專利名稱：光電轉(zhuǎn)換裝置和圖象傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有在半導(dǎo)體襯底上形成的光接收元件的光電轉(zhuǎn)換裝置及圖象傳感器。
近年來，在線性光電轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，正在廣泛地研制利用簡化光學(xué)系統(tǒng)和裝配多個(gè)半導(dǎo)體光敏元件芯片相等放大的圖象傳感器的CCDS(電荷耦合器件)。
在上述光電轉(zhuǎn)換裝置中的光接收元件通常包括由半導(dǎo)體pn結(jié)形成的光電二極管。例如，象在日本專利申請公開No.55-154784中公開那樣，公開了一種結(jié)構(gòu)，其中在襯底表面部分形成具有和襯底導(dǎo)電類型相同但比襯底雜質(zhì)濃度較高的區(qū)域，在那里沒有形成pn結(jié)，以便減少在襯底表面上產(chǎn)生的暗電流。另一方面，作為線性光電轉(zhuǎn)換裝置的光接收元件，提出了各種結(jié)構(gòu)，例如，由日本專利申請公開No.1-264758公開了一種結(jié)構(gòu)，減少由pn結(jié)形成的結(jié)電容，由日本專利申請公開No.1-303752公開了一種結(jié)構(gòu)，減少由于劃片邊緣產(chǎn)生的暗電流，以及諸如此類的結(jié)構(gòu)。眾所周知，由pn結(jié)形成光敏二極管。
但是，當(dāng)把上述光接收元件設(shè)置到放大器型光電轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，在pn結(jié)積累光載流子，利用電荷電壓轉(zhuǎn)換部件讀出信號(hào)電壓，則不能獲得高靈敏度。
在放大器型光電轉(zhuǎn)換裝置的情況，給出光輸出Vp=Qp/Cs(1)其中，Qp是在pn結(jié)上積累的電荷量，Cs是光電轉(zhuǎn)換部分的電容。
例如，在包括光敏二極管，MOS源跟隨器電路，復(fù)位MOS電路的放大器型光電轉(zhuǎn)換裝置的情況，光電轉(zhuǎn)換部分的電容如下所示Cs=Cpd+Ca(2)其中Cpd是pn光二極管的結(jié)電容，Ca是連接到光電轉(zhuǎn)換部分的另一個(gè)電容，該電容包括構(gòu)成MOS源跟隨器電路的MOS晶體管柵電容，源/阱結(jié)電容，源/柵重疊電容，布線電容，構(gòu)成復(fù)位MOS晶體管的MOS晶體管的電容等。
因此，為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度，必須有效地積累光載流子，必須使積累光載流子的光電轉(zhuǎn)換部分的電容減到最小。
但是，在利用光敏二極管的接觸式圖象傳感器中，在半導(dǎo)體襯底中形成與半導(dǎo)體襯底相反導(dǎo)電類型的區(qū)域來獲得該光敏二極管，由于在例如300dpi分辨率的情況，象素間距大約是84.7μm，要求具有近似等于開孔區(qū)域的pn結(jié)，以便有效地讀出光載流子，但是在等式(2)中光敏二極管部分中的pn結(jié)電容Cpd增加。
另一方面，當(dāng)減少pn結(jié)面積以便減少光敏二極管部分pn結(jié)電容Cpd時(shí)，在pn結(jié)區(qū)積累光載流子減少。
日本專利申請公開No.61-264758，公開了形成具有環(huán)狀或部分切除的環(huán)狀積累部分的技術(shù)，以便減少積累區(qū)的結(jié)電容。
但是，如日本專利申請公開No.55-154784公開的的那樣，當(dāng)為了達(dá)到抑制在襯底表面上產(chǎn)生暗電流的目的，在襯底表面上形成具有和襯底相同導(dǎo)電類型的，并且具有比襯底雜質(zhì)濃度高的區(qū)域時(shí)，在結(jié)區(qū)周圍使耗盡層向下變窄，依賴于pn結(jié)電容的周長增加，涉及日本專利申請公開No.55-154784的情況如圖2所示。
因此，日本專利申請公開No.61-264758公開的結(jié)構(gòu)，幾乎不能獲得高靈敏度，由于增加周長，雖然pn結(jié)面積減少，也不能充分地減少pn結(jié)的電容值。
另一方面，隨著關(guān)于半導(dǎo)體元件的最新微小構(gòu)圖技術(shù)的開發(fā)，通常采用下述技術(shù)，利用Ti,TiN等作為阻擋金屬，即作為和半導(dǎo)體擴(kuò)散層接觸的布線材料。
因此為了獲得和P型擴(kuò)散層令人滿意的歐姆接觸，半導(dǎo)體擴(kuò)散層的雜質(zhì)濃度必須是高于利用鋁作為布線材料的雜質(zhì)濃度。
但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)增加光敏二極管P型區(qū)雜質(zhì)濃度時(shí)，暗電流增加，并且在很大范圍內(nèi)變化。
通過在p和n型區(qū)之間的結(jié)中增加P型層的雜質(zhì)濃度來增加耗盡層中的晶體缺陷，可能產(chǎn)生這些暗電流，在P和n型區(qū)之間形成的結(jié)抑制在半導(dǎo)體/氧化層界面處的暗電流，或者抑制在結(jié)附近通過局部產(chǎn)生的高電場可能引起的暗電流。
