CN101271911B - 固体摄像元件、单板彩色固体摄像元件及电子设备 - Google Patents
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Abstract
提供一种固体摄像元件，能够抑制灵敏度的降低和光谱灵敏度的变化。该固体摄像元件具备在半导体基板(10)上设置的、以二维状排列了包含雪崩光电二极管的多个摄像单元的摄像区域，该雪崩光电二极管具备：阳极区(12)，从半导体基板(10)的表面在与半导体基板(10)表面垂直的方向延伸；阴极区(14)，在与半导体基板(10)表面平行的方向同阳极区(12)离开距离，并且设在半导体基板(10)中；以及雪崩倍增区(13)，由阳极区(12)和阴极区(14)相互对置的区域规定，其杂质浓度比阳极区(12)及阴极区(14)低；阳极区(12)和阴极区(14)的自半导体基板(10)表面的深度相互不同。
Description
技术领域
本发明涉及固体摄像元件，特别涉及使用了雪崩光电二极管的固体摄像元件、单板彩色固体摄像元件及电子设备。
背景技术
随着数字相机、带相机便携式电话等电子设备市场的扩大，固体摄像元件(图像传感器)的开发日益加强。特别是，可利用作为一般的半导体制造工艺的互补型金属氧化膜半导体(CMOS)制造工艺来制造的MOS型图像传感器的开发竞争非常激烈。
在多像素化、缩小光学尺寸这样的趋势中，MOS型图像传感器的像素尺寸的微细化是重要的开发项目。在实际商品中，实现了2.2μm程度的像素尺寸。在学会发表中，有人报告了1.7μm尺寸的像素，还有多个制造商发表了1.7μm像素MOS型图像传感器的批量生产计划。此外，对于作为以往的主流元件的电荷耦合元件(CCD)图像传感器，也同样进行着像素的微细化开发。
伴随着这样的像素微细化，无法避免图像传感器的灵敏度降低。即，随着像素的微细化，光电二极管等受光元件的面积缩小。由于每个像素的入射光量降低，所以，通过光电变换产生且存储在像素部的信号电荷量降低。
作为利用较少的信号电荷得到较大信号输出的方法，已知有利用雪崩倍增来放大信号电荷的技术。例如，已公开了作为雪崩倍增层采用了非晶硒(a-Se)类的光导电膜的摄像管(例如，参照非专利文献1)和层叠了a-Se雪崩倍增层的固体摄像元件(例如，参照非专利文献2)等。
非专利文献2中，在COMS传感器上通过直径5μm的凸部混接了厚0.5μm的HARP(High-gain Avalanche Rushing amorphousPhotoconductor，高增益雪崩增流无定形光电导体)膜。已知通过对该HARP膜施加约75V的电压，得到约10倍的增益。
但是，当使用这样的硅类以外材料的倍增膜的情况下，如上所述，需要使用了凸部等的混合化。因此，不能说是对于像素微细化合适的方式。
此外，通常的雪崩倍增层在半导体基板表面具有垂直的纵型结构(例如，参照专利文献1)。在这样的雪崩倍增层中，用于产生雪崩倍增的电场与入射光平行。短波长光在半导体基板表面附近被吸收，长波长光从半导体基板表面透射到较深位置。其结果，根据由雪崩倍增层吸收的光的波长，雪崩倍增率不同，导致光谱灵敏度会变化的问题。
此外，提出了可高速响应的横型沟道光学探测器(例如，参照专利文献2)。在专利文献1中，在设于半导体基板上的多个沟道的每个中交替地形成n型沟道区和p型沟道区，制作了横型PIN光电二极管。
而且，在由单一传感器接收光的三原色即红、绿、蓝(RGB)的单板彩色图像传感器中，为了得到光谱灵敏度不同的像素，需要在光电二极管的上方形成滤色器。通过该滤色器的存在，光电二极管表面和微透镜间的距离变大。因此，由微透镜实现的聚光效率降低，成为灵敏度降低的一个原因。
非专利文献1：谷岡及其他作者，アイトリプルイ一·エレクトロン·デバイス·レタ一ズ(IEEE Electron Device Letters)，1987年9月，第EDL-8卷，p.392-394；
非专利文献2：滝口及其他作者，アイトリプルイ一·トランザクシヨン·才ン·エレクトロン·デバイス(IEEE Transactions onElectron Device)，1997年10月，第44卷，第10号，p.1783；
专利文献1：日本专利特开2000-323747号公报
专利文献2：美国专利第6177289号说明书
发明内容
本发明的目的在于提供一种可抑制灵敏度的降低和光谱灵敏度的变化的固体摄像元件、单板彩色固体摄像元件及电子设备。
