專利名稱：固態(tài)圖像拾取器件及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)圖像拾取器件以及控制固態(tài)圖像拾取器件的方法，更具體地講，本發(fā)明涉及一種具有阻性柵極垂直電荷轉移單元的固態(tài)圖象拾取器件及其控制方法。
行間型電荷耦合器件是固態(tài)圖象拾取器件的一個典型的例子。行間型電荷耦合器件包括一個光電二極管陣列，多個垂直移位寄存器和一個水平移位寄存器。光電二極管陣列具有多列光電二極管，并且垂直移位寄存器設置在各列光電二極管之間。一個電荷轉移區(qū)和電荷轉移區(qū)上面的轉移電極形成垂直移位寄存器，并且對轉移電極提供一個電荷轉移信號以便順序地改變轉移電極下的電位電平，垂直移位寄存器把全部電荷分組或每隔一個的電荷分組從相關的光電二極管列輸送到水平移位寄存器。
垂直移位寄存器分階段地轉移電荷分組，并且打算把所有從相關二極管列供給的電荷分組累計起來。但是，當元件縮小時，將不能提供足夠的容量。
HendricHeyns等人在“阻性柵極CTD區(qū)域圖像傳感器(′TheResistiveGateCTDArea-ImageSensor′，IEE-EtransactiononElectronDevices，vol.ED-25，No.2，pages135to139，F(xiàn)ebruary1978)”公開了一種解決這種問題的方法。根據(jù)此文，在阻性柵極的兩端提供一個恒定的電位差，以便沿阻性柵極產(chǎn)生一個梯度電荷轉移溝道，并且通過該梯度電荷轉移溝道轉移一個電荷分組。對每行光電二極管進行電荷轉移，并且打算用每個垂直電荷轉移元件從一個光電二極管轉移電荷分組。為此，可以減小分配給垂直電荷轉移元件的區(qū)域。這導致了分配給光電二極管區(qū)域的增大。


圖1和2示出了現(xiàn)有技術的具有阻性柵極電荷轉移器件或元件的區(qū)域圖像傳感器，圖3和4示出了垂直電荷轉移元件和光電二極管。為了更好地理解，從圖1和3所示的布置中以及圖2所示的結構中除去了一個光屏蔽板。現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器制造在一個p型半導體芯片1上，并且光電二極管2和n型電荷轉移區(qū)3形成在p型半導體芯片1的表面部分。光電二極管2有一種MOS(金屬-氧化物-半導體)結構，并且光電二極管2排列成行和列。光電二極管2的列與n型電荷轉移區(qū)3交替排列，并且每列光電二極管2與n型電荷轉移區(qū)3之一相關。在圖3中，用陰影線示出n型電荷轉移區(qū)3。重摻雜p型溝道截斷環(huán)4使光電二極管2與非相關n型電荷轉移區(qū)3電隔離，并提供了用于產(chǎn)生光電荷的p-n結。溝道電位設計為2伏左右。
p型半導體基片1的主表面由一絕緣層5覆蓋，并且在絕緣層5上圖形化高阻性多晶硅的阻性柵電極6。阻性柵電極6具有迭加在n型溝道電荷轉移區(qū)3之上的梯度電位電極部分6a和連接在梯度電位電極部分6a和恒壓電源7a/7b之間的公用電極部分6b/6c。恒壓電源7a通過公用電極部分6b向梯度電位電極部分6a施加高電位電平，其它恒壓電源7b通過其它的公用電極部分6c向梯度電位電極部分6a的其它端施加低電位電平。結果，沿梯度電位電極部分6a產(chǎn)生梯度電位。梯度電位電極部分6a，絕緣層5和n型電荷轉移區(qū)3組合形成了每個垂直電荷轉移元件。
阻性柵電極6由一個絕緣層8覆蓋，并且在絕緣層8上圖形化累積電極9。累積電極9垂直于梯度電位電極部分6a延伸，并且分別與光電二極管2的行相關。每個累積電極9每隔一段距離與相關行的光電二極管2上的絕緣層5保持接觸，攜帶圖像的光入射到光電二極管2的耗盡區(qū)。入射的光產(chǎn)生電荷分組，電荷分組在與絕緣層5保持接觸的累積電極9下面的勢阱中累積。
累積電極9連接于一個垂直移位寄存器10，并被有選擇地驅動以讀出電位電平。當垂直移位寄存器10改變一個累積電極9以讀出電位電平時，電荷分組被分別從相關行的光電二極管2讀出到n型電荷轉移區(qū)3，并且電極部分6a中的梯度電位將電荷分組向水平電荷轉移元件11移動。
轉移柵電極12a/12b在鄰近水平電荷轉移元件11的地方在n型電荷轉移區(qū)3的上方沿伸，并且在轉移柵電極12a/12b之間延伸著一個累積電極13。累積電極13覆蓋著一個絕緣層8，并且與梯度電位電極部分6a隔開，轉移電極12a/12b設置在累積電極13的兩側。
累積電極9和轉移電極12a/12b由一個透明絕緣層14覆蓋(見圖4)，并且在透明絕緣層14上圖形化一個鋁的光屏蔽層15。光屏蔽層15有孔15a，光電二極管2暴露于孔15a。光屏蔽層15防止光入射到n型電荷轉移區(qū)3。
n型電荷轉移區(qū)3連接于抗散焦漏極區(qū)16，一個抗散焦電極17把過量的光電荷從n型電荷轉移區(qū)3掃向抗散焦漏極區(qū)16。水平電荷轉移元件11連接于一個輸出電路18，并且從電路18輸出一個圖像信號。
