CN102017152A - 光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统 - Google Patents

光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统 Download PDF

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Abstract

一种光电转换装置，包括：形成光电转换元件的一部分的第一半导体区域；层叠于第一半导体区域上并且形成光电转换元件的一部分的第二半导体区域；从光电转换元件向其传送信号电荷的第三半导体区域；处于第一和第三半导体区域之间并处于第二和第三半导体区域之间、比第一半导体区域更接近主表面、并与第一半导体区域连接的、具有较高的杂质浓度的第一导电类型的第四半导体区域；第四半导体区域之上的第一栅电极，处于主表面上并处于第一栅电极和第四半导体区域之间的绝缘膜；以及，处于第三和第四半导体区域之间并处于绝缘膜之上的第二栅电极。

Description

光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统
技术领域
本发明涉及光电转换装置，特别是涉及来自光电转换元件的信号电荷的传送结构。
背景技术
常规上，已知的光电转换装置包括通过传送MOS晶体管向浮置扩散区域传送光电转换元件的电荷并将其转换成电压以读出的装置。
关于这种光电转换装置，日本专利申请公开No.2004-063498公开了以低电压读出信号电荷并且不留下信号电荷的配置。具体而言，它是包含大致接近光电二极管区域的一端的第一栅电极、接近第一栅电极的第二栅电极和大致接近第二栅电极的一端的漏极区域的光电转换装置。
但是，根据在日本专利申请公开No.2004-063498中公开的配置，由于在第一栅电极下面的深处形成光电二极管，并且当像素的尺寸减小时光电二极管和漏极区域的位置相互接近，因此，可能在块体(bulk)中产生击穿，从而导致导电状态。
因此，本发明的目的是，提供可以容易地控制光电转换元件和漏极区域之间的电连接并且可以提高来自光电转换元件的电荷的传送效率的光电转换装置。
发明内容
根据本发明的光电转换装置包括：具有主表面的半导体基板；形成光电转换元件的一部分的第一导电类型的第一半导体区域；层叠于第一半导体区域上并且形成所述光电转换元件的一部分的、与第一导电类型相反的第二导电类型的第二半导体区域；从所述光电转换元件向其传送信号电荷的第一导电类型的第三半导体区域；第一导电类型的第四半导体区域，第四半导体区域具有比第一半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度，第四半导体区域被布置在第一和第三半导体区域之间并被布置在第二和第三半导体区域之间，第四半导体区域被布置为比第一半导体区域更接近所述主表面，并且，第四半导体区域与第一半导体区域连接；被布置在第四半导体区域之上的第一栅电极，绝缘膜被布置在所述主表面上并被布置在第一栅电极和第四半导体区域之间；以及，被布置在第三和第四半导体区域之间并被布置在所述绝缘膜之上的第二栅电极。
本发明的光电转换装置可有利于控制光电转换元件和漏极区域之间的电连接并提高信号电荷的传送效率。
从结合附图进行的以下描述，本发明的其它特征和优点将变得清晰，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。
附图说明
图1是示出第一实施例的平面示意图。
图2是示出第一实施例的截面示意图。
图3是示出第一实施例的操作定时图。
图4A、图4B、图4C和图4D是示出第一实施例的电势图。
图5是示出第二实施例的操作定时图。
图6A、图6B、图6C和图6D是示出第二实施例的电势图。
图7是示出第三实施例的操作定时图。
图8是示出第四实施例的平面示意图。
图9是示出第四实施例的截面示意图。
图10是示出第四实施例的操作定时图。
图11A、图11B、图11C、图11D、图11E和图11F是示出第四实施例的电势图。
图12是示出成像系统的框图。
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，并与描述一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
根据本发明的光电转换装置包含：具有第一导电类型的第一半导体区域和第二导电类型的第二半导体区域的光电转换元件；以及，与第二半导体区域连接的第二导电类型的第四半导体区域。该第四半导体区域具有比第二半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度并被配置为比第二半导体区域更接近主表面。然后，光电转换装置包含覆盖第四半导体区域的第一栅电极和用于控制第四半导体区域和第三半导体区域之间的电连接的第二栅电极。这种配置可在有利于光电转换元件与漏极区域的分离的同时提高信号电荷的传送效率。
并且，至少对于在光电转换元件中蓄积信号电荷的时间段，在第一栅电极下面蓄积极性与信号电荷的极性相反的电荷。这种配置可减少由于半导体基板的界面的缺陷导致的暗电流的混合。
注意，可以下述方式确定半导体区域的外边缘。例如，如果围绕所述半导体区域的区域具有与所述半导体区域自身的导电类型相反的导电类型，那么外边缘被定义为相应的净杂质浓度变得接近零的各个点。可通过SCM(扫描电容显微镜)测量确认该外边缘。净杂质浓度指N型杂质和P型杂质之间的浓度差。然后，半导体区域的深度可被定义为出现杂质浓度的峰值的深度。并且，向下方向或深度方向被定义为从具有受光表面的半导体基板的主表面向半导体基板的方向。
现在，参照附图描述实施例。各实施例的配置可被适当地相互组合。在实施例中，信号电荷是电子，第一导电类型是N型半导体，并且MOS晶体管为N型的，但是，信号电荷当然可以是空穴(electronhole)并且导电类型可以是相反的类型。
(第一实施例)
