专利名称：固体摄像装置和相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有光电转换元件的摄像装置并且涉及使用该摄像装置的相机。
背景技术：
如已经公知的，在诸如电荷I禹合器件(charge-coupled device, CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)图像传感器等固体摄像装置中，在用作装置的光电转换元件的光电二极管中的晶格缺陷以及在受光部与设置在受光部上的绝缘膜之间的界面上的界面态成为了暗电流的产生源头。为有效防止作为一种暗电流产生源头的界面态产生暗电流，采用了这样的方法其中，固体摄像装置被设置为采用埋入型光电二极管结构。在上述埋入型光电二极管中，典型地形成有n型半导体区域，并且在该n型半导体区域的表面的附近(即，在与绝缘膜的界面附近)，浅浅地形成有具有大的杂质浓度的P型半导体区域从而用作用于防止暗电流生成的区域。P型半导体区域也被称为空穴累积区域。根据形成埋入型光电二极管的方法，通常，在退火处理之前注入B和/或BF2离子用作P型半导体区域的杂质，然后，在绝缘膜与形成光电二极管的n型半导体区域之间的界面附近形成P型半导体区域。 另外，将CMOS图像传感器的各像素形成为包括光电二极管和诸如读取晶体管、复位晶体管和放大晶体管等各种晶体管。这些晶体管对通过由光电二极管进行的光电转换过程获得的信号进行处理。在像素上方，形成有布线层。布线层包括布置得形成多层的金属线。在布线层上形成有滤色器和片上透镜。各滤色器用来对入射至光电二极管的光进行过滤从而排除具有提前规定的波长之外的波长的光。另一方面，各片上透镜用来将光汇聚在光电二极管上。作为具有上述结构的CMOS图像传感器，已经提出了具有各种特性的器件结构。关于光电转换元件的结构，已经提出了诸如具有CCD特性的电荷调制器件(Charge Modulation Device,CMD)和体电荷调制器件(Bulk Charge Modulation Device,BCMD)等各种器件结构。关于CMD的更多信息，建议读者参照诸如日本专利第1938092号公报、日本专利特开平6-120473号公报以及日本专利特开昭60-140752号公报等文献，而关于BCMD的更多信息，建议读者参照诸如日本专利特开昭64-14959号公报等文献。需要注意的是，上述这些CMOS图像传感器中的各者基本上是用于接收入射至器件的前表面的照射光的前表面照射固体摄像装置。另一方面,也已经提出了用于从娃基板的后表面接收光并且将光转换为电信号的后表面照射固体摄像装置。该后表面照射固体摄像装置是这样形成的通过研磨硅基板(在娃基板上已经为各像素形成有光电二极管和各种晶体管)的后侧从而使基板形成为薄膜。后表面照射固体摄像装置也被称为背面照射固体摄像装置。关于后表面照射固体摄像装置的更多信息，建议读者参照诸如日本专利特开平10-65138号公报等文献。另外，作为具有CMD结构的固体摄像装置，双载流子(double-carrier) CMD和单载流子(Single-Carrier)CMD是已知的。关于双载流子CMD的更多信息，建议读者参照诸如“以非破坏性读出模式操作的新的MOS图像传感器(A New MOS Image Sensor Operatingin a Non-destructive Readout Mode) (IEDM 1986) ” 等文献,而关于单载流子 CMD 的更多信息，建议读者参照诸如日本专利特开第2009-152234号等文献。在这些具有CMD结构的固体摄像装置中，下面说明输出用作光电转换部的埋入传感器的残留电荷的操作。输出残留电荷的操作也被称为复位操作。在双载流子CMD中，为了减低传感器与基板之间的势垒，向基板施加电压，从而将 累积在传感器中的电荷抛出至基板。以这样的方式，进行复位操作。另一方面，在单载流子CMD中，将读取晶体管的栅极用于调制传感器漏出势垒(下文中称为溢出势垒)从而降低该势垒。以这样的方式，能够进行复位操作。然而，在上述单载流子CMD中，如果溢出势垒高，那么复位操作所需要的电压也就高，所以复位时在夹断区域(pinch-off area)中产生大电场,从而很有可能引起可靠性的问题。为了缓和在夹断区域中产生的电场，将晶体管设计为具有这样的结构其中，以与耐高压晶体管(诸如日本专利特开昭64-7460号公报等文献中所披露)的情况相同的简单方式分隔晶体管的栅极。然而，如果将晶体管设置为具有这样的结构，则在分隔区域中形成下陷(dip)和/或势垒，从而对线性有不良影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能够降低溢出势垒、降低复位电压、防止在夹断区域中产生电场、防止在沟道中产生下陷和/或势垒并且防止线性劣化的固体摄像装置。