本案是申請?zhí)枮?01280033579.0，申請日為2012年7月5日，題目為“固態(tài)成像器件、用于驅(qū)動其的方法、用于制造其的方法及電子裝置”的申請的分案。

本技術(shù)涉及固態(tài)成像器件、用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法、用于制造固態(tài)成像器件的方法以及電子設(shè)備，且具體地涉及執(zhí)行全局曝光的固態(tài)成像器件、用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法、用于制造固態(tài)成像器件的方法以及電子裝置。

背景技術(shù)：

在固態(tài)成像器件，例如，作為一種x-y地址類型固態(tài)成像器件的cmos圖像傳感器中，執(zhí)行逐像素或者逐行地連續(xù)掃描和讀出由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生并在光電轉(zhuǎn)換部分中累積的光電荷的操作。在連續(xù)掃描的情況下，換言之，如果采用卷動快門作為電子快門，則不可能適合用于在所有像素中累積光電荷的曝光的開始時間和結(jié)束時間。因此，對于連續(xù)掃描存在在對運動被攝體成像時在成像的圖像中出現(xiàn)各種失真的問題。

對于需要高速運動的被攝體的成像和成像的圖像的同時性的傳感應(yīng)用(其不能容忍這類圖像失真)，采用關(guān)于像素陣列部分中的所有像素在相同時刻執(zhí)行曝光的開始和結(jié)束的全局快門作為電子快門。為了實現(xiàn)全局快門，與作為光電轉(zhuǎn)換部分的光電二極管分開地提供例如嵌入式mos電容器作為累積光電荷的區(qū)域，即，光電荷累積部分(例如，參考專利文件1)。

但是，為了嵌入式mos電容器在全局快門操作時接收由光電二極管中的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生并在其中累積的所有光電荷，嵌入式mos電容器需要等于或大于光電二極管的飽和電荷量的飽和電荷量。相反地，以相同的單元像素尺寸考慮它們，則因為在單元像素中存在嵌入式mos電容器，所以光電二極管的面積顯著地減小。因此，存在光電二極管的飽和電荷量減小的問題。

作為針對該問題的措施，提出了用于累積在光電二極管和嵌入式mos電容器兩者中由光電二極管中的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光電荷的技術(shù)(例如，參考專利文件2)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，飽和電荷量是光電二極管和嵌入式mos電容器的飽和電荷量之和。

引文列表

專利文件

專利文件1：日本專利no.3874135

專利文件2：日本專利申請?zhí)亻_no.2009-268083

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

但是，甚至專利文件2中公開的現(xiàn)有技術(shù)與沒有全局快門功能的cmos圖像傳感器相比在飽和電荷量方面顯著地更差。這是由于不僅需要添加光電荷累積部分(在現(xiàn)有技術(shù)的情況下嵌入式mos電容器)而且需要進一步在單元像素中添加晶體管以實現(xiàn)全局曝光。這造成圖像的動態(tài)范圍的減小。

此外，除實現(xiàn)上述全局曝光的現(xiàn)有技術(shù)之外，容易假定不使用嵌入式mos電容器而使用具有更高的單位面積電容值的電容器作為電荷累積部分。但是，通常大量漏電流從具有高的單位面積電容值的電容器流出，且存在比如暗電流或者白點之類的、黑暗中的特性的惡化變得顯著的問題。

此外，如果在其中經(jīng)由溢出路徑集成光電二極管和存儲器部分的上述像素結(jié)構(gòu)中在固態(tài)成像器件中包括的像素的溢出路徑的勢壘中存在變化，則成像的圖像的質(zhì)量降低。因此，需要抑制固態(tài)成像器件中包括的像素的溢出路徑的勢壘的變化的影響，并改進成像的圖像的質(zhì)量。

因此，本技術(shù)可以通過利用全局曝光獲得具有寬動態(tài)范圍和低噪聲的圖像。

技術(shù)效果

根據(jù)本技術(shù)的第一或者第二方面，可以通過利用全局曝光獲得具有寬動態(tài)范圍和低噪聲的圖像。

根據(jù)本技術(shù)的第三、第五和第六方面，可以獲得高質(zhì)量圖像。此外，根據(jù)本技術(shù)的第四方面，可以制造獲取高質(zhì)量圖像的固態(tài)成像器件。

附圖說明

圖1是示出本技術(shù)應(yīng)用到的cmos圖像傳感器的配置的概述的系統(tǒng)框圖。

圖2是示出本技術(shù)應(yīng)用到的cmos圖像傳感器的另一系統(tǒng)配置的(第一)系統(tǒng)框圖。

圖3是示出本技術(shù)應(yīng)用到的cmos圖像傳感器的另一系統(tǒng)配置的(第二)系統(tǒng)框圖。

圖4a和圖4b是嵌入式mos電容器和表面?zhèn)萴os電容器的說明圖。

圖5a和圖5b是多個電容器結(jié)構(gòu)的組合的說明圖。

圖6a和圖6b是示出第二電荷累積部分的其它配置示例的(第一)橫截面圖。

圖7a和圖7b是示出第二電荷累積部分的其它配置示例的(第二)橫截面圖。

圖8是示出單元像素的電路配置的電路圖。

圖9是示出單元像素的像素結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖10是為了單元像素的電路操作的描述而提供的時序圖。

圖11是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第一)電位圖。

圖12是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第二)電位圖。

圖13是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第三)電位圖。

圖14是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第四)電位圖。

圖15是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第五)電位圖。

圖16是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第六)電位圖。

圖17是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第七)電位圖。

圖18是為了單元像素的電路操作的描述而提供的(第八)電位圖。

圖19是示出單元像素的修改例1的電路配置的電路圖。

圖20是示出單元像素的修改例2的電路配置的電路圖。

圖21是為了單元像素的修改例2的電路操作的描述而提供的時序圖。

圖22是示出根據(jù)像素共享的特定示例1的電路配置的電路圖。

圖23是示出根據(jù)像素共享的特定示例2的電路配置的電路圖。

圖24是為了fd部分、第一電荷累積部分和第二電荷累積部分鉗制(pinning)襯底表面和耦合電位的要求的描述而提供的襯底深度方向上的電位圖。

圖25是為了信號處理單元中的處理示例1和處理示例2的情況下信號處理的描述而提供的時序圖。

圖26是為了處理示例3的情況下信號處理的描述而提供的入射光量-輸出的(第一)特性曲線圖。

圖27a和27b是為了處理示例3的情況的描述而提供的入射光量-輸出的(第二)特性曲線圖。

圖28是為了根據(jù)修改例的單元像素的電路操作的描述而提供的時序圖。

圖29a和圖29b是根據(jù)參考例的單元像素的操作說明圖。

圖30示出用于實現(xiàn)長時間曝光的電路操作的列處理單元、信號處理單元和數(shù)據(jù)存儲單元的外圍設(shè)備的配置示例。

圖31是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的(第一)時序圖。

圖32是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的(第二)時序圖。

圖33是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的(第一)電位圖。

圖34是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的(第二)電位圖。

圖35是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的(第三)電位圖。

圖36是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的(第四)電位圖。

圖37是為了以長時間曝光的單元像素的電路操作的描述而提供的時序圖的修改例。

圖38是為了以長時間曝光的單元像素的修改例2的電路操作的描述而提供的(第一)時序圖。

圖39是為了以長時間曝光的單元像素的修改例2的電路操作的描述而提供的(第二)時序圖。

圖40是示出其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路配置的電路圖。

圖41是示出其中省略第二電荷累積部分的單元像素的像素結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖42是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的時序圖。

圖43是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第一)電位圖。

圖44是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第二)電位圖。

圖45是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第三)電位圖。

圖46是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第四)電位圖。

圖47是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第五)電位圖。

圖48是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第六)電位圖。

圖49是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第七)電位圖。

圖50是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素的電路操作的描述而提供的(第八)電位圖。

圖51是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素以長時間曝光的電路操作的描述而提供的(第一)時序圖。

圖52是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素以長時間曝光的電路操作的描述而提供的(第二)時序圖。

圖53是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素以長時間曝光的電路操作的描述而提供的(第一)電位圖。

圖54是為了其中省略第二電荷累積部分的單元像素以長時間曝光的電路操作的描述而提供的(第二)電位圖。

圖55是為了其中省略第三電荷累積部分的單元像素以長時間曝光的電路操作的描述而提供的(第三)電位圖。

圖56是為了其中省略第四電荷累積部分的單元像素以長時間曝光的電路操作的描述而提供的(第四)電位圖。

圖57是示出已知單元像素的結(jié)構(gòu)的簡圖。

圖58是在圖57中的x方向上的電位圖。

圖59(1)到圖59(5)是解釋曝光操作的簡圖。

圖60(1)到圖60(5)是解釋曝光操作的簡圖。

圖61是示出用于驅(qū)動單元像素的方法的時序圖。

圖62a到圖62c是解釋要解決的問題的簡圖。

圖63是解釋要解決的問題的簡圖。

圖64a和圖64b是示出圖1的cmos圖像傳感器中采用的單元像素的結(jié)構(gòu)的簡圖。

圖65a和圖65b是解釋實施例中對單元像素的考慮的簡圖。

圖66a到圖66c是解釋實施例中對單元像素的考慮的簡圖。

圖67是實施例中單元像素的電位圖。

圖68a到圖68c是解釋實施例中在單元像素中累積光電荷的操作的簡圖。

圖69是解釋單元像素的特定示例1的簡圖。

圖70是解釋單元像素的特定示例2的簡圖。

圖71是解釋制造單元像素的方法的簡圖。

圖72是解釋制造單元像素的方法的簡圖。

圖73是示出單元像素的另一結(jié)構(gòu)的簡圖。

圖74a和圖74b是示出單元像素的另一結(jié)構(gòu)的簡圖。

圖75是示出單元像素的另一結(jié)構(gòu)的簡圖。

圖76是示出單元像素的另一配置示例的簡圖。

圖77是根據(jù)本技術(shù)應(yīng)用到的實施例的電子裝置的示意性框圖。

具體實施方式

<1.本技術(shù)應(yīng)用到的固態(tài)成像器件>

[1-1.基本系統(tǒng)配置]

圖1是示出本技術(shù)應(yīng)用到的固態(tài)成像器件，例如，作為一種x-y地址類型固態(tài)成像器件的cmos圖像傳感器的配置的概述的系統(tǒng)框圖。這里，該cmos圖像傳感器指示通過應(yīng)用或者局部地使用cmos工藝而制造的圖像傳感器。

根據(jù)應(yīng)用示例的cmos圖像傳感器10包括在未示出的半導(dǎo)體襯底(芯片)上形成的像素陣列單元11和在與像素陣列單元11相同的半導(dǎo)體襯底上集成的外圍電路單元。該外圍電路單元例如由垂直驅(qū)動單元12、列處理單元13、水平驅(qū)動單元14和系統(tǒng)控制單元15配置。

cmos圖像傳感器10另外包括信號處理單元18和數(shù)據(jù)存儲單元19。該信號處理單元18和數(shù)據(jù)存儲單元19可以安裝在與cmos圖像傳感器10相同的襯底上或者可以設(shè)置在與cmos圖像傳感器10不同的襯底上。此外，信號處理單元18和數(shù)據(jù)存儲單元19的處理可以由在與cmos圖像傳感器10的襯底不同的襯底上提供的外部信號處理單元，例如，dsp(數(shù)字信號處理器)電路或者軟件執(zhí)行。

像素陣列單元11配置為使得單元像素(以下也可以簡稱為“像素”)在行方向和列方向上，即，以矩陣二維地設(shè)置，其中每一單元像素具有用于根據(jù)接收到的光量而產(chǎn)生和累積光電荷的光電轉(zhuǎn)換部分。這里，行方向指示在像素行(也就是，水平方向)上像素的布置方向，且列方向指示在像素列(也就是，垂直方向)上像素的布置方向。單元像素的特定電路配置和像素結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)將在之后描述。

在像素陣列單元11中，像素驅(qū)動線16對于矩陣的像素陣列的每一像素行沿著行方向布線，且垂直信號線17對于每一像素列沿著列方向布線。像素驅(qū)動線16在從像素讀出信號時發(fā)送用于驅(qū)動的驅(qū)動信號。在圖1中，像素驅(qū)動線16示為一條線；但是，線的數(shù)目不限于一條。像素驅(qū)動線16的一端連接到與垂直驅(qū)動單元12的每一行對應(yīng)的輸出端。

垂直驅(qū)動單元12由移位寄存器、地址解碼器等配置并同時驅(qū)動像素陣列單元11的全部像素，或者一次性驅(qū)動每一行中的像素等。換句話說，垂直驅(qū)動單元12配置與控制垂直驅(qū)動單元12的系統(tǒng)控制單元15一起驅(qū)動像素陣列單元11的像素的驅(qū)動單元。雖然省略垂直驅(qū)動單元12的特定配置的圖示，但是該垂直驅(qū)動單元12通常包括兩個掃描系統(tǒng)，即讀取掃描系統(tǒng)和清掃掃描系統(tǒng)(sweepscanningsystem)。

該讀取掃描系統(tǒng)逐行地選擇性地依次掃描像素陣列單元11的單元像素以從單元像素讀取信號。從單元像素讀取的信號是模擬信號。清掃掃描系統(tǒng)在讀取掃描之前，僅在快門速度的時間內(nèi)，關(guān)于要讀取的行(要由讀取掃描系統(tǒng)關(guān)于其執(zhí)行讀取掃描)執(zhí)行清掃掃描。

通過清掃掃描系統(tǒng)的清掃掃描，從要讀取的行中的單元像素的光電轉(zhuǎn)換部分掃除不必要電荷，因此，復(fù)位光電轉(zhuǎn)換部分。由清掃掃描系統(tǒng)掃除(復(fù)位)不必要電荷以執(zhí)行所謂的電子快門操作。這里，電子快門操作指示丟棄光電轉(zhuǎn)換部分的光電荷和新開始曝光(開始光電荷的累積)的操作。

由讀取掃描系統(tǒng)的讀取操作讀取的信號對應(yīng)于在緊接在之前的讀取操作或者電子快門操作之后接收到的光量。單元像素中的光電荷的曝光時間由從緊接的前一讀取操作的讀取定時或者電子快門操作的清掃定時到當(dāng)前讀取操作的讀取定時的時段定義。

將由垂直驅(qū)動單元12選擇性地掃描的像素行中從單元像素輸出的信號一次一個像素列地通過每一垂直信號線17輸入到列處理單元13。列處理單元13對于像素陣列單元11的每一像素列，關(guān)于通過垂直信號線17從所選的行中的像素輸出的信號執(zhí)行指定的信號處理，并且臨時保存信號處理之后的像素信號。

具體地說，列處理單元13至少執(zhí)行噪聲去除處理，例如，cds(相關(guān)二重采樣)處理作為信號處理。通過列處理單元13的cds處理，去除對像素唯一的復(fù)位噪聲和固定模式噪聲，比如像素中放大晶體管的閾值的變化。除該噪聲去除處理之外，列處理單元13也可以具有ad(模/數(shù))轉(zhuǎn)換功能，例如，將模擬像素信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出該數(shù)字信號。

該水平驅(qū)動單元14由移位寄存器、地址解碼器等配置，并依次選擇與列處理單元13的像素列對應(yīng)的單元電路。通過水平驅(qū)動單元14的選擇性掃描，依次輸出對于每一單元電路由列處理單元13執(zhí)行了信號處理的像素信號。

系統(tǒng)控制單元15由產(chǎn)生各種定時信號等的定時發(fā)生器配置，并基于由定時發(fā)生器產(chǎn)生的各種定時執(zhí)行垂直驅(qū)動單元12、列處理單元13、水平驅(qū)動單元14等的驅(qū)動控制。

信號處理單元18至少具有計算處理功能并關(guān)于從列處理單元13輸出的像素信號執(zhí)行各種信號處理，比如計算處理。在信號處理單元18的信號處理時，數(shù)據(jù)存儲單元19臨時存儲處理所需的數(shù)據(jù)。

具有上述配置的cmos圖像傳感器10采用在相同定時關(guān)于像素陣列單元11中的全部像素執(zhí)行曝光的開始和結(jié)束的全局曝光。換句話說，cmos圖像傳感器10能夠?qū)τ谌肯袼赝瑫r曝光。通過由包括垂直驅(qū)動單元12和系統(tǒng)控制單元15的驅(qū)動單元驅(qū)動來執(zhí)行該全局曝光。實現(xiàn)全局曝光的全局快門功能是適于感測應(yīng)用的快門操作，該感測應(yīng)用要求高速移動的被攝體的成像和成像的圖像的同時性。

[1-2.其它系統(tǒng)配置]

本技術(shù)應(yīng)用到的cmos圖像傳感器10不限于具有上述系統(tǒng)配置的cmos圖像傳感器。以下系統(tǒng)配置可以引用為其它系統(tǒng)配置。

例如，如圖2所示，可以引用具有如下系統(tǒng)配置的cmos圖像傳感器10a，在該系統(tǒng)配置中，在列處理單元13的后級中放置數(shù)據(jù)存儲單元19以將從列處理單元13輸出的像素信號通過數(shù)據(jù)存儲單元19提供到信號處理單元18。

此外，如圖3所示，可以引用具有以下系統(tǒng)配置的cmos圖像傳感器10b，在該系統(tǒng)配置中，列處理單元13具有關(guān)于像素陣列單元11的每一列或者每多個列執(zhí)行ad轉(zhuǎn)換的ad轉(zhuǎn)換功能，且與列處理單元13并行地提供數(shù)據(jù)存儲單元19和信號處理單元18。

<2.實施例的描述>

為了實現(xiàn)全局曝光，根據(jù)實施例的固態(tài)成像器件(例如，cmos圖像傳感器)在單元像素中包括第一和第二電荷累積部分這兩個，以保證與實現(xiàn)全局曝光的現(xiàn)有技術(shù)相比，在黑暗中或者在低光條件下更大的飽和電荷量而不惡化成像的圖像的質(zhì)量。另外，將嵌入式mos電容器用作第一電荷累積部分，且將具有比第一電荷累積部分更高的單位面積電容值的電容器用作第二電荷累積部分。

優(yōu)選地是，對于第一和第二電荷累積部分應(yīng)該以下面的方式設(shè)置飽和電荷量的量值關(guān)系。換句話說，優(yōu)選地是，第一電荷累積部分應(yīng)該具有比光電轉(zhuǎn)換部分的飽和電荷量更小的飽和電荷量。

當(dāng)將第一電荷累積部分的飽和電荷量設(shè)置為小于光電轉(zhuǎn)換部分的飽和電荷量時，由第二電荷累積部分補償該差值。因此，當(dāng)將第一電荷累積部分的飽和電荷量添加到第二電荷累積部分時，對于第二電荷累積部分來說需要具有總計等于或大于光電轉(zhuǎn)換部分的飽和電荷量的飽和電荷量。

如上所述，在單元像素中提供第一和第二電荷累積部分這兩個，并且將嵌入式mos電容器用作第一電荷累積部分，而將具有比第一電荷累積部分更高的單位面積電容值的電容器用作第二電荷累積部分；因此，可以獲得以下操作和效果。

換句話說，可以顯著地增加可以累積光電荷的電容值，換言之，跟在與第一和第二電荷累積部分的總區(qū)域相同的區(qū)域之上形成嵌入式mos電容器的情況相比，可以保證更大的飽和電荷量。另外，嵌入式mos電容器用于低光條件下的信號，且耐受界面狀態(tài)、缺陷等的影響。與實現(xiàn)全局曝光的現(xiàn)有技術(shù)相比，黑暗中的性質(zhì)不惡化。因此，在低光條件下成像的圖像的質(zhì)量不惡化。

結(jié)果，可以實現(xiàn)展現(xiàn)與具有相同單元像素大小而沒有全局快門功能的cmos圖像傳感器的特性等同的特性的、具有全局快門功能的cmos圖像傳感器。此外，可以實現(xiàn)與具有相同單元像素大小和全局快門功能的已知cmos圖像傳感器相比，促進動態(tài)范圍的顯著擴展的cmos圖像傳感器。

[2-1.電荷累積部分的劃分為什么可以增加電荷累積部分的總電容值的原因]

以該方式，將嵌入式mos電容器用作第一電荷累積部分，并且將具有比第一電荷累積部分更高的單位面積電容值的電容器用作第二電荷累積部分；因此，可以增大電荷累積部分的總電容值。這里，將采用數(shù)值示例給出為什么可以增大電荷累積部分的總電容值的原因的描述。

例如，考慮形成具有1μm²的面積的電容器的情況。假定第一電荷累積部分的單位面積電容值是1ff/μm²，第二電荷累積部分的單位面積電容值是10ff/μm²，且具有1μm²的面積的整個電容器由第一電荷累積部分形成，則具有1μm²的面積的電容器的電容值是1ff。

