CN107924931A - 固态成像装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及可以提高晶体管元件侧上Si界面的面积效率的固态图像拾取装置，和电子设备。PD单元50具有形成为p型的Tr侧Si/SiO2界面，并且具有嵌入的PD。n型的PD执行光电转换，并且聚集电荷。TG将聚集在PD的电荷转移至FD。Amp连接至FD。RST连接至重置漏极(RD)，并且重置FD。FDG是转换效率切换开关。FC是连接到FDG的MOS电容(栅电极)。SEL选择输出信号的像素。本公开可以应用于被用于图像拾取装置例如摄像机的CMOS固态图像拾取装置。

Description

固态成像装置和电子设备
技术领域
本公开涉及一种固态图像拾取装置和电子设备，并且特别地，涉及一种能够提高晶体管元件侧的Si界面的面积效率的固态图像拾取装置，以及电子设备。
背景技术
对于各自具有转换效率切换功能的C-MOS图像传感器，将用于低转换效率的电容安装到没有元件的区域作为结电容、MOS电容或poly/poly电容，并且使用配线电容作为负载。另外地，例如，使用连接至相邻的浮动扩散节点(FD)的方法(参见专利文件1、2)。
引文列表
专利文献
专利文献1：国际公布No.2005/083790
专利文献2：PCT国际申请公布No.2009-506541的日译本
发明内容
本发明要解决的问题
这些方法可能产生下列问题：要求较大的区域；线路的数量增加；并且处理的数量增加。因此，很难以低价增加所需的大电容。
考虑到这种情况设计了本公开，本公开能够提高晶体管元件侧Si界面的面积效率。
问题的解决方案
根据本技术的一个方面的固态图像拾取装置包括：光电二极管；和形成在该光电二极管上的电容。
该电容是形成poly的MOS电容。
该电容是空穴堆积层上的n+电极。
在大部分的曝光时期中，电极的电势可以保持在比实际使用电容时获得的电势更低的电势。
当开始曝光时，施加重置漏极电势，通过作为该电容的重置晶体管将MOS栅极或n+电极设置在低电势，接着，通过断开连接在重置漏电容之间的晶体管，可以将该MOS栅极或该n+电极保持在该低电势。
将光电二极管嵌入基板的深区域，并且可以通过在深度方向上置入间隔将用作电容的部分分离。
在其中光电二极管被两个或者更多个像素共用的像素共用的情况下，将各光电二极管的顶端分配给电容、晶体管或well接触器。
在MOS电容的情况下，MOS栅极下面的Si侧形成为高浓度p型或n型，并且可以使用具有CV特性并且具有令人满意的线性度的区域。
在Si侧是p型的情况下，可以使用p+polySi、PtSi或NiSi作为栅电极。
在Si侧是p型的情况下，可以使用HfO2或Al2O3作为栅极绝缘膜。
在硅侧是n型的情况下，可以使用n+polySi、TaN或TiN作为栅电极。
在Si侧是n型的情况下，可以使用Y2O3或La2O3作为栅极绝缘膜。
对线性进行评价，并且在后续阶段中校正弯曲部分。
记录关于该线性度的信息，该信息用于该校正。
该固态图像拾取装置是背面照射型。
根据本技术的一个方面的电子设备包括：包括光电二极管的固态图像拾取装置，和形成在该光电二极管上的电容；处理从该固态图像拾取装置输出的输出信号的信号处理电路；和将入射光射入该固态图像拾取装置的光学系统。
根据本技术的一个方面，包括：光电二极管；和形成在该光电二极管上的电容。
本发明的效果
根据本技术，可以提高晶体管元件侧上硅界面的面积效率。
请注意，本说明书中描述的效果应该认为仅仅是说明性的，并且本技术的效果不限于本说明书中所描述的那些，并且因此可能产生额外的效果。
附图说明
图1是示出了应用了本技术的固态图像拾取装置的示意性配置实例的方框图。
图2是示出了根据本技术的像素的配置实例的剖视图。
图3是示出了驱动图2中的像素的实例的示图。
图4是示出了上电极电压和电气电容之间的关系的示图，该关系通过MOS结构显示。
图5是示出了输出的线性的示图。
图6是示出了在各种high-k薄膜与SiO2一起层叠在栅极绝缘膜上的情况下平带电压的变化的示图。
图7是示出了栅电极中使用的各种材料的功函数的示图。
图8是示出了根据本技术的像素的另一个配置实例的剖视图。
图9是示出了根据本技术的像素的再一个配置实例的剖视图。
图10是示出了根据本技术的像素的再一个配置实例的剖视图。
图11是示出了根据本技术的像素的再一个配置实例的剖视图。
图12是示出了图8至11中的情况下驱动像素的实例的示图。
图13是示出了根据本技术的像素的另一个配置实例的剖视图。
图14是示出了根据本技术的像素的再一个配置实例的剖视图。
图15是示出了根据本技术的像素的再一个配置实例的剖视图。
图16是示出了根据本技术的像素(在共用像素的情况下)的再一个配置实例的剖视图。
图17是图16中共用像素的布置展开图。
图18是示出了根据本技术的像素(在共用像素的情况下)的另一个配置实例的剖视图。
图19是图18中共用像素的布置展开图。
图20是示出了根据本技术的像素(在包括大区域PD和小区域PD的配置的情况下)的再一个配置实例的剖视图。
图21是图20中共用像素的布置展开图。