另外，本发明的另一目的是提供使用该固体摄像装置的相机。本发明给出的技术的第一实施方式提供了一种固体摄像装置，所述固体摄像装置具有像素单元，通过将一个所述像素单元或多个所述像素单元作为单位，所述像素单元被器件分离层与相邻的所述像素单元的组分隔开。在所述固体摄像装置中所述像素单元具有第一导电型阱和第二导电型阱；所述第一导电型阱接收光，并且具有进行光电转换处理从而将接收到的光转换为电荷的光电转换功能以及用于累积所述电荷的电荷累积功能；在所述第二导电型阱中形成有晶体管，所述晶体管用于检测在所述第一导电型阱中累积的所述电荷并且具有阈值调制功能； 所述晶体管具有源极、漏极以及在所述源极与所述漏极之间的沟道形成区域中形成的栅极电极；并且所述栅极电极被分为设置于靠近所述源极侧的主栅极和设置于靠近所述漏极侧的副栅极。
本发明给出的技术的第二实施方式提供了一种相机，所述相机具有固体摄像装置，所述固体摄像装置用来接收来自基板的第一基板表面侧的光；以及光学系统，所述光学系统用来将入射光引导至所述固体摄像装置的所述第一基板表面侧。所述固体摄像装置具有像素单元，通过将一个所述像素单元或多个所述像素单元作为单位，所述像素单元被器件分离层与相邻的所述像素单元的组分隔开。在所述固体摄像装置中所述像素单元具有第一导电型阱和第二导电型阱；所述第一导电型阱接收光，并且具有进行光电转换处理从而将接收到的光转换为电荷的光电转换功能以及用于累积所述电荷的电荷累积功能；在所述第二导电型阱中形成有晶体管，所述晶体管用于检测在所述第一导电型阱中累积的所述电荷并且具有阈值调制功能；
所述晶体管具有源极、漏极以及在所述源极与所述漏极之间的沟道形成区域中形成的栅极电极；并且所述栅极电极被分为所述源极侧的主栅极和所述漏极侧的副栅极。根据本发明，能够降低溢出势垒，降低复位电压并且防止在夹断区域中产生电场。另外，还能够防止在沟道中产生下陷和/或势垒并防止线性劣化。
图I是示出了实施方式的固体摄像装置的大致结构的框图；图2A和图2B分别示出了本实施方式的固体摄像装置中使用的像素部的基本结构；图3示出了本实施方式的像素单元的等效电路；图4示出了在前表面照射BMCD的情况下入射光的波长与晶体管的位置的关系；图5示出了在前表面照射结构的情况下由透明电极、栅极氧化硅膜和单晶硅形成的能带的大致状态；图6是示出了在电位伴随着图2A和图2B中所示的基本结构(该基本结构作为固体摄像装置中使用的像素部的基本结构)的电位状态的变化而变化的区域中，在垂直于半导体基板的表面的方向上在半导体基板中移动的电子的电位的变化的多个图；图7是示出了普通单载流子CMD的模式的简化横截面图；图8是示出了本实施方式的固体摄像装置的模式的简化横截面图；图9示出了图8中所示的a点与a’点之间的电位的图表；图10是示出了沿着图2A和图2B中所示的线a_a’的电位的典型分布的多个图；图11示出了本实施方式的信号读取处理系统的结构的模式；以及图12是示出了使用本实施方式的固体摄像装置的相机系统的典型结构的框图。
具体实施例方式下面将参照
本发明的实施方式。在说明中，通过将说明分为如下安排的主题来说明实施方式I :固体摄像装置的大致结构2 :像素部的典型器件结构
3 :相机I :固体摄像装置的大致结构图I是示出了本发明实施方式的固体摄像装置I的大致结构的框图。如图I中所示，固体摄像装置I使用像素部2(用作感测部)、行方向控制电路3(也被称为Y方向控制电路)、列方向控制电路4 (也被称为X方向控制电路)和时序控制电路5。如稍后将要详细说明的，将像素部2设置为使用被排列形成像素阵列的多个像素单元2A。本实施方式的像素部2中使用的像素单元2A被设置为具有采用了双阱结构、阈值 调整(或CMD)法以及后表面照射结构(或背面照射结构)的图像传感器的功能。另外，本实施方式的像素部2采用了双阱结构，其中，累积的电荷具有与沟道电流相同的载流子。除此之外，本实施方式的像素部2中使用的每个像素单元2A采用一个晶体管执行读取晶体管、复位晶体管和选择晶体管的功能的I晶体管架构(也称为I晶体管结构)，而不是每个像素单元2A中包含读取晶体管、复位晶体管和选择晶体管。像素单元2A中使用的用作执行读取晶体管、复位晶体管和选择晶体管的功能的这个晶体管被设计为这样的结构其中，像素单元2A中使用的该晶体管的栅极电极被分隔为源极侧的主栅极和漏极侧的副栅极。另外，至少在复位操作中，向漏极侧的副栅极施加中间电压。上述中间电压是向源极侧的主栅极施加的电压与向漏极施加的电压之间的电压。另外，副栅极形成于位于埋入传感器与该晶体管的漏极之间的势垒的上方。该势垒也被称为所谓的溢出势垒。除此之外，在主栅极与副栅极之间的位置处形成有窄间隙。