專利名稱：固態(tài)成像裝置和照相機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及固態(tài)成像裝置及照相機。更具體地，本發(fā)明涉及一種 固態(tài)成像裝置以及設(shè)置有這種固態(tài)成像裝置的照相機。
背景技術(shù)：
固態(tài)成像裝置大致分為以CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感 器為代表的放大型固態(tài)成像裝置和以CCD (電荷耦合裝置)圖像傳感器為 代表的電荷轉(zhuǎn)移型成像裝置。
對于CMOS圖像傳感器，由于它的高性能和低功耗特性，以CMOS圖
置的圖像傳感器領(lǐng)域中。CMOS圖像傳感器設(shè)置為包括成像部分，具有規(guī) 則地布置成二維陣列的多個像素，每個像素包括數(shù)個像素晶體管和用作光電 轉(zhuǎn)換元件的光電二極管(PD);和圍繞成像部分配置的外圍電路。
外圍電路至少包括列電路(所謂的垂直驅(qū)動單元)，沿列方向傳送信 號；和水平電路(所謂的水平驅(qū)動單元)，順序地將通過列電路以列的方式 傳送的信號傳送至輸出電路。像素晶體管具有已知的構(gòu)造，例如，包括轉(zhuǎn)移、 重置、放大和選擇晶體管的四晶體管的電路構(gòu)造；或者包括除選擇晶體管之 外的轉(zhuǎn)移、重置和放大晶體管的三晶體管的電路構(gòu)造。
CMOS圖像傳感器通常通過布置多個單元像素作為一組來設(shè)置，其中每 個單元像素包括一個光電二極管和數(shù)個像素晶體管。近年來，像素尺寸的小 型化顯著。對于包括大量像素的CMOS成像傳感器，已知的是許多CMOS 圖像傳感器構(gòu)造為多個像素共用像素晶體管以減小每單元像素的像素晶體 管數(shù)量。
作為改善靈敏度同時保持分辨率且不降低像素尺寸的方法，已知的是通 過像素的傾斜布置(slant arrangement)改善靈敏度。此外，同樣已知的是改 善像素中的發(fā)光度信號靈敏度(luminosity signal sensitivity )，這是通過采用 白色像素或者可選擇的灰色像素來實現(xiàn)(參考日本未審查專利申請公開No.2003-199117、日本未審查專利申請公開No.2003-318375、日本未審查專 利申請公開No.2007-53731、和日本未審查專利申請公開No.2002-135792 )。 圖1示意性地示出在專利文件4中披露的包括白色像素的圖像傳感器。在該 圖像傳感器102中，如圖l所示， 一個單元通過在縱向和橫向分別包括兩個 像素，總共四個像素而形成，即，紅色像素101R、綠色像素101G、藍(lán)色像 素101B和白色像素大量布置在單元中以形成像素單元，并且大量如此形成 的像素單元結(jié)構(gòu)二維布置。順帶提及，對于像素的傾斜布置，注意到縱向和 橫向的分辨率可以保持，而傾斜方向的分辨率下降。

發(fā)明內(nèi)容
在固態(tài)成像裝置中，像素尺寸減小可能引起像素特性退化。例如，像素 區(qū)域減小直接導(dǎo)致入射光子數(shù)目的降低。也就是，每個像素的輸出降低，信 噪比惡化。另一方面，圖像傳感器模塊的小型化處于迫切需求中，并且增加 像素數(shù)目的需求目前沒有降低。對于由減小的像素尺寸引起的像素特性退 化，單元像素的特性已經(jīng)通過改善制造工藝和像素結(jié)構(gòu)而改善，并且圖片圖 像的完成也通過圖像處理技術(shù)的發(fā)展而正在得到改善。然而，對于例如上述 靈敏度的純光學(xué)特性，包括混色的退化趨勢正以加速的步伐前進(jìn)，并具有適 當(dāng)?shù)墓鈺壑械念~外的困難。
另 一方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了使用白色像素的圖像傳感器102的問題之一在于 與布置在相同成像部分中的分別用于紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)的 不同顏色的顏色像素101R、 101G和101B的光電二極管相比，用作白色像 素101W的光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管更迅速地飽和。對于具有相對較低的 工作電壓的圖像傳感器，例如CMOS圖像傳感器，光電二極管的耗盡電勢 相對較淺并且電荷積累的量不夠大。因此，如圖2示意性示出的，在提供有 紅色像素101R、綠色像素101G、藍(lán)色像素101B和白色像素101W的前述 圖像傳感器102中，在高密度光L入射的情形下無法采取合適的手段處理光 電二極管中引起的滿溢，隨后電荷3將從在先飽和的像素(圖中的白色像素 01W)泄漏而進(jìn)入鄰近的像素(圖中的紅色像素101R和藍(lán)色像素101B)， 也就是，發(fā)生了混色。因此，即使白色像素的發(fā)光度信號靈敏度增加，可以 處理的光量僅僅至多到不使白色像素光電二極管飽和的程度。在該情形下， 對于其它顏色像素，例如紅色、綠色和藍(lán)色像素的輸出信號水平，每個只可以輸出光電二極管額定輸出范圍的大約二分之一 。
鑒于上述的和其它的困難，期望提供一種固態(tài)成像裝置，能夠有效地處 理強入射光并改善每個顏色像素的輸出范圍，同時通過包括白色像素尋求靈 敏度的改善，并且期望提供一種設(shè)置有這種固態(tài)成像裝置的照相機。
根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置，包括包括元件組的成像部分和圍
繞成像部分配置外的圍電路。元件組包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在 第一、第二和第三波長范圍內(nèi)的光信號分別轉(zhuǎn)換成電信號；白色光電轉(zhuǎn)換元 件，構(gòu)造為將在包括整個可見光范圍和部分紅外光范圍的波長范圍內(nèi)的光信 號轉(zhuǎn)換成電信號；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光。在成像部分中，通過 包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來對應(yīng)于一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件 而形成單元，在該單元內(nèi)，白色光電轉(zhuǎn)換元件通過滿溢通路與遮光二極管元 件電連接。
根據(jù)本發(fā)明實施例的照相機，包括固態(tài)成像裝置；光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)造為 將入射光引導(dǎo)至包括在固態(tài)成像裝置中的光電轉(zhuǎn)換元件；和信號處理單元， 構(gòu)造為處理來自固態(tài)成像裝置的輸出信號。固態(tài)成像裝置包括元件組，該元 件組包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長范圍內(nèi)的 光信號分別轉(zhuǎn)換成電信號；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個可見光 范圍和部分紅外光范圍的波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；和遮光二極管 元件，構(gòu)造為被遮光。通過包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來對應(yīng) 于一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在該單元內(nèi)，白色光電轉(zhuǎn)換元件通過 滿溢通路與遮光二極管元件電連接。
