專(zhuān)利名稱(chēng)：固態(tài)成像設(shè)備及其激勵(lì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像設(shè)備以及它的一種激勵(lì)方法。本發(fā)明尤其涉及利用一種閾電壓調(diào)制系統(tǒng)的MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器的固態(tài)成像設(shè)備，該固態(tài)成像設(shè)備用于視頻攝像機(jī)、電子攝像機(jī)、圖像輸入攝像機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)或類(lèi)似設(shè)備，本發(fā)明還涉及該固態(tài)成像設(shè)備的一種激勵(lì)方法。
由于半導(dǎo)體圖像傳感器，如CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器和MOS圖像傳感器，極適于大規(guī)模生產(chǎn)，因此伴隨著圖案微制造技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體圖像傳感器已應(yīng)用到幾乎所有類(lèi)型的圖像輸入設(shè)備。
尤其是近年來(lái)，MOS圖像傳感器的適用性已再次被認(rèn)可，因?yàn)樗哂袃?yōu)點(diǎn)，即，與CCD圖像傳感器相比功耗更小，以及能通過(guò)同一種CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)制作傳感器單元和外圍電路單元。
考慮到這種社會(huì)趨勢(shì)，本發(fā)明人改進(jìn)了MOS圖像傳感器，并申請(qǐng)了一個(gè)關(guān)于溝道區(qū)下有一個(gè)載流子槽(carrier pocket)(高密度埋層)的傳感器單元的專(zhuān)利申請(qǐng)(日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.Hei 10-186453)，以得到它的一個(gè)專(zhuān)利(注冊(cè)號(hào)為2935492)。
在根據(jù)專(zhuān)利(注冊(cè)號(hào)2935492)的發(fā)明中，一個(gè)光電二極管111和一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(下文中，有時(shí)稱(chēng)為一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管，或簡(jiǎn)單地稱(chēng)為MOS晶體管)二者相鄰放置。MOS晶體管在一個(gè)溝道區(qū)下的一個(gè)阱區(qū)(well region)設(shè)有一個(gè)環(huán)形的載流子槽。載流子槽的受主密度高于其周?chē)糠值氖苤髅芏?，且用作?shì)阱存儲(chǔ)作為載流子的空穴。在包含載流子槽的阱區(qū)被耗盡的狀態(tài)下，通過(guò)光輻照、接著傳輸光照生成的空穴、以及將其存儲(chǔ)在載流子槽的勢(shì)阱中，可在光電二極管的阱區(qū)生成空穴。結(jié)果，載流子槽中受主離子的負(fù)電荷被中和，從而改變閾電壓。
此外，上面描述的MOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)如專(zhuān)利(注冊(cè)號(hào)2935492)的圖8所示。通過(guò)CMOS電路提供的一個(gè)控制信號(hào)，MOS圖像傳感器的一系列操作通過(guò)一個(gè)初始化周期、一個(gè)存儲(chǔ)周期以及一個(gè)讀取周期。在初始化周期期間，通過(guò)施加一個(gè)正電壓到每個(gè)電極，保留在空穴槽25中的光照生成空穴被放電到襯底11。在存儲(chǔ)周期期間，光照生成空穴通過(guò)光輻照生成，接著被存儲(chǔ)在載流子槽25中。接著，在讀取周期期間，與光照生成空穴的存儲(chǔ)量成正比的一個(gè)光學(xué)信號(hào)被檢測(cè)。
然而，由CMOS電路提供的控制信號(hào)是指向降低其電壓的方向，而且這個(gè)方向與初始化周期期間通過(guò)施加一個(gè)高電壓而更完全地執(zhí)行初始化的請(qǐng)求相反。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種固態(tài)成像設(shè)備，該設(shè)備能維持CMOS電路的低電壓工作，并能更完全地執(zhí)行初始化操作，以及提供該設(shè)備的一種激勵(lì)方法。
順便地，利用這種結(jié)構(gòu)，在載流子槽25中的受主密度或圖形如

圖10A所示那樣不平坦的情況下，在載流子槽25的整個(gè)區(qū)域內(nèi)電位就不會(huì)變得均勻，而且將偶爾在局部發(fā)生電位的高度變化，即勢(shì)阱的深度變化。
在這種情況下，如圖10C所示，對(duì)于注入的低電位空穴，空穴在勢(shì)阱更深的地方被偏移，而且溝道區(qū)中的電位根據(jù)這個(gè)偏差而變化。由于這個(gè)原因，閾電壓的調(diào)制在溝道區(qū)不均勻、單元電流分布不反映空穴的存儲(chǔ)分布以致失去了針對(duì)空穴存儲(chǔ)量的線性關(guān)系等問(wèn)題出現(xiàn)，因而產(chǎn)生所謂的黑色傾斜(black batter)現(xiàn)象。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種激勵(lì)固態(tài)成像設(shè)備的方法，該方法能在一個(gè)用于光檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的整個(gè)溝道區(qū)內(nèi)均勻地調(diào)制閾電壓。
本發(fā)明涉及固態(tài)成像設(shè)備。圖3所示為它的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，其特征在于，本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備包括一個(gè)單位像素101，該單位像素包含一個(gè)光電二極管111，以及與光電二極管111相鄰放置的一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112，其中MOS晶體管112的柵極連接一個(gè)縱向掃描信號(hào)(VSCAN)驅(qū)動(dòng)掃描電路102，而且一個(gè)源區(qū)連接一個(gè)升壓掃描電路108。此外，其特征還在于，除了前述結(jié)構(gòu)外，漏區(qū)連接漏電壓(VDD)驅(qū)動(dòng)掃描電路103。
此外，在單位像素101中，如圖1和圖2A所示，光電二極管111和MOS晶體管112在互連的阱區(qū)15a和15b中形成，而且單位像素101包括一個(gè)高密度埋層(載流子槽)25，用于將光照生成的電荷存儲(chǔ)在MOS晶體管112的源區(qū)16外圍部分的阱區(qū)15b。
在本發(fā)明的一種激勵(lì)方法中，升壓掃描電路108連接用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112的源區(qū)16，而且在初始化周期，在縱向掃描信號(hào)(VSCAN)驅(qū)動(dòng)掃描電路102與柵極19斷開(kāi)的狀態(tài)下，一個(gè)升高電壓(升壓)從升壓掃描電路108被施加到源區(qū)16，或除了斷開(kāi)電路102，漏電壓(VDD)驅(qū)動(dòng)掃描電路103也從漏區(qū)17a中斷開(kāi)。因此，除了在存儲(chǔ)周期期間施加一個(gè)柵壓到柵極19，一個(gè)高于VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102電源電壓的升壓，通過(guò)源區(qū)16和柵極19間的一個(gè)電容器，從升壓掃描電路108被進(jìn)一步施加到柵極19。換句話說(shuō)，由于一個(gè)高電壓被施加到源區(qū)16和柵極19，因此從載流子槽25的存儲(chǔ)電荷清除操作就可進(jìn)行得更加完全。
如上所述，由于本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備包括升壓掃描電路108，因此可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，即在維持降低外部供應(yīng)電壓的同時(shí)能更完全地執(zhí)行清除操作。
此外，本發(fā)明涉及一種激勵(lì)固態(tài)成像設(shè)備的方法。如圖8所示，一個(gè)電壓被施加到用于光信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管112的柵極19，以便存儲(chǔ)在載流子槽25中的大部分光照生成的電荷在初始化周期期間從載流子槽25釋放，而且能使其中指定數(shù)量的電荷仍保留在載流子槽25中。
