專利名稱：固態(tài)成像設(shè)備和照相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像設(shè)備和照相機(jī)，并且具體地涉及背照式固態(tài)成像設(shè)備和具有該固態(tài)成像設(shè)備的照相機(jī)。
背景技術(shù)：
作為一種固態(tài)成像設(shè)備，使用作為IC制造中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管的圖像傳感器(在下文中被稱為MOS型固態(tài)成像設(shè)備)已變得廣為使用。MOS型固態(tài)成像設(shè)備的優(yōu)勢在于它可以不像CCD(電荷耦合器件)那樣需要高驅(qū)動電壓并且它可以通過與外圍電路集成來縮小尺寸。
MOS型固態(tài)成像設(shè)備通常包括諸如放大晶體管這樣的讀出電路，其與接收光并將光變換為電荷的每個(gè)傳感器(光電二極管)相對應(yīng)。在MOS型固態(tài)成像設(shè)備中，讀出電路和布線被布置在光入射側(cè)。具有被布置在光入射側(cè)的讀出電路和布線的固態(tài)成像設(shè)備被稱為前照式固態(tài)成像設(shè)備。
已知存在這樣一種MOS型固態(tài)成像設(shè)備，其具有所謂的多像素共享結(jié)構(gòu)，就是說，其被配置為使得多個(gè)傳感器共享一個(gè)讀出電路以進(jìn)一步縮小用于讀出電路的空間并增大一個(gè)像素中的傳感器面積。例如，已經(jīng)提議了一種具有二像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像設(shè)備，其中為每兩個(gè)像素提供一個(gè)讀出電路(見JP-A-2005-150492)，并提議了一種具有四像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像設(shè)備，其中為每四個(gè)像素提供一個(gè)讀出電路(見JP-A-2004-15298)。
另一方面，已經(jīng)提議了一種其中讀出電路和布線被布置在光入射側(cè)的對側(cè)的背照式固態(tài)成像設(shè)備，作為用于避免光阻布線并增大傳感器面積的技術(shù)(見JP-A-2003-31785)。
發(fā)明內(nèi)容
然而，在具有多像素共享結(jié)構(gòu)的前照式固態(tài)成像設(shè)備中，形成讀出電路的晶體管由于布局限制而無法被放置在一起，而需要被互相分開放置。這不合需要地在像素周圍造成了額外空間。
部分地?cái)U(kuò)展光電二極管的面積以有效使用該額外空間的做法造成了每個(gè)光電二極管的形狀不一致，從而引起了像素到像素的靈敏度變化。
另一方面，背照型具有更少的布局限制，從而使得多像素共享結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢可以被盡可能地利用到極致。然而，事實(shí)是，迄今為止，幾乎沒有提議被作出來對具有多像素共享結(jié)構(gòu)的背照式固態(tài)成像設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明是考慮到以上情況而作出的，并且期望提供一種具有多像素共享結(jié)構(gòu)的背照式固態(tài)成像設(shè)備，其布局可以使像素中的傳感器面積最大化。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種固態(tài)成像設(shè)備，其包括基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換的多個(gè)傳感器，以及被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬喜碜运龆鄠€(gè)傳感器的信號進(jìn)行處理的讀出電路，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)。所述讀出電路包括多個(gè)晶體管并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種固態(tài)成像設(shè)備，其包括多個(gè)傳感器，基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換；浮動擴(kuò)散體，來自所述多個(gè)傳感器的信號被傳送到該浮動擴(kuò)散體；傳輸門，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬希⑶冶徊贾迷谒龈訑U(kuò)散體與所述傳感器之間，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)；以及讀出電路，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬喜⑶沂菍?yīng)于一個(gè)或多個(gè)所述浮動擴(kuò)散體來布置的。所述讀出電路包括復(fù)位晶體管和放大晶體管，并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種固態(tài)成像設(shè)備，其包括多個(gè)傳感器，基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換；浮動擴(kuò)散體，來自所述多個(gè)傳感器的信號被傳送到該浮動擴(kuò)散體；傳輸門，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬?，并且被布置在所述浮動擴(kuò)散體與所述傳感器之間，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)；以及讀出電路，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬喜⑶沂菍?yīng)于一個(gè)或多個(gè)所述浮動擴(kuò)散體來布置的。所述讀出電路包括復(fù)位晶體管、放大晶體管和選擇晶體管，并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種照相機(jī)，其包括固態(tài)成像設(shè)備、將入射光指引到所述固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的光學(xué)系統(tǒng)，以及對來自所述固態(tài)成像設(shè)備的輸出信號進(jìn)行處理的信號處理電路。所述固態(tài)成像設(shè)備包括基于像素被形成在基板上并對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換的多個(gè)傳感器，以及被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬喜碜运龆鄠€(gè)傳感器的信號進(jìn)行處理的讀出電路，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)。所述讀出電路包括多個(gè)晶體管，并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