通过采用自对准技术等，离子通过在下文中被称为注入的操作中被注入到间隙处的基板中。另外，布置在像素部2中的像素矩阵的相同行上的像素单元2A连接至这些像素单元2A共用的行线。如图I中所示，对像素矩阵的各行分别设置有行线HO和Hl等。同样地，布置在像素部2中的像素矩阵的相同列上的像素单元2A连接至这些像素单元2A共用的列线。如图I中所示，对像素矩阵的各列分别设置有列线VO和Vl等。 除此之外，固体摄像装置I使用用于依次驱动并接收像素部2中的信号的控制电路。固体摄像装置I中使用的控制电路包括用于生成内部时钟信号的时序控制电路5、用于控制行地址和行扫描的行方向(Y方向)控制电路3以及用于控制列地址和列扫描的列方向(X方向)控制电路4。行方向(Y方向)控制电路3根据作为上述内部时钟信号的由时序控制电路5生成的时序控制脉冲来驱动预定的行线和Hl等。另一方面，列方向(X方向)控制电路4根据作为上述内部时钟信号的由时序控制电路5生成的时序控制脉冲接收从像素单元2A读出的并且指定于预定的列线VO和Vl等上的信号。然后，在其它的处理之中，列方向(X方向)控制电路4对上述信号进行提前确定的处理和/或模拟/数字转换处理。上述提前确定的处理包括相关双采样(CorrelatedDouble Sampling, CDS)。2 :像素部的典型器件结构下面说明本实施方式的固体摄像装置I中使用的像素部2的具体器件结构。
图2A和图2B是分别示出了本实施方式的固体摄像装置I中使用的像素部2的基本结构的图。更加具体地，图2A示出了基本结构的俯视图，而图2B示出了沿着图2A中所示的线a-a’所见的作为基本结构的横截面的大致横截面。固体摄像装置I被形成为后表面照射器件或背面照射器件。如图2B中所示，入射光进入Si基板100的第一基板表面101。Si基板100的第二基板表面102包括形成有MOS晶体管的元件区域部(element area portion, EAP)。在图2B中所示的横截面中，第一基板表面101是Si基板100的后表面，而第二基板表面102是Si基板100的前表面。为了使入射光能够从作为Si基板100的后表面的第一基板表面101进入固体摄像装置1，通过形成硅晶片来形成Si基板100，使得Si基板100为薄膜。Si基板100的厚度取决于固体摄像装置I的类型。另外，在例如可见光的情况下，Si基板100具有2 6微米范围内的厚度。另一方面，在近红外光的情况下，Si基板100具有6 10微米范围内的 厚度。如上所述,Si基板100具有被入射光照射的第一基板表面101以及形成有固体摄像装置I的器件的第二基板表面102。在Si基板100中，形成有多个像素单元2A。器件分隔层将各像素单元2A与相邻的像素单元2A分隔开。通过将一个像素单元2A或多个像素单元2A作为一个单元，器件分离层将本实施方式的Si基板100中的每个像素单元2A与相邻的像素单元2A组分隔开。每个像素单元2A具有在靠近第一基板表面101侧形成的第一导电型阱110。在本实施方式的情况下，第一导电型阱110是n型阱。在下面的说明中，第一导电型阱110也被简称为第一阱110。另外，每个像素单元2A具有在比第一阱110更靠近第二基板表面102侧形成的第二导电型阱120。在本实施方式的情况下，第二导电型阱120是p型阱。在下面的说明中，第二导电型阱120也被简称为第二阱120。
n型的第一阱110用作用于接收来自第一基板表面101侧的光的受光部。另外，第一阱110也具有用于将接收到的光转换为电荷的光电转换功能。除此之外，第一阱110还具有用于累积电荷的电荷累积功能。在p型的第二阱120中，MOS晶体管130被形成为具有如下功能的晶体管用于检测在用作受光部的第一导电型阱110中累积的电荷并且设置有阈值调制功能。在第一阱110的侧壁上，形成有分别用作导电层的第二导电型器件分离层140从而将上述侧壁包围。在本实施方式中，如上文中说明的，第二导电型是与作为第一导电型的n型导电型相反的p型导电型。在用作Si基板100的光入射表面的第一基板表面101上，形成有p+层150。在靠近p+层150的光入射表面侧，典型地由氧化硅形成有绝缘膜和/或保护膜151。另外，在保护膜151上，形成有滤色器152作为用于仅透过提前确定的波长带的光的滤色器。除此之外，在滤色器152上，形成有微透镜153作为用于汇聚入射至第一导电型阱110 (为受光部)的光的透镜。在p型的第二阱120中，形成有被提前确定的间隙彼此分隔开的源极区域121和漏极区域122。在源极区域121与漏极区域122之间的中央，形成有n+层。在源极区域121与漏极区域122之间的间隙中形成有沟道形成区域123。
