專利名稱：固體攝像元件及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以減少對(duì)信息電荷干擾的固體攝像元件及其控制方法。更具體地講，涉及由于配置在半導(dǎo)體基板上的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極的作用，而在形成于基板表面區(qū)域的電勢(shì)井中存儲(chǔ)應(yīng)答入射在半導(dǎo)體基板上的光而產(chǎn)生的信息電荷、的固體攝像元件及其控制方法。
背景技術(shù)：
CCD(Charge Couple D-D′evice)固體攝像元件是可以把信息電荷作為一塊信號(hào)包，以和外部時(shí)鐘脈沖同步的速度，向一個(gè)方向順序良好地移動(dòng)的電荷轉(zhuǎn)送元件。
如圖14所示，幀轉(zhuǎn)送方式的CCD固體攝像元件具有攝像部2i、存儲(chǔ)部2s、水平轉(zhuǎn)送部2h和輸出部2d。攝像部2i包括由沿垂直方向(圖14的縱向)互相平行地延伸的多個(gè)移位寄存器組成的垂直移位寄存器，每個(gè)移位寄存器的各比特分別配置為二維矩陣。存儲(chǔ)部2s也構(gòu)成為包括由沿垂直方向(圖14的縱向)互相平行地延伸的多個(gè)移位寄存器組成的垂直移位寄存器。存儲(chǔ)部2s所包含的垂直移位寄存器是被遮光的，作為使每個(gè)移位寄存器的每個(gè)比特存儲(chǔ)信息電荷的存儲(chǔ)像素發(fā)揮作用。水平轉(zhuǎn)送部2h構(gòu)成為包含沿水平方向(圖14的橫向)延伸配置的水平移位寄存器，在水平移位寄存器的每一個(gè)比特上連接存儲(chǔ)部2s的每個(gè)移位寄存器的輸出。輸出部2d構(gòu)成為包括暫時(shí)存儲(chǔ)從水平轉(zhuǎn)送部2h的水平移位寄存器轉(zhuǎn)送來(lái)的電荷的電容；和排出存儲(chǔ)在其電容內(nèi)的電荷的復(fù)位晶體管。
入射到攝像部2i的光在攝像部2i的每一個(gè)比特中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而生成信息電荷。在攝像部2i中生成的信息電荷的二維排列，由攝像部2i的垂直移位寄存器高速轉(zhuǎn)送到存儲(chǔ)部2s。由此，一幀份的信息電荷保存在存儲(chǔ)部2s的垂直移位寄存器內(nèi)。然后，信息電荷從存儲(chǔ)部2s一行一行地轉(zhuǎn)送到水平轉(zhuǎn)送部2h。進(jìn)一步地，信息電荷從水平轉(zhuǎn)送部2h以一個(gè)像素為單位轉(zhuǎn)送到輸出部2d。輸出部2d把每一個(gè)像素的電荷量轉(zhuǎn)換為電壓值，其電壓值的變化就成為CCD的輸出。
如圖15(a)～(c)所示，攝像部2i和存儲(chǔ)部2s由形成在半導(dǎo)體基板10表面區(qū)域的多個(gè)移位寄存器構(gòu)成。圖15(a)是表示現(xiàn)有的攝像部2i的一部分的示意性平面圖，圖15(b)和圖15(c)分別表示沿A-A線和B-B線的側(cè)剖面圖。
在圖15(b)中，在N型半導(dǎo)體基板9內(nèi)形成P井(PW)11，在其上形成N井12。即，在N型半導(dǎo)體基板9上形成添加了P型雜質(zhì)的P井11。在該P(yáng)井11的表面區(qū)域上形成高濃度地添加了N型雜質(zhì)的N井12。
并且，為了分離垂直移位寄存器的溝道區(qū)域，而設(shè)置分離區(qū)域14。在N井12中，通過(guò)距離所定間隔互相平行地離子注入P型雜質(zhì)，從而形成由P型雜質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的分離區(qū)域14。N井12是由鄰接的分離區(qū)域14而被電劃分的，被分離區(qū)域14夾持的區(qū)域就成為作為信息電荷轉(zhuǎn)送路徑的溝道區(qū)域22。分離區(qū)域14在鄰接的溝道區(qū)域之間形成電勢(shì)障壁，電分離各溝道區(qū)域22。
在半導(dǎo)體基板9的表面上形成絕緣膜13。通過(guò)該絕緣膜13，互相平行地配置多晶硅膜所形成的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24，以使其垂直于溝道區(qū)域22的延伸方向。另外，為了減少轉(zhuǎn)送電極24的電阻成分，將通過(guò)開(kāi)口部連接在轉(zhuǎn)送電極24的每所定根數(shù)上的、由硅化鎢膜形成的襯里配線15平行地設(shè)在溝道區(qū)域22的延伸方向上。鄰接的三個(gè)轉(zhuǎn)送電極24-1、24-2、24-3的組合相當(dāng)于一個(gè)像素。
圖16中表示攝像時(shí)的沿著溝道區(qū)域22的N井12內(nèi)的電勢(shì)分布的形態(tài)。在攝像時(shí)，通過(guò)使一組轉(zhuǎn)送電極24中的一個(gè)轉(zhuǎn)送電極24-2變?yōu)榻油顟B(tài)，在其轉(zhuǎn)送電極24-2下的溝道區(qū)域22中形成電勢(shì)井50，并使剩余的轉(zhuǎn)送電極24-1、24-3變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)，從而在接通狀態(tài)的轉(zhuǎn)送電極下的電勢(shì)井50中存儲(chǔ)信息電荷。在轉(zhuǎn)送時(shí)，例如，在鄰接的三個(gè)轉(zhuǎn)送電極24-1、24-2、24-3的每一個(gè)組合中施加3相的轉(zhuǎn)送時(shí)鐘1～3，來(lái)控制位于轉(zhuǎn)送電極24-1、24-2、24-3下的溝道區(qū)域22，從而轉(zhuǎn)送信息電荷。
