專利名稱：固態(tài)成像裝置和照相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及固態(tài)成像裝置及照相機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及一種 固態(tài)成像裝置以及設(shè)置有這種固態(tài)成像裝置的照相機(jī)。
背景技術(shù)：
固態(tài)成像裝置大致分為以CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感 器為代表的放大型固態(tài)成像裝置和以CCD (電荷耦合裝置)圖像傳感器為 代表的電荷轉(zhuǎn)移型成像裝置。
對(duì)于CMOS圖像傳感器，由于它的高性能和低功耗特性，以CMOS圖
置的圖像傳感器領(lǐng)域中。CMOS圖像傳感器設(shè)置為包括成像部分，具有規(guī) 則地布置成二維陣列的多個(gè)像素，每個(gè)像素包括數(shù)個(gè)像素晶體管和用作光電 轉(zhuǎn)換元件的光電二極管(PD);和圍繞成像部分配置的外圍電路。
外圍電路至少包括列電路(所謂的垂直驅(qū)動(dòng)單元)，沿列方向傳送信 號(hào)；和水平電路(所謂的水平驅(qū)動(dòng)單元)，順序地將通過(guò)列電路以列的方式 傳送的信號(hào)傳送至輸出電路。像素晶體管具有已知的構(gòu)造，例如，包括轉(zhuǎn)移、 重置、放大和選擇晶體管的四晶體管的電路構(gòu)造；或者包括除選擇晶體管之 外的轉(zhuǎn)移、重置和放大晶體管的三晶體管的電路構(gòu)造。
CMOS圖像傳感器通常通過(guò)布置多個(gè)單元像素作為一組來(lái)設(shè)置，其中每 個(gè)單元像素包括一個(gè)光電二極管和數(shù)個(gè)像素晶體管。近年來(lái)，像素尺寸的小 型化顯著。對(duì)于包括大量像素的CMOS成像傳感器，已知的是許多CMOS 圖像傳感器構(gòu)造為多個(gè)像素共用像素晶體管以減小每單元像素的像素晶體 管數(shù)量。
作為改善靈敏度同時(shí)保持分辨率且不降低像素尺寸的方法，已知的是通 過(guò)像素的傾斜布置(slant arrangement)改善靈敏度。此外，同樣已知的是改 善像素中的發(fā)光度信號(hào)靈敏度(luminosity signal sensitivity )，這是通過(guò)采用 白色像素或者可選擇的灰色像素來(lái)實(shí)現(xiàn)(參考日本未審查專利申請(qǐng)公開No.2003-199117、日本未審查專利申請(qǐng)公開No.2003-318375、日本未審查專 利申請(qǐng)公開No.2007-53731、和日本未審查專利申請(qǐng)公開No.2002-135792 )。 圖1示意性地示出在專利文件4中披露的包括白色像素的圖像傳感器。在該 圖像傳感器102中，如圖l所示， 一個(gè)單元通過(guò)在縱向和橫向分別包括兩個(gè) 像素，總共四個(gè)像素而形成，即，紅色像素101R、綠色像素101G、藍(lán)色像 素101B和白色像素大量布置在單元中以形成像素單元，并且大量如此形成 的像素單元結(jié)構(gòu)二維布置。順帶提及，對(duì)于像素的傾斜布置，注意到縱向和 橫向的分辨率可以保持，而傾斜方向的分辨率下降。
發(fā)明內(nèi)容
在固態(tài)成像裝置中，像素尺寸減小可能引起像素特性退化。例如，像素 區(qū)域減小直接導(dǎo)致入射光子數(shù)目的降低。也就是，每個(gè)像素的輸出降低，信 噪比惡化。另一方面，圖像傳感器模塊的小型化處于迫切需求中，并且增加 像素?cái)?shù)目的需求目前沒(méi)有降低。對(duì)于由減小的像素尺寸引起的像素特性退 化，單元像素的特性已經(jīng)通過(guò)改善制造工藝和像素結(jié)構(gòu)而改善，并且圖片圖 像的完成也通過(guò)圖像處理技術(shù)的發(fā)展而正在得到改善。然而，對(duì)于例如上述 靈敏度的純光學(xué)特性，包括混色的退化趨勢(shì)正以加速的步伐前進(jìn)，并具有適 當(dāng)?shù)墓鈺?huì)聚中的額外的困難。
另 一方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了使用白色像素的圖像傳感器102的問(wèn)題之一在于 與布置在相同成像部分中的分別用于紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)的 不同顏色的顏色像素101R、 101G和101B的光電二極管相比，用作白色像 素101W的光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管更迅速地飽和。對(duì)于具有相對(duì)較低的 工作電壓的圖像傳感器，例如CMOS圖像傳感器，光電二極管的耗盡電勢(shì) 相對(duì)較淺并且電荷積累的量不夠大。因此，如圖2示意性示出的，在提供有 紅色像素101R、綠色像素101G、藍(lán)色像素101B和白色像素101W的前述 圖像傳感器102中，在高密度光L入射的情形下無(wú)法采取合適的手段處理光 電二極管中引起的滿溢，隨后電荷3將從在先飽和的像素(圖中的白色像素 01W)泄漏而進(jìn)入鄰近的像素(圖中的紅色像素101R和藍(lán)色像素101B)， 也就是，發(fā)生了混色。因此，即使白色像素的發(fā)光度信號(hào)靈敏度增加，可以 處理的光量?jī)H僅至多到不使白色像素光電二極管飽和的程度。在該情形下， 對(duì)于其它顏色像素，例如紅色、綠色和藍(lán)色像素的輸出信號(hào)水平，每個(gè)只可以輸出光電二極管額定輸出范圍的大約二分之一 。
鑒于上述的和其它的困難，期望提供一種固態(tài)成像裝置，能夠有效地處 理強(qiáng)入射光并改善每個(gè)顏色像素的輸出范圍，同時(shí)通過(guò)包括白色像素尋求靈 敏度的改善，并且期望提供一種設(shè)置有這種固態(tài)成像裝置的照相機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，包括包括元件組的成像部分和圍
繞成像部分配置外的圍電路。元件組包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在 第一、第二和第三波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；白色光電轉(zhuǎn)換元 件，構(gòu)造為將在包括整個(gè)可見光范圍和部分紅外光范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信 號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光。在成像部分中，通過(guò) 包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來(lái)對(duì)應(yīng)于一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件 而形成單元，在該單元內(nèi)，白色光電轉(zhuǎn)換元件通過(guò)滿溢通路與遮光二極管元 件電連接。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照相機(jī)，包括固態(tài)成像裝置；光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)造為 將入射光引導(dǎo)至包括在固態(tài)成像裝置中的光電轉(zhuǎn)換元件；和信號(hào)處理單元， 構(gòu)造為處理來(lái)自固態(tài)成像裝置的輸出信號(hào)。固態(tài)成像裝置包括元件組，該元 件組包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長(zhǎng)范圍內(nèi)的 光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個(gè)可見光 范圍和部分紅外光范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和遮光二極管 元件，構(gòu)造為被遮光。通過(guò)包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來(lái)對(duì)應(yīng) 于一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在該單元內(nèi)，白色光電轉(zhuǎn)換元件通過(guò) 滿溢通路與遮光二極管元件電連接。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置至少包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光 二極管元件，該兩個(gè)元件通過(guò)滿溢通路彼此連接。通過(guò)該固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，當(dāng)高強(qiáng)度的光入射到白色光電轉(zhuǎn)換元件時(shí)，從白色光電轉(zhuǎn)換元件滿溢的 電荷進(jìn)入并積累在遮光二極管元件中。因此，白色光電轉(zhuǎn)換元件的飽和電荷 等于累計(jì)在白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件中的量的總和。另 一方面， 在每個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件中，電荷可以適當(dāng)?shù)胤e累以對(duì)于光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生 額定輸出水平的信號(hào)。