首先，通过使用图1描述可应用本发明的像素。图1是将元件示为块的平面示意图。像素100包含光电转换元件101、电荷存储部分102、浮置扩散区域103和电荷传送部分104。其它的元件简单地由附图标记105统一表示。其它的元件包含例如用于放大的MOS晶体管和用于复位的MOS晶体管，并且可具有任何详细的配置。并且，元件隔离区域被省略。像素是具有至少一个光电转换元件的最小重复单位，并且，像素100被一维或二维布置以形成成像区域。图1示出三个像素100的阵列。图2示出沿线A-B切取的这种像素100的截面图。
图2是沿图1中的线A-B切取的截面示意图。图2示出阱201、第一导电类型的第一半导体区域202、第二导电类型的第二半导体区域203、第一栅电极204和第一导电类型的第四半导体区域205。并且，示出第二栅电极206、第一导电类型的第三半导体区域207、形成接点的导电体208和覆盖元件的绝缘膜209。栅绝缘膜210和用于STI等的元件隔离区域211也被示出。在半导体基板200上，布置光电转换元件，并且，半导体基板的主表面212包含光电转换元件101的受光面。虚线表示包含主表面212的表面的位置。然后，向下方向或深度方向被定义为从主表面212向半导体基板200的方向。阱201可为第一导电类型或第二导电类型，或者，可以是半导体基板200。
在第一半导体区域202上层叠第二半导体区域203，并且，第一半导体区域202和第二半导体区域203在其间具有P-N结界面，并且形成光电转换元件101的一部分。第三半导体区域207用作浮置扩散区域，并且，借助于第二栅电极206，第一半导体区域202的信号电荷传送通过第四半导体区域205。第三半导体区域207和第四半导体区域205相互分离(spaced away)，其中，布置了阱201。第四半导体区域205被布置在与第三半导体区域207相同的深度处，或者，第四半导体区域205被布置为比第三半导体区域207更接近主表面212。然后，第四半导体区域205具有比第一半导体区域202的杂质浓度高的杂质浓度，并且，第四半导体区域205被布置为比第一半导体区域202更接近主表面212，并与第一半导体区域202连接。可以说，第四半导体区域205和第一半导体区域202一体化形成，或者，它们的半导体区域被连续地布置。它们的上部被第一栅电极204覆盖。这种配置可允许第四半导体区域205的深度方向的厚度较薄并防止耗尽层接近栅极不能控制的深度。即，即使由于减小像素的尺寸而使得第四半导体区域205和第三半导体区域207之间的空间更窄，该配置也可使第四半导体区域205与第三半导体区域207分离，并有利于控制电连接。第一半导体区域202的信号电荷也可被有效地传送到第三半导体区域207。并且，具有较高杂质浓度的第四半导体区域被布置为比第二半导体区域更接近主表面212，因此，能够以相对低的耗尽电压在n+区域中存储许多电荷，由此可望提高饱和信号的数量。
然后，通过使用图3所示的操作定时图描述光电转换装置的驱动。由符号
Figure BPA00001252732300051
表示的控制信号控制第一栅电极204，并且作为被供给到第一栅电极204的电压。由符号
Figure BPA00001252732300052
表示的控制信号控制第二栅电极206，并且作为被供给到第二栅电极206的电压。在本实施例中，控制信号
Figure BPA00001252732300053
和控制信号
Figure BPA00001252732300054
可采取的低电平被设为-1V，并且，高电平被设为5V。电压(207)示意性地表示第三半导体区域207的电压的变化。状态(207)表示在第三半导体区域中执行的操作，并且，状态(101)表示光电转换元件101的状态，该状态在这里表示蓄积周期。在t1～t9处表示定时。以下描述驱动。
在t1处，光电转换元件101蓄积信号电荷。第三半导体区域207被供给期望的电压(复位电压)并且处于5V。复位操作被定义为向第三半导体区域207供给期望的电压，并且所述期望的电压为5V。然后，在t2处，读出被复位之后的第三半导体区域207的电势。来自被复位之后的第三半导体区域207的信号可被用作包含复位时的噪声分量(component)的噪声信号。噪声信号被重叠在基于信号电荷的信号上。然后，可通过从基于信号电荷的信号减去噪声信号而去除噪声分量。控制信号
Figure BPA00001252732300055
和控制信号从t1起处于低电平。在蓄积中，控制信号
Figure BPA00001252732300057
处于低电平，并且，因此在第一栅电极204下面蓄积具有与信号电荷的极性相反的极性的电荷(空穴)，由此能够减少来自第四半导体区域205上的主表面(即，半导体基板)的暗电流。在本实施例中，控制信号
Figure BPA00001252732300058
被一直设为低电平，使得可以一直减小暗电流。并且，控制信号
Figure BPA00001252732300061
处于低电平，由此充分地使第四半导体区域205与第三半导体区域207分离，并且还抑制在第二栅电极下面的半导体基板的表面上产生的暗电流。
然后，在t3～t4中，控制信号
Figure BPA00001252732300062
变为高电平，由此第四半导体区域205与第三半导体区域207电连接，并且，在光电转换元件101中产生的信号电荷被传送到第三半导体区域207。然后，控制信号
Figure BPA00001252732300063
返回低电平，由此停止从光电转换元件101向第三半导体区域207传送信号电荷。即，光电转换元件101在t4处终止一个蓄积周期并进入下一蓄积周期。
当控制信号
Figure BPA00001252732300064
处于高电平时，第三半导体区域207的电压降低ΔVsig，ΔVsig是从光电转换元件101传送的信号电荷的电压。然后，在t4～t5中，基于电压ΔVsig的信号作为视频信号被输出。具体而言，如果第三半导体区域207与用于放大的MOS晶体管的栅电极连接，那么基于包含电压ΔVsig的第三半导体区域207的电势的信号作为用于放大的MOS晶体管的源极电势被输出。然后，在t5处，第三半导体区域207被复位以返回t1处的状态。t6之后的驱动与以上的类似。
