ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ
SOLID-STATE IMAGE CAPTURING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к твердотельному устройству захвата изображения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к твердотельному устройству захвата изображения, в котором каждый из пикселов имеет участок удержания зарядов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В последние годы конфигурация, в которой каждый из пикселов имеет участок удержания зарядов, изолированный от участка фотоэлектрического преобразования и плавающей диффузионной области (далее в данном документе FD), рассматривалась для более высокой эффективности твердотельного устройства захвата изображения. Во-первых, участок удержания зарядов предусматривается в каждом пикселе для реализации глобального электронного затвора, как описано в PTL 1. Во-вторых, участок удержания зарядов предусматривается в каждом пикселе для расширения динамического диапазона, как описано в PTL 2. В-третьих, участок удержания зарядов предусматривается в каждом пикселе для реализации конфигурации, имеющей аналого-цифровой (AD) преобразователь для каждого пиксела, как описано в PTL 3.
PTL 1 раскрывает конфигурацию уменьшения шума посредством устранения притока электрических зарядов, сформированных в глубокой позиции полупроводниковой области, в участок удержания зарядов. В частности, PTL 1 раскрывает конфигурацию, включающую в себя карман p-типа, имеющий в себе участок фотоэлектрического преобразования, участок удержания зарядов и полупроводниковый слой p-типа, который предусмотрен, по меньшей мере, под частью участка удержания зарядов через часть кармана p-типа и который имеет более высокую концентрацию примеси, чем карман p-типа.
СПИСОК ССЫЛОК
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
PTL 1:
Японская патентная публикация № 2008-004692
PTL 2:
Японская патентная публикация № 2006-197383
PTL 3:
Японская патентная публикация № 2009-038167
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Изобретатель обнаружил, что в конфигурации, раскрытой в PTL 1, проблема состоит в том, что напряжение возбуждения для переноса зарядов из участка удержания зарядов в FD является высоким. Как иллюстрировано на фиг. 3 в PTL 1, слой p-типа с высокой концентрацией располагается под участком удержания зарядов через карман p-типа. Участок удержания зарядов формирует p-n-переход вместе с карманом p-типа, который имеет низкую концентрацию. Следовательно, обедненный слой области n-типа участка удержания зарядов расширяется к карману p-типа, так что высокое напряжение необходимо для переноса зарядов.
Кроме того, изобретатель обнаружил, что канал переноса может сужаться, и эффективность переноса может уменьшаться в зависимости от взаимного расположения между слоем p-типа с высокой концентрацией и каналом переноса зарядов, продолжающимся от участка удержания зарядов к FD.
Принимая во внимание эти проблемы, вариант осуществления настоящего изобретения направлен на разрешение переноса зарядов при низком напряжении, во-первых, пресекая расширение обедненного слоя во время переноса зарядов из участка удержания зарядов в FD, и, во-вторых, предотвращая сужение канала переноса между участком удержания зарядов и FD.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Твердотельное устройство захвата изображения согласно аспекту настоящего изобретения является твердотельным устройством захвата изображения, включающим в себя пиксел. Пиксел включает в себя участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный, чтобы формировать заряды в соответствии с падающим светом, участок удержания зарядов, сконфигурированный, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, которая удерживает заряды, сформированные участком фотоэлектрического преобразования, в участке, отличном от участка фотоэлектрического преобразования, и участок переноса, сконфигурированный, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания зарядов и узлом считывания. Вторая полупроводниковая область второго типа проводимости располагается под первой полупроводниковой областью с тем, чтобы формировать p-n-переход вместе с первой полупроводниковой областью. Концентрация примеси второго типа проводимости второй полупроводниковой области выше, чем концентрация примеси второго типа проводимости области, которая находится под электродом передающего затвора и которая находится на той же глубине, что и вторая полупроводниковая область.
Твердотельное устройство захвата изображения согласно другому аспекту настоящего изобретения является твердотельным устройством захвата изображения, включающим в себя пиксел. Пиксел включает в себя участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный, чтобы формировать заряды в соответствии с падающим светом, участок удержания зарядов, сконфигурированный, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, которая удерживает заряды, сформированные участком фотоэлектрического преобразования, в участке, отличном от участка фотоэлектрического преобразования, и участок переноса, сконфигурированный, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания зарядов и узлом считывания. Вторая полупроводниковая область второго типа проводимости располагается под первой полупроводниковой областью. Концентрация примеси второго типа проводимости второй полупроводниковой области выше, чем концентрация примеси второго типа проводимости области, которая находится под электродом передающего затвора и которая находится на той же глубине, что и вторая полупроводниковая область.
Твердотельное устройство захвата изображения согласно еще одному аспекту настоящего изобретения является твердотельным устройством захвата изображения, включающим в себя пиксел. Пиксел включает в себя участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный, чтобы формировать заряды в соответствии с падающим светом, участок удержания зарядов, сконфигурированный, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, которая удерживает заряды, сформированные участком фотоэлектрического преобразования, в участке, отличном от участка фотоэлектрического преобразования, и участок переноса, сконфигурированный, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания зарядов и узлом считывания. Вторая полупроводниковая область второго типа проводимости располагается под первой полупроводниковой областью. Первая полупроводниковая область и вторая полупроводниковая область располагаются в полупроводниковой подложке. Площадь первой полупроводниковой области, которая проецируется на поверхность, параллельную поверхности полупроводниковой подложки, равна площади второй полупроводниковой области, которая проецируется на поверхность, параллельную поверхности полупроводниковой подложки.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В твердотельном устройстве захвата изображения согласно варианту осуществления настоящего изобретения расширение обедненного слоя может быть пресечено, когда заряды, накопленные в участке удержания зарядов, переносятся, а также может быть пресечено сужение канала переноса зарядов.
Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - это схема для объяснения способа производства твердотельного устройства захвата изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 - это эквивалентная принципиальная схема пикселов твердотельного устройства захвата изображения согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 - это вид сверху области пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 - это вид сверху области пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 иллюстрирует профиль концентрации примеси твердотельного устройства захвата изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 иллюстрирует профиль концентрации добавочной примеси твердотельного устройства захвата изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 13 иллюстрирует профиль концентрации примеси твердотельного устройства захвата изображения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее в данном документе, варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи. В каждом из вариантов осуществления электроны используются в качестве сигнальных зарядов. Однако дырки могут быть использованы в качестве сигнальных зарядов. В случае, когда электроны используются в качестве сигнальных зарядов, первым типом проводимости является n-тип, а вторым типом проводимости является p-тип. В случае, когда дырки используются в качестве сигнальных зарядов, тип проводимости каждой полупроводниковой области может быть изменен на противоположный относительно случая, когда электроны используются в качестве сигнальных зарядов. Схематичное сечение в каждом варианте осуществления иллюстрирует только один пиксел, но фактически множество пикселов размещаются в матрице, например.
Первый вариант осуществления
Фиг. 1 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Ссылочный номер 101 обозначает участок фотоэлектрического преобразования. Используется фотодиод, сконфигурированный, чтобы включать в себя полупроводниковую область p-типа и полупроводниковую область n-типа, например. Ссылочный номер 102 обозначает участок удержания зарядов. Участок 102 удержания зарядов сконфигурирован, чтобы включать в себя полупроводниковую область n-типа, способную удерживать заряды, сформированные участком 101 фотоэлектрического преобразования. Ссылочный номер 103 обозначает участок переноса. Участок 103 переноса переносит заряды, удерживаемые участком 102 удержания зарядов, к узлу считывания. Ссылочный номер 104 обозначает узел считывания. Узел 104 считывания сконфигурирован, чтобы включать в себя плавающую диффузионную область (FD), которая электрически соединена с затвором металл-оксид-полупроводникового (МОП) транзистора усиления сигнала пиксела, например. FD может быть электрически соединена с вертикальной сигнальной линией (не иллюстрирована) вместо электрического соединения с затвором МОП-транзистора усиления сигнала пиксела.
Далее будут описаны конкретные конфигурации вышеупомянутых отдельных элементов. В этом варианте осуществления участок 101 фотоэлектрического преобразования, участок 102 удержания зарядов, участок 103 переноса и узел 104 считывания размещаются в кармане 107 p-типа. Карман 107 p-типа формируется на одной из основных поверхностей подложки 116 n-типа посредством ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. Подложка p-типа может быть использована вместо подложки 116 n-типа, на которой формируется карман 107 p-типа.
Также, структура пиксела может быть расположена на подложке n-типа, которая сформирована посредством эпитаксиального выращивания. Преимущество этой конфигурации в том, что, поскольку скрытый слой p-типа служит в качестве потенциального барьера, заряды, сформированные участком 101 фотоэлектрического преобразования, едва ли будут разряжаться на подложку. Таким образом, структура пиксела может быть расположена на подложке n-типа, которая сформирована посредством эпитаксиального выращивания, для того, чтобы увеличить чувствительность. В конфигурации, где концентрация примеси полупроводниковой области n-типа в участке 101 фотоэлектрического преобразования низкая, и где сформированные заряды непосредственно переносятся в участок 102 удержания зарядов без накопления в участке 101 фотоэлектрического преобразования, эффект увеличения чувствительности с помощью подложки n-типа становится особенно значимым.
Ссылочные номера 105 и 106 обозначают полупроводниковые области n-типа. Полупроводниковая область 105 n-типа располагается в полупроводниковой области 106 n-типа и имеет концентрацию примеси n-типа, более высокую, чем у полупроводниковой области 106 n-типа. Полупроводниковая область 105 n-типа формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 108 p-типа. Полупроводниковая область 106 n-типа формирует p-n-переход вместе с карманом 107 p-типа, который располагается под полупроводниковой областью 106 n-типа.
Полупроводниковая область 108 p-типа является полупроводниковой областью p-типа с высокой концентрацией. Предоставление полупроводниковой области 108 p-типа допускает уменьшение темнового тока, который формируется на поверхности полупроводника. В этом варианте осуществления вышеупомянутый участок 101 фотоэлектрического преобразования состоит из полупроводниковых областей 105 и 106 n-типа, кармана 107 p-типа и полупроводниковой области 108 p-типа.
Ссылочный номер 110 обозначает полупроводниковую область n-типа. В этом варианте осуществления полупроводниковая область 110 n-типа функционирует как первая полупроводниковая область, которая удерживает заряды в участке, отличном от участка 101 фотоэлектрического преобразования. Ссылочный номер 112 обозначает управляющий электрод. Вышеупомянутый участок 102 удержания зарядов сконфигурирован, чтобы включать в себя полупроводниковую область 110 n-типа и управляющий электрод 112.
Участок 102 удержания зарядов согласно этому варианту осуществления включает в себя управляющий электрод 112, который располагается над полупроводниковой областью 110 n-типа через изолирующую пленку 109. Управляющий электрод 112 управляет потенциалом на стороне полупроводниковой поверхности полупроводниковой области 110 n-типа. Отрицательное напряжение может быть приложено к управляющему электроду 112 с тем, чтобы подавлять влияние темнового тока, сформированного в участке 102 удержания зарядов.
