固體攝像器件及其驅動方法

專利名稱：固體攝像器件及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及一種在家庭用攝像機、數字靜像照相機、便攜式電話用 照相機等中使用的固體攝像器件及其驅動方法。
背景技術：
圖9 (a)是表示以往的MOS型固體攝像器件(放大型圖象傳感器) 的單位像素部的俯視圖。此外，圖9 (b)是沿圖9 (a)的A-A，線的剖 面圖。在將P型雜質添加在半導體基板10的表面而形成的阱105中， 形成有光電變換部102、空穴存儲層103和漏極區104。光電變換部102 和漏極區104的導電型是N型，空穴存儲層103的導電型是P型。光 電變換部102通過與阱105的PN結構成了光電二極管。在包含光電變 換部102和漏極區104的區域的周圍，形成有元件分離區111。在阱105 的表面夾著絕緣膜109配置了柵電極106。
光電變換部102、漏極區104和柵電極106分別對應于MOS型晶 體管的源極、漏極和柵極，所以該類型的固體攝像器件稱為MOS型固 體攝像器件。向光電變換部102入射由未圖示的微透鏡聚光的光，存儲 對應于光入射量的信號電荷(自由電子)。而且，空穴存儲層103是以 降低暗輸出的目的設置的。
單位像素部包含對漏極區104的輸出進行放大的放大晶體管、排出 漏極區104的信號電荷的復位晶體管等而構成，在芯片的受光區被配置 成矩陣狀。此外，在受光區的周邊區域即周邊電路區，配置著用于驅動 單位像素部的垂直掃描電路和水平掃描電路。另外，如作為固體攝像器 件的概略剖面圖的圖IO所示，向受光區130和周邊電路區140的阱105，通過基準電壓布線112始終供給基準電壓Vss (接地電壓)。若向晶體管101的柵電極106施加了柵電壓，在阱105的表面形成 溝道，存儲在光電變換部102的信號電荷被傳送給漏極區104。漏極區 104暫時存儲該信號電荷，并輸出對應于電荷量的電壓信號。但是，圖9 (c)示出了穩定狀態下的阱105表面的電位。在此，穩 定狀態是指沒有向柵電極106施加電壓的狀態。在穩定狀態下，導電型 為P型的阱105的電位低，導電型為N型的光電變換部102和漏極區 104的電位高，在PN結部平穩地變化。在阱105的表面因形成絕緣膜 109時的應力而產生表面缺陷，所以在該部分較多地存在著自由電子。 在穩定狀態下，發生該表面缺陷的區域被從阱105和光電變換部102的 結部發生的耗盡層、以及從柵電極106下方的阱105表面發生的耗盡層 覆蓋，所以，由表面缺陷產生的自由電子沿著電場流過耗盡層內，作為 暗電子(darkelectrons)被存儲在光電變換部102。圖11示出了沿圖9 (a)的B-B'線的剖面中的表面缺陷和耗盡層 DL的樣子。在阱105 (活性區)和元件分離區111 (非活性區)的界面， 因形成元件分離區111時的應力而發生了表面缺陷SD，所以在該界面 也存在較多的自由電子。在穩定狀態下，表面缺陷SD被從柵電極106 下的阱105的表面發生的耗盡層DL覆蓋，所以由表面缺陷SD引起的 自由電子沿著電場流過耗盡層DL內，作為暗電子被存儲在光電變換部 102。由于暗電子的存儲量依賴于曝光時間的長度，在如低照度環境下的 攝影那樣以曝光時間較長的攝影模式進行攝影的情況下，引起暗輸出的 增大、每個象素的暗信號的偏差增大、白點缺陷的惡化等問題。因此， 作為解決該問題的方法，提出了例如在一部分CCD固體攝像器件中采 用的那樣，在柵電極106上施加負電壓使背柵區113的電位大致為O(釘 扎，pinning)。此外，作為其它方法，還提出了通過提高晶體管101的 閾值電壓Vth來減少耗盡層Dl的擴散的技術(參考專利文獻1)。專利文獻l:日本特開平11-274459號公報
