專利名稱：把光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在固態(tài)成象裝置中的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用一個(gè)閾值電壓調(diào)制類型的MOS圖象傳感器把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，這種方法用于攝象機(jī)、電子攝象機(jī)、圖象輸入攝象機(jī)、掃描器、傳真機(jī)等。
由于諸如CCD圖象傳感器和MOS圖象傳感器之類的半導(dǎo)體圖象傳感器在大批量生產(chǎn)中優(yōu)良，所以伴隨著精細(xì)圖案的進(jìn)步，半導(dǎo)體圖象傳感器已經(jīng)應(yīng)用于幾乎所有類型的圖象輸入裝置。
特別是在最近幾年，因?yàn)镸OS圖象傳感器的優(yōu)點(diǎn)，即與CCD圖象傳感器相比具有較小的功率消耗、和通過相同CMOS技術(shù)制造傳感器元件和外圍電路元件的能力，已經(jīng)再次認(rèn)識(shí)到MOS圖象傳感器的適用性。
考慮到這樣一種社會(huì)趨勢(shì)，本發(fā)明者一直在改進(jìn)MOS圖象傳感器，并且提出了一種關(guān)于在用于光學(xué)信號(hào)檢測的絕緣柵場效應(yīng)晶體管(下文，稱作用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOSFET或在一些情況下簡稱為MOSFET)溝道區(qū)域下具有載流子袋(高密度埋入層)25的傳感器元件的專利申請(qǐng)(日本專利申請(qǐng)No.Hei 10-186453)以得到其專利(登記號(hào)2935492)。
上述MOS圖象傳感器具有專利(登記號(hào)2935492)的圖8(a)中所示的電路構(gòu)造。進(jìn)行MOS圖象傳感器的一系列操作，以通過一個(gè)存儲(chǔ)時(shí)段、一個(gè)讀出時(shí)段及一個(gè)初始化時(shí)段，如圖8(b)中所示。在存儲(chǔ)時(shí)段期間，光學(xué)產(chǎn)生空穴由光照射產(chǎn)生，并且然后存儲(chǔ)在一個(gè)空穴袋25中。在讀出時(shí)段期間，檢測與光學(xué)產(chǎn)生空穴的存儲(chǔ)量成比例的光學(xué)信號(hào)。然后，在初始化時(shí)段期間，把一個(gè)高反向電壓施加到每個(gè)電極上，即柵極、源極和漏極上，并且排出存儲(chǔ)在空穴袋25中的光學(xué)產(chǎn)生空穴以完全刪除空穴存儲(chǔ)區(qū)域。
本發(fā)明者已經(jīng)提出了與根據(jù)專利(登記號(hào)2935492)的發(fā)明有關(guān)的各種新穎用途。根據(jù)這些用途，如本申請(qǐng)的圖8中所示，在存儲(chǔ)時(shí)段期間，把柵電極的電位(Vpg(VSCAN))設(shè)置到低電壓，就是說，一般為地電位，而把漏極電位(Vpd)和源極電位(Vps)設(shè)置為比柵極電位高，就是說在多數(shù)情況為3.3V。使用于光學(xué)信號(hào)檢測的耗盡型n溝道MSFET以上述方式保持截止?fàn)顟B(tài)(耗盡狀態(tài))，并且然后把在光電二極管中產(chǎn)生的光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到在溝道區(qū)域下的載流子袋25中。
然而，在以上存儲(chǔ)時(shí)段期間，與光學(xué)產(chǎn)生電荷具有相同類型的載流子可能有時(shí)從柵極絕緣膜與溝道區(qū)域之間的界面上的層排出。在這種情況下，從界面層排出的載流子流入載流子袋25中成為漏電流。因此，除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的空穴存儲(chǔ)在載流子袋25中。
在這樣一種情況下，如果為了增大靈敏度使圖案更精細(xì)，則通過即使按常規(guī)不產(chǎn)生問題的很小漏電流也把大量空穴存儲(chǔ)在載流子袋25中，因而有導(dǎo)致在圖象屏幕上產(chǎn)生光亮線，即所謂的白痕，的問題的擔(dān)心。
另外，即使不是由漏電流產(chǎn)生的光學(xué)產(chǎn)生電荷正常存儲(chǔ)在載流子袋25中，也可能有某些其中把比需要的多的光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在其中的情形。
在這種情況下，非選擇單元象素(單元)(Vpg=0)通過過多存儲(chǔ)的光學(xué)產(chǎn)生電荷進(jìn)入深耗盡狀態(tài)，因而升高源極電位。另一方面，在選擇的單元中，在存儲(chǔ)電極處于低級(jí)的情況下，源極電位降低，并且減小選擇和分辨的余量，因而導(dǎo)致所謂的模糊特性變壞，就是說，在圖象屏幕的垂直方向產(chǎn)生具有條形的亮帶。
本發(fā)明的目的在于提供一種把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，該方法能夠防止由于來自在柵極絕緣膜與溝道區(qū)域之間的界面層的電子排出由漏電流引起的所謂白痕的產(chǎn)生，并且能夠防止由過分存儲(chǔ)的光學(xué)產(chǎn)生電荷引起的模糊的產(chǎn)生。
本發(fā)明旨在把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法。用在存儲(chǔ)由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷的方法中的固態(tài)成象裝置的基本構(gòu)成包括一個(gè)單元象素，該單元象素包括一個(gè)光電二極管和相鄰光電二極管放置的一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測的絕緣柵場效應(yīng)晶體管(下文，絕緣柵場效應(yīng)晶體管稱作用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOS晶體管或簡單稱作MOSFET，并且在一些情況下術(shù)語“耗盡”可以添加到這些縮寫的前頭。)，其中在單元象素中，光電二極管和MOSFET分別形成在阱區(qū)域中，并且彼此連接，及光電二極管的摻雜區(qū)域和MOSFET的漏極區(qū)域彼此連接，而存儲(chǔ)光學(xué)產(chǎn)生電荷的載流子袋提供在MOSFET的源極區(qū)域的邊緣部分中的阱區(qū)域中。
