CN100565890C - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

在各像素中构成光电二极管的第一扩散区域，蓄积对应于入射光而产生的载流子。第二扩散区域通过覆盖第一扩散区域的外围部而形成于第一扩散区域的表面。第一扩散区域的周围部分因元件分离区域的制造工程和栅电极的制造工程而容易发生结晶缺陷，并容易产生暗电流噪声。第二扩散区域发挥防止在制造工程中发生结晶缺陷的保护层的功能。第二扩散区域并不形成于很难发生结晶缺陷的第一扩散区域表面的中央部分上。在没有形成第二扩散区域的第一扩散区域，由于可以增大空乏层的厚度，所以能够提高光的检测灵敏度。因此，能够在不增加暗电流噪声的情况下，提高光电二极管的检测灵敏度。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及具有光电二极管的摄像装置。特别地，本发明涉及在不增加暗电流噪声的同时提高光电二极管的检测灵敏度的技术。
背景技术
图像传感器(Active Pixel Sensor；以下，也称作APS)等摄像装置具有包含光电二极管的多个像素。入射到像素的光通过光电二极管变换成载流子，并作为用于生成像素信号的电信号输出。一般来说，摄像装置是使用称作三晶体管结构和四晶体管结构的像素形成的(JP特开2000-312024号公报，JP特开平10-209422号公报)。在这种像素中，为了防止暗电流(dark current)，在用于蓄积光载流子(photocarrier)的扩散层的表面上，形成比扩散层的杂质浓度较高的反导电型扩散层。暗电流是在没有光入射时流动的电流，是因半导体的结晶缺陷引起的漏电流。通过在蓄积光载流子的扩散层上形成反导电型的扩散层，能够防止在蓄积光载流子的扩散层上发生结晶缺陷。
专利文献1：JP特开2000-312024号公报
专利文献2：JP特开平10-209422号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，上述反导电型扩散层在能够防止暗电流噪声的同时，反过来，使得蓄积光载流子的扩散层的空乏层相对变薄。因此，像素的光检测灵敏度因形成反导电型的扩散层而降低。暗电流噪声在元件分离区域附近和用于获取电信号的接触区域等变大，而在除此以外的区域变小。现有技术中，还没有用于将暗电流噪声的影响降低到最小限度，并提高光检测灵敏度的提案。
本发明的目的在于，不增加暗电流噪声的同时提高光电二极管的检测灵敏度。
解决问题的技术手段
在本发明的摄像装置的第一实施方式中，各像素的第一扩散区域为第一导电型，其在光电二极管构成光载流子蓄积部。传送晶体管，其将第一扩散区域作为源电极，并在与第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极。传送晶体管将蓄积在光电二极管中的光载流子传送到漏电极。第二扩散区域为第二导电型，其覆盖第一扩散区域的外围部而形成在第一扩散区域的表面而形成。例如，第二扩散区域的杂质浓度比第一扩散区域的杂质浓度高。例如，第一导电型为n型，第二导电型为p型。
第一扩散区域的外围部由于靠近元件间分离结构部分，所以容易存在很多结晶缺陷。因此，由于结晶缺陷而导致漏电流增加，并容易产生暗电流噪声，外围部比第一扩散区域的中央部分的半导体表面产生更大的暗电流。另外，在与第一扩散区域相邻的位置形成晶体管的栅电极的情况下，由于受到栅电极制造过程中应力的影响，有时与栅电极相邻的第一扩散区域的外周围部分会发生结晶缺陷。与此相对，在第一扩散区域表面的中央部分(除了外围部之外的部分)，比外周围部分相比，不容易发生结晶缺陷。在外周围部分上的第二扩散区域发挥防止在制造过程中发生结晶缺陷的保护层的功能。
另一方面，在第一扩散区域上形成导电型相反的第二扩散区域，即埋入光电二极管的结构中，由于表面附近空乏层的厚度变小，所以光检测灵敏度变小。在本发明中，第二扩散区域并不形成在不容易产生结晶缺陷的第一扩散区域表面的中央部分上。在没有形成第二扩散区域的第一扩散区域，由于能够增大空乏层的厚度，所以能够提高光的检测灵敏度。因此，通过在第一扩散区域上选择性地形成第二扩散区域，能够在不增加暗电流噪声的情况下提高光电二极管的检测灵敏度。例如，在第一扩散区域，通过使得表面露出的区域的面积比覆盖第二扩散区域的面积大，从而能够将暗电流噪声抑制在最小限度，从而能够提高光电二极管的检测灵敏度。
因此，由于能够同时满足削减暗电流噪声并能够提高光检测灵敏度这两个方面，从而即使将像素的尺寸变小，也能够得到与现有技术相同程度的SN比。结果能够减小摄像装置，并能够削减成本。或者，能够增加摄像装置的像素数。
本发明的摄像装置的第一形态的优选例中，在局部外围部的周围，具有与第一扩散区域分离而形成的元件分离区域，该局部外围部是指，在外围部中除了与栅电极相邻的部分之外的部分。第二扩散区域从局部外围部起形成到元件分离区域为止。在硅等的结晶周期性崩溃的元件间分离区域附近结晶缺陷很多。因此，离元件间分离区域越近越容易发生暗电流噪声的漏电流。通过将第二扩散区域形成到结晶缺陷的元件间分离区域附近为止，能够进一步抑制暗电流噪声的发生。
在本发明的摄像装置的第二形态中，第二扩散区域覆盖局部外围部而形成在第一扩散区域的表面，其中，该局部外围部是指，在第一扩散区域的外围部中除了与栅电极相邻的部分之外的部分。即，第二扩散区域没有形成在与栅电极相邻的部分。其他特征与上述第一实施方式相同。在栅电极的制造过程中，在与栅电极相邻的第一扩散区域的外围部容易发生结晶缺陷的情况下，能够减小第二扩散区域覆盖的第一扩散区域的表面积。因此，能够进一步提高光电二极管的检测灵敏度。由于第二扩散区域在第一扩散区域上没有形成在与栅电极相邻的区域，所以在第一扩散区域蓄积的光载流子的传送功率也没有降低。结果能够防止光载流子残留在第一扩散区域，从而能够在摄像动画时防止残留图像。
