的驱动脉冲模式的例子。
图8是根据第三实施例的固态成像装置的等效电路图。
图9A、图9B和图9C示出根据第三实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。
图10示出向图8、图9A、图9B和图9C中的控制电极和传送电极中的每一个供给的驱动脉冲。
图11示出向控制电极和传送电极中的每一个供给的驱动脉冲。
图12示出根据第四实施例的固态成像装置的等效电路图。
图13示出根据第四实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。
图14示出根据第四实施例的驱动脉冲。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
(第一实施例)
图1是根据本实施例的固态成像装置的等效电路图并且示出6个像素，但是，固态成像装置可被配置为具有更多个的像素。
光电转换部分101在这里作为例子示出光电二极管。输出节点O节点是光电转换部分的输出节点。电荷载流子传送部分102被配置为向后级(subsequentstage)的电路元件传送在光电转换部分101中产生的信号载流子。第一电荷载流子保持部分103被配置为保持在光电转换部分中产生的信号载流子。第一传送部分104被配置为向后级的电路元件传送在第一电荷载流子保持部分中保持的信号载流子。第二电荷载流子保持部分105被配置为保持通过第一传送部分从第一电荷载流子保持部分传送的信号载流子。第二传送部分106被配置为向后级的电路元件传送在第二电荷载流子保持部分中保持的信号载流子。
输入节点107是后面将描述的放大部分的输入节点，并被配置为保持将从第二电荷载流子保持部分通过第二传送部分传送的信号载流子。输入节点可使用例如向半导体基板分配的浮置扩散区域(FD区域)。复位部分108被配置为向放大部分的输入节点107供给基准电压。放大部分109放大基于向FD区域传送的信号载流子的信号并将放大的信号读取到外面。作为例子，这里是使用MOS晶体管的源极跟随器电路。放大部分可使用MOS晶体管的栅极和FD区域相互电连接的配置。
选择部分110被配置为选择各像素，并且对于各像素或对于各像素行将选择的像素读取到外面。电荷载流子排出控制部分111能够排出光电转换部分101的电荷，并且可使用例如MOS晶体管作为光电转换部分。在这种情况下，以使得具有与构成光电转换部分的一部分的信号载流子相同的极性的半导体区域被当作源极并且被供给电源电压的半导体区域(溢出漏极区域：OFD区域)被当作漏极的方式配置载流子排出控制部分。
传送部分、复位部分、选择部分和电荷载流子排出控制部分中的每一个可使用MOS晶体管。
本发明的特征在于光电转换部分和电荷载流子保持部分之间的电荷载流子路径的结构。电荷载流子传送部分被配置为在供给导致电荷传送部分处于非导通状态的电压的状态下从光电转换部分向第一电荷载流子保持部分传送电荷。
例如，作为具体配置，电荷载流子传送部分是MOS晶体管。MOS晶体管构成埋入沟道结构。该配置即使在非导通状态下也在比表面深的部分中包含能量势垒的位置较低的部分。在这种情况下，电荷载流子传送部分也可在没有任何主动控制的情况下使恒定电压保持处于供给状态。具体而言，可以在不需要具有用作传送部分的功能的情况下设置固定电势势垒。
这种配置允许当光入射到光电转换部分中时通过光电转换产生的信号载流子中的大多数被传送到第一电荷载流子保持部分而在光电转换部分中没有任何蓄积。因此，包含于所有像素中的光电转换部分允许统一电荷载流子蓄积时间。当MOS晶体管处于非导通状态时，空穴被存储于沟道表面中，并且，在距离表面预先确定的深度的部分中存在电荷载流子传送到的沟道，并因此可以在绝缘膜界面处抑制暗电流的不利影响。
从另一观点看，在光电转换部分和电荷载流子保持部分蓄积信号载流子的时段中，可以说，光电转换部分和电荷载流子保持部分之间的电荷载流子路径的电势比光电转换部分和OFD区域之间的电荷载流子路径的电势低。这里使用的电势是对于信号载流子的电势。
从驱动的观点看，在一个曝光时段中从光电转换部分向第一电荷载流子保持部分移动的电荷载流子被保持在第一电荷载流子保持部分中并被用作图像信号。具体而言，可以说，在通过光电转换部分开始一个曝光时段之后，信号在没有电荷载流子保持部分的任何复位操作的情况下被读出到像素外面。这里使用的一个曝光时段指的是当拍摄一帧图像时由各光电转换部分共同确定的一个曝光时段。
并且，以当通过传送部分从光电转换部分的输出节点观察时多个电荷载流子保持部分与相应的光电转换部分并联连接的方式配置根据本实施例的固态成像装置。特别是对于光电转换部分、电荷载流子保持部分和其间的电荷载流子路径处于上述状态的情况，这种配置是有效的。为了描述本实施例的配置的优点，作为比较例，将描述在关于光电转换部分仅有一个电荷载流子保持部分的配置中执行运动图像拍摄的情况。
在上述的光入射到光电转换部分的时段中，通过光电转换产生的预先确定的量的信号载流子从光电转换部分向电荷载流子保持部分移动。但是，电荷载流子保持部分可具有保持前一帧的信号载流子的状态。这是由于需要由电荷载流子保持部分在固定的时段保持信号载流子，直到执行选择操作以对于各像素行读出到外面。当由光电转换部分产生的信号载流子在这种状态下混入电荷载流子保持部分中时，混入的电荷是在非初始曝光时段的时段中产生的信号载流子(随后的帧的电荷)，这导致噪声。为了防止作为噪声的原因的电荷在电荷载流子保持部分正保持电荷的时段中混入电荷载流子保持部分中，电荷载流子排出控制部分需要将由光电转换部分产生的信号载流子排出到OFD区域。由此，可以抑制电荷混入电荷载流子保持部分中。但是，如果执行这种操作，那么将在正从电荷载流子排出控制部分排出电荷载流子的时段中产生漏失图像信息的状态。因此，在执行运动图像拍摄时趋于以不连续的帧拍摄运动图像。
