CN1805508A - 固态图像拾取器件、照相机及固态图像拾取器件的驱动方法 - Google Patents

固态图像拾取器件、照相机及固态图像拾取器件的驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可以适当扩展动态范围的固态图像拾取器件。已经从光电二极管1003a到1003c溢出到横向溢出区域1010a到1010c的载流子、以及积累在光电二极管1003a和1003b中的载流子被转移到FD区域1005a到1005c。基于这些载流子的信号相加并被保持在信号电平保持电容器Cs中，并且从中读出，从而扩展动态范围。

Description

固态图像拾取器件、照相机及 固态图像拾取器件的驱动方法
技术领域
本发明涉及固态图像拾取器件、照相机以及该固态图像拾取器件的驱动方法，更具体地，本发明适合用于CMOS区域传感器中。
背景技术
近年来，其中作为光电转换元件的光电二极管和作为开关元件的MOS晶体管形成为一个芯片的CMOS区域传感器被用作为固态图像拾取器件。与CCD相比，CMOS区域传感器具有以下优势：电功率消耗更小，驱动功率更小，可以执行更高速度的运转等。因此认为在将来，对CMOS区域传感器的需求将增加。
已经提出了通过使用这种CMOS区域传感器用于扩展固态图像拾取器件的动态范围的技术(参考日本专利申请公开No.2001-186414(对应美国专利No.6307195))。
所提出的CMOS区域传感器通过将多个像素形成为矩阵形状而构建，其中每一个像素具有：光电二极管；浮动扩散(此后根据需要简称为“FD”)区域；用于将载流子从光电二极管转移到FD区域的转移晶体管；以及用于将FD区域复位成预定电势的复位晶体管。
在CMOS区域传感器中，首先，基于积累在光电二极管中的载流子的信号被读出，之后，基于已经从光电二极管溢出并且已经积累在FD区域中的载流子的信号被读出。读出的信号通过模拟放大器输出。
在日本专利申请公开No.2004-335802中，公开了一种MOS型固态图像拾取器件，其中多个感光单元以阵列形状布置在半导体衬底的表面上，并且对于感光单元而言逐一地读出每个感光单元的信号，其中，每个感光单元包括：第一信号载流子检测单元，用于检测对应入射光量的信号；以及第二信号载流子检测单元，用于当由第一信号载流子检测单元检测的检测信号饱和时，捕获第一信号载流子检测单元中的过剩载流子的一部分，并且检测对应所捕获的载流子量的信号。
根据日本专利公开No.2004-335802，如该官方公报的图2所示，其特征在于包含第二信号载流子检测单元(38)，用于当第一信号载流子检测单元(31)中产生的电子饱和时，检测第一信号载流子检测单元(31)中产生的电子的一部分。它具有其中捕获过剩载流子的一部分且剩余的过剩载流子被丢弃到垂直溢出道中的结构。它独立地具有第一和第二信号载流子检测单元。
然而，根据前述常规技术，无法控制积累在FD区域中的载流子的量。因此，存在很难适当扩展CMOS区域传感器的动态范围的问题。
考虑了这种问题而提出了本发明，且本发明的一个目的是提供一种能够适当扩展动态范围的固态图像拾取器件、其驱动方法以及使用该固态图像拾取器件的照相机。
发明内容
根据本发明，提供了一种包括多个像素的固态图像拾取器件，其中每个像素具有：光电转换单元；第一转移开关，用于转移积累在光电转换单元中的载流子；浮动扩散区域，积累在光电转换单元中的载流子经过第一转移开关而流入该浮动扩散区域；横向溢出道区域，已经从光电转换单元溢出的载流子的至少一部分可以流入该横向溢出道区域；以及第二转移开关，用于将已经流入横向溢出道区域的载流子转移到浮动扩散区域，其中光电转换单元和横向溢出道区域之间的势垒低于光电转换单元和与该光电转换单元相邻的像素的光电转换单元之间的势垒。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种包括多个像素的固态图像拾取器件，其中每个像素具有：光电转换单元；第一转移开关，用于转移积累在光电转换单元中的载流子；以及浮动扩散区域，积累在光电转换单元中的载流子可以经过第一转移开关流入该浮动扩散区域，其中光电转换单元和浮动扩散区域之间的势垒低于该光电转换单元和与该光电转换单元相邻的像素的光电转换单元之间的势垒。
根据本发明，提供了一种照相机，包括：以上固态图像拾取器件中的任意一种；用于在固态图像拾取器件上形成光学图像的透镜；以及用于使通过透镜的光量可变的光圈。
根据本发明，提供了一种用于包括多个像素的固态图像拾取器件的驱动方法，其中每个像素具有：光电转换单元；横向溢出道区域，已经从光电转换单元溢出的载流子的至少一部分可以流入该横向溢出道区域中；以及浮动扩散区域，积累在光电转换单元中的载流子和来自横向溢出道区域的载流子流入该浮动扩散区域中，其中光电转换单元和横向溢出道区域之间的势垒低于该光电转换单元和与该光电转换单元相邻的像素的光电转换单元之间的势垒，该方法包括：复位步骤，用于复位浮动扩散区域的电势；复位电平保持步骤，用于保持基于复位步骤中复位的浮动扩散区域的电势的信号；第一转移步骤，用于将积累在光电转换单元中的载流子转移到浮动扩散区域；第二转移步骤，用于将已经流入横向溢出道区域中的载流子转移到浮动扩散区域；以及信号电平保持步骤，用于保持在第一转移步骤和第二转移步骤中转移到浮动扩散区域中的载流子。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于包括多个像素的固态图像拾取器件的驱动方法，其中每个像素具有：光电转换单元；以及浮动扩散区域，积累在光电转换单元中的载流子流入该浮动扩散区域中，其中光电转换单元和浮动扩散区域之间的势垒低于该光电转换单元和与该光电转换单元相邻的像素的光电转换单元之间的势垒，该方法包括：
转移步骤，用于将由光电转换单元光电转换的载流子的至少一部分转移到浮动扩散区域；信号电平保持步骤，用于保持在转移步骤中转移到浮动扩散区域的载流子；复位步骤，用于复位浮动扩散区域的电势；以及复位电平保持步骤，用于保持基于在复位步骤中复位的浮动扩散区域的电势的信号。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种用于包括多个像素的固态图像拾取器件的驱动方法，其中每个像素具有：光电转换单元；横向溢出道区域，已经从光电转换单元溢出的载流子的至少一部分可以流入该横向溢出道区域中；以及浮动扩散区域，积累在光电转换单元中的载流子和来自横向溢出道区域的载流子流入该浮动扩散区域中，其中光电转换单元和横向溢出道区域之间的势垒低于该光电转换单元和与该光电转换单元相邻的像素的光电转换单元之间的势垒，该方法包括：第一转移步骤，用于将已经流入横向溢出道区域中的载流子转移到浮动扩散区域；第一信号电平保持步骤，用于保持在第一转移步骤中转移到浮动扩散区域的载流子；复位步骤，用于复位浮动扩散区域的电势；复位电平保持步骤，用于保持基于在复位步骤中复位的浮动扩散区域的电势的信号；第二转移步骤，用于将积累在光电转换单元中的载流子转移到浮动扩散区域；以及第二信号电平保持步骤，用于保持在第二转移步骤中转移到浮动扩散区域的载流子。
