CN101232034B - 固体摄像装置和照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体摄像装置和照相机，与以往的放大型固体摄像装置相比较，低噪声、高增益而且高灵敏度，该固体摄像装置排列了多个像素，每个像素至少包括：光电二极管，用于存储由入射光产生的信号电荷；和放大用MOS晶体管，在栅极电极接受该信号电荷，放大该信号电荷并输出放大后的信号，其中：该放大用MOS晶体管具有第1导电类型的源以及漏，该源以及漏形成在与该放大用MOS晶体管的源以及漏相同导电类型的第一半导体区中，该第一半导体区中的杂质浓度比该源以及漏低，与该第1导电类型相反的第2导电类型的第2半导体区至少形成在该放大用MOS晶体管的栅极的下部。
Description
本申请是申请日为2004年8月5日、申请号为200410056239.7，发明名称为“固体摄像装置以及使用了固体摄像装置的照相机”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及固体摄像装置以及具备固体摄像装置的照相机。
背景技术
以往，作为固体摄像装置由于其SN比高因而广泛使用CCD。而另一方面，也正在进行以耗电少或者使用方便性良好为长处的所谓放大型固体摄像装置的开发。所谓放大型固体摄像装置是把存储在光电二极管中的信号电荷导向像素中具备的晶体管的控制电极，从上述晶体管的主电极放大并输出与信号电荷量相对应的输出。特别是，作为晶体管使用了MOS晶体管的所谓CMOS传感器与CMOS工艺的匹配性良好，能够把驱动电路和信号处理电路形成在一个芯片上，因此在开发方面特别引起注目。
图5是示出CMOS传感器像素的典型例的电路图，图中，1是单位像素，2是用于存储通过入射光发生的信号电荷的光电二极管，3是输出与信号电荷量相对应的放大信号输出的放大用MOS晶体管，4是接受信号电荷且连接到MOS晶体管3的栅极电极的浮置扩散(以下记为FD)区，5是用于把存储在光电二极管2中的信号电荷传送到FD区4中的MOS晶体管，6是用于把FD区4复位的MOS晶体管，7是用于选择输出像素的MOS晶体管，8是用于在MOS晶体管5的栅极上施加脉冲并控制电荷传送动作的控制线，9是用于在MOS晶体管6的栅极上施加脉冲并控制复位动作的控制线，10是用于在MOS晶体管7的栅极上施加脉冲并控制选择动作的控制线，11是电源布线，连接到放大用MOS晶体管3的漏以及复位用MOS晶体管6的漏，为它们提供电源电位。12是输出所选择的像素的放大信号的输出线，13是作为恒流源动作，与放大用MOS晶体管3协同构成源跟随器的MOS晶体管，14是在MOS晶体管13的栅极电极上供给电位使得MOS晶体管13进行恒流动作的布线。把上述的像素1二维矩阵形地排列形成二维固体摄像装置的像素区，而在其矩阵结构中，输出线12成为各列像素的共用线，控制线8、9、10分别成为各行像素的共用线，只有由控制线10选择的行像素信号输出到输出线12上。
其次，简单地说明像素的动作。对于通过控制线10选择用MOS晶体管成为ON状态的行像素，首先在控制线9上施加脉冲，把FD区4复位。由于放大用MOS晶体管3和恒流MOS晶体管13形成源跟随器，因此在输出线12上出现与复位电位相对应的输出电位。接着，如果通过在控制线8上施加脉冲，存储在光电二极管中的信号电荷传送到FD区4，则FD区4的电位改变与该信号电荷量相对应的电压分量，在输出线12上也出现其电位变化部分。在输出线12上出现的复位电位由于包含了放大用MOS晶体管3的阈值电压值分散量以及把FD区4复位时的复位噪声等噪声，因此与信号电荷量相对应的电位变化部分是不包括噪声的信号。在二维CMOS传感器中，去除该噪声而仅取出信号的读出电路连接到输出线12上。在该读出电路中，提出了通过箝位电路去除上述噪声，以及分别保持噪声与噪声+纯信号，通过分别在水平扫描的读出时导入最末级的差分放大器来去除噪声等若干种结构，而由于与本发明没有直接的关系因此省略详细的说明。