在本发明的摄像装置的第一和第二形态的优选实施方式中，元件分离区域在除了与第一扩散区域的外围部中的栅电极相邻的部分之外的局部外围部的周围，与第一扩散区域分开而形成。第二扩散区域从局部外围部形成到元件分离区域为止。在硅等的结晶周期性崩溃的元件间分离区域附近，结晶缺陷很多。因此，离元件间分离区域越近越容易发生暗电流噪声的漏电流。通过将第二扩散区域形成到结晶缺陷的元件间分离区域附近为止，能够进一步抑制暗电流噪声的发生。
本发明的摄像装置的第二形态的优选实施方式中，在第一扩散区域的内部具有第三扩散区域，该第三扩散区域形成在第一扩散区域的栅电极侧的外围部。第三扩散区域是第一导电型，其具有比第一扩散区域杂质浓度高的杂质浓度。一般地，在光载流子为电子的情况下，光载流子容易集中在具有较高杂质浓度的扩散区域(第三扩散区域)。因此，通过在栅电极附近形成第三扩散区域，能够提高在第一扩散区域蓄积的光载流子的传送功率。另外，一般地，光载流子不处于第一扩散区域的表面，而是蓄积在比较深的区域内。因此，通过在第一扩散区域的内部形成第三扩散区域，能够更有效地将光载流子集中在第三扩散区域。此时，由于光载流子没有集中在结晶缺陷比较多的第一扩散区域的表面附近，所以能够防止暗电流的发生。
本发明的摄像装置第二形态优选实施方式中，在第一扩散区域的表面具有第三扩散区域，该第三扩散区域形成在第一扩散区域的栅电极侧的外围部。第三扩散区域是第一导电型，其具有比第一扩散区域的杂质浓度高的杂质浓度。在栅电极的制造过程中，在相邻栅电极的第一扩散区域表面不容易发生结晶缺陷，此时，在第一扩散区域中，将第三扩散区域形成在靠近传送晶体管沟道区域的表面，这样能够提高蓄积在第一扩散区域的光载流子的传送功率。
在本发明的摄像装置的第二形态优选实施方式中，在第一扩散区域的内部以及表面具有多个第三扩散区域，该多个第三扩散区域面向栅电极依次形成在第二扩散区域的内侧。第三扩散区域为第一导电型，其具有比第一扩散区域的杂质浓度高的杂质浓度。第三扩散区域的杂质浓度越接近栅电极的位置越高。此时，能够在面向栅电极的一侧形成内置电势梯度。换句话说，在靠近栅电极的附近能够依次将光载流子即电子移动到第三扩散区域，从而能够提高在第一扩散区域蓄积的光载流子的传送效率。
在本发明的摄像装置的第三实施方式中，用于接受通过第一滤光器入射的相对短的波长的光的像素，具有与上述第一实施方式相同的结构。用于接受通过第二滤光器入射的相对长的波长的光的像素，具有覆盖第一扩散区域的整个表面而形成的第二扩散区域。通过第二扩散区域来覆盖第一扩散区域的整个表面，能够减少第一扩散区域表面的结晶缺陷，并能够减少暗电流。
在硅等半导体中，长波长光的透过率比短波长的光的透过率高。因此，在接受长波长光的像素中，即使由第二扩散区域覆盖了第一扩散区域，光的检测灵敏度也难以降低。另一方面，短波长光的透过率相对较小。因此，接受短波长光的像素为了提高光的检测灵敏度，可以由具有未被第二扩散区域覆盖的区域的第一扩散区域来构成。根据入射光的波长来改变第二扩散区域的面积，从而能够将暗电流噪声的发生抑制在最小限度，并能够不依赖于波长而使光的检测灵敏度一致。例如，在接受相对短波长的光的各像素的第一扩散区域中，通过使得露出表面的区域的面积比由第二扩散区域覆盖的区域的面积大，可以最小限度地抑制暗电流噪声，并能够提高光电二极管的检测灵敏度。
在本发明的摄像装置的第四实施方式中，接受通过第一滤光器入射的相对短波长的光的像素，具有与上述第二实施方式相同的结构。接受通过第二滤光器入射的相对长的波长的光的像素，具有覆盖第一扩散区域的整个表面而形成的第二扩散区域。在第四实施方式中，也与上述第三实施方式同样的能够将暗电流的发生抑制在最小限度，并能够不依赖于波长而使光的检测灵敏度一致。
本发明的摄像装置的第一～第四优选实施方式中，各像素具有复位晶体管和源跟随晶体管。复位晶体管将源电极连接到传送晶体管的漏电极，漏电极电压连接到电压供给线。源跟随晶体管栅电极通过接触区域连接到浮置扩散节点(传送晶体管的漏电极和复位晶体管的源电极)。源跟随晶体管根据光载流子的量产生像素信号，并从源电极将产生的像素信号输出。由于不在第一扩散区域形成接触区域，所以在形成接触区域时不会发生第一扩散区域的结晶缺陷。从而，能够防止因形成接触区域而发生暗电流噪声。
另外，本发明提供一种摄像装置，其特征在于，具有多个像素，所述多个像素分别具有光电二极管，每个所述像素具有：第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的表面上的除去所述中央部之外的外围部，并具有与第一导电型相反的极性；在所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
另外，本发明提供一种摄像装置，其特征在于，具有多个像素，所述多个像素分别具有光电二极管，每个所述像素具有：第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖外围部中的局部外围部，并具有与第一导电型相反的极性，其中，该外围部是指，在所述第一扩散区域的表面上的除了上述中央部之外的部分，该局部外围部是指，在所述外围部中除了与所述栅电极相邻的部分之外的部分；在所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