換句話說(shuō)，對(duì)于尤其是圖9B的實(shí)線所示的本發(fā)明，一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷罕皇┘拥皆磪^(qū)16和柵極19，以使載流子槽25的勢(shì)阱變淺，但在一個(gè)適當(dāng)深度設(shè)置該電壓，以放電光照生成的大部分電荷，而且只讓指定數(shù)量的光照生成電荷保留在其中。指定數(shù)量意思是指，使載流子槽的整個(gè)區(qū)域內(nèi)電位分布平坦的電荷數(shù)量。圖10B示出了此時(shí)載流子槽25的整個(gè)區(qū)域內(nèi)光照生成電荷的分布模型，以及在其上的電位分布。在光照生成電荷從此狀態(tài)進(jìn)一步被存儲(chǔ)的情況下，光照生成電荷的存儲(chǔ)不會(huì)產(chǎn)生偏差。因此，閾電壓的調(diào)制變得均勻。
如上所述，在激勵(lì)根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備的一種方法中，能使載流子槽25的整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電位分布變?yōu)槠教沟倪@種指定數(shù)量的光照生成電荷被保留在載流子槽25中。因此，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的，即使閾電壓調(diào)制在存儲(chǔ)周期的MOS晶體管的整個(gè)溝道區(qū)內(nèi)變得均勻。
注意，在阱區(qū)和類(lèi)似區(qū)域?yàn)榕c前述情況相反的電導(dǎo)型的情況下，即，在高密度層為n型的情況下，高密度埋層變?yōu)橐粋€(gè)電子槽(載流子槽)，而且存儲(chǔ)的是光照生成的電子。在這種情況下，一個(gè)負(fù)的大電壓被施加到柵極以降低阱區(qū)15b表面的電位，而且載流子槽25的勢(shì)阱變淺，以從載流子槽25中釋放光照生成的電子。
為更充分地理解本發(fā)明和其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考下面連帶附圖的描述。
圖1為平面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的一個(gè)單位像素的組成部分設(shè)置。
圖2A為沿圖1中沿Ⅰ-Ⅰ線的剖面圖，示出了上述單位像素組成部分的剖面結(jié)構(gòu)。圖2B示出了在光照生成空穴存儲(chǔ)在一個(gè)載流子槽中，以及電子在溝道區(qū)被感應(yīng)以生成一個(gè)電子累積區(qū)的狀態(tài)下的電位情況。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的整個(gè)固態(tài)成像設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)。
圖4A和圖4B分別示出了圖3中固態(tài)成像設(shè)備的信號(hào)輸出電荷電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖5示出了包含圖3中固態(tài)成像設(shè)備的升壓掃描電路的詳細(xì)驅(qū)動(dòng)電路圖。
圖6為定時(shí)圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的一種激勵(lì)方法。
圖7為定時(shí)圖，示出了在從讀取周期到初始化周期的轉(zhuǎn)換時(shí)刻的詳細(xì)操作，它為圖6中定時(shí)圖的一部分。
圖8為定時(shí)圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的一種激勵(lì)方法。
圖9A為組成部分的剖面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法；而圖9B示出了在根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法的初始化周期期間，在深度方向，即，沿圖9A中的Ⅱ-Ⅱ線，通過(guò)用于光檢測(cè)的MOS晶體管的載流子槽所能看到的電位分布。
圖10A示出了在根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法的初始化周期期間，從載流子槽中完全清除空穴的情況下，沿用于光檢測(cè)的MOS晶體管的載流子槽方向，載流子槽中對(duì)應(yīng)的受主密度分布和電位分布；圖10B示出了在適當(dāng)數(shù)量的空穴類(lèi)似地保留在載流子槽中的情況下，載流子槽中的電位分布；以及圖10C示出了載流子槽中的電位分布根據(jù)載流子槽中存儲(chǔ)的空穴數(shù)量變化的狀態(tài)。
(第一實(shí)施例)現(xiàn)在，參考附圖描述本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例。
圖1為平面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的包含升壓掃描電路的MOS圖形傳感器的單位像素的組成部分分布。
如圖1所示，在單位像素101中，光電二極管111和一個(gè)用于光信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(下文中稱(chēng)為用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112，或簡(jiǎn)單地稱(chēng)為MOS晶體管112)二者相鄰放置。對(duì)于MOS晶體管112，采用耗盡型n溝道MOS(n MOS)。
光電二極管111和MOS晶體管112分別在不同阱區(qū)，即，第一和第二阱區(qū)15a和15b中形成，這兩個(gè)阱區(qū)互連以相互結(jié)合在一起。位于光電二極管111中的第一阱區(qū)15a構(gòu)成了通過(guò)光輻照生成電荷區(qū)域的一部分。位于MOS晶體管112中的第二阱區(qū)15b構(gòu)成一個(gè)柵區(qū)，它通過(guò)阱區(qū)15b的電位能改變溝道的閾電壓。
MOS晶體管112有一個(gè)輕摻雜漏區(qū)(LDD)結(jié)構(gòu)。漏區(qū)17a和17b的形成是使得環(huán)繞環(huán)形柵極19的外圍部分，而源區(qū)16的形成是使得被環(huán)形柵極19的內(nèi)緣部分所環(huán)繞。
輕摻雜漏區(qū)17a延伸以形成光電二極管111的一個(gè)雜質(zhì)區(qū)17，該雜質(zhì)區(qū)的雜質(zhì)濃度基本上等于輕摻雜漏區(qū)17的雜質(zhì)濃度。換句話說(shuō)，雜質(zhì)區(qū)17和輕摻雜漏區(qū)17a互相結(jié)合在一起，以便其大部分區(qū)域所處位置可與第一和第二阱區(qū)15a和15b的表面層接觸。在雜質(zhì)區(qū)17a和輕摻雜漏區(qū)17a的外圍部分，形成作為接觸層的高濃度漏區(qū)17b，以便它在遠(yuǎn)離光電檢測(cè)部分的同時(shí)連接輕摻雜漏區(qū)17a。
另外，作為MOS圖像傳感器特征的載流子槽(高密度埋層)在柵極19下的第二阱區(qū)15b內(nèi)的源區(qū)16周?chē)糠中纬?，以便環(huán)繞源區(qū)16。
漏區(qū)17a和17b通過(guò)低阻抗的接觸層17b連接漏電壓(VDD)供應(yīng)線(或漏極)22；柵極19連接縱向掃描信號(hào)(VSCAN)供應(yīng)線21；以及源區(qū)16連接縱向輸出線(或源極)20。
在光電二極管111中提供有光接收窗口24。
接下來(lái)，描述前述MOS圖像傳感器的單位傳感器的剖面結(jié)構(gòu)。
圖2A為沿圖1中線Ⅰ-Ⅰ的剖面視圖。
如圖2A所示，n型(第二電導(dǎo)型)硅的雜質(zhì)濃度設(shè)為約1×1015cm-3，它在襯底(第一半導(dǎo)體層)11上外延生長(zhǎng)，襯底11由雜質(zhì)濃度設(shè)為1×1018cm-3或更高的p型(第一電導(dǎo)型)硅組成，從而形成外延層(第二半導(dǎo)體層)12。
在這個(gè)外延層12，形成多個(gè)像素101，每個(gè)像素包括光電二極管111和用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112。
前述整個(gè)組成部分被一層絕緣膜28覆蓋，而且光電二極管中除光接收窗口24之外的區(qū)域被一個(gè)金屬層(絕緣膜28上的光屏蔽膜23)屏蔽光線。
接下來(lái)，參考圖2A詳細(xì)描述光電二極管111。
光電二極管111包括外延層12；在外延層12的表面層形成的p型第一阱區(qū)15a；以及從第一阱區(qū)15a的表面層延伸到外延層12的表面層的n型雜質(zhì)區(qū)17。P型襯底11構(gòu)成了光電二極管111第一電導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層。同樣地，n型外延層12構(gòu)成了第二電導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層。
