[发明专利]固态图像摄取装置、半导体装置和相机系统

说明书

技术领域

本发明涉及固态图像摄取装置、半导体装置和相机系统。更具体而 言，本发明涉及包含规则排列的元件(例如，光电转换元件)的固态图像 摄取装置、半导体装置和相机系统。

背景技术

近年来，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器之类的固 态图像摄取元件已经被广泛用作诸如移动电话之类的各种移动终端中所包 含的图像捕获设备和诸如数字静止相机或数字视频相机之类的图像捕获设 备的图像输入装置(例如，参见日本未实审专利申请公布No.10- 126697)。

图4是示出CMOS图像传感器的示意图。CMOS图像传感器包括像素 阵列202和垂直扫描电路203，在像素阵列202中，许多像素201(每个 像素都包括光电转换元件)以矩阵形式排列，垂直扫描电路203用于逐行 地选择像素阵列202中的各个像素并且控制对像素的快门操作和读取操 作。CMOS图像传感器还包括列信号处理单元204，列信号处理单元204 用于从像素阵列202读出信号并且逐列地执行预定处理(例如，相关双采 样(CDS)处理、自动增益控制(AGC)处理和模/数转换处理)。此外， CMOS图像传感器包括水平扫描电路206和数字信号处理单元207，水平 扫描电路206用于逐个地选择信号处理单元204的信号并且将所选择的信 号提供给水平信号线205，数字信号处理单元207用于将从水平信号线 205馈送的信号转换成想要的输出数据格式。CMOS图像传感器还包括定 时发生器208，定时发生器208基于参考时钟生成各个单元的操作中所使 用的各种脉冲信号。在这里，CDS处理是指用于消除从像素晶体管的阈值 中的方差产生的固定模式噪声的处理。AGC处理是指自动增益控制处理。

如图5中所示，像素阵列202中所包括的每个像素201具有光电转换 元件(例如，光电二极管)101、转移晶体管102、复位晶体管103、放大 晶体管104和选择晶体管105。图5示出使用N-沟道MOS(NMOS)晶体 管作为晶体管102-105的示例电路。

转移晶体管102连接在光电二极管101的阴极和浮动扩散(FD)部分 106之间。转移晶体管102的栅极连接到被提供以转移栅极脉冲TG的转 移控制线111。复位晶体管103的漏极连接到电源Vdd，而其源极和栅极 分别连接到FD部分106和被提供以复位脉冲RS的复位控制线112。

放大晶体管104的栅极连接到FD部分106，而其漏极和源极分别连 接到电源Vdd和选择晶体管105的漏极。选择晶体管105的栅极连接到被 提供以选择脉冲SEL的选择控制线113，而选择晶体管105的源极连接到 垂直信号线216。垂直信号线216连接到用于向其供应恒定电流的恒定电 流源217，并且还连接到列信号处理单元204。

图6是示出像素中不包括放大晶体管104和选择晶体管105的一部分 的示意图。

在P-型衬底131的表面上形成N-型扩散区132、133和134。此外， 在P-型衬底131的表面上的N-型扩散区132和133之间的上方区域处形成 栅极135。此外，在N-型扩散区133和134之间的上方区域处形成栅极 136。通过未示出的栅极氧化膜(SiO₂)在衬底上形成栅极135和136。

根据图5和图6之间的对应关系，通过P-型衬底131与N-型扩散区 132之间的PN结形成光电二极管101。通过N-型扩散区132、N-型扩散区 133和设置在两者之间的栅极135形成转移晶体管102。通过N-型扩散区 133、N-型扩散区134和设置在两者之间的栅极136形成复位晶体管103。

N-型扩散区133用作FD部分106，并且电连接到放大晶体管104的 栅极。用作复位晶体管103的漏极的N-型扩散区134被提供以电源电位 Vdd。P-型衬底131的上表面(不包括光电二极管101)被覆盖以遮光层 137。

现在，将参考图6中所示的截面图和图7中所示的波形图描述像素 201的电路的操作。

如图6中所示，响应于利用光照射光电二极管101，根据光的强度诱 导了电子(-)与空穴(+)对(光电转换)。参考图7，在时间T1，选择 脉冲SEL被施加于选择晶体管105的栅极。同时，复位脉冲RS被施加于 复位晶体管103的栅极。结果，复位晶体管103导通，这在时间T2将FD 部分106复位至电源电位Vdd。