通過(guò)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，可以通過(guò)增加白色光電轉(zhuǎn)換元
件的飽和電荷量來(lái)改善發(fā)光度信號(hào)靈敏度。此外，改善了每個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換 元件的輸出信號(hào)范圍。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照相機(jī)，通過(guò)結(jié)合上述固態(tài)成像裝置可以獲得高靈敏度和高輸出的圖片圖像。
將參考下面的圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中
圖1是在圖像傳感器中包括白色像素的現(xiàn)有技術(shù)像素結(jié)構(gòu)的示意圖2是為了解釋現(xiàn)有技術(shù)難點(diǎn)而制作的包括于圖像傳感器中的像素結(jié)構(gòu)
的另 一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的主要部分的示意圖。
圖3是概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的構(gòu)造的圖； 圖4是圖解根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖5A是圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的一個(gè)
單元中的像素結(jié)構(gòu)的示意圖5B是沿圖5A的線A-A截取的橫截面圖； 圖5C是沿圖5A的線B-B截取的橫截面圖6A是圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的一個(gè) 單元中的像素的電子結(jié)構(gòu)的示意圖6B是圖解圖6A結(jié)構(gòu)的飽和電荷和輸出信號(hào)范圍的電勢(shì)示意圖7A是為了對(duì)比來(lái)圖解包括于一個(gè)單元中的像素的電子結(jié)構(gòu)的示意
圖7B是圖解圖7A結(jié)構(gòu)的飽和電荷和輸出信號(hào)范圍的電勢(shì)示意圖8A是包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的一個(gè)單元
中的白色光電二極管、遮光二極管、和滿溢路徑的橫截面圖8B是圖解示意性地示于沿圖8A的線x-x截取的橫截面圖中的結(jié)構(gòu)運(yùn)
行的電勢(shì)示意圖9是圖解根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖10是圖解根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖11是圖解根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的包括示范性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的成像部分
的主要部分的示意圖12是圖解根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的包括另一個(gè)示范性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的成
像部分的主要部分的示意圖13是圖解根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖14是概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的另一個(gè)構(gòu)造的圖15A是圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的一 個(gè)單元中的像素結(jié)構(gòu)的示意圖15B是沿圖15A的線C-C截取的橫截面圖； 圖15C是沿圖15A的線D-D截取的橫截面圖16A是圖解包括于根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的一個(gè)單元中的像素結(jié)構(gòu) 的示意圖16B是沿圖16A的線C-C截取的橫截面圖； 圖16C是沿圖16A的線D-D截取的橫截面圖； 圖17圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照相機(jī)構(gòu)造的簡(jiǎn)化示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖基于多個(gè)實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，然而，并不是要窮舉或
將本發(fā)明限制于實(shí)施例中所披露的和圖中所示出的內(nèi)容。
圖3概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像裝置或CMOS圖像 傳感器的裝置構(gòu)造。參考圖3，根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置1包括成像 部分3 (所謂的像素部分)，具有二維規(guī)則布置的多個(gè)像素2;和圍繞成像部 分3配置的外圍電路，例如垂直驅(qū)動(dòng)單元4、水平轉(zhuǎn)移單元5和輸出單元6。 每個(gè)像素2通過(guò)包括數(shù)個(gè)像素晶體管(MOS晶體管)Tr和用作光電轉(zhuǎn)換元 件的光電二極管PD來(lái)設(shè)置。
光電二極管PD形成有構(gòu)造為以入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化并積累光電轉(zhuǎn)換產(chǎn) 生的信號(hào)電荷的區(qū)域。在本示例中，該數(shù)個(gè)像素晶體管Tr包括四個(gè)MOS晶 體管，例如轉(zhuǎn)移晶體管Trl、重置晶體管Tr2、放大晶體管Tr3和選擇晶體管 Tr4。轉(zhuǎn)移晶體管Trl用作將積累在光電二極管PD中的光電信號(hào)電荷讀出至 浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)的晶體管。重置晶體管Tr2是將浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)的電 勢(shì)設(shè)定到預(yù)定值的晶體管。放大晶體管Tr3用來(lái)電學(xué)地放大讀出至浮置擴(kuò)散 區(qū)(FD)的信號(hào)電荷。選擇晶體管Tr4用于選擇像素線并將其中的像素信號(hào) 讀出至垂直信號(hào)線8。此外，盡管這里沒(méi)有示出，可選擇地，像素可以由光 電二極管和三個(gè)晶體管形成，這三個(gè)晶體管包括除選擇晶體管Tr4之外的轉(zhuǎn) 移、重置和放大晶體管。
在像素2的電路構(gòu)造中，轉(zhuǎn)移晶體管Trl的源極連接至光電二極管PD，轉(zhuǎn)移晶體管Trl的漏極與重置晶體管Tr2的源極連接。用作電荷電壓轉(zhuǎn)換裝 置的浮置擴(kuò)散區(qū)(PD)配置在轉(zhuǎn)移晶體管Trl和重置晶體管Tr2之間(等效 于轉(zhuǎn)移晶體管的漏極區(qū)和重置晶體管的源極區(qū))，且浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)與放
大晶體管Tr3的柵極連接。放大晶體管Tr3的源極連接選擇晶體管Tr4的漏 極。重置晶體管Tr2和放大晶體管Tr3的漏極都連接源電壓供給單元。此外， 選擇晶體管Tr4的源極與垂直信號(hào)線8連接。
垂直驅(qū)動(dòng)單元4構(gòu)造為分別提供行重置信號(hào)cJ)RST以公共地施加到布置 于一行中的像素的重置晶體管Tr2的柵極，提供行轉(zhuǎn)移信號(hào)cj) TRG以公共地 施加到布置在該行中的像素的轉(zhuǎn)移晶體管的柵極，以及提供行選擇信號(hào)4) SEL以公共地施加到布置在該行中的像素的選擇晶體管Tr4的柵極。