其次，图6中示出像素的光电二极管和放大用MOS晶体管的部分剖面构造。图中，15是N型半导体衬底，16是P型阱，17是在阱16中形成的N型半导体区，用16和17构成光电二极管，在区域17中存储通过入射光发生的信号电子。18以及19是分别形成在阱16中、成为放大用MOS晶体管3的漏和源的N型半导体区，20是放大用MOS晶体管3的栅极电极，21是通称LOCOS的用于元件分离的厚氧化膜，22是位于LOCOS21的正下方与阱16相同导电类型的P型半导体层的沟道截断环，11是连接到漏18的漏布线，23是连接到源19的源布线。设定区域17中的N型的杂质浓度使得存储在区域17中的信号电子在传送动作时传送到FD4中，传送以后区域17立刻耗尽。
另外，在日本公开专利2000-150848号公报的图7中，公开了从n型衬底以预定的深度形成P型埋入层，在其上侧的n型衬底上形成了光电变换部分的固体摄像装置。
然而，在上述以往的CMOS传感器中，存在着从放大用MOS晶体管3发生所谓的1/f噪声，传感器的噪声增大的问题。另外，放大用MOS晶体管3一般作为源跟随器动作，但是由于阱16的电位被固定为恒定值，因此根据反向栅极偏置效应，存在源跟随器动作时的增益降低，信号减小的问题。进而，在光电二极管下方发生的信号电子不一定限于被光电二极管吸收，还以某种概率被FD部分4或者像素内的MOS晶体管3、6、7的N型源漏区吸收。这样，存在着信号电子被光电二极管以外的元件吸收而灵敏度降低的问题。
另外，在日本公开专利2000-150848号公报中公开的像素构造中，设置在像素内的放大用MOS晶体管由于形成在与放大用MOS晶体管源、漏相反导电类型的阱内，因此不能够像本发明这样使形成沟道的区域的下方耗尽，不能够充分减小衬底偏置效应。从而，存在着由于不能够使1/f噪声充分小，因此不能够提高源跟随器动作的增益的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供与以往的放大型固体摄像装置相比较低噪声、高增益而且高灵敏度的放大型固体摄像装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种固体摄像装置，排列了多个像素，每个像素至少包括：光电二极管，用于存储由入射光产生的信号电荷；和放大用MOS晶体管，在栅极电极接受该信号电荷，放大该信号电荷并输出放大后的信号，其中：该放大用MOS晶体管具有第1导电类型的源以及漏，该源以及漏形成在与该放大用MOS晶体管的源以及漏相同导电类型的第一半导体区中，该第一半导体区中的杂质浓度比该源以及漏低，与该第1导电类型相反的第2导电类型的第2半导体区至少形成在该放大用MOS晶体管的栅极的下部。
本发明还提供一种照相机，包括上述的固体摄像装置。
为解决以上所述的以往的CMOS传感器的问题，本发明的CMOS传感器像素的结构的特征是具备用于存储通过入射光发生的信号电荷光电二极管和在控制电极接受信号电荷进行放大输出的放大用MOS晶体管，放大用MOS晶体管形成在与放大用MOS晶体管的源以及漏相同导电类型的第1导电类型而且杂质浓度比该源以及漏低的第1半导体层中，在放大用MOS晶体管的放大动作时，配置在该源以及漏之间的该第1半导体层耗尽。
进而，本发明的CMOS传感器像素的结构的特征是在半导体的深的位置形成第1P型层，在其上面形成杂质浓度薄的第1N型半导体，在该N型半导体中形成存储信号电子的第2N型半导体层和构成像素的N型MOS晶体管，形成第2P型半导体层使得覆盖至少位于比该N型MOS晶体管的源、漏部分深的位置的该N型MOS晶体管的栅极。