在本發(fā)明中，通過利用多像素共享結(jié)構(gòu)可以減少讀出電路的數(shù)目，并且通過使形成讀出電路的晶體管對齊可以使除傳感器之外的額外空間最小化。結(jié)果，像素中的傳感器的面積可以被最大化。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有多像素共享結(jié)構(gòu)的背照式固態(tài)成像設(shè)備可以使傳感器的面積最大化。
圖1是根據(jù)第一到第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的示意性框圖；圖2是根據(jù)第一到第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的示意性橫截面圖；圖3是根據(jù)第一和第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的電路圖；圖4示出了當(dāng)在根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供多晶硅電極層時(shí)的布局；圖5示出了根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中的第一金屬布線層的布局；圖6示出了根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中的第二金屬布線層的布局；圖7示出了根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備被應(yīng)用到的照相機(jī)的示意性框圖；圖8示出了當(dāng)在根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供多晶硅電極層時(shí)的布局；圖9示出了當(dāng)在根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供第一金屬布線(M1)層時(shí)的布局；圖10示出了當(dāng)在根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供第二金屬布線(M2)層時(shí)的布局；圖11示出了當(dāng)在根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供多晶硅電極層時(shí)的布局；圖12示出了當(dāng)在根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供第一金屬布線(M1)層時(shí)的布局；圖13示出了當(dāng)在根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供第二金屬布線(M2)層時(shí)的布局；圖14示出了當(dāng)在根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件中提供第三金屬布線層時(shí)的布局。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例將參照附圖來描述。
第一實(shí)施例圖1示出了根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的示意性框圖。
該固態(tài)成像設(shè)備包括被安裝在同一半導(dǎo)體基板上的像素組件11和外圍電路。在本實(shí)施例中，外圍電路包括垂直選擇電路12、S/H(采樣和保持)CDS(相關(guān)雙采樣)電路13、水平選擇電路14、定時(shí)發(fā)生器(TG)15、AGC(自動增益控制)電路16、A/D轉(zhuǎn)換電路17和數(shù)字放大器18。
像素組件11具有稍后要描述的以矩陣方式排列的許多單元像素、基于行的地址線(像素選擇線)等和基于列的信號線等。
垂直選擇電路12基于行來順序選擇像素并且經(jīng)由信號線將來自基于像素行的每個(gè)像素的信號讀出到S/H CDS電路13。S/H CDS電路13對從每個(gè)像素行讀出的像素信號提供諸如CDS這樣的信號處理。
水平選擇電路14順序取回保持在S/H CDS電路13中的像素信號并將它們輸出到AGC電路16。AGC電路16以適當(dāng)?shù)脑鲆鎸乃竭x擇電路14輸入的信號進(jìn)行放大并將其輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路17。
A/D轉(zhuǎn)換電路17將從AGC電路16輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將其輸出到數(shù)字放大器18。數(shù)字放大器18對從A/D轉(zhuǎn)換電路17輸入的數(shù)字信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟛⑵鋸纳院笠枋龅暮副P(端子)輸出。
垂直選擇電路12、S/H CDS電路13、水平選擇電路14、AGC電路16、A/D轉(zhuǎn)換電路17和數(shù)字放大器18的操作是基于從定時(shí)發(fā)生器(TG)15輸出的各種定時(shí)信號來執(zhí)行的。
圖2是固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的示意性橫截面圖。
