CN101677105A - 固态图像捕捉元件和电子信息设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态图像捕捉元件和电子信息设备。根据本发明的固态图像捕捉元件包括：像素阵列部分，其中将阱层设置在半导体衬底或者半导体区域上，并且将用于对来自对象的图像光实施光电转换并且捕捉其图像的多个光电转换元件以二维阵列布置在阱层中，其中将高浓度阱层设置在阱层与半导体衬底或者半导体区域之间，该高浓度阱层与阱层的导电类型相同并且具有比阱层的杂质浓度更高的杂质浓度。

Description

固态图像捕捉元件和电子信息设备
根据35U.S.C.§119(a)，本非临时申请要求2008年9月18日在日本提交的专利申请No.2008-240089的优先权，该申请全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种固态图像捕捉元件，例如CMOS固态图像捕捉元件，其由半导体元件构成，以用于对来自对象(subject)的图像光实施光电转换并且捕捉对象的图像光的图像；以及一种电子信息设备，例如数字摄像机(例如数字视频摄像机或者数字静止摄像机)、图像输入摄像机、扫描仪、传真机、电视电话设备以及装备有摄像机的蜂窝电话设备，它们包括作为用于其图像捕捉部分的图像输入设备的固态图像捕捉设备。
背景技术
常规的固态图像捕捉元件所需的一种性能是增大以二维阵列布置的像素数量。在CMOS固态图像捕捉元件中，每个像元形成在一个阱中，并且该阱电设置在像素阵列部分的周围。然而，当像素阵列部分的阱区域由于像素增加而增大时，难以将基准电压固定在地电压直到中心部分。因此，出现了以下问题。
一个问题是用作图像捕捉区域的像素阵列部分的中心部分与周围部分的晶体管阈值不同。此外，因为达到像素阵列部分的中心部分的电阻值与周围部分的电阻值不同，所以像素之间饱和电荷的数量(饱和电平(saturation level))不同。这称作饱和度遮蔽(saturation shading)。
为了解决上述问题，参考文献1描述了一种在不改变有源区域的面积的情况下为每个像素形成阱接触的方法。如参考文献1所述，通过为每个像素设置接触，可以在光电转换区域附近将阱固定为恒定地电势。
图5是表示根据参考文献1中所述的常规固态图像捕捉元件的像素结构的平面表面模式图。图6是沿着图5的A-A’线截取的横截面图。
在图5和6中，常规固态图像捕捉元件100的栅电极101设置在光电转换元件102的光电转换区域(有源区域)103与有源区域104之间，从而配置传输晶体管105。该有源区域104不仅起到传输晶体管105的漏极区域的作用，而且还起到重置晶体管107的源极区域以及放大晶体管106的门极输入部分的作用。将栅电极108设置在有源区域104与有源区域109之间，从而配置重置晶体管107。该有源区域109不仅起到重置晶体管107的漏极区域的作用，而且还起到放大晶体管106的漏极区域的作用。
将栅电极110设置在有源区域109与有源区域111之间，从而配置放大晶体管106。该有源区域111不仅起到放大晶体管106的源极区域的作用，而且还起到选择晶体管112的漏极区域的作用。将栅电极113设置在该有源区域111与有源区域114之间，从而配置选择晶体管112。该有源区域114是选择晶体管112的源极区域，并且其与像素输出线116在接触部分115处电连接，该像素输出线为金属布线。
在上述的像素结构中，光电转换元件102的有源区域(光电转换区域)103的矩形区域的一个角被均匀地去掉，并且该平面区域用作阱接触区域117。也就是说，光电转换元件102的光电转换区域103与阱接触区域117形成在相同的有源区域中。阱接触区域117在接触部分119处与金属布线118电连接，该金属布线沿着垂直方向(图5中的纵向方向)延伸，以用于提供恒定电势，例如地电势(0V)，从而配置阱电势固定部分。
在图6的实例中(沿图5的A-A’线截取的横截面图)，在N型衬底120上形成P阱121，并且将像素的光电转换元件102以及前述的晶体管106、107和112形成在该P阱121中。如图5所示，N区域122是在接触部分123处与放大晶体管106的栅电极110利用介于二者之间的金属布线124相连的有源区域104。