當(dāng)減少P型區(qū)雜質(zhì)濃度抑制暗電流時(shí)，P型區(qū)接觸電阻增加，并且它的變化也變大，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換裝置大的特性變化。
也就是，對于現(xiàn)有技術(shù)采用微小構(gòu)圖技術(shù)，產(chǎn)生增加暗電流和變化暗電流的問題。
本發(fā)明的目的是提供具有高靈敏度接收光部分的光電轉(zhuǎn)換裝置和圖象傳感器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供能減少暗電流的光電轉(zhuǎn)換裝置和圖象傳感器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供光電轉(zhuǎn)換裝置，其包括具有第1導(dǎo)電類型半導(dǎo)體襯底的光接收元件；第二導(dǎo)電類型的第1半導(dǎo)體區(qū)，形成在半導(dǎo)體襯底的表面上；形成在半導(dǎo)體襯底上的透明絕緣層，和在絕緣層上形成的遮光層，具有其面積大于第1半導(dǎo)體區(qū)的開孔，其中光接收元件在單個(gè)孔中具有彼此相等的許多第1半導(dǎo)體區(qū)，單個(gè)孔中多個(gè)第1半導(dǎo)體區(qū)相互電連接。
其次，本發(fā)明提供圖象傳感器，安裝在電路板上，由多個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，其中每個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置包括具有第1導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底的光接收元件；第2導(dǎo)電類型的第1半導(dǎo)體區(qū)，形成半導(dǎo)體襯底的表面；形成半導(dǎo)體襯底上的透明絕緣層；形成在絕緣層上和具有大于第1半導(dǎo)體區(qū)面積的開孔的遮光層，其中光接收元件在單個(gè)孔中具有多個(gè)彼此相等的第1半導(dǎo)體區(qū)，在單個(gè)孔中的多個(gè)第1半導(dǎo)體區(qū)相互電連接。
而且，本發(fā)明提供光電轉(zhuǎn)換裝置，其包括具有第1導(dǎo)電類型的第1半導(dǎo)體區(qū)的光接收元件；形成在第1半導(dǎo)體區(qū)表面上第2導(dǎo)電類型的第2半導(dǎo)體區(qū)域；形成在第2半導(dǎo)體區(qū)中和具有高于第2半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度的第2導(dǎo)電類型的第3半導(dǎo)體區(qū)，第1導(dǎo)電材料電連接到第3半導(dǎo)體區(qū)；形成在第1導(dǎo)電材料上的透明絕緣層；形成在絕緣層上和具有其面積大于第2半導(dǎo)體區(qū)的開孔的遮光層。
還有，本發(fā)明提供圖象傳感器，安裝在電路板上，由多個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，多個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置的每一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置包括具有第1導(dǎo)電類型第1半導(dǎo)體區(qū)的光接收元件；第2導(dǎo)電類型的第2半導(dǎo)體區(qū)，形成在第1半導(dǎo)體區(qū)的表面上；形成在第2半導(dǎo)體區(qū)中并且具有高于第2半導(dǎo)體區(qū)雜質(zhì)濃度的第2導(dǎo)電類型的第3半導(dǎo)體區(qū)，第1導(dǎo)電材料電連接到第3半導(dǎo)體區(qū)；在第1導(dǎo)電材料上形成透明絕緣層，在絕緣層上形成的具有大于第2半導(dǎo)體區(qū)面積的開孔的遮光層。
通過上述設(shè)置，可能獲得高質(zhì)量的圖象。


圖1是表示按照本發(fā)明第1實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置接收光部分結(jié)構(gòu)的簡略平面圖。
圖2是表示沿圖1中線2-2剖開的簡略剖面圖。
圖3是表示沿圖1中線3-3剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖4是表示開孔中光靈敏度分布的簡圖。
圖5是表示本發(fā)明第2實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖6是表示本發(fā)明沿圖5中線6-6剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖7是表示本發(fā)明第2實(shí)施例一個(gè)象素的等效電路圖。
