TWI466541B - 光感測器及固態攝影裝置 - Google Patents

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TWI466541B
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Shigetoshi Sugawa
Nana Akahane
Satoru Adachi
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Univ Tohoku
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Description

光感測器及固態攝像裝置
本發明關於一光感測器與固態攝像裝置，尤其關於CMOS或CCD感測器之一維或二維固態攝像裝置，以及關於上述固態攝像裝置之操作方法。
影像感測器，如CMOS(互補式金屬氧化物半導體)影像感測器與CCD(電荷耦合裝置)影像感測器，在其性質上已經過改良，且廣泛地應用在數位相機、照相手機、掃描器等。然而，影像感測器仍需要更進一步之性質改良，其中之一即為延伸動態範圍。習知上所用之影像感測器之動態範圍係維持在例如3至4位數(60至80dB)之階次，因此，為了與肉眼或鹵化銀薄膜之動態範圍相匹敵，吾人正寄予期望於實現具有動態範圍至少5至6位數(100dB至120dB)的高品質影像感測器。
就加強上述影像感測器之影像品質的技術，例如，為產生高敏感度與高S/N比，S.Inoue等人在“IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001,pp.16－19”(之後稱為非專利文獻1)」中提出一種降低雜訊之技術，該技術係藉由讀取發生於鄰近每一畫素之光二極體之浮動區域中的雜訊信號以及添加有光學信號之雜訊信號，並取得其間之差異。然而即使藉此方法，可達到之動態範圍最高僅在80dB之階次。實現更廣之動態範圍實有其必要。
此外，例如，如圖1所示，日本未審查專利申請公開案(JP－A)第2003－134396號(之後稱為專利文獻1)揭露了一種延伸動態範圍之技術，該技術係藉由將具有小電容器C1且位於高敏感度與低亮度側上之浮動區域以及具有大電容器C2且位於低敏感度與高亮度側上之浮動區域連接至光二極體PD，然後分別輸出低亮度側輸出OUT1與高亮度側輸出OUT2。
再者，如圖2所示，日本未審查專利申請公開案(JP－A)第2000－165754(之後稱為專利文獻2)揭露了一種延伸動態範圍之技術，該技術係藉由使在浮動擴散(FD)區域中之電容器CS產生變化。此外又揭露了另一種延伸動態範圍之技術，該技術係藉由將一攝像分割成具有至少兩不同曝光時間週期之若干攝像，包含具有對應於高亮度側之短曝光時間週期的攝像、以及具有對應於低亮度側之長曝光時間週期的攝像。
再者，如圖3所示，日本未審查專利申請公開案(JP－A)第2002－77737(之後稱為專利文獻3)、及Y.Muramatsu等人發表於IEEE Journal of Solid－State Circuits,Vol.38,No.1,pp.16－19(之後稱為非專利文獻2)之文獻中揭露了一種延伸動態範圍之技術，該技術係藉由在光二極體PD與電容器C之間設置一電晶體開關T，在第一曝光週期中開啟開關T，以將光信號電荷儲存於光二極體PD與電容器C兩者內；及在第二曝光週期中關閉開關T，以在第一曝光週期中將光電荷儲存於所儲存電荷的頂部上之光二極體PD內。在此，這些文獻均揭露：當所提供之光照超過其飽和值時，多餘之電荷將經由重設電晶體R放電。
再者，如圖4所示，日本未審查專利申請公開案(JP－A)第5－90556號(之後稱為專利文獻4)，係揭露藉由使用比習知者更大之電容器作為光二極體PD而容許滿足高亮度攝像之技術方案。
此外，如圖5所示，文獻The journal of the Institute of Image Information and Television Engineers,Vol.57,2003(之後稱為非專利文獻3)係揭露一種延伸動態範圍之技術，該技術係藉由儲存與輸出來自光二極體PD之光電流信號，同時藉著由結合MOS電晶體所組成之對數轉換電路而以對數方式轉換該信號。
在上述專利文獻1、2、3、以及非專利文獻2所提出之方法、或利用二或更多不同曝光時間週期之攝像方法中，在低亮度側之攝像與在高亮度側上之攝像係於彼此不同之時間下進行。此將引發一問題：在至少兩攝像之攝像時間之間將產生時間延遲，因而降低移動影像之品質。
而且，在上述專利文獻4與3所提出之方法中，雖然可藉由例如對應於高亮度側之攝像達成寬廣動態範圍，但就低亮度側上之攝像而言，將非期望地產生低敏感度與低S/N比，因而降低影像品質。
如上所述，在如CMOS影像感測器之影像感測器中，一直難以達到寬廣之動態範圍而又維持高敏感度與高S/N比。前述並不僅僅應用於畫素係以二維陣列排列之影像感測器，更應用於畫素係以一維陣列排列之線性感測器、以及不具複數畫素之光感測器。
因此，本發明之一目的為：提供能夠延伸動態範圍、同時維持高敏感度與高S/N比之固態攝像裝置。
根據本發明之固態攝像裝置，寬廣之動態範圍可藉由利用接收光且產生與儲存光電荷之光二極體以在低亮度攝像中維持高敏感度與高S/N比而加以達成，且更藉由利用將經由溢流閘極而流出光二極體之光電荷儲存於一儲存電容器中而得以實現高亮度攝像。
根據本發明之一態樣，係提供一光感測器。該光感測器包含：一光二極體，接收光且產生光電荷；一溢流閘極，係連接於該光二極體且傳輸在儲存操作期間溢出光二極體之光電荷；及一儲存電容器元件，係儲存於儲存操作期間經由溢流閘極所傳輸之光電荷。
該光感測器更包含一傳輸電晶體，其係連接於該光二極體與一浮動區域，其中該傳輸電晶體係自該光二極體將光電荷傳輸至該浮動區域。
該溢流閘極可由接面電晶體所構成。在此例中，較佳狀況為將形成接面電晶體之閘極的半導體區域連接至形成光二極體之表面區域之半導體區域、以及形成光二極體與溢流閘極的井區。
可將溢流閘極形成於其中形成溢流閘極之基板的預定深度處。在此例中，較佳狀況為溢流閘極具有與溢流閘極之通道相同導電類型之半導體層，該半導體層降低了在溢流閘極中擊穿(punch through)的阻障。
該儲存電容器元件可包含：一半導體區域，作為下部電極，係形成於其中形成光感測器之半導體基板的表面層部份中；一電容器絕緣膜，係形成於該半導體區域上；及一上部電極，係形成於該電容器絕緣膜上。
該儲存電容器元件可包含：一下部電極，係形成於其中形成光感測器之基板上；一電容器絕緣膜，係形成於該下部電極上；及一上部電極，係形成於該電容器絕緣膜上。
該儲存電容器元件可包含：一半導體區域，作為下部電極，係形成於一溝渠之內壁中，該溝渠係形成於其中形成光感測器之半導體基板中；一電容器絕緣膜，係形成於該溝渠之內壁上；及一上部電極，係形成於該電容器絕緣膜上且嵌入該溝渠。
一固態攝像裝置，包含以一維或二維陣列排列之複數個畫素，亦提供每一具有上述之光感測器的畫素。
該溢流閘極可由MOS電晶體或接面電晶體所構成。
亦提供另一固態攝像裝置，包含複數個畫素塊。在此裝置中，複數個畫素塊中之每一者包含複數個畫素與單一浮動區域。複數個畫素中之每一者包含：一光二極體，接收光且產生光電荷；一溢流閘極，係連接於該光二極體且在儲存操作期間傳輸溢出光二極體之光電荷；一儲存電容器元件，係於儲存操作期間儲存經由溢流閘極所傳輸之光電荷；及一傳輸電晶體，係連接於該光二極體與該單一浮動區域。
該傳輸電晶體可為埋入式通道電晶體，其具有與傳輸電晶體之通道相同導電類型的半導體層，該傳輸電晶體之通道由形成傳輸電晶體之基板的表面或表面附近開始形成至一預定深度。
該固態攝像裝置，包含複數個畫素，每一具有上述光感測器之畫素更可包含：一重設電晶體，係連接於該浮動區域，用以釋出儲存電容器元件與浮動區域中之信號電荷；一電晶體，設於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；一放大電晶體，用以讀取在該浮動區域中、或該浮動區域與儲存電容器元件兩者中之信號電荷來作為電壓；一選擇電晶體，係連接於該放大電晶體，用以選擇畫素。
該固態攝像裝置更可包含：一重設電晶體，係連接於該儲存電容器元件，用以釋出儲存電容器元件與浮動區域中之信號電荷；一電晶體，設於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；一放大電晶體，用以讀取該浮動區域中、或該浮動區域與儲存電容器元件兩者中之信號電荷來作為電壓；一選擇電晶體，係連接於該放大電晶體，用以選擇畫素。
該固態攝像裝置，包含複數個畫素，每一具有上述光感測器之畫素更可包含雜訊消除裝置，取得下述兩電壓信號之間的差異：由傳輸至浮動區域、或傳輸至浮動區域與儲存電容器兩者之光電荷所獲得之電壓信號；及在浮動區域、或浮動區域與儲存電容器元件兩者之重設位準的電壓信號。
該固態攝像裝置更可包含儲存裝置，用以儲存在浮動區域與儲存電容器元件中位於重設位準的電壓信號。
根據本發明之另一態樣，提供來自光感測器之信號輸出方法，該光感測器包含光二極體與儲存電容器元件。該方法包含以下步驟：將光二極體在光二極體飽和之前所產生之第一光電荷儲存於光二極體；將光二極體在飽和之後所產生之第二光電荷儲存於儲存電容器元件；及基於該第一與第二光電荷來輸出該信號。
該溢流閘極可由光電荷與儲存電容器之間所連接的MOS電晶體所構成，該MOS電晶體之閘極電極接收決定儲存操作之信號。
在此之後，根據本發明之實施例之固態攝像裝置將參考附圖而加以說明。貫穿這些圖示之相同參考符號代表相同或均等之零件。
第一實施例
圖6係根據本發明之第一實施例，在固態攝像裝置中之畫素的等效電路圖，及圖7為其概略平面圖。
每一畫素包含：一光二極體PD1，接收光且產生與儲存光電荷；一傳輸電晶體T2，係鄰接於光二極體PD1而設且傳輸光電荷；一浮動區域(浮動區域)FD3，係透過傳輸電晶體T2而連接於光二極體PD1；一溢流閘極LO4，係鄰接於光二極體PD1而設且在儲存操作期間傳輸溢出光二極體PD1之光電荷；一儲存電容器CS5，在儲存操作期間經由溢流閘極LO4儲存溢出光二極體PD1之光電荷；一重設電晶體R6，係連接於浮動區域FD3，用以釋出在儲存電容器CS5與浮動區域FD3中之信號電荷；一儲存電晶體S7，設於浮動區域FD3與儲存電容器CS5之間；一放大電晶體SF8，用以將浮動區域FD3中、或浮動區域FD3與儲存電容器CS5兩者中之信號電荷讀為電壓；及一選擇電晶體X9，係連接於放大電晶體SF8，用以選擇畫素或畫素塊。
根據本實施例之固態攝像裝置中，具有上述排列之複數畫素的每一者，係以二維或一維陣列加以儲存。在每一畫素中，驅動線ψL O 10、ψT 11、ψS 12、及ψR 13係分別連接於溢流閘極LO4、傳輸電晶體T2、儲存電晶體S7、及重設電晶體R6之閘極電極。並且，由列位移暫存器所驅動之畫素選擇線ψX 14係連接於選擇電晶體X9之閘極電極。再者，一輸出線OUT5係連接於選擇電晶體X9之輸出側源極，且由欄位移暫存器加以控制以產生輸出。
