CN87102223A - 固体摄象器 - Google Patents

Abstract

一种固体摄象器包括用于消除光敏阵列的光敏区之间阻抗差异的装置。阻抗差消除装置消除或使各个光敏区的阻抗差值可以忽略以使各个光敏区的转换电荷一致。在实践中，阻抗差消除装置提供一高的电阻足以使各个光敏区之间的阻抗差可以忽略。

Description

概括地说，本发明同利用一种电荷耦合器件（CCD）的一种固体摄象器有关。更明确地说，本发明同使各个象素的图象质量一致的一种固体摄象器有关。

由一种电荷转移器件例如一种电荷耦合器件（下文称为CCD）组成的固体摄象传感器广义地分成帧传递型和行间传递型两类。由于这种包括CCD的固体摄象传感器能够获得一种小型的摄象装置，即一种小型化的体积，操作的功耗低和可靠性高的电视摄象机，这种固体摄象传感器已经引起人们的注意。可是，与上述优点相反，以前推荐的由CCD组成的摄象传感器已经在所谓“图像模糊”和“拖影”的不良现象方面遇到了若干问题。

就行间传递型固体摄象传感器而论，这样一种传感器件包括一种传感和垂直转移部分、一个水平电荷转移部分和一个输出部分。传感和垂直转移部分包括所配置的多个光敏区以形成水平行和垂直列。垂直电荷转移部分是沿着光敏区的每一垂直列配置的，而转移栅极区设置在每个光敏区与对应的其中一个垂直电荷转移部分之间。一个水平电荷转移部分和垂直电荷转移部分相联结。一个输出部分和水平电荷转移部分相联结。在一块公共的半导体衬底上构成传感和垂直转移部分、水平电荷转移部分和输出部分。所配置的光敏区根据其在区中接收到的光产生一信号电荷，并将这个信号电荷储存在其内。为了将储存在光敏区的信号电荷以每个对应于垂直消隐周期的时间间隔转移到垂直电荷转移部分而设置转移栅极区。为了以每个对应于水平消隐周期的时间间隔按照顺序将从光敏区转移来的信号电荷转移到水平电荷转移部分而设置有垂直电荷转移部分。为了在对应于水平视频周期的一段时间内，将从垂直电荷转移部分转移来的电荷以每个对应水平消隐周期的时间间隔转移到输出部分而设置有水平电荷转移部分。另外，为了把根据从水平电荷转移部分转移来的信号电荷自摄象信号输出取出而设置有输出部分。

在以往推荐的利用CCD的行间传递型固体摄象传感器（下文称为行间传递CCD摄象传感器）中，当被光敏区接受的光线穿过光敏区到达位于光敏区下面的半导体衬底的内部时，在半导体衬底内部由此产生一种电荷，这种电荷不按需要地部分流入垂直电荷转移部分而没有成为信号电荷，并且不按需要地通过垂直电荷转移部分的电荷转移作用而转移。这种不按需要地被转移的电荷成为从传感器产生的摄象信号输出量中的噪声分量，它就是在一图象显示装置，例如一显象管根据摄象信号输出量得到的一幅图象上产生一类刺目的白线的原因。至于在图象上产生刺目白线的这种现象叫做拖影，并且是以往推荐的行间传递CCD摄象传感器遇到的而尚未解决的问题之一。

如果高强度的光照射到光敏区，使得产生的电荷高于光敏区的转换电荷量，由于多余载流子不按需要地溢出到其它的光敏区，也可能在重放的图家上发生拖影。为了防止在图象上出现拖影，最好在摄象器中配置所谓的溢漏区。

