CN1258227C - 固态成像设备及其激励方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态成像设备，包括一个单位像素，该单位像素包括一个光电二极管和一个用于光信号检测的MOS晶体管，MOS晶体管设有高密度埋层，用于存储在光电二极管中由光辐照生成的光照生成电荷，纵向扫描信号驱动扫描电路用于输出一个扫描信号到栅极，以及升压扫描电路用于输出一个高于电源电压的升压到源区。升压从该升压扫描电路被施加到源区，存储在高密度埋层中的光照生成电荷通过由该升压增高的源电压和栅压被从高密度埋层中清除。

Description

固态成像设备及其激励方法
技术领域
本发明涉及一种固态成像设备以及它的一种激励方法。本发明尤其涉及利用一种阈电压调制系统的MOS(金属氧化物半导体)图像传感器的固态成像设备，该固态成像设备用于视频摄像机、电子摄像机、图像输入摄像机、扫描仪、传真机或类似设备，本发明还涉及该固态成像设备的一种激励方法。
背景技术
由于半导体图像传感器，如CCD(电荷耦合器件)图像传感器和MOS图像传感器，极适于大规模生产，因此伴随着图案微制造技术的进步，半导体图像传感器已应用到几乎所有类型的图像输入设备。
尤其是近年来，MOS图像传感器的适用性已再次被认可，因为它具有优点，即，与CCD图像传感器相比功耗更小，以及能通过同一种CMOS(互补金属氧化物半导体)技术制作传感器单元和外围电路单元。
考虑到这种社会趋势，本发明人改进了MOS图像传感器，并申请了一个关于沟道区下有一个载流子槽(carrier pocket)(高密度埋层)的传感器单元的专利申请(日本专利申请No.Hei 10-186453)，以得到它的一个专利(注册号为2935492)。
在根据专利(注册号2935492)的发明中，一个光电二极管111和一个用于光学信号检测的绝缘栅场效应晶体管(下文中，有时称为一个用于光学信号检测的MOS晶体管，或简单地称为MOS晶体管)二者相邻放置。MOS晶体管在一个沟道区下的一个阱区(well region)设有一个环形的载流子槽。载流子槽的受主密度高于其周围部分的受主密度，且用作势阱存储作为载流子的空穴。在包含载流子槽的阱区被耗尽的状态下，通过光辐照、接着传输光照生成的空穴、以及将其存储在载流子槽的势阱中，可在光电二极管的阱区生成空穴。结果，载流子槽中受主离子的负电荷被中和，从而改变阈电压。
此外，上面描述的MOS图像传感器的电路结构如专利(注册号2935492)的图8所示。通过CMOS电路提供的一个控制信号，MOS图像传感器的一系列操作通过一个初始化周期、一个存储周期以及一个读取周期。在初始化周期期间，通过施加一个正电压到每个电极，保留在空穴槽25中的光照生成空穴被放电到衬底11。在存储周期期间，光照生成空穴通过光辐照生成，接着被存储在载流子槽25中。接着，在读取周期期间，与光照生成空穴的存储量成正比的一个光学信号被检测。
然而，由CMOS电路提供的控制信号是指向降低其电压的方向，而且这个方向与初始化周期期间通过施加一个高电压而更完全地执行初始化的请求相反。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种固态成像设备，该设备能维持CMOS电路的低电压工作，并能更完全地执行初始化操作，以及提供该设备的一种激励方法。
顺便地，利用这种结构，在载流子槽25中的受主密度或图形如图10A所示那样不平坦的情况下，在载流子槽25的整个区域内电位就不会变得均匀，而且将偶尔在局部发生电位的高度变化，即势阱的深度变化。
在这种情况下，如图10C所示，对于注入的低电位空穴，空穴在势阱更深的地方被偏移，而且沟道区中的电位根据这个偏差而变化。由于这个原因，阈电压的调制在沟道区不均匀、单元电流分布不反映空穴的存储分布以致失去了针对空穴存储量的线性关系等问题出现，因而产生所谓的黑色倾斜(black batter)现象。
本发明的第二个目的是提供一种激励固态成像设备的方法，该方法能在一个用于光检测的绝缘栅场效应晶体管的整个沟道区内均匀地调制阈电压。
本发明涉及固态成像设备。图3所示为它的一个基本结构，其特征在于，本发明的固态成像设备包括一个单位像素101，该单位像素包含一个光电二极管111，以及与光电二极管111相邻放置的一个用于光学信号检测的MOS晶体管112，其中MOS晶体管112的栅极连接一个纵向扫描信号(VSCAN)驱动扫描电路102，而且一个源区连接一个升压扫描电路108。此外，其特征还在于，除了前述结构外，漏区连接漏电压(VDD)驱动扫描电路103。
此外，在单位像素101中，如图1和图2A所示，光电二极管111和MOS晶体管112在互连的阱区15a和15b中形成，而且单位像素101包括一个高密度埋层(载流子槽)25，用于将光照生成的电荷存储在MOS晶体管112的源区16外围部分的阱区15b。
在本发明的一种激励方法中，升压扫描电路108连接用于光信号检测的MOS晶体管112的源区16，，而且在初始化周期，在纵向扫描信号(VSCAN)驱动扫描电路102与栅极19断开的状态下，一个升高电压(升压)从升压扫描电路108被施加到源区16，或除了断开电路102，漏电压(VDD)驱动扫描电路103也从漏区17a中断开。因此，除了在存储周期期间施加一个栅压到栅极19，一个高于VSCAN驱动扫描电路102电源电压的升压，通过源区16和栅极19间的一个电容器，从升压扫描电路108被进一步施加到栅极19。换句话说，由于一个高电压被施加到源区16和栅极19，因此从载流子槽25的存储电荷清除操作就可进行得更加完全。
如上所述，由于本发明的固态成像设备包括升压扫描电路108，因此可实现本发明的第一个目的，即在维持降低外部供应电压的同时能更完全地执行清除操作。
