專利名稱：固態(tài)成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像裝置，更具體而言，涉及一種增強固態(tài)成像裝置，其中每個單位象素包括具有放大晶體管的光電轉(zhuǎn)換元件，該晶體管用于放大對應(yīng)于由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換得到的電荷的信號并且輸出放大后的信號。
背景技術(shù)：
固態(tài)成像裝置分為兩個主要的種類電荷轉(zhuǎn)移固態(tài)成像裝置，典型的是電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器；以及增強的固態(tài)成像裝置，典型的是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)圖像傳感器，例如互補MOS(CMOS)圖像傳感器。CCD圖像傳感器與MOS圖像傳感器相比需要較高的驅(qū)動電壓以便轉(zhuǎn)移信號電荷。因此，CCD圖像傳感器的電源電壓高于MOS圖像傳感器的電源電壓。
因此，在很多情況下，將MOS圖像傳感器作為固態(tài)成像裝置應(yīng)用于移動裝置，例如裝備攝像機的移動電話或者個人數(shù)字助理(PDA)，這是因為就較低的電源電壓和較低的功耗而言MOS圖像傳感器比CCD圖像傳感器更加有用。
將進(jìn)一步相互比較CCD圖像傳感器和MOS圖像傳感器。雖然這些圖像傳感器都具有相同的結(jié)構(gòu)，即在其中每個含有光電轉(zhuǎn)換元件的單位象素都被排列在二維矩陣中，MOS圖像傳感器不使用用于從單位象素中讀出信號的垂直轉(zhuǎn)移CCD和水平轉(zhuǎn)移CCD。在MOS圖像傳感器中，聚集在每個單位象素中的電荷被轉(zhuǎn)換為電信號，然后從單位象素中讀取該信號到通過由鋁線或銅線制成的相應(yīng)選擇線路選擇的相應(yīng)信號線路中，與在存儲裝置中的方法相同。
與CCD圖像傳感器不同，在MOS圖像傳感器中，每個象素包括用于放大信號的放大元件(在下文中，稱為放大晶體管)。日本未審專利申請公開號為2002-51263的申請公開了帶有前述結(jié)構(gòu)的MOS圖像傳感器。另一個新型MOS圖像傳感器具有在其中每個放大晶體管被多個象素共用的結(jié)構(gòu)。在上述MOS圖像傳感器中，如果放大晶體管的柵絕緣薄膜具有任意陷阱能級，該陷阱能級捕獲或釋放在溝道中產(chǎn)生電流的電子或空穴，因此導(dǎo)致電流的波動。電流的波動產(chǎn)生噪聲。
換言之，在MOS圖像傳感器中，當(dāng)放大晶體管放大信號時，放大晶體管的柵絕緣薄膜中的陷阱能級引起噪聲，它的功率譜與頻率f的倒數(shù)也就是所謂的1/f噪聲(閃爍噪聲)成比例。出現(xiàn)在放大晶體管中的1/f噪聲不利地影響圖像質(zhì)量。
把K作為一個過程相關(guān)系數(shù)(有關(guān)在柵絕緣薄膜的界面處捕獲或釋放電子的系數(shù))，把Cox看作柵絕緣薄膜的電容量，用L表示晶體管的溝道長度(柵的長度)，把W看作溝道寬度(活動區(qū)的寬度)。1/f噪聲的功率譜(噪聲電壓的路線(route)均方值)通過如下表達(dá)式1獲得。
表達(dá)式1Vn2‾=KCox·1W·L·∫1fc1f·df............(1)]]>從表達(dá)式1可以清楚地理解，柵絕緣薄膜的電容量Cox、柵長度L以及放大晶體管的活動區(qū)寬度W越大，1/f噪聲就越小。

發(fā)明內(nèi)容
為了在諸如裝備攝像機的具有一兆象素或更多象素的移動電話之類的緊湊的移動裝置上安裝MOS圖像傳感器，，對于減小MOS圖像傳感器尺寸的需要在增加。如同表達(dá)式1所表明的，當(dāng)晶體管的柵長L和活動區(qū)寬W減少時，1/f噪聲增大。在進(jìn)一步減少MOS圖像傳感器的尺寸時，通過增加放大晶體管的柵長L和活動區(qū)寬W來降低1/f噪聲是很困難的。
用于從象素中讀取信號的電壓被施加到每個放大晶體管的柵電極。電壓越高，越容易從象素中讀取信號。因此，電壓被設(shè)置為高值，也就是2.5V或者更高，通常是3.3V。因此，由于就柵絕緣薄膜的可靠性而言簡單地降低柵絕緣薄膜的厚度是困難的，所以在前述的表達(dá)式1中通過增加?xùn)沤^緣薄膜的電容量Cox來降低1/f同樣存在局限性。
