CN101834195A - 光电转换设备和使用该光电转换设备的成像系统 - Google Patents

光电转换设备和使用该光电转换设备的成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供光电转换设备和使用该光电转换设备的成像系统。在该光电转换设备中布置多个光电转换元件，包括第一光电转换元件、第二光电转换元件和第三光电转换元件。在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间设置第一宽度的第一导电型的第一半导体区，其中信号电荷是少数载流子。在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间设置第二宽度的杂质浓度更高的第一导电型的第二半导体区，该第二宽度小于第一宽度，在半导体基板中，第二半导体区处于比第一半导体区的深度更深的位置处。

Description

光电转换设备和使用该光电转换设备的成像系统
技术领域
本发明涉及光电转换设备的隔离结构。
背景技术
许多数字静态照相机和数字摄像机(camcorder)使用CCD型或CMOS型光电转换设备。近年来，光电转换设备的像素的尺寸不断减小，正在研究用于处理因此而产生的相邻像素之间的混合(串扰)电荷的措施。
日本专利申请公开No.2003-258232讨论一种结构，其中与光电转换元件的n型阱区相结合地在深区中形成p型阱区，所述p型阱区充当防止相邻像素之间的混合(串扰)电荷的元件隔离用阻隔体。
但是，即使就在日本专利申请公开No.2003-258232中讨论的p型阱区来说，仍然存在难以充分抑制电荷泄漏的情况。此外，通常，就光电转换设备来说，在光电转换元件的周边设置用于读出光电转换元件的电荷的晶体管，光电转换元件不一定被部署成彼此间隔相等的距离。本发明人发现在一些情况下，在日本专利申请公开No.2003-258232中公开的来自能够充当光电转换元件的元件隔离区的p型阱区的电荷泄漏量随光电转换元件之间的间隔而不同。当对于相邻光电转换元件的信号电荷泄漏量按照这种方式变化时，图像质量降低，图像信号的校正变得困难。
发明内容
按照本发明的一个方面，一种光电转换设备包括：半导体基板；布置在半导体基板上的多个光电转换元件，包括第一光电转换元件、与第一光电转换元件相邻的第二光电转换元件、和与第一光电转换元件相邻的第三光电转换元件；布置在半导体基板上的晶体管，用于传送在光电转换元件中产生的信号电荷；布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的第一导电型的第一半导体区，使得信号电荷是少数载流子，其中第一半导体区具有第一宽度；和布置在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间的第一导电型的第二半导体区，其中第二半导体区具有小于第一宽度的第二宽度，并且其中第二半导体区比第一半导体区更深地延伸到半导体基板中。
此外，按照本发明的另一个方面，一种光电转换设备包括：半导体基板；布置在半导体基板的主表面上的多个光电转换元件，包括第一光电转换元件、布置成与第一光电转换元件相邻的第二光电转换元件、和布置成与第一光电转换元件相邻的第三光电转换元件；布置在半导体基板上的晶体管，用于传送在光电转换元件中产生的信号电荷；布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的第一导电型的第一半导体区，使得信号电荷是少数载流子，其中第一半导体区具有第一宽度；和布置在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间的第一导电型的第二半导体区，其中第二半导体区具有小于第一宽度的第二宽度，并且其中第二半导体区具有比第一半导体区的杂质浓度高的杂质浓度。
参照结合附图的下述说明，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
参考附图，根据示例性实施例的下述说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1A和1B是描述第一实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图2A是描述第一实施例的光电转换设备的电路图。
图2B是描述第一实施例的光电转换设备的平面布局图。
图2C是补充图2B中所示的图的平面布局图。
图3A和3B是描述第一实施例的比较用光电转换设备的横截面示意图。
图4A和4B是描述第二实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图5A和5B是描述第三实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图6A和6B是描述第一实施例的改进例子的光电转换设备的横截面示意图。
图7A和7B是描述第四实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图8A和8B是描述第五实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图9A和9B是描述第六实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图10A和10B是描述第四实施例的改进例子的光电转换设备的横截面示意图。