近年来，沟道截断区已经用作行间传递CCD的光敏区中所产生的多余载流子的溢漏区。由沃尔特爱夫.科索诺基（Walter    F.Kosonocky）所著的，美国电气与电子工程师协会出版社（IEEE    press）1972年出版的《电荷耦合器件：技术和应用》（CHARGE-COUPLED    DEVICES：TECHNOLOGY    AND    APPLICATION）39页上已经说明了含有沟道截断区的CCD结构。在这个公开中，围绕传感和垂直转移部分形成扩散沟道截断区，其中光敏区排列成一种矩阵的形式以构成一光敏阵列。如果产生多余载流子，一种载流子成分，例如电子就泄到半导体衬底的底层，这个底层用作为溢漏区。另一种载流子成分，例如空穴，则转移到沟道区漏走。可是，由于每个光敏区到沟道截断区之间的距离的差异引起的各个光敏区的阻抗差异，这就使对于各个光敏区的载流子泄漏特征有差异，从而使各个光敏区的转换电荷量有差异。由于光敏区的分流程度是依赖于其转换电荷量而定的，因此，由于光敏区不同位置的转换电荷量的差异，在再现图象上各个象素的亮度就变得不同。显然这就降低了再现图象的质量。

本发明的一个目的是提供一种固体摄象器，它的光敏阵列的各个光敏区具有相当一致的转换电荷量。

为了达到上述和其它的目的。根据本发明的一种固体摄象器包括消除一光敏阵列中光敏区之间阻抗差异的装置。阻抗差异消除装置消除或使各个光敏区的阻抗的差值可以忽略以使各个光敏区的转换电荷量一致。

实际上，阻抗差异消除装置提供了一个很高的电阻足以使各个光敏区的阻抗差值可以忽略。

根据本发明的一种情况，一种固体摄象器包括一光传感和垂直转移装置、水平转移装置、泄漏载流子的装置以及为泄漏装置提供电阻的装置。光传感和垂直转移装置包含多个光敏元件，每一个这种光敏元件设计成用于接收光同时对应光的量值产生一种电荷信号，水平转移装置用于接收来自光传感和垂直转移装置的电荷信号并把该电荷信号转移到一输出部分，泄漏载流子的装置用于泄漏产生于光敏和转移装置的每个光敏元件的载流子的装置，为泄漏装置提供电阻的装置，其电阻相对于光敏元件之间的电位差是高到足以消除这种电位差。

从下面给予的描述和关于本发明最佳实施例的附图就会更充分地了解本发明，可是不应把这理解成本发明仅仅限于这些特定的实施例，而只是为了说明和帮助了解。

附图中：

图1是一个根据本发明的固体摄象器的最佳实施例的平面图;

图2是图1的固体摄象器的一个剖面图;

图3是一个根据本发明的固体摄象器另一个实施例的局部平面图;

图4是图3的固体摄象器一种改进型式的局部平面图。

现在参考附图，尤其是参考图1，根据本发明的摄象器的最佳实施例包括一个行间传递型电荷耦合器件（CCD），摄象器通常由一个半导体衬底10，一个传感和垂直转移部分20和一个水平电荷转移部分30组成。半导体衬底10由一基片衬底12，第一区14和第二区16构成。所示的实施例中，基片衬底12是由N型半导体制成的。更实用的基片衬底12是N型硅衬底。用沉积在N型硅衬底上的P⁺型层构成第一区14。用沉积在第一区14上的P^-型或N^-型层构成第二区16。通过外延生长，将第一和第二区沉积在基片衬底12上。利用选择性的扩散和离子注入，第二区16的表面用作半导体衬底10的主表面18。

传感和垂直转移部分20包括多个光敏区22和垂直移位寄存器24。每个光敏区22作为一个象素，即接收光以使其中产生和储存信号电荷的象素。将一定数量的光敏区22以彼此间隔的关系排列并沿毗连的垂直移位寄存器24排成一列。垂直移位寄存器24以每个对应于水平消隐周期的时间间隔接收来自毗连的光敏区的信号电荷并垂直地转移该信号电荷。每一个移位寄存器24和毗连的光敏区22构成一个垂直转移部分26。垂直移位寄存器24和水平电荷转移部分30中的一个水平移位寄存器32毗连以通过它将信号电荷输出到输出部分34。