此時，如果1μm²的面積的一半由第二電荷累積部分替代，則具有1μm²的面積的電容器的電容值是5.5ff(＝1/2μm²×1ff+1/2μm²×10ff)。換句話說，如果面積的一半由第二電荷累積部分替代，則具有1μm²的面積的電容器的電容值是未替換的情況下的5.5倍高。

此外，如果1μm²的面積的四分之三由第二電荷累積部分替代，則具有1μm²的面積的電容器的電容值是7.75ff，這是未替換的情況下的7.75倍高。此外，當(dāng)1μm²的面積的一半由第二電荷累積部分替代，假定第二電荷累積部分的單位面積電容值是20ff/μm²，則具有1μm²的面積的電容器的電容值是10.5ff，這是未替換的情況下的10.5倍高。

另一方面，通常大量漏電流從具有高的單位面積電容值的電容器流出，且對于第二電荷累積部分存在比如暗電流或者白點之類的黑暗中的特性的惡化變得顯眼的問題。因此，當(dāng)全部像素的光電荷同時從光電轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)移時，在第一電荷累積部分中累積低光條件下的光電荷。這里，“低光條件下的光電荷”指示等于或者小于第一電荷累積部分的飽和電荷量的光電荷。第一電荷累積部分由嵌入式電容器形成，因此耐受界面狀態(tài)、缺陷等的影響，且在黑暗中比第二電荷累積部分性質(zhì)更好。

此外，在第一電荷累積部分和第二累積電容器兩者中累積高光條件下的光電荷。這里，“高光條件下的光電荷”指示超過第一電荷累積部分的飽和電荷量的光電荷。在應(yīng)對大量電荷的高光條件下，可以保證高s/n，因此比如暗電流或者白點之類的黑暗中的性質(zhì)不可能具有影響。因此，即使在大量漏電流流出的第二電荷累積部分中累積高光條件下的光電荷，關(guān)于圖像質(zhì)量的影響也極小。

從上述描述很清楚，通過使用嵌入式mos電容器作為第一電荷累積部分和使用具有比第一電荷累積部分更高的單位面積電容值的電容器作為第二電荷累積部分，可以保證較大的飽和電荷量。相反地，如果相等的飽和電荷量是可接受的，則可以通過節(jié)省的空間量促進單元像素尺寸的減小。

另外，通過在第一電荷累積部分中累積低光條件下的光電荷，所述第一電荷累積部分在具有比如暗電流或者白點之類的黑暗中的良好性質(zhì)，同時在第二電荷累積部分中累積高光條件下的光電荷，所述第二電荷累積部分在黑暗中的性質(zhì)不好，在同時讀出全部像素時，在黑暗中或者在低光條件下成像的圖像的質(zhì)量與實現(xiàn)全局曝光的現(xiàn)有技術(shù)相比不惡化。

具有比第一電荷累積部分更高的單位面積電容值的電容器，換言之，具有比嵌入式mos電容器更高的單位面積電容值的電容器的示例包括表面型mos電容器。

[2-2.具有高的單位面積電容值的電容器的描述]

這里，將給出配置第一電荷累積部分的嵌入式mos電容器和例如配置第二電荷累積部分的表面?zhèn)萴os電容器之間的差異的描述。

圖4a和圖4b示出嵌入式mos電容器a和表面?zhèn)萴os電容器b。此外，在圖4a和圖4b中，(a)和(b)分別示出每一mos電容器和等效電路的截面結(jié)構(gòu)。

如圖4a和圖4b所示，柵極電極23經(jīng)由任何mos電容器中的柵極氧化膜22設(shè)置在半導(dǎo)體襯底21上。在嵌入式mos電容器a的情況下，累積信號電荷的電荷累積區(qū)域24在半導(dǎo)體襯底21的深處形成，且在表面型mos電容器b的情況下，在半導(dǎo)體襯底21的襯底表面中形成電荷累積區(qū)域25。

在圖4a和圖4b的(b)中，cox表示柵極氧化膜22的電容值，cch表示襯底表面和電荷累積區(qū)域之間的電容值，且csi表示電荷累積區(qū)域和襯底之間的電容值。

(在嵌入式電容器的情況下)

假定電荷累積區(qū)域24的單位面積電容值是cb，則電容值cb由以下表達(dá)式(1)表示：

cb＝cox·cch/(cox+cch)+csi＝cox·{1/(1+cox/cch)}+csi...(1)

這里，假定電荷累積區(qū)域和襯底之間的電容值csi充分地低，則表達(dá)式(1)可以由以下表達(dá)式(2)近似：

cb≈cox·{1/(1+cox/cch)}...(2)

(在表面型電容器的情況下)

假定電荷累積區(qū)域的單位面積電容值是cs，則電容值cs由以下表達(dá)式(3)表示：

cs＝cox+csi...(3)

這里，假定在電荷累積區(qū)域和襯底之間的電容值csi充分地低，則電容值cs可以由柵極氧化膜22的電容值cox近似，如以下表達(dá)式(4)表示的：

cs≈cox...(4)

換句話說，電荷累積區(qū)域24的單位面積電容值cb和電荷累積區(qū)域25的單位面積電容值cs之間的數(shù)值關(guān)系是cb<cs，且電容值通過代替襯底表面而在襯底中埋入電荷累積區(qū)域而減小。相反地，電容值通過使得電荷累積區(qū)域從襯底的內(nèi)部到襯底的表面而增大。

(從材料視角增大單位面積電容值的方法的描述)

單位面積的柵極氧化膜22的電容值cox由以下表達(dá)式(5)表示：

cox＝εox/tox...(5)

其中εox是柵極氧化膜22的電容率，且tox是柵極氧化膜22的膜厚度。

雖然從耐壓和泄漏量的視點來看，柵極氧化膜22的膜厚度tox是重要的，但是即使膜厚度相等，也可以通過使用具有高電容率的材料來增大單位面積電容值cox。具有高電容率的材料例如包括以下材料：

si3n4：相對電容率7

ta2o5：相對電容率26

hfo2：相對電容率25

zro2：相對電容率25

因為真空電容率和相對電容率的積為每一材料的電容率，所以如果考慮相對電容率對sio2(相對電容率3.9)的比率，則可以估計單位面積電容值的增大。例如，如果假定表面式mos電容器并使用具有相同膜厚度的si3n4代替sio2，則單位面積電容值增加1.8倍，且如果使用ta2o5，則單位面積電容值增加6.7倍。

(從結(jié)構(gòu)視角增大單位面積電容值的方法的描述)

此外，從結(jié)構(gòu)視角來看，可以通過組合多個電容器結(jié)構(gòu)來增大單位面積電容值。組合結(jié)構(gòu)的示例包括圖5a和圖5b中示出的結(jié)構(gòu)，換言之，其中組合平面mos電容器和結(jié)電容器(junctioncapacitor)的結(jié)構(gòu)a和其中組合平面mos電容器和疊層電容器(stackedcapacitor)的結(jié)構(gòu)b。

首先將給出組合結(jié)構(gòu)a的描述。例如，在n型半導(dǎo)體襯底51上形成p型阱52。用作中間電極的n+型半導(dǎo)體區(qū)域41在p型阱52的表面層部分上形成，以在與用作下電極的p型阱52之間形成結(jié)mos電容器。此外，上電極42經(jīng)由絕緣膜53設(shè)置在襯底表面上，以形成與結(jié)mos電容器并行的平面mos電容器。簡而言之，以在平面mos電容器和結(jié)電容器之間的并行連接形成第二電荷累積部分40。

接下來，將給出組合結(jié)構(gòu)b的描述。第一電荷累積部分30是與在組合結(jié)構(gòu)a的情況下相同的平面mos電容器。第二電荷累積部分40包括在由元件隔離絕緣膜55和56分區(qū)的區(qū)域中形成的平面mos電容器和在進一步上層中以并行連接形成的疊層電容器。

具體地說，用作下電極的p+(或者n+)型半導(dǎo)體區(qū)域43在p型阱52的表面層部分中形成，且中間電極45經(jīng)由電容器絕緣膜44在半導(dǎo)體區(qū)域43上形成。該結(jié)構(gòu)是平面mos電容器的結(jié)構(gòu)。此外，上電極47經(jīng)由電容器絕緣膜46在中間電極45上形成。該結(jié)構(gòu)是疊層電容器的結(jié)構(gòu)。中間電極45由布線57電連接到n+型半導(dǎo)體區(qū)域41。

根據(jù)組合結(jié)構(gòu)b，換言之，根據(jù)平面mos電容器和疊層電容器的組合結(jié)構(gòu)，可以形成具有更高的單位面積電容值的電容器。

(第二電荷累積部分的其它結(jié)構(gòu)示例)

圖6a、圖6b、圖7a和圖7b示出第二電荷累積部分40的其它結(jié)構(gòu)示例。在圖6a、圖6b、圖7a和圖7b中，分配相同的附圖標(biāo)記以表示與圖5a和圖5b中相同的部分。

圖6a是示出平面mos電容器的結(jié)構(gòu)的截面圖。配置第二電荷累積部分40的平面mos電容器具有以下結(jié)構(gòu)：其中，用作下電極的p+(或者n+)型半導(dǎo)體區(qū)域43在p型阱52的表面層部分中形成且上電極45經(jīng)由電容器絕緣膜44在半導(dǎo)體區(qū)域43上形成。

圖6b是示出疊層電容器1的結(jié)構(gòu)的截面圖。配置第二電荷累積部分40的疊層電容器1具有以下結(jié)構(gòu)：其中，下電極45在元件隔離絕緣膜55上形成且上電極47經(jīng)由電容器絕緣膜46在下電極45上形成。

圖7a是示出疊層電容器2的結(jié)構(gòu)的截面圖。配置第二電荷累積部分40的疊層電容器2具有以下結(jié)構(gòu)：其中，具有u形截面的下電極45電連接到n+型半導(dǎo)體區(qū)域41且上電極47經(jīng)由電容器絕緣膜46插入下電極45的內(nèi)部。

在疊層電容器2的結(jié)構(gòu)的情況下，將電源電壓施加到上電極47，或者上電極47接地。根據(jù)包括具有u形截面的下電極45和嵌入中間電極45內(nèi)部的上電極47的疊層電容器2，有益的是，具有比普通疊層電容器，例如疊層電容器1更大的相對面積以對電容值做出貢獻。

圖7b是示出溝槽式電容器(trenchcapacitor)的結(jié)構(gòu)的截面圖。形成配置第二電荷累積部分40的溝槽式電容器，使得以穿過p型阱52直到襯底51的方式形成溝槽48并在溝槽48中形成電容器。

具體地說，溝槽式電容器具有以下結(jié)構(gòu)：其中，用作下電極的n+(或者p+)型半導(dǎo)體區(qū)域43在溝槽48的內(nèi)壁中形成，半導(dǎo)體區(qū)域43的內(nèi)壁被電容器絕緣膜44覆蓋，且經(jīng)由電容器絕緣膜44嵌入上電極45。

此外，第二電荷累積部分40由平面mos電容器、結(jié)電容器、疊層電容器或者溝槽式電容器配置，其中電容器絕緣膜的一部分或者全部由具有比二氧化硅膜更高的電容率的材料或其組合配置。具有比二氧化硅膜(sio2)更高的電容率的材料包括si3n4、ta2o5、hfo2、zro2。

如上所述，已經(jīng)基于圖6a、圖6b、圖7a和圖7b給出第二電荷累積部分40的結(jié)構(gòu)的示例的描述。但是，第二電荷累積部分40的結(jié)構(gòu)不限于這些結(jié)構(gòu)示例，并且可以采用直到現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出的各種方法以對于dram的存儲電容器增大電容。

<3.示例1>

以下將給出在像素中包括第一電荷累積部分30和第二電荷累積部分40的單元像素的特定示例的描述。

在整個說明書中，第一電荷累積部分66對應(yīng)于上述第一電荷累積部分30且第二電荷累積部分67對應(yīng)于上述第二電荷累積部分40。

(單元像素60a的電路配置)

圖8是示出本技術(shù)應(yīng)用到的單元像素60a的電路配置的電路圖。如圖8所示，單元像素60a例如包括，作為接收光以產(chǎn)生和累積光電荷的光電轉(zhuǎn)換部分的具有p-n結(jié)的光電二極管61。光電二極管61根據(jù)接收到的光量產(chǎn)生和累積光電荷。

單元像素60a例如進一步包括第一傳輸門部分62、第二傳輸門部分63、第三傳輸門部分64、復(fù)位門部分65、第一電荷累積部分66、第二電荷累積部分67、放大晶體管68、選擇晶體管69和電荷漏出門部分(chargedraingatesection)70。

在具有上述配置的單元像素60a中，第一和第二電荷累積部分66和67對應(yīng)于上述第一和第二電荷累積部分30和40。換句話說，從電路的視角來看，在第一傳輸門部分62和第二傳輸門部分63之間提供第一電荷累積部分66作為嵌入式mos電容器。將驅(qū)動信號sg(以下也稱為傳送信號sg)施加到第一電荷累積部分66的柵極電極。第二電荷累積部分67由具有比第一電荷累積部分66更高的單位面積電容值的電容器配置。第一和第二電荷累積部分66和67的布局和截面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)將在之后描述。

作為圖1中的像素驅(qū)動線16，例如多條驅(qū)動線連線到每一像素行中的單元像素60a。從圖1中的垂直驅(qū)動單元12經(jīng)由像素驅(qū)動線16的多條驅(qū)動線提供各種驅(qū)動信號tg、sg、fg、cg、rst、sel和pg。在上述配置中，晶體管是nmos晶體管，因此這些驅(qū)動信號tg、sg、fg、cg、rst、sel和pg是這樣的脈沖信號：其在高電平(例如，電源電壓vdd)變得活動且在低電平(例如，負(fù)電位)變得不活動。

將驅(qū)動信號tg作為傳送信號施加到第一傳輸門部分62的柵極電極。從電路的視角來看，第一傳輸門部分62連接在光電二極管61和第一電荷累積部分66之間。當(dāng)驅(qū)動信號tg(以下也稱為傳送信號tg)變得活動時，然后第一傳輸門部分62響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，因此將光電二極管61中累積的光電荷傳送到第一電荷累積部分66。由第一傳輸門部分62傳送的光電荷臨時累積在第一電荷累積部分66中。

將驅(qū)動信號fg作為傳送信號施加到第二傳輸門部分63的柵極電極。從電路的視角來看，第二傳輸門部分63連接在第一電荷累積部分66和放大晶體管68的柵極電極連接到的浮動擴散部分(以下描述為“fd部分”)71之間。fd部分71將光電荷轉(zhuǎn)換為電信號，例如，電壓信號，并輸出該信號。當(dāng)驅(qū)動信號fg(以下也稱為傳送信號fg)變得活動時，第二傳輸門部分63然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)，因此將在第一電荷累積部分66中累積的光電荷傳送到fd部分71。

將驅(qū)動信號cg作為傳送信號施加到第三傳輸門部分64的柵極電極。從電路的視角來看，第三傳輸門部分64連接在第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67之間。當(dāng)驅(qū)動信號cg(以下也稱為傳送信號cg)變得活動時，第三傳輸門部分64然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，因此耦合第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位。

將驅(qū)動信號rst作為復(fù)位信號施加到復(fù)位門部分65的柵極電極。從電路的視角來看，復(fù)位門部分65的一個源極/漏極區(qū)域連接到復(fù)位電壓vdr，且另一源極/漏極區(qū)域連接到fd部分71。當(dāng)驅(qū)動信號rst(以下也稱為復(fù)位信號rst)變得活動時，復(fù)位門部分65然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，因此將fd部分71的電位復(fù)位到復(fù)位電壓vdr的電平。

從電路的視角來看，放大晶體管68的柵極電極連接到fd部分71，且其漏極電極連接到電源電壓vdd，且放大晶體管68用作讀取通過光電二極管61的光電轉(zhuǎn)換而獲得的光電荷的讀取電路(被稱為源極跟隨器電路)的輸入部分。換句話說，放大晶體管68的源極電極經(jīng)由選擇晶體管69連接到垂直信號線17，且放大晶體管68以連接到垂直信號線17的一端的恒流源80配置源極跟隨器電路。

將驅(qū)動信號sel作為選擇信號施加到選擇晶體管69的柵極電極。從電路的視角來看，選擇晶體管69連接在放大晶體管68的源極電極和垂直信號線17之間。當(dāng)驅(qū)動信號sel(以下也稱為選擇信號sel)變得活動時，選擇晶體管69然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，因此使得單元像素60a為被選狀態(tài)并將從放大晶體管68輸出的像素信號連接到垂直信號線17。

將驅(qū)動信號pg作為電荷漏極控制信號施加到電荷漏出門部分70的柵極電極。從電路的視角來看，電荷漏出門部分70連接在光電二極管61和電荷漏極部分(例如，電源電壓vdd)之間。當(dāng)驅(qū)動信號pg(以下也稱為電荷漏極控制信號pg)變得活動時，電荷漏出門部分70然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，因此從光電二極管61選擇性地漏出光電二極管61中累積的預(yù)設(shè)指定量或者全部的光電荷到電荷漏出部分。

提供電荷漏出門部分70用于以下目的。換句話說，目的是為了避免光電二極管61以光電荷飽和以及超過飽和電荷量的光電荷溢出到第一和第二電荷累積部分66和67以及周圍像素，這是由期間不累積光電荷的時段中使得電荷漏出門部分70導(dǎo)通而引起的。

(單元像素60a的像素結(jié)構(gòu))

圖9是示出單元像素60a的像素結(jié)構(gòu)的示意圖，且在圖9中分配相同的附圖標(biāo)記以表示與圖8中相同的部分。圖9示出像素布局的平面模式和分別沿著箭頭a-a'和箭頭b-b'所取的平面模式的截面部分。

在圖9中，如從沿箭頭b-b'所取的截面圖清楚地看到，光電二極管(pd)61具有包含p-n結(jié)的二極管的結(jié)構(gòu)，其中在半導(dǎo)體襯底51的p型阱52中形成n型半導(dǎo)體區(qū)域611。光電二極管61包括在其表面層部分中形成的p型半導(dǎo)體區(qū)域612，因此是其中耗盡端與界面分離的嵌入式光電二極管(所謂的had(孔累積二極管)傳感器結(jié)構(gòu))。

第一傳輸門部分62包括經(jīng)由柵極絕緣膜(未示出)設(shè)置在襯底表面上的柵極電極621和在襯底表面層部分中形成的p－型半導(dǎo)體區(qū)域622。p－型半導(dǎo)體區(qū)域622具有在柵極電極621之下比不形成半導(dǎo)體區(qū)域622的情況略深的電位。因此，如從沿著箭頭b-b'所取的截面圖清楚地看到，p－型半導(dǎo)體區(qū)域622形成溢出路徑，其將從光電二極管61溢出的、等于或大于指定量的光電荷，或者具體地說，超過光電二極管61的飽和電荷量的光電荷傳送到第一電荷累積部分66。

第一電荷累積部分66包括經(jīng)由柵極絕緣膜(未示出)設(shè)置在襯底表面上的柵極電極661，且形成為在柵極電極661之下的嵌入式mos電容器。換句話說，第一電荷累積部分66由包括柵極電極661之下的p型阱52中形成的n型半導(dǎo)體區(qū)域662和在其表面層部分中形成的p－型半導(dǎo)體區(qū)域663的嵌入式mos電容器配置。

第二傳輸門部分63包括經(jīng)由柵極絕緣膜(未示出)設(shè)置在襯底表面上的柵極電極631。第二傳輸門部分63具有第一電荷累積部分66的n型半導(dǎo)體區(qū)域662作為一個源極/漏極區(qū)域，和用作fd部分71的n+型半導(dǎo)體區(qū)域711作為另一源極/漏極區(qū)域。

因此，單元像素60a具有在與第一和第二傳輸門部分62和63相鄰地形成的柵極電極661之下形成第一電荷累積部分66作為嵌入式mos電容器的像素結(jié)構(gòu)。

第三傳輸門部分64包括經(jīng)由柵極絕緣膜(未示出)設(shè)置在襯底表面上的柵極電極641。第三傳輸門部分64具有第一電荷累積部分66的n型半導(dǎo)體區(qū)域662作為一個源極/漏極區(qū)域，和在襯底表面層部分中形成的n+型半導(dǎo)體區(qū)域642作為另一源極/漏極區(qū)域。

第三傳輸門部分64的n+型半導(dǎo)體區(qū)域642電連接到第二電荷累積部分67的一端。第二電荷累積部分67的另一端連接到負(fù)側(cè)電源(例如，地)。

