CN1219776A

CN1219776A - 固态成像装置

Info

Publication number: CN1219776A
Application number: CN98125262A
Authority: CN
Inventors: 穗苅泰明; 谷治行夫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 1999-06-16
Also published as: KR100312087B1; KR19990062981A; US6618087B1; JP3180748B2; JPH11177075A

Abstract

一种具有至少一个水平CCD寄存器的固态成像装置,其中的水平CCD寄存器被由一种树脂材料制成的遮光膜覆盖。

Description

固态成像装置

本发明涉及一种固态成像装置，具体地说是涉及一种能以低功率和高频驱动工作的固态成像装置。

一个二维CCD(电荷耦合器件)型的常规固态成像装置主要包括，多个光电二极管，多个垂直CCD寄存器，一个水平CCD寄存器，一个电荷检测部和一个放大部。

其中，多个光电二极管被二维地布置在一个成像区内，各自进行光电转换操作。每个光电二极管转换的信号电荷被传输至与所述光电二极管耦合的垂直CCD寄存器并被垂直地发送至水平CCD寄存器。

发送至水平CCD寄存器的信号电荷在其中水平传输。所传输的信号电荷被电荷检测部以一个电压的形式检测出，而后由放大部放大。

更具体地说，当用一个光学系统将一个成像图形投影于固态成像装置的成像区时，每个光电二极管根据一个入射光束的大小通过光电转换操作产生电荷。

所产生的电荷在一段预定时间内被提供给垂直CCD寄存器。在其每个消隐时段内，提供给垂直CCD寄存器的信号电荷被从垂直CCD寄存器传输至水平CCD寄存器。随后，水平CCD寄存器将电荷向电荷检测部移动。电荷检测部根据传输的电荷量产生一个电压，并将其发送至放大部。放大部将该电压放大成为一个放大输出电压。

接着，以上所述操作在固态成像装置中的每个光电二极管中重复进行。因此，每个光电二极管产生的电荷经放大部连续地以成像信号的形式产生。

因此，成像信号能够以一个时间序列的形式从固态成像装置中得到。在该过程中，为了能精确地经垂直和水平CCD寄存器传输电荷，需要防止光束入射到垂直和水平CCD寄存器上。为此，通常有一个遮光膜覆盖在成像区上，用以对垂直CCD寄存器和水平CCD寄存器屏蔽或遮挡。其中，遮光膜不覆盖对应于光电二极管的部分。

因此，遮光膜用于同时遮挡垂直CCD寄存器和水平CCD寄存器。此处应注意，用于遮挡垂直CCD寄存器和水平CCD寄存器的遮光膜由相同材料制成。在常规固态成像装置中经常用金属膜作为遮光膜的材料。

因此，在金属膜与每个水平寄存器和垂直寄存器中使用的电荷传输电极(电极层)之间会不可避免地产生一个寄生电容。该寄生电容导致水平CCD寄存器的驱动电压上升。

更具体地说，由于水平CCD寄存器由10MHz的高频电压驱动而垂直CCD寄存器由几十千赫兹的低频电压驱动，所以固态成像装置中的电能主要是由水平CCD寄存器消耗的。

最近，象素数随图像分辨率提高而增加已成为趋势。在这种情况下，当投影一个运动图像时，因为帧频保持为一个常数，所以随象素数的增加水平CCD寄存器必须以一个更高的频率驱动。