但是，在采用前者的方法的情況下，從作為正電壓的電源電壓Vdd必須要生成負電壓，所以周邊電路變得復雜。此外，采用后者的方法的情況下，向柵電極106施加電壓時的背柵區113的電位上升需要時間， 所以能夠傳送電荷的時間變得比規定時間短。因此，不能向漏極區104 完全地傳送信號電荷，由殘留在光電變換部102的信號電荷引起的殘像 或kTC噪聲成為問題。發明內容因此，本發明的目的是提供一種固體攝像器件及其驅動方法，能夠 抑制在柵電極下的阱表面發生暗電子，并且控制方法和電路不復雜，而 且不產生殘像。本發明涉及的固體攝像器件，在半導體基板的阱上具備配置成矩陣狀的單位像素部和其周邊電路，該固體攝像器件具備第一導電型的阱，從半導體基板的表面向內部形成；和基準電壓供給布線，向阱切換供給成為周邊電路的基準電壓的第一基準電壓、和絕對值大于該第一基準電壓且極性與電源電壓相同的第二基準電壓；單位像素部包括光電變換部，是從阱的表面向內部形成的第二導電型區域，存儲對入射光進行光電變換而得到的信號電荷；柵電極，形成在阱上，從周邊電路接受電壓 供給，傳送存儲在光電變換部的電荷；以及漏極區，是從阱的表面向內 部形成的第二導電型的區域，暫時存儲由柵電極傳送的信號電荷。也可以是，阱包括配置有單位像素部的受光部阱；以及，配置有 周邊電路的周邊電路阱；基準電壓供給布線包括受光部基準電壓布線， 向受光部阱切換供給第一基準電壓和第二基準電壓；以及周邊電路基準 電壓布線，向周邊電路阱供給第一基準電壓。本發明涉及的固體攝像器件的驅動方法，其中，在該固體攝像器件 的半導體基板的阱上形成有以矩陣狀配置了單位像素部的受光部和其 周邊電路，單位像素部包括光電變換部，存儲對入射光進行光電變換 而得到的信號電荷；柵電極，接受電壓供給，傳送存儲在光電變換部的
電荷；以及漏極區，暫時存儲由柵電極傳送的信號電荷；該驅動方法中， 向阱切換供給成為周邊電路的基準電壓的第一基準電壓、和絕對值大于 該第一基準電壓且極性與電源電壓相同的第二基準電壓。也可以是，阱包括配置有單位像素部的受光部阱；以及，配置有 周邊電路的周邊電路阱；向受光部阱切換供給第一基準電壓和第二基準 電壓，向周邊電路阱始終供給第一基準電壓。此外，也可以是，向阱基本上供給第一基準電壓，在曝光時間內供 給第二基準電壓。在本發明涉及的固體攝像器件及其驅動方法中，通過向設有單位像 素部的阱施加與接地電壓那樣的第一基準電壓不同的第二基準電壓，使 柵電極下的阱表面附近的電位同位置無關地大致成為O。由此，能夠抑 制以往成為問題的暗電子的發生。由此，根據本發明涉及的固體攝像器 件，能夠抑制長秒存儲時的暗輸出、單位像素部的暗輸出的偏差、白點 缺陷惡化。此外，由于難以發生殘像和kTC噪聲，能夠得到更良好的 圖像。曝光時間越長，柵電極下的阱表面附近的暗電子發生量就越顯著。 因此，如果僅在暗電子發生引起的影響顯著的期間施加第二基準電壓， 就能夠得到降低暗輸出等的效果。此外，在將第二基準電壓脈沖化、在 必要時以外施加第一基準電壓的情況下，不需要比以往固體攝像器件的 電源電壓Vdd大的電源電壓，也不需要增加消耗功率。