图11A和11B是描述第七实施例的光电转换设备的横截面示意图。
图12是描述成像系统的方框图。
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图图解说明本发明的实施例，并与说明一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
现在将按照附图详细说明本发明的优选实施例。
本发明的光电转换设备具有多个光电转换元件，包括第一光电转换元件、第二光电转换元件和第三光电转换元件，其中布置第一光电转换元件的活性区和布置第二光电转换元件的活性区之间的间隔为第一距离。布置第一光电转换元件的活性区和布置第三光电转换元件的活性区之间的间隔为第二距离，所述第二距离小于第一距离。更具体地说，具有第一宽度的第一导电型的第一半导体区被部署在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间。此外，具有第二宽度的第一导电型的第二半导体区被部署在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间。这种情况下，与第一半导体区相比，第二半导体区更深地延伸到半导体基板中。另选地，第二半导体区的杂质浓度高于第一半导体区的杂质浓度。其中，第一导电型是半导体的一种导电类型，其中信号电荷是少数载流子。按照这种结构，能够减小由具有第一宽度的第一半导体区形成的势垒和由具有第二宽度的第二半导体区形成的势垒之间的差异。此外，还能够采用消除所述差异的结构。从而，能够抑制在某一光电转换元件处产生的信号电荷不均匀地与多个相邻光电转换元件中的任何光电转换元件的电荷混合的情况的发生。即，能够减少被泄漏并与多个相邻光电转换元件的电荷相混合的信号电荷的量的变化，从而提高获得的图像质量。此外，当进行校正时，由于能够容易地校正图像信号，因此也能够简化所需的图像处理单元的结构。下面，利用附图详细说明本实施例。
(像素电路例子)
图2A图解说明能够应用本发明的像素电路的例子。图2B图解说明像素电路的平面布局。图2C图解说明补充图2B的说明的平面布局。图2A图解说明包括两个光电转换元件的像素单元。在光电转换设备中，一维或二维地排列这种像素单元以形成成像区。当像素被视为包括一个光电转换元件的最小重复单元时，可认为图2A中所示的像素单元包括两个像素。
首先，下面利用图2A说明像素单元。图2A中所示的例子包括光电二极管100(即，光电转换元件)、传送MOS晶体管101、复位MOS晶体管102、放大器MOS晶体管103、选择MOS晶体管105和输出线106。104表示与放大器MOS 103的栅电极、传送MOS晶体管101和复位MOS晶体管102连接的交叉点的节点。该交叉点包括浮动扩散区。在下面的说明中把该节点称为浮动扩散区。本例的像素单元包括两个光电转换元件100a和100e，并且具有两个传送MOS晶体管101a和101e。传送MOS晶体管101a把在光电转换元件100a处产生的电荷传送给浮动扩散区104。传送MOS晶体管101e把在光电转换元件100e处产生的电荷传送给浮动扩散区104。放大器MOS晶体管103把与浮动扩散区104的电位一致的输出经选择MOS晶体管105输出给输出线106。放大器MOS晶体管103是源跟随器电路的一部分，其栅电极与浮动扩散区104连接。复位MOS晶体管102复位放大器MOS晶体管103的栅电极的节点，即，使浮动扩散区104复位到特定电位(复位电位)。向传送MOS晶体管101a供给传送控制信号TX1，向传送MOS晶体管101e供给传送控制信号TX2。向复位MOS晶体管供给复位控制信号RES，向选择MOS晶体管105供给选择控制信号SEL。信号电荷的读出由相应的控制信号控制。按照本实施例，两个光电转换元件共用单个放大器MOS晶体管103、单个复位MOS晶体管102和单个选择MOS晶体管105。
利用图2B图解说明光电转换设备的平面布局。图2B中图解说明的布局包括光电二极管200(即，光电转换元件)、传送MOS晶体管的栅电极201和复位MOS晶体管的栅电极202。图2B中图解说明的布局还包括放大器MOS晶体管的栅电极203、浮动扩散区204和选择MOS晶体管的栅电极205。此外，该布局包括放大器MOS晶体管的源极区206和放大器MOS晶体管的漏极区207。选择MOS晶体管的源极区208与输出线106连接。半导体区209用于向半导体区或半导体基板供给电压，有时被称为“阱接触体(well contact)”。元件隔离区210定义每个元件的活性区。在元件隔离区210中设置包括诸如LOCOS或STI之类绝缘体的元件隔离结构。在元件隔离区210中还可布置充当对于信号电荷的势垒的半导体区。此外，假定元件隔离区210可以是不具有元件隔离结构并且其中只布置充当对于信号电荷的势垒的半导体区的区域。这种情况下，当元件隔离区210只包括充当对于信号电荷的势垒的半导体区时，规定活性区由充当对于信号电荷的势垒的半导体区的边界限定。元件隔离区210具有第一元件隔离区220和第二元件隔离区221。