另一方面，在本实施例的配置中，在光电转换部分中安装多个电荷载流子保持部分(第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分)允许连续的运动图像拍摄。具体而言，在光电转换部分和第一电荷载流子保持部分保持由光电转换部分产生的信号载流子的时段中，第二电荷载流子保持部分可保持电荷，直到像素行被依次选择。
图2A和图2B分别示出根据本实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。具有与图1类似的功能的部分具有相同的附图标记/符号，并且，详细描述将不被重复。在图2A的顶视图中，为了便于描述，各区域为矩形，这表示各配置不总是矩形，并且，在所述区域中设置至少各配置。其它的实施例同样是适用的。只示出一个像素，但是，设置了多个这样的像素来构成像素区域。
在本实施例中，在同一像素内，相对于光电转换部分101沿第一方向(图中的右手方向)设置第一电荷载流子保持部分103。相对于第一电荷载流子保持部分103沿与第一方向正交的第二方向(图中的向下方向)布置FD区域107。这种配置允许减小布局。
图2B示出沿图2A中的线2B-2B切取的截面图。
将关于半导体区域的导电类型使用电子作为信号载流子的情况进行以下的描述。在使用空穴时，将各半导体区域的导电类型取作相反导电类型就够了。其它的实施例同样是适用的。
可通过将p型杂质离子注入n型半导体基板中，形成p型半导体区域301。另外，可以使用p型半导体基板。
n型半导体区域(第一导电类型的第一半导体区域)302构成光电转换部分的一部分，并且与作为信号载流子的电子具有相同的极性，在这里，与p型半导体区域301(第二导电类型的第二半导体区域)构成PN结。
设置在n型半导体区域302的表面上以使用嵌入型光电二极管作为光电转换部分的p型半导体区域303抑制界面状态的不利影响和在光电转换部分的表面上产生的暗电流。光电转换部分至少包含p型半导体区域301和与p型半导体区域301构成PN结的n型半导体区域302。
电荷载流子路径304处于n型半导体区域302和后面描述的n型半导体区域305之间，在这里，具有低浓度的n型杂质被掺入以构成埋入沟道结构。
n型半导体区域(第一导电类型的第三半导体区域)305构成第一电荷载流子保持部分103的一部分，并被配置为蓄积对于固定的时段从光电转换部分101传送的电荷。
n型半导体区域(第一导电类型的第四半导体区域)306构成第二电荷载流子蓄积部分105的一部分，并被配置为蓄积对于固定的时段从第一电荷载流子保持部分103传送的电荷。
第一导电类型浮置扩散区域(FD区域)307用作电荷载流子-电压转换部分，并且通过插头等与放大MOS晶体管的栅极电连接。
溢出漏极区域308是第一导电类型OFD区域。
第一控制电极309通过绝缘膜被设置在第三半导体区域305上，并可控制第三半导体区域305上的绝缘膜的界面附近的区域的电势状态。通过在电荷载流子保持部分正保持电荷的时段中向第一控制电极309供给电压，可以抑制在n型半导体区域305的表面氧化物膜的界面附近产生的暗电流的不利影响。第一电荷载流子保持部分103包含n型半导体区域305和第一控制电极309。
第一控制电极309被设置为延伸到n型半导体区域304，并具有作为传送电极的功能，它们可被彼此分离地设置。
第二控制电极310通过绝缘膜被布置在第四半导体区域306上，并可控制第四半导体区域306上的绝缘膜的界面附近的区域的电势状态。通过在第二电荷载流子保持部分正保持电荷的时段中向第二控制电极310供给电压，可以抑制在n型半导体区域306的表面氧化物膜的界面附近产生的暗电流的不利影响。第二电荷载流子保持部分105包含n型半导体区域306和第二控制电极310。
第二控制电极310被设置为延伸到n型半导体区域305、306，并具有作为传送电极的功能，它们可被彼此分离地设置。
第三控制电极311被配置为控制n型半导体区域306和FD区域307之间的电荷载流子路径的电势状态。
电荷载流子排出控制电极312被配置为控制构成光电转换部分的n型半导体区域302和OFD区域308之间的电荷载流子路径的电势。
下面，将参照图3描述根据本实施例的驱动方法。图3示出向图1、图2A和图2B中的控制电极和传送电极中的每一个供给的驱动脉冲的时序的进展。附图标记/符号与图2A和图2B所示的相同。各控制线的后缀表示第(n)行、第(n+1)行和第(n+2)行。这里将仅描述三个行，但是，本发明通过重复驱动模式而适用于多于三个行的情况，并且是高度有效的。
首先，完成第一帧蓄积时段并且第二电荷载流子保持部分正保持第一帧信号载流子的状态被取作初始状态。
首先，以Ф311(n)、Ф311(n+1)和Ф311(n+2)的次序供给使各像素行的第二传送部分保持为电连接状态的脉冲，由此将第二电荷载流子保持部分保持的电荷载流子传送到放大部分的输入部分，并且，选择部分进入电连接以将信号读出到外面。这是第一帧读出操作。在第一帧读出操作中，光入射到光电转换部分中以进行光电转换，由此创建第二帧蓄积时段。在光电转换部分和第一电荷载流子保持部分中蓄积第二帧信号载流子。