水平驅(qū)動(dòng)單元5設(shè)置為包括與每列的垂直信號(hào)線8連接的放大器或者 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，例如本示例中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器9;列選擇電路(開關(guān)裝 置)SW;和水平轉(zhuǎn)移線10(例如，由與數(shù)據(jù)位線同等數(shù)量的配線構(gòu)成的母 線)。本示例的輸出單元6設(shè)置為包括另 一個(gè)放大器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器和/或 信號(hào)處理電路，例如處理來(lái)自水平轉(zhuǎn)移線10的輸出的信號(hào)處理電路11;和 輸出緩沖器12。
固態(tài)成像裝置1構(gòu)造為來(lái)自每行上的像素2的信號(hào)通過(guò)每個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 9進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過(guò)依次被選擇的列選擇電路SW讀出至水平轉(zhuǎn)移線10， 并依次沿水平方向轉(zhuǎn)移。讀出至水平轉(zhuǎn)移線10的圖像數(shù)據(jù)依次通過(guò)信號(hào)處 理電路自輸出緩沖器輸出。
一般地，像素2的運(yùn)行如下進(jìn)行。首先，通過(guò)使轉(zhuǎn)移晶體管Trl和重置 晶體管Tr2的柵極為導(dǎo)通狀態(tài)(on-state),而將光電二極管PD中的電荷全 部清除。此后，使轉(zhuǎn)移晶體管Trl和重置晶體管Tr2的柵極為截止?fàn)顟B(tài) (off-state),進(jìn)行光電電荷積累。接著，在即將讀出積累在光電二極管PD 中的光電電荷之前，重置晶體管Tr2的柵極導(dǎo)通并且浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)的電 勢(shì)被重置。隨后，通過(guò)分別將重置晶體管Tr2的柵極改變至截止?fàn)顟B(tài)并把轉(zhuǎn) 移晶體管Trl的柵極改變至導(dǎo)通狀態(tài)，來(lái)自光電二極管PD的光電電荷被轉(zhuǎn) 移至浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)。放大晶體管Tr3構(gòu)造為基于其柵極接收的電荷電學(xué) 地放大信號(hào)電荷。另一方面，自即將電荷讀出前浮置擴(kuò)散區(qū)電勢(shì)的上述重置 時(shí)刻，選擇晶體管Tr4僅為當(dāng)前要讀出的像素為導(dǎo)通狀態(tài)，隨后已進(jìn)行電荷 -電壓轉(zhuǎn)換并由包括于當(dāng)前選定的像素中的放大晶體管Tr3提供的圖像信號(hào)讀出至水平信號(hào)線8。
此外，根據(jù)本實(shí)施例，在上述的固態(tài)成像裝置1中，構(gòu)造了像素，同時(shí) 尋求通過(guò)包括白色像素來(lái)改善靈敏度，從而能夠有效地處理強(qiáng)入射光并改善 每種顏色的像素的輸出范圍。也就是，盡管白色像素包括于本實(shí)施例的裝置 中，但是像素構(gòu)造為即使接收高強(qiáng)度入射光時(shí)也可以防止混色(混色由從白 色像素到鄰近像素的電荷泄漏引起)，而且可以得到每種顏色的像素的預(yù)定 輸出信號(hào)范圍而不被白色像素的飽和電荷量影響。這里注意，上述顏色像素 是每個(gè)包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件的顏色像素，顏色光電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)造為分別將 在第一、第二、和第三波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。也就是，設(shè)置為 上述顏色像素的是每個(gè)像素包括紅、綠、或藍(lán)基色濾色器，或者是每個(gè)像素
包括青、洋紅、或黃補(bǔ)色(complementary color )濾色器。
圖4是圖解包括于根據(jù)本發(fā)明第 一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置中的成像部分 的主要部分的示意圖。該圖概略地圖解了成像部分中的像素構(gòu)造，尤其是用 作構(gòu)成像素的光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管的布置構(gòu)造。在本實(shí)施例中，光電 轉(zhuǎn)換元件包括光電二極管組，該光電二極管組包括構(gòu)造為將在紅色(R)、 綠色(G)和藍(lán)色(B)的各個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的顏色光 電二極管PD (后面分別稱作紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg和 藍(lán)色光電二極管PDb);構(gòu)造為將在包括整個(gè)可見光范圍和部分紅外光范圍 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成另外的電信號(hào)的另一個(gè)光電二極管(后面稱作 白色光電二極管PDw);以及遮光的再一個(gè)二極管(后面稱作遮光二極管 Dls)。
這些光電二極管PDr、 PDg、 PDb和PDw以及二極管Dls布置成正方形
的布置，從而構(gòu)成沿垂直和水平方向各具有兩個(gè)、總共四個(gè)光電二極管的一
個(gè)單元，如稍后所述。也就是，在該單元內(nèi)，能夠允許光入射的兩個(gè)光電二
極管PD沿第一對(duì)角線配置，被金屬配線遮蔽的兩個(gè)二極管Dlsl和Dls2沿
與第一對(duì)角線垂直的第二對(duì)角線配置。能夠允許光入射的上述兩個(gè)光電二極
管中的一個(gè)是設(shè)置有紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)之一的濾色器的光
電二極管，即為紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg和藍(lán)色光電二極
管PDb中的一個(gè)。上述兩個(gè)光電二極管PD中的另一個(gè)是設(shè)置有透明濾色器
的白色光電二極管，不具有分離顏色的濾色器。
紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg和藍(lán)色光電二極管PDb的組以拜耳布置(Bayer arrangement)來(lái)配置。將入射光聚集到光電二極管PD 上的芯片上透鏡(on-chip lens ) 21只配置在每個(gè)具有光的開口的紅色光電二 極管PDr、綠色光電二極管PDg和藍(lán)色光電二極管PDb以及白色光電二極 管PDw之上。即，盡管光電二極管為正方形布置，但是芯片上透鏡21設(shè)置 為傾斜布置。此外，每個(gè)濾色器各自具有紅色、綠色和藍(lán)色的各種濾色器部 件以及白色(透明)濾色器部件。這些濾色器部件設(shè)置為傾斜布置，并且紅 色、綠色和藍(lán)色濾色器部件設(shè)置為拜耳布置。
此外，各個(gè)光電二極管和二極管(實(shí)質(zhì)上是各個(gè)像素)通過(guò)器件隔離區(qū) 而彼此隔開，同時(shí)白色光電二極管PDw和兩個(gè)遮光二極管Dlsl和Dls2通過(guò) 滿溢通路(overflow path ) 22而在每個(gè)上述的單元中相互連接。
圖5A、 5B和5C是示意性圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的固 態(tài)成像裝置的一個(gè)單元中的像素結(jié)構(gòu)的示意圖。參考圖5A，該單元形成為 包括沿垂直和水平方向各兩個(gè)、總共四個(gè)像素；沿一個(gè)對(duì)角線設(shè)置紅色、綠 色和藍(lán)色(RGB)顏色像素中的一個(gè)顏色像素2c和一個(gè)白色像素2w;沿另 一個(gè)對(duì)角線設(shè)置兩個(gè)遮光像素21s(21sl和21s2)。顏色像素2c、白色像素2w 和遮光像素21s每個(gè)通過(guò)例如雜質(zhì)區(qū)的器件隔離區(qū)23而進(jìn)行器件隔離。每個(gè) 像素2c、 2w和21s由光電二極管PDc (PDr、 PDg、或PDb )中的一個(gè)光電 二極管、PDw和二極管Dls以及數(shù)個(gè)像素晶體管Tr構(gòu)成。設(shè)置為圖中的數(shù) 個(gè)像素晶體管Tr的是具有轉(zhuǎn)移柵極電極25的轉(zhuǎn)移晶體管Trl、具有重置柵 極電極26的重置晶體管Tr2、具有放大柵極電極27的放大晶體管Tr3和具 有選擇柵極電極28的選擇晶體管Tr4。圖中的區(qū)域29是浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)， 區(qū)域30是源極區(qū)或者漏極區(qū)。