根據本實施例之固態攝像裝置的架構並未設限，只要可將浮動區域FD3之電壓固定於一適當值以便能夠進行畫素之選擇操作或非選擇操作即可。因此，亦可省略選擇電晶體X9與驅動線ψX 14。
圖8A係根據本發明，顯示固態攝像裝置之畫素中之光二極體PD1、溢流閘極LO4、及儲存電容器CS5區域的概略剖面圖，且圖8B係顯示在畫素中之光二極體PD1、傳輸電晶體T2、浮動區域FD3、儲存電晶體S7、及儲存電容器CS5區域的概略剖面圖。
例如，在一n型矽半導體基板(n－sub)20上形成一p型井(p－well)21，且形成以LOCOS法或其他等法隔離個別畫素之元件隔離絕緣膜22、23、24、及25與儲存電容器CS區域。再者，p＋型隔離區域26、27、28、及29係形成於隔離畫素之元件隔離絕緣膜下方之p型井21中。n型半導體區域30係形成於p型井21中，且在該n型半導體區域30之表面層上形成一p＋型半導體區域31。藉由此pn接面，構成電荷傳輸嵌入式光二極體PD。當光線LT進入藉由對pn接面施加一適當偏壓所產生之空乏層時，將由光電效應產生光電荷。
在n型半導體區域30之端部，形成有由p＋型半導體區域31超出的一區域，在與此區域隔開一預定距離的位置處，於p型井21之表面層形成n＋型半導體區域32。
而且，在n型半導體區域30之端部，形成有由p＋型半導體區域31超出的另一區域，且在與該另一區域隔開一預定距離的位置處，於p型井21之表面層形成作為浮動區域FD之n＋型半導體區域33於p型井21之表面層。再者，一n＋型半導體區域34係形成於與上述其他區域相隔一預定距離之位置處。
在此，在與n型半導體區域30與n＋型半導體區域32相關聯之區域中，由多晶矽或其類似物所製成之閘極電極36係隔著由氧化矽或其類似物所構成之閘極絕緣膜35而形成於p型井21之頂面上，且在p型井之表面層中設有一具有通道形成區域之溢流閘極LO，而以n型半導體區域30與n＋型半導體區域32作為源極/汲極。
再者，在與n型半導體區域30與n＋型半導體區域33相關聯之區域中，由多晶矽或其類似物所製成之閘極電極38係隔著由氧化矽或其類似物所構成之閘極絕緣膜37而形成於p型井21之頂面上，且在p型井之表面層中設有一具有通道形成區域之傳輸電晶體T，而以n型半導體區域30與n＋型半導體區域33作為源極/汲極。
而且，在與n＋型半導體區域33與n＋型半導體區域34相關聯之區域中，由多晶矽或其類似物所製成之閘極電極40係隔著由氧化矽或其類似物所構成之閘極絕緣膜39而形成於p型井21之頂面上，且在p型井之表面層中設有一具有通道形成區域之儲存電晶體S，而以n＋型半導體區域33與n＋型半導體區域34作為源極/汲極。
此外，在由元件隔離絕緣膜22與23加以分開之區域中，作為下部電極之p＋型半導體區域41係形成於p型井之表面層中，且在此層之頂部上，由多晶矽或其類似物所製成之上部電極43係隔著由氧化矽或其類似物所構成之電容器絕緣膜42而形成。這些構成了儲存電容器CS。
形成由氧化矽或其類似物所構成之絕緣膜44，以便覆蓋溢流閘極LO、傳輸電晶體T、儲存電晶體S、及儲存電容器CS。設有一開口區，自n＋型半導體區域32與n＋型半導體區域33、經由n＋型半導體區域34往上延伸至上部電極43。又，設有連接n＋型半導體區域32與上部電極43之配線45、以及與n＋型半導體區域33相連之配線46。
驅動線ψT 係連接於傳輸電晶體T之閘極電極38，而驅動線ψS 則連接於儲存電晶體S之閘極電極40。
驅動線ψL O 係連接於溢流閘極LO之閘極電極36。可使驅動線ψL O 承受施加驅動脈衝信號或者使其連接於零電位(如同在p型井21之情況中)。將溢流閘極LO之閾值電壓設為較傳輸電晶體T之閾值電壓為低的數值，俾使超過光二極體PD之飽和值的多餘電荷、有效地經由溢流閘極LO而流到儲存電容器CS。當溢流閘極LO與傳輸電晶體T之閾值電壓設為相同時，將電位設為較零電位為高之數值將使超過光二極體PD之飽和值的多餘電荷有效地經由溢流閘極LO流到儲存電容器CS。
關於其他構成元件，亦即，重設電晶體R、放大電晶體SF、選擇電晶體X、驅動線ψR 與ψX 、及輸出線OUT，係以將配線46連接於放大電晶體SF(未顯示)、俾使該構造之結果為圖6之等效電路圖中所示者的方式，設置於在圖8A與8B所示之半導體基板20之未說明區域上。
光二極體PD構成具有相對淺層電位之電容器CP D ，而浮動區域FD與儲存電容器CS則構成分別具有相對深層電位之電容器CF D 與CC S 。
在此係根據圖6、7、8A與8B中所示之本實施例而說明固態攝像裝置之操作方法。圖9係根據本實施例之固態攝像裝置的驅動時序圖。
首先，在曝光儲存前，將儲存電晶體S設為開啟，且將傳輸電晶體T與重設電晶體R設為關閉。此時，光二極體PD處在一完全空乏狀態。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設浮動區域FD與儲存電容器CS(時間：t1 )。接著，緊接在重設電晶體R已經切換成關閉後所獲得之(FD＋CS)的重設雜訊，係讀為雜訊信號N2(時間：t2 )。在此，雜訊信號N2包含放大電晶體SF之閾值電壓的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。在儲存週期期間(時間：t3 )，在儲存電晶體S、傳輸電晶體T、重設電晶體R、及選擇電晶體X切換成關閉之狀態中，在飽和前之光電荷係由光二極體PD所儲存，而當超過飽和時，多餘的光電荷則透過溢流閘極LO而儲存於儲存電容器CS中。此操作允許溢出光二極體PD之電荷在未被捨棄之情況下，而能為有效利用。以此方式，在飽和前、後之兩週期中，儲存操作係藉由以相同儲存週期中之每一畫素的相同光二極體來接收光而加以進行。
在已完成儲存後(時間：t4 )，將選擇電晶體X切換成開啟。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設浮動區域FD(時間：t5 )且緊接該重設所獲得之FD重設雜訊係讀為雜訊信號N1(時間：t6 )。在此，雜訊信號N1包含放大電晶體SF之閾值電壓中的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。
接著，開啟傳輸電晶體T，以將儲存於光二極體PD中之光信號完全傳輸至浮動區域FD(時間：t7 )，且將該信號讀為(S1＋N1)。接著，亦開啟儲存電晶體S，以將儲存於光二極體PD中之光電荷完全傳輸至浮動區域FD與儲存電容器CS(時間：t8 )。將光二極體PD、浮動區域FD、及儲存電容器CS中所儲存之電荷予以混合，且將該信號讀為(S1＋S2＋N1)。
圖10係根據本實施例之固態攝像裝置的方塊圖。在二維方式排列之畫素陣列100至103的周邊上，設有一列位移暫存器(VSR)104、欄位移暫存器(HSR)105、信號/雜訊保留區106、及輸出電路107。在此，就簡單說明而言，係以(2畫素×2畫素)之畫素陣列為例加以說明，但並未限制畫素之數目。
以連續點方式由每一畫素所讀取之信號為：雜訊信號N1與(在FD中接受電荷/電壓轉換之飽和前光信號)＋(雜訊信號)，亦即(S1＋N1)；雜訊信號N2與(在FD與CS中接受電荷/電壓轉換之飽和前後附加光信號)＋(雜訊信號)，亦即(S1＋S2＋N2)。關於飽和前信號的雜訊移除操作係藉由減法電路：[(S1＋N1)－N1]來進行，此將移除隨機雜訊成分與固定圖案雜訊成分兩者。另一方面，在開始儲存後，過飽和側上之雜訊N2立即被讀取，因此，當移除隨機雜訊成分與固定圖案之雜訊成分兩者時，雜訊N2即經儲存於圖框記憶體(frame memory)中一次，然後以減法電路進行雜訊移除操作：[S1＋N1]－N1]。因此，可以獲得其中每一者清除了雜訊的飽和前之信號S1與過飽和側之信號(S1＋S2)。減法電路與圖框記憶體之每一者可形成於影像感測器晶片上或形成個別晶片。
使浮動區域FD與儲存電容器CS之電容分別為CF D 與CC S ，於是動態範圍之放大率便可粗略以(CF D ＋CC S )/CF D 加以表示。然而，在實際上，相較於重設浮動區域FD之例子，在重設(CF D ＋CC S )之例子中，重設電晶體R處之時脈穿透(clock feed－through)的影響不大，且過飽和側信號S2之飽和電壓將變成高於飽和前之信號S1的電壓，所以使動態範圍以大於上述比率之放大率放大。為了在不增加畫素尺寸之情況下能有效延伸動態範圍、同時維持光二極體之高數值孔徑，吾人期望形成具有高面積效率之大儲存電容。
寬廣動態範圍信號之合成可藉由選擇飽和前之信號S1與過飽和側信號(S1＋S2)其中任一者而加以達成，其中每一者皆清除了雜訊。在已比較過S1/(S1＋S2)切換參考電壓預設與S1之信號輸出電壓之後，S1與(S1＋S2)之間的選擇可藉由選擇信號S1與(S1＋S2)其中任一者而獲得。吾人建議將該切換參考電壓設成低於S1飽和電壓，以避免該切換參考電壓在飽和前受到信號S1之飽和電壓的變化影響，且同時設成高電壓而得以在切換點中維持過飽和側信號(S1＋S2)的高S/N比。在此，將過飽和側信號之增益(gain)(S1＋S2)乘以比值(CF D ＋CC S )/CF D 可使得此增益與飽和前之信號S1的增益一致。因此，能夠獲得具有一動態範圍之影像信號，該動態範圍係藉由選擇性結合自低亮度往上至高亮度之線性信號而加以放大。
如由上述說明之操作所明白顯示者，在本固態攝像裝置中，由於將飽和前之信號電荷與過飽和側之信號電荷混合成過飽和側信號(S1＋S2)，該信號(S1＋S2)在飽和前至少包含接近信號S1之PD飽和的信號電荷，此將增進在過飽和側上對雜訊成分(例如重設雜訊及低暗電流(low dark current))之容差。利用對過飽和側(S1＋S2)信號之雜訊容差的增進，即使在飽和前之信號與過飽和側信號之間切換的選擇點附近，仍可藉由在隨後場域中重設浮動區域FD及儲存電容器CS後立即讀取電位為N2’而確保足夠之S/N比，並且取得在先前場域中關於(S1＋S2＋N2)的差值(亦即(S1＋S2＋N2)－N2’)來移除固定圖案雜訊成分。
該飽和前之信號(S1＋N1)、與雜訊信號N1之讀取操作涉及浮動區域(FD)重設雜訊之移除，並修正在源極隨耦放大器之閾值電壓上之變化，因此，便可在低亮度區域中實現高敏感度與高S/N比(低雜訊)性質，而不會產生殘影。在過飽和側上之操作中，於已將溢出光二極體PD之電荷透過在相同儲存週期中之溢流閘極LO而儲存於儲存電容器CS中後，進行在低亮度側上之信號讀取。在完成該讀取後，在時間t8 時，留在浮動區域FD中之飽和前的信號電荷與過飽和信號電荷相混合，然後讀取該混合電荷。再者，在此時間t8 ，在開啟儲存電晶體S時，浮動區域FD係連接於具有大電容之儲存電容器CS，且(FD＋CS)之電位朝向正方向。因此，即使光二極體PD處於飽和狀態，光二極體PD之光電荷仍完全以高效率傳輸至(FD＋CS)，因而甚至在PD飽和之附近中亦無殘留影像發生。