这时，至少放大用MOS晶体管的栅极正下方的半导体由上述第1N型半导体或者导入到该栅极正下方的半导体界面附近的第3N型半导体与上述第1N型半导体形成，到达第2P型半导体。在上述放大用MOS晶体管的沟道与上述第2P型半导体层之间具有上述第1杂质浓度薄的N型半导体层，放大用MOS晶体管作为源跟随器动作，源电位在对于P型半导体层电位施加了反向偏置时耗尽。通过存在具有这种宽度的耗尽层，减小上述放大用MOS晶体管的沟道与上述第2P型半导体层之间的电容，因此能够把由衬底偏置效应引起上述放大用MOS晶体管的阈值电压的变动抑制为很小，能够抑制源跟随器动作时的增益下降。另外，由于衬底偏置效应小，因此把沿着放大用MOS晶体管的沟道流动的载流子压向界面的效应也减小，能够把在源跟随器动作时发生的1/f噪声抑制得很小。进而，上述第2P型半导体层还起到阻止光电二极管周边的N型MOS晶体管的源、漏吸收通过光发生的信号电子的电位势垒的作用，能够增加被光电二极管吸收的信号电子，提高灵敏度。
如果依据本发明的第1实施形态，则能够提供低噪声、高增益、高灵敏度的CMOS型固体摄像装置。
另外，如果依据本发明的第2实施形态，则在第1实施形态的效果的基础上，还能够提供廉价的CMOS型固体摄像装置。
另外，如果依据本发明的第3实施形态，则能够提供拍摄图像的照相机。
附图说明
图1是用于说明本发明第1实施形态的像素的剖面构造图。
图2是用于说明本发明第1实施形态的像素动作时的电位图。
图3是用于说明本发明第2实施形态的像素的剖面构造图。
图4是示出本发明第3实施形态的静止图像摄像机的结构的框图。
图5是以往的像素的电路图。
图6是以往的像素的剖面构造图。
具体实施方式
第1实施形态
图1是最佳地表现本发明特征的像素一部分的剖面图，示出光电二极管、放大用MOS晶体管和元件分离单元的剖面构造，图中，对于与图5、图6相同的部件标注相同的符号而省略说明。图1中的24是N型阱或者N型衬底15的上层部分。25是位于N衬底15与N层24之间的P型层，光电二极管由N型层24和P型层25形成。N层17的杂质浓度设定为高于N层24的杂质浓度，信号电子集中在17中。26是位于像素内N型MOS晶体管的至少栅极部分的正下方，形成在比源、漏深的位置的P型半导体层，27是形成在放大用MOS晶体管3的沟道部分中杂质浓度比24高的N型半导体层。另外，P型半导体层26为了把形成光电二极管的N型半导体24与像素内N型MOS晶体管源、漏进行电分离，也形成在上述源、漏区的至少一部分的正下方。
下面使用图2说明图1那样的像素构造中的放大用MOS晶体管3的动作时的电位状况。图2示出包括放大用MOS晶体管3的栅极的深度方向的电位，横向是深度方向，纵向是电位，电位高的一方位于下侧。示出各位置的号码与图1中的号码相同，28是栅极氧化膜。当MOS晶体管3进行源跟随器动作时，不受栅极氧化膜28内的固定电荷的影响，构成MOS晶体管3的各部分的电位按照电位高的顺序成为漏18，源19，P型半导体层26，而如果是源电位比栅极电位高的状态，则由于载流子流过的沟道部分的电位也比栅极高，因此如图2所示，沟道部分中的最高电位出现在从硅界面稍稍进入到硅内部的位置，形成所谓的埋入沟道。沟道27与P型半导体层26是反偏置状态，在本发明中，26与27之间的杂质浓度低的N型半导体层24耗尽。因此，与沟道形成在P型半导体层内时相比较，由于能够很小地形成与沟道-P型半导体衬底即图2中的沟道-P型半导体层26之间的电容，因而充分地减小衬底偏置效应，即使施加上述那样的反向偏置也能够减小把沟道中的电子压向界面一侧的效应，能够实现图2所示的埋入沟道状态。