图22是示出了形成栅极的位置的示图。
图23是示出了根据本技术的像素(在包括大区域PD和小区域PD的配置的情况下)的再一个配置实例的剖视图。
图24是示出了图23的情况下驱动像素的实例的示图。
图25是示出了输出和曝光时间之前的关系的示图。
图26是示出了根据本技术的像素(在包括大区域PD和小区域PD的配置的情况下)的再一个配置实例的剖视图。
图27是示出了图26的情况下驱动像素的实例的示图。
图28是示出了根据本技术的像素(在包括大区域PD和小区域PD的配置的情况下)的另一个配置实例，以及驱动该像素的实例的示图。
图29是示出了根据本技术的像素(在包括大区域PD和小区域PD的配置的情况下)的再一个配置实例，以及驱动该像素的实例的示图。
图30是示出了根据本技术的像素的再一个配置实例的示图。
图31是示出了图30的情况下驱动像素的实例的示图。
图32是示出了使用应用本技术的图像传感器的实例的示图。
图33是示出了应用本技术的电子设备的配置实例的方框图。
具体实施方案
将在以下描述用于执行本技术的方案(以下简称实施方案)。请注意，说明是按照以下顺序进行的。
1.第一实施方案
2.第二实施方案(使用图像传感器的实例)
3.第三实施方案(电子设备的实例)
1.第一实施方案
固态图像拾取装置的示意性配置实例
作为实例，图1示出了应用于本技术的各实施方案的互补金属氧化物半导体(CMOS)固态图像拾取装置的示意性配置实例。
如图1所示，固态图像拾取装置(元件芯片)1包括半导体基板11(例如，硅基板)，该半导体基板11具有像素区域(所谓的图像拾取区域)3和外围电路区域，在该像素区域中各自包括多个光电转换元件的像素2有规则地二维布置。
像素2包括光电转换元件(例如，光电二极管(PD))，和多个像素晶体管(所谓的MOS晶体管)。三个晶体管(它们例如是转移晶体管、重置晶体管和放大晶体管)构成多个像素晶体管。多个像素晶体管还可以通过增加选择晶体管而由四个晶体管构成。
另外，像素2还可以具有像素共用结构。像素共用结构包括多个光电二极管、多个转移晶体管、一个共用浮动扩散节点和其他逐一共用的像素晶体管。光电二极管是光电转换元件。
外围电路区域包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8。
控制电路8接收输入时钟和指示操作方式等等的数据，并且输出数据，例如固态图像拾取装置1的内部信息。更具体地说，基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟，控制电路8产生用作垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6的操作的基准的时钟信号，并且产生控制信号。随后，控制电路8将这些信号输入垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6。
垂直驱动电路4包括例如移位寄存器，选择像素驱动线路，向所选的像素驱动线路提供用于驱动像素2的脉冲，并且以行为单位驱动像素2。更具体地说，垂直驱动电路4在垂直方向上以行为单位顺序地选择和扫描像素区域3中的每个像素2，并且基于根据每个像素2的光电转换元件中的光接收量产生的信号电荷通过垂直信号线9向每个列信号处理电路5提供像素信号。
列信号处理电路5相应于例如像素2的各行来布置，并且各自使从一列中的像素2输出的信号以像素列为单位进行信号处理，例如噪声去除。更具体地说，列信号处理电路5各自执行信号处理，例如用于针对像素2去除固定模型噪声的相关双采样(CDS)、信号放大和模拟/数字(A/D)转换。水平选择开关(未示出)连接在每个列信号处理电路5的输出段和水平信号线路10之间。
水平驱动电路6包括例如移位寄存器，并且按次序顺序地将水平扫描脉冲输出至每个列信号处理电路5，这使得每个列信号处理电路5向水平信号线路10输出像素信号。
输出电路7通过水平信号线路10使从每个列信号处理电路5顺序提供的信号进行信号处理，然后输出该信号。还存在输出电路7仅执行例如缓冲的情况；还存在输出电路7执行黑色电平调整、列分散度校正、各种数字信号处理等等的情况。
设置输入/输出端12以便与外界交换信号。
像素的配置实例
图2示出了根据本技术的像素的配置实例。图2的实例示出了PD单元的剖视图，其中p型MOS电容安装在PD上作为转换效率开关电容。由于是背部照射型，光从图的底部进入。
像素2的单元配置包括浮动扩散节点(FD)52、转移栅极(TG)53、Amp54、RST55、FD栅极(FDG)56、浮动电容(FC)57和SEL58，并且包括包含PD51的PD单元50。
PD单元50具有形成为p型的Tr侧Si/SiO2界面，并且具有嵌入的PD51。n型的PD51执行光电转换，并且聚集电荷。TG53将PD51中聚集的电荷转移至FD52。Amp54连接至FD52。RST55连接至重置漏极(RD)，并且重置FD52。FDG56是转换效率切换开关。FC57形成在PD51上，并且是连接至FDG56的MOS电容(栅电极)。SEL58选择输出信号的像素。应注意，SEL58不是不可或缺的。