公用電極部分6c和6b之間的電位差產(chǎn)生沿梯度電位電極部分6a的梯度電位，并且梯度電位使得勢阱向轉移柵極12a逐漸升高。電荷分組CP從一個光電二極管2轉移到n型電荷轉移區(qū)3，并由于梯度電位電平沿n型電荷轉移區(qū)3轉移。轉移柵極12a首先使其下的電位電平成為高電平，并使電荷分組CP在累積電極13下的勢阱中累積。接著，轉移柵極12b使得其下的電位電平變?yōu)楦唠娖?，而累積電極13使得其下的電位電平低于轉移柵極12b下的電位電平。隨后，電荷分組CP流向水平電荷轉移元件11。水平電荷轉移元件11把電荷分組CP傳送到輸出電路18，而輸出電路18將電荷分組CP轉換為相應的輸出電位。
如果梯度電位電極部分6a是4毫米并且在電極6a下產(chǎn)生的溝道兩端之間電位差是10伏，那么垂直電荷轉移元件在20微秒內傳送全部電荷分組。20微秒的時間周期短于NTSC標準中定義的63.5微秒的水平掃描時間。
圖6示出了現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器的電荷轉移操作。P-STE，P-AB，P-TGA，P-Select，P-STG，P-TGB和P-H分別代表一個施加于所有累積電極9的用來改變光電二極管2中的累積阱的電位電平的電位信號，一個施加于抗散焦電極17的抗散焦信號，一個施加于轉移電極12a的電位信號，一個有選擇地施加于累積電極9的行選擇信號，一個施加于累積電極13的電位信號，一個施加于轉移電極12b的電位信號和一個施加于水平電荷轉移元件11的柵電極的電荷轉移信號。
電位信號P-TGB從低電平VL-TGB轉變?yōu)楦唠娖絍H-TGB，并在時間周期T1中保持在高電平VH-TGB。在VH-TGB的電位信號P-TGB使得其下的電位電平成為高電平，并把在先前水平消隱周期中讀出的電荷分組傳送到水平電荷轉移元件11。電位信號P-TGB恢復到低電平，并使累積電極13下的勢阱與水平電荷轉移元件11電隔絕。
攜帶圖像的光照射在光電二極管陣列2上，光電二極管2產(chǎn)生與攜帶圖像的光的部分的強度成正比的光電載流子，并使光電載流子累積在其中。
在時間T2把抗散焦信號P-AB從高電平VH-AB轉變?yōu)榈碗娖絍L-AB，并使n型電荷轉移區(qū)3與抗散焦漏極區(qū)16電隔離。在時間T2電位信號P-TGA也從低電平VL-TGA轉變?yōu)楦唠娖絍H-TGA，并從n型電荷轉移區(qū)3和轉移柵極12a下的勢阱之間消除勢壘。
在時間T2行選擇信號從高電平VH-Select轉變?yōu)榈碗娖絍L-Select，并把光電載流子作為電荷分組從選定的光電二極管2行讀取到n型電荷轉移區(qū)3。把行選擇信號P-Select恢復到高電平VH-Select。梯度電位沿n型電荷轉移區(qū)3轉移電荷分組，并把電荷分組累積在累積電極13下的勢阱中。轉移柵極12b下的勢壘使得電荷分組不能流入水平電荷轉移元件11。
在時間周期T3期間反復地向水平電荷轉移元件11的柵電極施加電荷轉移信號P-H，并把先前的電荷分組轉移到輸出電路18。
在把先前的電荷分組轉移到輸出電路18的同時，電位信號P-TGA在時間T4恢復為高電平VH-TGA，抗散焦信號P-AB同時地轉變?yōu)榈碗娖絍L-AB，并且在時間T4也把電位信號P-STE轉變?yōu)榈碗娖絍L-STE。轉移柵極12a下的勢壘使累積電極13下的勢阱與n型電荷轉移區(qū)3相互隔絕，并把n型電荷轉移區(qū)3連接于抗散焦漏極區(qū)16。光電二極管2中的勢壘變淺，過量的光電載流子被掃入n型電荷轉移區(qū)3。梯度電位沿n型電荷轉移區(qū)3轉移剩余的光電載流子，并把過量的光電載流子掃入抗散焦漏極區(qū)16。
在時間T5電位信號P-STE恢復到高電平VH-STE，并使光電二極管2中的勢阱變高。然后，攜帶圖像的光產(chǎn)生光電載流子，并使光電載流子再次在光電二極管2中累積。
在時間周期T6期間，電荷分組被從累積電極13下的勢阱轉移到水平電荷轉移元件11，并在時間周期T7期間被轉移到輸出電路18。
現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器存在著從輸出電路18輸出的電位信號失真的問題。如圖6中所示，在水平電荷轉移元件11向輸出電路18轉移電荷分組的同時，抗散焦信號P-AB把剩余的光電載流子掃入抗散焦漏極區(qū)16，并且抗散焦信號P-AB和電位信號P-TGA/P-STE的電位變化對從輸出電路18輸出的電位信號具有電影響。使得輸出電位信號變形，和不能代表入射在光電二極管陣列2上的圖像。
因此，本發(fā)明的一個重要目的是要提供一種不受抗散焦操作影響的固態(tài)圖像拾取器件。
本發(fā)明的另一個重要目的是要提供一種控制固態(tài)圖像拾取器件的方法。
本發(fā)明人仔細考慮了這一問題，并且注意到垂直溢流漏極將解決這一問題。垂直溢流漏極直接將過量光電載流子從光電二極管掃入半導體基片。但是，當把垂直溢流漏極與具有阻性柵電極的垂直電荷轉移元件組合在一起時，這種組合需要高電平驅動信號。具體地講，具有垂直溢流漏極的固態(tài)圖像拾取器件要求從光電二極管讀取到垂直移位寄存器的電位信號高于行選擇信號。如果要求光電二極管有大的容量，那么讀出電位信號將更高。較高的讀出電位信號導致累積電極和水平電荷轉移元件的電荷轉移區(qū)下的勢阱的電位電平高于現(xiàn)有技術的電平，因此，輸出電路需要在復位漏極中有較高的電位電平。為了保持復位漏極中的電位電平，必須使累積電極上的電位信號的振幅和水平電荷轉移元件的電荷轉移信號的振幅寬于現(xiàn)有技術的電荷轉移器件的振幅。
