CN102034838B - 光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电转换装置和一种成像系统。本发明的光电转换装置包括：被布置在基板上的多个光电转换元件；用于传送信号电荷的晶体管；和用于读出传送的信号电荷的多个晶体管。多个光电转换元件包含彼此相邻的第一光电转换元件和第二光电转换元件。本发明的光电转换装置包括：被布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的具有第一导电类型的第一半导体区域；和被布置在布置有多个晶体管的区域上并具有比第一导电类型的第一半导体区域的宽度大的宽度的具有第一导电类型的第二半导体区域。

Description

光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统

技术领域

本发明涉及光电转换装置的隔离(isolation)结构。

背景技术

CCD和CMOS光电转换装置被用于大量的数字静物照相机和数字便携式摄像机中。近年来，光电转换装置中的像素减小，因此，研究电荷对于相邻的像素的串扰的对策。

日本专利申请公开No.2003-258232公开了根据光电转换元件的N型阱区域在深的区域处形成用作用于防止相邻的像素之间的电荷的串扰的隔离的势垒的P型阱区域的配置。

发明内容

本发明提供一种光电转换装置，该光电转换装置包括：基板；多个像素，其中每个像素包括：被布置在基板上的光电转换元件；被布置在基板上的用于传送在光电转换元件中产生的信号电荷的晶体管；和被布置在基板上的用于读出传送的信号电荷的多个晶体管，其中，所述多个像素包含彼此相邻的第一光电转换元件和第二光电转换元件，在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间形成第一半导体区域，所述第一半导体区域具有第一导电类型而在光电转换元件中产生的电荷是少数载流子，并且，在布置有用于读出传送的信号电荷的多个晶体管的区域中布置第二半导体区域，所述第二半导体区域具有第一导电类型并具有比第一导电类型的第一半导体区域的宽度大的宽度。

根据结合附图进行的以下描述，本发明的其它特征和优点将是清晰的，在这些附图中，类似的附图标记始终表示相同或类似的部分。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是根据第一实施例的光电转换装置的平面图。

图2A和图2B示出光电转换装置的像素电路的例子，并且是像素电路的平面图。

图3A和图3B是根据第一实施例的光电转换装置的示意性截面图。

图4是根据第二实施例的光电转换装置的示意性截面图。

图5是根据第三实施例的光电转换装置的平面图。

图6示出根据第四实施例的光电转换装置。

图7是用于描述成像系统的框图。

被包含于说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

本发明的发明人发现，在日本专利申请公开No.2003-258232中公开的P型阱区域中，伴随像素的减小会存在新的问题。该问题是，当像素减小时，用于隔离的阱区域减小光电转换元件的区域，并且，光电转换元件的灵敏度会降低。例如，如果用于隔离的阱区域是用作对于信号电荷的势垒的P型半导体区域，那么P型阱隔离区域替代(replace)光电转换元件的N型半导体区域。

如果用于隔离的P型阱区域的宽度变窄，那么在形成P型阱区域时的离子注入中可能无法在期望的深度处注入杂质。用于读出光电转换元件的电荷的晶体管被设置在光电转换元件的周围，并且，如果晶体管被布置在用于隔离的P型阱区域上，那么晶体管的阈值会改变。如果存在晶体管的阈值的变化，那么动态范围会变窄，并且，晶体管的性能会降低。

本发明的目的是，提供能够在维持光电转换元件的灵敏度的同时防止晶体管的性能的降低的光电转换装置。

本发明的光电转换装置包括：基板；被布置在基板上的多个光电转换元件；用于传送在光电转换元件中产生的信号电荷的晶体管；和用于读出传送的信号电荷的多个晶体管。多个光电转换元件包含彼此相邻的第一光电转换元件和第二光电转换元件。在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间形成第一半导体区域，所述第一半导体区域具有第一导电类型以使得在光电转换元件中产生的电荷是少数载流子，并且，在布置用于读出传送的信号电荷的多个晶体管的区域中布置具有第一导电类型的第二半导体区域。第二半导体区域的宽度比第一导电类型的第一半导体区域的宽度宽。

这种配置可在维持光电转换元件的灵敏度的同时防止晶体管的性能的劣化。

以下，将参照附图详细描述本发明的实施例。

(像素电路的例子)

