專利名稱：固體攝像裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及比如固體攝像裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
在日本特開2007258684號公報(bào)中記載到，在CMOS等的固體攝像裝置中，借助通過 濾波器的光，在半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生電子-空穴對，僅僅使電子累積于用作電荷累積部的η型 擴(kuò)散層。最近，由于多像素化、光學(xué)尺寸的縮小的要求，存在上述η型擴(kuò)散層的尺寸縮小的 傾向。于是，能夠通過η型擴(kuò)散層而累積的電子的數(shù)量(下面稱為“飽和電子數(shù)量”)減少， 對已拍攝的圖像進(jìn)行再現(xiàn)的品質(zhì)降低。

發(fā)明內(nèi)容
一般來說，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，固體攝像裝置包括第1擴(kuò)散層、電位層、第2 擴(kuò)散層、第3擴(kuò)散層與讀出電極。上述第1擴(kuò)散層形成于第1導(dǎo)電型或第2導(dǎo)電型的半導(dǎo) 體襯底表面內(nèi)，按照在距該半導(dǎo)體襯底表面為第1深度的位置上濃度為最大值的方式進(jìn)行 摻雜，該第1擴(kuò)散層為上述第2導(dǎo)電型。上述電位層位于上述半導(dǎo)體襯底表面上，按照在正 下方設(shè)置上述第1擴(kuò)散層的方式形成，被設(shè)定為規(guī)定的電位。上述第2擴(kuò)散層中的至少一 部分接觸于上述第1擴(kuò)散層，該第2擴(kuò)散層為上述第1導(dǎo)電型。上述第3擴(kuò)散層位于上述 半導(dǎo)體襯底表面內(nèi)，按照與上述第1擴(kuò)散層間隔開的方式形成。上述讀出電極在上述第1 擴(kuò)散層和上述第3擴(kuò)散層之間，形成于上述半導(dǎo)體襯底上。在將通過從上述半導(dǎo)體襯底的 背面?zhèn)瘸虮砻鎮(zhèn)日丈涞墓舛谏鲜霭雽?dǎo)體襯底內(nèi)部產(chǎn)生的電子累積于用作電荷累積部 的上述第1擴(kuò)散層中時，形成距上述半導(dǎo)體襯底表面和上述第1擴(kuò)散層表面之間的界面的 距離為第2深度的上述第1導(dǎo)電型的電荷累積層，該第2深度小于上述第1深度。


圖1為第1實(shí)施方式的固體攝像裝置的框圖；圖2為第1實(shí)施方式的傳感器核心部的框圖；圖3為第1實(shí)施方式的像素的俯視圖；圖4為第1實(shí)施方式的像素的剖視圖；圖5為表示1個實(shí)施方式的固體攝像裝置的讀出動作的圖；圖6為表示第1實(shí)施方式的數(shù)據(jù)的讀出動作的流程圖；圖7為表示第1實(shí)施方式的固體攝像裝置的濃度分布的圖8為第2實(shí)施方式的像素的剖視圖；圖9為第2實(shí)施方式的像素的剖視圖；圖10為第3實(shí)施方式的像素的剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖，對第1實(shí)施方式進(jìn)行說明。在說明時，在全部附圖中，對于共同的 部分采用共同的標(biāo)號。(第1實(shí)施方式)通過圖1，對第1實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法進(jìn)行說明。圖1表示第 1實(shí)施方式的固體攝像裝置的一個結(jié)構(gòu)例。另外，在下述的實(shí)施方式中，只要沒有特別地說 明，采用背面照射型的固體攝像裝置。如圖1所示的那樣，固體攝像裝置1具有電源部2、傳感器核心部3、控制部5和透 鏡6。另外，傳感器核心部3具有像素部4。下面對各部分進(jìn)行詳細(xì)說明。電源部2產(chǎn)生多個規(guī)定的電壓，將該產(chǎn)生的電壓施加于包含像素部4的傳感器核 心部3上。電源部2產(chǎn)生負(fù)電壓，可將該產(chǎn)生的負(fù)電壓供給到像素部4。傳感器核心部3具有呈矩陣狀設(shè)置的多個像素。在像素部4中，根據(jù)從控制部5 供給的信號RESET和信號READ，對設(shè)置了多個的像素進(jìn)行復(fù)位動作，對已選擇的像素進(jìn)行 信號的讀取(讀出)動作。下面對控制部5進(jìn)行說明?？刂撇?根據(jù)從主時鐘MCK提供的時鐘信號，產(chǎn)生固體 攝像裝置1的內(nèi)部時鐘。主時鐘MCK為將設(shè)置于固體攝像裝置1的外部的、比如時鐘(在 下面稱為“外部時鐘”)作為基準(zhǔn)而獲得的時鐘信號。另外，控制部5從外部接收用于使固 體攝像裝置1的整體系統(tǒng)動作的控制數(shù)據(jù)(在圖中，為DATA)?？刂茢?shù)據(jù)為比如命令或用于 使固體攝像裝置1的整體動作的動作定時等。具體來說，是指在通過像素部4讀出接收的 光的信號時，電源部2對該像素部4施加負(fù)電壓的動作定時?？刂撇?將從外部接收到的 命令中的、比如RESET信號與READ信號分別提供給像素部4。此外，控制部5對通過傳感器 核心部3讀出的信號進(jìn)行信號處理，并向外部輸出。透鏡6接收來自外部的光，使該接收的光通過分解濾波器之后提供給像素部4。另 外，濾波器按每個RGB對光進(jìn)行分解。另外，固體攝像裝置的傳感器核心部3中，除了具備像素部4以外，也可以具備 CDS (Correlated double sampling，相關(guān)雙取樣)、AD變換電路(在下面稱為"ADC部”)、 鎖存電路與水平移位寄存器。