在這種情況下，本發(fā)明人集中其精力于控制具有垂直溢流漏極和阻性柵極電荷轉移單元的固態(tài)圖像拾取器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制造在一個半導體器件上的固態(tài)圖像拾取器件，其包括多個用于從攜帶圖像的光產(chǎn)生電荷分組的光-電轉換器件，多個具有相應的電荷轉移溝道區(qū)和分別電容耦合于電荷轉移溝道區(qū)的相應的阻性柵電極的阻性柵極電荷轉移單元，多個具有分別連接在多個光-電轉換器件和電荷轉移溝道區(qū)之間的相應的第一轉移柵極溝道區(qū)并且有選擇地在導通狀態(tài)和截止狀態(tài)之間改變以向電荷轉移溝道區(qū)轉移特定電荷分組的第一轉移柵極元件，多個可連接于電荷轉移溝道區(qū)用于累積電荷分組的電荷累積勢阱，一個可電連接于多個電荷累積勢阱的用于向一個輸出電路轉移電荷分組的水平電荷轉移單元，一個連接于阻性柵電極的第一端和比第一端更靠近水平電荷轉移單元的阻性柵電極的第二端的電位梯度產(chǎn)生器件，和一個形成在多個光-電轉換器件之下的用于從多個光-電轉換器件接收過量電荷的垂直溢流漏極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種控制包括多個用于從攜帶圖像的光產(chǎn)生電荷分組的光-電轉換器件，多個具有相應的電荷轉移溝道區(qū)和分別電容耦合于電荷轉移溝道區(qū)的相應的阻性柵電極的阻性柵極電荷轉移單元，多個具有分別連接在多個光-電轉換器件和電荷轉移溝道區(qū)之間的相應的第一轉移柵極溝道區(qū)并且有選擇地在導通狀態(tài)和截止狀態(tài)之間改變以向電荷轉移溝道區(qū)轉移特定電荷分組的第一轉移柵極元件，多個可連接于電荷轉移溝道區(qū)用于累積電荷分組的電荷累積勢阱，一個可電連接于多個電荷累積勢阱的用于向一個輸出電路轉移電荷分組的水平電荷轉移單元，和一個連接于阻性柵電極的第一端和比第一端更靠近水平電荷轉移單元的阻性柵電極的第二端的電位梯度產(chǎn)生器件的固態(tài)圖像拾取器件的方法，該方法包括步驟a)分別使第一端下的電荷轉移溝道區(qū)中的電位電平高于導通狀態(tài)下的第一轉移柵極溝道區(qū)中的電位電平，以便通過第一轉移柵極溝道區(qū)向電荷轉移溝道區(qū)轉移特定的電荷分組，b)將開關元件改變?yōu)榻刂範顟B(tài)，和c)把第一端下的電荷轉移溝道區(qū)中的電位電平改變?yōu)榈陀诘谝欢讼碌碾姾赊D移溝道區(qū)中在步驟a)的電位電平和第二端下的電荷轉移溝道區(qū)中的電位電平并且高于在截止狀態(tài)的第一轉移柵極溝道區(qū)中的電位電平的某一電平，以便向多個電荷累積勢阱轉移特定的電荷分組。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種控制包括多個用于從入射光產(chǎn)生電荷分組的光-電轉換元件，多個分別具有相應的電荷轉移溝道區(qū)和相應的電容耦合于電荷轉移溝道區(qū)的阻性柵電極的阻性柵極垂直電荷轉移單元，多個分別具有連接在多個光-電轉換元件和電荷轉移溝道區(qū)之間的相應的第一溝道區(qū)和電容耦合于第一溝道區(qū)的第一轉移柵電極的用于分別從選擇的光-電轉換元件向電荷轉移溝道區(qū)轉移特定電荷分組的第一轉移柵極元件，一個可電連接于電荷轉移溝道區(qū)用于向一個輸出電路轉移電荷分組的水平電荷轉移單元，和一個連接于阻性柵電極的第一端和比第一端更靠近水平電荷轉移單元的阻性柵電極的第二端的控制器件的固態(tài)圖像拾取器件的方法，該方法包括步驟a)從控制器件分別向第一端和第二端提供一個第一電位電平和一個第二電位電平，以便增加選擇的光-電轉換元件與電荷轉移溝道區(qū)之間的電位差，b)從控制器件向第一轉移柵電極提供一個第三電位電平，使得能夠把電荷分組從選擇的光-電轉換器件通過第一溝道區(qū)向電荷轉移溝道區(qū)轉移，和c)從控制器件向第一端提供第四電位電平，以便沿電荷轉移溝道區(qū)增加電位梯度，因而使多個阻性柵極垂直電荷轉移單元能夠向水平電荷轉移單元轉移電荷分組。
結合附圖，通過以下的說明可以對固態(tài)圖像拾取器件和方法的特征和優(yōu)點有更清楚的理解，其中圖1是顯示現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器的布置的平面圖；圖2是沿圖1的A-A線的剖視圖，顯示了現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器的結構；圖3是顯示與現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器結合的光電二極管和垂直電荷轉移元件的布置的平面圖；圖4是沿圖3的B-B線的剖視圖，顯示了垂直電荷轉移元件和光電二極管的結構；圖5是顯示沿垂直電荷轉移元件產(chǎn)生的導帶的底緣的電位圖；圖6是顯示在現(xiàn)有技術的區(qū)域圖像傳感器中進行的電荷轉移的定時圖；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取器件的布置的平面圖；圖8是沿圖7的C-C線的剖視圖，顯示了光電二極管，一個垂直溢流漏極和垂直電荷轉移單元的結構；圖9是沿圖7的D-D線的剖視圖，顯示了垂直電荷轉移單元的結構；圖10是顯示控制根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取器件的方法的定時圖；圖11是顯示電位電平沿電荷傳播路徑變化的視圖；圖12是顯示控制根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取器件的另一種方法的定時圖；圖13是顯示電位電平沿電荷傳播路徑變化的視圖；圖14是顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個固態(tài)圖像拾取器件的布置的平面圖；圖15是顯示控制圖14中所示的固態(tài)圖像拾取器件的方法的定時圖。