从以下结合附图的描述中，本发明的其他特征和益处将变得明显，在图中，相同参考标号表示相同或相似的部分。
附图说明
图1示出了本发明的第一实施例，并且图1是示出了固态图像拾取器件的示意性构造的例子的图。
图2示出了本发明的第一实施例，并且图2是用于说明固态图像拾取器件的操作例子的定时图表；
图3A和3B示出了本发明的第一实施例，并且图3A和3B是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的第一例子的图；
图4A和4B示出了本发明的第一实施例，并且图4A和4B是示出了固态图像拾取器件中的像素的构造的第二例子的图；
图5A和5B示出了本发明的第一实施例，并且图5A和5B是示出了固态图像拾取器件中的像素的构造的第三例子的图；
图6A和6B示出了本发明的第一实施例，并且图6A和6B是示出了固态图像拾取器件中的像素的构造的第四例子的图；
图7A和7B示出了本发明的第一实施例，并且图7A和7B是示出了固态图像拾取器件中的像素的构造的第五例子的图；
图8示出了本发明的第二实施例，并且图8是示出了固态图像拾取器件的示意性构造的例子的图；
图9示出了本发明的第二实施例，并且图9是用于说明固态图像拾取器件的操作例子的定时图表；
图10A和10B示出了本发明的第二实施例，并且图10A和10B是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的一个例子的图；
图11示出了本发明的第三实施例，并且图11是示出了固态图像拾取器件的示意性构造的例子的图；
图12示出了本发明的第四实施例，并且图12是用于说明固态图像拾取器件的操作例子的定时图表；
图13是本发明的另一个实施例，并且图13是示出了静物摄像机的构造的例子的框图；以及
图14示出了本发明的另一个实施例，并且图14是示出了摄像机的构造的一个例子的框图。
并入本说明书并且组成本说明书的一部分的附图阐释了本发明的实施例，并且附图与描述一起用于说明本发明的原理。
具体实施方式
(第一实施例)
现在将参考附图描述本发明的第一实施例。
图1是示出了本实施例的固态图像拾取器件的示意性构造的例子的图。
在图1中，本实施例的固态图像拾取器件通过将三个像素布置为(1行×3列)的一维矩阵形状而构造，其中每个像素包含：光电二极管1003；第一转移MOS晶体管1006；复位MOS晶体管1007；第二转移MOS晶体管1008；选择MOS晶体管1012；以及源极跟随器MOS晶体管1013。
虽然在图1中，多个像素布置为(1行×3列)的一维矩阵形状，所布置的像素数目不限于这种值。例如，也可能将多个像素布置为(1080行×1960列)的二维矩阵形状，并且改善分辨率。
来自光电二极管1003的(作为载流子的)电荷通过第一转移MOS晶体管1006转移到FD区域1005。FD区域1005连接到源极跟随器MOS晶体管1013。形成横向溢出区域1010，以便与第二转移MOS晶体管1008相邻。源极跟随器MOS晶体管1013连接到选择MOS晶体管1012，并且放大基于转移到FD区域1005的载流子的信号。
第一转移晶体管1006、复位MOS晶体管1007、第二转移MOS晶体管1008以及选择MOS晶体管1012的每一个由提供给每个栅极的控制信号(栅极信号)进行导通/关断控制。假设当高电平栅极信号提供给栅极时，第一转移晶体管1006、复位MOS晶体管1007、第二转移MOS晶体管1008以及选择MOS晶体管1012的每一个导通(使得导通)，并且当低电平栅极信号提供给栅极时，这些晶体管的每一个关断(断开)。
具体来说，控制信号TX1提供给第一转移MOS晶体管1006的栅极。控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008的栅极。控制信号SEL提供给选择MOS晶体管1012的栅极。控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007的栅极。
控制信号TX1用于将积累在光电二极管1003中的载流子转移到FD区域1005。控制信号TX2用于将已经从光电二极管1003溢出并且已经积累在横向溢出区域1010中的载流子转移到FD区域1005。控制信号SEL用于选择像素。控制信号PRES用于将FD区域1005的电势复位成电源电势VDD(例如+5V)。
本实施例的固态图像拾取器件设置有行存储电路，该行存储电路具有：信号电平保持电容器Cs，以保持通过相加转移到FD区域1005的信号的信号电平(S)和复位电平(N)而获得的电平的信号；以及复位电平保持电容Cn，以保持复位电平(N)的信号。
在此实施例中，假设将信号保持到信号电平保持电容器Cs的保持操作是基于控制信号PTS执行的，并且将信号保持到复位电平保持电容器Cn的保持操作是基于控制信号PTN执行的。
水平扫描电路(HSR)1018是转移保持在行存储电路中的一行的信号电平(S)和复位电平(N)的电路。
差分放大器1015放大通过相加信号电平(S)和复位电平(N)获得的且保持在信号电平保持电容器Cs中的信号与保持在复位电平保持电容器Cn中的复位电平(N)的信号之间的差分信号(信号电平(S)的信号)，并且产生输出信号OUT。
由于对具有(1行×3列)的三个像素的固态图像拾取器件的情况作为本实施例的例子进行说明，因此垂直扫描电路是不必要的。然而，在将像素布置为两行或更多行的二维矩阵形状时，自然地，以行单元为基础顺序地选择像素的垂直扫描电路是必要的。
现在将参考图2的定时图表描述此实施例的固态图像拾取器件的操作例子。
首先，在时间T1，高电平控制信号SEL提供给选择MOS晶体管1012a到1012c的栅极。因而，选择MOS晶体管1012a到1012c导通。即，选择MOS晶体管1012基于矩阵的行单元被选中。由于描述了像素布置为一维矩阵形状的情况作为本实施例的例子，因此所有选择MOS晶体管1012被选中。