在這樣的情況下，CDS消除從像素部4讀出的信號中包含的 噪音。另外，AD變換器對通過CDS去除了噪音的信號進(jìn)行A/D(Anal0g-t0-Digital，模擬至 數(shù)字)變換。由此，得到比如10比特的數(shù)字信號。另外，鎖存電路將通過ADC部而得到的 數(shù)字信號進(jìn)行鎖存處理。水平移位寄存器提供將通過鎖存電路進(jìn)行了鎖存的數(shù)字信號讀出 的指示。下面通過圖2，對上述傳感器核心部3的像素部4的具體內(nèi)容進(jìn)行說明。圖2為傳 感器核心部3的框圖。(關(guān)于像素部4)如圖2所示的那樣，在像素部4上，設(shè)置有分別與各個垂直信號線VLim至垂直信號線VLIN(n+l)連接、并且沿垂直方向設(shè)置(m+1)個的像素10(n，m均為自然數(shù))。即，像 素部4具備呈矩陣狀設(shè)置的多個像素10。另外，下面著眼于垂直信號線VLIN1，對與垂直信 號線VLim正交的水平方向的第1線上所設(shè)置的像素10進(jìn)行說明。如圖所示的那樣，像素10具有MOS晶體管Tb、Tc、Td和光電二極管PD。在光電二 極管PD的陰極上，形成圖中未示出的電極，從電源部2對該電極施加負(fù)電壓。如后所述，將 負(fù)電壓施加給該電極的結(jié)果是，在該電極和光電二極管PD之間會形成電容。S卩，在比如設(shè) 置于與垂直信號線VLIN(n+l)正交的水平方向的第(m+1)線上的像素10上，會形成電容。 另外，各個電容為基本相同的特性。對MOS晶體管Tc的柵極提供由控制部5供給的信號RESETl，對漏極端提供電壓 VDD (比如，2. 8V)，源極端與連接節(jié)點(diǎn)附連接。S卩，MOS晶體管Tc用作產(chǎn)生復(fù)位電壓的復(fù)位 晶體管，該復(fù)位電壓成為從光電二極管PD讀出的信號的基準(zhǔn)電壓。對MOS晶體管Td的柵極提供從控制部5供給的信號READl，漏極端與連接節(jié)點(diǎn)m 連接，源極端連接光電二極管PD的陰極。S卩，MOS晶體管Td用作信號電荷讀出用晶體管。 另外，光電二極管PD的陽極接地。在MOS晶體管Tb的柵極上連接有連接節(jié)點(diǎn)Ni，電壓VDD供給到漏極端，在源極端 上連接有垂直信號線VLINl。S卩，MOS晶體管Tb的柵極、MOS晶體管Tc的源極端以及MOS 晶體管Td的漏極端通過連接節(jié)點(diǎn)m而共同連接。連接節(jié)點(diǎn)m為進(jìn)行電位的檢測的節(jié)點(diǎn)。 另外，MOS晶體管Tb用作對信號進(jìn)行放大的放大用晶體管。有時將MOS晶體管Tb表示為 MOS晶體管Amp。另外，分別傳遞信號RESETl和信號READl的信號線共同連接于像素10上，該像素 10設(shè)置于與垂直信號線VLIN正交的水平方向的第1線上。即，信號線為與垂直信號線VLIN 正交的水平方向的第1線，分別相對于與各個垂直信號線VLim 垂直信號線VLIN(n+l) 連接的像素10共同連接。另外，對于和垂直信號線VLIN正交的水平方向的第2至第(m+1) 線也同樣。此外，設(shè)置于同一列的上述像素10經(jīng)由MOS晶體管Tb中的源極端，共同連接于垂 直信號線VLim 垂直信號線VLIN(n+1)中的某一個。下面，在不區(qū)分垂直信號線VLim 垂直信號線VLIN(n+l)的情況下，簡稱為垂直信號線VLIN。還有，在位于同一行的像素10中，共同地提供信號RESETl 信號RESET(m+l)與 信號READl 信號READ (m+1)中的某一個信號。下面，關(guān)于信號RESETl 信號RESET (m+1)、 信號READl 信號READ (m+1)，在不進(jìn)行區(qū)分的情況下，簡稱為信號RESET、信號READ。再有，在傳感器核心部3具備CDS電路、ADC部、鎖存電路與水平移位寄存器的情 況下，在圖2中的各垂直信號線VLIN上連接有⑶S電路、ADC部、鎖存電路與水平移位寄存器。(像素10的結(jié)構(gòu)例)下面通過圖3、圖4，對本實(shí)施方式的固體攝像裝置所具有的像素10的結(jié)構(gòu)例進(jìn)行 說明。圖4所示的剖視結(jié)構(gòu)例為沿圖3中的A-A方向的剖視圖。在這里，相對于硅襯底20， 以形成絕緣膜25的一側(cè)為第1方向，另外，與此相反，即，以硅襯底20的底面為第2方向。 如上述那樣，在本實(shí)施方式中，對背面照射型的固體攝像裝置進(jìn)行說明。即，將在與形成有 上述MOS晶體管Tb的半導(dǎo)體襯底的表面(表面?zhèn)?相反一側(cè)的襯底表面(背面?zhèn)?上形成感光面的背面照射型固體攝像裝置作為一個例子而進(jìn)行說明。即，與形成有半導(dǎo)體元件 的一側(cè)相反的一側(cè)為曝露于入射光的一側(cè)，為背面。以下為襯底表面的平面結(jié)構(gòu)例。如圖4所示的那樣，在活性區(qū)域AA內(nèi)、且在硅襯底20的表面上，設(shè)置有像素10。 硅襯底20比如為摻雜有硼等的雜質(zhì)的ρ型半導(dǎo)體襯底。另外，該硅襯底20也可為進(jìn)行了 外延生長的外延層(在下面有時稱為“半導(dǎo)體區(qū)域20”)。另外，對元件分離區(qū)域進(jìn)行劃分的元件分離帶(在圖3中，表示為“STI”)按照包 圍活性區(qū)域AA(在圖3中，表示為“AA”)的方式設(shè)置。另外，硅襯底20也可以為摻雜比如 磷等的η型。在硅襯底20上，電位層、比如電極沈和電極27，按照寬度wl的間距而形成。在該電極沈的正下方，形成構(gòu)成像素10的η型擴(kuò)散層24。另外，電極27將累積 于η型擴(kuò)散層M中的電子讀出到浮游擴(kuò)散層23中，用作MOS晶體管Td的讀出柵極。