在本發(fā)明中，通過光照射在光電二極管中產(chǎn)生的光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋中。在存儲(chǔ)時(shí)段A期間，耗盡型MOSFET的溝道區(qū)域填充有與源極區(qū)域具有相同電導(dǎo)類型的可運(yùn)動(dòng)載流子(設(shè)置在累積狀態(tài))，并且在防止自由電荷載流子從溝道區(qū)域上的界面層排出的同時(shí)，把光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋。在存儲(chǔ)時(shí)段的終止時(shí)段B期間，溝道區(qū)域設(shè)置在耗盡狀態(tài)，形成比把光學(xué)產(chǎn)生電荷從光電二極管111指向載流子袋的足夠強(qiáng)度強(qiáng)的電場，以把剩余的光學(xué)產(chǎn)生電荷進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到載流子袋中，并且使他們存儲(chǔ)在其中。
例如，在當(dāng)光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋、并且存儲(chǔ)在其中時(shí)的時(shí)段A期間，柵電極保持在正電位(例如2.0V)處，而源極區(qū)域和漏極區(qū)域保持在比柵電極的正電位低的正電位(例如1.6V)處。換句話說，在p型阱區(qū)域15b的情況下，在溝道區(qū)域中產(chǎn)生足夠的電荷(電子)，并因而把溝道區(qū)域設(shè)置在累積狀態(tài)。
因而，在溝道區(qū)域上的界面層上的空穴產(chǎn)生中心保持在非活動(dòng)狀態(tài)，并且防止界面層上捕獲的電荷(空穴)的排出。換句話說，由于不產(chǎn)生漏電流，所以抑制除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的空穴的存儲(chǔ)，因而能防止在圖象屏幕上所謂白痕的產(chǎn)生。
況且，在這樣設(shè)置柵電極從而把溝道區(qū)域設(shè)置在累積狀態(tài)的同時(shí)，改變漏極區(qū)域和源極區(qū)域的電位。對(duì)于電極和區(qū)域的這種施加電位升高在阱區(qū)域的表面上的電位，因而在載流子袋電位的底部與其頂部之間的電位差能設(shè)置得較低。特別是，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)源電極和漏電極的電位，把載流子袋的電位設(shè)置在適當(dāng)高度，同時(shí)溝道區(qū)域保持在累積狀態(tài)。因此，在以上時(shí)段A期間，形成過多的光學(xué)產(chǎn)生電荷以過流載流子袋，并且適當(dāng)?shù)乇３执鎯?chǔ)在載流子袋中的光學(xué)產(chǎn)生電荷的量，因而防止所謂的模糊。
注意，在當(dāng)光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋并且存儲(chǔ)在其中的終止時(shí)段B期間，柵電極保持在比在時(shí)段A期間柵電極的正電位低的正電壓(0V)處，而漏極區(qū)域保持在比漏極區(qū)域的正電位高的正電壓(例如3.3V)處。因而，溝道區(qū)域能設(shè)置在耗盡狀態(tài)，比把光學(xué)產(chǎn)生電荷從光接收部分運(yùn)動(dòng)到載流子袋的足夠電場強(qiáng)的電場能形成在阱區(qū)域中，及剩余光學(xué)產(chǎn)生電荷能存儲(chǔ)在載流子袋中而沒有任何離開。
通過如下構(gòu)造能更完整地防止所謂的白痕出現(xiàn)和在視頻屏幕上由漏電流引起的其他問題。
光電二極管形成在用作一個(gè)產(chǎn)生光學(xué)產(chǎn)生電荷的電荷產(chǎn)生區(qū)域和用作一個(gè)至載流子袋的電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域的阱區(qū)域中。在光電二極管中，第二電導(dǎo)類型的摻雜區(qū)域形成在第一電導(dǎo)類型的阱區(qū)域上，并因而光電二極管對(duì)于光學(xué)產(chǎn)生電荷具有所謂的埋入結(jié)構(gòu)。埋入結(jié)構(gòu)定義為這樣一種結(jié)構(gòu)，從而阱區(qū)域不顯現(xiàn)在半導(dǎo)體基片的表面上。這種埋入結(jié)構(gòu)導(dǎo)致防止在光電二極管中的光學(xué)產(chǎn)生電荷被捕獲到溝道區(qū)域上的界面層中?；蛘咚鼘?dǎo)致抑制除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的電荷排出溝道區(qū)域上的界面層外。