本發(fā)明考慮到了上述缺點。希望提供一種固態(tài)成像裝置，其基本能夠在不增加晶體管的柵長L、活動區(qū)寬W和柵絕緣薄膜電容量Cox的情況下降低1/f噪聲。
依照本發(fā)明的一個實施例，提供了一種具有單位象素陣列的固態(tài)成像裝置。每個單位象素包含光電轉(zhuǎn)換元件和用于放大對應(yīng)于由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換得到的電荷的信號并且輸出所得到的信號的放大晶體管。該放大晶體管是埋入溝道MOS晶體管。


附圖1是一個框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)；附圖2是一個電路圖，描述了每個單位象素的電路結(jié)構(gòu)；附圖3是一個電路圖，描述了每個單位象素的另一種電路結(jié)構(gòu)；附圖4是一個剖面圖，描述了埋入溝道NMOS晶體管的結(jié)構(gòu)；附圖5示出了隨普通表面溝道NMOS晶體管和普通埋入溝道NMOS晶體管的柵溝道區(qū)域的深度的電位分布(potential profile)。
附圖6示出了在表面溝道NMOS晶體管和埋入溝道NMOS晶體管之間比較1/f噪聲的示例；附圖7示出了在沒有執(zhí)行源跟隨器操作時，電子流的流動特性；附圖8示出了在執(zhí)行源跟隨器操作時，電子流的流動特性；附圖9示出了在把表面溝道NMOS晶體管和埋入溝道NMOS晶體管當(dāng)作具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管使用時獲得的輸入-輸出特性；和附圖10示出了在把具有埋入溝道雜質(zhì)為磷的埋入溝道NMOS晶體管用作具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管時，以及在把具有溝道雜質(zhì)為砷的埋入溝道NMOS晶體管用作具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管時，以及在把具有溝道雜質(zhì)為磷和砷的埋入溝道NMOS晶體管用作具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管時，獲得的輸入-輸出特性。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個實施例將在下文中結(jié)合圖示進(jìn)行詳細(xì)說明。
附圖1是一個描述了根據(jù)本發(fā)明的實施例的諸如MOS圖像傳感器之類的增強的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。參照附圖1，根據(jù)本發(fā)明實施例的作為區(qū)域傳感器使用的MOS圖像傳感器10包括具有排列成二維矩陣的單位象素11的象素陣列12，其中每個單位象素11包含諸如光電二極管之類的光電轉(zhuǎn)換元件；作為信號處理電路的垂直選擇電路13、列電路14；水平選擇電路15；水平信號線16；輸出電路17；以及定時發(fā)生器(TG)18。
在象素陣列12中，垂直信號線121按照象素矩陣的每列排列。每個單位象素11的詳細(xì)的線路配置將在下面進(jìn)行描述。垂直選擇電路13包括移位寄存器并且依次輸出控制信號，例如用于驅(qū)動單位象素11的轉(zhuǎn)移晶體管112的轉(zhuǎn)移信號或者用于驅(qū)動復(fù)位晶體管113的復(fù)位信號，并且每行用于驅(qū)動象素陣列12中每行中的各個象素11。
作為信號處理電路的列電路14按照象素矩陣12中的每列，即每條垂直信號線121排列。每個列電路14包括例如取樣-和-保持(S/H)電路，或者一個相關(guān)雙取樣(CDS)電路。水平選擇電路15包括移位寄存器。水平選擇電路15通過列電路14依次選擇從各個象素11中輸出的信號并將信號輸出至水平信號線16。在附圖1中，為了簡化沒有示出水平選擇開關(guān)。水平選擇電路15依次打開或關(guān)閉按照每列排列的水平選擇開關(guān)。
