CN101118917A - 摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摄像装置，其包括：第一电极，其用于产生蓄积信号电荷的电场；电荷增加部，其用于增加蓄积的信号电荷；第二电极，其用于使电荷增加部产生电场；电压变换部，其用于将信号电荷变换为电压；和第三电极，其设置于第一电极和电压变换部之间，用于向电压变换部传送信号电荷，第二电极相对于第一电极而被设置于第三电极以及电压变换部的相反侧。

Description

摄像装置

技术领域

本发明涉及具备用于增加信号电荷的电荷增加部的摄像装置。

背景技术

作为现有技术公知具有用于使电子(信号电荷)倍增(增加)的倍增部(电荷增加部)的CCD(Charge Coupled Device)图像传感器(摄像装置)。在该以往的CCD图像传感器中，如图17所示，在硅基板101的表面上形成有栅极氧化物102。另外，在栅极氧化物102上表面上的规定区域，隔着规定的间隔形成有4个栅电极103～106。该栅电极103～106构成为被供给4相的时钟信号Ф11～Ф14。

另外，在栅电极103～106下的传送沟道107中分别形成有像素分离障壁、临时蓄积井、电荷传送障壁、以及电荷积累井。该像素分离障壁具有划分临时蓄积井与相邻的像素的电荷积累井，并将相邻的电荷积累井的电子传送到临时蓄积井的功能。另外，临时蓄积井具有在传送电子时临时蓄积电子的功能。另外，电荷传送障壁具有划分临时蓄积井和电荷积累井、并且将蓄积在临时蓄积井的电子传送到电荷积累井的功能。

另外，电荷积累井具有蓄积从临时蓄积井传送来的电子的功能，并且还具有作为通过电场的碰撞电离而使电子倍增的倍增部的功能。即，在电荷传送障壁和电荷积累井的界面形成有被调整为高电位的高电场区域108，从而被传送到高电场区域108的电子从高电场区域108获得能量。然后，获得能量的电子在高电场区域108内移动过程中与硅基板101的晶格原子碰撞，通过该碰撞产生电子以及空穴。在生成的电子以及空穴中，通过高电场区域108仅将电子汇集到电荷积累井。由此，可以进行电子的倍增。另外，该电子的倍增可以在传送通过受光区域的光电二极管而生成的电子的过程中进行。

接着，参照图17，对以往的CCD图像传感器的倍增动作进行说明。

首先，向栅电极103供给时钟信号Ф11，使栅电极103成为导通状态，并从向栅电极103供给时钟信号11的时刻开始经过规定时间后，使相邻的像素的栅电极106成为截止状态。由此，蓄积于相邻的像素的电荷积累井中的电子被传送到像素分离障壁。

然后，向栅电极104供给时钟信号12，使栅电极104成为导通状态，并且使栅电极103成为截止状态。由此，被传送到像素分离障壁的电子被传送到临时蓄积井。

接着，向栅电极106供给时钟信号14，使栅电极106成为导通状态。由此，向栅电极106施加高电压，在电荷传送障壁和电荷积累井的界面形成高电场区域108。此后，通过在使栅电极106成为导通状态的状态下，使栅电极104成为截止状态，由此蓄积于临时蓄积井的电子越过电荷传送障壁而被传送到电荷积累井。由此，通过高电场的碰撞电离使所传送的电子倍增，并且将倍增的电子蓄积于电荷积累井。另外，始终不向栅电极105供给时钟信号Ф13，使栅电极105一直保持截止状态。

但是，在将图17所示的以往的CCD图像传感器的结构应用于CMS图像传感器的情况下，当为了读出数据而向浮动扩散区域(floatingdiffusion)传送蓄积于电荷积累井中的电子时，与电荷积累井对应的栅电极成为截止状态。此时，被供给到与电荷积累井对应的栅电极的高电压的时钟信号下降，与该栅电极对应的电子的传送区域(电荷积累井)的电位大幅变动。因此，与该栅电极对应的电子的传送区域(电荷积累井)电位大的变动波及到与该栅电极相邻的用于读出数据的栅电极所对应的电子的传送区域，所以出现与用于读出数据的栅电极对应的电子的传送区域的电位变动的不良情况。其结果，由于从电荷积累井传送到浮动扩散区域的电子数量出现离散偏差，所以存在难以正确地进行数据读出的问题。

发明内容

本发明第一方式的摄像装置，其包括：蓄积部，其用于蓄积并传送信号电荷；第一电极，其用于产生使蓄积部蓄积信号电荷的电场；电荷增加部，其用于通过碰撞电离来增加蓄积于蓄积部中的信号电荷；第二电极，其用于产生在电荷增加部使信号电荷碰撞电离的电场；电压变换部，其用于将信号电荷变换为电压；和第三电极，其设置于第一电极和电压变换部之间，用于从蓄积部向电压变换部传送信号电荷，第二电极相对于第一电极被设置于第三电极以及电压变换部的相反侧。

本发明的第二方式的摄像装置，其包括：蓄积机构，其用于蓄积并传送信号电荷；第一电极，其用于产生使蓄积机构蓄积信号电荷的电场；电荷增加机构，其用于通过碰撞电离来增加蓄积于蓄积机构中的信号电荷；第二电极，其用于产生由电荷增加机构使信号电荷碰撞电离的电场；电压变换机构，其用于将信号电荷变换为电压；和第三电极，其设置于第一电极和电压变换机构之间，用于从蓄积机构向电压变换机构传送信号电荷，第二电极相对于第一电极被设置于第三电极以及电压变换机构的相反侧。其中，本发明的信号电荷是指电子或空穴。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的CMOS图像传感器的整体构成的俯视图。