此外，本发明涉及一种激励固态成像设备的方法。如图8所示，一个电压被施加到用于光信号检测的绝缘栅场效应晶体管112的栅极19，以便存储在载流子槽25中的大部分光照生成的电荷在初始化周期期间从载流子槽25释放，而且能使其中指定数量的电荷仍保留在载流子槽25中。
换句话说，对于尤其是图9B的实线所示的本发明，一个适当的电压被施加到源区16和栅极19，以使载流子槽25的势阱变浅，但在一个适当深度设置该电压，以放电光照生成的大部分电荷，而且只让指定数量的光照生成电荷保留在其中。指定数量意思是指，使载流子槽的整个区域内电位分布平坦的电荷数量。图10B示出了此时载流子槽25的整个区域内光照生成电荷的分布模型，以及在其上的电位分布。在光照生成电荷从此状态进一步被存储的情况下，光照生成电荷的存储不会产生偏差。因此，阈电压的调制变得均匀。
如上所述，在激励根据本发明的固态成像设备的一种方法中，能使载流子槽25的整个区域内的电位分布变为平坦的这种指定数量的光照生成电荷被保留在载流子槽25中。因此，可实现本发明的第二个目的，即使阈电压调制在存储周期的MOS晶体管的整个沟道区内变得均匀。
注意，在阱区和类似区域为与前述情况相反的电导型的情况下，即，在高密度层为n型的情况下，高密度埋层变为一个电子槽(载流子槽)，而且存储的是光照生成的电子。在这种情况下，一个负的大电压被施加到栅极以降低阱区15b表面的电位，而且载流子槽25的势阱变浅，以从载流子槽25中释放光照生成的电子。
概括地说，本发明提供一种固态成像设备，包括(i)一个单位像素，具有一个光电二极管，以及一个用于光学信号检测的绝缘栅场效应晶体管，它与光电二极管相邻放置，并且设有第一导电类型的阱区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的源区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的漏区、在源区和漏区之间的沟道区、形成在沟道区上的栅绝缘膜上的栅极、以及一个第一导电类型的、用于存储在光电二极管中生成的光照生成电荷的高密度埋层，该高密度埋层设在栅极下的该阱区内；(ii)一个纵向扫描信号驱动扫描电路，用于输出一个扫描信号到栅极；以及(iii)一个升压扫描电路，用于输出一个升压到源区。
根据本发明的上述固态成像设备，进一步包括一个漏电压驱动扫描电路，用于向漏区提供一个漏电压。
根据本发明的上述固态成像设备，其中绝缘栅场效应晶体管的栅极为环型，源区在由栅极环绕的阱区的表面层上形成，漏区在阱区的表面层上形成，以便环绕栅极。
根据本发明的上述固态成像设备，其中高密度埋层在沟道长度方向的部分区域，以及沟道宽度方向的整个区域形成。
根据本发明的上述固态成像设备，还包括：一个信号输出电路，记录对应于存储在高密度埋层中的光照生成电荷量的源电压，而且输出一个对应于源电压的光信号；以及一个水平扫描信号输入扫描电路，用于提供一个扫描信号，控制一个输出光信号的定时。
本发明还提供一种固态成像设备的激励方法，包括步骤：(i)配备固态成像设备，包括：(a)一个单位像素，具有(1)一个光电二极管，以及(2)一个用于光学信号检测的绝缘栅场效应晶体管，它与光电二极管相邻放置，并且设有第一导电类型的阱区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的源区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的漏区、在源区和漏区之间的沟道区、形成在沟道区上的栅绝缘膜上的栅极、以及一个第一导电类型的、用于存储在光电二极管中光照生成的电荷的高密度埋层，该高密度埋层设在栅极下该阱区内；(b)一个纵向扫描信号驱动扫描电路，用于输出一个扫描信号到栅极；以及(c)一个升压扫描电路，用于输出一个升压到源区；(ii)用光辐照光电二极管，以在阱区生成光照生成的电荷；(iii)传输光照生成的电荷到高密度埋层，以将光照生成的电荷存储在高密度埋层；(iv)检测绝缘栅场效应晶体管的阈电压的一个改变量，它随存储的光照生成电荷的数量改变；(v)从升压扫描电路输出该升压；(vi)在栅极从纵向扫描信号供应线被切断的状态下，将该升压施加到绝缘栅场效应晶体管的源区，从而该升压通过源区和栅极之间的一个电容被施加到栅极；(vii)通过由该升压抬高的源电压和栅电压，清除高密度埋层中存储的光照生成的电荷；以及(viii)重复步骤(ii)至(vii)。
根据本发明的上述固态成像设备的激励方法，其中固态成像设备进一步包括一个漏电压驱动扫描电路，用于向漏区提供一个漏电压。
根据本发明的上述固态成像设备的激励方法，其中漏区的电压大约等于源区的电压。
附图说明
为更充分地理解本发明和其优点，现在参考下面连带附图的描述。
图1为平面视图，示出了根据本发明第一个实施例的固态成像设备的一个单位像素的组成部分设置。
图2A为沿图1中沿I-I线的剖面图，示出了上述单位像素组成部分的剖面结构。图2B示出了在光照生成空穴存储在一个载流子槽中，以及电子在沟道区被感应以生成一个电子累积区的状态下的电位情况。
图3示出了根据本发明的第一个实施例的整个固态成像设备的电路结构。
图4A和图4B分别示出了图3中固态成像设备的信号输出电荷电路的详细结构。
图5示出了包含图3中固态成像设备的升压扫描电路的详细驱动电路图。
图6为定时图，示出了根据本发明第二个实施例的固态成像设备的一种激励方法。
图7为定时图，示出了在从读取周期到初始化周期的转换时刻的详细操作，它为图6中定时图的一部分。
图8为定时图，示出了根据本发明第三个实施例的固态成像设备的一种激励方法。
图9A为组成部分的剖面视图，示出了根据本发明第三个实施例的固态成像设备的激励方法；而图9B示出了在根据本发明第三个实施例的固态成像设备的激励方法的初始化周期期间，在深度方向，即，沿图9A中的II-II线，通过用于光检测的MOS晶体管的载流子槽所能看到的电位分布。