根据本发明的第一方案，提供一种固体摄像元件，其具备在半导体基板上以二维状排列了包含雪崩光电二极管的多个摄像单元的摄像区域，雪崩光电二极管具备：阳极区，在上述半导体基板的深度方向延伸，形成在上述半导体基板中；阴极区，在与上述半导体基板表面平行的方向上同上述阳极区隔着距离，并且在上述半导体基板中沿上述深度方向延伸设置；以及雪崩倍增区，由上述阳极区和上述阴极区相互对置的区域来规定，该雪崩倍增区的杂质浓度比上述阳极区及上述阴极区低，上述阳极区和上述阴极区的自上述半导体基板表面的深度相互不同，上述阴极区的自上述半导体基板表面的深度，比上述阳极区的自上述半导体基板表面的深度深。
根据本发明的第二方案，提供一种单板彩色固体摄像元件，具备在半导体基板上以二维状排列了包含第1～第3雪崩光电二极管的多个摄像单元的摄像区域，其特征在于，上述第1～第3雪崩光电二极管分别具备：第1～第3阳极区，在上述半导体基板的深度方向延伸，并形成在上述半导体基板中；第1～第3阴极区，在与上述半导体基板表面平行的方向上分别与上述第1～第3阳极区隔着距离，并且在上述半导体基板中沿上述深度方向延伸设置；第1～第3雪崩倍增区，在上述第1～第3阳极区和上述第1～第3阴极区之间分别设置，该第1～第3雪崩倍增区的杂质浓度比上述第1～第3阳极区及上述第1～第3阴极区低；上述第1阳极区的自上述半导体基板表面的深度和上述第1阴极区的自上述半导体基板表面的深度、上述第2阳极区的自上述半导体基板表面的深度和上述第2阴极区的自上述半导体基板表面的深度、上述第3阳极区的自上述半导体基板表面的深度和上述第3阴极区的自上述半导体基板表面的深度中的至少某一组相互不同，所述深度互相不同的一组的阴极区的所述深度比相应的阳极区的所述深度深。
根据本发明的第三方案，提供一种将本发明的第一方案的固体摄像元件、或者本发明的第二方案的单板彩色固体摄像元件组装到摄像机模块中的电子设备。
根据本发明，能够提供可抑制灵敏度的降低和光谱灵敏度的变化的固体摄像元件、单板彩色固体摄像元件及电子设备。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式涉及的固体摄像元件的一例的图。
图2是表示本发明的第一实施方式涉及的固体摄像元件的摄像单元的电路一例的图。
图3是表示本发明的第一实施方式涉及的固体摄像元件中使用的雪崩光电二极管的一例的立体图。
图4是表示本发明的第一实施方式涉及的固体摄像元件中使用的雪崩光电二极管的一例的剖面图。
图5是表示本发明的第一实施方式涉及的固体摄像元件的摄像单元的一例的平面图。
图6是表示图5所示的固体摄像元件的摄像单元的A-A剖面的图。
图7是图6所示的固体摄像元件的摄像单元的势能图。
图8是表示本发明的第一实施方式涉及的雪崩光电二极管的电场分布的一例的图。
图9是表示本发明的第一实施方式涉及的雪崩光电二极管的一例的剖面图。
图10是表示本发明的第一实施方式涉及的雪崩光电二极管的另一例的剖面图。
图11是表示本发明的第二实施方式涉及的单板彩色固体摄像元件的摄像单元的一例的图。
图12是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的一例的剖面图(其一)。
图13是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的一例的剖面图(其二)。
图14是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的一例的剖面图(其三)。
图15是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的灵敏度与波长之间关系的一例的图。
图16是表示本发明的第二实施方式的说明中使用的半导体层的透射率与深度之间关系的一例的图。
图17是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的另一例的剖面图(其一)。
图18是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的另一例的剖面图(其二)。
图19是表示本发明的第二实施方式涉及的雪崩光电二极管的另一例的剖面图(其三)。