第二傳輸門部分63、第一電荷累積部分66的柵極電極661和第三傳輸門部分64操作為耦合或者劃分fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位。

此外，第三傳輸門部分64具有在溝道部分的表面層部分中形成n－型半導(dǎo)體區(qū)域643的結(jié)構(gòu)。n－型半導(dǎo)體區(qū)域643具有在柵極電極641之下比不形成半導(dǎo)體區(qū)域643的情況略深的電位。因此，如從沿著箭頭a-a'所取的截面圖清楚地看到，n－型半導(dǎo)體區(qū)域643形成將超過第一電荷累積部分66的飽和電荷量的光電荷傳送到第二電荷累積部分67的溢出路徑。

這里，重要的是，在第一和第三傳輸門部分62和64之下形成的溢出路徑應(yīng)該形成為使得第一電荷累積部分66中累積的光電荷不泄漏到光電二極管61而是傳送到第二電荷累積部分67。

以該方式，單元像素60a具有在第三傳輸門部分64的柵極電極641之下的溢出路徑；因此，可以也在第二電荷累積部分67中累積從高光條件下光電二極管61溢出的光電荷。具體地說，即使第三傳輸門部分64不導(dǎo)通，從第一電荷累積部分66溢出的、等于或大于指定量的光電荷可以傳送到第二電荷累積部分67并累積在第二電荷累積部分67中。因此，可以將第一電荷累積部分的飽和電荷量設(shè)置為小于光電二極管61的飽和電荷量。

(單元像素60a的電路操作)

接下來，將參考圖10的時序圖和圖11到圖18的電位圖給出單元像素60a的電路操作的描述。

圖10示出單元像素60a的選擇信號sel、復(fù)位信號rst、傳送信號tg、電荷漏出控制信號pg、傳送信號cg、傳送信號sg和傳送信號fg的時序圖。此外，圖11到圖18示出分別在圖10的時序圖的時間ta到th在第n行中的單元像素60a的電位的狀態(tài)。

首先，在時間t1，在電荷漏出控制信號pg保持活動時，選擇信號sel、復(fù)位信號rst、傳送信號cg、傳送信號sg和傳送信號fg在所有像素中同時變得活動。因此，選擇晶體管69、復(fù)位門部分65、第三傳輸門部分64、第一電荷累積部分66的柵極電極661、第二傳輸門部分63和電荷漏出門部分70建立電連續(xù)性。

圖11示出在時間t1和時間t2之間的時間ta的單元像素60a的電位的狀態(tài)。以該方式，fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位耦合，且復(fù)位耦合的區(qū)域。

隨后，復(fù)位信號rst、選擇信號sel、傳送信號fg、傳送信號sg和傳送信號cg依此次序在所有像素中同時變得不活動。在時間t2，電荷漏出控制信號pg然后在所有像素中同時變得不活動。因此，對全部像素公共的曝光時段開始。

圖12示出在時間t2和時間t3之間的時間tb的單元像素60a的電位的狀態(tài)。以該方式，雖然在光電二極管61中累積光電荷，但是如果在高光條件下，則從光電二極管61溢出的光電荷也經(jīng)由第一傳輸門部分62的溢出路徑累積在第一電荷累積部分66中。此外，如果第一電荷累積部分66飽和，則從第一電荷累積部分66溢出的光電荷經(jīng)由第三傳輸門部分64的溢出路徑累積在第二電荷累積部分67中。如果在低光條件下，則光電荷僅累積在光電二極管61中。

接下來，在時間t3，傳送信號tg和傳送信號sg變得活動且第一傳輸門部分62和第一電荷累積部分66的柵極電極661建立電連續(xù)性。

圖13示出在時間t3和時間t4之間的時間tc的單元像素60a的電位的狀態(tài)。以該方式，將光電二極管61中累積的光電荷傳送到第一電荷累積部分66并累積在第一電荷累積部分66中。

接下來，在時間t4，在所有像素中，傳送信號tg變得不活動且同時電荷漏出控制信號pg變得活動。第一傳輸門部分62然后打破電連續(xù)性且同時電荷漏出門部分70建立電連續(xù)性。因此，對全部像素公共的曝光時段結(jié)束。

隨后，傳送信號sg也變得不活動，且第一電荷累積部分66的柵極電極661打破電連續(xù)性，因此第一電荷累積部分66的電位恢復(fù)到它的初始電平。此時，如果第一電荷累積部分66的累積的電荷量超過該飽和電荷量，則從第一電荷累積部分66溢出的光電荷經(jīng)由第三傳輸門部分64的溢出路徑傳送到第二電荷累積部分67。

在對全部像素公共的曝光時間結(jié)束之后，逐行地依次讀取累積的光電荷。

具體地說，在時間t5，在第n行中的選擇信號sel變得活動，且第n行中的選擇晶體管69建立電連續(xù)性，因此使得第n行中的單元像素60a為被選狀態(tài)。同時，復(fù)位信號rst變得活動且復(fù)位門部分65建立電連續(xù)性，因此fd部分71復(fù)位。在時間t6，復(fù)位信號rst然后變得不活動。

圖14示出在時間t6和時間t7之間的時間td的單元像素60a的電位的狀態(tài)。在該狀態(tài)下的fd部分71的電位作為第一復(fù)位電平n1通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t7，傳送信號fg變得活動，因此第二傳輸門部分63建立電連續(xù)性。

圖15示出在時間t7和時間t8之間的時間te的單元像素60a的電位的狀態(tài)。以該方式，第一電荷累積部分66中累積的光電荷傳送到fd部分71。

接下來，在時間t8，傳送信號fg變得不活動，且第二傳輸門部分63打破電連續(xù)性。

圖16示出在時間t8和時間t9之間的時間tf的單元像素60a的電位的狀態(tài)。該狀態(tài)下的fd部分71的電位作為根據(jù)第一電荷累積部分66的累積電荷量的第一信號電平s1通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t9，傳送信號cg、sg和fg同時變得活動，且第三傳輸門部分64、第一電荷累積部分66的柵極電極661和第二傳輸門部分63一起建立電連續(xù)性。

圖17示出在時間t9和時間t10之間的時間tg的單元像素60a的電位的狀態(tài)。以該方式，fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位耦合，且在整個耦合的區(qū)域上累積光電荷。光電荷作為第二信號電平s2通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t10，復(fù)位信號rst變得活動，且復(fù)位門部分65建立電連續(xù)性。因此，復(fù)位其中fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位耦合的區(qū)域。

接下來，在時間t11，復(fù)位信號變得不活動，且復(fù)位門部分65打破電連續(xù)性。

圖18示出在時間t11和時間t12之間的時間th的單元像素60a的電位的狀態(tài)。在該狀態(tài)下電位耦合區(qū)域的電位作為第二復(fù)位電平n2通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t12，在第n行中的選擇信號sel變得不活動，且第n行中的選擇晶體管69打破電連續(xù)性，因此使得第n行中的單元像素60a為非被選狀態(tài)。

隨后，使得傳送信號fg、傳送信號sg和傳送信號cg依此次序為不活動狀態(tài)，且第二傳輸門部分63、第一電荷累積部分66的柵極電極661和第三傳輸門部分64打破電連續(xù)性。

使得傳送信號fg、傳送信號sg和傳送信號cg依此次序為不活動狀態(tài)的原因是，在第二電荷累積部分67中累積在第一電荷累積部分66的柵極電極661導(dǎo)通的狀態(tài)下在襯底表面中累積的溝道電荷。不同于fd部分71，第二電荷累積部分67不單獨復(fù)位；因此，沒有比如通過復(fù)位溝道電荷在像素信號中出現(xiàn)偏移之類的擔(dān)心。

通過上述一系列電路操作，第一復(fù)位電平n1、第一信號電平s1、第二信號電平s2和第二復(fù)位電平n2從單元像素60a依次輸出到垂直信號線17。在后級的信號處理單元中關(guān)于以該方式依次輸出的第一復(fù)位電平n1、第一信號電平s1、第二信號電平s2和第二復(fù)位電平n2執(zhí)行指定的信號處理。信號處理的細(xì)節(jié)將在之后描述。

如上所述，根據(jù)單元像素60a，可以通過使用嵌入式mos電容器作為第一電荷累積部分66和使用具有比第一電荷累積部分66更高的單位面積電容值的電容器作為第二電荷累積部分67，來保證較大的飽和電荷量。相反地，如果相等的飽和電荷量可接受，則可以通過節(jié)省的空間量促進單元像素尺寸的減小。

另外，在同時讀出全部像素時，低光條件下的光電荷在黑暗中的性質(zhì)好的第一電荷累積部分66中累積，而在高光條件下的光電荷在黑暗中的性質(zhì)不好的第二電荷累積部分67中累積。因此，與實現(xiàn)全局曝光的現(xiàn)有技術(shù)相比，不惡化在黑暗中或者在低光條件下成像的圖像的質(zhì)量。

(修改例1)

圖19是示出根據(jù)單元像素60a的修改例1的單元像素60a1的電路配置的電路圖，且在該圖中分配相同的附圖標(biāo)記以表示與圖8中相同的部分。

根據(jù)修改例1的單元像素60a1在省略電荷漏出門部分70的方面不同于單元像素60a。

例如，如果在不累積光電荷的時段期間，以另一方法防止光電二極管61的飽和或者沒有光電二極管61以光電荷飽和的可能性，則可以以該方式省略電荷漏出門部分70。

(修改例2)

圖20是示出根據(jù)單元像素60a的修改例2的單元像素60a2的電路配置的電路圖，且在該圖中分配相同的附圖標(biāo)記以表示與圖8中相同的部分。

根據(jù)修改例2的單元像素60a2在省略選擇晶體管69的方面不同于單元像素60a。另外，單元像素60a2實現(xiàn)通過使得要施加到復(fù)位門部分65的漏極電極的漏極電壓drn可變而以選擇晶體管69選擇像素的功能。

具體地說，將高壓作為漏極電壓drn施加到復(fù)位門部分65的漏極電極；因此，放大晶體管68變得活動以執(zhí)行輸出信號的操作。換句話說，放大晶體管68與漏極電壓drn的切換操作合作地作為選擇晶體管操作。通過省略選擇晶體管69，存在能夠每像素地將配置單元像素60的電路元件的數(shù)目減小一個元件的優(yōu)點。

圖21是示出類似于圖10的、就單元像素60a2的電路操作而言信號的狀態(tài)的時序圖。

電路操作基本上與單元像素60a的電路操作的情況相同，且僅復(fù)位信號rst的定時不同。

(像素共享)

在單元像素60a、60a1和60a2中，配置像素的電路元件可以在多個像素之間共享。

圖22是示出根據(jù)像素共享的特定示例1的電路配置的電路圖。這里，作為示例引用的是在彼此相鄰的四個像素60a-1到60a-4之間共享像素組成元件的一部分的情況。但是，共享像素的數(shù)目不限于四個像素。此外，作為相鄰的四個像素60a-1到60a-4的關(guān)系，例如，可以在包括行方向上的兩個像素和列方向上的兩個像素的四個像素，或者列方向上的四個像素之間進行共享。

在特定示例1中，作為示例引用的是單元像素60a的像素配置的情況的像素共享。包括復(fù)位門部分65的fd部分71之后的電路元件，換言之，復(fù)位門部分65、放大晶體管68和選擇晶體管69這三個電路元件在四個像素之間共享。

圖23是示出根據(jù)像素共享的特定示例2的電路配置的電路圖。也在這里，作為示例引用的是，在彼此相鄰的四個像素60a-1到60a-4之間提供像素組成元件的一部分的情況。但是，共享像素的數(shù)目不限于四個像素。此外，作為相鄰的四個像素60a-1到60a-4的關(guān)系，例如，可以在包括行方向上的兩個像素和列方向上的兩個像素的四個像素，或者列方向上的四個像素之間進行共享。

在特定示例2中，作為示例引用的是，根據(jù)修改例2的單元像素60a2的像素配置的情況的像素共享。在包括復(fù)位門部分65的fd部分71之后的電路元件，換言之，復(fù)位門部分65和放大晶體管68這兩個電路元件在四個像素之間共享。

以該方式，在多個像素之間共享電路元素的技術(shù)的使用除獲得類似于單元像素60a的操作和效果之外，還使得可以促進單元像素尺寸的空間節(jié)省。另外，由于節(jié)省空間，所以可以保證較大的飽和電荷量。相反地，如果相等的飽和電荷量是可接受的，則可以通過節(jié)省的空間量促進單元像素尺寸的減小。

這里，將給出第一到第三傳輸門部分62到64和第一電荷累積部分66的柵極電極661的電位的描述。圖24是為在襯底表面的管腳設(shè)置和耦合fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位的要求的描述而提供的、在襯底深度方向上的電位圖。

在第一到第三傳輸門部分62到64的非傳導(dǎo)狀態(tài)下柵極電極和第一電荷累積部分66的柵極電極661的電位設(shè)置為使得襯底表面為鉗制(pinned)狀態(tài)(例如，負(fù)電位)而與緊接在柵極氧化膜以下的導(dǎo)電層無關(guān)的電位。使得襯底表面以該方式為鉗制狀態(tài)，且可以獲得比如暗電流或者白點之類的黑暗中的性質(zhì)的改進的效果。

以比復(fù)位電壓vdr更高的電位，換言之，施加到復(fù)位門部分65的漏極的電位的方式設(shè)置在第二和第三傳輸門部分63和64的導(dǎo)通狀態(tài)下襯底表面以及第一電荷累積部分66的柵極電極661的電位。這使得可以耦合fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的電位。

<4.噪聲去除處理和計算處理的描述>

第一復(fù)位電平n1、第一信號電平s1、第二信號電平s2和第二復(fù)位電平n2依此次序從單元像素60a和如上面描述的根據(jù)其修改例的單元像素輸出到垂直信號線17。在后級的信號處理單元，例如，在圖1到圖3中示出的列處理單元13和信號處理單元18中，關(guān)于第一復(fù)位電平n1、第一信號電平s1、第二信號電平s2和第二復(fù)位電平n2執(zhí)行指定的噪聲去除處理和信號處理。以下將給出作為后級中的單元的列處理單元13中的噪聲去除處理和信號處理單元18中的計算處理的描述。

首先，例如，將給出作為噪聲去除裝置嵌入在列處理單元13中的cds電路中的處理的描述?？梢允褂镁哂幸阎碾娐放渲玫腸ds電路，并且其電路配置無關(guān)緊要。

圖25示出為了處理示例1和處理示例2的情況的列處理單元13中的噪聲去除處理的描述而提供的時序圖。

(處理示例1)

首先，取得基于讀出信號時傳送到fd部分71的光電荷的電壓信號s1和基于光電荷傳送到fd部分71之前的復(fù)位電平的電壓信號n1之間的差值。此外，得到基于fd部分71、電荷累積部分66和第二電荷累積部分67中累積的光電荷的電壓信號s2和基于復(fù)位fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67之后的復(fù)位電平的電壓信號n2之間的差值。假定第一差值是sn1，且第二差值是sn2，則sn1＝s1-n1且sn2＝s2-n2。

以該方式，在處理示例1中，關(guān)于首先輸出的信號s1和n1執(zhí)行除去復(fù)位噪聲和對像素唯一的固定模式噪聲，比如像素中的放大晶體管的閾值的變化的cds處理。關(guān)于之后輸出的信號s2和n2執(zhí)行除去對像素唯一的固定模式噪聲，比如像素中放大晶體管的閾值的變化，但是未除去復(fù)位噪聲的cds處理。但是，這是不需要使用幀存儲器的計算處理；因此，存在促進電路配置的簡化和成本降低的優(yōu)點。

(處理示例2)

在處理示例2中，存儲裝置，例如，幀存儲器需要使用先前幀的信息。因此，例如，通過使用數(shù)據(jù)存儲單元19作為信號處理單元18中的存儲裝置或者使用外部dsp電路中的幀存儲器，執(zhí)行處理示例2的計算處理。

具體地說，首先取得基于在讀出信號時傳送到fd部分71的光電荷的電壓信號s1和基于光電荷傳送到fd部分71之前的復(fù)位電平的電壓信號n1之間的差值。接下來，取得基于fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67中累積的光電荷的電壓信號s2和先前幀的電壓信號n2a之間的差值。電壓信號n2a是基于對于先前幀在fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67中累積的光電荷復(fù)位之后的復(fù)位電平的信號。假定第一差值是sn1，且第二差值是sn2，則sn1＝s1-n1且sn2＝s2-n2a。

以該方式，在處理示例2中，也關(guān)于之后輸出的信號s2和n2執(zhí)行除去復(fù)位噪聲和對像素唯一的固定模式噪聲，比如像素中的放大晶體管的閾值的變化的cds處理。在處理示例2的情況下，雖然需要比如幀存儲器的存儲裝置，但是存在與處理示例1相比可以顯著地抑制復(fù)位噪聲的優(yōu)點。

(處理示例3)

接下來，將給出信號處理單元18中的計算處理的描述。首先，如果第一差值落入指定范圍中，則對于多個像素的每一個、對于每一顏色、對于共享像素單元中的每一特定像素或者均勻地對于全部像素計算第一差值與第二差值的比率作為每一像素的增益，以創(chuàng)建增益表。計算第二差值和增益表的乘積作為第二差值的計算值。

這里，假定第一差值是sn1，第二差值是sn2，增益是g，并且第二差值sn2的計算值是sn2′，則可以基于以下表達(dá)式(6)和(7)獲得第二差值sn2的增益g和計算值sn2′：

g＝sn1/sn2＝(cfd+cgs+ccap)/cfd...(6)

sn2'＝g×sn2...(7)

其中cfd是fd部分71的電容值，cgs是第一電荷累積部分66的電容值且ccap是第二電荷累積部分67的電容值，且增益g等效于電容比。

圖26示出第一差值sn1、第二差值sn2和第二差值sn2的計算值sn2'對入射光量的關(guān)系。

接下來，如圖27a所示，使用預(yù)設(shè)的指定閾值vt。在光響應(yīng)特性中的第一差值sn1在飽和之前且光響應(yīng)特性是線性的區(qū)域中預(yù)設(shè)指定閾值vt。

如果第一差值sn1不超過指定閾值vt，則輸出第一差值sn1作為目標(biāo)要處理的像素的像素信號sn。換句話說，如果sn1<vt，則sn＝sn1(sn1代替sn)。如果第一差值sn1超過指定閾值vt，則輸出第二差值sn2的計算值sn2'作為目標(biāo)要處理的像素的像素信號sn。換句話說，如果vt≤sn1，則sn＝sn2'(sn2'代替sn)。

(處理示例4)

在下面的計算處理中，如圖27b所示，該第一差值sn1和該第二差值sn2的計算值sn2'的值在第一差值sn1下降的指定范圍內(nèi)以預(yù)設(shè)比率組合，并作為像素信號sn輸出。

例如，如以下所示，第一差值sn1和第二差值sn2的計算值sn2'的組合比率在設(shè)置為基準(zhǔn)的指定閾值vt周圍的范圍內(nèi)以級改變。如上所述，在光響應(yīng)特性中的第一差值sn1在飽和之前且光響應(yīng)特性是線性的區(qū)域中指定閾值vt是預(yù)設(shè)值。

如果sn1<sn1×0.90，則sn＝sn1.

如果vt×0.90≤sn1<vt×0.94，則sn＝0.9×sn1+0.1×sn2'.

如果vt×0.94≤sn1<vt×0.98，則sn＝0.7×sn1+0.3×sn2'.

如果vt×0.98≤sn1<vt×1.02，則sn＝0.5×sn1+0.5×sn2'.

如果vt×1.02≤sn1<vt×1.06，則sn＝0.3×sn1+0.7×sn2'.

如果vt×1.06≤sn1<vt×1.10，則sn＝0.1×sn1+0.9×sn2'.

