内建电子倍增功能型的固体摄像元件的制作方法

文档序号:6986196阅读:170来源:国知局
专利名称:内建电子倍增功能型的固体摄像元件的制作方法
技术领域
本发明涉及内建电子倍增功能型的固体摄像元件。
背景技术
以前,具有倍增寄存器的固体摄像元件(例如,参考下述专利文献1 3)已为人 所知。在如此的固体摄像元件中,将由摄像区域读取的电荷经由水平移位寄存器传送至倍 增寄存器。倍增寄存器具备形成于半导体层上的绝缘层、与形成于绝缘层上的传送电极,在 对于某电极(DC电极)施加直流电位且该电位固定的状态下,若使次段的传送电极(倍增 电极)的电位大幅上升,则在这些电极间的电荷传送期间,可进行电子倍增。专利文献1 日本发明专利3862850号公报专利文献2 日本特表2007-533130号公报专利文献3 日本特开2001-127277号公报

发明内容
发明所要解决的问题然而,发明人等潜心研究上述的构造的倍增寄存器的结果发现,为在提高对于光 的感光度下兼又提高分辨率,在使用具高电阻的外延层的基板的情况时,几乎无法进行电 子倍增。本发明的目的在于提供一种即使使用具有高电阻的外延层的基板,也可充分进行 电子倍增的内建电子倍增功能型的固体摄像元件。解决问题的技术手段为解决上述的问题,本发明所涉及的内建电子倍增功能型的固体摄像元件的特征 在于具备P型半导体基板;在半导体基板上生长的P型外延层;形成于外延层内的摄像 区域;具有形成于外延层内的N型半导体区域并传送来自摄像区域的信号的水平移位寄存 器;及形成于外延层内的P型阱区域;N型的上述半导体区域延伸至阱区域内,阱区域内的 P型杂质浓度高于外延层内的P型杂质浓度,在阱区域中,形成有倍增来自水平移位寄存器 的电子的倍增寄存器。外延层已知其结晶性优良。因此,在P型外延层形成N型半导体区域的情况时,由 于在水平移位寄存器的电子在结晶性优良的半导体内传送,故电子传送可高精度地进行。 如此传送的电子流入倍增寄存器内,而在倍增寄存器的周围,存在有浓度相对高于外延层 的P型阱区域。发明人等发现在如此的情况时,倍增寄存器的传送电极正下方的电位变化 会变得急剧,使电子倍增率显著提高。另外,倍增寄存器优选为具备形成于阱区域内的N型的上述半导体区域;形成于 上述半导体区域上的绝缘层;在该绝缘层上以邻接的方式形成的多个传送电极;及配置于 传送电极间,被施加直流电位的DC电极。S卩,在被施加直流电位的DC电极,与次段的传送电极(倍增电极)之间的N型半导体区域内的电位变化会变得急剧,电子倍增显著地进行。另外,上述绝缘层优选为仅由单一的SiO2层构成。绝缘层以提高其机械耐性与电 性耐压作为目的,优选为采用Si3N4层与SiO2层的2层构造。然而,与起初的预想相悖,使 用如此的绝缘层的情况时,倍增寄存器的增益会劣化。另一方面,绝缘层仅由单一的3102层 构成的情况时,却会得到不会发生增益劣化的超出预想的结果。发明效果根据本发明的内建电子倍增功能型的固体摄像元件,即使使用高电阻的外延层, 也可充分地进行电子倍增。


图1为固体摄像元件的平面图;图2为图1所示的固体摄像元件的II-II箭头剖面图;图3为图1所示的固体摄像元件的III-III箭头剖面图;图4为显示固体摄像元件的详细的连接关系的平面图;图5为图4所示的固体摄像元件的V-V箭头剖面图;图6为显示驱动/读取电路与固体摄像元件的连接关系的方块图;图7为倍增寄存器的电位图;图8为显示使用固体摄像元件的时间与相对增益的关系的图表。