用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管帶有一個(gè)在阱區(qū)域上從摻雜區(qū)域延伸且與摻雜區(qū)域形成為一體的漏極區(qū)域。在把光電二極管上產(chǎn)生的第一電導(dǎo)類型的電荷載流子轉(zhuǎn)移到載流子袋期間、和在把光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在載流子袋中期間，保持柵電極的電位以便形成累積狀態(tài)，從而溝道攙雜層填充有主要第二電導(dǎo)類型的電荷載流子。結(jié)果，由于從電荷產(chǎn)生區(qū)域經(jīng)電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域至載流子袋的區(qū)域?qū)τ诠鈱W(xué)產(chǎn)生電荷具有埋入結(jié)構(gòu)，所以防止在光電二極管中的光學(xué)產(chǎn)生電荷免被捕獲到溝道區(qū)域上的表面層，或者防止除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的電荷免于排出溝道區(qū)域的界面層和免于存儲(chǔ)在載流子袋中。
而且，第二電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷可以累積在整個(gè)阱區(qū)域上的表面層中。結(jié)果，更完全地防止在光電二極管中的光學(xué)產(chǎn)生電荷免于被捕獲在包括電荷產(chǎn)生區(qū)域、電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域及其他區(qū)域的整個(gè)阱區(qū)域上的界面層中，或者更完全地防止除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的電荷排免于出整個(gè)阱區(qū)域上的界面層外。
注意，在其中阱區(qū)域等是與上述相反的導(dǎo)電類型的情況下，就是說，在其中阱區(qū)域和載流子袋是n型的情況下，載流子袋成為電子袋(載流子袋)，并且存儲(chǔ)光學(xué)產(chǎn)生電荷。在這種情況下，耗盡型p溝道MOSFET(耗盡型pMOSFET)用作用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOSFET，產(chǎn)生足夠的電荷(空穴)，并且累積在溝道區(qū)域中，防止捕獲在溝道區(qū)域上的界面層上的電荷(電子)的排出，及把載流子袋中的電位設(shè)置在適當(dāng)高度處。
為了更完整地理解本發(fā)明和其優(yōu)點(diǎn)，下面參照結(jié)合附圖所作的如下描述。


圖1是時(shí)序圖，表示在常規(guī)例子中一種把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法。
圖2是時(shí)序圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法。
圖3A是剖視圖，表示在圖2中在存儲(chǔ)由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷的方法中在一個(gè)存儲(chǔ)時(shí)段的時(shí)段A期間溝道區(qū)域的邊緣部分的狀態(tài)。
圖3B是剖視圖，表示在圖1中在存儲(chǔ)由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷的方法中在一個(gè)存儲(chǔ)時(shí)段的一個(gè)時(shí)段A0期間溝道區(qū)域的邊緣部分的狀態(tài)，該剖視圖根據(jù)一個(gè)比較例。
圖4A是曲線圖，表示在深度方向的能帶變化狀態(tài)，該曲線對(duì)應(yīng)于圖3A。
圖4B是曲線圖，表示在深度方向的能帶變化狀態(tài)，該曲線對(duì)應(yīng)于圖3B。
圖5是用于光學(xué)信號(hào)檢測的元件剖視圖，解釋根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法。
圖6A至6C分別表示在一個(gè)存儲(chǔ)時(shí)段的時(shí)段A、一個(gè)時(shí)段B及一個(gè)讀出時(shí)段(時(shí)段C)期間在橫向(沿圖5的線Ⅲ-Ⅲ的方向)從在漏極區(qū)域下的阱區(qū)域經(jīng)在包括載流子袋的溝道區(qū)域下的阱區(qū)域至在源極下的阱區(qū)域的能帶變化狀態(tài)。
圖7表示用在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法中的整個(gè)固態(tài)成象裝置的電路構(gòu)造。
圖8是剖視圖，表示用在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法中的固態(tài)成象裝置。
下面參照附圖將描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
首先，下面對(duì)用在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法中的MOS圖象傳感器的單元象素的構(gòu)造進(jìn)行描述。
圖8是在MOS圖象傳感器的單元象素中的元件的剖視圖。
如圖8中所示，在一個(gè)單元象素101中，一個(gè)光電二極管111和一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOSFET 112彼此相鄰地提供。對(duì)于MOSFET112，采用耗盡型n溝道MOSFET(耗盡型nMOSFET)。
該單元象素101的截面構(gòu)造從下面順序?yàn)橐粋€(gè)p型基片11、一個(gè)形成在基片11上的n型外延層12、及形成在外延層12中的第一和第二p型阱區(qū)域15a和15b。
光電二極管111和MOSFET112分別形成在一個(gè)第一和一個(gè)第二阱區(qū)域15a和15b中，并且第一和第二阱區(qū)域15a和15b彼此連接。
光電二極管111的第一阱區(qū)域15a構(gòu)成通過光照射的電荷產(chǎn)生區(qū)域的一部分。MOSFET112的第二阱區(qū)域15b構(gòu)成一個(gè)通過施加到第二阱區(qū)域15b上的電位能夠改變一個(gè)溝道的閾值電壓的柵極區(qū)域。