图20是表示本发明的其他实施方式涉及的电子设备的一例的图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。在以下附图的记载中，对相同或类似的部分赋予相同或类似的标记。但是，附图是示意性的，请注意厚度和平面尺寸的关系、各层厚度的比例等不同于实际结构。因此，具体的厚度和尺寸应该根据以下的说明进行判断。此外，在附图之间也包含相互的尺寸关系和比例不同的部分，这是毋庸置疑的。
(第一实施方式)
如图1所示，本发明的第一实施方式涉及的固体摄像元件2具备摄像区域60、负载晶体管区域62、相关双采样(CDS)电路64、水平选择电路66、垂直选择电路68、自动增益控制电路(AGC)70、模拟-数字变换电路(ADC)72、数字放大器74和定时发生电路(TG)76。摄像区域60包含以二维状排列的多个摄像单元80。多个摄像单元80的各个具有像素的功能，将对入射光信号进行了光电变换后的信号电荷变换为电压，生成模拟信号。负载晶体管区域62与摄像区域60接触配置，通过与垂直选择电路68所选择的像素的放大晶体管的组合，构成源极跟随电路，从摄像区域60向CDS电路64输出在各像素生成的模拟信号电压。
CDS电路64与多个摄像单元80的各个连接，降低由多个摄像单元80的每个进行了光电变换的模拟信号的噪声。如上所述，垂直选择电路68从在摄像区域60排列的多个摄像单元80中在列方向选择对象摄像单元80。水平选择电路66在行方向选择被CDS电路64保持的1行的像素信号，按时间序列依次输出。
AGC70将来自CDS电路64的模拟信号调整为适当增益。ADC72与AGC70连接，将进行了增益调整的模拟信号变换为数字信号。数字放大器74与ADC72连接，向外部的信号处理装置(DSP)输出变换后的数字信号。TG76产生用于驱动水平选择电路66、垂直选择电路68、CDS电路64、AGC70、ADC72和数字放大器74的定时脉冲。
图1所示的固体摄像元件2是在一个半导体基板上集成的单芯片结构。并且，也可以将ADC72作为与CDS电路64一体构成的列型的CDS-ADC电路。此外，AGC70、ADC72、数字放大器74和TG76等，可以根据需要省略其中一部分，再者，也可以是在其他芯片上形成这些的双芯片结构。
如图2所示，多个摄像单元80的各个具备构成单位像素的雪崩光电二极管ADP和多个n型金属氧化膜半导体(n-MOS)晶体管。作为n-MOS晶体管，包含传输晶体管TrTRF、复位晶体管TrRST、放大晶体管TrAMP、选择晶体管TrSEL等。在负载晶体管区域62，具备与多个摄像单元80中的、在列方向排列的各个摄像单元80共同连接的负载晶体管TrLOAD。
进行光电变换的雪崩光电二极管APD的阳极，与从配置在摄像区域60外部的电源(省略图示)供给施加电压(-VPD)的阳极布线连接。雪崩光电二极管APD的阴极与传输晶体管TrTRF的源极区连接。传输晶体管TrTRF的栅极与传输信号线连接。传输晶体管TrTRF的漏极区与复位晶体管TrRST的源极区连接。复位晶体管TrRST的栅极与复位信号线连接。复位晶体管TrRST的漏极区与供给电源电压Vdd的电源电压布线连接。相互连接的传输晶体管TrTRF的漏极区及复位晶体管TrRST的源极区是具有所谓浮动扩散(FD：floating diffusion)的功能的检测部50，其存储通过传输晶体管TrTRF传输的信号电荷，将该信号电荷变换为信号电压并输出。
放大晶体管TrAMP的栅极与检测部50连接。放大晶体管TrAMP的漏极区与电源电压布线连接。放大晶体管TrAMP的源极区与选择晶体管TrSEL的漏极区连接。选择晶体管TrSEL的栅极与行选择信号线连接。选择晶体管TrSEL的源极区通过与图1所示的CDS电路64连接的垂直信号线，同负载晶体管TrLOAD的漏极区连接。负载晶体管TrLOAD的栅极与负载信号线连接。负载晶体管TrLOAD的源极区接地。并且，也可以将放大晶体管TrAMP和选择晶体管TrSEL互换。
在雪崩光电二极管APD生成的电荷信号，通过传输晶体管TrTRF传输给检测部50。存储在检测部50的电荷信号，通过FD的静电电容变换为模拟电压信号。利用通过垂直信号线串联连接的放大晶体管TrAMP和负载晶体管TrLOAD所构成的源极跟随电路，由检测部50检测的模拟电压信号被输出到通过垂直信号线连接的CDS电路64。
复位晶体管TrRST根据复位信号放出存储在成为导通状态的检测部50中的信号电荷，将按测部50复位。选择晶体管TrSEL根据行选择信号来连接成为导通状态的放大晶体管TrAMP和负载晶体管TrLOAD，从而激活由选择行的放大晶体管TrAMP和负载晶体管TrLOAD所构成的源极跟随电路，同时电分离非选择行的放大晶体管TrAMP和负载晶体管TrLOAD。