但是，随着驱动频率的增加，固态成像装置中的能耗不适宜地增加。例如，当固态成像装置应用于诸如便携式相机中时，电池会很快用尽。

为了减少固态成像装置中的能耗，希望能降低水平CCD寄存器的驱动电压。也就是希望能降低前述水平CCD寄存器中的寄生电容。

因此本发明的一个目的是提供一种能够降低电极的寄生电容的固态成像装置。

本发明的另一个目的是提供一种在不降低图像质量的情况下以高频驱动的固态成像装置。

根据本发明，一种固态成像装置包括一个成像区，一个水平CCD寄存器，一个第一遮光膜，和一个第二遮光膜。

其结构是，成像区有多个二维分布的光电转换部(光电二极管)，以及与所述光电转换部相邻的多个垂直CCD寄存器。

垂直CCD寄存器垂直地传输由光电转换部转换而成的电荷信号。

水平CCD寄存器在其一端与垂直CCD耦合，水平地传输电荷信号。

第一遮光膜覆盖成像区中除光电转换部以外的区域，其由第一种材料制成。而第二遮光膜覆盖水平CCD寄存器，其由第二种材料制成。

此处，第一种材料与第二种材料不同。具体地说，第一种材料是金属或金属硅化物，第二种材料是树脂。

此外，水平CCD寄存器包括有在第二遮光膜下的多个用于传输电荷信号的电荷传输电极。设置第二遮光膜以降低各电荷传输电极的寄生电容。

即，在本发明中水平CCD寄存器的遮光膜和成像区的遮光膜由不同材料制成。因而，在保持高图像质量的情况下，降低了固态成像装置的能耗。而且，能够以更高的频率驱动固态成像装置。

图1是显示常规二维固态成像装置的结构的平面图；

图2是显示图1中的固态成像装置的遮光膜的布置的平面图；

图3是显示图2中固态成像装置沿X-X’线的剖视图；

图4是显示图2中固态成像装置沿Y-Y’线的剖视图；

图5是显示使用树脂遮光膜的常规一维成像传感器的平面图；

图6是显示图5中成像传感器沿Z-Z’线的剖视图；

图7是显示根据本发明第一实施例的固态成像装置的平面结构图；

图8是显示图7中固态成像装置的一个水平CCD器件沿电荷传输方向的局部剖视图；

图9是显示图7中固态成像装置沿A-A’线的剖视图；

图10A至1B是显示图7中固态成像装置的加工方法的剖视图；

图11是显示根据本发明第二实施例的固态成像装置的局部剖视图；

图12是显示根据本发明第三实施例的固态成像装置的局部剖视图；

图13是显示图12中第三实施例的一个改进例子的局部剖视图。

参考图1至图6，为了更好理解本发明首先对常规固态成像装置进行说明。该固态成像装置等同于本说明书前序部分提到的常规固态成像装置的一部分。

如图1所示，一个二维CCD型的常规固态成像装置主要包括多个光电二极管82，多个垂直CCD寄存器83，多个读出门84，一个水平CCD寄存器85，一个电荷检测部86和一个放大部(放大器)87。

光电二极管82二维地布置在成像区81中，各自进行光电转换操作。存储在每个光电二极管82中的信号电荷被读出并发送至对应的垂直CCD寄存器83。信号电荷经垂直CCD寄存器83沿垂直方向传输，到达水平CCD寄存器85。

传送至水平CCD寄存器85的信号电荷在其中沿水平方向传输。所传输的信号电荷被电荷检测部以一个电压的形式检测出并由放大部87放大。

在这一固态成像装置中，当使用一个光学系统(未显示)将一个成像图形投影于成像区81时，每个光电二极管进行光电转换并产生基于入射光束大小的电荷。

从每个光电二极管82产生的电荷经同时驱动的每个读出门84在一段预定时间(例如60秒)内传送至垂直CCD寄存器83。其结果是，电荷被同时沿图1中箭头A的方向移动从而传送至垂直CCD寄存器83。

接着，信号电荷被从垂直CCD寄存器83传输至水平CCD寄存器85(沿箭头B方向)。在这一过程中，水平CCD寄存器85的电荷传输在消隐期间被中断。

结果是，在水平扫描的每个消隐期间，水平CCD寄存器85以一个象素为单位从所有的垂直CCD寄存器83并行地接收信号电荷。

水平CCD寄存器85在一个水平扫描周期内将来自垂直CCD寄存器83的电荷传输至电荷检测部86。

电荷检测部86产生一个基于传输的电荷量的电压，并将其传送至放大部87。放大部87将来自电荷检测部86的电压放大为一个放大电压。

之后，重复以上操作以完成成像图形的拾取。因此，二维布置的光电二极管82的信号电荷作为成像信号，以时间序列的形式从放大部87产生。

因此，可从固态成像装置中连续地得到成像信号。在此过程中，为了使垂直CCD寄存器83和水平CCD寄存器85精确地传输电荷，需要防止光束入射到垂直CCD寄存器83和水平CCD寄存器85上。