该光电转换区域103是由N型杂质区域125、接近N型杂质区域125表面的P+区域126以及周围的P阱121构成的。该P+区域126是从扩散层通过接触部分119连接到金属布线118的有源区域(图5的阱接触区域117的有源区域)，并且能够通过金属布线118将P阱121的电势固定在地电势(0V)。通过将浓度比接近光电转换区域103表面的P+区域126高的P+杂质引入P+区域127中，有可能不会影响受到阱接触区域117影响的光电转换区域103。元件分离区域128是LOCOS(硅上局部氧化)、STI(浅沟道隔离)等，并且其形成在光电转换元件102与晶体管106、107和112之间，从而使各个元件电分离。
如上所述，在具有为各个像素形成阱接触的结构的固态图像捕捉设备中，元件分离区域并非设置在光电转换元件102的阱接触区域117与有源区域103之间，并且该阱接触区域117形成在有源区域103中，在该有源区域中还形成了光电转换元件102。因此，在常规技术中能够将用作元件分离区域的部分指派为光电转换元件102的有源区域103，这样能够减少由于设置阱接触区域117而施加在其他元件上的负载。
具体而言，当形成为各个像素形成阱接触的阱接触区域117时，在未改变像素尺寸的光电转换元件102的有源区域103中，从该有源区域103中去掉的区域可以比常规技术中的小，由此将像素特性的降低程度，或者特别是将饱和电平和敏感度的降低程度抑制到最小。因此，能够将P阱121的电势电地且稳固地固定，由此抑制每单位像素面积(像素的尺寸)的增大，同时控制由于阱电势的改变而造成的对输出信号的遮蔽。
而且，根据参考文献2，如图7所示，常规的固态图像捕捉元件200配置有有源区域201，其中还形成了光电二极管PD，并且在所述实例中，将两个阱接触202A和202B设置在有源区域201中。所形成的光电二极管PD的形状是在该光电二极管PD的一部分中能够形成凹入部分203，并且在对应于该凹入部分203的有源区域201中形成两个阱接触202A和202B。可以使用三个或更多个阱接触202；然而考虑平衡来确定适当的数量，因为使用过多的阱接触会导致光电二极管PD的面积的减小并且会降低饱和信号的数量。部分穿过该光电二极管PD形成阱布线204，以连接到沿着水平方向布置的两个阱接触202A和202B。在图7的像素205中，将除有源区域201和晶体管206之外的部分形成为元件分离区域207。因此，在参考文献2中，每个像素设置两个阱接触202A和202B，并且通过这两个阱接触202A和202B形成并联连接。因此，因为仅利用两个连接点来形成连接，所以电阻值可以更小，地电势得到进一步稳定，并且能够进一步控制饱和度遮蔽。
在参考文献3中，对多个像素部分的中心部分和周围部分进行比较，位于中心部分的像素比周围部分的像素具有更小的信号电荷饱和量。也就是说，中心部分的像素比周围部分的像素更加缺乏信号电荷的累积量。这是因为像素阵列部分的周围部分相对于阱在电的方面被完全固定于地电势(0V)。为了控制饱和度遮蔽，如图8所示，在光电二极管PD的电荷累积容量(capacity)和势壁部分的电荷累积容量在传输晶体管的传输栅(transfer gate)TG和浮动扩散FD以下的情况下，势壁部分由于传输栅TG而变小，并且光电二极管PD与浮动扩散FD之间的势壁部分被消除了，使得将光电二极管PD的电荷累积容量中累积的信号电荷传输到浮动扩散FD的电荷累积容量。随后，在光电二极管PD与浮动扩散FD之间生成势壁部分，并且在光电二极管PD中累积信号电荷。
当P阱的电势改变时，光电二极管PD的电荷累积容量如箭头所示变浅，从而使电荷累积容量变小。可选的是，传输栅TG在关断状态下通常固定于0V；然而，在参考文献3中，该传输栅TG的电势为浮动状态。因此，对于P阱电势改变和光电二极管PD的电荷累积容量如箭头所示变浅的量而言，传输栅TG的电势也如另一个箭头所示变化，并且势壁部分变高，使得光电二极管PD的电荷累积容量不会变化。
为了使传输栅TG的电势在这种情况下处于浮动状态，在关断状态并不将0V施加到该传输栅TG，并且将开关布置在其之间并且关断。
参考文献1：日本专利特许公开No.2005-142251
参考文献2：日本专利特许公开No.2006-269546
参考文献3：日本专利特许公开No.2005-217705
发明内容