根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置至少包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光 二極管元件，該兩個元件通過滿溢通路彼此連接。通過該固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，當(dāng)高強度的光入射到白色光電轉(zhuǎn)換元件時，從白色光電轉(zhuǎn)換元件滿溢的 電荷進(jìn)入并積累在遮光二極管元件中。因此，白色光電轉(zhuǎn)換元件的飽和電荷 等于累計在白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件中的量的總和。另 一方面， 在每個顏色光電轉(zhuǎn)換元件中，電荷可以適當(dāng)?shù)胤e累以對于光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生 額定輸出水平的信號。
通過根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置，可以通過增加白色光電轉(zhuǎn)換元
件的飽和電荷量來改善發(fā)光度信號靈敏度。此外，改善了每個顏色光電轉(zhuǎn)換 元件的輸出信號范圍。通過根據(jù)本發(fā)明實施例的照相機，通過結(jié)合上述固態(tài)成像裝置可以獲得高靈敏度和高輸出的圖片圖像。


將參考下面的圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中
圖1是在圖像傳感器中包括白色像素的現(xiàn)有技術(shù)像素結(jié)構(gòu)的示意圖2是為了解釋現(xiàn)有技術(shù)難點而制作的包括于圖像傳感器中的像素結(jié)構(gòu)
的另 一個現(xiàn)有技術(shù)的主要部分的示意圖。
圖3是概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置的構(gòu)造的圖； 圖4是圖解根據(jù)本發(fā)明第一實施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖5A是圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像裝置的一個
單元中的像素結(jié)構(gòu)的示意圖5B是沿圖5A的線A-A截取的橫截面圖； 圖5C是沿圖5A的線B-B截取的橫截面圖6A是圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像裝置的一個 單元中的像素的電子結(jié)構(gòu)的示意圖6B是圖解圖6A結(jié)構(gòu)的飽和電荷和輸出信號范圍的電勢示意圖7A是為了對比來圖解包括于一個單元中的像素的電子結(jié)構(gòu)的示意
圖7B是圖解圖7A結(jié)構(gòu)的飽和電荷和輸出信號范圍的電勢示意圖8A是包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像裝置的一個單元
中的白色光電二極管、遮光二極管、和滿溢路徑的橫截面圖8B是圖解示意性地示于沿圖8A的線x-x截取的橫截面圖中的結(jié)構(gòu)運
行的電勢示意圖9是圖解根據(jù)本發(fā)明第二實施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖10是圖解根據(jù)本發(fā)明第三實施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖11是圖解根據(jù)本發(fā)明第三實施例的包括示范性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的成像部分
的主要部分的示意圖12是圖解根據(jù)本發(fā)明第三實施例的包括另一個示范性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的成
像部分的主要部分的示意圖13是圖解根據(jù)本發(fā)明第四實施例的成像部分的主要部分的示意圖； 圖14是概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置的另一個構(gòu)造的圖15A是圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第五實施例的固態(tài)成像裝置的一 個單元中的像素結(jié)構(gòu)的示意圖15B是沿圖15A的線C-C截取的橫截面圖； 圖15C是沿圖15A的線D-D截取的橫截面圖16A是圖解包括于根據(jù)本發(fā)明第七實施例的一個單元中的像素結(jié)構(gòu) 的示意圖16B是沿圖16A的線C-C截取的橫截面圖； 圖16C是沿圖16A的線D-D截取的橫截面圖； 圖17圖解根據(jù)本發(fā)明實施例的照相機構(gòu)造的簡化示意圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖基于多個實施例來描述本發(fā)明，然而，并不是要窮舉或
將本發(fā)明限制于實施例中所披露的和圖中所示出的內(nèi)容。
圖3概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置或CMOS圖像 傳感器的裝置構(gòu)造。參考圖3，根據(jù)本實施例的固態(tài)成像裝置1包括成像 部分3 (所謂的像素部分)，具有二維規(guī)則布置的多個像素2;和圍繞成像部 分3配置的外圍電路，例如垂直驅(qū)動單元4、水平轉(zhuǎn)移單元5和輸出單元6。 每個像素2通過包括數(shù)個像素晶體管(MOS晶體管)Tr和用作光電轉(zhuǎn)換元 件的光電二極管PD來設(shè)置。
光電二極管PD形成有構(gòu)造為以入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化并積累光電轉(zhuǎn)換產(chǎn) 生的信號電荷的區(qū)域。在本示例中，該數(shù)個像素晶體管Tr包括四個MOS晶 體管，例如轉(zhuǎn)移晶體管Trl、重置晶體管Tr2、放大晶體管Tr3和選擇晶體管 Tr4。轉(zhuǎn)移晶體管Trl用作將積累在光電二極管PD中的光電信號電荷讀出至 浮置擴散區(qū)(FD)的晶體管。重置晶體管Tr2是將浮置擴散區(qū)(FD)的電 勢設(shè)定到預(yù)定值的晶體管。放大晶體管Tr3用來電學(xué)地放大讀出至浮置擴散 區(qū)(FD)的信號電荷。選擇晶體管Tr4用于選擇像素線并將其中的像素信號 讀出至垂直信號線8。此外，盡管這里沒有示出，可選擇地，像素可以由光 電二極管和三個晶體管形成，這三個晶體管包括除選擇晶體管Tr4之外的轉(zhuǎn) 移、重置和放大晶體管。
在像素2的電路構(gòu)造中，轉(zhuǎn)移晶體管Trl的源極連接至光電二極管PD，轉(zhuǎn)移晶體管Trl的漏極與重置晶體管Tr2的源極連接。用作電荷電壓轉(zhuǎn)換裝 置的浮置擴散區(qū)(PD)配置在轉(zhuǎn)移晶體管Trl和重置晶體管Tr2之間(等效 于轉(zhuǎn)移晶體管的漏極區(qū)和重置晶體管的源極區(qū))，且浮置擴散區(qū)(FD)與放
大晶體管Tr3的柵極連接。放大晶體管Tr3的源極連接選擇晶體管Tr4的漏 極。重置晶體管Tr2和放大晶體管Tr3的漏極都連接源電壓供給單元。此外， 選擇晶體管Tr4的源極與垂直信號線8連接。
垂直驅(qū)動單元4構(gòu)造為分別提供行重置信號cJ)RST以公共地施加到布置 于一行中的像素的重置晶體管Tr2的柵極，提供行轉(zhuǎn)移信號cj) TRG以公共地 施加到布置在該行中的像素的轉(zhuǎn)移晶體管的柵極，以及提供行選擇信號4) SEL以公共地施加到布置在該行中的像素的選擇晶體管Tr4的柵極。