專利文獻(xiàn)1特開(kāi)2001-166284號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開(kāi)平6-112467號(hào)公報(bào)在上述現(xiàn)有的CCD固體攝像元件中，在存儲(chǔ)電荷時(shí)，為了使轉(zhuǎn)送電極24的一部分變?yōu)榻油顟B(tài)，從而由位于變?yōu)榻油顟B(tài)的轉(zhuǎn)送電極24下的絕緣膜13與N井12之間界面的缺陷能級(jí)的影響，產(chǎn)生暗電流。由于該缺陷能級(jí)導(dǎo)致的暗電流成為對(duì)攝像部2i所產(chǎn)生的信息電荷的干擾，故會(huì)對(duì)CCD固體攝像元件所拍攝的圖像造成不良影響。在CCD固體攝像元件的溫度上升時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間曝光時(shí)，暗電流的產(chǎn)生特別顯著。
另外，在轉(zhuǎn)送信息電荷時(shí)，在變?yōu)榻油顟B(tài)的轉(zhuǎn)送電極24下的N井12中也產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生電荷。該轉(zhuǎn)送時(shí)所產(chǎn)生的電荷在被轉(zhuǎn)送的圖像上產(chǎn)生沿垂直方向延伸的活點(diǎn)。該活點(diǎn)也成為降低用CCD固體攝像元件拍攝的圖像質(zhì)量的一個(gè)原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，其目的在于提供一種可以解決上述課題的至少一個(gè)、減少對(duì)信息電荷的干擾的固體攝像元件及其控制方法。
本發(fā)明是一種固體攝像元件，其中具備接收外部的光而產(chǎn)生信息電荷的攝像部，所述攝像部形成在半導(dǎo)體基板的表面上，并包括隔所定間隔以大致均勻的寬度平行配置在所述半導(dǎo)體基板的表面區(qū)域上，其表面區(qū)域具有同一導(dǎo)電型的多個(gè)溝道區(qū)域；和在所述半導(dǎo)體基板表面上，沿與所述多個(gè)溝道區(qū)域交叉的方向互相平行地配置的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極，在由所述轉(zhuǎn)送電極的作用而形成的電勢(shì)井中存儲(chǔ)應(yīng)答入射所述半導(dǎo)體基板的光而產(chǎn)生的信息電荷，其特征在于，設(shè)置埋設(shè)在所述溝道區(qū)域而形成、其表面區(qū)域具有相反于所述溝道區(qū)域的反向?qū)щ娦偷墓怆姸O管；所述光電二極管的所述轉(zhuǎn)送電極的延伸方向的長(zhǎng)度要比所述溝道區(qū)域的寬度短；在所述轉(zhuǎn)送電極上設(shè)置切口區(qū)域，以使設(shè)有所述光電二極管的部分成為開(kāi)口部；利用所述轉(zhuǎn)送電極的作用，使信息電荷在所述溝道區(qū)域與所述光電二極管之間移動(dòng)。
在此，優(yōu)選形成所述光電二極管的、具有同一導(dǎo)電型的區(qū)域的雜質(zhì)濃度高于所述溝道區(qū)域的雜質(zhì)濃度。
還包括配置在所述多個(gè)溝道區(qū)域之間、且其表面區(qū)域具有相反于所述溝道區(qū)域的反向?qū)щ娦偷姆蛛x區(qū)域，形成所述光電二極管的區(qū)域最好形成在形成了所述半導(dǎo)體基板的所述分離區(qū)域附近的區(qū)域。并且，優(yōu)選還具有所述分離區(qū)域的至少一個(gè)和形成了所述光電二極管區(qū)域的表面的電位相等的構(gòu)成。
還有，最好構(gòu)成為外部的光不會(huì)入射到所述半導(dǎo)體基板表面的、形成了所述光電二極管以外的區(qū)域。例如，包含使外部的光只入射到形成了所述光電二極管的區(qū)域的透鏡。
另外，本發(fā)明的另一個(gè)形態(tài)是一種固體攝像元件的控制方法，其中所述固體攝像元件具備接收外部的光而產(chǎn)生信息電荷的攝像部，所述攝像部形成在半導(dǎo)體基板的表面上，并包括隔所定間隔以大致均勻的寬度平行配置在所述半導(dǎo)體基板的表面區(qū)域上，其表面區(qū)域具有同一導(dǎo)電型的多個(gè)溝道區(qū)域；和在所述半導(dǎo)體基板表面上，沿與所述多個(gè)溝道區(qū)域交叉的方向互相平行地配置的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極，在由所述轉(zhuǎn)送電極的作用而形成的電勢(shì)井中存儲(chǔ)應(yīng)答入射所述半導(dǎo)體基板的光而產(chǎn)生的信息電荷，設(shè)置埋設(shè)在所述溝道區(qū)域而形成、其表面區(qū)域具有相反于所述溝道區(qū)域的反向?qū)щ娦偷墓怆姸O管；所述光電二極管的所述轉(zhuǎn)送電極的延伸方向的長(zhǎng)度要比所述溝道區(qū)域的寬度短；在所述轉(zhuǎn)送電極上設(shè)置切口區(qū)域，以使設(shè)有所述光電二極管的部分成為開(kāi)口部，其特征在于，利用所述轉(zhuǎn)送電極的作用，使信息電荷在所述溝道區(qū)域與所述光電二極管之間移動(dòng)。此時(shí)，最好變更所述半導(dǎo)體基板的電位。
根據(jù)本發(fā)明，不降低靈敏度和飽和輸出即可抑制暗電流的產(chǎn)生。并且，根據(jù)本發(fā)明，可以減少利用固體攝像元件的拍攝而獲得的信息電荷的干擾。
從而，可以提高固體攝像元件所拍攝的圖像的質(zhì)量。


圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的平面圖。
圖2是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的側(cè)剖面圖。