图10A示出了在根据本发明第三个实施例的固态成像设备的激励方法的初始化周期期间，从载流子槽中完全清除空穴的情况下，沿用于光检测的MOS晶体管的载流子槽方向，载流子槽中对应的受主密度分布和电位分布；图10B示出了在适当数量的空穴类似地保留在载流子槽中的情况下，载流子槽中的电位分布；以及图10C示出了载流子槽中的电位分布根据载流子槽中存储的空穴数量变化的状态。
具体实施方式
(第一实施例)
现在，参考附图描述本发明的第一个实施例。
图1为平面视图，示出了根据本发明第一个实施例的包含升压扫描电路的MOS图形传感器的单位像素的组成部分分布。
如图1所示，在单位像素101中，光电二极管111和一个用于光信号检测的绝缘栅场效应晶体管(下文中称为用于光信号检测的MOS晶体管112，或简单地称为MOS晶体管112)二者相邻放置。对于MOS晶体管112，采用耗尽型n沟道MOS(n MOS)。
光电二极管111和MOS晶体管112分别在不同阱区，即，第一和第二阱区15a和15b中形成，这两个阱区互连以相互结合在一起。位于光电二极管111中的第一阱区15a构成了通过光辐照生成电荷区域的一部分。位于MOS晶体管112中的第二阱区15b构成一个栅区，它通过阱区15b的电位能改变沟道的阈电压。
MOS晶体管112有一个轻掺杂漏区(LDD)结构。漏区17a和17b的形成是使得环绕环形栅极19的外围部分，而源区16的形成是使得被环形栅极19的内缘部分所环绕。
轻掺杂漏区17a延伸以形成光电二极管111的一个杂质区17，该杂质区的杂质浓度基本上等于轻掺杂漏区17的杂质浓度。换句话说，杂质区17和轻掺杂漏区17a互相结合在一起，以便其大部分区域所处位置可与第一和第二阱区15a和15b的表面层接触。在杂质区17a和轻掺杂漏区17a的外围部分，形成作为接触层的高浓度漏区17b，以便它在远离光电检测部分的同时连接轻掺杂漏区17a。
另外，作为MOS图像传感器特征的载流子槽(高密度埋层)在栅极19下的第二阱区15b内的源区16周围部分形成，以便环绕源区16。
漏区17a和17b通过低阻抗的接触层17b连接漏电压(VDD)供应线(或漏极)22；栅极19连接纵向扫描信号(VSCAN)供应线21；以及源区16连接纵向输出线(或源极)20。
在光电二极管111中提供有光接收窗口24。
接下来，描述前述MOS图像传感器的单位传感器的剖面结构。
图2A为沿图1中线I-I的剖面视图。
如图2A所示，n型(第二电导型)硅的杂质浓度设为约1×1015cm-3，它在衬底(第一半导体层)11上外延生长，衬底11由杂质浓度设为1×1018cm-3或更高的p型(第一电导型)硅组成，从而形成外延层(第二半导体层)12。
在这个外延层12，形成多个像素101，每个像素包括光电二极管111和用于光信号检测的MOS晶体管112。
前述整个组成部分被一层绝缘膜28覆盖，而且光电二极管中除光接收窗口24之外的区域被一个金属层(绝缘膜28上的光屏蔽膜23)屏蔽光线。
接下来，参考图2A详细描述光电二极管111。
光电二极管111包括：外延层12；在外延层12的表面层形成的p型第一阱区15a；以及从第一阱区15a的表面层延伸到外延层12的表面层的n型杂质区17。P型衬底11构成了光电二极管111第一电导型的第一半导体层。同样地，n型外延层12构成了第二电导型的第二半导体层。
杂质区17的形成是为了从用于光信号检测的MOS晶体管112的轻掺杂区17a延伸。杂质区17的杂质浓度基本上等于轻掺杂漏区17a的杂质浓度。
在存储周期，杂质区17连接漏电压供应线22，并且在正电位有偏压。在这个时刻，耗尽层从杂质区17和第一阱区15a间的分界面扩展到整个第一阱区15a，接着到达n型外延层12。另一方面，耗尽层从衬底11和外延层12间的分界面扩展到外延层12，接着到达第一阱区15a。
在第一阱区15a和外延层12，电位分布的设置方式为，电位从衬底11一侧到表面一侧逐渐减小。从而，在第一阱区15a和外延层12中由光照生成的空穴仍保留在此，而不外流到衬底11一侧。由于第一阱区15a和外延层12连接MOS晶体管112的栅区15b，因此由光照生成的空穴可有效地用作电荷，来调制MOS晶体管112的阈电压。换句话说，第一阱区15a和外延层12整个地变为受光照作用的载流子生成区。
此外，受光照作用的载流子生成区配置在前述光电二极管111的杂质区17之下，这意味着光电二极管111有一个埋层结构用于光照生成的空穴。因此，有可能减小噪声，而不受半导体层表面多个浮获状态的影响。
接下来，参考图2A详细描述用于光信号检测的MOS晶体管112。
MOS晶体管112部分从下侧往上顺序包括：p型衬底11；在衬底11上形成的n型外延层12；以及在外延层12上形成的第二p型阱区15b。P型衬底11构成了MOS晶体管112部分相反电导型的第一半导体层；同样地，外延层12构成了MOS晶体管112部分一种电导型的第二半导体层。
MOS晶体管112以上述方式构成，使得以n型轻掺杂漏区17a环绕环形栅极19的外围。n型轻掺杂漏区17a与n型杂质区17结合在一起。在从轻掺杂漏区17a延伸的杂质区17的外围部分，形成一个高浓度漏区17b，以便连接杂质区17，以及延伸到组成单元断开区13和组成单元断开绝缘膜14。高浓度漏区17b变为与漏极22的接触层。
另外，形成n型源区16以便被环形栅极19所环绕。对于源区16，其中心部分为高浓度，而其周围部分为低浓度。源极20连接源区16。
通过插入一层栅绝缘膜18，栅极19在漏区17a和源区16间的沟道区之上形成。栅极19之下的第二阱区15b的表面层变为沟道区。此外，为在通常的工作电压下维持沟道区的反向或耗尽状态，适当浓度的n型杂质被引入到沟道区以形成沟道掺杂层15c。
P+型高浓度埋层(载流子槽)25在沟道区下的第二阱区15b的沟道长度方向的部分区域形成，以便环绕源区16。这种P+型高浓度埋层25可通过，例如离子注入的方式形成。最好应形成高浓度埋层25不接触沟道区。