另外，在第二阱120的特定区域中，如图2A中所示，形成有阱接触区域124 127，阱接触区域124 127分别也被称为基板接触区域。阱接触区域124 127分别为p+层。第二阱120中的特定区域是不暴露至第一阱110的区域。也就是说，第二阱120中的特定区域是由边缘处的区域组成的。除此之外，通过进行提前确定的加工，在Si基板100的第二基板表面102的特定表面中选择性地形成由氧化硅等形 成的绝缘膜160。第二基板表面102的上述特定表面是指形成有源极区域121、漏极区域122以及阱接触区域124 127的表面。另外，在源极区域121与漏极区域122之间的沟道形成区域123的靠近Si基板100的第二基板表面102侧上，形成有MOS晶体管130的栅极电极131，绝缘膜160将栅极电极131与第二基板表面102分隔开。在本实施方式中，栅极电极131被分为源极侧的主栅极131M和漏极侧的副栅极131S。另外，至少在复位操作中，向漏极侧的副栅极131S施加典型为IV或2V的中间电压。中间电压的大小处于向源极侧的主栅极131M施加的电压与向漏极施加的电压之间。施加至主栅极131M的电压的大小在0 -I. OV的范围内，而施加至漏极的电压的大小不小于3V。需要注意的是，复位操作是将电荷丢弃至漏极区域122的操作。副栅极131S形成于位于用作埋入传感器的第一阱110与漏极区域122之间的势垒的上方。另外，在副栅极131S与主栅极131M的相互面对的侧壁之间形成有窄间隙，并且在所谓的n型离子注入中，离子被注入到上述窄间隙之间的基板中。除此之外，形成有穿过源极区域121上的绝缘膜160的一部分的开孔。所述开孔用于形成连接至源极区域121的源极电极132从而作为MOS晶体管130的源极电极132。同样地，形成有穿过漏极区域122上的绝缘膜的一部分的开孔。所述开孔用于形成连接至漏极区域122的漏极电极133从而作为MOS晶体管130的漏极电极133。另外，形成有穿过各阱接触区域124 127的绝缘膜的一部分的开孔。所述开孔用于形成分别连接至阱接触区域124 127的四个阱接触电极170。典型地，将施加至各阱接触电极170的电压设定为等于OV的接地电位的电平或-I. 2V的电平。在上述结构中，MOS晶体管130是绝缘栅场效应晶体管，包括在靠近第二基板表面102侧的第二阱120中形成的源极区域121、漏极区域122和沟道形成区域123。另外，MOS晶体管130被设置为还包括在第二基板表面102的表面上形成的栅极电极131、源极电极132和漏极电极133。需要注意的是，在作为像素单元2A的基本结构的如图2A和图2B中所示的基本结构中，标记S表示MOS晶体管130的源极电极132,标记D表示MOS晶体管130的漏极电极133，而标记G表示MOS晶体管130的栅极电极131。如上所述，本实施方式的像素单元2A被设置为具有采用后表面照射结构、双阱结构和阈值调制(或CMD)法的图像传感器的功能。图3示出了本实施方式的像素单元2A的等效电路。如图3中所示，像素单元2A被设置为使用光电转换以及电荷累积器件部111和MOS晶体管130。光电转换以及电荷累积器件部111是在第一阱110中形成的部分。MOS晶体管130具有在第二阱120中形成的栅极电极131、源极电极132和漏极电极133。如上所述，本实施方式的像素单元2A采用的是后表面照射结构和双阱结构，在双阱结构中，累积的电荷具有与沟道电流相同的载流子。除此之外，本实施方式的像素单元2A采用一个晶体管执行读取晶体管、复位晶体管和选择晶体管的功能的I晶体管架构(也称为I晶体管结构)，而不是每个像素单元2A中包含读取晶体管、复位晶体管和选择晶体管。也就是说，由于如下说明的原因，本实施方式采用后表面照射结构和双阱结构而未采用单阱调制法。
如果采用的是单讲调制法,需要用于改善线性的袋注入(pocket implantation)。因此，当在尝试减小电荷累积区域过程中减小像素的尺寸时，不再能够获得饱和电荷Qs。尽管调制的程度和转换效率高，但是单阱结构无法防止缺陷并且在该结构中很可能产生线性像素差异。如果产生了线性像素差异，就难以修正上述差异。另外，在读取操作中发生钉扎，从而列数字CDS的兼容性差。如果采用模拟CDS，则电容面积的增大将阻碍小型化效果。即使将单阱调制法与后表面照射结构组合，由于需要复位晶体管，所以必需为2晶体管结构，这不利于小型化效果。而另一方面，在本实施方式的情况下，采用的是后表面照射结构和双阱结构。另夕卜，累积的电荷具有与沟道电流相同的载流子。只要具有独立器件分隔的载流子就足以使本实施方式能够进行操作。因此，不再需要设置环形晶体管结构(ring transistor structure)。也就是说，能够以与普通的晶体管相同的方式将MOS晶体管130设置为包括漏极(D)、栅极(G)和源极