水平驅(qū)動單元5設(shè)置為包括與每列的垂直信號線8連接的放大器或者 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，例如本示例中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器9;列選擇電路(開關(guān)裝 置)SW;和水平轉(zhuǎn)移線10(例如，由與數(shù)據(jù)位線同等數(shù)量的配線構(gòu)成的母 線)。本示例的輸出單元6設(shè)置為包括另 一個放大器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器和/或 信號處理電路，例如處理來自水平轉(zhuǎn)移線10的輸出的信號處理電路11;和 輸出緩沖器12。
固態(tài)成像裝置1構(gòu)造為來自每行上的像素2的信號通過每個數(shù)模轉(zhuǎn)換器 9進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過依次被選擇的列選擇電路SW讀出至水平轉(zhuǎn)移線10， 并依次沿水平方向轉(zhuǎn)移。讀出至水平轉(zhuǎn)移線10的圖像數(shù)據(jù)依次通過信號處 理電路自輸出緩沖器輸出。
一般地，像素2的運行如下進(jìn)行。首先，通過使轉(zhuǎn)移晶體管Trl和重置 晶體管Tr2的柵極為導(dǎo)通狀態(tài)(on-state),而將光電二極管PD中的電荷全 部清除。此后，使轉(zhuǎn)移晶體管Trl和重置晶體管Tr2的柵極為截止?fàn)顟B(tài) (off-state),進(jìn)行光電電荷積累。接著，在即將讀出積累在光電二極管PD 中的光電電荷之前，重置晶體管Tr2的柵極導(dǎo)通并且浮置擴散區(qū)(FD)的電 勢被重置。隨后，通過分別將重置晶體管Tr2的柵極改變至截止?fàn)顟B(tài)并把轉(zhuǎn) 移晶體管Trl的柵極改變至導(dǎo)通狀態(tài)，來自光電二極管PD的光電電荷被轉(zhuǎn) 移至浮置擴散區(qū)(FD)。放大晶體管Tr3構(gòu)造為基于其柵極接收的電荷電學(xué) 地放大信號電荷。另一方面，自即將電荷讀出前浮置擴散區(qū)電勢的上述重置 時刻，選擇晶體管Tr4僅為當(dāng)前要讀出的像素為導(dǎo)通狀態(tài)，隨后已進(jìn)行電荷 -電壓轉(zhuǎn)換并由包括于當(dāng)前選定的像素中的放大晶體管Tr3提供的圖像信號讀出至水平信號線8。
此外，根據(jù)本實施例，在上述的固態(tài)成像裝置1中，構(gòu)造了像素，同時 尋求通過包括白色像素來改善靈敏度，從而能夠有效地處理強入射光并改善 每種顏色的像素的輸出范圍。也就是，盡管白色像素包括于本實施例的裝置 中，但是像素構(gòu)造為即使接收高強度入射光時也可以防止混色(混色由從白 色像素到鄰近像素的電荷泄漏引起)，而且可以得到每種顏色的像素的預(yù)定 輸出信號范圍而不被白色像素的飽和電荷量影響。這里注意，上述顏色像素 是每個包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件的顏色像素，顏色光電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)造為分別將 在第一、第二、和第三波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。也就是，設(shè)置為 上述顏色像素的是每個像素包括紅、綠、或藍(lán)基色濾色器，或者是每個像素
包括青、洋紅、或黃補色(complementary color )濾色器。
圖4是圖解包括于根據(jù)本發(fā)明第 一實施例的固態(tài)成像裝置中的成像部分 的主要部分的示意圖。該圖概略地圖解了成像部分中的像素構(gòu)造，尤其是用 作構(gòu)成像素的光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管的布置構(gòu)造。在本實施例中，光電 轉(zhuǎn)換元件包括光電二極管組，該光電二極管組包括構(gòu)造為將在紅色(R)、 綠色(G)和藍(lán)色(B)的各個波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的顏色光 電二極管PD (后面分別稱作紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg和 藍(lán)色光電二極管PDb);構(gòu)造為將在包括整個可見光范圍和部分紅外光范圍 的波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成另外的電信號的另一個光電二極管(后面稱作 白色光電二極管PDw);以及遮光的再一個二極管(后面稱作遮光二極管 Dls)。
這些光電二極管PDr、 PDg、 PDb和PDw以及二極管Dls布置成正方形
的布置，從而構(gòu)成沿垂直和水平方向各具有兩個、總共四個光電二極管的一
個單元，如稍后所述。也就是，在該單元內(nèi)，能夠允許光入射的兩個光電二
極管PD沿第一對角線配置，被金屬配線遮蔽的兩個二極管Dlsl和Dls2沿
與第一對角線垂直的第二對角線配置。能夠允許光入射的上述兩個光電二極
管中的一個是設(shè)置有紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)之一的濾色器的光
電二極管，即為紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg和藍(lán)色光電二極
管PDb中的一個。上述兩個光電二極管PD中的另一個是設(shè)置有透明濾色器
的白色光電二極管，不具有分離顏色的濾色器。
紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg和藍(lán)色光電二極管PDb的組以拜耳布置(Bayer arrangement)來配置。將入射光聚集到光電二極管PD 上的芯片上透鏡(on-chip lens ) 21只配置在每個具有光的開口的紅色光電二 極管PDr、綠色光電二極管PDg和藍(lán)色光電二極管PDb以及白色光電二極 管PDw之上。即，盡管光電二極管為正方形布置，但是芯片上透鏡21設(shè)置 為傾斜布置。此外，每個濾色器各自具有紅色、綠色和藍(lán)色的各種濾色器部 件以及白色(透明)濾色器部件。這些濾色器部件設(shè)置為傾斜布置，并且紅 色、綠色和藍(lán)色濾色器部件設(shè)置為拜耳布置。
此外，各個光電二極管和二極管(實質(zhì)上是各個像素)通過器件隔離區(qū) 而彼此隔開，同時白色光電二極管PDw和兩個遮光二極管Dlsl和Dls2通過 滿溢通路(overflow path ) 22而在每個上述的單元中相互連接。
圖5A、 5B和5C是示意性圖解包括于用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固 態(tài)成像裝置的一個單元中的像素結(jié)構(gòu)的示意圖。參考圖5A，該單元形成為 包括沿垂直和水平方向各兩個、總共四個像素；沿一個對角線設(shè)置紅色、綠 色和藍(lán)色(RGB)顏色像素中的一個顏色像素2c和一個白色像素2w;沿另 一個對角線設(shè)置兩個遮光像素21s(21sl和21s2)。顏色像素2c、白色像素2w 和遮光像素21s每個通過例如雜質(zhì)區(qū)的器件隔離區(qū)23而進(jìn)行器件隔離。每個 像素2c、 2w和21s由光電二極管PDc (PDr、 PDg、或PDb )中的一個光電 二極管、PDw和二極管Dls以及數(shù)個像素晶體管Tr構(gòu)成。設(shè)置為圖中的數(shù) 個像素晶體管Tr的是具有轉(zhuǎn)移柵極電極25的轉(zhuǎn)移晶體管Trl、具有重置柵 極電極26的重置晶體管Tr2、具有放大柵極電極27的放大晶體管Tr3和具 有選擇柵極電極28的選擇晶體管Tr4。圖中的區(qū)域29是浮置擴散區(qū)(FD)， 區(qū)域30是源極區(qū)或者漏極區(qū)。