下面利用图2C说明元件隔离区210。图2C是进一步说明图2B中图解说明的结构的简化平面布局。在图2C中，第一元件隔离区220被布置在光电转换元件200a和光电转换元件200d或200e之间。第二元件隔离区221被布置在光电转换元件200a和光电转换元件200b或200c之间。这种情况下，第一元件隔离区220具有第一宽度W1，第二元件隔离区221具有第二宽度W2，W1＞W2。第一宽度W1是沿着连接光电转换元件200a的重心和光电转换元件200d或200e的重心的线段的宽度。第二宽度W2是沿着连接光电转换元件200a的重心和光电转换元件200b或200c的重心的线段的宽度。第一元件隔离区220和第二元件隔离区221被布置成网格形状，以封闭光电转换元件。其中，第一宽度W1是光电转换元件200a和200e之间的长度，以及布置光电转换元件200a的活性区和布置光电转换元件200e的活性区之间的距离。第二宽度W2是光电转换元件200a和200b之间的长度，以及布置光电转换元件200a的活性区和布置光电转换元件200b的活性区之间的距离。在图2B中所示的例子中布置图2C中所示的第一元件隔离区220和第二元件隔离区221。在包括由元件隔离区限定的光电转换元件200的活性区中还布置浮动扩散区204。
为了便于说明，图2B中二维布置的多个光电转换元件200分别被视为光电转换元件200a、200b、200c、200d和200e。与光电转换元件200a对应的传送MOS晶体管的栅电极和浮动扩散区分别由附图标记201a和204a表示。类似地，其它光电转换元件200b、200c、200d和200e的传送MOS晶体管的栅电极和浮动扩散区分别由附图标记201b、201c、201d和201e以及附图标记204b、204c、204d和204e表示。
光电转换设备并不局限于图2A中所示的电路，可以是其中数目更多的光电转换元件共用放大器MOS晶体管的结构，或者不具有选择MOS晶体管的结构。此外，光电转换设备的像素单元可以只具有一个光电转换元件。光电转换设备并不局限于图2B中所示的平面布局。下面，参考附图说明本发明的实施例。
(第一实施例)
下面利用图1A和1B说明本实施例的光电转换设备。按照本实施例，作为使势垒相等的方法，改变形成势垒的半导体区的深度。图1A是沿图2B中的线AB(第一方向X)的横截面示意图。图1B是沿图2B中的线CD(第二方向Y)的横截面示意图。在图1A和图1B中，和图2B中的组件相同的组件用相同的附图标记表示，并且下面省略其说明。本实施例描述其中信号电荷是电子的情况。按照本实施例，规定沿着如线AB所示的第一方向X和如线CD所示的第二方向Y以矩阵形状布置光电转换元件，即，像素，并且第一方向X和第二方向Y垂直。
在图1A和图1B中图解说明的结构包括半导体区216、半导体基板的原材料或基材218、和半导体基板219。在半导体基板中或者在半导体基板上形成半导体区216。例如，当在半导体基板中通过离子注入形成半导体区216时，通过在半导体基板上设置外延层，形成半导体区216。按照图1A和1B，其中半导体基板原样保持其初始状态的一部分被视为原材料或基材218，半导体基板219被认为包括原材料或基材218和半导体区216。按照本实施例，半导体区216被认为是p型半导体区，原材料或基材218被认为是u型。半导体区216也可以是原材料或基材218本身。此外，半导体区216或者原材料或基材218的导电类型可以是n型或p型。半导体基板219的主表面217包括光电转换元件的受光面。并且，在主表面217上，布置栅极绝缘膜(图中未示出)。光电转换元件200至少包括能够起表面保护层作用的p型半导体区211，和能够起电荷累积单元作用的n型半导体区212。浮动扩散区204由n型半导体区形成。下面，为了便于说明，p型半导体区211a和n型半导体区212a被规定为对应于光电转换元件200a。这同样适用于其它光电转换元件200b、200c、200d和200e。p型半导体区被视为分别用附图标记211b、211c、211d和211e表示的区域，n型半导体区被视为分别用附图标记212b、212c、212d和212e表示的区域。在上面说明的光电转换设备中，元件隔离结构(这种情况下，LOCOS)215被布置在具有第一元件隔离区220和第二元件隔离区221的元件隔离区210的半导体基板的主表面上，第一元件隔离区220具有第一宽度W1，第二元件隔离区221具有第二宽度W2。在元件隔离结构215下面布置能够充当对于信号电荷的势垒并且与p型半导体区216相比具有更高杂质浓度的p型半导体区213和214。具有宽度W1和深度D1的p型半导体区214被布置在光电转换元件200a和光电转换元件200e之间的宽度W1的第一隔离区中。具有宽度W2和深度D2的p型半导体区213被布置在光电转换元件200a和光电转换元件200c之间的宽度W2的第二隔离区中，深度D2大于深度D1。p型半导体区213和214的杂质浓度恒定。通过得到具有这些宽度和深度关系的p型半导体区，势垒之间的变化被减小。从而，能够减小在光电转换元件200处产生并泄漏到在相邻光电转换元件中产生的电荷中的电荷的量之间的变化。
通过下述方法形成p型半导体区213和214。在半导体基板上形成元件隔离结构之后，首先，设置诸如光刻胶之类的第一掩膜，在要在半导体基板上形成p型半导体区214的区域中，所述第一掩膜具有开口，通过进行第一能量的离子注入，形成p型半导体区214。之后，设置诸如光刻胶之类的第二掩膜，在要在半导体基板上形成p型半导体区213的区域中，所述第二掩膜具有开口，通过进行第二能量的离子注入，形成p型半导体区213。此时，在第一能量的离子注入和第二能量的离子注入中，注入相同的预定剂量的离子。从而，利用分离的工艺能够形成具有不同宽度和深度的p型半导体区。形成p型半导体区213和214的顺序是随意的。