将描述可应用本发明的像素电路的例子。图2A是示出可应用本发明的像素电路的例子的电路图，图2B是示出像素电路中的一个像素的平面布局的平面图。以下将描述信号电荷是电子的情况。

在图2A中，像素单元包含至少两个像素。像素至少包含一个光电转换元件。在图2A中，包含作为光电转换元件的光电二极管100(100a和100b)和传送MOS晶体管101(101a和101b)。还包含复位MOS晶体管102、放大MOS晶体管103和选择MOS晶体管105。因此，两个像素或两个光电二极管共享复位MOS晶体管102、放大MOS晶体管103和选择MOS晶体管105。传送MOS晶体管101将在光电转换元件100中产生的信号电荷传送到浮动扩散区域104。根据浮动扩散区域104的电势的输出被放大MOS晶体管103通过选择MOS晶体管105输出到输出线106。放大MOS晶体管103是源跟随器电路的一部分，并且栅电极与浮动扩散区域104连接。复位MOS晶体管102将放大MOS晶体管103的栅电极的节点即浮动扩散区域104复位到规定的(prescribed)电势(复位电势)。向传送MOS晶体管101b供给传送控制信号TX1，并且向传送MOS晶体管101a供给传送控制信号TX2。向复位MOS晶体管102供给复位控制信号RES，并且向选择MOS晶体管105供给选择控制信号SEL。控制信号对信号电荷的读取进行控制。在光电转换装置中，以一维或二维的方式布置这样的像素单元，以形成成像区域。像素单元可以不是包含两个像素，并且，可应用任意的配置。

图2B示出包含图2A的电路的光电转换装置的一个像素的平面布局。在图2B中，布置与图2A的100(100a)对应的光电转换元件200。附图标记201表示传送MOS晶体管101(101a)的栅电极，附图标记202表示复位MOS晶体管102的栅电极。附图标记203表示放大MOS晶体管103的栅电极，附图标记205表示选择MOS晶体管105的栅电极，并且附图标记204a表示浮动扩散区域。附图标记207表示放大MOS晶体管的漏极区域，附图标记208表示放大MOS晶体管的源极区域和选择MOS晶体管的漏极区域。附图标记209表示选择MOS晶体管的源极区域，并且所述源极区域与图2A中的输出线106连接。附图标记211表示用于向半导体区域以及向半导体基板供给电压的半导体区域，例如为阱触点。

附图标记210表示定义各元件的活性区域的隔离区域。虽然在本实施例中对于隔离区域210使用LOCOS(硅局部氧化)结构，但是，可以使用STI(浅槽隔离)结构和其它的结构。隔离区域210还可被配置为只包含用作针对信号电荷的势垒的半导体区域(扩散隔离)。当隔离区域210被配置为仅包含用作针对信号电荷的势垒的半导体区域时，在与用作针对信号电荷的势垒的半导体区域的边界处定义活性区域。在图2B中，一个活性区域包含光电转换元件200a和浮动扩散区域204a，并且，其它的活性区域包含晶体管的源极区域和漏极区域。沿第一方向(X轴)和第二方向(Y轴)以矩阵状布置像素即像素单元，并且，第一方向和第二方向相互正交。在图2B中，图2A的光电二极管100b与沿光电转换元件200a的第一方向布置的相邻的光电转换元件对应。在图2B中，光电转换元件200a用作第一光电转换元件，沿第一方向布置的光电转换元件用作第二光电转换元件，并且，沿第二方向布置的光电转换元件用作第三光电转换元件。

光电转换装置不限于图2A所示的电路。更多个光电转换元件可被配置为共享放大MOS晶体管，或者可以不包含选择MOS晶体管。光电转换装置不限于图2B所示的平面布局。当信号电荷为电子时，每一个MOS晶体管将是NMOS晶体管。当信号电荷为空穴时，每一个MOS晶体管将是PMOS晶体管。并且，改变具体的MOS晶体管的极性会是普通的设计问题。以下，将参照附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

