CN102969323A - 固态摄像装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态摄像装置及包括该固态摄像装置的电子设备。所述摄像装置包括：第一光电转换元件，其具有形成于半导体基板内部的第一导电型第一半导体区域；第二光电转换元件，其具有形成于所述半导体基板的比所述第一光电转换元件的位置深的第一导电型第二半导体区域；栅电极，其层叠在所述半导体基板上；浮动扩散区域，向所述浮动扩散区域传输所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件中累积的电荷；和第一导电型第三半导体区域，其在所述半导体基板的深度方向上在所述第一半导体区域和所述第二半导体区域之间布置成在俯视观察时与所述栅电极重叠。根据本发明，能够降低电荷传输特性的恶化，从而获得更优良的图像质量。

Description

固态摄像装置和电子设备
相关申请的交叉参考
本申请包含与2011年08月31日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2011-188994的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及固态摄像装置和电子设备，尤其涉及能获得更优良的图像质量的固态摄像装置和电子设备。
背景技术
一般而言，诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合装置)图像传感器之类的固态摄像装置已经广泛应用于数字静态照相机、数字视频摄像机等。例如，入射到CMOS图像传感器上的入射光由用作像素的光电转换部的PD(光电二极管)进行光电转换。然后，PD产生的电荷通过传输晶体管传输到用作浮动扩散区域的FD(浮动扩散部)，并且放大晶体管输出像素信号，所述像素信号的电平对应于FD中所累积的电荷。
在相关的技术中，在固态摄像装置中，已经提出若干技术来在远离硅基板前表面的较深位置处形成PD，以获得很小的像素尺寸并提高饱和电荷量。
例如，日本特许专利No.2008-78302公开了一种具有PNPNP结构的固态摄像装置，其中，HAD(孔累积二极管)具有两个电荷累积部。在该固态摄像装置中，通过离子注入使杂质浓度分布逐渐变化，并且通过传输栅极将电荷传输到FD。
然而，在PD形成于硅基板的较深位置处的情况下，如在日本特许专利No.2008-78302所公开的摄像设备中，难以传输PD中所累积的电荷。换句话说，因为在FD的下部附近存在有P型隔离区域，并且在PD的较深位置处形成了具有均匀浓度的N型区域，所以难以传输在较深位置处累积的电荷。由于这个原因，如果不能从PD传输电荷，那么未传输的电荷将导致后像(after-image)，这样，图像质量就会恶化。
发明内容
鉴于上述情况，提出了本发明，因此，期望获得更优良的图像质量。
根据本发明的实施例，提供一种固态摄像装置。所述固态摄像装置包括：第一光电转换元件，其具有形成于半导体基板内部的第一导电型第一半导体区域；第二光电转换元件，其具有形成于所述半导体基板的比所述第一光电转换元件的位置深的第一导电型第二半导体区域；栅电极，其层叠在所述半导体基板上，并且在电荷传输时施加有预定电压，其中，在所述电荷传输时读取与所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件所光电转换的电荷对应的信号；浮动扩散区域，在所述电荷传输时间内，向所述浮动扩散区域传输所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件中累积的电荷；和第一导电型第三半导体区域，其在所述半导体基板的深度方向上在所述第一半导体区域和所述第二半导体区域之间布置成在俯视观察时与所述栅电极重叠。
根据本发明的另一实施例，提供一种包括上述实施例的固态摄像装置的电子设备。
在本发明的实施例中，电荷在电荷传输时间内通过第一导电型第三半导体区域从第二半导体区域传输到第一半导体区域，其中，第一导电型第三半导体区域在半导体基板的深度方向上布置在第一半导体区域和第二半导体区域之间，并且当俯视观察时与栅电极重叠。