圖8是表示本發(fā)明第3實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖9是表示沿圖8中線9-9剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖10是表示本發(fā)明第3實(shí)施例一個(gè)象素的等效電路圖。
圖11是表示本發(fā)明第4實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖12是表示沿本發(fā)明圖11中線12-12剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖13是表示本發(fā)明第5實(shí)施例光電轉(zhuǎn)換裝置接收光部分結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖14是表示本發(fā)明圖13中沿線14-14剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖15是表示本發(fā)明第6實(shí)施例象素結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖16是表示本發(fā)明沿圖15中線16-16剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖1是表示按照本發(fā)明第1實(shí)施例光電轉(zhuǎn)換裝置接收光部分結(jié)構(gòu)的簡略平面圖，圖2是表示沿圖1中線2-2剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖，圖3是表示沿圖1中線3-3剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
下面以n型半導(dǎo)體襯底為例敘述本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明不限于n型半導(dǎo)體襯底，即使利用P型半導(dǎo)體襯底，也能獲得相同的效果。
參看圖1，在遮光層3中形成開孔4,4′,4″以便形成接收光陣列。在開孔4,4′和4″中，各對P型區(qū)1,1′和1″分別形成在n型半導(dǎo)體襯底5的表面，和n型半導(dǎo)體襯底形成pn結(jié)。在單個(gè)孔中形成多個(gè)P型區(qū)，通過互連區(qū)2相互連接。
電荷轉(zhuǎn)換部件10,10′和10″分別把依賴于在n型半導(dǎo)體襯底5產(chǎn)生的并且在P型區(qū)1,1′和1″中積累的光載流子的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。例如，適用于采用MOS晶體管的MOS放大器或者M(jìn)OS源跟隨器電路，通過這些電路把光生電荷轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。
參看圖2和圖3，在n型半導(dǎo)體襯底5的表面形成和襯底相比具有較高雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體區(qū)8，在互連區(qū)2和遮光層3之間在n型半導(dǎo)體襯底5和互連區(qū)2之間形成透明絕緣層6和7。
在本發(fā)明能利用具有大約1014到1017cm-3雜質(zhì)濃度的n型半導(dǎo)體襯底5。最好，半導(dǎo)體襯底5具有大約1014到1016cm-3的雜質(zhì)濃度。
每個(gè)P型區(qū)1最好具有大約1018到1022cm-3的雜質(zhì)濃度。在圖1，圖2和圖3中，形成的每個(gè)P型區(qū)寬于互連區(qū)，但是也可以窄于互連區(qū)。而且，在圖1，圖2和圖3中，把每個(gè)P型區(qū)形成為矩形區(qū)。此外，為了減少周長，可以把每個(gè)P型區(qū)形成為圓形區(qū)，或者形成不同形狀和尺寸的區(qū)域。
在n型半導(dǎo)體襯底5的表面形成n型區(qū)8，以便減少在襯底5和絕緣層6之間界面附近產(chǎn)生的暗電流，只需要在它的表面區(qū)具有大約1016到1018cm-3的雜質(zhì)濃度?？梢孕纬善频膎型區(qū)，不直接和每個(gè)P型區(qū)直接接觸，或者當(dāng)它具有低于P型區(qū)的雜質(zhì)濃度時(shí)，在整個(gè)表面形成沒有任何偏移的n型區(qū)。
對于透明絕緣層6,7和互連區(qū)2，本發(fā)明可以采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中使用的材料。
遮光層3可以由用作互連的金屬形成，或者由其它有機(jī)材料或無機(jī)材料形成。在具有300 dpi或等效情況光分辨率的接觸式圖象傳感器的情況，通過部分地除去該遮光層形成的每個(gè)開孔4具有大約80×50μm2的區(qū)域。
下面參考圖4說明本發(fā)明的效果。圖4表示通過用狹縫光束照射圖4所示的部分Ⅰ-Ⅱ，在水平方向掃描開孔4，獲得的輸出，即，沿水平方向在開孔4中的光靈敏度分布。由圖4可見，在本發(fā)明，在pn結(jié)耗盡層部分中產(chǎn)生的光生載流子有效地積累在各P型區(qū)上，但是，在襯底中性區(qū)產(chǎn)生的光生載流子實(shí)際上各向同性的分散和復(fù)合，于是隨著與P型區(qū)距離的增加，則減少光輸出。這樣，由于在開孔4中兩個(gè)P型區(qū)1的光輸出是高的，當(dāng)形成多個(gè)P型區(qū)時(shí)，能夠保證高的光輸出。