在时间T2，高电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，使得复位MOS晶体管1007a到1007c导通。因而，FD区域1005a到1005c的电势复位成电源电势VDD。在时间T3，低电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，从而关断复位MOS晶体管1007a到1007c。FD区域1005a到1005c的复位操作完成。
在时间T4，高电平控制信号PTN提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和复位电平保持电容器Cn之间的MOS晶体管导通。通过复位操作获得的复位电平(N)的信号分别通过源极跟随器MOS晶体管1013a到1013c和选择MOS晶体管1012a到1012c被传送并且保持在复位电平保持电容器Cn中。
在时间T5，低电平控制信号PTN提供给行存储电路，从而关断设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和复位电平保持电容器Cn之间的MOS晶体管。将复位电平(N)的信号保持到复位电平保持电容器Cn中的操作完成。
在时间T6，高电平控制信号TX1提供给第一转移MOS晶体管1006a到1006c。因而，第一转移MOS晶体管1006a到1006c导通。因此，积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子转移到FD区域1005a到1005c。在时间T7，低电平控制信号TX1被提供给第一转移MOS晶体管1006a到1006c。因而，第一转移MOS晶体管1006a到1006c关断。积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子的转移操作完成。
在时间T8，高电平控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008a到1008c。因而，第二转移MOS晶体管1008a到1008c导通。因此，已经从光电二极管1003a到1003c溢出并且已经积累在横向溢出区域1010a到1010c中的载流子被转移到FD区域1005a到1005c。在时间T9，低电平控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008a到1008c，从而关断第二转移MOS晶体管1008a到1008c。已经从光电二极管1003a到1003c溢出的载流子的转移操作完成。
在时间T10，高电平控制信号PTS提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和信号电平保持电容器Cs之间的MOS晶体管导通。基于转移到FD区域1005a到1005c的载流子的信号(通过相加信号电平(S)和复位电平(N)而获得的信号)被转移并且保持到信号电平保持电容器Cs。在时间T11，低电平控制信号PTS提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和信号电平保持电容器Cs之间的MOS晶体管关断。将基于转移到FD区域100Sa到1005c的载流子的信号保持到信号电平保持电容器Cs中的操作完成。
在时间T12，高电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，并且高电平控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008a到1008c。因而，复位MOS晶体管1007a到1007c和第二转移MOS晶体管1008a到1008c导通。因而，FD区域1005a到1005c的电势和横向溢出区域1010a到1010c复位到电源电势VDD。
在时间T13，低电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，且低电平控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008a到1008c，从而关断复位MOS晶体管1007a到1007c和第二转移MOS晶体管1008a到1008c。FD区域1005a到1005c和横向溢出区域1010a到1010c的复位操作完成。复位操作是用于适当执行下一读出操作的操作。
在时间T14，低电平控制信号SEL提供到选择MOS晶体管1012a到1012c的栅极。因而，选择MOS晶体管1012a到1012c关断。选择MOS晶体管1012的选择操作完成。
在时间T15，高电平控制信号B1提供给行存储电路。因而，设置在信号电平保持电容器Cs和差分放大器1015之间的MOS晶体管，以及设置在复位电平保持电容器Cn和差分放大器1015之间的MOS晶体管导通。因而，通过相加信号电平(S)和复位电平(N)获得的信号输入到差分放大器1015的正侧输入端子(+)。复位电平(N)的信号输入到差分放大器1015的负侧输入端子(-)。
在时间T16，低电平控制信号B1提供到行存储电路，从而关断设置在信号电平保持电容器Cs和差分放大器1015之间的MOS晶体管，以及设置在复位电平保持电容器Cn和差分放大器1015之间的MOS晶体管。第一列的像素中的读取操作完成。
在时间T17，提供了高电平控制信号PHRES。因而，差分放大器1015在第一列的像素中产生信号电平(S)的信号OUT。在时间T18，提供低电平控制信号PHRES，并且第一列的像素中的输出操作完成。
对于时间间隔T19到T22，以及对于时间间隔T23到T26，执行第二和第三列的像素中的信号的输出操作。因而，在所有像素中执行读出信号和输出信号的操作。
根据上述实施例，已经溢出到横向溢出区域1010a到1010c的载流子和积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子被转移到FD区域1005a到1005c。基于这些载流子的信号被相加，保持在信号电平保持电容器Cs中，并且从中读出，从而扩展固态图像拾取器件的动态范围。
现在将描述上述的用于扩展动态范围的像素结构的具体例子。
(第一例子)