如果vt×1.10≤sn1，則sn＝sn2'。

執(zhí)行這種計算處理以使得可以更流暢地從低光條件下的信號切換到高光條件下的信號。

<5.基準(zhǔn)>

上面描述的實施例的特征主要在于，在單元像素中提供兩個電荷累積部分66和67，且第二電荷累積部分67由具有比第一電荷累積部分66更高的單位面積電容值的電容器形成。但是，即使兩個電荷累積部分66和67的單位面積電容值相等，也可以獲得使得能夠擴展動態(tài)范圍的效果。這將參考圖28描述。

在光電二極管61的曝光時段中，使得第二傳輸門部分63在以對光電二極管61的曝光時段的指定比率設(shè)置的時段期間導(dǎo)通，因此等于或大于從光電二極管61溢出的指定量的光電荷要漏出。

這里，假定光電二極管61的曝光時段是tpd，且期間從光電二極管61溢出的光電荷在第二電荷累積部分67中累積的時段是tcap。根據(jù)圖28所示的時序圖操作單元像素，且限制第二電荷累積部分67的曝光時段tcap。該操作使得可以壓縮高光側(cè)的信息，且至少延伸動態(tài)范圍，因為第二電荷累積部分67的電容值實質(zhì)上等于第一電荷累積部分66的電容值。

在讀取低光條件下的噪聲分量和信號分量之后，fd部分71復(fù)位一次，且從光電二極管61溢出并在第二累積部分67中累積的光電荷被作為高光側(cè)的信號讀取。不同于其它示例，因為fd部分71復(fù)位一次，所以高光側(cè)的信號不包括在第一電荷累積部分66中累積的光電荷。

假定在讀出信號時，基于傳送到fd部分71的光電荷的電壓信號是s1，基于光電荷傳送到fd部分71之前的復(fù)位電平的電壓信號是n1，且第一差值是sn1。此外，假定基于緊接在讀出之前復(fù)位fd部分71時的、在fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67中累積的光電荷的電壓信號是s3。此外，假定在復(fù)位電平或者與fd部分71、第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67的復(fù)位對應(yīng)的電平的電壓信號是n2，第三差值是sn3，增益是g，且第三差值sn3的計算值是sn3'。因此，可以如下計算：

sn1＝s1-n1

sn3＝s3-n2

g＝sn1/sn3＝(cfd+csg+ccap)/cfd

sn3'＝g×sn3×tpd/tcap

假定在光響應(yīng)特性中的第一差值sn1在飽和之前且光響應(yīng)特性是線性的區(qū)域中預(yù)設(shè)的指定閾值是vt，且目標(biāo)要處理的像素的像素信號是sn，則像素信號sn如下輸出：

如果sn1<vt，則sn＝sn1(sn1代替sn)。

如果vt≤sn1，則sn＝sn3'(sn3'代替sn)。

<6.修改例>

[6-1.僅在光電二極管61中累積光電荷的示例]

在上述示例和修改例中，在高光條件下從光電二極管61溢出的光電荷經(jīng)由第一傳輸門部分62的溢出路徑在第一電荷累積部分66中累積，且經(jīng)由第三傳輸門部分64的溢出路徑進一步在第二電荷累積部分67中累積。換句話說，該實施例的特征在于，在高光條件下從光電二極管61溢出的光電荷在光電二極管61中累積以及除光電二極管61之外也在第一和第二電荷累積部分66和67中累積。

但是，如從圖29a的操作說明圖清楚地看到，在上述像素結(jié)構(gòu)中在光電荷的讀取時段期間不可以進行曝光。因此，提出僅在光電二極管61中累積光電荷的像素結(jié)構(gòu)作為修改例。

并且在這種情況下，本技術(shù)的實質(zhì)，即累積從光電二極管61讀取之后的光電荷，選擇性地使用第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67是不改變的。換句話說，在從光電二極管61讀取光電荷之后，在第二電荷累積部分67中累積從第一電荷累積部分66溢出的光電荷。為了這樣做，自然需要第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67之間的溢出路徑。

以該方式，如圖29b的操作說明圖所示，采用僅在光電二極管61中累積光電荷的像素結(jié)構(gòu)使得可以在光電荷的讀取時段期間進行曝光；因此，在成像運動圖像時可以實現(xiàn)無縫操作而沒有曝光時段的中斷。但是，因為光電荷僅在光電二極管61中累積，所以由光電二極管61的飽和電荷量限制動態(tài)范圍。因此，不能期待動態(tài)范圍的顯著擴展。

但是，作為本技術(shù)的實質(zhì)，累積光電荷，選擇性地使用第一電荷累積部分66和第二電荷累積部分67，因此可以減少累積光電荷的電荷累積部分的總面積。因此，可以通過該總面積的減少擴展光電二極管61的面積；因此，可以間接地延伸動態(tài)范圍。

[6-2.對在短時間曝光和在長時間曝光之間切換電路操作的示例]

如上所述，一方面第二電荷累積部分67在電容器的面積效率方面高，但是另一方面從那里流出大量漏電流。另外，光電荷也在曝光時段期間累積在第二電荷累積部分67中；因此，曝光時段越長，圖像質(zhì)量由漏電流惡化越多。

因此，例如，單元像素的電路操作可以在曝光時間短和曝光時間長的情況之間切換。具體地說，在短時間曝光執(zhí)行上述電路操作。另一方面，在長時間曝光，例如，在曝光時段期間可以規(guī)則地讀取累積的光電荷，以不在第二電荷累積部分67中累積光電荷而是僅在光電二極管61和第一電荷累積部分66中累積光電荷。

(實現(xiàn)在長時間曝光的電路操作的配置示例)

圖30示出用于實現(xiàn)在長時間曝光的電路操作的列處理單元13、信號處理單元18和數(shù)據(jù)存儲單元19的外圍設(shè)備的配置示例。

在列處理單元13與信號處理單元18和數(shù)據(jù)存儲單元19之間提供開關(guān)101。開關(guān)101的狀態(tài)的切換使得可以切換目的地以將從列處理單元13輸出的像素信號供應(yīng)到信號處理單元18和數(shù)據(jù)存儲單元19的任何一個。

此外，信號處理單元18包括存儲器111a和111b、加法單元112和另一信號處理單元113。

存儲器111a存儲從數(shù)據(jù)存儲單元19提供的像素信號，且存儲器111b存儲經(jīng)由開關(guān)101從列處理單元13提供的像素信號。加法單元112將在存儲器111a中存儲的像素信號與在存儲器111b中存儲的像素信號相加，并將相加的像素信號提供到數(shù)據(jù)存儲單元19。

存儲器111a和111b每一個具有可以保持等于至少一個像素的像素信號的電容，且例如，將它們的電容值設(shè)置為可以保持等于一條線的像素信號的電容。

該另一信號處理單元113關(guān)于在數(shù)據(jù)存儲單元19中存儲的像素信號執(zhí)行其它各種信號處理。

(在長時間曝光的單元像素60a的電路操作的示例)

接下來，將參考圖31和圖32的時序圖以及圖33到圖36的電位圖給出在長時間曝光的單元像素60a的電路操作的示例的描述。

圖31示出在長時間曝光的單元像素60a的選擇信號sel、復(fù)位信號rst、傳送信號tg、電荷漏出控制信號pg、傳送信號cg、傳送信號sg和傳送信號fg的時序圖。此外，圖32示出由圖31的交替的點劃線的框環(huán)繞的時段的詳細(xì)時序圖。此外，圖33到圖36分別示出在圖32中的時間ta到td1在第n行中的單元像素60a的電位的狀態(tài)。

在由圖31和圖32中的交替的點劃線的框環(huán)繞的時段，換言之，從時間t2到時間t3的時段期間的電路操作在短時間曝光和在長時間曝光之間不同。以下將給出在此期間的電路操作的描述。

圖33示出在時間t2和時間t11之間在時間ta的單元像素60a的電位的狀態(tài)。以該方式，在光電二極管61中累積光電荷。此外，如果在高光條件下，則從光電二極管61溢出的光電荷經(jīng)由第一傳輸門部分62的溢出路徑在第一電荷累積部分66中累積。如果在低光條件下，則光電荷僅在光電二極管61中累積。

在時間t11，在第n行中的選擇信號sel變得活動，且第n行中的選擇晶體管69建立電連續(xù)性；因此，使得第n行中的單元像素60a為被選狀態(tài)。同時，復(fù)位信號rst變得活動且復(fù)位門部分65建立電連續(xù)性，因此fd部分71復(fù)位。在時間t21，復(fù)位信號rst然后變得不活動。

在時間t21和時間t31之間的時間，fd部分71的電位作為復(fù)位電平nl1通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t31，傳送信號tg、傳送信號sg和傳送信號fg變得活動，且第一傳輸門部分62、第一電荷累積部分66的柵極電極661和第二傳輸門部分63建立電連續(xù)性。

圖34是示出在時間t31和時間t41之間的時間tb1的單元像素60a的電位的狀態(tài)的簡圖。以該方式，耦合fd部分71和第一電荷累積部分66的電位耦合且在從時間t2到時間t31的時段期間在光電二極管61中累積的光電荷被傳送到耦合的區(qū)域。此外，在時間t31和時間t41之間在光電二極管61中產(chǎn)生的光電荷也被傳送到該耦合的區(qū)域。

對于從時間t2到時間t31的時間，以不超過光電二極管61和第一電荷累積部分66的飽和電荷量的總數(shù)的方式設(shè)置累積的電荷量。因此，在該時段期間，光電荷可能從光電二極管61溢出以經(jīng)由第一傳輸門部分62的溢出路徑累積在第一電荷累積部分66中；但是，光電荷不進一步從第一電荷累積部分66溢出以經(jīng)由第三傳輸門部分64的溢出路徑累積在第二電荷累積部分67中。

接下來，在時間t41，傳送信號tg和傳送信號sg變得不活動，且第一傳輸門部分62和第一電荷累積部分66的柵極電極661打破電連續(xù)性。第一傳輸門部分62然后打破電連續(xù)；因此，光電荷恢復(fù)為累積在光電二極管61中。

圖35是示出在時間t41和時間t51之間的時間tc1的單元像素60a的電位的狀態(tài)的簡圖。以該方式，從光電二極管61傳送到fd部分71和第一電荷累積部分66的電位耦合的區(qū)域的所有光電荷被傳送到fd部分71。

接下來，在時間t51，傳送信號fg變得不活動，且第二傳輸門部分63打破電連續(xù)性。

圖36是示出在時間t51和時間t61之間的時間td1的單元像素60a的電位的狀態(tài)的簡圖。在該狀態(tài)下的fd部分71的電位通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17，作為根據(jù)從時間t2到時間t41的時段的光電二極管61和第一電荷累積部分66的累積的電荷量的信號電平sl1。

列處理單元13取得信號電平sl1和信號電平nl1之間的差值。該差值snl1(＝sl1-nl1)然后由列處理單元13經(jīng)由開關(guān)101提供到數(shù)據(jù)存儲單元19以保存在其中。

接下來，在時間t61，選擇信號sel變得不活動，且第n行中的選擇晶體管69打破電連續(xù)性；因此，使得第n行中的單元像素60a為非被選狀態(tài)。

逐行地執(zhí)行這些處理，且結(jié)果，由每一像素的差值snl1組成的圖像數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲單元19中。

接下來，在時間t12到t62，執(zhí)行類似于在時間t11到t61的操作，且依此次序通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出復(fù)位電平nl2和信號電平sl2到垂直信號線17。

對于期間光電荷在光電二極管61中累積的、從時間t41到時間t32的時間，類似于從時間t2到時間t31的時間，以不超過光電二極管61和第一電荷累積部分66的飽和電荷量的總數(shù)的方式設(shè)置累積的電荷量。

列處理單元13取得信號電平sl2和信號電平nl2之間的差值。該差值snl2(＝sl2-nl2)然后由列處理單元13經(jīng)由開關(guān)101提供到存儲器111b以保存在其中。

另一方面，對應(yīng)的單元像素60a的差值snl1由數(shù)據(jù)存儲單元19提供到存儲器111a以保存在其中。加法單元112將在存儲器111a中保存的差值snl1與在存儲器111b中保存的差值snl2相加，并使得數(shù)據(jù)存儲單元19保存結(jié)合值snla。

逐行地執(zhí)行這些處理，且結(jié)果，由每一像素的結(jié)合值snla組成的圖像數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲單元19中。

接下來，在時間t13到t63，執(zhí)行類似于在時間t11到t61的操作，且依此次序通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出復(fù)位電平nl3和信號電平sl3到垂直信號線17。

對于期間光電荷在光電二極管61中累積的、從t42到t33的時間，類似于從時間t2到時間t31的時間，以不超過光電二極管61和第一電荷累積部分66的飽和電荷量的總數(shù)的方式設(shè)置累積的電荷量。

列處理單元13取得信號電平sl3和信號電平nl3之間的差值。該差值snl3(＝sl3-nl3)然后由列處理單元13經(jīng)由開關(guān)101提供到存儲器111b以保存在其中。

另一方面，對應(yīng)的單元像素60a的結(jié)合值snla由數(shù)據(jù)存儲單元19提供到存儲器111a以保存在其中。加法單元112將在存儲器111a中保存的結(jié)合值snla與在存儲器111b中保存的差值snl3相加，并使得數(shù)據(jù)存儲單元19保存結(jié)合值snla。

逐行地執(zhí)行這些處理，且結(jié)果，由每一像素的結(jié)合值snla組成的圖像數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲單元19中。

隨后，在時間t14到t6n執(zhí)行類似的處理。換句話說，在對于全部像素的曝光時段期間以當(dāng)累積的電荷量不超過光電二極管61和第一電荷累積部分66的總數(shù)時的時間間隔將輸出單元像素60a中累積的光電荷的量作為電信號(像素信號)的中間讀取執(zhí)行n次同時維持曝光，且獲得根據(jù)每一像素的累積電荷量的結(jié)合值snla。

此外，在時間t3到t12，執(zhí)行類似于以短時間曝光的處理。結(jié)果，依此次序通過放大晶體管68和選擇晶體管69將復(fù)位電平n1、第一信號電平s1、第二信號電平s2和復(fù)位電平n2輸出到垂直信號線17。

然后基于數(shù)據(jù)存儲單元19中保存的結(jié)合值snla、信號電平s1和s2以及復(fù)位電平n1和n2產(chǎn)生每一像素的像素信號。

(在長時間曝光的單元像素60a的電路操作的修改例)

圖37示出由圖31的交替的點劃線的框環(huán)繞的時段的詳細(xì)時序圖的修改例。

在傳送信號sg在從時間t2到t3的時間期間不變得活動而保持不活動方面，圖37的時序圖不同于上述圖32的時序圖。換句話說，當(dāng)在光電二極管61中累積的光電荷經(jīng)由第一電荷累積部分66傳送到fd部分71時，第一電荷累積部分66的柵極電極661保持在非導(dǎo)通狀態(tài)。

如果光電二極管61的電位在耗盡時充分地淺于第一電荷累積部分66在耗盡時的電位，則可以執(zhí)行這種操作。

(以長時間曝光的單元像素60a的電路配置的示例)

圖38和圖39是示出根據(jù)單元像素60a的修改例2的單元像素60a2(圖20)的、以長時間曝光的電路操作的時序圖。圖39示出由圖38的交替的點劃線的框環(huán)繞的時段的詳細(xì)時序圖。

類似于圖37的時序圖，在對全部像素公共的曝光時段期間傳送信號sg不變得活動而保持不活動方面，圖39的時序圖不同于圖32的時序圖。

(對以短時間曝光的電路操作和以長時間曝光的電路操作之間切換的定時)

這里，將討論對以短時間曝光的電路操作和以長時間曝光的電路操作之間切換的定時。

為了防止動態(tài)范圍由于以長時間曝光的電路操作的緣故而減少，需要以滿足以下條件表達(dá)式(8)的方式設(shè)置曝光時段期間的中間讀取的數(shù)目n(自然數(shù))：

qs≤qm×n...(8)

這里，qs表示在以短時間曝光的電路操作中單元像素60a的飽和電荷量，且qm表示可以由一個中間讀取從單元像素60a讀取的最大電荷量。換句話說，中間讀取的數(shù)目n需要被設(shè)置為使得中間讀取重復(fù)n次且因此可以從單元像素60a讀取的光電荷量變得等于或大于單元像素60a的飽和電荷量qs。

以下表達(dá)式(9)是該表達(dá)式(8)的修改：

n≥qs/qm...(9)

由包括單元像素60a的cmos圖像傳感器10的裝置特性確定飽和電荷量qs和最大電荷量qm兩者。結(jié)果，中間讀取的數(shù)目n的條件由表達(dá)式(9)確定，且中間讀取的數(shù)目n可以在所獲得的條件的范圍內(nèi)預(yù)先設(shè)置。

另一方面，假定包括cmos圖像傳感器10的成像裝置的曝光時間是te，且中間讀取對于一個幀所需的時間是tm，則需要曝光時間te、所需的時間tm和中間讀取的數(shù)目n滿足以下條件表達(dá)式(10)：

tm≤te/n...(10)

因此，如果曝光時間te滿足以下表達(dá)式(11)，可以切換到以長時間曝光的電路操作。

te≥n×tm...(11)

例如，cmos圖像傳感器10的驅(qū)動單元可以基于曝光時間te是否滿足條件表達(dá)式(11)，自動地在以短時間曝光和以長時間曝光之間切換電路操作。否則，如果曝光時間te滿足條件表達(dá)式(11)，則該電路操作可以固定為以短時間曝光的電路操作，且如果曝光時間te滿足條件表達(dá)式(11)，則可以由用戶的操作切換電路操作。

如上所述，在長時間曝光的電路操作中，累積和讀取光電荷而不在大量漏電流流出的第二電荷累積部分67中累積光電荷且不溢出光電荷。因此，例如，根據(jù)曝光時間切換單元像素的電路操作使得可以獲得具有寬動態(tài)范圍和低噪聲的圖像而與曝光時段無關(guān)。

假定動態(tài)范圍減少的情況；但是，以短時間曝光的電路操作和以長時間曝光的電路操作可以設(shè)置為能夠由用戶的操作切換而與曝光時間te無關(guān)。

[6-3.省略第二電荷累積部分67的示例]

此外，可以從單元像素刪除第二電荷累積部分67并使用fd部分71作為第二電荷累積部分。換句話說，也可以將從第一電荷累積部分66溢出的光電荷傳送到fd部分71并在fd部分71中累積。

(單元像素60b的電路結(jié)構(gòu))

圖40是示出其中省略第二電荷累積部分67的單元像素60b的電路配置的電路圖。如圖40所示，類似于單元像素60a，該單元像素60b例如包括具有p-n結(jié)作為接收光以產(chǎn)生和累積光電荷的光電轉(zhuǎn)換部分的光電二極管61。光電二極管61根據(jù)接收到的光量產(chǎn)生和累積光電荷。

該單元像素60b例如進一步包括第一傳輸門部分62、第二傳輸門部分63、復(fù)位門部分65、第一電荷累積部分66、放大晶體管68、選擇晶體管69和電荷漏出門部分70。

在具有上述配置的單元像素60b中，第一電荷累積部分66對應(yīng)于上述第一電荷累積部分。換句話說，第一電荷累積部分66由嵌入式mos電容器配置。

如圖1中的像素驅(qū)動線16那樣，例如，多條驅(qū)動線被連線到每一像素行中的單元像素60b。從圖1中的垂直驅(qū)動單元12通過像素驅(qū)動線16的多條驅(qū)動線提供各種驅(qū)動信號tg/sg、fg、rst、sel和pg。在上述配置中，晶體管是nmos晶體管，因此這些驅(qū)動信號tg/sg、fg、rst、sel和pg是脈沖信號，其在高電平(例如，電源電壓vdd)變得活動且在低電平(例如，負(fù)電位)變得不活動。

將驅(qū)動信號tg/sg作為傳送信號施加到第一傳輸門部分62的柵極電極。從電路的視角來看，第一傳輸門部分62的一個源極/漏極區(qū)域連接到光電二極管61。當(dāng)驅(qū)動信號tg/sg變得活動時，第一傳輸門部分62然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，因此將在光電二極管61中累積的光電荷傳送到第一電荷累積部分66。由第一傳輸門部分62傳送的光電荷臨時累積在第一電荷累積部分66中。

將驅(qū)動信號fg作為傳送信號施加到第二傳輸門部分63的柵極電極。從電路的視角來看，第二傳輸門部分63連接在第一電荷累積部分66和放大晶體管68的柵極電極連接到的fd部分71之間。fd部分71將光電荷轉(zhuǎn)換為電信號，例如，電壓信號并輸出該信號。當(dāng)該驅(qū)動信號fg變得活動時，該第二傳輸門部分63然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性并因此將在第一電荷累積部分66中累積的光電荷傳送到fd部分71。

將驅(qū)動信號rst作為復(fù)位信號施加到復(fù)位門部分65的柵極電極。從電路的視角來看，復(fù)位門部分65的一個源極/漏極區(qū)域連接到復(fù)位電壓vdr，且其另一源極/漏極區(qū)域連接到fd部分71。當(dāng)驅(qū)動信號rst變得活動時，復(fù)位門部分65然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，并因此將fd部分71的電位復(fù)位到復(fù)位電壓vdr的電平。

