專(zhuān)利名稱(chēng)：固體攝像元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體攝像元件及其制造方法，詳細(xì)而言，涉及一種為了拍攝破壞、
爆炸、燃燒等高速現(xiàn)象而能夠進(jìn)行最佳的高速動(dòng)作的固體攝像元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
以往開(kāi)發(fā)了用于在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)對(duì)例如爆炸、破壞、燃燒、沖突、放電等高速現(xiàn)象 進(jìn)行攝影的高速攝影裝置(高速攝像機(jī))(參照非專(zhuān)利文獻(xiàn)1等)。在這樣的高速攝影裝置 中，甚至需要100萬(wàn)幀/秒左右以上的極高速攝影。因此，利用了與以往一般攝相機(jī)或數(shù)碼 相機(jī)等中使用的攝像元件不同的、具有特殊結(jié)構(gòu)的、能夠進(jìn)行高速動(dòng)作的固體攝像元件。
作為這樣的固體攝像元件，以往，利用了專(zhuān)利文獻(xiàn)1等中記載的元件。這些元件被 稱(chēng)作像素周邊記錄型攝像元件(IS-CCD)。針對(duì)該攝像元件進(jìn)行示意說(shuō)明。S卩，在作為受光部 的每一個(gè)光電二極管上具備分別兼作記錄張數(shù)(幀數(shù))份的傳送的蓄積用CCD，在攝影中， 依次向蓄積用CCD傳送由光電二極管進(jìn)行了光電變換后的像素信號(hào)。而且，攝影結(jié)束后，統(tǒng) 一讀取存儲(chǔ)在蓄積用CCD中的記錄幀數(shù)份的像素信號(hào)，在攝像元件的外部再現(xiàn)記錄幀數(shù)份 的圖像。在攝影中，超過(guò)了記錄幀數(shù)份的像素信號(hào)按形成時(shí)間從早到晚的順序被廢棄，從而 在蓄積用CCD中始終保存最新的規(guī)定幀數(shù)份的像素信號(hào)。因此，若在攝影結(jié)束時(shí)中止向蓄 積用CCD傳送像素信號(hào)，則獲得時(shí)間上比該時(shí)刻早記錄幀數(shù)份的時(shí)間以后的最新的圖像。
但是，在如上述的高速攝影中，為了得到一幀的像素信號(hào)而曝光光電二極管的時(shí) 間比一般的攝影短很多。例如，進(jìn)行100萬(wàn)幀/秒的高速攝影時(shí)，一幀的圖像的曝光時(shí)間是 IP s以下。因此，為了確保檢測(cè)靈敏度，需要盡量增加向各像素中的光電二極管的光的入 射量，并且期望盡量增加光電二極管的受光面的尺寸。但是，光電二極管的受光面的尺寸越 大，則產(chǎn)生如下的不良情況。 圖21是表示使用了一般的嵌入型光電二極管的像素結(jié)構(gòu)的俯視圖。構(gòu)成為在光 電二極管PD的側(cè)方配置浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD，設(shè)置在其間的傳送晶體管TX導(dǎo)通時(shí)，光電荷從光電 二極管PD流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD并被蓄積。RG是用于重置浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的晶體管。
但是，在這樣的結(jié)構(gòu)中，若光電二極管PD的受光面的尺寸較大，則不能忽略在光 電二極管PD中生成的光電荷到達(dá)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD所需的時(shí)間， 一部分電荷不能在規(guī)定的短 的光電變換時(shí)間內(nèi)到達(dá)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。因此，會(huì)降低光電荷的利用效率，即使增大光電二極 管PD的受光面的尺寸也不能提高對(duì)應(yīng)量的檢測(cè)靈敏度，因此成為像質(zhì)劣化的最大的因素。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :特開(kāi)2001-345441號(hào)公報(bào) 非專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :近藤等5名，"高速攝像機(jī)HyperVision HPV-1的開(kāi)發(fā)"，島津評(píng)論， 島津評(píng)論編輯部，2005年9月30日發(fā)行，第62巻，第1、2號(hào)，p. 79-8
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述課題而形成，其主要目的在于提供一種即使為了高速攝影而獲取 一幀圖像的光電荷蓄積時(shí)間短的情況下，也能有效地利用光電二極管中生成的光電荷并能夠改善檢測(cè)靈敏度的固體攝像元件及其制造方法。 為了解決上述課題而構(gòu)成的本發(fā)明的固體攝像元件是配置了多個(gè)像素的固體攝 像元件，其特征在于，各像素具備接受光而生成光電荷的光電二極管；形成在所述光電二 極管的受光面的中央部的浮動(dòng)區(qū)域；和柵極配置成包圍所述浮動(dòng)區(qū)域的傳送晶體管。
在該發(fā)明的固體攝像元件中，希望從所述受光面的周邊部向中央部改變電勢(shì)，以 使由所述光電二極管生成的光電荷集中到受光面的中央側(cè)。 作為本發(fā)明的固體攝像元件的一個(gè)方式，能夠構(gòu)成為從所述光電二極管的受光面 的周邊部向中央側(cè)，使注入到基板中的雜質(zhì)的濃度和/或深度以?xún)A斜狀變化。
另外，作為本發(fā)明的固體攝像元件的另一方式，能夠構(gòu)成為從所述光電二極管的 受光面的周邊部向中央側(cè)，使注入到基板中的雜質(zhì)的濃度和/或深度以階梯狀變化。
實(shí)際上，例如通過(guò)離子注入等向?qū)盈B形成在半導(dǎo)體基板上的基體(例如p型阱) 導(dǎo)入雜質(zhì)(例如，磷P、砷As、硼B(yǎng)等)時(shí)，使雜質(zhì)的濃度和/或深度形成為階梯狀，之后進(jìn) 行基于熱等的退火處理時(shí)，雜質(zhì)擴(kuò)散從而雜質(zhì)層的角度變圓，接近于傾斜狀。因此，有時(shí)傾 斜狀和階梯狀的差別并不明顯。 另外，作為制造本發(fā)明的固體攝像元件的制造方法的一個(gè)方式，可通過(guò)使用多個(gè) 光掩模來(lái)改變雜質(zhì)離子的注入深度，從而從光電二極管的受光面的周邊部向中央改變電 勢(shì)。 另外，作為制造本發(fā)明的固體攝像元件的制造方法的其它方式，可通過(guò)使用多個(gè) 光掩模來(lái)改變雜質(zhì)離子的注入量，從而從光電二極管的受光面的周邊部向中央改變電勢(shì)。
(發(fā)明效果) 在本發(fā)明的固體攝像元件中，由于在光電二極管的受光面的大致中央處形成有浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)等浮動(dòng)區(qū)域，因此與在光電二極管的受光面的一個(gè)端部形成浮動(dòng)區(qū)域時(shí)相比，能 夠縮短從受光面的某一位置到浮動(dòng)區(qū)域的最大距離。因此，能夠縮短光電二極管中生成的 光電荷到達(dá)浮動(dòng)區(qū)域所需的時(shí)間，即使光電荷蓄積時(shí)間有限或者增大了光電二極管的受光 面的尺寸，也能減少不能到達(dá)浮動(dòng)區(qū)域而被廢棄的即不能反映在光信號(hào)中的電荷的量。由 此，能夠提高檢測(cè)靈敏度或S/N。 另外，在從受光面的周邊部向中央部改變電勢(shì)的構(gòu)成中，根據(jù)按照由雜質(zhì)的濃度 或深度的不同而以?xún)A斜狀或階梯狀變化的方式形成的電勢(shì)，從受光面的周邊側(cè)向中央側(cè)促 進(jìn)由光電二極管生成的光電荷的移動(dòng)。因此，容易在傳送晶體管的周?chē)奂怆姾?，傳送?體管為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能夠有效且迅速向浮動(dòng)區(qū)域傳送光電荷。由此，即使光電二極管的受光 面的尺寸大且光電荷蓄積時(shí)間短，也能有效地收集光電二極管中生成的光電荷并將其反映 在信號(hào)中。由此，能夠提高檢測(cè)靈敏度或S/N，并能夠改善高速攝影的圖像質(zhì)量。


圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施例的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片上的布局的示意俯 視圖。 圖2是在本實(shí)施例的固體攝像元件中表示像素區(qū)域內(nèi)的一個(gè)像素的布局的示意 俯視圖。 圖3是表示本實(shí)施例的固體攝像元件的像素區(qū)域和存儲(chǔ)區(qū)域的大致構(gòu)成的俯視
4圖。 圖4是本實(shí)施例的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片的大致一半的主要部分的模塊構(gòu) 成圖。 圖5是本實(shí)施例的固體攝像元件的一個(gè)像素的電路構(gòu)成圖。 圖6是在本實(shí)施例的固體攝像元件中表示一個(gè)像素的光電變換區(qū)域的布局的示 意俯視圖。 圖7是在本實(shí)施例的固體攝像元件中以光電變換區(qū)域?yàn)橹行牡闹饕考氖疽?縱剖視圖。 圖8是圖6的A-A'向視線(xiàn)縱截面的示意電勢(shì)圖。 圖9是在本實(shí)施例的固體攝像元件中對(duì)應(yīng)于排列在垂直方向上的132個(gè)像素的一 個(gè)存儲(chǔ)部單元的示意構(gòu)成圖。 圖10是本實(shí)施例的固體攝像元件的一個(gè)存儲(chǔ)部的電路構(gòu)成圖。 圖11是在本實(shí)施例的固體攝像元件中表示用于使保持在各存儲(chǔ)部中的信號(hào)通過(guò)
輸出線(xiàn)來(lái)讀取的示意構(gòu)成的模塊圖。 圖12是在本實(shí)施例的固體攝像元件中光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)的動(dòng)作模式的時(shí)序 圖。 圖13是圖12所示的動(dòng)作的各像素內(nèi)的示意電勢(shì)圖。 圖14是在本實(shí)施例的固體攝像元件中光電荷蓄積時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)時(shí)的動(dòng)作模式的時(shí) 序圖。 圖15圖14所示的動(dòng)作的各像素內(nèi)的示意電勢(shì)圖。 圖16是在本實(shí)施例的固體攝像元件中依次讀取像素信號(hào)時(shí)的動(dòng)作時(shí)序圖。
圖17是本實(shí)施例的固體攝像元件的水平移位寄存器的主要部分的動(dòng)作時(shí)序圖。
圖18是本實(shí)施例的固體攝像元件的垂直移位寄存器的主要部分的動(dòng)作時(shí)序圖。
圖19是表示在本實(shí)施例的固體攝像元件中形成光電二極管時(shí)所使用的光掩模的 示意圖。 圖20是本發(fā)明的其它實(shí)施例的固體攝像元件的光電二極管的示意電勢(shì)圖。
圖21是表示使用了一般的嵌入型光電二極管的像素構(gòu)成的俯視圖。
圖中l(wèi)-半導(dǎo)體基板；2、2a、2b-像素區(qū)域；10-像素；ll-光電變換區(qū)域；12-像素 電路區(qū)域；13-布線(xiàn)區(qū)域；14、141-像素輸出線(xiàn)；15-驅(qū)動(dòng)線(xiàn)；31-光電二極管；32-傳送晶 體管；33、331、332-浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(floating diffusion) ;333-金屬布線(xiàn)；34-蓄積晶體管； 35-重置晶體管；36-蓄積電容；37、40-晶體管；38、41-選擇晶體管；39-電流源；43-源極 跟隨放大器；60-n型硅半導(dǎo)體基板；61-p型阱區(qū)域；62-n型半導(dǎo)體區(qū)域；63-p+型半導(dǎo)體區(qū) 域。
具體實(shí)施例方式
下面，參照

作為本發(fā)明的一實(shí)施例的固體攝像元件及其制造方法。
首先，說(shuō)明本實(shí)施例的固體攝像元件的整體的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)。圖1是表示本實(shí)施例 的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片上的整體布局的示意俯視圖，圖3是表示本實(shí)施例的固體攝 像元件的像素區(qū)域和存儲(chǔ)區(qū)域的大致構(gòu)成的俯視圖，圖4是本實(shí)施例的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片的大致一半的主要部分的模塊構(gòu)成圖。 如圖1所示，在該固體攝像元件中，在半導(dǎo)體基板1上用于接受光來(lái)生成每個(gè)像素 的信號(hào)的像素區(qū)域2(2a、2b)和用于將所述信號(hào)保持規(guī)定幀數(shù)份的存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b未混在 一起而完全分離，并分別作為統(tǒng)一的區(qū)域來(lái)設(shè)置。在大致矩形狀的像素區(qū)域2內(nèi)，二維陣列 狀地配置有N行、M列的共NXM個(gè)像素10，該像素區(qū)域2被分割成分別配置了 (N/2)XM個(gè) 像素10的第一像素區(qū)域2a、第二像素區(qū)域2b這兩個(gè)區(qū)域。 在第一像素區(qū)域2a的下側(cè)，隔著小面積的第一電流源區(qū)域6a而配置有第一存儲(chǔ) 區(qū)域3a，在第二像素區(qū)域2b的上側(cè)，同樣隔著小面積的第二電流源區(qū)域6b而配置有第二 存儲(chǔ)區(qū)域3b。第一和第二存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b中分別設(shè)有第一和第二垂直掃描電路區(qū)域4a、4b 以及第一和第二水平掃描電路區(qū)域5a、5b，其中以上兩個(gè)掃描區(qū)域中分別設(shè)有用于控制從 存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b中讀取信號(hào)的移位寄存器或譯碼器等電路。用于從各存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b向元 件的外部讀取信號(hào)的輸出線(xiàn)束SS01 SS64配置為上下各32組共計(jì)64組。
本實(shí)施例的固體攝像元件以將像素區(qū)域2的大致中央劃分成上下兩個(gè)的水平線(xiàn) 作為邊界，構(gòu)成為大致上下對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。由于該上半部分和下半部分的結(jié)構(gòu)或動(dòng)作相同，因 此在以下的說(shuō)明中，主要描述下方的第l像素區(qū)域2a、第一存儲(chǔ)區(qū)域3a、第一垂直掃描電路 區(qū)域4a、第一水平掃描電路區(qū)域5a的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作。 像素?cái)?shù)即上述N、M值可以分別任意地決定，這些值越大，則圖像的分辨率就越大， 但是，另一方面會(huì)導(dǎo)致整體的芯片面積變大或者每一個(gè)像素的芯片面積變小。在該例中，設(shè) N = 264、 M = 320。因此，如圖3、圖4所示，分別配置在第一、第二像素區(qū)域2a、2b中的像 素?cái)?shù)是在水平方向上320像素、在垂直方向上132像素的共計(jì)42240像素。