參考附圖中的圖7，8和9，一個體現(xiàn)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取器件制造在一個n型硅基片31上。為了更好的理解，從圖7中所示的布置中除去了一個光屏蔽層和一個電平間絕緣層。為了同樣的目的，從圖9中所示的結構中除去了光屏蔽層，電平間絕緣層和轉移電極。
在n型硅基片31的表面部分像一個梳子一樣形成一個p型阱32，以及n型阱33和一個在n型阱33之間延伸的p型阱34。重摻雜p型雜質區(qū)35形成在n型阱33中，n型阱33和重摻雜p型雜質區(qū)35形成了光電二極管36。光電二極管36排列成行和列，并把攜帶圖像的光轉變?yōu)楣怆娸d流子。n型電荷轉移溝道區(qū)37形成在p型阱34的表面部分，并且分別與光電二極管36的列相關。光電二極管36的列可通過p型阱32的表面部分分別與相關的n型電荷轉移溝道區(qū)37實現(xiàn)電連接，和利用重摻雜p型溝道截斷環(huán)區(qū)38與非相關n型電荷轉移溝道區(qū)37實現(xiàn)電絕緣。
n型電荷轉移溝道區(qū)37，重摻雜p型溝道截斷環(huán)區(qū)38，重摻雜p型雜質區(qū)35和p型阱32的表面部分由氧化硅層39覆蓋，并且氧化硅層39對攜帶圖像的光是透明的。
在氧化硅層39上形成阻性多晶硅的梯度電位電極40，并且梯度電位電極40分別疊加在n型電荷轉移溝道區(qū)37上。每個梯度電位電極，氧化硅層39和每個p型阱34中形成的n型電荷轉移溝道區(qū)37作為一個整體構成一個阻性柵極垂直電荷轉移單元41，并且阻性柵極垂直電荷轉移單元41與光電二極管36交替排列。
一個第一脈沖線RG1連接于每個梯度電極40的一端，一個第二脈沖線RG2連接于梯度電極40的另一端。盡管在圖7中沒有示出，一個脈沖源連接于第一脈沖線RG1和第二脈沖線RG2，并在梯度電極40上產(chǎn)生梯度電位。阻性越大，電能消耗越小。但是，如果梯度電極40的阻性太大，就不能立即在梯度電極40中產(chǎn)生梯度電位。為此緣故，必須調節(jié)用于梯度電極40的材料的阻性率?，F(xiàn)在假設梯度電極40是由阻性率為2毫歐，厘米范圍的磷摻雜多晶硅形成的，梯度電極40的寬度為1微米，長度為4毫米，厚度為0.4微米，阻性為200千歐。當把10伏的電位差施加于梯度電極40時，梯度電極40允許50微安的電流流過梯度電極40。假設氧化硅層39是70毫微米厚，2pF的電容耦合于梯度電極40，并且時間常數(shù)為0.4微秒。其結果是，脈沖前沿持續(xù)時間和脈沖后沿持續(xù)時間是0.9微秒。用這種方式，可以通過改變梯度電極的尺寸，柵極絕緣層的材料和柵極絕緣層的厚度來調節(jié)脈沖前沿持續(xù)時間和脈沖后沿持續(xù)時間。盡管在垂直消隱周期中第一脈沖信號PRG1的電位電平和第二脈沖信號PRG2的電位電平是變化的，但是可推薦把時間常數(shù)設計得盡可能的小。
n型電荷轉移溝道區(qū)37延伸越過連接于第二電位源極線RG2的梯度電極40的端部，一個累積電極42和一個最后的電荷轉移電極43以垂直于n型電荷轉移溝道區(qū)37的方向在氧化硅層39上延伸。
n型電荷轉移溝道區(qū)37匯合于一個在p型阱34中形成的n型電荷轉移溝道區(qū)44，并且沿n型電荷轉移溝道區(qū)44在氧化硅層39上形成電荷轉移電極45。n型電荷轉移溝道區(qū)44，氧化硅層39和電荷轉移電極45作為一個整體構成了一個水平電荷轉移單元46。累積電極42和電荷轉移電極45由一個電平間絕緣層47覆蓋，并且該電平間絕緣層47使累積電極42和電荷轉移電極45與梯度電極40和最后的電荷轉移電極43電絕緣。梯度電極40和最后的轉移電極43由一個電平間絕緣層48覆蓋。
在電平間絕緣層48上圖形化有多晶硅的行選擇線49，并且沿垂直于梯度電極40的方向延伸。每個行選擇線49具有間隔一定距離的轉移電極部分49a，并且該轉移電極部分49a位于重摻雜p型雜質區(qū)35和n型電荷轉移溝道區(qū)37之間的p型阱32的表面部分32a的上方。在圖7中，表面部分32a用陰影線表示，并且與氧化硅層39和轉移電極部分49a一起作為轉移晶體管50使用。
行選擇線49連接于行選擇器51，行選擇器51有選擇地把行選擇線49變化到一個作用電平。當把行選擇線49中的一個變化到作用電平時，與其相關的轉移晶體管50同時導通，使光電二極管的行與阻性柵極垂直電荷轉移單元41電連接。
