CN101312205B

CN101312205B - 固态成像装置及照相机

Info

Publication number: CN101312205B
Application number: CN2008101088118A
Authority: CN
Inventors: 广田功
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: CN101312205A; JP2008294175A; JP5023808B2

Abstract

本发明提供固态成像装置及照相机。该固态成像装置包括：基板；光接收部分，构造成具有用光照射的第一基板表面和其上形成元件的第二基板表面；第二导电类型隔离层；检测晶体管，构造成包括靠近该第二基板表面形成在该第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层；以及复位晶体管，构造成包括形成在该第二导电类型隔离层中的第一导电类型电极层、在该第一导电类型电极层和该检测晶体管的该第二导电类型电极层之间的该第二导电类型隔离层、以及该光接收部分的该第一导电类型导电层。

Description

固态成像装置及照相机

技术领域

本发明涉及具有光电转换元件的固态成像装置及照相机。

背景技术

已知在固态成像装置例如电荷耦合装置(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，作为光接收部分的光电转换元件的光敏二极管中的晶体缺陷和在光接收部分与其上的绝缘膜之间的界面处的界面态(interface state)成为暗电流源。

作为抑制由界面态引起的暗电流产生的方案，掩埋光敏二极管结构是有效的。该掩埋光敏二极管例如以下面的方式获得。具体地讲，形成n型半导体区域。随后，在该n型半导体区域的表面附近，即在该表面和其上的绝缘膜之间的界面的附近，形成用于抑制暗电流的浅重掺杂p型半导体区域(空穴聚集区)。

在制造掩埋光敏二极管的通常方法中，实施用作p型杂质的B或BF₂的离子注入和退火处理，以由此在光敏二极管的n型半导体区域和绝缘膜的界面的附近制造p型半导体区域。

在CMOS图像传感器中，每个像素包括光敏二极管和用于各种操作例如读出、复位和放大的晶体管。光敏二极管的光电转换引起的信号由这些晶体管处理。在各像素之上，形成包括多层金属互连的互连层。在互连层之上，形成用于限定入射到光敏二极管上的光的波长的滤色器和用于在光敏二极管上聚集光的芯片上透镜。

作为该CMOS图像传感器的结构，已经提出具有各种特性的装置结构。

具体地讲，已经提出了下面的各种装置：通过为光电转换元件结构采用类CCD(CCD-like)特性获得的电荷调制装置(charge modulation device，CMD)(参照日本专利No.1938092、日本专利申请公开No.平6-120473和日本专利申请公开No.昭60-140752(分别为专利文件1、2和3))；体电荷调制装置(BCMD)(参照日本专利实用新型公开No.昭64-14959(专利文件4))；浮置阱放大器(floating well amplifier，FWA)，其中沟道根据聚集在最大点的光空穴(photo-hole)的电荷量形成于表面附近，并且源-漏电流根据表面附近的电荷量变化，且因此允许根据信号电荷的读出(参照日本专利No.2692218和日本专利No.3752773(分别为专利文件5和6))；阈值(Vth)调制图像传感器(VMIS)，其中彼此分开的光接收部分和信号检测部分设置成彼此相邻(参照日本专利申请公开No.平2-304973、日本专利申请公开No.2005-244434、日本专利No.2935492和日本专利申请公开No.2005-85999(分别为专利文件7、8、9和10))。

这些CMOS图像传感器是前照射固态成像装置，其基本上以来自其前面侧的光照射。

另一方面，已经提出了后照射固态成像装置(参照日本专利申请公开No.2003-31785(专利文件11))。对于该装置，形成光敏二极管和各种晶体管的硅基板后侧被抛光以减少基板厚度，以由此允许光入射到基板后侧上用于光电转换。

发明内容

在上述前照射CMD、BCMD、FWA和VMIS中，基板用于溢出(overflow)。因此，后侧照射是不可能的，并且复位电压高。

前照射CMD、BCMD、FWA和VMIS涉及开口率低的缺点，这是因为并排设置了光接收部分和提取晶体管(pick-up transistor)。

此外，现有光栅(photogate)结构涉及对蓝光的灵敏度低的缺点，这是因为光通过薄膜栅极接收。

如果光栅MOS晶体管形成在类似BCMD的前照射装置中的n^-层上，则在半导体表面附近实现由光辐射产生载流子，并且因此载流子由存在于半导体和绝缘膜之间的界面处的陷阱捕获。这导致在施加复位电压时积聚的载流子不能迅速释放并且因此而使装置的特性受到负面影响的缺点。

此外，如果光接收光敏二极管区域和信号检测晶体管彼此相邻地设置在类似VMIS的前照射装置中，则由光接收产生的电荷的积聚和调制操作不是动态操作，而是分离地在不同时间进行。因此，这样的装置对高速信号处理是不利的。

另外，如果类似地在前照射装置中彼此相邻地设置光接收光敏二极管区域和信号检测晶体管，则需要例如在信号检测部分之上提供光屏蔽膜的设计，这导致元件制造工艺复杂的缺点。

在前照射BCMD图像传感器中，在光栅电极下的整个沟道区域用作电荷积聚层，并且因此其电流-电压(I_D-V_DD)特性不是饱和特性而是三极管特性。当该图像传感器用作源极跟随器装置(source-follower device)时，这引起该图像传感器难于使用的缺点。

而且，上述的前照射CMOS图像传感器涉及光被像素之上的互连阻挡并且因此每个像素的灵敏度低的缺点，并且由相邻像素上的这些互连反射的光的入射引起串扰(crosstalk)等。

对于专利文件11中揭示的后照射固态成像装置，空穴积聚区域形成在基板的前侧和后侧上。然而，对于通过离子注入形成浅重掺杂p型半导体区域存在限制。因此，如果为了抑制暗电流而试图进一步增加p型半导体区域的杂质浓度，则p型半导体区域将延伸较深。较深的p型半导体区域导致光敏二极管的p-n结与转移栅极之间的距离较大，并且因此可能降低转移栅极的读出能力。

对于本实施例需要提供这样的固态成像装置和照相机，使其具有提高的灵敏度和小型化的像素，同时有效地高速进行一系列操作，包括光载流子的产生和积聚、电荷读出，以及残余电荷的发出(复位)，并且防止对蓝光灵敏性的变坏和在硅界面处的光载流子的捕获的影响。

根据本发明第一实施例，提供固态成像装置，包括：基板，构造成具有以光照射的第一基板表面；和第二基板表面，其上形成元件；以及光接收部分，构造成形成在该基板中，并且包括第一导电类型导电层。该光接收部分通过该第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能。该固态成像装置还包括第二导电类型隔离层，构造成形成在该光接收部分的第一导电类型导电层的一侧上；以及检测晶体管，构造成包括靠近第二基板表面形成在第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层。该检测晶体管检测在该光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能。该固态成像装置还包括复位晶体管，构造成包括第一导电类型电极层，该第一导电类型电极层形成于第二导电类型隔离层中，该第二导电类型隔离层沿平行于基板表面的方向相邻于检测晶体管的形成区域。该复位晶体管还包括在该第一导电类型电极层和该检测晶体管的第二导电类型电极层之间的第二导电类型隔离层，该检测晶体管的第二导电类型电极层相邻于该第二导电类型隔离层。该复位晶体管还包括光接收部分的第一导电类型导电层。