Управляющий электрод 112 может также иметь функцию управления потенциалом между участком 101 фотоэлектрического преобразования и участком 102 удержания зарядов. Альтернативно, электрод, отличный от управляющего электрода 112, может быть размещен для управления потенциалом между участком 101 фотоэлектрического преобразования и участком 102 удержания зарядов.
Вариант осуществления настоящего изобретения может быть применен к конфигурации, которая не включает в себя управляющий электрод 112. Например, полупроводниковая область 110 n-типа может выборочно соединяться с источником питания через контактный штырек и переключатель.
Ссылочный номер 113 обозначает электрод передающего затвора. Напряжение, прикладываемое к электроду 113 передающего затвора, формирует канал переноса сигнальных зарядов в части кармана 107 p-типа, примыкающей к полупроводниковой области 110 n-типа. Электрод 113 передающего затвора размещается так, что канал переноса формируется в позиции, где сигнальные заряды могут переноситься из участка 102 удержания зарядов к узлу 104 считывания, описанному ниже. Электрод 113 передающего затвора переключается между состоянием, когда канал переноса формируется, и состоянием, когда канал переноса не формируется, в соответствии с напряжением, прикладываемым к нему, с тем, чтобы управлять электрическим соединением между участком 102 удержания зарядов и узлом 104 считывания.
FD 114 - это полупроводниковая область n-типа. В этом варианте осуществления FD 114 функционирует как узел считывания. Узел считывания может быть полупроводниковой областью, из которой сигнал выводится в соответствии с количеством зарядов, накопленных в ней. Узел считывания может иметь конфигурацию, совместно используемую множеством пикселов.
Ссылочный номер 115 обозначает светоэкранирующий элемент. Светоэкранирующий элемент 115 уменьшает количество падающего света на участок 102 удержания зарядов, участок 103 переноса и узел 104 считывания или полностью блокирует свет, падающий на них.
Ссылочный номер 111 обозначает полупроводниковую область p-типа с высокой концентрацией, которая является признаком этого варианта осуществления. Полупроводниковая область 111 p-типа располагается под полупроводниковой областью 110 n-типа. Полупроводниковая область 111 p-типа и полупроводниковая область 110 n-типа непосредственно формируют p-n-переход без участия кармана 107 p-типа. То есть в этом варианте осуществления полупроводниковая область 111 p-типа является второй полупроводниковой областью, которая размещается под полупроводниковой областью 110 n-типа с тем, чтобы формировать p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 110 n-типа.
Фиг. 11 иллюстрирует профиль концентрации примеси в направлении глубины в каждом участке 102 удержания зарядов (сечение Х на фиг. 1) и участке 103 переноса (сечение Y на фиг. 1). Направление глубины - это направление, вертикальное по отношению к поверхности полупроводника. Концентрация примеси полупроводниковой области 111 p-типа выше, чем концентрация примеси кармана 107 p-типа.
Как иллюстрировано на фиг. 11, профиль концентрации примеси в направлении глубины полупроводниковой области 111 p-типа может быть профилем, имеющим пик концентрации примеси на определенной глубине. Пик концентрации примеси полупроводниковой области 111 p-типа может быть в позиции, менее глубокой, чем 0,5 мкм от поверхности. Даже если пик находится в более глубокой позиции, чем эта, преимущество этого варианта осуществления может быть получено, если полупроводниковая область 111 p-типа и полупроводниковая область 110 n-типа непосредственно формируют p-n-переход без участия кармана 107 p-типа. Однако, когда пик находится в позиции, менее глубокой, чем 0,5 мкм от поверхности, область низкой концентрации примеси не формируется между полупроводниковой областью 110 n-типа и полупроводниковой областью 111 p-типа, и, таким образом, может быть получено большее преимущество. Поскольку полупроводниковая область 111 p-типа располагается под полупроводниковой областью 110 n-типа, пик концентрации примеси полупроводниковой области 111 p-типа находится в более глубокой позиции, чем пик концентрации примеси полупроводниковой области 110 n-типа.
Как иллюстрировано на фиг. 11, на глубине, где пик концентрации примеси полупроводниковой области 111 p-типа существует, концентрация примеси полупроводниковой области 111 p-типа выше, чем концентрация примеси области на той же глубине под электродом 113 передающего затвора. Другими словами, по меньшей мере, под частью электрода 113 передающего затвора полупроводниковой области 111 p-типа не существует, или даже если полупроводниковая область 111 p-типа существует под электродом 113 передающего затвора, то концентрация примеси ниже, чем у полупроводниковой области 111 p-типа под полупроводниковой областью 110 n-типа. Здесь, если тип проводимости полупроводниковой области под электродом 113 передающего затвора, на той же глубине, что и полупроводниковая область 111 p-типа, противоположен типу полупроводниковой области 111 p-типа, т.е. n-тип, то полупроводниковая область 111 p-типа имеет более высокую концентрацию примеси p-типа.
Далее будет приведено подробное описание того, как полупроводниковая область 111 p-типа и полупроводниковая область 110 n-типа формируют p-n-переход. Фиг. 12 иллюстрирует профиль концентрации добавочной примеси в направлении, вертикальном поверхности полупроводника в участке 102 удержания зарядов (сечение Х на фиг. 1). "Концентрация добавочной примеси" означает концентрацию примеси, которая фактически добавляется. С другой стороны, "концентрация примеси" в этом описании, формуле изобретения и на чертежах обозначает полную концентрацию примеси, которая компенсируется примесями противоположного типа проводимости. На фиг. 12 область, где концентрация добавочной примеси p-типа выше, чем концентрация добавочной примеси n-типа, является полупроводниковой областью p-типа. В отличие от этого, область, где концентрация добавочной примеси n-типа выше, чем концентрация добавочной примеси p-типа, является полупроводниковой областью n-типа.