图2是表示图1所示的第一实施方式的CMOS图像传感器的结构的剖面图。

图3是表示图1所示的第一实施方式的CMOS图像传感器的结构的剖面图。

图4是表示图1所示的第一实施方式的CMOS图像传感器的像素的俯视图。

图5是表示图1所示的第一实施方式的CMOS图像传感器的电路构成的电路图。

图6是用于说明图1所示的第一实施方式的CMOS图像传感器的电子的传送动作的信号波形图。

图7是用于说明本发明第一实施方式的CMOS图像传感器的电子的传送动作的电势图。

图8是用于说明本发明第一实施方式的CMOS图像传感器中的电子的倍增动作的信号波形图。

图9是用于说明本发明第一实施方式的CMOS图像传感器中的电子的倍增动作的电势图。

图10是表示本发明第二实施方式的CMOS图像传感器的结构的剖面图。

图11是用于说明本发明第二实施方式的CMOS图像传感器的电子的传送动作的信号波形图。

图12是用于说明本发明第二实施方式的CMOS图像传感器的电子的传送动作的电势图。

图13是用于说明本发明第二实施方式的CMOS图像传感器中的电子的倍增动作的信号波形图。

图14是用于说明本发明第二实施方式的CMOS图像传感器中的电子的倍增动作的电势图。

图15是表示本发明第三实施方式的CMOS图像传感器的结构的剖面图。

图16是表示本发明第四实施方式的CMOS图像传感器的结构的剖面图。

图17是表示以往的CCD图像传感器的结构的剖面图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

首先，参照图1～图5说明第一实施方式的CMOS图像传感器的结构。另外，在第一实施方式中，对在作为摄像装置一例的无源(passive)型的CMOS图像传感器中应用本发明的情况进行说明。

第一实施方式的CMOS图像传感器如图1所示，具备：包括配置为矩阵状(matrix)的多个像素50的摄像部51；行选择寄存器52；和列选择寄存器53。

作为第一实施方式的CMOS图像传感器的像素50的剖面结构，如图2以及图3所示，在p型硅基板1的表面上，形成用于分别分离各像素50的元件分离区域2。另外，在由元件分离区域2包围的各像素50的p型硅基板1的表面上，按照夹着由n^-型杂质区域构成的传送沟道3的方式，隔开规定间隔地形成有光电二极管部(PD)4以及由n⁺型杂质区域构成的浮动扩散区域5。其中，传送沟道3是本发明的“信号电荷的传送区域”的一例，光电二极管部4是本发明的“光电变换部”的一例。另外，浮动扩散区域5是本发明的“电压变换部”以及“电压变换机构”的一例。

光电二极管部4具有根据入射光量生成电子的同时，蓄存该生成的电子的功能。另外，光电二极管部4被形成为与元件分离区域2相邻，并且与传送沟道3相邻。浮动扩散区域5具有比传送沟道3的杂质浓度(n^-)高的杂质浓度(n⁺)。另外，浮动扩散区域5具有保持传送来的电子的电荷信号，同时将该电荷信号变换为电压的功能。另外，浮动扩散区域5被形成为与元件分离区域2相邻，并且与传送沟道3相邻。由此，浮动扩散区域5被形成为隔着传送沟道3与光电二极管部4对置。

这里，在第一实施方式中，在传送沟道3的上表面上，形成有栅极绝缘膜6。另外，在栅极绝缘膜6的上表面上，隔着规定的间隔，从光电二极管部4侧朝向浮动扩散区域5侧按照顺序形成有传送栅电极7、倍增栅电极8、传送栅电极9、传送栅电极10、读出栅电极11。即，传送栅电极7被形成为与光电二极管部4相邻。另外，传送栅电极7形成在光电二极管部4和倍增栅电极8之间。另外，传送栅电极9形成在倍增栅电极8和传送栅电极10之间。另外，倍增栅电极8相对于传送栅电极10形成在读出栅电极11以及浮动扩散区域5的相反侧。另外，读出栅电极11形成于传送栅电极10和浮动扩散区域5之间。另外，读出栅电极11被形成为与浮动扩散区域5相邻。另外，传送栅电极7、9以及传送栅电极10分别是本发明的“第五电极”、“第四电极”以及“第一电极”的一例。另外，倍增栅电极8是本发明的“第二电极”的一例，读出栅电极11是本发明的“第三电极”的一例。

另外，如图4所示，供给用于电压控制的时钟信号Ф1、Ф2、Ф3、Ф4以及Ф5的布线层20、21、22、23以及24，分别经接点部7a、8a、9a、10a以及11a而与传送栅电极7、倍增栅电极8、传送栅电极9、传送栅电极10以及读出栅电极11电连接。另外，该布线层20、21、22、23以及24按行形成，并且分别与各行的多个像素50的传送栅电极7、倍增栅电极8、传送栅电极9、传送栅电极10以及读出栅电极11电连接。另外，浮动扩散区域5经接点部5a与用于取出信号的信号线25连接。其中，该信号线25按列形成，并且与各列的多个像素50的浮动扩散区域5电连接。