圖3是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的電勢(shì)分布的圖。
圖4是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的另一例的平面圖。
圖5是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的另一例的側(cè)剖面圖。
圖6是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的平面圖。
圖7是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的側(cè)剖面圖。
圖8是表示固體攝像元件控制方法的時(shí)間圖。
圖9是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的電勢(shì)分布的圖。
圖10是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像部的電勢(shì)分布的圖。
圖11是表示攝像時(shí)的固體攝像元件的攝像部的電勢(shì)分布的圖。
圖12是表示柵極轉(zhuǎn)送時(shí)的固體攝像元件的攝像部的電勢(shì)分布的圖。
圖13是表示轉(zhuǎn)送時(shí)的固體攝像元件的攝像部的電勢(shì)分布的圖。
圖14是表示固體攝像元件的構(gòu)成的概念圖。
圖15是表示現(xiàn)有的固體攝像元件的構(gòu)成的平面圖及側(cè)剖面圖。
圖16是固體攝像元件的電荷存儲(chǔ)形態(tài)的說(shuō)明圖。
圖17是表示固體攝像元件的攝像部的平面圖的另一例的圖。
圖18是表示固體攝像元件的攝像部的平面圖的又一例的圖。
圖中2d-輸出部，2i-攝像部，2h-水平轉(zhuǎn)送部，2s-存儲(chǔ)部，9-半導(dǎo)體基板，10-N型基板，11-P井，12-N井，13-絕緣膜，14-分離區(qū)域，16-P+型區(qū)域，17-N+型區(qū)域，18-中間層，22-溝道區(qū)域，24-轉(zhuǎn)送電極，26-光電二極管，28-切口區(qū)域，30、34、36、38、50-電勢(shì)井，32-信息電荷，40-內(nèi)透鏡，42-旁路(電極)，44-接觸孔。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施方式)如圖14已示出的，本發(fā)明的第一實(shí)施方式的CCD固體攝像元件構(gòu)成為包括攝像部2i、存儲(chǔ)部2s、水平轉(zhuǎn)送部2h和輸出部2d。另外，對(duì)于和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)相同的構(gòu)成，附以相同的符號(hào)，并省略其說(shuō)明。
圖1是表示本發(fā)明的固體攝像元件的攝像部2i的一部分的示意性平面圖，圖2是剖面圖，圖3是表示固體攝像元件的電勢(shì)關(guān)系的圖。
在圖1和圖2中，例如，在N型半導(dǎo)體基板9內(nèi)，作為P型層形成P井11，在其上，作為N型層而形成N井12。并且，在所述基板9上，隔著柵極絕緣膜13形成由多晶硅膜構(gòu)成的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24。
更具體地，攝像部2i形成在N型半導(dǎo)體基板9的表面上。作為N型半導(dǎo)體基板9，可以利用添加了砷(As)、磷(P)、銻(Sb)等N型雜質(zhì)的硅基板等一般的半導(dǎo)體材料。作為半導(dǎo)體基板9，最好使用摻雜濃度為1×1014/cm3以上1×1015/cm3以下的硅基板。
在N型半導(dǎo)體基板9上形成添加了P型雜質(zhì)的P井(PW)11。作為P型雜質(zhì)，可以利用硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等。P井11摻雜濃度最好比半導(dǎo)體基板9的摻雜濃度還大，最好為5×1014/cm3以上5×1016/cm3以下。在該P(yáng)井11的表面區(qū)域上形成高濃度地添加了N型雜質(zhì)的N井(NW)12。作為N型雜質(zhì)，可以利用砷(As)、磷(P)、銻(Sb)等。N井12的摻雜濃度最好比P井11的摻雜濃度還高，最好為1×1016/cm3以上1×1017/cm3以下。
在半導(dǎo)體基板9的表面上形成絕緣膜13。絕緣膜13可以是氧化硅膜(SiO2)、氮化硅膜(SiN)等利用在半導(dǎo)體集成裝置中的絕緣材料。
隔著該絕緣膜13，以垂直于溝道區(qū)域22的延伸方向的方式互相平行地配置多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24。轉(zhuǎn)送電極24可以以多晶硅膜、金屬膜或這些的組合為材料。鄰接的轉(zhuǎn)送電極24-1、24-2、24-3的組合相當(dāng)于一個(gè)像素。
另外，為了電分離垂直移位寄存器的溝道區(qū)域22，而設(shè)有分離區(qū)域14。
更具體地講，在N井12中，距離所定間隔互相平行地高濃度添加P型雜質(zhì)。該P(yáng)型雜質(zhì)區(qū)域成為分離區(qū)域14。該分離區(qū)域14的摻雜濃度最好為1×1016/cm3以上5×1017/cm3以下。分離區(qū)域14在鄰接的溝道區(qū)域之間形成電勢(shì)障壁，電分離每個(gè)溝道區(qū)域22。該溝道區(qū)域，距離所定間隔且以大致均勻的寬度平行地配置在半導(dǎo)體基板9的表面區(qū)域上，并沿與多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24交叉的方向上互相平行地配置。