为此，通常由图2中剖面线表示的一个遮光膜覆盖包括垂直CCD寄存器83的成像区81以及水平CCD寄存器85。其中，如图2所示，遮光膜在对应于光电二极管82的位置有开口部分91。

下面参考图3和图4对遮光膜进行详细说明。

如图3所示，光电二极管82和垂直CCD寄存器83置于一个N型半导体衬底101上。在N型半导体衬底101上形成一个P阱102。在P阱102中，形成一个N型区103和一个N型杂质层104。

N型区103构成光电二极管82，而N型杂质层104成为沟道区用以将电荷传输至垂直CCD寄存器83。

接着，在N型区103上形成一个P型杂质区105。并且，在P型阱102中形成一个用以隔离N型区103和沟道区104的P型高浓度杂质区106。在各层的外表面上整个地形成一个栅绝缘膜107。

在栅绝缘膜107上选择性地形成一个电极层108。此处，电极层108同时作为一个读出电极和一个传输电极。此外，还形成一个绝缘膜109用以覆盖电极层108。而且，在遮光膜110覆盖绝缘膜109中除开口部分91以外的部分上，其上再形成一个绝缘膜111。

在绝缘膜111上形成一个平坦化膜。而且，一个滤色层113在与光电二极管82对应的位置上掩埋于平坦化膜112中。一个微透镜114置于平坦化膜112上对应于光电二极管82的位置。

由这种结构，进入微透镜114的入射光束被聚焦后到达滤色层113。该滤色层113被分为对应于红色，绿色和蓝色(RGB)颜色信号的三种滤层。这三种滤色层以一种预定的形式布置从而形成对应于每个光电二极管82的每种颜色的滤层。

透射过滤色层113的光束从开口部分91通过，透射绝缘膜111和109，栅绝缘膜107，和P型杂质层105。透射光束到达N型杂质层103，进行光电转换操作以产生电荷。产生的电荷被传送至沟道区104，并通过控制施加到电极层108的电压进行传输。

如图4所示，垂直CCD寄存器包括在P阱中形成的N型杂质层104，栅绝缘膜107和用以传输电荷的电极层108。其中，电极层108沿图4中横向分为多个部分，从而当N型杂质层104作为沟道区工作时传输电荷。

在这种情况下，具有不同相位的多个脉冲电压被施加到分离的电极层108上。因此，电子以电荷的形式移动通过N型杂质层104。

同时，应注意水平CCD寄存器和垂直CCD寄存器的结构基本相同。

其中，经绝缘膜109覆盖在电极层108上的遮光膜110通常使用的是，金属膜如铝，钨，和钼，或者金属硅化物膜如钨化硅和钼化硅。其中，包括垂直CCD寄存器84的成像区81上的遮光膜110通常与水平CCD寄存器85上的遮光膜的材料和形成方法相同。

通常，水平CCD寄存器85以10MHz或更高的频率驱动。此外，可向电荷传输电极(电极层108)施加例如5V_p-p的脉冲电压。

在图4显示的结构中，不适宜地出现了与电极层108相连的寄生电容，其决定因素是，栅绝缘膜107的寄生电容Ca,P阱102和N型杂质层104之间的耗尽层电容Cb，以及遮光膜110和电极层108之间的电容Cc。

即，寄生电容C由下式表示。

C=C’+Cc其中C’表示Ca和Cb之间的串联电容。

此外，由电容C的充放电浪费的电能P可由下式表示。

P=CV²f其中f表示驱动频率。

例如，假设一个金属导电膜被用来作为具有2/3英寸大小的光学系统的固态成像装置中的遮光膜110。则水平CCD寄存器的寄生电容为450pF至500pF。当该装置以40MHz和5V驱动时，寄生电容能耗是0.45W至0.50W。