從電路的視角來看，放大晶體管68的柵極電極連接到fd部分71，且其漏極電極連接到電源電壓vdd，且放大晶體管68用作讀取通過光電二極管61的光電轉(zhuǎn)換而獲得的光電荷的讀取電路(所謂的源極跟隨器電路)的輸入部分。換句話說，放大晶體管68的源極電極經(jīng)由選擇晶體管69連接到垂直信號線17，且放大晶體管68以連接到垂直信號線17的一端的恒流源80配置源極跟隨器電路。

將驅(qū)動信號sel作為選擇信號施加到選擇晶體管69的柵極電極。從電路的視角來看，選擇晶體管69連接在放大晶體管68的源極電極和垂直信號線17之間。當(dāng)驅(qū)動信號sel變得活動時，選擇晶體管69然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，且因此使得單元像素60a為被選狀態(tài)并將從放大晶體管68輸出的像素信號連接到垂直信號線17。

將驅(qū)動信號pg作為電荷漏出控制信號施加到電荷漏出門部分70的柵極電極。從電路的視角來看，電荷漏出門部分70連接在光電二極管61和電荷漏出部分(例如，電源電壓vdd)之間。當(dāng)驅(qū)動信號pg變得活動時，電荷漏出門部分70然后響應(yīng)于此建立電連續(xù)性，且因此從光電二極管61選擇性地漏出光電二極管61中累積的預(yù)設(shè)指定量或者全部的光電荷到電荷漏出部分。

提供電荷漏出門部分70用于以下目的。換句話說，目的是為了避免光電二極管61以光電荷飽和以及超過飽和電荷量的光電荷溢出到第一電荷累積部分66、fd部分71和周圍像素，這是由期間不累積光電荷的時段中使得電荷漏出門部分70導(dǎo)通而引起的。

(單元像素60b的像素結(jié)構(gòu))

圖41是示出單元像素60b的像素結(jié)構(gòu)的示意圖，且在該圖中分配相同的附圖標(biāo)記以表示與圖40中相同的部分。圖41示出像素布局的平面模式和分別沿著箭頭a-a'和箭頭b-b'所取的平面模式的截面部分。

在圖41中，如從沿箭頭b-b'所取的截面圖清楚地看到，光電二極管(pd)61具有包含p-n結(jié)的二極管的結(jié)構(gòu)，其中在半導(dǎo)體襯底51上的p型阱52中形成n型半導(dǎo)體區(qū)域611。光電二極管61包括在其表面層部分中形成的p型半導(dǎo)體區(qū)域612，因此是其中耗盡端與界面分離的嵌入式光電二極管(所謂的had(孔累積二極管)傳感器結(jié)構(gòu))。

第一傳輸門部分62包括經(jīng)由柵極絕緣膜(未示出)設(shè)置在襯底表面上的柵極電極621和在襯底表面層部分中形成的p－型半導(dǎo)體區(qū)域622。p－型半導(dǎo)體區(qū)域622具有在柵極電極621之下比不形成半導(dǎo)體區(qū)域622的情況下略深的電位。因此，如從沿著箭頭b-b'所取的截面圖清楚地看到，p－型半導(dǎo)體區(qū)域622形成溢出路徑，其將從光電二極管61溢出的等于或大于指定量的光電荷，或者具體地說，超過光電二極管61的飽和電荷量的光電荷傳送到第一電荷累積部分66。

此外，第一傳輸門部分62的柵極電極621也用作第一電荷累積部分66的柵極電極661。以另一方式，集成地形成第一傳輸門部分62的柵極電極621和第一電荷累積部分66的柵極電極661。

第一電荷累積部分66包括也用作第一傳輸門部分62的柵極電極621的柵極電極661且作為嵌入式mos電容器形成在柵極電極661之下。換句話說，第一電荷累積部分66由包括在柵極電極661之下的p型阱52中形成的n型半導(dǎo)體區(qū)域662和在其表面層部分中形成的p－型半導(dǎo)體區(qū)域623的嵌入式mos電容器配置。

第二傳輸門部分63包括經(jīng)由柵極絕緣膜(未示出)設(shè)置在襯底表面上的柵極電極631。第二傳輸門部分63具有第一電荷累積部分66的n型半導(dǎo)體區(qū)域662作為一個源極/漏極區(qū)域，和用作fd部分71的n+型半導(dǎo)體區(qū)域711作為另一源極/漏極區(qū)域。

第二傳輸門部分63和第一電荷累積部分66的柵極電極661操作以耦合或者劃分fd部分71和第一電荷累積部分66的電位。

此外，該第二傳輸門部分63具有其中在溝道部分的表面層部分中形成n－型半導(dǎo)體區(qū)域632的結(jié)構(gòu)。該n－型半導(dǎo)體區(qū)域632具有在柵極電極631之下比不形成半導(dǎo)體區(qū)域632的情況略深的電位。因此，如從沿著箭頭a-a'所取的截面圖清楚地看到，n－型半導(dǎo)體區(qū)域632形成溢出路徑，其將從第一電荷累積部分66溢出的、等于或大于指定量的光電荷，或者具體地說，等于或大于第一電荷累積部分66的飽和電荷量的光電荷傳送到fd部分71。

這里，重要的是在第一和第二傳輸門部分62和63之下形成的溢出路徑應(yīng)該形成為使得第一電荷累積部分66中累積的光電荷不泄漏到光電二極管61而是傳送到fd部分71。

以該方式，單元像素60b具有在第二傳輸門部分63的柵極電極631之下的溢出路徑；因此，也可以在fd部分71中累積從在高光條件下的光電二極管61溢出的光電荷。具體地說，即使第二傳輸門部分63不導(dǎo)通，也可以將從第一電荷累積部分66溢出的、等于或大于指定量的光電荷傳送到fd部分71并在fd部分71中累積該光電荷。因此，可以將第一電荷累積部分的飽和電荷量設(shè)置為小于光電二極管61的飽和電荷量。

(單元像素60b的電路操作)

接下來，將參考圖42的時序圖以及圖43到圖50的電位圖給出單元像素60b的電路操作的描述。

圖42示出單元像素60b的選擇信號sel、復(fù)位信號rst、傳送信號tg/sg、電荷漏出控制信號pg和傳送信號fg的時序圖。此外，圖43到圖50示出分別在圖42的時序圖的時間ta到tg的、在第n行中的單元像素60b的電位的狀態(tài)。

首先，在時間t61，在電荷漏出控制信號pg保持活動時，選擇信號sel、復(fù)位信號rst和傳送信號fg在所有像素中同時變得活動。因此，選擇晶體管69、復(fù)位門部分65、第二傳輸門部分63和電荷漏出門部分70建立電連續(xù)性。

圖43示出在時間t61和時間t62之間的時間ta的單元像素60b的電位的狀態(tài)。以該方式，耦合fd部分71和第一電荷累積部分66的電位耦合且復(fù)位該耦合的區(qū)域。

隨后，傳送信號fg、復(fù)位信號rst和選擇信號sel在所有像素中依此次序同時變得不活動。在時間t62，然后電荷漏出控制信號pg在所有像素中同時變得不活動。因此，對全部像素公共的曝光時段開始。

圖44示出在時間t62的單元像素60b的電位的狀態(tài)。此時，光電荷不累積在光電二極管61和第一電荷累積部分66中。

圖45示出在時間t62和時間t63之間的時間tb的單元像素60b的電位的狀態(tài)。以該方式，雖然在光電二極管61中累積光電荷，但是如果在高光條件下，則從光電二極管61溢出的光電荷經(jīng)由第一傳輸門部分62的溢出路徑累積在第一電荷累積部分66中。此外，如果第一電荷累積部分66飽和，則從第一電荷累積部分66溢出的光電荷經(jīng)由第二傳輸門部分63的溢出路徑累積在fd部分71中。如果在低光條件下，則光電荷僅累積在光電二極管61中。

接下來，在時間t63，傳送信號tg/sg變得活動且第一傳輸門部分62和第一電荷累積部分66的柵極電極661建立電連續(xù)性。

圖46示出在時間t63和時間t64之間的時間tc的單元像素60b的電位的狀態(tài)。以該方式，光電二極管61中累積的光電荷傳送到第一電荷累積部分66并累積在第一電荷累積部分66中。

接下來，在時間t64，在所有像素中，傳送信號tg/sg同時變得不活動且同時電荷漏出控制信號pg變得活動。第一傳輸門部分62和第一電荷累積部分66的柵極電極661然后打破電連續(xù)性，且第一電荷累積部分66的電位恢復(fù)到其初始電平且電荷漏出門部分70建立電連續(xù)性。因此，對全部像素公共的曝光時段結(jié)束。此外，如果第一電荷累積部分66的累積的電荷量超過飽和電荷量，則從第一電荷累積部分66溢出的光電荷經(jīng)由第二傳輸門部分63的溢出路徑累積在fd部分71中。

在對全部像素公共的曝光時段結(jié)束之后，逐行地依次讀取累積的光電荷。

具體地說，在時間t65，在第n行中的選擇信號sel變得活動，且第n行中的選擇晶體管69建立電連續(xù)性，因此使得第n行中的單元像素60a為被選狀態(tài)。

圖47示出在時間t65和時間t66之間的時間td的單元像素60b的電位的狀態(tài)。在該狀態(tài)下fd部分71的電位通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17，作為根據(jù)超過第一電荷累積部分66的飽和電荷量的電荷量的第一信號電平s1。

接下來，在時間t66，復(fù)位信號rst變得活動，且復(fù)位門部分65建立電連續(xù)性。因此，復(fù)位fd部分71。在時間t67，復(fù)位信號rst變得不活動，且復(fù)位門部分65打破電連續(xù)性。

圖48示出在時間t67和時間t68之間的時間te的單元像素60b的電位的狀態(tài)。在該狀態(tài)下的fd部分71的電位作為復(fù)位電平n1通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t68，傳送信號fg變得活動，且第二傳輸門部分63建立電連續(xù)性。

圖49示出在時間t68和時間t69之間的時間tf的單元像素60b的電位的狀態(tài)。以該方式，fd部分71和第一電荷累積部分66的電位耦合以將光電荷從第一電荷累積部分66傳送到fd部分71。

接下來，在時間t69，傳送信號fg變得不活動，且第二傳輸門部分63打破電連續(xù)性。

圖50示出在時間t69和時間t70之間的時間tg的單元像素60b的電位的狀態(tài)。在該狀態(tài)下fd部分71的電位通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17，作為根據(jù)第一電荷累積部分66的累積的電荷量的第二信號電平s2。

接下來，在時間t70，在第n行中的選擇信號sel變得不活動，且第n行中的選擇晶體管69打破電連續(xù)性，因此使得第n行中的單元像素60a為非被選狀態(tài)。

通過上述一系列電路操作，第一信號電平s1、復(fù)位電平n1和第二信號電平s2從單元像素60b依次輸出到垂直信號線17。

例如，在列處理單元13中，然后通過取得第一信號電平s1和復(fù)位電平n1之間的差值以及復(fù)位電平n1和第二信號電平s2之間的差值來執(zhí)行噪聲去除處理。此時，例如，如果取得第一信號電平s1和復(fù)位電平n1之間的差值，則可以使用先前幀的復(fù)位電平n1。

以該方式，根據(jù)單元像素60b，省略第二電荷累積部分67使得可以擴展光電二極管61的面積和保證光電二極管61的較大的飽和電荷量。否則，可以擴展第一電荷累積部分66的面積和保證第一電荷累積部分66的較大的飽和電荷量。相反地，如果可接受相等的飽和電荷量，則可以通過節(jié)省的空間量促進單元像素尺寸的減小。

另外，在同時讀出全部像素時，低光條件下的光電荷在黑暗中的性質(zhì)好的第一電荷累積部分66中累積，而在高光條件下的光電荷在黑暗中的性質(zhì)不好的fd部分71中累積。因此，與實現(xiàn)全局曝光的現(xiàn)有技術(shù)相比，不惡化在黑暗中或者在低光條件下成像的圖像的質(zhì)量。

(以長時間曝光的單元像素60b的電路操作)

類似于單元像素60a，也可以在單元像素60b中實現(xiàn)以長時間曝光的電路操作。換句話說，以長時間曝光，在曝光時段期間規(guī)則地讀取累積的光電荷，且因此可以僅在光電二極管61和第一電荷累積部分66中累積光電荷而不在fd部分71中累積光電荷。

這里，將參考圖51和圖52的時序圖以及圖53到圖56的電位圖給出以長時間曝光的單元像素60b的電路操作的描述。

圖51示出單元像素60b的選擇信號sel、復(fù)位信號rst、傳送信號tg/sg、電荷漏出控制信號pg和傳送信號fg的時序圖。此外，圖52示出由圖51的交替的點劃線的框環(huán)繞的時段的詳細(xì)時序圖。此外，圖53到圖56分別示出在圖52的時間ta到td1的單元像素60b的電位的狀態(tài)。

在由圖51和圖52中的交替的點劃線的框環(huán)繞的時段期間，換言之，在從時間t62到時間t63的時段期間的電路操作在以短時間曝光和以長時間曝光之間不同。以下將給出在此時段期間的電路操作的描述。

圖52示出在時間t62和時間t611之間的時間ta的單元像素60b的電位的狀態(tài)。

在時間t611，在第n行中的選擇信號sel變得活動，且第n行中的選擇晶體管69建立電連續(xù)性；因此，使得第n行中的單元像素60a為被選狀態(tài)。同時，復(fù)位信號rst變得活動且復(fù)位門部分65建立電連續(xù)性，因此fd部分71復(fù)位。在時間t621，復(fù)位信號rst變得不活動。

在時間t621和時間t631之間的時間，fd部分71的電位作為復(fù)位電平nl1通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

接下來，在時間t631，傳送信號tg/sg和傳送信號fg變得活動，且第一傳輸門部分62、第一電荷累積部分66的柵極電極661和第二傳輸門部分63建立電連續(xù)性。

圖54是示出在時間t631和時間t641之間的時間tb1的單元像素60b的電位的狀態(tài)的簡圖。以該方式，fd部分71和第一電荷累積部分66的電位耦合且在光電二極管61中累積的光電荷傳送到該耦合的區(qū)域。此外，在時間t631和時間t641之間在光電二極管61中產(chǎn)生的光電荷也被傳送到該耦合的區(qū)域。

對于從時間t62到時間t631的時間，以不超過光電二極管61和第一電荷累積部分66的飽和電荷量的總數(shù)的方式設(shè)置累積的電荷量。因此，在該時段期間，光電荷可能從光電二極管61溢出以經(jīng)由第一傳輸門部分62的溢出路徑累積在第一電荷累積部分66中；但是，光電荷不進一步從第一電荷累積部分66溢出以經(jīng)由第二傳輸門部分63的溢出路徑累積在fd部分71中。

接下來，在時間t641，傳送信號tg/sg變得不活動，且第一傳輸門部分62和第一電荷累積部分66的柵極電極661打破電連續(xù)性。第一傳輸門部分62然后打破電連續(xù)性；因此，光電荷恢復(fù)為累積在光電二極管61中。

圖55是示出在時間t641和時間t651之間的時間tc1的單元像素60a的電位的狀態(tài)的簡圖。以該方式，傳送到其中fd部分71和第一電荷累積部分66的電位耦合的區(qū)域的所有光電荷被傳送到fd部分71。

接下來，在時間t651，傳送信號fg變得不活動，且第二傳輸門部分63打破電連續(xù)性。

圖56是示出在時間t651和時間t661之間的時間td1的單元像素60b的電位的狀態(tài)的簡圖。在該狀態(tài)下的fd部分71的電位通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17，作為根據(jù)光電二極管61的累積電荷量的第二信號電平sl2。

接下來，在時間t661，選擇信號sel變得不活動，且第n行中的選擇晶體管69打破電連續(xù)性；因此，使得第n行中的單元像素60a為非被選狀態(tài)。

隨后，在時間t612到t66n將與在時間t611到t661的處理類似的處理重復(fù)n-1次。結(jié)果，復(fù)位電平nl2、第三信號電平sl2、...、復(fù)位電平nln和信號電平sln依此次序通過放大晶體管68和選擇晶體管69輸出到垂直信號線17。

類似于單元像素60a的情況，無論何時執(zhí)行中間讀取，都計算與每一像素的累積電荷量對應(yīng)的結(jié)合值。

如上所述，在長時間曝光的電路操作中，類似于單元像素60a，也在單元像素60b中累積和讀取光電荷而不在大量漏電流流出的fd部分71中累積光電荷且沒有溢出光電荷。因此，例如，根據(jù)曝光時間切換單元像素的電路操作使得可以獲得具有寬動態(tài)范圍和低噪聲的圖像而與曝光時段無關(guān)。

[6-4.其它修改例]

此外，雖然將本技術(shù)應(yīng)用于其中以矩陣設(shè)置單元像素的cmos圖像傳感器的情況作為示例，已經(jīng)在上述實施例中給出描述，但是本技術(shù)不限于應(yīng)用到cmos圖像傳感器。換句話說，本技術(shù)可以應(yīng)用于其中以矩陣二維地設(shè)置單元像素的x-y地址類型的一般固態(tài)成像器件。

此外，本技術(shù)不僅可以應(yīng)用于檢測入射可見光量的分布并將該分布成像為圖像的固態(tài)成像器件，而且可以應(yīng)用于將入射的紅外線、x射線、粒子等的量的分布成像為圖像的一般固態(tài)成像器件。

固態(tài)成像器件可以形成到一個芯片中或者可以形成到其中成像單元和信號處理單元或者光學(xué)系統(tǒng)封裝在一起的模塊中，該模塊具有成像功能。

此外，本技術(shù)中的所有像素指示在圖像上出現(xiàn)的部分的所有像素且排除偽像素等。此外，在本技術(shù)中，只要圖像的時間滯后和失真小到不引起問題的程度，還可以以高速對于每多個行(例如，幾十行)進行掃描而代替所有像素的同時操作。此外，在本技術(shù)中，也可以不僅將全局快門操作應(yīng)用于在圖像中出現(xiàn)的所有像素而且應(yīng)用于指定的多個行。

此外，上面描述的單元像素的裝置結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)類型僅是示例，且n型和p型可以是相反的方面。取決于在單元像素中移動的多數(shù)載流子是空穴還是電子，上述單元的電位或者電位的量值關(guān)系可以相反。

此外，例如，本技術(shù)可以采取以下結(jié)構(gòu)。

固態(tài)成像器件包括配置為產(chǎn)生光電荷的光電轉(zhuǎn)換部分和傳送光電荷到半導(dǎo)體區(qū)域的傳輸門。用于驅(qū)動單元像素的方法包括在光電轉(zhuǎn)換部分中累積光電荷的步驟和在半導(dǎo)體區(qū)域中累積光電荷的步驟。形成固態(tài)成像器件的方法包括通過掩模中的開口將離子注入到阱層中，通過另一掩模中的開口將附加的離子注入到該阱層中，和通過又一掩模中的開口將其它離子注入到該阱層中。電子裝置包括固態(tài)成像器件。

<7.示例2>

[7-1.已知的單元像素的結(jié)構(gòu)]

在給出對于圖1的cmos圖像傳感器10采用的單元像素320的結(jié)構(gòu)的描述之前，將給出在專利文件1(日本專利申請?zhí)亻_no.2009-268083)中公開的單元像素220的結(jié)構(gòu)的描述，以容易地理解cmos圖像傳感器10要解決的問題。

(單元像素220的結(jié)構(gòu))

圖57是示出專利文件1中描述的單元像素220的結(jié)構(gòu)的簡圖。

單元像素220具有安裝用于保存(累積)要從遠(yuǎn)離浮動擴散區(qū)域(電容器)的光電轉(zhuǎn)換元件傳送的光電荷的電荷保持區(qū)域(以下描述為“存儲器部分”)的結(jié)構(gòu)。以下將給出單元像素220的詳細(xì)說明。

單元像素220包括光電二極管(pd)221作為光電轉(zhuǎn)換元件。光電二極管221是通過在n型襯底231上形成的p型阱層232中在襯底表面?zhèn)壬闲纬蓀型層233并埋入n型埋層234而形成的嵌入式光電二極管。

除嵌入式光電二極管221之外，單元像素220還包括第一傳輸門222、存儲器部分(mem)223、第二傳輸門224和浮動擴散區(qū)域(fd：浮動擴散)225。存儲器部分223和浮動擴散區(qū)域225被屏蔽光。浮動擴散區(qū)域225以下也可以被稱為fd部分225。

第一傳輸門222將在嵌入式光電二極管221中光電轉(zhuǎn)換并在其中累積的電荷通過施加傳輸脈沖trx而傳送到柵極電極222a。存儲器部分223由在柵極電極222a之下形成的n型埋溝235形成，并累積從光電二極管221由第一傳輸門222傳送的電荷。因為存儲器部分223由埋溝235形成，所以可以抑制在si-sio2界面出現(xiàn)暗電流，因此可以對圖像質(zhì)量的改進做出貢獻。