如果举出具体的构造例，则N型硅半导体区24的杂质浓度是1015/cm3，放大用MOS晶体管3的漏18、源19的结深度是0.4μm，P型半导体层26形成为界面一侧的结深度从半导体界面算起为1.0μm的位置且杂质浓度的峰值为深度1.2μm的位置，N型半导体层27以杂质浓度2×1016/cm3，结深度0.2μm形成，用硅氧化膜形成的栅极氧化膜为
。在P型半导体层26为电位0V，MOS晶体管3进行源跟随器动作时，如果源电位大于等于1V，则形成沟道的N型半导体层27与P型半导体层26之间的半导体区24耗尽。这时，N型半导体层27与P型半导体层26之间的电容对于栅极氧化膜电容成为1/17左右，可以忽略。其次，假设不考虑栅极氧化膜中的固定电荷，则N型半导体层27在对于栅极20的电位大约高1V的时刻耗尽。从而，在形成于N型半导体层27上的沟道中流过电流的源跟随器动作中，例如，源电位对于栅极20的电位保持高0.7V的状态。这时所形成的沟道位于从硅界面到内部的N型半导体层27中。如果栅极20的电位大于等于0.3V，则源电位大于等于1V，由于形成沟道的N型半导体层27与P型半导体层26之间的半导体区24成为耗尽了的状态，因此反向栅极偏置效应的影响减小，即使栅极20的电位变动，与沟道电位的相对关系，即沟道的深度也几乎不受影响，实现了源跟随器动作。
在这种埋入沟道MOS晶体管中，由于把对于沟道电子的界面存在的陷阱的影响抑制得很小，因此与表面沟道MOS晶体管相比较能够降低1/f噪声。另外，放大用MOS晶体管的阈值电位由于反向栅极效应小，因此源电位依赖性减小，提高了源跟随器动作时的增益。进而，由于通过把P型半导体层26也形成在像素内MOS晶体管的源、漏的下部分中，起到对于由入射光在P型半导体层24中发生的信号电子的电位势垒作用，因此阻止信号电子被上述MOS晶体管的源、漏吸收。从而，光生电子被光电二极管部分的电子存储层17吸收的概率升高，能够提高灵敏度。由此，与以往CMOS型固体摄像装置相比较，能够提供低噪声、高增益、高灵敏度的CMOS型固体摄像装置。
第2实施形态
图3是用于说明本发明第2实施形态的像素的剖面图。图中，对于与图1相同的部件标注相同的号码，而图3中没有图1中的N型半导体层27。从而，在进行源跟随器动作时，形成在放大用MOS晶体管中的沟道的埋入程度比第1实施形态弱，接近表面沟道，但是，由于没有向沟道部分中导入杂质离子，因此减少了成为1/f噪声的原因的沟道以及硅界面中的缺陷。另外，衬底偏置效应这一点与第1实施形态相同。由此，与形成在P型半导体层中的通常构造的N型MOS晶体管相比较，1/f噪声小，源跟随器动作的增益高。光电二极管的灵敏度高这一点与第1实施形态相同，但是由于没有形成N型半导体层27的工艺过程，因此能够更廉价地提供应用了本实施形态的CMOS型固体摄像装置。
关于以上第1以及第2实施形态中的放大用MOS晶体管以外的MOS晶体管，既可以采用在从栅极正下方的硅界面到P型半导体层26的N型半导体层24中，导入了用于提高源、漏之间的耐压的P型半导体层的构造，也可以是与放大用MOS晶体管相同的构造。另外，第1以及第2实施形态中的P型半导体层26形成为一层，而也可以是在P型半导体层25与P半导体层26之间形成单层或者多层的P型半导体层，进一步增强P型半导体层25与P型半导体层26的电导通的构造。另外，也可以是使用在存储信号电子N型层17的半导体界面部分中形成P型半导体层的所谓埋入光电二极管的构造。
另外，也可以是把上述本发明的说明中的N型、P型的极性全部反转了的构造。
第3实施形态
根据图4详细地叙述把本发明的固体摄像装置适用于静止图像摄像机时的一个实施形态。
图4是示出把本发明的固体摄像装置适用于「静止图像摄像机」时的框图。