На фиг. 12 пик концентрации добавочной примеси p-типа соответствует пику концентрации примеси полупроводниковой области 111 p-типа. На фиг. 12 часть, где концентрация добавочной примеси n-типа равна концентрации примеси p-типа, является границей p-n-перехода. Если концентрация добавочной примеси p-типа на границе p-n-перехода выше, чем концентрация добавочной примеси кармана p-типа, можно сказать, что полупроводниковая область 111 p-типа и полупроводниковая область 110 n-типа непосредственно формируют p-n-переход.
Сейчас будет приведено описание кармана p-типа, который является целью сравнения концентрации добавочной примеси. В этом варианте осуществления примеси распределены почти равномерно в кармане 107 p-типа, иллюстрированном на фиг. 1. В этом случае, концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа в качестве цели сравнения может быть, например, концентрацией добавочной примеси полупроводниковой области под электродом 113 передающего затвора на той же глубине, что и пик концентрации примеси полупроводниковой области 111 p-типа.
Примеси могут добавляться в канал переноса для того, чтобы управлять напряжением, которое должно прикладываться к электроду 113 передающего затвора. В такой конфигурации концентрация добавочной примеси полупроводниковой области под электродом 113 передающего затвора выше, чем концентрация добавочной примеси кармана p-типа, и распределение концентрации примеси кармана p-типа на фиг. 1 неравномерно. В этом случае, концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа, который располагается под участком 101 фотоэлектрического преобразования, рассматривается в качестве цели сравнения. Это обусловлено тем, что даже если примеси добавляются в канал переноса, концентрация добавочной примеси в нижнем участке участка 101 фотоэлектрического преобразования не изменяется.
На фиг. 12 сплошная кривая линия указывает концентрацию добавочной примеси согласно этому варианту осуществления, а кривая пунктирная линия указывает концентрацию добавочной примеси согласно сравнительному примеру. На границе p-n-перехода согласно сравнительному примеру концентрация добавочной примеси p-типа равна концентрации добавочной примеси кармана p-типа. В этом случае полупроводниковая область 111 p-типа и полупроводниковая область 110 n-типа не формируют p-n-переход непосредственно друг с другом.
С конфигурацией согласно этому варианту осуществления, описанному выше, заряды могут переноситься из участка 102 удержания зарядов к узлу 104 считывания при низком напряжении. Это будет описано подробно.
Сначала будет описан механизм переноса зарядов из участка 102 удержания зарядов к узлу 104 считывания. Прежде чем сигнальные заряды, сформированные в участке 101 фотоэлектрического преобразования, удерживаются в полупроводниковой области 110 n-типа, напряжение сброса прикладывается к полупроводниковой области 110 n-типа через узел 104 считывания. Затем, после того, как полупроводниковая область 110 n-типа превратилась в плавающую, заряды в участке 101 фотоэлектрического преобразования переносятся в полупроводниковую область 110 n-типа. Затем, заряды последовательно переносятся из участка 102 удержания зарядов к узлу 104 считывания. Перенос выполняется на построчной основе в обычных случаях. В это время полупроводниковая область 110 n-типа находится в состоянии, когда напряжение обратного смещения прикладывается через участок 103 переноса. Напряжение обратного смещения заставляет полупроводниковую область 110 n-типа обедняться, так что заряды переносятся. Для того чтобы переносить большинство или, предпочтительно, все заряды, удерживаемые в полупроводниковой области 110 n-типа, в узел 104 считывания, большая часть или, предпочтительно, вся полупроводниковая область 110 n-типа должна быть обеднена.
Когда полупроводниковая область 110 n-типа обедняется, обедненный слой расширяется в полупроводниковую область 111 p-типа под полупроводниковой областью 110 n-типа. Величина расширения обедненного слоя из полупроводниковой области 110 n-типа изменяется в соответствии с концентрацией примеси полупроводниковой области 111 p-типа, которая формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 110 n-типа.
Для более простого понимания преимущества этого варианта осуществления описание будет дано в сравнении с конфигурацией, раскрытой в PTL 1. Согласно конфигурации, иллюстрированной на фиг. 3 в PTL 1, полупроводниковая область p-типа с высокой концентрацией располагается под полупроводниковой областью n-типа, составляющей участок удержания зарядов, через карман p-типа. Когда полупроводниковая область n-типа формирует p-n-переход вместе с карманом p-типа с низкой концентрацией, как в конфигурации, раскрытой в PTL 1, обедненный слой широко распространяется в карман p-типа. В этом случае напряжение обратного смещения, прикладываемое через участок переноса, должно быть высоким для того, чтобы в достаточной степени обеднять полупроводниковую область n-типа.
С другой стороны, в этом варианте осуществления, полупроводниковая область 110 n-типа и полупроводниковая область 111 p-типа формируют p-n-переход непосредственно друг с другом без участия кармана 107 p-типа. Поскольку концентрация примеси полупроводниковой области 111 p-типа, которая формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 110 n-типа, является высокой, расширение обедненного слоя в полупроводниковую область 111 p-типа может быть пресечено. Таким образом, даже если напряжение обратного смещения, которое прикладывается через участок 103 переноса, является низким, большая часть или вся полупроводниковая область 110 n-типа обедняется.