固态成像装置中的电能主要由水平CCD寄存器消耗，因为水平CCD寄存器需要10MHz的高频驱动电压，而垂直CCD寄存器需要几十千赫兹的低驱动电压。

最近，象素数随高的图像分辨率而增加。在这种情况下，当投影一个运动图像时，由于帧频保持为一个常数(30Hz)，随象素数的增加必须以更高的频率驱动水平CCD寄存器。

但是，当驱动频率提高时，能耗不可避免地增加。这意味着当固态成像装置应用于诸如便携式相机之类的物品时，电池会很快耗尽。

为了解决这一问题，必须降低水平CCD寄存器的驱动电压。此外，也有必要降低水平CCD寄存器85的电极层108的寄生电容。

下面介绍日本未决专利公开No.Sho.61-280659中的一种降低电极层寄生电容的方法。

该方法涉及一种接触型一维图像传感器，其中使用了一种黑色树脂膜作为遮光膜以降低与电极层相连的电容。

如图5和图6所示，在上述传感器中多个独立电极122分布在一个玻璃衬底121上，其上形成由非晶态硅制成的光电转换膜。一个透明电极124在光电转换膜123上形成。

再在上面形成遮光膜126和127。其中，如图5和图6所示，遮光膜126由金属制成而与独立电极122相对的遮光膜127由黑色树脂制成。

用树脂作为遮光膜可以降低电极的寄生电容。理论上说，图4中显示的寄生电容Cc可以近似等于零。

在上述情况下，总电容为270pF至300pF之间(降低约40％)，而能耗为0.27W至0.3W之间。

但是，在二维固态成像装置中遮光膜不是象该一维图像传感器一样分为两个膜，而是单独一层。因此，不可能直接将该常规方法应用于固态成像装置。

同时，树脂遮光膜与金属膜相比遮光性能下降。当使用厚度为0.3μm的金属膜时，入射光束可以被衰减至1/10⁶或更小。因此，可以达到成像装置所需的100dB或更大的遮光性能。

相反，当使用厚度为1μm的黑色树脂膜作为遮光膜时，入射光束的衰减范围是百分之一到几百分之一。相比之下，树脂膜的遮光性能小于金属膜。

具有高亮度的光束如太阳光，可能经常进入固态成像装置的成像区81。这种光束的亮度是普通物体的亮度的1000倍或更大。因此，当遮光性能不佳时，一个透射过遮光膜的光束会造成垂直CCD寄存器中发生光电转换。其结果是，信号中被附加了一个误差信号。该误差信号会导致白色垂直条状的图像缺陷。这极大降低了图像质量。

为了防止这种情况，需要使树脂遮光膜的厚度达到几个μm。但是，使这种树脂膜高分辨地图形化是困难的。具体说，在厚的树脂遮光膜中不可能精确地制造出用于光束进入光电二极管的开口部分(宽度为2μm至3μm)。

当开口部分的尺寸精度降低时，用于每个光电二极管接收光束的面积发生波动，会造成灵敏性的变化。其结果是，成像装置中出现阴影现象，使图像质量严重下降。

此外，固态成像装置有微透镜。因此，当遮光膜变厚时，聚光距离变大。当聚光距离变长时，入射光束中的斜向分量偏离出开口部分。其结果是，当相机镜头的光圈被打开时，有效灵敏性被降低。

此外，日本未决专利公开No.4-337667也揭示了一种作为遮光膜的黑色染色层。但是，该公开中并没有解决上述问题。

鉴于上述问题，本发明提供一种固态成像装置，能够降低一个电极的寄生电容以及在不降低图像质量的情况下以高频驱动。

下面参考图7对本发明的第一实施例进行说明。

图中与常规技术相同的部件用同一符号表示，以便使说明简化。

如图7所示，一个二维固态成像装置包括：一个第一遮光膜(由右上方的剖面线表示)，用于包含多个垂直CCD寄存器83的成像区81；和一个第二遮光膜(由左上方的剖面线表示)用于水平CCD寄存器85。其中，第一遮光膜由金属或金属硅化物制成，而第二遮光膜由树脂制成。

图8中显示的水平CCD寄存器85与图4中显示的垂直CCD寄存器83的结构不同。即，在图7中用一个树脂遮光膜20代替图4中的金属遮光膜110。此外，因为树脂遮光膜由绝缘体制成，故不再需要图4中的绝缘膜。