根据对象的照度，PD单元50在低转换效率和高转换效率之间切换。这通过接通/断开FDG56来切换FD52的电容而执行。
图3是示出了图2中所示的驱动像素的实例的示图。图3的A示出了低转换效率的情况下驱动像素的实例。通过接通FDG56，MOS电容(FC57)连接至FD52，这使得FD52的电容增加，并且因此转换效率降低。通过接通SEL58选择执行输出的像素，并且将FD52重置为RD的高电平。因此，读取重置电平，接通TG53，将已进行光电转换并且聚集的PD51的信号电荷转移至FD52，读取信号电平，并且在每个列信号处理电路5中，由CDS消除偏置分散(offsetdispersion)。
在读取信号之后，再次接通RST55。该状态下通过将RD切换至Low，MOS栅极(FC57的栅极)的电势改变为低(Low)电平，并且在该状态下断开FDG56。结果，低电平保持在MOS栅极(FC57的栅极)中。随后，RD恢复到高(High)电平。在那种情况下，通过接通/断开TG53一次，重置RDLow时向后流到PD51的电荷。应注意，如果TG53的低电势足够低于RD的低电荷，那么不需要读取信号之后的操作。
接下来，将参考图3的C描述低转换效率下电子开闭时驱动的实例。通过接通RST55，并且通过接通TG53，使PD51的电荷放电至FD52以放空PD51。在断开TG53之后，RD转变为Low，FDG56被接通。结果，FC57的栅极部分配置有低电势(比实际使用电容时获得的电势更低的低电势)。在该状态下，通过断开FDG56(重置漏电容之间连接的晶体管)，FC57的栅极部分被保持在低电势下。这一系列操作使得PD51上的MOS栅极在大部分的曝光时期内保持在低电平下。这样使得能够防止发生暗电流和白斑，而不会降低PD51的MOS栅极侧上p型区域的空穴浓度。
顺便提及，在高转换效率的情况下驱动像素的实例中，如图3的B中所示，当读取电荷时，FDG56被断开以将MOS电容(FC57)从FD52分离。电子开闭操作与低转换效率的情况下的电子开闭操作是相同的(图3的C)。
图4是示出了上电极电压和电气电容之间的关系的示图，该关系通过MOS结构显示。在图4的实例中，横轴显示MOS栅极的电极电压；纵轴显示电气电容。在FC57(栅极)下使用p型的情况下，当栅极的电势增加时，Si界面被耗尽，因此电容降低。当进入此区域时，转换效率改变，因此输出的线性度变得更糟，如图5所示。为了避免这个，将平带电压变为更偏向+侧(换句话说，栅极下面的部分配置为高浓度p型)，从而防止操作点中的耗尽。为了上述目的，选择p+poly、ptSi、NiSi等等作为栅电极材料，选择HfO2、Al2O3等等作为栅极绝缘膜是行之有效的。应注意，除了上述以外，还可以选择通用的SiO2或SiON作为栅极绝缘膜。
图6的实例示出了在各种high-k薄膜与SiO2一起层叠在栅极绝缘膜上的情况下平带电压的变化。其揭示了，如果选择HfO2、Al2O3等等作为栅极绝缘膜，则平带电压转变为+侧。
图7的实例显示栅电极中使用的各种材料的功函数。其揭示了，Pt和Ni的功函数接近p+poly的功函数。
像素的配置实例
8示出了根据本技术的像素的另一个配置实例。图8的实例示出了PD单元的剖视图，其中n型MOS电容安装在PD上作为转换效率开关电容。
图8中像素2的单元配置与图2的实例不同在于，作为p型MOS电容的FC57替换为作为n型MOS电容的FC101。配置的其他部分由图2和8共用。在这种情况下，通过将供电电压VDD连接至栅极，并将n+区域111通过FDG56连接至FD52，可以使用图4中FC下的n+的情况下具有较高线性度的区域。n+区域111是空穴堆积层上的n+电极。在栅极电压固定的情况下，Si侧上的电势上下起伏，因此CV特性不存在于高频率线(b)中，而存在于低频线(a)的曲线中。
在这种情况下，与图2中的p型的情况下相比，如图6和7的每个中所示，使用材料例如Y2O3和La2O3作为栅极绝缘膜，并且使用材料例如n+poly、TaN和TiN作为栅电极是行之有效的，该材料使得平带电压变为更偏向-侧(即，高浓度n型)。应注意，除了上述以外，还可以选择通用的SiO2或SiON作为栅极绝缘膜。
另外，PD单元50的Tr侧Si/SIO2界面通常形成为p型嵌入的PD51。因此，为了在p型上形成n型，布置PD51的n+区域111，使得n+区域111与Tr侧界面分离开，从而在界面的n+区域111和PD51之前设置p型区域。如果TG53与PD51间隔开，则读取变得困难。因此，用于通过注入管(implant)将信号电荷读至界面侧的n型区域112以避开的MOS栅极(FC101)下面的n+区域111而设置。
应注意，如图9和10的实例所示，作为TG53的替代，可以如TG131和TG141所示使用垂直Tr(VG：垂直栅极)配置，从而使PD51接近于TG131或TG141。如图10的实例所示，在I形TG141的情况下，没有例如TG131中所包括的锤头部分。因此，FD52的n+扩散层和垂直Tr栅极(TG141)可以彼此接近，因此从PD51至FD52的转移变得更为方便。因此，PD单元50的配置区域的灵活性得到提高。
