專利名稱：固態(tài)圖象傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)圖象傳感器以及使用相同裝置的一種圖象檢出系統(tǒng)，尤其涉及這樣一種固態(tài)圖象傳感器它具有多個按照行和列的方向排成陣列的光電轉換部件；一個電荷轉移裝置，用于轉移在該光電轉換部件中產生的諸信號電荷；以及一個放大裝置，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的信號電荷相對應的一個信號，并輸出該信號。
有許多種傳統(tǒng)的固態(tài)圖象傳感器(或檢出裝置)，它們使用光電二極管作為光電轉換部件，并使用一個FET或CCD來移動存儲在該光電二極管中的光載流子。這些固態(tài)圖象傳感器被用于各種設備，例如太陽能電池、圖象照相機、復印機和傳真設備，并用于改進這些設備的轉換效率和集成密度。
一種FET移動方案的裝置被稱為MOS固態(tài)圖象傳感器。例如，在日本的09-46596號延遲公開專利申請中就公開了一種稱為CMOS傳感器的固態(tài)圖象傳感器。以下簡要描述該安排方案。
附

圖1是一張示意圖，顯示了與日本的09-46596號延遲公開專利申請的附圖8所披露的一種CMOS傳感器中的一個像素相對應的一種像素安排方案。
如附圖1所示，一個像素具有一個光電二極管PD；一個轉移開關MS11，用于轉移來自該光電二極管PD的諸信號電荷；一個放大裝置MS14，用于放大該轉移信號，并輸出該信號；一個選擇開關MS13，用于選擇該像素；以及一個復位開關MS12，用于清除殘余的諸信號電荷，并將其復位為一個電位VR。信號φTX、ΦRES、φSEL分別用于控制該轉移開關MS11、復位開關MS12和選擇開關MS13。
對于上述的固態(tài)圖象傳感器，并沒有披露一個像素的各部件(轉移開關、放大裝置、選擇開關和復位開關)的優(yōu)化布局。根據本發(fā)明的發(fā)明人的研究，在像素部件或互連的某些安排下，來自信號φRES或φSEL的互調失真會引起一個問題，即由于互連導致填充因數降低，或者由于互連的存在，使得電容量增大，導致靈敏度降低。
本發(fā)明的目的在于提供一種圍繞一個光電轉換部件的各部件的優(yōu)化布局。
為了達到上述目的，根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種固態(tài)圖象傳感器，它包含光電轉換部件；電荷轉移裝置，用于轉移在該光電轉換部件中產生的諸信號電荷；以及放大裝置，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號，并輸出該信號；其中，一組光電轉換部件、一組電荷轉移裝置和一組放大裝置是以行或/和列的方向排列的，并且，彼此間很靠近的該電荷轉移裝置和該放大裝置被互相連接。
根據本發(fā)明的另一個方面，提供了一種固態(tài)圖象傳感器，其中，一組光電轉換部件按照行和列的方向排列，與該光電轉換部件相對應，用于轉移在該光電轉換部件中所產生的諸信號電荷的電荷轉移裝置也是按照行和列的方向排列的，用于復位該電荷轉換裝置或者用于同時復位該電荷轉移裝置以及對應于該電荷轉移裝置的諸光電轉換部件的復位裝置被安排在該電荷轉移裝置的一個陣列方向的一側，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號的放大裝置被安排在該電荷轉移裝置的該陣列方向的另一側。