另外，優(yōu)選由硅化鎢膜等金屬膜形成的襯里配線15沿溝道區(qū)域22的延伸方向平行地設(shè)置。在轉(zhuǎn)送電極24的所定根數(shù)的每根上設(shè)置開(kāi)口部，通過(guò)這些開(kāi)口部，由襯里配線15連接轉(zhuǎn)送電極24，從而可以減少轉(zhuǎn)送電極24的電阻成分。
本發(fā)明的特征是設(shè)有埋設(shè)型光電二極管26。如圖1和2所示，利用在相鄰轉(zhuǎn)送電極24上設(shè)置切口區(qū)域28而形成的開(kāi)口部，將P型雜質(zhì)離子注入到表面，在半導(dǎo)體基板9的表面上形成高濃度的P+型區(qū)域16。另外，在本工序中，例如，作為P型雜質(zhì)利用硼離子，在20keV的加速電壓、1×1012/cm2的注入條件下，進(jìn)行離子注入。另外，也可以不設(shè)置切口區(qū)域28，而在轉(zhuǎn)送電極24的附近形成光電二極管26。此時(shí)，有必要使CCD固體攝像元件的外部的光可以入射到光電二極管26。
另外，在圖1中相對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)送電極24設(shè)置切口區(qū)域28，在各切口區(qū)域28內(nèi)形成了光電二極管26，但是，如圖4的平面圖和圖5的側(cè)剖面圖所示，切口區(qū)域28也可以形成為在畫(huà)定一個(gè)像素的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24的每個(gè)組合中具有至少一個(gè)的開(kāi)口部。在這里，圖5是沿圖4的M-M線的側(cè)剖面圖。各轉(zhuǎn)送電極24的形狀決定為中途不分裂。將轉(zhuǎn)送電極24作為掩模，在切口區(qū)域28的開(kāi)口部表面區(qū)域上可以通過(guò)添加P型雜質(zhì)，來(lái)形成P+型區(qū)域16。
例如，如圖17所示，以完全包含在畫(huà)定一個(gè)像素的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24的一個(gè)內(nèi)的方式設(shè)置切口區(qū)域28，可以在其切口區(qū)域28內(nèi)形成光電二極管26。進(jìn)一步地，如圖18所示，也可以構(gòu)成為在畫(huà)定一個(gè)像素的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24的一個(gè)內(nèi)，交替排列轉(zhuǎn)送電極24和光電二極管26，用導(dǎo)電性的旁路42連接轉(zhuǎn)送電極24之間。此時(shí)，旁路42采用多層配線技術(shù)，可以成為設(shè)置于覆蓋轉(zhuǎn)送電極24的絕緣膜上，經(jīng)由相對(duì)于轉(zhuǎn)送電極24的接觸孔44，連接轉(zhuǎn)送電極24的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，光電二極管26的轉(zhuǎn)送電極24的延長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度最好比溝道區(qū)域22的寬度短。
在此，P+型區(qū)域16的摻雜濃度最好調(diào)整為1×1016/cm3以上5×1017/cm3以下。
在這里，在光電二極管26內(nèi)存儲(chǔ)信息電荷時(shí)，通過(guò)向轉(zhuǎn)送電極24-1～24-3供給負(fù)電位而使其進(jìn)行斷開(kāi)動(dòng)作，如圖3(a)、(b)所示，從而在轉(zhuǎn)送電極24正下方的絕緣膜13(SiO2)/N井12(Si)的界面上集中空穴。此時(shí)，因?yàn)樵诮缑嫔袭a(chǎn)生的電荷(暗電流)與集中在界面上的空穴再結(jié)合，故可以控制暗電流的產(chǎn)生。另外，在絕緣膜13(SiO2)/P+型區(qū)域16(Si)的界面上，因?yàn)樵诮缑嫔袭a(chǎn)生的電荷與集中在P+型區(qū)域16的空穴再結(jié)合，故可以抑制暗電流的產(chǎn)生。因此，可以抑制絕緣膜13/半導(dǎo)體基板9的界面上的暗電流的產(chǎn)生。
然后，通過(guò)使任意一個(gè)被選擇的轉(zhuǎn)送電極24進(jìn)行接通動(dòng)作，如圖1的箭頭A所示，從而光電二極管26內(nèi)的信息電荷被轉(zhuǎn)送到選擇完的轉(zhuǎn)送電極24。還有，通過(guò)使進(jìn)行了接通動(dòng)作的轉(zhuǎn)送電極24進(jìn)行斷開(kāi)動(dòng)作，并使下一個(gè)轉(zhuǎn)送電極24進(jìn)行接通動(dòng)作，從而可以將信息電荷轉(zhuǎn)送到下一個(gè)選擇完的轉(zhuǎn)送電極24。依次反復(fù)該動(dòng)作，可以使信息電荷以和時(shí)鐘脈沖1～3同步的速度，向一個(gè)方向順序良好地移動(dòng)。
如上所述，采用將信息電荷存儲(chǔ)在埋設(shè)型光電二極管26內(nèi)的方法，和現(xiàn)有的信息電荷存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)送電極的方式相比，可以提高存儲(chǔ)能力。即，在攝像部2i中，在曝光期間存儲(chǔ)信息電荷時(shí)，只是在柵極的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行使所有施加在轉(zhuǎn)送電極24的時(shí)鐘脈沖上升而變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)的AGP(AllGate Pinning)驅(qū)動(dòng)的情況下，很難增加存儲(chǔ)電荷量；但是，和柵極方式相比，在光電二極管方式中具有減少那些問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。