如圖5B(沿圖5A的線A-A截取的截面視圖)和5C(沿圖5A的線B-B 截取的截面視圖)所示，每個(gè)光電二極管這樣來(lái)形成通過(guò)在具有第一導(dǎo)電 類型(本示例中為p型)的半導(dǎo)體阱區(qū)31中設(shè)置具有與第一導(dǎo)電類型相反 的第二導(dǎo)電類型(即n型)的作為電荷積累區(qū)的半導(dǎo)體區(qū)32,并且通過(guò)在半 導(dǎo)體32的表面?zhèn)冗M(jìn)一步設(shè)置作為電荷積累層的p型半導(dǎo)體區(qū)33。器件隔離 區(qū)23由p型半導(dǎo)體區(qū)形成。
用于連接白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls (Dlsl, Dls2)的滿溢 通路22以p-或者n-區(qū)(即本示例中的n-區(qū))形成在器件隔離區(qū)23中。 位于沒(méi)有像素晶體管Tr形成在其表面?zhèn)鹊膮^(qū)域下方的滿溢通路22可以形成在相對(duì)淺的區(qū)域中，如圖5B所示。作為對(duì)比，位于像素晶體管Tr形成在其 表面?zhèn)鹊膮^(qū)域下方的另 一個(gè)滿溢通路22可以形成在距離像素晶體管Tr相對(duì) 深的區(qū)域中，如圖5C所示。
光電二極管PD (PDc, PDw)和二極管(Dls)每個(gè)由具有相同面積和 相同雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體區(qū)域形成。也就是，光電二極管PD和二極管(Dls) 可以形成為具有相同量的飽和電荷。
接著，將描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的運(yùn)行。當(dāng)光入射 到白色光電二極管PDw上時(shí)，信號(hào)電荷積累在白色光電二極管PDw中。如 果白色光電二極管PDw迅速飽和，則額外的信號(hào)電荷越過(guò)滿溢勢(shì)壘(J)V并 通過(guò)滿溢通路22進(jìn)入到鄰近的遮光二極管Dls (Dlsl, Dls2),并隨后積累 在遮光二極管中，如圖8A和8B所示。因此，白色像素2w的飽和電荷等于 三個(gè)二極管中積累量的總和，該三個(gè)二極管例如為具有入射光的白色光電二 極管PDw和相鄰的兩個(gè)遮光二4及管Dlsl和Dls2。另一方面，對(duì)于每個(gè)顏色 光電二極管PDr、 PDg和PDb,信號(hào)電荷的積累可以達(dá)到單獨(dú)的信號(hào)電荷飽 和量。
通過(guò)根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，由于白色像素2w的飽和電荷等 于三個(gè)二極管(例如一個(gè)白色光電二極管PDw和相鄰的兩個(gè)遮光二極管Dlsl 和Dls2)的總和，所以紅色、綠色和藍(lán)色像素2r、 2g和2b的輸出信號(hào)范圍 不會(huì)減小，即使白色像素2w的信號(hào)電荷迅速飽和。也就是，顏色像素2r、 2g和2b的光電二極管PDr、 PDg和PDb可以被利用到達(dá)各自的飽和電荷額 定量。如圖6A和6B的示意圖所示，來(lái)自白色像素2w和遮光像素21s的信 號(hào)電荷以三個(gè)獨(dú)立的步驟通過(guò)各自的轉(zhuǎn)移晶體管Trl讀出至每個(gè)浮置擴(kuò)散區(qū) (FD ) 28。因此，由于如前所述光電二極管PDc和PDw以及二極管PDlsl 和PDls2的尺寸相同，所以二極管可以通過(guò)以相同的設(shè)計(jì)制造。此外，由于 對(duì)于白色像素2w和每個(gè)顏色像素2c (2r、 2g、 2b )來(lái)說(shuō)光電二極管的飽和 電荷量相同，所以輸出信號(hào)范圍D也變得相同(見圖6B)。
順帶提及，還檢測(cè)了示于圖7A和7B中的進(jìn)一步試驗(yàn)性的結(jié)構(gòu)，其中 白色光電二極管PDw通過(guò)結(jié)合遮光二極管和白色光電二極管而形成，并且 一個(gè)單元通過(guò)使白色光電二極管PDw和顏色光電二極管PDc分為一組而形 成。在該結(jié)構(gòu)中，由于光電二極管PDc和PDw之間的尺寸彼此顯著不同， 所以有必要進(jìn)行為適合運(yùn)行而進(jìn)行各自的優(yōu)化。也就是，為了讀出白色光電二極管PDw中位于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)移柵極電極25的區(qū)域中的電荷el (見圖7A)，需 要產(chǎn)生電勢(shì)梯度使得朝向轉(zhuǎn)移柵極電極下方的溝道區(qū)域電勢(shì)變得更深。此 外，通過(guò)該結(jié)構(gòu)，由于白色信號(hào)的范圍Dw與顏色信號(hào)的范圍Dc相比較大， 如圖7B所示，所以隨后來(lái)自白色光電二極管的信號(hào)電荷在浮置擴(kuò)散區(qū)(FD ) 滿溢，除非電荷-電壓轉(zhuǎn)換速率下降。如果電荷-電壓轉(zhuǎn)換速率下降，則在低 的照明水平下裝置更容易受到電路噪音的影響。與上述的試驗(yàn)性結(jié)構(gòu)相反， 注意到剛才提到的不便并未在根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的裝置中發(fā)生。
此外，白色像素2w的光電二極管PDw以及紅色像素2r、綠色像素2g、 藍(lán)色像素2b的光電二極管PDr、 PDg和PDb并未彼此鄰近放置，并且遮光 二極管Dls形成在它們之間。結(jié)果，在紅色像素2r、綠色像素2g和藍(lán)色像 素2b中從一個(gè)光電二極管到另一個(gè)的電學(xué)混色，以及由遮光布線下方的光 折射和/或反射引起的光學(xué)混色得到了改善。此外，從白色像素2w到顏色像 素2c(2r、 2g、 2b)的信號(hào)電荷泄漏被抑制。即，可以改善顏色分離的能力。
如上所述，通過(guò)根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，通過(guò)包括白色像素2w 而尋求靈敏度的改善的同時(shí)，可以合適地處理強(qiáng)入射光并改善每個(gè)顏色像素 2r、 2g和2b的輸出信號(hào)范圍。也就是，可以改善發(fā)光度信號(hào)靈敏度，而不 會(huì)犧牲顏色信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。此外，通過(guò)設(shè)置遮光二極管Dls,可以抑制混 色并且可以改善顏色的再現(xiàn)性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，遮光區(qū)域的面積增加，空間上對(duì)應(yīng)于接收光 的光電二極管的開口的面積與芯片上透鏡的面積相比相對(duì)較小。也就是，這 意味著變得難以聚光。尤其是對(duì)于CMOS圖像傳感器，由于在最上層上的 金屬布線的開口和光電二極管的光接受表面之間距離相對(duì)較大，所以金屬布 線的開口的減小會(huì)造成降低靈敏度的危險(xiǎn)。在開口減小以及到光電二極管表 面的距離增大的情形下，設(shè)置內(nèi)部透鏡和/或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是有效的。
圖9是圖解用于根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的設(shè)置有內(nèi)部透鏡的固態(tài)成像裝 置的另一個(gè)構(gòu)造的示意圖。示于圖9中的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)具有相似于圖4 的像素構(gòu)造，其中構(gòu)造為接收入射光的像素，例如白色像素2w和顏色像素 2c (2r、 2g、 2b)代表地由單獨(dú)的符號(hào)(光電二極管PDA)示出，遮光像素 21s代表地由另一個(gè)單獨(dú)的符號(hào)(二極管Dls)示出。在在先形成的像素的上 部，通過(guò)包括多層金屬布線37以及形成在其間的層間絕緣膜36而形成多級(jí) 布線層38，濾色器40和芯片上透鏡21形成在該結(jié)構(gòu)上，并且在下方的平坦化膜39位于多級(jí)布線層38和濾色器40之間。最上層的金屬布線37也用作 遮光膜，遮光二極管Dls通過(guò)最上層的金屬布線37來(lái)遮蔽光。最上層的金 屬布線37的開口的面積37A形成為與芯片上透鏡21相比相對(duì)地較窄。