图4中101是兼作透镜保护和主开关的挡板，102是使被拍摄物体的光学图像在固体摄像元件(固体摄像装置)104上成像的透镜，103是用于使通过透镜102的光量可变的光圈，104是把用透镜102成像了的被拍摄物体作为图像信号取入的固体摄像元件，106是进行从固体摄像元件104输出的图像信号的模-数变换的A/D变换器，107是在从A/D变换器6输出的图像数据中进行各种修正或者压缩数据的信号处理单元，108是向固体摄像元件104、摄像信号处理电路105、A/D变换器106、信号处理单元107输出各种定时信号的定时发生单元，109是进行各种运算和控制静止图像摄像机整体的整体控制·运算单元，110是用于暂时存储图像数据的存储单元，111是用于在记录媒体上进行记录或者读出的接口单元，112是用于进行图像数据的记录或者读出的半导体存储器等可装卸的记录媒体，113是用于与外部计算机等进行通信的接口单元。
其次，说明上述结构中的摄像时的静止图像摄像机的动作。
打开挡板101接通主电源，接着接通控制系统的电源，进而，接通A/D变换器106等摄像系统电路的电源。
然后，为了控制曝光量，整体控制·运算单元109使光圈103开放，从固体摄像元件104输出的信号在A/D变换器106中变换了以后，输入到信号处理单元107。
根据该数据由总体控制·运算单元109进行曝光的运算。
根据进行了该测光的结果判断亮度，根据其结果，整体控制·运算单元109控制光圈。
接着，根据从固体摄像元件104输出的信号，由整体控制·运算单元109取出高频成分，运算至被拍摄物体的距离。然后，驱动透镜判断是否聚焦，在判断为没有聚焦时再次驱动透镜进行测距。
而且，在确认了聚焦以后开始本次曝光。
如果结束曝光，则从固体摄像元件104输出的图像信号由A/D变换器106进行A/D变换，通过信号处理单元107，由整体控制·运算单元109写入到存储单元中。
然后，存储在存储单元110中的数据根整体控制·运算单元109的控制，通过记录媒体控制I/F单元记录到半导体存储器等可装卸的记录媒体112中。
另外，也可以通过外部I/F单元113直接输入到计算机等中进行图像的加工。
本发明能够在拍摄图像的照相机中使用。
Claims (5)
1.一种固体摄像装置，排列了多个像素，每个像素至少包括：
光电二极管，用于存储由入射光产生的信号电荷；和
放大用MOS晶体管，在栅极电极接受该信号电荷，放大该信号电荷并输出放大后的信号，
其中：
该放大用MOS晶体管具有第1导电类型的源以及漏，该源以及漏形成在与该放大用MOS晶体管的源以及漏相同导电类型的第一半导体区中，该第一半导体区中的杂质浓度比该源以及漏低，与该第1导电类型相反的第2导电类型的第2半导体区至少形成在该放大用MOS晶体管的栅极的下部。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：
在该放大用MOS晶体管的沟道区与该第2半导体区之间的第1半导体区至少在驱动该放大用MOS晶体管来进行放大动作的期间耗尽。
3.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：
该光电二极管包括：位于像素区上方、该第2半导体区下方的第2导电类型的第4半导体区；该第1半导体区；以及形成在该第1半导体区中而且杂质浓度比第1半导体区高的第1导电类型的第5半导体区。
4.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：
该光电二极管通过该第2半导体区与该放大用MOS晶体管的源以及漏电分离。
5.一种照相机，包括权利要求1所述的固体摄像装置。
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