下面， 有時將電極27稱為讀出電極。在這里，電極沈?yàn)楸热纾嗑Ч?、或多晶硅的一部分與金屬 鍵合的CoSi、TiSi、NiSi等的金屬硅化物、或Cu、Al、W等的金屬材料。此外，如圖所示的那 樣，本例的單位像素的垂直信號線VLIN方向的像素間距P，均按照共同的方式設(shè)置。另外，分別構(gòu)成上述復(fù)位晶體管Tc和放大晶體管Tb的柵極電極(在圖3中，表示 為Tb(Amp)，Tc(Reset))形成于活性區(qū)域AA表面上。即，在活性區(qū)域AA表面內(nèi)，形成用作 晶體管Tc、Tb中的源極和漏極的、圖中未示出的雜質(zhì)擴(kuò)散層。下面通過圖4，對上述像素10的剖視結(jié)構(gòu)例進(jìn)行說明。如圖4所示的那樣，在比如由摻雜硼等而形成的ρ型硅等形成的半導(dǎo)體襯底20的 表面(第1方向側(cè))的內(nèi)部，形成用作累積該半導(dǎo)體襯底內(nèi)部產(chǎn)生的電子的電荷累積部的 η型擴(kuò)散層Μ。該η型擴(kuò)散層M的底面位于從半導(dǎo)體襯底20的表面朝向第2方向深度為 w2(>wl)的位置。與η型擴(kuò)散層M接觸、并且在半導(dǎo)體襯底20的內(nèi)部形成ρ型的擴(kuò)散層21。該擴(kuò) 散層21中的至少一部分接地。即，擴(kuò)散層21為零電位。該擴(kuò)散層21用作形成后述的空穴 累積層的供給源。另外，擴(kuò)散層21用作元件分離區(qū)域。另外，在半導(dǎo)體襯底20的表面內(nèi)，形成用作浮游擴(kuò)散層的η型的擴(kuò)散層23。在半 導(dǎo)體襯底20的內(nèi)部，形成與擴(kuò)散層23的底面接觸的ρ型的擴(kuò)散層22。在半導(dǎo)體襯底20上形成絕緣膜25，在該絕緣膜25上，形成按照擴(kuò)散層M形成于 正下方的方式設(shè)置的電極26。此外，在電極沈上，施加從電源部2供給的、比如-IV左右 的負(fù)電壓。另外，在絕緣膜25上，電極27按照以寬度wl的間距而與電極沈鄰接的方式形 成。在電極27上，施加從控制部5供給的正電壓的信號READ。(關(guān)于讀出動作)下面通過圖5和圖6，對固體攝像裝置1從像素10讀出通過光電二極管PD接收的 光的方法進(jìn)行說明。圖5和圖6表示在上述圖4中，將由于穿過圖中未示出的透鏡6并被 濾波器分光的光而在半導(dǎo)體襯底20內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對中的電子，通過晶體管Td向外 部讀出時的動作。另外，通過控制部5，對提供給電極26、27的電壓的定時進(jìn)行控制。(步驟Si)首先，至少在感光時，通過電源部2，在電極沈上施加比如-IV左右的負(fù)電壓。由 此，從被設(shè)置為零電位的擴(kuò)散層21而引發(fā)(誘起)出的空穴移動到擴(kuò)散層M和絕緣層25之間的界面，換言之，移動到半導(dǎo)體襯底頂面和絕緣膜25之間的界面(圖5、圖6中的S 1)。于是，在擴(kuò)散層M和絕緣膜25之間的界面處引發(fā)的空穴和擴(kuò)散層M之間，產(chǎn)生 耗盡層。下面，將在半導(dǎo)體襯底20的界面引發(fā)的空穴的層稱為空穴累積層或電荷累積層 (累積空穴的層)。在這里，上述空穴累積層的向第2方向的深度(厚度)極薄，并且僅僅 形成于半導(dǎo)體襯底20的界面上。具體來說，空穴累積層的寬度在0. 01 μ m 0. 05 μ m左右 的范圍內(nèi)。其結(jié)果是，如果負(fù)電壓為某一固定的值，則該耗盡層的累積電容的值為與該耗盡 層所具有的寬度相對應(yīng)的值。即，可在耗盡層累積的電子的數(shù)量與該耗盡層的累積電容的 值成比例，如果該累積電容的值大，則與其成比例而該電子的數(shù)量增加。另外，空穴累積層 的濃度對應(yīng)于施加于電極26上的電壓的大小而改變。即，施加于電極沈上的負(fù)電壓的值 (絕對值)越大，空穴累積層的濃度越高。(步驟S2)接著，從襯底20的背面沿第1方向，即，從半導(dǎo)體襯底20的背面?zhèn)冉邮展?，由此?在該半導(dǎo)體襯底20內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對中的電子移向擴(kuò)散層24(圖5、圖6中的S2)。這 是由在半導(dǎo)體襯底20內(nèi)產(chǎn)生的電場和熱擴(kuò)散造成的。這些產(chǎn)生的電子累積于形成有耗盡 層的擴(kuò)散層M中。(步驟 S3)在步驟S2之后，一邊在電極沈上施加負(fù)電壓，一邊通過電源部2在電極27上施 加脈沖狀的正電壓(信號READ)。由此，在電極27的正下方、且在半導(dǎo)體襯底20的表面上 形成溝道。其結(jié)果是，累積于擴(kuò)散層M中的電子經(jīng)由形成于電極27的正下方的溝道，經(jīng)由 擴(kuò)散層23而被讀出到外部(在圖5、圖6中的S3)。這樣，通過像素10接收的光作為電荷 而被讀出到外部。另外，在將電子累積于擴(kuò)散層M中時，雖然在擴(kuò)散層對和絕緣膜25之 間的界面產(chǎn)生空穴累積層，但是，該空穴累積層在上述步驟Sl S3的期間連續(xù)地形成。換 言之，該空穴累積層的形成是在電極沈上施加負(fù)電壓的上述步驟Sl S3的期間。(關(guān)于半導(dǎo)體襯底20的表面中的濃度分布)下面通過圖7，對圖5中的將負(fù)電壓施加于電極沈上時的半導(dǎo)體襯底20表面的濃 度分布進(jìn)行說明。具體來說，對擴(kuò)散層M和擴(kuò)散層M與絕緣層25之間的界面中的空穴、 電子等的載流子濃度分布進(jìn)行說明。