圖2是表示像素區(qū)域2(2a、2b)中的一個(gè)像素10的布局的示意俯視圖。 一個(gè)像素 10所占的區(qū)域是大致正方形，其內(nèi)部大致區(qū)分成三個(gè)區(qū)域，S卩，光電變換區(qū)域11、像素電路 區(qū)域12以及布線(xiàn)區(qū)域13。在布線(xiàn)區(qū)域13中，(N/2) + a根像素輸出線(xiàn)14按照沿縱向方向 延伸的方式集中配置。這里，a可以是0，此時(shí)，在本例中通過(guò)一個(gè)布線(xiàn)區(qū)域13的像素輸出 線(xiàn)的根數(shù)是132根。但是，一般形成多個(gè)這樣平行延伸的布線(xiàn)(例如，A1等金屬布線(xiàn))時(shí)， 兩端布線(xiàn)的寬度或寄生電容很容易就會(huì)變得不同。因此，實(shí)際上，夾持使信號(hào)通過(guò)的132根 像素輸出線(xiàn)在兩端各設(shè)置一根虛擬布線(xiàn)。此時(shí)，a =2，通過(guò)一個(gè)布線(xiàn)區(qū)域13的布線(xiàn)的根 數(shù)是134根。 圖5是圖2所示的一個(gè)像素10的電路構(gòu)成圖。各像素10包括接受光而生成光 電荷的光電二極管31、靠近光電二極管31而設(shè)置的用于傳送光電荷的傳送晶體管32、通過(guò) 傳送晶體管32與光電二極管31連接且暫時(shí)蓄積光電荷并將其變換為電壓信號(hào)的浮動(dòng)擴(kuò)散 區(qū)33、用于蓄積進(jìn)行光電荷的蓄積動(dòng)作時(shí)從光電二極管31經(jīng)過(guò)傳送晶體管32后溢出的即 溢出電荷的蓄積晶體管34以及蓄積電容36、用于排出蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36 中的電荷的重置晶體管35、用于將蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中的電荷或蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33 和蓄積電容36兩者中的電荷作為電壓信號(hào)進(jìn)行輸出的由被串聯(lián)連接的兩個(gè)PMOS型晶體管 37、38和同樣被串聯(lián)連接的兩個(gè)NMOS型晶體管40、41這兩級(jí)構(gòu)成的源極跟隨放大器(相當(dāng) 于本發(fā)明的緩沖元件)43、用于向源極跟隨放大器43的前一級(jí)的兩個(gè)晶體管37、38提供電 流的恒流晶體管等構(gòu)成的電流源39。 在傳送晶體管32、蓄積晶體管34、重置晶體管35以及源極跟隨放大器43的選擇
6晶體管38、41的柵極端子上分別連接用于提供由小T、小C、小R、小X構(gòu)成的控制信號(hào)的驅(qū) 動(dòng)線(xiàn)15。如圖4所示，這些驅(qū)動(dòng)線(xiàn)在像素區(qū)域2內(nèi)的所有像素中共用。由此，能夠在所有的 像素中同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 源極跟隨放大器43的第二級(jí)的選擇晶體管41的輸出42，與配置在上述的布線(xiàn)區(qū) 域13中的132根像素輸出線(xiàn)14中的一根(在圖5中用符號(hào)141表示的像素輸出線(xiàn))連接。 在每一個(gè)各像素10中各設(shè)置1根該像素輸出線(xiàn)141，即，針對(duì)各像素10獨(dú)立地設(shè)置。因此， 在該固體攝像元件中，設(shè)有與像素?cái)?shù)相同的像素輸出線(xiàn)，即84480根像素輸出線(xiàn)。
源極跟隨放大器43具有作為以高速驅(qū)動(dòng)像素輸出線(xiàn)141的電流緩沖器的功能。如 圖4所示，由于各像素輸出線(xiàn)141從像素區(qū)域2a延伸到存儲(chǔ)區(qū)域3a，因此會(huì)成為某種程度 的大的容性負(fù)載，為了以高速對(duì)該像素輸出線(xiàn)141進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要能夠使大電流流過(guò)的大 尺寸的晶體管。但是，為了提高各像素10的光電變換增益，用于將光電荷變換為電壓的浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33的電容越小越好。由于連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33的晶體管的柵極端子的寄生電容 會(huì)使浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33的電容有效增加，因此由于上述原因，期望該晶體管37是柵極輸入電容 小的小型晶體管。所以，為了滿(mǎn)足輸出側(cè)中的大電流的提供和輸入側(cè)中的低電容，這里，將 源極跟隨放大器43設(shè)置成兩級(jí)構(gòu)成，通過(guò)使前一級(jí)的晶體管37為小型晶體管來(lái)抑制輸入 柵極電容，后一級(jí)的晶體管40、41使用大的晶體管來(lái)確保大的輸出電流。
另外，在源極跟隨放大器43中，從進(jìn)行基本動(dòng)作的這點(diǎn)來(lái)看，也可不設(shè)置前一級(jí) 的選擇晶體管38，但是，通過(guò)在后一級(jí)的選擇晶體管41為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)同時(shí)使選擇晶體管38 也處于截止?fàn)顟B(tài)來(lái)不讓電流從電流源39流向晶體管37，從而能夠抑制對(duì)應(yīng)量的電流消耗。
圖6是表示一個(gè)像素10的光電變換區(qū)域11的布局的示意俯視圖，圖7是以光電 變換區(qū)域11為中心的主要部件的示意縱剖視圖，圖8是圖6的A-A'向視線(xiàn)縱截面的示意 電勢(shì)圖。 俯視下具有大致矩形狀的受光面的光電二極管31是嵌入型光電二極管結(jié)構(gòu)。由 于在高速攝影中曝光時(shí)間極其短，因此為了確保適當(dāng)?shù)钠毓猓枰M量使各像素10的光電 二極管的受光面的面積大，并且需要盡量增加入射(受光)的光量。但是，一般，擴(kuò)大光電 二極管的受光面的面積時(shí)，特別是在其周邊側(cè)所生成的光電荷到達(dá)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的所需時(shí)間 成為問(wèn)題，在高速攝影的短短一個(gè)周期期間不能被傳送的光電荷會(huì)被浪費(fèi)，或者會(huì)成為引 起殘像現(xiàn)象的原因。因此，在本實(shí)施例的固體攝像元件中，通過(guò)采用如下的特殊結(jié)構(gòu)來(lái)提高 電荷傳送的速度。 通常，如上所述，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)被配置在光電二極管的側(cè)方，如圖6所示，在該固體 攝像元件中，光電二極管31的大致中央部形成有小面積的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331，按照包圍該浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331的方式環(huán)狀地設(shè)有傳送晶體管32的柵極。如圖7所示，例如，在n型硅半導(dǎo) 體基板(n-sub)60上形成規(guī)定厚度的p型阱(piell)區(qū)域61，并在p型阱區(qū)域61中形成 n型半導(dǎo)體區(qū)域62。在該n型半導(dǎo)體區(qū)域62的表層上形成p+型半導(dǎo)體區(qū)域63，根據(jù)該pn 結(jié)，構(gòu)成嵌入型的光電二極管31。 光電二極管31的中央處形成有n型半導(dǎo)體區(qū)域62，其內(nèi)側(cè)，在p型阱區(qū)域61的表 層上形成有n+型半導(dǎo)體區(qū)域，其構(gòu)成浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域331。在作為該n+型半導(dǎo)體區(qū)域的浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域331和周?chē)膎型半導(dǎo)體區(qū)域62之間，隔著表層的絕緣膜，形成由多晶硅等構(gòu) 成的環(huán)狀的柵極電極，并構(gòu)成傳送晶體管32。這樣，通過(guò)在光電二極管31的中央處配置浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331，與在相鄰于光電二極管的任一端部而配置浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)時(shí)相比，從光電二極管 31的周邊部到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331的光電荷的最大移動(dòng)距離能縮短至1/2左右。由此，無(wú)論是 在光電二極管31的周邊部的哪一個(gè)位置處產(chǎn)生的光電荷，都能縮短其到達(dá)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331 的時(shí)間，即使分配給光電荷的蓄積動(dòng)作的時(shí)間短，也能減少不能到達(dá)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)31的光電 荷。 