CN1734781A - 固态成像器件及其驱动和制造方法、照相机及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像器件，包括：半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，和包括两层垂直传输电极的垂直传输部分。光电传感器部件存储由光电转换所产生的信号电荷。垂直传输部件从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷。两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，且第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极。第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。

Description

固态成像器件及其驱动和制造方法、照相机及其驱动方法
技术领域
本发明涉及在诸如照相机的设备中使用的固态成像器件、用于驱动固态成像器件的方法、和用于制造固态成像器件的方法。本发明还涉及包括固态成像器件的照相机和用于驱动该照相机的方法。
背景技术
相关申请交叉引用
本发明包括2004年8月3日在日本专利局提交的日本专利申请JP 2004-226264涉及的主题，其全部内容在此引用作为参考。
在相关技术中，图像传感器和数字照相机包括行间传输型电荷耦合器件(CCD)的固态成像器件。CCD固态成像器件包括光电传感器部件的二维阵列和设置在光电传感器部件的每列处的多个垂直传输寄存器(垂直CCD)。光电传感器部件和垂直传输寄存器构成成像区。CCD固态成像器件还包括水平传输寄存器(水平CCD)和在成象区外面的输出部分。在CCD固态成像器件中，例如，在用于大屏幕视频设备的CCD固态成像器件，诸如用于高清晰电视(HDTV)系统的具有高输出率的固态成像器件中，需要以高速驱动垂直传输寄存器。因此，使用低电阻分路线将时钟信号供给垂直传输寄存器(例如，参见日本未审专利申请公开No.6-268192)是很普遍的。
图5A和5B示出具有分路线的相关技术的CCD固态成像器件的结构。图5A是CCD固态成像器件的平面图，表示其主要部分，图5B是沿图5A的线VB-VB截取的CCD固态成像器件的剖面图。虽然在图5A和5B中示出了在半导体衬底(未示出)表面上的一个光电传感器部件51，但多个光电传感器部件51在半导体衬底上被排列成二维阵列。半导体衬底上形成有其间插入栅极绝缘膜52的两层垂直传输电极。各个垂直传输电极包括第一传输电极层53和第二传输电极层54。
分路线55形成于第一传输电极层53和第二传输电极层54中。分路线55由低电阻材料制成，并沿垂直方向形成。两水平相邻分路线55之一包括电连接该分路线55与第一传输电极层53的接触部分56，另一分路线55包括电连接另一分路线55与第二传输电极层54的接触部分57。每个光电传感器部件51是具有PN结的光电二极管PD，其中p+型半导体区域和n型半导体区域结合，光电二极管PD用沟道截断环CS分开。
在上述结构中，垂直传输寄存器用四相驱动脉冲驱动，并且图5A所示的驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4经过相应的分路线55和接触部分56和57单独施加到垂直相邻的第一和第二传输电极层53和54。在相关技术中，根据图6所示的波形施加驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4，从而第二传输电极层54读取存储在光电传感器部件51中的信号电荷。为了降低施加到第二传输电极层54上的读取电压，相对光电传感器部件51，第二传输电极层54的电极宽度(或读出电极宽度)W2与第一传输电极层53的电极宽度W1一样宽。
发明内容
最近，随着每单位面积像素数量的增加像素尺寸已经减小。第二传输电极层54的电极宽度W2越宽，则第一传输电极层53相对光电传感器部件51的电极宽度W1越窄，导致了用于接触部分56的空间越小。因此，用于接触部分56的孔加工很困难，并且接触电阻增加，这样可能会造成垂直传输效率降低。相反，如图7所示，第一传输电极层53的电极宽度W1越宽，第二传输电极层54的电极宽度W2则越窄，导致了要施加高的读取电压到第二传输电极层54，来从光电传感器部件51读取信号电荷。此外，可能不能读取所有需要的信号电荷。
根据本发明的实施例，提供包括以下元件的固态成像器件。在半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列存储光电转换产生的信号电荷。包括两层垂直传输电极的垂直传输装置从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷。两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极。第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度大于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。
根据本发明的另一实施例，提供一种照相机，其包括上述固态成像器件以及设置在该固态成像器件的光电传感器部件前的透镜。
在根据本发明实施例的固态成像器件和照相机中，第一传输电极层作为从光电传感器读取信号电荷的读取电极，第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度大于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。因此，当分路线形成于垂直传输电极上时，可以保持从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极宽度大、连接第一传输电极层和分路线的接触的结构空间大。