而且，即使當儲存電容器CS呈飽和之後，仍可藉由調整重設電晶體R與儲存電晶體S之閾值電壓，而有效率地將多餘電荷釋放至電源供應VDD，因此，即使當吾人使用p型矽半導體基板時，亦能抑制輝散現象(blooming)。在此，可將重設電晶體R與儲存電晶體S之低側電位設為比零電位還高的數值。
以此方式，在光二極體PD未飽和之低亮度攝像中，便可藉由以消除雜訊所獲得之飽和前的電荷信號(S1)維持高敏感度與高S/N比。再者，在光二極體PD呈飽和之高亮度攝像中，溢出光二極體PD之光電荷係藉由將電荷儲存於儲存電容器CS中而獲得，且可維持高S/N比，亦藉由消除雜訊所獲得之信號，亦即飽和前之電荷信號與過飽和電荷信號之總和(S1＋S2)，而得以在高亮度側上實現寬廣動態範圍。
如上所述，根據本實施例之固態攝像裝置，在不降低低亮度側上之敏感度的情況下，俾增加高亮度側上之敏感度因而達成寬廣範圍，此外，此裝置並未使用超過一般使用範圍之電源供應電壓。此將允許本固態攝像裝置得以在將來滿足影像感測器之微型化。而且，因為元件之添加已降至最少，所以不會導致畫素尺寸之增加。
再者，不同於施行寬廣範圍之習知影像感測器，本實施例係以相同之儲存週期來儲存光電荷，而不分割高亮度側與低亮度側之間的儲存週期，亦即不跨立圖框。即使在移動影像之攝像中，此方式仍可避免影像品質之劣化。
而且，關於來自浮動區域FD之漏電流，根據本實施例之影像感測器，(S1＋S2)之最小信號變成來自光二極體PD之飽和電荷，因此使影像感測器得以處理大於來自浮動區域FD之漏電流者的電荷量。此將提供使影像感測器不受FD漏電影響之優點。
第二實施例
根據本實施例之固態攝像裝置係為根據第一實施例之固態攝像裝置中之畫素的電路架構而加以修改者。圖11係根據本實施例之其中一畫素的等效電路圖。圖12係為其中的概略平面圖。
每一畫素包含：一光二極體PD1，接收光且產生與儲存光電荷；一傳輸電晶體T2，係鄰接於光二極體PD1而設且傳輸光電荷；一浮動區域FD3，係透過傳輸電晶體T2而連接於光二極體PD1；一溢流閘極LO4，係鄰接於光二極體PD1而設且在儲存操作期間傳輸溢出光二極體PD1之光電荷；一儲存電容器CS5，在儲存操作期間經由溢流閘極LO4儲存溢出光二極體PD1之光電荷；一重設電晶體R6，係連接於儲存電容器CS5，用以釋出在儲存電容器CS5與浮動區域FD3中之信號電荷；一儲存電晶體S7，設於浮動區域FD3與儲存電容器CS5之間；一放大電晶體SF8，用以將浮動區域FD3中、或浮動區域FD3與儲存電容器CS5兩者中之信號電荷讀為電壓；及一選擇電晶體X9，係連接於放大電晶體SF8，用以選擇畫素或畫素塊。
如上述第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置中，具有上述排列之複數畫素的每一者，係以二維或一維陣列加以儲存。在每一畫素中，驅動線ψL O 10、ψT 11、ψS 12、及ψR 13係分別連接於溢流閘極LO4、傳輸電晶體T2、儲存電晶體S7、及重設電晶體R6之閘極電極。並且，由列位移暫存器所驅動之畫素選擇線ψX 14係連接於選擇電晶體X9之閘極電極。再者，一輸出線OUT5係連接於選擇電晶體X9之輸出側源極，且由欄位移暫存器加以控制以產生輸出。
如上述第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置的架構並未設限，只要可將浮動區域FD3之電壓固定於一適當值以便能夠進行畫素之選擇操作或非選擇操作即可。因此，亦可省略選擇電晶體X9與驅動線ψX 14。
根據本實施例之固態攝像中，顯示畫素中之光二極體PD1、溢流閘極LO4、及儲存電容器CS5區域的概略剖面圖係與第一實施例所示之圖8A相同，因此，將其圖省略避免重圖。再者，顯示在本固態攝像裝置之畫素中之光二極體PD1、傳輸電晶體T2、浮動區域FD3、儲存電晶體S7、及儲存電容器CS5區域的概略剖面圖係與圖8B相同，因此，亦將其圖省略避免重圖。
在此，根據圖11與12所示之本實施例，將說明固態攝像裝置之操作方法。圖13係根據本實施例之固態攝像裝置的驅動時序圖。
首先，在儲存前，將儲存電晶體S設為開啟，且將傳輸電晶體T與重設電晶體R設為關閉。此時，光二極體PD處在一完全空乏狀態。
接著，開啟重設電晶體R以重設浮動區域FD與儲存電容器CS(時間：t1 ’)。接著，讀取在已關閉重設電晶體R後所獲得之(浮動區域FD＋儲存電容器CS)的重設雜訊為雜訊信號N2(時間：t2 ’)。在此，雜訊信號N2包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。在儲存週期期間(時間：t3 ’)，在儲存電晶體S、傳輸電晶體T、重設電晶體R、及選擇電晶體X切換成關閉之狀態中，在飽和前之光電荷係由光二極體PD所儲存，而當超過飽和時，多餘的光電荷則透過溢流閘極LO而儲存於儲存電容器CS中。此操作允許溢出光二極體PD之電荷在未被捨棄之情況下，而能為有效利用。以此方式，在飽和前、後之兩週期中，儲存操作係藉由以相同儲存週期中之每一畫素的相同光二極體來接收光而加以進行。
在已完成儲存後(時間：t4 ’)，將選擇電晶體X切換成開啟，然後讀取儲存於光二極體PD終之雜訊信號。在此，雜訊信號N1包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。接著，將傳輸電晶體T開啟以將儲存於光二極體PD中之光信號完全傳輸至浮動區域FD(時間：t5 ’)，且該信號係讀為(S1＋N1)。接著，亦將儲存電晶體S切換成開啟以將儲存於光二極體PD中之光電荷完全傳輸至浮動區域FD與儲存電容器CS(時間：t6 ’)。在此，將光二極體PD、浮動區域FD、及儲存電容器CS中所儲存之電荷予以混合，且將該信號讀為(S1＋S2＋N2)。
在第一實施例中，在浮動區域FD之重設操作期間，在時間：t6 時捨棄浮動區域FD與儲存電容器CS中所儲存之雜訊信號N2的部分。在此時所捨棄之信號量係比浮動區域FD與儲存電容器CS所儲存之雜訊信號大CFD/(CF D ＋CC S )倍。反之，根據本實施例之固態攝像裝置中，將不能把雜訊信號之部分捨棄。
根據本實施例之固態攝像裝置的方塊圖係如同第一實施例中所示之圖10者，因此，將省略其圖避免重圖。在實施例中以連續點方式、由每一畫素所讀取之信號、動態範圍之放大比、及寬廣動態範圍信號的合成係與第一實施例中之所述者相同。
如第一實施例之例者，根據本實施例之固態攝像裝置，係在不降低低亮度側上之敏感度的情況下，俾增加高亮度側上之敏感度因而達成寬廣範圍，此外，此裝置並未使用超過一般使用範圍之電源供應電壓。此將允許本固態攝像裝置得以在將來滿足影像感測器之微型化。而且，因為元件之添加已降至最少，所以不會導致畫素尺寸之增加。
再者，不同於施行寬廣範圍之習知影像感測器，本實施例係以相同之儲存週期來儲存光電荷，而不分割高亮度側與低亮度側之間的儲存週期，亦即不跨立圖框。即使在移動影像之攝像中，此方式仍可避免影像品質之劣化。
而且，關於來自浮動區域FD之漏電流，根據本實施例之影像感測器，由浮動區域FD與儲存電容器CS之電容所讀取之最小信號，亦即(CF D ＋CC S )變成(過飽和電荷)＋(來自光二極體PD之飽和電荷)，因此使影像感測器得以處理大於浮動區域FD之漏電流者的電荷量。此將提供使影像感測器不受FD漏電影響之優點。
第三實施例
根據本實施例之固態攝像裝置係為根據本發明之第一與第二實施例之固態攝像裝置中之畫素的溢流閘極而加以修改者。圖14與15分別為本實施例之畫素的等效電路圖與概略平面圖，這些圖係對應於第一實施例之各別圖。而且，圖16與17分別為本實施例之畫素的等效電路圖與概略平面圖，這些圖係對應於第二實施例之各別圖。
每一畫素包含：一光二極體PD1，接收光且產生與儲存光電荷；一傳輸電晶體T2，係鄰接於光二極體PD1而設且傳輸光電荷；一浮動區域FD3，係透過傳輸電晶體T2而連接於光二極體PD1；一溢流閘極LO4’，係鄰接於光二極體PD1而設且在儲存操作期間傳輸溢出光二極體PD1之光電荷；一儲存電容器CS5，在儲存操作期間經由溢流閘極LO4’儲存溢出光二極體PD1之光電荷；一重設電晶體R6，係連接於儲存電容器CS5，用以釋出在浮動區域FD3(圖14)、或儲存電容器CS5(圖16)中之信號電荷；一儲存電晶體S7，設於浮動區域FD3與儲存電容器CS5之間；一放大電晶體SF8，用以將浮動區域FD3中、或浮動區域FD3與儲存電容器CS5兩者中之信號電荷讀為電壓；及一選擇電晶體X9，係連接於放大電晶體SF8，用以選擇畫素或畫素塊。
如上述第一與第二實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置中，具有上述排列之複數畫素的每一者，係以二維或一維陣列加以儲存。在每一畫素中，驅動線ψT 11、ψS 12、及ψR 13係分別連接於傳輸電晶體T2、儲存電晶體S7、重設電晶體R6之閘極電極。並且，由列位移暫存器所驅動之畫素選擇線ψX 14係連接於選擇電晶體X9之閘極電極。再者，一輸出線OUT5係連接於選擇電晶體X9之輸出側源極，且由欄位移暫存器加以控制以產生輸出。
如上述第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置的架構並未設限，只要可將浮動區域FD3之電壓固定於一適當值以便能夠進行畫素之選擇操作或非選擇操作即可。因此，亦可省略選擇電晶體X9與驅動線ψX 14。
圖18為根據第三實施例之固態攝像裝置中之畫素中的光二極體PD1、溢流閘極LO4、及儲存電容器CS5的概略剖面圖。在此，在與n型半導體區域30與n＋型半導體區域32相關連之區域中，係於p型井21之頂面上形成p＋半導體區域50，且構建聯合電晶體型之溢流閘極LO，以n型半導體區域30與n＋型半導體區域32作為源極/汲極，並以p＋半導體區域50作為閘極。其他構造係如同上述第一實施例者。在此，係將p＋半導體區域50電連接於p＋半導體區域31與p型井21。
根據本實施例之固態攝像裝置的操作方法係如同第一與第二實施例者。根據本實施例之固態攝像裝置的方塊圖係如同第一實施例中所示之圖10，因此，將省略其圖避免重圖。在實施例中以連續點方式、由每一畫素所讀取之信號、動態範圍之放大比、及寬廣動態範圍信號的合成係與第一實施例中之所述者相同。
根據本實施例之固態攝像裝置發揮了如同第一與第二實施例者之功效，此外，相較於第一與第二實施例，由於p＋半導體區域50係電連接於p＋半導體區域31與p型井21，所以根據本實施例之固態攝像裝置允許驅動信號之配線數目得以降低，且達成高密度畫素。
第四實施例
根據本實施例之固態攝像裝置為相較於上述第三實施例能夠在儲存電荷期間更加順利地移動溢出光二極體之電荷者。