根据本发明的实施例，有可能获得更优良的图像质量。
结合以下如附图所示的本发明最佳实施方式的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将更加明显。
附图说明
图1是表示应用有本发明的固态摄像装置的实施例的构造示例的框图；
图2是表示像素的构造示例的电路图；
图3是表示像素的驱动时序的示例图；
图4是表示像素的横截面的构造示例的示意图；以及
图5是表示安装在电子设备中的摄像设备的构造示例的框图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细描述应用有本发明的具体实施例。
图1是表示应用有本发明的固态摄像装置的实施例的构造示例的框图。
在图1中，固态摄像装置11是CMOS固态摄像装置，并具有像素阵列部12、垂直驱动部13、列处理部14、水平驱动部15、输出部16和驱动控制部17。
像素阵列部12具有以阵列形式排列的多个像素21。像素21通过多个水平信号线22连接到垂直驱动部13，并通过多个垂直信号线23连接到列处理部14，上述多个水平信号线22对应于像素21的行数，上述多个垂直信号线23对应于像素21的列数。换句话说，像素阵列部12的多个像素21布置在水平信号线22和垂直信号线23彼此相交的点处。
垂直驱动部13通过相应的水平信号线22向像素阵列部12的多个像素21的每一行相继提供用于驱动每个像素21的驱动信号(例如，传输信号、选择信号和复位信号)。
列处理部14通过相应的垂直信号线23对从每个像素21输出的像素信号进行CDS(相关双采样)处理，以提取像素信号的信号电平，并获得对应于每个像素21的光接收量的像素数据。
针对像素阵列部12的多个像素21的每一列，水平驱动部15向列处理部14相继提供驱动信号，以用于从列处理部14输出从每个像素21获得的像素数据。
输出部16按照基于水平驱动部15的驱动信号的时序从列处理部14接收像素数据。例如，输出部16放大像素数据，并将最终的像素数据输出到后级的图像处理电路。
驱动控制部17控制固态摄像装置11内部的每个组块的驱动。例如，驱动控制部17根据每个组块的驱动周期来产生时钟信号，并将最终的时钟信号提供给每个组块。
图2是表示像素21的构造示例的电路图。
如图2所示，像素21具有PD 24、传输晶体管25、FD 26、放大晶体管27、选择晶体管28和复位晶体管29。
如下文将描述的图4所示，PD 24具有P型区域和N型区域，P型区域和N型区域在硅基板中形成为彼此接合。另外，PD24接收照射到像素21上的光，并产生和累积对应于光量的电荷。
根据垂直驱动部13提供的传输信号来驱动传输晶体管25。当传输晶体管25导通时，累积在PD 24中的电荷被传输到FD 26。
FD 26是在放大晶体管27的栅电极与传输晶体管25之间的连接点处形成的浮动扩散区域，其具有预定容量。FD 26对通过传输晶体管25从PD 24传输的电荷进行累积。
放大晶体管27连接到电源VDD，并输出像素信号，该像素信号的电平对应于FD 26中所累积的电荷。
根据垂直驱动部13提供的选择信号来驱动选择晶体管28。当选择晶体管28导通时，垂直信号线23通过选择晶体管28读取从放大晶体管27输出的像素信号。
根据垂直驱动部13提供的复位信号来驱动复位晶体管29。当复位晶体管29导通时，通过复位晶体管29使FD 26中累积的电荷向电源VDD放电，以复位FD 26。
图3是表示像素21的驱动时序的示例图。
在从像素21读取像素信号的读取时段所开始的时刻，垂直驱动部13将选择信号设置为高。于是，选择晶体管28导通，从而建立如下状态：通过垂直信号线23能够将像素21的信号输出到水平驱动电路15。
然后，当垂直驱动部13将复位信号设置为高时，复位晶体管29导通，从而FD 26中累积的电荷向电源VDD放电。在垂直驱动部13将复位信号设置为低而完成复位之后，读取处于复位电平的像素信号。
接下来，当垂直驱动部13将传输信号设置为高时，传输晶体管25导通，从而将累积在PD 24中的电荷传输到FD 26。然后，在垂直驱动部13将传输信号设置为低而完成电荷传输之后，读取具有与FD 26中累积的电荷相对应的电平的像素信号。