另外，如图3所示，构成为：在经布线层20、22、23以及24，分别向传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1、Ф3、Ф4以及Ф5的开通信号(on signal)(高电平的信号)时，向传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11施加约2.9V的电压。由此，构成为：在向传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1、Ф3、Ф4以及Ф5的开通信号(高电平的信号)时，传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约4V电位的状态。另外，构成为：在向传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1、Ф3、Ф4以及Ф5的断开信号(off signal)(低电平的信号)时，传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约l1V电位的状态。

另外，构成为：当从布线层21向倍增栅电极8供给时钟信号Ф2的开通信号(高电平的信号)时，向倍增栅电极8施加约24V的电压。由此，构成为：当向倍增栅电极8供给时钟信号Ф2的开通信号(高电平的信号)时，倍增栅电极8下的传送沟道3成为被调整为约25V的高电位的状态。另外，构成为在向倍增栅电极8供给时钟信号Ф2的断开信号(低电平的信号)时，倍增栅电极8下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。另外，构成为：光电二极管部4以及浮动扩散区域5成为分别被调整为约3V以及约5V的电位的状态。

由此，如图2所示，构成为：传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)，在向传送栅电极10供给开通信号(高电平的信号)时，在传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部(临时蓄积井)3a)形成临时蓄积电子的电场。另外，电子蓄积部3a是本发明的“蓄积部”以及“蓄积机构”的一例。

另外，构成为：在向倍增栅电极8供给开通信号(高电平的信号)时，通过将倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)调整为约25V的电位，从而在倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部(电荷积累井)3b)形成使电子碰撞电离而倍增(增加)的高电场。另外，构成为：电子的碰撞电离是在倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)和传送栅电极9下的传送沟道3之间的交界部产生的。另外，电子倍增部3b是本发明的“电荷增加部”以及“电荷增加机构”的一例。

另外，传送栅电极7下的传送沟道3具有在向传送栅电极7供给开通信号(高电平的信号)时，将蓄积在光电二极管部4中的电子传送到电子倍增部3b的功能，并且在向传送栅电极7传送断开信号(低电平的信号)时，作为划分光电二极管部4和电子倍增部3b的光电二极管分离障壁起作用。

另外，传送数据9下的传送沟道3具有在向传送栅电极9供给开通信号(高电平的信号)时，将蓄积于电子蓄积部3a中的电子传送到电子倍增部3b，并且将蓄积于电子倍增部3b中的电子传送到电子蓄积部3a的功能。另外，传送数据9下的传送沟道3在向传送栅电极9供给断开信号(低电平的信号)时，作为划分电子蓄积部3a和电子倍增部3b的电荷传送障壁起作用。即，传送栅电极9被构成为：通过被供给开通信号(高电平的信号)，由此能将蓄积于电子蓄积部3a中的电子传送到电子倍增部3b，并且将蓄积于电子倍增部3b的电子传送到电子蓄积部3a。

另外，读出栅电极11下的传送沟道3具有在向读出栅电极11供给开通信号(高电平的信号)时，将蓄积于电子蓄积部3a的电子传送到浮动扩散区域5的功能，并且具有在向读出栅电极11供给断开信号(低电平的信号)时，划分电子蓄积部3a和浮动扩散区域5的功能。即，读出栅电极11被构成为：通过被供给开通信号(高电平的信号)，由此能将蓄积于电子蓄积部3a的电子传送到浮动扩散区域5。

另外，如图5所示，各列的信号线25的一端分别与复位栅晶体管(resetgate transistor)26的源极连接。向该复位栅晶体管26的栅极供给复位信号的同时，向漏极施加复位电压V_RD(约5V)。由此，复位栅晶体管26具有以下功能：在读出像素50的数据之后，将信号线25的电压复位成复位电压V_RD(约5V)，并且在读出像素50的数据时，将浮动扩散区域5保持在电浮动状态(浮动状态)。

另外，各列的信号线25的另一端分别与电压变换晶体管27的栅极连接。该电压变换晶体管27的源极与选择晶体管28的漏极连接，并且向漏极供给电源电压V_DD。选择晶体管28的栅极与列选择线连接，源极与输出线连接。1个晶体管29的漏极与输出线连接。晶体管29的源极接地，并且栅极被施加了使晶体管29作为定电流源发挥作用的规定电压。另外，通过各列的电压变换晶体管27和晶体管29构成源跟随器电路。

接着，参照图5对第一实施方式CMOS图像传感器的读出动作进行说明。

首先，通过向规定行的布线层24供给H电平的信号，从而使摄像部51的一行份的各像素50的读出栅电极11成为导通状态，并且通过向规定行的布线层23供给L电平的信号，从而使摄像部51的一行份的各像素50的传送栅电极10成为截止状态。由此，蓄积于一行份的各像素50的电子蓄积部3a的电子被读出到各像素50的浮动扩散区域5。由此，在各列的信号线25出现与规定行的各像素50的信号对应的电位。另外，在该状态下，由于选择晶体管28为截止状态，所以在电压变换晶体管27以及晶体管29构成的源跟随器电路中没有电流流过。

接着，通过向列选择线顺次供给H电平的信号，从而使选择晶体管28顺次成为导通状态。由此，由于电流顺次流过各列的电压变换晶体管27以及选择晶体管28，所以根据各电压变换晶体管27的导通状态(各电压变换晶体管27的栅电位(信号线25的电位))输出各像素50的信号。然后，在全部的输出结束后，通过向复位栅晶体管26的栅极供给高电平的复位信号，从而使复位栅晶体管26成为导通状态，从而使信号线25的电位复位成约5V。通过反复进行上述的动作，从而进行第一实施方式的CMOS图像传感器的读出动作。