基板20例如由例如P型硅制成。由例如氧化硅制成的元件分隔絕緣體20a被形成在基板20的除活動區(qū)域之外的部分中。各自形成一個(gè)單元像素的多個(gè)光電二極管30(傳感器)被形成在基板20的活動區(qū)域中。n型區(qū)域被形成在光電二極管30的區(qū)域中。更具體地說，光電二極管30是由n型區(qū)域與周圍的p型區(qū)域之間的pn結(jié)形成的?；?0的厚度薄到足以允許光從背側(cè)(第一表面?zhèn)?進(jìn)入。取決于固態(tài)成像設(shè)備類型的基板20的厚度對于可見光而言是2到6微米，而對于紅外光而言是6到10微米。
浮動擴(kuò)散體(floating diffusion)FD和形成讀出電路的各個(gè)晶體管的源極或漏極被形成在基板20的活動區(qū)域中。傳輸門40和形成讀出電路的各個(gè)晶體管的柵極經(jīng)由由氧化硅制成的柵極絕緣膜21被形成在基板20的第二表面?zhèn)?。這些柵極由例如多晶硅制成。在形成讀出電路的晶體管中，只有復(fù)位晶體管53被圖示在圖2中。
布線層22被形成在傳輸門40和其他晶體管之上。布線層22包括由例如氧化硅制成的夾層絕緣膜22a，還包括被嵌入在夾層絕緣膜22a中的第一金屬布線線路M1和第二金屬布線線路M2。金屬布線線路M1和M2是由鋁或銅制成的。在本實(shí)施例中，雖然將描述兩層金屬布線的示例，但是金屬布線可以由三層或更多層形成。
支撐基板23經(jīng)由粘合層(未示出)被提供在布線層22上。支撐基板23被提供是為了加強(qiáng)基板20的強(qiáng)度。支撐基板23是由例如硅基板形成的。
氧化硅膜24被形成在基板20的第一表面?zhèn)壬?，并且光阻?5被形成在氧化硅膜24上，所述光阻膜25具有與光電二極管30相對應(yīng)的孔。光阻膜25是由例如鋁膜形成的。當(dāng)基板20足夠吸收入射光時(shí)，可以不在像素組件中提供光阻膜。
氮化硅膜26被形成在氧化硅膜24和光阻膜25上。只傳輸具有特定波長范圍的光的色彩過濾器27被形成在氮化硅膜26上。將入射光聚焦在光電二極管30上的片上(on-chip)透鏡28被形成在色彩過濾器27上。
圖3示出了像素組件11的電路配置的一個(gè)示例。圖3是四個(gè)像素共享一個(gè)讀出電路50的四像素共享結(jié)構(gòu)的電路圖。
在本實(shí)施例中，為四個(gè)光電二極管31到34提供了一個(gè)讀出電路50。就是說，一個(gè)讀出電路50將信號從四個(gè)光電二極管31到34讀出到信號線72。讀出電路50包括放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53。
光電二極管31到34根據(jù)入射光的量將入射光光電變換為電荷(在本實(shí)施例中為電子)。傳輸門41到44被分別提供在光電二極管31到34與浮動擴(kuò)散體FD之間。
更具體的說，如稍后所描述，浮動擴(kuò)散體FD包括由光電二極管31、32共享的浮動擴(kuò)散體FD1和由光電二極管33、34共享的浮動擴(kuò)散體FD2。因?yàn)楦訑U(kuò)散體FD1和浮動擴(kuò)散體FD2是相連的，所以它們在圖3的電路圖中被簡單地圖示為浮動擴(kuò)散體FD。
像素選擇線61到64被分別連接到傳輸門41到44。例如，當(dāng)選擇信號通過像素選擇線61被施加到傳輸門41時(shí)，在光電二極管31中經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電子被傳送到浮動擴(kuò)散體FD。像素選擇線62到64以類似方式工作。
浮動擴(kuò)散體FD被連接到放大晶體管51的柵極(G)。放大晶體管51和選擇晶體管52被串聯(lián)連接在信號線72與電源線71之間。就是說，放大晶體管51的源極(S)被連接到信號線72。放大晶體管51的漏極(D)被連接到選擇晶體管52的源極。選擇晶體管52的漏極被連接到電源線71。放大晶體管51形成了源極跟隨型放大器。
當(dāng)選擇信號被施加到選擇晶體管52的柵極以接通選擇晶體管52時(shí)，放大晶體管51對浮動擴(kuò)散體FD上的電勢進(jìn)行放大，然后將根據(jù)該電勢的電壓輸出到信號線72。經(jīng)由信號線72從每個(gè)像素輸出的電壓被輸出到S/H CDS電路13。
浮動擴(kuò)散體FD被連接到復(fù)位晶體管53的源極。復(fù)位晶體管53的漏極被連接到電源線71。當(dāng)復(fù)位信號被施加到復(fù)位晶體管53的柵極時(shí)，浮動擴(kuò)散體FD上的電勢被復(fù)位為電源Vdd的電勢。
圖4到6示出了根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的布局。圖6示出了最終布局。在本實(shí)施例中，為了更好的理解而利用三幅圖來分開說明。就是說，圖4示出了當(dāng)多晶硅電極(門電極)層被提供時(shí)的布局。圖5示出了當(dāng)?shù)谝唤饘俨季€層被提供時(shí)的布局。圖6示出了包括第二金屬布線層的最終布局。
將首先參照圖4進(jìn)行描述。光電二極管30是以矩陣方式形成的。在多個(gè)光電二極管30中，布置在垂直方向上的四個(gè)光電二極管31、32、33和34共享一個(gè)讀出電路50。這四個(gè)光電二極管31到34不是垂直對齊的，而是任意兩個(gè)相鄰的光電二極管被布置在不同的列中。
浮動擴(kuò)散體FD1被布置在光電二極管31和與光電二極管31對角布置的光電二極管32之間。傳輸門41被布置在浮動擴(kuò)散體FD1與光電二極管31之間。傳輸門42被布置在浮動擴(kuò)散體FD1與光電二極管32之間。傳輸門41和42是由多晶硅電極形成的。
浮動擴(kuò)散體FD2被布置在光電二極管33和與光電二極管33對角布置的光電二極管34之間。傳輸門43被布置在浮動擴(kuò)散體FD2與光電二極管33之間。傳輸門44被布置在浮動擴(kuò)散體FD2與光電二極管34之間。傳輸門43和44是由多晶硅電極形成的。
讀出電路50被布置在兩個(gè)光電二極管之間的空間中，例如圖中被布置在第二和第三行中的光電二極管之間的空間中。在圖示了兩列光電二極管的圖4中，有兩個(gè)讀出電路50。