具体实施例方式以下,就实施方式所涉及的内建电子倍增功能型的固体摄像元件进行说明。再者, 相同的要素使用相同的符号,而省略重复的说明。图1为背面入射型的固体摄像元件100的平面图。在半导体基板上形成有绝缘层2,在绝缘层2的表面上形成有多个垂直电荷传送 电极,这些部份构成垂直移位寄存器。形成有垂直移位寄存器的区域为摄像区域VR,本例的 情况为CXD摄像区域。再者,摄像区域VR也可由MOS型影像传感器构成。在摄像区域VR的一边,邻接设置有水平移位寄存器HR,在从水平移位寄存器HR至 倍增寄存器EM的电荷传送路径内,配置有转角寄存器CR。转角寄存器CR的构造虽与水平 移位寄存器HR相同,但电荷传送方向以描绘圆弧的方式弯曲。在倍增寄存器EM的输出端, 电连接有放大器AMP,从放大器AMP的输出端子OS所获得的图像信号按逐个像素依次读取。形成有绝缘层2的半导体基板的背面侧的中央部被蚀刻成矩形,并形成有凹部 DP。形成有凹部DP之侧为基板的背面,且影像入射至固体摄像元件的背面侧。图2为图1所示的固体摄像元件的II-II箭头剖面图。固体摄像元件100具有P型半导体基板IA ;在半导体基板IA上生长的P型外延 层IB ;形成于外延层IB内的摄像区域VR;及形成于外延层IB内的N型半导体区域1C,并 构成埋入通道型(XD。光像hv从基板背面侧入射。半导体基板IA从背面侧经蚀刻而构成 凹部DP。再者,将包含半导体基板1A、外延层IB及半导体区域IC的整体设为半导体基板 1。在半导体基板1上形成有绝缘层2,且在绝缘层2上设置有传送电极3。在外延层IB的 一部分形成有P型接触区域1G,在接触区域IG设置有电极El。若对电极El施加接地电位
4等的基准电位,则可决定P型半导体基板IA与外延层IB的电位。在摄像区域VR中,所传送的电子在垂直于图2的纸面的方向行进。再者,在N型半 导体区域内,形成有沿着电荷传送方向延伸的由多个P型半导体区域构成的隔离区IS(参 照图4),而将垂直移位寄存器的各信道区分间隔,为使说明简略化,在同图中未显示隔离 区。图3为图1所示的固体摄像元件的III-III箭头剖面图。设置于摄像区域VR的传送电极3A、3B为交替配置,这些电极一部分区域重叠,绝 缘层5介于邻接的传送电极3A、3B之间,并电气分离。来自摄像区域VR的信号由水平移位 寄存器HR传送。另外,倍增寄存器EM(在同图中仅将电极组作为EM而模式性显示)位于水 平移位寄存器HR的附近。在倍增寄存器EM的位置的外延层IB内,形成有P型阱区域1D, N型半导体区域IC也延伸至阱区域ID内。阱区域ID内的P型杂质浓度高于外延层IB内 的P型杂质浓度。半导体基板1由形成有凹部DP的薄板部、与其周围的厚板部构成。在厚板部中, 因光的入射而在内部产生的载流子在到达表面侧之前消失。尤其是半导体基板IA的P型 杂质浓度由于较外延层IB为充分高的浓度,故载流子的行经距离也缩短。水平移位寄存器 HR、转角寄存器CR(参照图1)及倍增寄存器EM至少形成于薄板部的外侧的区域,优选为形 成于厚板部的区域。因此,在厚板部产生的载流子不会混入这些寄存器内。图4为显示固体摄像元件的详细的连接关系的平面图。摄像区域VR具备沿着垂直方向交替配置的垂直传送电极3A、3B。各传送电极3A、 3B在水平方向延伸,邻接的传送电极彼此少许重叠。在本例中,对传送电极3施加3相的驱 动电压(P1V、P2V、P3V)。通过该驱动电压的施加,存储于传送电极正下方的电子在垂直方 向传送。再者,在同图中,显示有FFT(full frame transfer)方式的CCD,其也可替换成进 一步包含存储区域的FT (frame transfer)方式的CCD,或IT (interline transfer)方式的 CCD。