在参考文献1和2中的常规固态图像捕捉元件中使用的为每个像素形成阱接触的方法中，尽管有源区域面积没有变化，但是光电转换区域当然也变小，这样产生了降低饱和电平的问题。而且，因为接近光电转换区域附近形成接触并且存在接触刻蚀的影响，所以出现导致造成亮点缺陷(固定模式噪声)的晶体缺陷。而且，还需要另一条布线，以便将阱固定为地电势，使得布线孔径比降低并且不利地影响了光的聚焦。
根据参考文献3的常规固态图像捕捉元件，光电二极管PD的电荷累积容量由于P阱的电势的变化而变化。因此，浮动状态的传输栅TG的电势也改变。尽管光电二极管PD的电荷累积容量未改变，但是需要用于使该传输栅TG成为浮动状态的开关以及该开关的控制电路，这导致构件的数量增大以及由于增加了浮动控制所导致的不同于对传输栅TG的电荷传输的控制的更为复杂的控制的问题。
本发明旨在解决上述的常规问题。本发明的目的是提供一种固态图像捕捉元件：能够避免由于如常规上所需的部件数量增多和对其进行控制造成的复杂度，以及能够以更稳定的方式固定阱的地电势，而不必像常规上所要求的那样为每个像素形成阱接触，或者没有固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦降低。此外，本发明的目的是提供一种电子信息设备，例如装备有摄像机的蜂窝电话设备，其包括用作图像捕捉部分的图像输入设备的固态图像捕捉元件。
根据本发明的固态图像捕捉元件包括像素阵列部分，其中阱层设置在半导体衬底或者半导体区域上，并且多个用于对来自对象的图像光进行光电转换并且捕捉对象的图像光的图像的光电转换元件以二维阵列布置在阱层中，其中高浓度阱层设置在阱层与半导体衬底或者半导体区域之间，该高浓度阱层与阱层的导电类型相同并且具有比阱层更高的杂质浓度，由此获得上述效果。
优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该高浓度阱层的峰值浓度为1×1017cm-3到5×1017cm-3。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该高浓度阱层的薄层电阻为800Ω/sq.-2000Ω/sq.。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该高浓度阱层距表面的深度为3μm到4μm。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该阱层和该高浓度阱层自像素阵列部分的外圆周部分侧起固定在恒定的电势。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件的阱层中，位于像素阵列部分的外圆周部分侧上的阱层与金属布线通过介于二者之间的多个接触电连接。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，每个光电转换元件包括：设置在第一导电类型的半导体衬底或者第一导电类型的半导体区域上的第二导电类型的阱层；以及设置在第二导电类型的阱层中的第一导电类型的杂质区域。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，第一导电类型的杂质区域被其上的第二导电类型的表面杂质高浓度区域掩埋。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，通过与阱层相同导电类型的杂质区域将像素阵列部分的每个像素与其他像素分开。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该固态图像捕捉元件是CMOS类型的固态图像捕捉元件或者CCD类型的固态图像捕捉元件。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，像素阵列部分中的每个像素包括：电荷传输部分，其用于将光电转换元件中光电转换的信号电荷传输到电压检测部分；以及信号读取电路，其用于放大在电压检测部分处根据信号电荷检测到的信号电压，从而将其作为图像捕捉信号输出。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该信号读取电路包括：放大部分，其用于放大在电压检测部分处检测到的信号电压，从而将其作为图像捕捉信号输出；以及重置部分，其用于在输出图像捕捉信号之后将电压检测部分的信号电压重置为预定电压。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，该信号读取电路还包括选择部分，其用于为像素阵列部分的每个像素选择像素阵列部分中任何地址的像素。