圖7為表示在圖5中沿B-B’方向的剖視圖中的空穴 和電子的濃度分布的圖?？v軸表示濃度，橫軸表示在B-B’剖面中的位置。另外，設(shè)位置B 為半導(dǎo)體襯底20的表面。如圖7所示的那樣，在電極沈上施加負(fù)電壓，由此，在半導(dǎo)體襯底20的表面的內(nèi) 部、且在與擴(kuò)散層M和絕緣膜25之間的界面同一面上，產(chǎn)生空穴累積層。換言之，在位置 B-Bl之間，空穴濃度呈δ函數(shù)狀分布。另外，如上述那樣，從位置B到Bl而形成的空穴累 積層的寬度大約為0. 01 μ m 0. 05 μ m。位置Β2表示擴(kuò)散層M內(nèi)的電子的濃度的峰值。耗 盡層的寬度由表示空穴濃度的峰值的位置和表示電子濃度的峰值的位置之間的距離決定。 即，如圖7所示的那樣，位置B1-B2的間隔為耗盡層寬度。累積電容由該耗盡層寬度確定。 即，如果該耗盡層寬度的值減小，則擴(kuò)散層M可累積的電子濃度增加。(本實(shí)施方式的效果)按照本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法，可提高再現(xiàn)畫面的品質(zhì)。關(guān)于本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法的效果，與過去的固體攝像裝置相比較地進(jìn)行說明。比如，作為過去的固體攝像裝置，假定下述的結(jié)構(gòu)，其中，在圖4所示的擴(kuò)散層M 的基礎(chǔ)上，在半導(dǎo)體襯底20的內(nèi)部，沒有形成ρ型的擴(kuò)散層和電極沈。在這里，所謂擴(kuò)散 層，是指通過摻雜雜質(zhì)而使半導(dǎo)體具有極性的區(qū)域。形成下述的結(jié)構(gòu)，其中，沒有形成該擴(kuò) 散層，在半導(dǎo)體襯底20的表面內(nèi)僅僅形成η型的擴(kuò)散層M。在該例的情況下，在于擴(kuò)散層 24中累積感光而在半導(dǎo)體襯底20內(nèi)產(chǎn)生的電子時，在半導(dǎo)體襯底20和絕緣膜25之間的界 面及其附近產(chǎn)生耗盡層，從該耗盡層產(chǎn)生暗電流。所謂暗電流是指，即使在光電二極管PD 沒有接收光的期間(在下面稱為“暗時”)，在半導(dǎo)體襯底20的內(nèi)部也會產(chǎn)生電子和空穴從 而流動的電流。即，因電子的流動，即使在暗時電流也流動，這將成為噪音的原因。作為該 暗電流的發(fā)生原因的1個具體的理由，半導(dǎo)體襯底20/絕緣膜25 (比如，氧化膜)界面上的 非連續(xù)的結(jié)構(gòu)的差異成為原因。即，夾持界面的一個區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅，另一區(qū)域?yàn)榉蔷?質(zhì)狀的硅和氧的鍵合。即，在該邊界，無法維持規(guī)則的鍵合狀態(tài)，在半導(dǎo)體襯底20區(qū)域中的 硅原子的鍵合子處，沒有鍵合對象的不穩(wěn)定的狀態(tài)、即懸空鍵，在Si的鍵間隙(bond gap) 中間處形成能級。由此，在硅晶體中，找不到對象的鍵合子懸空鍵，成為發(fā)生、再鍵合中心。 該發(fā)生、再鍵合中心有助于位于價電子帶的電子的比如熱激勵。由此，從該價電子帶激勵的 電子經(jīng)由發(fā)生、再鍵合中心而向?qū)Ъ?。即，在價電子帶中出現(xiàn)失去電子的空穴，而在導(dǎo) 帶中存在電子。并且，將發(fā)生、再鍵合中心作為核心要素(擔(dān)…手)，在界面產(chǎn)生的電子累積 于擴(kuò)散層M中。這樣，感光的結(jié)果是，除了在半導(dǎo)體襯底20內(nèi)產(chǎn)生的電子以外，還產(chǎn)生暗 電流(將其作為問題1)。于是，為了防止上述暗電流的發(fā)生，過去的固體攝像裝置，在圖4(在這里，假設(shè)沒 有形成電極26)中的擴(kuò)散層M上、在半導(dǎo)體襯底20內(nèi)，形成比如摻雜硼等的空穴的ρ型的 擴(kuò)散層(圖中未示出)。由此，在半導(dǎo)體襯底20的界面中，抑制來自耗盡層的電子的發(fā)生， 從而防止暗電流。但是，如果ρ型的擴(kuò)散層按照擴(kuò)散層M設(shè)置于其正下方的方式形成，則在與擴(kuò)散 層M接觸的界面上，難以匹配該擴(kuò)散層M的濃度峰值。因此，在P型的擴(kuò)散層和擴(kuò)散層M 相接觸的界面處，從空穴向電子的電力線(電場)的長度增加，其結(jié)果是，無法增加累積電 容。即，由于累積電容小，故擴(kuò)散層M中的飽和電子數(shù)減少，于是，存在比如對較亮的拍攝 對象進(jìn)行攝像時的S/N比減小的問題。具體來說，比如，對較亮的拍攝對象進(jìn)行攝像后的圖 像中所包含的噪音由光散粒噪音(shot noise)決定。另外，如果光電二極管PD (在這里是 擴(kuò)散層24)中累積的電子的數(shù)量為n，則可通過^表示在光散粒噪音中的噪音。即，由于S/ N比為n/·^，故隨著飽和電子數(shù)量的減少而S/N比降低。由此，產(chǎn)生已拍攝的圖像的畫質(zhì)變 差的問題(將其作為問題2)。在此方面，如果采用本實(shí)施方式，可防止上述問題1和問題2。如果采用本實(shí)施方 式的固體攝像裝置及其控制方法，則使擴(kuò)散層21接地，在電極沈上施加負(fù)電壓。由此，擴(kuò) 散層21的電位高于電極26。其結(jié)果是，從擴(kuò)散層21引發(fā)的空穴形成于該電極沈的正下 方、且形成于擴(kuò)散層M的頂面，形成空穴累積層。由此，可抑制Si (硅)表面的暗電流的發(fā) 生。