在存儲器部分223中，在其上設(shè)置柵極電極222a且將傳輸脈沖trx施加到柵極電極222a；因此，可以在存儲器部分223上執(zhí)行調(diào)制。換句話說，將傳輸脈沖trx施加到柵極電極222a以深化存儲器部分223的電位。因此，可以比不執(zhí)行調(diào)制的情況更多地增加存儲器部分223的飽和電荷量。

此外，在光電二極管221和存儲器部分223之間的邊界區(qū)域中在柵極電極222a之下提供n-雜質(zhì)擴散區(qū)域(ofb)239。n-雜質(zhì)擴散區(qū)域239形成如果在光電二極管221中累積等于或大于指定量的電荷，則即使在施加斷開第一電荷傳輸門222的足夠電壓的狀態(tài)下也允許在光電二極管221中產(chǎn)生的光電荷溢出到存儲器部分223的勢壘φtrx。以另一方式，形成即使在施加斷開第一傳輸門222的足夠電壓的狀態(tài)下也允許在光電二極管221中產(chǎn)生的光電荷溢出到存儲器部分223的溢出路徑(中間傳輸路徑)230。此外，柵極電極222a還包括作為通過施加傳輸脈沖trx而將光電二極管221中累積的所有電荷傳送到存儲器部分223的完全傳輸路徑的功能。這里，斷開第一傳輸門222的足夠電壓是具有在si表面上形成反轉(zhuǎn)層的量值的電壓。可以提供p－雜質(zhì)擴散區(qū)域239代替n－雜質(zhì)擴散區(qū)域239。

第二傳輸門224通過將傳輸脈沖trg施加到柵極電極224a而傳送在存儲器部分223中累積的電荷。fd部分225是由n型層形成的電荷電壓轉(zhuǎn)換部分，并將從存儲器部分223由第二傳輸門224傳送的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。

單元像素220進一步包括復(fù)位晶體管226、放大晶體管227和選擇晶體管228。這里，n溝道m(xù)os晶體管例如用于復(fù)位晶體管226到選擇晶體管228。但是，在這里圖示的復(fù)位晶體管226到選擇晶體管228的傳導(dǎo)類型的組合僅是示例，且該組合不限于這些。

復(fù)位晶體管226連接在電源vdb和fd部分225之間，并通過施加到復(fù)位晶體管226的柵極電極的復(fù)位脈沖rst而復(fù)位fd部分225。放大晶體管227的漏極電極連接到電源vdo，其柵極電極連接到fd部分225，且放大晶體管227讀取fd部分225兩端的電壓。

例如，選擇晶體管228的漏極電極連接到放大晶體管227的源極電極，其源極電極連接到垂直信號線217，且選擇晶體管228通過施加到其柵極電極的脈沖選取sel而選擇要讀取信號的單元像素220。也可以采用其中選擇晶體管228連接在電源vdo和放大晶體管227的漏極電極之間的配置。

就復(fù)位晶體管226到選擇晶體管228而言，取決于讀出信號的方法，它們中的一個或者多個還可以被省略或者在多個像素之間共享。

單元像素220進一步包括用于漏光光電二極管221的累積的電荷的電荷漏出部分229。電荷漏出部分229在曝光的開始通過施加到柵極電極229a的控制脈沖abg而將光電二極管221的電荷漏到n型層的漏出部分236。電荷漏出部分229進一步操作以在曝光結(jié)束之后在讀取時段期間防止光電二極管221的飽和和電荷的溢出。將指定的電壓vda施加到漏出部分236。

(存儲器部分223的柵極電極的電位)

這里，將給出作為電荷保持區(qū)域的存儲器部分223的柵極電極222a的電位的描述。

在圖57中，作為電荷保持區(qū)域的存儲器部分223的柵極電極的電位設(shè)置為在一時段期間帶來鉗制狀態(tài)的電位，對于該時段，使得第一傳輸門222和第二傳輸門224中的至少任何一個，例如，第一傳輸門222為非導(dǎo)通狀態(tài)。更具體地，當(dāng)使得第一傳輸門222或者第二傳輸門224或者兩者為非導(dǎo)通狀態(tài)時，施加到柵極電極222a和224a的電壓設(shè)置為帶來可以在直接在柵極電極之下的si表面中累積載流子的鉗制狀態(tài)。

如在該示例中，如果形成傳輸門的晶體管是n型，則當(dāng)使得第一傳輸門222為非導(dǎo)通狀態(tài)時，要施加到柵極電極222a的電壓設(shè)置為使得p型阱層232的電位比地gnd更負(fù)的電壓。雖然未示出，但是如果形成傳輸門的晶體管是p型，則p型阱層變?yōu)閚型阱層，且設(shè)置電壓以使得n型阱層的電位高于電源電壓vdd。

當(dāng)使得第一傳輸門222為非導(dǎo)通狀態(tài)時要施加到柵極電極222a的電壓設(shè)置為帶來可以在緊接在柵極電極之下的si表面中累積載流子的鉗制狀態(tài)的電壓的理由如下：

在圖57中，假定第一傳輸門222的柵極電極222a的電位等于p型阱層232的電位(例如，0v)，則從si表面中的晶體缺陷產(chǎn)生的載流子可以在存儲器部分223中累積以產(chǎn)生暗電流，因此圖像質(zhì)量可能惡化。因此，在圖57中，在存儲器部分223上形成的柵極電極222a的關(guān)斷(off)電位設(shè)置為比p型阱層232的電位更負(fù)的電位，例如，-2.0v。因此，在該實施例中，在電荷保持時段期間可以在存儲器部分223的si表面中產(chǎn)生空穴(空穴：hole)并再次耦合在si表面中產(chǎn)生的電子(電子：electron)。結(jié)果，可以減少暗電流。

在圖57中，因為第二傳輸門224的柵極電極224a存在于存儲器部分223的端部，所以可以類似地通過也設(shè)置柵極電極224a為負(fù)電位而抑制在存儲器部分223的端部產(chǎn)生的暗電流。

圖57的單元像素220的特征在于，使用在光電二極管221和存儲器部分223之間的邊界區(qū)域中形成的溢出路徑230作為優(yōu)先地在光電二極管221中累積低光條件下產(chǎn)生的電荷的方式。

圖58示出在圖57的x方向上的電位圖。

如從圖58的x方向上的電位圖清楚地看到，在光電二極管221和存儲器部分223之間的邊界區(qū)域中提供n－雜質(zhì)擴散區(qū)域239以減小該邊界區(qū)域的電位。電位降低的部分用作溢出路徑230。在光電二極管221中產(chǎn)生并超過溢出路徑230的電位的電荷自動地泄漏到存儲器部分223以累積在存儲器部分223中。以另一方式，等于或者小于溢出路徑230的電位的產(chǎn)生的電荷累積在光電二極管221中。

這里，溢出路徑230具有作為中間電荷傳輸部分的功能。換句話說，在期間多個像素中的全部同時執(zhí)行成像操作的曝光時段中，作為中間電荷傳輸部分的溢出路徑230將在光電二極管221中通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生并超過由溢出路徑230的電位確定的指定電荷量的電荷傳送到存儲器部分223。

(累積光電荷的操作)

將參考圖59(1)到圖59(5)和圖60(1)到圖60(5)給出從曝光的開始(累積的開始)到曝光的結(jié)束(累積的結(jié)束)的操作的描述。圖59(1)到圖59(5)示出當(dāng)入射光的亮度等于或者高于指定亮度且光電荷的累積量大時，換言之，當(dāng)入射光亮?xí)r的光電荷的傳送的移動。

首先，(1)將控制脈沖abg施加到柵極電極229a以打開電荷漏出部分229并漏出光電二極管221的電荷。

(2)電荷漏出部分229再次關(guān)閉，并且根據(jù)入射光的亮度在光電二極管221中產(chǎn)生的光電荷累積在光電二極管221中以開始曝光。在光電二極管221中累積的電荷(經(jīng)由溢出路徑230)跨過光電二極管221和存儲器部分223之間的傳輸路徑的勢壘φtrx以累積在存儲器部分223中。

(3)根據(jù)入射光的強度的光電荷累積在光電二極管221和存儲器部分223中。在曝光的結(jié)尾，復(fù)位晶體管226導(dǎo)通，且fd部分225的電荷流盡(復(fù)位操作)。

(4)施加傳輸脈沖trg以導(dǎo)通第二傳輸門224，且存儲器部分223中累積的電荷傳送到fd部分225。

(5)接下來，施加傳輸脈沖trx以導(dǎo)通第一傳輸門222，且在光電二極管221中累積的電荷傳送到存儲器部分223。

接下來的圖60(1)到圖60(5)示出當(dāng)入射光的亮度低于指定亮度且光電荷的累積量小時，換言之，當(dāng)入射光暗時的光電荷的傳送的移動。

在入射光暗的情況下的驅(qū)動也類似于圖59(1)到圖59(5)的驅(qū)動。圖60(1)到圖60(5)與圖59(1)到圖59(5)的不同在于因為入射光暗，所以根據(jù)入射光強度的光電荷僅在光電二極管221中累積，如圖59(2)和圖59(3)所示。以另一方式，如果入射光暗，則累積的電荷不跨過傳輸電路的勢壘φtrx。因此，(4)傳輸脈沖trg的施加不使得電荷由第二傳輸門224傳送到fd部分225，但是，(5)傳輸脈沖trx的施加使得所有電荷由第一傳輸門222保存在存儲器部分223中。

圖61是示出用于驅(qū)動圖57的單元像素220的方法的時序圖。在圖61中，(1)到(5)是與上面描述的圖59(1)到圖59(5)和圖60(1)到圖60(5)對應(yīng)的操作；因此，將省略描述。

對于在曝光的結(jié)尾的直到(5)的傳輸操作，電荷保存在存儲器部分223和fd部分225中。如上所述，沒有電荷保存在黑暗像素中的fd部分225中。

(6)在dh時段中，在fd部分225中累積的電荷被經(jīng)由放大晶體管227作為第一信號電壓讀取。

(7)復(fù)位晶體管226導(dǎo)通，且fd部分225的電荷流盡。

(8)在p時段中，讀取fd部分225的復(fù)位電平。

(9)施加傳輸脈沖trg以導(dǎo)通第二傳輸門224，且存儲器部分223中保存的電荷傳送到fd部分225。

(10)在dl時段中，經(jīng)由放大晶體管227讀取fd部分225的電荷作為第二信號電壓。

第一和第二信號電壓可以通過計算與在p時段中讀取的復(fù)位電壓的差值來獲得噪聲去除的效果。此時，通過復(fù)位操作的ktc噪聲疊加在fd部分225中保存的信號電壓上；但是，從在存儲器部分223中保存的信號電壓去除ktc噪聲。該信號僅當(dāng)入射光亮?xí)r保存在fd部分225中，且因為獲得大量信號電荷，所以光散粒噪聲(lightshotnoise)成為主要的噪聲分量，且可以忽視由于ktc噪聲導(dǎo)致的圖像質(zhì)量的惡化。例如：在10,000e-的信號電荷中產(chǎn)生的光散粒噪聲是100e-rms，且信噪比是40.00db。ktc噪聲可以通過√(kt/c)獲得且是25.4e-rms。假定k是波耳茲曼系數(shù)，1.38×10^-23(j/k)，t是300(k)的溫度，且c是fd部分225的一般電容值，例如，4ff。光散粒噪聲和ktc噪聲的總和是103.2e-rms，且信噪比是39.73db，且差異很小。

另一方面，如果入射光暗且信號電荷的量小，則所有電荷保存在存儲器部分223中，且可以通過計算與復(fù)位信號的差值除去ktc噪聲。

此外，如從使用光電二極管221和存儲器部分223兩者以在曝光時段期間累積很清楚的，最大可累積電荷量等于沒有安裝存儲器部分223的像素結(jié)構(gòu)的最大可累積電荷量。因此，由于ktc噪聲，圖57的單元像素220可以解決圖像質(zhì)量的明顯惡化，且進一步使能關(guān)于所有像素的同時全局曝光操作而不減小最大可累積電荷量。

(避免輸出圖像的損壞的先決條件)

這里，將給出在圖57的單元像素220中避免輸出圖像的損壞的先決條件的描述。

假定根據(jù)入射光的強度而累積的信號電荷是qsig，由第二傳輸門224傳送到fd部分225的電荷是qh，且由第一傳輸門222傳送到存儲器部分223的電荷是ql，則信號電荷qsig＝電荷qh+電荷ql。這里，如參考圖60(1)到圖60(5)描述的，如果入射光暗且累積的電荷未跨過光電二極管221和存儲器部分223之間的勢壘φtrx，則qh＝0。

此外，假定由勢壘φtrx確定的電荷ql的最大值是qp，如果入射光亮且獲得是qsig>qp的累積的電荷，則由qh＝qsig-qp獲得的電荷qh由第二傳輸門224傳送到fd部分225以保存。此時，假定勢壘φtrx改變，且存在φtrx+δφtrx的像素。假定通過勢壘δφtrx的差值的電荷qp的改變量是δqp，如果累積的電荷qsig超過qp+δqp，則存儲器部分223中的累積開始且電荷qh變?yōu)殡姾蓂h>0且保存在fd部分225中。

換句話說，如果信號電荷qsig≤電荷qp+改變量δqp，則電荷ql＝信號電荷qsig，且電荷qh＝0。兩個輸出被相加以具有電荷qh+電荷ql＝信號電荷qsig并獲得正確的信號。另一方面，如果信號電荷qsig>電荷qp+改變量δqp，則電荷qh和ql是電荷qh＝信號電荷qsig-(電荷qp+改變量δqp)，且作為電荷ql＝電荷qp+改變量δqp讀取，且兩個輸出相加。因此，類似地，電荷qh+電荷ql＝信號電荷qsig，以獲得正確的信號。特別地，如果電荷ql的輸出充分地小于電荷qp，則可以避免通過相加電荷qh而疊加噪聲。

以該方式，如果在電荷qh由第二傳輸門224傳送之后光電二極管221中累積的ql(≤qp)具有在由第一傳輸門222傳送到存儲器部分223之后存儲器部分223可以保存的電荷量，則勢壘φtrx的變化不損壞輸出圖像。

這里，如果存儲器部分223可以保存的最大電荷是qm，則條件是最大電荷qm≥電荷qp以獲得沒有損壞的輸出圖像。如果存儲器部分223的面積擴展且光電二極管221的面積減小，則容易具有最大電荷qm的勢壘φtrx≥電荷qp的關(guān)系。但是，實際上，通過增大光電二極管221的面積來增大開口的面積，以使得靈敏度更好，或者在其上不疊加ktc噪音的具有低噪聲的信號的范圍可以通過增加電荷qp而延伸，等等，因此，重要的是通過最大化電荷qp同時保持最大電荷qm≥電荷qp的關(guān)系來實現(xiàn)較高的圖像質(zhì)量。

特別地，如果信號電荷qsig≤電荷qp，則優(yōu)選地是，電荷qh不應(yīng)該與電荷ql相加并輸出以防止疊加噪聲；但是，如果電荷qh≈0，則相加是必要的且因此需要判斷是否加上作為閾值的電荷qp的最小值。換句話說，如果存在具有電荷qp-改變量δqp作為由于勢壘φtrx的大變化導(dǎo)致的最小值的像素，則存在縮窄其中不疊加電荷qh的噪聲的具有低噪聲的信號區(qū)域的問題。此外，因為需要滿足電荷qm≥電荷qp，所以如果存在其中電荷qp+改變量δqp作為最大值的像素，則需要增加電荷qm，且存在由于存儲器部分223的擴展和光電二極管221的減小而減小電荷qp的問題。

因此，需要勢壘φtrx的變化的減小以改進靈敏度同時光電二極管221的面積最大化，并實現(xiàn)輸出圖像的更高質(zhì)量同時低噪聲信號范圍最大化。

[7-2.要解決的問題]

但是，如在圖57的單元像素220中，如果勢壘φtrx由光電二極管221和存儲器部分223之間第一傳輸門222的傳輸路徑形成，則對于以下原因存在減小勢壘φtrx的變化的限制。

優(yōu)選地設(shè)計形成勢壘φtrx的雜質(zhì)擴散區(qū)域(ofb)239的圖62a所示的間隔l(以下適當(dāng)?shù)胤Q為l長度)盡可能窄以最大化光電二極管221的累積電荷qp和存儲器部分223的最大電荷量qm。

但是，如圖62b所示，雜質(zhì)擴散區(qū)域239的l長度設(shè)計得窄；因此，由在離子注入時提供的抗蝕掩模360的抗蝕的寬度中的變化δd顯著地影響勢壘φtrx的變化δφtrx。換句話說，如果雜質(zhì)擴散區(qū)域239的l長度設(shè)計得窄以保證光電二極管221和存儲器部分223的面積，則雜質(zhì)擴散區(qū)域239的雜質(zhì)的密度由于抗蝕的寬度的變化δd的改變而顯著地改變，且這也導(dǎo)致勢壘φtrx的變化δφtrx的大的改變。

相反地，如圖62c所示，如果雜質(zhì)擴散區(qū)域239的l長度設(shè)計得寬，則可以抑制勢壘φtrx的變化δφtrx；但是，光電二極管221和存儲器部分223的面積顯著地減小。因此，從光電二極管221的累積電荷qp和存儲器部分223的最大電荷量qm的最大化的視角來看，難以在其中第一傳輸門222用作中間傳輸路徑(溢出路徑230)和完全傳輸路徑兩者的結(jié)構(gòu)中延伸傳輸路徑的長度(l長度)。

此外，形成設(shè)計為在電荷累積之前在耗盡的狀態(tài)下下降的溢出路徑230的雜質(zhì)擴散區(qū)域(ofb)239由光電二極管221的電荷累積調(diào)制。

例如，如圖63所示，假定光電二極管221和勢壘φtrx之間的電容是c1，光電二極管221的其它電容值是cg，且存儲器部分223和勢壘φtrx之間的電容是c2，則累積電荷的電容cp表示為cp＝cg+c1·c2/(c1+c2)。在這種情況下，如果δqsig的電荷在光電二極管221中累積，則光電二極管221的電位φp改變了δφp＝δqsig/cp。此時，勢壘φtrx由δφtrx(p)＝(c1/(c1+c2))·δφp調(diào)制。換句話說，δφtrx(p)表示勢壘φtrx由因為光電二極管221的電荷累積的光電二極管的電位的改變的調(diào)制。

更優(yōu)選地由光電二極管221的電荷累積的壘調(diào)制引起的勢壘φtrx的變化δφtrx(p)也減小。但是，需要使得光電二極管221的電位的最深點接近完全傳輸路徑以增加完全傳輸路徑的傳送效率。因此，圖57的單元像素220具有由于光電二極管221和勢壘φtrx之間的電容c1的減小而難以獲得減少勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(p)的效果的結(jié)構(gòu)。

以該方式，在圖57的單元像素220中難以通過光電二極管221的電荷累積減小勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(p)。因此，在滿足最大電荷qm≥電荷qp時應(yīng)該被認(rèn)為是電荷qp的最大值的(電荷qp+改變量δqp)當(dāng)中的改變量δqp增大。結(jié)果，變得需要另外增大最大電荷qm。

[7-3.實施例的單元像素]

(單元像素320的結(jié)構(gòu))

因此，為了改進圖57的單元像素220的變化的減小的限制，換言之，為了促進勢壘φtrx的變化的減小和勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(p)的減小，該實施例中的cmos圖像傳感器10采用圖64a和圖64b示出的使得中間傳輸路徑魯棒的結(jié)構(gòu)。

換句話說，圖64a和圖64b示出在cmos圖像傳感器10中采用的單元像素320的結(jié)構(gòu)。圖64a是沿著圖64b所示的箭頭z-z'所取的單元像素320的截面圖，且圖64b是示出單元像素320的配置的平面圖。

在單元像素320中，光電二極管221的n型埋層334以在存儲器部分223之下延伸的方式形成(在襯底的較深側(cè)上)。以另一方式，在圖64a所示的截面中n型埋層334形成為l形狀。如圖所64b示，延伸到存儲器部分223側(cè)的光電二極管221的n型埋層334的區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上與存儲器部分223的柵極電極222a重疊。

在單元像素320中，在存儲器部分223的埋溝235的下表面和在存儲器部分223之下延伸的n型埋層334的上表面之間的邊界區(qū)域中形成雜質(zhì)擴散區(qū)域342；因此，提供中間傳輸路徑340。因此，不由第一傳輸門222控制(調(diào)制)中間傳輸路徑340。