根据本发明的第二实施例，提供固态成像装置，包括：基板，构造成具有以光照射的第一基板表面；和第二基板表面，其上形成元件；以及光接收部分，构造成形成在该基板中，并且包括第一导电类型的导电层。该光接收部分通过第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能。该固态成像装置还包括第二导电类型隔离层，构造成形成在光接收部分的第一导电类型导电层的一侧上；以及检测晶体管，构造成包括靠近第二基板表面形成在第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层。该检测晶体管检测在光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能。该固态成像装置还包括复位晶体管，构造成包括第一导电类型电极层，该第一导电类型电极层形成在第二导电类型隔离层中，该第二导电类型隔离层沿平行于基板表面的方向相邻于检测晶体管的形成区域。该复位晶体管还包括在第一导电类型电极层和检测晶体管的第二导电类型电极层之间的第二导电类型隔离层，该检测晶体管的第二导电类型电极层相邻于第二导电类型隔离层。该复位晶体管还包括光接收部分的第一导电类型导电层。第二导电类型的第一源极区域形成在每个彼此隔离的单元中靠近第二基板表面的第一导电类型导电层中，并且第二导电类型的第一漏极区域形成为围绕该第一源极区域。该第一漏极区域远离源极侧的一侧沿着与基板表面平行的方向与第二导电类型隔离层的局部部分重叠。形成由第一源极区域和第一漏极区域围绕的第一栅极区域。作为第一导电类型电极层的第二漏极区域以与第一漏极区域远离源极侧的端部相距预定的距离形成在第二导电类型隔离层中，并且由第一漏极区域和第二漏极区域围绕的第二导电类型区域用作第二栅极区域。绝缘膜选择性形成在基板的第二基板表面上，在该第二基板表面中形成第一源极区域、第一漏极区域、第一栅极区域、第二漏极区域和第二栅极区域。跨过第二基板表面形成基于第一源极区域、第一栅极区域和第一漏极区域的检测晶体管，以及基于第二栅极区域、第二漏极区域和处于浮置状态的作为源极的第一导电类型导电层的复位晶体管。

根据本发明的第三实施例，提供固态成像装置，包括：基板，构造成具有以光照射的第一基板表面；和第二基板表面，其上形成元件；以及光接收部分，构造成形成在该基板中，并且包括第一导电类型导电层。该光接收部分通过该第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能。该固态成像装置还包括第二导电类型隔离层，构造成形成在光接收部分的第一导电类型导电层的一侧上；以及元件区域部分，构造成靠近第二基板表面形成在光接收部分中并处理积聚的电荷。该光接收部分的第一导电类型导电层由第二导电类型层沿着该基板的法线分成两个区域，以由此形成第一区域和第二区域。第一导电类型电极层形成在沿平行于基板表面的方向相邻于第一区域的第二导电类型隔离层中。在第一基板表面的光入射侧上形成透明电极，用于促进钉扎(pinning)功能的偏置电压施加到该透明电极。形成存储晶体管，该存储晶体管包括第一导电类型电极层、光接收部分的第一区域和第一导电类型电极层之间的第二导电类型隔离层，以及光接收部分的第一区域。

根据本发明的第四实施例，提供照相机，该照相机包括：固态成像装置，构造成通过基板的第一基板表面接收光；光学系统，构造成引导入射光到固态成像装置的第一基板表面；以及信号处理电路，构造成处理来自固态成像装置的输出信号。固态成像装置包括光接收部分，该光接收部分形成在基板中，并且包括第一导电类型导电层。该光接收部分通过该第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能。该固态成像装置还包括第二导电类型隔离层，该第二导电类型隔离层形成在光接收部分的第一导电类型导电层的一侧上；以及检测晶体管，包括靠近基板的第二基板表面形成在第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层。该检测晶体管检测光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能。该固态成像装置还包括复位晶体管，该复位晶体管包括第一导电类型电极层，该第一导电类型电极层形成在沿平行于基板表面的方向相邻于检测晶体管的形成区域的第二导电类型隔离层中。该复位晶体管还包括在第一导电类型电极层和检测晶体管的第二导电类型电极层之间的第二导电类型隔离层，检测晶体管的第二导电类型电极层相邻于第二导电类型隔离层。复位晶体管还包括光接收部分的第一导电类型导电层。

根据本发明的第五实施例，提供照相机，该照相机包括：固态成像装置，构造成通过基板的第一基板表面接收光；光学系统，构造成引导入射光到该固态成像装置的第一基板表面；以及信号处理电路，构造成处理来自固态成像装置的输出信号。该固态成像装置包括：光接收部分，形成在基板中，并且包括第一导电类型导电层。该光接收部分通过第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能。该固态成像装置还包括：第二导电类型隔离层，形成在光接收部分的第一导电类型导电层的一侧上；以及检测晶体管，包括靠近基板的第二基板表面形成在第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层。该检测晶体管检测光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能。该固态成像装置还包括：复位晶体管，包括第一导电类型电极层，该第一导电类型电极层形成在沿平行于基板表面的方向相邻于检测晶体管的形成区域的第二导电类型隔离层中。该复位晶体管还包括在第一导电类型电极层和检测晶体管的第二导电类型电极层之间的第二导电类型隔离层，该检测晶体管的第二导电类型电极层相邻于第二导电类型隔离层。该复位晶体管还包括光接收部分的第一导电类型导电层。第二导电类型的第一源极区域形成在每个彼此隔离的单元中靠近第二基板表面的第一导电类型导电层中，并且第二导电类型的第一漏极区域形成为围绕第一源极区域。该第一漏极区域远离源极侧的一侧沿着与基板表面平行的方向与第二导电类型隔离层的局部部分重叠。形成由第一源极区域和第一漏极区域围绕的第一栅极区域。作为第一导电类型电极层的第二漏极区域以与第一漏极区域远离源极侧的端部相距预定的距离形成在第二导电类型隔离层中，并且由第一漏极区域和第二漏极区域围绕的第二导电类型区域用作第二栅极区域。绝缘膜选择性地形成在基板的第二基板表面上，在该第二表面中形成第一源极区域、第一漏极区域、第一栅极区域、第二漏极区域和第二栅极区域。跨过第二基板表面侧形成基于第一源极区域、第一栅极区域和第一漏极区域的检测晶体管，以及基于第二栅极区域、第二漏极区域和处于浮置状态的作为源极的第一导电类型导电层的复位晶体管。

根据本发明的第六实施例，提供照相机，该照相机包括：固态成像装置，构造成通过基板的第一基板表面接收光；光学系统，构造成引导入射光到固态成像装置的第一基板表面；以及信号处理电路，构造成处理来自固态成像装置的输出信号。该固态成像装置包括光接收部分，该光接收部分形成在基板中，并且包括第一导电类型导电层。该光接收部分通过第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能。该固态成像装置还包括第二导电类型隔离层，形成在光接收部分的第一导电类型导电层的一侧上；以及元件区域部分，靠近基板的第二基板表面形成在光接收部分中，并且处理积聚的电荷。该光接收部分的第一导电类型导电层由第二导电类型层沿着基板的法线方向分成两个区域，以由此形成第一区域和第二区域。第一导电类型电极层形成在沿着平行于基板表面的方向相邻于第一区域的第二导电类型隔离层中。透明电极形成在第一基板表面的光入射侧上，用于促进钉扎功能的偏置电压施加到该透明电极。形成存储晶体管，该存储晶体管包括第一导电类型电极层、光接收部分的第一区域和第一导电类型电极层之间的第二导电类型隔离层、以及光接收部分的第一区域。

附图说明

通过参照附图对优选实施例的下述描述，本发明的这些和其它的目标与特征将变得更加清晰，其中：

图1是展示根据本发明实施例的固态成像装置的构造的示意图；

图2是展示根据本发明第一实施例的固态成像装置中的像素部分的基本结构的示意性截面图；

图3A和3B展示了关于本发明实施例的前照射BMCD和后照射BMCD的入射光束的波长和晶体管布置之间的关系；

图4是示意性地展示前照射装置中由透明电极/栅极氧化硅膜/硅单晶所形成的结构的能带状态的示意图；

图5是展示与在图2所示的装置中电势状态变化相关联的各个区域中半导体基板中的电子和空穴沿垂直于半导体基板表面的方向的电势变化的示意图；

图6是展示图2的装置的电路布置实例的示意图；

图7是展示采用图6的电路驱动固态成像装置(图像传感器)的时间图；

图8是展示图2的晶体管的第一布置实例的示意图；

图9是展示图2的晶体管的第二布置实例的示意图；

图10是展示根据本发明第二实施例的固态成像装置中像素部分的基本结构的示意性截面图；

图11是展示根据本发明第三实施例的固态成像装置中像素部分的基本结构的示意性截面图；

图12A至12C是展示图11的一个像素的示意图，图12A是展示传感器平面的示意图，图12B是沿着图12A中的a-a’线的截面图，而图12C是展示晶体管布置的示意图；