圖19為固態攝像裝置之剖面圖的範例，其中該溢流閘極LO為一埋入式通道電晶體，其具有與該傳輸電晶體之通道相同導電類型的半導體層，該傳輸電晶體之通道係自構成該傳輸電晶體之基板的表面或其表面附近形成至一預定深度。圖19顯示光二極體PD、溢流閘極LO、及儲存電容器CS之區域。
在此，n型半導體區域51係形成為使得由溢流閘極LO之p＋半導體區域下方之基板表面其或表面附近與n型半導體區域30及n＋型半導體區域32重疊達到一預定深度。該n型半導體區域51為一n型區域，其摻雜質之有效濃度係低於n型半導體區域30與n＋型半導體區域32。
上述構造有助於降低光二極體PD與儲存電容器CS之間的電位阻障。此將允許在電荷存蓄期間溢出光二極體PD之電荷得以順利移至儲存電容器CS。
圖20與21所示之固態攝像裝置係配置而成為具有與位於基板之預定深度處之溢流閘極LO之閘極下方之部分平行形成的半導體層，且該半導體層俾降低光二極體PD與儲存電容器CS間之擊穿阻障。
圖20係根據本實施例之固態攝像裝置之剖面圖的範例，顯示光二極體PD、溢流閘極LO、及儲存電容器CS的區域。在此，在溢流閘極LO之閘極電極50下方之預定深度處的區域中，形成n型半導體區域52以便與n型半導體區域30相連。
上述構造有助於降低在溢流閘極LO中之擊穿阻障。自n型半導體區域52沿傾斜方向至n＋型半導體區域32之擊穿路徑構成由光二極體PD至儲存電容器CS的溢流路徑，因而允許溢出光二極體PD之電荷擊穿，俾在電荷儲存期間將電荷順利地移動至儲存電容器CS。
圖21係根據本實施例之固態攝像裝置之剖面圖的範例。如圖20中所示之固態攝像裝置的例子中，在溢流閘極LO之間極電極50下方之預定深度處的區域中，形成n型半導體區域53以便與n型半導體區域30相連。在此實施例中，更進一步使該n型半導體區域53往下延伸至n＋型半導體區域32下方。
上述構造有助於降低溢流閘極LO中之擊穿阻障。自n型半導體區域53沿實質上垂直之方向而至n＋型半導體區域32的擊穿路徑構成由光二極體PD至儲存電容器CS的溢流路徑，因而允許溢出光二極體PD之電荷擊穿，俾在電荷存蓄期間將電荷順利地移動至儲存電容器CS。
第五實施例
根據本實施例之固態攝像裝置為根據第一實施例之固態攝像裝置中之電路架構而加以修改者。圖22係根據本實施例之固態攝像裝置中之兩畫素的等效電路圖，且圖23則為其概略平面圖。
根據本實施例之固態攝像裝置為具有以兩畫素”a”與”b”所組成之畫素塊作為基本單元者，每一畫素塊包含兩二極體與兩儲存電容器。每一畫素塊包含：光二極體PDa1與PDb1’，接收光且產生與儲存光電荷；一傳輸電晶體Ta2與Tb2’，係分別鄰接於光二極體PDa1與PDb1’而設且傳輸光電荷；一浮動區域FD3，係透過傳輸電晶體Ta2與Tb2’而分別連接於光二極體PDa1與PDb1’；溢流閘極LOa4與LOb4’，係分別鄰接於光二極體PDa1與PDb1’而設且在儲存操作期間傳輸溢出個別光二極體PDa1與PDb1’之光電荷；儲存電容器CSa5與CSb5’，在儲存操作期間經由個別溢流閘極LOa4與Lob4’分別儲存溢出光二極體PDa1與PDb1’之光電荷；一重設電晶體R6，係連接於儲存電容器CSa5與CSb5’之每一者，用以釋出在儲存電容器CSa5與CSb5’、及浮動區域FD3中之信號電荷；儲存電晶體Sa7與Sb7’，設於浮動區域FD3與儲存電容器CSa5與CSb5’之間；一放大電晶體SF8，用以將浮動區域FD3中之信號電荷、或浮動區域FD3與儲存電容器CSa5與CSb5’之每一信號電荷讀為電壓；及一選擇電晶體X9，係連接於放大電晶體SF8，用以選擇畫素或畫素塊。以此方式，作為基本單元之畫素塊係用以包含兩光二極體、兩儲存電容器、一浮動區域FD、一放大電晶體SF、一重設電晶體R、及一選擇電晶體X。
根據本實施例之固態攝像裝置中，以上述排列之複數畫素係以二維或一維陣列加以儲存。在每一畫素塊中，驅動線ψL O a 、ψL O b 、ψT a 、ψT b 、ψS a 、ψ Sb 、及ψR 係分別連接於溢流閘極LOa4與LOb4’、傳輸電晶體Ta2與Tb2’、儲存電晶體Sa7與Sb7’、及重設電晶體R6之閘極電極。而且，由列位移暫存器所驅動之畫素選擇線ψX 係連接於選擇電晶體X9之閘極電極。再者，輸出線OUT15係連接於選擇電晶體X9之輸出側源極，且藉由欄位移暫存器加以控制而產生輸出。
如上述第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置的構造並未設限，只要可將浮動區域FD3之電壓固定於一適當值以便能夠進行畫素之選擇操作或非選擇操作即可。因此，亦可省略選擇電晶體X9與驅動線ψX 。
根據本實施例之固態攝像中，顯示畫素塊之畫素”a”與”b”中之光二極體PDa1與PDb1’、溢流閘極LOa4與LOb4’、及儲存電容器CSa5與CSb5’區域的概略剖面圖，係與第一實施例所示之圖8A相同，因此，將其圖省略避免重圖。再者，顯示在畫素中之光二極體PDa1與PDb1’、傳輸電晶體Ta2與Tb2’、浮動區域FD3、儲存電晶體Sa7與Sb7’、及儲存電容器CSa5與CSb5’區域的概略剖面圖係與第一實施例之圖8B相同，因此，亦將其圖予以省略。
在此，根據圖22與23所示之本實施例，將說明固態攝像裝置之操作方法。圖24係根據本實施例之固態攝像裝置的驅動時序圖。在每一畫素塊中，當畫素”a”與”b”正待讀取時，該讀取便可藉由使用相同浮動區域FD、放大電晶體SF、重設電晶體R、及選擇電晶體X而加以進行。
首先，在曝光儲存前，將畫素”a”之儲存電晶體Sa設為開啟，且將傳輸電晶體Ta與重設電晶體R設為關閉。此時，畫素”a”之光二極體PDa處於一完全空乏狀態中。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設畫素”a”之浮動區域FD與儲存電容器CSa(時間：t1 )。接著，緊接在重設電晶體R已經切換成關閉後所獲得之(FD＋CSa)的重設雜訊，係讀為雜訊信號N2(時間：t2 )。在此，雜訊信號N2包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。在儲存週期期間(時間：t3 )，在飽和前之光電荷係由光二極體PDa所儲存，而當超過飽和時，多餘的光電荷則透過溢流閘極LOa而儲存於儲存電容器CSa中。此操作允許溢出光二極體PD之電荷在未被捨棄之情況下，而能為有效利用。以此方式，在飽和前、後之兩週期中，儲存操作係藉由以相同儲存週期中之每一畫素的相同光二極體來接收光而加以進行。
在儲存已完成後(時間：t4 )，將選擇電晶體X切換成開啟。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設浮動區域FD(t：t5 )，且將緊接在該重設後所獲得之FD重設雜訊讀為雜訊信號N1(時間：t6 )。在此，雜訊信號N1包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。接著，將傳輸電晶體Ta切換成開啟以將儲存於光二極體PDa中之光信號完全傳輸至浮動區域FD(時間：t7 )，且該信號係讀為(S1＋N1)。接著，亦將儲存電晶體Sa切換成開啟(時間：t8 )以將儲存於光二極體PDa中之光電荷完全傳輸至浮動區域FD與儲存電容器CSa；在光二極體PDa、浮動區域FD、及儲存電容器CSa中之電荷予以混合；且將該信號讀為(S1＋S2＋N1)。在曝光儲存前，亦在畫素”b”中將儲存電晶體Sb設為開啟，且將傳輸電晶體Tb與重設電晶體R設為關閉。接著，將重設電晶體設為開啟以重設浮動區域FD與儲存電容器CSb，且將緊接於重設電晶體R已被切換成關閉後所獲得之(FD＋CSb)之重設雜訊讀為雜訊信號N2。在此，雜訊信號N2包含放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。
在儲存期間(時間：t9 )，飽和前之光電荷係由光二極體PDb所儲存，且當超過飽和時，多餘之光電荷便透過溢流閘極LOb而儲存於儲存電容器CSb中。
在儲存已完成後(時間：t1 0 )，將選擇電晶體X切換成開啟。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設浮動區域FD(t：t1 1 )，且將緊接在該重設後所獲得之FD重設雜訊讀為雜訊信號N1(時間：t1 2 )。
接著，將傳輸電晶體Tb切換成開啟以將儲存於光二極體PDb中之光信號完全傳輸至浮動區域FD(時間：t1 3 )，且該信號係讀為(S1＋N1)。接著，亦將儲存電晶體Sb切換成開啟(時間：t1 4 )以將儲存於光二極體PDb中之光電荷完全傳輸至浮動區域FD與儲存電容器CSb。在光二極體PDb、浮動區域FD、及儲存電容器CSb中之電荷予以混合，且將該信號讀為(S1＋S2＋N2)。
根據本實施例之固態攝像裝置中，因為浮動區域FD、放大電晶體SF、重設電晶體R、及選擇電晶體X係以每兩畫素為一組之比率加以設置，所以可減少每一畫素之畫素面積。
除了輸出線係以每兩畫素為一組之比率加以設置為不同之外，根據本實施例之固態攝像裝置的方塊圖係如同第一實施例中所示之圖10者。在實施例中以連續點方式、由每一畫素所讀取之信號、動態範圍之放大比、及寬廣動態範圍信號的合成係與第一實施例中之所述者相同。
在上述操作中，係以連續驅動設於畫素塊之畫素且利用來自全部畫素所獲得之信號的例子加以說明。然而，於一減疏(thinning－out)操作，吾人可自畫素塊選擇任何畫素，以利用由經選擇之畫素所獲得之信號；或者，如於一均值化操作，吾人可在畫素塊中混合與添加畫素信號以期利用該信號。
如第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置，係在不降低低亮度側上之敏感度的情況下，俾增加高亮度側上之敏感度因而達成寬廣範圍，此外，此裝置並未使用超過一般使用範圍之電源供應電壓。此將允許本固態攝像裝置得以在將來滿足影像感測器之微型化。而且，因為元件之添加已降至最少，所以不會導致畫素尺寸之增加。
再者，不同於施行寬廣範圍之習知影像感測器，本實施例係以相同之儲存週期來儲存光電荷，而不分割高亮度側與低亮度側之間的儲存週期，亦即在不跨立圖框。即使在移動影像之攝像中，此方式仍可避免影像品質之劣化。
而且，關於來自浮動區域FD之漏電流，根據本實施例之影像感測器，(S1＋S2)之最小信號變成來自光二極體PD之飽和電荷，因此使影像感測器得以處理大於浮動區域FD之漏電流者的電荷量。此將提供使影像感測器不受FD漏電影響之優點。
第六實施例
根據本實施例之固態攝像裝置為根據第一實施例之固態攝像裝置中之電路架構而加以修改者。圖25係根據本實施例之固態攝像裝置中之四個畫素的等效電路圖。圖26則為其概略平面圖。
