CN105321969B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体装置。该半导体装置功耗降低，该半导体装置包括具有像素的固态成像装置，每个像素都具有多个光接收元件。具有第一和第二光电二极管的像素提供有：第一传输晶体管，其将第一光电二极管中的电荷传输到浮置扩散电容部，和第二传输晶体管，其组合第一光电二极中的电荷和第二光电二极中的电荷，并将组合的电荷传输到浮置扩散电容部。因此，该半导体装置在诸如通过固态成像装置成像的操作中降低了激活每个传输晶体管所需的电力。

Description

半导体装置
相关申请的交叉参考
2014年6月5日提出的日本专利申请No.2014-116381的公开，包括说明书、附图和摘要，全部作为参考并入本文。
技术领域
本发明涉及一种半导体装置，具体地，涉及一种有效应用于包括固态成像装置的半导体装置的技术。
背景技术
为了用数码摄像机得到高质量视频成像，应该快速且准确地执行自动对焦检测。最近，开发了一种数码摄像机，其使用了包括每个都有两个光电转换单元的多个像素的固态成像装置，并用图像平面的相位差检测法执行自动对焦调整。
日本未经审查的专利申请公开No.2013-106194、2008-193527和2013-041890都描述了包括其中每个都有两个光电二极管的像素的固态成像装置。在这种固态成像装置中，在两个光电二极管之间提供的栅电极不是用于读出每个光电二极管中的电荷的传输晶体管的部件。
发明内容
为了实现长视频成像，处理视频图像的大量数据必定会消耗电力，且必须稳定地提供对应的电力。为了实现这种稳定的电力供应，应该减少整个摄像机系统的功耗。
当在像素中提供多个光电二极管作为光电转换单元时，且当从每个光电二极管传输经由成像获得的电荷时，可能要使像素中的邻近每个光电二极管的传输晶体管导通。在这种情况下，由于必须使与光电二极管对应的传输晶体管中的每一个导通，所以将电位供应到每个传输晶体管的栅电极，这不利地增加了用于成像操作的功耗。
由该说明书和附图的描述，其它目的和新的特征将变得清楚。
在本文公开的实施例中，一个典型实例简略概述如下。
根据该发明的实施例，提供一种半导体装置，包括固态成像装置，固态成像装置包括像素，每个像素包括：第一光电二极管和第二光电二极管；第一传输晶体管，其将第一光电二极管中的电荷传输到浮置扩散电容部；和第二传输晶体管，其组合第一光电二极中的电荷和第二光电二极中的电荷，并将组合的电荷传输到浮置扩散电容部。
根据本文公开的该发明的实施例，能够改善半导体装置的性能。尤其是，能够降低固态成像装置的电力。
附图说明
图1是示例该发明第一实施例的半导体装置的配置的示意图。
图2是示例该发明第一实施例的半导体装置的电路图。
图3示出了示例该发明第一实施例的半导体装置的平面布局。
图4是沿图3的线A-A的截面图。
图5示出了示例该发明第二实施例的半导体装置的平面布局。
图6是沿图5的线B-B的截面图。
图7是示例比较实例的半导体装置的电路图。
图8示出了示例比较实例的半导体装置的平面布局。
具体实施方式
在下文中，参考附图将详细描述该发明的一些实施例。在示例下面实施例的所有图中，具有相同功能的部件用相同的数字标示，并省略了重复描述。在下面的实施例中，除了特别需要的情况以外，将不重复描述相等或类似的部分。
第一实施例
现在参考图1至4将描述第一实施例的半导体装置。第一实施例的半导体装置涉及一种固态成像装置，具体地，包括其中每个都有多个光电二极管的像素的固态成像装置。
图1是示例第一实施例的固态成像装置的配置的示意图。作为该实施例的半导体装置的固态成像装置是互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器，如图1所示，其包括像素阵列部PEA、读出电路CC1和CC2、输出电路OC、行选择电路RC、控制电路COC和存储器电路MC。
像素阵列部PEA包括以矩阵方式布置的多个像素PE。具体地，像素PE在用于配置固态成像装置的半导体衬底的顶面上以X-和Y-轴方向布置。每个像素PE的外围都用元件隔离区(元件隔离结构)包围。图1示例的X-轴方向沿着用于配置固态成像装置的半导体衬底的主表面，同时沿着其中布置像素PE的行方向。Y-轴方向沿着半导体衬底的主表面并垂直于X-轴方向，同时沿着其中布置像素PE的列方向。换句话说，像素PE以矩阵方式布置。
像素PE中的每一个都会产生具有对应于施加光强度水平的信号。行选择电路RC选择行中的多个像素PE。由行选择电路RC选择的像素PE中的每一个向随后描述的输出线OL(参照图2)输出产生的信号。读出电路CC1和CC2在像素阵列部PEA在其间的情况下在Y-轴方向上彼此相对地布置。读出电路CC1和CC2中的每一个读出从每个像素PE输出到输出线OL的信号，并将该信号发送到输出电路OC。存储器电路MC是暂时存储从输出线OL输出的信号的存储部。
读出电路CC1从接近读出电路CC1一侧的一半像素PE读出信号，并且读出电路CC2从接近读出电路CC2一侧的另一半像素PE读出信号。输出电路OC通过读出电路CC1和CC2接收从像素PE读出的信号，并将该信号输出到固态成像装置的外部。控制电路COC通常管理固态成像装置的总体操作，并控制固态成像装置的任何其它部件的操作。为了测量两个光电二极管各自输出的电荷的大小，存储器电路MC存储从像素PE中的两个光电二极管中的一个光电二极管输出的信号。