另外，图10显示了实例，其中如PD51那样，直至FD52的底部，TG141的FD52侧被用作转移路径。此外，如图8至10所示，在这个其中FD52连接至MOS电容(FC101)的扩散层侧的配置中，也增加及了此n+区域111和pwell之间的部分作为结电容。因此，可以获得更大的电容。换句话说，在图10的实例中，将PD嵌入深的区域以在深度方向上置入间隔，如此用作电容的部分被分离。
在此配置中的大部分的曝光时期内，将n+区域111的电势设置为高电平以便被用作pwell区域中发生的暗电流的漏极，将n+区域111的电势设置为低电势以便提高PD51和n+区域111之间的p型区域的空穴密度，或者将n+区域111的电势设置为中间电势以便获得这两种效果。哪一个是有利的取决于如何构建形成各区域的杂质分布图，而且取决于生产过程中的损坏。因此，可以通过评价来进行确定。
另外，如图11所示，可以将栅极(FC101)侧连接至FD52，n+区域111侧用作Vss。在图11的实例的情况下，虽然n+区域111和pwell之间没有增加结电容，但是PD51上的电势可以是固定的。这样消除了在曝光时期内设置栅极的电势的操作的必要。
图12是示出了图8至11中的情况下驱动像素的实例的示图。图12的A示出了低转换效率的情况下驱动像素的实例。图12的B示出了高转换效率的情况下驱动像素的实例。图12的C示出了在电子开闭的情况下驱动像素的实例。
图12的驱动的实例基本上与图3中的驱动的实例相同。然而，虽然在图3的实例中RD在低(Low)电平处，但是在图12的实例中在高(High)电平处和在中间(Middle)电平处画虚线。这个因为，由于在图8至11的实例中n+区域111吸收暗电流，所以RD可能保留在高电平。然而，虽然pewll区域的空乏层的扩展使得暗电流提高，但是RD的电压可以通过RD来调节。因此，可以通过评价来进行确定。
像素的配置实例
此外，将描述根据本技术的像素的其他配置实例。图13的实例显示了PD的剖视图，其中PD被深深地嵌入，并且其中p型MOS电容安装在PD上作为转换效率开关电容。
图13中的像素2的单元配置与图8的的不同之处在于，作为n型MOS电容的FC101替换为作为p型MOS电容的FC57，并且PD单元50的Tr侧Si/SIO2界面的N+区域111替换为p型区域151。
图14显示了其中参照图8至10仅使用上述描述的结电容(n+区域111)。换句话说，图14的实例不同于图8的配置仅在于除去了FC101。在图14的实例的情况下，通过用FDG56将n+区域111连接至FD52，将n+区域111和pwell之间的结电容用作FC。
图15显示了其中转换效率切换Tr和MOS电容的栅极组合使用。15图APD单元50的剖视图；图15的B是PD单元50的电势图。
在图15的A的实例中，作为连接到n+区域111的FDG56的替代，在Si界面的n区域162上设置FDG161作为转换效率切换Tr和MOS电容的栅极。
如图15的B中的电位的电势(向下的正电势)中所示，在FDG161具有高电势的情况下，电荷进入栅极(FDG161)下面的部分，并且这部分被添加到FD52作为电容(结电容)。在FDG161具有低电势的情况下，电荷不进入栅极(FDG161)下面的部分，因此这部分不被添加到FD52作为MOS电容。
顺便提及，如图8的实例那样，图13至15各自显示了其中读取部分通过注入管拉出至界面的实例。然而，如图9或10的实例那样，与T形或I形的垂直Tr的结合也是可能的。
图16和17各自显示了其中将图14的配置实例应用于2x2共用像素的实例。图16的A是PD单元50的剖视图；图16的B是2x2共用像素的平面视图。图17是图16的B中共用像素的布置展开图。在图16的实例的情况下，没有必要在每个PD51上形成电容。在共用的基础上仅仅在至少一个PD51上形成电容。在那种情况下，在其他PD51上分配和形成其他Tr和其他well接触器172使得在高面积效率下能够小型化。
例如，在图16的实例中，将作为FC的N+区域111形成在PD51-1上。作为Tr之一的Amp54形成在PD51-2上。作为Tr之一的SEL58以及well接触器172形成在PD51-3上。作为Tr之一的FDG171以及RST55形成在PD51-4上。
应注意，考虑到光学均匀性，在要求对1/2的像素进行布置时，优选对格子布置中(例如，在Bayer布置中形成的G像素)形成的像素进行布置。在要求对1/4的像素进行布置的情况下，在MOS电容时，在对较长的波长侧的像素进行布置引起反射分量增加poly，这从敏感度角度来看是有利的。
图18和19各自显示了其中图14的实例的结电容涉及两个PD的实例。图18的A是聚焦于延伸跨越两个相邻的共用像素的FC(作为FC的N+区域111)的剖视图。图18的B是示出了一个共用像素的配置实例的平面视图。图19是图18的B中共用像素的布置展开图。