并且，在图2中，在作为单位像素的摄像单元80内部具备光电变换、信号电荷存储、电荷-电压变换、源极跟随等全部功能。但是，根据需要，也可以将多个雪崩光电二极管APD和与多个雪崩光电二极管APD的各个连接的传输晶体管TrTRF连接到共同的检测部50上。该情况下，共有复位晶体管TrRST、放大晶体管TrAMP、选择晶体管TrSEL等。通过具有这样的结构，可以形成2像素1摄像单元结构、或者4像素1摄像单元结构等，容易对应像素微细化。
如图3及图4所示，第一实施方式涉及的雪崩光电二极管具备设在半导体基板10上的p+型阳极区12、p-型雪崩倍增区13和n-型阴极区14。在阳极区12连接阳极布线32。在阴极区14连接布线34。在雪崩光电二极管的上方，配置具有与雪崩倍增区13对应的开口部44的遮光膜42。
阳极区12从半导体基板10的表面，在与半导体基板10的表面垂直的方向延伸。在与半导体基板10的表面平行的方向，阴极区14同阳极区12隔着距离设在半导体基板10上。雪崩倍增区13由阳极区12和阴极区14相互对置的区域规定。阳极区12及阴极区14的深度都是D，雪崩倍增区13的长度是L。
雪崩倍增区13的杂质浓度比阳极区12及阴极区14低。例如，半导体基板10使用p-型硅基板等，但如果其杂质浓度是如下所述的低浓度，也可以是n-型硅基板。半导体基板10的杂质浓度是约1×1014cm-3～约5×1015cm-3的范围，优选是约1×1014cm-3～约2×1015cm-3的范围，更优选是约1×1014cm-3～约1×1015cm-3的范围。阳极区12及阴极区14的杂质浓度是约1×1018cm-3以上，优选是约5×1018cm-3以上，更优选是约1×1019cm-3以上。
以反偏置使用雪崩光电二极管。例如，如图2所示，通过阳极布线32向阳极区12施加负电压(-VPD)，通过布线34向阴极区14施加正电压。通过遮光膜42的开口部44向雪崩倍增区13的表面入射的入射光，在雪崩倍增区13内被吸收，生成电子空穴对。生成的电子和空穴，通过由反偏置形成的电场，分别朝向阴极区14和阳极区12。到达阳极区12的空穴被排出到阳极布线32上。另一方面，到达阴极区14的电子作为信号电荷Qsig被存储在阴极区14和与阴极区14连接的传输晶体管TrTRF的源极区。
如图5所示，传输晶体管(16a、22a、16b)配置在雪崩光电二极管(12、13、14)的阴极区14一侧。复位晶体管(16c、22b、16d)、放大晶体管(16e、22c、16f)及选择晶体管(16g、22d、16h)相对于雪崩光电二极管(12、13、14)并列配置。
复位晶体管的漏极区16d和放大晶体管的漏极区16e相互接触地设置。放大晶体管的源极区16f及选择晶体管的漏极区16g相互接触地设置。
如图6所示，雪崩光电二极管(12、13、14)、传输晶体管(16a、22a、16b)、复位晶体管(16c、22b、16d)等各区域设置于半导体基板10。在半导体基板10的表面设有氧化硅(SiO2)等保护膜30。通过保护膜30的开口部，在阳极区12连接阳极布线32。同样，在阴极区14及传输晶体管的源极区16a连接布线34。在传输晶体管的漏极区16b和复位晶体管的源极区16c连接布线36。在复位晶体管的漏极区16d连接电源电压布线38。传输晶体管的漏极区16b及复位晶体管的源极区16c作为检测部的FD使用。
在传输晶体管的栅极，设有栅绝缘膜20a和栅电极22a。在复位晶体管的栅极设有栅绝缘膜20b和栅电极22b。在布线(32、34、36、38)及栅极(22a、22b)的上方，隔着绝缘膜40设有铝(Al)等遮光膜42。在遮光膜42上与雪崩倍增区13对应地设有开口部44。
并且，虽然省略了图示，布线36与放大晶体管的栅电极22c连接。传输晶体管的栅电极22a与传输信号线连接。复位晶体管的栅电极22b与复位信号线连接。选择晶体管的栅电极22d与行选择信号线连接。选择晶体管的源极区16h与连接在图1所示的CDS电路64上的垂直信号线连接。
在从图6所示的雪崩光电二极管(12、13、14)至复位晶体管(16c、22b、16d)的路径中，使用图7的势能图说明第一实施方式涉及的固体摄像元件中的信号电荷的传输。