另外，本发明提供一种摄像装置，其特征在于，具有多个像素，该多个像素分别具有光电二极管，所述像素接受经由第一滤光器所入射的光和经由第二滤光器所入射的光中任意一方的光，其中，该第一滤光器是选择性地透过波长相对短的光的滤光器，该第二滤光器是选择性地透过波长相对长的光的滤光器，接受所述波长相对短的光的各个像素具有：第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部；传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极；第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的表面上的除去所述中央部之外的外围部，并具有与第一导电型相反的极性，接受所述波长相对长的光的各像素具有：第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，并且在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部；传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极；第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的整个表面，并具有与第一导电型相反的极性。
另外，本发明提供一种摄像装置，其特征在于，具有多个像素，该多个像素分别具有光电二极管，所述像素接受经由第一滤光器所入射的光和经由第二滤光器所入射的光中任意一方的光，其中，该第一滤光器是选择性地透过波长相对短的光的滤光器，该第二滤光器是选择性地透过波长相对长的光的滤光器，接受所述波长相对短的光的各个像素具有：第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖外围部中的局部外围部，并具有与第一导电型相反的极性，其中，该外围部是指，在所述第一扩散区域的表面上的除了上述中央部之外的部分，该局部外围部是指，在所述外围部中除了与所述栅电极相邻的部分之外的部分；接受所述波长相对长的光的各像素具有：第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，并在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的整个表面，并具有与第一导电型相反的极性；在接受所述波长相对短的光的各像素的所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的框图。
图2是表示图1所示像素具体结构的电路图。
图3是表示第一实施方式的像素的具体结构的俯视图。
图4是沿着图3的A-A’线的剖面图。
图5是表示读出像素信号的动作的时序图。
图6是表示第二实施方式的像素的具体结构的俯视图。
图7是沿着图6的A-A’线的剖面图。
图8是表示第三实施方式的像素的具体结构的俯视图。
图9是沿着图8的A-A’线的剖面图。
图10是表示第四实施方式的像素的具体结构的俯视图。
图11是沿着图10的A-A’线的剖面图。
图12是表示第五实施方式的像素的具体结构的俯视图。
图13是沿着图12的A-A’线的剖面图。
图14是表示第六实施方式的像素阵列的具体结构的布局图。
图15是表示第六实施方式中接受蓝、绿光的像素的具体结构的俯视图。
图16是沿着图15的A-A’线的剖面图。
图17是表示第六实施方式中接受红光的像素的具体结构的俯视图。
图18是沿着图17的A-A’线的剖面图。
图19是表示第七实施方式中接受蓝、绿光的像素的具体结构的俯视图。
图20是沿着图19的A-A’线的剖面图。
图21是表示本发明像素的其他例子的剖面图。
具体实施方式
下面，通过附图对本发明的实施方式进行描述。图中的二重圆圈表示外部端子。图中，以粗线表示的信号线由多根构成。传送信号的信号线使用与信号名相同的附图标记表示。
图1表示本发明的摄像装置的第一实施方式。该摄像装置使用CMOS加工工艺在硅衬底上形成图像传感器芯片。摄像装置具有电压产生电路10、行选择电路12、动作控制电路14、信号处理电路16和像素阵列ARY。
电压产生电路10根据电源电压AVDD通常产生作为固定电压的内部电压VR。其中，电压产生电路10不是产生一定的内部电压VR，而是可以根据需要而调整内部电压。电源电压AVDD是模拟电路用的电源电压。内部电压VR是比电源电压AVDD低的电压，其不会随着电源电压AVDD的变化及温度的变化而变化，而通常保持为固定电压。行选择电路12将复位信号RST、传送控制信号TG、选择控制信号SEL输出到像素阵列ARY。动作控制电路12产生用于控制图像传感器的摄像操作的多个定时信号，并将其输出到行选择电路12和信号处理电路16等。行选择电路12和动作控制电路14接受数字电路的电源电压DVDD而进行工作。为了避免噪声干扰，电源电压线AVDD、DVDD相互独立的布线。
信号处理电路16接受从图中横向排列的多个像素PX同时传送来的电信号SIG(表示像素的像素信号)，并对所接受的信号SIG进行并串变换，然之将其作为输出信号OUT而依次输出。信号处理电路16具有相关二重抽样(CDS；Correlated Double Sampling)电路18。CDS电路18从包含噪声数据的像素数据(读出的数据，像素电压)中除去噪声数据(噪声电压)，产生不包含噪声的真实像素数据。像素阵列ARY具有配置为矩阵形状的多个像素PX。