雜質(zhì)區(qū)17的形成是為了從用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112的輕摻雜區(qū)17a延伸。雜質(zhì)區(qū)17的雜質(zhì)濃度基本上等于輕摻雜漏區(qū)17a的雜質(zhì)濃度。
在存儲(chǔ)周期，雜質(zhì)區(qū)17連接漏電壓供應(yīng)線22，并且在正電位有偏壓。在這個(gè)時(shí)刻，耗盡層從雜質(zhì)區(qū)17和第一阱區(qū)15a間的分界面擴(kuò)展到整個(gè)第一阱區(qū)15a，接著到達(dá)n型外延層12。另一方面，耗盡層從襯底11和外延層12間的分界面擴(kuò)展到外延層12，接著到達(dá)第一阱區(qū)15a。
在第一阱區(qū)15a和外延層12，電位分布的設(shè)置方式為，電位從襯底11一側(cè)到表面一側(cè)逐漸減小。從而，在第一阱區(qū)15a和外延層12中由光照生成的空穴仍保留在此，而不外流到襯底11一側(cè)。由于第一阱區(qū)15a和外延層12連接MOS晶體管112的柵區(qū)15b，因此由光照生成的空穴可有效地用作電荷，來(lái)調(diào)制MOS晶體管112的閾電壓。換句話說(shuō)，第一阱區(qū)15a和外延層12整個(gè)地變?yōu)槭芄庹兆饔玫妮d流子生成區(qū)。
此外，受光照作用的載流子生成區(qū)配置在前述光電二極管111的雜質(zhì)區(qū)17之下，這意味著光電二極管111有一個(gè)埋層結(jié)構(gòu)用于光照生成的空穴。因此，有可能減小噪聲，而不受半導(dǎo)體層表面多個(gè)浮獲狀態(tài)的影響。
接下來(lái)，參考圖2A詳細(xì)描述用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112。
MOS晶體管112部分從下側(cè)往上順序包括p型襯底11；在襯底11上形成的n型外延層12；以及在外延層12上形成的第二p型阱區(qū)15b。P型襯底11構(gòu)成了MOS晶體管112部分相反電導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層；同樣地，外延層12構(gòu)成了MOS晶體管112部分一種電導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層。
MOS晶體管112以上述方式構(gòu)成，使得以n型輕摻雜漏區(qū)17a環(huán)繞環(huán)形柵極19的外圍。n型輕摻雜漏區(qū)17a與n型雜質(zhì)區(qū)17結(jié)合在一起。在從輕摻雜漏區(qū)17a延伸的雜質(zhì)區(qū)17的外圍部分，形成一個(gè)高濃度漏區(qū)17b，以便連接雜質(zhì)區(qū)17，以及延伸到組成單元斷開(kāi)區(qū)13和組成單元斷開(kāi)絕緣膜14。高濃度漏區(qū)17b變?yōu)榕c漏極22的接觸層。
另外，形成n型源區(qū)16以便被環(huán)形柵極19所環(huán)繞。對(duì)于源區(qū)16，其中心部分為高濃度，而其周?chē)糠譃榈蜐舛?。源極20連接源區(qū)16。
通過(guò)插入一層?xùn)沤^緣膜18，柵極19在漏區(qū)17a和源區(qū)16間的溝道區(qū)之上形成。柵極19之下的第二阱區(qū)15b的表面層變?yōu)闇系绤^(qū)。此外，為在通常的工作電壓下維持溝道區(qū)的反向或耗盡狀態(tài)，適當(dāng)濃度的n型雜質(zhì)被引入到溝道區(qū)以形成溝道摻雜層15c。
P+型高濃度埋層(載流子槽)25在溝道區(qū)下的第二阱區(qū)15b的溝道長(zhǎng)度方向的部分區(qū)域形成，以便環(huán)繞源區(qū)16。這種P+型高濃度埋層25可通過(guò)，例如離子注入的方式形成。最好應(yīng)形成高濃度埋層25不接觸溝道區(qū)。
在P+型高濃度埋層25中，其電位低于高濃度埋層25周?chē)糠值碾娢唬杂糜诠庹丈呻姾芍械墓庹丈煽昭?。從而可在載流子槽25中采集光照生成的空穴。當(dāng)高于柵壓的電壓被施加到漏區(qū)17a和17b時(shí)，采集光照生成的空穴到載流子槽25中的速度加快。
圖2B示出了光照生成的空穴存儲(chǔ)在載流子槽25中，以及在溝道區(qū)感應(yīng)電子以形成一個(gè)電子累積區(qū)的情況下的電位狀態(tài)。這種存儲(chǔ)在載流子槽25中的電荷使得MOS晶體管112的閾電壓發(fā)生變化。因此，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)閾電壓變化可實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)檢測(cè)。
在初始化周期，一個(gè)高電壓被施加到源區(qū)16和柵極19，而且通過(guò)利用由此生成的一個(gè)電場(chǎng)，保留在第二阱區(qū)15b中的載流子被清除到襯底11一側(cè)。在這種情況下，施加的電壓使得耗盡層從溝道區(qū)的溝道摻雜層15c和第二阱區(qū)15b間的分界面擴(kuò)展到第二阱區(qū)15b，而且使得耗盡層從p型襯底11和外延層12間的分界面擴(kuò)展到第二阱區(qū)15b下的外延層12。
因此，由施加到源區(qū)16和柵極19的電壓生成的電場(chǎng)應(yīng)用范圍主要包括第二阱區(qū)15b和其下的外延層12。
接下來(lái)參考圖3，描述應(yīng)用以前述方式組成的單位像素的MOS圖像傳感器的整個(gè)結(jié)構(gòu)。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的MOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，這個(gè)MOS圖像傳感器應(yīng)用2維陣列傳感器結(jié)構(gòu)，而且前述結(jié)構(gòu)的單位像素101以矩陣型式在行和列方向排列。
用于縱向掃描信號(hào)的驅(qū)動(dòng)掃描電路102(下文中稱(chēng)為VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路)以及用于漏電壓(VDD)的驅(qū)動(dòng)掃描電路103(下文中稱(chēng)為VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路)一右一左將一個(gè)像素區(qū)夾在中間。
縱向掃描信號(hào)供應(yīng)線(下文中稱(chēng)為VSCAN供應(yīng)線)21a和21b從VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102中引出，一根線用于一行。在沿行方向排列的每個(gè)像素101中，VSCAN供應(yīng)線21a和21b連接MOS晶體管112的柵極。
漏壓供應(yīng)線(下文中稱(chēng)為VDD供應(yīng)線)22a和22b從VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103中引出，一根線用于一行。在沿行方向排列的每個(gè)像素101中，每根VDD供應(yīng)線21a和21b分別連接用于光信號(hào)檢測(cè)的相應(yīng)MOS晶體管的漏極22。
提供用于每個(gè)列的不同縱向輸出線20a和20b。在沿列方向排列的每個(gè)像素101中，這些縱向輸出線20a和20b分別連接相應(yīng)MOS晶體管的源極20。
此外，MOS晶體管112的源極20在每一列，通過(guò)縱向輸出線20a和20b連接信號(hào)輸出電路105。
根據(jù)縱向掃描信號(hào)(VSCAN)和水平掃描信號(hào)(HSCAN)，相應(yīng)單位像素101中的MOS晶體管112被順序驅(qū)動(dòng)，以讀取一個(gè)視頻信號(hào)(Vout)，由于來(lái)自信號(hào)輸出電路105的殘余電荷，該視頻信號(hào)強(qiáng)度與入射光量成正比，而且不包含噪聲分量。
圖4A和4B詳細(xì)示出了信號(hào)輸出電路105。
在圖4A中，源區(qū)直接連接由上述信號(hào)輸出電路105中的一個(gè)輸入電容組成的一個(gè)線性?xún)?nèi)存。源區(qū)的特征在于，諸如恒定電源的有源負(fù)載不與之相連。
如圖4A所示，通過(guò)第一開(kāi)關(guān)CK1連接用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112源極20的第一線性?xún)?nèi)存Lms，由于在存儲(chǔ)光照生成的電荷之前殘余有電荷，因此存儲(chǔ)的源電位包含光學(xué)信號(hào)電壓和噪聲電壓。同樣地，通過(guò)第二開(kāi)關(guān)CK2連接源極20的第二線性?xún)?nèi)存Lmn，存儲(chǔ)的源電位只包含噪聲電壓。而且，存儲(chǔ)的源電位分別通過(guò)第三開(kāi)關(guān)CK3和第四開(kāi)關(guān)CK4被輸入到工作放大器電路31。接著，作為差電壓的一個(gè)光學(xué)信號(hào)電壓通過(guò)水平輸出線26被輸出到視頻信號(hào)輸出終端107。工作放大器電路31構(gòu)造成使得開(kāi)關(guān)電容電路與存儲(chǔ)器電容Lms和Lmn一起組合構(gòu)成。