仍然根據本發(fā)明的另一個方面，提供了一種固態(tài)圖象傳感器，其中，一組光電轉換部件按照行和列的方向排列；用于轉移在該光電轉換部件中產生的諸信號電荷的電荷轉移裝置，以及用于復位該電荷轉移裝置或者用于同時復位該電荷轉移裝置以及諸光電轉換部件的復位裝置被安排在環(huán)繞諸光電轉換部件的一個行和列的方向上，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號并輸出該信號的所述放大裝置被安排在另外一個方向上，這個方向不同于所述電荷轉移裝置以及所述復位裝置環(huán)繞著它而被安排的那個方向，或者將所述放大裝置安排在沿著一根對角線的方向環(huán)繞另一個光電轉換部件的另一個方向上，其中，所述放大裝置被安排在最靠近所述的一個光電轉換部件的一側。
仍然根據本發(fā)明的另一個方面，提供了一種包含一個固態(tài)圖象傳感器的圖象檢出系統(tǒng)，包括光電轉換部件；電荷轉移裝置，用于轉移在該光電轉換部件中產生的諸信號電荷；以及放大裝置，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號，并輸出該信號；其中，一組光電轉換部件、一組電荷轉移裝置和一組放大裝置是以行或/和列的方向排列的，并且彼此間很靠近的該電荷轉移裝置和該放大裝置被互相連接；以及一個信號處理電路，用于處理從該固態(tài)圖象傳感器輸出的信號。
根據上述安排方案，可以得到較高的的填充因數和較高的靈敏度。
本發(fā)明的其它目的、特點和優(yōu)點在以下的說明和附圖中是顯而易見的。
附圖1顯示了一個固態(tài)圖象傳感器的一個像素；附圖2顯示了一個固態(tài)圖象傳感器的示意性布局；附圖3顯示了一個固態(tài)圖象傳感器的另一個示意性布局；附圖4顯示了根據第一個實施例的一個固態(tài)圖象傳感器的示意性布局；附圖5顯示了根據第一個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的一個特定布局；附圖6顯示了根據第一個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的該特定布局；附圖7顯示了根據第二個實施例的一個固態(tài)圖象傳感器的示意性布局；附圖8顯示了根據第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的該示意性布局的一個修改方案；附圖9顯示了根據第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的該示意性布局的另一個修改方案；附圖10仍然是根據第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的該示意性布局的另一個修改方案；附圖11仍然是根據第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的該示意性布局的另一個修改方案；附圖12顯示了根據第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的一個特定布局；附圖13顯示了根據第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的該特定布局；附圖14顯示第一和第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的一個像素部分的電路安排；附圖15顯示了該該固態(tài)圖象傳感器的另一個像素；附圖16顯示了根據第三個實施例的一個固態(tài)圖象傳感器的示意性布局；和附圖17顯示第一到第三個實施例中使用了一個該固態(tài)圖象傳感器的一個圖象檢出系統(tǒng)。
優(yōu)選實施例的描述以下描述本發(fā)明的諸實施例。在描述之前，先描述本發(fā)明的技術背景。
作為一個固態(tài)圖象傳感器的一個像素的安排，首先描述帶有一個光電二極管(PD)、一個轉移開關(TX)、一個浮動擴散器(FD)、一個復位開關(RES)、一個復位電源(VR)、一個選擇開關(SEL)、一個放大裝置(SF)、一個輸出部件(OUT)和一個VDD電源(VDD)的安排方案。
