專(zhuān)利名稱(chēng)：Cmos固態(tài)成像裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS固態(tài)成像裝置及其驅(qū)動(dòng)方法，該CMOS固態(tài)成像裝置通過(guò)將經(jīng)像素部分中的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷從傳輸柵極(transfergate)傳輸?shù)诫姾?電壓轉(zhuǎn)換裝置來(lái)獲得圖像信號(hào)。
背景技術(shù)：
CMOS固態(tài)成像裝置比CCD(電荷轉(zhuǎn)移裝置)可以有更小的尺寸和功耗，因此在數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)或蜂窩電話中用作成像裝置。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CMOS固態(tài)成像裝置的尺寸和功耗的減小，必需通過(guò)依據(jù)比例定律減小每一像素的面積和減少形成像素的元件的大小來(lái)降低電源電壓。于是像素區(qū)域可以減少，且敏感度成比例地降低。
順便提及，日本專(zhuān)利No.2618939在相關(guān)技術(shù)中公開(kāi)了一種致力于增加CCD的速度和圖像質(zhì)量的技術(shù)。利用尺寸減小、分辨率增加的CCD，該技術(shù)可以防止在進(jìn)行高速讀取時(shí)水平CCD寄存器之間的信號(hào)電荷的混雜(信號(hào)劣化)。
已經(jīng)公開(kāi)了防止CCD中信號(hào)劣化的該技術(shù)；但是，當(dāng)在CMOS固態(tài)成像裝置中可處理的電荷減少時(shí)，卻沒(méi)有讓人滿意的針對(duì)S/N劣化的對(duì)策。即，該CMOS固態(tài)成像裝置具有這樣的優(yōu)點(diǎn)像素部分和外圍電路可以在同一過(guò)程中制造；但是，當(dāng)像素區(qū)域依據(jù)比例定律減小時(shí)，電源電壓也減小。這減小了在從像素部分讀出電荷時(shí)所使用的傳輸柵極上所施加的電壓，這產(chǎn)生了由于飽和電荷質(zhì)量降低所導(dǎo)致的S/N劣化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明被設(shè)計(jì)來(lái)解決前述問(wèn)題。更具體而言，本發(fā)明提供了一種CMOS固態(tài)成像裝置及其驅(qū)動(dòng)方法，該裝置包括根據(jù)所接收光的量進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的像素部分、用于通過(guò)像素部分中的光電轉(zhuǎn)換部分讀出所獲得的電荷的傳輸柵極、以及設(shè)置在像素部分的外圍中的外圍晶體管，其中，施加至傳輸柵極的電壓設(shè)定得比施加至外圍晶體管的電壓要大。
本發(fā)明還提供了一種CMOS固態(tài)成像裝置，包括在其中存在成像區(qū)域的同一芯片上設(shè)置的所述成像區(qū)域和電路區(qū)域，其中成像區(qū)域包括多個(gè)像素；多個(gè)像素的每個(gè)都具有根據(jù)所接收的光產(chǎn)生電荷的光接收部分，以及從光接收部分讀出電荷的傳輸柵極；以及施加至傳輸柵極的電壓高于施加至外圍電路區(qū)域中所包括的任何晶體管的柵極的電壓。


圖1是用于說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置的整體平面圖；圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置的像素部分的放大平面視圖；圖3是另一像素部分的放大平面視圖；圖4是用于說(shuō)明第一具體示例的橫截面示意圖；圖5是示出了電壓VTx和飽和信號(hào)的量之間的關(guān)系的模擬結(jié)果視圖；圖6是用于描述第二個(gè)具體示例的橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。圖1是用于說(shuō)明該實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置的整體平面圖。圖2是該實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置的像素部分的放大平面視圖。圖3是另一像素部分的放大平面視圖。
更具體而言，如圖1所示，該實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置1被配置來(lái)在一個(gè)芯片中具有成像區(qū)域10和外圍電路區(qū)域20。多個(gè)像素部分橫向和縱向地排布在成像區(qū)域10中，并且放大晶體管、具有傳輸柵極的讀取晶體管等對(duì)應(yīng)于每個(gè)像素部分形成。
此外，控制施加至成像部分10中的各個(gè)像素部分和各個(gè)晶體管的電流源的電路、處理在各個(gè)像素部分加載的信號(hào)的電路等形成在外圍電路區(qū)域20中。
圖2中所示出的示例是四晶體管型CMOS固態(tài)成像裝置，其中對(duì)應(yīng)于每個(gè)光接收部分11，設(shè)置有讀取晶體管12、復(fù)位晶體管13、放大晶體管14和選擇晶體管15。圖3所示出的示例是三晶體管型CMOS固態(tài)成像裝置，其中對(duì)應(yīng)于每個(gè)光接收部分11，設(shè)置有讀取晶體管12、復(fù)位晶體管13和放大晶體管14。