即，可降低噪音，可提高再現(xiàn)畫面的品質(zhì)。即，可防止問題1。上述空穴累積層所具有的寬度小于在過去的固體攝像裝置中形成的、ρ型的擴(kuò)散 層的第2方向的深度。具體來說，過去的ρ型的擴(kuò)散層的第2方向的深度在0. 10μ m 0. 5 μ m的范圍內(nèi)。相對該情況，如前述那樣，本實(shí)施方式的固體攝像裝置中的空穴累積層的 朝第2方向的深度為過去的1/10左右。其結(jié)果是，耗盡層寬度比過去的固體攝像裝置中的 耗盡層小。于是，擴(kuò)散層M的累積電容增加。由此，即使在像素10的細(xì)微化得到推進(jìn)而形 成于襯底20表面的空穴累積層的區(qū)域(面積)變小的情況下，每單位面積的電容也增加， 由此，擴(kuò)散層M中的飽和電子數(shù)量增加。其結(jié)果是，S/N比增加。即，可防止已拍攝的圖像 變差的問題、即問題2。另外，如果采用本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法，則電極27和電極沈之 間的距離wl小于構(gòu)成光電二極管PD的擴(kuò)散層M的深度w2。由此，在對電極27施加脈沖 狀的信號READ而讀出累積于擴(kuò)散層M中的電子時，通過電極27使得電位被調(diào)制的襯底20 的區(qū)域接近擴(kuò)散層M的區(qū)域。其結(jié)果是，容易讀出累積于擴(kuò)散層M中的全部的電子。此外，通過電源部2而施加于電極沈上的電壓也可不為負(fù)電壓，只要能夠?qū)⑾鄬?于擴(kuò)散層21的電位較低的電壓施加于電極沈上即可。即，施加于電極沈上的電壓，只要 為能夠使來自擴(kuò)散層21的空穴產(chǎn)生于擴(kuò)散層M的頂面的電壓即可。此外，本實(shí)施方式的固體攝像裝置為背面照射型。S卩，在圖5中，光的入射方向?yàn)?第1方向。由此，即使用于電極沈的材料為光透射率低的材料，入射到擴(kuò)散層M中的光量 也不會衰減。(第2實(shí)施方式)下面對第2實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法進(jìn)行說明。在第2實(shí)施方式的 固體攝像裝置及其控制方法中，將上述第1實(shí)施方式中的電極沈用透明電極(后述的透 明電極40)形成，該透明電極由可使接收的光透過的、比如ITOandium Tin Oxide，氧化銦 錫)膜等形成。即，光的接收方向既可以是與上述第1實(shí)施方式相同的背面，也可來自表面 一側(cè)。另外，當(dāng)向形成于電極27的正下方的溝道進(jìn)行傳送時，將在上述第1實(shí)施方式的讀 出動作中的步驟S3中施加于電極沈上的負(fù)電位停止。下面，針對結(jié)構(gòu)和動作，僅對與第1實(shí)施方式不同的方面進(jìn)行說明。圖8表示本實(shí)施方式的固體攝像裝置。圖8為沿圖2中的像素10的A A方向的 剖視圖。如圖8所示的那樣，在本實(shí)施方式的固體攝像裝置中，代替電極沈而采用設(shè)置透 明電極40的結(jié)構(gòu)。該透明電極40由比如ITOandium Tin Oxide)膜形成。該透明電極40 相對于400nm 700nm左右的可見光具有透光性。在本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法中，在上述步驟S3中，停止對該透明 電極40的負(fù)電壓的施加，并且通過電源部2在電極27上施加脈沖狀的正電壓(信號READ)。與上述第1實(shí)施方式相同，在電極27的正下方，在半導(dǎo)體襯底20的表面上產(chǎn)生電 子。即，形成溝道，另外，由于停止在透明電極40上施加負(fù)電壓，故在透明電極40的正下方、 且在擴(kuò)散層M的界面上，之前產(chǎn)生的空穴累積層消失。其結(jié)果是，累積于擴(kuò)散層M中的電子經(jīng)由上述溝道被讀出到外部。在停止施加于 透明電極40上的負(fù)電壓的期間，為在電極27上施加脈沖狀的正電壓的期間。至少，不對透 明電極40施加負(fù)電壓的期間(對透明電極40施加OV的期間)與對電極27施加脈沖狀的 正電壓的期間重疊即可。另外，即使在對電極27施加脈沖狀的正電壓的期間中，也可連續(xù)地對透明電極40 施加-IV左右的負(fù)電壓。即，即使為第1實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，仍可適用本實(shí)施方式的動作。
此外，如上述那樣，當(dāng)在擴(kuò)散層M中累積電子時，雖然在半導(dǎo)體襯底20的界面上 產(chǎn)生空穴累積層，但是，該空穴累積層形成于上述步驟Sl S2的期間。換言之，該空穴累 積層形成于對透明電極40施加負(fù)電壓的上述步驟Sl S2的期間。(本實(shí)施方式的效果)即使采用本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法，仍可實(shí)現(xiàn)與上述第1實(shí)施方 式相同的效果。即，即使在對透明電極40施加-IV左右的負(fù)電壓的情況下，仍可在半導(dǎo)體 襯底20的表面、且在擴(kuò)散層24和絕緣膜25之間的界面上，形成空穴累積層。并且，形成的 空穴累積層與上述第1實(shí)施方式相同，為高濃度，并且與以往相比為薄膜，因此，光電二極 管PD的累積電容增加。由此，即使固體攝像裝置的細(xì)微化得到推進(jìn)，仍可抑制S/N比的降 低，可防止拍攝對象的圖像變差。另外，在圖8中，按照擴(kuò)散層M設(shè)置于正下方的方式在絕緣膜25上配置有透明電 極40，但是，也可以如圖9那樣，在含有電極27的絕緣膜25的一個面上形成該透明電極40。 