(S)的所谓的单方向结构。 另外，本实施方式采用了将信号载流子排出至MOS晶体管130的漏极的结构。因此，一个晶体管执行读取(采集)晶体管、复位晶体管和选择晶体管的功能，从而仅用一个晶体管实现完全横向复位结构。也就是说，根据本实施方式的像素单元结构，取代2层栅极结构的I层栅极结构就足以使本实施方式能够进行操作。因此，器件分隔区域不需要特殊的精细加工。另外，由于能够与相邻的像素共用漏极、源极和/或栅极，从而显著提高了布局效率并且能够实现像素小型化。除此之外，采用了利用MOS晶体管130的漏极的横向复位技术。因此，如果漏极被实施为水平线并且该水平线被用于各共享像素单元，那么像素能够共用列，从而能够缩减列电路。另外，在MOS晶体管130的栅极的上方存在空闲空间。因此，在该空闲空间内，能够设置利用布线金属的反射器结构从而作为反射器的结构。因此，穿过Si (硅)基板的光被反射器反射而在Si基板中再次经过光电转换处理，从而在其它光中能够提高近红外光灵敏度。除此之外，在现有的结构中，为了使在界面上产生的暗电流与空穴再结合，MOS晶体管130的栅极在受光期间是断开的并且Si (硅)基板的表面处于钉扎状态。因此，存在着这样的问题未完全再结合的成分成为暗电流波动和/或白点缺陷。另一方面，本实施方式的结构是双阱结构，因此在Si基板的表面上产生的暗电流电子能够从沟道排出至漏极。因此，本实施方式的结构具有这样的优点能够完全排除在界面上生成的暗电流和白点。因此，即使在列读取时导通栅极，暗电流和白点也不会引起问题，从而能够以非破坏性读取操作读出信号。接着，下面将对在具有上述结构的像素单元2A中进行的操作进行说明。入射光从作为后表面(也被称为背面)的第一基板表面101传播至像素单元2A的内部，并主要由于光电效应在像素单元2A的n型第一阱110中产生电子-空穴对。产生的空穴通过形成像素单元2A的壁面的p型器件分离层140排出至外部。
因此，在n型第一阱110中仅累积产生的电子。更加具体地，产生的电子累积在位于MOS晶体管130的源极与MOS晶体管130的漏极之间的栅极区域半导体表面的附近形成的电位阱中。然后，在适当地排出累积的电荷之前，累积的电荷的信号被MOS晶体管130放大并检测。以这样的方式，对混色和/或饱和电流的大小进行控制。另外，固体摄像装置I中使用的传感器的半导体层具有2 10微米的范围内的厚度。在该范围内的厚度是使光电转换过程的量子效率在入射光的波长范围内能够完全展现的数量级的厚度。另一方面，在前表面照射结构的情况下，通常需要半导体基板具有使器件不易损坏的厚度。具体地，需要半导体基板具有数百微米的厚度。因此，可能存在这样的问题不能忽视在栅极与漏极之间流过器件的基板的漏电流。然而，在本实施方式的情况下，器件具有足够小的厚度。因此，能够减小流过基板 的漏电流的大小。因此，能够解决上述问题。至此，已经说明了本实施方式的固体摄像装置I的结构和该装置I的功能。接着，将详细说明本实施方式的固体摄像装置I。图4示出了在前表面照射BMCD 10的情况下入射光的波长与晶体管的位置的关系。图4中所示的前表面照射BMCD 10被形成为包括设置于基板的前表面上的绝缘膜11、透明电极12和遮光电极13。在图中，附图标记14、15和16分别表示横向漏极区域、栅极绝缘膜和硅基板。在图4中所示的前表面照射结构的情况下，光从设置有晶体管的一侧进行传播。然而，在此情况下，横向漏极区域14被遮光电极13覆盖。因此，前表面照射BMCD 10具有这样的结构其中，光通过绝缘膜11、透明电极12和栅极绝缘膜15等从其它的开口进入硅 基板16的内部。近红外光和具有大波长的红色光从娃基板的表面传播，并到达基板的相对内部。然而，蓝色光和近紫外光在距硅基板的表面不深的位置处经过光电转换处理。另外，当具有小波长的蓝色光透过硅基板的表面上的绝缘多层膜时，散射和/或吸收或界面上的反射易于导致上述光的能量损失。另一方面，在作为基于本发明的技术的结构的图2A和图2B中所示的后表面照射结构的情况下，固体摄像装置I被设置为这样的结构其中，光从未设置有MOS晶体管130的一侧进入硅(Si)基板100的内部。在此结构中，大部分分别具有大波长的光束到达了紧靠MOS晶体管130的位置处，而只有很少的分别具有小波长的光束到达了这个位置。
为了使包含入射光线的波长的量子效率最大化，在如何设计源极和漏极的扩散层和阱层的领域内已经提出了多种方案。然而，关于透过用作绝缘膜的氧化硅膜的光对晶体管的特性具有影响的可能性的讨论还很少。尽管本实施方式的说明仅是定性的说明，但本实施方式的说明还为了简略地说明上述可能性并明确影响的机理。图5示出了在前表面照射结构的情况下由透明电极、栅极氧化硅膜和单晶硅形成的能带的大致状态。