下面，通过使用图4A、图4B、图4C和图4D描述在以上提到的驱动下的半导体区域的电势状态。图4A、图4B、图4C和图4D示意性地示出在一些定时点处关于各半导体区域的信号电荷的电势状态。电势202与第一半导体区域202的电势对应，电势204与第一栅电极204下面的第四半导体区域205的电势对应，电势206与第二栅电极206下面的阱的电势对应，并且，电势207与第三半导体区域207的电势对应。图4A示出不在光电转换元件101中产生信号电荷的初始状态。图4B示出与图3中的t1～t3对应的状态，图4C示出与图3中的t3～t4对应的状态，以及图4D示出与图3中的t4～t5对应的状态。信号电荷由阴影线表示。各状态中的各半导体区域的电势由L41～L48的电势表示。
在图4A中，第四半导体区域205具有比第一半导体区域202的杂质浓度高的杂质浓度，因此，第四半导体区域205具有比第一半导体区域202的电势L42低的电势L43。然后，虽然第二栅电极下面的电势为电势L41，但是它可以更高。在图4B中，在光电转换元件101中产生的信号电荷被蓄积。第四半导体区域205具有比第一半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度，因此，与第四半导体区域205和第一半导体区域具有相同的杂质浓度的情况相比，第四半导体区域205可存储的信号电荷多出在电势L42处保持的信号电荷和在电势L43处保持的信号电荷之间的差值。在图4C中，高电平的电压被供给到第二栅电极206，由此将第二栅电极206下面的阱的电势降低到电势L47。这里，在第一半导体区域202和第三半导体区域207之间，形成台阶状电势，由此，信号电荷被平稳地传送到第三半导体区域207。在图4D中，低电平的电压被供给到第二栅电极206，因此，第二栅电极206下面的阱的电势变为电势L41，从而完成信号电荷的传送。随后，重新开始光电转换元件101中的信号电荷的蓄积。在图4C和图4D中，第四半导体区域205的电势变得比第二栅电极206下面的阱的电势高。电势之间的这种关系可减少第四半导体区域205中的残留信号电荷。
如上所述，本实施例所示的配置可提高传送效率，同时，可抑制形成光电转换元件的第二半导体区域和第三半导体区域之间在不期望的时间段中的电连接。由于可以较接近主表面地(即，较浅地)形成第四半导体区域，因此，第四半导体区域容易地与在传送信号电荷时在第二栅电极下面产生的信号电荷的通道(passage)连接。即，与不应用该配置的配置相比，由于较高的传送效率，因此能够以较低的电压执行驱动。
并且，以在第一栅电极204下面的第四半导体区域中蓄积空穴的方式设定第一栅电极204的电势，这可减少来自主表面的暗电流。
并且，在本实施例中，第一栅电极被一直设为一定的电势，因此，第一栅电极可共同驱动所有的像素。因此，所有的像素的栅电极可与同一控制线连接，由此减少控制线的数量和控制电路。并且，也可以跨多个像素连续设置第一栅电极。这种连续设置第一栅电极的结构是由相同的材料形成的栅电极在多个像素上延伸的结构。这种配置可减小像素的尺寸。注意，第一栅电极和第二栅电极分别与不同的控制线连接。
(第二实施例)
本实施例与第一实施例的不同在于控制信号
Figure BPA00001252732300081
并且，在第一实施例的配置中，第一半导体区域和第四半导体区域在它们的电势之间的关系上不同。图5示出操作定时图，并且，图6示意性地示出与当根据图5实施驱动时各半导体区域中的信号电荷对应的电势。图5与图3对应，图6A、图6B、图6C和图6D与图4A、图4B、图4C和图4D对应，并且，类似的功能由类似的符号表示，并且，其描述被省略。
首先，在图5中，控制信号不总是处于低电平，并且在t3处(和t7处)变为高电平。控制信号
Figure BPA00001252732300083
在传送来自光电转换元件101的信号电荷时变为高电平，由此能够抑制阻止传送信号电荷的电势的形成并提高传送效率。不描述与图3类似的驱动的其它操作。
下面通过使用图6A、图6B、图6C和图6D详细描述传送操作。不描述与图4A、图4B、图4C和图4D类似的状态。图6A示出没有在光电转换元件101中产生信号电荷的初始状态。图6B示出与图5中的t1～t3对应的状态，图6C示出与图5中的t3～t11对应的状态，以及图6D示出与图5中的t4～t5对应的状态。信号电荷由阴影线表示。各状态中的各半导体区域的电势由L61～L69的电势表示。
在图6A中，第四半导体区域205的电势变为比第一半导体区域202的电势L63高的电势L62。第一栅电极204的电压，以及第四半导体区域205的杂质浓度和杂质浓度的深度可能导致电势间的这种关系。当然，电势之间的关系可与第一实施例类似。在图6B中，蓄积信号电荷。在本实施例中的电势之间的关系的情况下，能够被保持的信号电荷的量变得比第一实施例中的能够被保持的信号电荷的量小。在图6C中，由于控制信号
Figure BPA00001252732300084
处于高电平，因此，第二栅电极206下面的阱的电势从电势L61变为电势L68。控制信号
Figure BPA00001252732300085
也变为高电平，并且，第四半导体区域205的电势从电势L62变为比电势L63低的电势L66。这种操作在第一半导体区域202和第三半导体区域207之间产生台阶状电势，由此能够有效地传送信号电荷。在图6D中，控制信号
Figure BPA00001252732300091
变为低电平，并且，信号电荷的传送结束。
现在，描述图6C和图6D中的操作，即图5中的t3和t4之间的t11处的操作。在图5中的t3处，控制信号
Figure BPA00001252732300092
和控制信号均处于高电平。然后，在图5中的t11处，控制信号
Figure BPA00001252732300094
变为低电平，并且，控制信号
Figure BPA00001252732300095