在P+型高浓度埋层25中，其电位低于高浓度埋层25周围部分的电位，以用于光照生成电荷中的光照生成空穴。从而可在载流子槽25中采集光照生成的空穴。当高于栅压的电压被施加到漏区17a和17b时，采集光照生成的空穴到载流子槽25中的速度加快。
图2B示出了光照生成的空穴存储在载流子槽25中，以及在沟道区感应电子以形成一个电子累积区的情况下的电位状态。这种存储在载流子槽25中的电荷使得MOS晶体管112的阈电压发生变化。因此，通过检测这个阈电压变化可实现光学信号检测。
在初始化周期，一个高电压被施加到源区16和栅极19，而且通过利用由此生成的一个电场，保留在第二阱区15b中的载流子被清除到衬底11一侧。在这种情况下，施加的电压使得耗尽层从沟道区的沟道掺杂层15c和第二阱区15b间的分界面扩展到第二阱区15b，而且使得耗尽层从p型衬底11和外延层12间的分界面扩展到第二阱区15b下的外延层12。
因此，由施加到源区16和栅极19的电压生成的电场应用范围主要包括第二阱区15b和其下的外延层12。
接下来参考图3，描述应用以前述方式组成的单位像素的MOS图像传感器的整个结构。图3示出了根据本发明第一个实施例的MOS图像传感器的电路结构。
如图3所示，这个MOS图像传感器应用2维阵列传感器结构，而且前述结构的单位像素101以矩阵型式在行和列方向排列。
用于纵向扫描信号的驱动扫描电路102(下文中称为VSCAN驱动扫描电路)以及用于漏电压(VDD)的驱动扫描电路103(下文中称为VDD驱动扫描电路)一右一左将一个像素区夹在中间。
纵向扫描信号供应线(下文中称为VSCAN供应线)21a和21b从VSCAN驱动扫描电路102中引出，一根线用于一行。在沿行方向排列的每个像素101中，VSCAN供应线21a和21b连接MOS晶体管112的栅极。
漏压供应线(下文中称为VDD供应线)22a和22b从VDD驱动扫描电路103中引出，一根线用于一行。在沿行方向排列的每个像素101中，每根VDD供应线21a和21b分别连接用于光信号检测的相应MOS晶体管的漏极22。
提供用于每个列的不同纵向输出线20a和20b。在沿列方向排列的每个像素101中，这些纵向输出线20a和20b分别连接相应MOS晶体管的源极20。
此外，MOS晶体管112的源极20在每一列，通过纵向输出线20a和20b连接信号输出电路105。
根据纵向扫描信号(VSCAN)和水平扫描信号(HSCAN)，相应单位像素101中的MOS晶体管112被顺序驱动，以读取一个视频信号(Vout)，由于来自信号输出电路105的残余电荷，该视频信号强度与入射光量成正比，而且不包含噪声分量。
图4A和4B详细示出了信号输出电路105。
在图4A中，源区直接连接由上述信号输出电路105中的一个输入电容组成的一个线性内存。源区的特征在于，诸如恒定电源的有源负载不与之相连。
如图4A所示，通过第一开关CK1连接用于光信号检测的MOS晶体管112源极20的第一线性内存Lms，由于在存储光照生成的电荷之前残余有电荷，因此存储的源电位包含光学信号电压和噪声电压。同样地，通过第二开关CK2连接源极20的第二线性内存Lmn，存储的源电位只包含噪声电压。而且，存储的源电位分别通过第三开关CK3和第四开关CK4被输入到工作放大器电路31。接着，作为差电压的一个光学信号电压通过水平输出线26被输出到视频信号输出终端107。工作放大器电路31构造成使得开关电容电路与存储器电容Lms和Lmn一起组合构成。
图4B示出了信号输出电路105另一例子的电路图。在图4A中，由输入电容组成的线性内存Lms和Lmn直接连接信号输出电路105的源区16。然而，如图4B所示，一个恒定电源(负载电路)106可并联该线性内存，以建立一个源跟随连接。
上述信号输出电路105中的开关(CK1～CK6)原理如图4所示，以指示它们连接和切断对应线路。然而，MOS晶体管刻单独使用或与之组合使用，以便第二个实施例中描述的电路操作可适当地执行。
此外，如图3所示，在这个实施例中的固态成像设备中提供升压扫描电路108。来自升压扫描电路108的升压输出线30a和30b分别连接纵向输出线20a和20b。换句话说，一个升压被施加到每列的每个像素101的MOS晶体管112的源区。结果，该升压通过栅源之间的电容被施加到栅极。因此，施加到阱区15b的电场强度增加，由此能更完全地执行清除载流子。
图5示出了包括图3所示的升压扫描电路的详细驱动电路图。
如图5所示，升压扫描电路108包括时钟生成电路121、升压电路122以及预先充电电路123。
在时钟生成电路121，反相器G1到G4与一个时钟输入端(CL/)串联。反相器G4的输出端用作时钟生成电路121的输出端，并且连接升压电路122的输入端。
反相器G1的输出端在一端连接反相器G2的输入端，在另一端连接VSCAN驱动扫描电路102作为时钟生成电路121的反向输出。此外，用于延迟一个时钟脉冲的电容C1在反相器G2与G3之间并联。
从时钟输入端(CL/)输入的时钟被反相器G1到G4放大，并且从时钟生成电路121的一个输出端输出，并在保持原极性不反向的情况下输入到升压电路122。
在升压电路122，其输入端被分成三个方向。
第一端连接电容C2的一端，通过反相器G9生成一个升压。电容C2的另一端连接与纵向输出线20a相连的升压输出线30a。
第二端连接晶体管T4的栅极，控制提供3.3V的电压到电容C2的另一端。晶体管T4的漏极连接3.3V的供应电压，其源极用作输出端，连接电容C2的另一端。
第三端连接晶体管T5的栅极，控制电容C2的另一端与升压输出线30a之间的连接。通过晶体管T5的开关，可导通或截断该连接。
反相器G9的输出端的电位由CLD表示。纵向输出线20a和升压输出线30a的电位由VPSn表示。