圖4B示出了信號(hào)輸出電路105另一例子的電路圖。在圖4A中，由輸入電容組成的線性?xún)?nèi)存Lms和Lmn直接連接信號(hào)輸出電路105的源區(qū)16。然而，如圖4B所示，一個(gè)恒定電源(負(fù)載電路)106可并聯(lián)該線性?xún)?nèi)存，以建立一個(gè)源跟隨連接。
上述信號(hào)輸出電路105中的開(kāi)關(guān)(CK1～CK6)原理如圖4所示，以指示它們連接和切斷對(duì)應(yīng)線路。然而，MOS晶體管刻單獨(dú)使用或與之組合使用，以便第二個(gè)實(shí)施例中描述的電路操作可適當(dāng)?shù)貓?zhí)行。
此外，如圖3所示，在這個(gè)實(shí)施例中的固態(tài)成像設(shè)備中提供升壓掃描電路108。來(lái)自升壓掃描電路108的升壓輸出線30a和30b分別連接縱向輸出線20a和20b。換句話說(shuō)，一個(gè)升壓被施加到每列的每個(gè)像素101的MOS晶體管112的源區(qū)。結(jié)果，該升壓通過(guò)柵源之間的電容被施加到柵極。因此，施加到阱區(qū)15b的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，由此能更完全地執(zhí)行清除載流子。
圖5示出了包括圖3所示的升壓掃描電路的詳細(xì)驅(qū)動(dòng)電路圖。
如圖5所示，升壓掃描電路108包括時(shí)鐘生成電路121、升壓電路122以及預(yù)先充電電路123。
在時(shí)鐘生成電路121，反相器G1到G4與一個(gè)時(shí)鐘輸入端(CL/)串聯(lián)。反相器G4的輸出端用作時(shí)鐘生成電路121的輸出端，并且連接升壓電路122的輸入端。
反相器G1的輸出端在一端連接反相器G2的輸入端，在另一端連接VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102作為時(shí)鐘生成電路121的反向輸出。此外，用于延遲一個(gè)時(shí)鐘脈沖的電容C1在反相器G2與G3之間并聯(lián)。
從時(shí)鐘輸入端(CL/)輸入的時(shí)鐘被反相器G1到G4放大，并且從時(shí)鐘生成電路121的一個(gè)輸出端輸出，并在保持原極性不反向的情況下輸入到升壓電路122。
在升壓電路122，其輸入端被分成三個(gè)方向。
第一端連接電容C2的一端，通過(guò)反相器G9生成一個(gè)升壓。電容C2的另一端連接與縱向輸出線20a相連的升壓輸出線30a。
第二端連接晶體管T4的柵極，控制提供3.3V的電壓到電容C2的另一端。晶體管T4的漏極連接3.3V的供應(yīng)電壓，其源極用作輸出端，連接電容C2的另一端。
第三端連接晶體管T5的柵極，控制電容C2的另一端與升壓輸出線30a之間的連接。通過(guò)晶體管T5的開(kāi)關(guān)，可導(dǎo)通或截?cái)嘣撨B接。
反相器G9的輸出端的電位由CLD表示?？v向輸出線20a和升壓輸出線30a的電位由VPSn表示。
當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平(下文中稱(chēng)為H)輸入到時(shí)鐘輸入端(CL/)時(shí)，晶體管T4導(dǎo)通，以通過(guò)晶體管T4將3.3V的電壓充電到電容C2。此外，3.3V的電壓通過(guò)晶體管T5被輸出到升壓輸出線30a。當(dāng)時(shí)鐘脈沖的低電平(下文中稱(chēng)為L(zhǎng))被輸入時(shí)，電容C2反相器G9一側(cè)的電壓通過(guò)反相器G9被升高為3.3V。在這個(gè)時(shí)刻，在時(shí)鐘脈沖的L被輸入之前另一3.3V的電壓被充電到電容C2的情況下，電容C2對(duì)面一側(cè)的電壓被升高為6.6V。當(dāng)時(shí)鐘脈沖的L被輸入到時(shí)鐘輸入端(CL/)時(shí)，晶體管T5導(dǎo)通將在電容C2的對(duì)面一側(cè)的6.6V電壓傳導(dǎo)到升壓輸出線30a。
在預(yù)先充電電路123，反相器G10連接輸入端(PR/)，而且控制施加地電位到升壓輸出線30a的晶體管T6的柵極連接反相器G10的輸出端。反相器G10輸出端的電位由PR表示。晶體管T6的漏極接地。晶體管T6的源極，作為預(yù)先充電電路123的一個(gè)輸出端，連接升壓輸出線30a。
當(dāng)H被輸入到預(yù)先充電電路123的輸入端(PR/)時(shí)，晶體管T6截止。當(dāng)L被輸入到其中時(shí)，晶體管T6導(dǎo)通。因此，當(dāng)輸入端(PR/)為L(zhǎng)時(shí)，地電位被輸出到升壓輸出線30a。
接下來(lái)，參考圖5詳細(xì)描述一個(gè)VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102和VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103的電路示例。VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102和VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103的輸入端通用。從輸入端中輸入同一掃描信號(hào)(VSCNn)。
首先，詳細(xì)描述VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102。其輸入端被分成兩條線路，通過(guò)這兩條線路控制電壓被分別施加到晶體管T1和T2，控制提供一個(gè)控制電壓到VSCAN供應(yīng)線21a。其一端連接反相器G8的輸入端，而反相器G8的輸出端連接晶體管T2的柵極。
另一端再被劃分，以分別連接反相器G5兩個(gè)輸入端的其中一個(gè)，以及反相器G6兩個(gè)輸入端的其中一個(gè)。反相器G6的輸出端被再分。被再分的其中一端連接反相器G5的另一個(gè)輸入端，而被再分的另一端連接VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103的晶體管T3的柵極。晶體管T3的柵極電位由Spdn表示。
反相器G5的輸出端連接反相器G7的輸入端。反相器G7的輸出端連接晶體管T1的柵極。反相器G7的輸出端電位由Vspn表示。
晶體管T1的源極連接2V的電源，而晶體管T2的源極接地。晶體管T1和T2的漏極相連，以變?yōu)閂SCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的一個(gè)輸出端，并與VSCAN供應(yīng)線21a相連。VSCAN供應(yīng)線21a的電位由VPGn(VSCAN)表示。在存儲(chǔ)周期期間，對(duì)于晶體管T1和T2，當(dāng)晶體管T1截止時(shí)，晶體管T2導(dǎo)通，而且輸出端為地電位。在讀取周期期間，當(dāng)晶體管T1導(dǎo)通，晶體管T2截止，而且輸出端電壓為2V。而在初始化周期周期，晶體管T1和T2同時(shí)截止，VSCAN供應(yīng)線21a被從VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102切斷，然后在VSCAN供應(yīng)線21a出現(xiàn)MOS晶體管112的柵極電位。
在VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103，提供有晶體管T3，并控制施加一個(gè)3.3V的電壓到VDD供應(yīng)線22a。晶體管T3的柵極連接反相器G6的輸出端，漏極連接3.3V的電源，而作為晶體管T3輸出端的源極連接VDD供應(yīng)線22a。VDD供應(yīng)線22a連接像素101中MOS晶體管112的漏極。VDD供應(yīng)線22a的電位由Vpdn(VDD)表示。
前述的各種掃描電路102、103、104、108以及信號(hào)輸出電路105等的電路結(jié)構(gòu)主要由CMOS晶體管組成。
接下來(lái)，將簡(jiǎn)單描述用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS圖像傳感器的組成單元操作。
在組成單元的操作中，包括清除(初始化)、存儲(chǔ)以及讀取的一系列的周期重復(fù)進(jìn)行，例如以清除(初始化)周期-存儲(chǔ)周期-讀取周期-清除(初始化)周期……順序進(jìn)行。
在清除周期(初始化)，在存儲(chǔ)光照生成的電荷之前，讀取后殘留的光照生成電荷、受主、施主等被中和，或者諸如空穴、電子等在光信號(hào)讀取前被浮獲至表面能級(jí)的殘余電荷釋放出半導(dǎo)體，從而載流子槽25被清空。在這種情況下，升壓掃描電路108將從CMOS電路輸出的一個(gè)低控制電壓增高到該控制電壓的2倍或3倍，并輸出約為+5V或更高的正的高電壓，通常為7到8V。這個(gè)升壓被施加到源區(qū)16和柵極19。