如图19所示，按照例如左下、右下、左上和右上的顺序布置共用像素2-1、共用像素2-2、共用像素2-3和共用像素2-4。如图18的B所示，将四个PD51-1至51-4、与其相对应的TG53-1至53-4、FD52、SEL58、Amp54、FDG56、RST55、作为FC的N+区域111以及Well接触器172布置在一个共用像素2-2中。在它们当中，SEL58和Amp54布置在与共用像素2-2上布置的像素的边界上。在它们当中，FDG56和RST55布置在与共用像素2-2的右侧上布置的像素的边界上。在它们当中，作为FC的N+区域111以及Well接触器172布置在与共用像素2-2的左侧上布置的共用像素2-1的边界处。应注意，Well接触器172布置在四个共用像素中。
更具体地，如图18A所示，作为FC的N+区域111形成在共用像素2-2上方，以及其左侧上布置的像素2-1的PD51-2的上方的界面上。
如上所述，因为PD51较深地嵌入，所以其上侧的界面上的元件的布局的灵活性提高。这也使得允许其中FC延伸跨过多个PD51的布置。
图20和21各自显示了其中在图14的实例的配置中大区域(高灵敏度的)PD和小区域(低敏感度的)PD合并的实例。图20的A是示出了具有两个PD的像素的PD单元的剖视图。图20的B是观察PD表面的平面图。图20的C是示出PD单元的表面视图。图21是图20的B中共用像素的布置展开图。
图20的A中的像素2的单元配置与图14的实例的不同之处在于PD51替换为具有大面积的大PD181，并且增加具有小面积的小PD182，以及TG53替换为各自PD的TG53-1和TG53-2。该配置的其他部分由图20和图14的实例共有。应注意，在图20的实例的情况下，well接触器172形成在与相邻的左侧和右侧的像素的边界上，同样在图14的实例的情况下，形成well接触器172(虽然未示出)。
另外，如图21所示，按照例如左下、右下、左上和右上的顺序布置共用像素2-1、共用像素2-2、共用像素2-3和共用像素2-4。如图20的B所示，在一个共用像素2-2中布置大PD181和小PD182、与其对应的TG53-1和53-2、FD52、SEL58、Amp54、FDG56、RST55、作为FC的N+区域111以及Well接触器172。在它们当中，作为FC的N+区域111布置在大PD181上方的界面上。在它们当中，在其中的共用像素2-2上的SEL58和Amp54、SEL58和Amp54布置在与共用像素2-2上布置的像素的边界处。在它们当中，FDG56和RST55布置在与共用像素2-2的右侧上布置的像素的边界处。顺便提及，图21中的像素形成为具有八角形的形状，小PD182从该八角形向右上方伸出，并且Well接触器172布置在八角形的右下侧。换句话说，Well接触器172布置与伸出部分的边界处，该伸出部分通过布置在共用像素2-2的左下侧上的共用像素的小PD的伸出形成。
应注意，在图20和21的实例中，电容(FC)和Tr可以彼此替换。
另外，如图20的B所示，当在PD表面观察布局时，该布局是背部照射型，围绕此PD，片上透镜的聚光中心与滤色器(未示出)对齐。在这种情况下，在读取大面积(高灵敏度的)PD的情况下，优选将该读取与图12的B中的高灵敏度的读取合并；在读取小面积(低灵敏度的)的PD的情况下，将该读取与图12的A中的低灵敏度的读取合并是行之有效的。
另外，在使用如图2所示的p型MOS电容等的情况下，如上所述参照图4，使用下部栅极电势产生较高的线性度。然而，在栅极连接到FD的状态下使用该FC的栅极。因此，当通过降低RD的电势来降低FC的栅极的电势时，FD的电势也降低，这引起PD和FD的转移电场降低。因此，完全的转移变得困难。因此，如图22所示，TG53和FC57的栅极邻近形成。结果，使用这种响应于Tgon时的耦合而提高FC的栅极(FD)电势的布局对于转移是有利的。当FC的栅极和Tr栅极分别形成时，从电容和转移电压的角度来看，使FC和TG彼此重叠是有效的。
另外，假定线性度已经恶化的情况下，优选可以在像素阵列的信号线更靠后的阶段中通过信号处理预先校正线性度。当测量图像传感器时，在固体基础上记录线性度信息使得能够更容易地执行校正，例如，校正图5所示低光量部分的弯曲。
图23示出了其中大PD与小PD的小PD侧上的MOS电容结合的实例。
在图23的A的实例中，在曝光期间从小PD182溢出的电荷也被当做信号。因此，图23的A的实例与图20的A的实例的不同之处在于，从小PD182溢出的电荷流入的FC57与从大PD181溢出的电荷流入的FD52分离开作为浮动电容栅极(FCG)212。
结果，如图23的B所示，从高亮度的小PD182溢出的电荷在FC57中聚集，这使得允许其中较高的亮度侧上的范围得到扩展的操作。
图24的A是图23的A的实例中电子开闭时刻的时序图；图24的B是图23的A的实例中读取时刻的时序图。在电子开闭的时刻，RST55、TGS213、TGL211和FCG212被接通/断开，SEL58保持断开，大PD181、小PD182、FD52和FC57被重置，并且开始曝光。在那种情况下，如图23的B的电势图所示，大PD181在高亮度区域饱和，光电转换电荷超过TGL211和RST55的低电平，然后放电至RD。FC57存在的目的是使用小PD182侧的信号，因此以大PD181的饱和成分不进入的方式形成电位。在小PD182侧上已经光电转换的信号电荷在小PD+FC电容中聚集。因此，如图25的A和图25的B中所示，即使在这种大PD181段时间内饱和的高亮度区域的情况下，小PD+FC也不饱和。