除此之外，水平CCD寄存器85基本上与垂直CCD寄存器83的结构相同。

因此，在第一实施例中使用不导电的树脂遮光膜20。其结果是，电极层108’和树脂遮光膜20之间的电容Cc几乎变为零。因而，与常规技术相比总寄生电容降低了约40％。

图9中，右手侧显示的是垂直CCD寄存器83，左手侧显示的是水平CCD寄存器85。

用于多个垂直CCD寄存器83的第一遮光膜110的边界处对应于垂直CCD寄存器83的电极层108的一个端电极。在边界另一侧，树脂遮光膜20不仅覆盖了水平CCD寄存器85的电极层108’而且覆盖了垂直CCD寄存器83的端电极的一部分。

以这种结构，树脂遮光膜20与遮光膜110在端部相互重叠。此处，第一遮光膜110与第二遮光膜20(即树脂遮光膜)在二者交界处的重叠，可以防止光束从其交界处侵入。

其中，成像区81中形成的象素中位于水平CCD寄存器侧的一些象素没有设置开口部分与之对应。这些象素用于检测黑色。即，与这些象素对应的光电二极管不进行光电转换。因此，遮光膜110和树脂遮光膜20之间的边界可以由这些象素的形状形成。

如上所述，树脂遮光膜20被用来作为水平CCD寄存器85的遮光膜。其结果是，电极层108’的寄生电容降低，因而使能耗也减小。

此处，树脂遮光膜20与金属遮光膜相比对光束的遮挡性能不佳。但是，因为水平CCD寄存器在10MHz或更高频率下工作，所以在水平扫描期间叠加到信号电荷上的误差信号小到可以忽略。

下面参考图10A和10B对制造上述固态成像装置的方法进行说明。

首先，在N型半导体衬底上形成一个P阱102。而后，在P阱102中形成杂质扩散层，如一个N型杂质层104和一个P型高密度杂质层106。

然后，在形成于P阱102中的杂质扩散层104和106上淀积栅绝缘膜107。接着，通过已知的图形化工艺，在绝缘膜107上形成电极层108和108’，和绝缘膜109。然后，在一个预定区域形成第一遮光膜110，其上覆盖绝缘膜111。

和常规技术中一样，以上所述步骤通过使用已知的技术方法完成。

然后，如图10A所示，通过使用已知的旋转镀覆方法形成厚度为0.5μm至1μm的树脂遮光膜20(第二遮光膜)。接着，通过使用已知的刻蚀方法去除树脂遮光膜20使其仅在预定的区域保留。因而，如图10B所示，树脂遮光膜20仅处于预定区域之上。

接着，通过使用已知旋转镀覆方法形成作为平坦化膜112的一部分的透明树脂层。然后如图10B所示，通过使用已知技术在透明树脂层表面的预定位置形成滤色层113。此处，滤色层113有对应于RGB的三种颜色。因此，滤色层重复形成三次。

然后，通过旋转和镀敷作为扁平层112的透明树脂层以掩埋滤色层，并平整处理上表面。最后，在平坦化膜112上形成微透镜112。如此就完成了图7中显示的固态成像装置。

下面，参考图11对根据本发明第二实施例进行说明。与图9中的第一实施例不同，在第二实施例中树脂遮光膜20位于平坦化膜112之上。这种结构可以通过在形成微透镜114之后再形成树脂遮光膜20实现。

在这种结构中由于树脂遮光膜20的厚度不受限制，所以可以使其厚度为几个μm。其结果是，使用树脂遮光膜20可以达到与金属膜实质上相同的遮光性能。

下面参考图12对本发明的第三实施例进行说明。

在第三实施例中，用滤色层代替树脂遮光膜20。即如图12所示，通过分层和重叠三种颜色(RGB)的滤色层113a,113b,113c构造遮光膜。三层滤色层113的每一层衰减具有对应于某一颜色特定波长范围的一种光束。所以，透射过三层滤色层的光束的强度被大幅度削弱。因此，可以实现与树脂遮光膜20相同的遮光效果。

该固态成像装置由以下步骤获得。

除去形成树脂遮光膜20的步骤以外，第三实施例中形成滤色层113以前的步骤与第一实施例和第二实施例相同。

形成用于垂直CCD寄存器83的滤色层113的同时，形成用于水平CCD寄存器85的三层滤色层113。此处应注意，滤色层113共形成三次，分别对应每个象素的RGB颜色之一。但是，由于水平CCD寄存器之上形成了全部三层滤色层113a,113b和113c，所以在第三实施例中，通过使用原本就需要的滤色层113而省去了特定的遮光膜。因而其加工过程可大大简化。