图2示出了一个像素的电路图。图1示例的像素PE中的每一个都有图2示例的电路。如图2所示，像素具有各自执行光电转换的光电二极管PD1和PD2、传输在光电二极管PD1中产生的电荷的传输晶体管TX1，和传输在光电二极管PD1和PD2中的每一个中产生的电荷的传输晶体管TX2。像素还具有存储从传输晶体管TX1和TX2传输的电荷的浮置扩散电容部FD，和放大浮置扩散电容部FD的电位的放大器晶体管AMI。像素进一步包括：选择晶体管SEL，其选择是否将由放大器晶体管AMI放大的电位输出到耦合至读出电路CC1和CC2中一个的输出线OL(参照图1)；和重置晶体管RST，其使光电二极管PD1和PD2的阴极的电位和浮置扩散电容部FD的电位初始化为预定电位。传输晶体管TX1和TX2、重置晶体管RST、放大器晶体管AMI和选择晶体管SEL例如都是N MOS晶体管。
光电二极管PD1和PD2中的每一个的阳极都接收接地电位作为负电源电位。光电二极管PD2的阴极耦合传输晶体管TX2的源极。光电二极管PD1的阴极耦合到传输晶体管TX1和TX2中的每一个的源极。浮置扩散电容部FD耦合到传输晶体管TX1和TX2中的每一个的漏极、重置晶体管RST的源极和放大器晶体管AMI的栅极。
重置晶体管RST的漏极和放大器晶体管AMI的漏极都接收正电源电位VCC。放大器晶体管AMI的源极耦合到选择晶体管SEL的漏极。选择晶体管SEL的源极耦合到耦合至读出电路CC1和CC2中一个的输出线OL。
传输晶体管TX2包括：传输晶体管TX3，其具有包括光电二极管PD1的源极区和包括浮置扩散电容部FD的漏极区；和传输晶体管TX4，其具有包括光电二极管PD2的源极区和包括浮置扩散电容部FD的漏极区。换句话说，传输晶体管TX3和TX4共用它们的栅电极和漏极区。
换句话说，光电二极管PD2经由传输晶体管TX2，具体地经由传输晶体管TX4，耦合到浮置扩散电容部FD。另一方面，光电二极管PD1经由传输晶体管TX1并经由传输晶体管TX2，具体地经由传输晶体管TX3，耦合到浮置扩散电容部FD。换句话说，传输晶体管TX1和TX2并联地耦合在光电二极管PD1和浮置扩散电容部FD之间。
传输晶体管TX3和TX4的栅电极彼此电耦合。因此，当向传输晶体管TX2的栅电极施加向栅电极供电的预定电压时，传输晶体管TX3和TX4两者都会导通。因此，当传输晶体管TX2导通时，就会组合在光电二极管PD1中产生的电荷和在光电二极管PD2中产生的电荷，并将组合的电荷传输到浮置扩散电容部FD。具体地，传输晶体管TX2是使在光电二极管PD1中产生的电荷和在光电二极管PD2中产生的电荷组合，即相加，并将组合的电荷传输到浮置扩散电容部FD的元件。
如果传输晶体管TX2没有导通，则不能将光电二极管PD2中的电荷传输到浮置扩散电容部FD。另一方面，如果传输晶体管TX1和TX2中的一个导通，就能将光电二极管PD1中的电荷传输到浮置扩散电容部FD。因此，通过只导通传输晶体管TX2，可以读出光电二极管PD1中的电荷和光电二极管PD2中的电荷。因此，光电二极管PD1和PD2中的每一个的电荷被初始化，即重置。
图3示出了像素PE的平面布局。图4示出了沿图3的线A-A的截面图。图3以放大的方式示出了示例图1所示的像素阵列部PEA的一个像素PE的平面布局。在省略其上提供的其它部件，诸如层间绝缘膜、互连和微透镜的同时，图3示出了光电二极管和它的外围部件，诸如晶体管。
如图3所示，像素PE的大部分面积被其中具有光电二极管PD1和PD2的光接收部占用。在光接收部的周围布置多个外围晶体管和衬底接触部SC。元件隔离区EI包围着光接收部的有源区、外围晶体管和衬底接触部SC中的每一个的外围。本文描述的外围晶体管是指重置晶体管RST、放大器晶体管AMI和选择晶体管SEL。
光接收部的有源区AR在平面图中具有接近矩形的形状。在有源区AR中，光电二极管PD1和PD2在X-轴方向上并排布置。提供彼此分离的光电二极管PD1和PD2，每个在平面图中都具有矩形形状。
在X-轴方向上延伸的同一有源区中，沿着光接收部的有源区AR的第一边提供外围晶体管。沿着有源区AR的离外围晶体管较远的第二边，提供具有包括有源区AR中的光电二极管PD1的源极区的传输晶体管TX1，和具有包括有源区AR中的光电二极管PD2的源极区的传输晶体管TX2。
外围晶体管每个都具有在Y-轴方向上延伸的栅电极GE。传输晶体管TX1具有在X-轴方向上延伸的栅电极GE1。传输晶体管TX2具有在X-轴方向上延伸的栅电极GE2。栅电极GE、GE1和GE2例如由多晶硅构成，并且在未描述的栅绝缘膜位于其间的情况下被提供在半导体衬底上。栅电极GE1和GE2相互隔开。在栅电极GE1邻近具有矩形平面布局的光电二极管PD1的一边的同时，栅电极GE2从光电二极管PD1的一边延伸到具有矩形平面布局的光电二极管PD2的一边，同时邻近这些边。
传输晶体管TX2很可能会包括具有包括光电二极管PD1的源极区的传输晶体管TX3，和具有包括光电二极管PD2的源极区的传输晶体管TX4。由于传输晶体管TX3和TX4共用一个栅电极GE2，所以通过向栅电极GE2供电使它们一起导通。当传输晶体管TX2导通时，传输晶体管TX3将使在光电二极管PD1中产生的电荷L1传输到浮置扩散电容部FD，并且传输晶体管TX4将在光电二极管PD2中产生的电荷R1传输到浮置扩散电容部FD。