根據本實施例之固態攝像裝置為具有以四個畫素”a”、”b”、”c”及”d”所組成之畫素塊作為基本單元者，每一畫素塊包含四個二極體與四個儲存電容器。每一畫素塊包含：光二極體PDa1、PDb1”、PDc1”、及PDd1'''，接收光且產生與儲存光電荷；傳輸電晶體Ta2、Tb2’、Tc2”、及Td2'''，係分別鄰接於光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''而設且傳輸光電荷；一浮動區域FD3，係透過傳輸電晶體Ta2、Tb2’、Tc2”、及Td2'''而分別連接於光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''；溢流閘極LOa4、LOb4’、LOc4”、及LOd4'''，係分別鄰接於光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''而設且在儲存操作期間傳輸溢出個別光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''之光電荷；儲存電容器CSa5、CSb5’、CSc5”、及CSd5'''，在儲存操作期間經由個別溢流閘極LOa4、LOb4’、LOc4”、及LOd4'''分別儲存溢出光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''之光電荷；一重設電晶體R6，係連接於儲存電容器CSa5、CSb5’、CSc5”、及CSd5'''之每一者，用以釋出在儲存電容器CSa5、CSb5’、CSc5”、及CSd5'''、及浮動區域FD3中之信號電荷；儲存電晶體Sa7、Sb7’、Sc7”、及Sd7'''，設於浮動區域FD3與儲存電容器CSa5、CSb5’、CSc5”、及CSd5'''之間；一放大電晶體SF8，用以將浮動區域FD3中之信號電荷、或浮動區域FD3與儲存電容器CSa5、CSb5’、CSc5”、及CSd5'''之每一信號電荷讀為電壓；及一選擇電晶體X9，係連接於放大電晶體SF8，用以選擇畫素或畫素塊。以此方式，作為基本單元之畫素塊係用以包含四個光二極體、四個儲存電容器、一浮動區域FD、一放大電晶體SF、一重設電晶體R、及一選擇電晶體X。
根據本實施例之固態攝像裝置中，以上述排列之複數畫素係以二維或一維陣列加以儲存。在每一畫素塊中，驅動線ψL O a 、ψL O b 、ψL O c 、ψ L O d 、ψT a 、ψT b 、ψT c 、ψT d 、ψS a 、ψS b 、ψS c 、ψS d 、及ψR 係分別連接於溢流閘極LOa4、LOb4’、LOc4”、及LOd4'''、傳輸電晶體Ta2、Tb2’、Tc2”、及Td2'''、儲存電晶體Sa7、Sb7’、Sc7”、及Sd7'''、及重設電晶體R6之閘極電極。而且，由列位移暫存器所驅動之畫素選擇線ψX 係連接於選擇電晶體X9之閘極電極。再者，輸出線OUT15係連接於選擇電晶體X9之輸出側源極，且藉由欄位移暫存器加以控制而產生輸出。
如上述第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置的構造並未設限，只要可將浮動區域FD3之電壓固定於一適當值以便能夠進行畫素之選擇操作或非選擇操作即可。因此，亦可省略選擇電晶體X9與驅動線ψX 。
在根據本實施例之固態攝像中，其概略剖面圖係代表在畫素塊之畫素”a”、”b”、”c”及”d”中之光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''、溢流閘極LOa4、LOb4’、LOc4”、及LOd4'''、及儲存電容器CSa5、CSb5’、CSC5”、及CSd5'''的區域，該剖面圖與第一實施例所示之圖8A相似，因此，將其圖省略避免重圖。再者，對應於畫素中之光二極體PDa1、PDb1’、PDc1”、及PDd1'''、傳輸電晶體Ta2、Tb2’、Tc2”、及Td2'''、浮動區域FD3、儲存電晶體Sa7、Sb7’、Sc7”、及Sd7'''、及儲存電容器CSa5、CSb5’、CSC5”、及CSd5'''之區域之本固態攝像裝置的概略平面圖，係與第一實施例之圖8B相似，因此，亦將其圖予以省略。
在此，根據圖25與26所示之本實施例，將說明固態攝像裝置之操作方法。圖27係根據本實施例之固態攝像裝置的驅動時序圖。在每一畫素塊中，當畫素”a”、”b”、”c”及”d”正待讀取時，該讀取便可藉由使用相同浮動區域FD、放大電晶體SF、重設電晶體R、及選擇電晶體X而加以進行。
首先，在曝光儲存前，將畫素”a”之儲存電晶體Sa設為開啟，且將傳輸電晶體Ta與重設電晶體R設為關閉。此時，畫素”a”之光二極體PDa處於一完全空乏狀態中。
接著，開啟重設電晶體R，以重設畫素”a”之浮動區域FD與儲存電容器CSa(時間：t1 )。接著，讀取在重設電晶體R已關閉後立即擷取到之(FD＋CSa)的重設雜訊，以作為雜訊信號N2(時間：t2 )。在此，雜訊信號N2包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。
在儲存週期期間(時間：t3 )，在飽和前之光電荷係由光二極體PDa所儲存，而當超過飽和時，多餘的光電荷則透過溢流閘極LOa而儲存於儲存電容器CSa中。此操作允許溢出光二極體PDa之電荷在未被捨棄之情況下，而能為有效利用。以此方式，在飽和前、後之兩週期中，儲存操作係藉由以相同儲存週期中之每一畫素的相同光二極體來接收光而加以進行。
在儲存已完成後(時間：t4 )，將選擇電晶體X切換成開啟。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設浮動區域FD(t：t5 )，且將緊接在該重設後所獲得之FD重設雜訊讀為雜訊信號N1(時間：t6 )。在此，雜訊信號N1包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。
接著，開啟傳輸電晶體Ta，以將儲存於光二極體PDa中之光信號完全傳輸至浮動區域FD(時間：t7 )，且該信號係讀為(S1＋N1)。接著，亦將儲存電晶體Sa切換成開啟(時間：t8 )，以將儲存於光二極體PDa中之光電荷完全傳輸至浮動區域FD與儲存電容器CSa；在光二極體PDa、浮動區域FD、及儲存電容器CSa中之電荷予以混合；且將該信號讀為(S1＋S2＋N1)。在曝光儲存前，亦在畫素”b”中將儲存電晶體Sb設為開啟，且將傳輸電晶體Tb與重設電晶體R設為關閉。接著，將重設電晶體R設為開啟以重設浮動區域FD與儲存電容器CSb，且將緊接於重設電晶體R已被切換成關閉後所獲得之(FD＋CSb)之重設雜訊讀為雜訊信號N2。在此，雜訊信號N2包含在放大電晶體SF之閾值電壓上的變化，以作為固定圖案之雜訊成分。
在儲存期間(時間：t9 )，飽和前之光電荷係由光二極體PDb所儲存，且當超過飽和時，多餘之光電荷便透過溢流閘極LOb而儲存於儲存電容器CSb中。在儲存已完成後(時間：t1 0 )，將選擇電晶體X切換成開啟。接著，將重設電晶體R切換成開啟以重設浮動區域FD(t：t1 1 )，且將緊接在該重設後所獲得之FD重設雜訊讀為雜訊信號N1(時間：t1 2 )。接著，將傳輸電晶體Tb切換成開啟以將儲存於光二極體PDb中之光信號完全傳輸至浮動區域FD(時間：t1 3 )，且將該信號讀為(S1＋N1)。接著，亦將儲存電晶體Sb切換成開啟(時間：t1 4 )，以將儲存於光二極體PDb中之光電荷完全傳輸至浮動區域FD與儲存電容器CSb。在光二極體PDb、浮動區域FD、及儲存電容器CSb中所儲存之電荷予以混合，且將該信號讀為(S1＋S2＋N2)。此後，針對畫素”c”與“d”重複相同操作。
根據本實施例之固態攝像裝置中，因為浮動區域FD、放大電晶體SF、重設電晶體R、及選擇電晶體X係以每四個畫素為一組之比率加以設置，所以可減少每一畫素之畫素面積。
在上述操作中，係以連續驅動設於畫素塊之畫素且利用來自全部畫素所獲得之信號的例子加以說明。然而，於一減疏(thinning－out)操作時，吾人可由畫素塊來選擇任何畫素，以利用由經選擇之畫素所獲得之信號。或者，於一均值化操作時，吾人可在畫素塊中混合與添加畫素信號而利用該信號。
除了輸出線係以每四個畫素為一組之比率加以設置為不同之外，根據本實施例之固態攝像裝置的方塊圖係如同第一實施例中所示之圖10者。在實施例中以連續點方式、由每一畫素所讀取之信號、動態範圍之放大比、及寬廣動態範圍信號的合成係與第一實施例中之所述者相同。
如第一實施例之例子中，根據本實施例之固態攝像裝置，係在不降低低亮度側上之敏感度的情況下，俾增加高亮度側上之敏感度因而達成寬廣範圍，此外，此裝置並未使用超過一般使用範圍之電源供應電壓。此將允許本固態攝像裝置得以在將來滿足影像感測器之微型化。而且，因為元件之添加已降至最少，所以不會導致畫素尺寸之增加。
再者，不同於施行寬廣範圍之習知影像感測器，本實施例係以相同儲存週期來儲存光電荷，而不分割高亮度側與低亮度側之間的儲存週期，亦即不跨立圖框。即使在移動影像之攝像中，此方式仍可避免影像品質之劣化。
而且，關於來自浮動區域FD之漏電流，根據本實施例之影像感測器，(S1＋S2)之最小信號變成來自光二極體PD之飽和電荷，因此使影像感測器得以處理大於浮動區域FD之漏電流者的電荷量。此將提供使影像感測器不受FD漏電影響之優點。
第七實施例
根據本實施例之固態攝像裝置，係將用以儲存溢出光二極體之光電荷之儲存電容器，以上述第一至第六實施例加以修改的範例。
當吾人打算利用一接面儲存電容器作為儲存電容器時，甚至在若干條件之考量下，亦即其面積效率並非很高之情況下，每平方μ m之合理靜電電容係落於0.3至3 fF/μ m2 之階次上，因此，不易擴大動態範圍。
在另一方面，在平面儲存電容器之例子中，當絕緣膜之電場設為3至4 MV/cm或更小時，最大施加電壓變設為2.5至3 V，且該電容器絕緣膜厚度設為7 nm之階次，目的是為了抑制電容器絕緣膜之絕緣膜漏電流，相關之介電常數為εr ＝3.9時，靜電電容變成4.8 fF/μ m2 ，εr ＝7.9時靜電電容則變成9.9fF/μ m2 ，εr ＝20時，靜電電容則變成25 fF/μ m2 ，及εr ＝50時，靜電電容則變成63 fF/μ m2 。
利用所謂的高－k材料允許較大之靜電電容得以施行，例如氮化矽(εr ：7.9)、Ta2 O5 (εr ：約20至30)、HfO2 (εr ：約30)、ZrO2 (εr ：約30)、La2 O3 (εr ：約40至50)、以及氧化矽(εr ：3.9)，藉此即使在具有相當簡單結構之平面儲存電容器之例子中，將實現具有動態範圍寬如100至200 dB的影像感測器。
而且，結構之應用，例如堆疊型或溝渠型，藉由抑制所佔據之面積而能夠增大電容器貢獻之面積，允許達成寬如120 dB之動態範圍，而且，以組合方式利用上述之高－k材料將能夠分別以堆疊型與溝渠型達成寬如140 dB與160 dB之動態範圍。