適當?shù)乜刂乒怆姸O管36的垂直雜質分布，以便在存在一定電位時完全耗盡。在p型阱32與n型阱33之間形成勢壘，并且采用的P型阱32的電位電平高于轉移晶體管50的溝道區(qū)32a的電位電平。在這種情況下，n型阱33，p型阱32和n型基片31作為一個整體構成了一個垂直溢流漏極OFD。
當在光電二極管36中產(chǎn)生了過量的光電載流子時，過量的光電載流子越過n型阱33和p型阱32之間的勢壘。因此，過量的光電載流子不會累積在光電二極管36中，并且n型阱33和基片31之間的勢壘有效地限制了抗散焦現(xiàn)象。
行選擇線49由一個電平間絕緣層52覆蓋，并且在電平間絕緣層52上圖形化一個鋁的光屏蔽層53。光屏蔽層53使攜帶圖像的光不能入射到阻性柵極垂直電荷轉移單元41上，并且該光屏蔽層53上具有孔53a。光電二極管36暴露于孔53a，攜帶圖像的光通過孔53a入射到光電二極管36的陣列上。
水平電荷轉移單元46電連接于一個輸出電路54，并響應用于向輸出電路54轉移電荷分組的水平電荷轉移信號。輸出電路產(chǎn)生代表每個電荷分組的量的輸出電壓信號OUT，并通過一個視頻信號產(chǎn)生電路把輸出電壓信號OUT供給一個適當?shù)娘@示器，以在屏幕上重放圖像。
在這種情況下，第一/第二脈沖信號RG1/RG2的源和行選擇器51作為一個整體構成了一個控制器件。第一實施例以下參考附圖10對控制體現(xiàn)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取器件的方法進行說明。PRG1，PRG2，PTr，PSTG，PVLG和PH分別代表一個從第一脈沖線RG1供給的脈沖信號，一個從第二脈沖線RG2供給的脈沖信號，一個供給一個行選擇線49的行選擇信號，一個施加于累積電極42的累積信號，一個施加于最后的轉移電極43的轉移信號和一個供給水平電荷轉移單元46的柵電極45的電荷轉移信號。這些信號PRG1，PRG2，PTr，PSTG，PVLG和PH在高電平VH-RG1/VH-RG2/VH-Tr/VH-VLG/VH-PH和低電平VL-RG1/VL-RG2/VL-Tr/VL-VLG/VL-PH之間變化。高電平VH-RG1低于低電平VL-RG2，并且根據(jù)電極下的摻雜濃度適當?shù)卣{節(jié)其它高電平/低電平，以便累積或轉移電荷分組。圖11示出了在圖9中所示的電荷分組的傳播路徑下的導帶的底緣的變化。在下面的說明中，在與第一脈沖源極線RG1連接點之下的n型電荷轉移溝道區(qū)37的端點在以下稱為“遠端”，在與第二脈沖源極線RG2連接點之下的另一端稱為“近端”。
在時間t1轉移信號PVLG從低電平VL-VLG轉變?yōu)楦唠娖絍H-VLG，累積信號PSTG補償?shù)貜母唠娖絍H-STG轉變?yōu)榈碗娖絍L-STG。最后的轉移柵極43使先前存儲在累積電極42下勢阱中的電荷分組流入水平電荷轉移單元46的n型電荷轉移溝道區(qū)44中。在時間t2，轉移信號PVLG恢復為低電平VL-VLG，在同一時間累積信號PSTG轉變?yōu)楦唠娖絍H-STG。因此，在時間周期T1中，先前的電荷分組被轉移到水平電荷轉移單元46。
在時間t3，第一脈沖信號PRG1從低電平VL-RG1轉變?yōu)楦唠娖絍H-RG1，并且第二脈沖信號PRG2也從低電平VL-RG2轉變?yōu)楦唠娖絍H-RG2。在施加一個高電平VH-Tr下遠端的溝道電位電平高于轉移晶體管50的表面部分32a中的電位電平。高電平VH-RG1低于高電平VH-RG2，并且如圖11中標為“t3”的底緣那樣傾斜。
攜帶圖像的光照射在光電二極管陣列36上，光電二極管36產(chǎn)生取決于攜帶圖像的光的強度的光電載流子。光電載流子被累積在光電二極管36中，并且過量的光電載流子流過垂直溢流漏極。
在時間t4，行選擇器51用行選擇信號P-Tr把行選擇線49中的一個轉變?yōu)楦唠娖絍H-Tr，并且與之相關的轉移晶體管50被導通，以便把光電載流子轉移到n型電荷轉移溝道區(qū)37。光電載流子在n型電荷轉移溝道區(qū)37中形成電荷分組。在時間t5選定的行選擇線49恢復到低電平VL-Tr。因此，在時間周期T2中電荷分組被轉移到阻性柵極垂直電荷轉移單元41。
在時間t6，第一脈沖信號PRG1變?yōu)榈碗娖絍L-RG1，并且在遠端的溝道電位電平轉變?yōu)榈陀谠跁r間t3時的電平，而高于在施加低電平VL-Tr下的表面部分32a中的電位電平。底緣如標為“t6”那樣進一步傾斜。電荷分組通過n型電荷轉移溝道區(qū)37轉移到累積電極42下的勢阱。如上所述，低電平VL-RG2高于高電平VH-RG1，并且遠端與近端之間的電位差寬于對應于第一脈沖信號P-RG1的振幅與第二脈沖信號P-RG2的振幅的總和的溝道電位差。由于這個原因，電荷分組被傳送到累積電極42下的勢阱。
在時間周期T3期間，即在時間t7和t8之間，向水平電荷轉移單元46的柵電極45反復地施加電荷轉移信號，先前的電荷分組被轉移到輸出電路54。輸出電路54從電荷分組產(chǎn)生輸出電壓信號OUT，并將其輸送到固態(tài)圖像拾取器件的外面。
在時間t9，第二脈沖信號PRG2從高電平VH-RG2轉變?yōu)榈碗娖絍L-RG2，并且近端與累積電極42下的勢阱之間的電位的不連續(xù)性增加。