在图7中，对于传输晶体管TrTRF的栅电极22a下、以及复位晶体管TrRST的栅电极22b下的势能，使用箭头表示与晶体管的开、关动作对应的2个状态。
首先，对传输晶体管TrTRF的栅电极22a和复位晶体管TrRST的栅电极22b分别施加传输信号和复位信号，使传输晶体管TrTRF和复位晶体管TrRST导通。其结果，检测部50、传输晶体管TrTRF的源极区16a、以及阴极区14的电位被复位，设定为复位电压VRS。
之后，通过使传输晶体管TrTRF不导通，开始信号电荷的存储。此时，雪崩光电二极管APD的阳极区12的电压是-VPD，所以向雪崩光电二极管APD施加了反偏电压(-VPD-VRS)。反偏电压(-VPD-VRS)的大部分施加在低杂质浓度的p-型雪崩倍增区13，产生电场。
通过开口部44入射到雪崩倍增区13的光，在雪崩倍增区13被吸收，生成电子空穴对。生成的信号电荷通过由施加反偏置而形成的电场，移动到阴极区14。到达阴极区14的信号电荷，存储在阴极区14和通过布线34连接在阴极区14上的传输晶体管TrTRF的源极区16a(Qsig)。
此时，通过将雪崩倍增区13的电场设置成足够强的电场，发生在低杂质浓度的雪崩倍增区13移动的电子和空穴的雪崩倍增。在一般的半导体基板材料的单晶硅中，优先发生离子化率α相对较大的电子所引起的雪崩倍增(例如，参照C.A.Lee，et al，Physical Review，1964年，第134卷第3A号，p.A761)。
例如，设图4所示的雪崩倍增区13的长度L为约0.1μm、反偏电压(-VPD-VRS)为约-6.6V的情况下，如图8所示，在雪崩倍增区13形成约5.5×105V/cm的电场。该电场强度下，单晶硅中的电子的离子化率α是约1.26×105[cm-1]，雪崩倍增率M是M＝exp(αL)，所以能得到：
M＝exp(1.26×105×0.1×10-4)＝3.5 (1)
可知道发生约3.5倍的雪崩倍增。
在此，作为反偏电压(-VPD-VRS)，将复位电压VRS设为约3.3V，阳极电压(-VPD)设为约-3.3V。在扩大雪崩倍增区13的长度L的情况下，为了维持雪崩倍增区13的电场强度，将阳极电压(-VPD)向负电压侧增加即可。通过这样做，不必变更放大晶体管等的读取电路侧的复位电压VRS，就可以维持雪崩增倍率M。
例如，将雪崩倍增区13的长度设为约0.2μm的情况下，设复位电压VRS为约3.3V、阳极电压(-VPD)为约-6.7V。在雪崩倍增区13形成的电场是约4.4×105V/cm，电子的离子化率α是约7.94×104[cm-1]。此时的雪崩倍增率M是：
M＝exp(7.94×104×0.2×10-4)＝4.9 (2)
可知道发生约4.9倍的雪崩倍增。
关于存储在阴极区14及传输晶体管TrTRF的源极区16a中的信号电荷Qsig的读取，与通常的MOS型固体摄像元件相同。例如，通过导通传输晶体管TrTRF，信号电荷Qsig被传输到检测部50。其结果，放大晶体管TrAMP的栅极电位被调制，在放大晶体管TrAMP的栅极产生与信号电荷Qsig对应的模拟电压信号，通过各列的源极跟随电路读取。
并且，还可以在通过放大晶体管TrAMP进行的信号读取之前，向复位晶体管TrAMP的栅电极22b施加复位信号，将检测部50的电压复位，这是更优选的。该情况下，通过取得在复位状态下读取的模拟电压信号和向检测部50传输信号电荷Qsig之后读取的模拟电压信号之间的差分，可以除去复位噪声分量，能够实现低噪声。
在第一实施方式中，在雪崩光电二极管的雪崩倍增区13，在与半导体基板表面平行的方向形成足够产生雪崩倍增的电场。因此，能够对由入射到雪崩倍增区13的入射光发生的信号电荷Qsig进行倍增，可得到高灵敏度的固体摄像元件。
在通常的固体摄像元件中，入射光的方向和用于雪崩倍增的电场的方向是平行的。因此，存在倍增率随入射光的波长而不同的问题。即，对于短波长的入射光，硅等半导体薄膜的吸收系数较大，入射光在半导体薄膜的表面附近被吸收。相反，对于长波长的入射光，半导体薄膜的吸收系数较小，入射光还在半导体薄膜的较深区域被吸收。因此，信号电子的平均移动距离与形成了雪崩倍增电场的区域的长度不一致。因此，当长波长光的情况下，不能得到足够的倍增率，因此光谱灵敏度特性会发生变化。
第一实施方式中，在雪崩光电二极管的雪崩倍增区13，在与入射光的入射方向实质上垂直的方向形成足够产生雪崩倍增的电场。因此，同入射光的波长无关，雪崩倍增区13中的雪崩倍增率固定。其结果，可以抑制光谱灵敏度特性的变化。