Кроме того, в этом варианте осуществления, концентрация примеси полупроводниковой области 111 p-типа выше, чем концентрация примеси области под электродом 113 передающего затвора на той же глубине, что и полупроводниковая область 111 p-типа. Другими словами, полупроводниковая область 111 p-типа не расширяется в область под электродом 113 передающего затвора. С такой конфигурацией, канал переноса формируется в кармане 107 p-типа под электродом 113 передающего затвора без увеличения напряжения смещения, которое прикладывается к электроду 113 передающего затвора.
Далее будет описан способ производства полупроводниковой области 111 p-типа согласно этому варианту осуществления. Фиг. 2 - это схематичный вид сечения пиксела, когда формируется полупроводниковая область 111 p-типа. Ссылочный номер 201 обозначает рисунок маски, сформированной из фоторезиста или т.п. Те же части, что и на фиг. 1, обозначаются одинаковыми ссылочными номерами, и подробное описание будет опущено.
Сначала фоторезист формируется по всей поверхности подложки. Затем, фоторезист экспонируется, так что отверстие формируется в области, где должна быть расположена полупроводниковая область 110 n-типа в участке 102 удержания зарядов.
В качестве первого этапа имплантации примеси для формирования полупроводниковой области 110 n-типа, ионы примеси n-типа имплантируются с помощью рисунка слоя фоторезиста, сформированного на этапе экспонирования, в качестве рисунка маски. На данном этапе мышьяк или фосфор могут быть использованы в качестве примеси.
Впоследствии, без этапа удаления фоторезистной маски, ионы примеси p-типа имплантируются в качестве второго этапа имплантации примеси для формирования полупроводниковой области 111 p-типа. На данном этапе бор или т.п. может быть использован в качестве примеси. Затем, термическая обработка, такая как обжиг, выполняется для восстановления структурного дефекта кристаллической решетки или т.п., который возникает во время ионной имплантации. Таким образом, полупроводниковая область 110 n-типа и полупроводниковая область 111 p-типа формируются с помощью идентичного рисунка маски.
Первый этап имплантации примеси формирования полупроводниковой области 110 n-типа и второй этап имплантации примеси формирования полупроводниковой области 111 p-типа могут выполняться в обратном порядке.
Согласно вышеописанному способу производства, полупроводниковая область 111 p-типа может быть сформирована без необходимости значительного увеличения этапов производства. Более конкретно, полупроводниковая область 111 p-типа может быть сформирована без этапа нанесения нового рисунка маски. Кроме того, согласно такому способу производства, смещение полупроводниковой области 110 n-типа и полупроводниковой области 111 p-типа в направлении, горизонтальном по отношению к поверхности подложки, может быть уменьшено. Соответственно, участок, где полупроводниковая область 110 n-типа и полупроводниковая область 111 p-типа формируют p-n-переход непосредственно друг с другом, может быть увеличен.
Отметим, что вышеописанный способ производства не является неотъемлемым способом для производства твердотельного устройства захвата изображения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Полупроводниковая область 110 n-типа и полупроводниковая область 111 p-типа могут быть сформированы с помощью различных рисунков маски.
Как описано выше, согласно этому варианту осуществления, расширение обедненного слоя может быть пресечено, когда заряды, накопленные в участке 102 удержания зарядов, переносятся, и, кроме того, сужение канала переноса зарядов пресекается. Соответственно, заряды могут переноситься при низком напряжении.
Второй вариант осуществления
Фиг. 3 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Части, имеющие ту же функцию, что и в первом варианте осуществления, обозначаются теми же ссылочными номерами, и их подробное описание будет опущено.
Различие между этим вариантом осуществления и первым вариантом осуществления в том, что полупроводниковая область 301 p-типа располагается под полупроводниковой областью 111 p-типа. Как иллюстрировано на фиг. 3, полупроводниковая область 301 p-типа продолжается под канал переноса и FD 114. В этом варианте осуществления полупроводниковая область 301 p-типа функционирует как третья полупроводниковая область.
Фиг. 9 - это вид сверху области пиксела согласно этому варианту осуществления. Фиг. 9 иллюстрирует только четыре пиксела, но твердотельное устройство захвата изображения согласно этому варианту осуществления может включать в себя больше пикселов. Части, имеющие ту же функцию, что и на фиг. 1, обозначаются теми же ссылочными номерами. Фиг. 3 иллюстрирует схематичный вид сечения III-III на фиг. 9.
Ссылочный номер 302 обозначает активную область. В активной области 302 формируются участок 101 фотоэлектрического преобразования, карман 107 p-типа, полупроводниковая область 110 n-типа, которая удерживает заряды, полупроводниковая область 111 p-типа, канал переноса и FD 114. Ссылочный номер 303 обозначает пассивную область. Защитная оксидная пленка используется для изоляции элементов. Ссылочный номер 304 обозначает область, где сформированы МОП-транзистор усиления сигнала пиксела, МОП-транзистор сброса и т.п.
В этом варианте осуществления полупроводниковая область 301 p-типа сформирована в области, определенной прерывистой линией на фиг. 9. То есть полупроводниковая область 301 p-типа формируется во всей активной области 302 кроме участка 101 фотоэлектрического преобразования. В этом случае карман 107 p-типа делится на две области 107a и 107b, как иллюстрировано на фиг. 3. Однако полупроводниковая область 301 p-типа необязательно располагается во всей области под полупроводниковой областью 111 p-типа, электродом 113 передающего затвора и FD 114.