另外，形成p+型半導(dǎo)體區(qū)域63、n型半導(dǎo)體區(qū)域62或p型阱區(qū)域61時(shí)，如圖19 所示，使用遮蔽區(qū)域71和通過(guò)區(qū)域72的位置不同的多個(gè)光掩模70a 70d，使雜質(zhì)的注入 (dope)量(或注入深度)按多個(gè)階段變化。而且，通過(guò)實(shí)施退火處理來(lái)使注入的雜質(zhì)適當(dāng) 地進(jìn)行擴(kuò)散，使得雜質(zhì)的摻入量(或注入深度)從光電二極管31的周邊部向中央(即浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)331)緩慢增加。因此，向光電二極管31的pn結(jié)施加適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，如圖8(a)所示， 形成從光電二極管31的周邊部向中央側(cè)向下傾斜的電勢(shì)梯度。 該電勢(shì)梯度的大小可以根據(jù)如下方式?jīng)Q定。即，針對(duì)光電荷在光電二極管31之中 移動(dòng)時(shí)的允許時(shí)間t、最大移動(dòng)距離W、電荷的移動(dòng)度P 、電勢(shì)梯度，針對(duì)在光電二極管31中 生成的平均的內(nèi)部電場(chǎng)E，使t《W/(y *E)成立。根據(jù)該形成的即由工序上的方法形成的 電勢(shì)梯度，由受光而在光電二極管31中生成的光電荷越在其周邊部生成的電荷越被較大 程度地加速，從而向中央側(cè)前進(jìn)。 此時(shí)，若傳送晶體管32為截止?fàn)顟B(tài)，則如圖8 (a)所示，形成在傳送晶體管32的環(huán) 狀柵極電極正下方的勢(shì)壘的周?chē)鷧R集光電荷，若傳送晶體管32被導(dǎo)通，則如圖8(b)所示， 匯集的光電荷會(huì)立刻通過(guò)傳送晶體管32落入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331中。另一方面，光正在入射的 期間，傳送晶體管32維持導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，沿著電勢(shì)梯度集中在中央處的光電荷直接通過(guò)傳送 晶體管32落入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331中。在何種情況下都能夠以高的概率且迅速向浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 331傳送光電二極管31中生成的光電荷。 在光電二極管31的中央部設(shè)置浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331來(lái)得到了如上述的很大的優(yōu)點(diǎn)。 但是，與該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331靠近地配置蓄積溢出的光電荷的蓄積電容36等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生數(shù)值 孔徑降低的問(wèn)題。因此，這里，在像素電路區(qū)域12中，作為n+半導(dǎo)體區(qū)域形成與上述那樣 直接使光電荷流入的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(以下稱(chēng)作第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū))331不同的第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 332，并且通過(guò)利用鋁(Al)等金屬布線(xiàn)333來(lái)連接第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331與第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 332之間，使兩者變成等電位。即，這里，第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331和第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)332構(gòu)成一 體，起到作為將電荷信號(hào)變換為電壓信號(hào)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33的作用。
另外，在這里使光電二極管31的電勢(shì)構(gòu)成為傾斜狀，但是例如如圖20所示，也可 以使電勢(shì)形成為階梯狀。此時(shí)，光電二極管31中產(chǎn)生的光電荷在交替地反復(fù)進(jìn)行漂移和擴(kuò) 散的同時(shí)向中央側(cè)前進(jìn)。由此，能夠有效地使光電荷流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)331中。
下面，詳細(xì)說(shuō)明第一和第二存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b的內(nèi)部構(gòu)成。如圖4所示，第一和第二 存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b內(nèi)，沿著分別與像素區(qū)域2a、2b內(nèi)的排列在垂直方向上的132個(gè)像素10連 接的132根像素輸出線(xiàn)14的延伸方向，配置有蓄積幀數(shù)L份的存儲(chǔ)部單元20。在該例中， 蓄積幀數(shù)L即連續(xù)攝影幀數(shù)是104，在垂直方向上排列有104個(gè)存儲(chǔ)部單元20，而且其在水 平方向上排列有320個(gè)。因此，在第一存儲(chǔ)區(qū)域3a中排列有104X320個(gè)=33280個(gè)存儲(chǔ) 部單元20。在第二存儲(chǔ)區(qū)域3b中也排列有同樣數(shù)量的存儲(chǔ)部單元20。
圖9是表示1個(gè)存儲(chǔ)部單元20的內(nèi)部構(gòu)成的示意圖。 一個(gè)存儲(chǔ)部單元20內(nèi)排列有水平方向上的11個(gè)、垂直方向上的12個(gè)共計(jì)132個(gè)存儲(chǔ)部22，各存儲(chǔ)部22分別與不同 的一根像素輸出線(xiàn)141連接。通過(guò)像素輸出線(xiàn)141，各存儲(chǔ)部22分別與像素區(qū)域2a內(nèi)的像 素10 —一對(duì)應(yīng)，一個(gè)存儲(chǔ)部單元20內(nèi)的132個(gè)存儲(chǔ)部22中分別保持有像素區(qū)域2a內(nèi)的 垂直方向的132個(gè)像素10的輸出信號(hào)。因此，在圖4中，排列在水平方向的一行上的320 個(gè)存儲(chǔ)部單元20(在圖4中，用符號(hào)21表示的存儲(chǔ)部單元行)中保持有由132X320像素 (pixel)構(gòu)成的1幀的下半部分的像素信號(hào)，在圖3所示的上側(cè)的第二存儲(chǔ)區(qū)域3b中也相 同，排列在水平方向的一行上的320個(gè)存儲(chǔ)部單元中保持有由320X 132像素構(gòu)成的1幀的 上半部分的像素信號(hào)，兩者構(gòu)成一幀的圖像。通過(guò)在垂直方向上排列104個(gè)存儲(chǔ)部單元行 21，能夠保持104幀份的像素信號(hào)。 如圖9所示，在各存儲(chǔ)部單元20中，132個(gè)存儲(chǔ)部22的所有的輸出都被連接在一 起構(gòu)成一根信號(hào)輸出線(xiàn)23。而且，如圖4所示，排列在水平方向上的存儲(chǔ)部單元20其相鄰 的每10個(gè)構(gòu)成一組，水平方向上具有32組存儲(chǔ)部單元20的組，每一組的IO個(gè)存儲(chǔ)部單元 20的信號(hào)輸出線(xiàn)23被連接在一起形成一根。另外，排列在垂直方向上的104個(gè)存儲(chǔ)部單 元20的信號(hào)輸出線(xiàn)23也被連接在一起形成一根。因此，在存儲(chǔ)區(qū)域3a中，對(duì)于水平方向 上10個(gè)、垂直方向上104個(gè)共計(jì)1040個(gè)存儲(chǔ)部單元20以及包含在各存儲(chǔ)部單元20中的 存儲(chǔ)部22的數(shù)量來(lái)說(shuō)，137280個(gè)存儲(chǔ)部22的輸出被連接在一起構(gòu)成一根輸出線(xiàn)23。在圖 3中，用符號(hào)50表示了具有同一輸出線(xiàn)23的存儲(chǔ)部單元20的塊，即存儲(chǔ)部單元模塊。根據(jù) 上述構(gòu)成，來(lái)自第一存儲(chǔ)區(qū)域3a的信號(hào)輸出線(xiàn)23的個(gè)數(shù)是32根，從第二存儲(chǔ)區(qū)域3b也抽 出同樣的信號(hào)輸出線(xiàn)。用SS01 SS64表示通過(guò)這些信號(hào)輸出線(xiàn)上的信號(hào)。