如圖5B(沿圖5A的線A-A截取的截面視圖)和5C(沿圖5A的線B-B 截取的截面視圖)所示，每個光電二極管這樣來形成通過在具有第一導(dǎo)電 類型(本示例中為p型)的半導(dǎo)體阱區(qū)31中設(shè)置具有與第一導(dǎo)電類型相反 的第二導(dǎo)電類型(即n型)的作為電荷積累區(qū)的半導(dǎo)體區(qū)32,并且通過在半 導(dǎo)體32的表面?zhèn)冗M(jìn)一步設(shè)置作為電荷積累層的p型半導(dǎo)體區(qū)33。器件隔離 區(qū)23由p型半導(dǎo)體區(qū)形成。
用于連接白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls (Dlsl, Dls2)的滿溢 通路22以p-或者n-區(qū)(即本示例中的n-區(qū))形成在器件隔離區(qū)23中。 位于沒有像素晶體管Tr形成在其表面?zhèn)鹊膮^(qū)域下方的滿溢通路22可以形成在相對淺的區(qū)域中，如圖5B所示。作為對比，位于像素晶體管Tr形成在其 表面?zhèn)鹊膮^(qū)域下方的另 一個滿溢通路22可以形成在距離像素晶體管Tr相對 深的區(qū)域中，如圖5C所示。
光電二極管PD (PDc, PDw)和二極管(Dls)每個由具有相同面積和 相同雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體區(qū)域形成。也就是，光電二極管PD和二極管(Dls) 可以形成為具有相同量的飽和電荷。
接著，將描述根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像裝置的運行。當(dāng)光入射 到白色光電二極管PDw上時，信號電荷積累在白色光電二極管PDw中。如 果白色光電二極管PDw迅速飽和，則額外的信號電荷越過滿溢勢壘(J)V并 通過滿溢通路22進(jìn)入到鄰近的遮光二極管Dls (Dlsl, Dls2),并隨后積累 在遮光二極管中，如圖8A和8B所示。因此，白色像素2w的飽和電荷等于 三個二極管中積累量的總和，該三個二極管例如為具有入射光的白色光電二 極管PDw和相鄰的兩個遮光二4及管Dlsl和Dls2。另一方面，對于每個顏色 光電二極管PDr、 PDg和PDb,信號電荷的積累可以達(dá)到單獨的信號電荷飽 和量。
通過根據(jù)第一實施例的固態(tài)成像裝置，由于白色像素2w的飽和電荷等 于三個二極管(例如一個白色光電二極管PDw和相鄰的兩個遮光二極管Dlsl 和Dls2)的總和，所以紅色、綠色和藍(lán)色像素2r、 2g和2b的輸出信號范圍 不會減小，即使白色像素2w的信號電荷迅速飽和。也就是，顏色像素2r、 2g和2b的光電二極管PDr、 PDg和PDb可以被利用到達(dá)各自的飽和電荷額 定量。如圖6A和6B的示意圖所示，來自白色像素2w和遮光像素21s的信 號電荷以三個獨立的步驟通過各自的轉(zhuǎn)移晶體管Trl讀出至每個浮置擴散區(qū) (FD ) 28。因此，由于如前所述光電二極管PDc和PDw以及二極管PDlsl 和PDls2的尺寸相同，所以二極管可以通過以相同的設(shè)計制造。此外，由于 對于白色像素2w和每個顏色像素2c (2r、 2g、 2b )來說光電二極管的飽和 電荷量相同，所以輸出信號范圍D也變得相同(見圖6B)。
順帶提及，還檢測了示于圖7A和7B中的進(jìn)一步試驗性的結(jié)構(gòu)，其中 白色光電二極管PDw通過結(jié)合遮光二極管和白色光電二極管而形成，并且 一個單元通過使白色光電二極管PDw和顏色光電二極管PDc分為一組而形 成。在該結(jié)構(gòu)中，由于光電二極管PDc和PDw之間的尺寸彼此顯著不同， 所以有必要進(jìn)行為適合運行而進(jìn)行各自的優(yōu)化。也就是，為了讀出白色光電二極管PDw中位于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)移柵極電極25的區(qū)域中的電荷el (見圖7A)，需 要產(chǎn)生電勢梯度使得朝向轉(zhuǎn)移柵極電極下方的溝道區(qū)域電勢變得更深。此 外，通過該結(jié)構(gòu)，由于白色信號的范圍Dw與顏色信號的范圍Dc相比較大， 如圖7B所示，所以隨后來自白色光電二極管的信號電荷在浮置擴散區(qū)(FD ) 滿溢，除非電荷-電壓轉(zhuǎn)換速率下降。如果電荷-電壓轉(zhuǎn)換速率下降，則在低 的照明水平下裝置更容易受到電路噪音的影響。與上述的試驗性結(jié)構(gòu)相反， 注意到剛才提到的不便并未在根據(jù)本發(fā)明上述實施例的裝置中發(fā)生。
此外，白色像素2w的光電二極管PDw以及紅色像素2r、綠色像素2g、 藍(lán)色像素2b的光電二極管PDr、 PDg和PDb并未彼此鄰近放置，并且遮光 二極管Dls形成在它們之間。結(jié)果，在紅色像素2r、綠色像素2g和藍(lán)色像 素2b中從一個光電二極管到另一個的電學(xué)混色，以及由遮光布線下方的光 折射和/或反射引起的光學(xué)混色得到了改善。此外，從白色像素2w到顏色像 素2c(2r、 2g、 2b)的信號電荷泄漏被抑制。即，可以改善顏色分離的能力。
如上所述，通過根據(jù)本實施例的固態(tài)成像裝置，通過包括白色像素2w 而尋求靈敏度的改善的同時，可以合適地處理強入射光并改善每個顏色像素 2r、 2g和2b的輸出信號范圍。也就是，可以改善發(fā)光度信號靈敏度，而不 會犧牲顏色信號的動態(tài)范圍。此外，通過設(shè)置遮光二極管Dls,可以抑制混 色并且可以改善顏色的再現(xiàn)性。
在本發(fā)明的一個實施例中，遮光區(qū)域的面積增加，空間上對應(yīng)于接收光 的光電二極管的開口的面積與芯片上透鏡的面積相比相對較小。也就是，這 意味著變得難以聚光。尤其是對于CMOS圖像傳感器，由于在最上層上的 金屬布線的開口和光電二極管的光接受表面之間距離相對較大，所以金屬布 線的開口的減小會造成降低靈敏度的危險。在開口減小以及到光電二極管表 面的距離增大的情形下，設(shè)置內(nèi)部透鏡和/或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是有效的。
圖9是圖解用于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的設(shè)置有內(nèi)部透鏡的固態(tài)成像裝 置的另一個構(gòu)造的示意圖。示于圖9中的第二實施例的結(jié)構(gòu)具有相似于圖4 的像素構(gòu)造，其中構(gòu)造為接收入射光的像素，例如白色像素2w和顏色像素 2c (2r、 2g、 2b)代表地由單獨的符號(光電二極管PDA)示出，遮光像素 21s代表地由另一個單獨的符號(二極管Dls)示出。在在先形成的像素的上 部，通過包括多層金屬布線37以及形成在其間的層間絕緣膜36而形成多級 布線層38，濾色器40和芯片上透鏡21形成在該結(jié)構(gòu)上，并且在下方的平坦化膜39位于多級布線層38和濾色器40之間。最上層的金屬布線37也用作 遮光膜，遮光二極管Dls通過最上層的金屬布線37來遮蔽光。最上層的金 屬布線37的開口的面積37A形成為與芯片上透鏡21相比相對地較窄。
在本實施例中，內(nèi)部透鏡43由具有不同折射率的絕緣膜(例如氮化硅 膜41和氧化硅膜42)形成在與包括于接受光的像素中的光電二極管PDa相 對的區(qū)域中，例如在多級布線層38和濾色器40之間。作為內(nèi)部透鏡43,可 以合適地使用凸透鏡或者凹透鏡。由于其它的結(jié)構(gòu)特征類似于前述的根據(jù)第 一實施例的結(jié)構(gòu)特征，所以在此省略其重復(fù)描述。