之後，將顯示本實施例可應用之儲存電容器的範例。圖28係類似第一實施例者平面MOS儲存電容器的剖面圖。例如，此儲存電容器CS之配置係用以包含：一作為下部電極之n＋型半導體區域60，係在基板20上所形成之p型井之表面層中加以形成；電容器絕緣膜42，係以氧化矽所製成，形成於該n＋型半導體區域60上；及一上部電極43，係以多晶矽或其他所製成，形成於該電容器絕緣42上。
圖29係顯示平面MOS與街面儲存電容器的剖面圖。例如，此儲存電容器CS之配置係用以包含：一作為下部電極之n＋型半導體區域61，在n型半導體基板20上所形成之p型井之表面層中加以形成，係與作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32加以整合形成；及一上部電極43，係隔著以氧化矽所製成之電容器絕緣膜42加以形成，設於該n＋型半導體區域61上。在此，電源供應電壓VDD或一接地GND係施加於上部電極43。
在圖30中所示之儲存電容器(剖面圖)為一類似圖28中所示之MOS儲存電容器。然而，不同於圖28者，在此儲存電容器中，電容器絕緣膜42a係以高－k材料構成，例如氮化矽或Ta2 O5 。
在圖31中所示之儲存電容器(剖面圖)為一類似圖29所示之平面MOS與接面儲存電容器。然而，不同於圖29者，在此儲存電容器中，電容器絕緣膜42a係以高－k材料構成，例如氮化矽或Ta2 O5 ，且使其電容大於圖29者。
圖32係顯示堆疊儲存電容器之剖面圖。例如，此儲存電容器CS係用以包含：一下部電極63，形成於設於n型半導體基板20上方之元件隔離絕緣膜62上；一電容器絕緣膜64，形成於該下部電極63上；及一上部電極65，形成於該電容器絕緣膜64上。在此，作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32、及下部電極63係以配線45相連接。在此例中，電源供應電壓VDD或接地GND係施加於上部電極65。
圖33係顯示堆疊儲存電容器之剖面圖。例如，此儲存電容器CS係用以包含：一下部電極67，以與作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32相連而加以形成；一電容器絕緣膜68，形成於該下部電極67之內壁上；及一上部電極69，隔著該電容器絕緣膜68而加以形成，以便嵌入於下部電極67之內部部分。在此，電源供應電壓VDD或接地GND係施加於上部電極69。其形成係為嵌入下部電極67與下部電極67之內部部分的上部電極69結構可較一般堆疊型具有更大之接面面積，該接面面積有助於靜電電容。
圖34係顯示藉由結合平面型與堆疊型所獲得之組合儲存電容器的剖面圖。根據本範例，可形成具有高面積效率之大電容。
圖35係顯示一溝渠儲存電容器之剖面圖。此儲存電容器CS係用以包含：一溝渠TC，其形成係為切穿位於n型半導體基板20上之p型井21，以抵達n型半導體基板20；一作為下部電極之n＋型半導體區域70，形成於溝渠TC之內壁上；一電容器絕緣膜71，其形成係為覆蓋該TC之內壁；及一上部電極72，其形成係為隔著電容器絕緣膜71而嵌入溝渠TC。在此，作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32、及上部電極72係藉由配線45相連接。
圖36係顯示具有接面之溝渠儲存電容器的剖面圖。此儲存電容器CS之配置在於使溝渠TC形成於n型半導體基板20上之p型井21內；在溝渠TC之內壁中，一作為下部電極之n＋型半導體區域73，係與作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32加以整合形成；及一電容器絕緣膜74，其形成係為了覆蓋該TC之內壁；及一上部電極75，其形成係為隔著電容器絕緣膜74而嵌入溝渠TC。
圖37係顯示一溝渠儲存電容器之剖面圖。此儲存電容器CS係用以包含：一溝渠TC，其形成係為切穿位於n型半導體基板20上之p型井21，以抵達n型半導體基板20；一作為下部電極之n＋型半導體區域76，以深於溝渠TC之量測深度的區域、形成於溝渠TC之內壁上；一電容器絕緣膜77，其形成係為覆蓋該TC之內壁；及一上部電極78，其形成係為隔著電容器絕緣膜77而嵌入溝渠TC。在此，作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32、及上部電極78係由配線45相連接。
圖38係顯示一溝渠儲存電容器之剖面圖。此儲存電容器CS係用以包含：一溝渠TC，其形成係為切穿位於n型半導體基板20上之p型井21，以抵達n型半導體基板20；一作為下部電極之p＋型半導體區域79，形成於溝渠TC之內壁上；一電容器絕緣膜80，其形成係為覆蓋該TC之內壁；及一上部電極81，其形成係為隔著電容器絕緣膜80而嵌入溝渠TC。在此，作為儲存電晶體之源極/汲極的n＋型半導體區域32以及上部電極81係藉由配線45相連接。
圖39係顯示具有利用接面電容器之嵌入式儲存電容器之CMOS感測器的剖面圖。例如，一p型磊晶層91係形成於p型矽半導體(p－sub)90上，且一n＋型半導體區域92係橫越p型矽半導體90與p型磊晶層91而加以形成。亦即，n型(第一導電類型)半導體區域與p型(第二導電類型)半導體區域相結合者係嵌入於構成固態攝像裝置之半導體基板的內部，因此，利用接面電容器形成嵌入式儲存電容器。再者，p＋型隔離區域93係形成於p型半導體(p－sub)90與p型磊晶層91中。一p型矽半導體層94係形成於p型磊晶層91上。如上述實施例之例子中，針對p型矽半導體層94，設有一光二極體PD、溢流閘極LO、傳輸電晶體T、浮動區域FD、及儲存電晶體S。例如，作為儲存電容器SC之n＋型半導體區域92係廣泛地形成於該若干形成區域上，如上述之光二極體PD、溢流閘極LO、傳輸電晶體T、浮動區域FD、及儲存電晶體S。再者，n＋型半導體區域32係以n＋型半導體區域95垂直延伸於p型矽半導體層94中、而與構成儲存電容器之n＋型半導體區域92相連。
圖40係顯示利用一絕緣膜電容器與一接面電容器、具有嵌入式儲存電容器之CMOS感測器的剖面圖。此感測器具有類似於圖39之結構。然而，在此感測器中，第一p型磊晶層91a與第二p型磊晶層91b係隔著絕緣膜90a而形成於p型矽半導體層90(p－sub)上，因此構成一SOI(絕緣半導體)基板，使半導體層係隔著絕緣膜而形成於半導體基板上。在此，n＋型半導體區域92係形成至其與絕緣膜90a交界之區域、橫越第一p型磊晶層91a與第二p型磊晶層90b，且儲存電容器係利用半導體基板與半導體層之間的絕緣膜電容器加以形成，其中半導體基板與該半導體層之間隔著絕緣膜而彼此相對。而且，如圖39中之儲存電容器之例子中，一接面電容器係形成於第一p型磊晶層91a與第二p型磊晶層91b之間。其他結構則與圖39中所示之CMOS感測器者相同。
圖41係顯示利用一絕緣膜電容器與一接面電容器、具有嵌入式儲存電容器之CMOS感測器的剖面圖。此感測器具有類似於圖40之結構。然而，在此感測器中，一低濃度半導體層(i層)96係形成於構成光二極體PD之n型半導體區域30與構成儲存電容器之n＋型半導體區域92之間。此結構有助於降低n型半導體區域30與n＋型半導體區域92之間的電位阻障，而構成自光二極體PD至儲存電容器CS的溢流路徑。在電荷存蓄期間，此將允許溢出光二極體PD之電荷得以擊穿，因而將電荷順利移至儲存電容器CS。
前述各種儲存電容器係可應用於上述第一至第七實施例之任一者。如上所述，藉由利用具有這些形狀之儲存電容器之任一者來儲存溢出光二極體之光電荷，將可在高亮度側上達成動態範圍之擴大。
範例1
根據本發明之固態攝像裝置中，一固態攝像裝置元件係以具有兩層多晶矽與三層金屬配線之半導體的製造方法加以製造。在此，該固態攝像裝置元件具有以二維陣列所排列之畫素，具有如下之條件：畫素之數目：640(列)×480(欄)、7.5 μ m平方之畫素尺寸、浮動區域電容CF D ＝4 fF、儲存電容CC S ＝60 fF。每一儲存電容器係以平行電容器所構成，亦即多晶矽－氧化矽膜－矽的電容器與多晶矽－氮化矽膜－多晶矽的電容器。信號S1與(S1＋S2)之飽和電壓分別為500 mV與1000 mV。殘餘雜訊電壓，在雜訊移除後殘留在S1與(S1＋S2)中者，係為0.09 mV之相同值。將自S1至(S1＋S2)之切換電壓設為低於信號S1之飽和電壓的400 mV。
在每一切換點處，信號(S1＋S2)對殘餘雜訊的S/N比係高於40 dB，藉此允許施行具有高影像品質之固態攝像裝置，而獲得100 dB之動態範圍。又，在以高亮度光照射期間，可藉由溢流閘極LO而將溢出光二極體PD之多餘光電荷有效率地傳輸至儲存電容器，俾使漏入鄰近畫素中之多餘光電荷受到抑制，而產生增強之抗輝散(blooming)性與抗模糊(smearing)性。
在此範例1中，可在高亮度側上達成動態範圍之擴大而仍維持高S/N比。
範例2
根據本發明之固態攝像裝置中，一固態攝像裝置元件係藉由以二維陣列(畫素之數目：640(列)×240(欄))配置畫素塊所製造。在此，每一畫素塊係藉由以7 μ m(長度)×3.5 μ m(寬度)之大小、在基本畫素塊上、排列2×2之光二極體與儲存電容器所構成。有效之畫素數目為640(列)×480(欄)。在每一畫素塊中，藉由施加一溝渠式儲存電容器結構，將浮動區域電容CF D 設為3.4 Ff，及將儲存電容CC S 設為100 fF。信號S1與(S1＋S2)之飽和電壓分別為500 mV與1000 mV。殘餘雜訊電壓，在雜訊移除後殘留在S1與(S1＋S2)中者，係為相同之0.09 mV值。將自S1至(S1＋S2)之切換電壓設為低於信號S1之飽和電壓的400 mV。
在每一切換點之信號(S1＋S2)對殘餘雜訊的S/N比係高於40 dB，因而允許固態攝像裝置得以實現高影像品質。獲得110 dB之動態範圍。而且，在以高亮度光照射期間，可藉由溢流閘極LO而將溢出光二極體PD之多餘光電荷有效率地傳輸至儲存電容器，俾使漏入鄰近畫素中之多餘光電荷受到抑制，而產生增強之抗輝散(blooming)性與抗糢糊(smearing)性。
在此範例2中，可在高亮度側上達成動態範圍之擴大而仍維持高S/N比。
吾人應了解：本發明並未限於上述實施例。例如，本發明並未限於針對該實施例中之固態攝像裝置的應用。亦可將本發明應用於其中在每一固態攝像裝置中之畫素係以線性排列之直線感測器；或應用於藉由在每一固態攝像裝置中個別地構成畫素所獲得之光感測器，藉此可達成空前寬廣之動態範圍與高S/N比。
再者，儲存電容器及其他之形狀並未特別加以限制。為了增加具有DRAM(動態隨機讀取記憶體)之記憶體儲存電容器或其他的電容，可利用迄今已被發展之各種方法。並未限制根據本發明之固態攝像裝置的構造，只要用以儲存溢出光二極體之光電荷的光二極體與儲存電容器，係透過溢流閘極而相連。根據本發明之固態攝像裝置亦可應用於除CMOS之外的CCD影像感測器。再者，當然可在未脫離本發明之精神與範疇下，對本發明中進行各種變化與修改。