在存儲(chǔ)周期，通過(guò)光照生成載流子(光照生成的電荷)，且載流子中的空穴在第一和第二阱區(qū)15a和15b中移動(dòng)，接著存儲(chǔ)在載流子槽25中。約為+2到3V的正電壓被施加到漏區(qū)17a和17b，而且一個(gè)低的正或負(fù)電壓被施加到柵極19，以使MOS晶體管112維持截止?fàn)顟B(tài)。
在讀取周期，由存儲(chǔ)在載流子槽25中的光照生成電荷引起的MOS晶體管112閾電壓的變化被讀取作為源電位的變化。為了在飽和狀態(tài)下操作MOS晶體管112，約為+2到3V的正電壓被施加到漏區(qū)17a和17b，而且約為+2到3V的正電壓被施加到柵極19。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，固態(tài)成像設(shè)備有升壓掃描電路108連接源極20，而且升壓掃描電路108將從CMOS電路輸出的一個(gè)低控制電壓增高到該控制電壓的2倍或3倍，并從其中輸出。因此，通過(guò)源區(qū)16能施加一個(gè)高電壓到柵極19。因此，在更完全地進(jìn)行初始化的同時(shí)能維持降低CMOS電路的工作電壓。
已詳細(xì)描述了本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例。然而，本發(fā)明的范圍不限于第一個(gè)實(shí)施例中的特定舉例，在不偏離本發(fā)明的精神下對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行的變化和修改在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
例如，在第一個(gè)實(shí)施例中，盡管采用圖5所示的升壓掃描電路108，但本發(fā)明的范圍不限于此。它可具有這樣一種功能，以便從CMOS電路輸出的一個(gè)低控制電壓可被增高到該控制電壓的2倍或3倍。
此外，第一和第二阱區(qū)15a和15b是在p型襯底11上的n型外延層12形成的。然而，除了n型外延層12，n型雜質(zhì)也可被引入到p型外延層，以形成一個(gè)n型阱層，而且第一和第二阱區(qū)15a和15b可在這種n型阱區(qū)形成。
此外，可構(gòu)想各種變型例子應(yīng)用到本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)。然而也可為其它結(jié)構(gòu)，只要光電二極管和用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管二者相鄰構(gòu)成單位像素，以及高密度埋層(載流子槽)可設(shè)在MOS晶體管的溝道區(qū)下的p型阱區(qū)內(nèi)的源區(qū)附近就足夠了。
再者，雖然采用的是p型襯底11，但也可采用n型襯底。在這種情況下，為得到類(lèi)似于上述第二個(gè)實(shí)施例的效果，只要第二個(gè)實(shí)施例中描述的整個(gè)層面和區(qū)域的電導(dǎo)型相反就可以了。在這種情況下，存儲(chǔ)在載流子槽25中的載流子在電子和空穴之間選擇為電子。
(第二個(gè)實(shí)施例)接下來(lái)，參考圖3到圖6，描述包含根據(jù)第一個(gè)實(shí)施例初始化操作的一系列連續(xù)光信號(hào)檢測(cè)操作。根據(jù)第一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備用于光電信號(hào)檢測(cè)操作，而且采用如圖4所示的信號(hào)輸出電路105。由于已經(jīng)描述了圖3到圖5，因此它們被省略。
圖6為定時(shí)圖，示出了包含根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例的初始化操作的一系列連續(xù)光電信號(hào)檢測(cè)操作。
如上所述，光電檢測(cè)操作是通過(guò)重復(fù)一系列周期，包括清除(初始化)、存儲(chǔ)和讀取，而執(zhí)行的。在此，為方便起見(jiàn)，從存儲(chǔ)周期開(kāi)始描述。
首先，在存儲(chǔ)周期期間，一個(gè)低的柵極電壓被施加到MOS晶體管112的柵極19，而且一個(gè)約為2到3V的電壓(VDD)被施加到漏區(qū)17a和17b。在這個(gè)時(shí)刻，第一和第二阱區(qū)15a和15b以及外延層12被耗盡。接著，生成一個(gè)從漏區(qū)17a和17b到源區(qū)16的電場(chǎng)。
接下來(lái)，當(dāng)光電二極管111被光輻照時(shí)，空穴-電子對(duì)(光照生成的電荷)生成。
前述的電場(chǎng)使得光照生成電荷中的光照生成空穴被注入到用于光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112的柵區(qū)15b，并開(kāi)始被存儲(chǔ)在載流子槽25中。
在讀取周期前的存儲(chǔ)周期期間，時(shí)鐘脈沖的L被輸入到預(yù)先充電電路123的輸入端(PR/)，輸出端的MOS晶體管112源極被激勵(lì)為地電位。在這個(gè)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖的L(VSCNn)被輸入到VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸入端，而VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出端被設(shè)為地電位，以激勵(lì)MOS晶體管112的柵極。VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103的輸出端(Vpdn)約為3.3V。換句話說(shuō)，光照生成的空穴傳輸?shù)捷d流子槽時(shí)被加速，并且通過(guò)降低源區(qū)16和柵極19的電位，空穴更完全地存儲(chǔ)在載流子槽25中。
因此，耗盡層從溝道區(qū)擴(kuò)展到其下的柵區(qū)15b的寬度受限，源區(qū)16附近的電位被調(diào)制，且MOS晶體管112的閾電壓被改變。
接著，在讀取周期期間，時(shí)鐘脈沖的H(VSCNn)被輸入到VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸入端。因此，VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出端(VPGn)被設(shè)為約2V，以激勵(lì)MOS晶體管112的柵極。同時(shí)，時(shí)鐘脈沖的H被輸入到預(yù)先充電電路123的輸入端(PR/)，以截止晶體管T6。因此，MOS晶體管112的源極20從預(yù)先充電電路123被切斷。另一方面，VDD驅(qū)動(dòng)掃描線22a的電壓保持為約3.3V。
換句話說(shuō)，約為2V的一個(gè)柵壓被施加到柵極19，而約為3V的電壓VDD被施加到漏區(qū)17a和17b，以使MOS晶體管工作在飽和狀態(tài)。因此，在載流子槽25上的部分溝道區(qū)形成一個(gè)低電場(chǎng)的反相區(qū)域，而在另一部分溝道區(qū)形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。
此外，信號(hào)輸出電路105的恒定電源106連接MOS晶體管112的源極16。從而MOS晶體管112構(gòu)成了一個(gè)源跟隨電路。因此，源電位隨著MOS晶體管112閾電壓的波動(dòng)而變化，這是因光照生成的空穴造成的，而且輸出電壓也發(fā)生變化。
通過(guò)這種方式，可得到一個(gè)與光照量成正比的視頻信號(hào)(Vout)。
接著，描述初始化操作。在初始化操作中，保留在載流子槽25以及第一和第二阱區(qū)15a和15b中的電荷被放電。
首先，參考圖7的定時(shí)圖描述緊隨讀取周期之后的初始化周期(T周期)。
注意，在圖7中，TW表示從反相器G10的反相輸出信號(hào)(PR)的上升沿，到升壓輸出線30a輸出升壓上升的周期；TW0表示反相器G10的反相輸出信號(hào)(PR)的上升時(shí)刻；TW1表示輸入到預(yù)先充電電路123的輸入端(PR/)的時(shí)鐘脈沖的上升時(shí)刻，以及輸入到時(shí)鐘生成電路121的輸入端(CL/)的時(shí)鐘脈沖的下降時(shí)刻；TW2表示反相器G10的反相輸出信號(hào)(PR)的下降時(shí)刻；TW3表示升壓輸出線30a輸出升壓的上升時(shí)刻。
如圖7所示，時(shí)鐘脈沖的L被輸入到升壓掃描電路108的預(yù)先充電電路123的輸入端(PR/)。伴隨于此，反相器G10的反相輸出信號(hào)(PR)在時(shí)刻TW0從L上升到H。另一方面，來(lái)自輸入端(PR/)的時(shí)鐘脈沖上升到H，而且伴隨于此，反相器G10的反相輸出信號(hào)(PR)在比TW1延遲的TW2時(shí)刻下降。此外，輸入到時(shí)鐘生成電路121輸入端(CL/)的時(shí)鐘脈沖電壓，在對(duì)應(yīng)來(lái)自輸入端(PR/)的時(shí)鐘脈沖的上升時(shí)刻TW1，從H切換到L。因此，晶體管T3截止以使MOS晶體管112的漏極22從VDD供應(yīng)線22a切斷。晶體管T2已經(jīng)截止，因?yàn)闀r(shí)鐘脈沖的H(VSCANn)被輸入，而且晶體管T1由于輸入到輸入端(CL/)的時(shí)鐘脈沖的下降而被截止，以使MOS晶體管112的柵極19從VSCAN供應(yīng)線21a切斷。