图13A和13B是展示使用根据第三实施例的固态成像装置的整体快门操作(global shutter operation)的概念图；

图14A至14C是当根据第三实施例的固态成像装置(图像传感器)应用到整体快门时的操作示范图；

图15是展示使用图11的装置结构的电路布置实例中四个像素的示意图；

图16是展示使用图11和15的结构的整体快门操作的时间图的实例的示意图；

图17是展示使用图11和15的结构的整体快门驱动的驱动电路实例的示意图；

图18是所有像素的同时复位的示范图；

图19是展示根据本发明第四实施例的固态成像装置中的像素部分的基本结构的示意性截面图；

图20是展示根据本发明第五实施例的固态成像装置中的像素部分的基本结构的示意性截面图；

图21是展示根据本发明第六实施例的固态成像装置中的像素部分的基本结构的示意性截面图；和

图22是展示照相机系统的构造的一个实例的示意图，该照相机系统应用根据任一实施例的固态成像装置。

具体实施方式

下面，将结合附图描述本发明的实施例。

<第一实施例>

图1是展示根据本发明第一实施例的固态成像装置的构造的示意图。

图1所示的固态成像装置1包括作为感应部分的像素部分2、纵向(Y方向)控制电路3、横向(X方向)控制电路4和定时控制电路5。

像素部分2通过如后面详细描述的以矩阵(在行和列上)布置像素2A形成，每个像素2A都包括光接收部分和复位晶体管等。

本实施例的像素部分2形成为基于电荷调制系统的后照射横向溢出图像传感器(back-irradiation lateral-overflow image sensor)。本实施例中的每个像素2A具有浮置单元结构(floating cell structure)。

在像素部分2中，设置在相同列上的像素连接到公共行线H0、H1、…，而设置在相同行上的像素连接到公共列线V0、V1、…。

此外，在固态成像装置1中，产生内部时钟的定时控制电路5设置为控制电路以顺序读取像素部分2的输出信号。

另外，设置控制列地址和列扫描的列方向(Y方向)控制电路3以及控制行地址和行扫描的行方向(X方向)控制电路4。

在从定时控制电路5接收时间控制脉冲时，列方向(Y方向)控制电路3驱动预定的行线H0、H1、…。

在从定时控制电路5接收时间控制脉冲时，行方向(X方向)控制电路4执行对读出到预定列线V0、V1、…的信号的预定处理(例如，相关双采样(CDS)处理和模拟数字转换处理)。

下面将描述根据本实施例的固态成像装置中的像素部分的具体装置结构。

图2是展示根据第一实施例的固态成像装置中像素部分的基本结构的示意性截面图。

固态成像装置1形成为图2所示的后照射装置。具体地讲，对于该装置，光入射在第一导电类型(在本实施例中为p型)的基板(硅基板)100的第一基板表面101(后侧)上。此外，包括MOS晶体管等的元件区域部分EAP靠近第二基板表面102(前侧)形成。

基板100通过减薄硅晶片形成，从而可以允许光从后侧入射。尽管取决于固态成像装置1的种类，基板100的厚度例如对于可见光在2至6μm的范围内，而例如对于近红外光在6至10μm的范围内。

对于像素2A，光接收部分110形成为跨过基板100中从第一基板表面101到靠近第二基板表面102的晶体管形成区域的一个区域形成。光接收部分110具有接收入射在第一基板表面上的光和对接收的光进行光电转换以及积聚电荷的功能。

更具体地讲，在光接收部分110中，形成其中进行光电转换的p^-型区域(导电层)111和其中积聚空穴的p型区域(导电层)112。在p^-型导电层111和p型导电层112的侧壁上，作为与第一导电类型(在本实施例中为p型)相反的第二导电类型的n型的隔离层(导电层)113形成为围绕这些导电层111和112。

此外，n⁺层114形成在第一基板101上，它是基板100的光入射表面。对n型隔离层113没有提供电极。

以这样的方式，在每个像素2A中，p^-型导电层111和p型导电层112由n型隔离层113围绕，以便成为浮置状态(floating state)，并且因此每个像素2A具有浮置单元结构作为单元。此外，由于n型隔离层113、n⁺层114和栅极金属电极等，每个像素2A具有微型电屏蔽结构。

以这样的方式，在本实施例中，通过由n型隔离层113隔离p^-型导电层(区域)111和p型导电层(区域)112来形成单元结构。此外，在彼此隔离的每个单元中，由n⁺层形成的第一源极区域115靠近第二基板表面102形成在p型导电层112中。

另外，由n⁺层形成的第一漏极区域116形成为围绕第一源极区域115。

这样形成第一漏极区域116以便其远离源极的一侧沿着平行于基板100的主表面的方向与n型隔离层113的局部部分重叠。形成由第一源极区域115和第一漏极区域116围绕的第一栅极区域117。

此外，在n型隔离层113中，由p⁺层形成的第二漏极区域118与第一漏极区域116远离源极的端部相距预定的距离形成。

由第一漏极区域116和第二漏极区域118围绕的n型区域用作第二栅极区域119。

此外，由例如氧化硅组成的绝缘膜120以预定的工艺选择性形成在基板100的第二基板表面102上，在该绝缘膜下形成第一源极区域115、第一漏极区域116、第一栅极区域117、第二漏极区域118和第二栅极区域119。

如上所述，对p^-型导电层111和p型导电层112没有提供电极，从而光接收部分110处于电浮置状态。绝缘膜120中的开口提供在第一源极区域115、第一漏极区域116和形成在n型隔离层113中的p⁺第二漏极区域118上，并且电极部分121形成在开口上。

此外，栅极电极122形成在第一源极区域115和第一漏极区域116之间设置的第一栅极区域117之上的绝缘膜120的局部部分之上，以及形成在用于溢出结构的n⁺和p⁺区域之间设置的n型第二栅极区域119之上。

在该结构中，在第二基板表面102上，形成由基于第一源极区域115、第一栅极区域117和第一漏极区域116的第一栅极绝缘场效晶体管(称为MOS晶体管(MOSTr))形成的检测晶体管123。另外，形成由基于第二栅极区域119、第二漏极区域118和浮置区域中作为源极的p型导电层(区域)112a的第二MOS晶体管形成的复位晶体管124。

在图2中，符号S代表检测晶体管123的源极，D代表检测晶体管123的漏极。SE代表检测晶体管123的源极电极。GE代表检测晶体管123的栅极电极。DE代表检测晶体管123的漏极电极。RG代表复位晶体管124的栅极电极。RS代表复位晶体管124的源极(浮置p型区域)。RD代表复位晶体管124的漏极(p⁺第二漏极区域)。HD代表复位晶体管124的空穴漏极电极。

空穴袋(hole pocket)形成在检测晶体管123的源极和漏极之间的栅极区域的势阱中，并且空穴积聚在空穴袋中。

此外，形成复位晶体管124的第二漏极区域118，其相邻于检测晶体管123的第一漏极区域116，并且采用相同平面上的n型区域作为其第二栅极区域119，因此实现横向溢出漏极结构。

在n⁺层114的光入射表面上，形成由例如氧化硅组成的绝缘膜和保护膜125。在保护膜125上，形成滤色器126，该滤色器126仅允许希望波长范围中的光通过。在滤色器126上，形成将入射光聚集在光接收部分110上的微透镜127。

在本实施例中，如上所述，光接收部分110中的p^-型导电层111主要用于通过光电转换产生电子空穴对的功能。n型隔离层113用于经由靠近表面的n⁺第一漏极区域将产生的电子从漏极电极释放到外面的功能。p型导电层112用于积聚所产生的空穴的功能。

在浮置单元结构中的p^-型导电层111的杂质浓度设定成比p型导电层112的低，从而允许有效产生光载流子。此外，光照射侧掺杂有导电类型与以高浓度(n⁺)掺杂的浮置层的导电类型相反的杂质。

在本实施例中，第一源极区域115和第一漏极区域116围绕的第一栅极区域117形成环形形状。

具体地讲，具有环形形状的第一栅极区域117形成于在浮置区域中p型导电层112的半导体层的表面附近。第一源极区域115形成在环的中心，而第一漏极区域116形成在具有环形形状的第一栅极区域117的外部以围绕第一栅极区域117和第一源极区域115。电极形成在各区域上，从而形成检测晶体管123。

而且，相邻于检测晶体管123，n型半导体阱形成为部分与漏极区域重叠。另外，为了使栅极区域形成在该阱中，导电类型与阱相反的重掺杂区域(p⁺)距检测晶体管123的漏极区域预定的距离形成为第二漏极区域118。此外，形成复位晶体管，该复位晶体管采用检测晶体管123的基板区域的局部部分(p层)作为其源极区域。