更优选的是，根据本发明的固态图像捕捉元件还包括：用于像素阵列部分的每个像素的光电转换元件；与光电转换元件相邻设置的电荷传输部分，其用于在预定方向上传输来自光电转换元件的信号电荷；以及用于控制电荷的传输的电荷传输电极。
更优选的是，在根据本发明的固态图像捕捉元件中，高浓度阱层至少设置在像素阵列部分之下的整个表面上。
根据本发明的电子信息设备包括作为其图像捕捉部分中的图像输入设备的根据本发明的固态图像捕捉元件，从而获得上述效果。
下文中将描述具有上述结构的本发明的功能。
根据本发明，高浓度阱层设置在一种导电类型的阱与相反导电类型的半导体衬底或者半导体区域之间。该高浓度阱层具有与一种导电类型的阱相同的导电类型，并且具有比阱的杂质浓度高更高的杂质浓度。
因此，通过具有低电阻值的高浓度阱层将地电势从较低的位置施加到每个像素的阱层，使得像素阵列部分的中心部分与周围部分之间不存在大的电压降差异。因此，可以固定阱层的地电势，而没有由于如常规上所需的部件数量增加和对部件的控制而造成的复杂性，或者不必为每个像素形成阱接触，或者没有如常规上那样发生的固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦降低。
例如，参考文献1提出了例如在利用顶部接触将作为一种导电类型的阱的P阱电势固定在地电势的情况下，通过减少用于接触扩散区域的面积来确保光电二极管容量。相反，根据本发明，例如仅有P阱的深部分是高浓度的，使得无需像参考文献1中那样采用顶部接触就可以将P阱电势固定为地电势。
根据具有上述结构的本发明，高浓度阱层设置在一种导电类型的阱与相反导电类型的半导体衬底或者半导体区域之间，该高浓度阱层具有与一种导电类型的阱相同的导电类型，并且具有比阱的杂质浓度大的杂质浓度，由于该具有低电阻值的高浓度阱层，使得像素阵列部分的中心部分与周围部分之间不存在大的电压降差异。因此，可以固定阱层的地电势，而没有由于如常规上所需的部件数量增加和对部件的控制而造成的复杂性，或者不必为每个像素形成阱接触，或者没有如常规上那样发生的固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦降低。
本领域技术人员通过参照附图阅读并理解以下详细的说明书将理解本发明的这些及其他优点。
附图说明
图1是表示根据本发明实施例1的对于一个像素而言CMOS固态图像捕捉元件的横截面结构的一个实例的纵向横截面图。
图2是表示图1的CMOS固态图像捕捉元件的像素阵列及在其外圆周中的外部端子区域的横截面结构的一个实例的纵向横截面图。
图3是表示在图1的光电转换区域4的深度方向上的杂质曲线的一个实例的杂质浓度分布图。
图4是示意表示本发明实施例2的电子信息设备的示例性配置的框图，其在图像捕捉部分中使用了包括根据本发明实施例1的固态图像捕捉元件1的固态图像捕捉装置。
图5是表示根据参考文献1中公开的常规固态图像捕捉元件的像素结构的平面表面模式图。
图6是沿着图5的A-A’线截取的横截面图。
图7是表示根据参考文献2中公开的常规固态图像捕捉元件的像素结构的平面表面模式图。
图8是表示用于描述将传输栅TG的电势设为浮动状态以及该传输栅TG的电势随着P阱的电势变化而改变，使得光电二极管PD的电荷累积容量不会改变的情况的一个实例的电势图。
具体实施方式
下面，将参照附图具体描述作为实施例1的根据本发明的固态图像捕捉元件；以及作为实施例2的电子信息设备，例如装备有摄像机的蜂窝电话设备，其包括作为其图像捕捉部分中的图像输入设备的实施例1的固态图像捕捉元件。
(实施例1)
图1是表示根据本发明实施例1的对于一个像素而言CMOS固态图像捕捉元件的横截面结构的一个实例的纵向横截面图。