在本實(shí)施例中，內(nèi)部透鏡43由具有不同折射率的絕緣膜(例如氮化硅 膜41和氧化硅膜42)形成在與包括于接受光的像素中的光電二極管PDa相 對(duì)的區(qū)域中，例如在多級(jí)布線層38和濾色器40之間。作為內(nèi)部透鏡43,可 以合適地使用凸透鏡或者凹透鏡。由于其它的結(jié)構(gòu)特征類似于前述的根據(jù)第 一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)特征，所以在此省略其重復(fù)描述。
根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，通過(guò)形成內(nèi)部透鏡43，即使在開口 37A相對(duì)較窄的情形下，也可以改善到光電二極管PDa的聚光效率，并可以 防止靈敏度的下降。此外，由于其具有相似于第一實(shí)施例的像素結(jié)構(gòu)，所以 與第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的前述效果相似的效果也可以通過(guò)本結(jié)構(gòu)得到，例如改善 發(fā)光度信號(hào)靈敏度而不犧牲顏色信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色 的再現(xiàn)性等。
圖10是圖解用于根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的設(shè)置有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像 裝置的構(gòu)造的示意圖。在本示例中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)置有內(nèi)部透鏡。示于圖10 中的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)具有類似于圖4的像素構(gòu)造，其中接收入射光的像素， 例如白色像素2w和顏色像素2c (2r、 2g、 2b )由單獨(dú)的符號(hào)即光電二極管 PDa代表，遮光像素21s由另一個(gè)單獨(dú)的符號(hào)即二極管Dls代表。以與上述 參考圖9描述的方式相似的方式，通過(guò)包括多層金屬布線37以及形成在其 間的層間絕緣膜36而在在先形成的像素上形成多級(jí)布線層38,濾色器40 和芯片上透鏡21形成在該結(jié)構(gòu)上，并且在下方的平坦化膜39在多級(jí)布線層 38和濾色器40之間。最上層的金屬布線37也用作遮光膜，遮光二極管Dls 通過(guò)最上層的金屬布線37來(lái)遮蔽光。最上層的金屬布線37的開口的面積 37A形成為與芯片上透鏡21相比相對(duì)地較窄。
在本實(shí)施例中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44形成在與包括于接受光的像素中的光電二 極管PDA相對(duì)的區(qū)域中，即在形成在多級(jí)布線層38中的開口區(qū)域中。如圖 ll所示，例如，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44可以使用具有彼此不同的折射率的絕緣膜來(lái)形 成核部分44a和蓋部分(clad part) 44b來(lái)制造?？蛇x4奪地，如圖12所示， 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)在多級(jí)布線層38中的開口區(qū)域的側(cè)壁上形成反射金屬膜 45來(lái)制造。此外，內(nèi)部透鏡43使用彼此具有不同折射率的絕緣膜(例如氮
15化硅膜41和氧化硅膜42 )形成在多級(jí)布線層38和濾色器40之間與光電二 極管PDA相對(duì)的區(qū)域中。作為內(nèi)部透鏡43,可以合適地使用凸透鏡或者凹 透鏡。由于其它的結(jié)構(gòu)特征類似于前述的根據(jù)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)特征，所以 在此省略其重復(fù)描述。順帶提及，可選擇地，只具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44的構(gòu)造也 是可以的，省略內(nèi)部透鏡43。
根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像裝置通過(guò)形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44,即使在開口 37A 相對(duì)較窄的情形下，也可以改善到光電二極管PDa的聚光效率，并可以防止 靈敏度的下降。此外，由于其具有類似于第一實(shí)施例的像素結(jié)構(gòu)，所以與第 一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的前述效果相似的效果也可以通過(guò)本結(jié)構(gòu)得到，例如改善發(fā)光 度信號(hào)靈敏度而不犧牲顏色信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再 現(xiàn)性等。
圖13是圖解根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的示意圖。在本實(shí) 施例中，包括于遮光像素21s中的二極管Dls的面積形成為小于其它二^f及管 (例如包括于白色像素2w和顏色像素2r、 2g和2b中的二極管)中的至少 一個(gè)的面積。在本示例中，其形成為小于白色像素和顏色像素的光電二極 管——即PDW和PDc ( PDr、 PDg、 PDb )——的面積。由于固態(tài)成像裝置 的其它結(jié)構(gòu)特征與參考圖4的根據(jù)第一實(shí)施例的前述結(jié)構(gòu)特征相似，所以與 圖4對(duì)應(yīng)的部分由相同的表示方法示出，其重復(fù)描述在此省略。
在前述的第一實(shí)施例中，假設(shè)了正方形的布置來(lái)描述所有像素的光電二 極管和二極管。然而，遮光像素的二極管Dls (Dlsl、 Dls2)的飽和電荷量 不必與白色像素和顏色像素中的其它光電二極管PDw和PDc相同。例如， 在由于光譜特性而使來(lái)自白色像素的輸出成為來(lái)自綠色像素的輸出的大約 兩倍的情形下，飽和信號(hào)量可以通過(guò)減小遮光像素的二極管Dls的面積而在 白色像素和綠色像素之間平衡。
因此，通過(guò)根據(jù)第四實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，根據(jù)光譜特性，飽和信號(hào) 量可以通過(guò)將遮光像素的二極管Dls的面積減小至小于白色像素和顏色像素 中的其它光電二極管PDw和PDc的面積而在白色像素和例如紅色像素、綠 色像素和藍(lán)色像素的其它像素之間平衡。具有開口的像素的光電二極管PDw 和PDc (例如白色和顏色像素的光電二極管)的面積可以通過(guò)減小遮光像素 的二極管Dls的面積而增加，這也可以導(dǎo)致對(duì)聚光特性的改善做出貢獻(xiàn)。在 通過(guò)遮光像素的二極管Dls的上述面積減小而騰出的區(qū)域中，可以配置除光
16電二極管之外的像素構(gòu)成元件。例如，這些元件可以是在CMOS圖像傳感
器情形下的像素晶體管，或者在CCD圖像傳感器情形下的垂直轉(zhuǎn)移寄存器。
此外，與第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的前述效果相似的效果也可以通過(guò)本結(jié)構(gòu)得到，例 如改善發(fā)光度信號(hào)靈敏度而不犧牲顏色信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、抑制混色并從而改 善顏色的再現(xiàn)性等。
在第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，也可以結(jié)合分別示于圖9和圖10中的上述內(nèi) 部透鏡和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖14是概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像裝置或 CMOS圖像傳感器的構(gòu)造的圖。本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置通過(guò)布置多個(gè)組來(lái) 設(shè)置，在該多個(gè)組中除轉(zhuǎn)移晶體管之外的像素晶體管由多個(gè)像素共用，該多 個(gè)像素的每個(gè)設(shè)置有用作光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管，在本示例中，四個(gè)像
素設(shè)置了四個(gè)光電二極管(在下文，這種組被稱作共用像素)。