在第三实施例中，如图12所示，水平CCD寄存器85之上形成的三层滤色层113a,113b，和113c的边界处被布置为完全重合。

但是如图13所示，也可以使三层滤色层的上层相对下层逐层向内回缩。

相反，可以使三层滤色层的上层相对下层逐层向垂直CCD寄存器侧伸展。

通过在形成上层滤色层时移动三层滤色层113的边界的步骤，在滤色层113边界处产生的影响很难表现出来。因此，上层滤色层的形成提高了图像形成的精度。此外，该步骤在滤色层113边界处产生的影响也很难在扁平层112的表面表现出来。因此，微透镜的图像形成精度被大大提高。

如上所述，虽然只对作为本发明实施例的CCD型固态成像装置进行了说明，但本发明也可以应用于采用其它系统的固态成像装置，如使用CMOS电路的成像装置。

此外，遮光膜可以布置在除电转换部分之外的外围电路(未显示)上。

Claims

1．一种固态成像装置，包括：

一个成像区，具有二维布置的多个光电转换部和与所述光电转换部相邻的沿垂直方向成直线布置的多个垂直CCD寄存器，所述垂直CCD寄存器将所述光电转换部转换的电荷信号向垂直方向传输；

一个水平CCD寄存器，与所述多个垂直CCD寄存器的一端耦合并将电荷信号向水平方向传输；

一个第一遮光膜，由第一种材料制成，覆盖除所述光电转换部之外的成像区；和

一个第二遮光膜，由第二种材料制成，覆盖所述水平CCD寄存器；

第一种材料和第二种材料不同。

2．根据权利要求1的装置，其特征在于：

所述水平CCD寄存器包括用于在所述第二遮光膜下传输电荷信号的多个电荷传输电极；

设置所述第二遮光膜以降低所述电荷传输电极的寄生电容。

3．根据权利要求1的装置，其特征在于：

第一种材料包含金属或金属硅化物，而第二种材料包含树脂。

4．根据权利要求1的装置，其特征在于：

所述第二遮光膜与所述第一遮光膜部分重迭。

5．根据权利要求4的装置，其特征在于：

所述垂直CCD寄存器包含一个端电荷传输电极；

所述第二遮光膜和第一遮光膜在所述端电荷传输电极上重叠。

6．根据权利要求3的装置，其特征在于：

所述水平CCD寄存器中在所述电荷传输电极上有一层平坦化膜；

所述第二遮光膜在所述平坦化膜和所述电荷传输电极之间形成。

7．根据权利要求3的装置，其特征在于：

所述第二遮光膜在所述平坦化膜上形成。

8．根据权利要求7的装置，其特征在于：

所述第一遮光膜具有第一遮光性能而所述第二遮光膜具有第二遮光性能；

通过调节所述第二遮光膜的厚度可使第二遮光性能实质上与第一遮光性能相同。

9．根据权利要求1的装置，其特征在于：

所述第二遮光膜通过层叠多个滤色层形成。

10．根据权利要求9的装置，其特征在于：

所述多个滤色层在其两端互相重叠。

11．根据权利要求9的装置，其特征在于：

所述多个滤色层在其一端互相错位。

12．一种具有至少一个水平CCD寄存器的固态成像装置，其特征在于：

所述水平CCD寄存器被由树脂材料形成的一个遮光膜覆盖。

13．根据权利要求12的装置，其特征在于：

所述水平CCD寄存器包括多个电荷传输电极，用于在所述遮光膜下传输电荷信号；

设置所述遮光膜以降低所述电荷传输电极的寄生电容。

14．根据权利要求13的装置，其特征在于：

所述水平CCD寄存器中在所述电荷传输电极上有一个平坦化膜；

所述遮光膜在所述平坦化膜和所述电荷传输电极之间形成。

15．根据权利要求13的装置，其特征在于：

所述遮光膜在所述平坦化膜上形成。

16．根据权利要求12的装置，其特征在于：

所述遮光膜通过层叠多个滤色层形成。