在图1中，实施例1的固态图像捕捉元件1包括：P阱3，其设置在N衬底2上(N型半导体衬底或者N型半导体区域)；以及光电转换区域(N-)4，其作为用于对入射光实施光电转换以生成信号电荷的光接收部分，其设置在用作阱层的P阱3中。传输沟道(transfer channel)5a设置在光电转换区域(N-)4与浮动扩散(N+)之间，其为作为电压检测部分的电荷到电压转换部分FD。传输栅5b设置在传输沟道5a之上，并且在二者之间插入栅绝缘膜。用作电荷传输部分的传输晶体管5是由传输沟道5a和传输栅5b构成的。
光电转换区域(N-)4被表面部分上的表面P+层6和传输栅5b掩埋，从而控制由于表面晶体缺陷造成的噪声。每个像素部分由P阱3、光电转换区域(N-)4、传输沟道5a以及电荷到电压转换部分FD构成。将作为元件分离层的绝缘层STI和P像素分离层7设置在像素部分与相邻像素部分之间。
将高浓度P阱层8设置在N衬底2与P阱3之间。该高浓度P阱层8与P阱3的导电类型相同，并且杂质浓度高于P阱3的杂质浓度。对于每个像素部分而言，该绝缘层STI、P像素分离层7以及高浓度P阱层8围绕P阱3以及P阱3中的光电转换区域4、传输沟道5a和电荷到电压转换部分FD。该高浓度P阱层8以预定厚度至少设置在像素阵列部分(图像捕捉区域)之下的整个表面上。
N衬底2用于控制串扰。利用该N衬底2，来自衬底深部的倾斜进入(obliquely-entering)的入射光的信号电荷传输到N衬底2，而不是传输到相邻的像素部分。因此，相比P衬底能够更好地消除来自相邻像素部分的串扰成分。
本文中，使用了N衬底2并且在N衬底2上形成P阱3。希望P阱3与光电转换区域(N-)4之间的结区域(PN结部分)的杂质浓度约为3×1015cm-3。这是因为光电转换区域(N-)4的耗尽层延伸到衬底深部侧的效果改善了长波长(红)光的量子效应(QE)。而且，在P阱3的深部中，形成峰值浓度在1×1017cm-3到5×1017cm-3的高浓度P阱层8。这里，该高浓度P阱层8的薄层电阻近似为1000Ω/sq.(800-2000Ω/sq.)。
而且，对于每个光电转换区域(N-)4而言，将信号电荷传输到作为电荷到电压转换部分FD的浮动扩散(N+)。将传输后的信号电荷转变为电压，根据转换电压对其进行放大。读取经过放大的信号作为每个像素部分的图像捕捉信号。用于实现这些功能的多个晶体管构成了信号读取电路，并且为每个像素部分提供信号读取电路。总而言之，像素阵列部分中的每个像素包括：电荷传输部分，其用于将信号电荷传输到电压检测部分FD，在由P阱3和光电转换区域(N-)4构成的光电转换元件处对信号电荷进行光电转换；以及信号读取电路，其中放大在作为电荷到电压转换部分FD的浮动扩散(N+)处根据信号电荷检测到的信号电压，将其作为图像捕捉信号输出。
信号读取电路包括：放大部分(放大晶体管)，其用于放大在起到电荷到电压转换部分FD作用的浮动扩散(N+)处检测到的信号电压，将其作为图像捕捉信号输出；重置部分(重置晶体管)，其用于将浮动扩散(N+)的信号电压重置为预定电压(电源电压)；以及选择部分(选择晶体管)，其用于选择像素阵列部分中任何地址的像素。
图2是表示图1的CMOS固态图像捕捉元件的像素阵列的横截面结构以及在其外圆周中的外部端子区域的一个实例的纵向横截面图。
在图2中，将每个都包括光电转换区域(N-)4的像素部分以二维阵列设置在P阱3的中心区域(图像捕捉区域)中，从而构成像素阵列部分40。在P阱3中的中心区域的周围中和像素阵列部分40的外侧，P阱3与金属布线10通过介于二者之间的衬底顶部接触9电连接，从而通过该衬底顶部接触9将P阱3固定为地电势(0V)的恒定电势。
总而言之，该金属布线10与位于衬底外圆周端部的多个衬底顶部接触9并行电连接。而且，所述多个衬底顶部接触9与高浓度P阱层8电连接。将每个像素部分的P阱3通过介于其之间的高浓度P阱层8固定为地电势。
如果高浓度P阱层8的电阻大，则构成像素阵列部分40的图像捕捉区域的中心部分中的像素部分的地电势与周围部分中的像素部分的地电势之间的电压差变大。因此，将杂质浓度设为高的，从而进一步减少高浓度P阱层8的电阻。衬底深部中的高浓度P阱层8与每个像素部分的P阱3通过介于二者之间平行于位于衬底外圆周端部的多个衬底顶部接触9的P像素分离层(P-)相连。杂质浓度定义如下：表面P+层6(浓度约为1×1018cm-3)＞高浓度P阱层8(浓度在1×1017cm-3到5×1017cm-3之间)＞P像素分离层7(浓度约为5×1016cm-3)＞P阱3(浓度约为1×1016cm-3)。为了减少用于将地电势稳定固定到P阱3的电阻值，高浓度P阱层8的浓度必须为1×1017cm-3或更大。此外，如果高浓度P阱层8的浓度超过5×1017cm-3，则由于热处理使得扩散层延展到光电转换区域，而使光电转换区域被压迫，并且变窄，这尤其导致了衬底深部中红光的光电转换效率降低。