随后变为低电平。即，第四半导体区域205的电势被强制从电势L66返回电势L62，随后，第二栅电极206下面的阱的电势被强制从电势L68变为电势L61。这种操作可向第三半导体区域207传送信号电荷而不在第四半导体区域205中留下信号电荷。注意，如果使控制信号在控制信号
Figure BPA00001252732300097
之前变为低电平，那么产生在第四半导体区域205的电势L66和第三半导体区域207之间形成势垒的电势L61，因此，可能在第四半导体区域中留下信号电荷。
如上所述，控制信号在传送信号电荷时被强制变为高电平，由此，与第一实施例相比，能够进一步提高传送效率。当然，本实施例的驱动方法也可被应用于具有图4A所示的第一半导体区域202的电势和第四半导体区域205的电势之间的关系的配置。
(第三实施例)
本实施例与第二实施例的不同之处在于，控制信号
Figure BPA00001252732300099
的低电平与控制信号
Figure BPA000012527323000910
的低电平不同。在本实施例中，控制信号
Figure BPA000012527323000911
的低电平被设为-3V，而控制信号
Figure BPA000012527323000912
的低电平被设为-1V。即，被供给到第二栅电极的电压的低电平比被供给到第一栅电极的电压的低电平高。这种电压间关系可提高第二栅电极206和第三半导体区域207之间的击穿电压。原因如下。第三半导体区域207在复位时被设为高电势。此时，如果向第一栅电极204和第二栅电极206供给低电平的电压，那么彼此相邻的第二栅电极206和第三半导体区域207之间的电场会变大。然后，使得第二栅电极206的低电平的电压比第一栅电极204的低电平的电压高，这可减小彼此相邻的第二栅电极206和第三半导体区域207之间的电压。因此，可以在维持绝缘耐压(dielectricvoltage)的同时减少暗电流的混合。
下面，通过使用图7中的操作定时图详细描述本实施例。在光电转换元件的蓄积周期中，控制信号和控制信号处于低电平。此时的控制信号
Figure BPA00001252732300103
的值具有比控制信号
Figure BPA00001252732300104
的值低的电压值(在负侧较高)。换句话说，被供给到第二栅电极的低电平的控制信号的值取为被供给到第一栅电极的低电平的控制信号的值和被供给到第二栅电极的高电平的控制信号的值之间的值。以这种方式供给电压可减少暗电流的混合，并维持第二栅电极的击穿电压。当然，本实施例的驱动方法可被应用于具有图4A所示的第一半导体区域202的电势和第四半导体区域205的电势之间的关系的配置。
(第四实施例)
本实施例与第一实施例的不同是像素的配置。图8是将元件示为块的平面示意图。图8示出光电转换元件801、804、813和816、电荷存储部分802、805、812和815、电荷传送部分803、806、812和815、以及浮置扩散区域807。其它的元件由附图标记808统一表示。其它的元件包含例如用于放大的MOS晶体管和用于复位的MOS晶体管，其配置可以为任意类型。像素单元800包含共享读出电路808的四个光电转换元件801、804、813和816。即，可以说，像素单元800包含四个像素。各像素具有光电转换元件、电荷存储部分和电荷传送部分。例如，第一像素具有光电转换元件801、电荷存储部分802和电荷传送部分803。第二像素具有光电转换元件804、电荷存储部分805和电荷传送部分806。第三像素具有光电转换元件813、电荷存储部分812和电荷传送部分811。第四像素具有光电转换元件816、电荷存储部分815和电荷传送部分814。像素单元800可被分成光电转换元件801和804的组、以及光电转换元件813和816的组。然后，电荷传送部分806、811和电荷存储部分805、812分别被两个光电转换元件共享。图9示出沿线A-B切取的这种像素单元800(即，它的一个组)的截面图。
图9是沿图8的线A-B切取的截面示意图。图9示出阱901、第一导电类型的第一半导体区域902、第二导电类型的第二半导体区域903、第一栅电极904、第一导电类型的第四半导体区域905、第二栅电极906和第三半导体区域910。并且，示出第三栅电极907、第一导电类型的第五半导体区域908、以及第四栅电极909。导电体911形成接点，并且，绝缘膜912覆盖元件。栅绝缘膜由附图标记213表示，并且，STI等的元件隔离区域由附图标记214表示。虽然这里没有示出，但是，光电转换元件804的第一导电类型的半导体区域也与第一半导体区域902类似。在半导体基板900上，布置光电转换元件，并且，半导体基板的主表面915包含光电转换元件801的受光表面。包含主表面915的表面的位置由虚线表示。向下方向或深度方向被定义为从主表面915向半导体基板900的方向。
第一半导体区域902和第二半导体区域903具有P-N结界面，并且形成光电转换元件101的一部分。第三半导体区域910用作浮置扩散区域。第五半导体区域908被布置在第四半导体区域905和第三半导体区域910之间。然后，第一半导体区域902的信号电荷通过第二栅电极906从第四半导体区域905被传送到第五半导体区域908，并进一步通过第四栅电极909被传送到第三半导体区域910。然后，第四半导体区域905和第五半导体区域908具有比第一半导体区域902的杂质浓度高的杂质浓度，并且，第四半导体区域905和第五半导体区域908也被定位为比第一半导体区域902更接近主表面212。第四半导体区域905和第五半导体区域908与光电转换元件804处的第一导电类型的半导体区域之间的位置关系也是类似的。然后，第一半导体区域902和第四半导体区域905相互电连接，并且，第五半导体区域908和光电转换元件804的第一导电类型的半导体区域相互电连接。换句话说，它们一体化形成或被连续地布置。第一栅电极904覆盖第四半导体区域905的上部，并且，第三栅电极907覆盖第五半导体区域的上部。与第一实施例的配置相比，这种配置可减少每个光电转换元件的元件的数量。并且，具有更高的杂质浓度的第四半导体区域905和第五半导体区域908被定位为比第二半导体区域902更接近主表面915。这种配置可在有利于控制第五半导体区域908和第三半导体区域910之间的电连接和断开的同时有效地传送信号电荷。并且，以相对低的耗尽电压，能够在n+区域中存储许多信号电荷，由此可望提高饱和信号的数量。并且，能够以与第一实施例相当的水平提供与浮置扩散区域相同的节点部分的总面积。例如，当形成用于放大的MOS晶体管的输入部分时，可以如常规的情况那样保持每个信号电荷的电压灵敏度。