然后，Ф309对于所有的像素行同时进入电连接，以完成第二帧蓄积时段。然后，Ф312对于所有的像素行同时进入电连接，由此创建用于将由光电转换部分产生的电荷载流子排出到OFD区域的排出时段。
然后，Ф310以集体的方式进入电连接，并且，由第一电荷载流子保持部分保持的第二帧的信号载流子被传送到第二电荷载流子保持部分。Ф311以行的次序进入电连接，并且，使得从第二电荷载流子保持部分向放大部分的输入节点进行电荷载流子传送。通过根据需要调整Ф309和Ф312，可以改变各帧的曝光时段。重复该操作允许运动图像拍摄。缩短用于使Ф309和Ф310进入电连接的间隔可进一步延长曝光时段。
如上所述，本实施例在信号载流子在曝光时段中移动并被蓄积于电荷载流子保持部分中的配置中通过电子快门操作提供拍摄而没有拍摄时间的任何中断。
(第二实施例)
本实施例与第一实施例的不同之处在于，在适于多个光电转换部分的电荷载流子保持部分之间，设置可使得电荷在其间移动的电荷载流子路径。具体而言，本实施例包括对于各个光电转换部分设置的至少一个电荷载流子保持部分，并且以至少一个电荷载流子保持部分被多个光电转换部分或像素共享的方式被配置。与第一实施例相比，这种配置进一步减小元件面积和像素节距(pitch)。
图4示出根据本实施例的固态成像装置的等效电路图。后缀“a”和“b”表示各配置与图5A～5C所示的光电转换部分中的哪一个对应。
另外，还设置光电转换部分701a、701b，第一传送部分702a、702b，第一电荷载流子保持部分703a、703b，以及第二传送部分704。当从光电传送部分702b观察时，第一电荷载流子保持部分703a、703b通过第二传送部分704被串联连接。并且，还设置第三传送部分706、放大部分707的输入节点、复位部分708、放大部分709和选择部分710。名称与第一实施例相同的部件具有类似的功能，并且，详细的描述将不被重复。
下面，图5A示出根据本实施例的固态成像装置的顶视图，图5B示出沿图5A中的线5B-5B切取的截面图。并且，图5C示出沿图5A中的线5C-5C切取的截面图。与图4中的配置类似的配置具有相同的附图标记/符号，并且详细的描述将不被重复。
第一传送部分702被设置在光电转换部分701和第一电荷载流子保持部分703之间的区域中。对于各光电转换部分设置第一电荷载流子保持部分703。第二传送部分704控制两个第一电荷载流子保持部分703a、703b之间的电荷载流子路径的电势。根据本实施例，第二传送部分704允许适于第一光电转换部分701a的第一电荷载流子保持部分703a在基于由第二光电转换部分701b产生的信号载流子的信号的读出中被用作第二电荷载流子保持部分。控制电极313构成第二传送部分。在本实施例中，与控制电极309a电气分开地设置构成第二传送部分704的控制电极313。第一电荷载流子保持部分703a和第二电荷载流子保持部分703b之间的电荷载流子路径的电势状态是可控制的。更具体而言，n型半导体区域305、306之间的半导体区域的电势状态被控制。
下面将参照图6描述本实施例的驱动方法。各供给脉冲是向图5A～5C中的各控制电极供给的脉冲。后缀“n”是像素行的编号，这里，通过沿水平方向设置包含彼此垂直地相邻的两个光电转换部分的多个单元而构成的单元被当作一个像素行。通过重复驱动模式，使用更多个行是适用的，这是高度有效的。
首先，作为初始状态，在第二电荷载流子保持部分703b中蓄积第一帧信号。在该状态下，通过对于各像素行使Ф311进入电连接，由第二电荷载流子保持部分保持的电荷载流子被传送到放大部分的输入部分。通过使选择部分进入电连接，信号被读出到外面。这是第一帧读出操作。将描述在第一帧读出时段中向电荷载流子排出控制电极供给的Ф312。Ф312a(即，适于第一光电转换部分的电荷载流子排出控制部分)处于非导通状态，而Ф312b(即，适于第二光电转换部分的电荷载流子排出控制部分)处于电连接状态。具体而言，由第一光电转换部分产生的信号载流子作为图像信号处于可用的状态，而由第二光电转换部分701b产生的信号载流子处于向OFD区域排出的状态。由第一光电转换部分701a产生的信号载流子被用作第二帧图像信号。然后，当在Ф311(n+2)处于非导通状态下在经过预先确定的时间之后完成第一帧信号读出时，Ф309a以集体的方式进入电连接，并且，第一光电转换部分701a的电荷载流子被传送到第一电荷载流子保持部分703a。随后，适于第一光电转换部分701a的电荷载流子排出控制部分312a进入电连接。由于所有的电荷载流子排出控制部分处于电连接状态，因此在该时段中产生的信号载流子被排出到OFD区域。通过在经过预先确定的时段之后使Ф313进入电连接，第一电荷载流子保持部分703a的电荷载流子被传送到第二电荷载流子保持部分703b。此时，Ф309b也同时进入电连接。随后，通过依次使Ф311进入电连接，电荷载流子被传送到放大部分的输入部分。通过使选择部分进入电连接，信号被读出到外面。这是第二帧读出操作。在Ф311依次进入电连接的时段中，Ф309和Ф312a依次进入电连接。该操作可确定第一光电转换部分701a和第一电荷载流子保持部分702a的蓄积时段。具体而言，根据各帧的蓄积时段，改变用于使Ф309和Ф312a进入电连接的定时就够了。这种操作的连续实现允许运动图像拍摄。