在光電二極管111中，由于第一阱區(qū)域15a和外延層12連接到MOSFET112的柵極區(qū)域15b上，所以在由光產(chǎn)生的電荷中的空穴能有效地用作用于MOSFET112的閾值電壓調(diào)制的電荷。換句話說，第一阱區(qū)域15a和外延層12完全成為載流子產(chǎn)生區(qū)域。
在MOSFET112部分中，柵電極19是環(huán)形的。形成一個(gè)源區(qū)域16，從而由環(huán)形柵電極19的內(nèi)邊緣圍繞著，同時(shí)形成一個(gè)漏極區(qū)域17a，從而圍繞環(huán)形柵電極19的外邊緣部分。漏極區(qū)域17a延伸以形成光電二極管111的n型摻雜區(qū)域17。換句話說，摻雜區(qū)域17和漏極區(qū)域17a彼此整體地形成，從而其大部分區(qū)域能放置成與第一和第二阱區(qū)域15a和15b的表面層相接觸。
在漏極區(qū)域17a與源極區(qū)域16之間的第二阱區(qū)域15b的表面層成為n溝道區(qū)域(下文，在一些情況下簡單地稱作溝道區(qū)域)。而且，為了在通常操作電壓下把溝道區(qū)域保持在電子存儲(chǔ)或耗盡狀態(tài)下，具有適當(dāng)密度的n型摻雜物引入到溝道區(qū)域中以形成一個(gè)溝道攙雜層15c。通過內(nèi)插一層?xùn)艠O絕緣膜18把柵電極19形成在溝道區(qū)域上。
一個(gè)p+型載流子袋(高密度埋入層)25形成在n溝道區(qū)域下面的第二阱區(qū)域15b中的溝道長度方向上區(qū)域的一部分中，并且在溝道寬度方向，即在源極區(qū)域16的邊緣部分中，跨過整個(gè)區(qū)域，從而圍繞著源極區(qū)域16。在溝道區(qū)域下的第二阱區(qū)域15b中形成載流子袋25。
上述p+型載流子袋25的摻雜密度設(shè)置得高于在載流子袋的邊緣部分中的阱區(qū)域15a和15b的密度。因此，在載流子袋25中的電位低于載流子袋25的邊緣部分的電位，以便光學(xué)產(chǎn)生在光學(xué)產(chǎn)生電荷中的空穴。因而，在載流子袋25中能收集光學(xué)產(chǎn)生孔穴。
如上所述，應(yīng)用本發(fā)明的固態(tài)成象裝置對(duì)于光學(xué)產(chǎn)生電荷在包括電荷產(chǎn)生區(qū)域、電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域及電荷存儲(chǔ)區(qū)域的整個(gè)阱區(qū)域15a和15b和除溝道攙雜層15c之外的其他區(qū)域上具有一種埋入結(jié)構(gòu)。因而，在下面所述的產(chǎn)生光學(xué)產(chǎn)生電荷、轉(zhuǎn)移他們及把他們存儲(chǔ)在載流子袋25中期間，通過在把電壓施加到柵電極19等等上時(shí)經(jīng)把溝道攙雜層15c轉(zhuǎn)換到累積狀態(tài)在阱區(qū)域15a和15b的生成整個(gè)表面層上形成電子的累積狀態(tài)，更完全地防止上述光學(xué)產(chǎn)生電荷免于被捕獲在表面層中，或者更完全地防止除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的電荷免于排出表面層和免于存儲(chǔ)在載流子袋25中。
盡管在除溝道攙雜區(qū)域?qū)?5c之外的阱區(qū)域1Sa和15b的整個(gè)表面層上形成電子的累積狀態(tài)，但當(dāng)時(shí)機(jī)要求時(shí)所謂的埋入層可以至少形成在光電二極管111中。
其次，通過參照?qǐng)D7對(duì)采用以上述方式構(gòu)造的單元象素的MOS圖象傳感器的整個(gè)構(gòu)造進(jìn)行描述。圖7表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MOS圖象傳感器的電路構(gòu)造。
如圖7中所示，該MOS圖象傳感器采用兩維陣列傳感器的構(gòu)造，并且以上述方式構(gòu)造的單元象素101以矩陣形狀排列在行和列方向。
一個(gè)用于垂直掃描信號(hào)(VSCAN)的驅(qū)動(dòng)掃描電路102和一個(gè)用于漏電壓(VDD)的驅(qū)動(dòng)掃描電路103排列在夾持一個(gè)象素區(qū)域的右邊和左邊。
從用于垂直掃描信號(hào)(VSCAN)的驅(qū)動(dòng)掃描電路102，每行一根，拉出垂直掃描信號(hào)供給線21a和21b。垂直掃描信號(hào)供給線21a和21b在布置在行方向的所有象素101的每一個(gè)中的MOSFET112的柵電極19上。
從用于漏電壓(VDD)的驅(qū)動(dòng)掃描電路103，每行一根，拉出漏電壓供給線(VDD供給線)22a和22b。漏電壓供給線(VDD供給線)22a和22b的每一根連接到在排列在行方向的所有象素101的每一個(gè)中用于光學(xué)檢測的MOSFET112的漏區(qū)域17a上。
提供對(duì)于每列不同的垂直輸出線20a和20b。這些垂直輸出線20a和20b的每一根連接到在排列在列方向的所有象素101的每一個(gè)中的MOSFET112的源極區(qū)域16上。
此外，MOSFET112的源極區(qū)域16，對(duì)于每列，經(jīng)垂直輸出線20a和20b連接到一個(gè)信號(hào)輸出電路105上。信號(hào)輸出電路105存儲(chǔ)源極區(qū)域16的電位，并且經(jīng)一根水平輸出線26進(jìn)一步把與源極區(qū)域16的電位相對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)輸出到一個(gè)視頻信號(hào)輸出終端107。一個(gè)HSCAN輸入掃描電路104控制輸出的時(shí)序。
其次，對(duì)包括在本發(fā)明的實(shí)施例中的固態(tài)成象裝置的一系列連續(xù)光電檢測操作進(jìn)行描述。
圖2表示用來操作根據(jù)本發(fā)明的MOS圖象傳感器的輸入/輸出信號(hào)的時(shí)序圖。