由于用于形成膜所采用的方法和处理，栅极氧化硅膜的性质可能在一些情况下变化很大。如果不能对方法和处理进行很好的控制，则在氧化物膜中残留有陷阱从而作为用于捕获电子和空穴的陷阱。此图显示了这样的情况其中，在氧化硅膜的导带下方存在陷阱，从而用作用于捕获位于2. OeV的位置处的电子。在氧化硅膜的情况下，带隙大约为8. OeV。如果使用ITO作为透明电极，则功函数大约在4. 3 4. 7eV的范围内。因此,透明电极的费米能级(Fermi level)位于略低于氧化物膜的能隙的中央的位置处。这里，注意入射光中包括的作为具有典型450nm波长入的成分的蓝色光成分。在此情况下，根据爱因斯坦的光量子方程E = hv，得出E为2. 76eV(即，E = 2. 76eV)。如图中所示，该能量的位置大约等同于根据透明电极的费米能级(作为氧化物膜中的电子陷阱的能级)测量出的能级的位置。在此时，如果对透明栅极电极施加相比于硅基板相对大的负电压，则由于光电效应，从用作透明电极的金属表面跃出的电子在氧化物膜中被激活并且被陷阱捕获。被陷阱捕获的电子再次释放出电荷，从而由于漂移电导而流入硅晶体的导带中。这样流动的电子导致了栅极电极与硅基板之间的弱的导电状态，从而导致了晶体管特性和信号幅度的差异。在本实施方式的后表面照射结构中，在具有大能量和小波长的光到达晶体管区域之前，在硅基板中上述光在光载流子的生成中已经耗去了大部分的能量。因此，本实施方式的后表面照射结构的重要特性在于该结构不存在类似于前表面照射结构的缺点。图6是示出了在电位伴随着图2A和图2B中所示的基本结构(该基本结构作为固体摄像装置中使用的像素部的基本结构)的电位状态的变化而变化的区域中，在垂直于半导体基板的表面的方向上在半导体基板中移动的电子的电位的变化的多个图。在上述各图中，将阱接触电极170的电压VGND设定为0V。⑴栅极读取操作随着MOS晶体管130的栅极电压VG设定为I. OV并且晶体管130的漏极电压VD设定为I. 8V，M0S晶体管130的源极电压VS的大小被设定为在大约I. 6V 大约I. 4V的范围内。在此状态下，累积的电荷(由电子组成)量减少并且累积的电荷量的这些减少对从源极流动至漏极的沟道电子电流进行调制，导致上述电流减小。通过测量电流变化，能够知道累积的电荷(由电子组成)量的变化。在此情况下，典型地，可将与施加至副栅极131S的电压相等的电压施加至主栅极131M。(ii):栅极电子累积(非读取状态)随着MOS晶体管130的栅极电压VG设定为OV并且晶体管130的漏极电压VD设定为I. 8V，MOS晶体管130的源极电压VS的大小被设定为不大于I. 2V。在此状态下，在MOS晶体管130的源极与MOS晶体管130的漏极之间的栅极区域中的半导体表面附近形成的电位阱内部对电子进行累积。在此情况下，典型地，可将与施加至副栅极131S的电压相等的电压施加至主栅极131M。(iii):栅极电子累积(非复位状态和硬复位)随着MOS晶体管130的栅极电压VG的大小设定为在OV -I. OV的范围内，并且晶体管130的漏极电压VD设定为I. 8V，MOS晶体管130的源极电压VS的大小被设定为高阻抗状态(high-impedance state, Hi_Z)或者LD。在此状态下，累积的电子处于溢出(overflow,0F)状态。也即是说，像素单元2A处于饱和状态。保持在那时生成的信号。在此情况下，典型地，能够将与施加至副栅极131S的电压相等的电压施加至主栅极131M。(iiii):复位
随着MOS晶体管130的主栅极电压VGM的大小设定为在OV -I. OV的范围内，且MOS晶体管130的副栅极电压VGS的大小设定为在IV 2. 5V的范围内，晶体管130的漏极电压VD的大小被设定为不小于3. OV0例如，将漏极电压VD设定为3. 7V。MOS晶体管130的源极电压VS的大小被设定为高阻抗状态(high-impedance state,Hi-Z)或者LD。在此状态下，存在于累积阱内部的电子通过漏极电极133被排出至外部。如上所述，在本实施方式中，在像素信号复位操作期间，为了将作为信号电荷累积在漏极电极133中的电子排出至外部，对漏极电压VD或漏极电压VD和栅极电压(在一些情况下)进行调制。下面将进一步说明上述复位操作。在下面的说明中，出于比较的目的，对普通单载流子CMD的复位操作进行说明。图7是示出了普通的单载流子CMD的模式的简化横截面图，而图8是示出了实施方式的固体摄像装置I的模式的简化横截面图。另一方面，图9是示出了图8中所示的a点和a’点之间的电位的图表。为了易于进行下面的说明，在普通的单载流子CMD中采用的结构元件(这些元件用作与固体摄像装置I中采用的与它们分别对应的结构元件相同的结构元件)是用与上述 对应的结构元件相同的附图标记来表示的。由于采用类似图7中所示的单载流子CMD作为CMD的结构，为了降低势垒，使用读取晶体管的栅极调制传感器与晶体管的漏极之间的溢出势鱼(overflow barrier,0FB)。