在本实施例中，检测晶体管123和复位晶体管124采用的半导体区域的局部部分也用作光敏二极管区域。具体地讲，在本实施例中，p⁺/n/p/p^-/n/n⁺区域(p⁺和n⁺区域提供有电极)用于形成pnpn型二极管。

在固态成像装置1中，即使在负电压不施加到在第二基板表面102上形成的检测晶体管123(第一MOS晶体管)的栅极时，其中选择性地和优先地聚集由光电效应引起的空穴的空穴袋也存在于势阱中，这是由于在栅极绝缘膜下环形半导体的表面附近形成的电势。

根据在空穴袋中积聚的空穴电荷量，调制检测晶体管123的第一源极和第一漏极之间的沟道电子电流，这使得能够放大和检测光照射引起的信号。因此，在短时间内持续地进行由光电效应而产生光载流子、光载流子的转移、空穴积聚和信号检测的过程，从而实现动态信号处理。

此外，在本实施例中，多个(两个或更多)复位晶体管124设置在检测晶体管123周围，并且预定极性的电压施加给各复位晶体管124的栅极和漏极，以由此使得积聚在p型阱和空穴袋中的空穴朝着各第二漏极横向地释放(溢出)到半导体基板表面的方向。该特征目的是提高释放效率。

下面，将描述具有上述结构的像素单元的操作。

使光通过后侧上的第一基板表面101进入单元，从而电子空穴对主要由于光电效应产生在单元中的p^-型导电层111中。所产生的电子通过n型隔离层113释放到外部，该隔离层113用作单元的侧壁。

因此，只有空穴存储在p型导电层112中，并且积聚在栅极区域的半导体表面附近形成的势阱(空穴袋)中，该栅极区域在作为第一MOS晶体管的检测晶体管123的源极和漏极之间。通过检测晶体管123，放大和检测所积聚电荷的信号。所积聚的电荷通过作为第二MOS晶体管的复位晶体管124适当释放，这允许对串扰(crosstalk)和饱和电荷量的控制。

更具体地讲，对于通过后侧照射在单元中的p^-型导电层111中由光电效应产生的电子和空穴，如果接地电势或者正电势施加到漏极电极，则电子通过n型隔离层113释放到第一漏极区域116。

相反，如果负电压施加到第一MOS晶体管(检测晶体管)123的栅极电极，则空穴朝着作为第一MOS晶体管的检测晶体管123的源极和漏极之间的栅极电极下的半导体表面吸引，以便积聚在半导体表面附近形成的势阱中，即在空穴袋中。

这些积聚的空穴使得流过源极和漏极之间的沟道的电子电流被调制为更大的电流，并且因此降低阈值电压。

就是说，聚集空穴的增加降低沟道的阈值电压，而聚集空穴的减少增加沟道的阈值电压。

因此，第一MOS晶体管(检测晶体管)123可以用作放大和检测光照射引起的信号的晶体管。

每个像素2A中的p^-型导电层(区域)111和p型导电层(区域)112由于侧表面上的n型隔离层113、后侧上的n⁺层114和前侧上的用作源极和漏极的n⁺层等而具有电屏蔽结构。因此，由光电效应引起的电子电流流过侧表面上的n型隔离层113。这提供类似法拉第屏蔽效应(Faraday cage effect)的效应，其防止外部静电放电(ESD)进入单元，并且因此几乎不引起内部积聚空穴的电荷量上的变化。

为了总是获得新的光学信息，应当进行复位操作，该复位操作释放积聚在检测晶体管123中的电荷，以由此每隔固定时间排空(evacuate)积聚阱。该复位操作由作为第二MOS晶体管的复位晶体管124执行。

当负电压施加给复位晶体管124的空穴漏极电极HD和复位栅极电极RG时，积聚在空穴袋中的空穴电荷溢出检测晶体管123的漏极区域，以便流入形成在复位晶体管124中的沟道区域，随后从空穴漏极电极HD经由复位晶体管的第二漏极区域118释放到外部。

固态成像装置1中的传感器的半导体层的厚度至多约为2μm。该厚度允许在光的波长范围内足以进行光电转换的量子效率。

另一方面，在前照射装置的情况下，半导体基板必须具有通常几乎不引起元件裂缝的厚度(约几百微米)。因此，源极和漏极之间通过元件基板的泄漏电流不能忽略，这常常导致问题。

相反，在本实施例中，因为元件厚度足够减少，所以可以减少通过基板的泄漏电流，并且因此也避免了该问题。

至此结束对根据本发明实施例的固态成像装置1的结构和功能的描述。

下面，将进行根据本实施例的固态成像装置1的进一步的详细讨论。

图3A和3B展示了关于前照射BMCD和根据本发明实施例的后照射BMCD的入射光束的波长与晶体管布置之间的关系。

在图3A的前照射BMCD 10中，绝缘膜11、透明电极12和光屏蔽电极13等形成在基板的前侧上。此外，附图标记14代表横向漏极区域，15代表栅极绝缘膜，而16代表硅基板。

在图3A的前照射装置的情况下，光从晶体管侧进入装置。因为横向漏极区域14由光屏蔽电极13覆盖，所以光经开口穿过绝缘膜11、透明电极12和栅极绝缘膜15等进入硅基板16，而非经横向漏极区域14之上开口进入。具有长波长的红光LR和近红外光LIR通过硅基板到达比较深的区域。然而，蓝光LB和近紫外光在不太深的区域被进行光电转换。此外，例如由于层之间的界面的散射、吸收和反射，具有短波长的光穿过表面上的绝缘多层膜时易于受到能量损耗。

相反，对于根据实施例的图3B的后照射装置，光通过没有设置用于信号检测的检测晶体管123的表面进入基板(硅基板)100。由于这样的结构，大部分具有长波长的光到达晶体管附近，而只有小部分具有短波长的光到达晶体管的附近。

关于源极和漏极的扩散层和阱层应当如何设计，已经提出了各种建议，以便提供涉及入射光束的波长的改进并最大化量子效率。

然而，还很少讨论已经穿过氧化硅膜(绝缘膜)的光影响晶体管特性的可能性。尽管是定性地，有关本实施例的下述描述将涉及这一点，并且给出某种程度上的机理。

图4是示意性展示在前照射装置中由透明电极/栅极氧化硅膜/硅单晶形成的结构的能带状态的示意图。

栅极氧化膜的特性通常有很大的不同，取决于制造方法及其处理。除非对其制造进行充分的控制，否则捕获电子和空穴的陷阱就会保留在氧化膜中。图4展示了这样的情况，其中捕获电子的陷阱存在于能级比氧化硅膜的导带低2.0eV的位置。

在硅热氧化膜的情况下，其带隙约为8.0eV。因此，如果ITO用作透明电极，则因为ITO的功函数的范围约为4.3至4.7eV，所以透明电极的费米能级存在于稍微低于热氧化膜能隙中心的位置。

在例如具有450nm的波长λ的入射光的蓝光成分的情况下，根据爱因斯坦光量子理论E＝hv，其能量E等于2.76eV。如图所示，该能量相对于透明电极的费米能级几乎等于氧化膜中电子陷阱的能级的位置。

当相对于硅基板比较高的负电压施加给透明栅极电极时，由于光电效应从金属表面(透明电极)发出的电子被激发入氧化膜并被陷阱捕获。

由陷阱捕获的电子再次由电场释放，并且通过漂移电导(hoppingconduction)流入硅单晶的导带。这引起栅极电极和硅之间的弱的导电，其产生晶体管特性和信号量上的变化。

在本实施例的后照射装置中，短波长的高能量光在到达晶体管区域前因在硅基板中产生光载流子而几乎消耗了全部能量。因此，本实施例避免了前照射装置所涉及的问题，这是本实施例的重大特征。

图5是展示在各个区域的半导体基板中沿着垂直于半导体基板表面的方向电子和空穴的电势变化的示意图，该电势状态变化与图2中所示装置的电势状态变化相关。

(i)空穴积聚(非读出状态)

最上面的图展示了这样的情况，其中检测晶体管(第一MOS晶体管)123设定到源极跟随器状态，并且给漏极和栅极施加-2V的电压。在栅极电极下由链线A₁-A₂表示的半导体区域中，形成由粗实曲线<1>表示的电势。