圖10是表示一個(gè)存儲(chǔ)部22的電路構(gòu)成的圖。由與一根像素輸出線(xiàn)141連接的 采樣晶體管26 (26a 26d)、通過(guò)采樣晶體管26與像素輸出線(xiàn)141連接的電容25 (25a 25d)、用于讀取保持在電容25中的模擬電壓信號(hào)的讀取晶體管27(27a 27d)構(gòu)成作為最 小存儲(chǔ)單位的存儲(chǔ)元件24 (24a 24d)。 一個(gè)存儲(chǔ)部22由四個(gè)存儲(chǔ)元件24a 24d形成一 組而構(gòu)成。因此，在一個(gè)存儲(chǔ)部22中能夠保持從同一個(gè)像素輸出的四個(gè)不同的模擬電壓信 號(hào)。由于通過(guò)四個(gè)讀取晶體管27a 27d的信號(hào)輸出線(xiàn)23a、23b、23c、23d分別被獨(dú)立地設(shè) 置，因此實(shí)際上具有四根如圖9所示的信號(hào)輸出線(xiàn)23。 這是因?yàn)椋瑸榱诉M(jìn)行如后述的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大處理，需要獨(dú)立地保持對(duì)應(yīng)于溢出前 的電荷的信號(hào)、對(duì)應(yīng)于溢出后的電荷的信號(hào)、包含在對(duì)應(yīng)于溢出前的電荷的信號(hào)中的噪聲 信號(hào)、包含在對(duì)應(yīng)于溢出后的電荷的信號(hào)中的噪聲信號(hào)這四個(gè)模擬電壓信號(hào)。但是，并不一 定要拘泥于這樣的目的，也能以其它動(dòng)作方式利用各存儲(chǔ)元件24a 24d。例如，若不利用 各像素10的蓄積晶體管36，則無(wú)需考慮溢出后的信號(hào)或包含在溢出后的信號(hào)中所包含的 噪聲信號(hào)，能夠利用存儲(chǔ)元件24來(lái)增加這部分的連續(xù)攝影的幀數(shù)。由此，能夠進(jìn)行兩倍的 208幀的連續(xù)攝影。另外，若也不進(jìn)行噪聲去除，則能夠進(jìn)行進(jìn)一步的兩倍的416幀的連續(xù) 攝影° 與各像素10內(nèi)的蓄積電容36相同，例如能夠由雙多晶硅柵極結(jié)構(gòu)或?qū)盈B(stack) 結(jié)構(gòu)形成電容25a 25d。進(jìn)行利用了CCD結(jié)構(gòu)的電荷保持時(shí)，存在因熱激勵(lì)等引起暗電荷 而導(dǎo)致的偽信號(hào)被附加在光信號(hào)中的問(wèn)題，但是，使用雙多晶硅柵極結(jié)構(gòu)或?qū)盈B結(jié)構(gòu)的電 容25a 25d時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生這樣的暗電荷，因此不會(huì)附加偽信號(hào)，能夠提高讀取到外部的信 號(hào)的S/N。
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圖11是表示用于使保持在存儲(chǔ)區(qū)域3a內(nèi)的各存儲(chǔ)部中的信號(hào)通過(guò)如上述的信 號(hào)輸出線(xiàn)23來(lái)讀取的示意構(gòu)成的模塊圖。配置成二維陣列狀的存儲(chǔ)部單元20(20-01 20-10)的垂直方向的每一列上配置有水平移位寄存器HSR1 HSR320，水平方向的每一行 上配置有垂直移位寄存器VSR1 VSR104。進(jìn)行依次讀取時(shí)，根據(jù)水平移位寄存器HSR1 HSR320和垂直移位寄存器VSR1 VSR104的組合選擇存儲(chǔ)部單元20，在被選擇的存儲(chǔ)部單 元20中按順序選擇存儲(chǔ)部22來(lái)讀取像素信號(hào)。 接著，說(shuō)明使用本實(shí)施例的固體攝像元件來(lái)進(jìn)行高速攝影時(shí)的動(dòng)作。首先，根據(jù)圖 12 圖15說(shuō)明各像素10中的光電變換動(dòng)作和將根據(jù)此而生成的信號(hào)保存在一個(gè)存儲(chǔ)部 22中的動(dòng)作。 在本實(shí)施例的固體攝像元件中，光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)和光電荷蓄積時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)時(shí) 能夠選擇不同的兩個(gè)動(dòng)作模式。作為目標(biāo)，前者是光電荷蓄積時(shí)間為10i! s至100i! s程度 以下的、能夠忽略傳送晶體管32中產(chǎn)生的暗電荷量的情況，進(jìn)行IOO萬(wàn)幀/秒以上的高速 攝影時(shí)，優(yōu)選采用該動(dòng)作模式。
(A)光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)的動(dòng)作模式 圖12是光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)的動(dòng)作模式的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，圖13是該動(dòng)作中的各像 素10內(nèi)的示意電勢(shì)圖。另外，在圖13(后述的圖15也相同)中(^、(^、(^分別表示光電 二極管31、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33、蓄積電容36的容量，CFD+CCS表示浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33與蓄積電容36 的合成容量。 此時(shí)，將提供給各像素10的共同的控制信號(hào)小X設(shè)為高電平，使源極跟隨放大器 43內(nèi)的選擇晶體管38、41均維持導(dǎo)通狀態(tài)。而且，在進(jìn)行光電荷蓄積之前，將同樣作為共同 的控制信號(hào)的小T、小C、小R設(shè)為高電平，使傳送晶體管32、蓄積晶體管34以及重置晶體管 35均導(dǎo)通(時(shí)刻tO)。由此，重置(初始化)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36。另外，此時(shí)，光 電二極管31處于完全被耗盡的狀態(tài)。此時(shí)的電勢(shì)狀態(tài)如圖13(a)所示。
之后，使小R置于低電平來(lái)使重置晶體管35截止時(shí)，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn)生噪聲信 號(hào)N2，該噪聲信號(hào)N2等效于包括在該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、源 極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓的偏差引起的固定模式噪聲(參照?qǐng)D13(b))，并 且對(duì)應(yīng)于該噪聲信號(hào)N2的輸出電流會(huì)流向像素輸出線(xiàn)141。所以，通過(guò)在該定時(shí)(時(shí)刻tl) 向存儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小N2來(lái)使采樣晶體管26d導(dǎo)通，從而獲取通過(guò)像素輸出線(xiàn)141 輸出的噪聲信號(hào)N2并將其保持在電容25d中。 之后，使小C處于低電平來(lái)使蓄積晶體管34截止時(shí)，根據(jù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電 容36的各自的電容CFD、 Ccs之比，分配該時(shí)刻蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的信 號(hào)電荷(參照?qǐng)D13(c))。此時(shí)，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn)生噪聲信號(hào)Nl，該噪聲信號(hào)Nl等效于 包括使小C截止時(shí)所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、源極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓的偏差 引起的固定模式噪聲，并且對(duì)應(yīng)于該噪聲信號(hào)N1的輸出電流會(huì)流向像素輸出線(xiàn)141。所以， 通過(guò)在該定時(shí)(時(shí)刻t2)向存儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小N1來(lái)使采樣晶體管26c導(dǎo)通，從而 獲取通過(guò)像素輸出線(xiàn)141輸出的噪聲信號(hào)Nl并將其保持在電容25c中。