另一方面，晶體管T4由于來(lái)自時(shí)鐘生成電路121輸入端(CL/)的時(shí)鐘脈沖在TW0和TW1之間上升而導(dǎo)通，而且一個(gè)3.3V的電壓被充電到電容C2。
電容C2的反相器側(cè)由于來(lái)自輸入端(CL/)的時(shí)鐘脈沖的下降而電壓升高為3.3V，而且晶體管T5導(dǎo)通以連接升壓輸出線30a與HSCAN供應(yīng)線20a。此外，晶體管T6對(duì)應(yīng)預(yù)先充電電路123的反相器G10的反相輸出信號(hào)(PR)的下降而被截止，以使HSCAN供應(yīng)線20a從預(yù)先充電電路123斷開(kāi)。因此，HSCAN供應(yīng)線20a上的電壓為6.6V。
此外，由于柵極19從VSCAN供應(yīng)線21a被切斷，源極的電壓變?yōu)?.6V，因此加上已經(jīng)放電到此的2V電壓，通過(guò)源柵之間的電容柵極19的電位變?yōu)?.6V。
因此，施加到源極20和柵極19的電壓被施加到第二阱區(qū)15b以及其下的外延層12。在這時(shí)生成的高電場(chǎng)使得載流子能被精確地清除出第二阱區(qū)15b。因此，通過(guò)提供升壓電路122，利用來(lái)自控制電路的一個(gè)低控制電壓就可精確地清除載流子。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例，升壓電路122連接用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112的源區(qū)，因此即使控制電路的電源電壓很低，載流子也能更為精確地清除。
因此，利用CMOS電路提供的控制電路在更完全地進(jìn)行初始化的同時(shí)，能維持一個(gè)低電壓。
上面已描述了本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。然而應(yīng)理解，本發(fā)明的范圍并不限于第二個(gè)實(shí)施例中的特定例子，而且在不偏離本發(fā)明的精神下對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行的各種變化和修改，全都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
例如，在第二個(gè)實(shí)施例中，用于激勵(lì)固態(tài)成像設(shè)備的方法應(yīng)用到信號(hào)輸出電路108中圖4B所示的電路，但它也可應(yīng)用到圖4A所示的電路。
(第三個(gè)實(shí)施例)接著，參考附圖描述本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的用于激勵(lì)固態(tài)成像設(shè)備的一種方法。
圖8示出了控制根據(jù)本發(fā)明的MOS圖像傳感器的輸入/輸出信號(hào)的定時(shí)圖。
根據(jù)第三個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法被應(yīng)用到第一個(gè)實(shí)施例中的固態(tài)成像設(shè)備，而且圖4所示的信號(hào)輸出電路也被采用。此外，在初始化周期和存儲(chǔ)周期之間增加了一個(gè)消隱周期。
換句話說(shuō)，光電檢測(cè)操作的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)重復(fù)執(zhí)行上述的一系列周期，包括存儲(chǔ)、讀取、以及清除(初始化)、消隱。
在讀取周期期間，由一個(gè)光信號(hào)調(diào)制的第一源電位在消隱周期期間被存儲(chǔ)在第一線性?xún)?nèi)存中，而第二源電位在初始化載流子槽25的狀態(tài)下被存儲(chǔ)在第二線性?xún)?nèi)存中。此外，在存儲(chǔ)周期期間，在前一周期期間分別存儲(chǔ)在第一和第二線性?xún)?nèi)存中的第一源電位和第二源電位之間的差電壓被輸出。
在此，為方便起見(jiàn)，將從存儲(chǔ)周期開(kāi)始描述。
首先，在存儲(chǔ)周期期間，一個(gè)3.3V的電壓(Vpdn,VPSn)被施加到漏區(qū)17a和17b，以及用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管112的源區(qū)16，并且柵極19接地(VPGn)。
在這個(gè)時(shí)刻，第一阱區(qū)15a、第二阱區(qū)15b以及外延層12被耗盡。而且在第一和第二阱區(qū)15a和15b，由于高密度埋層25和其周?chē)糠值内鍏^(qū)15a和15b之間存在雜質(zhì)濃度差，因此生成了一個(gè)朝向高密度埋層(載流子槽)25的電場(chǎng)。
接下來(lái)，光電二極管111受光輻照生成一個(gè)電子和空穴對(duì)(光照生成的電荷)。
前述的電場(chǎng)使光照生成電荷中的光照生成空穴被注入到用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管的柵區(qū)15b，并且存儲(chǔ)在載流子槽25中。由此，限制了耗盡層從溝道區(qū)向其下的柵區(qū)15b擴(kuò)展的寬度，源區(qū)16附近的電位被調(diào)制，且MOS晶體管112的閾電壓被改變。
在這時(shí)，在載流子槽25中受主密度改變的情況下，如果所有光照生成的電荷在之后要描述的初始化周期期間被清除，那么對(duì)應(yīng)圖10A所示的受主密度變化，電位將不平坦。因此，當(dāng)空穴的注入量很小時(shí)，空穴被偏移且存儲(chǔ)在電位低的地方。因此，當(dāng)光信號(hào)被讀取時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖像的“黑色傾斜(black batter)”現(xiàn)象。另一方面，在本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例中，在如圖10B所示的前面剛進(jìn)行的初始化周期期間，數(shù)量足以使載流子槽25中的電位分布平坦的光照生成電荷被保留下來(lái)。因此，在光照生成電荷從此狀態(tài)接著存儲(chǔ)的情況下，閾電壓的調(diào)制在整個(gè)溝道區(qū)變得均勻。因此，當(dāng)光信號(hào)被讀取時(shí)，可避免出現(xiàn)所謂的“黑色傾斜”現(xiàn)象。
接著，在存儲(chǔ)周期的結(jié)束期間，VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出(VPGn)保持地電位，以在激勵(lì)源極為地電位時(shí)，激勵(lì)MOS晶體管112的柵極。另一方面，VDD驅(qū)動(dòng)掃描線22a的電壓維持在約為3.3V。因此，通過(guò)降低柵極19的電位，傳輸光照生成的電荷到載流子槽25時(shí)被加速以更完全地存儲(chǔ)光照生成的電荷。同時(shí)，信號(hào)輸出電路105的第一開(kāi)關(guān)CK1導(dǎo)通。
注意，在存儲(chǔ)周期期間，前一周期期間存儲(chǔ)在第一線性?xún)?nèi)存Lms和第二線性?xún)?nèi)存Lmn的源電位之差電壓被輸出到視頻信號(hào)輸出端107。這個(gè)輸出操作將在消隱周期之后描述。
接著，在讀取周期期間，在保持信號(hào)輸出電路105的第一開(kāi)關(guān)CK1導(dǎo)通的狀態(tài)下，VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出(VPGn)電壓設(shè)為約2.2V，以激勵(lì)MOS晶體管112的柵極。另一方面，VDD驅(qū)動(dòng)掃描線22a的電壓維持在約為3.3V，以激勵(lì)MOS晶體管112的漏極。
換句話說(shuō)，一個(gè)約為2到3V的柵壓被施加到柵極19，而約為3.3V的電壓VDD被施加到漏區(qū)17a和17b，以使MOS晶體管112能工作在飽和狀態(tài)。因此，在載流子槽25上的部分溝道區(qū)形成一個(gè)低電場(chǎng)的反相區(qū)，而在溝道區(qū)的其余部分形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。因此，晶體管導(dǎo)通以充電第一線性?xún)?nèi)存。
因此，第一線性?xún)?nèi)存Lms被逐漸充電。而且隨著充電的進(jìn)行，源電位逐漸上升。當(dāng)源電位變得等于閾電壓時(shí)，漏電流停止流動(dòng)。因此，充電結(jié)束，而且被第一線性?xún)?nèi)存Lms光學(xué)調(diào)制的閾電壓(源電位Vouts)被存儲(chǔ)。這個(gè)閾電壓不僅包括只由光照生成電荷引起的電壓，而且包括由非光照生成電荷所引起的電壓(即，稱(chēng)為噪聲電壓(Voutn))，它包含在前一初始化操作期間保留的足量電荷。