在此情况下，因为p^-型区域(导电层)111的电阻比p型区域(导电层)112的高，所以在一定程度上电场施加到p^-型区域，并且因此电势曲线在图的右侧大大弯曲。因为负电压施加给栅极电极，所以由光照射引起的空穴朝着栅极区域中半导体表面吸引。

在栅极氧化膜通过通常的热氧化工艺形成的情况下，p型半导体表面的微小部分转成n型。因此，即使在没有给栅极施加电压时，该部分也处于耗尽状态，并且因此而形成沟道。如果在此状态下给栅极施加负电压，则空穴朝着表面吸引，并且积聚在源极和漏极之间的栅极区域下形成的电子沟道的外部。

长虚线B₁-B₂<2>表示通过空穴漏极电极HD、p⁺第二漏极区域118、掩埋的n型导电层(区域)113、用于空穴积聚的p型区域112a(相当于复位晶体管124的源极)和产生载流子的p^-型区域111形成的电势状态。短虚线C₁-C₂<3>表示通过用作检测晶体管123的漏极的n⁺型第一漏极区域116、掩埋的n型第二栅极区域119、n型隔离层113和后侧n⁺层114形成的电势。

(ii)栅极读出

如果检测晶体管123的栅极电压从-2V变为0V，则所积聚的空穴减少，并且从源极流到漏极的沟道电子电流相应地调制以便被减少。电流改变量的测量允许发现积聚空穴的电荷改变量。

(iii)复位

当偏压施加在复位晶体管124的源极和漏极之间而负电压施加给空穴漏极电极HD和复位栅极电极RG时，存在于p型导电层(区域)112和空穴袋中的空穴经由复位晶体管124中形成的p沟道从空穴漏极电极HD释放。

图6是展示图2的装置的电路布置实例的示意图。

图6展示了布置实例中的四个像素，其中基于电流镜(current mirror)布置，设置沿着水平方向(X方向)的两个像素(沿着在图6中垂直坐标系的Y方向的每两个列)和沿着垂直方向(Y方向)的两个像素(沿着X方向的每两个行)。这样的布置对于沿着X方向和Y方向的互连都可以减半互连的数量。

漏极信号S1提供到检测晶体管123的漏极。栅极信号Sel.1、Sel.2、…逐列提供到栅极，并且信号Sigx.1、Sigx2、…从源极逐行输出。

此外，复位栅极信号RG1、RG2、…逐列提供到复位晶体管124的栅极，并且空穴漏极信号HD1公共地提供到多个(在图6的情况下为四个)复位晶体管的漏极。

图7是展示采用图6的电路的固态成像装置(图像传感器)的驱动的时序图。

在本发明的实施例中，为了便于空穴袋的形成，复位之后进行将电子注入检测晶体管123的沟道层的预充电操作。

图8是展示图2的晶体管的第一布置实例的示意图。

在该实例中，复位晶体管(第二MOS晶体管)124设置在像素的四个角上，在具有环形形状的第一栅极区域117的检测晶体管(第一MOS晶体管)123的第一源极区域115的周围。该结构允许积聚的空穴在复位时被迅速地漏向四个方向。

图9是展示图2的晶体管的第二布置实例的示意图。

图9的结构由图8的布置旋转45度得到。由于该结构，图9中的一个像素的面积设定成比图8的大，从而实现分辨度的提高。

该结构允许在复位时积聚的空穴迅速漏向三个方向。

如上所述，根据第一实施例，通过n型隔离层113隔离p^-型导电层(区域)111和p型导电层(区域)112形成单元结构。在彼此隔离的每个单元中，由n⁺层形成的第一源极区域115靠近第二基板表面102形成在的p型导电层(区域)112中。由n⁺层形成的第一漏极区域116形成为围绕第一源极区域115。第一漏极区域116是这样形成的，其远离源极的侧面沿着平行于基板100的表面的方向与n型隔离层113的局部部分重叠。形成由第一源极115和第一漏极区域116围绕的第一栅极区域117。在n型隔离层113中，由p⁺层形成的第二漏极区域118与第一漏极区域116远离源极的的端部相距预定的距离形成。由第一漏极区域116和第二漏极区域118围绕的n型区域用作第二栅极区域119。例如由氧化硅组成的绝缘膜120以预定的工艺选择性形成在基板100的第二基板表面102上，在该绝缘膜120下形成第一源极区域115、第一漏极区域116、第一栅极区域117、第二漏极区域118和第二栅极区域119。在第二基板表面102上，形成基于第一源极区域115、第一栅极区域117和第一漏极区域116的检测晶体管123以及基于第二栅极区域119、第二漏极区域118和在浮置区域作为其源极的p型导电层(区域)112a的复位晶体管124。具有该构造的第一实施例可以提供下面的优点。

由于后侧照射和横向溢出结构，可以实现高速度和高灵敏度的图像传感器，其中由互连和绝缘层的多层表面层的光吸收/反射引起的光损耗小，这与前照射装置不同，并且即使在具有短波的光入射到其上时，也不引起信号量的变化。

横向溢出漏极(OFD)结构可以降低复位电压。

由于复位晶体管设置在环形栅极中的间隙中的特征，实现了有效的晶体管布置，并且允许单元最小化。

由于后侧照射，信号检测平面远离光照射表面，并且空穴积聚部分不需要由光屏蔽膜覆盖。这导致减少元件制造步骤的数量。

仅通过改变单元中的电势状态，就可以容易地进行转移光载流子到积聚部分，而没有提供转移晶体管的特殊需要。因此，该实施例的装置适合于高速度驱动。

此外，在图2的结构中，电极引出表面可以仅为一个表面，并且可以设置在光照射表面的相反侧上。

由于所谓的单元型体结构，更多的电荷可以以小的像素面积积聚，并且可以增加饱和信号量。另外，由于屏蔽的结构，该实施例的装置能够强有力地抵抗静电放电。

可以进行饱和电荷量的调制控制。

图10是展示根据本发明第二实施例的固态成像装置中的像素部分的基本结构的示意性截面图。图10中也示出了两个像素部分。

根据第二实施例的固态成像装置1A不同于根据第一实施例的固态成像装置1(图2)，不同之处在于由例如ITO组成的透明电极129设置有由例如氧化膜形成的绝缘膜中间物128，来取代基板100的第一基板表面101上的n⁺层114。

如果正电压在光照射时施加到透明电极129，则电子朝着基板表面吸引，并且可以在正电压施加期间临时被钉扎。因此，固态成像装置1A也可以起存储器的作用。

图11是展示根据本发明第三实施例的固态成像装置的像素部分的基本结构的示意性截面图。在图11中也示出了两个像素部分。

根据第三实施例的固态成像装置1B不同于根据第一实施例的固态成像装置1(图2)，不同之处在于固态成像装置1B具有存储器的功能，并且因此允许进行电子快门功能(electronic shutter function)，而不像包括动态信号处理的方法。

就是说，该固态成像装置1B形成为后侧检测电荷调制存储图像传感器(后感应与电荷调制存储器(B.S.C.M，back sensing & charge modulationmemory))。

在固态成像装置1B中，p^-型区域如图11所示堆叠。具体地讲，p^-型区域由n层130分成沿着基板的法线方向垂直布置的两个p^-型区域(导电层)111-1和111-2。

由p⁺层形成的第三漏极区域131相邻于第一基板表面101形成在n型隔离层113-1中，该n型隔离层113-1形成在光接收侧(靠近第一基板表面101)上的第一p^-型区域111-1的侧壁上。此外，在第一基板表面101的表面侧(光照射侧)上，由例如ITO组成的透明电极形成的后栅极(MG)133形成有由例如氧化膜形成的绝缘膜中间物132。第三漏极区域131之上的部分区域被打开，并且漏极电极(MD)134形成在开口上。

因此，形成第三MOS晶体管(存储(钉扎)晶体管)135，该晶体管基于后栅极133、第三漏极区域131和在浮置区域中作为其源级的第一p^-型区域111-1。

在根据第三实施例的固态成像装置1B中，光接收侧上由虚线围绕的第一区域201(包括第一基板表面101)，包括第一p^-型区域111-1，起到传感和存储的功能。由中间的虚线围绕的第二区域202，包括p^-型区域(第二p^-型区域)111-2，起到检测和转移的功能。由包括第二基板表面102的由虚线围绕的第三区域203起调制和输出线的功能。EAP代表元件区域部分。