在图6所示的驱动操作中，通过使用由两个光电转换部分中的至少任一个产生的信号载流子进行拍摄。
图7示出使用图4和图5A～5C中的配置的其它驱动方法。在图6中，由第二光电转换部分产生的所有信号载流子通过电荷载流子排出控制部分被排出到OFD区域，但是，在图7中，由第二光电转换部分产生的信号载流子被用作用于图像的信号。在Ф312保持在非导通状态中的情况下，通过使用第一和第二光电转换部分与第一电荷载流子保持部分，电荷被蓄积。通过在经过预先确定的时段之后以集体的方式使Ф309进入电连接，进行从光电转换部分向第一电荷载流子保持部分的电荷传送，同时，Ф312进入电连接，并且，由光电转换部分产生的电荷被排出到OFD区域。通过依次使Ф311进入电连接，基于由第二光电转换部分产生的信号载流子的信号被读出。当在完成读出之后Ф313进入电连接时，Ф311依次重新进入电连接以读出基于由第一光电转换部分产生的信号载流子的信号。由于所有的光电转换部分的信号是可用的，因此，与图6相比，图7中的驱动方法提供质量更高的拍摄。因此，特别是在执行静态图像拍摄时，所述驱动方法是合适的。
如果被配置在固态成像装置中以具有第一驱动模式和第二驱动模式并且可根据需要在其间进行切换，那么图6和图7中的驱动方法提供同时适于运动图像和静态图像的拍摄。
本发明在例如抑制噪声混入设置在像素中的电荷载流子保持部分中的同时提供连续的运动图像拍摄。
(第三实施例)
图8是根据本实施例的固态成像装置的等效电路图，并且示出4个像素，但是，固态成像装置可被配置为具有更多个的像素。
光电转换部分801作为例子示出光电二极管。输出节点O节点是光电转换部分的输出节点。第一和第二电荷载流子传送部分802、803被配置为向后级处的电路元件传送在光电转换部分801中产生的信号载流子。电荷载流子排出控制部分804能够排出光电转换部分801的电荷，并且可使用例如MOS晶体管作为光电转换部分。在这种情况下，以使得构成光电转换部分的一部分的具有与信号载流子相同的极性的半导体区域被当作源极、并且被供给电源电压的半导体区域(溢出漏极区域：OFD区域)805被当作漏极的方式配置载流子排出控制部分。
第一和第二电荷载流子保持部分806、807被配置为保持在光电转换部分中产生的信号载流子。第一和第二电荷传送部分808、809被配置为将由第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分保持的电荷传送到后级处的电路元件。输入节点801是后面描述的放大部分的输入节点，并且被配置为保持要从第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分通过第一传送部分和第二传送部分传送的电荷。输入节点可使用例如向半导体基板分配的浮置扩散区域(FD区域)。复位部分811被配置为向放大部分的输入节点810供给基准电压。放大部分812放大基于向FD区域传送的信号载流子的信号，并将放大的信号读出到外面。作为例子，这里是使用MOS晶体管的源极跟随器电路。放大部分可使用MOS晶体管的栅极和FD区域相互电连接的配置。
选择部分813被配置为选择各像素，并且对于各像素或对于各像素行将选择的像素读取到外面。
传送部分、复位部分、选择部分和电荷载流子排出控制部分中的每一个可使用MOS晶体管。
本发明的特征在于光电转换部分与第一和第二电荷载流子保持部分之间的电荷载流子路径的结构。本实施例被配置为在供给导致第一和第二电荷传送部分处于非导通状态的电压的状态下从光电转换部分向第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分传送电荷。
例如，作为具体配置，电荷载流子传送部分是MOS晶体管。MOS晶体管构成埋入沟道结构。该配置即使在非导通状态中也包含能量势垒的位置较低的部分。在这种情况下，电荷载流子传送部分也可在没有任何主动控制(positivecontrol)的情况下使恒定电压保持处于供给状态。具体而言，可在不需要具有用作传送部分的功能的情况下设置固定电势势垒。
这种配置允许当光入射到光电转换部分中时通过光电转换产生的信号载流子中的大多数被传送到第一电荷载流子保持部分，而在光电转换部分中没有任何蓄积。因此，包含于所有像素中的光电转换部分允许统一电荷蓄积时间。当MOS晶体管处于非导通状态时，空穴蓄积于沟道表面中，并且，在距离表面预先确定的深度的部分中存在电荷电流传送到的沟道，并因此可以在绝缘膜界面处抑制暗电流的不利影响。
从另一观点看，在光电转换部分与第一和第二电荷载流子保持部分中的至少一个蓄积信号载流子的时段中，可以说，光电转换部分和电荷载流子保持部分之间的电荷载流子路径的电势比光电转换部分和OFD区域之间的电荷载流子路径的电势低。这里使用的电势是对于信号载流子的电势。
从驱动的观点看，在一个曝光时段中从光电转换部分移动到第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分中的至少任一个的电荷被保持并被用作图像信号。具体而言，可以说，在通过光电转换部分开始一个曝光时段之后，信号在没有电荷载流子保持部分的任何复位操作的情况下被读出到像素的外面。这里使用的一个曝光时段指的是当拍摄一帧图像时由各光电转换部分共同确定的一个曝光时段。