图3是表示图1的光电转换区域4的深度方向上杂质曲线的一个实例的杂质浓度分布图。
如图3所示，在P阱3之下形成峰值浓度在1×1017cm-3到5×1017cm-3之间的高浓度P阱层8，以便确保用于固定地电势的高浓度阱层8的低电阻值。高浓度P阱层8的峰值浓度的深度为3.3μm。因为该高浓度P阱层8的峰值浓度的深度为3.3μm，所以达到该3.3μm深度之前光电转换的信号电荷被图3的浓度梯度全部捕捉和累积。高浓度P阱层8的深度为3μm到4μm。如果高浓度P阱层8的深度过浅，则形成光电二极管PD的区域被压迫，这影响敏感度和饱和电子的数量。如果高浓度P阱层8的深度过深，则由于倾斜进入的光使得电子不会穿过到达N衬底2的侧面，并且对于相邻像素部分的串扰是个问题(与利用P衬底的效果相同)。
因此，根据常规技术，为每个像素部分提供阱接触，并且将阱固定到地。可选的是，根据本发明的技术，在像素阵列部分40的外圆周部分中将P阱3电固定为预定的地电势，而不用为每个像素提供阱接触，从而使得在像素阵列部分40的中心区域生成的电压降与周围区域生成的电压降之间不存在大的差别，并且在像素阵列部分40的中心区域和周围区域中能够固定预定的地电势。这是由于将P阱3之下的高浓度P阱层8中的杂质电阻设为高使得P阱3和高浓度P阱层8中的扩散电阻减小的效果带来的。因为这种效果，可以获得包括能够将P阱3固定为地电势而没有固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦降低的CMOS固态图像捕捉元件1的固态图像捕捉元件。
根据具有上述结构的实施例1，将导电性与P阱相同并且比相同导电类型的阱具有更高杂质浓度的高浓度P阱层8设置在P阱3与N衬底2之间，使得像素阵列部分40的中心部分与周围部分之间不存在大的电压降差异。因此，可以以更稳定的方式固定P阱3的地电势，而没有由于如常规上所需的那样增加部件数量和对部件的控制造成的复杂性，或者不必为每个像素形成阱接触，或者没有如常规上那样发生的固定的模式噪声的生成、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦的降低。
尽管在实施例1中将本发明应用于CMOS固态图像捕捉元件(CMOS图像传感器)，但不限于此，本发明可以用于CCD固态图像捕捉元件(CCD图像传感器)。
在CCD图像传感器的每个像素部分中，设置作为光接收部分的光电二极管部分，其用于对入射光实施光电转换从而生成信号电荷。此外，与每个光电二极管部分相邻设置电荷传输部分，其用于从光电二极管部分传输信号电荷，以及将作为电荷传输电极的栅电极设置在电荷传输部分上，其用于控制电荷的传输。在该栅电极上，形成光遮蔽膜以防止由于入射光在该栅电极处的反射而生成噪声。此外，将微透镜设置在光电二极管之上，从而将来自光遮蔽膜开口的穿过层间绝缘膜的光聚焦到光电二极管上。将光电二极管部分和电荷传输部分设置在P阱中，并且可以将类似于实施例1中的高浓度P阱层的高浓度P阱层8设置在P阱与半导体衬底之间。
使P阱之下的高浓度P阱层8具有高杂质浓度，从而减小P阱和高浓度P阱层8本身的扩散电阻。因此，可以实现本发明的目的，即固定P阱的地电势，而无需为每个像素形成阱接触，或者没有如常规上那样发生的固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦的降低。
(实施例2)
图4是示意表示了本发明实施例2的电子信息设备的示例性配置的框图，其在图像捕捉部分中使用了包括根据本发明实施例1的固态图像捕捉0元件1的固态图像捕捉设备。