接着，参照图6以及图7，对第一实施方式的CMOS图像传感器的电子的传送动作进行说明。

首先，在图6的期间A中，如图7所示，通过使传送栅电极7成为导通状态，从而传送栅电极7下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态。此时，由于光电二极管部4被调整为约3V的电位，所以由光电二极管部4生成并且被蓄积的电子从光电二极管部4被传送到传送栅电极7下的传送沟道3。此后，通过使倍增栅电极8成为导通状态，从而倍增栅电极8下的传送沟道3成为被调整为约25V的电位的状态。此时，由于传送栅电极7下的传送沟道3被调整为约4V的电位，所以被传送到传送栅电极7下的传送沟道3的电子被传送到倍增栅电极8下的传送沟道3。此后，通过使传送栅电极7成为截止状态，从而传送栅电极7下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。

接着，在图6的期间B中，如图7所示，使传送栅电极9成为导通状态，并且使倍增栅电极8成为截止状态，从而传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态，并且倍增栅电极8下的传送沟道3成为被调整为约1V电位的状态。因此，蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3中的电子被传送到传送栅电极9下的传送沟道3，该传送栅电极9下的传送沟道3的电位(约4V)被调整为高于倍增栅电极8下的传送沟道3的电位(约1V)。

接着，在图6的期间C，如图7所示，通过使传送栅电极10成为导通状态，并且使传送栅电极9成为截止状态，从而传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态，并且传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约1V电位的状态。因此，蓄积于传送栅电极9下的传送沟道3中的电子被传送到传送栅电极10下的传送沟道3，该传送栅电极10下的传送沟道3的电位(约4V)被调整为高于传送栅电极9下的传送沟道3的电位(约1V)。由此，从光电二极管部4传送来的电子被临时蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部(临时蓄积井)3a)。此后，反复多次(例如约400次)进行后述的电子的倍增动作。由此，从光电二极管部4传送来的电子倍增到约2000倍。

接着，在图6的期间D中，如图7所示，在电子被临时蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)的状态下，使读出栅电极11成为导通状态，并且使传送栅电极10成为截止状态，从而读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约4V电位的状态，并且传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。因此，蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)中的电子通过被调整为约4V电位的读出栅电极11下的传送沟道3，被传送到浮动扩散区域5，该浮动扩散区域5的电位被调整为比传送栅电极10下的传送沟道3的电位(约1V)高的电位(约5V)。

接着，参照图8和图9，对第一实施方式的CMOS图像传感器的电子倍增动作进行说明。

首先，在图7的期间C的传送动作之后，在图8的期间E中，如图9所示，在电子蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)的状态下，通过使倍增栅电极8成为导通状态，从而倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)成为被调整为约25V的高电位。

接着，在图8的期间F中，如图9所示，通过使传送栅电极9成为导通状态，并且使传送栅电极10成为截止状态，从而传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态，并且传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。因此，蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3中的电子被传送到传送栅电极9下的传送沟道3，该传送栅电极9下的传送沟道3的电位被调整为比传送栅电极10下的传送沟道3的电位(约1V)高的电位(约4V)。另外，被传送到传送栅电极9下的传送沟道3中的电子被传送到倍增栅电极8下的传送沟道3，该倍增栅电极8下的传送沟道3的电位被调整为比传送栅电极9下的传送沟道3的电位(约4V)高的电位(约25V)。然后，被传送到倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)的电子在倍增栅电极8下的传送沟道3和传送栅电极9下的传送沟道3的交界部移动的过程中从高电场获得能量。然后，具有高能量的电子与硅原子碰撞生成电子和空穴。然后，通过碰撞电离生成的电子在电场的作用下蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)。

接着，在图8的期间G，如图9所示，通过使传送栅电极9成为截止状态，从而传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。

接着，通过进行上述的图7的期间B以及C的电子的传送动作，从而蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部(电荷积累井)3b)中的电子被传送到传送栅电极10下的传送沟道3(电子倍增部(临时积累井)3a)。之后，通过反复多次(例如约400次)进行上述的期间E～G的倍增动作以及期间B以及C的传送动作，从而被传送到光电二极管部4的电子倍增到约2000倍。

在第一实施方式中，如上所述，在传送栅电极10和浮动扩散区域5之间设置读出栅电极11，并且在相对于传送栅电极10，与读出栅电极11以及浮动扩散区域5相反的一侧设置倍增栅电极8，从而在读出数据时，不会使电子进行碰撞电离的电场产生用的被施加在倍增栅电极8上的高电压(约24V)变化，而使施加到传送栅电极10上的比较低的电压(约2.9V)变化，从而可以将蓄积于电子蓄积部3a的电子传送到浮动扩散区域5。因此，在进行数据读出时，由于能抑制倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)的高电位(约25V)变化所引起的读出栅电极11下的传送沟道3的电位变动，所以能抑制从电子蓄积部3a传送到浮动扩散区域的电子数量上产生离散偏差。结果，可以正确进行数据的读出。

另外，在第一实施方式中，在倍增栅电极8和传送栅电极10之间设置用于传送电子的传送栅电极9，且在将倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)调整为约25V的高电位的状态下，使传送栅电极9成为导通状态，并且使传送栅电极10成为截止状态，此后，使传送栅电极9成为截止状态，由此，能容易地将蓄积于电子蓄积部3a中的电子传送到电子倍增部3b而使电子倍增。