在所示的实施例中，围绕上述的传感和垂直转移区域20形成一内沟道截断区42。这个内沟道截断区42是一个利用掺杂，例如硼B形成的低杂质浓质区。在实际执行过程中，利用扩散或离子注入，掺入10¹²原子/厘米³数量级的硼作为杂质形成内沟道截断区。通过桥接区域44，内沟道截断区42在其两端和外沟道截断区40相连接。外沟道截断区40包括一个低杂质浓度内区46和一个高杂质浓度外区48。外沟道截断区40的低杂质浓度区46具有和内沟道截断区42相同的组成，并且最好是和内沟道截断区同时形成。另一方面，高杂质浓度区48具有比内沟道截断区更高的杂质浓度。在实践中，通过以10¹⁴原子/厘米³的数量级掺杂，例如硼，形成高杂质浓度区48。高杂质浓度区48是在内沟道截断区42和低杂质浓度区46形成之前形成的。高杂质浓度区48同时形成多个触点50，高杂质浓度区48通过它们和A1接线52相连。通过接线52，将一地电平或一预定电平电位加到这些触点50。因此，触点50用作接线区。

内沟道截断区42和外内沟道截断区40的低杂质浓度区46之间，形成一个电阻器区54。即在内沟道截断区42，低杂质浓度区46和桥接区44限定的区间内形成电阻器区54。较佳的结构是电阻器区54由一种网格结构形成。利用将电阻器区54制成网格结构，可以免除或减轻由于部分电阻器区54损坏而引起的影响。

如图2中的实施例所示，基片衬底12是由N型半导体衬底型成的。借助于掺入P⁺型杂质使第一区14成为P⁺型区而借助于掺入N^-型杂质使第二区16成为N^-型区。在一预定的面积，穿过连带半导体衬底10主表面18的一定深度，利用选择性扩散或离子注入掺入N⁺型杂质在第二区16形成各个光敏区22。每个光敏区22的上表面被相互分离或独立的表面区26所复盖。表面区26具有导电性。类似于光敏区22，在一预定的面积和相当浅的深度，通过选择性扩散或离子注入掺入P⁺型杂质形成各个表面区26。表面区26暴露于半导体衬底10的主表面18之中。形成表面区26会成功地消除了半导体衬底10表面区的晶体缺陷的干扰所造成的噪音。

另一方面，移位寄存器24包括一形成在半导体衬底10主表面18上的垂直电荷转移区28。垂直电荷转移区28和光敏区22相类似，也是通过选择性扩散或离子注入掺入N⁺型杂质形成的。

一个绝缘层60涂复在半导体衬底10的主表面18上。绝缘层可以由-SiO₂层构成。绝缘层60上形成一表面电极62。表面电极62是由一种通过光的透明物质所构成。通过表面电极62，将一已知的固定电位加于传感和垂直转移部分20。

用于垂直移位寄存器24的两相时钟电压被加到所配置的转移电极64上。转移电极64也作为转移栅电极用于把分别毗连的光敏区22的信号电荷转移到对应的电荷转移区28。如从图2中所见到的，每个转移电极64沉积在绝缘层60内，因而和表面电极62电绝缘。

实际上，表面电极62和转移电极64都是由掺杂的单晶硅构成的以提供特别低的接触电阻。

在第二区16还形成沟道截断区40和42。如从图2中会见到的，以低比率掺入P^-型杂质形成内沟道截断区42和外沟道截断区40的低杂质浓度区46。内沟道截断区42同相邻的光敏区22和表面区26邻接。以高比率掺入P⁺型杂质形成高杂质浓度区48。穿过第二区16形成一P型区（未予表示）以在高杂质浓度区48和半导体衬底10的第一区之间实现电的连通。

在以上陈述的结构中，一特定的正电压，例如10V加到基片衬底10上，以使摄象器能够工作。因而在每一个光敏区22产生电子。对应所接收光的量，决定光敏区22所产生的电子数量。如果光敏区22产生的电子数量超过光敏区可能转换的电荷量，并且进一步超过存在于第一区14的一个溢出势垒的数值，多余载流子，即溢出电子被作为一个溢漏区的基片衬底12所吸收。另一方面，另一种载流子即空穴通过内沟道截断区42流走。