下面，利用图1A到图3B说明本发明的任务。图3A和3B是与图1A和1B对应的光电转换设备的横截面示意图。图3A和3B中的与图1A、1B或图2A-2C中所示组件对应的组件用相同的附图标记表示，下面省略这些组件的说明。在图2B中所示的平面布局中，在一些情况下，包括光电转换元件的活性区之间的间隔是不同的。例如，第一光电转换元件200a和与第一光电转换元件200a相邻的第二光电转换元件200c之间的距离不同于第一光电转换元件200a和与第一光电转换元件200a相邻的第三光电转换元件200e之间的距离。因此，会存在比如从一个光电转换元件200a到其它光电转换元件200b、200c、200d和200e的信号电荷泄漏和混合之间的明显变化。这种情况下，在光电转换设备的整个表面上同时形成布置在元件隔离区中并充当对于信号电荷的势垒的半导体区(313和314)。这里，尽管对所有半导体区来说，充当对于信号电荷的势垒的半导体区(313和314)的深度和杂质浓度都相等，其宽度不同(W1和W2)。在这种结构中，当在光电转换元件200a的半导体基板深度处，在半导体区216中存在信号电荷时，相对于相邻的多个光电转换元件200b、200c、200d和200e的信号电荷的混合(串扰)量是不同的。原因在于由于信号电荷随意移动并且信号电荷消失的概率是恒定的，因此混合到相邻的光电转换元件中的信号电荷的量随p型半导体区的宽度，即，距离而变化。从而，信号电荷难以混合到离光电转换元件200a距离大的光电转换元件200e中，信号电荷易于混合到离光电转换元件200a距离小的光电转换元件200c中。另一方面，在图1A和1B中所示的光电转换设备中，当在光电转换元件200a中在半导体基板深度处产生电荷时，电荷被p型半导体区213阻挡，电荷难以混合到光电转换元件200c中。不仅在半导体基板中以更深的深度产生的电荷中，而且在从半导体区313和314溢出的电荷中，都会引起类似的变化。从而，如在本实施例中所述，当能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的宽度不同时，通过调整p型半导体区的深度，能够使光电转换元件之间的电荷的移动均衡。
尽管按照本实施例，活性区由元件隔离结构215限定，不过，该结构也可以是其中设置p型半导体区213和214并且不存在元件隔离结构215的结构。这种情况下，活性区由与p型半导体区213和p型半导体区216的边界限定。术语“与半导体区的边界”指的是在杂质浓度分布中达到p型半导体区216的杂质浓度的点。在半导体区216是n型半导体区的情况下，术语“与半导体区的边界”指的是在杂质浓度分布中净浓度变成零的点。此外，p型半导体区的宽度被视为当把p型半导体区投影到半导体基板的主表面217上时，p型半导体区在主表面217上的长度。p型半导体区的深度被视为p型半导体区沿着从半导体基板的主表面217向半导体基板内部的方向的长度。这种情况下，p型半导体区的深度的比较也可被认为是p型半导体区的底表面和半导体基板的主表面217之间的距离的比较。
在本实施例中，在宽度W1的区域中设置宽度W1的p型半导体区214，在宽度W2的区域中设置宽度W2的p型半导体区213。不过，在宽度W1的区域中，可以提供宽度不同于宽度W1的p型半导体区213等。例如，如图6A和6B中所示(图6A和6B表示了与图1A和1B类似的横截面示意图)，在宽度W1的区域中设置与宽度W1不同的任意宽度的多个p型半导体区614。此外，如图1A和1B中所示，在半导体基板的主表面上的元件隔离区中，可以提供构成其它元件，(比如晶体管)的半导体区208和209。
(第二实施例)
本实施例涉及一种彩色光电转换设备。本实施例的特征在于，除了第一实施例的结构之外，还按照入射光的波长调整p型半导体区的深度。下面利用图4A和4B具体说明本实施例。图4A和4B是与图1A和1B对应的光电转换设备的横截面示意图。图4A和4B中图解说明的具有与图1A和1B中相同的功能的组件用相同的附图标记表示，下面省略这些组件的说明。
本实施例的光电转换设备包括滤色器。图4A和4B图解说明其中按照Bayer布置模式布置滤色器的情况。例如，在光电转换元件200a的上部设置红色滤色器(R)，在其它光电转换元件200b、200c、200d和200e的上部设置绿色滤色器(G)。下面，用200a(R)、200b(G)等表示这些组件。这种情况下，由于波长长，因此入射到光电转换元件200a(R)的光到达半导体基板的深处，在半导体基板的深处产生电荷。此外，由于与入射到光电转换元件200a(R)上的光相比，入射到光电转换元件200b(G)上的光的波长短，因此入射到光电转换元件200b(G)的光在半导体基板的浅处产生电荷。从而，按照本实施例，如图4A中所示，宽度W2的p型半导体区包括深度D2的p型半导体区413，和深度D3的p型半导体区415，深度D3大于深度D2。接近于光电转换元件200a(R)设置深度D3的p型半导体区415。深度D2的p型半导体区413被设置为与到光电转换元件200a(R)相比，更接近于光电转换元件200b(G)。关于宽度W1的p型半导体区414的情况和第一实施例的p型半导体区214的情况相同。按照这种结构，即使在入射光的波长不同的情况下，也能够使混合到相邻的光电转换元件中的信号电荷的量均衡。