另外，在第一实施方式中，在将电子蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)的状态下，使传送栅电极9成为导通状态，并且使倍增栅电极8成为截止状态，之后，使传送栅电极10成为导通状态，并且使传送栅电极9成为截止状态，由此，能容易地将通过电子倍增部3b倍增后的电子传送并蓄积于电子蓄积部3a。

另外，在第一实施方式中，通过交替地反复进行以下两种动作，即从电子蓄积部3a向电子倍增部3b传送电子而使电子倍增；从电子倍增部3b向电子蓄积部3a传送电子，从而能进行多次(例如约400次)电子的倍增动作，所以能提高电子的倍增率。由此，能使从光电二极管4传送的电子的数量增加到约2000倍。

(第二实施方式)

在该第二实施方式中，与上述的第一实施方式不同，说明以下所述的例子：在向传送栅电极7以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1以及Ф5的断开信号(低电平的信号)时，传送栅电极7以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位被调整成比倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10下的传送沟道3的电位更低的电位(高的势垒)。

这里，在第二实施方式中，如图10所示，分别经由布线层21、22以及23向倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10供给时钟信号Ф2、Ф3以及Ф4的断开信号(低电平的信号)时，向倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10施加约0V的电压。另外，此时，倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。另外，分别经由布线层20以及24向传送栅电极7以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1以及Ф5的断开信号(低电平的信号)时，向传送栅电极7以及读出栅电极11施加约-2V的电压。另外，此时，传送栅电极7以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约0.5V的电位的状态。另外，第二实施方式的其他的构成与第一实施方式的构成相同，所以省略说明。

接着，对第二实施方式的CMOS图像传感器的电子的传送动作以及倍增动作进行说明。

首先，在图11的期间A中，如图12所示，通过使传送栅电极7成为导通状态，从而传送栅电极7下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态。因此，由被调整为约3V的电位的光电二极管部4蓄积的电子，从光电二极管部4被传送到传送栅电极7下的传送沟道3。此后，通过使倍增栅电极8成为导通状态，从而倍增栅电极8下的传送沟道成为被调整为约25V的电位的状态。由此，被传送到传送栅电极7下的传送沟道3的电子，被传送到倍增栅电极8下的传送沟道3。然后，通过使传送栅电极7成为截止状态，从而传送栅电极7下的传送沟道3成为被调整为约0.5V电位的状态。另外，在该时刻(期间A的结束时刻)，传送栅电极7下的传送沟道3的电位以及倍增栅电极8下的传送沟道3的电位之差约为24.5V，在传送沟道3内成为电位差最大的状态。

接着，在图11的期间B中，如图12所示，通过使传送栅电极9成为导通状态，并且使倍增栅电极8成为截止状态，从而传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态，并且倍增栅电极8下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。由此，蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3中的电子被传送到传送栅电极9下的传送沟道3。

接着，在图11的期间C中，如图12所示，通过使传送栅电极10成为导通状态，并且使传送栅电极9成为截止状态，从而传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态，并且传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。因此，被传送到传送栅电极9下的传送沟道3的电子，被传送到传送栅电极10下的传送沟道3。由此，从光电二极管部4传送来的电子被临时蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部(临时蓄积井)3a)。此后，反复进行多次(例如约400次)后述的电子的倍增动作。由此，能使从光电二极管4传送来的电子倍增到约2000倍。

接着，在图11的期间D中，如图12所示，在电子被临时蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)的状态下，使读出栅电极11成为导通状态，并且使传送栅电极10成为截止状态，从而读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约4V电位的状态，并且传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。因此，蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)中的电子通过被调整为约4V电位的读出栅电极11下的传送沟道3，被传送到浮动扩散区域5，该浮动扩散区域5的电位被调整为约5V。另外，从期间A中将电子传送到倍增栅电极8下的传送沟道3并且使传送栅电极7成为截止状态的时刻开始，到期间D中为了向浮动扩散区域5传送电子而使读出栅电极11成为导通状态为止，传送栅电极7下的传送沟道3以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位被维持在约0.5V。

接着，对CMOS图像传感器的电子的倍增动作进行说明。

首先，在图11的期间C的传送动作之后，在图13的期间E中，如图14所示，在电子蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)的状态下，通过使倍增栅电极8成为导通状态，从而倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)成为被调整为约25V的高电位的状态。

接着，在图13的期间F中，如图14所示，通过使传送栅电极9成为导通状态，并且使使传送栅电极9成为截止状态，从而传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态，并且传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。因此，蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3中的电子被传送到传送栅电极9下的传送沟道3。另外，被传送到传送栅电极9下的传送沟道3中的电子被传送到倍增栅电极8下的传送沟道3。然后，与第一实施方式同样，被传送到倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)的电子，与硅原子碰撞生成电子和空穴，并且通过碰撞电离生成的电子在电场的作用下蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)。

接着，在图13的期间G，如图14所示，通过使传送栅电极9成为截止状态，从而传送栅电极9下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。

接着，通过进行上述的图11的期间B以及C的电子的传送动作，从而蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)中的电子被传送到传送栅电极10下的传送沟道3(电子倍增部3a)。之后，通过反复多次(例如约400次)进行上述的期间E～G的倍增动作以及期间B以及C的传送动作，由此从光电二极管部4传送的电子倍增到约2000倍。

另外，如上所述，在从期间E中将电子蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)的状态开始，到期间G中将电子传送并蓄积于倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)为止，传送栅电极7下的传送沟道3以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位被维持在约0.5V的状态。即，在第二实施方式中，从传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)向倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)进行电子的传送动作时，以及从倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)向传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)进行电子的传送动作时，传送栅电极7下的传送沟道3的电位、以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位，被控制成低于倍增栅电极8下、传送栅电极9下以及传送栅电极10下的各自的传送沟道3的电位。