下面通过使用图10中的操作定时图描述这种光电转换装置的驱动的一个例子。控制信号控制第一栅电极904，并且是被供给到第一栅电极904的电压。控制信号
Figure BPA00001252732300122
控制第二栅电极906，并且是被供给到第二栅电极906的电压。控制信号
Figure BPA00001252732300123
控制第三栅电极907，并且是被供给到第三栅电极907的电压。控制信号
Figure BPA00001252732300124
控制第四栅电极909，并且是被供给到第四栅电极909的电压。在本实施例中，控制信号
Figure BPA00001252732300125
和控制信号
Figure BPA00001252732300126
的低电平被设为-3V，并且，高电平被设为5V，并且，控制信号
Figure BPA00001252732300127
和控制信号
Figure BPA00001252732300128
的低电平被设为-1V，并且，高电平被设为5V。电压(910)示意性示出第三半导体区域910的电压的变化。状态(910)示出在第三半导体区域中执行的操作，并且状态(快门)示出成像系统中机械快门的状态，表示曝光和遮光。在t1～t14处示出定时。以下描述驱动。与第一实施例类似的操作不被描述。
首先，在t1处，光电转换元件801和光电转换元件804已蓄积信号电荷。第三半导体区域910由于被供给的期望的电压(复位电压)已处于5V。然后，在t2处，机械快门被关闭以遮光。在t3处，被复位之后的第三半导体区域910的电势被读出。读出的信号可被用作来自光电转换元件804的信号中的噪声信号。然后，在t1～t3的时间段中，控制信号
Figure BPA00001252732300129
控制信号
Figure BPA000012527323001210
控制信号和控制信号
Figure BPA000012527323001212
处于低电平。由于控制信号
Figure BPA000012527323001213
处于低电平，因此在第一栅电极904下面蓄积极性与信号电荷相反的电荷(空穴)，由此能够减少来自第四半导体区域905上的主表面的暗电流。并且，由于控制信号
Figure BPA00001252732300131
处于低电平，因此，在第三栅电极907下面蓄积极性与信号电荷相反的电荷(空穴)，由此能够减少来自第五半导体区域908上的主表面的暗电流。在本实施例中，控制信号
Figure BPA00001252732300132
一直被设为低电平，这可一直减少暗电流。并且，控制信号和控制信号
Figure BPA00001252732300134
被设为低电平，由此第四半导体区域905充分地与第五半导体区域908分离，并且，第五半导体区域908充分地与第三半导体区域910分离。在t4处，控制信号和控制信号变为高电平。然后，信号电荷从光电转换元件804被传送到第三半导体区域910，并且，第三半导体区域910的电压改变的量为电压ΔVsig。在t6处，光电转换元件804的信号电荷的传送结束，并且，从第三半导体区域910读出光电转换元件804的包含信号电荷ΔVsig的信号。在t5和t6处，控制信号
Figure BPA00001252732300137
和控制信号
Figure BPA00001252732300138
依次变为低电平，这可减少不被传送的信号电荷。
然后，在t7处，第三半导体区域910被复位，并且，第三半导体区域910的电压变为5V。随后，开始光电转换元件801的信号电荷的读出。在t8处，控制信号
Figure BPA00001252732300139
变为高电平，并且，信号电荷从第一半导体区域902和第四半导体区域905被传送到第五半导体区域908。在t1～t7的时间段中，控制信号处于低电平以减少暗电流，因此，暗电流对于信号电荷具有很小的影响。并且，第四半导体区域905被设置，这可提高传送效率并降低作为高电平供给到控制信号
Figure BPA000012527323001311
的电压。在t9处，被复位之后的第三半导体区域910的电势被读出。读出的信号可被用作来自光电转换元件801的信号中的噪声信号。并且，控制信号
Figure BPA000012527323001312
变为高电平，并且，信号电荷被传送到第五半导体区域908并被保持。由于在光电转换元件804和电荷存储部分805之间不存在势垒，因此，在存储信号电荷时，光电转换元件804另外也可被用于存储电荷。并且，在许多信号电荷的情况下，信号电荷可被充分地保持。在t10处，控制信号变为高电平，并且，信号电荷从第五半导体区域908被传送到第三半导体区域910。这里，由于控制信号
Figure BPA000012527323001314
控制信号
Figure BPA000012527323001315
和控制信号
Figure BPA000012527323001316
处于高电平，因此，第二半导体区域和第三半导体区域之间的区域被置于导电状态，并且，形成电势之间的台阶状关系，然后，信号电荷可被有效地传送。在t11～t13中，控制信号
Figure BPA00001252732300141
控制信号
Figure BPA00001252732300142
和控制信号
Figure BPA00001252732300143
依次变为低电平，这可减少不被传送的信号电荷，并且提高向第三半导体区域910的传送效率。当然，控制信号
Figure BPA00001252732300144
控制信号
Figure BPA00001252732300145
和控制信号
Figure BPA00001252732300146