根據(jù)第二實施例的固態(tài)成像裝置，通過形成內(nèi)部透鏡43，即使在開口 37A相對較窄的情形下，也可以改善到光電二極管PDa的聚光效率，并可以 防止靈敏度的下降。此外，由于其具有相似于第一實施例的像素結(jié)構(gòu)，所以 與第一實施例結(jié)構(gòu)的前述效果相似的效果也可以通過本結(jié)構(gòu)得到，例如改善 發(fā)光度信號靈敏度而不犧牲顏色信號的動態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色 的再現(xiàn)性等。
圖10是圖解用于根據(jù)本發(fā)明第三實施例的設(shè)置有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像 裝置的構(gòu)造的示意圖。在本示例中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)置有內(nèi)部透鏡。示于圖10 中的第三實施例的結(jié)構(gòu)具有類似于圖4的像素構(gòu)造，其中接收入射光的像素， 例如白色像素2w和顏色像素2c (2r、 2g、 2b )由單獨的符號即光電二極管 PDa代表，遮光像素21s由另一個單獨的符號即二極管Dls代表。以與上述 參考圖9描述的方式相似的方式，通過包括多層金屬布線37以及形成在其 間的層間絕緣膜36而在在先形成的像素上形成多級布線層38,濾色器40 和芯片上透鏡21形成在該結(jié)構(gòu)上，并且在下方的平坦化膜39在多級布線層 38和濾色器40之間。最上層的金屬布線37也用作遮光膜，遮光二極管Dls 通過最上層的金屬布線37來遮蔽光。最上層的金屬布線37的開口的面積 37A形成為與芯片上透鏡21相比相對地較窄。
在本實施例中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44形成在與包括于接受光的像素中的光電二 極管PDA相對的區(qū)域中，即在形成在多級布線層38中的開口區(qū)域中。如圖 ll所示，例如，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44可以使用具有彼此不同的折射率的絕緣膜來形 成核部分44a和蓋部分(clad part) 44b來制造。可選4奪地，如圖12所示， 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以通過在多級布線層38中的開口區(qū)域的側(cè)壁上形成反射金屬膜 45來制造。此外，內(nèi)部透鏡43使用彼此具有不同折射率的絕緣膜(例如氮
15化硅膜41和氧化硅膜42 )形成在多級布線層38和濾色器40之間與光電二 極管PDA相對的區(qū)域中。作為內(nèi)部透鏡43,可以合適地使用凸透鏡或者凹 透鏡。由于其它的結(jié)構(gòu)特征類似于前述的根據(jù)第一實施例的結(jié)構(gòu)特征，所以 在此省略其重復(fù)描述。順帶提及，可選擇地，只具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44的構(gòu)造也 是可以的，省略內(nèi)部透鏡43。
根據(jù)第三實施例的固態(tài)成像裝置通過形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)44,即使在開口 37A 相對較窄的情形下，也可以改善到光電二極管PDa的聚光效率，并可以防止 靈敏度的下降。此外，由于其具有類似于第一實施例的像素結(jié)構(gòu)，所以與第 一實施例結(jié)構(gòu)的前述效果相似的效果也可以通過本結(jié)構(gòu)得到，例如改善發(fā)光 度信號靈敏度而不犧牲顏色信號的動態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再 現(xiàn)性等。
圖13是圖解根據(jù)本發(fā)明第四實施例的固態(tài)成像裝置的示意圖。在本實 施例中，包括于遮光像素21s中的二極管Dls的面積形成為小于其它二^f及管 (例如包括于白色像素2w和顏色像素2r、 2g和2b中的二極管)中的至少 一個的面積。在本示例中，其形成為小于白色像素和顏色像素的光電二極 管——即PDW和PDc ( PDr、 PDg、 PDb )——的面積。由于固態(tài)成像裝置 的其它結(jié)構(gòu)特征與參考圖4的根據(jù)第一實施例的前述結(jié)構(gòu)特征相似，所以與 圖4對應(yīng)的部分由相同的表示方法示出，其重復(fù)描述在此省略。
在前述的第一實施例中，假設(shè)了正方形的布置來描述所有像素的光電二 極管和二極管。然而，遮光像素的二極管Dls (Dlsl、 Dls2)的飽和電荷量 不必與白色像素和顏色像素中的其它光電二極管PDw和PDc相同。例如， 在由于光譜特性而使來自白色像素的輸出成為來自綠色像素的輸出的大約 兩倍的情形下，飽和信號量可以通過減小遮光像素的二極管Dls的面積而在 白色像素和綠色像素之間平衡。
因此，通過根據(jù)第四實施例的固態(tài)成像裝置，根據(jù)光譜特性，飽和信號 量可以通過將遮光像素的二極管Dls的面積減小至小于白色像素和顏色像素 中的其它光電二極管PDw和PDc的面積而在白色像素和例如紅色像素、綠 色像素和藍(lán)色像素的其它像素之間平衡。具有開口的像素的光電二極管PDw 和PDc (例如白色和顏色像素的光電二極管)的面積可以通過減小遮光像素 的二極管Dls的面積而增加，這也可以導(dǎo)致對聚光特性的改善做出貢獻(xiàn)。在 通過遮光像素的二極管Dls的上述面積減小而騰出的區(qū)域中，可以配置除光
16電二極管之外的像素構(gòu)成元件。例如，這些元件可以是在CMOS圖像傳感
器情形下的像素晶體管，或者在CCD圖像傳感器情形下的垂直轉(zhuǎn)移寄存器。
此外，與第一實施例結(jié)構(gòu)的前述效果相似的效果也可以通過本結(jié)構(gòu)得到，例 如改善發(fā)光度信號靈敏度而不犧牲顏色信號的動態(tài)范圍、抑制混色并從而改 善顏色的再現(xiàn)性等。
在第四實施例的結(jié)構(gòu)中，也可以結(jié)合分別示于圖9和圖10中的上述內(nèi) 部透鏡和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖14是概括地圖解用于根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的固態(tài)成像裝置或 CMOS圖像傳感器的構(gòu)造的圖。本實施例的固態(tài)成像裝置通過布置多個組來 設(shè)置，在該多個組中除轉(zhuǎn)移晶體管之外的像素晶體管由多個像素共用，該多 個像素的每個設(shè)置有用作光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管，在本示例中，四個像
素設(shè)置了四個光電二極管(在下文，這種組被稱作共用像素)。
根據(jù)本實施例的固態(tài)成像裝置51包括成像部分3 (所謂的像素部分)， 其中以二維陣列布置有多個共用像素(sharing pixel) 52;圍繞成像部分配置 的外圍電路，例如垂直驅(qū)動單元4、水平轉(zhuǎn)移單元5和輸出單元6。每個共 用像素52包括用作光電轉(zhuǎn)換元件的多個光電二極管PD，即本示例中的四 個光電二極管PD;四個轉(zhuǎn)移晶體管； 一個重置晶體管； 一個放大晶體管和 一個選擇晶體管。
在共用像素52的電^4勾造中，如圖14所示，這四個光電二極管PD( PD1 、 PD2、 PD3、 PD4)分別與對應(yīng)的四個轉(zhuǎn)移晶體管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4 的源極連接，并且四個轉(zhuǎn)移晶體管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4的漏極與一個 重置晶體管Tr2的源極連接。用作形成在各轉(zhuǎn)移晶體管Trll、 Trl2、 Trl3和 Trl4和重置晶體管Tr2之間的電荷-電壓轉(zhuǎn)換裝置的公共浮置擴散區(qū)(FD ) 與一個放大晶體管Tr3的柵極連接。放大晶體管Tr3的源極與一個選擇晶體 管Tr4的漏極連接。重置晶體管Tr2和放大晶體管Tr3的漏極均與源電壓供 給單元連接。此外，選擇晶體管Tr4的源極與垂直信號線8連接。