在摄像区域VR,形成有用于分离各垂直电荷传送信道CHl CHlO的P型隔离区 IS。在构成摄像区域VR的信道CHl CHlO中,对应于光的入射而产生的电荷朝垂直方向 传送,且在每个信道中流入水平移位寄存器HR的各传送电极6的正下方。再者,在摄像区域VR与水平移位寄存器HR之间,设置有被施加栅极电压TG的传 送电极(转移栅),通过控制栅极电压TG,可控制从摄像区域VR流入至水平移位寄存器HR 的电荷量。构成水平移位寄存器HR的传送电极6A、6B沿着水平方向交替配置,且一部分重 叠。再者,在任一者的寄存器中,在邻接的传送电极3A、3B、6A、6B、7A、7B、8A、8B之间,均存 在有形成于绝缘层2上的绝缘层5 (参照图5),且这些电极电气分离。对传送电极6施加3 相的驱动电压(P1HA、P2HA、P3HA),且传送电极6正下方的电子在水平方向传送。在水平移 位寄存器HR上,连接有圆弧状弯曲的转角寄存器CR。构成转角寄存器CR的传送电极7A、 7B沿着圆弧交替配置,且一部分重叠。对传送电极7施加与在水平移位寄存器上施加的相 同的3相的驱动电压(P1HA、P2HA、P3HA),且传送电极7的正下方的电子沿着圆弧传送至倍 增寄存器EM。 在倍增寄存器EM中,将传送电极8A、8B沿着水平方向交替配置,且一部分重叠。对传送电极8施加3相的驱动电压(P1HB、P2HB、P3HB),且传送电极8的正下方的电子在水平 方向传送。在4个成一组的传送电极8中,对3个传送电极8施加驱动电压,对其余的1个 传送电极8施加作为DC电极的直流电位DCB。在本例中,具有在水平方向依次邻接的4个 成一组的传送电极8,即第1、第2、第3、第4传送电极8的情况时,将位于第2者设为DC电 极,对其施加直流电位DCB。对传送电极8所施加的电位为正电位,对第1传送电极8施加适当的正电位 (P1HB),并加深势阱(提高电位参照图7),在该阱内预先存储电子。对第3传送电极8也 施加大的正电位(P2HB的最大值> P2HA的最大值),加深势阱,且施加于第2传送电极8的 一定的电位(DCB)低于这些电位(P1HB、P2HB),并于第1与第3阱之间形成势垒。在此状 态下,若使第1势阱变浅(降低电位参照图7),则从势阱溢出的电子会越过势垒,而落入 第3传送电极的势阱(电位深度ΦΑ)内。该电子落下时进行电子倍增。第1势阱的电位 进一步下降(上方向),而使所存储的电子完全传送至第3势阱。再者,电位Φ的朝向为朝 下方为正。该经倍增的电子一边加深第4传送电极8的正下方的势阱,一边使第3传送电极 8的正下方的势阱变浅,由此可移动至第4势阱。同样地,存储于第4势阱的电子使用与从 第3至第4的电荷传送相同的方法,移动至下一组的第1势阱并存储。以下,使用与上述相 同的手法,在下一组中也重复倍增 传送步骤。再者,在本例中,电荷传送使用3相驱动,但 也可设定成4相驱动,或2相驱动。经倍增的电子最终流入至高浓度的N型半导体区域FD。半导体区域FD连接于放 大器AMP。该放大器AMP为内建于半导体基板1内的浮动·扩散·放大器。图5为图4所示的固体摄像元件的V-V箭头剖面图。再者,图6为显示驱动/读 取电路200与固体摄像元件100的连接关系的方块图。从驱动/读取电路200将各种的信 号给予至固体摄像元件100。再者,为方便电荷读取部的说明,使各要素与信号使用相同的 符号。首先,对信号读取部的结构进行说明。在信号读取部的半导体区域FD连接有放大 器AMP。