可同时变为低电平。这里，第三半导体区域910的电压在t10～t13的时间段中改变的量为电压ΔVsig2，在该时间段中，在t10处，开始向第三半导体区域910的信号电荷传送。在t13处，基于第三半导体区域910的电势的信号被输出，并且，包含电压ΔVsig2的信号被读出。在t14处，第三半导体区域910被复位并返回曝光之前的状态，并且，机械快门被打开(曝光)，从而呈现t1处的状态。然后，即使控制信号
Figure BPA00001252732300147
和控制信号
Figure BPA00001252732300148
在t10处同时变为高电平，也可实施传送。并且，如果不与用于读出噪声信号的时间段重叠，那么t8之后的控制信号
Figure BPA00001252732300149
控制信号
Figure BPA000012527323001410
和控制信号
Figure BPA000012527323001411
可同时变为高电平。
下面，通过使用图11A、图11B、图11C、图11D、图11E和图11F描述这种驱动下的半导体区域的电势状态。图11A、图11B、图11C、图11D、图11E和图11F示意性示出一些定时点处关于信号电荷的各半导体区域的电势。电势902与第一半导体区域902的电势对应，电势904与第一栅电极904下面的第四半导体区域905的电势对应，以及电势906与第二栅电极906下面的阱的电势对应。电势907与第三栅电极907下面的第五半导体区域908的电势对应，电势909与第四栅电极909下面的阱的电势对应，以及，电势910与第三半导体区域910的电势对应。图11A示出不在光电转换元件801和光电转换元件804中产生信号电荷的初始状态。图11B示出与图10中的t1～t3对应的状态，图11C示出与图10中的t6对应的状态，以及，图11D示出与图10中的t9对应的状态。图11E示出与图10中的t12对应的状态，以及图11F示出与t13对应的状态。信号电荷由阴影线表示。各状态下的各半导体区域的电势由L101～L112的电势表示。
在图11A中，由于第四半导体区域905和第五半导体区域908具有比第一半导体区域902的杂质浓度高的杂质浓度，因此，第四半导体区域905和第五半导体区域908具有比第一半导体区域902的电势L102低的电势L103。然后，虽然第二栅电极906和第四栅电极907下面的电势是电势L101，但是它可以是更高的电势。然后，向各栅电极供给低电平的电压。在图11B中，在第二半导体区域902和第四半导体区域905中蓄积在光电转换元件801中产生的信号电荷。同时，在第五半导体区域908和形成光电转换元件804的第一导电类型的半导体区域(未示出)中蓄积在光电转换元件804中产生的信号电荷。然后，为了简化，假定光电转换元件801和光电转换元件804具有相同的信号电荷量L105。随后，来自光电转换元件804的信号电荷被读出。在图11B和图11C之间，高电平的电压被供给到第四栅电极909，并且，第四栅电极909下面的阱的电势降低，并且，信号电荷从第五半导体区域908被传送到第三半导体区域910。图11C示出低电平的电压被供给到第四栅电极909的状态。保持在第五半导体区域908中的光电转换元件804的信号电荷被保持在第四半导体区域中。这里，保持在第五半导体区域908中的信号电荷也可被完全传送到第三半导体区域910。随后，开始光电转换元件801的信号电荷的读出。
在图11D中，高电平的电压被供给到第二栅电极906和第三栅电极907。然后，第二栅电极906下面的阱的电势从电势L101变为电势L107，并且，第五半导体区域908的电势从电势L103变为电势L109。此时，使得第四半导体区域905和第五半导体区域908之间的电势呈台阶状，并且，保持在第二半导体区域902和第四半导体区域905中的光电转换元件801的信号电荷被有效传送到第五半导体区域905。在图11E中，高电平的电压被供给到第四栅电极909，并且，第四栅电极909下面的阱的电势从电势L101降低到电势L111。这里，在第五半导体区域908和第三半导体区域910之间形成台阶状电势，并由此有效地从第五半导体区域908向第三半导体区域910传送信号电荷。在图11F中，低电平的电压被供给到第四栅电极909，并且，第四栅电极909下面的阱的电势变为电势L101，并且，信号电荷的传送结束。
如上所述，与第一实施例的配置相比，本实施例的配置可减少元件的数量。并且，具有较高的杂质浓度的第四半导体区域905被布置为比第二半导体区域902更接近主表面915。该配置可在有利于控制第四半导体区域905和第五半导体区域908之间的电连接和断开的同时有效地传送信号电荷。并且，具有较高的杂质浓度的第五半导体区域908被布置为比形成光电转换元件804的第一导电类型的半导体区域(未示出)更接近主表面915。该配置可在有利于控制第五半导体区域908和第三半导体区域910之间的电连接和断开的同时有效地传送信号电荷。因此，可以提高从第一半导体区域902向第三半导体区域910的信号电荷的传送效率。并且，以相对低的耗尽电压，能够在n+区域中存储许多信号电荷，由此可望提高饱和信号的数量。
并且，第一栅电极904和第三栅电极907被设为在相应的栅电极下面蓄积空穴的电势，这可减少来自第四半导体区域905和第五半导体区域908上的主表面的暗电流。然后，第一栅电极904可一直被设为某个电势，并因此可使用与所有像素共同连接的栅电极。与所有像素的共同连接可减少控制线的数量和控制电路，并进一步可共同设置栅电极，这可减小像素的尺寸。当然，可以以第二实施例的方式驱动第一栅电极904。
然后，在本实施例中，描述了使用机械快门的情况下的驱动。当在图10所示的驱动下读出光电转换元件801的信号电荷时，设置机械快门可减少在光电转换元件804中产生的信号电荷的影响。但是，可以任选地使用机械快门。
并且，虽然在本实施例中描述了像素单元包含四个光电转换元件的配置，但是，配置可使得像素单元包含两个光电转换元件(即，两个光电转换元件801和804)和其它的电路808。像素单元可具有任何数量的光电转换元件。
(到成像系统的应用)