因此，由于在每個(gè)開孔4中形成多個(gè)P型區(qū)，能使P型區(qū)周長總和減到最小，能有效地積累在開孔區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子。
圖5是表示本發(fā)明第2實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖，圖6是表示沿圖5中線6-6切開的結(jié)構(gòu)剖面圖，圖7是表示如圖5所示一個(gè)象素的等效電路。
在本實(shí)施例，在每個(gè)開孔4中形成4個(gè)pn結(jié)。在電阻率為1Ω·cm的n型半導(dǎo)體襯底表面上形成薄層電阻為280Ω的4個(gè)P型區(qū)1，以便分別形成pn結(jié)。在襯底5的表面上形成n型區(qū)8，與各P型區(qū)偏移。n型區(qū)8的表面濃度近似于5×1010cm-3。由AL形成互連區(qū)2和遮光層3。透光絕緣層6是由SiO2和BPSG(硼磷硅玻璃包含硼和磷的硅玻璃)構(gòu)成的二層結(jié)構(gòu)，透光絕緣層7采用SiO2層。在遮光層3上形成SiN層作為保護(hù)層9。
參看圖7，在本實(shí)施例每個(gè)象素形成4個(gè)光敏二極管30，各二極管作為光接收元件。一個(gè)光敏二極管30對應(yīng)圖6中一個(gè)pn結(jié)。光敏二極管30的P型區(qū)1連接到復(fù)位NMOS晶體管31和PMOS源跟隨器晶體管32的輸入端，它的輸出是變換的電荷電壓，以獲得一個(gè)輸出信號(hào)Vout。
在玻璃環(huán)氧樹脂襯底上安裝11個(gè)傳感器芯片，每個(gè)芯片具有84.7μm的象素間距，和按照上述排列的234個(gè)象素，形成21.8cm寬，A4尺寸的接觸圖象傳感器。注意關(guān)于把多個(gè)芯片排成一行的接觸圖象傳感器，通過減少各開孔尺寸到小于圖象讀出分辨間距，可能使相鄰芯片之間連接間距近似等于象素間距。更具體地說，對于300dpi的象素間距設(shè)定為大約82.5μm，開孔間距設(shè)定為大約50.0μm。利用這種結(jié)構(gòu)，即使在結(jié)處也能獲得和芯片相同的分辨率。同樣適用下述實(shí)施例。
把本實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)的靈敏度進(jìn)行比較，其通過在環(huán)形圖形中設(shè)置P型區(qū)來優(yōu)化靈敏度達(dá)到最大靈敏度，本實(shí)施例的靈敏度近似于現(xiàn)有技術(shù)的靈敏度的1.3倍。
在上述的第1或第2實(shí)施例，在n型半導(dǎo)體襯底5上面形成具有高于襯底雜質(zhì)濃度的n型半導(dǎo)體區(qū)8，但是不總需要這樣。但是，通過形成n型半導(dǎo)體區(qū)8，能減少暗電流。
圖8是表示按照本發(fā)明第3實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖，圖9是表示沿圖8中線9-9剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖，圖10是表示一個(gè)象素的等效電路。
在本實(shí)施例，每個(gè)開孔4中包括不同尺寸的7個(gè)圓形pn結(jié)。
在電阻率為10Ω·cm的P型半導(dǎo)體襯底105表面上形成7個(gè)n型區(qū)101，以便形成pn結(jié)。除了n型區(qū)101以外，在襯底105的整個(gè)表面上形成P型區(qū)108。該P(yáng)型區(qū)的表面濃度是大約1×1017cm-3。
由鋁形成互連區(qū)2和遮光層3。透明絕緣層6具有由SiO2和BPSG構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)，透明絕緣層7利用SiO層。在遮光層3上形成SiN層作為保護(hù)層9。
參看圖10，在本實(shí)施例，每個(gè)象素形成7個(gè)光敏二極管40作為光接收元件。在圖8中一個(gè)光敏二極管40對應(yīng)于一個(gè)pn結(jié)。光敏二極管40的n型區(qū)連接置位PMOS晶體管43和NMOS源跟隨器晶體管44的輸入節(jié)點(diǎn)。開啟PMOS晶體管43，清除光敏二極管40上面的任何殘留電荷，以后，在預(yù)定周期時(shí)間積累相應(yīng)于成象光數(shù)量的光生電荷。然后，開啟NMOS晶體管44，進(jìn)行電荷電壓變換，由此利用恒流電路作為負(fù)載，通過NMOS晶體管44的運(yùn)作，獲得輸出信號(hào)Vout。
在玻璃環(huán)氧樹脂襯底上裝配11個(gè)傳感器芯片，每個(gè)芯片具有127μm象素間距和具有上述排列的158個(gè)象素，以便形成22cm寬，A4尺寸的接觸圖象傳感器。