通過水平選擇開關(guān)15的驅(qū)動操作，單位象素11的信號依次從每列的相應(yīng)列電路14中輸出，并且通過水平信號線16被提供給輸出電路17。信號經(jīng)過信號處理，例如被輸出電路17放大，然后從該裝置中輸出。定時發(fā)生器18產(chǎn)生各種定時信號并且使用這些定時信號來驅(qū)動垂直選擇電路13、列電路14和水平選擇電路15。
附圖2是一個示出了每個單位象素11的電路結(jié)構(gòu)的示例的電路圖。參照附圖2，在這個示例中，除了諸如光電二極管111之類的光電轉(zhuǎn)換元件之外，單位象素11A還包含三個晶體管，例如轉(zhuǎn)移晶體管112、復(fù)位晶體管113和放大晶體管114。在這個示例中，例如N溝道MOS晶體管被用于晶體管112到114。
轉(zhuǎn)移晶體管112連接在光電二極管111的陰極和浮動擴散(FD)區(qū)116之間。當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖φTRG被提供至轉(zhuǎn)移晶體管112的柵極時，轉(zhuǎn)移晶體管112轉(zhuǎn)移信號電荷(電子)到FD區(qū)116，該電荷由通過光電二極管111的光電轉(zhuǎn)換得到并聚集在轉(zhuǎn)移晶體管112處。
復(fù)位晶體管113的漏極連接到選擇電源SELVDD并且其源極連接到FD區(qū)116。當(dāng)一個復(fù)位脈沖φRST在信號電荷從光電二極管111轉(zhuǎn)移到FD區(qū)116之前便被提供給復(fù)位晶體管113的柵極時，復(fù)位晶體管113復(fù)位FD區(qū)116的電位。選擇電源SELVDD的電源電壓在VDD電平和GND電平之間選擇性地切換。
放大晶體管114具有這樣的源跟隨器結(jié)構(gòu)，即放大晶體管114的柵極連接到FD區(qū)116，它的漏極連接到選擇電源SELVDD，并且它的源極連接到垂直信號線121。當(dāng)選擇電源SELVDD的電源電壓變?yōu)閂DD電平時，放大晶體管114導(dǎo)通，使得單位象素11A被選定。由復(fù)位晶體管113復(fù)位的FD區(qū)116的電位指示復(fù)位電平。放大晶體管114輸出表示復(fù)位電平電位的信號到垂直信號線121。在轉(zhuǎn)移晶體管112將信號電荷轉(zhuǎn)移至FD區(qū)116之后，F(xiàn)D區(qū)116的電位表示信號電平。放大晶體管114進(jìn)一步輸出表示信號電平電位的信號到垂直信號線121。
附圖3是一個示出了每個單位象素11的另一種電路配置的示例的電路圖。參照附圖3，在這個示例中，除了諸如光電二極管111之類的光電轉(zhuǎn)換元件之外，單位象素11B還包括四個晶體管，即轉(zhuǎn)移晶體管112、復(fù)位晶體管113、放大晶體管114和選擇晶體管115。例如，N溝道MOS晶體管被用作晶體管112到115。
轉(zhuǎn)移晶體管112連接在光電二極管111的陰極和FD區(qū)116之間。當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖φTRG作用到轉(zhuǎn)移晶體管112的柵極時，轉(zhuǎn)移晶體管112轉(zhuǎn)移信號電荷(電子)到FD區(qū)116，該電荷由通過光電二極管111的光電轉(zhuǎn)換得到并聚集在轉(zhuǎn)移晶體管112處。
復(fù)位晶體管113的漏極連接到電源VDD并且其源極連接到FD區(qū)116。當(dāng)一個復(fù)位脈沖φRST在信號電荷從光電二極管111轉(zhuǎn)移到FD區(qū)116之前便作用到復(fù)位晶體管113的柵極時，復(fù)位晶體管113復(fù)位FD區(qū)116的電位。
選擇晶體管115的漏極連接到另一個電源VDD并且它的源極連接到放大晶體管114的漏極。當(dāng)選擇脈沖φSEL被提供給選擇晶體管115的柵極時，選擇晶體管115導(dǎo)通，使得選擇晶體管115將電源電壓VDD提供給放大晶體管114。因此，象素11B被選定。選擇晶體管115可以按另一種方式被配置，也就是說選擇晶體管115可以連接在放大晶體管114的源極和垂直信號線121之間。