在這樣的情況下，需要在該電極27的周圍形成絕緣膜28，以使得電極27和透明電極40之 間不短路。圖9為沿本實(shí)施方式的固體攝像裝置中的像素10的A-A方向的剖視圖。即使在 該情況下，仍可實(shí)現(xiàn)上述效果。此外，如果采用本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法，則如上述那樣，在對電 極27施加脈沖狀的正電壓的期間中，停止對透明電極40的負(fù)電壓的施加。這樣，由于在位 于透明電極40的正下方的區(qū)域、在襯底20的界面上累積的空穴累積層的濃度顯著減少，所 以電極27的柵極寬度方向的端部(靠近透明電極40側(cè)的一側(cè))的正下方的襯底20內(nèi)電 位變得容易通過該電極27而調(diào)制。因此，更容易傳送累積于擴(kuò)散層M中的信號電子，不產(chǎn) 生累積于擴(kuò)散層M內(nèi)的電子的殘留。即，如果沒有擴(kuò)散層M中的電子的殘留，則不產(chǎn)生殘 像等的問題，由此，特別是對于暗時圖像，可提高畫質(zhì)。還有，根據(jù)圖8，如所述的那樣，圖9中的固體攝像裝置也采用可使可見光透過的 透明電極40，由此，不僅可將上述結(jié)構(gòu)適用于背面照射型，也可適用于過去的表面照射型。(第3實(shí)施方式)下面對第3實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法進(jìn)行說明。本實(shí)施方式的固體 攝像裝置中，代替上述第1、第2電極沈、透明電極40，而形成比如絕緣膜41。在這里，絕緣 膜41為相對于400nm 700nm左右的可見光具有透射性、并且含有負(fù)的固定電荷的電位 層，比如，通過氧化鉿形成的膜。下面，僅僅對與第1、第2實(shí)施方式不同的點(diǎn)進(jìn)行說明。通過圖10，對本實(shí)施方式的固體攝像裝置進(jìn)行說明。圖10為沿圖2中的像素10 的10-10方向的剖視圖。如圖10所示的那樣，本實(shí)施方式的固體攝像裝置為下述的結(jié)構(gòu)， 其中，代替電極26或透明電極40，設(shè)置含有負(fù)的固定電荷的絕緣膜41。S卩，相對于擴(kuò)散層 21，絕緣膜41具有負(fù)的電位。由此，即使不像上述第1、第2實(shí)施方式描述的那樣供給來自 電源部2的負(fù)電壓，仍可在半導(dǎo)體襯底20的表面、且在擴(kuò)散層M和絕緣膜25之間的接觸 界面產(chǎn)生空穴累積層。即，即使在不施加負(fù)電壓的情況下，由于總是產(chǎn)生空穴累積層，由此， 通過感光而在半導(dǎo)體襯底20的內(nèi)部產(chǎn)生的電子也會累積于擴(kuò)散層M中。另外，關(guān)于電極 26和透明電極40以外的結(jié)構(gòu)以及本實(shí)施方式的固體攝像裝置的讀出動作，除了對電極沈 和透明電極40施加負(fù)電壓的方面以外，均與上述第1、第2實(shí)施方式相同，故省略對其的說明。(本實(shí)施方式的效果)即使采用本實(shí)施方式的固體攝像裝置及其控制方法，仍可實(shí)現(xiàn)與上述第1實(shí)施方 式相同的效果。即，即使在代替電極26、透明電極40而使用含有負(fù)的固定電荷的絕緣膜41 的情況下，仍可在半導(dǎo)體襯底20的表面上、且在擴(kuò)散層M和絕緣膜25之間的界面上形成 空穴累積層。形成的空穴累積層與上述第1實(shí)施方式相同，為高濃度，并且相對于過去為薄 膜，由此，光電二極管PD的累積電容增加。這樣，即使在固體攝像裝置的細(xì)微化得到推進(jìn)的 情況下，仍可抑制S/N比的降低，仍可防止拍攝對象的圖像的變差。另外，在圖10中，絕緣膜41按照覆蓋一部分電極27的方式形成于絕緣膜25上。 但是，也可在距電極27離開寬度wl的位置，按照在正下方設(shè)置擴(kuò)散層M的方式將絕緣膜 41設(shè)置于絕緣膜25上。由于難以分別使絕緣膜41和電極27自對準(zhǔn)(自身整合)地形成， 故絕緣膜41有時會覆蓋電極27的一部分的表面，因此，多為圖10所示的那樣的結(jié)構(gòu)。此外，與上述第2實(shí)施方式相同，在本實(shí)施方式中，由于也采用相對于400nm 700nm左右的可見光具有透射性的絕緣膜41，故不僅可適用于背面照射型，也可適用于過 去的表面照射型。還有，在前面已描述過，上述第2實(shí)施方式的動作可適用于上述第1實(shí)施方式的結(jié) 構(gòu)。即，在上述第1實(shí)施方式中，也可以停止對電極沈的負(fù)電壓的施加，并且通過電源部2 將脈沖狀的正電壓施加于電極27上。即，在電子累積到擴(kuò)散層M時，即在上述步驟Sl S2的期間，在半導(dǎo)體襯底20的界面上產(chǎn)生空穴累積層。換言之，該空穴累積層形成于對電 極26施加負(fù)電壓的上述步驟Sl S2的期間。在這樣的情況下，即使采用上述第1實(shí)施方 式，仍可實(shí)現(xiàn)與上述第2實(shí)施方式相同的效果。即，由于沒有擴(kuò)散層M中的電子的殘留，因 此不產(chǎn)生殘像等的問題，故特別是對于暗時圖像，仍可提高畫質(zhì)。另外，說明了上述空穴累積層通過對電極沈施加負(fù)電壓而累積空穴的情況，但 是，也有如下情況，在擴(kuò)散層24的表面上形成ρ型的擴(kuò)散層，通過形成該ρ型的擴(kuò)散層，可 將空穴累積于擴(kuò)散層M的表面上。雖然對某些實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是，這些實(shí)施例僅作為例子被提供，本發(fā)明并不 限于上述實(shí)施例。