В этом варианте осуществления концентрация добавочной примеси p-типа на границе p-n-перехода между полупроводниковой областью 111 p-типа и полупроводниковой областью 110 n-типа выше, чем концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа. В этом варианте осуществления полупроводниковая область 301 p-типа формируется в кармане 107 p-типа. В таком случае, концентрация добавочной примеси полупроводниковой области под электродом 113 передающего затвора может быть выше, чем концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа. Таким образом, концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа в нижнем участке участка 101 фотоэлектрического преобразования может рассматриваться в качестве цели сравнения.
Согласно конфигурации этого варианта осуществления, приток зарядов в канал переноса и FD 114 может быть пресечен. Соответственно, преимущество того, что шум уменьшается, может быть получено в дополнение к преимуществу, полученному в первом варианте осуществления.
Третий вариант осуществления
Фиг. 4 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Части, имеющие ту же функцию, что и в первом, и втором вариантах осуществления, обозначаются теми же ссылочными номерами, и их подробное описание будет опущено.
Различие между этим вариантом осуществления и вторым вариантом осуществления в том, что полупроводниковая область 401 p-типа располагается под полупроводниковой областью 301 p-типа. Две полупроводниковых области 301 и 401 p-типа располагаются на разных глубинах. Как результат, нижний конец полупроводниковой области 401 p-типа находится на глубине, где располагается граница p-n-перехода между полупроводниковой областью 106 n-типа, составляющей часть участка 101 фотоэлектрического преобразования, и карманом 107 p-типа. В этом варианте осуществления полупроводниковые области 301 и 401 p-типа функционируют как третья полупроводниковая область.
Фиг. 13 иллюстрирует профиль концентрации примеси в направлении глубины в каждом из участка 102 удержания зарядов (сечение Х на фиг. 4) и участка 103 переноса (сечение Y на фиг. 4) согласно этому варианту осуществления. На глубине, где существует пик полупроводниковой области 111 p-типа, концентрация примеси полупроводниковой области 111 p-типа выше, чем концентрация примеси полупроводниковой области под каналом переноса. В более глубокой позиции, чем полупроводниковая область 111 p-типа, полупроводниковые области 301 и 401 p-типа располагаются под полупроводниковой областью 111 p-типа, электродом 113 передающего затвора и FD 114. Таким образом, как иллюстрировано на фиг. 13, профиль концентрации примеси в направлении глубины является одинаковым в участке 102 удержания зарядов и участке 103 переноса.
Фиг. 13 также иллюстрирует профиль концентрации примеси в направлении глубины в участке 101 фотоэлектрического преобразования (сечение Z на фиг. 4). Как иллюстрировано на фиг. 13, нижний конец полупроводниковой области 401 p-типа находится на глубине, где полупроводниковая область 106 n-типа в участке 101 фотоэлектрического преобразования и карман 107 p-типа формируют p-n-переход.
В этом варианте осуществления полупроводниковые области 301 и 401 p-типа формируются посредством четырех этапов ионной имплантации. Типом имплантируемого иона является бор. Доза имплантируемых ионов с наименьшей энергией ускорения больше, чем других, так что концентрация ионов верхней части полупроводниковой области 301 p-типа является высокой. Высокая концентрация примеси верхней части полупроводниковой области 301 p-типа полезна для уменьшения притока зарядов в участок 102 удержания зарядов и т.д.
В этом варианте осуществления множество полупроводниковых областей формируются на различных глубинах посредством ионной имплантации с различными энергиями ускорения, и эти полупроводниковые области составляют полупроводниковые области 301 и 401 p-типа. Способ производства не ограничивается вышеупомянутым способом, поскольку полупроводниковые области 301 и 401 p-типа формируются на различных глубинах.
На фиг. 4 полупроводниковая область 401 p-типа располагается под областью, где существует полупроводниковая область 301 p-типа. То есть полупроводниковая область 401 p-типа располагается в области, определенной прерывистой линией на фиг. 9, например.
В этом варианте осуществления концентрация добавочной примеси p-типа на границе p-n-перехода между полупроводниковой областью 111 p-типа и полупроводниковой областью 110 n-типа выше, чем концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа. В этом варианте осуществления полупроводниковые области 301 и 401 p-типа формируются в кармане 107 p-типа. В таком случае, концентрация добавочной примеси полупроводниковой области под электродом 113 передающего затвора может быть выше, чем концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа. Затем, концентрация добавочной примеси кармана 107 p-типа в нижнем участке участка 101 фотоэлектрического преобразования может рассматриваться в качестве цели сравнения.
Согласно конфигурации этого варианта осуществления, приток сигнальных зарядов, сформированных в участке 101 фотоэлектрического преобразования, в соседний пиксел через карман 107 p-типа может подавляться. Соответственно, преимущество того, что шум дополнительно уменьшается, может быть получено в дополнение к преимуществу, полученному во втором варианте осуществления.
Четвертый вариант осуществления
Фиг. 5 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Части, имеющие ту же функцию, что и в любом из первого-третьего вариантов осуществления, обозначаются теми же ссылочными номерами, и их подробное описание будет опущено.
Различие между этим вариантом осуществления и третьим вариантом осуществления в том, что краевые участки полупроводниковых областей 301 и 401 p-типа смещены со стороны участка фотоэлектрического преобразования в том же пикселе, где краевой участок участка 102 удержания зарядов является опорным. Полупроводниковая область 106 n-типа, составляющая часть участка 101 фотоэлектрического преобразования, располагается в смещенном участке.