由于从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极的电极宽度大且用于接触的空间大，根据本发明实施例的固态成像器件和照相机可以解决像素尺寸减小的问题。
附图说明
图1是应用本发明实施例的CCD固态成像器件的示意图；
图2A是根据本发明实施例的固态成像器件的平面图；
图2B是沿图2A的线IIB-IIB截取的固态成像器件的剖面图；
图3A是具有遮光膜的固态成像器件的平面图；
图3B和3C是分别沿图3A的线IIIB-IIIB和IIIC-IIIC截取的固态成像器件的剖面图；
图4是根据本发明实施例用于垂直传输的驱动脉冲波形图；
图5A是相关技术的CCD固态成像器件的平面图；
图5B是沿图5A的线VB-VB截取的CCD固态成像器件的剖面图；
图6是在相关技术中用于垂直传输的驱动脉冲波形图；
图7是相关技术的另一CCD固态成像器件的图示；
图8是根据本发明实施例的照相机的示意图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的具体实施例。
图1示意性地示出应用本发明实施例的CCD固态成像器件。在图1中，光电传感器部件1的二维阵列排列在CCD固态成像器件的成像区。每个光电传感器部件1均具有根据入射光的量产生信号电荷的光电转换功能，并具有存储由光电转换产生的信号电荷的电荷存储功能。在成像区中，多个垂直传输寄存器2也相对于光电传感器部件1沿垂直轴设置。垂直传输寄存器2具有多个金属氧化物半导体(MOS)电容器(未示出)垂直相邻的结构，并且驱动脉冲单独施加到MOS电容器。各个垂直传输寄存器2相邻地设置在光电传感器部件1的每一列。垂直传输寄存器2是垂直CCD，以连续方式垂直传输从光电传感器部件1的相应列读取的信号电荷。
水平传输寄存器3沿水平轴设置在垂直传输寄存器2的端部。水平传输寄存器3是水平CCD，水平传输由垂直传输寄存器2垂直传输的信号电荷。信号电荷从水平传输寄存器3传输到输出放大器4。输出放大器4将水平传输寄存器3传输的信号电荷转换成电压，并输出该电压。
用于垂直传输的驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4的多个衰减器、电源电压VDD、输出信号Vout、地线GND、复位栅极驱动脉冲φRG、用于水平传输的驱动脉冲Hφ1和Hφ2、电于快门脉冲φSUB、和静电保护VL也设置在成像区的周围。用于垂直传输的驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4供给垂直传输寄存器2的传输电极(在下面描述)，用于水平传输的驱动脉冲Hφ1和Hφ2供给水平传输寄存器3的传输电极。
图2A和2B示出根据本发明实施例的固态成像器件的结构。图2A是固态成像器件的平面图，表示其主要部分，图2B是沿图2A的线IIB-IIB截取的固态成像器件的剖面图。在图2A和2B中，光电传感器部件1在p型硅衬底形成的半导体衬底(未示出)表面上排列成二维阵列，并在垂直和水平方向一一对应地提供给像素。各个光电传感器部件1可以是具有p+型半导体区域和n型半导体区域结合的PN结的光电二极管PD，并且光电二极管PD用沟道截断环CS分离。
现在描述用于制造根据本发明实施例的固态成像器件和照相机的方法。
用于制造根据本发明实施例的固态成像器件的方法，包括以下步骤：在半导体衬底上形成光电传感器部件的二维阵列；和形成包括两层垂直传输电极的垂直传输装置，用于从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输读取的信号电荷。两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，并且第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极。第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度大于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。用于制造根据本发明实施例的照相机的方法除了上述步骤之外、还包括以下步骤：在固态成像器件的光电传感器部件前面形成镜头。
垂直传输电极具有在其上形成的分路线。各个分路线由薄膜电阻比多晶硅低的的材料制成。第一传输电极层和第二传输电极层在垂直相邻的光电传感器部件之间沿垂直方向彼此相对移动。在以预定间距沿水平方向排列的光电传感器部件之间一个接一个地形成分路线。
分路线中的第一分路线包括电连接第一分路线与第一传输电极层的接触部分，而分路线中的第二分路线包括电连接第二分路线与第二传输电极层的第二接触部分。第一和第二接触部分沿垂直方向大约偏移半个像素。
半导体衬底上形成插有栅极绝缘膜5(例如，二氧化硅(SiO2))的两层垂直传输电极。两层垂直传输电极对应于如图1所示的垂直传输寄存器2，并包括此后所形成的第一传输电极层6和第二传输电极层7。传输电极层6和7由多晶硅制成，并在从二维看时围绕光电传感器部件1形成。传输电极层6和7中的每一个均涂敷有绝缘膜。
分路线8在第一传输电极层6和第二传输电极层7中延伸。分路线8由薄膜电阻低于多晶硅的材料制成，诸如铝或钨，并在垂直传输寄存器2中垂直延伸。分路线8一个接一个放置在以预定间距沿水平方向排列的光电传感器部件1之间。两个水平相邻分路线8之一包括电连接该分路线8与第一传输电极层6的接触部分9，而另一分路线8包括电连接该另一分路线8与第二传输电极层7的接触部分10。接触部分9和10沿垂直方向大约偏移半个像素。如图1所示，如果垂直传输寄存器2用四相驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4驱动，在水平方向每四个像素提供接触部分9和接触部分10。