另外，作為AGP驅(qū)動(dòng)方式的申請(qǐng)，有本發(fā)明人已經(jīng)申請(qǐng)的特愿2002-340875號(hào)等。
(第二實(shí)施方式)如圖14已示出的，本發(fā)明的第二實(shí)施方式的CCD固體攝像元件也構(gòu)成為包含攝像部2i、存儲(chǔ)部2s、水平轉(zhuǎn)送部2h和輸出部2d。本實(shí)施方式的CCD固體攝像元件具有其攝像部2i不同于現(xiàn)有的特征。因此，以下只限定攝像部2i進(jìn)行說(shuō)明。
圖6是表示本發(fā)明的固體攝像元件攝像部2i的一部分的示意性的平面圖，圖7是表示沿C-C線的側(cè)剖面圖。另外，對(duì)和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相同的構(gòu)成附以相同的符號(hào)，并省略其說(shuō)明。
如圖6和圖7所示，本發(fā)明的第二實(shí)施方式的攝像部2i由形成在半導(dǎo)體基板9的表面區(qū)域上的多個(gè)移位寄存器構(gòu)成。
攝像部2i形成于N型半導(dǎo)體基板9的表面上。作為半導(dǎo)體基板9，可以利用添加了砷(As)、磷(P)、銻(Sb)等N型雜質(zhì)的硅基板等一般的半導(dǎo)體材料。作為半導(dǎo)體基板9，優(yōu)選使用摻雜濃度為1×1014/cm3以上1×1015/cm3以下的硅基板。
在N型半導(dǎo)體基板9上形成添加了P型雜質(zhì)的P井(PW)11。P井11摻雜濃度優(yōu)選比半導(dǎo)體基板9的摻雜濃度高，最好為5×1014/cm3以上5×1016/cm3以下。在該P(yáng)井11的表面區(qū)域上形成高濃度地添加了N型雜質(zhì)的N井(NW)12。N井12的摻雜濃度優(yōu)選比P井11的摻雜濃度高，最好為1×1016/cm3以上1×1017/cm3以下。在N井12中形成由距離所定間隔且互相平行地高濃度添加了P型雜質(zhì)的P型雜質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的分離區(qū)域14。該分離區(qū)域14的摻雜濃度最好為1×1016/cm3以上5×1017/cm3以下。分離區(qū)域14在N井12內(nèi)形成電勢(shì)障壁。溝道區(qū)域22由該電勢(shì)障壁進(jìn)行電學(xué)劃分。該溝道區(qū)域是距離規(guī)定間隔且以大致均勻的寬度平行配置在半導(dǎo)體基板9的表面區(qū)域上的，是沿與多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24交叉的方向延伸并互相平行地配置的。
在半導(dǎo)體基板9的表面上形成絕緣膜13。隔著該絕緣膜13，以垂直于分離區(qū)域14的延伸方向的方式，互相平行地配置多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24。鄰接的三個(gè)轉(zhuǎn)送電極24-1、24-2、24-3的組合相當(dāng)于一個(gè)像素。
在鄰接的分離區(qū)域所14夾持的區(qū)域的N井12中設(shè)有高濃度地添加了P型雜質(zhì)的P+型區(qū)域16和N+型區(qū)域17。該P(yáng)+型區(qū)域16和N+型區(qū)域17的PN接合構(gòu)成光電二極管26。在相當(dāng)于一個(gè)像素的三個(gè)轉(zhuǎn)送電極24-1、24-2、24-3的組合內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)光電二極管26。
例如，在絕緣膜13上形成轉(zhuǎn)送電極24時(shí)，如圖6所示，利用光刻法等的圖案形成來(lái)在轉(zhuǎn)送電極24上設(shè)置切口區(qū)域28，可以把轉(zhuǎn)送電極24作為掩模利用。切口區(qū)域28形成為畫(huà)定一個(gè)像素的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極24的每一個(gè)組合中至少具有一個(gè)開(kāi)口部。此時(shí)，各轉(zhuǎn)送電極24將其形狀決定為在中途不斷裂。此時(shí)，光電二極管26的轉(zhuǎn)送電極24的延長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度最好比溝道區(qū)域22的寬度還短。
首先，作為掩模利用在相鄰轉(zhuǎn)送電極24上設(shè)置切口區(qū)域28而形成的開(kāi)口部，以橫跨P井11和N井12的方式，離子注入N型雜質(zhì)。由此，形成N+型區(qū)域17。N+型區(qū)域17的摻雜濃度有優(yōu)選比N井12的摻雜濃度還高，最好為1×1016/cm3以上5×1017/cm3以下。在該N+型區(qū)域17的表面區(qū)域上高濃度地離子注入P型雜質(zhì)，從而在基板表層形成高濃度的P+型區(qū)域16。P+型區(qū)域16的摻雜濃度優(yōu)選比N+型區(qū)域17的摻雜濃度還高，最好為1×1016/cm3以上5×1017/cm3以下。另外，也可以不設(shè)置切口區(qū)域28，而是在轉(zhuǎn)送電極24的附近下方形成埋設(shè)型光電二極管26。此時(shí)，有必要使CCD固體攝像元件外部的光可以入射到光電二極管26。