在上述第3實(shí)施例中，在P型半導(dǎo)體襯底105上面形成比襯底較高雜質(zhì)濃度的P型半導(dǎo)體區(qū)108，但是，不總是需要這樣，但是，形成P型半導(dǎo)體區(qū)108，能減少暗電流。
圖11是表示按照本發(fā)明第4實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖，圖12是表示沿圖11中線12-12切開的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
本實(shí)施例采用在各開口中形成4個(gè)pn結(jié)的象素配置，以便改善收集光生載流子的效率。
在電阻率為8Ω·cm的n型半導(dǎo)體襯底11的表面上形成大約1000Ω薄層電阻的第1P型區(qū)12，以便在n型半導(dǎo)體襯底11和第1P型區(qū)12之間形成pn結(jié)。
而且，在第1P型區(qū)12中形成大約70Ω薄層電阻的第2P型區(qū)13。
還有，在襯底11表面上形成第1n型區(qū)14。n型區(qū)14的表面濃度近似為8×1016cm-3。
和第2P型區(qū)相連的金屬互連區(qū)具有由TiN層15和AL層26構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)，并且電連接到在象素中形成的4個(gè)島狀pn結(jié)區(qū)。
透明絕緣層17具有由SiO2和BPSG構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)。透明絕緣層18利用SiO2層。由AL形成遮光層19。在光防護(hù)19上形成SiN層作為保護(hù)層22。
在本實(shí)施例中，為了改善在襯底中性區(qū)產(chǎn)生的以及各向同性分散的光生載流子的收集效率，在象素中形成多個(gè)小的pn結(jié)。
在玻璃環(huán)氧樹脂襯底上裝配11個(gè)傳感器芯片，每個(gè)芯片具有84.7μm的象素間距和234個(gè)具有上述排列的象素，形成構(gòu)成A4尺寸接觸圖象傳感器的光電轉(zhuǎn)換裝置。
比較本實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)之間的暗電流，在本實(shí)施例沒有第1P型區(qū)作為本發(fā)明的特征，本發(fā)明的暗電流大約是現(xiàn)有技術(shù)中暗電流的1/10。
在上述實(shí)施例中，已經(jīng)舉例說明了光電轉(zhuǎn)換象素。利用平面區(qū)域中的有效象素獲得的光生電荷，通過例如包含包含MOS結(jié)構(gòu)的源跟隨電路進(jìn)行電荷一電壓轉(zhuǎn)換，讀出到輸出端，計(jì)算輸出電壓和暗電流之間的差別。然后對不同信號(hào)進(jìn)行圖象斑點(diǎn)校正，灰度的校正等，輸出校正信號(hào)作為圖象信號(hào)。
在第4實(shí)施例，在n型半導(dǎo)體襯底11上面形成的襯底雜質(zhì)濃度高的n型半導(dǎo)體區(qū)14，但不總是需要這樣。但是，形成n型半導(dǎo)體區(qū)14，能夠減少暗電流。
圖13是表示按照本發(fā)明第5實(shí)施例光電轉(zhuǎn)換裝置接收光部分結(jié)構(gòu)的簡略平面圖，圖14是表示沿圖13中線14-14剖開的結(jié)構(gòu)剖面圖。
在圖13和圖14中，在n型半導(dǎo)體襯底11的表面作為第1半導(dǎo)體區(qū)形成第1P型區(qū)12,12′,12″作為第2半導(dǎo)體區(qū)，以便和n型半導(dǎo)體襯底11一起作為pn結(jié)形成光接收元件。
而且，在第1P型半導(dǎo)體區(qū)12,12′,12″中形成其雜質(zhì)濃度較高于第1P型區(qū)雜質(zhì)濃度的第2P型區(qū)13,13′,13″作為第3半導(dǎo)體區(qū)，并且通過歐姆接觸(接觸孔)15,15′,15″和金屬互連區(qū)16,16′,16″電連接。
在n型半導(dǎo)體區(qū)11上面，形成具有較高于n型半導(dǎo)體襯底11的雜質(zhì)濃度的第1n型區(qū)14。
另一方面，在n型半導(dǎo)體襯底11上面經(jīng)過第1n型區(qū)14形成第1透明絕緣層17，通過小于第2P型區(qū)13,13′,13″的接觸孔15,15′,15″把金屬互連區(qū)16,16′,16″連接到第2P型區(qū)13,13′,13″上。
此外，在第1絕緣層17和金屬互連區(qū)16,16,′16″上面形成第2透明絕緣層18，在第2絕緣層18上面形成具有大于第1P型區(qū)12,12′,12″開孔的遮光層19。
在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，圖14中的虛線21表示對pn結(jié)加反偏壓后產(chǎn)生耗盡的情況。