在這個固態(tài)圖象傳感器中，為了增大該光電二極管(PD)部件的面積，以存儲在該陣列像素中經過光電轉換后的電荷，除該光電二極管部件(PD)之外的部件必須以高密度設置于該光電二極管部件(PD)的周圍。為了提高該像素的填充因數，最好降低觸點的數目，并使所有的像素都具有相等的擴散區(qū)域。
根據上述觀點，當將一個VDD電源用作復位電源時，最好使用附圖2所示的安排方案。如果該復位電源(VR)在安排上不依賴于該VDD電源，則最好使用附圖3所示的安排方案。
然而，當該浮動擴散器FD和該放大裝置的門連接在一起時，使用附圖2或附圖3所示的安排方案有以下缺點(1)在附圖2或附圖3所示的安排方案中，用于控制該轉移開關(TX)的一個信號φTX的控制線、用于控制該復位開關(RES)的一個信號φRES的控制線和用于控制該選擇開關(SEL)的一個信號φSEL的控制線，在相鄰的光電二極管部件PD之間的水平方向(列方向)上延展。
為了將該浮動擴散器(FD)和該放大裝置(SF)的門連接在一起，而不增加該控制線延展處的諸光電二極管部件PD之間的間隔，該浮動擴散器和該放大裝置是通過在該復位開關(RES)的門或該選擇開關(SEL)的門上方延展的一個多層互連線而連接在一起。
然而，在這種情況下，從該信號φRES或φSEL到該浮動擴散器(FD)的互調失真會帶來問題。
(2)當需要在避開該復位開關RES或選擇開關SEL的門的條件下形成一根互連線時，它必須在該光電二極管部件PD之上被形成，這樣就降低了填充因數。
(3)如果該浮動擴散器(FD)和該放大裝置(SF)的門之間的互連線很長，則該浮動擴散器FD的電容量增加，從而降低了靈敏度。
為了在保持附圖2或附圖3所示的安排方案的同時解決以上的問題，本發(fā)明是經過發(fā)明人的廣泛研究和審視后作出的。
以下描述本發(fā)明的實施例。
在以下待描述的附圖中，加于PD、TX、SEL、OUT、RES、SF和FD的后綴表示非用于轉移、輸出和復位來自一個光電二極管部件PD的信號的部件，而是圍繞一個光電二極管部件PD排列的、通常被認為是一個像素的部件。
這種類型的傳感器的布局刊載于1997年2月出版的IEEE固態(tài)電路雜志，第32卷，第2期，187-197頁上的“用于高集成圖象系統(tǒng)的CMOS有源像素圖象傳感器”一文中，如該文附圖6和附圖9(使用光門的CMOS傳感器)所示或者附圖10(使用光電二極管的CMOS傳感器)所示。這種類型的傳感器的一個像素幾乎呈矩形或類似于矩形的形狀，含有一個轉移開關TX和一個復位開關RES的像素部件分布在該光電轉換部件，如一個光電二極管部件PD周圍。因此，在本發(fā)明中，帶有一個光電二極管部件PD2、一個轉移開關TX2、一個浮動擴散器FD2、一個復位開關RES2、一個選擇開關SEL2、一個放大裝置SF2和一個輸出部件OUT2的安排，可以看成是一個像素，因而，一個信號可以從具有該光電二極管部件PD2的像素，使用另一個像素的放大裝置SF1或SF3輸出。
附圖4顯示了本發(fā)明的第一個實施例的示意性布局。該實施例與附圖2所示的使用VDD電源作為復位電源的安排方案相對應。在該實施例中，如附圖4所示，為了讀出來自該光電二極管部件PD2的信號，使用放大裝置SF1和相鄰光電二極管部件PD1一側的輸出部件OUT1，圍繞該光電二極管部件PD2的浮動擴散器FD2是與該光電二極管部件PD2一側的放大裝置SF1相連的。
在這一安排中，該互連線比該浮動擴散器FD2和該放大裝置SF2的門相連時的互連線要短，而且該互連線不在該復位開關RES2的門或該選擇開關SEL2的門的上方延展。因此，上述問題(1)-(3)便得以解決。
附圖5和附圖6更加詳盡地顯示了附圖4所示的布局。附圖5顯示了一個不用第二鋁層作為上部互連線的布局。附圖6顯示了包含第二鋁層作為上部互連線的布局。附圖5和附圖6只顯示了四個像素。以下僅描述從該光電二極管部件PD2讀出的信號，但它可應用于其余的光電二極管部件。