第一区域201之外的结构，即第二区域202和第三区域203的结构，与图2的结构相同，并且省略了相同部分的描述。

在该装置中，如果负电压在光照射时施加给由透明电极形成的后栅极(MG)133，则光空穴朝着基板表面吸引，并且在负电压施加给后栅极(MG)133期间可以临时钉扎。

图12A至12C是展示图11的一个像素的示意图。图12A是展示传感器平面的示意图。图12B是沿着图12A中的a-a’线的截面图。图12C是展示晶体管布置的示意图。

图12A是传感器侧的平面图。p+第三漏极区域131设置在n型格子区域的交叉点上。

图12B展示了复位状态。具体地讲，当负电压施加到第三MOS晶体管135的由透明电极形成的后栅极MG(133)和漏极电极MD(134)，而正电压施加到作为第一MOS晶体管的检测晶体管123的漏极D(116)时，通过光照射保持在单元中的第一p^-型区域111-1和空穴袋中的空穴经由粗实线L1表示的通道从漏极电极MD释放，并且保持在n⁺层和n型隔离层113中的电子经由粗实线L2表示的通道从漏极D释放。

图12C展示了晶体管平面，其上布置信号输出端子等。在图12C中，设置具有在第一源极区域115周围的环形第一栅极区域117的检测晶体管123，并且复位晶体管124的空穴漏极设置在像素的四个角上。

图13A和13B是展示使用根据第三实施例的固态成像装置的整体快门操作的概念图。

整体快门是指在一个屏幕上同时曝光所有的像素的方法，而不产生部分时间延误。数字照相机中的整体快门系统大致地分类为(1)通过结合机械快门和电子快门进行快门操作的系统和(2)仅由电子快门进行快门操作的系统。

图13A展示了电子快门和机械快门结合的实例。图13B展示了使用存储器的全电子快门的实例。在每个示意图中，概念性地示出了在一个时间快门期间(单次拍摄)图像传感器中进行的电子操作。

在图13A的实例中，进行对于一帧的逐行依次复位、机械快门打开、所有像素同时曝光和机械快门关闭。随后，在CMOS传感器列读出系统的情况下，进行对列的浮置扩散(浮置源极)的逐行依次转移，并且对于一帧逐行地读出，从而完成单次拍摄(one shot)操作。

所有的像素同时曝光之前的复位操作是临时执行将电荷保持在像素中并进行例如根据需要的电子注入的操作，以由此对所有像素调节初始条件。

很多CMOS数字相机采用该系统。

在此情况下，例如，可以使用图2的结构。

图13B展示了采用图11的结构的全电子快门系统。在该系统中，在所有的像素同时复位并且所有的像素曝光后，电荷并不立即转移，而是在一恒定时间内将信号临时存储在每个像素的存储部分中，随后转移到每个像素部分2中的检测晶体管123的源极。此后，以预定的方法读出信号。

关于从所有的存储器读出信号的方法，可以类似于图13A的实例进行逐行读出。作为选择，一个屏幕可以分成多块区域，并且逐块地进行逐行的读出。例如，屏幕中心的块可以定义为信号首先读出的块，并且信号可以依次从周边块读出。

图14A至14C是当根据第三实施例的固态成像装置(图像传感器)应用到整体快门时的操作的示范性示意图，并且展示了各区域中的电势变化。图14A展示了整体复位的状态。图14B展示了曝光状态，即光接收和空穴积聚的状态。图14C展示了整体设定(global set)的状态，即载流子转移的状态。

在图中，表示为粗实线L1、粗虚线L2和粗链线L3的曲线展示了在电压施加到后栅极电极MG和漏极电极MD之前和之后以及载流子转移时沿着图11的元件截面图的A₁-A₂线的电势变化。细实线L4和细虚线L5表示的曲线展示了在电压施加之前和之后沿着B₁-B₂线的电势变化。实线展示了施加电压后的电势。

(i)整体复位

当例如-20V施加到后栅极MG和漏极电极MD时，沿着A₁-A₂线的电势从虚线状态变化到实线状态，从而保持在单元中的载流子(电子和空穴)被释放。具体地讲，第一p^-型区域111-1和空穴袋中的空穴从漏极电极MD释放，而n⁺层和n型隔离层113中的电子从漏极D(116)释放。

(ii)光接收和积聚(存储)

在3V和0V分别施加到MG和MD的状态下接收光时，由于光电效应，空穴积聚在第一p^-型区域111-1和第二p^-型区域111-2，并且第一p^-型区域111-1中的部分空穴溢出n型隔离层113，以便分布进入第二p^-型区域111-2。另一方面，电子积聚在第一p^-型区域111-1上的n⁺层114中，并且空穴积聚在与n⁺层114接触的p^-层中。具体地讲，第一p^-型区域111-1起存储单元的功能。

(iii)整体设定(转移)

在存储状态下MG和MD都设定到0V时，大部分电子与空穴复合，并且因此而消失，这是因为消除了在n⁺层114中保持电子的电压。

随后，在MG设定到+20V而MD设定到Hi-Z(高阻抗)状态时，第一p^-型区域111-1(在第一单元中)中的空穴转移到第二p^-型区域111-2(在第二单元中)，并且积聚在空穴袋中。

其后，根据上述与图2关联的程序读出积聚的电荷量。

图15是展示采用图11的装置结构的电路布置实例中四个像素的示意图。

在该实例中，沿着X方向的两个像素(两个行上)和沿着Y方向的两个像素(两个列上)基于电流镜布置而设置。该设置对于沿着X方向和沿Y方向的互连可以使互连的数量减半。

在该布置中，电源电压VDD提供到检测晶体管123的漏极。栅极信号Sel.1、Sel.2、…逐列提供到栅极，并且信号Sigx.1、Sigx2、…逐行从源极输出。

此外，复位栅极信号RG1、RG2、…逐列提供到复位晶体管124的栅极，并且多个(在图15的情况下为四个)复位晶体管的漏极公共地连接到参考电压VSS。

另外，空穴漏极信号VHD提供到第三MOS晶体管(存储(钉扎)晶体管)135的漏极，并且后栅极信号VBG提供到栅极。

图16是展示采用图11和15的结构的整体快门操作的时间图实例的示意图。

在图16中，H SCAN代表列水平扫描周期(一帧)。在单次拍摄周期中，后栅极信号VBG提供到后栅极MG，并且空穴漏极信号VHD提供到漏极电极。

在单次拍摄周期的末端，后栅极信号VBG从低电位转换到20V的高电位。在后栅极信号VBG转换到高电位时，信号VHD变为Hi-Z(高阻抗)状态。

图17是展示采用图11和15的结构的整体快门驱动的驱动电路实例的示意图。

如图17所示，列方向(Y方向)控制电路3包括反相器(inverter)31和32。对于反相器32，信号XVBG(X代表反相器)从定时控制电路5提供。对于反相器32，信号XVHD从定时控制电路5提供。反相器32由定时控制电路5控制使得其输出转变为Hi-Z。

图18是所有像素同时复位的示范性示意图。具体地讲，在图18中，每行上像素中复位晶体管124的栅极沿着各自的一个X线并联连接。对于各自的X线，复位脉冲从定时控制电路5经由列方向(Y方向)控制电路3同时施加。

如上所述，根据第三实施例，由n型隔离层113彼此隔离的每个单元中的p^-型区域111还由n层130沿着基板的法线方向(层堆叠方向)分成两个区域，从而形成第一p^-型区域111-1和第二p^-型区域111-2。靠近每个单元的第一基板表面101，提供由具有p⁺区域131选择性形成于其内的n型隔离层113隔开的n⁺层114B。电极提供在相邻于第一基板表面101的p⁺区域131上。靠近第一基板表面101包括第一p^-型区域111-1的第一区域201起电荷产生和电荷保持区域的作用。靠近第二基板表面102包括第二p^-型区域112的第二区域202(p型区域)起检测区域的作用。由于该结构，除了上述第一实施例的有利效果外，可以实现基于所有电子快门系统而没有机械快门的整体快门。