尽管在表示固态成像器件的基本结构的图2A和2B中没有示出，实际上形成了遮光膜。图3A-3C示出具有遮光膜11的固态成像器件的结构。图3A是固态成像器件的平面图，表示其主要部分，图3B是沿图3A的线IIIB-IIIB截取的固态成像器件的剖面图，和图3C是沿图3A的线IIIC-IIIC截取的固态成像器件的剖面图。遮光膜11具有暴露光电传感器部件1的开口。在图3C中，垂直CCD12设置在光电二极管PD之间，二者之间插入沟道截断环和读取栅极TG。各个垂直CCD12具有n型半导体区域和p型半导体区域结合的PN结。
在本发明的实施例中，第一传输电极层6是用于从光电传感器部件1读取信号电荷的读取电极，且用作读取电极的第一传输电极层6的电极宽度W1宽于第二传输电极层7的电极宽度W2。用于垂直传输的、具有图4所示波形的驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4以图2A所示的方式施加到传输电极层6和7，并且将读取脉冲施加到第一传输电极层6，从而将信号电荷从光电传感器部件1读取到垂直传输寄存器2。特别是，用于垂直传输的驱动脉冲Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4可以是具有三个电平的脉冲，例如，15V、0V和-7V。在这些脉冲之中，0V和1-7V的脉冲用于传输信号电荷，15V的脉冲用于读取信号电荷。要施加到垂直相邻的第一传输电极层6的驱动脉冲Vφ2和Vφ4在独立的预定时刻变成15V的读取脉冲，并且响应于这些读取脉冲将信号电荷从光电传感器部件1读取到垂直传输寄存器2。
第一传输电极层6的电极宽度W1表示在与光电传感器部件1相邻的部分与栅极氧化物膜5接触的第一传输电极层6在垂直方向的电极长度。第二二传输电极层7的电极宽度W2表示在与光电传感器部件1相邻部分与栅极氧化膜5接触的第二传输电极层7的电极长度。因为第二传输电极层7叠置在第一传输电极层6上，与第一传输电极层6交叠的第二传输电极层7的部分不接触栅极氧化膜5。
图8是包括上述固态成像器件的照相机60的示意性框图。
照相机60包括固态成像器件(CCD)61、光学系统62、驱动电路63、和信号处理电路64。
光学系统62将从物体反射的图像光(或入射光)聚焦到固态成像器件61的成像表面。在固态成像器件61中，光电传感器部件1根据入射光的量将入射光转换成信号电荷，并将信号电荷存储在光电传感器部件1的信号电荷存储区一定时间段。
驱动电路63将定时信号，例如，上述四相时钟信号Vφ1、Vφ2、Vφ3、和Vφ4，和两相脉冲时钟信号Hφ1和Hφ2，提供给固态成像器件61。响应于这些定时信号，固态成像器件61被驱动以读取、垂直传输、和水平传输信号电荷。然后，从固态成像器件61的输出单元输出模拟图像信号。
信号处理电路64对从固态成像器件61输出的模拟信号进行信号处理，诸如噪音抑制和转换成数字信号。用信号处理电路64进行过信号处理的信号被存储在诸如存储器的存储介质中。
由于将提供低读取电压的固态成像器件61用于照相机60中，例如，用于摄像机或数字静态照相机中，照相机60可以提供低功耗。
用上述电极结构，用于从光电传感器部件1读取信号电荷的电极宽度对应于第一传输电极层6的电极宽度W1，其中电极宽度W1相对大于第二传输电极层7的电极宽度W2。因此，可以降低被施加用于读取信号电荷的读取脉冲的电压。而且，用于电连接第一传输电极层6和分路线8的接触部分9的大空问便于接触部分9的孔加工，同时减小了接触电阻。因此，上述电极结构能够解决像素尺寸减小带来的问题。
在由垂直相邻光电传感器1限定的区域，第二传输电极层7在第一传输电极层6上形成，从而第一传输电极层6和第二传输电极层7在垂直方向彼此相对移动，且第二传输电极层7的部分与栅极氧化膜5接触。因此，沿垂直方向在光电传感器部件1之间的第二传输电极层7的电极宽度(横截面面积)宽，并且电极电阻减小。在这种结构中，如图4所示的波形，当正读取脉冲施加到第一传输电极层6上时，0V的脉冲或负电压脉冲施加到第二传输电极层7上。垂直方向上光电传感器部件1之间的势垒可以防止垂直方向上像素之间信号电荷之间的混合(颜色混合)。
本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其它因素可以产生各种变型、组合、次组合和替换，只要它们在附加权利要求或其等效表述范围内。

Claims (22)

1.一种固态成像器件，包括：
在半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，用于存储由光电转换所产生的信号电荷；和
垂直传输装置，包括两层垂直传输电极，用于从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷，
其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极，且第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。
2.如权利要求1所述的固态成像器件，其中两层垂直传输电极包括分路线。
3.如权利要求2所述的固态成像器件，其中每个分路线均由薄膜电阻比多晶硅低的材料制成。
4.如权利要求1所述的固态成像器件，其中第一传输电极层和第二传输电极层在垂直相邻的光电传感器部件之间沿垂直方向相对于彼此移动。
5.如权利要求2所述的固态成像器件，其中分路线在以预定间距沿水平方向排列的光电传感器部件之间一个接一个地形成。