在本發(fā)明，作為第1半導(dǎo)體區(qū)，n型半導(dǎo)體襯底11，能夠利用在n型半導(dǎo)體襯底上面生長的外延層，或者在n型半導(dǎo)體襯底11和外延層之間具有高濃度埋層的結(jié)構(gòu)。為了獲得提高收集光生載流子的效率和減少通過加寬pn結(jié)耗盡層21產(chǎn)生結(jié)電容的效果，優(yōu)選設(shè)置第1半導(dǎo)體區(qū)11的表面附近雜質(zhì)濃度大約為1014～1017cm-3，最好為大約1014～1016cm-3。
各第1P型區(qū)12在n型半導(dǎo)體襯底11和第1n型區(qū)14之間形成pn結(jié)。優(yōu)選地形成第1P型區(qū)12，以便使pn結(jié)耗盡層區(qū)中的缺陷減到最小和防止任何過大的電場。更具體地說，設(shè)定第1P型區(qū)12的雜質(zhì)濃度大約為1017～1019cm-3，并且在能充分激活雜質(zhì)的熱處理工藝中形成該雜質(zhì)濃度。
形成具有大約1019～1020cm-3濃度的各第2P型區(qū)13，以便獲得和金屬互連區(qū)16令人滿意的歐姆接觸，用于讀出光生載流子。注意，在第1P型區(qū)12的內(nèi)部形成第2P型區(qū)13，以便防止耗盡層延伸到第2P型區(qū)，于是抑制暗電流。
形成第1n型區(qū)14，以便抑制在n型半導(dǎo)體襯底11和第1絕緣層17之間界面產(chǎn)生的暗電流，優(yōu)選這樣的雜質(zhì)濃度，能夠防止該區(qū)在界面附近耗盡和能減少與第1P型區(qū)12形成的結(jié)中的缺陷，更具體地說，雜質(zhì)濃度為大約1016～1018cm-3。
可以形成具有偏移的第1n型區(qū)14，以便不直接地接觸第1P型區(qū)12。但是，當(dāng)區(qū)域14具有比第1P型區(qū)12低得多的雜質(zhì)濃度時(shí)，在沒有利用任何偏移的整個(gè)表面上優(yōu)選地形成區(qū)域14，以便增強(qiáng)減少在半導(dǎo)體襯底11和第1絕緣層17之間界面產(chǎn)生的暗電流的效果。
金屬互連區(qū)16能夠利用在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中作為阻擋金屬的材料；更具體地說，諸如Ti,W,Pt,Mo,Hf,Co等的高熔點(diǎn)金屬，以及以上述金屬作為主要成分的化合物。在圖11和圖12中，金屬互連區(qū)具有單層結(jié)構(gòu)，但是可以具有由阻擋層金屬和AL構(gòu)成的2層布線結(jié)構(gòu)，或者包含3層或多于3層的多層布線結(jié)構(gòu)。
對于透明絕緣層17和8，本發(fā)明能夠應(yīng)用在常規(guī)硅工藝中使用的材料，SiO2,SiO,SiN等。
遮光層19也可以采用金屬用作互連，或者可以采用其它有機(jī)材料或者無機(jī)材料。在具有300dpi或等效情況光學(xué)分辨率的接觸圖象傳感器的情況，通過部分地除掉遮光層19形成的各開孔20，具有大約80×50μm2的尺寸。
還有，在P型半導(dǎo)體襯底的情況，導(dǎo)電類型和本實(shí)施例相反，本發(fā)明也能獲得相同的效果。但是，考慮到和標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的兼容性，當(dāng)?shù)?半導(dǎo)體區(qū)具有導(dǎo)電型時(shí)獲得的效果更顯著。
圖15是表示本發(fā)明第6實(shí)施例一個(gè)象素結(jié)構(gòu)的平面圖，圖16是表示沿圖15中線16-16切開結(jié)構(gòu)的剖面圖。
在本實(shí)施例，在n型半導(dǎo)體襯底11上面形成n型埋層23和n型外延層25。n型半導(dǎo)體襯底11的雜質(zhì)濃度是大約1016cm-3,n型埋層23的雜質(zhì)濃度大約是最大為1018cm-3，而外延層的雜質(zhì)濃度是大約1015cm-3。
在外延層25的表面部分形成第1P型區(qū)12(12′,12″)，第二P型區(qū)13(13′,13″)，第1n型區(qū)14。這些區(qū)的雜質(zhì)濃度分別是，在第1P型區(qū)表面附近大約為2×1018cm-3，在第2P型區(qū)13表面附近大約為1020cm-3，在第1n型區(qū)表面附近大約為5×1016cm-3，第1P型區(qū)12的結(jié)深為大約0.5μm，第2P型區(qū)13的結(jié)深為大約0.3μm。
在本實(shí)施例，通過在象素整個(gè)表面注入離子形成第1n型區(qū)14。
而且，在本實(shí)施例，在各孔20的邊緣附近，形成重?fù)诫s的第2n型區(qū)24。第2n型區(qū)24靠近表面的雜質(zhì)濃度大約是2×1019cm-3，在和n型埋層23連接的附近，其雜質(zhì)濃度大約是3×1017cm-3。
因此，在本實(shí)施例，由高于外延層雜質(zhì)濃度的區(qū)域鄰接于象素中的外延層25，在第2P型區(qū)13能有效地積累外延層25中性區(qū)產(chǎn)生的光生載流子。因此，形成小尺寸的各第2P型區(qū)13，以便減少結(jié)電容，于是提供高靈敏度的結(jié)構(gòu)。