图2表示图1所示像素PX的具体结构。该实施方式的像素PX是所谓的四晶体管结构。各像素PX具有在内部电压线VR(电压供给线)和接地线VS之间串行连接的nMOS晶体管M1、M2和光电二极管PD(光电变换元件)、以及在内部电压线VR和像素信号线SIG之间串行连接的nMOS晶体管M3、M4。晶体管M4的源极连接到输出读出电压和噪声电压的像素信号线SIG。晶体管M1(复位晶体管)的栅极接受复位信号RST。晶体管M2(传送晶体管)的栅极接受传送控制信号TG。晶体管M3(源跟随晶体管)的栅极连接到晶体管M1、M2的连接节点FD(浮置扩散节点：floatingdiffusion node)。晶体管M4(选择晶体管)的栅极接受选择控制信号SEL。晶体管M3作为放大器进行工作，并从源电极输出像素信号SIG。像素信号SIG通过选择晶体管M4输出。
图3和图4表示第一实施方式的像素的具体结构。尤其是，图3和图4表示光电二极管PD和传送晶体管M2的具体结构。图3中，赋予×符号的矩形表示接触区域(插件(plug contact)PC)。图4表示了沿着图3的A-A’线的剖面图。
光电二极管PD和传送晶体管M2形成于元件分离区域ST1(ShallowTrench Isolation)内侧，其中，该元件分离区域ST1形成为环状(框架形状)。另外，本发明也能够适用于元件分离区域为LOCOS(Local Oxidation ofSilicon)的APS。在该例子中，光电二极管PD的正极为p型硅衬底P-，光电二极管PD的负极为形成于p型硅衬底P-上的n型(第一导电型)扩散区域N1(第一扩散区域、光载流子蓄积部)。如图3所示，扩散区域N1为矩形形状，并与元件分离区域ST1分开而形成。将扩散区域N1与元件分离区域ST1分开形成，可以防止在元件分离区域ST1的制造过程中在扩散区域N1的外围部发生结晶缺陷。
传送晶体管M2由源电极、栅电极TG、漏电极构成，其中，该源电极由扩散区域N1形成，该栅电极TG中间夹着绝缘膜(栅绝缘膜)而形成在相邻于扩散区域N1的一边的位置，该漏电极由p型硅衬底P-上的扩散区域N+(漏电极、浮置扩散节点FD)形成。扩散区域N1的杂质浓度比扩散区域N+的杂质浓度低。栅绝缘膜是用绝缘层IL1形成的。在扩散区域N1的表面，p型(第二导电型)的扩散区域P+(第二扩散区域)覆盖扩散区域N1的外围部而形成为环状(框架形状)。扩散区域P+的杂质浓度比扩散区域N1的杂质浓度高。扩散区域P+可通过普通的半导体加工工艺来形成。即，通过使用光掩膜来选择性地对要形成扩散区域P+的部分形成开口，并从开口部分注入硼等离子(杂质)，然后对注入的离子进行热扩散，从而形成扩散区域P+。
在扩散区域N1表面的中央部分并没有形成扩散区域P+，因此向绝缘层IL1的一侧露出。在该露出的区域中，可以使表面附近的空乏层厚度比扩散区域P+所覆盖的部分的厚度大。因此，光载流子的蓄积容量也可扩大，从而可以提高光的检测灵敏度。特别是，能够提高在扩散区域N1的表面容易吸收的蓝色等短波长光的检测灵敏度。在该例子中，在像素PXB、PXG的扩散区域N1中，露出表面的矩形形状的区域的面积比扩散区域P+覆盖的框架形状区域的面积大。因此，能够更有效地接受光。另外，如果通过应用本发明而过度提高像素PX的检测灵敏度，则饱和电压会变大，光载流子在扩散区域N1就会蓄积过剩。在此情况下，就不能充分执行用于释放光载流子的复位操作，从而在摄像动画时候就会发生残留图像(afterimage)现象。为了防止这种现象，只要降低扩散区域N1的杂质浓度即可。
在扩散区域N1的外围部，除了与栅电极TG相邻的部分之外，对应于コ字状部分(局部外围部)形成的扩散区域P+的周围超出扩散区域N1的端部而连接到元件分离区域ST1。通过将扩散区域P+形成到元件分离区域ST，能够可靠地保护扩散区域N1的外围部的表面。因此，能够可靠地防止在元件分离区域ST1的制造过程中在扩散区域N1的外围部发生结晶缺陷。另外，通过在与栅电极TG相邻的区域形成扩散区域P+，能够防止在栅电极TG的制造过程中在扩散区域N1的栅电极TG一侧的外围部发生结晶缺陷。
传送晶体管M2的漏电极(扩散区域N+)通过在绝缘层IL1开口的插件PC1而连接到金属布线M1。特别是，虽然图中没有示出，但是金属布线M1通过另外的插件而连接到复位晶体管M1的源电极和源跟随晶体管(sourcefollower transistor)M3的栅电极。在绝缘层IL1上层叠有绝缘层IL2、IL3和包含绝缘层PL，其中，该绝缘层IL2、IL3分别用于从其他层中分离出金属布线M2、M3。金属布线层M1、M2通过插件PC2相互连接。金属布线层M2、M3通过插件PC3相互连接。
另外，APS是由四晶体管结构的像素PX构成的。接触区域没有形成扩散区域N1。因此，在接触区域的制造过程中，能够防止在扩散区域N1发生结晶缺陷。
图5表示上述APS的各像素的像素信号的读出动作。读出动作是通过顺序选择由图1中的横向排列的像素PX构成的像素行来执行的。图5示出了读出一个像素行的像素PX的操作。对于像素行的其他像素PX，都按照相同的定时来执行读出动作。为了执行读出动作，图1所示的行选择电路12以预定的定时重复将复位信号RST、传送控制信号TG和选择控制信号SEL激活为高电平。图中虚线所示的波形是电压等状态还没有稳定的期间。