在图4中，根据本发明实施例2的电子信息设备90包括：固态图像捕捉装置91，其用于对来自根据实施例1的固态图像捕捉元件1的图像捕捉信号实施各种信号处理，从而获得彩色图像信号；存储部分92(例如记录介质)，其用于在对供记录的彩色图像信号实施了预定的信号处理之后数据记录来自固态图像捕捉装置91的彩色图像信号；显示部分93(例如液晶显示装置)，其用于在对供显示的彩色图像信号实施了预定的信号处理之后，在显示屏(例如液晶显示屏)上显示来自固态图像捕捉装置91的彩色图像信号；通信部分94(例如发送和接收设备)，其用于在对供通信的彩色图像信号实施了预定的信号处理之后，传送来自固态图像捕捉装置91的彩色图像信号；以及图像输出部分95(例如打印机)，其用于在实施了供打印的预定信号处理之后，打印来自固态图像捕捉装置91的彩色图像信号。该电子信息设备90除了固态图像捕捉装置91之外，可以包括存储部分92、显示部分93、通信部分94以及图像输出部分95中的任何一个。
作为电子信息设备90，包括图像输入设备的电子设备是可以想到的，例如数字摄像机(例如数字视频摄像机或者数字静止摄像机)、图像输入摄像机(例如监视摄像机、门禁电话摄像机、装配在交通工具上的摄像机或者电视摄像机)、扫描仪、传真机、装备有摄像机的蜂窝电话设备或者个人数字助理(PDA)。
因此，根据本发明的实施例2，来自固态图像捕捉装置91的彩色图像信号可以是：由显示部分93在显示屏上适当地显示，利用图像输出部分95在纸张上打印出来，作为通信数据通过通信部分94借助电线或者无线电适当地传送，通过实施预定的数据压缩处理适当存储在存储部分92；并且能够适当地实施各种数据处理。
在实施例1中，作为固态图像捕捉元件1，将P阱3设置在N衬底2上，将光电转换区域(N-)4设置在P阱3中，以及将传输沟道5a设置在光电转换区域(N-)4与起到电荷到电压转换部分FD作用的浮动扩散(N+)之间。此外，将绝缘层STI和P像素分离层7作为元件分离层设置在相邻像素部分之间。此外，将高浓度P阱层8设置在N衬底2与P阱3之间，该高浓度P阱层为P型，其具有与P阱相同的导电类型，并且具有比P阱3高的杂质浓度。不限于此，导电类型可以完全相反，用正空穴取代电子作为电荷载流子。也就是说，将N阱设置在P衬底上，将光电转换区域(P-)设置在N阱中，并且将传输沟道设置在光电转换区域(P-)与起到电荷到电压转换部分FD作用的浮动扩散(P+)之间。此外，将绝缘层STI和N像素分离层作为元件分离层设置在相邻像素部分中间。此外，将高浓度N阱层(对应于实施例1的高浓度P阱层8)设置在P衬底与N阱之间，该高浓度N阱层为N型，其具有与N阱相同的导电类型，并且具有比N阱高的杂质浓度。在这种情况下，取代实施例1的表面P+层6，设置表面N+层。
尽管在实施例1中未具体描述，但是将高浓度P阱层8(该高浓度P阱层与P阱3的导电类型相同并且具有比P阱3高的杂质浓度)设置在P阱3与N衬底2之间，使得像素阵列部分40的中心部分与周围部分之间没有大的电压降差异。因此，可以实现本发明的目的，即固定阱的地电势，而没有如常规上所需的部件增加和对部件的控制的复杂性，无需为每个像素形成阱接触，或者没有如常规上那样发生的固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦的降低。
如上所述，利用其优选实施例1和2例举了本发明。然而，不应仅仅基于上述的实施例1和2来解释本发明。应当理解，本发明的范围仅基于权利要求书来解释。还应当注意，本领域技术人员能够根据对本发明的说明以及对具体优选实施例1和2的说明中的常识实现等价的技术范围。此外，应当理解，任何专利、任何专利申请以及本说明书中引用的任何参考文献应当以与其中具体描述的内容相同的方式包含在本说明书中作为参考。
工业实用性
本发明能够应用于固态图像捕捉元件的领域，例如CMOS固态图像捕捉元件，其由半导体元件构成，以对来自对象的图像光实施光电转换并且捕捉其图像；以及电子信息设备，例如数字摄像机(例如数字视频摄像机或者数字静止摄像机)、图像输入摄像机、扫描仪、传真机、电视电话设备以及装备有摄像机的蜂窝电话设备，其包括作为用于其图像捕捉部分中的图像输入设备的固态图像捕捉装置。根据本发明，将高浓度阱层设置在一种导电类型的阱与相反导电类型的半导体衬底或者半导体区域之间，该高浓度阱层具有与一种导电类型的阱相同的导电类型，并且具有比阱高的杂质浓度，使得由于该高浓度阱层具有低电阻值而使像素阵列部分的中心部分与周围部分之间不会存在大的电压降差异。因此可以固定阱层的地电势，而没有由于如常规上所需的部件数量增加和对部件的控制造成的复杂性，或者不必每个像素形成阱接触，或者没有如常规上那样发生的固定模式噪声的产生、饱和电平差异(饱和度遮蔽)或者光聚焦的降低。