讀取周期結(jié)束后，第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
接著，描述初始化操作。在初始化操作中，保留在載流子槽25以及第一和第二阱區(qū)15a和15b中的電荷被放電。
為執(zhí)行這個(gè)操作，升壓通過(guò)源區(qū)16被施加到柵極19。施加到柵極19的升壓被施加到第二阱區(qū)15b和其下的外延層12。沿圖9A中線Ⅱ-Ⅱ的深度方向的電位分布由圖9B中的實(shí)線表示，而且環(huán)形載流子槽25上及周?chē)碾娢环植既鐖D10A所示。
換句話說(shuō)，如圖8實(shí)線所示的一個(gè)適當(dāng)?shù)纳龎罕皇┘拥綎艠O19，因此載流子槽25的勢(shì)阱變淺，并保持圖9B實(shí)線所示的一個(gè)適當(dāng)深度。大部分光照生成的電荷被放電而只有使載流子槽25中的電位分布變平的特定數(shù)量的光照生成電荷被保留，如圖10B所示。
注意，為了進(jìn)行比較，在載流子槽25中的載流子試圖完全放電而不保留在其中的情況下，沿圖9A中線Ⅱ-Ⅱ的深度方向的電位分布如圖9B中的虛線所示，而當(dāng)載流子槽25由于如上所述而被清空時(shí)，位于和沿環(huán)形載流子槽25的載流子槽25的電位分布如圖10A所示。如圖8的虛線所示的一個(gè)較高電壓被施加到柵極19，因此載流子槽25中的勢(shì)阱如圖9B中虛線所示消失，而且光照生成的電荷被完全放電。在這種情況下，在存儲(chǔ)周期期間，如圖10C所示，在載流子槽25中的電位出現(xiàn)偏移。從而光照生成的電荷從電位低的地方被偏移，并被存儲(chǔ)。
存儲(chǔ)在載流子槽25中的光照生成電荷被放電但保留了特定數(shù)量的電荷用于穩(wěn)定載流子槽25的電位分布。此后，在消隱周期的開(kāi)始期間，VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出端(VPGn)設(shè)為地電位，以激勵(lì)MOS晶體管112的柵極。同時(shí)，VDD驅(qū)動(dòng)掃描電路103的輸出端(Vpdn)電壓設(shè)為約3.3V，以激勵(lì)MOS晶體管112的漏極。此外，第三開(kāi)關(guān)CK3導(dǎo)通，而第二線性?xún)?nèi)存Lmn連接MOS晶體管112的源區(qū)。
接著，在消隱周期開(kāi)始期間之后的期間，VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出端(VPGn)電壓設(shè)為約2.2V，以激勵(lì)MOS晶體管112的柵極。另一方面，VDD驅(qū)動(dòng)掃描線22a的電壓保持為約3.3V，以激勵(lì)MOS晶體管112的漏極。
因此，在載流子槽25上的一部分溝道區(qū)形成一個(gè)低電場(chǎng)的反相區(qū)，而在溝道區(qū)的其余部分形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)時(shí)刻，MOS晶體管112導(dǎo)通，以充電第二線性?xún)?nèi)存Lmn。隨著充電的進(jìn)行，源電位逐漸上升。當(dāng)源電位變得等于閾電壓時(shí)，MOS晶體管截止。因此，充電結(jié)束，而且由剩余電荷引起，而不是由光照生成電荷引起的噪聲電壓，存儲(chǔ)在第二線性?xún)?nèi)存Lmn中。
消隱周期結(jié)束后，開(kāi)關(guān)CK2斷開(kāi)。
接著，操作返回到存儲(chǔ)周期。在這個(gè)時(shí)刻，執(zhí)行存儲(chǔ)操作，而且輸出在前一周期期間存儲(chǔ)在第一和第二線性?xún)?nèi)存Lms和Lmn的源電位Vouts和Voutn之間的差電壓。通過(guò)這種方式，可得到與光輻照量成正比的視頻信號(hào)(Vout=Vouts-Voutn)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例，在如圖9B中實(shí)線所示的初始化周期期間，一個(gè)適當(dāng)?shù)母唠妷罕皇┘拥綎艠O19，因此載流子槽25的勢(shì)阱變淺，但深度適當(dāng)。換句話說(shuō)，大部分光照生成電荷被放電而用于平坦載流子槽25的電位分布的特定數(shù)量的光照生成電荷被保留。因此，在光照生成的電荷從此狀態(tài)開(kāi)始接著被存儲(chǔ)時(shí)，閾電壓的調(diào)制在整個(gè)溝道區(qū)變得均勻。由此，當(dāng)光學(xué)信號(hào)被讀取時(shí)，可避免所謂的圖像“黑色傾斜”。
此外，在一系列的存儲(chǔ)-讀取-清除(初始化)-消隱操作中，有可能實(shí)現(xiàn)一種理想的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，當(dāng)光照生成的空穴移動(dòng)時(shí)，它能防止與半導(dǎo)體表面或溝道區(qū)內(nèi)的噪聲源交互作用。
已詳細(xì)描述了本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。然而，本發(fā)明的范圍并不限于第三個(gè)實(shí)施例中的特定例子，而在不偏離本發(fā)明的精神下對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行的變化和修改屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
例如，在第三個(gè)實(shí)施例中，在初始化周期期間，用于放電大部分光照生成電荷而保留指定數(shù)量的電荷的一個(gè)適當(dāng)高電壓的變化取決于組成單元的參數(shù)，如柵極絕緣膜18的厚度，以及載流子槽25的密度。由此，電壓適當(dāng)?shù)仉S設(shè)置的單元參數(shù)改變。
此外，盡管本發(fā)明應(yīng)用于具有如圖5所示升壓掃描電路108的固體成像設(shè)備，但本發(fā)明也可應(yīng)用于不具備升壓掃描電路108的固態(tài)成像設(shè)備。
權(quán)利要求
1．一種固態(tài)成像設(shè)備，包括(ⅰ)一個(gè)單位像素，具有(a)一個(gè)光電二極管，以及(b)一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它與光電二極管相鄰放置，而且設(shè)有一個(gè)高密度埋層用于存儲(chǔ)在光電二極管中生成的光照生成電荷，高密度埋層設(shè)在柵極下一個(gè)阱區(qū)內(nèi)的源區(qū)附近；(ⅱ)一個(gè)縱向掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于輸出一個(gè)掃描信號(hào)到柵極；以及(ⅲ)一個(gè)升壓掃描電路，用于輸出一個(gè)升壓到源區(qū)。
2．一種固態(tài)成像設(shè)備，包括(ⅰ)一個(gè)單位像素，具有(a)一個(gè)光電二極管，以及(b)一個(gè)與光電二極管相鄰放置的用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它設(shè)有(1)一個(gè)第一電導(dǎo)型的阱區(qū)；(2)一個(gè)在阱區(qū)表面層上形成的第二電導(dǎo)型的源區(qū)，(3)一個(gè)在阱區(qū)表面層上形成的第二電導(dǎo)型的漏區(qū)，(4)源區(qū)和漏區(qū)之間的一個(gè)溝道區(qū)，(5)在溝道區(qū)的柵絕緣膜上形成的一個(gè)柵極，(6)一個(gè)高密度埋層，用于存儲(chǔ)在光電二極管中光照生成的電荷，高密度埋層設(shè)在柵極下一個(gè)阱區(qū)內(nèi)的源區(qū)附近；(ⅱ)一個(gè)漏電壓驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于提供一個(gè)漏電壓到漏區(qū)；(ⅲ)一個(gè)縱向掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于輸出一個(gè)掃描信號(hào)到柵極；以及(ⅳ)一個(gè)升壓掃描電路，用于輸出一個(gè)升壓到源區(qū)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像設(shè)備，其中絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極為環(huán)型，源區(qū)在由柵極環(huán)繞的阱區(qū)的表面層上形成，漏區(qū)在阱區(qū)的表面層上形成，以便環(huán)繞柵極。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像設(shè)備，其中高密度埋層在溝道長(zhǎng)度方向的部分區(qū)域，以及溝道寬度方向的整個(gè)區(qū)域形成。
5．根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像設(shè)備，還包括一個(gè)信號(hào)輸出電路，記錄對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)在高密度埋層中的光照生成電荷量的源電壓，而且輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于源電壓的光信號(hào)；以及一個(gè)水平掃描信號(hào)輸入掃描電路，用于提供一個(gè)掃描信號(hào)，控制一個(gè)輸出光信號(hào)的定時(shí)。