将参照图1、图3A和图3B描述本发明的光电转换装置。图1A是与图2B的平面图对应的平面图。

在图1中，为了说明，在图2B的平面布局上重叠示出布置了可用作元件隔离的对于信号电荷(例如，电子)形成势垒的P型半导体区域的区域。P型半导体区域实际上被布置在半导体基板内，并且，图1示出在半导体基板的表面上投影配置的形状。可用作隔离的对于信号电荷(例如，电子)形成势垒的P型半导体区域包含第一半导体区域110、第三半导体区域111和第二半导体区域1012。那些P型半导体区域能够作为用于光电转换元件的隔离和用于晶体管的阱。第一半导体区域110沿第二方向被布置，并且沿第一方向被布置为与光电转换元件200a相邻。因此，第一半导体区域110被布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间。第三半导体区域111沿第一方向被布置，并且沿第二方向被布置为与光电转换元件200a相邻。因此，第三半导体区域111被布置在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间。当在半导体基板的表面上投影该布置时，第一半导体区域110和第三半导体区域111以格子状被布置。第二半导体区域1012被布置在布置用于读出传送的信号电荷的晶体管的区域处，并且，第二半导体区域1012被布置在晶体管的栅电极下面。在图1中，第二半导体区域1012被布置在晶体管的沟道部、源极区域和漏极区域下面。第一半导体区域110和第三半导体区域111具有宽度W1。根据晶体管的沟道部，第二半导体区域1012具有比沟道部宽的宽度W2，并具有比沟道部的沟道长度长的长度L1或长度L2。根据该配置，第一或第三半导体区域的边缘不接触晶体管的沟道部，并且，恒定的第二半导体区域被布置在晶体管的沟道部处。因此，可以减少晶体管的阈值的变化。换句话说，可以在防止信号电荷流入相邻的光电转换元件中的同时维持光电转换元件和晶体管的特性。

第二半导体区域1012的宽度W2与相应的晶体管的沟道宽度方向平行，并在本实施例中与第一方向平行。宽度W2比相应的晶体管的沟道宽度宽。第二半导体区域1012具有长度L1和长度L2。长度L1和L2与相应的晶体管的沟道长度方向平行，并在本实施例中与第二方向平行。长度L1和L2是任意的，并且，如果这些长度至少比相应的晶体管的沟道长度长，那么这些长度可以是任意的长度。在本实施例中，用于读出传送的信号电荷的晶体管是放大晶体管、选择晶体管和复位晶体管。

将参照图3A和图3B描述与图1对应的光电转换装置的示意性截面图。图3A是沿图1的AB线的示意性截面图，图3B是沿图1的CD线的示意性截面图。在图3A和图3B中，与图1相同的配置由相同的附图标记表示，并且，描述将不被重复。

在图3A和图3B中，附图标记301表示N型半导体基板，附图标记302表示P型半导体区域。半导体基板301具有在半导体基板上包含外延层的配置。附图标记303表示在传送晶体管的栅电极201a下面形成的沟道部，以及附图标记304表示作为图1的光电转换元件200a的电荷蓄积区域的N型半导体区域。附图标记305表示在选择晶体管的栅电极205下面形成的沟道部。晶体管的沟道部表示当晶体管工作时可形成沟道的区域。箭头D表示半导体基板301的深度方向。

在图3A和图3B中，第一半导体区域110具有宽度W1和深度方向的长度D1，并且，第二半导体区域1012具有宽度W2和深度方向的长度D1。如图3A所示，在穿过晶体管的源极区域或漏极区域的AB线截面中，第一半导体区域110被布置在漏极区域207下面。同时，如图3B所示，在穿过选择晶体管的栅电极205的CD线截面中，第二半导体区域1012被布置在选择晶体管的栅电极205下面。第二半导体区域1012的宽度比在选择晶体管的栅电极205下面形成的沟道部305的宽度宽，并且，第二半导体区域1012被布置在沟道部305下面。这种配置可减少晶体管的阈值的变化。

当将离子注入到半导体基板中的比沟道部深的位置时，注入离子的入射角度会由于离子束的特性而改变。在微细图案的形成过程中斜入射的离子的一部分穿过具有高的纵横比(aspect ratio)的光致抗蚀剂的开口边缘，被光致抗蚀剂的侧壁反射，或者以与预先确定的注入能量相比受损的能量进入半导体基板。具有受损的能量的离子达不到期望的深度。

如果以比沟道宽度细的图案形成可被布置在沟道部下面的P型半导体区域1012，那么离子由于以上原因而达不到期望的深度，并且可在沟道部处形成P型半导体区域。轻微布置的P型半导体区域可增加P型半导体区域302的浓度，并且可增加N型MOS晶体管的阈值。例如，如果复位MOS晶体管的阈值上升，那么对浮动扩散区域进行复位是困难的。并且，如果放大MOS晶体管的阈值增加，那么信号输出期间的动态范围变窄。可通过使得被布置在沟道部下面的半导体区域1012比沟道部宽，防止具有受损的能量的离子的注入。