圖1是本發明涉及的固體攝像器件的單位像素區的局部俯視圖、剖 面圖、表示阱表面的電位的圖。圖2是本發明的第一實施方式涉及的固體攝像器件的電路的一例。圖3是在沿圖1 (a)的B-B'線的剖面中說明表面缺陷的存在部位 和耗盡層的擴散的圖。圖4是表示阱電壓和暗輸出之間關系的圖。 圖5是表示本發明的第一實施方式涉及的固體攝像器件的驅動方法 一例的時序圖。圖6是表示本發明的第二實施方式涉及的固體攝像器件的驅動方法 一例的時序圖。圖7是本發明的第三實施方式涉及的固體攝像器件的電路一例。 圖8是圖7所示固體攝像器件的概略剖面圖。 圖9是以往的固體攝像器件的單位像素區的局部俯視圖、剖面圖、 表示阱表面的電位的圖。圖IO是以往的固體攝像器件的概略剖面圖。圖11是在沿圖9的B-B'線的剖面中說明表面缺陷的存在部位和耗 盡層的擴散的圖附圖標記說明1晶體管2光電變換部3空穴存儲層4漏極區5阱6柵電極7放大晶體管8復位晶體管9絕緣膜10半導體基板11分離區12基準電壓布線13背柵區14單位像素部15垂直掃描電路16噪聲去除電路17水平掃描電路18放大電路19輸出端子20a芯片20b芯片24基準電壓供給端子30受光區32受光部基準電壓布線34基準電壓供給端子35受光部阱40周邊電路區42周邊電路基準電壓布線44基準電壓供給端子45周邊電路阱101晶體管102光電變換部 103空穴存儲層 105阱104漏極區 106柵電極107放大晶體管 109絕緣膜111元件分離區108復位晶體管 110基板112基準電壓布線113背柵區具體實施方式
(第一實施方式)圖1 (a)是本發明的第一實施方式涉及的MOS型固體攝像元件(放 大型圖像傳感器)的單位像素部的俯視圖。此外，圖1 (b)是沿圖1 (a) 的A-A，線的剖面圖。該單位像素部具備形成于半導體基板10的阱5上 的光電變換部2、空穴存儲層3及漏極區4、在阱5上夾著絕緣膜9形 成的柵電極。阱5和空穴存儲層3的導電型是P型，光電變換部2和漏 極區4的導電型是N型。由光電變換部2和阱5的PN結構成了光電二 極管。在包含光電變換部2和漏極區4的區域的周圍，形成有元件分離 區ll。空穴存儲層3是以抑制暗輸出為目的設置的區域。光電變換部2、漏極區4和柵電極6分別對應于MOS型晶體管的 源極、漏極和柵極，在本說明書中將其統稱為晶體管1。光電變換部2 中入射由未圖示的微透鏡聚光的光，并存儲對應入射光量的信號電荷。 例如圖2所示，單位像素部14包括上述的晶體管1、將晶體管1的輸出 放大的放大晶體管7、復位晶體管8等構成，在芯片20a的受光區30 被配置成矩陣狀。此外，在作為受光區30的周邊區域的周邊電路區40 配置有垂直掃描電路15、噪聲去除電路16、水平掃描電路17、放大電 路18。如果垂直掃描電路15選擇1根水平信號線，由^:向與該水平信號 線連接的晶體管1的柵電極6施加柵電壓，在阱5的表面形成溝道。由 此，存儲在光電變換部2的信號電荷被傳送給漏極區4。然后，在垂直 信號線上出現與被傳送給漏極區4的信號電荷量對應的電壓信號。接著， 若水平掃描線17依次選擇垂直信號線，則被選擇的垂直信號線上的電 壓信號由噪聲去除電路116去除噪聲之后，在放大電路18進行放大或 阻抗變換后，從輸出端子19輸出到外部。通過該反復，取得一圖像數 據。向基準電壓供給端子24切換供給第一基準電壓Vssl (接地電壓) 和第二基準電壓Vss2 (>0)。被供給的基準電壓通過在芯片20a上布設 的基準電壓布線12施加給阱5。在本實施方式中，第一基準電壓Vssl 是主要在驅動周邊電路時施加給阱5的電壓，第二基準電壓Vss2是主 要在驅動受光區30的電路時(曝光時和傳送信號電荷時)施加給阱5 的電壓。圖1 (c)示出對阱5施加了第二基準電壓Vss2、對柵電極6未施 加柵電壓時的阱5表面的點位。通過施加第二基準電壓Vss2，柵電極6 正下方的區域(下面稱為背柵區13)的電位，同位置無關地大致成為O (釘扎狀態)。其原因是，阱5內的自由電子向高電位點(第二基準電 壓Vss2的供給點)移動，在背柵區13不存在自由電子。