此外，还能够采用绝缘体上硅(SOI)工艺。

图19是展示根据本发明第四实施例的固态成像装置中像素部分的基本结构的示意性截面图。图19中也示出了两个像素部分。

根据第四实施例的固态成像装置1C与根据第三实施例的固态成像装置1B(图11)不同，不同之处在于由例如ITO组成的透明电极137设置有由例如氧化膜形成的绝缘膜中间物136，取代靠近基板100的第一基板表面101的n⁺层114B。

在该装置中，如果负电压在光照射时施加到透明电极(后栅极MG)137，则光空穴朝着基板表面吸引，并且在负电压施加到后栅极MG期间可以临时钉扎。

上述实施例涉及到CMD结构。

然而，在根据第三和第四实施例的具有存储功能的固态成像装置中，通过在p型和n型之间互换各层的导电类型，本发明的实施例也可以应用到具有包括浮置扩散层(浮置扩散)FD的空穴积聚光敏二极管(空穴积聚二极管(HAD))结构的互补传感器装置。

图20是展示根据本发明第五实施例的固态成像装置中像素部分的基本结构的示意性截面图。图20中也展示了两个像素部分。

根据第五实施例的固态成像装置1D不同于根据第三实施例的固态成像装置1B(图11)，不同之处在于固态成像装置1D具有互补传感器结构，并且构造成利用光载流子的电子作为第一积聚电荷，而空穴作为第二积聚电荷。

在固态成像装置1D中，半导体的导电类型与图11和19中的结构的导电类型相反。p⁺层138提供在靠近第一基板表面101的元件区域部分EAP中，并且HAD传感器(由粗虚线围绕)140设置在第二区域202D中。

在此情况下，信号电荷是电子。给复位栅极电极RG施加正电压使得能够将电子电荷提取到浮置扩散(FD)141，并且读出信号电荷。

另一方面，空穴积聚在势阱中，该势阱形成在源极143和漏极144之间的栅极145下的半导体表面的附近，该源极143和漏极144形成为作为第二区域202D的延伸的p型层(阱)142中的检测晶体管的组成部分。因此，也能够根据基于在源极和漏极(S-D)之间流动的调制电流进行信号检测。

图21是展示根据本发明第六实施例的固态成像装置中像素部分的基本结构的示意性截面图。图21中也展示了两个像素部分。

根据第六实施例的固态成像装置1E不同于根据第五实施例的固态成像装置1D(图20)，不同之处在于透明电极147设置有绝缘膜中间物146，取代靠近第一基板表面101的p⁺层138。

在该装置中，在光照射时给透明电极147施加正电压时，由光电效应引起的电子朝着第一基板表面101吸引，并且可以在给后栅极MG施加正电压期间被临时钉扎。

而且，HAD传感器(由粗虚线围绕)140设置在第二区域202D中。因此，与图20的装置相类似，信号电荷可以从浮置扩散(FD)141读出。

此外，与图20的装置相类似，空穴积聚在势阱中，该势阱形成在源极143和漏极144之间的栅极145下的半导体表面的附近，该源极143和漏极144形成在第二区域202D中的p型阱142中。因此，也能够基于在源极和漏极(S-D)之间流动的调制电流进行信号检测。

关于形成在图10、19和21中的第一基板表面101上的绝缘膜，可以采用具有负固定电荷的膜，具体地讲，例如，至少部分被结晶化的膜。

至少部分被结晶化的绝缘膜的实例包括由元素例如铪、锆、铝、钽、钛、钇或者镧系元素的氧化物组成的绝缘膜，并且包括由至少部分膜结晶化引起的区域。

至少部分被结晶化的绝缘膜的厚度范围可以是3nm至100nm。厚度小于3nm使得结晶化困难。在实际应用中，厚度的上限约为100nm，并且再大的厚度是不必要的。根据光学因素例如透射率，几十纳米的厚度是最适合的。

在上述结晶化的绝缘膜和光接收部分110的光接收平面之间的界面上，形成具有小厚度的需要的绝缘膜。在上述的实例中，形成氧化硅膜。在氧化铪膜作为结晶化绝缘膜的情况下，通过在需要的温度下的结晶化退火，在膜中形成负电荷。该结晶化绝缘膜具有电势控制功能，以控制光接收部分110的光接收平面的电势。

作为结晶化绝缘膜的例如氧化铪膜的折射系数约为2.0，并且其上的绝缘膜(氧化硅膜)的折射系数约为1.45。因此，由结晶化的绝缘膜(氧化铪膜)和绝缘膜(氧化硅膜)形成抗反射膜。

通过以这种方式在光接收部分110的光接收平面上形成具有负固定电荷的膜，例如至少部分结晶化的绝缘膜，光敏二极管的表面可以变为空穴积聚状态。这可以抑制由界面状态引起的暗电流成分。此外，光敏二极管表面可以变为空穴积聚状态而没有用于形成空穴积聚层的离子注入和退火，或者即使是以小剂量的，并且因此由界面状态引起的暗电流可以得到抑制。而且，抗反射膜由具有负固定电荷的膜例如结晶化的绝缘膜(例如氧化铪膜)和其上的绝缘膜(氧化硅膜)形成，这可以实现小的暗电流和高的灵敏度。

如上所述，根据各实施例，具有单元结构的像素以来自基板后侧的光被照射，以由此在第一导电类型的半导体基板上形成的第二导电类型的半导体层中积聚光学信号载流子，并且通过晶体管的阈值调制来提取信号。另外，通过提供横向溢出出结构(漏极、栅极)，可以进行串扰和饱和电荷量的控制。

因此，这些实施例可以有效地以高速度进行一系列的操作，包括光载流子的产生和积聚、电荷读出，以及放出剩余的电荷(复位)。

另外，这些实施例允许灵敏度的提高和像素的最小化，同时防止对蓝光灵敏度的变坏和在硅界面处捕获光载流子的影响。

具有上述特征的固态成像装置可以用作数字照相机和视频摄相机中的成像装置。

图22是展示应用本发明任一实施例的固态成像装置的照相机系统的构造的一个实例的示意图。

如图22所示，该照相机系统300包括：成像装置310，可以采用根据实施例的固态成像装置1和1A至1E中的任何一个；透镜320，用于将入射光(成像光)聚集到成像平面上，作为用于引导入射光到成像装置310的像素区域(形成目标图像)；驱动电路(DRV)330，用于驱动成像装置310；以及信号处理电路(PRC)340，用于处理来自成像装置310的输出信号。

驱动电路330具有定时发生器(未示出)，其产生各种时间信号，包括用于驱动成像装置310中的电路的开始脉冲和时钟脉冲，以由此由预定的时间信号驱动成像装置310。

信号处理电路340执行信号处理，例如对来自成像装置310的输出信号的相关双采样(CDS)。

由信号处理电路340处理的得到的视频信号记录到记录介质例如存储器。记录到记录介质的视频信息经受打印机的硬拷贝。此外，由信号处理电路340处理得到的视频信号在由例如液晶显示器形成的监视器上显示为运动图像。

如上所述，通过提供具有固态成像装置1和1A至1E的任何一个作为成像装置310成像设备例如数字静物照相机，可以实现高精度的照相机。

本实施例不限于上述实施例的描述。

例如，实施例中采用的数值和材料仅为一个实例，并且本实施例不限于此。

实施例中可以结合各种变化而不脱离本发明的主旨。

本领域的技术人员应当理解的是，在权利要求或其等同特征的范围内，根据设计需要和其它因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。

本发明包含2007年5月24日提交日本专利局的日本专利申请No.2007-137446和No.2007-137447的相关主题，将其全部内容引用结合于此。

Claims

1.一种固态成像装置，包括：

基板，构造成具有用光照射的第一基板表面和其上形成元件的第二基板表面；

光接收部分，构造成形成在该基板中，并且包括第一导电类型导电层，该光接收部分通过该第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能；

第二导电类型隔离层，构造成形成在该光接收部分的该第一导电类型导电层的侧面上；

检测晶体管，构造成包括靠近该第二基板表面形成在该第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层，该检测晶体管检测该光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能；以及

复位晶体管，构造成包括第一导电类型电极层，该第一导电类型电极层形成在该第二导电类型隔离层中，该第二导电类型隔离层沿着平行于基板表面的方向相邻于该检测晶体管的形成区域，该复位晶体管还包括在该第一导电类型电极层和该检测晶体管的该第二导电类型电极层之间的该第二导电类型隔离层，该检测晶体管的该第二导电类型电极层相邻于该第二导电类型隔离层，该复位晶体管还包括该光接收部分的该第一导电类型导电层。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