图3A示出了该实施例的第一例子，并且图3A是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的平面图。图3B是在图3A中沿线3B-3B所取的横断面视图。虽然在图3A和3B中仅示出了用于说明该实施例所必要的组成元件，也可以设置除了图3A和3B中示出的以外的其他组成元件。虽然在图3A和3B中仅示出了第一列和第二列的像素，自然地，与第二列的像素相邻地设置第三列的像素。
如图3B所示，p型阱(p阱)1004形成在n型半导体衬底1009上。构建光电二极管1003a和1003b的n型区域1011形成在p阱1004的正面侧。实现嵌入光电二极管结构的p型区域1014形成在n型区域1011的表面上。
第一转移MOS晶体管1006a和1006b如上所述形成在与光电二极管1003a和1003b相邻的位置。诸如选择性氧化物薄膜(SiO2膜)的由例如LOCOS(硅的局部氧化)方法形成的绝缘膜1001形成为围绕光电二极管1003a和1003b且不包括由第一转移MOS晶体管1006a和1006b的栅极形成的部分。
FD区域1005a和1005b形成为与光电二极管1003a和1003b相对，以便夹着第一转移MOS晶体管1006a和1006b的栅极和与这些栅极相邻的绝缘膜1001。其中每一个都包含形成在p阱1004的表面上的n型区域1016和p阱1004的结电容等的电容器形成在FD区域1005a和1005b中。如上所述，当第一转移MOS晶体管1006a和1006b的栅极导通时，积累在光电二极管1003a和1003b中的载流子转移到FD区域1005a和1005b。
复位MOS晶体管1007a和1007b以及第二转移MOS晶体管1008a和1008b分别形成在FD区域1005a和1005b的侧边沿部分中。横向溢出区域1010a和1010b形成为与FD区域1005a和1005b相对，以便夹着第二转移MOS晶体管1008a和1008b的栅极。其中每一个都包含形成在p阱1004的表面上的n型区域1016和p阱1004的结电容等的电容器形成在横向溢出区域1010a和1010b中。
如上所述，当第二转移MOS晶体管1008a和1008b的栅极导通时，积累在横向溢出区域1010a和1010b中的载流子被转移到FD区域1005a和1005b。在此例中，FD区域1005a和1005b及横向溢出区域1010a和1010b在同一步骤中形成。
作为浓度高于p阱1004的p型区域的沟道截断环区域1002形成在绝缘膜1001的下边沿中，其中该绝缘膜1001形成在这样的区域，该区域不包括夹在光电二极管1003a和1003b与横向溢出区域1010a和1010b之间的区域，以及夹在这些区域与第一转移MOS晶体管1006a和1006b之间的区域(其斜线方向与其他区域的斜线方向不同的区域：此后称为“电荷转移区域”)。
通过沟道截断环区域1002，可能防止积累在光电二极管1003a和1003b中的载流子流入其他像素。
如上所述，根据此例子，由于在电荷转移区域中形成的绝缘膜1001的下边沿中不形成沟道截断环区域1002，已经在光电二极管1003a和1003b中溢出的载流子可以积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中。
(第二例子)
图4A示出了本实施例的第二例子，并且图4A是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的平面图。图4B是在图4A中沿线4B-4B所取的横断面剖视图。在图4A和4B中仅以与图3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要组成元件。与第一例子中相同或相似的部分由与图3A和3B中相同的参考标号标明，并且省略其详细描述。
在第一例子中，在形成于电荷转移区域中的绝缘膜1001的下边沿区域中不形成沟道截断环区域1002。然而，在第二例子中，如图4A和4B所示，在形成在电荷转移区域中的绝缘膜1001的下边沿中形成浓度高于p阱1004且低于沟道截断环区域1002的p型区域2001。
通过如上所述地构造，已经从光电二极管1003a和1003b溢出并且积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中的一定量的载流子可以通过简单地构造由p型区域2001的浓度来尽可能地控制。
(第三例子)
图5A示出了该实施例的第三例子，并且图5A是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的平面图。图5B是在图5A中沿线5B-5B所取的横断面剖视图。在图5A和5B中仅以与图3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要组成元件。与第一和第二例子中相同或相似的部分由与图3A到4B中相同的参考标号标明，并且省略其详细描述。
在第三例子中，如图5A和5B所示，p型区域3001形成在p阱1004中并低于沟道截断环区域1002的区域(光电二极管1003a和1003b之间的每个区域)。如上所述，第三例子中的每个像素具有通过将p型区域3001加到第二例子的构造而获得的构造。P型区域3001和沟道截断环区域1002之间的浓度差可以设定为任意值。
通过如上所述地构造，由于积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中的一定量的载流子可以通过两种p型区域2001和3001的浓度来控制，所以可以以比第二例子中更高的准确度控制它。
(第四例子)
图6A示出了本实施例的第四例子，并且图6A是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的平面图。图6B是在图6A中沿线6B-6B所取的横断面视图。在图6A和6B中仅以与图3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要组成元件。与第一到第三例子中相同或相似的部分由与图3A到5B中相同的参考标号标明，并且省略其详细描述。
在第四例子中，如图6A和6B所示，也在形成于电荷转移区域中的绝缘膜1001的下边沿区域中形成沟道截断环区域3002。如上所述，第四例子的每个像素具有用沟道截断环区域3002代替第三例子的每个像素的构造中的p型区域2001的构造。
通过如上所述地构造，积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中的一定量的载流子可以由沟道截断环区域3002来控制。与第三例子相比较，不需要新形成p型区域2001。在此例子中同样地，积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中的一定量的载流子可以通过简单构造尽可能地控制。