圖3示出對阱5施加了第二基準電壓Vss2、對柵電極6未施加柵電 壓時，沿圖l (a)的B-B'線的剖面中的表面缺陷sd和耗盡層DL的樣 子。施加第二基準電壓Vss2就等于向阱5施加正偏電壓，所以同不施 加第二基準電壓Vss2時相比，耗盡層D1變小。當表面缺陷SD位于耗 盡層DL的外部時，表面缺陷SD的自由電子的移動被耗盡層DL遮擋， 所以暗電子不會被存儲在光電變換部2。因此，只要第二基準電壓Vss2 的大小成為使耗盡層DL不能到達表面缺陷SD的大小就可以。圖4表示對阱5的施加電壓和暗輸出之間的關系。圖中的粗線表示 各電壓下的平均暗輸出。此外，在l、 2、 3V的位置用虛線表示的高斯 分布表示暗輸出的由個體差異(器件差異)決定的分布。如圖4所示，在阱電壓從OV至飽和電壓(圖4中是4V附近)的 電壓區域，暗輸出同電壓大小成比例地直線減少。并且，若超過飽和電
壓，即使施加電壓變化，暗輸出也不變化。因此，如果只考慮暗輸出的減少，則希望第二基準電壓Vss2的大小成為飽和電壓，但實際上，在 考慮消耗功率的抑制、供給芯片20a的電源電壓Vdd的大小、電路設計 等的基礎上設定為適當的大小即可。在不改變阱電壓以外的條件進行的 本申請發明者的實驗中，阱電壓為3V時的暗輸出成為阱電壓為OV時 的暗輸出的40%左右。而且，此時確認到個體差異也降低到50%左右。圖5是說明本發明涉及的固體攝像器件的驅動方法的一例的圖，是 垂直消隱定時、柵電壓和阱電壓的時序圖。本發明涉及的固體攝像器件 具備后述的長秒攝影模式。長秒攝影模式是在照度低的環境下利用的攝 影模式。長秒攝影模式的曝光時間是將垂直消隱定時的低電平期間Ta 和高電平期間Tb重復多次的時間，具體地說，例如是10秒以上。在本 說明書中，將長秒攝影模式的曝光時間稱為"長秒存儲期間"。在長秒存儲期間存儲的信號電荷，在曝光時間后的信號讀取期間被 讀取。更具體地說，在垂直消隱定時的高電平期間Tb，向各柵電極106 依次施加柵電壓，從被施加了柵電壓的單位像素部的光電變換部102向 漏極區4傳送信號電荷。將從一個光電變換部102讀取存儲在其中的信 號電荷的期間稱為一圖像期間。在本實施方式中，作為本發明涉及的固體攝像器件的驅動方法的一 例，同曝光期間和信號讀取期間無關地將第二基準電壓Vss2施加在阱5 上。并且，由此抑制了暗電子的存儲。而且，在向阱5施加了第二基準電壓Vss2時，為了從光電變換部2 向漏極區4傳送電荷，需要向柵電極6施加柵極閾值電壓Vth和第二基 準電壓Vss2之和以上的大小的電壓。例如，將柵極閾值電壓Vth設為 5V、第二基準電壓Vss2為3V的情況下，需要向柵電極施加8V以上的 電壓，因此需要8V以上的電源電壓Vdd。為了實現本實施方式涉及的固體攝像器件，需要在芯片20a或芯片 20b的外部，具備用于向基準電壓供給端子24切換供給第一基準電壓 Vssl和第二基準電壓Vss2的電源或電路。第二基準電壓Vss2可以使用
供給芯片20a的電源電壓Vdd (>0V)、或者基于電源電壓Vdd生成的 電壓，也可以使用電源電壓Vdd之外的其它電源電壓。在本發明涉及的固體攝像器件及其驅動方法中，通過對阱5施加與 第一基準電壓Vssl(接地電壓)不同的第二基準電壓Vss2，使背柵區13 的電位同位置無關地大致成為O。由此，能夠抑制以往成為問題的暗電 子的發生。因此，根據本實施方式涉及的固體攝像器件及其驅動方f去， 能夠抑制長秒存儲時的暗輸出、單位像素部的暗輸出的偏差、以及白點 缺陷惡化。此外，難以發生殘像和kTC噪聲，能得到更良好的圖像。由于第二基準電壓Vss2是正電壓，所以不需要像在柵電極6上施 加負電壓來抑制暗電子發生的那樣，準備極性與電源電壓Vdd不同的電 壓。