本领域技术人员在不背离本发明的范围和精神的情况下，能够容易地进行各种其他修改，并且这些修改是显而易见的。因此，无意将所附的权利要求的范围限定为本文中提出的说明书，而是应当广义理解权利要求书。
元件列表
1固态图像捕捉元件
2N衬底
3P阱
4光电转换区域(N-)
5传输晶体管
5a传输沟道
5b传输栅
6表面P+层
7P像素分离部分
8高浓度P阱层
FD电荷到电压转换部分
STI绝缘层
90电子信息设备
91固态图像捕捉装置
92存储部分
93显示部分
94通信部分
95图像输出部分

Claims (16)

1.一种固态图像捕捉元件，其包括像素阵列部分，其中将阱层设置在半导体衬底或者半导体区域上，并且将用于对来自对象的图像光实施光电转换并且捕捉其图像的多个光电转换元件以二维阵列布置在阱层中，
其中将高浓度阱层设置在阱层与半导体衬底或者半导体区域之间，该高浓度阱层与阱层的导电类型相同并且具有比阱层的杂质浓度更高的杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中该高浓度阱层的峰值浓度为1×1017cm-3到5×1017cm-3。
3.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中该高浓度阱层的薄层电阻为800Ω/sq.-2000Ω/sq.。
4.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中该高浓度阱层距表面的深度为3μm到4μm。
5.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中该阱层和该高浓度阱层自像素阵列部分的外圆周部分侧起固定在恒定的电势。
6.根据权利要求5所述的固态图像捕捉元件，在其中的阱层中，位于像素阵列部分的外圆周部分侧上的阱层与金属布线通过介于二者之间的多个接触电连接。
7.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中每个光电转换元件包括：
设置在第一导电类型的半导体衬底或者第一导电类型的半导体区域上的第二导电类型的阱层；以及
设置在第二导电类型的阱层中的第一导电类型的杂质区域。
8.根据权利要求7所述的固态图像捕捉元件，其中第一导电类型的杂质区域被其上的第二导电类型的表面杂质高浓度区域掩埋。
9.根据权利要求1或7所述的固态图像捕捉元件，其中通过与阱层的导电类型相同的杂质区域将像素阵列部分的每个像素与其他像素分开。
10.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中该固态图像捕捉元件是CMOS类型的固态图像捕捉元件或者CCD类型的固态图像捕捉元件。
11.根据权利要求10所述的固态图像捕捉元件，其中像素阵列部分中的每个像素包括：电荷传输部分，其用于将光电转换元件中光电转换的信号电荷传输到电压检测部分；以及信号读取电路，其用于放大在电压检测部分处根据信号电荷检测到的信号电压，从而将其作为图像捕捉信号输出。
12.根据权利要求11所述的固态图像捕捉元件，其中该信号读取电路包括：
放大部分，其用于放大在电压检测部分处检测到的信号电压，从而将其作为图像捕捉信号输出；以及
重置部分，其用于在输出图像捕捉信号之后将电压检测部分的信号电压重置为预定电压。
13.根据权利要求12所述的固态图像捕捉元件，其中该信号读取电路还包括选择部分，其用于为像素阵列部分的每个像素选择像素阵列部分中任何地址的像素。
14.根据权利要求10所述的固态图像捕捉元件，其还包括：
用于像素阵列部分的每个像素的光电转换元件；
与光电转换元件相邻设置的电荷传输部分，其用于在预定方向上传输来自光电转换元件的信号电荷，以及
用于控制电荷的传输的电荷传输电极。
15.根据权利要求1所述的固态图像捕捉元件，其中该高浓度阱层至少设置在像素阵列部分之下的整个表面上。
16.一种电子信息设备，在其图像捕捉部分中包括作为图像输入设备的根据权利要求1-8和10-15中任一项的固态图像捕捉元件。
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