首先，为了复位光电二极管PD和浮置节点FD，复位信号RST和传送控制信号TG被变为高电平(例如DVDD)(图5(a))。通过复位操作，光电二极管PD的扩散区域N1和浮置扩散节点FD被设定为内部电压VR。接着，将复位信号RST和传送控制信号TG变为低电平(0V)(图5(b))。传送控制信号TG一旦变为低电平，则开始对光电二极管PD的曝光。光电二极管PD的扩散区域N1通过曝光来蓄积电子(光载流子)，其电压慢慢降低(图5(c))。
接着，选择控制信号SEL变为高电平，通过选择晶体管M4连接到源跟随晶体管M3的源极和像素信号SIG的输出节点(图5(d))。在经过规定时间之后，复位信号RST变为高电平(图5(e))，浮置扩散节点FD再次复位到内部电压VR。由于选择晶体管M4已接通，所以像素信号SIG的电压变为与内部电压VR对应的电压。复位信号RST变为低电平(图5(f))，从而读出噪声数据N1(N读出)。源跟随晶体管M3随着浮置扩散节点FD的电压变化而进行工作，从而输出噪声数据(噪声电压)N1来作为像素信号SIG(图5(g))。
接着，传送控制信号TG变为高电平(图5(h))，光电二极管PD的扩散区域N1连接到浮置扩散节点FD。在扩散区域N1蓄积的电子被传送到浮置扩散节点FD。通过传送，扩散区域N1的电压上升(图5(i))，浮置扩散节点FD的电压下降(图5(j))。像素信号SIG的电压随着浮置扩散节点FD的电压变化而下降(图5(k))。即，从各像素PX输出包含噪声数据(噪声电压)N1的像素数据(像素电压N1+S1)(N+S读出)。此后，图1所示CDS电路18从包含噪声的像素电压(N1+S1)中除去噪声电压N1，从而生成除去噪声的真实像素数据。
以上，在第一实施方式中，通过扩散区域P+，在元件分离区域STI和栅电极TG的制造过程中，能够防止在扩散区域N1的外围部发生结晶缺陷。即，能够减小暗电流噪声。同时，通过将扩散区域P+形成为框架形状，可以提高难以发生结晶缺陷的扩散区域N1的中央部分的光检测灵敏度。从而，即使减小了像素PX尺寸，也能够获得与现有技术相同程度的SN比。结果，能够减小APS的芯片尺寸，并能够削减APS的成本。或者，能够增加APS的像素数。
图6和图7表示本发明的摄像装置的第二实施方式的像素的具体结构。对于与第一实施方式中描述的元件相同的元件，赋予相同的附图标记，并对于此等省略其详细描述。在该实施方式中，p型扩散区域P+(第二扩散区域)的形状与第一实施方式不同。其他结构与第一实施方式相同。即，该摄像装置使用CMOS工艺在硅衬底上形成图像传感器芯片。
在扩散区域N1的表面，覆盖除了与扩散区域N1的外围部中的栅电极TG相邻的部分之外的局部外围部，而形成U字形状的扩散区域P+。在该例子中，在像素PXB、PXG的扩散区域N1中，在表面露出的矩形形状区域的面积比扩散区域P+覆盖的框架形状的区域的面积大。因此，能够更有效地接受光。扩散区域P+没有形成于与传送晶体管M2的沟道区域(栅电极TG下)相邻的区域中。因此，传送晶体管M2的光载流子(电子)的传送效率比第一实施方式有所提高。从而，能够防止光载流子残留在扩散区域N1中。
在栅电极TG的制造过程中，在与栅电极TG相邻的扩散区域N1的表面不易发生结晶缺陷的情况下，不需要在该区域上形成扩散区域P+。因此，可以减小扩散区域P+覆盖的第一扩散区域的表面积，从而能够提高光电二极管的检测灵敏度。
以上，在第二实施方式中，也能够得到与上述第一实施方式相同的效果。并且，在该实施方式中，扩散区域P+由于没有形成在与扩散区域N1相邻的栅电极TG的区域上，所以能够防止在扩散区域N1中蓄积的光载流子的传送效率降低。结果，能够防止光载流子残留在扩散区域N1中，并能够防止在摄像动画时发生残留图像。
图8和图9表示本发明的摄像装置第三实施方式中的像素的具体结构。对于与第一和第二实施方式中描述的元件相同的元件，赋予相同的附图标记，并对此等省略详细的描述。在该实施方式中，在扩散区域N1的内部，在传送晶体管的栅电极TG一侧的外围部形成n型扩散区域N2(第三扩散区域)。其他结构与第二实施方式相同。即，该摄像装置使用CMOS工艺在硅衬底上形成图像传感器芯片。
扩散区域N2的杂质浓度比扩散区域N1的杂质浓度高。一般地，作为光载流子的电子容易聚焦在具有较高杂质浓度的扩散区域。因此，通过在栅电极TG的附近形成扩散区域N2，可以提高在扩散区域N1中蓄积的光载流子的传送效率。另外，光载流子不是处于第一扩散区域N1的表面，而是蓄积在比较深的区域。因此，通过在扩散区域N1的内部形成扩散区域N2，能够更有效地将光载流子聚焦在扩散区域N2。此时，由于光载流子没有聚焦在结晶缺陷比较多的扩散区域N1的表面附近，所以能够防止暗电流的发生。
以上，在第三实施方式中，也能够获得与上述第一和第二实施方式相同的效果。并且，在本实施方式中，能够以更高效率将蓄积在扩散区域N1的光载流子传送到传送晶体管M2的漏电极FD。结果，能够可靠地防止在摄像动画时发生残留图像。
图10和图11表示本发明的摄像装置第四实施方式的像素的具体结构。对于与第一和第二实施方式中描述的元件相同的元件，赋予相同的附图标记，并对此等元件省略其详细描述。在该实施方式中，在扩散区域N1的表面，在传送晶体管的栅电极TG侧的外围部形成有n型扩散区域N2(第三扩散区域)。其他结构与第二实施方式相同。即，该摄像装置使用CMOS工艺在硅衬底上形成图像传感器芯片。
扩散区域N2的杂质浓度比扩散区域N1的杂质浓度高。在栅电极TG的制造过程中，在与栅电极TG相邻的扩散区域N1的表面不容易发生结晶缺陷的情况下，在扩散区域N1中将扩散区域N2形成在传送晶体管M2的沟道区域附近的表面上，这样能够提高蓄积在扩散区域N1中的光载流子的传送效率。