Фиг. 10 - это вид сверху области пиксела согласно этому варианту осуществления. Фиг. 10 иллюстрирует только четыре пиксела, но твердотельное устройство захвата изображения согласно этому варианту осуществления может включать в себя больше пикселов. На фиг. 10 область, где расположены полупроводниковые области 301 и 401 p-типа, указывается прерывистой линией. Фиг. 5 иллюстрирует схематичный вид сечения V-V на фиг. 10.
В этом варианте осуществления нижняя сторона прямоугольника, представляющего полупроводниковую область 111 p-типа, является краевым участком на стороне участка фотоэлектрического преобразования в том же пикселе полупроводниковой области 111 p-типа. Как иллюстрировано на фиг. 10, краевые участки на стороне участка фотоэлектрического преобразования в том же пикселе полупроводниковых областей 301 и 401 p-типа отдалены от участка 101 фотоэлектрического преобразования относительно краевого участка на стороне участка фотоэлектрического преобразования в том же пикселе полупроводниковой области 111 p-типа.
В этом варианте осуществления, в каждом из множества пикселов, иллюстрированных на фиг. 10, краевые участки на стороне участка фотоэлектрического преобразования полупроводниковых областей 301 и 401 p-типа смещены от участка 101 фотоэлектрического преобразования. Твердотельное устройство захвата изображения согласно этому варианту осуществления может включать в себя пикселы, в которых краевые участки на стороне участка фотоэлектрического преобразования полупроводниковых областей 301 и 401 p-типа не смещены.
Конфигурация согласно этому варианту осуществления может иметь чувствительность к свету, входящему в наклонном направлении. Соответственно, преимущество того, что чувствительность участка 101 фотоэлектрического преобразования увеличивается, может быть получено в дополнение к результатам первого-третьего вариантов осуществления.
Пятый вариант осуществления
Фиг. 6 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Части, имеющие ту же функцию, что и в первом-четвертом вариантах осуществления, обозначаются теми же ссылочными номерами, и их подробное описание будет опущено.
Этот вариант осуществления отличается от первого-четвертого вариантов осуществления в том, что полупроводниковая область 601 p-типа располагается на полупроводниковой поверхности между управляющим электродом 112 и электродом 113 передающего затвора. В этом варианте осуществления полупроводниковая область 601 p-типа функционирует как четвертая полупроводниковая область.
Концентрация примеси полупроводниковой области 601 p-типа выше, чем концентрация примеси полупроводниковой области 110 n-типа.
Согласно конфигурации этого варианта осуществления, приток темнового тока в канал переноса между участком 102 удержания зарядов и FD может подавляться. Соответственно, преимущество того, что шум дополнительно уменьшается, может быть получено в дополнение к преимуществам, полученным в первом-четвертом вариантах осуществления.
Шестой вариант осуществления
Фиг. 7 - это схематичный вид сечения пиксела твердотельного устройства захвата изображения согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения. Части, имеющие ту же функцию, что и в первом-пятом вариантах осуществления, обозначаются теми же ссылочными номерами, и их подробное описание будет опущено.
Этот вариант осуществления отличается от пятого варианта осуществления в том, что полупроводниковая область 701 n-типа располагается непосредственно под полупроводниковой областью 601 p-типа. В этом варианте осуществления полупроводниковая область 701 n-типа функционирует как пятая полупроводниковая область.
Как иллюстрировано на фиг. 7, p-n-переход между полупроводниковой областью 701 n-типа и полупроводниковой областью p-типа под ней находится в более глубокой позиции, чем граница p-n-перехода между полупроводниковой областью 110 n-типа и полупроводниковой областью 111 p-типа.
Концентрация примеси полупроводниковой области 601 p-типа и концентрация примеси полупроводниковой области 701 n-типа выше, чем концентрация примеси полупроводниковой области 110 n-типа, соответственно. Таким образом, краевой участок полупроводниковой области 110 n-типа определяется размещением полупроводниковых областей 601 и 701. Полупроводниковая область 601 p-типа и полупроводниковая область 701 n-типа могут быть сформированы посредством процесса самовыравнивания с использованием, в качестве маски, управляющего электрода 112 и электрода 113 передающего затвора, которые сформированы заранее. Согласно такому способу производства, краевой участок полупроводниковой области 110 n-типа и краевой участок управляющего электрода 112 могут быть легко выровнены с высокой точностью.
Согласно конфигурации этого варианта осуществления эффективность переноса может быть увеличена, так что заряды могут переноситься при более низком напряжении.
ПРИМЕНЕНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ
Фиг. 8 - это эквивалентная принципиальная схема твердотельного устройства захвата изображения, которая может быть применена ко всем вышеупомянутым вариантам осуществления Твердотельное устройство захвата изображения, имеющее эту эквивалентную схему, может выполнять операцию глобального электронного затвора.