基于已知的半导体制造技术，可以使用例如在布置图1所示的第一到第三半导体区域的区域开口的光致抗蚀剂掩模，通过离子注入形成本实施例的光电转换装置。并且，可通过使用相同的掩模形成第三半导体区域和除与第二半导体区域重叠的部分外的第一半导体区域，而使用不同的掩模形成第二半导体区域。

虽然在本实施例中第一半导体区域110和第三半导体区域111具有相同的宽度W1以使得信号电荷对于相邻的像素的串扰保持恒定，但是，各宽度可根据元件的布置而不同。使信号电荷向周围像素的泄漏保持恒定可有利于图像信号的校正处理。可以设定第三半导体区域111的宽度，使得防止相邻的浮动扩散区域204的寄生电容的增加。

第二半导体区域可被布置在以格子状布置的第一半导体区域和第三半导体区域之间的交点处。更具体地讲，可以在格子状布置的第一半导体区域和第三半导体区域之间的交点处布置用于读出传送的信号电荷的晶体管。这种布置可改善光电转换元件和其它的元件之间的布置的对称性。这种布置还可减少信号电荷向周围像素的泄漏的变化。

以上的配置可提供能够在维持光电转换元件的灵敏度的同时防止晶体管的性能的降低的光电转换装置。

(第二实施例)

将参照图4描述本实施例的光电转换装置。图4是与图3B对应的示意性截面图。与图3B中相同的配置由相同的附图标记表示，并且，描述将不被重复。

与第一实施例相比，本实施例的光电转换装置的特征在于包括可用作隔离的多个半导体区域。更具体地讲，在图4中，多个第四半导体区域401被布置在第二半导体区域1012下面，第四半导体区域401具有比宽度W2窄并与第一半导体区域的宽度相同的宽度W1。具有宽度W1的多个第五半导体区域402被布置在第一半导体区域110下面。也可通过这种配置维持晶体管的性能，因为第二半导体区域1012被布置为覆盖晶体管的沟道部。

由于具有相同的宽度W1的第四半导体区域401和第五半导体区域402被布置在相同的深度处，因此可以容易地使在光电转换元件的深的位置处产生的信号电荷的泄漏均等化。

虽然在本实施例中布置三个第四半导体区域401和第五半导体区域402，但是，该布置不限于此。虽然布置一个第三半导体区域1012，但是，可以沿深度方向布置多个第三半导体区域1012。

(第三实施例)

将参照图5描述本实施例的光电转换装置。图5是与图1对应的示意性截面图。与图1相同的配置由相同的附图标记表示，并且，描述将不被重复。

与第一实施例相比，本实施例的光电转换装置的特征在于，第二半导体区域的长度是短的。更具体地讲，在图5中，第二半导体区域7012具有长度L3。长度L3比图1的相应的第二半导体区域的长度L1和L2短。长度L3比晶体管的沟道长度长。更具体地讲，如果至少覆盖晶体管的沟道部，那么，如图5所示，本实施例的第二半导体区域7012可以不覆盖源极区域和漏极区域中的一些。虽然第二半导体区域在第一实施例中具有两种长度，但是，第二半导体区域在本实施例中只具有一种长度L3。仅设定一种长度可改善平面布局的对称性并使信号电荷的泄漏均等化。

由于多个晶体管中的复位晶体管和放大晶体管的阈值的变化影响要读出的信号，因此，期望第二半导体区域覆盖沟道部。由于对于信号的影响小，因此在选择晶体管中可以不布置第二半导体区域，并且可以布置第一或第三半导体区域。

(第四实施例)

将参照图6描述本实施例的光电转换装置。在图6中，与图1相同的布置由相同的附图标记表示，并且，描述将不被重复。

图6的本实施例的光电转换装置包括具有宽度W1的第一半导体区域110、具有宽度W1的第三半导体区域111和具有宽度W2的第二半导体区域1012。这种配置可在防止信号电荷流入相邻的光电转换元件的同时维持光电转换元件和晶体管的特性。本实施例的光电转换装置还包含没有第一导电类型的半导体区域110的区域1112。这种配置可调整从光电转换元件200a流入相邻的光电转换元件的信号电荷。例如，如果沿第一方向从光电转换元件200a流入相邻的光电转换元件中的信号电荷比沿第二方向从光电转换元件200a流入相邻的光电转换元件中的信号电荷少，那么信号电荷的量可被均等化。