形成讀出電路50的放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53是以對齊方式布置。在本實(shí)施例中，放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53共享一個(gè)活動區(qū)域A。復(fù)位晶體管53的漏極(D)和選擇晶體管52的漏極(D)被集成在一起并由這兩個(gè)晶體管共享，并且選擇晶體管52的源極和放大晶體管51的漏極被集成在一起并由這兩個(gè)晶體管共享。放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53的柵極(G)是由多晶硅電極形成的。
第一金屬布線線路M1經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1(見圖5)被布置在圖4所示的布局的上層中。圖5所示的布局現(xiàn)在將被描述。
信號線72是由第一金屬布線線路M1形成的。信號線72在光電二極管30之間的區(qū)域中在列方向上延伸。信號線72蜿蜒延伸使得其不會對連接到浮動擴(kuò)散體FD1和FD2的第一觸點(diǎn)C1產(chǎn)生干擾。信號線72經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1被連接到放大晶體管51的源極。
兩個(gè)浮動擴(kuò)散體FD1和FD2、復(fù)位晶體管53的源極和放大晶體管51的柵極經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1和第一金屬布線線路M1而互相連接。因?yàn)楦訑U(kuò)散體FD1和復(fù)位晶體管53的源極是成對角布置的同時(shí)光電二極管32被布置在兩者之間，所以連接浮動擴(kuò)散體FD1和復(fù)位晶體管53的源極的第一金屬布線線路M1被布置為使得其與光電二極管31重疊。當(dāng)光從布線層的對側(cè)進(jìn)入時(shí)，以與光電二極管重疊的方式布置的第一金屬布線線路M1將不會造成問題。
第一金屬布線線路M1經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1被形成在傳輸門41到44上、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53的柵極上，以及選擇晶體管52的漏極上。形成這些第一金屬布線線路M1是為了和更上層的第二金屬布線線路M2接觸。
第二金屬布線線路M2經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2(見圖6)被布置在圖5所示的布局的上層中。圖6所示的布局現(xiàn)在將被描述。
電源線71和像素選擇線61到64是由第二金屬布線線路M2形成的。電源線71在讀出電路50上的光電二極管之間在行方向(水平方向)上延伸。電源線71經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53的漏極。
像素選擇線61和62在光電二極管31與32之間的空間中在行方向上延伸。像素選擇線61經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門41。像素選擇線62經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門42。
像素選擇線63和64在光電二極管33與34之間的空間中在行方向上延伸。像素選擇線63經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門43。像素選擇線64經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門44。
與電源線71相鄰的兩條第二金屬布線線路M2在光電二極管之間的空間中在行方向上延伸。第二金屬布線線路M2之一經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到在行方向上彼此相鄰的多個(gè)復(fù)位晶體管53的柵極。另一條第二金屬布線線路M2經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到在行方向上彼此相鄰的多個(gè)選擇晶體管52的柵極。
根據(jù)本實(shí)施例的具有多像素共享結(jié)構(gòu)的背照式固態(tài)成像設(shè)備的優(yōu)勢現(xiàn)在將被描述。
在本實(shí)施例中，形成讀出電路50的放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53以對齊的方式被布置在像素之間也就是光電二極管之間的區(qū)域中。讀出電路50的組件因此被放置在一起，以使得光電二極管30之間的額外空間被減少。特別在本實(shí)施例中，放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53共享活動區(qū)域A，從而使得讀出電路50的面積可以被最小化。
此外，當(dāng)浮動擴(kuò)散體FD1、FD2和復(fù)位晶體管53的漏極被連接時(shí)，第一金屬布線線路M1被布置為使得其與光電二極管32重疊，從而允許最小化的布線距離和因此減少的阻抗。在背照型的情況下，這樣與光電二極管30重疊的金屬布線線路將不會阻礙光進(jìn)入光電二極管30。
如上所述，在本實(shí)施例中，通過利用多像素共享結(jié)構(gòu)可以減少讀出電路50的數(shù)目，并且通過使形成讀出電路50的晶體管對齊可以使除光電二極管30之外的額外空間最小化。結(jié)果，一個(gè)像素中的光電二極管30的面積可以被最大化。這些允許了像素的靈敏性增加和飽和輸出的增加以及更小的像素，同時(shí)光學(xué)特性被維持。
當(dāng)具有與相關(guān)技術(shù)相同面積的光電二極管30被使用時(shí)，每個(gè)像素的面積可以被減少，從而使得像素組件的整個(gè)面積可以被減少。此外，在本實(shí)施例中，第一金屬布線線路M1被提供以使得其不在光電二極管30周圍轉(zhuǎn)向而是與光電二極管30重疊，從而允許浮動擴(kuò)散體FD1、FD2與讀出電路50之間的連接的距離更短。結(jié)果，布線阻抗可以被減少，使得信號處理速度可以被提高。另外，線性布置的像素選擇線61到64較之以蜿蜒方式布置的情況可以減少信號衰減。
上述固態(tài)成像設(shè)備將被例如使用在各種照相機(jī)中，例如視頻可攜式照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和內(nèi)窺鏡照相機(jī)。