于是，在固态摄像装置11中，读取具有复位电平的像素信号以及具有与FD 26中累积的电荷对应的电平的像素信号，并且列处理部14提取像素信号的信号电平。
图4是表示像素21的横截面的构造示例的示意图。
如图4所示，像素21的PD 24具有布置在硅基板31的浅位置处的PD 24-1和布置在硅基板31的深位置处的PD 24-2。
PD 24-1具有P型区域32和N型区域33，P型区域32形成为与硅基板31的上表面(面向图4上侧的表面)接触，N型区域33在硅基板31的较深位置处形成为接合到P型区域32。另外，PD 24-2具有P型区域34和N型区域35，P型区域34形成在硅基板31的比N型区域33更深的位置处，N型区域35在硅基板31的深位置处形成为接合到P型区域34。
此外，P型区域36在硅基板31的位于N型区域35下方的深位置处形成为接合到N型区域35。另外，P型区域36的杂质浓度形成为比P型区域32和34的杂质浓度低。
如上所述，PD 24具有所谓的PNPNP结构，在该结构中，P型区域32、N型区域33、P型区域34、N型区域35和P型区域36从硅基板31的上表面一侧依次层叠。
另外，N型区域35和P型区域36形成在像素21的整个区域中，而P型区域32、N型区域33和P型区域34形成在像素21的一部分中(图4中右边的一半)。而且，在PD 24的其它区域(图4中左边的一半)中，在P型区域32、N型区域33和P型区域34所形成的深度处，形成有P型区域37、N型区域38、N型区域39、P型区域40和N型区域41。
另外，为了将像素21与相邻像素电隔离，P型区域42形成为包围像素21。应注意到，除了形成P型区域42之外，诸如STI(浅沟槽隔离)和LOCOS(局部氧化硅)等技术也可以用于执行像素隔离。
此外，传输晶体管25的栅电极43形成为层叠在硅基板31的上表面上的对应于P型区域37的位置处。也就是说，在向栅电极43施加预定电压时，通过传输晶体管25将PD 24-1和24-2中累积的电荷传输到FD26。
P型区域37形成在靠近P型区域32的位置处，并与硅基板31的上表面接触。
N型区域38隔着P型区域37形成在远离P型区域32的位置处，与硅基板31的上表面接触，并用作FD 26。此外，N型区域38是像素21中具有最高N型杂质浓度的区域(N++)。
N型区域39在比N型区域38更深的位置处形成为接合到N型区域38。此外，N型区域39形成为在P型区域37的方向比N型区域38更加突出。换句话说，N型区域39形成为进入到P型区域37的下侧，使得N型区域39和33之间的间隔小于N型区域38和33之间的间隔。
由于以上述方式形成N型区域39，所以可以改善栅电极43下面的电势，于是在电荷传输时，N型区域33中累积在的电荷很容易通过N型区域39传输到N型区域38。换句话说，N型区域39用作用于将电荷从N型区域33传输到N型区域38的辅助区域。于是，使得PD 24能够降低传输电荷时的失败，并提高它的传输特性。
P型区域40形成在比N型区域39和P型区域37更深的位置处。
N型区域41是夹在P型区域40与N型区域35之间的区域，并形成在比N型区域33更深的位置处。也就是说，N型区域41在硅基板31的深度方向上形成在N型区域33和35之间。此外，N型区域41在FD 26和栅电极43的下方形成为在俯视观察时与FD 26和栅电极43重叠。
由于以此方式形成N型区域41，所以在电荷传输时容易通过N型区域41将N型区域35中累积的电荷传输到N型区域33。换句话说，N型区域41用作用于将电荷从N型区域35传输到N型区域33的辅助区域。于是，使得PD24能够降低传输电荷时的失败，并提高它的传输特性。
由此以上述方式构成了像素21。对于用作电荷保持部的N型区域33和35以及形成在N型区域33和35之间的N型区域41的浓度梯度，N型区域33、N型区域41和N型区域35按照越来越高的浓度依次布置。更具体地说，N型区域35的浓度高达约1015cm-3，N型区域41的浓度高达约1016cm-3，而N型区域33的浓度高达约1016cm-3。也就是说，N型区域35形成为具有比N型区域33低的杂质浓度。