(第五例子)
图7A示出了该实施例的第五例子，并且图7A是示出了固态图像拾取器件中的每个像素的构造的平面图。图7B是在图7A中沿线7B-7B所取的横断面视图。在图7A和7B中仅以与图3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要组成元件。与第一到第四例子中相同或相似的部分由与图3A到6B中相同的参考标号标明，并且省略其详细描述。
在第五例子中，如图7A和7B所示，其浓度高于p阱1004的p型区域5001形成在p阱1004中且低于n型区域1016的区域中。如上所述，第五例子中的每个像素具有通过将p型区域5001加到第四例子的像素上的构造。在第五例子中，像素构造成使得p型区域5001和存在于最接近p型区域5001的位置上的沟道截断环区域1002之间的间隔大于p型区域3001和存在于最接近p型区域3001的位置上的沟道截断环区域1002之间的间隔。
通过如上所述地构造，积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中的一定量的载流子可以由p型区域5001的浓度、尺寸以及位置来控制。因而，积累在横向溢出区域1010a和1010b以及FD区域1005a和1005b中的一定量的载流子可以通过简单构造以尽可能高的精确度进行控制。P型区域5001也可以形成在光电二极管1003所属于的像素中该光电二极管1003和横向溢出区域1010之间。
(第二实施例)
现在将描述本发明的第二实施例。在第二实施例的描述中，与前述第一实施例中相同或相似的部分由与图1到图7B中相同的参考标号标明，并且省略其详细描述。
图8是示出了本实施例的固态图像拾取器件的示意性构造的例子的图。
如图8所示，在第二实施例的固态图像拾取器件中，不设置第二转移MOS晶体管1008，并且不形成横向溢出区域1010。其他电路的构造基本上与图1中示出的第一实施例的固态图像拾取器件相同。
现在将参考图9的定时图表描述第二实施例的固态图像拾取器件的操作例子。
首先，在时间T1，高电平控制信号SEL提供给选择MOS晶体管1012a到1012c的栅极，从而导通选择MOS晶体管1012a到1012c。选择MOS晶体管1012以矩阵的行单元为基础而被选择。
在时间T32，高电平控制信号PTX提供给第一转移MOS晶体管1006a到1006c，使得第一转移MOS晶体管1006a到1006c导通。因而，积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子转移到FD区域1005a到1005c。在此时，在光电二极管1003a和1003b中的载流子的积累期间，已经溢出到FD区域1005a到1005c的载流子也转移到FD区域1005a到1005c。如上所述，在此实施例中，当第一转移MOS晶体管1006a到1006c导通时，积累在光电二极管1003a和1003b中的载流子以及已经从光电二极管1003a和1003b溢出的载流子被转移到FD区域1005a到1005c。
在时间T33，低电平控制信号PTX提供给第一转移MOS晶体管1006a到1006c，从而关断第一转移MOS晶体管1006a到1006c。来自光电二极管1003a到1003c的载流子的转移操作完成。
在时间T34，高电平控制信号PTS提供给行存储器电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和信号电平保持电容器Cs之间的MOS晶体管导通。基于转移到FD区域1005a到1005c的载流子的信号(通过相加信号电平(S)和复位电平(N)而获得的信号)被传送并保持到信号电平保持电容器Cs中。在时间T35，低电平控制信号PTS提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和信号电平保持电容器Cs之间的MOS晶体管关断。将基于转移到FD区域1005a到1005c的载流子的信号保持到信号电平保持电容器Cs中的操作完成。
在时间T36，高电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c。因而，复位MOS晶体管1007a到1007c导通。因而，FD区域1005a到1005c复位成电源电势VDD。在时间T37，低电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，从而关断复位MOS晶体管1007a到1007c。FD区域1005a到1005c的复位操作完成。
在时间T38，高电平控制信号PTN提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和复位电平保持电容器Cn之间的MOS晶体管导通。通过复位操作获得的复位电平(N)的信号分别通过源极跟随器MOS晶体管1013a到1013c和选择MOS晶体管1012a到1012c被传送并保持到复位电平保持电容器Cn。在时间T39，低电平控制信号PTN提供给行存储电路，从而关断设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和复位电平保持电容器Cn之间的MOS晶体管。将复位电平(N)的信号保持到复位电平保持电容器Cn的操作完成。
在时间T40，低电平控制信号SEL提供给选择MOS晶体管1012a到1012c的栅极，从而关断选择MOS晶体管1012a到1012c。选择MOS晶体管1012的选择操作完成。
在此之后，对于T41到T52的时间间隔，以与第一实施例中所述的图2中的时间间隔T15到T26的情况相似的方式，对每个像素逐一地执行第一到第三列中像素中信号的输出操作。
将描述本实施例中的每个像素的结构的例子。
图10A是示出了第二实施例中的固态图像拾取器件中的每个像素的构造的例子的平面视图。图10B是在图10A中沿线10B-10B所取的横断面视图。在图10A和10B中也以与第一实施例中描述的图3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要组成元件。
如上所述，在第二实施例中，在像素中不设置第二转移MOS晶体管1008，且不形成横向溢出区域1010(参考图10A)。