浮置扩散电容部FD是充当传输晶体管TX1、TX2、TX3和TX4中的每一个的漏极区的半导体区，且被提供在有源区AR中。浮置扩散电容部FD电浮置；因此，当不激活重置晶体管RST时，浮置扩散电容部FD保持其中积累的电荷。
在其中具有外围晶体管的有源区中，重置晶体管RST、放大器晶体管AMI和选择晶体管SEL在X-轴方向上以该顺序布置。重置晶体管RST和放大器晶体管AMI共用各自的漏极区。重置晶体管RST的源极区耦合到传输晶体管TX1和TX2中的每一个的漏极区，即，耦合到浮置扩散电容部FD。放大器晶体管AMI的源极区起着选择晶体管SEL的漏极区的作用。选择晶体管SEL的源极区耦合到参考图2描述的输出线OL。
传输晶体管TX1和TX2中的每一个的漏极区、选择晶体管SEL的源极区、重置晶体管RST的源极区和放大器晶体管AMI的漏极区每个都是提供在半导体衬底的主表面上的N+半导体区，衬底接触部SC是提供在半导体衬底的主表面上的P+半导体区。接触插塞CP耦合到半导体区中的每一个的顶部。接触插塞CP还耦合到栅电极GE、GE1和GE2中的每一个的顶部。
衬底接触部SC是接收接地电位GND(参照图2)的半导体区，并通过将半导体衬底的顶部部分中的阱的电位固定为0V来防止各个外围晶体管的阈值电压波动。
在作为光接收部的有源区域AR中，在X-轴方向上布置的光电二极管PD1(第一光接收元件)和光电二极管PD2(第二光接收元件)，都是在Y-轴方向上延伸的半导体元件。具体地，光电二极管PD1和PD2中的每一个都具有沿Y-轴方向的纵向方向。
如后面描述的，光电二极管PD1由提供在半导体衬底的主表面上的N-半导体区N1和作为P半导体区的阱区WL构成。类似地，光电二极管PD2由提供在半导体衬底的主表面上的N-半导体区N2和阱区WL构成。作为图3所示的光接收元件的光电二极管PD1和PD2很可能会分别提供在N-半导体区N1和N2的形成区域中。在有源区AR中，P-阱区WL提供在具有N-半导体区N1和N2的区域中的每一个周围。
在平面图中，有源区AR具有接近矩形的形状。矩形的四个边中的每个边都有在其延伸的端部相互耦合的两个突起。具体地，有源区AR具有包括这种突起和光接收部的矩形图案的环状平面布局。元件隔离区EI提供在环状平面布局的内部。各突起具有传输晶体管TX1和TX2的漏极区。具体地，传输晶体管TX1和TX2共用浮置扩散电容部FD作为各个传输晶体管的漏极区。各栅电极GE1和GE2跨越两个突起布置。
当输出捕获的图像时，来自像素中的两个光电二极管的信号(电荷)被组合并以信号的形式输出。这使得能够产生类似于由包括每个都有一个光电二极管的多个像素的固态成像装置产生的图像质量的图像。
图4示出了沿在一个像素PE中布置光电二极管PD1和PD2(参照图3)的方向的截面图。图4的截面图省略了堆叠在半导体衬底SB上的层间绝缘膜之间的边界线。如图4所示，P-阱区WL提供在包括N单晶硅的半导体衬底SB的顶部部分中。元件隔离区EI提供在阱区WL上以从其它有源区划分有源区AR。元件隔离区EI例如由氧化硅膜构成，并嵌入在提供在半导体衬底SB的顶部上的沟槽中。
N-半导体区N1和N2分离地提供在阱区WL的顶部部分中。与N-半导体区N1形成PN结的阱区WL的部分起着光电二极管PD1的阳极的作用。与N-半导体区N2形成PN结的阱区WL的部分起着光电二极管PD2的阳极的作用。N-半导体区N1和N2提供在元件隔离区EI跨越其定位的有源区AR中。
这样，提供在像素中的有源区AR中具有包括N-半导体区N1和阱区WL的光电二极管PD1和包括N-半导体区N2和阱区WL的光电二极管PD2。在该有源区AR中，光电二极管PD1和PD2跨越其中在半导体衬底SB的顶面上暴露阱区WL的区域并排布置。
N-半导体区N1和N2中的每一个都具有小于阱区WL深度的深度。在半导体衬底SB的顶部上用元件隔离区EI填充的沟槽具有小于N-半导体区N1和N2中的每一个的深度的深度。
在半导体衬底SB上面提供层间绝缘膜IF，同时覆盖元件隔离区EI和光电二极管PD1和PD2。层间绝缘膜IF是包括多层绝缘膜的堆叠膜。在层间绝缘膜IF中堆叠多个互连层，并在底部互连层中提供用层间绝缘膜IF覆盖的互连M1。在层间绝缘膜IF位于其间的情况下，在互连M1上面提供互连M2；并在层间绝缘膜IF位于其间的情况下，在互连M2上面提供互连M3。在层间绝缘膜IF的顶部部分中提供滤色镜CF，并在滤色镜CF上提供微透镜ML。在固态成像装置的操作期间，光经由微透镜ML和滤色镜CF施加于光电二极管PD1和PD2。
互连不直接提供在其中具有光电二极管PD1和PD2的有源区AR上方。因此，经由微透镜ML进入的光不会被互连挡住，确保施加于作为像素的光接收部的光电二极管PD1和PD2。另一方面，互连M1至M3布置在不同于有源区AR的区域中，这防止了光电转换发生在具有诸如外围晶体管的部件的有源区中。
现在参考图2将主要描述作为第一实施例的半导体装置的固态成像装置的操作。固态成像装置的操作包括成像操作和自动对焦操作。