放大晶體管114具有這樣的源跟隨器結(jié)構(gòu)，即放大晶體管114的柵極連接到FD區(qū)116，它的漏極連接到選擇晶體管115的源極，并且它的源極連接到垂直信號線121。放大晶體管114輸出表示被復(fù)位晶體管113復(fù)位后的FD區(qū)116的復(fù)位電平電位的信號到垂直信號線121。此外，在轉(zhuǎn)移晶體管112將信號電荷轉(zhuǎn)移至FD區(qū)116之后，放大晶體管114輸出表示FD區(qū)116的信號電平電位的信號到垂直信號線121。
在包括三個晶體管的單位象素11A和包括四個晶體管的單位象素11B的每個中，類似的操作被執(zhí)行，使得由通過光電二極管111的光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷通過轉(zhuǎn)移晶體管112被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)116，對應(yīng)于信號電荷的FD區(qū)116的電位被放大晶體管114放大，并且表示放大后的電位的信號被輸出到垂直信號線121。在象素電路中，操作以類似的方式進(jìn)行，如果包括放大晶體管114的每個晶體管的溝道長度短，則閾值電壓Vth由于短溝道效應(yīng)而波動。因此，長溝道長度的MOS晶體管被用作包括放大晶體管114的晶體管。
根據(jù)本發(fā)明，具有前述配置的每個單位象素11(11A/11B)包括用作放大晶體管114的埋入溝道MOS晶體管。根據(jù)本發(fā)明的這一實施例，每個單位象素11包括用作放大晶體管114的N溝道MOS晶體管(在下文中，稱為NMOS晶體管)。根據(jù)本實施例，因為NMOS晶體管被用作放大晶體管114，所以N型對應(yīng)于第一導(dǎo)電類型并且P型對應(yīng)于第二導(dǎo)電類型。
附圖4是一個埋入溝道NMOS晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖。參照附圖4，在P型半導(dǎo)體襯底21的表面中，以預(yù)定的彼此間的距離形成分別用作漏區(qū)和源區(qū)的N型擴散層22和23。此外，諸如磷(P)之類的N型原子被注入在擴散層22和23之間靠近襯底表面的區(qū)域中，也就是溝道區(qū)，因此形成N-型層24。由P+型多晶硅制成的柵電極26和由諸如SiO2形成的柵絕緣薄膜25形成在擴散層22和23之間的襯底表面上。
附圖5示出了普通表面溝道和埋入溝道NMOS晶體管的電位分布，每個電位分布都延著晶體管的柵溝道區(qū)的深度。
如電位分布圖所表明的，關(guān)于半導(dǎo)體襯底(硅襯底)電位被最小化的區(qū)域，也就是電流流動的區(qū)域，在表面溝道NMOS晶體管的情況下，該區(qū)域形成在柵絕緣薄膜和襯底之間的界面處。另一方面，在埋入溝道NMOS晶體管的情況下，該區(qū)域獨立于柵絕緣薄膜而形成，也就是形成在襯底內(nèi)部。假設(shè)在每個晶體管中捕獲或釋放電子或空穴的任意陷阱能級存在于柵絕緣薄膜和襯底之間界面處，則表面溝道NMOS晶體管比埋入溝道NMO晶體管所受的陷阱能級的影響更嚴(yán)重。
從上述描述可以清楚地理解，當(dāng)埋入溝道NMOS晶體管在MOS圖像傳感器10的每個單位象素11中用作放大晶體管114時，襯底21的電位被最小化(也就是，電流流動)的區(qū)域不是形成在柵絕緣薄膜25和襯底21之間的界面處，而是形成在和柵絕緣薄膜25有一定距離處，也就是形成在襯底21內(nèi)部。因此，如果捕獲或釋放電子或空穴的任意陷阱能級存在于柵絕緣薄膜和襯底之間界面處，則陷阱能級對流過溝道的電流的影響可以被抑制。
換句話說，使用埋入溝道NMOS晶體管作為放大晶體管114可以防止由陷阱能級引起的并且導(dǎo)致1/f噪聲的產(chǎn)生的電流波動。因此，在不增加放大晶體管114的柵長(柵尺寸)L、柵寬(也就是活動區(qū)的尺寸)、柵絕緣薄膜的電容量Cox的情況下，可以基本上減小1/f噪聲。