在時間t10，轉移信號PVLG從低電平VL-VLG轉變?yōu)楦唠娖絍H-VLG，并且也是在時間t10，累積信號PSTG從高電平VH-STG轉變?yōu)榈碗娖絍L-STG。最后的轉移柵極43使得存儲在累積電極42下的勢阱中的電荷分組流入水平電荷轉移單元46的n型電荷轉移溝道區(qū)44。在時間t11，轉移信號PVLG被恢復到低電平VL-VLG，并且也是在時間t11，累積信號PSTG改變成為高電平VH-STG。因此，在時間周期T4中，累積電極42下的勢阱與n型電荷轉移溝道區(qū)44之間的勢壘PB被消除，電荷分組被轉移到水平電荷轉移單元46。
第一脈沖信號P-RG1和第二脈沖信號P-RG2如同在時間t3中那樣改變，并且從時間t13向輸出電路54轉移電荷分組。
從上述的說明中應當理解，第一和第二脈沖信號P-RG1/P-RG2在時間t0與時間t3之間和時間t3與時間t6之間改變了溝道電位電平。高電平VH-RG1的第一脈沖信號P-RG1和高電平的第二脈沖信號P-RG2使得n型電荷轉移溝道區(qū)37的能級加深，并增大了光電二極管36的勢阱與n型電荷轉移溝道區(qū)37之間的電位差。結果是，光電載流子平穩(wěn)地流到n型電荷轉移溝道區(qū)37中。在處低電平VL-RG1的第一脈沖信號P-RG1使得在遠端下的電荷轉移溝道中的電位電平降低，并加大了沿n型電荷轉移溝道區(qū)37的電位梯度。結果，把電荷分組輸送到電荷轉移溝道。
此外，在時間t9第二脈沖信號P-RG2轉變?yōu)榈碗娖絍L-RG2，在處低電平VL-RG2的第二脈沖信號PRG2使得近端之下的電荷轉移區(qū)中的電位電平變低。這導致了n型電荷轉移溝道區(qū)37與累積電極42下的勢阱之間的勢壘高度的降低。因此，制造者不需增加轉移信號PVLG的脈沖高度和累積信號PSTG的脈沖高度。第一和第二脈沖信號PRG1/PRG2的控制順序允許制造者可以降低在輸出電路54的復位漏極的電位電平，而不必增大電荷轉移信號PH的振幅。第二實施例圖12和13示出了控制圖7至9中所示的固態(tài)圖像拾取器件的另一種方法。除了第二脈沖信號PRG2的行為之外，這種方法與第一實施例相同。因此，著重說明第二脈沖信號PRG2。第二脈沖信號PRG2具有等于第一脈沖信號RG1的高電平VH-RG1的低電平VL-RG2。
在第一實施例中，第二脈沖信號PRG2在時間t3從低電平VL-RG2轉變?yōu)楦唠娖絍H-RG2。但是，第二實施例的第二脈沖信號PRG2在時間t6之前一直保持低電平的電位電平，并且在時間t6電位電平轉變?yōu)楦唠娖絍H-RG2。因此，如圖13中所示，在時間t3導帶的底緣是水平的，并在時間t6產(chǎn)生電位梯度。在時間t9，第二脈沖信號RG2恢復到低電平VL-RG2，以便降低n型電荷轉移溝道區(qū)37與累積電極42下的勢阱之間的勢壘高度。在圖13中，在時間t3，t6和t9的底緣標為“t3”，“t6”和“t9”。
在這種情況下，光電載流子以水平底緣t3從光電二極管36轉移到n型電荷轉移溝道區(qū)37。當把光電二極管36和轉移晶體管50按比例減小時，水平底緣t3是適當?shù)?，因為沿n型電荷轉移溝道區(qū)37的電位差對轉移晶體管50的影響較小。換言之，轉移晶體管50從光電二極管36至阻性柵極垂直電荷轉移單元41的電荷轉移特性是均勻的。
實施第二實施例的方法除了具有第一實施例的優(yōu)點之外，還有上述的優(yōu)點。第三實施例實施第三實施例的方法用于圖14中所示的固態(tài)圖像拾取器件。除了一個轉移電極60之外，圖14中所示的固態(tài)圖像拾取器件與圖7中所示的固態(tài)圖像拾取器件相同。因此，其它電極，光電二極管和區(qū)域標有賦予第一實施例的對應的電極，光電二極管和區(qū)域相同的標號，為簡化起見，在此不作進一步的說明。
如圖15中所示的那樣控制固態(tài)圖像拾取器件。在以下方面，圖15中所示的控制方法與圖10中所示的控制方法不同。在所有時間第二脈沖信號PRG2保持在高電平VH-RG2，并且高電平VH-RG2高于高電平VH-RG1。
n型電荷轉移溝道區(qū)37中的溝道電位電平隨第一脈沖信號PRG1變化。第一脈沖信號PRG1在時間周期T1中保持在高電平VH-RG1，并且在時間周期T1中作為施加于轉移電極60的一個脈沖的轉移信號PTGA保持在低電平VL-TGA，以便使累積電極42下的勢阱與n型電荷轉移溝道區(qū)37隔離。
在時間周期T2期間，行選擇信號PTr將行選擇線49中的一個保持在高電平VH-Tr，并且與該行選擇線49相關的轉移晶體管50導通，以便把光電載流子轉移到n型電荷轉移溝道區(qū)37。梯度電位使阻性柵極垂直電荷轉移單元41以高速把電荷分組向轉移電極60下的勢壘轉移。但是，低電平VL-TGA的轉移信號PTGA不允許電荷分組進入累積電極42下的勢阱。
在時間周期T2中，累積信號保持電位電平在低電平VL-STG，并且在時間周期T2中，轉移信號PVLG保持電位電平在高電平VH-VLG。在先前周期中讀出的電荷分組被轉移到水平電荷轉移單元46，并在時間周期T3中被轉移到輸出電路54。
在時間t10第一脈沖信號PRG1改變電位電平至低電平VL-RG1，并且轉移信號PTGA也恢復到高電平VH-TGA。接著，電荷分組流入累積電極42下的勢阱。