如图24的B所示，在曝光时间流逝之后，通过SEL58选择相应的像素。通过RST55将FD52重置为RD电平。随后，将FCG212接通，将FC57连接至FD52，并且FD的电容增加。因此，转换效率变得很低。接下来，将TGS213接通/断开，通过FD52读取小PD182的电荷。这里，读取信号电平(SL阶段)。接下来，将RST55接通以将FD52重置为RD电平。当断开RST55时，通过将SEL58设置在低电平，获得与电子开闭时刻相同的FD电势状态。随后，再次接通SEL58，并且读取重置电平(NL阶段)。通过从SL电平减去NL电平，除去噪声例如Vth分散。
接下来，断开FCG212以将FD52从FC57隔离。结果，FD52的电容降低，因此转换效率变得较高。这里，将描述不再次重置FD52的实例。首先，读取在高转换效率的时刻的重置电平(NH阶段)。随后，将TGL211接通/断开，将大PD181的电荷转移至FD52，并且读取信号电平(SH阶段)。在NH阶段和SH阶段通过CDS除去噪声。在高转换效率侧，驱动允许同样能够除去重置噪声的CDS操作。
图26示出了其中将转换效率切换Tr的FDG添加至图23的A的实例的实例。图27的A是图26中电子开闭的时序图；图27的B是读取时刻的时序图。
在图23的A的实例中，在高转换效率的时刻连接至FD52的元件是Amp54、作为TGL211的三个扩散区、FCG212和RST55，而在图26中的配置中，在高转换效率的时刻连接至FD52的元件是Amp54、作为TGL211和FDG231的两个扩散区。换句话说，在图26的实例中，因为扩散区由TGL211和FDG231共用，所以存在一个区域。然而，区域的数量是两个，因为扩散区用于不同的元件。因此，在高转换效率时刻FD的电容可以得到进一步降低。另外，在低转换效率的时刻，将增加的FDG231的电容添加给FD52，因此转换效率可以进一步降低。可以提供高低之间的大的差异，因此有可能应对较高的D范围。
图28的A示出了其中TGS从图26的实例中排除的实例。图28的B是示出其操作的时序图。
在图28的A的实例中，差异点是排除了TGS213，并且TGL211替换为TRG251。配置的其他部分是相同的。通过这种方式的配置，由于高亮度侧的小PD182对偏置噪声具有高抵抗力，PD和电容FC直接连接以省略TGS213，从而使得能够应对进一步的小型化。
图29的A示出了其中将FDG添加至图28的A的实例的实例。图29的B是示出其操作的时序图。
图30的A示出了其中不使用小PD而扩展动态范围的实例。图30的B是其电势图。
如图30的B中所示，在高亮度信号的时刻，光电转换的电荷从PD51越过TRG251，并在FD52中溢出。电荷进一步越过FDG56，并在FC57中溢出。
图31的A是图30的A的实例中电子开闭的时刻的时序图；图31的B是图20的A的实例中读取时刻的时序图。如图31的B的时序图中所示，在读取的时候，通过接通/断开FDG56，FD52被重置为已经溢出至FD52+FC57的电荷的电平，并且读取高转换效率重置电平N(CDS)。随后，通过接通/断开TRG251，将聚集在PD51中的光电转换信号电荷转移至FD52，并且读取信号电平S(CDS)。然后，接通FDG56，将FD52连接至FC57，并且提高FD52的电容，从而切换为低转换效率。
这里，读取低转换效率侧的信号电平S(CDS)。在重置的时候断开SEL58的原因是因为要求与在电子开闭的时候的电势对齐。在高转换效率侧可以通过CDS移除包括重置噪声在内的噪声，与图23的实例相同。
顺便提及，其中栅极连接至VDD的实例已经如上述在图8至10中示出。然而，在n+足够密集的情况下，空乏层的拉伸是小的，并且电容的波动较小。因此，允许连接至VSS。同样地，图11中的n+扩散层也可以连接至VSS。
在上述说明中，作为电路排布和操作，已经说明了使用电容配置的组合的实例、TG形状和PD形状。然而，可以使用其他组合。另外，驱动方法仅仅是实例。
如上所述，可以通过小面积获得大的电容，因此Tr元件侧Si界面的面积效率提高。当用于用来切换转换效率的低敏感度像素时，高转换效率和低转换效率之间的比率可以提高。这使得能够执行其中SN在低亮度下令人满意的宽D范围的图像拾取，并且在高亮度下不会发生曝光过度。
应注意，虽然在上述说明中，已经说明了背部照射固态图像拾取装置的实例，但是本技术也可以用于表面照射固态图像拾取装置。
另外，在上述说明中，已经说明了用于切换转换效率的电容。然而，即使在电容不用于切换转换效率而是其他用途的情况下，也可以应用本技术。
2.第二实施方案(使用图像传感器的实例)
图32是示出使用上述固态图像拾取装置的实例的示图。
例如，如下所述，上述固态图像拾取装置(图像传感器)可以用于各种感测光(例如可见光、红外光、紫外光和X射线)的情况。
·用于鉴赏图像的设备，该设备包括数字式摄象机、具有摄像机功能的便推式装置等等