当一个时钟脉冲的高电平(下文中称为H)输入到时钟输入端(CL/)时，晶体管T4导通，以通过晶体管T4将3.3V的电压充电到电容C2。此外，3.3V的电压通过晶体管T5被输出到升压输出线30a。当时钟脉冲的低电平(下文中称为L)被输入时，电容C2反相器G9一侧的电压通过反相器G9被升高为3.3V。在这个时刻，在时钟脉冲的L被输入之前另一3.3V的电压被充电到电容C2的情况下，电容C2对面一侧的电压被升高为6.6V。当时钟脉冲的L被输入到时钟输入端(CL/)时，晶体管T5导通将在电容C2的对面一侧的6.6V电压传导到升压输出线30a。
在预先充电电路123，反相器G10连接输入端(PR/)，而且控制施加地电位到升压输出线30a的晶体管T6的栅极连接反相器G10的输出端。反相器G10输出端的电位由PR表示。晶体管T6的漏极接地。晶体管T6的源极，作为预先充电电路123的一个输出端，连接升压输出线30a。
当H被输入到预先充电电路123的输入端(PR/)时，晶体管T6截止。当L被输入到其中时，晶体管T6导通。因此，当输入端(PR/)为L时，地电位被输出到升压输出线30a。
接下来，参考图5详细描述一个VSCAN驱动扫描电路102和VDD驱动扫描电路103的电路示例。VSCAN驱动扫描电路102和VDD驱动扫描电路103的输入端通用。从输入端中输入同一扫描信号(VSCNn)。
首先，详细描述VSCAN驱动扫描电路102。其输入端被分成两条线路，通过这两条线路控制电压被分别施加到晶体管T1和T2，控制提供一个控制电压到VSCAN供应线21a。其一端连接反相器G8的输入端，而反相器G8的输出端连接晶体管T2的栅极。
另一端再被划分，以分别连接反相器G5两个输入端的其中一个，以及反相器G6两个输入端的其中一个。反相器G6的输出端被再分。被再分的其中一端连接反相器G5的另一个输入端，而被再分的另一端连接VDD驱动扫描电路103的晶体管T3的栅极。晶体管T3的栅极电位由Spdn表示。
反相器G5的输出端连接反相器G7的输入端。反相器G7的输出端连接晶体管T1的栅极。反相器G7的输出端电位由Vspn表示。
晶体管T1的源极连接2V的电源，而晶体管T2的源极接地。晶体管T1和T2的漏极相连，以变为VSCAN驱动扫描电路102的一个输出端，并与VSCAN供应线21a相连。VSCAN供应线21a的电位由VPGn(VSCAN)表示。在存储周期期间，对于晶体管T1和T2，当晶体管T1截止时，晶体管T2导通，而且输出端为地电位。在读取周期期间，当晶体管T1导通，晶体管T2截止，而且输出端电压为2V。而在初始化周期周期，晶体管T1和T2同时截止，VSCAN供应线21a被从VSCAN驱动扫描电路102切断，然后在VSCAN供应线21a出现MOS晶体管112的栅极电位。
在VDD驱动扫描电路103，提供有晶体管T3，并控制施加一个3.3V的电压到VDD供应线22a。晶体管T3的栅极连接反相器G6的输出端，漏极连接3.3V的电源，而作为晶体管T3输出端的源极连接VDD供应线22a。VDD供应线22a连接像素101中MOS晶体管112的漏极。VDD供应线22a的电位由Vpdn(VDD)表示。
前述的各种扫描电路102、103、104、108以及信号输出电路105等的电路结构主要由CMOS晶体管组成。
接下来，将简单描述用于光信号检测的MOS图像传感器的组成单元操作。
在组成单元的操作中，包括清除(初始化)、存储以及读取的一系列的周期重复进行，例如以清除(初始化)周期-存储周期-读取周期-清除(初始化)周期......顺序进行。
在清除周期(初始化)，在存储光照生成的电荷之前，读取后残留的光照生成电荷、受主、施主等被中和，或者诸如空穴、电子等在光信号读取前被浮获至表面能级的残余电荷释放出半导体，从而载流子槽25被清空。在这种情况下，升压扫描电路108将从CMOS电路输出的一个低控制电压增高到该控制电压的2倍或3倍，并输出约为+5V或更高的正的高电压，通常为7到8V。这个升压被施加到源区16和栅极19。
在存储周期，通过光照生成载流子(光照生成的电荷)，且载流子中的空穴在第一和第二阱区15a和15b中移动，接着存储在载流子槽25中。约为+2到3V的正电压被施加到漏区17a和17b，而且一个低的正或负电压被施加到栅极19，以使MOS晶体管112维持截止状态。
在读取周期，由存储在载流子槽25中的光照生成电荷引起的MOS晶体管112阈电压的变化被读取作为源电位的变化。为了在饱和状态下操作MOS晶体管112，约为+2到3V的正电压被施加到漏区17a和17b，而且约为+2到3V的正电压被施加到栅极19。
如上所述，根据本发明的第一个实施例，固态成像设备有升压扫描电路108连接源极20，而且升压扫描电路108将从CMOS电路输出的一个低控制电压增高到该控制电压的2倍或3倍，并从其中输出。因此，通过源区16能施加一个高电压到栅极19。因此，在更完全地进行初始化的同时能维持降低CMOS电路的工作电压。
已详细描述了本发明的第一个实施例。然而，本发明的范围不限于第一个实施例中的特定举例，在不偏离本发明的精神下对本实施例进行的变化和修改在本发明的范围之内。
例如，在第一个实施例中，尽管采用图5所示的升压扫描电路108，但本发明的范围不限于此。它可具有这样一种功能，以便从CMOS电路输出的一个低控制电压可被增高到该控制电压的2倍或3倍。
此外，第一和第二阱区15a和15b是在p型衬底11上的n型外延层12形成的。然而，除了n型外延层12，n型杂质也可被引入到p型外延层，以形成一个n型阱层，而且第一和第二阱区15a和15b可在这种n型阱区形成。
此外，可构想各种变型例子应用到本发明的固态成像设备的结构。然而也可为其它结构，只要光电二极管和用于光信号检测的MOS晶体管二者相邻构成单位像素，以及高密度埋层(载流子槽)可设在MOS晶体管的沟道区下的p型阱区内的源区附近就足够了。