和第2P型區(qū)13接觸的金屬互連區(qū)16利用由Ti層16和鋁層26構(gòu)成的2層結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過第1n型區(qū)14或第1和第2P型區(qū)12及13在外延層25上面形成的透明絕緣層17具有由SiO2和PBSG構(gòu)成的2層結(jié)構(gòu)，透明絕緣層18采用SiO層。而且，遮光層利用AL層，并且在遮光層19上面形成SiN層作為保護(hù)層22。在本實(shí)施例中，各象素開孔20的尺寸是大約80μm×50μm。
還有，形成傳感器芯片，具有84.7μm的象素間距和具有上述排列的234個(gè)象素，把11個(gè)傳感器芯片裝配在玻璃環(huán)氧樹脂襯底上，形成作為A4尺寸接觸圖象傳感器的光電轉(zhuǎn)換裝置。
如現(xiàn)有技術(shù)所示，比較本實(shí)施例和沒有形成作為本發(fā)明特征的第1P型區(qū)12情況之間的暗電流，本發(fā)明測量的暗電流是現(xiàn)有技術(shù)情況測量的暗電流的大約1/10。
在本發(fā)明第5和第6實(shí)施例，在n型半導(dǎo)體襯底11上形成具有比襯底較高雜質(zhì)濃度的n型半導(dǎo)體區(qū)14，但是，不總是需要這樣。然而，形成n型半導(dǎo)體區(qū)14，能減少暗電流。
再次指出，按照第1到第4實(shí)施例，由于在各孔中形成多個(gè)pn結(jié)，并且相互電連接，則能夠減少有效積累的光生載流子和積累部分的電容。因此，能提高光電轉(zhuǎn)換裝置的靈敏度，并且能獲得顯著的效果。
按照第5和第6實(shí)施例，即使把采用阻擋金屬的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝用到光電轉(zhuǎn)換裝置，也能實(shí)現(xiàn)減少暗電流的高性能光電轉(zhuǎn)換裝置，于是獲得了驚人的效果。
在沒有脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可能構(gòu)成很多非常不同的實(shí)施例。應(yīng)該了解，本發(fā)明不限于說明書中所述的特別實(shí)施例，而以所附權(quán)利要求限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1．一種光電轉(zhuǎn)換裝置，其包括光接收元件，光接收元件包含，第1導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底，第2導(dǎo)電類型的第1半導(dǎo)體區(qū)，形成在所述半導(dǎo)體襯底的表面上，形成在所述半導(dǎo)體襯底上的透明絕緣層，遮光層形成在所述絕緣層上，具有開孔面積大于所述第1半導(dǎo)體區(qū)的開孔，其中，所述光接收元件在單個(gè)孔中包含多個(gè)彼此相等的第1半導(dǎo)體區(qū)，并且，在單個(gè)孔中所述的多個(gè)第1半導(dǎo)體區(qū)相互電連接。
2．按照權(quán)利要求1的裝置，還包括第1導(dǎo)電類型的第2半導(dǎo)體區(qū)，形成在所述半導(dǎo)體襯底的表面上，其雜質(zhì)濃度較高于所述半導(dǎo)體襯底的雜質(zhì)濃度。
3．按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述第1半導(dǎo)體區(qū)具有島狀形狀。
4．按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述第1半導(dǎo)體區(qū)電連接到電荷電壓轉(zhuǎn)換部件上。
5．按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述第1半導(dǎo)體區(qū)電連接到MOS晶體管的柵極。
6．按照權(quán)利要求1的裝置，其中形成多個(gè)等同于所述的光接收元件的光接收元件。
7．按照權(quán)利要求2的裝置，其中形成多個(gè)等同于所述的光接收元件的光接收元件。
8．圖象傳感器，由在電路板上裝配多個(gè)如權(quán)利要求6所述的光電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。
9．圖象傳感器，由在電路板上裝配多個(gè)如權(quán)利要求7所述的光電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。
10．按照權(quán)利要求8的傳感器，其中所述的第1半導(dǎo)體區(qū)具有島狀形狀。
11．按照權(quán)利要求8的傳感器，其中所述第1半導(dǎo)體區(qū)電連接到電荷-電壓轉(zhuǎn)換部件上。
12．按照權(quán)利要求8的傳感器，其中所述第1半導(dǎo)體區(qū)電連接到MOS晶體管的柵極。
13．光電轉(zhuǎn)換裝置，其包括光接收元件，光接收元件包含，第1導(dǎo)電類型的第1半導(dǎo)體區(qū)，第2導(dǎo)電類型的第2半導(dǎo)體區(qū)，形成在所述第1半導(dǎo)體區(qū)的表面上，第2導(dǎo)電類型的第3半導(dǎo)體區(qū)，形成在所述第2半導(dǎo)體區(qū)中，其雜質(zhì)濃度較高于所述第2半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度。第1導(dǎo)電材料，電連接到所述第3半導(dǎo)體區(qū)，透明絕緣層，形成在所述第1導(dǎo)電材料上，遮光層，形成在所述絕緣層上，具有開孔面積大于所述第2半導(dǎo)體區(qū)的開孔。