由于傳送晶體管32維持導(dǎo)通狀態(tài)，因此通過(guò)入射到光電二極管31的光而產(chǎn)生的 光電荷通過(guò)傳送晶體管32(圖8(b)所示的狀態(tài))流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中，與之前的噪聲信 號(hào)Nl疊加并被蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中(時(shí)刻t3)。假設(shè)入射強(qiáng)光而在光電二極管31中產(chǎn)生了大量的光電荷，并且浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33已飽和，則溢出的電荷通過(guò)蓄積晶體管34被蓄積在 蓄積電容36中(參照?qǐng)D13(d))。通過(guò)將蓄積晶體管34的閾值電壓適當(dāng)設(shè)定得較低，能夠 從浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33向蓄積電容36有效地傳送電荷。由此，即使浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33的電容CFD較 小而能夠蓄積的最大飽和電荷較少，也能將飽和的電荷無(wú)廢棄地有效進(jìn)行利用。這樣，浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)33中的電荷飽和(溢出)前和電荷飽和(溢出)后的任意情況下所產(chǎn)生的電荷都 能被作為輸出信號(hào)而加以利用。 若經(jīng)過(guò)了規(guī)定的光電荷蓄積時(shí)間，則在使蓄積晶體管34截止的狀態(tài)下通過(guò)向存 儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小Sl來(lái)使采樣晶體管26a導(dǎo)通，從而在該時(shí)刻(時(shí)刻t4)使對(duì)應(yīng)于蓄 積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中的電荷的信號(hào)通過(guò)像素輸出線(xiàn)141輸出，將其保持在電容25a中(參 照?qǐng)D13(e))。此時(shí)，由于蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中的信號(hào)是在噪聲信號(hào)Nl上疊加了對(duì)應(yīng)于 溢出前的電荷的信號(hào)Sl的信號(hào)，因此保持在電容25a中的是不反映蓄積在蓄積電容36中 的電荷量的S1+N1。 緊接著，使小C處于高電平來(lái)使蓄積晶體管34導(dǎo)通時(shí)，在該時(shí)刻保持在浮動(dòng)擴(kuò)散 區(qū)33中的電荷和保持在蓄積電容36中的電荷被混合(參照?qǐng)D13(f))。在該狀態(tài)下，通過(guò) 向存儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小S2來(lái)使采樣晶體管26b導(dǎo)通(時(shí)刻t5)，從而使對(duì)應(yīng)于蓄積在 浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的電荷的信號(hào)，即在噪聲信號(hào)N2上疊加了溢出后的信號(hào)S2 的信號(hào)通過(guò)像素輸出線(xiàn)141輸出，并將其保持在電容25b中。因此，保持在電容25b中的是 反映了蓄積在蓄積電容36中的電荷量的S2+N2。 如上所述，在包括在一個(gè)存儲(chǔ)部22中的四個(gè)電容25a、25b、25c、25d中分別保持信 號(hào)S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此結(jié)束一個(gè)周期的圖像信號(hào)的獲取。如上所述，包括隨機(jī)噪聲和 固定模式噪聲的噪聲信號(hào)Nl、 N2和包括這些噪聲信號(hào)的信號(hào)是分別求出的。因此，通過(guò)從 電容25a、25b、25c、25d讀取各個(gè)信號(hào)之后對(duì)其進(jìn)行減法運(yùn)算處理，能夠獲得去除了噪聲信 號(hào)N1、N2的影響的高S/N的圖像信號(hào)。另外，由于從浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33溢出的電荷都能無(wú)廢棄 地加以利用，因此即使在強(qiáng)光入射的情況下也不易引起飽和，能夠獲得反映了該光的信號(hào)， 并且能夠確保大的動(dòng)態(tài)范圍。另外，關(guān)于能夠擴(kuò)大這樣的動(dòng)態(tài)范圍的詳細(xì)說(shuō)明例如在特開(kāi) 2006-245522號(hào)公報(bào)等文獻(xiàn)中有記載，因此在這里省略其說(shuō)明。
(B)光電荷蓄積時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)時(shí)的動(dòng)作模式 下面，說(shuō)明光電荷蓄積時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)時(shí)的動(dòng)作。圖14是光電荷蓄積時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)時(shí)的 驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，圖15是該動(dòng)作的各像素內(nèi)的示意電勢(shì)圖。 與光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)的最大的不同點(diǎn)是在光電荷蓄積期間，使傳送晶體管32 截止并將在光電二極管31中產(chǎn)生的光電荷蓄積在耗盡層中；光電荷蓄積期間使傳送晶體 管32截止；通過(guò)在光電荷蓄積期間的最后進(jìn)行噪聲信號(hào)Nl的采樣，使浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn) 生的暗電荷(和光電荷)不包括在S1信號(hào)中等。使傳送晶體管32截止是因?yàn)闉榱耸蛊鋿?極正下方的硅_絕緣膜界面處于蓄電狀態(tài)，從而使硅表面被空穴填充并防止來(lái)自硅_絕緣 膜界面的暗電荷的入侵。而且，由于光電荷蓄積時(shí)間長(zhǎng)，因此為了抑制耗電而使源極跟隨放 大器43的選擇晶體管38、41截止規(guī)定時(shí)間。 進(jìn)行光電荷蓄積之前，使小T、小C、小R處于高電平，使傳送晶體管32、蓄積晶體管 34以及重置晶體管35均導(dǎo)通(時(shí)刻t10)。由此，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36進(jìn)行重 置(初始化)。另外，此時(shí)，光電二極管 處于完全被耗盡的狀態(tài)。此時(shí)的電勢(shì)的狀態(tài)如圖15(a)所示。 之后，使小R處于低電平來(lái)使重置晶體管35截止時(shí)，在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn)生噪聲 信號(hào)N2，該噪聲信號(hào)N2等效于包括在該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、 源極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓的偏差引起的固定模式噪聲(參照?qǐng)D15(b))， 并且對(duì)應(yīng)于該噪聲信號(hào)N2的輸出電流流向像素輸出線(xiàn)141。所以，通過(guò)在該定時(shí)(時(shí)刻 tll)向存儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小N2來(lái)使采樣晶體管26d導(dǎo)通，從而在電容25d中保持通 過(guò)像素輸出線(xiàn)141輸出的噪聲信號(hào)N2。到此為止的動(dòng)作與上述的光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)的動(dòng) 作模式相同。 之后，使小C處于低電平來(lái)使蓄積晶體管34截止時(shí)，根據(jù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電 容36的各自的電容CFD、 Ccs之比，分配該時(shí)刻蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的電 荷。而且，使小T處于低電平來(lái)使傳送晶體管32截止，使小X也處于低電平來(lái)使源極跟隨 放大器43的兩個(gè)選擇晶體管38、41也截止(時(shí)刻t12)。由此，在光電二極管31和浮動(dòng)擴(kuò) 散區(qū)33之間形成勢(shì)壘，構(gòu)成能夠蓄積光電二極管31中的光電荷的狀態(tài)(參照?qǐng)D15(c))。