以這種方式，轉移電極60使n型電荷轉移溝道區(qū)37與累積電極42下的勢阱隔離，并使n型電荷轉移溝道區(qū)37與勢阱連接。利用轉移信號PTGA和PVLG，固態(tài)圖像拾取器件同時把電荷分組從光電二極管轉移到n型電荷轉移溝道區(qū)37，和把先前的電荷分組從累積電極42下的勢阱轉移到n型電荷轉移溝道區(qū)44。結果，即使增大阻性柵極垂直電荷轉移單元41的時間常數(shù)，電荷轉移也會在水平消隱周期中完成。阻性柵極垂直電荷轉移單元41的大的時間常數(shù)減小了電流消耗。
在第三實施例中，固態(tài)圖像拾取器件總是把第二脈沖信號PRG2保持在高電平VH-RG2。但是，第二脈沖信號PRG2可以象圖10或12中所示的第二脈沖信號PRG2一樣地改變，以便減小脈沖高度。
轉移柵電極60/43和累積電極42通過信號線TGA，VLG和STG連接于一個適當?shù)拿}沖發(fā)生器，并且脈沖發(fā)生器，脈沖信號RG1/RG2的源以及行選擇器51作為一個整體構成一個控制器件。
盡管顯示和說明的是本發(fā)明的特定實施例，但熟悉本領域的技術人員應當明白，可以進行各種的改變和變化，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
例如，電荷分組可以由正電荷構成。在這種情況下，如果顛倒電位之間的關系，可以把上述的說明用于圖像拾取器件。
權利要求
1.一種控制固態(tài)圖像拾取器件的方法，該固態(tài)圖像拾取器件包括多個用于從一個攜帶圖像的光產(chǎn)生電荷分組的光電轉換器件(36)，多個分別具有相應的電荷轉移溝道區(qū)(37)和相應的電容耦合于所述電荷轉移溝道區(qū)的阻性柵電極(40)的阻性柵極電荷轉移單元(41)，多個分別具有連接在所述多個光電轉換器件和所述電荷轉移溝道區(qū)之間的相應第一轉移柵極溝道區(qū)(32a)，并且有選擇地在導通狀態(tài)和截止狀態(tài)之間變化，用來向所述電荷轉移溝道區(qū)轉移特定電荷分組的第一轉移柵極元件(50)，和多個可連接于所述電荷轉移溝道區(qū)，用來累積所述電荷分組的電荷累積勢阱，一個可電連接于所述多個電荷累積勢阱，用來向一個輸出電路(54)轉移所述電荷分組的水平電荷轉移單元(46)，所述電荷轉移溝道區(qū)具有相應的第一端(RG1)和相應的比所述第一端更靠近所述水平電荷轉移單元的第二端(RG2)，其特征在于所述方法包括步驟a)使所述第一端(RG1)下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的電位電平高于處在所述導通狀態(tài)的所述第一轉移柵極溝道區(qū)(32a)中的電位電平，以便分別通過所述第一轉移柵極溝道區(qū)向所述電荷轉移溝道區(qū)轉移所述特定電荷分組，b)把所述第一轉移柵極元件(50)轉變?yōu)樗鼋刂範顟B(tài)，和c)把所述第一端(RG1)下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的電位電平轉變?yōu)榈陀谠谒霾襟Ea)中所述第一端下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的所述電位電平和一個所述第二端(RG2)下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的電位電平，并且高于在所述截止狀態(tài)的所述第一轉移柵極溝道區(qū)(32a)中的所述電位電平的特定電平，以便向所述多個電荷累積勢阱轉移所述特定電荷分組。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述第一端下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的所述電位電平等于在所述步驟a)中所述第二端下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的所述電位電平。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述固態(tài)圖像拾取器件還包括一個具有一個連接在所述多個電荷轉移溝道區(qū)和所述多個電荷累積勢阱之間的第二轉移柵極溝道區(qū)的第二轉移柵極元件(60)，在所述步驟a)中所述第一端下的所述電荷轉移溝道區(qū)中的所述電位電平高于所述第二轉移柵極元件的所述第二轉移柵極溝道區(qū)中的電位電平，在所述步驟c)中所述第二轉移柵極元件轉變?yōu)閷顟B(tài)，以便向所述多個電荷累積勢阱轉移所述電荷分組。
4.一種控制固態(tài)圖像拾取器件的方法，固態(tài)圖像拾取器件包括多個用于從入射光產(chǎn)生電荷分組的光電轉換器件(36)，多個分別具有相應的電荷轉移溝道區(qū)(37)和相應的電容耦合于所述電荷轉移溝道區(qū)的阻性柵電極(40)的阻性柵極垂直電荷轉移單元(41)，多個分別具有連接在所述多個光電轉換元件和所述電荷轉移溝道區(qū)之間的相應第一溝道區(qū)(32a)和電容耦合于所述第一溝道區(qū)的第一轉移柵電極(49a)，用來分別從選定的光電轉換元件向所述電荷轉移溝道區(qū)轉移特定電荷分組的第一轉移柵極元件(50)，一個可電連接于所述電荷轉移溝道區(qū)的用來向一個輸出電路轉移所述電荷分組的水平電荷轉移單元(46)，和一個連接于所述阻性柵電極(40)的第一端和比所述第一端更靠近所述水平電荷轉移單元(46)的所述阻性柵電極的第二端的控制器件(RG1/RG2/51)，所述方法包括步驟a)從所述控制器件分別向所述第一端和所述第二端供給一個第一電位電平(VH-RG1)和一個第二電位電平(VL-RG2；VH-RG2)，以便增加所述選定的光電轉換元件與所述電荷轉移溝道區(qū)之間的電位差，b)從所述控制器件向所述第一轉移柵電極提供一個第三電位電平(VH-Tr)，使得能夠通過所述第一溝道區(qū)從所述選定光電轉換器件向所述電荷轉移溝道區(qū)轉移電荷分組，和c)從所述控制器件向所述第一端提供第四電位(VL-RG1)，以便加大沿所述電荷轉移溝道區(qū)的電位梯度，從而使所述多個阻性柵極垂直電荷轉移單元向所述水平電荷轉移單元轉移所述電荷分組。