按照本实施例，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的深度之间的关系是深度D3＞深度D2＞深度D1。这种情况下，尽管p型半导体区413的深度被视为和第一实施例中相同的深度D2，不过也可采用其中p型半导体区415的深度为深度D2，p型半导体区413的深度为介于深度D2和D1之间的深度的结构。此外，就图4B中所示的宽度W1的p型半导体区414来说，p型半导体区不必只具有深度D1，按照入射光的波长，可以形成深度大于深度D1的p型半导体区，或者可以形成深度小于深度D2但是大于深度D1的p型半导体区。此外，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区可由多个半导体区构成，和第一实施例的改进例子(图6A和6B)中一样。
(第三实施例)
按照本实施例，说明其中光电转换元件的布局不同于第一实施例的结构。在本实施例中，类似于第一实施例，按照能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的宽度改变深度。但是，按照本实施例，p型半导体区的深度是按照光电转换元件的布局调整的。利用图5A和5B详细说明本实施例。图5A和5B是与图1A和1B中所示的光电转换设备等同的光电转换设备的横截面示意图。在图5A和5B中，与图1A和1B中具有相同功能的组件用相同的附图标记表示，下面省略这些组件的说明。
按照本实施例，布置是所谓的镜像布置，其中在平面布局(未示出)中，光电转换元件等相对于某一标准(这种情况下，元件隔离区210)对称。在图5A中所示的对应横截面示意图中，在其间夹着元件隔离区210的条件下，光电转换元件200a和光电转换元件200c被布置成彼此相对，并且在其间夹着元件隔离区210的条件下，浮动扩散区204a和浮动扩散区204b被布置成彼此相对。
同样在这种布置中，比宽度W1的p型半导体区514更深地形成宽度W2的p型半导体区。此外，按照这种配置，宽度W2的多个p型半导体区包括离光电转换元件200a距离大的p型半导体区513，和离光电转换元件200a距离小的p型半导体区515。这是因为传送晶体管被布置在光电转换元件的活性区中。p型半导体区513和p型半导体区515的深度分别按照相邻光电转换元件的第一导电型半导体区212与p型半导体区513和515之间的距离而不同。更具体地说，在图5A中，离光电转换元件的距离小的p型半导体区515被布置在深度D4处，深度D4大于离光电转换元件的距离大的p型半导体区513的深度D2。在图5A中，光电转换元件200a和光电转换元件200c之间的距离小于光电转换元件200a和光电转换元件200b之间的距离。从而，深度D4的p型半导体区515被设置在光电转换元件200a和光电转换元件200c之间，小于深度D4的深度D2的p型半导体区513被设置在光电转换元件200a和光电转换元件200b之间。通过按照这种方式调整p型半导体区的深度，能够使从光电转换元件200a混合到光电转换元件200c中的电荷的量与从光电转换元件200a混合到光电转换元件200b中的电荷的量接近相等。就此而论，光电转换元件200a和光电转换元件200c之间的距离也可被称为第一导电型的半导体区(212a和212c)之间的距离。此外，光电转换元件200a和光电转换元件200b之间的距离也可被称为第一导电型的半导体区(212a和212b)之间的距离。
按照本实施例，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的深度之间的关系是深度D4＞D2＞D1。类似于第二实施例，深度关系是任意的。此外，对于图5B中所示的宽度W1的p型半导体区514，能够产生和第二实施例中相同的变化。此外，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区可由多个半导体区构成，和第一实施例的改进例子(图6A和6B)中一样。
(第四实施例)
下面利用图7A和7B说明本实施例的光电转换设备。按照本实施例，作为使势垒相等的方法，改变形成势垒的半导体区的杂质浓度。类似于图1A和1B，图7A和7B是沿着图2B中所示的线AB和线CD的横截面示意图。与图1A和1B中的结构对应的相同结构用相同的附图标记表示。省略了相同结构的详细说明。
在图7A和7B中所示的光电转换设备中，在光电转换元件200a和光电转换元件200e之间的宽度W1的第一隔离区中布置具有宽度W1和杂质浓度C1的p型半导体区214。在光电转换元件200a和光电转换元件200c之间的宽度W2的第二隔离区中布置具有宽度W2和大于杂质浓度C1的杂质浓度C2的p型半导体区213。杂质浓度之间的关系是C2＞C1。p型半导体区213和214的深度相同(D1)。通过得到具有这些宽度和杂质浓度关系的p型半导体区，与光电转换元件200相邻的势垒之间的变化被减小。并且，能够减小在光电转换元件200处产生的混合到相邻光电转换元件中的电荷的量之间的变化。杂质浓度C1和C2分别代表半导体区214和半导体区213的峰值浓度值。
用下述方法形成p型半导体区213和214。在半导体基板上形成元件隔离区之后，首先，设置诸如光刻胶之类的第一掩膜，在要在半导体基板上形成p型半导体区214的区域中，所述第一掩膜具有开口，通过进行第一剂量的离子注入形成p型半导体区214。之后，设置诸如光刻胶之类的第二掩膜，在要在半导体基板上形成p型半导体区213的区域中，所述第二掩膜具有开口，通过进行第二剂量的离子注入形成p型半导体区213。此时，用相同的预定能量进行第一剂量和第二剂量的离子注入。从而，通过分离的工艺能够形成具有不同宽度和杂质浓度的p型半导体区。形成p型半导体区213和214的顺序是任意的。也可利用如下方法，首先在相同条件下预先形成p型半导体区213和214，之后对形成具有更高杂质浓度的p型半导体区213的部分进一步进行离子注入。