可以在被供给诸如电源和地(ground)的固定电势的源极区域、漏极区域或任意半导体区域(诸如阱触点)下面布置区域1112。根据这种配置，可以将通过LOCOS等产生的暗电流排出到源极区域、漏极区域或半导体区域。因此，可以减少流入光电转换元件中的暗电流。

(第五实施例)

将详细描述将本发明的光电转换装置作为成像装置应用于成像系统的实施例。成像系统的例子包括数字静物照相机、数字便携式摄像机和监视照相机。图7示出将光电转换装置应用于作为成像系统的例子的数字静物照相机的框图。

在图7中，附图标记1表示用于保护透镜的挡板1。附图标记2表示在成像装置4(光电转换装置)上形成被摄体的光学图像的透镜。附图标记3表示用于改变通过透镜2的光的量的光阑。附图标记6表示对由成像装置4输出的图像信号施加模数转换的A/D转换器。附图标记7表示对由A/D转换器6输出的图像数据执行各种校正或数据压缩的信号处理单元。图7中的附图标记8表示向成像装置4、图像信号处理电路5、A/D转换器6和信号处理单元7输出各种定时信号的定时产生器。附图标记9表示控制各种算术运算和整个数字静物照相机的总体控制和算术运算单元。附图标记10表示暂时存储图像数据的存储器单元。附图标记11表示将数据记录到记录介质或从记录介质读出数据的接口单元。附图标记12表示用于记录或读出图像数据的诸如半导体存储器的可移动记录介质。附图标记13表示用于与外部计算机等通信的接口单元。可从外面输入定时信号和其它信号，并且，成像系统可至少包括成像装置4和处理从成像装置输出的图像信号的信号处理单元7。可以与成像装置在相同的基板上形成定时产生器和A/D转换器。以这种方式，本发明的光电转换装置可被应用于成像系统。通过将本发明的光电转换装置应用于成像系统，可以获取高质量图像。

如所述的那样，本发明的配置可提供能够在维持光电转换元件的灵敏度的同时防止晶体管的性能的降低的光电转换装置。

虽然在各实施例中以格子状布置第一半导体区域和第三半导体区域，但是，该布置依赖于元件并且不限于此。也可适当地设定诸如第一到第三半导体区域的半导体区域的深度方向的长度。可以适当地组合各配置和各实施例。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改与等同的结构和功能。

Claims (5)

1.一种光电转换装置，包括：

基板；以及

多个像素，其中每一个像素包含：

被布置在具有第一导电类型的半导体区域中并且蓄积信号电荷的光电转换元件，其中所述信号电荷是少数载流子；

用于传送所述信号电荷的晶体管；和

用于读出传送的信号电荷的多个晶体管，其中，

所述多个像素包含彼此相邻的第一光电转换元件和第二光电转换元件，

具有第一导电类型的第一半导体区域被布置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间并且在所述半导体区域中，并且，

第二半导体区域被布置在布置有用于读出传送的信号电荷的所述多个晶体管的区域中并且被布置在所述半导体区域中，所述第二半导体区域具有第一导电类型并且具有比第一半导体区域的宽度大的宽度。

2.根据权利要求1的光电转换装置，其中，

用于读出传送的信号电荷的所述多个晶体管包含复位晶体管和放大晶体管，并且，

在所述复位晶体管或所述放大晶体管的沟道部分处，第二半导体区域具有比所述复位晶体管或所述放大晶体管的沟道宽度大的宽度，并且具有比所述复位晶体管或所述放大晶体管的沟道长度大的长度。

3.根据权利要求1的光电转换装置，其中，

所述多个像素包含与第一光电转换元件相邻的第三光电转换元件，第一导电类型的第三半导体区域被形成在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间并且在所述半导体区域中，并且，第一半导体区域和第三半导体区域是以格子状布置的。

4.根据权利要求1的光电转换装置，其中，

第一光电转换元件和第二光电转换元件共享有多个共用的晶体管。

5.一种成像系统，包括：

根据权利要求1的光电转换装置；和

用于处理从所述光电转换装置输出的信号的信号处理电路。

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