作为第一实施方式涉及的固体摄像元件的制造方法，可使用通常的MOS晶体管制造工艺。作为雪崩光电二极管的阳极区和阴极区的高浓度杂质区的形成方法，例如可使用离子注入等。而且，还可以使用在蚀刻形成有阳极区及阴极区的半导体基板的区域而形成了沟道之后，埋入添加有p型及n型杂质的非晶质材料、多晶材料等的方法。该情况下，还可以根据需要实施适当的热处理，使埋入的非晶质材料、多晶材料等结晶，这是更优选的。
并且，在上述说明中，如图9所示，阳极区12及阴极区14的深度实质上相同。该情况下，从在雪崩倍增区13内的比阳极区12及阴极区14浅的区域被吸收的入射光发生的信号电子，被雪崩倍增后存储在阴极区14(Qsig)。
另一方面，从在比雪崩倍增区13深的、半导体基板10的较深区域被吸收的入射光发生的电子Qn，其一部分存储在阴极区14。该电子Qn没有进行雪崩倍增，因此可以忽视作为信号的作用。未存储在阴极区14的电子Qn，在半导体基板10的内部扩散。在固体摄像元件中，如此地在半导体基板10的内部扩散的电子Qn飞散到邻接像素，从而会发生串扰、所谓的混色，需要其对策。
如图10所示，将阴极区14A的深度设为比阳极区12深。此情况下，在由阳极区12的深度规定的、比雪崩倍增区13深的区域发生的电子Qn，其大部分存储在比阳极区12深的部分的阴极区14A。因此，可以大幅度减少在半导体基板10的内部扩散而成为混色原因的电子。
(第二实施方式)
本发明的第二实施方式涉及的单板彩色固体摄像元件，如图11所示，具备按拜尔(Bayer)排列配置了1个蓝色(B)用、2个蓝色+绿色(B+G)用、以及1个蓝色+绿色+红色(B+G+R)用的4个像素4a、4b、4c的摄像单元80。
如图12所示，像素4a具备第1雪崩光电二极管(12a、13a、14a)和第1传输晶体管(16A、22A、16B)。第1雪崩光电二极管(12a、13a、14a)具备第1阳极区12a、第1雪崩倍增区13a和第1阴极区14a。第1阳极区12a和第1阴极区14a是实质上相同的深度Da。第1传输晶体管(16A、22A、16B)具备第1源极区16A、第1栅电极22A和第1漏极区16B。第1源极区16A通过布线(省略图示)同第1阴极区14a电连接。
如图13所示，像素4b具备第2雪崩光电二极管(12b、13b、14b)和第2传输晶体管(16C、22B、16D)。第2雪崩光电二极管(12b、13b、14b)具备第2阳极区12b、第2雪崩倍增区13b和第2阴极区14b。第2阳极区12b和第2阴极区14b是实质上相同的深度Db。第2传输晶体管(16C、22B、16D)具备第2源极区16C、第2栅电极22B和第2漏极区16D。第2源极区16C通过布线(省略图示)同第2阴极区14b电连接。
如图14所示，像素4c具备第3雪崩光电二极管(12c、13c、14c)和第3传输晶体管(16E、22C、16F)。第3雪崩光电二极管(12c、13c、14c)具备第3阳极区12c、第3雪崩倍增区13c和第3阴极区14c。第3阳极区12c和第3阴极区14c是实质上相同的深度Dc。第3传输晶体管(16E、22C、16F)具备第3源极区16E、第3栅电极22C和第3漏极区16F。第3源极区16E通过布线(省略图示)同第3阴极区14c电连接。
复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管等可以设在各个像素4a、4b、4c中，但是从缩小像素电路规模的角度出发，希望共有。
像素4a、4b、4c的深度Da、Db、Dc具有Da＜Db＜Dc的关系。如上所述，短波长光在半导体层的表面附近被吸收，长波长光到达半导体层的深部被吸收。因此，在像素4a的第1雪崩倍增区13a，主要是蓝色光被吸收，生成信号电子Qsig。在像素4b的第2雪崩倍增区13b，主要是蓝色和绿色的光被吸收，生成信号电子Qsig。在像素4c的第3雪崩倍增区13c，主要是蓝色、绿色和红色的光被吸收，生成信号电子Qsig。如此地，通过改变第1～第3阳极区12a、12b、12c和第1～第3阴极区14a、14b、14c的深度Da、Db、Dc，可以任意设计第1～第3雪崩光电二极管的光谱吸收率特性。
在第二实施方式中，第1～第3阳极区12a、12b、12c和第1～第3阴极区14a、14b、14c的深度Da、Db、Dc不相同的多个像素4a、4b、4c排列在1个摄像单元80中这一点，不同于第一实施方式。其他结构与第一实施方式相同，省略重复的记载。