以这样的方式，能够进行复位操作。另外，如果溢出势垒高，就需要高的用于复位操作的大电压，然而，在复位时在夹断区域中产生强电场，从而很有可能引起可靠性的问题。另一方面，在本实施方式的情况下，如图8中所示，在溢出势垒OFB上方的漏极侧 新形成用于复位操作的副栅极131S。向漏极侧的副栅极131S施加典型为IV或2V的中间电压。该中间电压的大小在施加至源极侧的主栅极131M的电压与施加至漏极的电压之间。施加至主栅极131M的电压的大小在0 -I. OV的范围内，而施加至漏极的电压的大小为不小于3V。因此，将栅极与漏极间施加的电压分为主栅极131M与副栅极131S之间的电压和副栅极131S与漏极区域122之间的电压。因此，减小了在栅极下方的夹断区域中生成的电场的强度。另外，通过向漏极侧的副栅极131S施加典型为IV或2V的中间电压，能够降低溢出势垒，从而能够减小复位操作中需要的漏极电压的大小。在将主栅极131M与副栅极131S彼此分隔的过程中，在主栅极131M与副栅极131S之间形成间隙，从而作为用于防止在主栅极131M与副栅极131S之间施加电压的间隙。如果这样的结构保持不变，在间隙下方的沟道区域中不 会形成反转层。否则，在沟道区域中会形成不期望形成的下陷和/或势垒，从而很有可能对传感器线性等存在不良影响。为了解决这个问题，在本实施方式中，使上述间隙变得狭窄从而减小非反转区域，并且在自对准处理等中将离子注入该间隙中。因此，能够减少沟道区域中下陷的数量和相同区域中势垒的数量。另外，本实施方式设置有用于在低照度时增大调制度和转换效率的所谓的伽马(y)特性。除此之外,在本实施方式中，Y特性被利用于动态范围(dynamic range, DR)中。像素单元2A的Y特性说明如下。图10是示出了沿着如2A中所示的线a-a’的电位的典型分布的多个图。作为双阱结构的一个特性，传感器累积区域具有如图10中所示的宽的电位形状。因此，根据信号的大小改变容量，从而导致被称为Y特性的非线性特性。然而，如果单阱结构设置有代表线性的非线性特性的Y特性，能够进行逆Y修正处理，并且还能够在低照度时获得I的增益。这是因为，代表线性的非线性特性的Y特性在小信号时(此时信号丢失)增大增益。因此，在压缩信号的同时也压缩了噪声。因此，能够减少噪声。如上所述，在本实施方式中，有意利用了 Y特性，并且如图2A和图2B中所示，结构设置有伽马袋180，伽马袋180是用于累积信号的n型袋并且深度略大于所需的深度。在该伽马袋180中，信号载流子和信号电流被集中于一点，从而增大了对小信号的调制度。另外，通过利用在后续阶段进行信号处理的DSP来进行逆伽马修正处理，从而能够实现完全的噪声压缩处理。除此之外，如图10中所示，像素单元2A具有能够为大信号而增大容量的结构，从而基于Y特性提供大的动态范围(dynamic range, DR)。图11示出了本实施方式的信号读取处理系统的结构的模式。列方向(X方向)控制电路4包括用于接收处于关闭状态的像素单元2A的累积信号的CDS电路41。像素单兀2A借助信号传输线SL和开关SW将累积信号传输至CDS电路41。需要注意的是，图中所示的标记IS表示用于形成源极跟随器的电流源。如前面所述，本实施方式具有以下效果。由于在主栅极与漏极之间施加的电压被分为在主栅极与副栅极之间呈现出的电压和在副栅极与漏极之间呈现出的电压，所以能够减小在栅极下方的夹断区域中产生的电场的强度。通过在复位时将处于主栅极与漏极之间的中间电位提供给副栅极，能够在复位时在传感器与漏极之间形成梯度，从而能够降低在副栅极下方的溢出势垒。
通过将间隙变窄并且进行间隙注入，能够抑制下陷和/或势垒的形成，从而能够避免线性的劣化。另外，能够将像素设置为只包括一个具有D (漏极)/G (栅极)/S (源极)的晶体管。因此，借助逻辑过程的良好兼容性，在像素的实现中能够将代表工序的数量的工序总数的增加最小化。漏极、源极、栅极和阱能够共用接触部，从而能够提高布局效率，并且能够实现精细像素。由于栅极面积大，所以晶体管噪声的数量极小。除此之外，由于将整个像素用作累积区域，所以饱和电流的量就大，从而能够有大的动态范围。