下面，将详细描述一个像素中的各配置之间的关系。在本实施例中，对于一个光电转换部分801设置多个电荷载流子保持部分，并且通过使用对于各帧不同的电荷载流子保持部分执行电荷保持，由此获得连续的运动图像拍摄。
以与上述的实施例相同的方式，特别是对于光电转换部分、电荷载流子保持部分和其间的电荷载流子路径处于上述的状态的情况下，这种配置是有效的。为了描述本实施例的配置的优点，作为比较例，将描述在关于光电转换部分仅有一个电荷载流子保持部分的配置中执行运动图像拍摄的情况。
在上述的光入射到光电转换部分的时段中，通过光电转换产生的预先确定的量的信号载流子从光电转换部分向电荷载流子保持部分移动。但是，电荷载流子保持部分可具有保持前一帧的信号载流子的状态。这是由于需要由电荷载流子保持部分在固定的时段保持信号载流子，直到执行选择操作以对于各像素行读出到外面。当由光电转换部分产生的电荷在这种状态下混入电荷载流子保持部分中时，混入的电荷是在非初始曝光时段的时段中产生的电荷(随后的帧的电荷)，这导致噪声。为了防止作为噪声的原因的电荷在电荷载流子保持部分正保持电荷载流子的时段中混入电荷载流子保持部分中，电荷载流子排出控制部分需要将由光电转换部分产生的信号载流子排出到OFD区域。由此，可以抑制电荷混入电荷载流子保持部分中。但是，如果执行这种操作，那么将在通过电荷载流子排出控制部分排出电荷载流子的时段中产生漏失图像信息的状态。因此，趋于以不连续的帧拍摄运动图像。
另一方面，在本实施例的配置中，在光电转换部分中安装多个电荷载流子保持部分(第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分)允许连续的运动图像拍摄。具体而言，在通过光电转换部分和第一电荷载流子保持部分保持由光电转换部分产生的电荷的时段中，第二电荷载流子保持部分可保持电荷，直到像素行被依次选择。
图9A、图9B和图9C示出根据本实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。具有与图8中的功能类似的功能的部分具有相同的附图标记/符号，并且，详细描述将不被重复。在图9A的顶视图中，为了便于描述，各区域为矩形，这表示各配置不总是矩形，并且，在所述区域中至少设置各配置。其它的实施例同样是适用的。只示出一个像素，但是，设置了多个这样的像素来构成像素区域。
第一电荷载流子保持部分806沿第一方向(图中的向下方向)被设置在光电转换部分801的附近，而第二电荷载流子保持部分807沿与第一方向正交的第二方向(图中的向右方向)被设置在光电转换部分的附近。这种配置可获得各元件的有效布置与像素节距的减小。
图9B是沿图9A中的线9B-9B切取的截面图，并且，图9C是沿图9A中的线9C-9C切取的截面图。
可通过将p型杂质离子注入n型半导体基板中形成p型半导体区域901。另外，可以使用p型半导体基板。
n型半导体区域(第一导电类型的第一半导体区域)902构成光电转换部分的一部分，并且与作为信号载流子的电子具有相同的极性，在这里，与p型半导体区域901(第二导电类型的第二半导体区域)构成PN结。
p型半导体区域903被设置在n型半导体区域902的表面上并被设置为使用嵌入型光电二极管作为光电转换部分，这抑制界面状态的不利影响和在光电转换部分的表面上产生的暗电流。光电转换部分至少包含p型半导体区域901和与p型半导体区域901构成PN结的n型半导体区域902。
电荷载流子路径904a、904b处于n型半导体区域902和后面描述的n型半导体区域905a、905b之间，在这里，具有低浓度的n型杂质被掺入以构成埋入沟道结构。
n型半导体区域(第一导电类型的第三和第四半导体区域)905a、905b构成第一和第二电荷载流子保持部分806、807的一部分，并被配置为对于固定的时段存储从光电转换部分101传送的电荷。
第一导电类型浮置扩散区域(FD区域)906用作电荷电压转换部分，并且通过插头(plug)与放大MOS晶体管的栅极电连接。
溢出漏极区域909是第一导电类型OFD区域。
第一控制电极907a通过绝缘膜被设置在n型半导体区域905a上，并可控制n型半导体区域905a的在绝缘膜界面附近的区域的电势状态。通过在第一电荷载流子保持部分正保持电荷的时段中向第一控制电极907a供给电压，可以抑制在与n型半导体区域905的表面氧化物膜的界面附近产生的暗电流的不利影响。第一电荷载流子保持部分806包含n型半导体区域905a和第一控制电极907a。
第一控制电极907a被设置为延伸到n型半导体区域904a，并具有作为传送电极的功能，它们可被彼此分离地设置。
第二控制电极907b通过绝缘膜被设置在n型半导体区域905b上，并可控制n型半导体区域905b上的绝缘膜的界面附近的区域的电势状态。通过在第二电荷载流子保持部分807正保持电荷的时段中向第二控制电极907b供给电压，可以抑制在与n型半导体区域905b的表面氧化物膜的界面附近产生的暗电流的不利影响。第二电荷载流子保持部分807包含n型半导体区域905b和第二控制电极907b。
第二控制电极907b被设置为延伸到n型半导体区域904b，并具有作为传送电极的功能，它们可被彼此分离地设置。
第三和第四控制电极908a、908b被配置为控制n型半导体区域905a、905b和FD区域906之间的电荷载流子路径的电势状态。