行轉(zhuǎn)移信號(j)TRGl、 cf)TRG2、 (J) TRG3和4> TRG4分別施加至轉(zhuǎn)移晶 體管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4的柵極；行重置信號小RST施加至重置晶體 管Tr2的柵極；行選擇信號4> SEL施加至選擇晶體管Tr4的柵極。
由于垂直驅(qū)動單元4、水平轉(zhuǎn)移單元5、輸出單元6等的構(gòu)造與前面參 考圖3所描述的相似。所以其重復(fù)描述在此省略。此外，圖15A、 15B和15C是圖解根據(jù)本發(fā)明第五實施例的共用像素 52的平面構(gòu)造的示意圖。根據(jù)本實施例的一組共用像素52包括沿垂直和水 平方向各兩個、總共四個像素。該作為共用像素52的一個組對應(yīng)于上述的 圖4、 5A、 5B和5C的單元，并且共用像素包括紅色、綠色和藍(lán)色光電二 極管中的一個顏色光電二極管PDc; —個白色光電二^f及管PDw;和兩個遮光 二極管Dls (Dlsl、 Dls2)。
在本實施例中，如圖15A所示，公共浮置擴散區(qū)(FD) 54配置在結(jié)構(gòu) 的中部從而被共用。光電二極管PDw、 PDc和二極管Dlsl、 Dls2以2乘2 的布置配置，即它們中的兩個沿水平方向配置并且兩個沿垂直方向配置，從 而使公共浮置擴散區(qū)(FD ) 54在該結(jié)構(gòu)的中部。每個轉(zhuǎn)移柵極電極55 ( 551 、 552、 553和554 )形成在每個光電二極管的角部分中。位于中部的浮置擴散 區(qū)(FD) 54形成為十字形的平面形狀，在該十字形的中部具有高濃度區(qū)56 (在該示例中的n +區(qū))，在該十字形的每個臂部分具有低濃度區(qū)57 (在該 示例中的n區(qū))。為了要與這四個二極管PDw、 PDc、 PDlsl和PDls2公共地 連接，這里配置了具有n型源極區(qū)30/漏極區(qū)30和重置柵極電極26的重置 晶體管Tr2、具有n型源極區(qū)30/漏極區(qū)30和放大柵極電極27的放大晶體管 Tr3以及具有n型源極區(qū)30/漏極區(qū)30和選擇柵極電極28的選擇晶體管Tr4。
如圖15B (沿圖15A的線C-C截取的橫截面圖)和圖15C (沿圖15A 的線D-D截取的橫截面圖)所示，以與圖5B和5C相似的方式，每個光電 二極管PD這樣來形成通過在具有第一導(dǎo)電類型(本示例中為p型)的半 導(dǎo)體阱區(qū)31中設(shè)置具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型(即n型)并 作為電荷積累區(qū)的半導(dǎo)體區(qū)32,并且通過在n型半導(dǎo)體區(qū)32的表面?zhèn)冗M(jìn)一 步設(shè)置作為電荷積累層的p型半導(dǎo)體區(qū)33。器件隔離區(qū)23由p型半導(dǎo)體區(qū) 形成。
用于連接白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls ( Dlsl ， Dls2 )的滿溢 通路22以p-或者n-區(qū)(本示例中為n -區(qū))形成在器件隔離區(qū)23中。位 于沒有像素晶體管Tr形成在其表面?zhèn)鹊膮^(qū)域下方或者位于不橫跨像素晶體 管的區(qū)域中的滿溢通路22可以形成在相對淺的區(qū)域中，如圖15B和15C所示。
如圖15A、 15B和15C所示，光電二極管PD、 PDc、 PDw和二極管Dls (Dlsl、 Dls2)每個由具有相同面積和相同雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體區(qū)域形成。即，每個二極管形成為具有相同的飽和電荷量。然而，如前參考圖13所述，可
選擇地，二極管Dls的面積可以形成為小于其它光電二極管PDw和PDc的面積。
同樣地通過根據(jù)第五實施例的固態(tài)成像裝置，可以得到與第 一 實施例結(jié) 構(gòu)的前述效果相似的效果，例如改善發(fā)光度信號靈敏度而不犧牲顏色信號的 動態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再現(xiàn)性等。
此外，在第五實施例中，由于轉(zhuǎn)移柵極電極55 ( 551到554 )形成為類 似三角形的形狀(包括梯形)，具有面對浮置擴散區(qū)(FD) 54的凸出的頂部， 所以可以保證配置光電二極管的面積。因此，即使當(dāng)像素尺寸小型化時，入 射光也不會在聚光的過程中受轉(zhuǎn)移柵極電極妨礙并且可以充分保證飽和電 荷量。由于轉(zhuǎn)移柵極的溝道寬度形成為在浮置擴散區(qū)(FD) 54 —側(cè)比光電 二極管PD —側(cè)寬，所以可以兼顧轉(zhuǎn)移晶體管的截止特性(cutoff characteristics)和電荷轉(zhuǎn)移特性。也就是，溝道寬度的這種改變導(dǎo)致溝道電 勢的改變，并且產(chǎn)生電場使得從光電二極管PD側(cè)到浮置擴散區(qū)(FD) 54 的電勢變得較深。結(jié)果，改善了信號電荷的轉(zhuǎn)移。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管Trl 截止時難于產(chǎn)生泄漏電流。
該泄漏電流抑制的原因?qū)⒚枋鋈缦隆Ｔ跍系缹挾萕全部恒定的情形下， 溝道電勢改變的量在光電二極管PD側(cè)和浮置擴散區(qū)(FD) 54側(cè)相同。因 此，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極導(dǎo)通時，為了在溝道區(qū)域中施加轉(zhuǎn)移方向的電場而產(chǎn)生電勢 差，這使得即使轉(zhuǎn)移柵極截止也會引起大的電勢差量。作為對比，通過本實 施例的轉(zhuǎn)移柵極，由于在浮置漂移區(qū)(FD) 54側(cè)的電勢改變大，假設(shè)光電 二極管PD側(cè)和浮置擴散(FD) 54側(cè)之間的溝道電勢差和上述轉(zhuǎn)移柵極導(dǎo) 通時相同，所以轉(zhuǎn)移柵極截止時可以使得電勢差較小。也就是，轉(zhuǎn)移柵極截 止時浮置擴散(FD)側(cè)的溝道閉合程度加強，并由此泄漏電流減小。
接著，下面將描述根據(jù)本發(fā)明第六實施例的固態(tài)成像裝置。在上述的實 施例中，在設(shè)定照度和/或光閘(shutter)以使得信號電荷不泄漏至遮光像素 的條件下不需要讀出遮光像素中的信號電荷。
因此，根據(jù)本發(fā)明第六實施例的固態(tài)成像裝置構(gòu)造為當(dāng)為了不使信號電 荷泄漏至遮光像素而設(shè)定照度和/或光閘時遮光像素中的信號電荷不讀出。
根據(jù)第六實施例，要讀出的數(shù)據(jù)量可以減半。從而，如果保持幀速，則 電路的驅(qū)動頻率可以減半，即可以抑制功率消耗。此外，如果維持電路驅(qū)動頻率，則圖片圖像可以以兩倍的速度輸出。從而，與第一實施例結(jié)構(gòu)的前述 效果相似的效果也可以通過本結(jié)構(gòu)得到，例如改善發(fā)光度信號靈敏度而不犧 牲顏色信號的動態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再現(xiàn)性等。
本實施例的固態(tài)成像裝置也可以用于CCD圖像傳感器。圖16A、 16B