另外，由于将界面处产生的暗电流排出至漏极，所以不会产生界面的暗电流图像缺陷。除此之外，通过进行逆Y修正功能能够减少噪声的数量。具有上述特性的固体摄像装置能够适用于数码相机或摄像机作为相机的摄像器件。3 :相机图12是示出了使用实施方式的固体摄像装置的相机200的典型结构的框图。如图12中所示，相机200具有摄像器件210，该摄像器件是实施方式的固体摄像装置I。另外，相机200还使用了用于将入射光(也被称为图像光)引导至摄像器件210的像素区域的光学系统220，从而在摄像器件210上形成拍摄对象的拍摄图像。例如，用作光学系统220的透镜将光引导至摄像器件，从而在摄像器件210的摄像表面上形成图像。 除此之外，相机200还设置有用于驱动摄像器件210的驱动电路(DRV)230和用于对摄像器件210输出的信号进行处理的信号处理电路(PRC) 240。驱动电路230包括图中未图示的时序生成器。时序生成器生成用于驱动摄像器件210中包含的电路的包括开始脉冲信号和时钟脉冲信号的各种预定的时序信号。也即是说，通过时序生成器生成的时序信号对摄像器件210进行驱动。另外，信号处理电路240对摄像器件210输出的图像信号进行提前确定的信号处理。典型地，将经过信号处理电路240处理的图像信号存储在记录媒介中。存储在该记录媒介中的图像信号的硬拷贝可生成在复印机等上。另外，还能够将经过信号处理电路240处理的图像信号作为动态图像显示在诸如液晶显示单元等显示器上。如上所述，通过在数码照相机中使用前面说明的固体摄像装置I作为摄像器件210，能够实现具有高精密度的相机。本发明中可采用的技术不限于在实施方式的说明中解释的技术。例如，在本发明中使用的各个数值和各种材料均不限于在实施方式中使用的数值和用于形成实施方式的部件的材料。另外，能够将实施方式改变为多种变形例中的任一种，只要变形例在不背离本发明的技术的要旨的范围内。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利 要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。
权利要求
1.一种固体摄像装置，所述固体摄像装置包括 像素单元，通过将一个所述像素单元或多个所述像素单元作为单位，所述像素单元被器件分离层与相邻的所述像素单元的组分隔开，其中 所述像素单元具有第一导电型阱和第二导电型阱； 所述第一导电型阱接收光，并且具有进行光电转换处理从而将接收到的光转换为电荷的光电转换功能以及用于累积所述电荷的电荷累积功能； 在所述第二导电型阱中形成有晶体管，所述晶体管用于检测在所述第一导电型阱中累积的所述电荷并且具有阈值调制功能； 所述晶体管具有源极、漏极以及在所述源极与所述漏极之间的沟道形成区域中形成的栅极电极；并且 所述栅极电极被分为设置于靠近所述源极侧的主栅极和设置于靠近所述漏极侧的副栅极。
2.根据权利要求I所述的固体摄像装置，其中， 至少在复位操作中，将中间电压施加至设置于靠近所述漏极侧的所述副栅极，所述中间电压处于施加至设置于靠近所述源极侧的所述主栅极的电压与施加至所述漏极的电压之间；并且 所述复位操作是将电荷丢弃至所述漏极的操作。
3.根据权利要求I或2所述的固体摄像装置，其中，所述副栅极设置在所述第二导电型阱与所述漏极之间的势垒上方。
4.根据权利要求I或2所述的固体摄像装置，其中， 在所述主栅极与所述副栅极之间设置有窄间隙；并且 将离子注入到所述间隙间的基板中。
5.根据权利要求I或2所述的固体摄像装置，其中，累积的电荷和信号电荷是相同的载流子。
6.根据权利要求I或2所述的固体摄像装置，其中，所述晶体管具有读取晶体管的功能、复位晶体管的功能和选择晶体管的功能。
7.根据权利要求I或2所述的固体摄像装置，其中， 所述像素单元形成于基板上，所述基板具有被光照射的第一基板表面侧和形成有器件的第二基板表面侧， 在所述像素单元内 所述第一导电型阱形成在所述第一基板表面侧；并且 所述第二导电型阱形成在所述第二基板表面侧； 所述第一导电型阱接收来自所述第一基板表面侧的光。
8.一种相机，所述相机包括 固体摄像装置，所述固体摄像装置用来接收来自基板的第一基板表面侧的光；以及光学系统，所述光学系统用来将入射光引导至所述固体摄像装置的所述第一基板表面侧，其中， 所述固体摄像装置为权利要求I 7中任一项所述的固体摄像装置。
全文摘要
本发明公开了一种固体摄像装置和相机。所述固体摄像装置包括像素单元，通过将一个所述像素单元或多个所述像素单元作为单位，所述像素单元被器件分离层与相邻的所述像素单元的组分隔开，其中所述像素单元具有第一导电型阱和第二导电型阱；所述第一导电型阱接收光并且具有进行光电转换处理从而将接收到的光转换为电荷的光电转换功能以及用于累积所述电荷的电荷累积功能；在所述第二导电型阱中形成有晶体管，所述晶体管用于检测在所述第一导电型阱中累积的所述电荷并且具有阈值调制功能。根据本发明，能够降低溢出势垒，降低复位电压并且防止在夹断区域中产生电场，还能够防止在沟道中产生下陷和/或势垒并防止线性劣化。
文档编号H04N5/335GK102683362SQ20121005218
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月1日 优先权日2011年3月10日
发明者广田功, 藤木翼 申请人:索尼公司