如附圖5所示，該轉移開關TX2、浮動擴散器FD2、復位開關RES2、選擇開關SEL2、放大裝置SF2和輸出部件OUT2圍繞在該光電二極管部件部件PD2的周圍。一個同樣用作復位電源的VDD電源放置于該復位開關RES2和選擇開關SEL2之間。附圖5中以粗線標出的區(qū)域是有源區(qū)域。
在本實施例中，來自該光電二極管部件PD2的信號不是通過該放大裝置SF2和輸出部件OUT2輸出，而是通過排列在相同行上的光電二極管部件PD1一側的輸出部件OUT1輸出的。為了這一目的，光電二極管部件PD2一側的浮動擴散器FD2和光電二極管部件PD1一側的放大裝置SF1，通過一個多晶硅層和一個第一鋁層連接在一起。該放大裝置SF1和輸出部件OUT1被形成于與該光電二極管PD1相同的有源區(qū)域內。
根據本實施例，浮動擴散器FD和放大裝置SF之間的互連線變短，而且該互連線并非排列在該復位開關RES的門或該選擇開關SEL的門上方。此外，在該實施例中，浮動擴散器FD2和放大裝置SF1之間的互連線在信號φnSEL的控制線和信號φnRES的控制線之間延展，從而防止了該輸出信號受信號φnSEL或信號φnRES的影響，如附圖6所示。
附圖7顯示了本發(fā)明的第二個實施例的示意性布局。這個實施例對應于圖3所示的安排，它具有一個不依賴于一個VDD電源的復位電源。如附圖7所示，在本實施例中，為了使用一個放大裝置(SF3)和在對角線方向圍繞光電二極管部件PD3的輸出部件(OUT3)輸出來自光電二極管部件PD2的信號，圍繞該光電二極管部件PD2的一個浮動擴散器FD2與圍繞該光電二極管部件PD3的放大裝置SF3連接在一起。
在該實施例中，該互連線變短，并且不在復位開關RES2的門上方延展，從而上述問題(1)-(3)，如同第一個實施例一樣，便得以解決。
此外，根據本實施例，即使使用多層互連線，將該互連線排列在信號φSEL的控制線上，也不會產生互調失真。更特別地，在本實施例中，即使用于控制選擇開關(SEL)的信號φSEL的控制線在該浮動擴散器FD2的上方延展，該控制線也不與該選擇開關SEL3相連，而是與下一個上部行上的選擇開關SEL2相連(一個選擇脈沖信號并沒有施加于該選擇開關SEL2)，從而沒有互調失真產生。
可以針對第二個實施例作出如下所述的各種修改方案。
(Ⅰ)如附圖8所示，放大裝置SF和選擇開關SEL被反過來設置。
(Ⅱ)如附圖9所示，轉移開關TX2、浮動擴散器FD2、復位開關RES2和復位電源VR被放置在該光電二極管部件PD2的上側，該浮動擴散器FD2與上部行的放大裝置SF(未畫出)相連。
(Ⅲ)如附圖10所示，該選擇開關SEL、輸出部件OUT、VDD電源VDD和放大裝置SF位于該光電二極管部件PD的左側。
(Ⅳ)如附圖11所示，該浮動擴散器FD位于圖的右側，該轉移開關TX、浮動擴散器FD、復位開關RES和復位電源VR的安排正好與附圖7所示的安排相反，并且該浮動擴散器FD與下側的光電二極管部件PD相連。
在上述附圖中，該光電二極管部件PD呈矩形。然而，該光電二極管部件PD不必總是呈這種形狀，它可以是任何形狀，只要該形狀能夠最大限度地存儲電荷即可。
附圖12和附圖13更詳盡地顯示了附圖7所示的布局。附圖12顯示了不用一個第二鋁層作為上部互連線的布局。附圖13顯示了包含一個第二鋁層作為上部互連線的布局。附圖12和附圖13只顯示了四個像素。以下僅描述從該光電二極管部件PD2讀出的信號，它同樣可應用于其余的光電二極管部件。
如附圖12所示，轉移開關TX2、浮動擴散器FD2、復位開關RES2、選擇開關SEL2、放大裝置SF2和輸出部件OUT2被放置在該光電二極管部件PD2的周圍。復位電源VR和VDD電源與該復位開關RES2和選擇開關SEL2相鄰放置。附圖12中以粗線標出的兩個區(qū)域是有源區(qū)域。