·用于交通目的的设备，该设备包括：例如，以安全行车例如自动停止和驾驶员的状态的确认为目的的、用于对例如汽车的前部和后部、汽车的周围和内部成像的车载传感器；用于监视行驶车辆和道路的监视摄像机；和用于测量例如车辆间的间隔的测距传感器
用于对用户的姿势成像以使得能够根据姿势执行装置操作的设备，该设备用于家用电器例如TV、电冰箱和空调器
·被用于医疗护理或保健的设备，该设备包括内窥镜、用于通过接收红外光提取血管的图像的设备，等等
·用于安全目的的设备，该设备用于安全用途的监视摄像机、用于人员认证的摄像机，等等
·用于美美容目的的设备，该设备包括用于对皮肤成像的皮肤测量仪器、用于对头皮成像的显微镜，等等
·用于运动目的的设备，该设备包括例如用于运动的可穿用摄像机和动作，等等
·用于农业目的的设备，该设备包括用于检测田间和农作物的状态的摄像机，等等
3.第三实施方案(电子设备的实例)
电子设备的配置实例
此外，本技术的应用不限于固态图像拾取装置的应用。本技术还可以用于图像拾取装置。这里，图像拾取装置包括：摄像机系统例如数字式静物摄影机和数字视频摄像机；和具有图像拾取功能的电子设备，例如携带式电话。应注意，还存在设置在电子设备中的模块状形式，即摄像机模块，被当做图像拾取装置的情况。
这里，将参照图33描述根据本技术的电子设备的配置实例。
图33中所示的电子设备300具备固态图像拾取装置(元件芯片)301、光学透镜302、快门设备303、驱动电路304和信号处理电路305。作为固态图像拾取装置301，提供根据如上所述的本技术的第一实施方案的固态图像拾取装置1。这使得能够提高电子设备300的固态图像拾取装置301的晶体管元件侧的Si界面的面积效率。
光学透镜302在固态图像拾取装置301的图像拾取表面上形成来自对象的图像光(入射光)的图像。结果，信号电荷聚集在固态图像拾取装置301中固定的一段时间。快门设备303控制固态图像拾取装置301的光照射时间和遮光时间。
驱动电路304提供用于控制固态图像拾取装置301的信号转移操作的驱动信号，和用于控制快门设备303的快门操作的驱动信号。固态图像拾取装置301通过驱动电路304提供的驱动信号(定时信号)转移信号。信号处理电路305使从固态图像拾取装置301输出的信号进行各种信号处理。已经经受了信号处理的视频信号保存在存储介质例如存储器中，或输出到监视器。
应注意，在本说明书中，描述一系列处理的步骤当然不仅包括根据以时间系列的方式描述的顺序执行的处理，还包括平行或个别执行的处理，即使该处理不是必须按照时间序列的方式处理。
另外，本公开中的实施方案不限于如上所述的实施方案。可以在不脱离本公开的主旨的范围内做出各种修改。
另外，已经如上作为一个设备(处理单元)说明的配置可以分割以便配置为多个设备(或处理单元)。相反，已经如上作为多个设备(处理单元)说明的配置可以进行组装以便配置为一个设备(或处理单元)。此外，毋庸置疑，可以将如上所述那些之外的配置添加到各设备(或各处理部分)的配置中。此外，如果作为总体上一个系统的配置与操作实质上是相同的，那么可以将某一设备(或处理单元)的配置的一部分包括在另一个设备(或另一个处理单元)的配置中。换言之，本技术不限于上述实施方案，并且在不脱离本技术的要旨的范围内可以做出各种修改。
已经参照附图详细描述了本公开的优选实施方案。然而，本公开不限于上述实例。很明显，如果一个人具有本公开所属的技术领域的普通技术，则该人能够想到权利要求书中阐述的技术构想的范畴内的各种改正实例或修改实例。应理解，当然，这些实例也属于本公开的技术范围。
应注意，本技术还可以使用下列配置。
(1)一种固态图像拾取装置，其包括：
光电二极管；和
和形成在所述光电二极管上的电容；
(2)根据前述(1)中所述的固态图像拾取装置，其中
所述电容是形成poly的MOS电容。
(3)根据前述(1)中所述的固态图像拾取装置，其中
所述电容是空穴堆积层上的n+电极。
(4)根据前述(1)至(3)中任一项中所述的固态图像拾取装置，其中
所述电容用于切换转换效率。
(5)根据前述(1)至(4)中任一项中所述的固态图像拾取装置，其中
在大部分的曝光时期中，电极的电势保持在比实际使用电容时获得的电势更低的电势。
(6)根据前述(5)中所述的固态图像拾取装置，其中
当开始曝光时，施加重置漏极电势，通过重置晶体管将作为所述电容MOS栅极或n+电极设置在低电势，接着，通过断开连接在重置漏电容之间的晶体管，将所述MOS栅极或所述n+电极保持在所述低电势。
(7)根据前述(1)至(6)中任一项中所述的固态图像拾取装置，其中
将光电二极管嵌入基板的深区域，并且通过在深度方向上置入间隔将用作所述电容的部分分离。
(8)根据前述(1)至(7)中任一项中所述的固态图像拾取装置，其中
在其中光电二极管被两个或者更多个像素共用的像素共用的情况下，将各光电二极管的顶端分配给电容、晶体管或well接触器。
(9)根据前述(1)至(8)中任一项中所述的固态图像拾取装置，其中
在MOS电容的情况下，MOS栅极下面的Si侧形成为高浓度p型或n型，并且使用具有CV特性并且具有令人满意的线性度的区域。
(10)根据前述(9)中所述的固态图像拾取装置，其中