圖7是使用了上述的固態(tài)成像設(shè)備的照相機(jī)的示意性框圖。
該照相機(jī)包括根據(jù)上面的實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備、光學(xué)系統(tǒng)2和信號處理電路3。
光學(xué)系統(tǒng)2將來自物體的圖像光(入射光)聚焦在固態(tài)成像設(shè)備1的像素組件上。入射光根據(jù)固態(tài)成像設(shè)備1的光電二極管30中的入射光的量被轉(zhuǎn)換為信號電荷，并且這些信號電荷在固定時(shí)段的時(shí)間內(nèi)被積累在光電二極管30中。
信號處理電路3對來自固態(tài)成像設(shè)備1的輸出信號提供各種信號處理，并將經(jīng)處理得到的信號輸出作為圖像信號。
具有根據(jù)上面的實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的照相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)靈敏度的提高。
第二實(shí)施例在第二實(shí)施例中，具有以另一布局布置的四像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像設(shè)備將被描述。
圖8到10示出了根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的布局。圖10示出了最終的布局。在本實(shí)施例中，為了更好的理解而利用三幅圖來分開說明。就是說，圖8示出了當(dāng)多晶硅電極(門電極)層被提供時(shí)的布局。圖9示出了當(dāng)?shù)谝唤饘俨季€層被提供時(shí)的布局。圖10示出了包括第二金屬布線層的最終布局。
將首先參照圖8進(jìn)行描述。光電二極管30是以矩陣方式形成的。在多個(gè)光電二極管30中，在垂直和水平方向上布置的四個(gè)光電二極管31、32、33和34共享一個(gè)讀出電路50。
浮動擴(kuò)散體FD1被布置在光電二極管31和與光電二極管31對角布置的光電二極管32之間。傳輸門41被布置在浮動擴(kuò)散體FD1與光電二極管31之間。傳輸門42被布置在浮動擴(kuò)散體FD1與光電二極管32之間。傳輸門41和42是由多晶硅電極形成的。
浮動擴(kuò)散體FD2被布置在光電二極管33和與光電二極管33對角布置的光電二極管34之間。傳輸門43被布置在浮動擴(kuò)散體FD2與光電二極管33之間。傳輸門44被布置在浮動擴(kuò)散體FD2與光電二極管34之間。傳輸門43和44是由多晶硅電極形成的。
讀出電路50被布置在兩個(gè)光電二極管之間的空間中，例如被布置在第二和第三行中的光電二極管之間的空間中。在本實(shí)施例中，在兩個(gè)光電二極管32和34被互相相鄰布置的空間中，有一個(gè)讀出電路50。
形成讀出電路50的放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53是以對齊的方式布置的。在本實(shí)施例中，放大晶體管51和選擇晶體管52共享一個(gè)活動區(qū)域A。復(fù)位晶體管53被形成在與活動區(qū)域A不同的活動區(qū)域B中。活動區(qū)域A被形成為與光電二極管32和34相鄰。活動區(qū)域B被形成為與光電二極管34相鄰。選擇晶體管52的源極和放大晶體管51的漏極(D)被集成在一起并由這兩個(gè)晶體管共享。放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53的柵極(G)是由多晶硅電極形成的。
第一金屬布線線路M1經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1(見圖9)被布置在圖8所示的布局的上層中。圖9所示的布局現(xiàn)在將被描述。
電源線71和信號線72是由第一金屬布線線路M1形成的。電源線71和信號線72在列方向上延伸以使得它們與光電二極管30重疊。信號線72經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1被連接到放大晶體管51的源極。在本實(shí)施例中，電源線71和信號線72被線性且互相平行地布置。電源線71和信號線72被形成為使得它們中的每一個(gè)都具有比其他第一金屬布線線路M1更寬的寬度。
浮動擴(kuò)散體FD1和放大晶體管51的柵極經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1和第一金屬布線線路M1而互相連接。第一金屬布線線路M1被布置在光電二極管30之間的區(qū)域中。因?yàn)楦訑U(kuò)散體FD1和放大晶體管51的柵極被布置為在列方向上彼此相鄰，所以連接它們的第一金屬布線線路M1可以較短。
浮動擴(kuò)散體FD2和復(fù)位晶體管53的源極經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1和第一金屬布線線路M1而互相連接。因?yàn)楦訑U(kuò)散體FD2和復(fù)位晶體管53的源極被布置為在列方向上彼此相鄰，所以連接它們的第一金屬布線線路M1可以較短。
第一金屬布線線路M1經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1被形成在傳輸門41到44上、選擇晶體管52的柵極和漏極上，以及復(fù)位晶體管53的柵極和漏極上。形成這些第一金屬布線線路M1是為了和更上層的第二金屬布線線路M2相接觸。
第二金屬布線線路M2經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2(見圖10)被布置在圖9所示的布局的上層中。圖10所示的布局現(xiàn)在將被描述。
像素選擇線61到64是由第二金屬布線線路M2形成的。像素選擇線61和62在光電二極管30之間的空間中在行方向上延伸。像素選擇線63和64被分別布置在像素選擇線62和61的對側(cè)，并且按照行方向延伸以使得它們與光電二極管30重疊。
像素選擇線61經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門41。像素選擇線62經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門42。像素選擇線63經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門43。像素選擇線64經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門44。