再參照附圖2和附圖3，垂直信號線121的末端連接到恒流源122。通常，恒流源122包含具有大溝道寬度W的MOS晶體管(負(fù)載晶體管)。因此，當(dāng)負(fù)載MOS晶體管的類型與放大晶體管114相同時，放大晶體管114得以控制1/f噪聲。在這一點上，包含作為放大晶體管114的埋入溝道MOS晶體管對于MOS圖像傳感器10是有用的。
可以知道埋入溝道MOS晶體管非常容易受到溝道長度(門長度)的減小而引起的短溝效應(yīng)的影響。由于每一個單位象素11的執(zhí)行都與上述相似，具有長長度的MOS晶體管被用作放大晶體管114。因此，很容易受到短溝道效應(yīng)影響的埋入溝道MOS晶體管可以被用作放大晶體管114。
附圖6示出了在表面溝道NMOS晶體管和埋入溝道NMOS晶體管之間比較1/f噪聲的示例。
從附圖6可以清楚地理解，柵-源偏壓越高，則柵絕緣薄膜和襯底之間界面處流動的電流越多。當(dāng)柵-源偏壓高時，產(chǎn)生在埋入溝道NMOS晶體管中的1/f噪聲具有和表面溝道晶體管中的1/f噪聲相同的電平。特別的，當(dāng)柵-源偏壓高于1.5V時，埋入溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平等于表面溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平。
換句話說，當(dāng)柵-源偏壓等于或小于1.5V時，埋入溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平小于表面溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平。當(dāng)柵-源偏壓約等于約1.0V時，埋入溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平與表面溝道NMOS晶體管的相差一個數(shù)量級。因此，在埋入溝道NMOS晶體管中的柵-源偏壓最好等于或小于1.5V。
當(dāng)柵-源偏壓高于1.5V時，埋入溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平等于表面溝道NMOS晶體管的1/f噪聲電平的原因如下即使在埋溝NMOS晶體管中，隨著柵-源偏壓越高，在柵極下面的最小的電位區(qū)(溝道區(qū))也越接近表面。如附圖7所示，電流在柵絕緣薄膜和襯底之間的界面處流動。
正相反，根據(jù)本發(fā)明的實施例，因為每個單位象素11(11A/11B)包括具有前述源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管114，單位象素11在降低1/f噪聲上有大的優(yōu)勢。原因如下在源跟隨器電路中，柵-源偏壓低。當(dāng)埋入溝道MOS晶體管被用作具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管時，電流在襯底中流動，也就是如附圖8所示在柵絕緣薄膜和襯底之間界面以下流動。因此，埋入溝道特性被增強了。所以，1/f噪聲可以被可靠的減少。
為了在使用柵-源偏壓時保持埋溝特性，注入到溝道區(qū)的N型雜質(zhì)的劑量必須等于或大于1×1019(原子/立方厘米)。
附圖9示出了在把表面溝道NMOS晶體管和埋入溝道NMOS晶體管當(dāng)作具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管114使用時獲得的輸入-輸出特性。
從附圖9可以清楚地理解，埋入溝道NMOS晶體管的輸入信號Vin與輸出信號Vout之間的線性特性要好于表面溝道NMOS晶體管。
在埋入溝道MOS晶體管中，因為遷移率μ不受在柵絕緣薄膜和襯底之間的界面處的粗糙度影響，所以遷移率μ高，因此導(dǎo)致其參數(shù)包括遷移率μ的轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm的增加。因此，Vout/Vin的斜率(＝gm/(gm+gds+gmbs))增加了，其中g(shù)ds表示輸出電導(dǎo)并且gmbs表示襯底偏壓效應(yīng)的比例系數(shù)。
具體而言，在包括埋入溝道NMOS晶體管的放大晶體管114中，柵電極26是N+型而不是P+型。因此，P+類型的柵電極26可以允許溝道區(qū)成為耗盡區(qū)。有利的是，埋入溝道特性可以進(jìn)一步增強，這樣Vout/Vin的斜率可以被增加。Vout/Vin的大的斜率意味著寬的動態(tài)范圍和高輸出靈敏度。