6．一種固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法，包括步驟(ⅰ)配備固態(tài)成像設(shè)備，包括(a)一個(gè)單位像素，具有(1)一個(gè)光電二極管，以及(2)一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它與光電二極管相鄰放置，而且設(shè)有一個(gè)高密度埋層用于存儲(chǔ)在光電二極管中光照生成的電荷，高密度埋層設(shè)在柵極下一個(gè)阱區(qū)內(nèi)的源區(qū)附近；(b)一個(gè)縱向掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于輸出一個(gè)掃描信號(hào)到柵極；以及(c)一個(gè)升壓掃描電路，用于輸出一個(gè)升壓到源區(qū)；(ⅱ)用光輻照光電二極管，以在阱區(qū)生成光照生成的電荷；(ⅲ)傳輸光照生成的電荷到高密度埋層，以將光照生成的電荷存儲(chǔ)在高密度埋層；(ⅳ)檢測(cè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾電壓的一個(gè)改變量，它隨存儲(chǔ)的光照生成電荷的數(shù)量改變；(ⅴ)從升壓掃描電路輸出該升壓；(ⅵ)在柵極從縱向掃描信號(hào)供應(yīng)線被切斷的狀態(tài)下，將該升壓施加到絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)，從而該升壓通過(guò)源區(qū)和柵極之間的一個(gè)電容被施加到柵極；(ⅶ)通過(guò)由該升壓增高的源電壓和柵電壓，清除高密度埋層中存儲(chǔ)的光照生成的電荷；以及(ⅷ)重復(fù)步驟(ⅱ)至(ⅶ)。
7．一種固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法，包括步驟(ⅰ)配備固態(tài)成像設(shè)備包括(a)一個(gè)單位像素，具有(1)一個(gè)光電二極管，以及(2)一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它與光電二極管相鄰放置，且設(shè)有一個(gè)第一電導(dǎo)型的阱區(qū)，在阱區(qū)的表面層上形成的一個(gè)第二電導(dǎo)型的源區(qū)，在阱區(qū)的表面層上形成的一個(gè)第二電導(dǎo)型的漏區(qū)，源區(qū)和漏區(qū)之間的一個(gè)溝道區(qū)，在溝道區(qū)上的柵絕緣膜上形成的一個(gè)柵極，以及一個(gè)高密度埋層，用于存儲(chǔ)在光電二極管中光照生成的電荷，高密度埋層設(shè)在柵極下一個(gè)阱區(qū)內(nèi)的源區(qū)附近，(b)一個(gè)漏電壓驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于提供一個(gè)漏電壓到漏區(qū)，(c)一個(gè)縱向掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于輸出一個(gè)掃描信號(hào)到柵極，以及(d)一個(gè)升壓掃描電路，用于輸出一個(gè)升壓到源區(qū)；(ⅱ)用光輻照光電二極管，以在阱區(qū)生成光照生成的電荷；(ⅲ)傳輸光照生成的電荷到高密度埋層，以將光照生成的電荷存儲(chǔ)在高密度埋層中；(ⅳ)檢測(cè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾電壓的一個(gè)改變量，它隨光照生成的電荷數(shù)量而改變；(ⅴ)從升壓掃描電路輸出該升壓；(ⅵ)在柵極從縱向掃描信號(hào)供應(yīng)線被切斷的狀態(tài)下，將該升壓施加到絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)，從而該升壓通過(guò)源區(qū)和柵極之間的一個(gè)電容被施加到柵極；以及(ⅶ)通過(guò)由該升壓增高的源電壓和柵電壓，清除高密度埋層中存儲(chǔ)的光照生成的電荷；以及(ⅷ)重復(fù)步驟(ⅱ)至(ⅶ)。
8．一種固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法，包括步驟(ⅰ)提供一個(gè)固態(tài)成像設(shè)備，它有一個(gè)在阱區(qū)形成的光電二極管，以及一個(gè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該晶體管有一個(gè)高密度埋層用于在絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)附近的溝道區(qū)下的阱區(qū)存儲(chǔ)光照生成的電荷；(ⅱ)用光輻照光電二極管，以在阱區(qū)生成光照生成的電荷；(ⅲ)傳輸光照生成的電荷到高密度埋層，以將光照生成的電荷存儲(chǔ)在高密度埋層中；(ⅳ)檢測(cè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾電壓的一個(gè)改變量，它隨光照生成的電荷數(shù)量而改變；(ⅴ)當(dāng)高密度埋層中保留了預(yù)定數(shù)量的光照生成電荷時(shí)，清除存儲(chǔ)在高密度埋層中的更多部分的光照生成的電荷；以及(ⅵ)為實(shí)現(xiàn)(ⅱ)至(ⅴ)，重復(fù)步驟(ⅱ)至(ⅴ)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法，其中在步驟(ⅴ)，預(yù)定數(shù)量為，如果存儲(chǔ)的光照生成電荷全部從高密度埋層中清除，高密度埋層的電位分布出現(xiàn)不平的情況下，使整個(gè)高密度埋層區(qū)域的電位分布平坦化的電荷數(shù)量。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的固態(tài)成像設(shè)備的激勵(lì)方法，其中步驟(ⅰ)的固態(tài)成像設(shè)備還包括一個(gè)縱向掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于提供一個(gè)掃描信號(hào)到絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極；一個(gè)升壓掃描電路，用于提供一個(gè)升壓到絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)；一個(gè)漏電壓驅(qū)動(dòng)掃描電路，用于提供一個(gè)漏電壓到絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏區(qū)；一個(gè)信號(hào)輸出電路，用于記錄對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)在高密度埋層中的光照生成電荷數(shù)量的源電壓，而且輸出對(duì)應(yīng)于源電壓的光信號(hào)；以及一個(gè)水平掃描信號(hào)輸入掃描電路，用于控制一個(gè)定時(shí)以輸出該光信號(hào)，以及在步驟(ⅳ和(ⅴ)之間還包括步驟(1)從縱向掃描信號(hào)供應(yīng)線切斷柵極；(2)從漏電壓驅(qū)動(dòng)掃描電路切斷漏區(qū)；(3)從升壓掃描電路輸出升壓；以及(4)施加該升壓到絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)，以通過(guò)源區(qū)和柵極之間的電容施加該升壓到柵極。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種固態(tài)成像設(shè)備,包括一個(gè)單位像素,該單位像素包括一個(gè)光電二極管和一個(gè)用于光信號(hào)檢測(cè)的MOS晶體管,MOS晶體管設(shè)有高密度埋層,用于存儲(chǔ)在光電二極管中由光輻照生成的光照生成電荷,縱向掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路用于輸出一個(gè)掃描信號(hào)到柵極,以及升壓掃描電路用于輸出一個(gè)高于電源電壓的升壓到源區(qū)。升壓從該升壓掃描電路被施加到源區(qū),存儲(chǔ)在高密度埋層中的光照生成電荷通過(guò)由該升壓增高的源電壓和柵壓被從高密度埋層中清除。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1304178SQ01101278
公開(kāi)日2001年7月18日 申請(qǐng)日期2001年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月7日
發(fā)明者三井田高 申請(qǐng)人:伊諾太科株式會(huì)社