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述第一電位(VH-RG1)與所述第二電位(VH-RG2)不同，以便產(chǎn)生一個用于從所述第一端向所述第二端轉移所述電荷分組的初始電位梯度，并且在所述步驟c)所述電位梯度大于所述初始電位梯度。
6.如權利要求4所述的方法，其中所述第一電位(VH-RG1)等于所述第二電位(VL-RG2)，使得沿所述電荷轉移溝道區(qū)不產(chǎn)生電位梯度。
7.如權利要求4所述的方法，其中所述固態(tài)圖像拾取器件還包括多個具有分別鄰接于所述電荷轉移溝道區(qū)的相應的勢阱，和一個電容耦合于所述勢阱的累積電極(42)的電荷累積單元，和一個具有分別連接在所述電荷轉移溝道區(qū)與所述勢阱之間的第二轉移柵極溝道區(qū)，和一個電容耦合于所述第二轉移柵極溝道區(qū)的第二轉移柵電極(43)的第二轉移柵極元件，并且所述方法還包括步驟d)從所述控制器件向所述第二端提供一個第五電位電平(VL-RG2)，以便降低所述第二端與所述第二轉移柵極溝道區(qū)之間的電位差。
8.如權利要求4所述的方法，其中所述固態(tài)圖像拾取器件還包括多個具有分別鄰接于所述電荷轉移溝道區(qū)的相應的勢阱，和一個電容耦合于所述勢阱的累積電極(42)的電荷累積單元，一個具有分別連接在所述電荷轉移溝道區(qū)與所述勢阱之間的第二轉移柵極溝道區(qū)，和一個電容耦合于所述第二轉移柵極溝道區(qū)的第二轉移柵電極(43)的第二轉移柵極元件，和一個具有連接在所述勢阱與所述水平電荷轉移單元之間的第三轉移柵極溝道區(qū)和一個電容耦合于所述第三轉移柵極溝道區(qū)的第三轉移柵電極(60)的第三轉移柵極元件，所述控制器件還在所述步驟a)中向所述累積電極和所述第三轉移柵電極提供一個第五電位電平(VL-STG)和一個第六電位電平(VH-VLG)，以便向所述水平電荷轉移單元轉移在所述步驟a)之前累積的電荷分組，和所述控制器件還在步驟c)中向所述第二轉移柵電極提供一個第七電位(VH-TGA)，以便使電荷分組能夠流入所述勢阱。
9.如權利要求4所述的方法，其中所述固態(tài)圖像拾取器件還包括一個形成在所述多個光電轉換元件之下的垂直溢流漏極(31/32/33)，以使過量電荷能夠從所述光電轉換元件流過沿所述光電轉換元件與所述垂直溢流漏極之間的邊界產(chǎn)生的勢壘。
10.如權利要求4所述的方法，其中在所述步驟a)，b)和c)中所述第二電位電平(VH-RG2)是常數(shù)。
11.一種制造在一個半導體器件上的固態(tài)圖像拾取器件，包括多個用于從攜帶圖像的光產(chǎn)生電荷分組的光電轉換器件(36)，多個分別具有相應的電荷轉移溝道區(qū)和電容耦合于所述電荷轉移溝道區(qū)的相應的阻性柵電極的阻性柵極電荷轉移單元(41)，多個分別具有連接在所述多個光電轉換器件和所述電荷轉移溝道區(qū)之間的相應第一轉移柵極溝道區(qū)，并且分別有選擇地在導通狀態(tài)和截止狀態(tài)之間變化，用來向所述電荷轉移溝道區(qū)轉移特定電荷分組的第一轉移柵極元件(50)多個可連接于所述電荷轉移溝道區(qū)用于累積所述電荷分組的電荷累積勢阱，一個可電連接于所述多個電荷累積勢阱用于向一個輸出電路(54)轉移所述電荷分組的水平電荷轉移單元(46)，一個連接于所述阻性柵電極的第一端和比所述第一端更靠近所述水平電荷轉移單元的所述阻性柵電極的第二端的電位梯度產(chǎn)生器件，和一個形成在所述多個光電轉換器件之下用于從所述多個光電轉換器件接收過量電荷的垂直溢流漏極(31/32/33)。
全文摘要
一個具有一個用于從攜帶圖像的光產(chǎn)生電荷分組的光電二極管(36),形成在光電二極管之下的垂直溢流漏極(32/33),通過轉移柵極晶體管(50)有選擇地連接于光電二極管的電荷轉移溝道區(qū)(37),分別電容耦合于所述電荷轉移溝道區(qū)的阻性柵電極(49a),和一個連接于阻性柵電極遠端和更靠近一個水平電荷轉移單元(46)的阻性柵電極的近端的脈沖信號源(RG1/RG2)的固態(tài)圖像拾取器件,在電荷分組轉移到電荷轉移溝道區(qū)之后脈沖信號源在電荷轉移溝道區(qū)中產(chǎn)生電位梯度,以使電荷分組能夠通過水平電荷轉移單元輸送而不用大的水平電荷轉移信號。
文檔編號H04N5/372GK1191386SQ97121720
公開日1998年8月26日 申請日期1997年12月17日 優(yōu)先權日1996年12月18日
發(fā)明者田邊顕人 申請人:日本電氣株式會社