在第二实施方式中，如上所述，在传送栅电极10和浮动扩散区域5之间设置读出栅电极11，并且相对于传送栅电极10，在与读出栅电极11以及浮动扩散区域5相反的一侧设置倍增栅电极8，从而在读出数据时，不会使电子进行碰撞电离的电场产生的被施加在倍增栅电极8上的高电压(约24V)变化，而使施加到传送栅电极10上的比较低的电压(约2.9V)变化，从而可以将蓄积于电子蓄积部3a的电子传送到浮动扩散区域5。因此，在进行数据读出时，由于能抑制倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)的高电位(约25V)变化所引起的读出栅电极11下的传送沟道3的电位变动，所以能抑制从电子蓄积部3a传送到浮动扩散区域的电子数量上产生离散偏差。其结果，能正确地进行数据的读出。

另外，在第二实施方式中，从传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)向倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)进行电子的传送动作时，以及从倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)向传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)进行电子的传送动作时，传送栅电极7下的传送沟道3的电位、以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位，被控制成低于倍增栅电极8下、传送栅电极9下以及传送栅电极10下的传送沟道3各自的电位，从而传送栅电极7下以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位低于倍增栅电极8下、传送栅电极9下以及传送栅电极10下的传送沟道3的电位。即，在传送沟道3中，传送栅电极7下以及读出栅电极11下的传送沟道3的电势高于倍增栅电极8下、传送栅电极9下以及传送栅电极10下的传送沟道3的电势，所以相应地提高了对电子移动的障壁(电荷障壁)。由此，从传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)向倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)进行电子的传送动作时，以及从倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)向传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)进行电子的传送动作时，抑制电子越过传送栅电极7下以及读出栅电极11下的传送沟道3中产生的电荷障壁，而泄漏到光电二极管部4或浮动扩散区域5中。由此，能可靠地抑制从电子蓄积部3a传送到浮动扩散区域5的电子数量上产生离散偏差。其结果，能正确地进行数据的读出。

另外，第二实施方式的其他动作以及效果与上述第一实施方式相同。

(第三实施方式)

在该第三实施方式中，与上述的第二实施方式不同，说明以下所述的例子：在向传送栅电极7以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1以及Ф5的断开信号(低电平的信号)时，传送栅电极7以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位分别为不同的电位，且被调整成比倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10下的传送沟道3的电位低的电位(高的势垒(potential barrier))。

这里，在第三实施方式中，如图15所示，分别经由布线层21、22以及23向倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10供给时钟信号Ф2、Ф3以及Ф4的断开信号(低电平的信号)时，向倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10施加约0V的电压。此时，倍增栅电极8、传送栅电极9以及传送栅电极10下的传送沟道3成为被调整为约1V的电位的状态。另外，分别经由布线层20以及24向传送栅电极7以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1以及Ф5的断开信号(低电平的信号)时，向传送栅电极7以及读出栅电极11分别施加约-2V以及约-1V的电压。此时，传送栅电极7下的传送沟道3以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约0.5V以及约0.8V的电位的状态。另外，第三实施方式的其他的构成与第一实施方式的构成相同，所以省略说明。

在第三实施方式中，如上所述，从传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)向倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)进行电子的传送动作时，以及从倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)向传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)进行电子的传送动作时，将传送栅电极7下以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位，被控制成低于倍增栅电极8下、传送栅电极9下以及传送栅电极10下的传送沟道3的电位，并且将传送栅电极7的传送沟道3的电位控制成低于读出栅电极11下的传送沟道3的电位，从而与电子倍增部3b相邻位置的传送栅电极7下的传送沟道3的电势最高(电荷障壁最高)。由此，从传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)向倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)进行电子的传送动作时，以及从倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)向传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)进行电子的传送动作时，抑制电子越过传送栅电极7下的传送沟道3中产生的电荷障壁而泄漏到光电二极管部4中。另外，由于读出栅电极11下的传送沟道3的电位也低于倍增栅电极8下、传送栅电极9下以及传送栅电极10下的传送沟道3的电位，所以能抑制电子越过读出栅电极11下的传送沟道3中产生的电荷障壁而泄漏到浮动扩散区域5中。

另外，第三实施方式的其他的效果与上述第一实施方式相同。

(第四实施方式)

在该第四实施方式中，对在上述的第二实施方式的构成中还使传送栅电极7的栅极长度大于其他栅电极的栅极长度的例子进行说明。

在第四实施方式中，如图16所示，传送栅电极7的栅极长度(图16的L1)被构成为大于传送栅电极7以外的栅电极的栅极长度(图16的L2)。另外，在第四实施方式中，分别经由布线层20以及24向传送栅电极7以及读出栅电极11供给时钟信号Ф1以及Ф5的断开信号(低电平的信号)时，向传送栅电极7以及读出栅电极11分别施加约-1.5V以及约-2V的电压。此时，传送栅电极7下以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约0.5V电位的状态。另外，第四实施方式的其他的构成以及动作与第一实施方式的构成以及动作相同。