电荷载流子排出控制部分910被配置为控制构成光电转换部分的n型半导体区域902和OFD区域909之间的电荷载流子路径的电势。
下面，将参照图10描述根据本实施例的驱动方法。图10示出向图8、图9A～9C中的控制电极和传送电极中的每一个供给的驱动脉冲的时序的进展。附图标记/符号与图9A～9C中的那些相同。各控制线的后缀表示第(n)行、第(n+1)行和第(n+2)行。这里将仅描述三个行，但是，本发明通过重复驱动模式而适用于多于三个行的情况，并且是高度有效的。本实施例被配置为将三个值的脉冲赋予Ф802。以脉冲高度的次序使用第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲。
首先，初始状态是完成第一帧蓄积时段并且正通过第二电荷载流子保持部分保持电荷的状态。
在这些状态下，向所有行中的Ф802供给第一脉冲，并且向Ф808和Ф804供给导通脉冲。该操作将光电转换部分和第一电荷载流子保持部分的电荷排出到OFD区域。通过使复位部分(未示出)进入电连接，FD区域810和第一电荷载流子保持部分的电荷可被排出到复位电源。此时，向Ф803供给第三脉冲，并且，第二电荷传送部分803处于非导通状态。随后，向Ф802供给第二脉冲，并且，向Ф808供给进入非导通的脉冲。该操作开始光电转换部分和第一电荷载流子保持部分中的第2帧信号载流子的蓄积。通过向Ф802供给第二脉冲，在离表面预先确定的距离处埋入基板内的区域(埋入沟道)中存在第一电荷传送部分中的电荷载流子路径。
然后，以行的次序向Ф809供给导通脉冲。由此，由第二电荷载流子保持部分保持的信号载流子被传送到放大部分的输入部分以使选择部分进入电连接，由此将信号读出到外面。这是第一帧读出操作。如上所述，在第1帧读出操作中，光入射到光电转换部分中以进行光电转换，这到达第2帧蓄积时段。
在经过第2帧蓄积时段之后，在所有的行中向Ф802供给第一脉冲，并且，留在光电转换部分中的第2帧信号载流子以集体的方式被传送到第一电荷载流子保持部分。该操作完成第2帧蓄积时段。然后，导通脉冲被供给到Ф804。Ф804保持处于电连接，直到第3帧蓄积开始时段。Ф804的电连接时段可根据各帧的蓄积时段(曝光时段)而改变。
然后，导通脉冲以行次序被供给到Ф808。该操作将由第一电荷载流子保持部分保持的信号载流子传送到放大部分的输入部分，并且通过使选择部分进入电连接而读出信号。这是第2帧读出操作。在第2帧读出操作时段中，光入射到光电转换部分中以进行光电转换，由此进行第3帧蓄积时段。在向Ф804供给导通脉冲的情况下，在分别向Ф803供给第一脉冲并向Ф809供给导通脉冲之后，通过向Ф804供给非导通脉冲、向Ф803供给第二脉冲、以及向Ф809供给非导通脉冲，开始第3帧蓄积。通过向Ф803供给第二脉冲，在离表面预先确定的距离处埋入基板内的区域(埋入沟道)中存在第二电荷传送部分中的电荷载流子路径。
重复该操作允许运动图像拍摄。如上所述，可从Ф104和Ф804的导通时段根据需要设定各帧的蓄积时段。
下面将参照图11，描述适于静态图像拍摄的驱动方法。图4示出通过将由第一电荷载流子保持部分保持的电荷和第二电荷载流子保持部分保持的电荷相加以用作图像信号的例子。在图10中，向Ф802、Ф803供给三值(ternary)脉冲，但是，可以在本例子中使用二值(binary)脉冲。对于描述，以脉冲高度的降序取第一脉冲和第二脉冲。
首先，向Ф802、Ф803供给第一脉冲，并且，向Ф808、Ф809和Ф804供给导通脉冲。随后，向Ф802、Ф803供给第二脉冲，并且，向Ф808、Ф809和Ф810供给非导通脉冲。该操作允许光电转换部分、第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分存储信号载流子。在经过预先确定的蓄积时段之后，向Ф802、Ф803供给第一脉冲，并且，向各电荷载流子保持部分传送留在光电转换部分中的信号载流子。随后，通过使Ф804进入电连接，光电转换部分的电荷被排出到OFD区域。通过使复位部分(未示出)进入电连接，向FD区域供给基准电压。随后，通过同时使同一行中的Ф808、Ф809进入电连接，在FD区域中进行信号载流子的相加，并且将信号读出到外面。根据图11中的读出方法，特别是静态图像拍摄中，可以以更加扩大的动态范围进行拍摄。
可通过切换、例如切换运动图像拍摄和静态图像拍摄，使用图10和图11中的驱动方法。
如上所述，根据本实施例，即使在信号载流子在曝光时段中移动并被蓄积于电荷载流子保持部分中的配置中，也可执行通过电子快门操作的拍摄，而不导致拍摄时段的任何中断。
(第四实施例)
图5A～5C和图12示出根据本实施例的固态成像装置的等效电路图。与第一实施例的不同之处在于，第一光电转换部分的输出节点可通过传送部分与多个电荷载流子保持部分电连接。即，被设置为与第二光电转换部分对应的第一电荷载流子保持部分可被用作第一光电转换部分的第二电荷载流子保持部分。在本实施例中，可以在两个像素行中进行一组操作，并且，可总是通过OFD排出由一个行中的光电转换部分产生的电荷。
在图5A～5C和图12中，存在第一光电转换部分501a、1201a和第二光电转换部分501b、1201b。与第一光电转换部分501a、1201a对应地安装电荷载流子保持部分506a、1206a。另外，与第二光电转换部分501b、1201b对应地安装电荷载流子保持部分506b、1206b。以下，为了便于描述，附图标记506a、1206a被当作第一电荷载流子保持部分，并且，附图标记506b、1206b被当作第二电荷载流子保持部分。