再者，虽然采用的是p型衬底11，但也可采用n型衬底。在这种情况下，为得到类似于上述第二个实施例的效果，只要第二个实施例中描述的整个层面和区域的电导型相反就可以了。在这种情况下，存储在载流子槽25中的载流子在电子和空穴之间选择为电子。
(第二个实施例)
接下来，参考图3到图6，描述包含根据第一个实施例初始化操作的一系列连续光信号检测操作。根据第一个实施例的固态成像设备用于光电信号检测操作，而且采用如图4所示的信号输出电路105。由于已经描述了图3到图5，因此它们被省略。
图6为定时图，示出了包含根据第二个实施例的初始化操作的一系列连续光电信号检测操作。
如上所述，光电检测操作是通过重复一系列周期，包括清除(初始化)、存储和读取，而执行的。在此，为方便起见，从存储周期开始描述。
首先，在存储周期期间，一个低的栅极电压被施加到MOS晶体管112的栅极19，而且一个约为2到3V的电压(VDD)被施加到漏区17a和17b。在这个时刻，第一和第二阱区15a和15b以及外延层12被耗尽。接着，生成一个从漏区17a和17b到源区16的电场。
接下来，当光电二极管111被光辐照时，空穴-电子对(光照生成的电荷)生成。
前述的电场使得光照生成电荷中的光照生成空穴被注入到用于光信号检测MOS晶体管112的栅区15b，并开始被存储在载流子槽25中。
在读取周期前的存储周期期间，时钟脉冲的L被输入到预先充电电路123的输入端(PR/)，输出端的MOS晶体管112源极被激励为地电位。在这个时刻，时钟脉冲的L(VSCNn)被输入到VSCAN驱动扫描电路102的输入端，而VSCAN驱动扫描电路102的输出端被设为地电位，以激励MOS晶体管112的栅极。VDD驱动扫描电路103的输出端(Vpdn)约为3.3V。换句话说，光照生成的空穴传输到载流子槽时被加速，并且通过降低源区16和栅极19的电位，空穴更完全地存储在载流子槽25中。
因此，耗尽层从沟道区扩展到其下的栅区15b的宽度受限，源区16附近的电位被调制，且MOS晶体管112的阈电压被改变。
接着，在读取周期期间，时钟脉冲的H(VSCNn)被输入到VSCAN驱动扫描电路102的输入端。因此，VSCAN驱动扫描电路102的输出端(VPGn)被设为约2V，以激励MOS晶体管112的栅极。同时，时钟脉冲的H被输入到预先充电电路123的输入端(PR/)，以截止晶体管T6。因此，MOS晶体管112的源极20从预先充电电路123被切断。另一方面，VDD驱动扫描线22a的电压保持为约3.3V。
换句话说，约为2V的一个栅压被施加到栅极19，而约为3V的电压VDD被施加到漏区17a和17b，以使MOS晶体管工作在饱和状态。因此，在载流子槽25上的部分沟道区形成一个低电场的反相区域，而在另一部分沟道区形成一个高电场区。
此外，信号输出电路105的恒定电源106连接MOS晶体管112的源极16。从而MOS晶体管112构成了一个源跟随电路。因此，源电位随着MOS晶体管112阈电压的波动而变化，这是因光照生成的空穴造成的，而且输出电压也发生变化。
通过这种方式，可得到一个与光照量成正比的视频信号(Vout)。
接着，描述初始化操作。在初始化操作中，保留在载流子槽25以及第一和第二阱区15a和15b中的电荷被放电。
首先，参考图7的定时图描述紧随读取周期之后的初始化周期(T周期)。
注意，在图7中，TW表示从反相器G10的反相输出信号(PR)的上升沿，到升压输出线30a输出升压上升的周期；TW0表示反相器G10的反相输出信号(PR)的上升时刻；TW1表示输入到预先充电电路123的输入端(PR/)的时钟脉冲的上升时刻，以及输入到时钟生成电路121的输入端(CL/)的时钟脉冲的下降时刻；TW2表示反相器G10的反相输出信号(PR)的下降时刻；TW3表示升压输出线30a输出升压的上升时刻。
如图7所示，时钟脉冲的L被输入到升压扫描电路108的预先充电电路123的输入端(PR/)。伴随于此，反相器G10的反相输出信号(PR)在时刻TW0从L上升到H。另一方面，来自输入端(PR/)的时钟脉冲上升到H，而且伴随于此，反相器G10的反相输出信号(PR)在比TW1延迟的TW2时刻下降。此外，输入到时钟生成电路121输入端(CL/)的时钟脉冲电压，在对应来自输入端(PR/)的时钟脉冲的上升时刻TW1，从H切换到L。因此，晶体管T3截止以使MOS晶体管112的漏极22从VDD供应线22a切断。晶体管T2已经截止，因为时钟脉冲的H(VSCANn)被输入，而且晶体管T1由于输入到输入端(CL/)的时钟脉冲的下降而被截止，以使MOS晶体管112的栅极19从VSCAN供应线21a切断。
另一方面，晶体管T4由于来自时钟生成电路121输入端(CL/)的时钟脉冲在TWO和TW1之间上升而导通，而且一个3.3V的电压被充电到电容C2。
电容C2的反相器侧由于来自输入端(CL/)的时钟脉冲的下降而电压升高为3.3V，而且晶体管T5导通以连接升压输出线30a与HSCAN供应线20a。此外，晶体管T6对应预先充电电路123的反相器G10的反相输出信号(PR)的下降而被截止，以使HSCAN供应线20a从预先充电电路123断开。因此，HSCAN供应线20a上的电压为6.6V。
此外，由于栅极19从VSCAN供应线21a被切断，源极的电压变为6.6V，因此加上已经放电到此的2V电压，通过源栅之间的电容栅极19的电位变为8.6V。
因此，施加到源极20和栅极19的电压被施加到第二阱区15b以及其下的外延层12。在这时生成的高电场使得载流子能被精确地清除出第二阱区15b。因此，通过提供升压电路122，利用来自控制电路的一个低控制电压就可精确地清除载流子。
如上所述，根据本发明的第二个实施例，升压电路122连接用于光信号检测的MOS晶体管112的源区，因此即使控制电路的电源电压很低，载流子也能更为精确地清除。
因此，利用CMOS电路提供的控制电路在更完全地进行初始化的同时，能维持一个低电压。