被布置為與像素選擇線64相鄰的第二金屬布線線路M2連接了被連接到浮動擴(kuò)散體FD1和浮動擴(kuò)散體FD2的兩條第一金屬布線線路M1。結(jié)果，兩個(gè)浮動擴(kuò)散體FD1、FD2，放大晶體管51的柵極，以及復(fù)位晶體管53的漏極被彼此相連。
在讀出電路50上水平延伸的第二金屬布線線路M2經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到電源線71、選擇晶體管52的漏極和復(fù)位晶體管53的漏極。
兩條第二金屬布線線路M2被布置在在讀出電路50上延伸的那條第二金屬布線線路M2的對側(cè)上。第二金屬布線線路M2之一連接了在行方向上彼此相鄰的復(fù)位晶體管53的柵極。另一條第二金屬布線線路M2連接了在行方向上彼此相鄰的選擇晶體管52的柵極。
根據(jù)本實(shí)施例的具有多像素共享結(jié)構(gòu)的背照式固態(tài)成像設(shè)備的優(yōu)勢現(xiàn)在將被描述。
在本實(shí)施例中，形成讀出電路50的放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53也以對齊的方式被布置在像素之間也就是光電二極管之間的區(qū)域中。讀出電路50的組件因此被放置在一起，使得光電二極管30之間的額外空間被減少。
此外，第二金屬布線線路M2被布置為使得其與光電二極管32重疊，以將浮動擴(kuò)散體FD1、FD2，復(fù)位晶體管53的漏極和放大晶體管51的柵極互相連接，從而允許最小化的布線距離和因此減少的阻抗。在背照型的情況下，這樣與光電二極管30重疊的金屬布線線路將不會阻礙光進(jìn)入光電二極管30。
如上所述，在本實(shí)施例中，通過利用多像素共享結(jié)構(gòu)可以減少讀出電路50的數(shù)目，并且通過使形成讀出電路50的晶體管對齊可以使除光電二極管30之外的額外空間最小化。結(jié)果，一個(gè)像素中的光電二極管30的面積可以被最大化。這些允許了像素的靈敏性增加和飽和輸出的增加以及更小的像素，同時(shí)光學(xué)特性被維持。
當(dāng)具有與相關(guān)技術(shù)相同面積的光電二極管30被使用時(shí)，每個(gè)像素的面積可以被減少，從而使得像素組件的整個(gè)面積可以被減少。此外，在本實(shí)施例中，第一金屬布線線路M1被提供以使得其不在光電二極管30周圍轉(zhuǎn)向而是與光電二極管30重疊，從而允許浮動擴(kuò)散體FD1、FD2與讀出電路50之間的連接的距離更短。結(jié)果，布線阻抗可以被減少，從而使得信號處理速度可以被提高。另外，線性布置的像素選擇線61到64較之其以蜿蜒方式布置的情況可以減少信號衰減。
另外，在第二實(shí)施例中，電源線71和信號線72被線性且互相平行地布置，并且被形成為使得它們中的每一個(gè)都具有比同一層中的第一金屬布線線路M1更寬的寬度。這些減少了電壓降和信號衰減。此外，信號線72的減少的阻抗提高了信號處理速度。
第三實(shí)施例在第三實(shí)施例中，具有二像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像設(shè)備將被描述。除光電二極管33、34，傳輸門43、44和像素選擇線63、64被刪除之外，二像素共享結(jié)構(gòu)情況下的像素組件11的電路配置對應(yīng)于圖3所示的電路圖。
圖11到14示出了根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的像素組件的布局。圖14示出了最終布局。在本實(shí)施例中，為了更好的理解而使用了四幅圖分開說明。就是說，圖11示出了當(dāng)多晶硅電極(門電極)層被提供時(shí)的布局。圖12示出了當(dāng)?shù)谝唤饘俨季€層被提供時(shí)的布局。圖13示出了當(dāng)?shù)诙饘俨季€層被提供時(shí)的布局。圖14示出了包括第三金屬布線層的最終布局。
將首先參照圖11進(jìn)行描述。光電二極管30是以矩陣形式形成的。在多個(gè)光電二極管中，在水平方向上布置的兩個(gè)光電二極管31和32共享一個(gè)讀出電路50。
浮動擴(kuò)散體FD1和FD2被形成在光電二極管31與光電二極管32之間的區(qū)域中。傳輸門41被布置在浮動擴(kuò)散體FD1與光電二極管31之間。傳輸門42被布置在浮動擴(kuò)散體FD2與光電二極管32之間。傳輸門41和42是由多晶硅電極形成的。
讀出電路50被布置在兩個(gè)光電二極管31與32之間的空間中。形成讀出電路50的放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53是按照對齊方式布置的。在本實(shí)施例中，放大晶體管51和選擇晶體管52共享一個(gè)活動區(qū)域A。復(fù)位晶體管53被形成在與活動區(qū)域A不同的活動區(qū)域B中。活動區(qū)域A在列方向上延伸。活動區(qū)域B在行方向上延伸。選擇晶體管52的源極和放大晶體管51的漏極(D)被集成在一起并由這兩個(gè)晶體管共享。放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53的柵極(G)是由多晶硅電極形成的。
第一金屬布線線路M1經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1(見圖12)被布置在圖11所示的布局的上層中。圖12所示的布局現(xiàn)在將被描述。
第一金屬布線線路M1之一連接復(fù)位晶體管53的漏極和選擇晶體管52的漏極。另一條第一金屬布線線路M1連接復(fù)位晶體管53的源極、放大晶體管51的柵極和浮動擴(kuò)散體FD1。另一條第一金屬布線線路M1連接浮動擴(kuò)散體FD2和放大晶體管51的柵極。
另一條第一金屬布線線路M1連接了在行方向上布置的多個(gè)復(fù)位晶體管53的柵極。第一金屬布線線路M1經(jīng)由第一觸點(diǎn)C1被連接到傳輸門41、42，選擇晶體管52的柵極和放大晶體管51的源極。形成這些第一金屬布線線路M1是為了和更上層的第二金屬布線線路M2相接觸。