和16C是圖解根據(jù)本發(fā)明第七實施例的用于CCD圖像傳感器的固態(tài)成像裝
置的示意圖。圖16A、 16B和16C示意性地示出了像素結(jié)構(gòu)，具體為成像部 分中一個單元的像素結(jié)構(gòu)。
盡管這里在圖中未示出，正如通常已知的，根據(jù)本實施例的CCD圖像 傳感器可以通過包括多個二維布置的像素、CCD結(jié)構(gòu)的垂直移位寄存器、 CCD結(jié)構(gòu)的水平移位寄存器、和輸出單元來設(shè)置，其中垂直移位寄存器構(gòu) 造為讀出每個像素行的信號電荷并沿垂直方向這樣該信號電荷，水平移位寄 存器構(gòu)造為接收從每個垂直移位寄存器轉(zhuǎn)移的信號電荷并沿水平方向轉(zhuǎn)移 該信號電荷。
參考圖16A,在本實施例中， 一個單元通過包括沿垂直和水平方向各兩 個、總共四個像素而形成。即，遮光二極管Dlsl和顏色光電二極管PDc(PDr、 PDg、 PDb)沿第一列重復(fù)配置，白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls2 沿第二列重復(fù)配置。以與圖4相似的方式，作為一個單元的四個二極管布置 為使得顏色光電二極管PDc和白色光電二極管PDw沿一條對角線配置，兩 個遮光二極管Dlsl和Dls2沿另一條對角線配置。
對于顏色光電二極管PDc，紅色光電二極管PDr、綠色光電二極管PDg 和藍(lán)色光電二極管PDb重復(fù)地沿垂直方向配置，當(dāng)整體上觀察成像部分時形 成顏色光電二極管的拜耳布置。對應(yīng)于沿第一列的二極管序列，例如通過n 型轉(zhuǎn)移溝道63、柵極絕緣膜64和轉(zhuǎn)移電極65形成第一列的垂直轉(zhuǎn)移寄存器 61 (見圖16B);對應(yīng)于沿第二列的二極管序列，例如通過轉(zhuǎn)移溝道63、柵 極絕緣膜64和轉(zhuǎn)移電極65相似地形成第二列的另 一個垂直轉(zhuǎn)移寄存器62。
每個光電二極管PD通過包括例如成為電荷積累區(qū)的n型半導(dǎo)體區(qū)66 和在半導(dǎo)體區(qū)66的表面上的p+積累區(qū)67而形成。盡管這里省略了具體細(xì) 節(jié)，但是每個都包括光電二極管PD和垂直轉(zhuǎn)移寄存器的單元像素通過溝道 停止區(qū)彼此隔開，溝道停止區(qū)由p+區(qū)和p-型半導(dǎo)體阱區(qū)形成。
遮光二極管Dlsl和顏色光電二極管PDc的電荷讀出至第一列的垂直轉(zhuǎn) 移寄存器61,而白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls2的電荷讀出至第二列的垂直轉(zhuǎn)移寄存器62。
在形成單元的以2乘2的布置配置的四個二極管中，第一列中的遮光二 極管Dlsl和第二列中的白色光電二極管PDw通過滿溢通路22連接，第二 列中的白色光電二極管PDw和遮光二極管Dls2通過另 一個滿溢通路22連 接。在垂直轉(zhuǎn)移寄存器61上伸展的滿溢通路22形成在相對深的位置，如圖 16B所示(沿圖16A的線E-E截取的截面圖)；而不在垂直轉(zhuǎn)移寄存器61 和62上伸展的另 一個滿溢通路22形成在相對淺的位置中，如圖16C所示(沿 圖16A的線F-F截取的截面圖)。由于滿溢通路22的其它特征以及芯片上透 鏡、濾色器等的結(jié)構(gòu)類似于先前參考圖4所描述的，所以其重復(fù)描述在此省 略。
此外，對于根據(jù)本實施例的CCD圖像傳感器，也可以適當(dāng)?shù)匾胍恍?上述特征，例如使遮光二極管Dls的面積小于其它光電二極管的構(gòu)造、內(nèi)部 透鏡、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。
同樣地根據(jù)第七實施例的CCD成像傳感器，由于像素結(jié)構(gòu)與第一實施 例采用的像素結(jié)構(gòu)相似，所以可以得到相似的效果，例如改善發(fā)光度信號靈 敏度而不犧牲顏色信號的動態(tài)范圍、抑制混色并從而改善顏色的再現(xiàn)性等。
盡管已經(jīng)在上述實施例中描述了包括紅、綠和藍(lán)基色濾色器的顏色像素 結(jié)構(gòu)的示例，但是該結(jié)構(gòu)不局限于這些示例，顏色像素結(jié)構(gòu)可以包括青、洋 紅和黃互補色濾色器。
圖17是圖解設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明實施例的上述CMOS或者CCD固態(tài)成 像裝置的照相機的構(gòu)造的簡化示意圖。參考圖17,根據(jù)本實施例的照相機 70通過包括光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)透鏡)71、固態(tài)成像裝置72和信號處理電路73 而設(shè)置。作為要包括于照相機中的固態(tài)成像裝置72,可以采用具有上述實施 例中描述的像素結(jié)構(gòu)的任一個固態(tài)成像裝置，并優(yōu)選在第 一或第四實施例中 詳細(xì)描述的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實施例的照相機也可以還可以提供這樣的實施例 通過使光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)透鏡)71、固態(tài)成像裝置72和信號處理電路73模塊 化而形成照相機模塊。光學(xué)系統(tǒng)71在固態(tài)成像裝置72的成像表面上將光圖 像(入射光)成像。從而，信號電荷在固態(tài)成像裝置72的光電轉(zhuǎn)換元件中 積累固定的時間段。信號處理單元73對來自固態(tài)成像裝置72的輸出信號提 供大量的信號處理，隨后輸出處理了的信號。
通過本實施例的照相機，由于該照相機設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)
21成像裝置，可以得到高靈敏度和高輸出的圖片圖像。
根據(jù)本發(fā)明實施例，也可以提供各種電子裝置，例如包括圖17的上述 照相機或者照相機模塊的移動裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在權(quán)利要求或其等同特征的范圍內(nèi)，可以根 據(jù)設(shè)計需要和其他因素來進(jìn)行各種修改、組合、部分組合及替換。
本發(fā)明包含于2008年2月26日提交至日本專利局的日本專利申請JP 2008-045213涉及的主題，將其全部內(nèi)容引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1、一種固態(tài)成像裝置，包括包括元件組的成像部分，所述元件組包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長范圍內(nèi)的光信號分別轉(zhuǎn)換成電信號；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個可見光范圍和部分紅外光范圍的波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光；以及外圍電路，圍繞所述成像部分配置，其中在所述成像部分中，通過包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來對應(yīng)于一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在所述單元內(nèi)，所述白色光電轉(zhuǎn)換元件通過滿溢通路與所述遮光二極管元件電連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述單元通過包括沿垂直和水平方向各兩個、總共四個元件而形成，第 