根据半导体区域FD内的电荷量,晶体管QB的栅极电位变动,对应于此,从输出漏 极OD经由晶体管QB流过电阻R的电流量变化。即,根据存储于半导体区域FD的电荷量, 电阻R的两端值的电压(输出电压)OS变化,并将其读取。来自1个像素的电荷经读取后,在重置栅极RG输入重置电压RG,经由重置漏极RD 重置半导体区域FD的电位。此处,由于重置漏极RD的电位为正,故重置时,可存储电子的 势阱形成于半导体区域FD内。重置后,控制重置栅极RG的电位,将晶体管QA断开,并将半 导体区域FD的电位设成浮动电平。再者,在使电荷流入半导体区域FD内之前,升高近处的信号栅SG的电位,在此存 储电荷,且输出栅OG的电位固定,而形成阻挡,以使电荷不从信号栅SG的正下方区域流入 半导体区域FD内。其后,若在输出栅OG的电位固定的状态下,降低信号栅SG的电位,则存 储于信号栅SG的正下方的电荷将流入半导体区域FD内。其次,对倍增寄存器EM进行说明。在阱区域ID中形成有倍增寄存器EM,倍增寄存 器EM倍增来自水平移位寄存器HR的电子。外延层已知其结晶性优良。尤其在低杂质浓度的情形下结晶性增高。因此,在P 6型外延层IB形成N型半导体区域IC的情况时,垂直移位寄存器、水平移位寄存器HR、及转 角寄存器CR的电子在结晶性优良的半导体内传送,噪声变少,从而电子传送可高精度地进 行。如此传送的电子流入至倍增寄存器EM的半导体区域IC内。另外,由于低杂质浓度的缘 故,耗尽层容易扩大,从而感度提高。在耗尽层内产生的电子会因电场引起的漂移而移动, 故电子跑动中不会因扩散而扩大,从而分辨率提高。倍增寄存器EM具备形成于阱区域ID内的N型半导体区域IC ;形成于半导体区域 IC上的绝缘层2 ;在绝缘层2上以邻接的方式形成的多个传送电极8 ;及配置于传送电极8 之间且被施加直流电位DCB(参照图4及图7)的DC电极8。在倍增寄存器EM的周围,存在 有浓度相对高于外延层IB的P型阱区域1D。再者,外延层IB形成于基板整个面,但N型半 导体区域IC仅选择性形成于形成有摄像区域VR、水平移位寄存器HR、转角寄存器CR、倍增 寄存器EM的区域。图7为倍增寄存器EM的电位图。上述构造的情况,如同图所示,倍增寄存器EM的传送电极8的正下方的半导体区 域内的电位变化变得急剧,电子倍增率显著提高。即,被施加直流电位DCB的DC电极8、与 被施加电位P2HB的次段的传送电极(倍增电极)8之间的N型半导体区域IC内的电位变 化变得急剧,电子倍增显著地进行。越过被施加直流电位DCB的第2电位,电子从第1势阱(电位P1HB)流入第3势阱 (电位P2HB)时,电子倍增进行。假设在没有P型阱区域1D(参照图5)情况时,如同图的虚 线PRI所示,电位变化变得缓慢,使电子倍增无法充分进行。在使用高电阻的外延层时,在 没有P型阱区域ID的情况时几乎无法进行倍增,但在某些情况每1段的倍增率为1. 01以上。再者,上述的实施方式的半导体层内的P型杂质浓度CP、N型杂质浓度Cn的范围优 选为以下的情况。· P型半导体基板IA的杂质浓度Cp (IA) = 1 X IO17 1 X IO1Vcm3· P 型外延层 IB 的杂质浓度 Cp(IB) = 1 X IO11 1 X IO16/cm3· N型半导体区域IC的杂质浓度Cn (IC) = 1 X IO12 1 X IO1Vcm3· P 型阱区域 ID 的杂质浓度 Cp (ID) = 1 X IO12 1 X IO1Vcm3此处,杂质浓度C满足以下的关系。