在兩個(gè)情況中，該實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置的特征在于，將施加至讀取晶體管12的傳輸柵極12a的電壓(VTx)設(shè)定得高于施加至其它外圍晶體管的電壓(VG)。
這里所稱(chēng)的外圍晶體管包括在圖1所示的外圍電路區(qū)域20中工作的晶體管，和在圖2和圖3所示的對(duì)應(yīng)于每個(gè)光接收部分11設(shè)置的放大晶體管14和選擇晶體管15。
通過(guò)將施加傳輸柵極12a的電壓設(shè)定得高于施加至外圍晶體管的電壓，即使在外圍晶體管的驅(qū)動(dòng)電壓由于根據(jù)比例定律而減小外圍晶體管的空間和功耗以及增加其速度時(shí)，可以通過(guò)傳輸柵極12a從光接收部分11讀出的電荷的飽和量也不會(huì)減少，因?yàn)槭┘又翆?duì)應(yīng)于光接收部分11的傳輸柵極12a電壓高。
圖4是用于說(shuō)明第一具體示例的橫截面示意圖。每個(gè)像素部分提供有包括一個(gè)光電二極管的光接收部分11，對(duì)應(yīng)于光接收部分11的傳輸柵極12a和浮置擴(kuò)散(電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分)16，而且邏輯晶體管21設(shè)置在外圍電路區(qū)域中。
在該示例中，施加至傳輸柵極12a的電壓VTx和施加至邏輯晶體管21的電壓VG具有滿足VTx＞VG這樣的關(guān)系。通過(guò)以這種方式將施加至傳輸柵極12a的電壓設(shè)定得高于施加至外圍電路區(qū)域的邏輯晶體管21的電壓，可以增加可以完全從光接收部分11轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的數(shù)量，即飽和電荷的量。因此，不但像素的數(shù)量可以增加，元件的尺寸和功耗可以根據(jù)比例定律減少，而且可以獲得更高的S/N和更高的圖像質(zhì)量。
圖5是示出了電壓VTx和飽和信號(hào)的量之間的關(guān)系的模擬結(jié)果視圖。圖表的橫坐標(biāo)用于VTx差值(來(lái)自外圍晶體管的驅(qū)動(dòng)電壓的差值)，而縱坐標(biāo)用于飽和信號(hào)的量(a.u.)。如圖所示，當(dāng)VTx差值為約0.5V時(shí)，飽和信號(hào)的量顯示了接近2倍的增加。這表示即使輕微的電壓差值也會(huì)對(duì)飽和信號(hào)的量產(chǎn)生顯著的影響。
飽和信號(hào)的量可以通過(guò)增加VTx差值得以增加；但是，隨著VTx差值增加，柵極長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)，這導(dǎo)致像素部分區(qū)域的減少。所以VTx差值優(yōu)選地在0.5V到1.0V的量級(jí)，在該量級(jí)像素部分區(qū)域保持不受影響。
圖6是用于描述第二個(gè)具體示例的橫截面示意圖。像素部分提供有包括一個(gè)光電二極管的光接收部分11，對(duì)應(yīng)于光接收部分11的傳輸柵極12a和浮置擴(kuò)散(電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分)16，而且邏輯晶體管21設(shè)置在外圍電路區(qū)域。
此外，在該示例中，柵極絕緣膜的膜厚僅在光接收部分11的傳輸柵極12a的部分中增加，并且在傳輸柵極12a中電荷的下游設(shè)置有低濃度的輕摻雜漏極(LDD)。
更具體而言，令Tox(Tx)為傳輸柵極12a中柵極絕緣膜的膜厚，Tox(Logic)為外圍電路區(qū)域中的邏輯晶體管21的柵極絕緣膜的膜厚，那么滿足Tox(Tx)＞Tox(Logic)。令NLDD(Tx)為對(duì)應(yīng)于傳輸柵極12a的LDD的雜質(zhì)濃度，NLDD(Logic)為外圍電路區(qū)域中的邏輯晶體管21的LDD的雜質(zhì)濃度，那么滿足NLDD(Tx)＜NLDD(Logic)。
這使得施加至傳輸柵極12a的電壓VTx和施加至邏輯晶體管21的電壓VG具有滿足VTx＞＞VG這樣的關(guān)系。于是，可以比上述的第一具體示例更大地增加飽和電荷的量?？傊诙唧w示例更適于這樣的應(yīng)用，其要求比第一具體示例獲得更好的圖像質(zhì)量。
在任一具體示例中，如圖1所示的在外圍電路區(qū)域中提供的電壓控制電路以這樣的方式進(jìn)行配置，其中施加至對(duì)應(yīng)于光接收部分11的傳輸柵極12a的電壓VTx和施加至外圍晶體管的電壓VG單獨(dú)地提供。
因此，使得滿足如第一具體實(shí)施例的VTx＞VG和如第二具體實(shí)施例的VTx＞＞VG的所施加電壓可以提供至相應(yīng)的晶體管，作為CMOS固態(tài)成像裝置的驅(qū)動(dòng)方法。因此，不僅外圍晶體管的尺寸和功耗方法可以減小并速度可以增加，而且飽和電荷的量也可以同時(shí)增加。
這里，通過(guò)將施加至傳輸柵極12a的電壓VTx設(shè)定得高于外圍電路區(qū)域20中所包括的任何晶體管的電壓VG，可以最大程度上減小外圍電路部分的尺寸和功耗，并提高速度。