通過如上述那樣重復(fù)包括存儲(chǔ)、讀出、及掃描(初始化)的一系列時(shí)段執(zhí)行光電檢測操作。存儲(chǔ)時(shí)段是用來通過光照射把光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在載流子袋25中的時(shí)段。讀出時(shí)段是用來讀出與存儲(chǔ)在載流子袋25中的光學(xué)產(chǎn)生電荷相對(duì)應(yīng)的閾值電壓的調(diào)制的時(shí)段。初始化時(shí)段是用來排出剩余在載流子袋25中的光學(xué)產(chǎn)生電荷的時(shí)段。
在這里，主要對(duì)于存儲(chǔ)時(shí)段(時(shí)段A和時(shí)段B)及存儲(chǔ)時(shí)段之后的讀出時(shí)段(時(shí)段C)詳細(xì)地進(jìn)行描述。在存儲(chǔ)時(shí)段中的時(shí)段B是用來終止存儲(chǔ)時(shí)段的一個(gè)時(shí)段，時(shí)段B在時(shí)段A之后。
圖3A是剖視圖，表示根據(jù)本發(fā)明在圖2的時(shí)段A期間MOSFET部分的溝道區(qū)域和其邊緣部分的狀態(tài)。
圖4A表示沿圖3A的線Ⅰ-Ⅰ深度方向的能帶變化狀態(tài)。在該圖中，在上部的能量級(jí)指示導(dǎo)帶的底部，而下部的能量級(jí)指示價(jià)帶的頂部。
圖5是元件剖視圖，表示在圖2的時(shí)段B期間MOSFET112部分的溝道區(qū)域和其邊緣部分的狀態(tài)。
圖6A至6C分別表示在時(shí)段A、時(shí)段B及時(shí)段C期間在橫向(沿圖5的線Ⅲ-Ⅲ的方向)從在漏極區(qū)域17a下的阱區(qū)域15b經(jīng)在包括載流子袋25的溝道區(qū)域下的阱區(qū)域至在源極區(qū)域16下的阱區(qū)域15b的能帶變化狀態(tài)。在諸圖的每一個(gè)中，在上部的能量級(jí)指示導(dǎo)帶的底部，而在下部的能量級(jí)指示價(jià)帶的頂部。
首先，在時(shí)段A期間，用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOSFET 112的柵電極19保持在正電位，例如+2.3至2.5V，這等于在讀出時(shí)段C期間柵電極19的正電位(下文，有時(shí)稱作柵極電位)。漏極區(qū)域17a保持在正電位，例如+1.6V，從而由漏極區(qū)域17a、源極區(qū)域16及阱區(qū)域15b形成的pn結(jié)反向偏置，對(duì)于+2.3至2.5 V的柵極電位不會(huì)耗盡溝道區(qū)域，并且電子以足夠的密度累積在溝道區(qū)域中。此外，MOSFET112的源極區(qū)域16與外部電路隔離，從而電流不會(huì)流經(jīng)MOSFET112的溝道區(qū)域。
對(duì)于全部象素執(zhí)行該電位保持，而與用于讀出的選擇行或因此非選擇行無關(guān)。
因而，如圖3A和4A中所示，足夠密度的電子累積在溝道區(qū)域中。注意，累積在溝道區(qū)域中的電子從源極區(qū)域16和漏極區(qū)域17a供給。源極區(qū)域16經(jīng)溝道區(qū)域連接到漏極區(qū)域17a上，并且保持在約+1.6V(VDD)的正電位下，等于在漏極區(qū)域17a中的正電位。因而，耗盡第一阱區(qū)域15a、第二阱區(qū)域15b及外延層12。
以后，用光照射光電二極管111以產(chǎn)生電子和空穴對(duì)(光學(xué)產(chǎn)生電荷)。把在光學(xué)產(chǎn)生電荷中的光學(xué)產(chǎn)生空穴存儲(chǔ)在光電二極管111的第一阱區(qū)域15a中。在這時(shí)，在用于空穴的載流子袋25中的電位低于在邊緣部分中在第一和第二阱區(qū)域15a和15b中的電位。因而，如圖6A中所示，存儲(chǔ)在第一阱區(qū)域15a中的光學(xué)產(chǎn)生空穴運(yùn)動(dòng)到載流子袋25并且存儲(chǔ)在其中。
在時(shí)段A期間，把溝道區(qū)域設(shè)置在累積狀態(tài)中以存儲(chǔ)足夠量的電子。因而，在柵極絕緣膜18與溝道區(qū)域之間的界面層上的空穴產(chǎn)生中心保持在非活動(dòng)狀態(tài)，并且防止空穴的排出。換句話說，由于抑制由空穴的排出造成的漏電流，所以抑制在載流子袋25中除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的空穴的存儲(chǔ)，因而能防止在屏幕上出現(xiàn)所謂的白痕。
在其中柵電極19的電位保持在2.5V下而漏極區(qū)域17a和源極區(qū)域16的電位分別保持在1.6V下從而溝道區(qū)域保持在累積狀態(tài)的情況下，如圖4A中所示，下壓在p型阱區(qū)域15b的表面上的能量級(jí)(升高電位)，因而減小在載流子袋25的底部與其頂部的之間的能量級(jí)(電位)之差。適當(dāng)調(diào)節(jié)柵電極19、漏極區(qū)域17a及源極區(qū)域16的電位，因而在載流子袋25中的能量級(jí)(電位)之差能設(shè)置在適當(dāng)高度，同時(shí)溝道區(qū)域保持在累積狀態(tài)。因此，適當(dāng)?shù)乇３执鎯?chǔ)在載流子袋25中的光學(xué)產(chǎn)生空穴的量。
其次，在時(shí)段B期間，VSCAN驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出(Vpg)保持在地電位(成為MOSFET112的柵極電位)。同時(shí)，VDD驅(qū)動(dòng)掃描線22a和22b的電位保持在約3.3V的電壓下(成為MOSFET112的漏極電位)，從而形成在漏極區(qū)域17a與阱區(qū)域15b之間、和在源極區(qū)域16與阱區(qū)域15b之間的pn結(jié)比在時(shí)段A期間的偏置反向偏置得更深。對(duì)于全部象素也執(zhí)行該電位保持，而與用于讀出的選擇行或因此非選擇行無關(guān)。