實(shí)際上，在這里描述的上述新的方法和系統(tǒng)可按照各種其它的形式實(shí)施。 另外，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的情況下，可按照在這里描述的方法和系統(tǒng)的形式給出各種 省略方式、代替方式和改變方式。后附的權(quán)利要求及其等同方案覆蓋所有落入本發(fā)明的范 圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)的種種變形。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像裝置，其特征在于，包括第1導(dǎo)電型或第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體區(qū)域，該半導(dǎo)體區(qū)域具有第1表面和與該第1表面 相對的第2表面；第2導(dǎo)電型的第1擴(kuò)散層，形成于該半導(dǎo)體區(qū)域的第1表面內(nèi)，按照在距上述半導(dǎo)體區(qū) 域表面為第1深度的位置濃度為最大值的方式進(jìn)行摻雜，將通過從上述半導(dǎo)體區(qū)域的上述 第2表面朝向上述第1表面照射的光而在該半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的電子累積于用作電荷累積 部的上述第1擴(kuò)散層時，形成距半導(dǎo)體區(qū)域表面和上述第1擴(kuò)散層表面之間的界面的距離 為第2深度的第1導(dǎo)電型的電荷累積層，該第2深度小于上述第1深度；第1導(dǎo)電型的第2擴(kuò)散層，至少一部分與上述第1擴(kuò)散層相接而形成；第2導(dǎo)電型的第3擴(kuò)散層，形成于上述半導(dǎo)體區(qū)域的第1表面內(nèi)，該第3擴(kuò)散層在上述 第1擴(kuò)散層的與上述第2擴(kuò)散層相反的一側(cè)，形成于與上述第1擴(kuò)散層隔開的位置；絕緣膜，形成于上述半導(dǎo)體區(qū)域的第1表面上；電位層，形成于與上述第1擴(kuò)散層對應(yīng)的上述絕緣膜上，該電位層被設(shè)定為規(guī)定的電位；讀出電極，形成于位于上述第1擴(kuò)散層和上述第3擴(kuò)散層之間的上述絕緣膜上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，在將上述第1擴(kuò)散層用作累積電子的電荷累積部時，在形成于上述半導(dǎo)體區(qū)域上的電 位層上，施加低于上述第2擴(kuò)散層的電位的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，形成于上述半導(dǎo)體區(qū)域上的電位層為絕緣層，該絕緣層含有負(fù)的固定電荷。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述讀出電極按照小于上述第1深度的間隔，與可施加比上述第2擴(kuò)散層的電位低的 電壓的電極鄰接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，施加于上述電位層的電壓為負(fù)電位，上述第2擴(kuò)散層的電位被設(shè)定為接地電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述電位層為多晶硅、金屬硅化物、金屬以及可使上述入射的光透射的透明導(dǎo)電膜中 的某一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，在上述第1擴(kuò)散層和上述電荷累積層之間形成耗盡層，該耗盡層對上述電子進(jìn)行累積 的電容與上述第2深度和上述第1深度之間的距離相對應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第1擴(kuò)散層形成的位置為，從上述半導(dǎo)體區(qū)域表面開始到第3深度為止，該第3深 度大于上述第1深度；上述讀出電極和上述電位層之間的距離小于上述第3深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述電位層是可使上述入射的光透射的透明導(dǎo)電膜，在停止施加于上述透明導(dǎo)電膜的第1電壓之后，在上述讀出電極上施加第2電壓，上述 第1電壓為低于上述第2擴(kuò)散層的電位的電壓，上述第2電壓為正電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第1電壓為負(fù)電位，上述第2擴(kuò)散層的電位被設(shè)定為接地電位。
11.一種固體攝像裝置，包括像素部，具有光電二極管、電位層與讀出晶體管，上述光電二極管對接收的光進(jìn)行光電 變換而得到電子，上述電位層設(shè)置于光電二極管的陰極上，讀出晶體管將通過上述光電二 極管進(jìn)行了光電變換的電子傳送給浮游擴(kuò)散層； 電源部，將電壓傳送到上述電位層； 其特征在于，上述電壓為負(fù)電壓，如果上述負(fù)電壓施加于上述電位層上，則在上述電位層和上述光 電二極管之間形成電容。