構(gòu)成光電二極管26的P+型區(qū)域16，如圖7所示，最好形成為與分離區(qū)域14接觸。由此，分離區(qū)域14和P+型區(qū)域16可以始終維持相同的電位。因?yàn)榉蛛x區(qū)域14獨(dú)立于轉(zhuǎn)送電極24地從外部保持恒定的電位，故P+型區(qū)域16也同時(shí)保持恒定的電位。因此，可以控制光電二極管26內(nèi)的電勢(shì)分布和溝道區(qū)域22內(nèi)的電勢(shì)分布不同。
另外，優(yōu)選從半導(dǎo)體基板9的表面開(kāi)始，比分離區(qū)域14淺地形成構(gòu)成光電二極管26的P+型區(qū)域16。由此，可以以高的轉(zhuǎn)換效率來(lái)光電轉(zhuǎn)換從CCD固體攝像元件的外部入射到光電二極管26的光。
這樣，通過(guò)配置P+型區(qū)域16和N+型區(qū)域17，從而可以在切口區(qū)域28內(nèi)形成光電二極管26。
攝像部2i接受從CCD固體攝像元件外部入射的光，利用光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于其外部光的強(qiáng)度的信息電荷。光電二極管26用來(lái)存儲(chǔ)每一個(gè)像素所產(chǎn)生的信息電荷。
被分離區(qū)域14夾持的區(qū)域中，沒(méi)有形成光電二極管26的區(qū)域就成為作為轉(zhuǎn)送信息電荷的轉(zhuǎn)送路徑的溝道區(qū)域22。各溝道區(qū)域22由分離區(qū)域14進(jìn)行電隔離。
在本實(shí)施方式中，在絕緣膜13和轉(zhuǎn)送電極24上，隔著透明的中間層18設(shè)置內(nèi)透鏡40。內(nèi)透鏡40形成為將從CCD固體攝像元件外部入射的光導(dǎo)入已形成光電二極管26的區(qū)域。即，內(nèi)透鏡40折射從CCD固體攝像元件外部入射的光之后，將光聚在已形成了光電二極管26的區(qū)域上，使信息電荷有效產(chǎn)生的同時(shí)，進(jìn)行限制，以使光不會(huì)入射到半導(dǎo)體基板9表面的形成了光電二極管26的區(qū)域以外的區(qū)域。
另外，只要是來(lái)自外部的光不會(huì)入射到已形成光電二極管26的區(qū)域以外的區(qū)域的部件，就不會(huì)僅限于內(nèi)透鏡40。例如，在CCD固體攝像元件的表面上設(shè)置具有與轉(zhuǎn)送電極24的切口區(qū)域28相配合的開(kāi)口部的遮光罩，也可以達(dá)到和本實(shí)施方式相同的效果。但是，利用內(nèi)透鏡40，可以提高聚光率。
下面，說(shuō)明本實(shí)施方式的CCD固體攝像元件的控制方法。關(guān)于攝像時(shí)和向存儲(chǔ)部2s轉(zhuǎn)送時(shí)以外的控制，可以和現(xiàn)有的CCD固體攝像元件同樣地進(jìn)行。因此，在圖8中，示出攝像時(shí)、柵極轉(zhuǎn)送時(shí)和轉(zhuǎn)送時(shí)的時(shí)間圖，只說(shuō)明攝像時(shí)和轉(zhuǎn)送時(shí)的控制。時(shí)鐘脈沖1～3分別施加在轉(zhuǎn)送電極24-1～24-3上。在N型基板(N-SUB)10上施加基板電壓Vsub。
在圖9和圖10中，分別表示攝像時(shí)、柵極轉(zhuǎn)送時(shí)和轉(zhuǎn)送時(shí)的各期間的沿D-D′線和E-E′線(參照?qǐng)D7)的深度方向的電勢(shì)分布。橫軸表示從半導(dǎo)體基板9表面開(kāi)始的深度，縱軸表示各位置的電勢(shì)，下方為正電位，上方為負(fù)電位。
在時(shí)刻t0～t1，攝像部2i接受外部的光而進(jìn)行攝像。在攝像時(shí)，在轉(zhuǎn)送電極24-1～24-3上都施加負(fù)電位，在N型基板10上也施加負(fù)電位。因此，沿D-D′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D9的線G所示的形態(tài)，從P+型區(qū)域16逐漸下降，在N+型區(qū)域17內(nèi)變?yōu)闃O小值，再向P井11上升，在P井11內(nèi)，變?yōu)闃O大值，向N型基板10再減少。其結(jié)果，在N+型區(qū)域17內(nèi)部形成電勢(shì)井30。另一方面，沿E-E′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D10的線J，從N井12向N型基板10的深度逐漸下降。其結(jié)果，在沿E-E′線的區(qū)域中，或者不形成電勢(shì)井，或者只形成極淺的電勢(shì)井。
在圖11中，表示攝像時(shí)的沿D′-X-Y-E′線(參照?qǐng)D7)的電勢(shì)分布。在圖11中，橫軸表示沿D′-X-Y-E′線的位置，縱軸表示電勢(shì)。如圖9的線G和圖10的線J所示，在攝像時(shí)，在N+型區(qū)域17內(nèi)部形成電勢(shì)井30。因此，在攝像時(shí)，由照射在光電二極管26周圍的光而產(chǎn)生的電荷，作為信息電荷32存儲(chǔ)在電勢(shì)井30內(nèi)。
還有，通過(guò)設(shè)置內(nèi)部透鏡40或遮光罩，以使外部的光不會(huì)入射在形成了光電二極管26的區(qū)域以外的區(qū)域，從而在形成了光電二極管26的區(qū)域以外的區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生電荷。因此，只是在光電二極管26的區(qū)域產(chǎn)生信息電荷，可以進(jìn)一步抑制活點(diǎn)的影響。