关于成像系统采用在第一实施例到第四实施例中描述的光电转换装置的情况，通过使用图12描述本实施例。成像系统包含数字静态照相机、数字视频照相机和用于移动电话的数字照相机。
图12示出数字静态照相机的配置。通过包含透镜1202的光学系统在光电转换装置1204的成像区域上形成被摄体的光学图像。可在透镜1202外面设置兼具有保护透镜1202的功能和主开关功能的挡板1201。可对于透镜1202设置用于调整从透镜1202射出的光的量的光阑1203。成像信号处理电路1205向通过多个信道从光电转换装置1204输出的成像信号施加各种补偿、钳位(clamping)和其它的处理。通过A/D转换器1206，对通过多个信道从成像信号处理电路1205输出的成像信号进行从模拟到数字的转换。信号处理电路1207(图像处理部分)对从A/D转换器1206输出的图像数据施加各种补偿、数据压缩和其它的处理。光电转换装置1204、成像信号处理电路1205、A/D转换器1206和信号处理电路1207根据由定时产生器1208产生的定时信号操作。各块由总体控制和算术运算单元1209控制。并且，设置用于暂时存储图像数据的存储器单元1210和用于在记录介质上记录图像和读出的控制记录介质I/F单元1211。记录介质1212包含半导体存储器并且是可移动的。并且，可设置用于与外部计算机等通信的外部I/F单元1213。然后，可以在与光电转换装置1204相同的芯片上形成包含从成像信号处理电路1205到定时产生器1208的器件。
下面描述图9所示的操作。响应挡板1201的打开，主电源、用于控制系统的电源、以及用于诸如A/D转换器1206的成像系统的电路的电源被依次打开。随后，为了控制曝光量，总体控制和算术运算单元1209打开光阑1203。从光电转换装置1204输出的信号通过成像信号处理电路1205并被供给到A/D转换器1206。A/D转换器1206将所述信号从模拟转换成数字，并将其输出到信号处理电路1207。信号处理电路1207处理数据并将其供给到总体控制和算术运算单元1209，并且，总体控制和算术运算单元1209进行计算以确定曝光量。总体控制和算术运算单元1209基于确定的曝光量控制光阑。
然后，总体控制和算术运算单元1209从由光电转换装置1204输出并被信号处理电路1207处理的信号中提取高频分量，并且基于高频分量计算到被摄体的距离。随后，通过驱动透镜1202，确定透镜1202是否被聚焦。当确定没有聚焦时，通过重新驱动透镜1202计算该距离。
然后，在确认聚焦之后，开始实际的曝光。在曝光结束之后，从光电转换装置1204输出的成像信号被成像信号处理电路1205补偿和处理，被A/D转换器1206从模拟转换成数字，并且被信号处理电路1207处理。被信号处理电路1207处理过的图像数据通过总体控制和算术运算单元1209被存储在存储器单元1210中。随后，存储在存储器单元1210中的图像数据通过总体控制和算术运算单元1209的控制经由控制记录介质I/F单元被记录在记录介质1212上。并且，图像数据通过外部I/F单元1213被供给到计算机等并被处理。
本发明的光电转换装置以这种方式被供给到成像系统。使用本发明的光电转换装置可允许以低电压进行驱动，这可减少成像系统中的功耗。并且，信号电荷的传送效率得到提高，由此能够提供更好的视频信号。
本发明可通过在第一栅电极204的大部分之下、以及在比形成光电转换元件101的第二半导体区域202更接近主表面212的深度中布置具有较高的浓度的第一导电类型的第四半导体区域205，提高传送效率。并且，第一栅电极204的电压值而不是光电转换元件101的表面上的第二导电类型的第二半导体区域203的电压值被控制，由此抑制暗电流。而且，传送效率高，并且，用于传送电荷的在传送电荷时向第二栅电极供给的电压可以是低的，因此，即使给予第四半导体区域205较高的浓度，也可将驱动电压设置在CMOS处理中所使用的电压范围内。作为结果，也可增加饱和信号的数量。
如上所述，虽然参照具体的实施例描述了本发明，但是，本发明不应限于这些实施例。只要不背离本发明的精神和范围，就可以适当地进行修改和组合。例如，在实施例中，信号电荷被描述为电子，但是，它可以是空穴。在这种情况下，各半导体区域仅具有相反的导电类型，并且，供给的电压也具有相反的极性。此外，向第一栅电极和第二栅电极供给的低电平的电压为负电压，但是它可以是正电压。
并且，控制信号
Figure BPA00001252732300191
的低电平不应限于-1V，并且，可以在第一栅电极204下面蓄积空穴。控制信号
Figure BPA00001252732300192
和控制信号的低电平可以在电气上使光电转换元件101与第三半导体区域207分离(处于非导通状态)，并且，将低电平设为诸如-1V的电压值可允许充分的分离。并且，可以在第一栅电极204(半导体区域102)下面布置第一半导体区域和第二半导体区域。
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9日提交的日本专利申请No.2008-123439的权益，在此通过参考将其全部内容并入。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种光电转换装置，包括：
具有主表面的半导体基板；
形成光电转换元件的一部分的第一导电类型的第一半导体区域；
层叠于第一半导体区域上并且形成所述光电转换元件的一部分的、与第一导电类型相反的第二导电类型的第二半导体区域；
从所述光电转换元件向其传送信号电荷的第一导电类型的第三半导体区域；
第一导电类型的第四半导体区域，第四半导体区域具有比第一半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度，第四半导体区域被布置在第一和第三半导体区域之间并被布置在第二和第三半导体区域之间，并且，第四半导体区域与第一半导体区域连接，其中第四半导体区域的底部比第一半导体区域的底部更接近所述主表面；
被布置在第四半导体区域之上的第一栅电极，绝缘膜被布置在所述主表面上并被布置在第一栅电极和第四半导体区域之间；和