在將施加至傳輸柵極12a的電壓VTx設(shè)定得高于外圍電路區(qū)域20中所包括的晶體管的電壓VG，并且對(duì)于施加至包括在同一芯片上所有晶體管的柵極的電壓之中最大的值的情形中，當(dāng)芯片內(nèi)的晶體管被設(shè)計(jì)來(lái)減小尺寸和功耗并且增加速度時(shí)，可以最大程度地確?？梢詮墓饨邮詹糠肿x出的電荷的量，這又增強(qiáng)了圖像質(zhì)量。
或者，與施加至傳輸柵極12a的電壓VTx值相同的電壓可以施加至包括在像素中的另一柵極(例如，復(fù)位晶體管13的柵極)。
在這種情形，消除了調(diào)節(jié)施加至另一柵極的電壓的需要，從施加電壓到傳輸柵極12a的電源，可以施加電壓到另一柵極。
因?yàn)樵搶?shí)施例的CMOS固態(tài)成像裝置具有如上所述的優(yōu)點(diǎn)，所以它作為安裝在緊湊數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、蜂窩電荷和移動(dòng)終端中成像裝置尤其有用。
此外，本發(fā)明也可以應(yīng)用于包括透鏡系統(tǒng)或單個(gè)芯片(模塊型)的CMOS固態(tài)成像裝置。
就像所說(shuō)明的那樣，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)。即，即使當(dāng)CMOS固態(tài)成像裝置的外圍晶體管的空間和功耗根據(jù)比例定律減少而同時(shí)其速度增加時(shí)，可以通過(guò)傳輸柵極從像素部分讀出的飽和電荷的量也不會(huì)受到外圍晶體管的驅(qū)動(dòng)電壓的抑制。因此，可以增加像素部分的色調(diào)的表現(xiàn)層次(動(dòng)態(tài)范圍)。
權(quán)利要求
1.一種CMOS固態(tài)成像裝置，包括像素部分，根據(jù)所接收光的量進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；傳輸柵極，用于讀出通過(guò)所述像素部分中的光電轉(zhuǎn)換所獲得的電荷；以及外圍晶體管，設(shè)置在所述像素部分的外圍中，其特征在于施加至所述傳輸柵極的電壓設(shè)定得高于施加至所述外圍晶體管的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的CMOS固態(tài)成像裝置，其中對(duì)應(yīng)于所述傳輸柵極的柵極絕緣膜的厚度比對(duì)應(yīng)于所述外圍晶體管的柵極絕緣膜的厚度要大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的CMOS固態(tài)成像裝置，其中所述CMOS固態(tài)成像裝置配置來(lái)具有這樣的雜質(zhì)分布，其中只有設(shè)置在所述傳輸柵極中電荷下游的電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分是場(chǎng)減弱的。
4.一種CMOS固態(tài)成像裝置的驅(qū)動(dòng)方法，所述方法將通過(guò)像素部分中的光電轉(zhuǎn)換所獲得的電荷經(jīng)傳輸柵極傳輸?shù)诫姾?電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于施加至所述傳輸柵極的電壓設(shè)定得高于施加至在所述像素部分的外圍中設(shè)置的外圍晶體管的電壓。
5.一種固態(tài)成像裝置，其特征在于，包括成像區(qū)域和電路區(qū)域，設(shè)置于同一芯片上，在所述芯片中存在所述成像區(qū)域，其中所述成像區(qū)域包括多個(gè)像素；所述多個(gè)像素的每個(gè)都具有根據(jù)所接收的光產(chǎn)生電荷的光接收部分，以及從所述光接收部分讀出所述電荷的傳輸柵極；以及施加至所述傳輸柵極的電壓高于施加至所述外圍電路區(qū)域中所包括的任何晶體管的柵極的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的固態(tài)成像裝置，其中所述施加至所述傳輸柵極的電壓是施加至在所述芯片中設(shè)置的所有晶體管的電壓中最高的電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的固態(tài)成像裝置，其中每個(gè)像素包括，除所述傳輸柵極之外，一個(gè)柵極，對(duì)所述柵極施加的電壓具有和施加至所述傳輸柵極的電壓相同的值。
全文摘要
一種CMOS固態(tài)成像裝置能夠獲得更高的圖像質(zhì)量，同時(shí)減少尺寸和功耗、增加像素的數(shù)量和速度。根據(jù)本發(fā)明，在CMOS固態(tài)成像裝置中，包括根據(jù)所接收光的量進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光接收部分(11)、用于光接收部分(11)的光電轉(zhuǎn)換部分讀出所獲得的電荷的傳輸柵極(12a)、以及設(shè)置在光接收部分(11)的外圍中的外圍晶體管，還包括其驅(qū)動(dòng)方法，其中，施加至所述傳輸柵極的電壓設(shè)定得高于施加至外圍晶體管的電壓。
文檔編號(hào)H04N5/369GK1751501SQ20048000440
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)明者丸山康 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社