上面已描述了本发明的第二个实施例。然而应理解，本发明的范围并不限于第二个实施例中的特定例子，而且在不偏离本发明的精神下对本实施例进行的各种变化和修改，全都在本发明的范围之内。
例如，在第二个实施例中，用于激励固态成像设备的方法应用到信号输出电路108中图4B所示的电路，但它也可应用到图4A所示的电路。
(第三个实施例)
接着，参考附图描述本发明第三个实施例的用于激励固态成像设备的一种方法。
图8示出了控制根据本发明的MOS图像传感器的输入/输出信号的定时图。
根据第三个实施例的固态成像设备的激励方法被应用到第一个实施例中的固态成像设备，而且图4所示的信号输出电路也被采用。此外，在初始化周期和存储周期之间增加了一个消隐周期。
换句话说，光电检测操作的实现是通过重复执行上述的一系列周期，包括存储、读取、以及清除(初始化)、消隐。
在读取周期期间，由一个光信号调制的第一源电位在消隐周期期间被存储在第一线性内存中，而第二源电位在初始化载流子槽25的状态下被存储在第二线性内存中。此外，在存储周期期间，在前一周期期间分别存储在第一和第二线性内存中的第一源电位和第二源电位之间的差电压被输出。
在此，为方便起见，将从存储周期开始描述。
首先，在存储周期期间，一个3.3V的电压(Vpdn，VPSn)被施加到漏区17a和17b，以及用于光信号检测的MOS晶体管112的源区16，并且栅极19接地(VPGn)。
在这个时刻，第一阱区15a、第二阱区15b以及外延层12被耗尽。而且在第一和第二阱区15a和15b，由于高密度埋层25和其周围部分的阱区15a和15b之间存在杂质浓度差，因此生成了一个朝向高密度埋层(载流子槽)25的电场。
接下来，光电二极管111受光辐照生成一个电子和空穴对(光照生成的电荷)。
前述的电场使光照生成电荷中的光照生成空穴被注入到用于光信号检测的MOS晶体管的栅区15b，并且存储在载流子槽25中。由此，限制了耗尽层从沟道区向其下的栅区15b扩展的宽度，源区16附近的电位被调制，且MOS晶体管112的阈电压被改变。
在这时，在载流子槽25中受主密度改变的情况下，如果所有光照生成的电荷在之后要描述的初始化周期期间被清除，那么对应图10A所示的受主密度变化，电位将不平坦。因此，当空穴的注入量很小时，空穴被偏移且存储在电位低的地方。因此，当光信号被读取时，会出现图像的“黑色倾斜(black batter)”现象。另一方面，在本发明的第三个实施例中，在如图10B所示的前面刚进行的初始化周期期间，数量足以使载流子槽25中的电位分布平坦的光照生成电荷被保留下来。因此，在光照生成电荷从此状态接着存储的情况下，阈电压的调制在整个沟道区变得均匀。因此，当光信号被读取时，可避免出现所谓的“黑色倾斜”现象。
接着，在存储周期的结束期间，VSCAN驱动扫描电路102的输出(VPGn)保持地电位，以在激励源极为地电位时，激励MOS晶体管112的栅极。另一方面，VDD驱动扫描线22a的电压维持在约为3.3V。因此，通过降低栅极19的电位，传输光照生成的电荷到载流子槽25时被加速以更完全地存储光照生成的电荷。同时，信号输出电路105的第一开关CK1导通。
注意，在存储周期期间，前一周期期间存储在第一线性内存Lms和第二线性内存Lmn的源电位之差电压被输出到视频信号输出端107。这个输出操作将在消隐周期之后描述。
接着，在读取周期期间，在保持信号输出电路105的第一开关CK1导通的状态下，VSCAN驱动扫描电路102的输出(VPGn)电压设为约2.2V，以激励MOS晶体管112的栅极。另一方面，VDD驱动扫描线22a的电压维持在约为3.3V，以激励MOS晶体管112的漏极。
换句话说，一个约为2到3V的栅压被施加到栅极19，而约为3.3V的电压VDD被施加到漏区17a和17b，以使MOS晶体管112能工作在饱和状态。因此，在载流子槽25上的部分沟道区形成一个低电场的反相区，而在沟道区的其余部分形成一个高电场区。因此，晶体管导通以充电第一线性内存。
因此，第一线性内存Lms被逐渐充电。而且随着充电的进行，源电位逐渐上升。当源电位变得等于阈电压时，漏电流停止流动。因此，充电结束，而且被第一线性内存Lms光学调制的阈电压(源电位Vouts)被存储。这个阈电压不仅包括只由光照生成电荷引起的电压，而且包括由非光照生成电荷所引起的电压(即，称为噪声电压(Voutn))，它包含在前一初始化操作期间保留的足量电荷。
读取周期结束后，第一开关断开。
接着，描述初始化操作。在初始化操作中，保留在载流子槽25以及第一和第二阱区15a和15b中的电荷被放电。
为执行这个操作，升压通过源区16被施加到栅极19。施加到栅极19的升压被施加到第二阱区15b和其下的外延层12。沿图9A中线II-II的深度方向的电位分布由图9B中的实线表示，而且环形载流子槽25上及周围的电位分布如图10A所示。
换句话说，如图8实线所示的一个适当的升压被施加到栅极19，因此载流子槽25的势阱变浅，并保持图9B实线所示的一个适当深度。大部分光照生成的电荷被放电而只有使载流子槽25中的电位分布变平的特定数量的光照生成电荷被保留，如图10B所示。
注意，为了进行比较，在载流子槽25中的载流子试图完全放电而不保留在其中的情况下，沿图9A中线II-II的深度方向的电位分布如图9B中的虚线所示，而当载流子槽25由于如上所述而被清空时，位于和沿环形载流子槽25的载流子槽25的电位分布如图10A所示。如图8的虚线所示的一个较高电压被施加到栅极19，因此载流子槽25中的势阱如图9B中虚线所示消失，而且光照生成的电荷被完全放电。在这种情况下，在存储周期期间，如图10C所示，在载流子槽25中的电位出现偏移。从而光照生成的电荷从电位低的地方被偏移，并被存储。