以該方式，在埋溝235的下表面和n型埋層334的上表面之間的邊界區(qū)域中形成雜質(zhì)擴散區(qū)域342；因此，例如，與雜質(zhì)擴散區(qū)域342在埋溝235和n型埋層334的側(cè)面之間的邊界區(qū)域中形成的情況相比，可以抑制入射光泄漏到雜質(zhì)擴散區(qū)域342。

此外，中間傳輸路徑340僅由在深度方向上雜質(zhì)的分布形成；因此，由行寬度和掩模的層疊引起的變化減小，因此可以減小勢壘φtrx的變化。

以另一方式，由于形成中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342的雜質(zhì)的密度，可以穩(wěn)定地形成確定光電二極管221的累積的電荷溢出到存儲器部分223中的指定電荷量的勢壘φtrx。

如上所述，在單元像素320中，可以減小由掩模的未對準(zhǔn)引起的勢壘φtrx的變化、抗蝕的寬度的變化、來自高密度雜質(zhì)擴散區(qū)域的雜質(zhì)的擴散、第一傳輸門222的電極的位置和電位以及光電二極管221的累積電荷量。

另一方面，類似于圖57的單元像素220，完全傳輸路徑350在表面?zhèn)壬闲纬伞Ｒ虼?，將傳輸脈沖trx施加到第一傳輸門222以經(jīng)由完全傳輸路徑350執(zhí)行完全傳輸。

因為中間傳輸路徑340和完全傳輸路徑350隔離且由于雜質(zhì)擴散區(qū)域342的雜質(zhì)的密度可以形成穩(wěn)定的勢壘φtrx，可以通過最大化光電二極管221的面積實現(xiàn)靈敏度的改進，并通過最大化低噪聲信號范圍實現(xiàn)輸出圖像的較高質(zhì)量，而不減小完全傳輸?shù)膫鬏斝省?/p>

如圖64b所示，從平面視點來看，除設(shè)置在存儲器部分223的中心附近之外，雜質(zhì)擴散區(qū)域342也可以設(shè)置在比圖示的位置更遠(yuǎn)離光電二極管221的位置或者可以以遠(yuǎn)離光電二極管221的電位的最深點的方式設(shè)置。用作中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342以該方式設(shè)置在遠(yuǎn)離光電二極管221的位置；因此，可以進一步減少入射光的泄漏。

(設(shè)計單元像素320的考慮)

但是，需要給予圖64a和圖64b示出的具有使得中間傳輸路徑魯棒的結(jié)構(gòu)的單元像素320以下考慮。

將參考圖65a和圖65b和圖66a到圖66c給出在具有使得中間傳輸路徑魯棒的結(jié)構(gòu)的單元像素320中可能出現(xiàn)的問題的描述。

圖65a和圖65b示出當(dāng)作為圖57所示的單元像素220的中間傳輸路徑的溢出路徑230簡單地重新布置在存儲器部分223之下(在深度方向上)時的中間傳輸路徑和完全傳輸路徑的電位圖。圖65a示出在沿著圖64a的箭頭x-x'所取的截面中完全傳輸路徑的電位圖，且圖65b示出在沿著圖64a的箭頭y-y'所取的截面中中間傳輸路徑的電位圖。

如果圖65a的完全傳輸路徑當(dāng)?shù)谝粋鬏旈T222導(dǎo)通時完全地耗盡光電二極管221就足夠了。因此，不需要圖57所示的單元像素220的溢出路徑230，因此光電二極管221和存儲器部分223之間的位壘形成為高于當(dāng)提供溢出路徑230時的位壘。

另一方面，圖65b的中間傳輸路徑的勢壘φtrx對應(yīng)于圖57所示的單元像素220的溢出路徑230，因此形成為低于當(dāng)?shù)谝粋鬏旈T222關(guān)斷時的完全傳輸路徑。但是，中間傳輸路徑不由第一傳輸門222控制；因此，即使第一傳輸門222導(dǎo)通時勢壘φtrx也不改變。此外，光電二極管221的電位的最深點形成在接近于完全傳輸路徑的區(qū)域中，以增加完全傳輸?shù)膫鬏斝剩灰虼?，到中間傳輸路徑的距離自然變得更遠(yuǎn)。因此，取決于光電二極管221的累積電荷量的勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(p)可以減小。

如上所述，使得中間傳輸路徑魯棒性的結(jié)構(gòu)延伸在光電二極管221的電位的最深點和中間傳輸路徑之間的距離變得更遠(yuǎn)；因此可以減小由光電二極管221的電荷累積導(dǎo)致的勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(p)。但是，相反地，中間傳輸路徑變得接近于存儲器部分223的電位的最深點；因此，關(guān)于存儲器部分223的電荷累積的勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(m)可能變得相對大。在這種情況下，要由第二傳輸門224傳送到fd部分225的電荷qh減少(與從像素的面積期望的量相比)。

將參考圖66a到圖66c給出更詳細(xì)的說明。

圖66a示出其中電荷不在光電二極管221和存儲器部分223中的任何一個中累積的耗盡狀態(tài)，且其是與圖65a和圖65b示出的狀態(tài)相同的狀態(tài)。

在電荷不累積在光電二極管221和存儲器部分223中的任何一個中的耗盡狀態(tài)下，中間傳輸路徑的高度(勢壘)是φtrx。

圖66b示出其中從入射光光電轉(zhuǎn)換的電荷(僅)累積在光電二極管221中的狀態(tài)。

通過光電二極管的電荷累積221，調(diào)制中間傳輸路徑，且其高度是是φtrx+δφtrx(p)。假定調(diào)制量δφtrx(p)改變了光電二極管221中累積的電荷量，且圖66b所示的δφtrx(p)是在累積電荷直到僅光電二極管221中的最大量的狀態(tài)下的調(diào)制量。從光電二極管221觀看，φtrx+δφtrx(p)充分地低于(小的)其它路徑的位壘的高度；因此，在圖66b的狀態(tài)下在光電二極管221中進一步執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，且如果產(chǎn)生電荷，則所有產(chǎn)生的電荷溢出到存儲器部分223側(cè)。因此，如果在結(jié)尾將電荷ql和電荷qh相加，則保持關(guān)于光量的信號的線性。

圖66c示出其中從圖66b的狀態(tài)下在光電二極管221中進一步光電轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生的電荷溢出到存儲器部分223中的狀態(tài)。

從光電二極管221溢出的電荷累積在存儲器部分223中。中間傳輸路徑的高度φtrx進一步由存儲器部分223中的累積電荷調(diào)制，結(jié)果是φtrx+δφtrx(p)+δφtrx(m)。這里，δφtrx(m)是關(guān)于存儲器部分223的電荷累積的勢壘φtrx的調(diào)制量。此時的問題是關(guān)于存儲器部分223的電荷累積的勢壘φtrx的調(diào)制量δφtrx(m)大。換句話說，因為中間傳輸路徑在關(guān)于存儲器部分223的深度方向上的較深側(cè)上形成，所以中間傳輸路徑和存儲器部分223的電位的最深點之間的距離近。另外，因為中間傳輸路徑浮動，所以由存儲器部分223的電荷累積導(dǎo)致的電位改變易于被調(diào)制。因此，勢壘的高度變得高達(dá)φtrx+δφtrx(p)+δφtrx(m)，且從光電二極管221觀看，與其它位壘的電位差變小。結(jié)果，存儲器部分223的累積電荷量在到達(dá)可以固有地累積在存儲器部分223中的電荷量之前開始溢出到存儲器部分223之外的其它部分中。這里，可以固有地累積在存儲器部分223中的電荷量指示圖66c所示的包括存儲器部分223中累積的電荷之上的存儲器部分223的空區(qū)域的區(qū)域。如果在存在空區(qū)域的狀態(tài)下產(chǎn)生從光電二極管221到存儲器部分223之外的其它部分的溢出路徑，則不可能完全利用存儲器部分223本質(zhì)上具有的累積性能。結(jié)果，信號關(guān)于光量的線性崩潰，且可以實際上使用的信號范圍(飽和信號量)變窄。

為了簡單地解決該問題，考慮以以下任意方法增加中間傳輸路徑和其它路徑之間的電位差：(1)使得從光電二極管221觀看的中間傳輸路徑之外的其它路徑的位壘仍然較高和(2)降低中間傳輸路徑。但是，這兩個措施由于下列理由是不可用的?？紤](1)，因為最初防止信號在相鄰像素之間溢出(萌發(fā))，所以其它總線的位壘形成得充分地高；因此，通常不可能進一步增加它們的高度。此外，考慮(2)，因為僅光電二極管221中累積的電荷ql減少，所以要從信號量小的區(qū)域使用fd部分225(電荷qh)；因此，s/n惡化且因此不可以簡單地進行其選擇。

因此，cmos圖像傳感器10的單元像素320采用圖67所示的結(jié)構(gòu)。

圖67示出在cmos圖像傳感器10的單元像素320中，在圖64a的沿著箭頭x-x'所取的截面上完全傳輸路徑350(第一傳輸路徑)和在圖64a的沿著箭頭y-y'所取的截面上中間傳輸路徑340(第二傳輸路徑)的電位圖。

如圖67所示，完全傳輸路徑350的位壘的高度，換言之，勢壘φtrx1的高度高于中間傳輸路徑340的位壘的高度，換言之，勢壘φtrx2的高度。但是，完全傳輸路徑350的位壘的高度低于除了從光電二極管221到存儲器部分223的傳輸路徑之外的路徑的位壘的高度。因此，如果不存在中間傳輸路徑340，則在光電二極管221中累積的所有電荷經(jīng)由完全傳輸路徑350溢出到存儲器部分223中。相反地，如果不存在中間傳輸路徑340，則形成完全傳輸路徑350的位壘的高度(勢壘φtrx1的高度)以使得光電二極管221中累積的所有電荷經(jīng)由完全傳輸路徑350溢出到存儲器部分223中。

如果完全傳輸路徑350和中間傳輸路徑340的位壘高度用電位表示，則完全傳輸路徑350的電位形成為低于中間傳輸路徑340的電位并高于除了從光電二極管221到存儲器部分223的傳輸路徑之外的路徑的位壘的電位。

完全傳輸路徑350具有要夾在光電二極管221和存儲器部分223之間的結(jié)構(gòu)；因此，在形成中間傳輸路徑340時，用于形成勢壘φtrx2的作為電荷傳輸目的地的存儲器部分223的雜質(zhì)的密度和雜質(zhì)擴散區(qū)域342的雜質(zhì)的密度之間的密度差減小，且雜質(zhì)擴散區(qū)域342中的位壘由存儲器部分223的雜質(zhì)擴散的可控性不削弱。

除了從光電二極管221到存儲器部分223的傳輸路徑之外的路徑的位壘例如包括從光電二極管221到電荷漏出部分229的路徑的位壘，其是在圖67中的光電二極管221的左側(cè)上的位壘。

(在單元像素320中累積光電荷的操作)

將參考圖68a到圖68c給出在如圖67所示形成的單元像素320中累積光電荷的操作的描述。圖68a到圖68c示出的狀態(tài)對應(yīng)于圖66a到圖66c的狀態(tài)。

圖68a示出其中電荷不在光電二極管221和存儲器部分223中的任何一個中累積的耗盡狀態(tài)，且其是與圖67示出的狀態(tài)相同的狀態(tài)。

圖68b示出其中從入射光光電轉(zhuǎn)換的電荷(僅)累積在光電二極管221中的狀態(tài)。

通過光電二極管221的電荷累積，調(diào)制完全傳輸路徑350和中間傳輸路徑340，且其高度的結(jié)果分別是φtrx1+δφtrx1(p)和φtrx2+δφtrx2(p)。中間傳輸路徑340的位壘的高度φtrx2+δφtrx2(p)形成為低于完全傳輸路徑350的位壘的高度φtrx1+δφtrx1(p)。因此，如果在光電二極管221中產(chǎn)生等于或大于指定量的電荷，則電荷首先從光電二極管221經(jīng)由中間傳輸路徑340溢出到存儲器部分223。

在光電二極管221中累積的電荷ql限于中間傳輸路徑340的位壘的高度φtrx2。中間傳輸路徑340的位壘的高度φtrx2可以以阻擋通過光電二極管221的累積的調(diào)制和從處理的觀點看是魯棒的(不受掩模線寬度和層疊的變化的影響)方式形成。因此，可以設(shè)計對于需要足夠的電荷ql。

圖68c示出從光電二極管221溢出的電荷累積在存儲器部分223中的狀態(tài)。

如果從光電二極管221溢出的電荷累積在存儲器部分223中，則對關(guān)于存儲器部分223的累積的調(diào)制敏感的中間傳輸路徑340的位壘的高度φtrx2逐漸地增加。換句話說，中間傳輸路徑340的位壘的高度增加了關(guān)于存儲器部分223的累積的調(diào)制量δφtrx2(m)，結(jié)果是φtrx2+δφtrx2(p)+δφtrx2(m)。

但是，與中間傳輸路徑340的位壘相比，完全傳輸路徑的位壘350阻擋關(guān)于存儲器部分223的累積的調(diào)制。因此，即使調(diào)制中間傳輸路徑340，且其高度增加到φtrx2+δφtrx2(p)+δφtrx2(m)，那么完全傳輸路徑350也用作溢出路徑。換句話說，在一定量的電荷累積在存儲器部分223中之后，完全傳輸路徑350的位壘的高度φtrx1+δφtrx1(p)+δφtrx1(m)變得低于中間傳輸路徑340的位壘的高度φtrx2+δφtrx2(p)+δφtrx2(m)。因此，在一定量的電荷累積在存儲器部分223中之后，光電二極管221中產(chǎn)生的所有電荷經(jīng)由完全傳輸路徑350溢出到存儲器部分223中。

因此，由于關(guān)于存儲器部分223的電荷累積的勢壘φtrx1的調(diào)制量φtrx1(m)大，因此圖67的單元像素320可以防止在存儲器部分223飽和之前從光電二極管221溢出到除了存儲器部分223之外的部分。

如上所述，即使電荷累積在存儲器部分223中，使得電荷通過與中間傳輸路徑340相比阻擋調(diào)制的完全傳輸路徑350溢出(傳送)；因此，可以保存電荷，完全利用存儲器部分223。因此，可以通過最大化飽和信號量和通過延伸信號范圍的擴展來實現(xiàn)輸出圖像的高質(zhì)量。

完全傳輸路徑350的位壘與中間傳輸路徑340的位壘相比阻擋關(guān)于存儲器部分223的累積的調(diào)制的原因是因為其經(jīng)由第一傳輸門222偏置并接近作為在光電二極管221的表面中形成的致密p型雜質(zhì)的p型層233；因此，所有電容中的存儲器部分223的電容分量保持低于中間傳輸路徑340的位壘。

此外，如果完全傳輸路徑350的位壘形成為高于中間傳輸路徑340的位壘，且低于除了中間傳輸路徑340之外的路徑的位壘就足夠了；因此，與圖57的單元像素220相比，有益地是，存在對圖67的單元像素320的設(shè)計的更少限制。

(實現(xiàn)圖67的位壘的特定示例1)

將參考圖69給出形成如圖67所示的完全傳輸路徑350和中間傳輸路徑340的位壘的高度的特定示例1的描述。

在圖69所示的單元像素320的結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)雜質(zhì)擴散區(qū)域之間的距離(間隔)以調(diào)節(jié)完全傳輸路徑350和中間傳輸路徑340的位壘的高度。

例如，存儲器部分223的埋溝235形成有距襯底表面(界面)大約0.2到0.6μm的深度，且作為中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342形成有距埋溝235的下表面大約0.1到0.4μm的深度。因此，在存儲器部分223的埋溝235之下形成的n型埋層334的上表面和襯底表面(界面)之間的距離是大約0.3到1.0μm。此外，形成為使得在存儲器部分223的埋溝235和光電二極管221的n型埋層334之間在水平方向上的距離是大約0.1到0.4μm。

(實現(xiàn)圖67的位壘的特定示例2)

將參考圖70給出形成如圖67所示的完全傳輸路徑350和中間傳輸路徑340的位壘的高度的特定示例2的描述。

圖70示出作為單元像素320的修改例的單元像素320b的結(jié)構(gòu)。

在圖70的單元像素320b中，在n型埋層334和埋溝235之間在襯底表面中新形成雜質(zhì)擴散區(qū)域341。結(jié)果，完全傳輸路徑350的位壘的高度形成為低于除了從光電二極管221到存儲器部分223的傳輸路徑之外的路徑的位壘的高度。

將給出確定單元像素320b的完全傳輸路徑350和中間傳輸路徑340的位壘的高度的每一雜質(zhì)擴散區(qū)域的密度的描述。

光電二極管221和存儲器部分223以在漏出電荷時帶來耗盡狀態(tài)的雜質(zhì)密度形成，且fd部分225以允許用于提取電壓的連線電連接到其的雜質(zhì)密度形成。

更具體地，假定在n型襯底231上形成的p型阱層232的p型雜質(zhì)的密度例如是10¹⁵/cm³。在這種情況下，光電二極管221的n型埋層334和存儲器部分223的埋溝235以在漏出電荷時對其帶來耗盡狀態(tài)的n型雜質(zhì)密度，例如，1×10¹⁶到1×10¹⁷/cm³形成。

用作中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342在漏出電荷時變得耗盡，且具有可以形成勢壘φtrx2的雜質(zhì)密度。取決于根據(jù)指定電荷量確定的勢壘φtrx2的高度，雜質(zhì)擴散區(qū)域342的雜質(zhì)密度設(shè)置在p型雜質(zhì)的密度和低于光電二極管221的n型埋層334和存儲器部分223的埋溝235的雜質(zhì)密度的n型雜質(zhì)的密度之間。

在用于完全傳輸路徑350的襯底表面?zhèn)壬闲纬傻碾s質(zhì)擴散區(qū)域341形成有高于中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342的密度的p型雜質(zhì)密度，且例如，設(shè)置為1×10¹⁸到1×10¹⁹/cm³的密度。雜質(zhì)擴散區(qū)域341可以形成有仍然低于中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342的密度的n型雜質(zhì)密度。

fd部分225例如形成有1×10¹⁹到1×10²⁰/cm³的n型雜質(zhì)的密度。

如上所述，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)在n型埋層334、埋溝235和雜質(zhì)擴散區(qū)域342彼此之間在水平方向上和深度方向上的距離和其雜質(zhì)密度中的至少一個；因此，完全傳輸路徑350的位壘形成為高于中間傳輸路徑340的位壘且低于除了中間傳輸路徑340之外的路徑的位壘。

(制造單元像素320的方法)

接下來，將參考圖71給出制造圖64a(圖69)的單元像素320的方法的描述。

在第一步驟中，通過利用在襯底的表面上形成的抗蝕劑360-1注入n型離子以形成n型埋層334的部分334'。如圖64a的截面圖所示，抗蝕劑360-1用于形成在埋溝335之下延伸的n型埋層334和在與n型埋層334的部分334'對應(yīng)的區(qū)域中的開口。

在第二步驟中，在襯底的表面上形成抗蝕劑360-2。該抗蝕劑360-2用于形成雜質(zhì)擴散區(qū)域342和在與雜質(zhì)擴散342對應(yīng)的區(qū)域中的開口。

在第三步驟中，通過利用抗蝕劑360-2注入n型離子從而以與n型埋層334的部分334'的上表面接觸的方式形成雜質(zhì)擴散區(qū)域342。

在第四步驟中，通過利用在襯底的表面上形成的抗蝕劑360-3注入n型離子以形成埋溝335，然后提供存儲器部分223。該抗蝕劑360-3用于形成埋溝335和在與埋溝335對應(yīng)的區(qū)域中的開口。

接下來，在除去抗蝕劑360-3之后，在第五步驟中，用作柵極電極222a的多晶硅層222a'在襯底表面上形成。在第六步驟中，在與多晶硅層222a'的表面的柵極電極222a對應(yīng)的區(qū)域中形成抗蝕劑360-4，且在第七步驟中，執(zhí)行蝕刻以除去多晶硅層222a'的不必要的部分并形成柵極電極222a。

在第八步驟中，注入n型離子以形成除了在第一步驟中形成的部分334'之外的部分，且因此，形成n型埋層334。

可以以上述步驟制造圖64a(圖69)的單元像素320。

如果制造圖70的單元像素320b，換言之，如果在n型埋層334和埋溝235之間在襯底表面中形成雜質(zhì)擴散區(qū)域341，則在圖71的第四和第五步驟之間添加圖72所示的步驟。

換句話說，如圖72所示，在應(yīng)用抗蝕劑360-5之后，打開與雜質(zhì)擴散區(qū)域341對應(yīng)的部分。隨后，注入n型離子以降低p型雜質(zhì)的密度，且添加在襯底表面中形成雜質(zhì)擴散區(qū)域341的步驟。