以上，在第三实施方式中，也能够获得与上述第一～第三实施方式相同的效果。并且，在本实施方式中，在栅电极TG的制造过程中，在扩散区域N1的表面不容易发生结晶缺陷的情况下，能够比第二实施方式更有效地提高蓄积在扩散区域N1中的光载流子的传送效率。
图12和图13表示本发明的摄像装置第五实施方式的像素的具体结构。对于与第一和第二实施方式中描述的元件相同的元件，赋予相同的附图标记，并对此等元件省略其详细描述。在本实施方式中，在扩散区域N1的内部及表面，形成面向传送晶体管的栅电极TG排列的n型扩散区域N2、N3、N4(第三扩散区域)。在本例子中，扩散区域N2、N3形成于扩散区域N1的内部，扩散区域N4形成于扩散区域N1的表面。其他结构与第二实施方式相同。即，该摄像装置使用CMOS工艺在硅衬底上形成图像传感器芯片。
扩散区域N2、N3、N4的杂质浓度比扩散区域N1的杂质浓度高，并且按照该顺序依次慢慢变高。扩散区域N2、N3、N4的杂质浓度越接近栅电极TG越高，从而能够面向栅电极而形成内置电势(built-in potential)梯度。换句话说，能够按照靠近栅电极TG的扩散区域N2、N3、N4的顺序来移动作为光载流子的电子，并能够提高蓄积在扩散区域N1中的光载流子的传送效率。以上，第五实施方式也能够获得与上述第一～第四实施方式相同的效果。
图14表示本发明的摄像装置的第六实施方式的像素阵列的具体结构。对于与第一实施方式中描述的元件相同的元件，赋予相同的附图标记，并对此等元件省略其详细描述。该摄像装置使用CMOS工艺在硅衬底上形成用于获得彩色图像的图像传感器芯片。在本实施方式中，在像素阵列ARY上配置滤光器(图中没有示出)，该滤光器使入射光分解为具有红、绿、蓝波长的光。
像素阵列ARY内的纵向2个像素和横向2个像素构成的4个像素分为用于接受红光的1个像素PXR、用于接受绿光的2个像素PXG、用于接受蓝光的1个像素PXB。在像素PXR的上方，配置有只选择透过红光(长波长的光)的滤光器。在像素PXG的上方，配置有只选择透过绿光(中波长的光)的滤光器。在像素PXB上方，配置有只选择透过蓝光(短波长)的滤光器。一般地，这种滤光器的排列称作拜耳排列(Bayer arrangement)。除像素阵列ARY之外的结构与第一实施方式相同。
图15和图16表示在第六实施方式中用于接受蓝、绿光的像素PXB、PXG的具体结构。像素PXB、PXG中，微透镜ML形成于扩散区域N1，除此之外其他结构与第一实施方式的像素PX(图3、图4)相同。即，像素PXB、PXG覆盖扩散区域N1的表面外围部而具有扩散区域P+。扩散区域N1的中央部分露出。蓝、绿等短波长光比红光等长波长光更难透过硅内部。因此，在构成接受蓝、绿光的像素PXB、PXG的扩散区域N1，通过形成不被第二扩散区域P+覆盖的区域，能够相对提高光的检测灵敏度。在该例子中，在像素PXB、PXG扩散区域N1，露出表面的矩形形状的面积比扩散区域P+覆盖的框架形状区域的面积大。因此，能够更有效地接受光。
另外，通过将入射到像素PXB、PXG的光利用微透镜ML聚焦到扩散区域N1，能够提高光的检测灵敏度。微透镜ML形成为可使光聚焦在扩散区域N1中表面没有被扩散区域P+覆盖的区域上的形状，因此能够大幅度提高光的检测灵敏度。
图17和图18表示在第六实施方式中接受红光的像素PXR的具体结构。像素PXR在其上部形成微透镜ML，并且p型扩散区域P+覆盖n型扩散区域N1上的整个面，除此之外其他结构与第一实施方式的像素PX相同。红光等长波长光容易透过硅内部。因此，p型扩散区域P+即使形成在扩散区域N1的整个面上，对光检测灵敏度的减少影响也是很少的。另外，通过使扩散区域P+覆盖扩散区域N1的整个表面，能够减少扩散区域N1的表面的结晶缺陷，并能够降低暗电流噪声。
如此，光检测灵敏度在像素PXB、PXG相对提高，而在像素PXR相对减小。通过根据入射光的波长改变扩散区域P+的面积，能够将暗电流噪声的发生抑制在最小限度，并且能够使光的检测灵敏度不依赖于波长而变得一致。
以上，第六实施方式也能够获得与上述第一实施方式相同的效果。并且，在本实施方式中，通过根据入射到像素PXB、PXG、PXR的光的波长而改变在扩散区域N1上形成的扩散区域P+的面积，可以不依赖于像素PXB、PXG、PXR而使光的检测灵敏度一致。
图19和图20表示本发明的摄像装置第七实施方式中接受蓝、绿光的像素PXB、PXG的具体结构。对于与第一、第二和第六实施方式中描述的元件相同的元件，赋予相同的附图标记，并对此等元件省略其详细描述。像素PXB、PXG将微透镜ML形成于扩散区域N1上，除此之外的其他结构与第二实施方式的像素PX(图6、图7)相同。接受红光的像素PXR(图中没有示出)与第六实施方式的像素PXR(图17、图18)相同。其他结构与第一和第六实施方式相同。即，该摄像装置使用CMOS工艺在硅衬底上形成用于获取彩色图像的图像传感器芯片。该实施方式也能够获得与上述第一、第二和第六实施方式相同的效果。
另外，在上述实施方式中，对于在p型硅衬底p-上形成n型扩散区域N1的例子进行了描述。但是本发明并不局限于这些实施方式。例如，如图21所示，可以在n型硅衬底N-上形成p型阱区域P-，在阱区域P-上形成n型扩散区域N1。或者，在p型硅衬底上形成p型阱区域P-，在阱区域P-上形成n型扩散区域N1。阱区域P-比硅衬底容易调整杂质浓度。因此，能够提高空乏层厚度等处理设计的自由度。从而，使得光电二极管的特性设计变得容易。