现在将描述像素成像操作。首先，将预定电位施加于传输晶体管TX2和重置晶体管RST中的每一个的栅电极以导通两个晶体管。这使得在光电二极管PD1和PD2中的每一个中保持的电荷和在浮置扩散电容部FD中积累的电荷能够流向正侧电源电位VCC，以使光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷和浮置扩散电容部FD中的电荷被初始化。随后，重置晶体管RST截止。
随后，将入射光施加于光电二极管PD1和PD2中的每一个的PN结，在每个二极管中产生光电转换。结果，在光电二极管PD1中产生了电荷L1，在光电二极管PD2中产生了电荷L2。这样，光电二极管PD1和PD2每个都是其中经由光电转换产生对应于入射光的光量的电荷信号的光接收元件，即，光电转换元件。
随后，将这种电荷传输到浮置扩散电容部FD。在成像操作中，像素PE中的两个光电二极管PD1和PD2操作以起光电转换部的作用；因此，光电二极管PD1中的电荷和光电二极管PD2中的电荷被组合并读出为信号。换句话说，在成像操作中，将两个光电二极管PD1和PD2产生的电荷信号相加并获取为一个像素数据。
因此，没有必要分别读出光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷。具体地，在传输晶体管TX1保持截止时，传输晶体管TX2导通，从而将该电荷传输到浮置扩散电容部FD。因此，浮置扩散电容部FD积累从光电二极管PD1和PD2传输的电荷。这引起了浮置扩散电容部FD的电位的变化。
现在将具体描述电荷组合的过程。首先，当光电二极管PD1存储电荷L1且光电二极管PD2存储电荷R1时，向栅电极GE2施加电压以使传输晶体TX2导通。因此，电荷L1和电荷R1在栅电极GE2正下方的半导体衬底的主表面中感应的沟道中组合。随后，组合的电荷L1+R1被传输到浮置扩散电容部FD。
随后，使选择晶体管SEL导通，并用放大器晶体管AMI放大浮置扩散电容部FD的变化的电位，从而将对应于浮置扩散电容部FD的电位变化的电信号输出到输出线OL。换句话说，激活选择晶体管SEL，因此外部输出由放大器晶体管AMI输出的电信号。读出电路CC1和CC2(参照图1)中的一个读出输出线OL的这种电位。
现在将描述在图像平面相位差自动对焦期间的像素操作。作为第一实施例的半导体装置的固态成像装置包括每个有多个光电转换部(例如，光电二极管)的像素。这样，像素在其中具有多个光电二极管。这是因为当将这种固态成像装置用于例如具有图像平面相位差自动对焦检测系统的数码摄像机时，能够更快且更准确地对焦。
这种数码摄像机基于由像素中的一个光电二极管检测的信号和由另一个光电二极管检测的信号之间的偏移水平，即基于相位差，计算对焦所需移动透镜的距离，因此能够快速对焦。提供在像素中的多个光电二极管会导致在固态成像装置中的大量小的光电二极管，因此能够更准确地自动对焦。因此，当执行自动对焦时，与成像操作不同，必须分别读出像素中的光电二极管中的每一个产生的电荷。
在自动对焦操作中，首先，向传输晶体管TX2和重置晶体管RST的中的每一个的栅电极提供预定电位，以使两个晶体管导通。这引起了光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷和浮置扩散电容部FD中的电荷的初始化。随后，重置晶体管RST截止。
随后，将入射光施加于光电二极管PD1和PD2中的每一个的PN结，在每个二极管中产生光电转换。结果，在光电二极管PD1和PD2中的每一个中产生电荷。假定光电二极管PD1产生电荷L1，光电二极管PD2产生电荷R1。
随后，将电荷L1和电荷R1中的一个传输到浮置扩散电容部FD。传输晶体管TX1首先导通，从而将光电二极管PD1中的电荷L1传输到浮置扩散电容部FD，使得浮置扩散电容部FD的电位改变。随后，使选择晶体管SEL导通，并用放大器晶体管AMI放大浮置扩散电容部FD的变化的电位，然后将放大的电位输出到输出线OL。换句话说，对应于浮置扩散电容部FD的电位变化的电信号被放大器晶体管AMI放大，然后输出。读出电路CC1和CC2(参照图1)中的一个读出输出线OL的电位。将读出的电荷L1，即信号L1，存储在存储器电路MC(参照图1)中。
这时，浮置扩散电容部FD仍保持在光电二极管PD1中产生的电荷L1，因此仍保持变化的电位。另外，仍不传输光电二极管PD2中的电荷R1。
随后，使传输晶体管TX2导通，从而将光电二极管PD2中的电荷R1传输到浮置扩散电容部FD，使得进一步改变浮置扩散电容部FD的电位。当传输晶体管TX2导通时，可以组合并传输光电二极管PD1中的电荷L1和光电二极管PD2中的电荷R1。然而，由于已经传输了光电二极管PD1中的电荷L1，所以只将光电二极管PD2中的电荷R1传输到浮置扩散电容部FD。
因此，浮置扩散电容部FD积累该电荷作为先前积累的来自光电二极管PD1的电荷L1和随后传输的来自光电二极管PD2的电荷R1的组合。换句话说，浮置扩散电容部FD在其中积累了L1+R1的电荷。
随后，使选择晶体管SEL导通，并用放大器晶体管AMI放大浮置扩散电容部FD的变化的电位，然后将放大的电位输出到输出线OL。读出电路CC1和CC2(参照图1)中的一个读出输出线OL的电位。执行下面的计算以由读出电荷L1+R1计算在光电二极管PD2中产生的电荷R1。具体地，从电荷L1+R1的值减去存储在存储器电路MC(参照图1)中的电荷L1的值。因此，可以读出光电二极管PD2中的电荷R1。这种计算例如通过控制电路COC(参照图1)来执行。