作为其浓度高于p阱1004的p型区域的沟道截断环区域1002形成在如下区域中的绝缘膜1001的下边沿：其中该区域不包括夹在光电二极管1003a和1003b与复位MOS晶体管1007a和1007b之间的区域，以及夹在那些区域和第一转移MOS晶体管1006a和1006b之间的区域(其斜线方向与其他区域的斜线方向不同的区域：此后称为“第二电荷转移区域”)。
在第二电荷转移区域中形成的绝缘膜1001的下边沿中形成其浓度高于p阱1004且低于沟道截断环区域1002的p型区域6001。
如上所述，在本实施例中，在第二电荷转移区域中形成的绝缘膜1001的下边沿中形成其浓度高于p阱1004且低于沟道截断环区域1002的p型区域6001，并且在载流子的积累期间积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子和已经从光电二极管1003a到1003c中溢出的载流子被转移到FD区域1005a到1005c。因此，可以通过比第一实施例简单的构造扩展固态图像拾取器件的动态范围。通过应用图9中描述的固态图像拾取器件的驱动方法，例如，即使在与上述的日本专利申请公开No.2001-186414中公开的常规固态图像拾取器件相同的电路中，也可以将固态图像拾取器件的动态范围扩展得比常规固态图像拾取器件的动态范围更宽。
(第三实施例)
现在将描述本发明的第三实施例。在第三实施例的描述中，与前述第一实施例相同或相似的部分由与图1到图7B中相同的参考标号标明，并且省略其详细描述。
图11是示出了本实施例的固态图像拾取器件的示意性构造的例子的图。
在第一实施例中，积累在光电二极管1003中的载流子和已经从光电二极管1003溢出到横向溢出区域1010的载流子已经保持在相同信号电平保持电容器Cs中(图2中从T5到T11的时间间隔)。然而，根据本实施例的固态图像拾取器件，分别设置用于保持积累在光电二极管1003中的载流子的电容器和用于保持已经从光电二极管1003中溢出到横向溢出区域1010的载流子的电容器。
具体来说，如图11所示，本实施例的固态图像拾取器件具有：第一信号电平保持电容器Cs1，它保持已经从光电二极管1003溢出到横向溢出区域1010的载流子；以及第二信号电平保持电容器Cs2，它保持积累在光电二极管1003中的载流子。
现在将参考图12的定时图表描述本实施例的固态图像拾取器件的操作例子。
首先，在时间T61，高电平控制信号SEL被提供给选择MOS晶体管1012a到1012c，从而导通选择MOS晶体管1012a到1012c。选择MOS晶体管1012以矩阵的行单元为基础被选择。
在时间T62，高电平控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008a到1008c，使得第二转移MOS晶体管1008a到1008c导通。因而，已经从光电二极管1003a和1003c溢出并且已经积累在横向溢出区域1010a到1010c中的载流子转移到FD区域1005a到1005c。在时间T63，低电平控制信号TX2提供给第二转移MOS晶体管1008a到1008c，从而关断第二转移MOS晶体管1008a到1008c。已经从光电二极管1003a到1003c溢出的载流子的转移操作完成。
在时间T64，高电平控制信号PTS1提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c和第一信号电平保持电容器Cs1之间的MOS晶体管导通。基于转移到FD区域1005的载流子的信号(通过相加基于已经从光电二极管1003a到1003c溢出的载流子的信号电平和复位电平(N)而获得的信号)被传送并保持到第一信号电平保持电容器Cs1中。
在时间T65，低电平控制信号PTS1提供到行存储电路，从而关断选择MOS晶体管1012a到1012c与第一信号电平保持电容器Cs1之间的MOS晶体管。将基于转移到FD区域1005的载流子的信号保持到第一信号电平保持电容器Cs1的操作完成。
在时间T66，高电平控制信号PRES提供到复位MOS晶体管1007a到1007c，使得复位MOS晶体管1007a到1007c导通。因而，FD区域1005a到1005c的电势复位到电源电势VDD。在时间T67，低电平控制信号PRES被提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，从而关断复位MOS晶体管1007a到1007c。FD区域1005a到1005c的复位操作完成。
在时间T68，高电平控制信号PTN提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c与复位电平保持电容器Cn之间的MOS晶体管导通。通过复位操作获得的复位电平(N)的信号分别通过源极跟随器MOS晶体管1013a到1013c和选择MOS晶体管1012a到1012c被传送并保持到复位电平保持电容器Cn中。
在时间T69，低电平控制信号PTN提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c与复位电平保持电容器Cn之间的MOS晶体管关断。将复位电平(N)的信号保持到复位电平保持电容器Cn中的操作完成。
在时间T70，高电平控制信号TX1提供到第一转移MOS晶体管1006a到1006c。因而，第一转移MOS晶体管1006a到1006c导通。因此，积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子转移到FD区域1005a到1005c。在时间T71，低电平控制信号TX1提供给第一转移MOS晶体管1006a到1006c，从而关断第一转移MOS晶体管1006a到1006c。积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子的转移操作完成。
在时间T72，高电平控制信号PTS2提供给行存储电路。因而，设置在选择MOS晶体管1012a到1012c与第二信号电平保持电容器Cs2之间的MOS晶体管导通。基于转移到FD区域1005的载流子的信号(通过相加基于积累在光电二极管1003a到1003c中的载流子的信号电平与复位电平(N)而获得的信号)被传送并且保持到第二信号电平保持电容器Cs2中。
在时间T73，低电平控制信号PTS2提供给行存储电路，从而关断被设置在选择MOS晶体管1012a到1012c与第二信号电平保持电容器Cs2之间的MOS晶体管。将基于转移到FD区域1005中的载流子的信号保持到第二信号电平保持电容器Cs的操作完成。