如前所述，因為放大晶體管114的P+類型的柵電極26實現(xiàn)了寬動態(tài)范圍和高輸出靈敏度，所以可以容易地設(shè)置在下行信號處理系統(tǒng)，也就是對應(yīng)的列電路14(按照附圖1)的輸入處的操作點。此外，在關(guān)斷(OFF)狀態(tài)下，沒有漏電流的波動。有利的是，垂直噪聲很難發(fā)生。因此，即使當(dāng)暗場(dark scene)中的增益增加時，也可以以低噪聲來獲得高質(zhì)量的圖像。
此外，在將N型雜質(zhì)注入溝道區(qū)以便形成作為埋入溝道MOS晶體管的放大晶體管114時，通過注入至少兩種具有不同擴散系數(shù)的N型雜質(zhì)可以獲得比注入一種N型雜質(zhì)更為增強的埋入溝道特性。關(guān)于至少兩種具有不同擴散系數(shù)的N型雜質(zhì)，例如砷(As)和磷(P)是可用的。
附圖10示出了三種類型的埋入溝道NMOS晶體管的輸入-輸出特性，其中每種埋入溝道NMOS晶體管都作為具有源跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管114。在第一種類型中，只將磷注入到溝道區(qū)中。在第二種類型中，只有砷被注入。在第三種類型中，磷和砷都被注入。
如附圖10所表明的，輸入-輸出特性的線性特性按照第一類型、第二類型和第三類型的順序(也就是，第一種＞第二種＞第三種)變好(也就是，它的斜率變大)。原因是互導(dǎo)按照第一類型、第二類型和第三類型的順序(也就是，第一種＞第二種＞第三種)變好。
在將磷和砷作為兩種具有不同擴散系數(shù)的N型雜質(zhì)注入時，具有較低的擴散系數(shù)的砷被分布為砷的密度在接近柵絕緣薄膜25的區(qū)域內(nèi)高于具有較高擴散系數(shù)的磷的密度。因此，當(dāng)電位分布的峰值由于砷而形成在柵溝道區(qū)的深度內(nèi)時，N型區(qū)可以由于磷而加寬至襯底深處。因此，可以形成具有良好的短溝道特性的埋入溝道。
作為選擇，在將磷和砷作為兩種具有不同擴散系數(shù)的N型雜質(zhì)注入時，具有較低的擴散系數(shù)的砷可以被被分布為砷的密度在遠(yuǎn)離柵絕緣薄膜25的區(qū)域內(nèi)高于具有較高擴散系數(shù)的磷的密度。在這種擴散方式中，雖然短溝道特性比上述方式低，但與上述方式相比1/f噪聲可以通過在深處形成溝道來被更可靠的降低。
上述使用埋入溝道NMOS晶體管作為放大晶體管114的技術(shù)可以應(yīng)用在附圖2中具有三個晶體管的單位象素11A和附圖3中具有四個晶體管的單位象素11B的每個中。同樣，降低1/f噪聲的優(yōu)點可以在每個單位象素11A和11B中獲得。
具體而言，當(dāng)將具有P+型柵電極的埋入溝道NMOS晶體管應(yīng)用于附圖3中具有四個晶體管的單位象素11B中的放大晶體管114時，可以獲得如下操作效果。
在單位象素11B的象素電路中，選擇晶體管115連接至放大晶體管114，使得選擇晶體管115比放大晶體管114更靠近電源VDD。使用Vtha表示放大晶體管114的閾值電壓并且使用Vths作為選擇晶體管115的閾值電壓。為了防止在選擇晶體管115中的電壓下降，需要滿足如下條件Vths＜Vtha。
在前述條件下，如果將具有N+型柵電極的埋入溝道NMOS晶體管應(yīng)用于放大晶體管114，則放大晶體管114的閾值電壓Vtha變得更低。選擇晶體管115的閾值電壓Vths必須低于閾值電壓Vtha。遺憾的是，選擇晶體管115總是在導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致相應(yīng)的象素不能被選定。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，因為將具有P+型柵電極的埋入溝道NMOS晶體管應(yīng)用于放大晶體管114，所以放大晶體管114的閾值電壓Vtha可以設(shè)置得更高。即使當(dāng)選擇晶體管115的閾值電壓Vths設(shè)置得比閾值電壓Vtha低時，選擇晶體管115無疑也可以導(dǎo)通或關(guān)斷。