通過(guò)入射到光電二極管31中的光而產(chǎn)生的光電荷被蓄積在光電二極管31的電容 CPD中，但是若在光電二極管31中產(chǎn)生飽和，則飽和量以上的過(guò)剩的電荷會(huì)通過(guò)傳送晶體管 32疊加在如上述那樣根據(jù)電容比分配的噪聲信號(hào)上，并被蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中。而且， 入射強(qiáng)光而使浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33飽和時(shí)，電荷通過(guò)蓄積晶體管34被蓄積在蓄積晶體管36中 (參照?qǐng)D15(d))。 通過(guò)將蓄積晶體管34的閾值電壓適當(dāng)設(shè)定得比傳送晶體管32的閾值電壓還低， 能夠?qū)⒃诟?dòng)擴(kuò)散區(qū)33中飽和的電荷有效地傳送給蓄積電容36，而無(wú)需使其回到光電二 極管31側(cè)。由此，即使浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33的電容CFD小而能夠蓄積的電荷量少，也能無(wú)廢棄地 有效地利用溢出的電荷。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中的溢出前和溢出后的任意情況下所產(chǎn)生的 電荷都能作為輸出信號(hào)來(lái)加以利用。 若經(jīng)過(guò)了規(guī)定的光電荷蓄積時(shí)間，則使小X處于高電平來(lái)使選擇晶體管38、41導(dǎo) 通之后，向存儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小N1來(lái)使采樣晶體管26c導(dǎo)通，從而使對(duì)應(yīng)于在該時(shí)刻 (時(shí)刻t13)蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中的信號(hào)電荷的噪聲信號(hào)Nl通過(guò)像素輸出線(xiàn)141而輸 出，并將其保持在電容25c中。此時(shí)的噪聲信號(hào)N1中包含有因源極跟隨放大器43的晶體 管37的閾值電壓的偏差引起的固定模式噪聲。 之后，使小T處于高電平來(lái)使傳送晶體管32導(dǎo)通，將蓄積在光電二極管31中的光 電荷完全傳送給浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33 (參照?qǐng)D15(e))。緊接著(時(shí)刻tl4)，通過(guò)向存儲(chǔ)部22賦 予采樣脈沖小S1來(lái)使采樣晶體管26a導(dǎo)通，從而使對(duì)應(yīng)于蓄積在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33中的電荷 的信號(hào)通過(guò)像素輸出線(xiàn)141輸出，并將其保持在電容25a中。此時(shí)的信號(hào)是基于在之前的 噪聲信號(hào)N1上疊加了蓄積在光電二極管31中的電荷的信號(hào)，即疊加了溢出前的信號(hào)S1的 信號(hào)，因此是S1+N1。 之后，使小C處于高電平來(lái)使蓄積晶體管34導(dǎo)通時(shí)，在該時(shí)刻保持在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 33中的電荷和保持在蓄積電容36中的電荷被混合(參照?qǐng)D15 (f))。在該狀態(tài)(時(shí)刻115) 下，通過(guò)向存儲(chǔ)部22賦予采樣脈沖小S2來(lái)使采樣晶體管26b導(dǎo)通，從而使對(duì)應(yīng)于蓄積在浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33以及蓄積電容36中的電荷的信號(hào)通過(guò)像素輸出線(xiàn)141輸出，并將其保持在電 容25b中。此時(shí)的信號(hào)是S2+N2。
12
如以上所述，在一個(gè)存儲(chǔ)部22中包含的四個(gè)電容25a、25b、25c、25d中分別保持信 號(hào)S1+N1、 S2+N2、 Nl、 N2，以此結(jié)束一個(gè)周期的圖像信號(hào)的獲取。與光電荷蓄積時(shí)間短時(shí)的 動(dòng)作模式同樣，分別求出包括隨機(jī)噪聲和固定模式噪聲的噪聲信號(hào)Nl、 N2和包括這些噪聲 信號(hào)的信號(hào)。因此，從電容25a、25b、25c、25d讀取各個(gè)信號(hào)之后，通過(guò)進(jìn)行減法運(yùn)算處理， 能夠獲得去除了噪聲信號(hào)Nl、 N2的影響的高S/N的像素信號(hào)。另外，由于也能無(wú)廢棄地利 用從浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33溢出的電荷，因此即使在強(qiáng)光入射下也不易引起飽和，并且能夠獲得反 映了該光的信號(hào)，并能確保大的動(dòng)態(tài)范圍。 如上所述，由于提供給各像素10的控制信號(hào)小X、小T、小R、小C相同，因此能在所 有的像素10中同時(shí)進(jìn)行如上述的光電荷蓄積動(dòng)作以及從各像素10向存儲(chǔ)部22的信號(hào)的 傳送動(dòng)作。即，在上述一個(gè)周期中，一幀份的圖像信號(hào)被保持在圖3中的排列在存儲(chǔ)區(qū)域3a 的水平方向上的320個(gè)存儲(chǔ)部單元20內(nèi)的存儲(chǔ)部22中。通過(guò)反復(fù)進(jìn)行104次該動(dòng)作，在 所有的存儲(chǔ)部單元20內(nèi)的存儲(chǔ)部22中保持像素信號(hào)。第105次以后，按照再次向最上面 的存儲(chǔ)部單元20中寫(xiě)入像素信號(hào)的方式循環(huán)執(zhí)行保持動(dòng)作。例如，直到從外部賦予攝影停 止的指示信號(hào)為止，反復(fù)進(jìn)行這樣的動(dòng)作。賦予攝影停止的指示信號(hào)來(lái)中止攝影時(shí)，那個(gè)時(shí) 刻在存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b中保持最新的104幀份的像素信號(hào)。 另外，在各存儲(chǔ)部22中，如上所述，在已保持有一些信號(hào)的電容25中保持新的信 號(hào)時(shí)，為了廢棄此前的信號(hào)而需要執(zhí)行重置。因此，雖然未圖示，但是，各像素輸出線(xiàn)141上 分別連接有重置用的晶體管，重置某一個(gè)存儲(chǔ)部22的電容25時(shí)，使該存儲(chǔ)部22的采樣晶 體管26導(dǎo)通并且使與對(duì)應(yīng)的像素輸出線(xiàn)141連接的重置用晶體管導(dǎo)通，蓄積在電容25上 的信號(hào)通過(guò)采樣晶體管26、像素輸出線(xiàn)141被重置。執(zhí)行這樣的重置后，在電容25中保持 新的信號(hào)。 保持在各存儲(chǔ)部22的電容25中的信號(hào)依次使連接在同一個(gè)信號(hào)輸出線(xiàn)23上的 讀取晶體管27導(dǎo)通，從而進(jìn)行讀取。由于同一個(gè)存儲(chǔ)部22的四個(gè)讀取晶體管27a 27d 分別與不同的信號(hào)輸出線(xiàn)23a 23d連接，因此能夠同時(shí)讀取分別保持在同一個(gè)存儲(chǔ)部22 內(nèi)的四個(gè)電容25a 25d中的信號(hào)。而且，通過(guò)由未圖示的減法運(yùn)算電路進(jìn)行(S1+N1)-N1、 (S2+N2)-N2的減法運(yùn)算處理，能夠分別獲取去除了隨機(jī)噪聲和固定模式噪聲的Sl信號(hào)、S2 信號(hào)。另外，作為像素信號(hào)采用S1、S2的哪一個(gè)是按照以下方法進(jìn)行的以Sl的飽和信號(hào) 量以下的適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平為基準(zhǔn)(閾值)，根據(jù)在閾值以上還是小于閾值來(lái)分別選擇S1、 S2。由于在飽和信號(hào)量以下實(shí)施這樣的切換，能夠避免信號(hào)S1的飽和偏差的影響。