根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置51包括成像部分3 (所謂的像素部分)， 其中以二維陣列布置有多個(gè)共用像素(sharing pixel) 52;圍繞成像部分配置 的外圍電路，例如垂直驅(qū)動(dòng)單元4、水平轉(zhuǎn)移單元5和輸出單元6。每個(gè)共 用像素52包括用作光電轉(zhuǎn)換元件的多個(gè)光電二極管PD，即本示例中的四 個(gè)光電二極管PD;四個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管； 一個(gè)重置晶體管； 一個(gè)放大晶體管和 一個(gè)選擇晶體管。
在共用像素52的電^4勾造中，如圖14所示，這四個(gè)光電二極管PD( PD1 、 PD2、 PD3、 PD4)分別與對(duì)應(yīng)的四個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4 的源極連接，并且四個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4的漏極與一個(gè) 重置晶體管Tr2的源極連接。用作形成在各轉(zhuǎn)移晶體管Trll、 Trl2、 Trl3和 Trl4和重置晶體管Tr2之間的電荷-電壓轉(zhuǎn)換裝置的公共浮置擴(kuò)散區(qū)(FD ) 與一個(gè)放大晶體管Tr3的柵極連接。放大晶體管Tr3的源極與一個(gè)選擇晶體 管Tr4的漏極連接。重置晶體管Tr2和放大晶體管Tr3的漏極均與源電壓供 給單元連接。此外，選擇晶體管Tr4的源極與垂直信號(hào)線8連接。
行轉(zhuǎn)移信號(hào)(j)TRGl、 cf)TRG2、 (J) TRG3和4> TRG4分別施加至轉(zhuǎn)移晶 體管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4的柵極；行重置信號(hào)小RST施加至重置晶體 管Tr2的柵極；行選擇信號(hào)4> SEL施加至選擇晶體管Tr4的柵極。
由于垂直驅(qū)動(dòng)單元4、水平轉(zhuǎn)移單元5、輸出單元6等的構(gòu)造與前面參 考圖3所描述的相似。所以其重復(fù)描述在此省略。此外，圖15A、 15B和15C是圖解根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的共用像素 52的平面構(gòu)造的示意圖。根據(jù)本實(shí)施例的一組共用像素52包括沿垂直和水 平方向各兩個(gè)、總共四個(gè)像素。該作為共用像素52的一個(gè)組對(duì)應(yīng)于上述的 圖4、 5A、 5B和5C的單元，并且共用像素包括紅色、綠色和藍(lán)色光電二 極管中的一個(gè)顏色光電二極管PDc; —個(gè)白色光電二^f及管PDw;和兩個(gè)遮光 二極管Dls (Dlsl、 Dls2)。
在本實(shí)施例中，如圖15A所示，公共浮置擴(kuò)散區(qū)(FD) 54配置在結(jié)構(gòu) 的中部從而被共用。光電二極管PDw、 PDc和二極管Dlsl、 Dls2以2乘2 的布置配置，即它們中的兩個(gè)沿水平方向配置并且兩個(gè)沿垂直方向配置，從 而使公共浮置擴(kuò)散區(qū)(FD ) 54在該結(jié)構(gòu)的中部。每個(gè)轉(zhuǎn)移柵極電極55 ( 551 、 552、 553和554 )形成在每個(gè)光電二極管的角部分中。位于中部的浮置擴(kuò)散 區(qū)(FD) 54形成為十字形的平面形狀，在該十字形的中部具有高濃度區(qū)56 (在該示例中的n +區(qū))，在該十字形的每個(gè)臂部分具有低濃度區(qū)57 (在該 示例中的n區(qū))。為了要與這四個(gè)二極管PDw、 PDc、 PDlsl和PDls2公共地 連接，這里配置了具有n型源極區(qū)30/漏極區(qū)30和重置柵極電極26的重置 晶體管Tr2、具有n型源極區(qū)30/漏極區(qū)30和放大柵極電極27的放大晶體管 Tr3以及具有n型源極區(qū)30/漏極區(qū)30和選擇柵極電極28的選擇晶體管Tr4。
如圖15B (沿圖15A的線C-C截取的橫截面圖)和圖15C (沿圖15A 的線D-D截取的橫截面圖)所示，以與圖5B和5C相似的方式，每個(gè)光電 二極管PD這樣來(lái)形成通過(guò)在具有第一導(dǎo)電類型(本示例中為p型)的半 導(dǎo)體阱區(qū)31中設(shè)置具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型(即n型)并 作為電荷積累區(qū)的半導(dǎo)體區(qū)32,并且通過(guò)在n型半導(dǎo)體區(qū)32的表面?zhèn)冗M(jìn)一 步設(shè)置作為電荷積累層的p型半導(dǎo)體區(qū)33。器件隔離區(qū)23由p型半導(dǎo)體區(qū) 形成。
用于連接白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls ( Dlsl ， Dls2 )的滿溢 通路22以p-或者n-區(qū)(本示例中為n -區(qū))形成在器件隔離區(qū)23中。位 于沒(méi)有像素晶體管Tr形成在其表面?zhèn)鹊膮^(qū)域下方或者位于不橫跨像素晶體 管的區(qū)域中的滿溢通路22可以形成在相對(duì)淺的區(qū)域中，如圖15B和15C所示。
如圖15A、 15B和15C所示，光電二極管PD、 PDc、 PDw和二極管Dls (Dlsl、 Dls2)每個(gè)由具有相同面積和相同雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體區(qū)域形成。即，每個(gè)二極管形成為具有相同的飽和電荷量。然而，如前參考圖13所述，可
選擇地，二極管Dls的面積可以形成為小于其它光電二極管PDw和PDc的面積。
同樣地通過(guò)根據(jù)第五實(shí)施例的固態(tài)成像裝置，可以得到與第 一 實(shí)施例結(jié) 構(gòu)的前述效果相似的效果，例如改善發(fā)光度信號(hào)靈敏度而不犧牲顏色信號(hào)的 動(dòng)態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再現(xiàn)性等。
此外，在第五實(shí)施例中，由于轉(zhuǎn)移柵極電極55 ( 551到554 )形成為類 似三角形的形狀(包括梯形)，具有面對(duì)浮置擴(kuò)散區(qū)(FD) 54的凸出的頂部， 所以可以保證配置光電二極管的面積。因此，即使當(dāng)像素尺寸小型化時(shí)，入 射光也不會(huì)在聚光的過(guò)程中受轉(zhuǎn)移柵極電極妨礙并且可以充分保證飽和電 荷量。由于轉(zhuǎn)移柵極的溝道寬度形成為在浮置擴(kuò)散區(qū)(FD) 54 —側(cè)比光電 二極管PD —側(cè)寬，所以可以兼顧轉(zhuǎn)移晶體管的截止特性(cutoff characteristics)和電荷轉(zhuǎn)移特性。也就是，溝道寬度的這種改變導(dǎo)致溝道電 勢(shì)的改變，并且產(chǎn)生電場(chǎng)使得從光電二極管PD側(cè)到浮置擴(kuò)散區(qū)(FD) 54 的電勢(shì)變得較深。結(jié)果，改善了信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管Trl 截止時(shí)難于產(chǎn)生泄漏電流。
該泄漏電流抑制的原因?qū)⒚枋鋈缦?。在溝道寬度W全部恒定的情形下， 溝道電勢(shì)改變的量在光電二極管PD側(cè)和浮置擴(kuò)散區(qū)(FD) 54側(cè)相同。因 此，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極導(dǎo)通時(shí)，為了在溝道區(qū)域中施加轉(zhuǎn)移方向的電場(chǎng)而產(chǎn)生電勢(shì) 差，這使得即使轉(zhuǎn)移柵極截止也會(huì)引起大的電勢(shì)差量。作為對(duì)比，通過(guò)本實(shí) 施例的轉(zhuǎn)移柵極，由于在浮置漂移區(qū)(FD) 54側(cè)的電勢(shì)改變大，假設(shè)光電 二極管PD側(cè)和浮置擴(kuò)散(FD) 54側(cè)之間的溝道電勢(shì)差和上述轉(zhuǎn)移柵極導(dǎo) 通時(shí)相同，所以轉(zhuǎn)移柵極截止時(shí)可以使得電勢(shì)差較小。也就是，轉(zhuǎn)移柵極截 止時(shí)浮置擴(kuò)散(FD)側(cè)的溝道閉合程度加強(qiáng)，并由此泄漏電流減小。
接著，下面將描述根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的固態(tài)成像裝置。在上述的實(shí) 施例中，在設(shè)定照度和/或光閘(shutter)以使得信號(hào)電荷不泄漏至遮光像素 的條件下不需要讀出遮光像素中的信號(hào)電荷。
因此，根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的固態(tài)成像裝置構(gòu)造為當(dāng)為了不使信號(hào)電 荷泄漏至遮光像素而設(shè)定照度和/或光閘時(shí)遮光像素中的信號(hào)電荷不讀出。
