[发明专利]固体摄像装置和电子装置

说明书

相关申请的交叉参考

本申请包含与2010年3月25日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-070252的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及采用同时从各光电转换元件中读出一个个电荷的全像素读取方法(all-pixel read method)的固体摄像装置及嵌入有该固体摄像装置的电子装置，每个光电转换元件包含在形成像素阵列的所有单位像素中的一个单位像素中。

背景技术

固体摄像装置的一个典型示例是CMOS图像传感器，CMOS图像传感器通过像素的MOS晶体管将光电荷读出，光电荷累积在充当CMOS图像传感器中所包含的每个单位像素的光电转换元件(在下文中，也称为光电转换部)的光电二极管的PN结电容中。CMOS图像传感器进行操作以读出每个预定单元(如，像素或像素行)的均已累积在光电二极管中的一个个光电荷。光电荷是由于光电二极管所进行的光电转换过程而获得的信号电荷。因此，不能使CMOS图像传感器中所包含的所有像素的累积光电荷的曝光时段变得一致。于是，在摄像物体移动的情况下，在摄像时通常产生失真。

CMOS图像传感器的单位像素的典型结构

图1是表示根据日本专利公开公报No.2009-268083(下文中，称为专利文献1)所披露的现有技术的CMOS图像传感器中的单位像素100的结构的图。

如图1所示，单位像素100包括PD(光电二极管)101、传输栅极晶体管102和构成FD(浮动扩散部)电容的N型区域103，传输栅极晶体管102是由符号TRG表示，FD(浮动扩散部)电容是由符号FD表示。另外，单位像素100还具有复位晶体管104、放大晶体管105和选择晶体管106。

在单位像素100中，光电二极管101通常是通过在形成在半导体基板111上的P型阱层112的表面上形成P型层113并在P型层113下面嵌入N型嵌入层114而形成的嵌入光电二极管。传输栅极晶体管102将光电二极管101的PN结中累积的电荷传输到构成浮动扩散部电容FD的N型区域103。

在CMOS图像传感器中，布置均具有上述结构的单位像素100以形成充当摄像部的单位像素矩阵。

在摄像部中，通过将传输脉冲TRG施加到传输栅极晶体管102的栅极时的时刻来确定由传输栅极晶体管102从光电二极管101传输到N型区域103的信号电荷的量。将传输脉冲TRG同时施加到每个单位像素中的传输栅极晶体管102的栅极的方法就是前面提到的全像素读取方法。

机械快门方法

另外，用于对所有像素的几乎同时的曝光时段期间实现摄像操作的曝光操作的方法的典型示例是一种广泛使用的机械快门方法，该机械快门方法利用充当机械式光屏蔽构件的机械快门。

这个机械式光屏蔽构件通过几乎同时启动所有像素的曝光时段并几乎同时终止所有像素的曝光时段来进行曝光操作。

根据机械快门方法，机械地控制曝光时段以使所有单位像素的曝光时段几乎一致。曝光时段是如下时段：在该时段期间，入射到光电二极管101的光转换成充当信号电荷的光电荷。然后，当机械快门关闭时，单位像素进入光电二极管101中实际上不产生任何光电荷的状态。在机械快门关闭后，从光电二极管101顺序读出信号电荷。然而，由于机械快门方法要求使用机械式光屏蔽构件，所以这难以降低CMOS图像传感器的尺寸。另外，由于机械式光屏蔽构件存在机械驱动速度的限制，所以机械快门方法的同时性劣于电气方法的同时性。

使用电子快门的全像素同时读取操作(整体曝光)

为了防止在上述摄像时刻产生失真，通过使用电子快门执行用于设定全像素同时曝光时段的电气控制来进行摄像操作。为设定全像素同时曝光时段所进行的操作是指所谓的整体曝光操作。通过参照图1，下面将对诸如专利文献1之类的文献所披露的整体曝光操作过程中的步骤(1)～(6)进行说明。

步骤(1)

入射到光电二极管101的光在半导体基板111中经历光电转换过程，光电转换过程用于将光转换成信号电荷。在如图1所示的结构的情况下，例如，充当信号电荷的电子在N型嵌入层114中累积，而通过P型区域(未图示)将空穴弃置到外部。一些空穴被P型层113捕获，使得未以由缺陷所引入的基板表面能级收集信号电荷，所捕获的空穴充当固定电荷，固定电荷对N型嵌入层114中所累积的电子具有影响。于是，稳定了N型嵌入层114中累积的饱和电荷量。

步骤(2)