如本实施例中所述，当能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的宽度不同时，通过调整p型半导体区的杂质浓度，能够使光电转换元件之间的电荷移动均衡。
在本实施例中，宽度W1的p型半导体区214被设置在宽度W1的区域中，宽度W2的p型半导体区213被设置在宽度W2的区域中。不过，在宽度W1的区域中，可以设置宽度不同于宽度W1的p型半导体区214。例如，如图10中所示，图10表示与图7A和7B类似的横截面示意图，在宽度W1的区域中，可以形成不同于宽度W1的任意宽度的多个p型半导体区614。
(第五实施例)
第五实施例涉及一种彩色光电转换设备。本实施例的特征在于，除了第四实施例的结构之外，还按照入射光的波长调整p型半导体区的杂质浓度。下面利用图8A和8B具体说明本实施例。图8A和8B是与图7A和7B对应的光电转换设备的横截面示意图。图8A和8B中图解说明的具有与图7A和7B中相同的功能的组件用相同的附图标记表示，下面省略这些组件的说明。
本实施例的光电转换设备包括滤色器。图8A和8B图解说明其中按照Bayer布置模式布置滤色器的情况。例如，在光电转换元件200a的上部设置红色滤色器(R)，在其它光电转换元件200b、200c、200d和200e的上部设置绿色滤色器(G)。下面，用200a(R)、200b(G)等表示这些组件。这种情况下，由于波长长，因此入射到光电转换元件200a(R)的光到达半导体基板的深处，并在半导体基板的深处产生电荷。此外，由于与入射到光电转换元件200a(R)的光相比，入射到光电转换元件200b(G)的光的波长短，因此入射到光电转换元件200b(G)的光在半导体基板的浅处产生电荷。从而，按照本实施例，如图8A中所示，宽度W2的p型半导体区包括杂质浓度C2的p型半导体区413，和大于杂质浓度C2的杂质浓度C3的p型半导体区415。接近于光电转换元件200a(R)设置杂质浓度C3的p型半导体区415。杂质浓度C2的p型半导体区413被形成为与到光电转换元件200a(R)相比，更接近于光电转换元件200b(G)。关于宽度W1的p型半导体区414的情况和第四实施例的p型半导体区214的情况相同。按照这种结构，即使在入射光的波长不同的情况下，也能够使混合到相邻的光电转换元件中的信号电荷的量均衡。
按照本实施例，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的杂质浓度之间的关系是C3＞C2＞C1。这种情况下，尽管p型半导体区413的杂质浓度被视为和第四实施例中相同的C2，不过也可采用其中具有更高杂质浓度的p型半导体区415的杂质浓度为C2，p型半导体区413的杂质浓度是介于C2和C1之间的值的结构。此外，就图8B中所示的宽度W1的p型半导体区414来说，p型半导体区不必只具有杂质浓度C1，按照入射光的波长，可以形成具有比杂质浓度C1高的杂质浓度或者具有低杂质浓度的p型半导体区。此外，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区可由多个半导体区构成，和第四实施例的改进例子(图10A和10B)中一样。
(第六实施例)
按照本实施例，说明一种其中光电转换元件的布局不同于第四实施例的结构。在本实施例中，类似于第四实施例，按照能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的宽度改变杂质浓度。但是，本实施例的特征在于p型半导体区的杂质浓度是按照光电转换元件的布局调整的。利用图9A和9B详细说明本实施例。图9A和9B是与图7A和7B中所示的光电转换设备等同的光电转换设备的横截面示意图。在图9A和9B中，具有与图7A和7B中相同的功能的组件用相同的附图标记表示，下面省略这些组件的说明。
按照本实施例，布置是所谓的镜像布置，其中在平面布局(未示出)中，光电转换元件等相对于某一标准(这种情况下，元件隔离区210)对称。更具体地说，如图9A中所示，在其间夹着元件隔离区210的条件下，光电转换元件200a和光电转换元件200c被布置成彼此相对。此外，在其间夹着元件隔离区210的条件下，浮动扩散区204a和浮动扩散区204b被布置成彼此相对。
在这种布置中，宽度W2的p型半导体区具有比宽度W1的p型半导体区514更高的杂质浓度。此外，在这种配置中，宽度W2的多个p型半导体区包括离光电转换元件200a距离大的p型半导体区513，和离光电转换元件200a距离小的p型半导体区515。这是因为传送晶体管被布置在光电转换元件的活性区中。p型半导体区513和p型半导体区515的杂质浓度分别按照相邻光电转换元件的第一导电型的半导体区212与p型半导体区513和515之间的距离而不同。更具体地说，在图9A中，离光电转换元件的距离小的p型半导体区515具有杂质浓度C4，杂质浓度C4大于离光电转换元件的距离大的p型半导体区513的杂质浓度C2。当关于光电转换元件之间的距离关注该配置时，也可如下说明该情况。光电转换元件200a和光电转换元件200c之间的距离小于光电转换元件200a和光电转换元件200b之间的距离。从而，在光电转换元件200a和光电转换元件200c之间设置具有杂质浓度C4的p型半导体区515，在光电转换元件200a和光电转换元件200b之间设置具有杂质浓度C2的p型半导体区513，杂质浓度C2小于杂质浓度C4。通过按照这种方式调整p型半导体区的杂质浓度，能够使从光电转换元件200a混合到光电转换元件200c中的电荷的量以及从光电转换元件200a混合到光电转换元件200b中的电荷的量接近相等。就此而论，光电转换元件200a和光电转换元件200c之间的距离也可被称为第一导电型半导体区(212a和212c)之间的距离。此外，光电转换元件200a和光电转换元件200b之间的距离也可被称为第一导电型的半导体区(212a和212b)之间的距离。