随后，在像素阵列部PEA(参照图1)的每个像素PE中，基于由光电二极管PD1和PD2检测的信号L1和R1之间的偏移水平，即基于相位差，计算对焦所需移动透镜的距离，因此执行自动对焦检测。
当如上所述轮流读出光电二极管PD1中的电荷和光电二极管PD2中的电荷时，可以在读出光电二极管PD1中电荷L1之前，读出光电二极管PD2中的电荷R1。
在自动对焦期间的另一个操作中，可能会省略由组合电荷L1+R1计算电荷R1。具体地，首先使传输晶体管TX1导通以便读出并存储电荷L1，然后使重置晶体管RST导通以重置浮置扩散电容部FD。随后使传输晶体管TX2导通，由此可以单独读出光电二极管PD2中的电荷R1。在这种情况下，虽然也必须将电荷L1存储在存储器电路MC(参照图1)中，但是在不用这种计算的情况下可以分别读出电荷L1和电荷R1。
如上所述，传输晶体管TX1和TX2各自在成像操作和自动对焦操作之间不同操作。虽然在自动对焦操作中使传输晶体管TX1和TX2中的每一个导通的步骤是必须的，但在成像操作中应该只使传输晶体管TX2导通。
当将第一实施例的固态成像装置用于数码摄像机时，对每个像素执行上述的成像操作用于静止成像和视频成像。对于视频成像，在成像期间对每个像素执行自动对焦操作。对于静止成像，对焦可通过对每个像素的自动对焦操作来执行，或者在不进行每个像素的自动对焦操作的情况下通过外部自动对焦单元来执行。
现在通过图7和8示例的比较实例，描述第一实施例的半导体装置的效果。图7是示例作为比较实例的半导体装置的部件的像素的电路图。图8示出了示例作为比较实例的半导体装置的部件的像素的平面布局。图8仅示例了在像素PE配置中的光接收部和邻近光接收部的两个传输晶体管。
如图8所示，像素PE的光接收部具有类似于参考图3描述的第一实施例的像素PE的配置，该配置包括具有近似矩形布局的有源区AR、布置在有源区AR中的光电二极管PD1和PD2、以及分别邻近光电二极管PD1和PD2的传输晶体管TX5和TX6。虽然图3示例的像素PE具有包括两个光电二极管PD1和PD2的源极的传输晶体管TX2，但是图7和8示例的比较实例的像素PE不具有这种晶体管。在比较实例中，仅为光电二极管PD1相邻地提供传输晶体管TX5，仅为光电二极管PD2相邻地提供传输晶体管TX6。
如图8所示，传输晶体管TX5和TX6提供在环状有源区AR中，栅电极GE5提供在从有源区AR的矩形部分来看的平面中突出的两个突起中的一个突起的顶部部分中，同时栅电极GE6提供在另一个突起的顶部部分中。栅电极GE5是传输晶体管TX5的部件，栅电极GE6是传输晶体管TX6的部件。栅电极GE5和GE6相互隔开。传输晶体管TX5和TX6不共用各自的栅电极GE5和GE6。因此，栅电极GE5和GE6中的一个导通不会导致同时传输光电二极管PD1中的电荷和光电二极管PD2中的电荷。
如图7所示，只有传输晶体管TX6存在于光电二极管PD2和浮置扩散电容部FD之间。这类似于图2示出的配置，其中只有传输晶体管TX2，即只有传输晶体管TX4存在于光电二极管PD2和浮置扩散电容部FD之间。
另一方面，图7示例的配置与图2示出的配置不同之处在于，只有传输晶体管TX5耦合在光电二极管PD1和浮置扩散电容部FD之间。在图2中，传输晶体管TX2，即传输晶体管TX3，和传输晶体管TX1并联地耦合在光电二极管PD1和浮置扩散电容部FD之间。
具体地，比较实例中的像素PE具有一个传输晶体管，对于每个光电二极管，其具有包括光电二极管的源极区。因此，当传输晶体管TX5导通时，传输光电二极管PD1中的电荷L1，而不传输光电二极管PD2中的电荷R1。类似地，当传输晶体管TX6导通时，传输光电二极管PD2中的电荷R1，而不传输光电二极管PD1中的电荷L1。当一起传输光电二极管PD1中的电荷和光电二极管PD2中的电荷时，必须使传输晶体管TX5和TX6两者导通。
当将图7示出的传输晶体管TX5假定为第一传输部时，在图2示出的电路中可能会提供与第一传输部具有相同功能的传输晶体管TX1。当将图7示出的传输晶体管TX6假定为第二传输部时，在图2示出的电路中可能会提供与第二传输部具有相同功能的传输晶体管TX4。在这种情况下，图2示出的配置与图7示出的配置不同之处在于，提供包括传输晶体管TX3的传输晶体管TX2作为第三传输部。
现在参考图7描述比较实例的固态成像装置的成像操作。首先，将预定电位施加于传输晶体管TX5和TX6和重置晶体管RST的栅电极中的每一个以使这些晶体管导通。这会导致各个光电二极管PD1和PD2中的电荷和浮置扩散电容部FD中的电荷的初始化。随后，重置晶体管RST截止。在参考图2描述的配置中，通过仅使传输晶体管TX2导通，可以一起重置两个光电二极管PD1和PD2。然而在图7的配置中，如果不使两个传输晶体管TX5和TX6一起导通，就不能一起重置两个光电二极管PD1和PD2。
随后，将入射光施加于光电二极管PD1和PD2中的每一个的PN结，在每个二极管中产生光电转换。结果，在光电二极管PD1和PD2中分别产生了电荷L1和电荷L2。