一個是所述白色光電轉(zhuǎn)換元件，第二個是一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件，第三個是 所述遮光二極管元件，第四個是另一個遮光二極管元件，在該單元內(nèi)，所述 白色光電轉(zhuǎn)換元件與所述一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件成對角線配置，兩個所述遮 光二極管元件的每個都通過滿溢通路與所述白色光電轉(zhuǎn)換元件電連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件的組配置為形成拜耳布置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中所述成像部分還包括芯片上透鏡，每個芯片上透鏡在空間上對應(yīng)于所述 一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn)換元件并配置為形成傾斜像素布置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括內(nèi)部透鏡以用作聚光結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括光學(xué)波導(dǎo)以用作聚光結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中所述遮光二極管元件的面積小于所述光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn) 換元件中至少 一個的面積。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中在所述成像部分中，浮置擴散區(qū)、放大晶體管和重置晶體管配置為被多 個所述元件共用。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述單元包括一個白色光電轉(zhuǎn)換元件和兩個遮光二極管元件。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件的組配置為形成拜耳布置。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括芯片上透鏡，每個芯片上透鏡在空間上對應(yīng)于所述一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn)換元件并配置為形成傾斜像素布置。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括內(nèi)部透鏡以用作聚光結(jié)構(gòu)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述成像部分還包括光學(xué)波導(dǎo)以用作聚光結(jié)構(gòu)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述遮光二極管元件的面積小于所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光 電轉(zhuǎn)換元件中至少 一 個的面積。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述第一波長范圍是藍(lán)色濾色器的波長范圍，所述第二波長范圍是綠色 濾色器的波長范圍，而所述第三波長范圍是紅色濾色器的波長范圍。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述第一波長范圍是青色濾色器的波長范圍，所述第二波長范圍是洋紅 色濾色器的波長范圍，而所述第三波長范圍是黃色濾色器的波長范圍。
17、 一種照相4幾，包括 固態(tài)成像裝置；光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)造為將入射光引導(dǎo)至包括在所述固態(tài)成像裝置中的光電轉(zhuǎn) 換元件；和信號處理單元，構(gòu)造為處理來自所述固態(tài)成像裝置的輸出信號； 其中所述固態(tài)成像裝置包括元件組，所述光電轉(zhuǎn)換元件組包括顏色光 電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長范圍內(nèi)的光信號分別轉(zhuǎn)換成 電信號；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個可見光范圍和部分紅外光范圍的波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光；并且其中通過包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來對應(yīng)于一個顏色 光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在所述單元內(nèi)，所述白色光電轉(zhuǎn)換元件通過滿溢 通路與所述遮光二極管元件電連接。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的照相機，其中所述單元通過包括沿垂直和水平方向各兩個、總共四個元件而形成，第 一個是所述白色光電轉(zhuǎn)換元件，第二個是所述一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件，第三 個是所述遮光二極管元件，第四個是另一個遮光二極管元件，在該單元內(nèi)， 所述白色光電轉(zhuǎn)換元件與所述一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件成對角線配置，兩個所 述遮光二極管元件的每個通過滿溢通路與所述白色光電轉(zhuǎn)換元件電連接。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的固態(tài)成像裝置，其中 所述顏色光電轉(zhuǎn)換元件的組配置為形成拜耳布置。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的固態(tài)成像裝置，其中所述固態(tài)成像裝置還包括芯片上透鏡，每個芯片上透鏡在空間上對應(yīng)于 所述一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件和所述白色光電轉(zhuǎn)換元件并配置為形成傾斜像 素布置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像裝置和照相機。該固態(tài)成像裝置包括元件組，該元件組至少包括顏色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在第一、第二和第三波長范圍內(nèi)的光信號分別轉(zhuǎn)換成電信號；白色光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)造為將在包括整個可見光范圍和部分紅外光范圍的波長范圍內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；和遮光二極管元件，構(gòu)造為被遮光。通過包括白色光電轉(zhuǎn)換元件和遮光二極管元件來對應(yīng)于一個顏色光電轉(zhuǎn)換元件而形成單元，在該單元內(nèi)，白色光電轉(zhuǎn)換元件通過滿溢通路與遮光二極管元件電連接。
文檔編號H04N5/374GK101521216SQ200910008380
公開日2009年9月2日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者工藤義治 申請人:索尼株式會社