Ссылочный номер 801 обозначает участок фотоэлектрического преобразования. Здесь используется фотодиод. Ссылочный номер 802 обозначает участок удержания зарядов, который удерживает сигнальные заряды, сформированные участком 801 фотоэлектрического преобразования. Ссылочный номер 803 обозначает узел считывания усиливающей части. Например, FD и электрод затвора усиливающего транзистора, который электрически соединен с FD, соответствуют узлу 803 считывания. Ссылочный номер 804 обозначает первый участок переноса, который переносит заряды в участке 802 удержания зарядов к узлу 803 считывания усиливающей части. Ссылочный номер 805 обозначает второй участок переноса, который предусматривается при необходимости. Второй участок 805 переноса переносит заряды в участке 801 фотоэлектрического преобразования в участок 802 удержания зарядов. Ссылочный номер 808 обозначает участок сброса, который подает опорное напряжение, по меньшей мере, к входному участку усиливающего участка. Кроме того, участок 808 сброса может подавать опорное напряжение к участку 802 удержания зарядов. Ссылочный номер 807 обозначает участок выбора, который предусматривается при необходимости. Участок 807 выбора выборочно выводит сигналы соответствующих строк пикселов в сигнальную линию. Ссылочный номер 806 обозначает усиливающий участок. Усиливающий участок 806 составляет схему истокового повторителя вместе с источником постоянного тока, предоставляемые сигнальной линии. Ссылочный номер 809 обозначает участок управления разрядом, который управляет электрическим соединением между участком 801 фотоэлектрического преобразования и линией электропитания, функционирующей как сток переполнения (далее в данном документе OFD).
Ссылочный символ RES обозначает проводку для подачи возбуждающего импульса к участку 808 сброса. Ссылочный символ TX1 обозначает проводку для подачи возбуждающего импульса к первому участку 804 переноса. Ссылочный символ TX2 обозначает проводку для подачи возбуждающего импульса ко второму участку 805 переноса. Эта проводка может также служить в качестве проводки для подачи управляющего импульса управляющего электрода в участке 802 удержания зарядов. Ссылочный символ SEL обозначает проводку для подачи возбуждающего импульса к участку 807 выбора.
Эквивалентная схема не ограничивается этим, и часть конфигурации может совместно использоваться множеством пикселов. Также, эквивалентная схема применима к конфигурации, в которой управляющая проводка отдельных элементов зафиксирована на постоянном напряжении, и в которой управление электропроводностью не выполняется.
Второй участок 805 переноса может иметь конфигурацию МОП-транзистора со скрытым каналом, так что заряды, сформированные участком 801 фотоэлектрического преобразования, непосредственно протекают в участок 802 удержания зарядов. В этой конфигурации существует участок, где энергетический барьер является частично низким в участке, более глубоком, чем поверхность, даже в непроводящем состоянии. В этом случае, участок переноса зарядов может быть приведен в состояние, когда определенное напряжение подается без выполнения активного управления. То есть фиксированный потенциальный барьер может быть обеспечен вместо функционирования в качестве участка переноса.
Согласно такой конфигурации, большинство сигнальных зарядов, сформированных посредством фотоэлектрического преобразования, когда свет входит в участок 801 фотоэлектрического преобразования, может переноситься в участок 802 удержания зарядов без накопления в участке 801 фотоэлектрического преобразования. Соответственно, время накопления зарядов может быть задано равномерным в участках 801 фотоэлектрического преобразования всех пикселов. Также, когда МОП-транзистор находится в непроводящем состоянии, дырки накапливаются на поверхности канала, и канал для переноса зарядов существует на предварительно определенной глубине относительно поверхности. Таким образом, влияние темнового тока на поверхность изолирующей пленки может быть уменьшено.
С другой точки зрения, в течение периода, когда сигнальные заряды накапливаются в участке 801 фотоэлектрического преобразования и участке 802 удержания зарядов, потенциал канала переноса зарядов между участком 801 фотоэлектрического преобразования и участком 802 удержания зарядов ниже, чем потенциал канала переноса зарядов между участком 801 фотоэлектрического преобразования и OFD-областью. Здесь, потенциал означает потенциал сигнальных зарядов.
В такой конфигурации пиксела заряды могут переноситься при низком напряжении из участка 801 фотоэлектрического преобразования в участок 802 удержания зарядов, что целесообразно с точки зрения увеличения эффективности переноса зарядов при низком напряжении, когда конфигурация пиксела объединяется с вариантами осуществления настоящего изобретения.
Кроме того, с точки зрения управления, заряды, перемещаемые из участка 801 фотоэлектрического преобразования в участок 802 удержания зарядов в одном периоде экспозиции, удерживаются в участке 802 удержания зарядов и используются в качестве сигнала изображения. То есть, после того как один период экспозиции в участке 801 фотоэлектрического преобразования начинается, сигнал считывается с пиксела без использования операции сброса участка 802 удержания зарядов. Отметим, что один период экспозиции повсеместно определяется в индивидуальных участках 801 фотоэлектрического преобразования, когда изображение кадра захватывается.
В такой конфигурации глобальная экспозиция может быть выполнена относительно простым образом, но заряды в участке 801 фотоэлектрического преобразования разряжаются в OFD-область во время переноса из участка 802 удержания зарядов в FD-область. Таким образом, изображения являются прерывистыми. В случае, когда непрерывность изображений особенно необходима в такой конфигурации, непрерывные изображения могут быть получены посредством выполнения построчного экспонирования. Оба режима могут переключаться, когда необходимо.
Также, вариант осуществления настоящего изобретения может быть выполнен также в твердотельном устройстве захвата изображения, в котором участок удержания зарядов предусматривается в каждом пикселе для увеличения динамического диапазона, и в котором заряды переносятся из участка удержания зарядов к узлу считывания.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации, так что он заключает в себе все такие модификации и эквивалентные структуры и функции.
Эта заявка испрашивает приоритет японской патентной заявки № 2009-235087, поданной 9 октября 2009 г., которая при этом полностью включена сюда путем ссылки.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ СИМВОЛОВ
101 Участок фотоэлектрического преобразования
102 Участок удержания зарядов
103 Участок переноса
104 Узел считывания
110 Полупроводниковая область n-типа
111 Полупроводниковая область p-типа
113 Электрод передающего затвора