在這個實施例中，來自光電二極管PD2的信號不是通過該放大裝置SF2和輸出部件OUT2輸出的，而是通過在對角線方向圍繞該光電二極管PD3的放大裝置SF3和輸出部件OUT3輸出的。為了這一目的，圍繞該光電二極管PD2的浮動擴散器FD和圍繞該光電二極管PD3的放大裝置SF3通過一個多晶硅層和一個第一鋁層連接在一起。
根據本實施例，浮動擴散器FD和放大裝置SF之間的互連線變短，而且該互連線并非排列在該復位開關RES的門或該選擇開關SEL的門的上方。
在該實施例中，選擇開關SEL3的門與信號φnSEL的控制線相連。基于這一原因，即使信號φn+1SEL的控制線延伸到該浮動擴散器FD2的上方，也不會產生互調失真問題。
附圖14顯示了第一和第二個實施例的該固態(tài)圖象傳感器的一個像素部分的電路安排。
附圖14顯示了一個4×4像素安排，以及一個與附圖1所示的安排相同的像素。
本發(fā)明并不局限于附圖1所示的像素安排。正如第三個實施例那樣，一個選擇裝置可以連接在一個放大裝置和一個輸出部件之間，如附圖15所示。
附圖16顯示了一個具有附圖15所示像素安排的固態(tài)圖象傳感器(或檢出裝置)的布局。
在附圖16所示的布局中，VDD電源VDD和輸出部件OUT與附圖2中所示的布局的對應部件正好顛倒。對于這一布局，該互連線比連接浮動擴散器FD2和放大裝置FD2的門的互連線要短，所以，該互連線并非排列在復位開關RES2的門和選擇開關SEL2的門的上方。
作為第四個實施例，附圖17顯示了使用第一至第三個實施例中所描述的一個固態(tài)圖象傳感器的固態(tài)圖象檢出系統(tǒng)。如附圖17所示，該入射光透過一個光學系統(tǒng)71和一個光圈80，在一個固態(tài)圖象傳感器72上成像。光信息通過該固態(tài)圖象傳感器72上的一個像素陣列被轉換成電信號并輸出。該輸出信號由一個信號處理電路73根據預定的方案進行轉換并輸出。該已處理的信號由一個信息記錄裝置記錄或轉移到一個記錄系統(tǒng)/通信系統(tǒng)74中。該已記錄或已轉移的信號由一個復制系統(tǒng)77進行復制。光圈80、固態(tài)圖象傳感器72和信號處理電路73由一個時鐘控制電路75來控制。該光學系統(tǒng)71、時鐘控制電路75、記錄系統(tǒng)/通信系統(tǒng)74和復制系統(tǒng)77由一個系統(tǒng)控制電路76來控制。
如上所述，根據第一至第四個實施例，該浮動擴散器(FD)和放大裝置(SF)之間的互連線變短，并且該互連線并非排列在復位裝置(RES)的門和選擇裝置(SEL)的門的上方。因此，不會從信號φRES或φSEL產生互調失真，從而得到具有高填充因數和靈敏度的固態(tài)圖象傳感器以及使用該裝置的圖象檢出系統(tǒng)。
只要不背離本發(fā)明的精神和范圍，可以構筑出許多大不相同的實施例。應當理解，除所附權利要求書所規(guī)定的之外，本發(fā)明并不局限于本說明書中所描述的特定實施例。
權利要求
1.一種固態(tài)圖象傳感器，包括一個光電轉換部件；電荷轉移裝置，用于轉移在該光電轉換部件中產生的諸信號電荷；以及放大裝置，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號，并輸出該信號，其中，一組光電轉換部件、一組電荷轉移裝置和一組放大裝置是以行或/和列的方向排列的，以及彼此間很靠近的該電荷轉移裝置和該放大裝置被互相連接。
2.一種固態(tài)圖象傳感器，包括一組光電轉換部件，按照行和列的方向排列；電荷轉移裝置，用于轉移在該光電轉換部件中所產生的諸信號電荷，與所述諸光電轉換部件相對應，該電荷轉移裝置也是按照行和列的方向排列；復位裝置，用于復位所述電荷轉移裝置，或者所述電荷轉移裝置以及與所述電荷轉移裝置相對應的所述光電轉換部件，所述復位裝置排列在所述電荷轉移裝置的一個陣列方向的一側；以及放大裝置，用于放大與所述電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號，所述放大裝置排列在所述電荷轉移裝置的該陣列方向的另一側。