图15是改变阳极区和阴极区的深度进行调查的雪崩光电二极管的灵敏度与入射光波长之间关系。从图15可知，通过将阳极区及阴极区的深度设为约0.1μm以上且约0.3μm以下，优选为约0.2μm以上且0.3μm以下的范围，能够得到作为蓝色波长范围的约400nm～约450nm中的灵敏度比其它波长相对高的雪崩光电二极管。通过将阳极区及阴极区的深度设为大于约0.3μm且约1μm以下的范围，能够制作作为从蓝色至绿色的波长范围的约400nm～约550nm中的灵敏度相对较高的雪崩光电二极管。通过将阳极区及阴极区的深度设为大于约1μm，能够制作作为从蓝色至红色的波长范围的约400nm～约650nm中的灵敏度相对较高的雪崩光电二极管。
图16是改变入射光的波长进行调查的单晶硅半导体层的透射率与深度之间的关系。例如，将波长为约650nm以下的长波长光作为摄像对象。硅半导体层的投射率高，即使是波长为约650nm的单波长光，在深度小于等于约10μm的硅半导体层中约97％被吸收。因此，如果将阳极区及阴极区的深度设为大于约1μm且约10μm以下的范围，能够实现从蓝色至红色的波长范围内灵敏度高的雪崩光电二极管。
此外，为了在蓝色至绿色的波长范围内确保高的灵敏度，更优选将阳极区及阴极区的深度设为大于约0.3μm且约1.5μm以下的范围。此时，如图15所示，对于定义为绿色的约500nm～约550nm的波长范围的光的灵敏度得到提高。
再者，为了在蓝色至红色的波长范围内确保高灵敏度，更优选将阳极区及阴极区的深度设为大于约1.5μm且约5μm以下的范围。此时，如图10所示，即使是约650nm的长波长光也能在约5μm处约80％的光被吸收，可得到充分的长波长光灵敏度。此外，阳极区及阴极区的深度较浅，能够使制造工艺容易。
通过在摄像区域内重复配置第1～第3阳极区及第1～第3阴极区的深度分别不同的第1～第3雪崩光电晶体管，能够得到单板彩色固体摄像元件。来自这样得到的单板彩色固体摄像元件的信号，不同于通常的原色滤色器固体摄像元件中的R、G、B输出，成为R+G+B、G+B、B的三种输出。此时，通过对这些三种信号实施适当的运算处理，能够得到R、G、B信号。
如此地，根据第二实施方式，能够得到不需要滤色器的单板彩色固体摄像元件。由于不使用滤色器，能够大幅缩雪崩光电二极管表面和用于提高像素的光学开口率的微透镜之间的距离。因此，能够提高微透镜的聚光效率，能够得到高灵敏度且低价格的单板固体摄像元件。
并且，如图12及图13所示，在第1及第2阳极区12a、12b和第1及第2阴极区14a、14b的深度较浅的像素4a、4b中，在比第1及第2雪崩倍增区13a、13b深的半导体基板10的部分发生的电子Qn成为混色的原因。作为防止混色的结构，如图17、图18及图19所示，对于像素4a、4b、4c使用深度为Dc的第1～第3阴极区14a、14b、14c即可。
各个像素4a、4b的第1及第2雪崩倍增区13a、13b由第1及第2阳极区12a、12b的深度Da、Db规定。在比第1及第2雪崩倍增区13a、13b深的部分发生的电子Qn的大部分存储在第1及第2阴极区14a、14b。因此，在半导体基板10的内部扩散，能够大幅降低成为混色原因的电子。在比第1及第2雪崩倍增区13a、13b深的区域发生的电子Qn不接受雪崩倍增，因此不能忽视作为信号电荷的作用。
根据第二实施方式，能够实现可抑制灵敏度降低及光谱灵敏度变化的单板彩色固体摄像元件。
(其它实施方式)
如上所述，记载了本发明的实施方式，但不能理解为构成其公开部分的论述及附图不是用于限定该发明的内容。可以清楚地知道，根据该公开内容，本领域技术人员可以实施各种各样的替代实施方式、实施例及应用技术。
在本发明的第一及第二实施方式中，使用MOS型的读取电路做了说明，但读取方式不限MOS型，也可以是CCD型。
本发明的第1及第2实施方式涉及的固体摄像元件2可以用于便携式电话、数字相机等电子设备的摄像机模块。如图所示，摄像机模块具备固体摄像元件2、透镜100、控制电源102、信号处理装置(DSP)104、输入输出部106、中央运算装置(CPU)108等。通过透镜100后成像在固体摄像元件2上的被摄体的像，由固体摄像元件2进行光电变换。经光电变换的影像信号由DSP104进行信号处理，从输入输出部106输出。CPU108进行包含透镜100的光学系统的控制。控制电源102供给施加在固体摄像元件2上的电压。