根據(jù)第六實(shí)施例，要讀出的數(shù)據(jù)量可以減半。從而，如果保持幀速，則 電路的驅(qū)動(dòng)頻率可以減半，即可以抑制功率消耗。此外，如果維持電路驅(qū)動(dòng)頻率，則圖片圖像可以以兩倍的速度輸出。從而，與第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的前述 效果相似的效果也可以通過(guò)本結(jié)構(gòu)得到，例如改善發(fā)光度信號(hào)靈敏度而不犧 牲顏色信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再現(xiàn)性等。
本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置也可以用于CCD圖像傳感器。圖16A、 16B
和16C是圖解根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的用于CCD圖像傳感器的固態(tài)成像裝
置的示意圖。圖16A、 16B和16C示意性地示出了像素結(jié)構(gòu)，具體為成像部 分中一個(gè)單元的像素結(jié)構(gòu)。
盡管這里在圖中未示出，正如通常已知的，根據(jù)本實(shí)施例的CCD圖像 傳感器可以通過(guò)包括多個(gè)二維布置的像素、CCD結(jié)構(gòu)的垂直移位寄存器、 CCD結(jié)構(gòu)的水平移位寄存器、和輸出單元來(lái)設(shè)置，其中垂直移位寄存器構(gòu) 造為讀出每個(gè)像素行的信號(hào)電荷并沿垂直方向這樣該信號(hào)電荷，水平移位寄 存器構(gòu)造為接收從每個(gè)垂直移位寄存器轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷并沿水平方向轉(zhuǎn)移 該信號(hào)電荷。
參考圖16A,在本實(shí)施例中， 一個(gè)單元通過(guò)包括沿垂直和水平方向各兩 個(gè)、總共四個(gè)像素而形成。即，遮光二極管Dlsl和顏色光電二極管PDc(PDr、 PDg、 PDb)沿第一列重復(fù)配置，白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls2 沿第二列重復(fù)配置。以與圖4相似的方式，作為一個(gè)單元的四個(gè)二極管布置 為使得顏色光電二極管PDc和白色光電二極管PDw沿一條對(duì)角線配置，兩 個(gè)遮光二極管Dlsl和Dls2沿另一條對(duì)角線配置。
對(duì)于顏色光電二極管PDc，紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg 和藍(lán)色光電二極管PDb重復(fù)地沿垂直方向配置，當(dāng)整體上觀察成像部分時(shí)形 成顏色光電二極管的拜耳布置。對(duì)應(yīng)于沿第一列的二極管序列，例如通過(guò)n 型轉(zhuǎn)移溝道63、柵極絕緣膜64和轉(zhuǎn)移電極65形成第一列的垂直轉(zhuǎn)移寄存器 61 (見圖16B);對(duì)應(yīng)于沿第二列的二極管序列，例如通過(guò)轉(zhuǎn)移溝道63、柵 極絕緣膜64和轉(zhuǎn)移電極65相似地形成第二列的另 一個(gè)垂直轉(zhuǎn)移寄存器62。
每個(gè)光電二極管PD通過(guò)包括例如成為電荷積累區(qū)的n型半導(dǎo)體區(qū)66 和在半導(dǎo)體區(qū)66的表面上的p+積累區(qū)67而形成。盡管這里省略了具體細(xì) 節(jié)，但是每個(gè)都包括光電二極管PD和垂直轉(zhuǎn)移寄存器的單元像素通過(guò)溝道 停止區(qū)彼此隔開，溝道停止區(qū)由p+區(qū)和p-型半導(dǎo)體阱區(qū)形成。
遮光二極管Dlsl和顏色光電二極管PDc的電荷讀出至第一列的垂直轉(zhuǎn) 移寄存器61,而白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls2的電荷讀出至第二列的垂直轉(zhuǎn)移寄存器62。
在形成單元的以2乘2的布置配置的四個(gè)二極管中，第一列中的遮光二 極管Dlsl和第二列中的白色光電二極管PDw通過(guò)滿溢通路22連接，第二 列中的白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls2通過(guò)另 一個(gè)滿溢通路22連 接。在垂直轉(zhuǎn)移寄存器61上伸展的滿溢通路22形成在相對(duì)深的位置，如圖 16B所示(沿圖16A的線E-E截取的截面圖)；而不在垂直轉(zhuǎn)移寄存器61 和62上伸展的另 一個(gè)滿溢通路22形成在相對(duì)淺的位置中，如圖16C所示(沿 圖16A的線F-F截取的截面圖)。由于滿溢通路22的其它特征以及芯片上透 鏡、濾色器等的結(jié)構(gòu)類似于先前參考圖4所描述的，所以其重復(fù)描述在此省 略。
此外，對(duì)于根據(jù)本實(shí)施例的CCD圖像傳感器，也可以適當(dāng)?shù)匾胍恍?上述特征，例如使遮光二極管Dls的面積小于其它光電二極管的構(gòu)造、內(nèi)部 透鏡、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。
同樣地根據(jù)第七實(shí)施例的CCD成像傳感器，由于像素結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施 例采用的像素結(jié)構(gòu)相似，所以可以得到相似的效果，例如改善發(fā)光度信號(hào)靈 敏度而不犧牲顏色信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再現(xiàn)性等。
盡管已經(jīng)在上述實(shí)施例中描述了包括紅、綠和藍(lán)基色濾色器的顏色像素 結(jié)構(gòu)的示例，但是該結(jié)構(gòu)不局限于這些示例，顏色像素結(jié)構(gòu)可以包括青、洋 紅和黃互補(bǔ)色濾色器。
圖17是圖解設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的上述CMOS或者CCD固態(tài)成 像裝置的照相機(jī)的構(gòu)造的簡(jiǎn)化示意圖。參考圖17,根據(jù)本實(shí)施例的照相機(jī) 70通過(guò)包括光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)透鏡)71、固態(tài)成像裝置72和信號(hào)處理電路73 而設(shè)置。作為要包括于照相機(jī)中的固態(tài)成像裝置72,可以采用具有上述實(shí)施 例中描述的像素結(jié)構(gòu)的任一個(gè)固態(tài)成像裝置，并優(yōu)選在第 一或第四實(shí)施例中 詳細(xì)描述的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實(shí)施例的照相機(jī)也可以還可以提供這樣的實(shí)施例 通過(guò)使光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)透鏡)71、固態(tài)成像裝置72和信號(hào)處理電路73模塊 化而形成照相機(jī)模塊。光學(xué)系統(tǒng)71在固態(tài)成像裝置72的成像表面上將光圖 像(入射光)成像。從而，信號(hào)電荷在固態(tài)成像裝置72的光電轉(zhuǎn)換元件中 積累固定的時(shí)間段。信號(hào)處理單元73對(duì)來(lái)自固態(tài)成像裝置72的輸出信號(hào)提 供大量的信號(hào)處理，隨后輸出處理了的信號(hào)。
通過(guò)本實(shí)施例的照相機(jī)，由于該照相機(jī)設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)
21成像裝置，可以得到高靈敏度和高輸出的圖片圖像。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，也可以提供各種電子裝置，例如包括圖17的上述 照相機(jī)或者照相機(jī)模塊的移動(dòng)裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在權(quán)利要求或其等同特征的范圍內(nèi)，可以根 據(jù)設(shè)計(jì)需要和其他因素來(lái)進(jìn)行各種修改、組合、部分組合及替換。