该光接收部分包括：

第一导电类型第一导电层，靠近该第一基板表面形成，并且接收光以基于光电转换产生电荷；和

第一导电类型第二导电层，比该第一导电类型第一导电层更靠近该第二基板表面形成，并且积聚由该第一导电类型第一导电层产生的电荷。

3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中

该第一导电类型第一导电层的杂质浓度比该第一导电类型第二导电层的杂质浓度低。

4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

具有高于该第二导电类型隔离层的杂质浓度的杂质浓度并且具有钉扎功能的第二导电类型层形成在该第一基板表面上。

5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

透明电极形成在该第一基板表面的光入射侧上，用于促进钉扎功能的偏置电压施加到该透明电极。

6.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

该第二导电类型隔离层具有单元隔离功能和释放由该光接收部分的该第一导电类型导电层产生的电荷中的不必要电荷的功能，该不必要电荷经由该检测晶体管相邻于该第二导电类型隔离层的该第二导电类型电极层释放。

7.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中

由该第二导电类型隔离层隔离的单元中，该第一导电类型第一导电层由第二导电类型层沿着该基板的法线方向分成两个区域，以由此形成第一区域和第二区域，

第一导电类型第二电极层形成在沿着平行于该基板表面的方向上相邻于该第一区域的该第二导电类型隔离层中，

透明电极形成在该第一基板表面的光入射侧上，用于促进钉扎功能的偏置电压施加到该透明电极，并且

形成有存储晶体管，该存储晶体管包括该第一导电类型第二电极层、该第一导电类型第二电极层和该光接收部分的该第一区域之间的该第二导电类型隔离层、以及该光接收部分的该第一区域。

8.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中

该第一区域起电荷产生和电荷存储区域的功能，并且

该第二区域起检测区域的功能。

9.一种固态成像装置，包括：

基板，构造成具有以光照射的第一基板表面和其上形成元件的第二基板表面；

检测晶体管，构造成包括靠近该第二基板表面形成在该第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层，该检测晶体管检测在该光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能；以及

复位晶体管，构造成包括形成在该第二导电类型隔离层中的第一导电类型电极层，该第二导电类型隔离层沿着平行于基板表面的方向相邻于该检测晶体管的形成区域，该复位晶体管还包括在该第一导电类型电极层和该检测晶体管的该第二导电类型电极层之间的该第二导电类型隔离层，该检测晶体管的该第二导电类型电极层相邻于该第二导电类型隔离层，该复位晶体管还包括该光接收部分的该第一导电类型导电层，其中

第二导电类型的第一源极区域形成在彼此隔离的每个单元中靠近该第二基板表面的该第一导电类型导电层中，并且该第二导电类型的第一漏极区域形成为围绕该第一源极区域，

该第一漏极区域远离第一源极区域侧的一侧沿着与该基板表面平行的方向与该第二导电类型隔离层的局部部分重叠，

第一栅极区域形成由该第一源极区域和该第一漏极区域围绕，

作为该第一导电类型电极层的第二漏极区域与该第一漏极区域远离该第一源极区域侧的端部相距预定的距离形成在该第二导电类型隔离层中，并且由该第一漏极区域和该第二漏极区域围绕的第二导电类型区域用作第二栅极区域，

绝缘膜选择性地形成在该基板的该第二基板表面上，在该第二基板表面中形成该第一源极区域、该第一漏极区域、该第一栅极区域、该第二漏极区域和该第二栅极区域，以及

在该第二基板表面上，形成基于该第一源极区域、该第一栅极区域和该第一漏极区域的该检测晶体管，以及基于该第二栅极区域、该第二漏极区域和处于浮置状态的作为源极的该第一导电类型导电层的该复位晶体管。

10.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中

该光接收部分包括：

11.根据权利要求10所述的固态成像装置，其中

12.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中

由该第一源极区域和该第一漏极区域围绕的该第一栅极区域具有环形形状。

13.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中

该第二导电类型隔离层具有单元隔离功能和释放由该光接收部分的该第一导电类型导电层所产生的电荷中的不必要电荷的功能，该不必要电荷经由该检测晶体管相邻于该第二导电类型隔离层的该第一漏极区域释放。

14.根据权利要求12所述的固态成像装置，其中

在负电压不施加给在该第二基板表面上形成的该检测晶体管的栅极时，由于直接在栅极绝缘膜下的环形半导体表面附近形成的电势，选择性地收集由光电效应引起的空穴的空穴袋存在于势阱中。

15.根据权利要求13所述的固态成像装置，其中

该检测晶体管具有通过根据空穴袋中收集的空穴电荷量调制该第一源极区域和该第一漏极区域之间的沟道电子电流来放大和检测由光照射引起的信号的功能。

16.根据权利要求15所述的固态成像装置，其中

多个该复位晶体管设置在该检测晶体管的周围，并且

该复位晶体管的每一个都响应施加预定极性的电压到该第二栅极区域和该第二漏极区域，将收集在第一导电类型阱和空穴袋中的空穴横向地沿半导体基板表面释放到该第二漏极区域。

17.根据权利要求10所述的固态成像装置，其中

由该第二导电类型隔离层隔离的单元中的该第一导电类型第一导电层由第二导电类型层沿着该基板的法线方向分成两个区域，以由此形成第一区域和第二区域，

作为第一导电类型第二电极层的第三漏极区域形成在该第二导电类型隔离层中，该第二导电类型隔离层沿着平行于该基板表面的方向相邻于该第一区域，

在该第一基板表面的光入射侧上形成透明电极，用于促进钉扎功能的偏置电压施加到该透明电极，以及

形成有存储晶体管，该存储晶体管包括该第三漏极区域、该第三漏极区域和该光接收部分的该第一区域之间的该第二导电类型隔离层、以及该光接收部分的该第一区域。

18.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中

在该第一基板表面上形成杂质浓度比该第二导电类型隔离层的杂质浓度高并且具有钉扎功能的第二导电类型层。

19.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中

在该第一基板表面的光入射侧上形成透明电极，用于促进钉扎功能的偏置电压施加到该透明电极。

20.一种照相机，包括：

固态成像装置，构造成通过基板的第一基板表面接收光；

光学系统，构造成引导入射光到该固态成像装置的该第一基板表面；和

信号处理电路，构造成处理来自该固态成像装置的输出信号，其中该固态成像装置包括：

光接收部分，形成在该基板中，并且包括第一导电类型导电层，该光接收部分通过该第一基板表面接收光，并且具有对接收的光的光电转换功能和电荷积聚功能；

第二导电类型隔离层，形成在该光接收部分的该第一导电类型导电层的侧面上；

检测晶体管，包括靠近该第二基板表面形成在该第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层，该检测晶体管检测该光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能；以及

复位晶体管，包括形成在该第二导电类型隔离层中的第一导电类型电极层，该第二导电类型隔离层沿着平行于基板表面的方向相邻于该检测晶体管的形成区域，该复位晶体管还包括在该第一导电类型电极层和该检测晶体管的该第二导电类型电极层之间的该第二导电类型隔离层，该检测晶体管的该第二导电类型电极层相邻于该第二导电类型隔离层，该复位晶体管还包括该光接收部分的该第一导电类型导电层。

21.一种照相机，包括：

固态成像装置，构造成通过基板的第一基板表面接收光；

检测晶体管，包括靠近该基板的该第二基板表面形成在该第一导电类型导电层中的第二导电类型电极层，该检测晶体管检测该光接收部分中积聚的电荷，并且具有阈值调制功能；以及

复位晶体管，包括第一导电类型电极层，该第一导电类型电极层形成在该第二导电类型隔离层中，该第二导电类型隔离层沿着平行于基板表面的方向相邻于该检测晶体管的形成区域，该复位晶体管还包括在该第一导电类型电极层和该检测晶体管的该第二导电类型电极层之间的该第二导电类型隔离层，该检测晶体管的该第二导电类型电极层相邻于该第二导电类型隔离层，该复位晶体管还包括该光接收部分的该第一导电类型导电层，

该第一漏极区域远离第一源极区域侧的一侧沿着平行于该基板表面的方向与该第二导电类型隔离层的局部部分重叠，

第一栅极区域形成为由该第一源极区域和该第一漏极区域围绕，