根據本發明之固態攝像裝置可應用於需要寬廣動態範圍之影像感測器，而用於數位相機、照相手機、監視器相機、附於儀器上之相機(on－board cameras)、掃描器等。
根據本發明之固態攝像裝置的操作方法可應用於需要寬廣動態範圍之影像感測器者。
1．．．光二極體
1’．．．光二極體
1”．．．光二極體
1'''．．．光二極體
2．．．傳輸電晶體
2’．．．傳輸電晶體
2”．．．傳輸電晶體
2'''．．．傳輸電晶體
3．．．浮動區域
4．．．溢流閘極
4’．．．溢流閘極
4”．．．溢流閘極
4'''．．．溢流閘極
5．．．儲存電容器
5’．．．儲存電容器
5”．．．儲存電容器
5'''．．．儲存電容器
6．．．重設電晶體
7．．．儲存電容器
7’．．．儲存電容器
7”．．．儲存電容器
7'''．．．儲存電容器
8．．．放大電晶體
9．．．選擇電晶體
10．．．驅動線ψL O
11．．．驅動線ψT
12．．．驅動線ψS
13．．．驅動線ψR
14．．．驅動線ψX
15．．．輸出線
20．．．半導體基板(n型基板)
21．．．p型井
22、23、24、25．．．元件隔離絕緣膜
26、27、28、29．．．p＋型隔離區域
30．．．n型半導體區域
31．．．p＋型半導體區域
32．．．n＋型半導體區域
33．．．n＋型半導體區域
34．．．n＋型半導體區域
35．．．閘極絕緣膜
36．．．閘極電極
37．．．閘極絕緣膜
38．．．閘極電極
39．．．閘極絕緣膜
40．．．閘極電極
41．．．p＋型半導體區域
42．．．電容器絕緣膜
42a．．．電容器絕緣膜
43．．．上部電極
44．．．絕緣膜
45、46．．．配線
50．．．p＋半導體區域
51．．．n型半導體區域
52．．．n型半導體區域
53．．．n型半導體區域
60．．．n＋型半導體區域
61．．．n＋型半導體區域
62．．．元件隔離絕緣膜
63．．．下部電極
64．．．電容器絕緣膜
65．．．上部電極
67．．．下部電極
68．．．電容器絕緣膜
69．．．上部電極
70．．．n＋半導體區域
71．．．電容器絕緣膜
72．．．上部電極
73．．．n＋型半導體區域
74．．．電容器絕緣膜
75．．．上部電極
76．．．n＋型半導體區域
77．．．電容器絕緣膜
78．．．上部電極
79．．．p＋型半導體區域
80．．．電容器絕緣膜
81．．．上部電極
90．．．p型矽半導體
90a．．．絕緣膜
91．．．P型磊晶層
91a．．．第一p型磊晶層
91b．．．第二p型磊晶層
92．．．n＋型半導體區域
93．．．p＋型隔離區域
94．．．p型矽半導體層
95．．．n＋型半導體區域
96．．．低濃度半導體層
100~103．．．畫素陣列
104．．．列位移暫存器
105．．．欄位移暫存器
106．．．信號/雜訊保留區
107．．．輸出電路
圖1係對應於專利文獻1之等效電路圖。
圖2係對應於專利文獻2之等效電路圖。
圖3係對應於專利文獻3之等效電路圖。
圖4係對應於專利文獻4之等效電路圖。
圖5係對應於非專利文獻3之等效電路圖。
圖6係根據本發明之第一實施例，在固態攝像裝置中之畫素的等效電路圖。
圖7係根據本發明之第一實施例，在固態攝像裝置中之畫素的概略平面圖。
圖8A係根據本發明之第一實施例，顯示在固態攝像裝置之畫素中之光二極體PD1、溢流閘極LO4、及儲存電容器CS5區域的概略剖面圖。
圖8B係根據本發明之第一實施例，顯示在固態攝像裝置之畫素中之光二極體PD1、傳輸電晶體T2、浮動區域FD3、儲存電晶體S7、及儲存電容器CS5區域的概略剖面圖。
圖9係根據本發明之第一實施例之固態攝像裝置的驅動時序圖。
圖10係根據本發明之第一實施例之固態攝像裝置的方塊圖。
圖11係根據本發明之第二實施例之固態攝像裝置中之畫素的等效電路圖。
圖12係根據本發明之第二實施例之固態攝像裝置中之畫素的概略平面圖。
圖13係根據本發明之第二實施例之固態攝像裝置的驅動時序圖。
圖14係根據本發明之第三實施例之固態攝像裝置中之畫素的等效電路圖，此等效電路圖係對應於第一實施例者。
圖15係根據本發明之第三實施例之固態攝像裝置中之畫素的概略平面圖，此平面圖係對應於第一實施例者。
圖16係根據本發明之第三實施例之固態攝像裝置中之畫素的等效電路圖，此等效電路圖係對應於第二實施例者。
圖17係根據本發明之第三實施例之固態攝像裝置中之畫素的概略平面圖，此平面圖係對應於第二實施例者。
圖18係根據本發明之第三實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖19係根據本發明之第四實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖20係根據本發明之第四實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖21係根據本發明之第四實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖22係根據本發明之第五實施例之固態攝像裝置中之兩畫素的等效電路圖。
圖23係根據本發明之第五實施例之固態攝像裝置中之兩畫素的概略平面圖。
圖24係根據本發明之第五實施例之固態攝像裝置中之驅動時序圖。
圖25係根據本發明之第六實施例之固態攝像裝置中之四個畫素的等效電路圖。
圖26係根據本發明之第六實施例之固態攝像裝置中之四個畫素的概略平面圖。
圖27係根據本發明之第六實施例之固態攝像裝置中之驅動時序圖。
圖28係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖29係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖30係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖31係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖32係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖33係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖34係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖35係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖36係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖37係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖38係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖39係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖40係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
圖41係根據本發明之第七實施例之固態攝像裝置中之畫素的剖面圖。
1．．．光二極體
2．．．傳輸電晶體
3．．．浮動區域
4．．．溢流閘極
5．．．儲存電容器
6．．．重設電晶體
7．．．儲存電容器
8．．．放大電晶體
9．．．選擇電晶體
10．．．驅動線ψL O
11．．．驅動線ψT
12．．．驅動線ψS
13．．．驅動線ψR
14．．．驅動線ψX
15．．．輸出線

Claims (31)

  1. 一種固態攝像裝置，包含：光二極體，接收光且產生及儲存光電荷；傳輸電晶體，傳輸該光電荷；浮動區域，通過該傳輸電晶體而傳輸該光電荷；儲存電容器元件；儲存電晶體，連接於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；及溢流閘極，連接於該光二極體和該儲存電容器元件、該儲存電晶體的連接部之間；該溢流閘極，使在該光二極體的儲存期間從該光二極體溢出之光電荷儲存於該儲存電容器元件；該傳輸電晶體，在延續於該光二極體的儲存期間之傳輸期間成為導通，並使儲存於該光二極體之電荷傳輸至浮動區域而儲存於浮動區域；該儲存電晶體，在該傳輸期間之後的期間成為導通，並使儲存於該儲存電容器元件之電荷與儲存於該浮動區域之電荷混合；在取得該混合前即儲存於該浮動區域之電荷的同時，取得在該混合後才混合之電荷。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝像裝置，更包含增幅電晶體；該增幅電晶體連接於該浮動區域；且該增幅電晶體，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，使儲存於該光二極體而傳輸至該浮動區域的電荷增幅變換為電壓信號，接著，在該儲存電晶體為導通之狀態下，使混合傳輸至該浮動區域的電荷與從該光二極體溢出之儲存於該儲存電容器元件的電荷之電荷，增幅變換為電壓信號。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之固態攝像裝置，其中，一畫素中至少包含該光二極體、該傳輸電晶體、該儲存電容 器元件、該儲存電晶體及該溢流閘極；該畫素係由複數個匯集成一維或二維之陣列狀。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之固態攝像裝置，更包含重設電晶體；該重設電晶體中，該各畫素在該儲存電晶體為斷開之狀態下，排出該浮動區域之電荷，且在該儲存電晶體為導通之狀態下，排出該浮動區域及該儲存電容器元件之電荷。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之固態攝像裝置，其中，該重設電晶體，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，排出該浮動區域之電荷，而取得該浮動區域之雜訊電荷；並在該儲存電晶體為導通之狀態下，排出該浮動區域及該儲存電容器元件之電荷而取得該浮動區域及該儲存電容器元件之雜訊電荷。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之固態攝像裝置，更包含選擇電晶體；該選擇電晶體，在連接於該增幅電晶體的同時，連接畫素輸出線，並選擇該各畫素。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝像裝置，其中，該溢流閘極，係由包含閘極電極、源極及汲極之電晶體元件構成。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之固態攝像裝置，其中，構成該溢流閘極之該電晶體元件的源極及汲極，係連接於該光二極體與該儲存電容器元件、該儲存電晶體之連接點，另一方面，該閘極係連接於驅動該電晶體元件之驅動線。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之固態攝像裝置，其中，構成該溢流閘極之該電晶體元件的源極及汲極，係連接於該光二極體與該儲存電容器元件、該儲存電晶體之連接點，另一方面，該閘極係接地。