因此，和需要極性與電源電壓Vdd不同的電壓時相比，電路結構更 簡單，能夠使裝置小型化。而且，關于單位像素部14的構成要素，除了光電變換部2、柵電極 6及漏極區4以外，不特別限定。例如，采用在漏極區中的電壓變換之 后用放大器放大信號的有源型單位像素部的情況下，也可以適用本發明 申請，在采用不具備放大器的無源型單位像素部的情況下，也可以適用 本發明。此外，也不特別限定空穴存儲層3的有無、周邊電路的構成。而且，在上述說明中，設第一基準電壓Vssl是接地電壓，但第一 基準電壓也可以是大于0V的電壓。該情況下，將第一基準電壓Vssl 設成小于飽和電壓、第二基準電壓Vss2設成大于第一基準電壓Vssl就 可以。而且，阱5、空穴存儲層3、光電變換部2、漏極區4的導電型也可 以是與上述的導電型相反的導電型。即，在阱5和空穴存儲層3的導電 型為N型的情況下，使光電變換部2和漏極區4的導電型成為P型即 可。該情況下，例如設第一基準電壓Vssl為0V、第二基準電壓Vss2 為-3V，只要第二基準電壓Vss2低于第一基準電壓Vssl，就能抑制暗 輸出。由上述可知，只要第二基準電壓Vss2的絕對值大于第一基準電 壓Vssl、且極性與電源電壓Vdd相同即可'。
而且，本實施方式涉及的固體攝像器件，在低照度攝影時要求高信 噪比的高級單反型數字照相機、民用及專業用數字照相機、以高清晰動 態圖像攝影為主體的電視廣播用攝像機、天文觀測用攝像機等中特別有用。(第二實施方式)圖6是說明本發明的第二實施方式涉及的固體攝像器件的驅動方法 的圖，是垂直消隱定時、柵電壓和阱電壓的時序圖。此夕卜，進行該驅動 方法的裝置與第一實施方式中說明的裝置相同，因此省略其說明。在本實施方式涉及的固體攝像裝置的驅動方法中，僅在長秒存儲期 間向阱5施加第二基準電壓Vss2(例如3V)，在此外的期間始終施加第 一基準電壓Vssl (接地電壓)。如此，在基本上施加第一基準電壓、只 在背柵區13中的暗電子發生引起的影響顯著的期間施加第二基準電壓 Vss2的情況下，能夠充分抑制暗輸出的增大、每個像素的暗輸出的偏差、 白點缺陷惡化等，而且不需要比以往的固體攝像器件的電源電壓Vdd 大的電源電壓。更具體地說，如果在向柵電極6施加電壓時對阱5施加了第一基準 電壓Vssl (接地電壓)，則在傳送信號電荷時施加給柵電極6的電壓和 以往相同地只要是閾值電壓Vth(例如5V)以上就可以。因此，在只在 長秒存儲期間向阱施加第二基準電壓Vss2的情況下，同在傳送信號電 荷時也施加第二基準電壓Vss2的情況相比，能夠降低固體攝像器件的 消耗功率。此外，曝光時間越長，背柵區13中發生的暗電子引起的影響越顯 著，但有時曝光時間短的情況下也不成為問題。因此，在曝光時間比長 秒攝影模式短的攝影模式(普通攝影模式)的曝光時間中，施加第一基 準電壓Vssl即可。(第三實施方式)圖7是本發明的第三實施方式涉及的固體攝像器件的電路圖。此外， 圖8是連通垂直掃描電路15和受光區30的線處的概略剖面圖。在本實
施方式涉及的固體攝像器件中，周邊電路區40的阱即周邊電路阱45和 受光區30的阱即受光部阱35，成為電氣分離的不同的阱。向基準電壓供給端子34切換供給第一基準電壓Vssl (接地電壓) 和第二基準電壓Vss2 (>0)。被供給的基準電壓通過在芯片20b上布設 的受光部基準電壓布線32施加給受光部阱35。此外，向基準電壓供給 端子44始終供給第一基準電壓Vssl (接地電壓)。被供給的基準電壓通 過在芯片20b上布設的周邊電路基準電壓布線42施加給周邊電路阱45。 除了這點以外，本實施方式涉及的固體攝像器件的構成與第一實施方式 涉及的固體攝像器件相同。