在时间T74，高电平控制信号PRES提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，从而导通复位MOS晶体管1007a到1007c。FD区域1005a到1005c复位成电源电势VDD。在时间T75，低电平控制信号PRES被提供给复位MOS晶体管1007a到1007c，从而关断复位MOS晶体管1007a到1007c。FD区域1005a到1005c的复位操作完成。
在时间T76，低电平控制信号SEL提供给选择MOS晶体管1012a到1012c的栅极，从而关断选择MOS晶体管1012a到1012c。选择MOS晶体管1012的选择操作完成。
在时间T77，高电平控制信号B1提供给行存储电路。因而，设置在第一信号电平保持电容器Cs1和差分放大器1015之间的MOS晶体管、设置在第二信号电平保持电容器Cs2和差分放大器1015之间的MOS晶体管以及设置在复位电平保持电容器Cn和差分放大器1015之间的MOS晶体管被导通。因而，通过相加基于积累在光电二极管1003a中的载流子和已经从光电二极管1003a溢出到横向溢出区域1010a中的载流子的信号电平(S)与复位电平(N)而获得的信号被输入到差分放大器1015的正侧输入端子(+)。复位电平(N)的信号输入到差分放大器1015的负侧输入端子(-)。
在时间T78，低电平控制信号B1提供给行存储电路，从而关断设置在第一信号电平保持电容器Cs1和差分放大器1015之间的MOS晶体管、设置在第二信号电平保持电容器Cs2和差分放大器1015之间的MOS晶体管以及设置在复位电平保持电容器Cn和差分放大器1015之间的MOS晶体管。第一列的像素中的读操作完成。
在时间T79，提供高电平控制信号PHRES。因而，差分放大器1015产生第一列的像素中的信号电平(S)的信号OUT。在时间T80，提供低电平控制信号PHRES并且第一列的像素中的输出操作完成。
在从T81到T84的时间间隔和从T85到T88的时间间隔，执行第二和第三列中的像素的输出操作。因而，已经对所有的像素执行了用于读出信号并输出的操作。
现在将描述从差分放大器1015输出的电压。
现在假设第一信号电平保持电容器Cs1的电容等于C1[F]，复位电平保持电容器Cn的电容等于C2[F]，第二信号电平保持电容器Cs2的电容等于C3[F]，第一信号电平保持电容器Cs1的电压等于V1[V]，复位电平保持电容器Cn的电压等于V2[V]，并且第二信号电平保持电容器Cs2的电压等于V3[V]。进一步地，假设连接到差分放大器1015的正侧输入端子(+)和负侧输入端子(-)的每个水平输出线路的电容等于Ch[F]。因而，输入到差分放大器1015的正侧输入端子(+)的电压VS[V]和输入到负侧输入端子(-)的电压VN[V]由下式(1)和(2)表达。
VS＝(V1×C1+V3×C3)/Ch
＝(V1+V3)×C1/Ch             ...(1)
VN＝V2×C2/Ch＝2×V2×C1/Ch  ...(2)
其中，假设第一信号电平保持电容器Cs1的电容C1等于第二信号电平保持电容器Cs2的电容C3，并且第一信号电平保持电容器Cs1的电容C1和第二信号电平保持电容器Cs2的电容C3的每一个都等于复位电平保持电容器Cn的电容C2的一半(C2＝2×C1＝2×C3)。
因此，从差分放大器1015输出基于式(1)和(2)的电压值VS和VN之间的差的电压。
如上所述，根据本实施例，由于分别设置用于保持积累在光电二极管1003中的载流子的电容器(第二信号电平保持电容器Cs2)和用于保持已经从光电二极管1003溢出到横向溢出区域1010的载流子的电容器(第一信号电平保持电容器Cs1)，因此，除了在前述第一实施例中所述的效果之外，获得了可以进一步降低从差分放大器1015输出的电压(信号)的噪声的这种效果。
此实施例中的每个像素的结构基本上与第一实施例中的相同，且可以使用前述第一到第五例子中所示的任何一种结构(参考图3A到7B)。
(其他实施例)
现在将参考图13详细描述前述每个实施例的固态图像拾取器件应用于静物照相机的情况下的实施例。
图13是示出了前述每个实施例的固态图像拾取器件应用于“静物摄像机”的情况的框图。
在图13中，参考标号1301表示同时作为用于透镜保护的装置和主开关的挡板；1302表示将对象的光学图像形成在固态图像拾取器件1304上的透镜；1303表示改变通过透镜1302的光量的光圈；1304表示取得由透镜1302形成的作为图像信号的对象图像的固态图像拾取器件；并且1306表示A/D转换器，它把从固态图像拾取器件1304输出的模拟图像信号转换为数字信号。
参考标号1307表示对从A/D转换器1306输出的图像数据进行各种校正并且压缩数据的信号处理单元；1308表示对固态图像拾取器件1304、图像拾取信号处理电路1035、A/D转换器1306以及信号处理单元1307产生各种定时信号的定时产生器；1309表示整体控制和算术运算单元，用于执行各种算术运算以及控制整体的静物摄像机；1310表示暂时存储图像数据的存储单元；1311表示向/从记录介质记录或读出图像数据的接口(I/F)单元；1312表示诸如半导体存储器等可拆卸记录介质，用于记录或读出图像数据；以及1313表示与外部计算机等通信的接口单元。
现在将描述前述构造的静物摄像机的拍摄操作。
当挡板1301打开时，主电源接通，控制系统的电源随之接通，且诸如A/D转换器1306等的图像拾取系统电路的电源接通。
为了控制曝光量，随后，整体控制和算术运算单元1309打开光圈1303。从固态图像拾取器件1304输出的信号由A/D转换器1306转换，并且之后，输入到信号处理单元1307。
整体控制和算术运算单元1309基于所处理的数据执行曝光的算术运算。
基于光度测量的结果识别亮度。整体控制和算术运算单元1309基于所获得的亮度控制光圈1303。
基于从固态图像拾取器件1304输出的信号，抽取高频分量，且离对象的距离的算术运算由整体控制和算术运算单元1309执行。在此之后，透镜被驱动，且识别对象图像是否已经在焦点上。如果确定对象图像离焦，则透镜被驱动且再次测量距离。确认焦点对准状态之后，开始主曝光。
曝光之后，从固态图像拾取器件1304输出的图像信号由A/D转换器1306进行A/D转换。数字信号经由信号处理单元1307传送，并且由整体控制和算术运算单元1309写入存储单元。