第二金屬布線線路M2經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2(見圖13)被布置在圖12所示的布局的上層中。圖13所示的布局現(xiàn)在將被描述。
電源線71和像素選擇線61和62是由第二金屬布線線路M2形成的。電源線71在行方向上線性延伸以使得其與光電二極管31和32重疊。電源線71經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到連接了復(fù)位晶體管53的漏極和選擇晶體管52的漏極的第一金屬布線線路M1。電源線71被形成為使得其具有比像素選擇線61和62更寬的寬度。
像素選擇線61和62在行方向上延伸以使得它們與光電二極管31和32重疊。像素選擇線61經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到連接到傳輸門41的第一金屬布線線路M1。像素選擇線62經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到傳輸門42。
選擇晶體管52的柵極和放大晶體管51的源極經(jīng)由第二觸點(diǎn)C2被連接到第二金屬布線線路M2。這些第二金屬布線線路M2按需延伸以與更上層中的第三金屬布線線路M3接觸。
第三金屬布線線路M3經(jīng)由第三觸點(diǎn)C3(見圖14)被布置在圖13所示的布局的上層中。圖14所示的布局現(xiàn)在將被描述。
信號線72是由第三金屬布線線路M3形成的。信號線72在列方向上線性延伸以使得其與部分光電二極管31重疊。信號線72被形成為使得其具有與電源線71相似的寬度。信號線72經(jīng)由第三觸點(diǎn)C3被連接到放大晶體管51的源極。
與信號線72相鄰的另一條第三金屬布線線路M3在列方向上線性延伸。該第三金屬布線線路M3經(jīng)由第三觸點(diǎn)C3被連接到在列方向上布置的多個(gè)選擇晶體管52的柵極。
根據(jù)本實(shí)施例的具有多像素共享結(jié)構(gòu)的背照式固態(tài)成像設(shè)備的優(yōu)勢現(xiàn)在將被描述。
在本實(shí)施例中，形成讀出電路50的放大晶體管51、選擇晶體管52和復(fù)位晶體管53也以對齊的方式被布置在像素之間也就是光電二極管31與32之間的區(qū)域中。讀出電路50的組件因此被放置在一起，從而使得光電二極管30之間的額外空間被減少。
此外，在本實(shí)施例中，電源線71和像素選擇線61、62在行方向上延伸以使得它們與光電二極管30重疊。在背照型的情況下，這樣與光電二極管30重疊的金屬布線線路將不會阻礙光進(jìn)入光電二極管30。
如上所述，在本實(shí)施例中，通過利用多像素共享結(jié)構(gòu)可以減少讀出電路50的數(shù)目，并且通過使形成讀出電路50的晶體管對齊可以使除光電二極管30之外的額外空間最小化。結(jié)果，每個(gè)像素中的光電二極管30的面積可以被最大化。這些允許了像素的靈敏性增加和飽和輸出的增加以及更小的像素，同時(shí)光學(xué)特性被維持。
當(dāng)具有與相關(guān)技術(shù)相同面積的光電二極管30被使用時(shí)，每個(gè)像素的面積可以被減少，使得像素組件的整個(gè)面積可以被減少。此外，在本實(shí)施例中，金屬布線線路M1到M3被提供以使得它們不在光電二極管30周圍轉(zhuǎn)向而是與光電二極管30重疊，從而允許用于連接的距離更短。結(jié)果，布線阻抗可以被減少，使得信號處理速度可以被提高。
另外，在第三實(shí)施例中，電源線71和信號線72被線性地布置，并且被形成為使得它們中的每一個(gè)都具有比同一層中的其他金屬布線線路更寬的寬度。這些減少了電壓降和信號衰減。此外，信號線72的減少的阻抗提高了信號處理速度。
本發(fā)明不限于以上實(shí)施例的描述。雖然在這些實(shí)施例中，已通過示例的方式描述了具有二像素共享結(jié)構(gòu)或四像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像設(shè)備，但是本發(fā)明不限于此。雖然已經(jīng)通過示例的方式描述了具有三個(gè)晶體管51到53的讀出電路，但是讀出電路可以具有兩個(gè)晶體管或者四個(gè)或更多的晶體管。除去選擇晶體管52帶來基于二晶體管的讀出電路?？梢詫Σ季€布局進(jìn)行各種改變。
可以進(jìn)行各種其他改變，只要它們不脫離本發(fā)明的精神即可。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，只要當(dāng)處于所附權(quán)利要求書或其等同物的范圍之內(nèi)時(shí)，各種修改、組合、子組合和變化可取決于設(shè)計(jì)要求和其他因素而發(fā)生。
相關(guān)申請的交叉引用本發(fā)明包含與2005年10月21日向日本專利局遞交的日本專利申請JP2005-307636有關(guān)的主題，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像設(shè)備，包括多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換；以及讀出電路，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬?，并且對來自所述多個(gè)傳感器的信號進(jìn)行處理，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)，其中，所述讀出電路包括多個(gè)晶體管，并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括由所述多個(gè)傳感器共享的浮動擴(kuò)散體，其中，所述讀出電路是對應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)所述浮動擴(kuò)散體來布置的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，布線線路中形成所述讀出電路的部分被布置為使得所述部分與所述傳感器重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，形成有所述讀出電路的活動區(qū)域被所述多個(gè)晶體管所共享。