如本實施方式涉及的固體攝像器件那樣，如果將受光部阱35和周 邊電路阱45電氣分離設置，能夠在相同的定時向各個阱施加不同的基 準電壓。即，可以一邊向周邊電路徑45施加第一基準電壓Vssl， 一邊 向受光部阱35施加第二基準電壓Vss2。因此，不需要準備和以往不同 的電源電壓、或者追加電路結構，就能夠一邊向受光部阱35施加第二 基準電壓Vss2、 一邊驅動周邊電路。此外，阱不只是分離成周邊電路區40和受光區30這2個，還可以 進一步細分。如果將阱進一步細分，不需要改變其它構成，并且能夠在 相同定時驅動不同的阱上的電路，因此能更容易地實現處理時間的縮 短。更具體地說，例如還可以在長秒存儲期間中使垂直掃描電路15工 作，來執行漏極區的復位。本發明涉及的固體攝像器件，在低照度攝影時要求高信噪比的高級 單反型數字照相機、民用及專業用數字照相機、以高清晰動態圖像攝影 為主體的電視廣播用攝像機、天文觀測用攝像機等中特別有用。
權利要求
1.一種固體攝像器件，在半導體基板的阱上具備配置成矩陣狀的單位像素部和其周邊電路，其特征在于，該固體攝像器件具備第一導電型的阱，從半導體基板的表面向內部形成；和基準電壓供給布線，向上述阱切換供給成為周邊電路的基準電壓的第一基準電壓、和絕對值大于該第一基準電壓且極性與電源電壓相同的第二基準電壓；上述單位像素部包括光電變換部，是從上述阱的表面向內部形成的第二導電型區域，存儲對入射光進行光電變換而得到的信號電荷；柵電極，形成在上述阱上，從上述周邊電路接受電壓供給，傳送存儲在上述光電變換部的電荷；以及漏極區，是從上述阱的表面向內部形成的第二導電型的區域，暫時存儲由上述柵電極傳送的信號電荷。
2. 根據權利要求l所述的固體攝像器件，其特征在于， 上述阱包括配置有上述單位像素部的受光部阱；以及，配置有上述周邊電路的周邊電路阱；上述基準電壓供給布線包括受光部基準電壓布線，向上述受光 部阱切換供給上述第一基準電壓和上述第二基準電壓；以及周邊電路 基準電壓布線，向上述周邊電路阱供給上述第一基準電壓。
3. —種固體攝像器件的驅動方法，其特征在于， 在該固體攝像器件的半導體基板的阱上形成有以矩陣狀配置了單位像素部的受光部和其周邊電路，上述單位像素部包括光電變換部， 存儲對入射光進行光電變換而得到的信號電荷；柵電極，接受電壓供 給，傳送存儲在上述光電變換部的電荷；以及漏極區，暫時存儲由上 述柵電極傳送的信號電荷；該驅動方法中，向上述阱切換供給成為上述周邊電路的基準電壓 的第一基準電壓、和絕對值大于該第一基準電壓且極性與電源電壓相 同的第二基準電壓。
4. 根據權利要求3所述的固體攝像器件的驅動方法，其特征在于， 上述阱包括配置有上述單位像素部的受光部阱；以及，配置有上述周邊電路的周邊電路阱；向上述受光部阱切換供給上述第一基準電壓和上述第二基準電 壓，向上述周邊電路阱始終供給上述第一基準電壓。
5. 根據權利要求3所述的固體攝像器件的驅動方法，其特征在于， 向上述阱基本上供給第一基準電壓，在曝光時間內供給第二基準電壓。
全文摘要
提供一種固體攝像器件及其驅動方法，通過在長秒攝影模式的曝光期間(長秒存儲期間)內，向形成有光電變換部(2)和漏極區(4)的阱(5)施加與作為周邊電路的基準電壓的第一基準電壓Vss1(接地電壓)不同的第二基準電壓Vss2，抑制柵電極(6)下的阱(5)表面處的暗電子發生。第二基準電壓Vss2的極性是，當阱(5)的導電型為P型時是正的、為N型時是負的。
文檔編號H04N5/361GK101128934SQ200580048679
公開日2008年2月20日 申請日期2005年7月21日 優先權日2005年2月25日
發明者松長誠之, 稻垣誠 申請人:松下電器產業株式會社