下面，根據(jù)圖16 圖18說(shuō)明從存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b依次讀取信號(hào)的動(dòng)作。圖16是從 存儲(chǔ)區(qū)域3a、3b依次讀取信號(hào)時(shí)的動(dòng)作時(shí)序圖，圖17是水平移位寄存器HSR的主要部分的 動(dòng)作時(shí)序圖，圖18是垂直移位寄存器VSR的主要部分的動(dòng)作時(shí)序圖。 作為一個(gè)事例，在圖11所示的第一幀的320個(gè)存儲(chǔ)部單元20中說(shuō)明左端側(cè)的存 儲(chǔ)部單元模塊50的讀取順序。首先，在左端的存儲(chǔ)部單元20-01中，從左向右按順序讀取 11像素份的圖9所示的水平方向的第一行的存儲(chǔ)部22的像素信號(hào)。通過(guò)激活水平移位寄 存器HSR1和垂直移位寄存器VSR1來(lái)選擇該存儲(chǔ)部單元20-01，并根據(jù)水平方向的讀取時(shí)鐘 H-CLK移動(dòng)從水平方向的左到右方向逐個(gè)使存儲(chǔ)部22的讀取晶體管27導(dǎo)通的脈沖信號(hào)。 該脈沖信號(hào)的一例是圖17所示的yl、 y2、 y3。這樣結(jié)束一行份的讀取時(shí)，賦予向垂直方向 進(jìn)行讀取的時(shí)鐘V-CLK，由此向接下來(lái)的第二行的存儲(chǔ)部22轉(zhuǎn)移，同樣從左向右進(jìn)行移動(dòng)并讀取ll像素份。根據(jù)該反復(fù)動(dòng)作，一直到第十二行的結(jié)束為止進(jìn)行像素信號(hào)的讀取。激 活該垂直方向的各行的讀取晶體管27的信號(hào)的一例是圖18所示的vl、v2、v3。
之后，這次通過(guò)激活水平移位寄存器HSR2和垂直移位寄存器VSR1，選擇右邊相鄰 的存儲(chǔ)部單元20-02，如圖16所示，讀取對(duì)象向該存儲(chǔ)部單元20-02轉(zhuǎn)移。這樣，與上述同樣 地，通過(guò)按行一列的順序逐個(gè)像素使各存儲(chǔ)部22的讀取晶體管27導(dǎo)通，從而讀取信號(hào)。這 樣，按順序?qū)⒋鎯?chǔ)部單元20的選擇進(jìn)行到存儲(chǔ)部單元20-10，在結(jié)束所述存儲(chǔ)部單元20-10 的第十二行的存儲(chǔ)部22的讀取時(shí)，完成一幀份的讀取。在其它存儲(chǔ)部單元模塊50中也與 上述動(dòng)作并行地執(zhí)行從對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)部單元的存儲(chǔ)部的信號(hào)的讀取。 如上所述，結(jié)束第一幀的所有像素信號(hào)的讀取后，接著開(kāi)始第二幀的像素信號(hào)的 讀取。即，由于通過(guò)激活水平移位寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR2來(lái)選擇圖ll所示的 第二行的存儲(chǔ)部單元中的左端的存儲(chǔ)部，因此按照與第一幀相同的順序執(zhí)行讀取，并通過(guò) 反復(fù)進(jìn)行該動(dòng)作來(lái)完成104幀為止的讀取。但是，這樣的讀取順序并不僅限于此，能夠進(jìn)行 適當(dāng)?shù)淖兏?如上所述，在上述實(shí)施例的固體攝像元件中，能夠在為了增加受光量而增大光電 二極管31的尺寸的同時(shí)，將光電荷迅速且以高效率傳送給浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)33。因此，即使如高 速的連續(xù)攝影那樣每幀的曝光時(shí)間短的情況下，也能提高檢測(cè)靈敏度或S/N，并能夠改善圖 像質(zhì)量。 另外，上述實(shí)施例是本發(fā)明所涉及的固體攝像元件及其制造方法的一例，顯然，在 本發(fā)明的宗旨范圍內(nèi)即使進(jìn)行適當(dāng)變形或修正、追加也會(huì)包括在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
一種固體攝像元件，配置有多個(gè)像素，其特征在于，各像素具備接受光而生成光電荷的光電二極管；形成在所述光電二極管的受光面的中央部的浮動(dòng)區(qū)域；和柵極配置成包圍所述浮動(dòng)區(qū)域的傳送晶體管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的固體攝像元件，其特征在于，從所述受光面的周邊部向中央部改變電勢(shì)，以使由所述光電二極管生成的光電荷集中 到受光面的中央側(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件，其特征在于，從所述光電二極管的受光面的周邊部向中央側(cè)，使注入到基板中的雜質(zhì)的濃度和/或 深度以?xún)A斜狀變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件，其特征在于，從所述光電二極管的受光面的周邊部向中央側(cè)，使注入到基板中的雜質(zhì)的濃度和/或 深度以?xún)A斜狀變化。
5. —種固體攝像元件的制造方法，用于制造權(quán)利要求2 4的任一項(xiàng)所述的固體攝像 元件，其特征在于，通過(guò)使用多個(gè)光掩模來(lái)改變雜質(zhì)離子的注入深度，從而從光電二極管的受光面的周邊 部向中央改變電勢(shì)。
6. —種固體攝像元件的制造方法，用于制造權(quán)利要求2 4的任一項(xiàng)所述的固體攝像 元件，其特征在于，通過(guò)使用多個(gè)光掩模來(lái)改變雜質(zhì)離子的注入量，從而從光電二極管的受光面的周邊部 向中央改變電勢(shì)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體攝像元件及其制造方法，在嵌入型光電二極管(31)的受光面的大致中央處形成浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(331)，按照包圍該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(331)的方式配置傳送晶體管(32)的柵極電極。通過(guò)使光電二極管(31)的p+型半導(dǎo)體區(qū)域、n型半導(dǎo)體區(qū)域或p型阱區(qū)域的雜質(zhì)濃度(或深度)從周邊部向中央以?xún)A斜狀變化，向pn結(jié)施加適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，形成從周邊向中央向下傾斜的電勢(shì)梯度。通過(guò)受光而產(chǎn)生的光電荷隨著電勢(shì)梯度而迅速匯集在中央處。另外，由于從光電二極管(31)的周邊到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(331)的最大移動(dòng)距離也短，因此即使光電荷蓄積時(shí)間短也能有效地收集光電荷。因此，通過(guò)有效利用在光電二極管(31)中產(chǎn)生的光電荷來(lái)提高檢測(cè)靈敏度。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101796643SQ20088010561
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者富永秀樹(shù), 近藤泰志, 須川成利 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人東北大學(xué);株式會(huì)社島津制作所