14．按照權(quán)利要求13的裝置，還包括第1導(dǎo)電類型的第4半導(dǎo)體區(qū)，形成在所述第1半導(dǎo)體區(qū)的表面上，具有高于所述第1半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度。
15．按照權(quán)利要求13的裝置，其中所述的絕緣層包括；第1透明絕緣層，形成在所述第1半導(dǎo)體區(qū)上，具有小于所述第3半導(dǎo)體區(qū)的接觸孔，第2透明絕緣層，形成在所述第1絕緣層和所述第1導(dǎo)電材料上，和所述第1導(dǎo)電材料，通過所述接觸孔電連接到所述第3半導(dǎo)體區(qū)。
16．按照權(quán)利要求14的裝置，其中所述絕緣層包括第1透明絕緣層，形成在所述第1半導(dǎo)體區(qū)上，具有小于所述第3半導(dǎo)體區(qū)的接觸孔，和第2透明絕緣層，形成在所述第1絕緣層和所述第1導(dǎo)電材料上，所述第1導(dǎo)電材料，通過所述接觸孔電連接到所述第3半導(dǎo)體區(qū)。
17．按照權(quán)利要求13的裝置，其中，第1導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類型，第2導(dǎo)電類型是P型導(dǎo)電類型，所述第1導(dǎo)電材料包括選自鈦，鎢，鉑，鉬，鉿和鈷組中的材料。
18．按照權(quán)利要求13的裝置，其中，在所述第3和第1半導(dǎo)體區(qū)之間的結(jié)深大于所述第2和第1半導(dǎo)體區(qū)之間的結(jié)深。
19．按照權(quán)利要求13的裝置，其中，所述第1半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度是大約1014～1016cm-3，所述第2半導(dǎo)體區(qū)靠近表面的雜質(zhì)濃度是大約1017～1019cm-3，所述第3半導(dǎo)體區(qū)靠近表面的雜質(zhì)濃度是大約1019～1021cm-3，所述第2半導(dǎo)體區(qū)靠近表面的雜質(zhì)濃度是大約1016～1018cm-3。
20．按照權(quán)利要求13的裝置，其中，形成多個(gè)等同于所述光接收元件的光接收元件。
21．按照權(quán)利要求14的裝置，其中，形成多個(gè)等同于所述光接收元件的光接收元件。
22．按照權(quán)利要求15的裝置，其中形成多個(gè)等同于所述光接收元件的光接收元件。
23．圖象傳感器，由裝配在電路板上的多個(gè)如權(quán)利要求20所述的光電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。
24．按照權(quán)利要求23的傳感器，其中，第1導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類型，第2導(dǎo)電類型是P型導(dǎo)電類類型，所述第1導(dǎo)電材料包含選自鈦，鎢，鉑，鉬，鉿和鈷組中的材料。
25．按照權(quán)利要求23的傳感器，其中，第3和第1半導(dǎo)體區(qū)之間的結(jié)深大于所述第2和第1半導(dǎo)體區(qū)之間的結(jié)深。
26．按照權(quán)利要求23的傳感器，其中，所述第1半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度是大約1014～1016cm-3，所述第2半導(dǎo)體區(qū)靠近表面的雜質(zhì)濃度是大約1017～1019cm-3，所述第3半導(dǎo)體區(qū)靠近表面的雜質(zhì)濃度是大約1019～1021cm-3，所述第2半導(dǎo)體區(qū)靠近表面的雜質(zhì)濃度是大約1016～1018cm-3。
全文摘要
提供包括光接收元件的光電轉(zhuǎn)換裝置和利用該裝置的圖象傳感器,光接收元件包括:第1導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底;第2導(dǎo)電類型的第1半導(dǎo)體區(qū),形成在半導(dǎo)體襯底的表面上;透明絕緣層,形成在半導(dǎo)體襯底上;遮光層,形成在絕緣層上,具有面積大于第1半導(dǎo)體區(qū)的開孔,光接收元件還在單個(gè)孔中包含多個(gè)第1半導(dǎo)體區(qū),并且單個(gè)孔中的多個(gè)第1半導(dǎo)體區(qū)相互電連接。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK1217580SQ9812468
公開日1999年5月26日 申請日期1998年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月6日
發(fā)明者小開 申請人:佳能株式會(huì)社