6.如权利要求2所述的固态成像器件，其中分路线中的第一分路线包括电连接第一分路线和第一传输电极层的第一接触部分，且分路线中的第二分路线包括电连接第二分路线和第二传输电极层的第二接触部分，第一接触部分和第二接触部分沿垂直方向偏移大约半个像素。
7.一种用于驱动固态成像器件的方法，该器件包括：在半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，用于存储由光电转换所产生的信号电荷；和包括两层垂直传输电极的垂直传输装置，用于从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷，其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度，
该方法包括：通过将读取脉冲施加给第一传输电极层来从光电传感器部件读取信号电荷的步骤。
8.一种用于制造固态成像器件的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上形成光电传感器部件的二维阵列；和
形成垂直传输装置，其包括两层垂直传输电极，用于从光电传感器部件读取信号电荷和垂直传输所读取的信号电荷，
其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极，且第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。
9.如权利要求8所述的方法，其中两层垂直传输电极包括分路线。
10.如权利要求9所述的方法，其中每个分路线均由薄膜电阻比多晶硅低的材料制成。
11.如权利要求8所述的方法，其中第一传输电极层和第二传输电极层在垂直相邻的光电传感器部件之间沿垂直方向相对于彼此移动。
12.如权利要求9所述的方法，其中分路线在以预定间距沿水平方向排列的光电传感器部件之间一个接一个地形成。
13.如权利要求9所述的方法，其中分路线中的第一分路线包括电连接第一分路线和第一传输电极层的第一接触部分，且分路线中的第二分路线包括电连接第二分路线和第二传输电极层的第二接触部分，第一接触部分和第二接触部分沿垂直方向偏移大约半个像素。
14.一种照相机，包括：
固态成像器件，该器件包括：
半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，用于存储由光电转换所产生的信号电荷；和
垂直传输装置，包括两层垂直传输电极，用于从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷，
其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极，且第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度，
和
设置在固态成像器件的光电传感器部件前面的透镜。
15.如权利要求14所述的照相机，其中垂直传输电极包括分路线。
16.如权利要求15所述的照相机，其中每个分路线均由薄膜电阻比多晶硅低的材料制成。
17.如权利要求14所述的照相机，其中第一传输电极层和第二传输电极层在垂直相邻的光电传感器部件之间沿垂直方向相对于彼此移动。
18.如权利要求15所述的照相机，其中分路线在以预定间距沿水平方向排列的光电传感器部件之间一个接一个地形成。
19.如权利要求15所述的照相机，其中分路线中的第一分路线包括电连接第一分路线和第一传输电极层的第一接触部分，且分路线中的第二分路线包括电连接第二分路线和第二传输电极层的第二接触部分，第一接触部分和第二接触部分沿垂直方向偏移大约半个像素。
20.一种用于驱动包括固态成像器件的照相机的方法，
该固态成像器件包括：
半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，用于存储由光电转换所产生的信号电荷；和
垂直传输装置，包括两层垂直传输电极，用于从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷，
其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，且第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度，
该方法包括：当驱动固态成像器件时，通过向第一传输电极层施加读取脉冲来从光电传感器部件读取信号电荷的步骤。
21.一种固态成像器件，包括：
半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，用于存储由光电转换所产生的信号电荷；和
垂直传输部分，包括两层垂直传输电极，从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷，
其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极，且第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度。
22.一种照相机，包括：
固态成像器件，包括：
半导体衬底上的光电传感器部件的二维阵列，存储由光电转换所产生的信号电荷；和
垂直传输部分，包括两层垂直传输电极，从光电传感器部件读取信号电荷并垂直传输所读取的信号电荷，
其中两层垂直传输电极具有第一传输电极层和第二传输电极层，第一传输电极层用作从光电传感器部件读取信号电荷的读取电极，且第一传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度宽于第二传输电极层相对光电传感器部件的电极宽度，
以及设置在固态成像器件的光电传感器部件前面的透镜。
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