被布置在第三和第四半导体区域之间并被布置在所述绝缘膜之上的第二栅电极。
2.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
包含第一和第二半导体区域的多个光电转换元件中的每一个被布置，
所述多个光电转换元件中的每一个被与多个第四半导体区域中的每一个对应地布置，并且，
多个第一栅电极被布置并共同连接到控制线。
3.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
包含第一和第二半导体区域的多个光电转换元件中的每一个被布置，
所述多个光电转换元件中的每一个被与多个第四半导体区域中的每一个对应地布置，并且，
第一栅电极经多个第四半导体区域被连续地布置。
4.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
第一像素和第二像素分别具有第一、第二和第四半导体区域以及第一和第二栅电极，以使得第二像素的第四半导体区域被布置在第一像素的第四和第三半导体区域之间，并且，
其中，所述多个像素具有共同的第三半导体区域。
5.根据权利要求4的光电转换装置，其中，
第一像素的信号电荷通过第二像素的第四半导体区域被传送到第三半导体区域。
6.一种成像系统，包括：
根据权利要求1的光电转换装置；和
用于处理从所述光电转换装置输出的信号的信号处理电路。
7.一种根据权利要求1的光电转换装置的驱动方法，其中，
至少当在所述光电转换元件中蓄积信号电荷时的周期期间，向第一栅电极供给用于在第四半导体区域中蓄积极性与所述信号电荷的极性相反的电荷载流子的电压。
8.根据权利要求7的驱动方法，其中，
第二栅电极被供给用于在第三和第四半导体区域之间进行电气断开的电压，并且，用于在第三和第四半导体区域之间设定电气断开的电压的值处于被供给到第一栅电极的用于在第四半导体区域中蓄积极性与所述信号电荷的极性相反的电荷的电压的值和用于在第三和第四半导体区域之间进行电气连接的电压的值之间。
9.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
第四半导体区域的底部被布置为比第三半导体区域的底部更接近所述主表面。
10.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
第一和第二栅电极分别与不同的驱动布线连接。

Claims (12)

1.一种光电转换装置，包括：
具有主表面的半导体基板；
形成光电转换元件的一部分的第一导电类型的第一半导体区域；
层叠于第一半导体区域上并且形成所述光电转换元件的一部分的、与第一导电类型相反的第二导电类型的第二半导体区域；
从所述光电转换元件向其传送信号电荷的第一导电类型的第三半导体区域；
第一导电类型的第四半导体区域，第四半导体区域具有比第一半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度，第四半导体区域被布置在第一和第三半导体区域之间并被布置在第二和第三半导体区域之间，第四半导体区域被布置为比第一半导体区域更接近所述主表面，并且，第四半导体区域与第一半导体区域连接；
被布置在第四半导体区域之上的第一栅电极，绝缘膜被布置在所述主表面上并被布置在第一栅电极和第四半导体区域之间；和
被布置在第三和第四半导体区域之间并被布置在所述绝缘膜之上的第二栅电极。
2.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
包含第一和第二半导体区域的多个光电转换元件中的每一个被布置，
所述多个光电转换元件中的每一个被与多个第四半导体区域中的每一个对应地布置，并且，
多个第一栅电极被布置并共同连接到控制线。
3.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
包含第一和第二半导体区域的多个光电转换元件中的每一个被布置，
所述多个光电转换元件中的每一个被与多个第四半导体区域中的每一个对应地布置，并且，
第一栅电极经多个第四半导体区域被连续地布置。
4.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
第一像素和第二像素中的每一个具有第二和第四半导体区域以及第一和第二栅电极，以使得第二像素的第四半导体区域被布置在第一像素的第四和第三半导体区域之间，并且，
其中，所述多个像素具有共同的第三半导体区域。
5.根据权利要求4的光电转换装置，其中，
第一像素的信号电荷通过第二像素的第四半导体区域被传送到第三半导体区域。
6.一种成像系统，包括：
根据权利要求1的光电转换装置；和
用于处理从所述光电转换装置输出的信号的信号处理电路。
7.一种根据权利要求1的光电转换装置的驱动方法，其中，
至少当在所述光电转换元件中蓄积信号电荷时的周期期间，向第一栅电极供给用于在第四半导体区域中蓄积极性与所述信号电荷的极性相反的电荷载流子的电压。
8.根据权利要求7的驱动方法，其中，
第二栅电极被供给用于使第三和第四半导体区域之间进行电气断开的电压，并且，用于在第三和第四半导体区域之间设定电气断开的电压的值处于被供给到第一栅电极的用于在第四半导体区域中蓄积极性与所述信号电荷的极性相反的电荷的电压的值和用于在第三和第四半导体区域之间进行电气连接的电压的值之间。
9.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
第四半导体区域被布置为比第三半导体区域更接近所述主表面。
10.根据权利要求1的光电转换装置，其中，
第一和第二栅电极分别与不同的驱动布线连接。
11.根据权利要求1的光电转换装置，还包括：
至少在第二栅电极侧被布置在第四半导体区域下面的第二导电类型的半导体区域。
12.根据权利要求11的光电转换装置，其中，
通过使用与用于形成第四半导体区域的掩模相同的掩模形成所述被布置在第四半导体区域下面的第二导电类型的半导体区域。
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