以這樣一種方式，如圖6B中所示，溝道區(qū)域保持在耗盡狀態(tài)，走向載流子袋25的較強(qiáng)電場產(chǎn)生在阱區(qū)域15b中。因而，剩余在阱區(qū)域15a和15b中的光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋25以存儲(chǔ)在其中。在載流子袋25中，中和與存儲(chǔ)的光學(xué)產(chǎn)生電荷的電荷量相對(duì)應(yīng)的接收器的負(fù)電荷量。因而，調(diào)制在源極區(qū)域16附近的電荷的電位以改變耗盡型nMOSFET112的閾值電壓。
其次，操作轉(zhuǎn)移到讀出時(shí)段(時(shí)段C)。VDD驅(qū)動(dòng)掃描線22a和22b的電位完全保持，以保持在約3.3V的電壓下(它成為MOSFET112的漏極電位)。這時(shí)，如圖6C中所示，不足以產(chǎn)生所謂模糊的適當(dāng)空穴量存儲(chǔ)在載流子袋25中。
在上述狀態(tài)下，把與用于讀出的選擇行相對(duì)應(yīng)的VSCA驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出(Vpg)設(shè)置在約2.3至2.5V的電壓下(它成為MOSFET112的柵極電位)，并且把與用于讀出的非選擇行相對(duì)應(yīng)的VSCA驅(qū)動(dòng)掃描電路102的輸出(Vpg)設(shè)置為地電位。換句話說，柵電極19的電位保持在約2至3V的電壓下，并且漏極區(qū)域17a的電位保持在3.3V的VDD電位下，從而布置在用于讀出的選擇行中的MOSFET112能在飽和狀態(tài)下操作。因此，一個(gè)高電場區(qū)域形成在靠近漏極區(qū)域17a的溝道區(qū)域中，并且一個(gè)低電場的累積區(qū)域形成在靠近源極區(qū)域16的載流子袋25上方的溝道區(qū)域一部分中。
以后，與由光學(xué)產(chǎn)生電荷造成的閾值電壓的調(diào)制相對(duì)應(yīng)的源極電位順序存儲(chǔ)在信號(hào)輸出電路105的存儲(chǔ)器中，這些存儲(chǔ)器連接到布置在用于讀出的選擇行中的MOSFET112的原極區(qū)域16上。
此后，操作經(jīng)初始化操作返回到存儲(chǔ)時(shí)段。在存儲(chǔ)時(shí)段期間，根據(jù)從HSCAN輸入掃描電路104輸入到信號(hào)輸出電路105的信號(hào)控制輸出時(shí)序。因而，能順序取出與照射光的量成比例的視頻信號(hào)(Vout)，該視頻信號(hào)在以前時(shí)希期間存儲(chǔ)在信號(hào)輸出電路105中。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在存儲(chǔ)時(shí)段A期間，光學(xué)產(chǎn)生空穴轉(zhuǎn)移到載流子袋25以存儲(chǔ)在其中，同時(shí)可移動(dòng)電子累積在用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOSFET112的溝道區(qū)域中，以把溝道區(qū)域保持在累積狀態(tài)下，從而防止捕獲在界面層上的空穴的排出。
因而，由于在存儲(chǔ)時(shí)段期間抑制由空穴從界面層排出造成的漏電流，所以抑制在載波子包25中除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的空穴的存儲(chǔ)，因而能防止在視頻屏幕上出現(xiàn)所謂的白痕。
此外，由于能適當(dāng)?shù)乇３执鎯?chǔ)在載流子袋25中的光學(xué)產(chǎn)生空穴的量，所以能防止視頻屏幕上的所謂模糊。
(比較例)下文，參照?qǐng)D3B和圖4B對(duì)于根據(jù)比較例的存儲(chǔ)由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生電荷的方法將進(jìn)行描述。
圖3B是剖視圖，表示根據(jù)比較例在圖1的存儲(chǔ)時(shí)段A0期間MOSFET的溝道區(qū)域和其邊緣區(qū)域的狀態(tài)。圖4B表示沿線Ⅱ-Ⅱ的深度方向的能帶變化狀態(tài)。
由于在存儲(chǔ)時(shí)段A0期間柵極電位是地電位，并且低于源極電位和漏極電位，所以溝道區(qū)域進(jìn)入耗盡狀態(tài)。因而，由于在溝道區(qū)域中的界面層用耗盡層覆蓋，所以擔(dān)心捕獲空穴從界面層排出和排出空存儲(chǔ)在載流子袋25中。此外，擔(dān)心在轉(zhuǎn)移到載流子袋25期間的光學(xué)產(chǎn)生空穴捕獲到界面層上。因此，帶來不能以高精度進(jìn)行光學(xué)信號(hào)檢測的擔(dān)心。
在上面隨實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明的范圍不限于在上述實(shí)施例中具體表明的例子，并且不脫離本發(fā)明要點(diǎn)的上述實(shí)施例的改進(jìn)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，在上述實(shí)施例中，為了在存儲(chǔ)時(shí)段期間實(shí)現(xiàn)溝道區(qū)域的累積狀態(tài)，在漏極區(qū)域17a和源極區(qū)域16中這樣保持電位，從而特別是，形成在漏極區(qū)域17a與阱區(qū)域15b之間、和在源極區(qū)域16與阱區(qū)域15b之間的pn結(jié)反向偏置。然而，依據(jù)情況，漏極區(qū)域17a和源極區(qū)域16可以保持在地電位以使以上pn結(jié)零偏置。
而且，各種變更例子能設(shè)想成對(duì)其應(yīng)用本發(fā)明的固狀成象裝置。然而其他結(jié)構(gòu)是可能的，在彼此相鄰的同時(shí)光電二極管111和用于光學(xué)信號(hào)檢測的MOSFET112可以構(gòu)成單元象素、并且載流子袋(高密度埋入層)25可以提供在MOSFET112的溝道區(qū)域下面的p型阱區(qū)域15b內(nèi)的源極區(qū)域16的附近就足夠了。