在時(shí)刻t1～t2，將存儲(chǔ)在光電二極管26的區(qū)域內(nèi)的信息電荷32柵極轉(zhuǎn)送到溝道區(qū)域22。此時(shí)，將正電位施加在設(shè)有切口部的轉(zhuǎn)送電極24-1或24-2的任意一個(gè)上，而N型基板10維持負(fù)電位。在圖8的時(shí)間圖中，施加在轉(zhuǎn)送電極24-2的時(shí)鐘脈沖2為正電位。此時(shí)，與轉(zhuǎn)送電極24-2相鄰的沿D-D′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D9的線H，從P+型區(qū)域16開(kāi)始逐漸下降，在N+型區(qū)域17內(nèi)變?yōu)闃O小值，再向P井11上升，在P井11變?yōu)闃O大值，向N型基板10再減少。其結(jié)果，在N+型區(qū)域17內(nèi)形成和攝像時(shí)同樣的電勢(shì)井34。另一方面，與轉(zhuǎn)送電極24-2相鄰的沿E-E′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D10的線K，向N井12的深度方向逐漸下降，在N井12內(nèi)部變?yōu)闃O小值，再向P井11上升，在P井11變?yōu)闃O大值，再向N型基板10減少。其結(jié)果，在N井12內(nèi)形成比光電二極管26的區(qū)域的電勢(shì)井34還要深的電勢(shì)井36。
在圖12中表示柵極轉(zhuǎn)送時(shí)的沿D′-X-Y-E′線(參照?qǐng)D7)的電勢(shì)分布。在圖12中，橫軸表示沿D′-X-Y-E′線的位置，縱軸表示電勢(shì)。如圖9的線H和圖10的線K所示，形成在N+型區(qū)域17內(nèi)的電勢(shì)井34淺而形成在N井12內(nèi)的電勢(shì)井36深。攝像時(shí)向形成在溝道區(qū)域22的電勢(shì)井36轉(zhuǎn)送形成在光電二極管26的電勢(shì)井30所存儲(chǔ)的信息電荷32。
在時(shí)刻t2以后，轉(zhuǎn)送到溝道區(qū)域22的信息電荷32沿著溝道區(qū)域22垂直轉(zhuǎn)送。在轉(zhuǎn)送電極24-1～24-3上，如圖8所示，施加相位互相錯(cuò)開(kāi)的時(shí)鐘脈沖1～3。與此同時(shí)，在N型基板10上施加正電位。此時(shí)，沿D-D′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D9的線I，從P+型區(qū)域16向N型基板10逐漸下降。其結(jié)果，在N+型區(qū)域17內(nèi)不會(huì)形成電勢(shì)井。另一方面，沿與施加負(fù)電位的轉(zhuǎn)送電極24相鄰的E-E′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D10的線L1，從N井12向N型基板10逐漸下降。其結(jié)果，在N井12內(nèi)部不會(huì)形成電勢(shì)井。另一方面，沿與施加正電位的轉(zhuǎn)送電極24相鄰的E-E′線的電勢(shì)分布變?yōu)閳D10的線L2，向N井12的深度逐漸下降，在N井12內(nèi)變?yōu)闃O小值，再向P井11上升，再向N型基板10減少。其結(jié)果，在N井12內(nèi)形成電勢(shì)井38。
在圖13中表示沿施加了正電位的轉(zhuǎn)送電極24附近的D′-X-Y-E′線(參照?qǐng)D7)的電勢(shì)分布。在圖13中，橫軸表示沿D′-X-Y-E′線的位置，縱軸表示電勢(shì)。如圖9的線I和圖10的線L2所示，在N井12內(nèi)形成電勢(shì)井38而存儲(chǔ)信息電荷32。信息電荷32伴隨著依次施加在轉(zhuǎn)送電極24-1～24-3上的時(shí)鐘脈沖1～3的變化，而向溝道區(qū)域22的延伸方向轉(zhuǎn)送。
另一方面，在N+型區(qū)域17內(nèi)不形成電勢(shì)井，在轉(zhuǎn)送時(shí)光電二極管26附近所生成的電荷向N型基板10的深度排出。
此時(shí)，通過(guò)設(shè)置內(nèi)透鏡40或遮光罩，以使外部的光不會(huì)入射到已形成光電二極管26的區(qū)域以外的區(qū)域，從而可以防止形成了光電二極管26的區(qū)域以外的區(qū)域中產(chǎn)生電荷。并且，在光電二極管26的區(qū)域中產(chǎn)生的電荷可以排出到N型基板10的深度。因此，可以防止轉(zhuǎn)送時(shí)接受光而產(chǎn)生的新的電荷對(duì)信息電荷32的影響。即，可以抑制轉(zhuǎn)送時(shí)的活點(diǎn)的產(chǎn)生。
如上所述，通過(guò)采用在埋設(shè)型光電二極管26內(nèi)存儲(chǔ)信息電荷的方法，和現(xiàn)有的在轉(zhuǎn)送電極中存儲(chǔ)信息電荷的方法相比，可以提高存儲(chǔ)能力。即，在攝像部2i中，在曝光期間存儲(chǔ)信息電荷時(shí)，以只有柵極的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行使所有施加在轉(zhuǎn)送電極24的時(shí)鐘脈沖都上升而變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)的AGP(AllGate Pinning)驅(qū)動(dòng)的情況下，很難增加存儲(chǔ)電荷量；但是，和柵極方式相比，光電二極管方式具有減少那些問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。
另外，通過(guò)設(shè)置在存儲(chǔ)信息電荷時(shí)、在絕緣膜13/半導(dǎo)體基板9的界面上集中空穴的區(qū)域，從而因?yàn)榻缑嫔袭a(chǎn)生的電荷和空穴再結(jié)合，故可以抑制暗電流的產(chǎn)生。另外，由于可以將轉(zhuǎn)送時(shí)的受光而產(chǎn)生的新的電荷排出到N型基板10的深度，故可以防止轉(zhuǎn)送時(shí)的圖像上的活點(diǎn)的產(chǎn)生。即，不會(huì)降低靈敏度、飽和輸出，可以提高固體攝像元件的圖像質(zhì)量。