本發(fā)明包含于2008年2月26日提交至日本專利局的日本專利申請(qǐng)JP 2008-045213涉及的主題，將其全部?jī)?nèi)容引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1、一種固態(tài)成像裝置，包括包括元件組的成像部分，所述元件組包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個(gè)可見光范圍和部分紅外光范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光；以及外圍電路，圍繞所述成像部分配置，其中在所述成像部分中，通過(guò)包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來(lái)對(duì)應(yīng)于一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在所述單元內(nèi)，所述白色光電轉(zhuǎn)換元件通過(guò)滿溢通路與所述遮光二極管元件電連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述單元通過(guò)包括沿垂直和水平方向各兩個(gè)、總共四個(gè)元件而形成，第 一個(gè)是所述白色光電轉(zhuǎn)換元件，第二個(gè)是一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件，第三個(gè)是 所述遮光二極管元件，第四個(gè)是另一個(gè)遮光二極管元件，在該單元內(nèi)，所述 白色光電轉(zhuǎn)換元件與所述一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件成對(duì)角線配置，兩個(gè)所述遮 光二極管元件的每個(gè)都通過(guò)滿溢通路與所述白色光電轉(zhuǎn)換元件電連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件的組配置為形成拜耳布置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中所述成像部分還包括芯片上透鏡，每個(gè)芯片上透鏡在空間上對(duì)應(yīng)于所述 一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn)換元件并配置為形成傾斜像素布置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括內(nèi)部透鏡以用作聚光結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括光學(xué)波導(dǎo)以用作聚光結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中所述遮光二極管元件的面積小于所述光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn) 換元件中至少 一個(gè)的面積。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中在所述成像部分中，浮置擴(kuò)散區(qū)、放大晶體管和重置晶體管配置為被多 個(gè)所述元件共用。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述單元包括一個(gè)白色光電轉(zhuǎn)換元件和兩個(gè)遮光二極管元件。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件的組配置為形成拜耳布置。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括芯片上透鏡，每個(gè)芯片上透鏡在空間上對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn)換元件并配置為形成傾斜像素布置。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括內(nèi)部透鏡以用作聚光結(jié)構(gòu)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括光學(xué)波導(dǎo)以用作聚光結(jié)構(gòu)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述遮光二極管元件的面積小于所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光 電轉(zhuǎn)換元件中至少 一 個(gè)的面積。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述第一波長(zhǎng)范圍是藍(lán)色濾色器的波長(zhǎng)范圍，所述第二波長(zhǎng)范圍是綠色 濾色器的波長(zhǎng)范圍，而所述第三波長(zhǎng)范圍是紅色濾色器的波長(zhǎng)范圍。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述第一波長(zhǎng)范圍是青色濾色器的波長(zhǎng)范圍，所述第二波長(zhǎng)范圍是洋紅 色濾色器的波長(zhǎng)范圍，而所述第三波長(zhǎng)范圍是黃色濾色器的波長(zhǎng)范圍。
17、 一種照相4幾，包括 固態(tài)成像裝置；光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)造為將入射光引導(dǎo)至包括在所述固態(tài)成像裝置中的光電轉(zhuǎn) 換元件；和信號(hào)處理單元，構(gòu)造為處理來(lái)自所述固態(tài)成像裝置的輸出信號(hào)； 其中所述固態(tài)成像裝置包括元件組，所述光電轉(zhuǎn)換元件組包括顏色光 電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個(gè)可見光范圍和部分紅外光范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光；并且其中通過(guò)包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來(lái)對(duì)應(yīng)于一個(gè)顏色 光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在所述單元內(nèi)，所述白色光電轉(zhuǎn)換元件通過(guò)滿溢 通路與所述遮光二極管元件電連接。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的照相機(jī)，其中所述單元通過(guò)包括沿垂直和水平方向各兩個(gè)、總共四個(gè)元件而形成，第 一個(gè)是所述白色光電轉(zhuǎn)換元件，第二個(gè)是所述一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件，第三 個(gè)是所述遮光二極管元件，第四個(gè)是另一個(gè)遮光二極管元件，在該單元內(nèi)， 所述白色光電轉(zhuǎn)換元件與所述一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件成對(duì)角線配置，兩個(gè)所 述遮光二極管元件的每個(gè)通過(guò)滿溢通路與所述白色光電轉(zhuǎn)換元件電連接。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件的組配置為形成拜耳布置。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的固態(tài)成像裝置，其中所述固態(tài)成像裝置還包括芯片上透鏡，每個(gè)芯片上透鏡在空間上對(duì)應(yīng)于 所述一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn)換元件并配置為形成傾斜像 素布置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像裝置和照相機(jī)。該固態(tài)成像裝置包括元件組，該元件組至少包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個(gè)可見光范圍和部分紅外光范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光。通過(guò)包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來(lái)對(duì)應(yīng)于一個(gè)顏色光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在該單元內(nèi)，白色光電轉(zhuǎn)換元件通過(guò)滿溢通路與遮光二極管元件電連接。
文檔編號(hào)H04N5/374GK101521216SQ200910008380
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者工藤義治 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社