在上述实施方式中，对本发明适用于在n型扩散区域N1中蓄积光载流子(电子)的光电二极管的例子进行了描述。但是本发明并不局限于这些实施方式。例如，本发明也适用于将光载流子(正孔)蓄积在p型扩散区域的光电二极管，也能够获得同样的效果。
在上述第六和第七实施方式中，对于将微透镜ML形成在扩散区域N1的例子进行了描述。但是本发明并不局限于这些实施方式。例如，微透镜ML也可以形成在第一～第五实施方式的扩散区域N1。
在上述5个实施方式中，对于将扩散区域N2、N3形成于扩散区域N1的内部并且将扩散区域N4形成于扩散区域N1的表面的例子进行了描述。但是本发明并不局限于这些实施方式。例如，扩散区域N2、N3、N4也可以都形成于扩散区域N1的表面。
以上，对本发明进行了详细描述，但是上述实施方式和变形方式只不过是发明的一种例子而已，本发明并不局限于此。应当明白，在不脱离本发明的范围内，可以进行变形。

Claims (26)

1.一种摄像装置，其特征在于，
具有多个像素，所述多个像素分别具有光电二极管，
每个所述像素具有：
第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，
传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，
第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的表面上的除去所述中央部之外的外围部，并具有与第一导电型相反的极性；
在所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
2.根据权利要求1所记载的摄像装置，其特征在于，
在局部外围部的周围，具有与所述第一扩散区域分离而形成的元件分离区域，该局部外围部是指，在所述外围部中除了与所述栅电极相邻的部分之外的部分，
所述第二扩散区域从所述局部外围部起形成到所述元件分离区域为止。
3.根据权利要求1所记载的摄像装置，其特征在于，
各像素具有：
复位晶体管，其源电极连接到传送晶体管的漏电极，漏电极连接到电压供给线，
源跟随晶体管，其栅电极连接到作为传送晶体管的漏电极以及复位晶体管的源电极的浮置扩散节点，并从源电极输出像素信号，
接触区域，其将所述浮置扩散节点和所述源跟随晶体管的栅电极相互连接。
4.根据权利要求1所记载的摄像装置，其特征在于，
所述第二扩散区域的杂质浓度比所述第一扩散区域的杂质浓度更高。
5.根据权利要求1中的摄像装置，其特征在于，
所述第一导电型为n型，所述第二导电型为p型。
6.根据权利要求1中的摄像装置，其特征在于，
具有微透镜，该微透镜形成于所述第一扩散区域上方，而且用于将入射到每个所述像素的光聚焦在所述第一扩散区域。
7.一种摄像装置，其特征在于，
具有多个像素，所述多个像素分别具有光电二极管，
每个所述像素具有：
第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，
传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，
第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖外围部中的局部外围部，并具有与第一导电型相反的极性，其中，该外围部是指，在所述第一扩散区域的表面上的除了上述中央部之外的部分，该局部外围部是指，在所述外围部中除了与所述栅电极相邻的部分之外的部分；
在所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
8.根据权利要求7所记载的摄像装置，其特征在于，
各像素具有：
复位晶体管，其源电极连接到传送晶体管的漏电极，漏电极连接到电压供给线，
源跟随晶体管，其栅电极连接到作为传送晶体管的漏电极以及复位晶体管的源电极的浮置扩散节点，并从源电极输出像素信号，
接触区域，其将所述浮置扩散节点和所述源跟随晶体管的栅电极相互连接。
9.根据权利要求7所记载的摄像装置，其特征在于，
所述第二扩散区域的杂质浓度比所述第一扩散区域的杂质浓度更高。
10.根据权利要求7中的摄像装置，其特征在于，
所述第一导电型为n型，所述第二导电型为p型。
11.根据权利要求7中的摄像装置，其特征在于，
具有微透镜，该微透镜形成于所述第一扩散区域上方，而且用于将入射到每个所述像素的光聚焦在所述第一扩散区域。
12.根据权利要求7所记载的摄像装置，其特征在于，
在所述局部外围部的周围，具有与第一扩散区域分离而形成的元件分离区域，
所述第二扩散区域从所述局部外围部起形成到所述元件分离区域为止。
13.根据权利要求7所记载的摄像装置，其特征在于，
在所述第一扩散区域的内部，具有第一导电型的第三扩散区域，该第一导电型的第三扩散区域形成在所述第一扩散区域的所述栅电极侧的外围部，并具有比所述第一扩散区域的杂质浓度更高的杂质浓度。
14.根据权利要求7所记载的摄像装置，其特征在于，
在所述第一扩散区域的表面，具有第一导电型的第三扩散区域，该第一导电型的第三扩散区域形成在所述第一扩散区域的所述栅电极侧的外围部，并具有比所述第一扩散区域的杂质浓度更高的杂质浓度。
15.根据权利要求7所记载的摄像装置，其特征在于，
在所述第一扩散区域的所述中央部和所述第一扩散区域的所述栅电极侧的外围部，具有第一导电型的多个第三扩散区域，所述第一导电型的多个第三扩散区域面向所述栅电极而依次形成，并具有比所述第一扩散区域的杂质浓度更高的杂质浓度，