如上所述，由于内沟道截断区42通过高电阻的电阻器区54连接到接线区50以和地或电源相连，内沟道截断区42的各个部分的电位相当一致。结果，每一个别的光敏区22和内沟道截断区42之间距离并不会影响内沟道截断区42每一部分的载流子吸收特性。这就能形成光敏区22势阱的深度，因而使各个光敏区的转换电荷量变得均匀。

图3表示根据本发明摄象器的另一个实例。在N型基片衬底和N型半导体衬底72的N^-型表面层之间，以基本上和图2所说明的相类似的方式形成一个P⁺型区70。众所周知，利用在N型基片衬底上外延生长形成P⁺型区70。在接近对应于P⁺型区70中心的位置的上述N^-型表面层上形成一传感和垂直转移部分74。传感和垂直转移部分74的结构本质上同图1和图2中所说明的结构相同，为了避免重复地叙述因而不作详细的说明。在势阱区70内还形成一水平移位寄存器76，其位置接近上述的传感和垂直转移部分74。靠近水平移位寄存器76的一端形成一个输出部分78。输出部分78的位置远离传感和垂直转移部分74。沿着传感和垂直转移部分74的边界形成一沟道截断区75。对于上述的结构，正如参照以前的实施例所讨论的。载流子的一种成分，例如电子，经过P⁺型区70漏到N型基片衬底，而另一种载流子成分，例如空穴，流向沟道截断区75。

在N^-型表面层上还形成第一接地线80，它位于一相对于P⁺型区70的区域。接地线80配置在沟道截断区75并和其相连。第一接地线80大体上围绕传感和垂直转移部分74但在和水平移位寄存器相对的传感和垂直转移部分74的一边留出开口。接地线80经过一电阻器84接到地电平82。

在N^-型表面层上接近水平移位寄存器76处另外形成第二接地线86。如图3所示，第二接地线86大体上沿远离传感和垂直转移部分74一侧的长边和沿远离输出部分78一侧的短边延伸。这个第二接地线86直接接到地电平。

在半导体衬底表面层上靠近输出区域78处形成第三接地线88。第三接地线大体上围绕输出部分78，但使和水平移位寄存器其中一条侧边相对的一侧边部分开口。和上述第二接地线86相似，第三接地线也直接接到电平。

正如会从图3中所见到的，在所示的实施例中，半导体衬底上形成P⁺型区70，同时还配置有90和92部分，其上并没有沉积P⁺型层而是裸露的N型衬底。如从图3中所见，部分90位于第一接地线80和第二接地线86的端部之间以限定一高阻区96。同样，部分92位于第一接地线80和第三接地线88的端部之间，以限定其间的一个高阻区98。用这种结构，第一，第二和第三接地线80，86和88各自利用它们之间所限定的高阻区96和98彼此分离。因此，第二和第三接地线直接和地电平相连接的电位决不会干扰传感和垂直转移部分74。

应该意识到，虽然利用配置部分90和92，所示的实施例形成高阻区96和98，但通过减少沟道截断区的深度以形成高电阻，也可以构成这样的高阻区。通过离子注入掺入合适的杂质以减低电导率，同样可以形成非常高的电阻区即绝缘区。另一方面，电阻器84可以形成在半导体衬底72上，或者插置在地电平82和接地线80之间作为一个外部的附件。

通过设置高阻区和在第一接地线和地电平之间设置电阻器，将不同于地电平电位提供给传感和垂直转移部分。这就使传感和垂直转移部分和直接接地的接地线隔离开来。

利用这种布置，由于传感和垂直转移部分74的各个部分到接地线的距离的差异，它们的电位就变成互不相同。但是，利用高阻区和设置在第一接地线和地电平之间的电阻器的合成电阻来决定所提供的足够的阻抗，传感和垂直转移部分的各个部分的电位差可以相当小以至被忽略。因此，通过调节高阻区和电阻器的电阻，可以使传感和垂直转移部分各个部分的电位保持一致。所以，传感和垂直转移部分中的各个光敏区的转换电荷量变成相当均匀。

实际上，根据传感和垂直转移部分的大小，栅电极氧化层的电容量Cox，施加到电极上的脉冲电平，等等，为保持传感和垂直转移部分各部分电位一致所需的合成电阻会互不相同。可是，在实践中，可以将合成电阻调整在10至100Ω的范围内。