按照本实施例，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区的杂质浓度之间的关系是杂质浓度C4＞C2＞C1。类似于第五实施例，杂质浓度关系是任意的。此外，对于图9B中所示的宽度W1的p型半导体区514，能够应用和第二实施例中相同的变化。此外，能够充当对于信号电荷的势垒的p型半导体区可由多个半导体区构成，和第四实施例的改进例子(图10A和10B)中一样。
(第七实施例)
本实施例的光电转换设备的结构结合第一实施例和第四实施例的结构。本实施例的特征在于按照p型半导体区的宽度改变深度和浓度。下面利用图11A和11B具体说明本实施例。图11A和11B是对应于图1的光电转换设备的横截面示意图。图11A和11B中所示的具有与图1A和1B中相同的功能的组件用相同的附图标记表示，下面省略这些组件的说明。
类似于第一实施例，本实施例包括具有宽度W1和深度D1的p型半导体区714。本实施例还包括具有宽度W2和深度D2的p型半导体区713。这种情况下，类似于第四实施例，p型半导体区713的杂质浓度是高于p型半导体区714的杂质浓度C1的杂质浓度C2。为了使杂质浓度不同，当利用分离的工艺形成宽度W1和宽度W2的p型半导体区时，可改变杂质离子的离子注入量。通过采用这种结构，不仅借助p型半导体区的深度，而且借助其杂质浓度，能够减小混合到相邻光电转换元件中的信号电荷的量的变化。即，当p型半导体区的宽度不同时，通过调整p型半导体区的深度和杂质浓度，能够减小混合到相邻像素中的信号电荷的量的变化。
(对成像系统的应用)
下面利用图12，关于把从第一实施例到第七实施例说明的光电转换设备应用于成像系统的情况，说明本实施例。术语“成像系统”指的是数字静态照相机、数字摄影机或移动电话机用数字照相机。
图12是图解说明数字静态照相机的配置的示图。用包括透镜802的光学系统，在光电转换设备804的成像平面上形成对象的光学图像。在透镜802外，可以设置阻隔体801，阻隔体801为透镜802提供保护功能，并且还起主开关的作用。透镜802可配有用于调整从透镜802射出的光的量的光圈803。借助成像信号处理电路805，对经多个通道从光电转换设备804输出的成像信号进行诸如各种校正和箝位之类的处理。借助A/D转换器806进行经多个通道从成像信号处理电路805输出的成像信号的模-数转换。信号处理单元(图像处理单元)807对从A/D转换器806输出的图像数据进行各种校正、数据压缩等等。光电转换设备804、成像信号处理电路805、A/D转换器806和信号处理单元807按照由定时发生器808产生的定时信号操作。每个部件由整体控制和算术运算单元809控制。数字静态照相机还包括用于临时保存图像数据的存储单元810，和相对于记录介质记录或读取图像的控制记录介质的I/F单元811。记录介质812包括半导体存储器等等，并且可从数字静态照相机上取下。数字静态照相机还包括与外部计算机等通信的外部接口(I/F)单元813。成像信号处理电路805、A/D转换器806、信号处理单元807和定时信号发生器808可以和光电转换设备804在相同的芯片上形成。
下面，说明图12中所示的组件的操作。响应于阻隔体801被打开，主电源、控制系统用电源和诸如A/D转换器806之类的成像系统电路的电源被顺序开启。随后，为了控制曝光量，整体控制和算术运算单元809使光圈803打开。从光电转换设备804输出的信号经过成像信号处理电路805，被提供给A/D转换器806。A/D转换器806进行信号的A/D转换，把转换后的信号输出给信号处理单元807。信号处理单元807处理数据，把数据提供给整体控制和算术运算单元809。整体控制和算术运算单元809进行算术运算，以确定曝光量。整体控制和算术运算单元809基于确定的曝光量，控制光圈。随后，整体控制和算术运算单元809从输出自光电转换设备804并且随后由信号处理单元807处理的信号中提取高频分量，并进行算术运算，以基于高频分量确定到对象的距离。之后，驱动透镜802，确定照相机是否焦点对准。如果确定照相机未焦点对准，那么再次驱动透镜802，并再次进行确定所述距离的算术运算。在确认照相机焦点对准之后，开始曝光。当曝光结束时，从光电转换设备804输出的成像信号在成像信号处理电路805处经历校正等，在A/D转换器806处进行A/D转换，并在信号处理单元807处被处理。整体控制和算术运算单元809把在信号处理单元807处被处理的图像数据累积在存储单元810中。之后，通过整体控制和算术运算单元809的控制，经控制记录介质的I/F单元把累积在存储单元810中的图像数据记录在记录介质812中。图像数据还经外部I/F单元813被提供给计算机等，并被处理。
如上所述，按照本发明的光电转换设备适用于成像系统。通过使用按照本发明的光电转换设备，使像素之间的信号电荷的混合(串扰)量均衡，从而与电荷不均匀地混合的情况相比，使在信号处理电路处的图像处理变得容易。从而，能够简化成像系统等的信号处理单元的结构。
在上面说明的实施例中，作为例子说明了其中调整p型半导体区的深度或杂质浓度的结构。在本发明中，意图减小或消除由第一和第二半导体区形成的势垒之间的差异。即，使杂质浓度均等，以在第一和第二元件隔离区中形成p型区。为了满足这种意图，可以做出另一种改进，而不偏离本发明的精神和范围。