3.一種根據權利要求2的裝置，其中，所述光電轉換部件和所述電荷轉移裝置被形成于一個有源區(qū)域內，所述放大裝置被形成于包含另一個與所述光電轉換部件相鄰的光電轉換部件的另一個有源區(qū)域內。
4.一種根據權利要求2的裝置，其中，用于選擇所述放大裝置以便提供一個電壓的選擇裝置被安排在所述電荷轉移裝置的該陣列方向的另一側靠近所述放大裝置的位置上，并且有待于向所述復位裝置提供的該電壓以及一個復位電壓均由一個公共電源提供。
5.一種根據權利要求3的裝置，其中，用于選擇所述放大裝置以便提供一個電壓的選擇裝置被安排在所述電荷轉移裝置的該陣列方向的另一側靠近所述放大裝置的位置上，并且有待于向所述復位裝置提供的該電壓以及一個復位電壓均由一個公共電源提供。
6.一種固態(tài)圖象傳感器，包括一組光電轉換部件，按照行和列的方向排列；電荷轉移裝置，用于轉移在所述光電轉換部件中產生的諸信號電荷；以及復位裝置，用于復位所述電荷轉移裝置，或者所述電荷轉移裝置和所述光電轉換部件，所述電荷轉移裝置和所述復位裝置排列在圍繞該光電轉換部件的一個行和列的方向上；以及放大裝置，用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號并輸出該信號，所述放大裝置被安排在另外一個方向上，這個方向不同于所述電荷轉移裝置以及所述復位裝置環(huán)繞著它而被安排的那個方向，或者將所述放大裝置安排在沿著一根對角線的方向環(huán)繞另一個光電轉換部件的另一個方向上，其中，所述放大裝置被安排在最靠近所述的一個光電轉換部件的一側。
7.一種根據權利要求6的裝置，還包括選擇裝置，它被安排在跟每一個光電轉換部件的所述放大裝置相靠近的位置上，用于選擇所述放大裝置以提供一個電壓，以及在包含所述一個光電轉換部件的一個方向中的一個光電轉換部件陣列和包含所述另一個光電轉換部件的一個方向中的另一個光電轉換部件陣列之間，排列了一條第一控制線，用于控制所述一個光電轉換部件陣列的每個電荷轉移裝置，一條第二控制線，用于控制每個復位裝置，和一條第三控制線，用于控制與所述一個光電轉換部件陣列不同的光電轉換部件陣列的所述選擇裝置。
8.一種圖象檢出系統(tǒng)，包括(A)一個固態(tài)圖象傳感器，包括(a)一個光電轉換部件；(b)電荷轉移裝置，用于轉移在所述光電轉換部件中產生的諸信號電荷；以及(c)放大裝置，用于放大與所述電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號，并輸出該信號，其中，一組光電轉換部件、一組電荷轉移裝置和一組放大裝置是以行或/和列的方向排列的，以及彼此間很靠近的所述電荷轉移裝置和所述放大裝置被互相連接，以及(B)一個信號處理電路，用于處理從所述固態(tài)圖象傳感器輸出的信號。
全文摘要
為了優(yōu)化一個像素部分的布局,提供了一種固態(tài)圖象傳感器,包括一個光電轉換部件;一個電荷轉移部件,用于轉移在該光電轉換部件中產生的諸信號電荷;以及一個放大部件,用于放大與該電荷轉移裝置所轉移的諸信號電荷相對應的一個信號,并輸出該信號;其中,一組光電轉換部件、一組電荷轉移部件和一組放大部件是以行或/和列的方向排列的,并且彼此間很靠近的該電荷轉移部件和該放大部件被互相連接。
文檔編號H04N5/369GK1224971SQ9812544
公開日1999年8月4日 申請日期1998年12月25日 優(yōu)先權日1997年12月26日
發(fā)明者櫻井克仁, 須川成利, 上野勇武, 小川勝久, 小泉徹, 光地哲伸, 樋山拓己 申請人:佳能株式會社