而且，可以由固体摄像元件2、透镜100、DSP104及输入输出部106构成摄像机模块。再者，也可以只由固体摄像元件2、透镜100及输入输出部106构成摄像机模块。
在装载了本发明的第1及第2实施方式涉及的固体摄像元件或单板彩色固体摄像元件的电子设备中，能够得到高灵敏度且低价格的电子设备。
如上所述，本发明还包括在此未记载的各种各样的实施方式等，这是毋庸置疑的。因此，根据上述说明，由与适当的权利要求范围有关的发明特定事项来确定本发明的技术范围。
Claims (9)
1.一种固体摄像元件，具备在半导体基板上以二维状排列了包含雪崩光电二极管的多个摄像单元的摄像区域，其特征在于，
上述雪崩光电二极管具备：
阳极区，在上述半导体基板的深度方向延伸，并且形成在上述半导体基板中；
阴极区，在与上述半导体基板表面平行的方向上同上述阳极区隔着距离，并且在上述半导体基板中沿上述深度方向延伸设置；以及
雪崩倍增区，由上述阳极区和上述阴极区相互对置的区域来规定，该雪崩倍增区的杂质浓度比上述阳极区及上述阴极区低，
上述阳极区和上述阴极区的自上述半导体基板表面的深度相互不同，上述阴极区的自上述半导体基板表面的深度，比上述阳极区的自上述半导体基板表面的深度深。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
还具备金属氧化膜半导体晶体管，该金属氧化膜半导体晶体管具有源极区和漏极区，上述源极区与上述阴极区电连接，向上述漏极区传输由入射到上述雪崩倍增区的表面的光生成的信号电荷。
3.如权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述半导体基板具备：
自动增益控制电路，调整将上述信号电荷变换为电压的模拟信号的增益；
模拟-数字变换器，将已调整了增益的上述模拟信号变换为数字信号；以及
定时发生电路，产生使上述自动增益控制电路及上述模拟-数字变换器相对于从上述多个摄像单元中选择对象摄像单元的定时而取得同步的时钟信号。
4.一种电子设备，其特征在于，在该电子设备的摄像机模块中组装有权利要求1所述的固体摄像元件。
5.一种单板彩色固体摄像元件，具备在半导体基板上以二维状排列了包含第1～第3雪崩光电二极管的多个摄像单元的摄像区域，其特征在于，
上述第1～第3雪崩光电二极管分别具备：
第1～第3阳极区，在上述半导体基板的深度方向延伸，并形成在上述半导体基板中；
第1～第3阴极区，在与上述半导体基板表面平行的方向上分别与上述第1～第3阳极区隔着距离，并且在上述半导体基板中沿上述深度方向延伸设置；
第1～第3雪崩倍增区，在上述第1～第3阳极区和上述第1～第3阴极区之间分别设置，该第1～第3雪崩倍增区的杂质浓度比上述第1～第3阳极区及上述第1～第3阴极区低；
上述第1阳极区的自上述半导体基板表面的深度和上述第1阴极区的自上述半导体基板表面的深度、上述第2阳极区的自上述半导体基板表面的深度和上述第2阴极区的自上述半导体基板表面的深度、上述第3阳极区的自上述半导体基板表面的深度和上述第3阴极区的自上述半导体基板表面的深度中的至少某一组相互不同，所述深度互相不同的一组的阴极区的所述深度比相应的阳极区的所述深度深。
6.如权利要求5所述的单板彩色固体摄像元件，其特征在于，
上述第1阳极区的深度是0.1μm以上、且0.3μm以下，
上述第2阳极区的深度是大于0.3μm、且1μm以下，
上述第3阳极区的深度是大于1μm、且10μm以下。
7.如权利要求5所述的单板彩色固体摄像元件，其特征在于，
上述第1阳极区的深度是0.1μm以上、且0.3μm以下，
上述第2阳极区的深度是大于0.3μm、且1.5μm以下，
上述第3阳极区的深度是大于1.5μm、且5μm以下。
8.如权利要求5所述的单板彩色固体摄像元件，其特征在于，
上述半导体基板具备：
自动增益控制电路，调整将由入射到上述第1～第3雪崩倍增区的各个区域表面中的光生成的信号电荷变换为电压的模拟信号的增益；
模拟-数字变换器，将已调整了增益的上述模拟信号变换为数字信号；以及
定时发生电路，产生使上述自动增益控制电路及上述模拟-数字变换器相对于从上述多个摄像单元中选择对象摄像单元的定时而取得同步的时钟信号。
9.一种电子设备，其特征在于，
在该电子设备的摄像机模块中组装有权利要求5所述的单板彩色固体摄像元件。
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