5.一種固態(tài)成像設(shè)備，包括多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換；浮動擴(kuò)散體，來自所述多個(gè)傳感器的信號被傳送到所述浮動擴(kuò)散體；傳輸門，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬?，并且被布置在所述浮動擴(kuò)散體與所述傳感器之間，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)；以及讀出電路，其被形成在所述基板的所述第二表面?zhèn)壬喜⑶沂菍?yīng)于一個(gè)或多個(gè)所述浮動擴(kuò)散體來布置的，其中，所述讀出電路包括復(fù)位晶體管和放大晶體管，并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括在所述晶體管的上層中的多個(gè)布線線路，所述布線線路被連接到所述晶體管和所述傳輸門，其中，所述布線線路的一部分被布置為使得該部分與所述傳感器重疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，形成所述讀出電路的所述復(fù)位晶體管和所述放大晶體管被形成在同一活動區(qū)域中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，所述布線線路中連接所述浮動擴(kuò)散體和所述復(fù)位晶體管的部分被布置為使得所述部分與所述傳感器重疊。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括電源線，其被連接到所述復(fù)位晶體管；以及信號線，其被連接到所述放大晶體管，其中，所述電源線和所述信號線被線性布置為使得它們與所述傳感器重疊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，所述電源線和所述信號線被形成為使得它們中的每一個(gè)都具有比同一層中的其他布線線路更寬的寬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括被連接到所述傳輸門的多個(gè)像素選擇線，其中，所述像素選擇線被線性布置。
12.一種固態(tài)成像設(shè)備，包括多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換；浮動擴(kuò)散體，來自所述多個(gè)傳感器的信號被傳送到所述浮動擴(kuò)散體；傳輸門，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬?，并且被布置在所述浮動擴(kuò)散體與所述傳感器之間，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)；以及讀出電路，其被形成在所述基板的所述第二表面?zhèn)壬喜⑶沂菍?yīng)于一個(gè)或多個(gè)所述浮動擴(kuò)散體來布置的，其中，所述讀出電路包括復(fù)位晶體管、放大晶體管和選擇晶體管并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括在所述晶體管的上層中的多個(gè)布線線路，所述布線線路被連接到所述晶體管和所述傳輸門，其中，所述布線線路的一部分被布置為使得該部分與所述傳感器重疊。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，形成所述讀出電路的所述復(fù)位晶體管、所述放大晶體管和所述選擇晶體管被形成在同一活動區(qū)域中。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，所述布線線路的連接所述浮動擴(kuò)散體和所述復(fù)位晶體管的部分被布置為使得所述部分與所述傳感器重疊。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括電源線，其被連接到所述復(fù)位晶體管和所述選擇晶體管；以及信號線，其被連接到所述放大晶體管，其中，所述電源線和所述信號線被線性布置為使得它們與所述傳感器重疊。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，所述電源線和所述信號線被形成為使得它們中的每一個(gè)都具有比同一層中的其他布線線路更寬的寬度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括被連接到所述傳輸門的多個(gè)像素選擇線，其中，所述像素選擇線被線性布置。
19.一種照相機(jī)，包括固態(tài)成像設(shè)備；光學(xué)系統(tǒng)，其將入射光指引到所述固態(tài)成像設(shè)備的像素組件；以及信號處理電路，其對來自所述固態(tài)成像設(shè)備的輸出信號進(jìn)行處理，所述固態(tài)成像設(shè)備包括多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換；以及讀出電路，其被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬?，并且對來自所述多個(gè)傳感器的信號進(jìn)行處理，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)，其中，所述讀出電路包括多個(gè)晶體管并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像設(shè)備。所述固態(tài)成像設(shè)備包括基于像素被形成在基板上并且對從所述基板的第一表面?zhèn)热肷涞墓膺M(jìn)行光電變換的多個(gè)傳感器；以及被形成在所述基板的第二表面?zhèn)壬喜⑶覍碜运龆鄠€(gè)傳感器的信號進(jìn)行處理的讀出電路，所述第二表面?zhèn)仁撬龅谝槐砻鎮(zhèn)鹊膶?cè)。所述讀出電路包括多個(gè)晶體管并且所述晶體管以對齊的方式被布置在所述像素之間的區(qū)域中。
文檔編號H04N5/369GK1953193SQ20061015067
公開日2007年4月25日 申請日期2006年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者巖淵信, 唐澤信浩 申請人:索尼株式會社