有利的是，相應(yīng)的象素可以被選擇晶體管115可靠地選定并且放大晶體管114中的1/f噪聲可以被降低。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，N溝道MOS晶體管可以用作放大晶體管，而且埋入溝道MOS晶體管可以被用作NMOS放大晶體管。本發(fā)明不局限于上述實施例。P溝道MOS晶體管可以被用作放大晶體管并且埋入溝道MOS晶體管可以被用作PMOS放大晶體管。在PMOS晶體管中，P型對應(yīng)于第一導(dǎo)電類型并且N型對應(yīng)于第二導(dǎo)電類型。換言之，附圖4中的電導(dǎo)方式被反轉(zhuǎn)。
此外，根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明應(yīng)用于包括象素以矩陣排列的二維象素陣列的區(qū)域傳感器，每個象素包括光電轉(zhuǎn)換元件和用于放大指示對應(yīng)于由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷的電位的信號、并輸出所得到的信號的放大晶體管。本發(fā)明的應(yīng)用不局限于區(qū)域傳感器。本發(fā)明也可以應(yīng)用于包括成線性排列(一維)的象素的線性傳感器(線傳感器)，每個象素具有和二維象素陣列中的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。
同樣，如附圖11所述，本發(fā)明也可以應(yīng)用于固態(tài)成像裝置，例如攝像機、攝像模塊、移動電話或者個人數(shù)字助理(PDA)。固態(tài)成像裝置可以包括處理圖像信號的信號處理部分201以及傳導(dǎo)入射光到成像區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)202。這時，固態(tài)成像裝置可以捕捉好質(zhì)量的圖像。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解可以根據(jù)附加權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)的設(shè)計要求以及其他因素做出各種修改、組合、子組合以及替換。
在帶有上述結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像裝置和固態(tài)成像設(shè)備中，因為埋入溝道MOS晶體管被用作放大晶體管，襯底的電位被最小化的區(qū)域，也就是，電流流動的區(qū)域不是形成在晶體管的柵絕緣薄膜和襯底之間的界面上，而是遠(yuǎn)離柵絕緣薄膜而形成，也就是，形成在襯底內(nèi)部。因此，如果捕獲或釋放電子或空穴的任意陷阱能級存在于柵絕緣薄膜和襯底之間的界面處，則陷阱能級對流過溝道的電流的影響可以被抑制。換言之，由陷阱能級引起和導(dǎo)致1/f噪聲的產(chǎn)生的電流波動可以被防止。
通常，任何埋入溝道MOS晶體管易受由減少溝道長度(柵長度)引起的短溝道效應(yīng)的影響。在另一方面，每個單位象素以類似的方式操作，使得由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷被轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)，指示對應(yīng)于該電荷的浮動擴散區(qū)的電位的信號被放大晶體管放大，并且所得到的信號被輸出至對應(yīng)的信號線。因為放大晶體管的短溝道長度導(dǎo)致閾值電壓Vth的波動，所以具有長溝道長度的MOS晶體管被用作放大晶體管。因此，易于被短溝道效應(yīng)影響的埋入溝道MOS晶體管可以被用作放大晶體管。
依照本發(fā)明，使用埋入溝道MOS晶體管作為放大晶體管、可以抑制在柵絕緣薄膜和襯底之間的界面處的任何陷阱能級對流過溝道的電流的影響。有利的是，在不增加晶體管的柵長L、活動區(qū)寬W、柵絕緣薄膜的電容量Cox的情況下，可以基本上降低1/f噪聲。
權(quán)利要求