随后，将电荷L1和电荷R1传输到浮置扩散电容部FD。这时，传输晶体管TX5和TX6一起导通，从而将光电二极管PD1中的电荷L1和光电二极管PD2中的电荷R1一起传输到浮置扩散电容部FD，使得改变传输到浮置扩散电容部FD的电位。在参考图2描述的配置中，通过仅使传输晶体管TX2导通，可以一起传输两个光电二极管PD1和PD2的电位。然而，在图7的配置中，如果不使两个传输晶体管TX5和TX6一起导通，就不能一起传输两个光电二极管PD1和PD2的电位。
随后，使选择晶体管SEL导通，并用放大器晶体管AMI放大浮置扩散电容部FD的变化的电位，然后将放大的电位输出到输出线OL。读出电路CC1和CC2(参照图1)中的一个读出输出线OL的电位。
现在参考图7描述在图像平面相位差自动对焦期间的像素操作。首先，将预定电位施加于传输晶体管TX5和TX6和重置晶体管RST中的每一个的栅电极以使这些晶体管导通。这会导致光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷和浮置扩散电容部FD中的电荷的初始化。随后，重置晶体管RST截止。为了一起重置两个光电二极管PD1和PD2，必须使两个传输晶体管TX5和TX6一起导通。
随后，将入射光施加于各个光电二极管PD1和PD2的PN结，在每个二极管中产生光电转换。结果，在光电二极管PD1和PD2中分别产生了电荷L1和电荷L2。
随后，将电荷L1和电荷R1中的一个传输到浮置扩散电容部FD。首先，使传输晶体管TX5导通，从而将光电二极管PD1中的电荷L1传输到浮置扩散电容部FD。随后，通过选择晶体管SEL和放大器晶体管AMI将放大的电位输出到输出线OL。读出电路CC1和CC2(参照图1)中的一个读出输出线OL的电位。将读出的电荷L1，即信号L1，存储在存储器电路MC(参照图1)中。
随后，使传输晶体管TX6导通，从而将光电二极管PD2中的电荷R1传输到浮置扩散电容部FD，以进一步改变浮置扩散电容部FD的电位。因此，浮置扩散电容部FD积累该电荷作为先前积累的来自光电二极管PD1的电荷L1和随后传输的来自光电二极管PD2的电荷R1的组合。换句话说，浮置扩散电容部FD在其中积累L1+R1的电荷。随后，通过类似于参考图2描述的计算过程的减法计算电荷R1。因此，可以分别读出光电二极管PD1中的电荷L1和光电二极管PD2中的电荷R1。
随后，在像素阵列部PEA(参照图1)的每个像素PE中，基于由光电二极管PD1和PD2检测的信号L1和R1之间的偏移水平，即基于相位差，计算对焦所需移动透镜的距离，因此执行自动对焦检测。
如上所述，为了首次重置并初始化在光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷，必须以使两个传输晶体管TX5和TX6一起导通的方式，执行比较实例的成像操作和自动对焦操作。在比较实例的成像操作中，如果不使两个传输晶体管TX5和TX6一起导通，就不能一起传输两个光电二极管PD1和PD2的电位。
因此，比较实例的固态成像装置执行重置操作和传输来自光电二极管的电荷的操作用于成像，在每个操作中必须将电位施加于两个栅电极GE5和GE6中的每一个以使两个传输晶体管TX5和TX6一起导通。因此，为了重置和传输一起激活两个传输晶体管，这增加了激活固态成像装置的功耗。为了连续成像操作的视频成像，必须特别地减少功耗。然而，如果像比较实例一样将电位施加于多个传输晶体管中的每一个，将会不利地增加功耗。
浮置扩散电容部FD的电容的增加会导致从像素输出的信号的噪声增加。因此，从降低噪声的角度来看，应该减小浮置扩散电容部FD的电容。比较实例的半导体装置在传输晶体管TX5和TX6之间具有相对大的距离，由此产生了浮置扩散电容部FD的相对大的面积。因此，在比较实例中，浮置扩散电容部FD具有相对大的电容，这不利地增加了像素PE中的噪声。
相反，图2示例的第一实施例的半导体装置执行成像操作和自动对焦操作，在每个操作中，在传输晶体管TX1没有导通的情况下，通过使传输晶体TX2和重置晶体管RST导通来重置并初始化光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷。
在成像操作中，使传输晶体管TX2导通，同时使传输晶体管TX1保持截止，由此可一起传输光电二极管PD1和PD2的电荷L1和电荷R1，并在浮置扩散电容部FD中组合它们。因此可以在不激活像素中的所有传输晶体管的情况下执行这种操作，这使得能够减少激活半导体装置的功耗。因此，能够改善半导体装置的性能。
如图3所示，在平面图中，传输晶体管TX2从光电二极管PD1一边延伸到光电二极管PD2一边，使传输晶体管TX1和TX2之间的距离相对较小。因此，与比较实例相比，在充当传输晶体管TX1和TX2的公共漏极区的半导体区的平面图中，能够减小面积。浮置扩散电容部FD是保持在该半导体区中积累的电荷的部分。因此，通过减小该半导体区的面积能够减少在浮置扩散电容部FD中积累的电荷的容量。这使得能够减少像素PE中的噪声。因此，能够改善半导体装置的性能。
通过具有包括P阱区的阳极和包括作为N-半导体区的扩散层的阴极的光电二极管，描述了第一实施例。然而，在以下固态成像装置中，可以无限地展示类似的效果，该固态成像装置具有包括N阱和在N阱中的P扩散层的光电二极管，或者包括N阱和P-扩散层的光电二极管，在它们中的每一个上都提供了与像素阱的导电类型相同的扩散层。