而且，本發(fā)明并未限定于上述實(shí)施方式，可以在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)實(shí)施各種變更。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像元件，其中具備接收外部的光而產(chǎn)生信息電荷的攝像部，所述攝像部形成在半導(dǎo)體基板的表面上，并包括隔所定間隔以大致均勻的寬度平行配置在所述半導(dǎo)體基板的表面區(qū)域上，其表面區(qū)域具有同一導(dǎo)電型的多個(gè)溝道區(qū)域；和在所述半導(dǎo)體基板表面上，沿與所述多個(gè)溝道區(qū)域交叉的方向互相平行地配置的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極，在由所述轉(zhuǎn)送電極的作用而形成的電勢(shì)井中存儲(chǔ)應(yīng)答入射所述半導(dǎo)體基板的光而產(chǎn)生的信息電荷，其特征在于，設(shè)置埋設(shè)在所述溝道區(qū)域而形成、其表面區(qū)域具有相反于所述溝道區(qū)域的反向?qū)щ娦偷墓怆姸O管；所述光電二極管的所述轉(zhuǎn)送電極的延伸方向的長(zhǎng)度要比所述溝道區(qū)域的寬度短，在所述轉(zhuǎn)送電極上設(shè)置切口區(qū)域，以使設(shè)有所述光電二極管的部分成為開(kāi)口部，利用所述轉(zhuǎn)送電極的作用，使信息電荷在所述溝道區(qū)域與所述光電二極管之間移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像元件，其特征在于，形成所述光電二極管的具有同一導(dǎo)電型的區(qū)域的雜質(zhì)濃度高于所述溝道區(qū)域的雜質(zhì)濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體攝像元件，其特征在于，還包括配置在所述多個(gè)溝道區(qū)域之間、且其表面區(qū)域具有相反于所述溝道區(qū)域的反向?qū)щ娦偷姆蛛x區(qū)域，形成所述光電二極管的區(qū)域，形成在形成了所述半導(dǎo)體基板的所述分離區(qū)域附近的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其特征在于，具有外部的光不會(huì)入射到所述半導(dǎo)體基板表面的、形成了所述光電二極管以外的區(qū)域的構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其特征在于，包括使外部的光只入射到形成了所述光電二極管的區(qū)域的透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其特征在于，還具備使所述分離區(qū)域的至少一個(gè)和形成了所述光電二極管區(qū)域的表面的電位相等的構(gòu)成。
7.一種固體攝像元件的控制方法，其中所述固體攝像元件具備接收外部的光而產(chǎn)生信息電荷的攝像部，所述攝像部形成在半導(dǎo)體基板的表面上，并包括隔所定間隔以大致均勻的寬度平行配置在所述半導(dǎo)體基板的表面區(qū)域上，其表面區(qū)域具有同一導(dǎo)電型的多個(gè)溝道區(qū)域；和在所述半導(dǎo)體基板表面上，沿與所述多個(gè)溝道區(qū)域交叉的方向互相平行地配置的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極，在由所述轉(zhuǎn)送電極的作用而形成的電勢(shì)井中存儲(chǔ)應(yīng)答入射所述半導(dǎo)體基板的光而產(chǎn)生的信息電荷，設(shè)置埋設(shè)在所述溝道區(qū)域而形成、其表面區(qū)域具有相反于所述溝道區(qū)域的反向?qū)щ娦偷墓怆姸O管；所述光電二極管的所述轉(zhuǎn)送電極的延伸方向的長(zhǎng)度要比所述溝道區(qū)域的寬度短，在所述轉(zhuǎn)送電極上設(shè)置切口區(qū)域，以使設(shè)有所述光電二極管的部分成為開(kāi)口部，其特征在于，利用所述轉(zhuǎn)送電極的作用，使信息電荷在所述溝道區(qū)域與所述光電二極管之間移動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固體攝像元件的控制方法，其特征在于，變更所述半導(dǎo)體基板的電位。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不會(huì)降低靈敏度、飽和輸出，即可抑制暗電流的產(chǎn)生；并且減少利用固體攝像元件的攝像中所獲得的信息電荷的干擾的固體攝像元件及其控制方法。本發(fā)明的固體攝像元件具備配置在半導(dǎo)體基板表面上的多個(gè)轉(zhuǎn)送電極(24)，在由轉(zhuǎn)送電極(24)的作用而形成的電勢(shì)井中存儲(chǔ)應(yīng)答入射在半導(dǎo)體基板的光而產(chǎn)生的信息電荷，該固體攝像元件具有埋設(shè)在轉(zhuǎn)送電極(24)附近下方而形成的光電二極管(26)。
文檔編號(hào)H04N5/3728GK1591894SQ20041005747
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
發(fā)明者岡田吉弘 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社