第一电荷载流子传送部分502a、1202a被布置在第一光电转换部分501a、1201a的输出节点O节点和第一电荷载流子保持部分506a、1206a之间。并且，第二电荷载流子传送部分514、1214被布置在第一光电转换部分501a、1201a的输出节点O节点和第二电荷载流子保持部分506b、1206b之间。布置第二电荷载流子传送部分514、1214使得来自第一光电转换部分的信号载流子能够被保持在第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分中。如第一实施例那样，该配置允许第一帧中的信号载流子被保持在第一电荷载流子保持部分506a、1206a中，并且在时间上处于第一帧之后的第二帧中的信号载流子被保持在第二电荷载流子保持部分506b、1206b中。
另外，存在电荷载流子传送部分502、1202，电荷载流子排出控制部分504、1204，OFD区域505、1205，电荷载流子保持部分506、1206，第一传送部分508、1208，FD区域510、1210，复位部分511、1211，放大部分512、1212，以及选择部分513、1213。向与第一光电转换部分对应地设置的配置添加后缀“a”，并且，向与第二光电转换部分对应地设置的配置添加后缀b。不向在第一和第二光电转换部分上共同设置的配置添加后缀。配置中的每一个具有与第一实施例的配置类似的功能。
图6和图13是根据本实施例的固态成像装置的顶视图和截面图。具有与图5A～5C和图12中的功能类似的功能的部分具有相同的附图标记/符号，并且，详细的描述将不被重复。
对于第一光电转换部分501a、1201a，沿图中的垂直方向通过电荷载流子传送部分布置第一电荷载流子保持部分506a、1206a和第二电荷载流子保持部分506b、1206b。
电荷载流子传送部分502a、1202a、1202b、1114、1214掺杂有低浓度的n型杂质，以构成埋入沟道结构。
下面，将参照图7和图14，描述根据本实施例的固态成像装置的驱动方法。将主要描述与上述实施例的不同之处，并且，重叠的描述将不被重复。
在图3中，可分别向Ф1202a、Ф1214供给三值脉冲。在第一帧读出时段中以及在随后的帧或第二帧蓄积时段中，第一帧信号被保持在第二电荷载流子保持部分中，并且，第二帧信号被保持在第一电荷载流子保持部分中。因此，第三脉冲被提供到Ф1202b、Ф1214，并且被强烈地关断，由此电荷载流子将不流入第二电荷载流子保持部分中。另一方面，第二脉冲被供给到Ф1202a，由此由光电转换部分产生的电荷载流子流入第一电荷载流子保持部分中。在该时段中，依次对于各行向Ф1208b供给脉冲，并且，电荷载流子保持部分的电荷载流子被传送到FD区域。当完成需要读出的行的传送时，复位部分进入电连接，以将FD区域中的电荷载流子复位。
然后，在第二帧读出时段中以及在第三帧蓄积时段中，第三脉冲被供给到Ф1202a并被强烈地关断，而第二脉冲被供给到Ф1214，并且，第三帧中的电荷载流子蓄积于第二电荷载流子保持部分中。同时，依次对各行向Ф1208a供给脉冲，并且，由第一电荷载流子保持部分保持的第二帧电荷载流子被传送到FD区域。
重复这些操作减少用于图像形成的行的数量，但是，可以在没有任何中断的情况下获得图像。
根据这些目的，可以选择性使用图14中的驱动和对于各光电转换部分中的电荷载流子的保持使用第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分的驱动。例如，为了获得运动图像，使用图14中的驱动，而在诸如静态帧(flame)图片的需要高分辨率的情况下，使用对于分别相应地保持在各光电转换部分中的电荷载流子使用第一电荷载流子保持部分和第二电荷载流子保持部分的驱动。
并且，可通过向Ф1214供给与Ф1202a、Ф1202b同步的脉冲，将通过两个光电转换部分产生的电荷载流子相加。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的修改与等同的结构和功能。
本申请要求在2008年5月2日提交的日本专利申请No.2008-120408的权益，在此通过引用将其全部内容并入。

Claims (8)

1.一种包括多个像素的固态成像装置，各像素包含：
嵌入型光电二极管；
第一保持部分，所述第一保持部分用于保持来自所述光电二极管的信号载流子；
放大部分，所述放大部分用于放大并读取基于在所述光电二极管中产生的信号载流子的信号；和
载流子排出控制部分，所述载流子排出控制部分用于控制所述光电二极管和溢出漏极区域之间的电连接，其中，
所述光电二极管和第一保持部分之间的载流子路径由埋入沟道结构构成，所述埋入沟道结构存在于距离半导体基板的表面预先确定的深度的部分中，并且，其中，
在第一保持部分和所述放大部分之间经由第一传送部分布置第二保持部分，并且
所述光电二极管、第一保持部分和第二保持部分、所述放大部分、所述载流子排出控制部分以及所述载流子路径布置在相同的半导体基板中，
其中，由第二保持部分保持的信号载流子在第一帧读出操作中被传送到放大部分的输入部分，在第一帧读出操作的时段中光入射到所述光电二极管以进行第二帧的光电转换。
2.一种包括多个像素的固态成像装置，各像素包含：
嵌入型光电二极管；