第二实施例
参考图5和6描述了关于被配置为在布置在像素中的两个光电二极管之间提供传输晶体管的栅电极的半导体装置的第二实施例。图5示出了示例第二实施例的半导体装置的平面布局。图6是沿图5的线B-B的截面图。图5仅示出了在像素PE的配置中的光接收部和邻近光接收部的两个传输晶体管。
图5示例的第二实施例的像素PE具有基本类似于图3示例的第一实施例的像素PE的配置。然而，图5的像素PE与第一实施例的像素PE不同之处在于，作为传输晶体管TX2的部件的栅电极GE3的一部分在光电二极管PD1和PD2之间的Y-轴方向上延伸。
如图5所示，在像素PE的有源区AR中，光电二极管PD1和PD2在X-轴方向上并排布置。跨越阱区WL分离地提供光电二极管PD1和PD2，并且在未描述的栅绝缘膜位于其间的情况下，在光电二极管PD1和PD2之间的半导体衬底上提供栅电极GE3的一部分。换句话说，提供栅电极GE3以使光电二极管PD1和PD2在平面图中相互隔开。
传输晶体管TX2的栅电极GE3在平面图中具有以下形状：在X-轴方向上，即在布置光电二极管PD1和PD2的方向上延伸的第一图案，和在Y-轴方向上，即在光电二极管PD1和PD2延伸的方向上，从第一图案在X-轴方向上的中心延伸的第二图案的组合。栅电极GE3的在X-轴方向上延伸的第一图案与图3示例的栅电极GE2一样邻近光电二极管PD1和PD2中的每一个的边延伸。栅电极GE3的在Y-轴方向上延伸的第二图案在平面图中布置在光电二极管PD1和PD2之间。换句话说，在平面图中，栅电极GE3具有T-形状。
用于配置光电二极管PD1的N-半导体区N1在平面图中与栅电极GE3部分重叠。类似地，用于配置光电二极管PD2的N-半导体区N2在平面图中与栅电极GE3部分重叠。图5用虚线示出了在栅电极GE3正下方的半导体区N1和N2中的每一个与阱区WL之间的边界线。图5用虚线进一步示出了在平面图中光电二极管PD1与栅电极GE重叠的区域中的光电二极管PD1的轮廓。
如图6所示，像素PE在其中布置光电二极管PD1和PD2的方向上，具有基本类似于图4示例的第一实施例的截面构造。然而，如图6所示，该截面构造与第一实施例不同之处在于，栅电极GE3在栅极绝缘膜CF位于其间的情况下提供在光电二极管PD1和PD2之间的半导体衬底上。
如图5和6所示，在像素PE中彼此相邻的光电二极管PD1和PD2之间存在距离X1。如图5所示，存在与有源区AR的一部分对应的、传输晶体管TX2的漏极区的宽度X2，其对应于构成靠近栅电极GE3的、用于构成浮置扩散电容部FD的半导体区在X-轴方向上的宽度。
距离X1小于第一实施例的对应区域中的光电二极管PD1和PD2之间的距离(参照图3)。这是因为，当为了形成N-半导体区N1和N2，通过离子注入将杂质离子垂直注入到半导体衬底的主表面中时，通过在Y方向上延伸的栅电极GE3作为掩膜以自动对准的方式形成N-半导体区N1和N2。
具体地，由于图3示例的配置在光电二极管PD1和PD2之间没有栅电极，所以通过在光刻胶膜作为掩膜的情况下由离子注入在规定的位置处形成光电二极管PD1和PD2的相对边。由于用作离子注入掩膜的光刻胶膜不太可能被形成为窄图案，所以在光电二极管PD1和PD2之间存在相对大的间隔。
另一方面，容易以比用作离子注入掩膜的光刻胶膜的宽度小的宽度形成用于图案化图5所示的栅电极GE3的光刻胶膜。因此，能够比用作离子注入掩膜的光刻胶膜的宽度小的宽度薄地形成栅电极GE3。因此，可以通过栅电极GE3作为掩膜以自动对准方式形成N-半导体区N1和N2。这允许在像素PE中彼此相对的光电二极管PD1和PD2之间有小的距离X1。因此，减小距离X1允许有源区AR中的光电二极管PD1和PD2的面积增加。
通常，当光电二极管PD1和PD2的面积小时，且当在固态成像装置操作期间，光电二极管PD1和PD2接收光时，N-半导体区N1和N2中的每一个的内部很容易通过电子饱和；因此曝出亮点(blown-out-highlights)可以很容易地出现在像素形成的图像中。然而，在第二实施例中，由于如上所述可以扩大光电二极管PD1和PD2的面积，所以能防止曝出亮点。即，第二实施例的固态成像装置在光电二极管中可以积累大量的电子。
由于这种固态成像装置能响应相对明亮的光，所以它具有相对高的灵敏度。因此，使用该固态成像装置的数码摄像机能有相对宽的动态范围。因此，第二实施例使得能改善由该固态成像装置捕获的图像的图像质量，因而改善了半导体装置的性能。
此外，用于配置光电二极管PD1和PD2的N-半导体区N1和N2以自动对准的方式形成。这使得能够在期望位置处准确地形成N-半导体区N1和N2而不管光刻的曝光精度。这改善了半导体装置的良率和可靠性。
对于在静止成像期间的读出操作，传输晶体管TX2被激活，即导通。这使得提供在两个光电二极管PD1和PD2之间的栅电极GE3下面的沟道区的电位降低。因此，在栅电极GE3正下方感应的低电位沟道区中，收集并组合在光电二极管PD1和PD2中积累的电子。随后，组合的电子进一步被传导到具有更低电位的浮置扩散电容部FD中。