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述光電二極管具有形成于第1或第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體區(qū)域表面內(nèi)的第1擴(kuò)散層， 上述第1擴(kuò)散層形成的位置為，從半導(dǎo)體區(qū)域的表面開始到第1深度為止， 上述讀出晶體管所具有的讀出電極和上述電位層之間的距離小于上述第1深度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第1擴(kuò)散層按照在距該半導(dǎo)體區(qū)域表面為第2深度的位置濃度為最大值的方式進(jìn) 行摻雜，該第2深度小于上述第1深度，在將通過朝向上述半導(dǎo)體區(qū)域照射的光而在上述半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的電子累積于用 作電荷累積部的上述第1擴(kuò)散層中時，形成距上述半導(dǎo)體區(qū)域表面和上述第1擴(kuò)散層表面 之間的界面的距離為第3深度的上述第1導(dǎo)電型的電荷累積層，該第3深度小于上述第2 深度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述電容由上述第1導(dǎo)電型的電荷累積層和上述第1擴(kuò)散層形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述電容的值與上述第1導(dǎo)電型的電荷累積層所形成的上述第3深度和上述第2深度 之間的距離相對應(yīng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第1擴(kuò)散層按照在距該半導(dǎo)體區(qū)域表面為第2深度的位置濃度為最大值的方式進(jìn) 行摻雜，上述第2深度小于上述第1深度，在將通過從上述半導(dǎo)體區(qū)域的表面?zhèn)瘸虮趁鎮(zhèn)日丈涞墓舛谏鲜霭雽?dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn) 生的電子累積于用作電荷累積部的上述第1擴(kuò)散層中時，形成距上述半導(dǎo)體區(qū)域表面和上 述第1擴(kuò)散層表面之間的界面的距離為第3深度的上述第1導(dǎo)電型的電荷累積層，該第3 深度小于上述第2深度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固體攝像裝置，其特征在于， 上述電位層為可使上述入射的光透射的透明導(dǎo)電膜，在停止施加于上述透明導(dǎo)電膜的第1電壓之后，在上述讀出電極上施加第2電壓，上述 第1電壓為比上述第2擴(kuò)散層的電位低的電壓，上述第2電壓為正電壓。
18.一種固體攝像裝置的方法，其特征在于，包括通過在電位層上施加負(fù)電壓，在形成于半導(dǎo)體區(qū)域表面上的第1擴(kuò)散層和電位層之間的界面之間，形成第1導(dǎo)電型的電荷累積層的步驟，上述電位層在上述半導(dǎo)體區(qū)域表面上， 并且，上述電位層按照在其正下方設(shè)置上述第1擴(kuò)散層的方式形成，上述第1擴(kuò)散層按照在 距上述半導(dǎo)體區(qū)域表面為第1深度的位置濃度為最大值的方式進(jìn)行摻雜，上述電荷累積層 距上述半導(dǎo)體區(qū)域表面和上述第1擴(kuò)散層表面之間的界面的距離為第2深度，該第2深度 小于上述第1深度；通過上述電荷累積層和上述第1擴(kuò)散層形成耗盡層的步驟；將通過從上述半導(dǎo)體區(qū)域的背面?zhèn)瘸虮砻鎮(zhèn)日丈涞墓舛谏鲜霭雽?dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生 的電子累積于用作電荷累積部的上述第1擴(kuò)散層中的步驟；通過在讀出電極上施加電壓而在該讀出電極和上述半導(dǎo)體區(qū)域界面上形成溝道，由 此，將電子傳送到浮游擴(kuò)散層的步驟，上述浮游擴(kuò)散層在半導(dǎo)體區(qū)域表面，按照與第1擴(kuò)散 層隔開的方式形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，在上述電位層上施加負(fù)電壓，并且在上述讀出電極上施加電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，將電壓施加于上述讀出電極的定時在停止施加于上述電位層的負(fù)電壓之后。
全文摘要
一種固體攝像裝置，包括第1擴(kuò)散層、電位層、第2擴(kuò)散層、第3擴(kuò)散層和讀出電極。第1擴(kuò)散層形成于第1或第2導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)域表面，按照在距半導(dǎo)體區(qū)域表面第1深度的位置濃度為最大的方式摻雜，第1擴(kuò)散層為第2導(dǎo)電型。電位層在半導(dǎo)體區(qū)域表面上按照在正下方設(shè)置第1擴(kuò)散層的方式形成，設(shè)定為規(guī)定電位。第2擴(kuò)散層中的至少一部分接觸于第1擴(kuò)散層，為第1導(dǎo)電型。第3擴(kuò)散層在半導(dǎo)體區(qū)域表面內(nèi)與第1擴(kuò)散層隔開地形成。讀出電極在第1擴(kuò)散層和第3擴(kuò)散層之間，形成于半導(dǎo)體區(qū)域。將電子累積于用作電荷累積部的第1擴(kuò)散層時，形成距半導(dǎo)體區(qū)域表面和第1擴(kuò)散層表面之間的界面的距離為第2深度的第1導(dǎo)電型電荷累積部，第2深度小于第1深度。
文檔編號H04N5/378GK102104051SQ20101052954
公開日2011年6月22日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者山下浩史 申請人:株式會社東芝