  10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之固態攝像裝置，其中， 該電晶體元件係由MOS電晶體及接面電晶體中之任一者構成。
  11. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之固態攝像裝置，其中，構成該溢流閘極之該電晶體元件的閾值，係設定為比該傳輸電晶體的閾值更低的值。
  12. 如申請專利範圍第4或5項所述之固態攝像裝置，其中，該重設電晶體，具有：閘極電極，連接於驅動該重設電晶體之驅動線；及源極或汲極，連接於該儲存電晶體與該浮動區域之連接點。
  13. 如申請專利範圍第4或5項所述之固態攝像裝置，其中，該重設電晶體具有：閘極電極，連接於驅動該重設電晶體之驅動線；及源極或汲極，連接於該儲存電晶體與該儲存電容器元件之連接點。
  14. 如申請專利範圍第3項所述之固態攝像裝置，其中，在複數之畫素，分別連接該浮動區域。
  15. 一種光感測器，包含：光二極體，接收光且產生及儲存光電荷；傳輸電晶體，傳輸該光電荷；浮動區域，通過該傳輸電晶體而傳輸該光電荷；儲存電容器元件；儲存電晶體，連接於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；及溢流閘極，連接於該光二極體和該儲存電容器元件、該儲存電晶體的連接部之間；該溢流閘極，使在該光二極體的儲存期間從該光二極體溢出之光電荷傳輸至該儲存電容器元件而儲存至該儲存電容器元件；該傳輸電晶體，在延續於該光二極體的儲存期間之傳輸期間成為導通，並使儲存於該光二極體之電荷傳輸至浮動區域而儲存 於浮動區域；該儲存電晶體，在該傳輸期間之後的期間成為導通，並使儲存於該儲存電容器元件之電荷與儲存於該浮動區域之電荷混合；在取得該混合前即儲存於該浮動區域之電荷的同時，取得在該混合後才混合之電荷。
  16. 一種固態攝像裝置，包含：光二極體，接收光且產生及儲存光電荷；傳輸電晶體，傳輸該光電荷；浮動區域，通過該傳輸電晶體而傳輸該光電荷；儲存電容器元件；儲存電晶體，連接於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；及溢流閘極，連接於該光二極體和該儲存電容器元件、該儲存電晶體的連接部之間；該溢流閘極，使在該光二極體之儲存期間從該光二極體溢出之光電荷傳輸至該儲存電容器元件而儲存於該儲存電容器元件，該傳輸電晶體，在延續於該光二極體的儲存期間之傳輸期間成為導通，並使儲存於該光二極體之電荷傳輸至該浮動區域而儲存於該浮動區域；該儲存電晶體，在該傳輸期間之後的期間成為導通，並使儲存於該儲存電容器元件之電荷與儲存於該浮動區域之電荷混合；在取得該混合前即儲存於該浮動區域之電荷的同時，取得在該混合後才混合之電荷；其中，於一畫素中包含該光二極體、該傳輸電晶體、該儲存電容器元件、該儲存電晶體及該溢流閘極；該畫素係由複數個匯集成一維或二維之陣列狀；在由二或二以上之該畫素組成之各畫素塊，分別設置有各一個該浮動區域。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之固態攝像裝置，更包含增幅電晶 體：該增幅電晶體連接於該浮動區域；且該增幅電晶體，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，使儲存於該光二極體而傳輸至該浮動區域的電荷增幅變換為電壓信號，接著，在該儲存電晶體為導通之狀態下，使混合傳輸至該浮動區域的電荷與從該光二極體溢出之儲存於該儲存電容器元件的電荷之電荷，增幅變換為電壓信號。
  18. 如申請專利範圍第16或17項所述之固態攝像裝置，更包含重設電晶體；該重設電晶體在該儲存電晶體為斷開之狀態下，排出該浮動區域之電荷，且在該儲存電晶體為導通之狀態下，排出該浮動區域及該儲存電容器元件之電荷。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之固態攝像裝置，其中，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，排出該浮動區域之電荷，而取得該浮動區域之雜訊電荷；並在該儲存電晶體為導通之狀態下，排出該浮動區域及該儲存電容器元件之電荷而取得該浮動區域及該儲存電容器元件之雜訊電荷。
  20. 一種固態攝像裝置，包含：光二極體，接收光且產生及儲存光電荷；傳輸電晶體，傳輸該光電荷；浮動區域，通過該傳輸電晶體而傳輸該光電荷；儲存電容器元件；儲存電晶體，連接於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；及溢流閘極，連接於該光二極體和該儲存電容器元件、該儲存電晶體的連接部之間；該溢流閘極，使在該光二極體的儲存期間從該光二極體溢出之光電荷傳輸至該儲存電容器元件而儲存至該儲存電容器元件；該傳輸電晶體，在延續於該光二極體的儲存期間之傳輸期間 成為導通，並使儲存於該光二極體之電荷傳輸至該浮動區域而儲存於該浮動區域；該儲存電晶體，在該傳輸期間之後的期間成為導通，並使儲存於該儲存電容器元件之電荷與儲存於該浮動區域之電荷混合；在取得該混合前即儲存於該浮動區域之電荷的同時，取得在該混合後才混合之電荷；其中，該固態攝像裝置具備如下構成：該溢流閘極，降低該光二極體與該儲存電容器元件之間的電位阻障。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之固態攝像裝置，其中，該溢流閘極，係由接面電晶體構成。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之固態攝像裝置，其中，該接面電晶體之閘極，係與該光二極體之接地的區域連接；該接面電晶體的源極，係連接於該光二極體之陰極；該接面電晶體的汲極，係連接於該儲存電容器元件、該儲存電晶體之連接部。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之固態攝像裝置，其中，該接面電晶體的閘極，係連接於驅動線。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之固態攝像裝置，其中，該溢流閘極包含半導體區域，該半導體區域連接於接面電晶體及該光二極體之接地的區域。
  25. 一種固態攝像裝置，包含：光二極體，接收光且產生及儲存光電荷；傳輸電晶體，傳輸該光電荷；浮動區域，通過該傳輸電晶體而傳輸該光電荷；儲存電容器元件；儲存電晶體，連接於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；及溢流閘極，連接於該光二極體和該儲存電容器元件、該儲存電晶體的連接部之間；該溢流閘極，使在該光二極體的儲存期間從該光二極體溢出 之光電荷傳輸至該儲存電容器元件而儲存至該儲存電容器元件；該傳輸電晶體，在延續於該光二極體的儲存期間之傳輸期間成為導通，並使儲存於該光二極體之電荷傳輸至該浮動區域而儲存於該浮動區域；該儲存電晶體，在該傳輸期間之後的期間成為導通，並使儲存於該儲存電容器元件之電荷與儲存於該浮動區域之電荷混合；在取得該混合前即儲存於該浮動區域之電荷的同時，取得在該混合後才混合之電荷；其中，該溢流閘極，係由場效電晶體構成，且其閾值電壓係設定為比該傳輸電晶體的閾值電壓更低的值。
  26. 一種固態攝像裝置，包含：光二極體，接收光且產生及儲存光電荷；傳輸電晶體，傳輸該光電荷；浮動區域，通過該傳輸電晶體而傳輸該光電荷；儲存電容器元件；儲存電晶體，連接於該浮動區域與該儲存電容器元件之間；及溢流閘極，連接於該光二極體和該儲存電容器元件、該儲存電晶體的連接部之間；該溢流閘極，使在該光二極體的儲存期間從該光二極體溢出之光電荷傳輸至該儲存電容器元件而儲存至該儲存電容器元件；該傳輸電晶體，在延續於該光二極體的儲存期間之傳輸期間成為導通，並使儲存於該光二極體之電荷傳輸至該浮動區域而儲存於該浮動區域；該儲存電晶體，在該傳輸期間之後的期間成為導通，並使儲存於該儲存電容器元件之電荷與儲存於該浮動區域之電荷混合；在取得該混合前即儲存於該浮動區域之電荷的同時，取得在該混合後才混合之電荷；其中，該溢流閘極係由場效電晶體構成，其閾值電壓係設定 為與該傳輸電晶體的閾值電壓相同，且其閘極電壓係設定為與該傳輸電晶體之閘極電壓不同之電位。
  27. 如申請專利範圍第20至26項中任一項所述之固態攝像裝置，更包含增幅電晶體；該增幅電晶體連接於該浮動區域；且該增幅電晶體，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，使儲存於該光二極體而傳輸至該浮動區域的電荷增幅變換為電壓信號，接著，在該儲存電晶體為導通之狀態下，使混合傳輸至該浮動區域的電荷與從該光二極體溢出之儲存於該儲存電容器元件的電荷之電荷，增幅變換為電壓信號。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之固態攝像裝置，其中，一畫素中至少包含該光二極體、該傳輸電晶體、該儲存電容器元件、該儲存電晶體及該溢流閘極；該畫素係由複數個匯集成一維或二維之陣列狀。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之固態攝像裝置，更包含重設電晶體；該重設電晶體，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，排出該浮動區域之電荷，且在該儲存電晶體為導通之狀態下，排出該浮動區域及該儲存電容器元件之電荷。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之固態攝像裝置，其中，在該儲存電晶體為斷開之狀態下，排出該浮動區域的電荷，而取得該浮動區域之雜訊電荷；並在該儲存電晶體為導通之狀態下，排出該浮動區域及該儲存電容器元件之電荷而取得該浮動區域及該儲存電容器元件之雜訊電荷。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之固態攝像裝置，更包含選擇電晶體；該選擇電晶體，連接該增幅電晶體而設置，並用以選擇該畫素。
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