在第二实施例中，栅电极GE3沿光电二极管PD1和PD2的相对边中的每一个的整个长度延伸。因此，光电二极管PD1和PD2中的每一个在平面图中都沿着比第一实施例的固态成像装置更广阔的跨距与栅电极GE3相接触，这使得能够将电荷传导到更宽的栅极。因此，容易将在光电二极管PD1和PD2中的每一个中产生的电荷传导到形成在栅电极GE3正下方的沟道。这增加了传输部分的宽度，因此能够有效地执行用于成像或自动对焦操作的电荷传输。因此，能够以高速执行电荷读出操作，从而改善半导体装置的性能。
在第二实施例中，将作为传输晶体管TX2的漏极区的宽度的距离X2设计为小于对应于第一实施例的固态成像装置的传输晶体管TX2(参照图3)的宽度。这是因为，图5示例的光电二极管PD1和PD2中的每一个中的电荷能被传导到位于在光电二极管之间的Y-轴方向上延伸的栅电极GE3正下方的沟道区，然后传输出到浮置扩散电容部FD，因此光电二极管PD1和PD2都不必与在X轴方向上延伸的栅电极GE3的部分重叠。
因此，即使存在作为邻近栅电极GE3的在X-轴方向上延伸的部分的传输晶体管TX2的漏极区的宽度的小距离X2，也能防止来自光电二极管PD1和PD2的电荷的传输效率降低。因此可以减小距离X2，使得能够减小用于构成浮置扩散电容部FD的半导体区域的面积。因此，可以减小浮置扩散电容部FD的电容，使得能够减少在像素PE中产生的噪声。因此，可以改善半导体装置的性能。
虽然根据上文中的一些实施例详细地描述了发明人实现的发明，但是该发明不限制于此，且应该意识到，在不偏离本发明的精神的范围内可制造各种变更或改变。
例如，虽然通过在像素中提供两个光电二极管的配置描述了第一和第二实施例，但是在像素中提供的光电二极管的数量可以是大于两个的偶数。例如，当在像素中提供四个光电二极管时，假定提供了两组光接收部，每组包括两个光电二极管，每组光接收部的两个光电二极管可以以与第一或第二实施例的半导体装置相同的方式来配置。
虽然在第一或第二实施例中，从有源区AR的矩形部分的两个突起相互连接，以形成浮置扩散电容部FD，但是构成传输晶体管TX1的漏极的一个突起可以不连接到构成传输晶体管TX2的漏极的另一个突起。在这种情况下，突起通过接触插塞CP和互连相互电耦合，并将每个突起的半导体区用作为浮置扩散电容部FD。

Claims (8)

1.一种半导体装置，包括固态成像装置，所述固态成像装置包括像素，每个像素包括
第一光接收元件和第二光接收元件，所述第一光接收元件和所述第二光接收元件每个都产生与入射光的光量对应的电荷，
第一传输晶体管，所述第一传输晶体管将所述第一光接收元件中的电荷传输到浮置扩散电容部，以及
第二传输晶体管，所述第二传输晶体管组合所述第一光接收元件中的电荷和所述第二光接收元件中的电荷，并将组合的电荷传输到所述浮置扩散电容部。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中，所述第一传输晶体管具有包括所述第一光接收元件的源极和包括所述浮置扩散电容部的漏极，并且
所述第二传输晶体管具有包括所述第一光接收元件和所述第二光接收元件的源极和包括所述浮置扩散电容部的漏极。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中，在使用所述固态成像装置的成像操作中，所述第一光接收元件中的电荷和所述第二光接收元件中的电荷被组合并且被获取作为一个像素数据。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，
其中，在所述成像操作中，激活所述第二传输晶体管，从而组合并且读取所述第一光接收元件中的电荷和所述第二光接收元件中的电荷。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中，所述像素进一步包括
放大器晶体管，所述放大器晶体管输出与所述浮置扩散电容部的电位波动对应的电信号，
重置晶体管，所述重置晶体管将所述浮置扩散电容部的电位重置为预定值，以及
选择晶体管，所述选择晶体管外部地输出由所述放大器晶体管输出的电信号，
其中，激活所述重置晶体管和所述第二传输晶体管，从而所述第一光接收元件中的电荷和所述第二光接收元件中的电荷每个都被初始化。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中，邻近所述第一光接收元件提供作为所述第一传输晶体管的部件的第一栅电极，并且
邻近所述第一光接收元件和所述第二光接收元件两者提供作为所述第二传输晶体管的部件的第二栅电极。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中，作为所述第二传输晶体管的部件的第二栅电极的一部分在平面图中布置在所述第一光接收元件和所述第二光接收元件之间。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，
其中，所述第一传输晶体管和所述第二传输晶体管布置在第一方向上，并且
所述第一光接收元件和所述第二光接收元件之间的所述第二栅电极在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸。
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