第一保持部分，所述第一保持部分用于保持来自所述光电二极管的信号载流子；
放大部分，所述放大部分用于放大并读取基于在所述光电二极管中产生的信号载流子的信号；和
载流子排出控制部分，所述载流子排出控制部分用于控制所述光电二极管和溢出漏极区域之间的电连接，
所述光电二极管和第一保持部分之间的载流子路径由埋入沟道结构构成，所述埋入沟道结构存在于距离半导体基板的表面预先确定的深度的部分中，
其中，在所述光电二极管和第一保持部分中蓄积信号载流子的时段中的所述光电二极管和第一保持部分之间的半导体区域中的载流子路径的关于信号载流子的电势不高于所述光电二极管和溢出漏极区域之间的载流子路径的关于信号载流子的电势，并且其中，
在第一保持部分和所述放大部分之间经由第一传送部分布置第二保持部分，并且
所述光电二极管、第一保持部分和第二保持部分、所述放大部分、所述载流子排出控制部分以及所述载流子路径布置在相同的半导体基板中，
其中，由第二保持部分保持的信号载流子在第一帧读出操作中被传送到放大部分的输入部分，在第一帧读出操作的时段中光入射到所述光电二极管以进行第二帧的光电转换。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括：
第二传送部分，所述第二传送部分布置在第二保持部分和所述放大部分的输入节点之间的载流子路径中，用于控制第二保持部分和所述放大部分之间的电连接。
4.根据权利要求2所述的固态成像装置，还包括：
第二传送部分，所述第二传送部分布置在第二保持部分和所述放大部分的输入节点之间的载流子路径中，用于控制第二保持部分和所述放大部分之间的电连接。
5.一种包括多个像素的固态成像装置，各像素包含：
第一嵌入型光电二极管；
第一保持部分，所述第一保持部分用于保持来自第一嵌入型光电二极管的信号载流子；
第二嵌入型光电二极管；
第二保持部分，所述第二保持部分用于保持来自第二嵌入型光电二极管的信号载流子；
第一传送部分，所述第一传送部分用于控制第一保持部分和第二保持部分之间的电连接；
放大部分，所述放大部分用于放大并读取基于保持在第一保持部分和第二保持部分中的至少一个中的信号载流子的信号；和
载流子排出控制部分，所述载流子排出控制部分用于控制第一和第二嵌入型光电二极管与溢出漏极区域之间的电连接，其中，
第一嵌入型光电二极管和第一保持部分之间的载流子路径、以及第二嵌入型光电二极管和第二保持部分之间的载流子路径由埋入沟道结构构成，并且
第一传送部分具有与第一保持部分的一端连接的第一节点，并且第一传送部分具有与第二保持部分的一端连接的第二节点，其中
所述多个像素中的每一个还分别包括：
第二传送部分，所述第二传送部分用于将信号载流子从所述第一嵌入型光电二极管传送到所述第一保持部分；
第三传送部分，所述第三传送部分用于将信号载流子从所述第二嵌入型光电二极管传送到所述第二保持部分；和
第四传送部分，所述第四传送部分用于将信号载流子从所述第一保持部分传送到所述放大部分；并且其中
所述第一传送部分的第一节点与所述第二传送部分、所述第四传送部分和所述第一保持部分连接，且
所述第一传送部分的第二节点与所述第三传送部分和所述第二保持部分连接。
6.一种包括多个像素的固态成像装置，各像素包含：
第一嵌入型光电二极管；
第一保持部分，所述第一保持部分用于保持来自第一嵌入型光电二极管的信号载流子；
第二嵌入型光电二极管；
第二保持部分，所述第二保持部分用于保持来自第二嵌入型光电二极管的信号载流子；
第一传送部分，所述第一传送部分用于控制第一保持部分和第二保持部分之间的电连接；
放大部分，所述放大部分用于放大并读取基于保持在第一保持部分和第二保持部分中的至少一个中的信号载流子的信号；和
载流子排出控制部分，所述载流子排出控制部分用于控制第一和第二嵌入型光电二极管与溢出漏极区域之间的电连接，其中，
在第一嵌入型光电二极管和第一保持部分中蓄积信号载流子的时段中的第一嵌入型光电二极管和第一保持部分之间的半导体材料中的载流子路径的关于信号载流子的电势不高于第一嵌入型光电二极管和溢出漏极区域之间的载流子路径的关于信号载流子的电势，以及
第一传送部分具有与第一保持部分的一端连接的第一节点，并且第一传送部分具有与第二保持部分的一端连接的第二节点，其中
所述多个像素中的每一个还分别包括：
第二传送部分，所述第二传送部分用于将信号载流子从所述第一嵌入型光电二极管传送到所述第一保持部分；
第三传送部分，所述第三传送部分用于将信号载流子从所述第二嵌入型光电二极管传送到所述第二保持部分；和
第四传送部分，所述第四传送部分用于将信号载流子从所述第一保持部分传送到所述放大部分；并且其中
所述第一传送部分的第一节点与所述第二传送部分、所述第四传送部分和所述第一保持部分连接，且
所述第一传送部分的第二节点与所述第三传送部分和所述第二保持部分连接。
7.根据权利要求5所述的固态成像装置，还包括：
第二传送部分，所述第二传送部分布置在第一保持部分和所述放大部分的输入节点之间的载流子路径中，用于控制第二保持部分和所述放大部分之间的电连接。
8.根据权利要求6所述的固态成像装置，还包括：
第二传送部分，所述第二传送部分布置在第一保持部分和所述放大部分的输入节点之间的载流子路径中，用于控制第二保持部分和所述放大部分之间的电连接。
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