在Si侧是p型的情况下，使用p+polySi、PtSi或NiSi作为栅电极。
(11)根据前述(9)或(10)中所述的固态图像拾取装置，其中
在Si侧是p型的情况下，使用HfO2或Al2O3作为栅极绝缘膜。
(12)根据前述(9)中所述的固态图像拾取装置，其中
在硅侧是n型的情况下，使用n+polySi、TaN或TiN作为栅电极。
(13)根据前述(9)或(12)中所述的固态图像拾取装置，其中
在Si侧是n型的情况下，使用Y2O3或La2O3作为栅极绝缘膜。
(14)根据前述(9)中所述的固态图像拾取装置，其中
对所述线性度进行评价，并且在后续阶段中校正弯曲部分。
(15)根据前述(9)或(14)中所述的固态图像拾取装置，其中
记录关于所述线性度的信息，所述信息用于所述校正。
(16)根据前述(1)至(15)中任一项中所述的固态图像拾取装置，其中
所述固态图像拾取装置是背面照射型。
(17)一种电子设备，其包括：
固态图像拾取装置，包括：
光电二极管；和
和形成在所述光电二极管上的电容；
处理从所述固态图像拾取装置输出的输出信号的信号处理电路；和
使入射光进入所述固态图像拾取装置的光学系统。
参考符号列表
1 固态图像拾取装置
2 像素
3 像素区域
5 列信号处理电路
50 PD单元
51 PD
52 FD
53 TG
54 Amp
55 RST
56 FDG
57 FC
58 SEL
101 FC
111 n+区域
112 n型区域
131 TG
141 TG
151 p型区域
161 FDG
162 n区域
171 FDG
172 well接触器
181 大PD
182 小PD
211 TGL
212 FCG
213 TGS
251 TRG
300 电子设备
301 固态图像拾取装置
302 光学透镜
303 快门设备
304 驱动电路
305 信号处理电路。

Claims (17)

1.一种固态图像拾取装置，其包括：
光电二极管；和
和形成在所述光电二极管上的电容。
2.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
所述电容是形成poly的MOS电容。
3.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
所述电容是空穴堆积层上的n+电极。
4.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
所述电容用于切换转换效率。
5.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
在大部分的曝光时期中，电极的电势保持在比实际使用所述电容时获得的电势更低的电势。
6.根据权利要求5的固态图像拾取装置，其中
当开始曝光时，施加重置漏极电势，通过重置晶体管将作为所述电容的MOS栅极或n+电极设置在低电势，随后，通过断开连接在重置漏电容之间的晶体管，将所述MOS栅极或所述n+电极保持在所述低电势。
7.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
将所述光电二极管嵌入基板的深区域，并且通过在深度方向上置入间隔将用作所述电容的部分分离。
8.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
在其中所述光电二极管被两个或者更多个共用的像素共用的情况下，将各光电二极管的顶端分配给电容、晶体管或well接触器。
9.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
在所述MOS电容的情况下，MOS栅极下面的Si侧形成为高浓度p型或n型，并且使用具有CV特性并且具有令人满意的线性度的区域。
10.根据权利要求9的固态图像拾取装置，其中
在所述Si侧是p型的情况下，使用p+polySi、PtSi或NiSi作为栅电极。
11.根据权利要求9的固态图像拾取装置，其中
在所述Si侧是p型的情况下，使用HfO2或Al2O3作为栅极绝缘膜。
12.根据权利要求9的固态图像拾取装置，其中
在所述硅侧是n型的情况下，使用n+polySi、TaN或TiN作为栅电极。
13.根据权利要求9的固态图像拾取装置，其中
在所述Si侧是n型的情况下，使用Y2O3或La2O3作为栅极绝缘膜。
14.根据权利要求9的固态图像拾取装置，其中
对所述线性度进行评价，并且在后续阶段中校正弯曲部分。
15.根据权利要求14的固态图像拾取装置，其中
记录关于所述线性度的信息，所述信息用于所述校正。
16.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中
所述固态图像拾取装置是背面照射型。.
17.一种电子设备，其包括：
固态图像拾取装置，包括：
光电二极管；和
形成在所述光电二极管上的电容；
处理从所述固态图像拾取装置输出的输出信号的信号处理电路；和
使入射光进入所述固态图像拾取装置的光学系统。
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