在第四实施方式中，如上所述，通过将传送栅电极7的栅极长度(图16的L1)构成为大于传送栅电极7以外的栅电极的栅极长度(图16的L2)，从而与传送栅电极7的栅极长度的大小成比例地，由传送栅电极7下的传送沟道3的电势产生的障壁(电荷障壁)的长度(图16的箭头X方向的长度)也变大。由此，从传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)向倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)进行电子的传送动作时，以及从倍增栅电极8下的传送沟道3(电子倍增部3b)向传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)进行电子的传送动作时，与上述的第二实施方式相比，能进一步可靠地抑制电子越过传送栅电极7下的传送沟道3中产生的障壁(电荷障壁)而泄漏到光电二极管部4。由此，能抑制从电子蓄积部3a传送到浮动扩散区域5的电子的数量上产生离散偏差。其结果，能正确地进行数据的读出。

另外，第四实施方式的其他效果与上述第一实施方式相同。

另外，本次公开的实施方式在所有方面都只是例示，并不能认为用来限定本申请保护的范围。本发明的范围由权利要求的范围限定而并非由上述的实施方式说明限定，其还包括与权利要求的范围意思相同以及范围内的所有的变更。

另外，在上述第一～第四实施方式中，例示在各像素50中不放大电荷信号的无源(Passive)型的CMOS图像传感器来作为摄像装置的一例，但本发明并非限定于此，也可以应用在各像素中放大电荷信号的有源(Active)型的CMOS图像传感器。

另外，在上述第一～第四实施方式中，表示了按照各列的多个像素50形成1个复位栅晶体管26的例子，本发明并不限定于此，也可以按每一个像素形成1个复位栅晶体管。

另外，在上述第一～第四实施方式中，例示了在期间G中，在使传送栅电极9成为截止状态后，在期间B中使传送栅电极9成为导通状态，并且使倍增栅电极8成为截止状态，从而将蓄积于电子倍增部3b中的电子发送到传送栅电极9下的传送沟道3的例子，但本发明并非限定于此，也可以是在使电子倍增后，使传送栅电极9维持在导通状态，并且使倍增栅电极8维持在截止状态，由此将蓄积于电子倍增部3b中的电子发送到传送栅电极9下的传送沟道3。

另外，在上述第一～第四实施方式中，例示了在传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11处于导通状态时，传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为约4V的电位的状态的例子，但本发明并非限定于此，也可以是当传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11处于导通状态时，传送栅电极7、9、10以及读出栅电极11下的传送沟道3成为被调整为分别不同的电位的状态。

另外，在上述第一～第四实施方式中，例示了下述的例子：通过使读出栅电极11为导通状态，并且使传送栅电极10成为截止状态，从而蓄积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)中的电子经由调整为约4V的电位的读出栅电极11下的传送沟道3，被传送到浮动扩散区域5，该浮动扩散区域5的电位被调整为比传送栅电极10下的传送沟道3的电位(约1V)高的约5V的电位。但本发明并非限定于此，也可以是：通过使读出栅电极11为导通状态，并且使传送栅电极10维持导通状态，从而积于传送栅电极10下的传送沟道3(电子蓄积部3a)中的电子被传送到浮动扩散区域5，该浮动扩散区域5的电位被调整为比传送栅电极10以及读出栅电极11下的传送沟道3的电位(约4V)高的约5V的电位。

另外，在上述第一～第四实施方式中，例示了在p型硅基板1的表面形成传送沟道3、光电二极管部4以及浮动扩散区域5的例子，但本发明并非限定于此，也可以是在n型硅基板的表面形成p型阱区域，并且在该p型阱区域的表面形成传送沟道、光电二极管部以及浮动扩散区域。

另外，在上述第一～第四实施方式中，例示了使用电子作为信号电荷的例子，但本发明并非限定于此，也可以通过使基板杂质的导电型以及施加的电压的极性完全相反，由此采用空穴作为信号电荷。

另外，在上述第三实施方式中，例示了当使传送栅电极7以及读出栅电极11成为截止状态时，将传送栅电极7下的传送沟道3的电位控制成低于读出栅电极11下的传送沟道3的电位的例子，但本发明并非限定于此，也可以将读出栅电极11下的传送沟道3的电位控制成低于传送栅电极7下的传送沟道3的电位。

另外，在上述第四实施方式中，例示了将传送栅电极7的栅极长度构成为大于传送栅电极7以外的栅电极的栅极长度的例子，但本发明并非限定于此，也可以将读出栅电极11的栅极长度构成为大于读出栅电极11以外的栅电极的栅极长度。另外，也可以将传送栅电极7以及读出栅电极11这两者的栅极长度构成为大于传送栅电极7和读出栅电极11以外的栅电极的栅极长度。此时，通过使配置于传送沟道3的电子倍增部3b附近的传送栅电极7的栅极长度变长，能更有效地抑制电子的泄漏。

Claims (18)

1.一种摄像装置，其包括：

蓄积部，其用于蓄积并传送信号电荷；

第一电极，其用于产生使所述蓄积部蓄积信号电荷的电场；

电荷增加部，其用于通过碰撞电离来增加蓄积于所述蓄积部中的信号电荷；

第二电极，其用于产生在所述电荷增加部使信号电荷碰撞电离的电场；

电压变换部，其用于将信号电荷变换为电压；和

第三电极，其设置于所述第一电极和所述电压变换部之间，用于从所述蓄积部向所述电压变换部传送信号电荷，

所述第二电极相对于所述第一电极而被设置于所述第三电极以及所述电压变换部的相反侧。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，