存储在载流子槽25中的光照生成电荷被放电但保留了特定数量的电荷用于稳定载流子槽25的电位分布。此后，在消隐周期的开始期间，VSCAN驱动扫描电路102的输出端(VPGn)设为地电位，以激励MOS晶体管112的栅极。同时，VDD驱动扫描电路103的输出端(Vpdn)电压设为约3.3V，以激励MOS晶体管112的漏极。此外，第三开关CK3导通，而第二线性内存Lmn连接MOS晶体管112的源区。
接着，在消隐周期开始期间之后的期间，VSCAN驱动扫描电路102的输出端(VPGn)电压设为约2.2V，以激励MOS晶体管112的栅极。另一方面，VDD驱动扫描线22a的电压保持为约3.3V，以激励MOS晶体管112的漏极。
因此，在载流子槽25上的一部分沟道区形成一个低电场的反相区，而在沟道区的其余部分形成一个高电场区。在这个时刻，MOS晶体管112导通，以充电第二线性内存Lmn。随着充电的进行，源电位逐渐上升。当源电位变得等于阈电压时，MOS晶体管截止。因此，充电结束，而且由剩余电荷引起，而不是由光照生成电荷引起的噪声电压，存储在第二线性内存Lmn中。
消隐周期结束后，开关CK2断开。
接着，操作返回到存储周期。在这个时刻，执行存储操作，而且输出在前一周期期间存储在第一和第二线性内存Lms和Lmn的源电位Vouts和Voutn之间的差电压。通过这种方式，可得到与光辐照量成正比的视频信号(Vout＝Vouts-Voutn)。
如上所述，根据本发明的第三个实施例，在如图9B中实线所示的初始化周期期间，一个适当的高电压被施加到栅极19，因此载流子槽25的势阱变浅，但深度适当。换句话说，大部分光照生成电荷被放电而用于平坦载流子槽25的电位分布的特定数量的光照生成电荷被保留。因此，在光照生成的电荷从此状态开始接着被存储时，阈电压的调制在整个沟道区变得均匀。由此，当光学信号被读取时，可避免所谓的图像“黑色倾斜”。
此外，在一系列的存储-读取-清除(初始化)-消隐操作中，有可能实现一种理想的光电转换机制，当光照生成的空穴移动时，它能防止与半导体表面或沟道区内的噪声源交互作用。
已详细描述了本发明的第三个实施例。然而，本发明的范围并不限于第三个实施例中的特定例子，而在不偏离本发明的精神下对本实施例进行的变化和修改属于本发明的范围之内。
例如，在第三个实施例中，在初始化周期期间，用于放电大部分光照生成电荷而保留指定数量的电荷的一个适当高电压的变化取决于组成单元的参数，如栅极绝缘膜18的厚度，以及载流子槽25的密度。由此，电压适当地随设置的单元参数改变。
此外，尽管本发明应用于具有如图5所示升压扫描电路108的固体成像设备，但本发明也可应用于不具备升压扫描电路108的固态成像设备。

Claims (8)

1.一种固态成像设备，包括：
(i)一个单位像素，具有
(a)一个光电二极管，以及
(b)一个用于光学信号检测的绝缘栅场效应晶体管，它与光电二极管相邻放置，并且设有第一导电类型的阱区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的源区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的漏区、在源区和漏区之间的沟道区、形成在沟道区上的栅绝缘膜上的栅极、以及一个第一导电类型的、用于存储在光电二极管中生成的光照生成电荷的高密度埋层，该高密度埋层设在栅极下的该阱区内；
(ii)一个纵向扫描信号驱动扫描电路，用于输出一个扫描信号到栅极；以及
(iii)一个升压扫描电路，用于输出一个升压到源区。
2.根据权利要求1的固态成像设备，进一步包括一个漏电压驱动扫描电路，用于向漏区提供一个漏电压。
3.根据权利要求2的固态成像设备，其中绝缘栅场效应晶体管的栅极为环型，源区在由栅极环绕的阱区的表面层上形成，漏区在阱区的表面层上形成，以便环绕栅极。
4.根据权利要求2的固态成像设备，其中高密度埋层在沟道长度方向的部分区域，以及沟道宽度方向的整个区域形成。
5.根据权利要求2的固态成像设备，还包括：
一个信号输出电路，记录对应于存储在高密度埋层中的光照生成电荷量的源电压，而且输出一个对应于源电压的光信号；以及
一个水平扫描信号输入扫描电路，用于提供一个扫描信号，控制一个输出光信号的定时。
6.一种固态成像设备的激励方法，包括步骤：
(i)配备固态成像设备，包括：
(a)一个单位像素，具有
(1)一个光电二极管，以及
(2)一个用于光学信号检测的绝缘栅场效应晶体管，它与光电二极管相邻放置，并且设有第一导电类型的阱区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的源区、形成在该阱区的表面层上的第二导电类型的漏区、在源区和漏区之间的沟道区、形成在沟道区上的栅绝缘膜上的栅极、以及一个第一导电类型的、用于存储在光电二极管中光照生成的电荷的高密度埋层，该高密度埋层设在栅极下该阱区内；
(b)一个纵向扫描信号驱动扫描电路，用于输出一个扫描信号到栅极；以及
(c)一个升压扫描电路，用于输出一个升压到源区；
(ii)用光辐照光电二极管，以在阱区生成光照生成的电荷；
(iii)传输光照生成的电荷到高密度埋层，以将光照生成的电荷存储在高密度埋层；
(iv)检测绝缘栅场效应晶体管的阈电压的一个改变量，它随存储的光照生成电荷的数量改变；
(v)从升压扫描电路输出该升压；
(vi)在栅极从纵向扫描信号供应线被切断的状态下，将该升压施加到绝缘栅场效应晶体管的源区，从而该升压通过源区和栅极之间的一个电容被施加到栅极；
(vii)通过由该升压抬高的源电压和栅电压，清除高密度埋层中存储的光照生成的电荷；以及
(viii)重复步骤(ii)至(vii)。
7.根据权利要求6的固态成像设备的激励方法，其中固态成像设备进一步包括一个漏电压驱动扫描电路，用于向漏区提供一个漏电压。
8.根据权利要求7的固态成像设备的激励方法，其中漏区的电压大约等于源区的电压。
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