1.一種包括單位象素的陣列的固態(tài)成像裝置，每個單位象素包括光電轉(zhuǎn)換元件；和放大晶體管，其用于放大對應(yīng)于由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷的信號，其中放大晶體管是埋入溝道MOS晶體管。
2.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中當(dāng)放大晶體管是第一導(dǎo)電類型的MOS晶體管時，晶體管的柵電極包括第二導(dǎo)電類型的多晶硅。
3.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中放大晶體管具有源跟隨器結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中放大晶體管是第一導(dǎo)電類型的MOS晶體管，并且晶體管的溝道區(qū)摻雜了第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。
5.如權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中至少使用了兩種具有不同擴散系數(shù)的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)，并且具有較低的擴散系數(shù)的雜質(zhì)被分布為雜質(zhì)的密度在接近晶體管的柵絕緣薄膜的區(qū)域內(nèi)高于具有較高擴散系數(shù)的其它雜質(zhì)的密度。
6.如權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中至少使用了兩種具有不同擴散系數(shù)的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)，并且具有較低的擴散系數(shù)的雜質(zhì)被分布為雜質(zhì)的密度在遠(yuǎn)離晶體管的柵絕緣薄膜的區(qū)域內(nèi)高于具有較高擴散系數(shù)的其它雜質(zhì)的密度。
7.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中每個單位象素進(jìn)一步包含轉(zhuǎn)移晶體管，其用于將由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)；和復(fù)位晶體管，其用于復(fù)位浮動擴散區(qū)的電位。
8.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)像成像裝置，其中每個單位象素進(jìn)一步包含轉(zhuǎn)移晶體管，其用于將由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)；復(fù)位晶體管，其用于復(fù)位浮動擴散區(qū)的電位；和選擇晶體管，其串聯(lián)到放大晶體管，用于選擇象素。
9.一種包含單位象素的陣列和用于處理來自單位象素的陣列的圖像信號的信號處理部分的固態(tài)成像設(shè)備，每個單位象素包括光電轉(zhuǎn)換元件；和放大晶體管，其用于放大對應(yīng)于由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷的信號，其中放大晶體管是埋入溝道MOS晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有單位象素的陣列的固態(tài)成像裝置，每個單位象素包括光電轉(zhuǎn)換元件和用于放大對應(yīng)于由通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷的信號并輸出所得到信號的放大晶體管。放大晶體管包括埋入溝道MOS晶體管。根據(jù)本發(fā)明，1/f噪聲基本上可以被減小。
文檔編號H04N5/335GK1764246SQ20051012496
公開日2006年4月26日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者糸長總一郎, 遠(yuǎn)藤表德, 吉原郁夫 申請人:索尼株式會社