· Cp(IA) > CN(IC) > Cp(IB)· Cp(IA) > Cp(ID) > Cp(IB)此处,P型半导体基板IA的厚度t (IA)、P型外延层IB的厚度t (IB)、N型半导体 区域IC的厚度t (IC)、及P型阱区域ID的厚度t (ID)满足以下的关系。· t(lA) > t(lB) > t(lD) > t(lC)再者,上述的半导体材料为Si,本例的P型外延层IB的电阻率为lOOQcm,相对通 常所使用的10 Ω cm为较高值。其次,对绝缘层2的材料进行说明。图8为显示使用固体摄像元件的时间与相对增益的关系的图表。图5所示的实施例所涉及的绝缘层2仅由单一的SiO2层构成。比较例中的绝缘 层采用Si3N4层/SiO2层的2层构造。将单一的SiO2层与Si3N4层/SiO2层的2层以相同的厚度比较。SiO2层为Si热氧化膜。另外,Si3N4层以LPCVD法而形成,传送电极的材料为掺 杂P的多晶硅。使用比较例的绝缘层时,随着摄像时间的经过,倍增寄存器的相对增益逐渐下降。 另一方面,绝缘层2仅由单一的SiO2层构成的实施例的情况下,获得经过5个小时后,也不 会发生增益的劣化的超出预想的结果。研究该现象后可推定,2层构造的绝缘层的情况时,在Si3N4层/SiO2层的界面电荷 会被捕捉,而被捕捉的电荷所引起的电场对于倍增寄存器EM的特性会造成不良影响。产业上的可利用性本发明通过进行高性能的电子倍增,可适用于能够拍摄微弱的光像的内建电子倍 增功能型的固体摄像元件。再者,上述的实施方式也可适用于不蚀刻半导体区域的表面入射型固体摄像元 件。符号说明
IA半导体基板
IB外延层
VR摄像区域
ICN型半导体区域
HR水平移位寄存器
IDP型阱区域
EM倍增寄存器
权利要求
一种内建电子倍增功能型的固体摄像元件,其特征在于具备P型半导体基板;P型外延层,其生长于所述半导体基板上;摄像区域,其形成于所述外延层内;水平移位寄存器,其具有形成于所述外延层内的N型的半导体区域并传送来自所述摄像区域的信号;以及P型阱区域,其形成于所述外延层内,N型的所述半导体区域延伸至所述阱区域内,所述阱区域内的P型杂质浓度高于所述外延层内的P型杂质浓度,在所述阱区域中,形成有倍增来自所述水平移位寄存器的电子的倍增寄存器。
2.如权利要求1所述的内建电子倍增功能型的固体摄像元件,其特征在于 所述倍增寄存器具备形成于所述阱区域内的N型的所述半导体区域; 形成于所述半导体区域上的绝缘层; 在所述绝缘层上以邻接方式形成的多个传送电极;以及 配置于所述传送电极间且被施加直流电位的DC电极。
3.如权利要求2所述的内建电子倍增功能型的固体摄像元件,其特征在于 所述绝缘层仅由单一的SiO2层构成。
全文摘要
本发明的固体摄像元件具备P型半导体基板(1A);在半导体基板(1A)上生长的P型外延层(1B);形成于外延层(1B)内的摄像区域(VR);具有形成于外延层(1B)内的N型半导体区域(1C)并传送来自摄像区域(VR)的信号的水平移位寄存器(HR);及形成于外延层(1B)内的P型阱区域(1D)。N型的半导体区域(1C)延伸至阱区域(1D)内,阱区域(1D)内的P型杂质浓度高于外延层(1B)内的P型杂质浓度,在阱区域(1D)中,形成有倍增来自水平移位寄存器的电子的倍增寄存器(EM)。
文档编号H01L27/148GK101960598SQ201080001168
公开日2011年1月26日 申请日期2010年1月27日 优先权日2009年1月30日
发明者前田坚太郎, 村松雅治, 米田康人, 铃木久则, 高木慎一郎 申请人:浜松光子学株式会社
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