图4表示上述的图3摄象器另一个实施例的一种改进型。在这种改进型式中，以前实施例的第一和第二接地线是整体地制成的，以构成单一的接地线102，和上述的实施例相类似，接地线102通过电阻器84和地电平相连接。第三接地线88同这个接地线102分开，并通过限定高阻区98和100的部分92和94的直接接到地电平。

即使在这种改进型式中，也可以借助于调节高阻区98和100同电阻器84，使传感和垂直转移部分74各部分的电位保持一致。因此，传感和垂直转移部分74的各个光敏区的转换电荷量变成相当均匀。

所以，本发明达到了其所有的目的和寻求的效益。

通过最佳的实施例已揭示了本发明，以便更好地了解本发明，而应该意识到，只要不离开本发明的原则，可以用各种方式实施本发明。因此，应该将本发明理解成包括所示实施例的所有可能的实施方案和改进型式，只要这些实施方案和改进型不离开所附权利要求书中所陈述的本发明的原则，它们就可以加以实施。

Claims (15)

1、一种固体摄象器，其特征在于它包括：

一光传感装置包括多个光敏元件，每个这种光敏元件设计成用于接收光同时对应于光的量值产生一电荷信号；

电荷转移装置用于接收业自上述光传感装置的上述电荷信号，并将上述电荷信号转移到一输出部分；

用于泄漏在上述光传感装置的每个上述光敏元件所产生的载流子的装置。

用于为上述泄漏装置提供一电阻的装置，相对于上述光敏元件之间的电位差它的电阻高到足以消除上述电位差。

2、一种如权利要求1所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述泄漏装置包括一个围绕上述光敏和转移装置形成的沟道截断区。

3、一种如权利要求2所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述沟道截断区和一接线相连，此接线和一电压源相连，该电压源对接线施加一已知的电压。

4、一种如权利要求3所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述已知的电压源将上述地电平的已知电压施加于上述接线。

5、一种如权利要求3所述的固体摄象器，其特征在于：上述沟道截断区包括一第一低阻区和一第二高阻区。

6、一种如权利要求5所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述电阻提供装置包括形成在上述第一低阻区的一个电阻器区。

7、一种如权利要求6所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述接线和上述高阻区相连接。

8、一种如权利要求6所陈述的固体摄象器，其特征在于，将上述电阻区做成为一种网格结构。

9、一种如权利要求3所陈述的固体摄象器，其特征在于，上述电阻提供装置包括一插置在上述接线和上述电压源之间电阻器，上述电压源施加地电平。

10、一种如权利要求9所陈述的固体摄象器，其特征在于，上述电荷转移装置包括一垂直转移装置用于垂直地转移上述光敏元件的上述电荷信号，以及一水平转移装置用于接收经上述垂直转移装置转移的上述电荷信号，并将上述电荷信号水平转移到上述输出部分。

11、一种如权利要求10所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述接线包括一绕上述传感和垂直转移装置延伸的第一接线，一绕上述输出部分延伸的第二接线，以及一绕上述水平转移装置延伸的第三接线，上述第一接线经上述电阻器和上述电压源相连接而上述第二和第三接线直接接地。

12、一种如权利要求11所陈述的固体摄象器，其特征在于：它还包括用于在上述传感和垂直转移装置和上述水平转移装置之间限定一高阻区的装置。

13、一种如权利要求12所陈述的固体摄象器，其特征在于：它还包括用于在上述水平转移装置和上述输出部分之间限定一高阻区的装置。

14、一种如权利要求10所陈述的固体摄象器，其特征在于：上述接线包括一绕上述传感和垂直转移装置和上述水平转移装置延伸的第一接线，以及一绕上述输出部分延伸的第二接线，上述第一接线经上述电阻器和上述电压源相连接，而上述第二接线直接接地。

15、一种如权利要求14所陈述的固体摄象器，其特征在于：它还包括用于在上述传感和垂直转移装置和上述输出部分之间限定一高阻区的装置。

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