(單元像素320的另一結(jié)構(gòu)示例)

圖73示出作為單元像素320的另一示例的單元像素320c的結(jié)構(gòu)。

期望光電二極管221應(yīng)該與光入射到的開口的中心對稱地形成。這是由于對光電二極管221的入射光角度的靈敏度不從任何方向偏向而是相等的。因此，在圖73所示的單元像素320c中，雖然從平面視點以與存儲器部分223的一部分重疊的方式形成為在存儲器部分223之下延伸的形狀，但是光電二極管221形成為與光入射到的開口的中心(開口中心)對稱的形狀。在光電二極管221和存儲器部分223的重疊部分中形成中間傳輸路徑340。因此，光電二極管221可以從任何方向相等地接收光。

(單元像素320的另一結(jié)構(gòu)示例)

圖74a和圖74b和圖75示出作為單元像素320的其它示例的單元像素320d的結(jié)構(gòu)。

圖74a是示出單元像素320d的結(jié)構(gòu)的平面圖，且圖74b是沿著圖74a的箭頭z-z'所取的單元像素320d的截面圖。

從平面觀點，n型埋層334和埋溝235形成為使得光電二極管221的n型埋層334的一部分和單元像素320d的存儲器部分223的埋溝235的一部分在光電二極管221和存儲器部分223之間的邊界區(qū)域中在寬度方向(圖74a的上下方向)上的整個面積上重疊。雜質(zhì)擴散區(qū)域342形成在深度方向上的隔離區(qū)域中以提供中間傳輸路徑340。

另一方面，就完全傳輸路徑350而言，類似于上面描述的圖64a和圖64b的單元像素320，調(diào)節(jié)n型埋層334和埋溝235之間的距離以調(diào)節(jié)完全傳輸路徑350的位壘的高度。

圖75示出圖74a和圖74b所示的單元像素320d的修改例。

在圖75的單元像素320d-1中，在光電二極管221和存儲器部分223之間的邊界區(qū)域中光電二極管221的n型埋層334和存儲器部分223的埋溝235的重疊部分從平面觀點觀看的面積小于圖74a和圖74b的情況。通過以該方式使得重疊區(qū)域小而將雜質(zhì)擴散區(qū)域342形成得小，且可以抑制由在光電二極管221上入射的光入射在中間傳輸路徑340的雜質(zhì)擴散區(qū)域342上而產(chǎn)生的光電荷泄漏到存儲器部分223的現(xiàn)象。

(用于驅(qū)動單元像素320的方法)

將給出用于驅(qū)動單元像素320的方法的描述。

用于驅(qū)動單元像素320的方法基本上與圖61所示的驅(qū)動方法相同。但是，雖然在圖61中未示出，在圖61中的(1)到(3)的曝光時段中，根據(jù)入射光的亮度在光電二極管221中產(chǎn)生的光電荷在一開始經(jīng)由中間傳輸路徑340傳送到存儲器部分223，然后在一定時間段之后經(jīng)由完全傳輸路徑350傳送到存儲器部分223。換句話說，當(dāng)在光電二極管221中累積的電荷到達(dá)第一電荷量或者之上時，溢出電荷經(jīng)由中間傳輸路徑340傳送到存儲器部分223，且當(dāng)在光電二極管221和存儲器部分223中累積的電荷到達(dá)第二電荷量或者之上(第二電荷量大于第一電荷量)時，電荷的傳輸路徑從中間傳輸路徑340改變?yōu)橥耆珎鬏斅窂?50。

(另一單元像素的配置示例)

上述實施例的單元像素320具有其中在光電二極管221產(chǎn)生的光電荷保存在存儲器部分223和fd部分225這兩個電荷保存部分中，且在它們的存儲器部分223之下，形成從光電二極管221的中間傳輸路徑340的結(jié)構(gòu)。

但是，本技術(shù)可以類似地應(yīng)用于例如圖76所示的單元像素330，其中省略單元像素320中的第一傳輸門222和存儲器部分223且僅在fd部分225中保存光電荷。在這種情況下，形成n型埋層334延伸到fd部分225的一部分或者整個fd部分225之下。雜質(zhì)擴散區(qū)域342形成在fd部分225的下表面和延伸在fd部分225之下的n型埋層334的上表面之間的邊界區(qū)域中；因此，提供中間傳輸路徑340。另一方面，類似于單元像素320，完全傳輸路徑350形成在光電二極管221和fd部分225之間的表面?zhèn)壬稀?/p>

<8.電子裝置>

(電子裝置的框圖)

圖77是根據(jù)本技術(shù)應(yīng)用到的實施例的電子裝置500的示意性框圖。

圖77的電子裝置500包括包含透鏡組的光學(xué)單元501，其中采用單元像素320的上述配置的固態(tài)成像器件(成像裝置)502和作為相機信號處理電路的dsp(數(shù)字信號處理器)電路503。此外，電子裝置500也包括幀存儲器504、顯示單元505、記錄單元506、操作單元507和電源單元508。dsp電路503、幀存儲器504、顯示單元505、記錄單元506、操作單元507和電源單元508經(jīng)由總線509彼此連接。

光學(xué)單元501捕獲來自被攝體的入射光(圖像光)并在固態(tài)成像器件502的像面上形成圖像。固態(tài)成像器件502對于每一像素將通過光學(xué)單元501在像面上形成圖像的入射光的量轉(zhuǎn)換為電信號并輸出該電信號作為像素信號?？梢允褂胏mos圖像傳感器10的固態(tài)成像器件，換言之，可以實現(xiàn)成像而沒有由于全局曝光的失真以及可以對于rgb的每一像素壓制泄漏信號抑制比率的固態(tài)成像器件作為該固態(tài)成像器件502。

顯示單元505例如包括比如液晶面板或者有機el(電致發(fā)光)面板之類的面板類型顯示裝置，并顯示由固態(tài)成像器件502成像的運動圖像或者靜止圖像。記錄單元506在比如錄像帶或者dvd(數(shù)字多用途盤)之類的記錄介質(zhì)中記錄由固態(tài)成像器件502成像的運動圖像或者靜止圖像。

操作單元507在用戶的操作下發(fā)出關(guān)于電子裝置500具有的各種功能的操作指令。電源單元508將作為dsp電路503、幀存儲器504、顯示單元505、記錄單元506和操作單元507的操作電源的各種電源適當(dāng)?shù)靥峁┙o這些供應(yīng)目標(biāo)。

如上所述，使用根據(jù)上述實施例的cmos圖像傳感器10作為固態(tài)成像器件502使得可以實現(xiàn)沒有由于全局曝光的失真的成像以及對于rgb的每一像素壓制泄漏信號抑制比率。因此，可以在比如攝像機和數(shù)碼相機以及另外用于包括移動電話的移動裝置的相機模塊的電子裝置500中促進成像的圖像的更高質(zhì)量。

此外，在上述實施例中，已經(jīng)以將本技術(shù)應(yīng)用于根據(jù)作為物理量的可見光的量檢測信號電荷的單元像素以矩陣設(shè)置的cmos圖像傳感器的情況作為示例給出描述。但是，本技術(shù)不限于應(yīng)用于cmos圖像傳感器，而是可以應(yīng)用于其中對于像素陣列單元的每一像素行設(shè)置列處理單元的列類型的一般固態(tài)成像器件。

此外，本技術(shù)不僅可以應(yīng)用于檢測入射的可見光量的分布并將該分布成像為圖像的固態(tài)成像器件，而且可以應(yīng)用于將入射的紅外線、x射線、粒子等的量的分布成像為圖像的固態(tài)成像器件，與如廣義地，檢測比如壓力和電容之類的另一物理量的分布并將該分布成像為圖像的一般固態(tài)成像器件(物理量分布檢測裝置)，比如指紋檢測傳感器。

該固態(tài)成像器件可以形成為一個芯片或者可以形成為其中成像單元和信號處理單元或者光學(xué)系統(tǒng)封裝在一起的模塊，該模塊具有成像功能。

本技術(shù)的實施例不限于上述實施例，而是可以在不脫離本技術(shù)的實質(zhì)的情況下做出各種修改。

該本技術(shù)可能采取以下結(jié)構(gòu)：

(1)一種固態(tài)成像器件包括：

第一傳導(dǎo)類型的第一溝道部分，位于第二傳導(dǎo)類型的電荷累積區(qū)域和光電二極管之間；和

第二傳導(dǎo)類型的溢出路徑，位于第二傳導(dǎo)類型的中間電極和所述電荷累積區(qū)域之間。

(2)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述中間電極電連接到電荷累積部分。

(3)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，進一步包括：

所述電荷累積區(qū)域的表面層部分中的第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體區(qū)域，所述第一傳導(dǎo)類型半導(dǎo)體區(qū)域位于所述第一溝道部分和所述溢出路徑之間。

(4)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，進一步包括：

所述第一溝道部分的表面層部分中的第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體區(qū)域。

(5)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，進一步包括：

所述光電二極管的表面層部分中的第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體區(qū)域。

(6)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述中間電極是電容器的電極。

(7)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述電荷累積部分是電容器。

(8)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述電荷累積部分具有比所述電荷累積區(qū)域更高的單位面積電容值。

(9)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述第二傳導(dǎo)類型的溢出路徑與所述電荷累積區(qū)域和所述中間電極物理接觸。

(10)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，進一步包括：

第一傳導(dǎo)類型的第二溝道部分，位于第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體區(qū)域和所述電荷累積區(qū)域之間。

(11)根據(jù)權(quán)利要求10的固態(tài)成像器件，其中，半導(dǎo)體區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度大于所述電荷累積區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的所述雜質(zhì)濃度。

(12)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述中間電極中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度大于所述電荷累積區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度。

(13)根據(jù)權(quán)利要求12的固態(tài)成像器件，其中，所述電荷累積區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度大于所述溢出路徑中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度。

(14)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述第一溝道部分與所述電荷累積區(qū)域和光電二極管物理接觸。

(15)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述溢出路徑與所述中間電極和所述電荷累積區(qū)域物理接觸。

(16)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述第一傳導(dǎo)類型是p型。

(17)根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中，所述第二傳導(dǎo)類型是n型。

(18)一種電子設(shè)備包括：

根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件；和

光學(xué)單元，配置為捕獲來自被攝體的入射光并在所述固態(tài)成像器件的像面上形成被攝體的圖像。

(19)一種固態(tài)成像器件包括：

光電轉(zhuǎn)換部分，配置為產(chǎn)生光電荷，可累積在所述光電轉(zhuǎn)換部分中的光電荷等于或者小于光電轉(zhuǎn)換部分的飽和電荷量；

第一傳輸門部分溢出路徑，配置為從所述光電轉(zhuǎn)換部分內(nèi)溢出過量光電荷，來自所述光電轉(zhuǎn)換部分內(nèi)的所述過量光電荷是超過光電轉(zhuǎn)換部分的所述飽和電荷量的光電荷；

第一電荷累積區(qū)域，配置為累積在所述光電轉(zhuǎn)換部分中可累積的所述光電荷和來自所述光電轉(zhuǎn)換部分內(nèi)的所述過量光電荷，在所述第一電荷累積區(qū)域中可累積的光電荷等于或者小于第一電荷累積區(qū)域的飽和電荷量；

半導(dǎo)體區(qū)域溢出路徑，配置為從所述第一電荷累積區(qū)域內(nèi)溢出過量光電荷，來自所述第一電荷累積區(qū)域內(nèi)的過量光電荷是超過第一電荷累積區(qū)域的所述飽和電荷量的光電荷；和

半導(dǎo)體區(qū)域，配置為累積來自所述第一電荷累積區(qū)域內(nèi)的所述過量光電荷。

(20)根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件，其中，所述光電轉(zhuǎn)換部分的飽和電荷量是可由所述光電轉(zhuǎn)換部分保持的光電荷的總量。

(21)根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件，其中，所述第一電荷累積區(qū)域的飽和電荷量是可由所述第一電荷累積區(qū)域保持的光電荷的總量。

(22)根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件，其中，所述第一傳輸門部分溢出路徑位于所述光電轉(zhuǎn)換部分和所述第一電荷累積區(qū)域之間。

(23)根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件，其中，所述第一傳輸門部分溢出路徑是第一傳導(dǎo)類型。

(24)根據(jù)權(quán)利要求23的固態(tài)成像器件，其中，所述第一傳導(dǎo)類型是p型。

(25)根據(jù)權(quán)利要求23的固態(tài)成像器件，其中，所述第一電荷累積區(qū)域、所述半導(dǎo)體區(qū)域和半導(dǎo)體區(qū)域溢出路徑是第二傳導(dǎo)類型。

(26)根據(jù)權(quán)利要求25的固態(tài)成像器件，其中，所述第二傳導(dǎo)類型是n型。

(27)根據(jù)權(quán)利要求25的固態(tài)成像器件，其中，所述半導(dǎo)體區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度大于所述第一電荷累積區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的所述雜質(zhì)濃度。

(28)根據(jù)權(quán)利要求27的固態(tài)成像器件，其中，所述第一電荷累積區(qū)域中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度大于所述半導(dǎo)體區(qū)域溢出路徑中第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)濃度。

(29)根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件，其中，所述半導(dǎo)體區(qū)域溢出路徑位于所述第一電荷累積區(qū)域和所述半導(dǎo)體區(qū)域之間。

(30)根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件，其中，所述半導(dǎo)體區(qū)域是中間電極。

(31)根據(jù)權(quán)利要求30的固態(tài)成像器件，其中，所述中間電極是電容器的電極。

(32)根據(jù)權(quán)利要求30的固態(tài)成像器件，其中，所述中間電極電連接到電荷累積部分。

(33)根據(jù)權(quán)利要求32的固態(tài)成像器件，其中，所述電荷累積部分是電容器。

(34)根據(jù)權(quán)利要求32的固態(tài)成像器件，其中，所述電荷累積部分具有比所述第一電荷累積區(qū)域更高的單位面積電容值。

(35)一種電子設(shè)備包括：

根據(jù)權(quán)利要求19的固態(tài)成像器件；和

光學(xué)單元，配置為捕獲來自被攝體的入射光并在所述固態(tài)成像器件的像面上形成被攝體的圖像。

(36)一種用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，所述方法包括：

在光電轉(zhuǎn)換部分中累積光電荷的步驟，所述光電轉(zhuǎn)換部分根據(jù)由所述光電轉(zhuǎn)換部分接收的光量產(chǎn)生光電荷的量；

當(dāng)在所述光電轉(zhuǎn)換部分中的光電荷的量超過光電轉(zhuǎn)換部分飽和電荷量時從所述光電轉(zhuǎn)換部分溢出所述光電荷到第一電荷累積部分的步驟；

在第一電荷累積部分中累積所述光電荷的步驟，所述第一電荷累積部分從所述光電轉(zhuǎn)換部分接收所述光電荷；

傳送所述第一電荷累積部分中累積的所述光電荷到浮動擴散部分的步驟，所述浮動擴散部分將所述光電荷轉(zhuǎn)換為電信號。

(37)根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中，所述光電轉(zhuǎn)換部分飽和電荷量是可由所述光電轉(zhuǎn)換部分保持的光電荷的總量。

(38)根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中，所述第一電荷累積部分飽和電荷量是可由所述第一電荷累積部分保持的光電荷的總量。

(39)根據(jù)權(quán)利要求36的方法，進一步包括：

當(dāng)在所述第一電荷累積部分中的光電荷的量超過第一電荷累積部分飽和電荷量時從所述第一電荷累積部分溢出所述光電荷到第二電荷累積部分的步驟。

(40)根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中，所述第一電荷累積部分飽和電荷量是可由所述第一電荷累積部分保持的光電荷的總量。

(41)根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中，可由所述第二電荷累積部分保持的光電荷的總量大于所述第一電荷累積部分飽和電荷量。

(42)根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中，傳送步驟包括將所述光電轉(zhuǎn)換部分通過所述第一電荷累積部分電耦合到所述浮動擴散部分。

(43)根據(jù)權(quán)利要求36的方法，進一步包括：

當(dāng)在所述第一電荷累積部分中的光電荷的量超過第一電荷累積部分飽和電荷量時從所述第一電荷累積部分溢出所述光電荷到所述浮動擴散部分的步驟。

(44)根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中，所述第一電荷累積部分飽和電荷量是可由所述第一電荷累積部分保持的光電荷的總量。

(45)一種固態(tài)成像器件包括：

第一傳導(dǎo)類型的阱層，第一傳導(dǎo)類型的表面層在阱層的襯底表面?zhèn)壬?；?/p>

第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)擴散區(qū)域，位于第二傳導(dǎo)類型的埋層和第二傳導(dǎo)類型的埋溝之間，

其中，所述雜質(zhì)擴散區(qū)域與所述埋層和所述埋溝物理接觸，所述埋溝與所述表面層物理接觸。

(46)根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件，其中，阱層的一部分在所述表面層和所述埋溝之間。

(47)根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件，其中，阱層的一部分在第二傳導(dǎo)類型的浮動擴散區(qū)域和所述埋溝之間。

(48)根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件，其中，所述埋溝在所述雜質(zhì)擴散區(qū)域和柵極電極之間。

(49)根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件，其中，所述埋溝在阱層中的所述襯底表面?zhèn)壬稀?/p>

(50)根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件，其中，所述第一傳導(dǎo)類型是p型。

(51)根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件，其中，所述第二傳導(dǎo)類型是n型。

(52)一種電子設(shè)備包括：

根據(jù)權(quán)利要求45的固態(tài)成像器件；和

光學(xué)單元，配置為捕獲來自被攝體的入射光并在所述固態(tài)成像器件的像面上形成被攝體的圖像。

(53)一種形成固態(tài)成像器件的方法，所述方法包括：

通過將第二傳導(dǎo)類型的埋層離子注入到第一傳導(dǎo)類型的阱層中而形成埋層的一部分，所述埋層離子通過埋層抗蝕掩模中的開口注入；

通過將第二傳導(dǎo)類型的雜質(zhì)擴散區(qū)域離子注入到所述阱層中來形成雜質(zhì)擴散區(qū)域，所述雜質(zhì)擴散區(qū)域離子通過雜質(zhì)擴散區(qū)域抗蝕掩模中的開口注入；和

通過將第二傳導(dǎo)類型的埋溝離子注入到所述阱層中而形成埋溝，所述埋溝離子通過埋溝抗蝕掩模中的開口注入，

其中，所述雜質(zhì)擴散區(qū)域在所述埋溝和所述埋層的一部分之間，所述雜質(zhì)擴散區(qū)域與所述埋溝和所述埋層的一部分物理接觸。

(54)根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中，所述雜質(zhì)擴散區(qū)域抗蝕掩模中的開口比所述埋溝抗蝕掩模中的開口窄，所述埋溝抗蝕掩模中的開口比所述埋層抗蝕掩模中的開口窄。

(55)根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中，阱層的一部分在第二傳導(dǎo)類型的浮動擴散區(qū)域和所述埋溝之間。

(56)根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中，所述埋溝在所述雜質(zhì)擴散區(qū)域和柵極電極之間。

(57)根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中，所述第一傳導(dǎo)類型是p型。

(58)根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中，所述第二傳導(dǎo)類型是n型。

(59)根據(jù)權(quán)利要求53的方法，進一步包括：

通過將第二傳導(dǎo)類型的其它埋層離子注入到阱層中而形成埋層的不同部分，所述埋層的不同部分從阱層的表面延伸到所述埋層的一部分。

(60)根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中，第一傳導(dǎo)類型的表面層從所述阱層的表面延伸到所述埋層的不同部分中。

(61)根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中，阱層的一部分在所述表面層和所述埋溝之間。

附圖標(biāo)記列表

10、10a、10bcmos圖像傳感器

11像素陣列單元

12垂直驅(qū)動單元

13列處理單元

14水平驅(qū)動單元

15系統(tǒng)控制單元

16像素驅(qū)動線

17垂直信號線

18信號處理單元

19數(shù)據(jù)存儲單元

30、66第一電荷累積部分

40、67第二電荷累積部分

60a到60a2、60b單元像素

61光電二極管

62第一傳輸門部分

63第二傳輸門部分

64第三傳輸門部分

65復(fù)位門部分

68放大晶體管

69選擇晶體管

70電荷漏出門部分

71fd部分(浮動擴散部分)

111a、111b存儲器

112加法單元

221光電二極管

222第一傳輸門

223存儲器部分

224第二傳輸門

225浮動擴散區(qū)域(fd部分)

320單元像素

340中間傳輸路徑

341、342雜質(zhì)擴散區(qū)域

350完全傳輸路徑

500成像設(shè)備

502成像裝置