与所述栅电极相邻的所述第三扩散区域形成在所述第一扩散区域的表面，与所述栅电极相离的所述第三扩散区域形成在所述第一扩散区域的内部和表面这两者中的任意一方，
距离所述栅电极近的所述第三扩散区域的杂质浓度，比距离所述栅电极远的所述第三扩散区域的杂质浓度高。
16.一种摄像装置，其特征在于，
具有多个像素，该多个像素分别具有光电二极管，
所述像素接受经由第一滤光器所入射的光和经由第二滤光器所入射的光中任意一方的光，其中，该第一滤光器是选择性地透过波长相对短的光的滤光器，该第二滤光器是选择性地透过波长相对长的光的滤光器，
接受所述波长相对短的光的各个像素具有：
第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部；
传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极；
第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的表面上的除去所述中央部之外的外围部，并具有与第一导电型相反的极性，
接受所述波长相对长的光的各像素具有：
第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，并且在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部；
传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极；
第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的整个表面，并具有与第一导电型相反的极性。
17.根据权利要求16所记载的摄像装置，其特征在于，
在接受所述波长相对短的光的各像素的所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
18.根据权利要求16所记载的摄像装置，其特征在于，
各像素具有：
复位晶体管，其源电极连接到传送晶体管的漏电极，漏电极连接到电压供给线，
源跟随晶体管，其栅电极连接到作为传送晶体管的漏电极以及复位晶体管的源电极的浮置扩散节点，并从源电极输出像素信号，
接触区域，其将所述浮置扩散节点和所述源跟随晶体管的栅电极相互连接。
19.根据权利要求16所记载的摄像装置，其特征在于，
所述第二扩散区域的杂质浓度比所述第一扩散区域的杂质浓度更高。
20.根据权利要求16中的摄像装置，其特征在于，
所述第一导电型为n型，所述第二导电型为p型。
21.根据权利要求16中的摄像装置，其特征在于，
具有微透镜，该微透镜形成于所述第一扩散区域上方，而且用于将入射到每个所述像素的光聚焦在所述第一扩散区域。
22.一种摄像装置，其特征在于，
具有多个像素，该多个像素分别具有光电二极管，
所述像素接受经由第一滤光器所入射的光和经由第二滤光器所入射的光中任意一方的光，其中，该第一滤光器是选择性地透过波长相对短的光的滤光器，该第二滤光器是选择性地透过波长相对长的光的滤光器，
接受所述波长相对短的光的各个像素具有：
第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，其中央部从半导体衬底的表面露出，并且该第一扩散区域在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，
传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，
第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖外围部中的局部外围部，并具有与第一导电型相反的极性，其中，该外围部是指，在所述第一扩散区域的表面上的除了上述中央部之外的部分，该局部外围部是指，在所述外围部中除了与所述栅电极相邻的部分之外的部分；
接受所述波长相对长的光的各像素具有：
第一导电型的第一扩散区域，其形成在半导体衬底上，并在所述光电二极管中构成光载流子蓄积部，
传送晶体管，其将所述第一扩散区域作为源电极，并在与所述第一扩散区域相邻的位置，中间夹着绝缘膜而形成有栅电极，而且将蓄积在所述光电二极管中的光载流子传送到漏电极，
第二导电型的第二扩散区域，其形成在半导体衬底上，覆盖所述第一扩散区域的整个表面，并具有与第一导电型相反的极性；
在接受所述波长相对短的光的各像素的所述第一扩散区域中，露出在表面的区域的面积比被第二扩散区域覆盖的区域的面积更大。
23.根据权利要求22所记载的摄像装置，其特征在于，
各像素具有：
复位晶体管，其源电极连接到传送晶体管的漏电极，漏电极连接到电压供给线，
源跟随晶体管，其栅电极连接到作为传送晶体管的漏电极以及复位晶体管的源电极的浮置扩散节点，并从源电极输出像素信号，
接触区域，其将所述浮置扩散节点和所述源跟随晶体管的栅电极相互连接。
24.根据权利要求22所记载的摄像装置，其特征在于，
所述第二扩散区域的杂质浓度比所述第一扩散区域的杂质浓度更高。
25.根据权利要求22中的摄像装置，其特征在于，
所述第一导电型为n型，所述第二导电型为p型。
26.根据权利要求22中的摄像装置，其特征在于，
具有微透镜，该微透镜形成于所述第一扩散区域上方，而且用于将入射到每个所述像素的光聚焦在所述第一扩散区域。
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