更進(jìn)一步，使用p型基片11，而是可以代之以使用一個(gè)n型基片。在這種情況下，為了得到與上述實(shí)施例類似的效果，顛倒在實(shí)施例中已經(jīng)描述的相應(yīng)層和區(qū)域的電導(dǎo)類型就足夠了。
換句話說，阱區(qū)域和載流子袋是n型的，載流子袋成為電子包，并且要存儲(chǔ)在載波子包中的載流子是在作為電子和空穴的二者之間的電子。然后，把p型摻雜物引入到溝道區(qū)域(p溝道區(qū)域)以形成一個(gè)溝道摻雜層，并且在光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移或存儲(chǔ)到載流子袋期間，一種電導(dǎo)類型的足夠電荷與阱區(qū)域的相反，就是說，足夠的空穴存儲(chǔ)在溝道摻雜層中。
況且，當(dāng)柵電極、漏極區(qū)域及源極區(qū)域的電位這樣保持，從而溝道區(qū)域保持在一種其中累積可運(yùn)動(dòng)空穴的狀態(tài)下，降低在載波子包的底部與其頂部之間的電位差。因而，調(diào)節(jié)柵電極、漏極區(qū)域及源極區(qū)域的電位以把溝道區(qū)域保持在累積狀態(tài)下，并且設(shè)置載流子袋的電位以便具有適當(dāng)高度，因而能適當(dāng)?shù)乇３执鎯?chǔ)在載流子袋中的光學(xué)產(chǎn)生電子的量。因此，能防止在視步屏幕上的所謂模糊。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在光學(xué)產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移期間溝道區(qū)域至少設(shè)置在累積狀態(tài)下，從而從光電二極管轉(zhuǎn)移到載流子袋并且存儲(chǔ)在其中的光學(xué)產(chǎn)生電荷不受捕獲在溝道區(qū)域中的界面層上的電荷的影響。
以這樣一種方式，溝道區(qū)域在累積狀態(tài)下，因而在溝道區(qū)域中的界面層上的電荷產(chǎn)生中心保持在非活動(dòng)狀態(tài)下，并且防止電荷從界面層排出。換句話說，由于抑制漏電流，所以抑制除光學(xué)產(chǎn)生電荷之外的電荷至載流子袋中的存儲(chǔ)，因而能防止在視頻屏幕上出現(xiàn)所謂的白痕。
在這種情況下，最好通過至少形成一種埋入結(jié)構(gòu)的光電二極管，可以在整個(gè)阱區(qū)域上的表面層中形成電子的累積狀態(tài)。
況且，在其中柵電極、漏極區(qū)域及源極區(qū)域的電位這樣保持從而溝道區(qū)域保持在累積狀態(tài)下的情況下，在載流子袋的底部與其頂部之間的電位差能設(shè)置成具有適當(dāng)?shù)母叨?，因而能適當(dāng)?shù)乇３执鎯?chǔ)在載流子袋中的光學(xué)產(chǎn)生電荷的量，以防止在視頻屏幕上的所謂模糊。
權(quán)利要求
1．一種把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，包括步驟(ⅰ)制備包括一個(gè)單元象素的固態(tài)成象裝置，該單元象素包括(a)一個(gè)光電二極管，形成在一個(gè)阱區(qū)域中，和(b)一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管，形成在與光電二極管相鄰的阱區(qū)域中，該場效應(yīng)晶體管包括(1)一個(gè)溝道區(qū)域，形成在一個(gè)源極區(qū)域與一個(gè)漏極區(qū)域之間的阱區(qū)域的表面層上，和(2)一個(gè)載流子袋，提供在源極區(qū)域附近的溝道區(qū)域下的阱區(qū)域中；(ⅱ)在光電二極管中通過光照射產(chǎn)生光學(xué)產(chǎn)生電荷；(ⅲ)把光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋，同時(shí)累積與整個(gè)溝道區(qū)域上的源極區(qū)域相同的電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷；(ⅳ)把光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)到載流子袋中，同時(shí)累積與整個(gè)溝道區(qū)域上的源極區(qū)域相同的電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管是耗盡型的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中至少在轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)的步驟中在包括溝道區(qū)域的阱區(qū)域的整個(gè)表面層上，累積與源極區(qū)域相同的電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中當(dāng)光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋以存儲(chǔ)在其中時(shí)，在一個(gè)時(shí)段之后電流流到用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管以讀出一個(gè)閾值電壓的變化。