上面已说明了本发明的几个示例性实施例。不过，本发明并不局限于示例性实施例，示例性实施例的适当改进是可能的。例如，半导体区的布置并不局限于上面说明的布置，半导体区可被分成多个区域，或者可被结合成单一区域。第一和第二半导体区的每一个都可包括由多次杂质注入而形成的多个半导体区。还可适当地改变电荷的极性，半导体区的极性和晶体管的极性。另外像素阵列不一定是矩阵形状，配置并不局限于其中对每一列以预定距离成列地偏移光电转换元件的布局。此外，可以适当地组合示例性实施例的结构。
尽管已参考示例性实施例说明了本发明，不过应当理解本发明并不局限于公开的示例性实施例。下述权利要求的范围应被给予最宽广的解释，以包含所有这样的改进以及等同的结构和功能。

Claims (17)

1.一种光电转换设备，包括：
半导体基板；
布置在半导体基板上的多个光电转换元件，包括第一光电转换元件、与第一光电转换元件相邻的第二光电转换元件、和与第一光电转换元件相邻的第三光电转换元件；
布置在半导体基板上的晶体管，用于传送在光电转换元件中产生的信号电荷；
布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的第一导电型的第一半导体区，使得信号电荷是少数载流子，其中第一半导体区具有第一宽度；和
布置在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间的第一导电型的第二半导体区，其中第二半导体区具有小于第一宽度的第二宽度，并且其中
第二半导体区比第一半导体区更深地延伸到半导体基板中。
2.按照权利要求1所述的光电转换设备，其中
第二半导体区具有比第一半导体区的杂质浓度高的杂质浓度。
3.按照权利要求1所述的光电转换设备，还包括：
布置在光电转换元件上的滤色器。
4.按照权利要求3所述的光电转换设备，其中
滤色器包括红色、蓝色和绿色滤色器，
第二半导体区包括离其上布置红色滤色器的光电转换元件的距离较小的一个半导体区，和离其上布置红色滤色器的光电转换元件的距离较大的另一个半导体区，
与第二半导体区中的所述另一个半导体区相比，第二半导体区中的所述一个半导体区在半导体基板中更深地延伸，或者具有更高的杂质浓度。
5.按照权利要求1所述的光电转换设备，其中
第一半导体区由多次不同能量的离子注入形成，第二半导体区由多次不同能量的离子注入形成。
6.按照权利要求1所述的光电转换设备，其中
第一和第二半导体区起对于信号电荷的势垒的作用，由第一和第二半导体区形成的势垒相同。
7.按照权利要求1所述的光电转换设备，还包括：
布置在第一或第二半导体区上的半导体基板的表面处的包括绝缘体的元件隔离结构。
8.按照权利要求1所述的光电转换设备，其中
多个光电转换元件被二维布置，第一光电转换元件和第二光电转换元件沿第一方向布置，第一光电转换元件和第三光电转换元件沿第二方向布置，使得第一方向与第二方向垂直相交。
9.一种成像系统，包括：
按照权利要求1所述的光电转换设备；和
信号处理单元，用于处理从光电转换设备输出的信号。
10.一种光电转换设备，包括：
半导体基板；
布置在半导体基板的主表面上的多个光电转换元件，包括第一光电转换元件、布置成与第一光电转换元件相邻的第二光电转换元件、和布置成与第一光电转换元件相邻的第三光电转换元件；
布置在半导体基板上的晶体管，用于传送在光电转换元件中产生的信号电荷；
布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的第一导电型的第一半导体区，使得信号电荷是少数载流子，其中第一半导体区具有第一宽度；和
布置在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间的第一导电型的第二半导体区，其中第二半导体区具有小于第一宽度的第二宽度，并且其中
第二半导体区具有比第一半导体区的杂质浓度高的杂质浓度。
11.按照权利要求10所述的光电转换设备，还包括：
布置在光电转换元件上的滤色器。
12.按照权利要求11所述的光电转换设备，其中
滤色器包括红色、蓝色和绿色滤色器，
第二半导体区包括离其上布置红色滤色器的光电转换元件的距离较小的一个半导体区，和离其上布置红色滤色器的光电转换元件的距离较大的另一个半导体区，
与第二半导体区中的所述另一个半导体区相比，第二半导体区中的所述一个半导体区在半导体基板中更深地延伸，或者具有更高的杂质浓度。
13.按照权利要求10所述的光电转换设备，其中
第一半导体区由多次不同能量的离子注入形成，第二半导体区由多次不同能量的离子注入形成。
14.按照权利要求10所述的光电转换设备，其中
第一和第二半导体区起对于信号电荷的势垒的作用，由第一和第二半导体区形成的势垒相同。
15.按照权利要求10所述的光电转换设备，还包括：
布置在第一或第二半导体区上的半导体基板的表面处的包括绝缘体的元件隔离结构。
16.按照权利要求10所述的光电转换设备，其中
多个光电转换元件被二维布置，第一光电转换元件和第二光电转换元件沿第一方向布置，第一光电转换元件和第三光电转换元件沿第二方向布置，使得第一方向与第二方向垂直相交。
17.一种成像系统，包括：
按照权利要求10所述的光电转换设备；和
信号处理单元，用于处理从光电转换设备输出的信号。
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