此后，存储在存储单元1310中的数据经过记录介质控制I/F单元1311，并且由整体控制和算术运算单元1309记录到可拆卸记录介质1312中。也可能经由外部I/F单元1313传送数据，直接将其输入到计算机等，以及修改图像。
现在将参考图14详细描述每一个前述实施例的固态图像拾取器件应用于摄像机的情况下的实施例。
图14是示出了每一个前述实施例的固态图像拾取器件应用于“摄像机”的情况下的框图。在图14中，参考标号1401表示摄影透镜，其包括：调整焦点的聚焦透镜1401A；执行变焦操作的变焦透镜1401B；以及图像拾取透镜1401C。
参考标号1402表示光圈；1403表示将形成在图像拾取表面上的对象图像光电转换成电图像拾取信号的固态图像拾取器件；1404表示采样并保持从固态图像拾取器件1403输出的图像拾取信号并进一步地放大信号电平且输出视频信号的采样和保持(S/H)电路。
参考标号1405表示对从S/H电路1404输出的视频信号执行诸如伽马校正、彩色分离、消隐处理等的预定处理，并且输出亮度信号Y和色度信号C的处理电路。从处理电路1405输出的色度信号C接受彩色信号校正电路1421进行的白平衡和彩色平衡的校正，使得输出色差信号R-Y和B-Y。
从处理电路1405输出的亮度信号Y和从彩色信号校正电路1421输出的色差信号R-Y和B-Y由编码器电路(ENC电路)1424调制，并且作为标准电视信号输出。该标准电视信号提供给视频记录器(未示出)或诸如监视器EVF(电取景器)等的电子取景器(未示出)。
参考标号1406表示光阑控制电路，它基于从S/H电路1404提供的视频信号控制光阑驱动电路1407，并且自动控制ig测量计1408，以便控制光圈1402的孔径量，使得视频信号被设定为预定电平值。
参考标号1413和1414表示具有不同带限频率的带通滤波器(BPF)，用于从输出自S/H电路1404的视频信号中抽取检测焦点所必要的高频分量。从第一带通滤波器1413(BPF1)和第二带通滤波器1414(BPF2)输出的信号由门电路1415和聚焦门帧信号(focusinggate frame signal)进行选通。每个信号的峰值由峰值检测电路1416检测，被保存，并且输入到逻辑控制电路1417。
逻辑控制电路1417的输出信号称为聚焦电压。对象图像基于该聚焦电压进行焦点对准。
参考标号1418表示用于检测聚焦透镜1401A的移动位置的聚焦编码器；1419表示检测变焦透镜1401B的焦距的变焦编码器；1420表示检测光圈1402的孔径量的光阑编码器。这些编码器的检测值被提供给逻辑控制电路1417以进行系统控制。
逻辑控制电路1417基于对应于所设定的聚焦检测区域中的一个范围的视频信号对对象执行聚焦检测。从而进行聚焦调整。即，逻辑控制电路1417接收从BPF 1413和1414提供的高频分量的峰值信息，并且将关于聚焦电机1410的旋转方向、旋转速度、旋转/停止等的控制信号提供给聚焦驱动电路1409，从而控制它，以便将聚焦透镜1401A驱动到其中高频分量的峰值变得最大的位置。
应该注意，可以仅基于溢出到存储电容器或浮动扩散区域中的载流子来产生图像。
前述实施例的每一个已经作为实现本发明的具体例子而示出，且本发明的技术范围并非限定性地由上述实施例解释。

Claims (13)

1.一种包括多个像素的图像拾取器件，其中每个像素具有：
光电转换单元；
第一转移晶体管，用于转移积累在所述光电转换单元中的载流子；
电容器，已经从所述光电转换单元溢出的载流子的至少一部分可以流入该电容器中；以及
其中所述光电转换单元和所述电容器之间的势垒低于所述光电转换单元和与所述光电转换单元邻近的相邻像素的光电转换单元之间的势垒。
2.根据权利要求1所述的器件，进一步包括像素信号产生单元，用于产生基于积累在光电转换单元中的载流子和积累在电容器中的载流子的像素信号。
3.根据权利要求1所述的器件，进一步包括浮动扩散区域，所述第一转移晶体管将积累在所述光电转换单元中的载流子转移到该浮动扩散区域中，以及放大单元，用于放大基于转移到所述浮动扩散区域中的载流子的信号。
4.根据权利要求3所述的器件，进一步包括第二转移晶体管，用于将积累在所述电容器中的载流子转移到所述浮动扩散区域，其中所述电容器设置成与所述浮动扩散区域相对，以便夹着所述第二转移晶体管，并且设置成与所述光电转换单元相对，以便夹着所述低势垒的区域。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述光电转换单元包括用于积累载流子的第一导电类型的第一半导体区域，以及与所述第一导电类型相对的第二导电类型的第二半导体区域，以及
在所述光电转换单元和与所述光电转换单元邻近的像素的光电转换单元之间设置第二导电类型的第三半导体区域，作为用于载流子的势垒。
6.根据权利要求5所述的器件，其中在所述光电转换单元和所述电容器之间形成其浓度低于所述第三半导体区域的第二导电类型的第四半导体区域。
7.根据权利要求5所述的器件，其中在所述光电转换单元和与所述光电转换单元邻近的光电转换单元之间形成与所述第三半导体区域不同的第二导电类型的第五半导体区域。
8.根据权利要求5的器件，其中所述第三半导体区域设置在所述光电转换单元和与所述光电转换单元邻近的光电转换单元之间，以及在所述光电转换单元和所述电容器之间。
9.根据权利要求5所述的器件，其中在低于所述电容器的地方形成与所述第三半导体区域不同的第二导电类型的第六半导体区域。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述像素具有：
复位晶体管，用于设定所述放大单元的所述输入的电势。
11.根据权利要求10所述的器件，其中所述像素进一步具有：
复位电平保持单元，用于通过所述放大单元输入基于由所述复位单元设定的所述输入中的载流子的信号，并且保持所述信号；以及
信号电平保持单元，用于通过所述放大单元输入基于由第一转移晶体管转移到所述输入的载流子的信号，以及基于由第二转移晶体管转移到所述输入的载流子的信号，并且保持所述信号。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述信号电平保持单元分别地保持基于由所述第一转移晶体管转移到所述输入的载流子的信号，和基于由所述第二转移晶体管转移到所述输入的载流子的信号。
13.一种照相机，包括：
根据权利要求1的图像拾取器件；
用于在所述固态图像拾取器件上形成光学图像的透镜；以及
用于使通过所述透镜的光量可变的光圈。
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