5．一種把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，包括步驟(ⅰ)制備包括一個(gè)單元象素的固態(tài)成象裝置，該單元象素包括(a)一個(gè)光電二極管，提供有(1)一個(gè)第一電導(dǎo)類型的第一阱區(qū)域，和(2)一個(gè)第二電導(dǎo)類型的摻雜區(qū)域，形成在第一阱區(qū)域上，從而光電二極管具有一種埋入結(jié)構(gòu)，和(b)一個(gè)用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管，與光電二極管相鄰地放置，該場效應(yīng)晶體管提供有(1)一個(gè)第一電導(dǎo)類型的第二阱區(qū)域，連接到第一阱區(qū)域上，(2)一個(gè)第二電導(dǎo)類型源極區(qū)域，形成在第二阱區(qū)域上，(3)一個(gè)第二電導(dǎo)類型的漏極區(qū)域，形成在第二阱區(qū)域上并且連接到摻雜區(qū)域上，(4)一個(gè)溝道區(qū)域，形成在源極區(qū)域與漏極區(qū)域之間的第二阱區(qū)域的表面層上，(5)一個(gè)第二電導(dǎo)類型的摻雜層，形成在溝道區(qū)域上，(6)一個(gè)柵電極，通過內(nèi)插一柵極絕緣膜形成在溝道區(qū)域上，及(7)一個(gè)第一電導(dǎo)類型的載流子袋，提供在源極區(qū)域附近的溝道區(qū)域下的第二阱區(qū)域中；(ⅱ)在光電二極管中通過光照射產(chǎn)生光學(xué)產(chǎn)生電荷；(ⅲ)把光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋，同時(shí)在保持柵電極電位時(shí)在整個(gè)溝道區(qū)域上累積第二電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷，從而溝道區(qū)域進(jìn)入一種其中溝道區(qū)域填充有可移動(dòng)電荷的累積狀態(tài)；(ⅳ)把光學(xué)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)在載流子袋中，同時(shí)在保持柵電極電位時(shí)在整個(gè)溝道區(qū)域上累積第二電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷，從而溝道區(qū)域進(jìn)入一種其中溝道區(qū)域填充有可移動(dòng)電荷的累積狀態(tài)。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管是耗盡型的。
7．根據(jù)權(quán)利要求5所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中至少在轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)的步驟中在包括溝道區(qū)域的第一和第二阱區(qū)域的整個(gè)表面層上，累積第二電導(dǎo)類型的可移動(dòng)電荷。
8．根據(jù)權(quán)利要求5所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中當(dāng)光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋以存儲(chǔ)在其中時(shí)，在一個(gè)時(shí)段之后電流流到用于光學(xué)信號(hào)檢測的場效應(yīng)晶體管以讀出一個(gè)閾值電壓的變化。
9．根據(jù)權(quán)利要求5所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，進(jìn)一步包括以行和列排列的多個(gè)象素，其中通過把不同掃描信號(hào)供給到排列在相同行中的場效應(yīng)晶體管的互連柵電極、排列在相同行中的場效應(yīng)晶體管的互連漏極區(qū)域、及排列在相同列中的場效應(yīng)晶體管的互連源極區(qū)域，把光學(xué)信號(hào)存儲(chǔ)在相應(yīng)象素中。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在一個(gè)固態(tài)成象裝置中的方法，其中把光學(xué)信號(hào)存儲(chǔ)到相應(yīng)象素中并且讀出存儲(chǔ)的光學(xué)信號(hào)，由一個(gè)用來把一個(gè)掃描信號(hào)供給到行中的柵電極的垂直掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)掃描電路、一個(gè)用來把一個(gè)漏極電壓供給行中的漏極區(qū)域的漏極電壓驅(qū)動(dòng)掃描電路、一個(gè)用來存儲(chǔ)在列中的源極區(qū)域的電壓且進(jìn)一步輸出一個(gè)與每個(gè)源極區(qū)域的電壓相對(duì)應(yīng)的光學(xué)信號(hào)的信號(hào)輸出電路、及一個(gè)用來供給用來控制讀出光學(xué)信號(hào)的時(shí)序的掃描信號(hào)的水平掃描信號(hào)輸入掃描電路而控制。
全文摘要
把由光學(xué)信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在固態(tài)成象裝置中的方法,包括:制備帶有一個(gè)單元象素的固態(tài)成象裝置,該單元象素包括光電二極管111和MOSFET 112,MOSFET 112帶有用來存儲(chǔ)在光電二極管111中光學(xué)產(chǎn)生電荷的載流子袋25,載流子袋25提供在源極區(qū)域16附近的溝道區(qū)域15c下;把光學(xué)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移到載流子袋25及然后存儲(chǔ)在其中,并把溝道區(qū)域15c保持在一種累積狀態(tài),從而光學(xué)產(chǎn)生電荷不受溝道區(qū)域15c中界面層的影響。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1310478SQ0110289
公開日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月22日
發(fā)明者三井田高 申請(qǐng)人:伊諾太科株式會(huì)社