还包括第四电极，其设置于所述第二电极和所述第一电极之间，用于传送信号电荷，

在通过所述第二电极产生用于使信号电荷碰撞电离的电场的状态下，控制所述第一电极以及所述第四电极，以便将蓄积于所述蓄积部中的信号电荷传送到所述电荷增加部。

3.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，

在将蓄积于所述蓄积部中的信号电荷传送到所述电荷增加部时，控制所述第二电极，以便向所述第二电极持续供给使所述第二电极成为导通状态的规定信号，并且控制所述第一电极以及所述第四电极，以便在向所述第四电极供给使所述第四电极成为导通状态的规定信号之后向所述第一电极供给使所述第一电极成为截止状态的规定信号。

4.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，

控制所述第二电极、所述第四电极以及所述第一电极，以便将通过所述电荷增加部增加了的信号电荷传送到所述蓄积部。

5.如权利要求4所述的摄像装置，其特征在于，

在将通过所述电荷增加部增加了的信号电荷传送到所述蓄积部时，控制所述第四电极以及所述第二电极，使得所述第四电极成为导通状态后使所述第二电极成为截止状态，之后控制所述第一电极以及所述第四电极，使得所述第一电极成为导通状态后使所述第四电极成为截止状态。

6.如权利要求4所述的摄像装置，其特征在于，

交替地反复进行以下动作：从所述蓄积部向所述电荷增加部传送信号电荷而使信号电荷增加；从所述电荷增加部向所述蓄积部传送信号电荷。

7.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，还包括：

光电变换部，其生成信号电荷；和

第五电极，其设置于所述光电变换部和所述第二电极之间，

一个像素内包括所述第五电极、所述第二电极、所述电荷增加部、所述第一电极、所述蓄积部、所述第三电极以及所述电压变换部。

8.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，

所述摄像装置是CMOS图像传感器。

9.如权利要求7所述的摄像装置，其特征在于，

所述蓄积部以及所述电荷增加部设置于信号电荷的传送区域内，

构成为：通过分别对所述第五电极、所述第二电极、所述第四电极、所述第一电极以及所述第三电极进行导通截止控制，从而在所述信号电荷的传送区域内传送信号电荷。

10.如权利要求9所述的摄像装置，其特征在于，

在从所述光电变换部向所述信号电荷的传送区域传送由所述光电变换部生成的信号电荷时，所述第五电极被控制成导通状态。

11.如权利要求9所述的摄像装置，其特征在于，

在从所述信号电荷的传送区域向所述光电变换部传送所述信号电荷的传送区域内的信号电荷时，所述第三电极被控制成导通状态。

12.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，还包括：

光电变换部，其生成信号电荷；

第四电极，其设置于所述第二电极和所述第一电极之间，用于传送所述信号电荷，和

第五电极，其设置于所述光电变换部和所述第二电极之间，

分别在所述第五电极、所述第二电极、所述第四电极、所述第一电极以及所述第三电极的下方，设置传送沟道，

在从所述蓄积部向所述电荷增加部进行信号电荷传送动作时、以及从所述电荷增加部向所述蓄积部进行信号电荷传送动作时，与所述第五电极对应的传送沟道以及与所述第三电极对应的传送沟道的至少一方的电位被控制成低于与所述第四电极对应的传送沟道的电位。

13.如权利要求12所述的摄像装置，其特征在于，

在从所述蓄积部向所述电荷增加部进行信号电荷传送动作时、以及从所述电荷增加部向所述蓄积部进行信号电荷传送动作时，与所述第五电极对应的传送沟道的电位以及与所述第三电极对应的传送沟道的电位都被控制成低于与所述第四电极对应的传送沟道的电位。

14.如权利要求12所述的摄像装置，其特征在于，

在从所述蓄积部向所述电荷增加部进行信号电荷传送动作时、以及从所述电荷增加部向所述蓄积部进行信号电荷传送动作时，与所述第五电极对应的传送沟道的电位以及与所述第三电极对应的传送沟道的电位被控制成为相同电位。

15.如权利要求12所述的摄像装置，其特征在于，

所述第五电极被配置成与所述第二电极相邻，

在从所述蓄积部向所述电荷增加部进行信号电荷传送动作时、以及从所述电荷增加部向所述蓄积部进行信号电荷传送动作时，与所述第五电极对应的传送沟道的电位被控制成低于与所述第三电极对应的传送沟道的电位。

16.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，还包括：

光电变换部，其生成信号电荷；和

第五电极，其设置于所述光电变换部和所述第二电极之间，

沿着所述第五电极以及所述第三电极至少一方的电极的信号电荷传送方向的长度，比沿着所述第五电极以及所述第三电极至少一方的电极以外的任意一个电极的信号电荷传送方向的长度长。

17.如权利要求16所述的摄像装置，其特征在于，

沿着所述第五电极的信号电荷的传送方向的长度比沿着所述第五电极以外的任意一个电极的信号电荷传送方向的长度长。

18.一种摄像装置，其包括：

蓄积机构，其用于蓄积并传送信号电荷；

第一电极，其用于产生使所述蓄积机构蓄积信号电荷的电场；

电荷增加机构，其用于通过碰撞电离来增加蓄积于所述蓄积机构中的信号电荷；

第二电极，其用于产生由所述电荷增加机构使信号电荷碰撞电离的电场；

电压变换机构，其用于将信号电荷变换为电压；和

第三电极，其设置于所述第一电极和所述电压变换机构之间，用于从所述蓄积机构向所述电压变换机构传送信号电荷，

所述第二电极相对于所述第一电极而被设置于所述第三电极以及所述电压变换机构的相反侧。

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