另外，在N型区域33、41和35的深度方向上，N型区域33设置在0.1μm与0.2μm的深度之间，N型区域35设置在0.3μm与0.5μm的深度之间，而N型区域41设置在N型区域33和35之间。
另外，如上所述，由于N型区域39和41用作用于传输电荷的辅助区域，所以使得PD 24能够降低电荷传输特性的恶化。
如上所述，由于在像素21中适当地设置N型区域的浓度梯度和布置，所以增加了饱和电子的数量，并且在将电荷从PD 24-2传输到PD 24-1时，可以将PD 24-2中累积的电荷完全传输到PD 24-1。因此，基于电荷传输特性上的改进，能够进一步降低传输电荷时的失败，避免发生未传输电荷所引起的后像，以及获得比以前更好的图像质量。此外，由于在硅基板31的较深位置处在整个区域上形成N型区域35，所以能够增加饱和电子的数量。
另外，为了读取在硅基板的较深位置处累积的电荷，例如采用了垂直栅电极。然而，由于需要蚀刻和挖空硅基板来形成垂直电极，所以存在着由于等离子体而对硅基板产生影响的担心。因此，出现像素特性的恶化，例如白点和暗流。
另一方面，在像素21中，能够在不使用垂直栅电极的情况下有效地从形成在硅基板31的较深位置处的N型区域35读取电荷。因此，不会发生由于使用垂直的栅电极而出现的问题。
图5是安装在电子设备中的摄像设备的构造示例的框图。
如图5所示，摄像设备101具有光学系统102、摄像装置103、信号处理电路104、监视器105和存储器106，并且能摄取静态图像和动态图像。
光学系统102具有一个或多个透镜，将来自物体的图像光(入射光)引导至摄像装置103中，并在摄像装置103的光接收表面(传感器部分)上形成图像。
作为摄像装置103，其采用上述具有像素21的固态摄像装置11。在摄像装置103中，根据由光学系统102形成在光接收表面上的图像，将电子累积一段特定时间。然后，将与摄像装置103中累积的电子相对应的信号提供给信号处理电路104。
信号处理电路104对从摄像装置103输出的信号电荷进行各种信号处理。在信号处理电路104对信号电荷进行信号处理时所获得的图像(图像数据)被提供到并显示在监视器105上，或者被提供到并存储(记录)在存储器106中。
在如此构成的摄像设备101中，能够通过使用上述具有像素21的固态摄像装置11作为摄像装置103来获得更好的图像质量。
此外，除了在背侧发光型CMOS固态摄像装置中使用之外，本发明实施例的固态摄像装置11还可以在正面发光型CMOS固态摄像装置、CCD固态摄像装置或其它装置中使用。
需要注意的是，本发明也可以采用以下构造。
(1)固态摄像装置，包括：
第一光电转换元件，其具有形成于半导体基板内侧的第一导电型第一半导体区域；
第二光电转换元件，其具有形成于所述半导体基板的比所述第一光电转换元件的位置深的第一导电型第二半导体区域；
栅电极，其层叠在所述半导体基板上，并且在电荷传输时施加有预定电压，其中，在所述电荷传输时读取与所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件所光电转换的电荷对应的信号；
浮动扩散区域，在所述电荷传输时间内，向所述浮动扩散区域传输所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件中累积的电荷；和
第一导电型第三半导体区域，其在所述半导体基板的深度方向上在所述第一半导体区域和所述第二半导体区域之间布置成在俯视观察时与所述栅电极重叠。
(2)如(1)的固态摄像装置，其中，
所述第二半导体区域形成为具有比所述第三半导体区域低的杂质浓度。
(3)如(1)或(2)的固态摄像装置，进一步包括：
第一导电型第四半导体区域，其形成在比所述浮动扩散区域更深的位置处，并且在与所述浮动扩散区域接触的同时比所述浮动扩散区域更向所述第一半导体区域的一侧突出。
(4)如(3)的固态摄像装置，其中，
所述第四半导体区域形成为在俯视观察时与所述栅电极重叠。
(5)如(1)-(4)中任意一个固态摄像装置，其中，
所述第一光电转换元件具有接合到所述第一半导体区域的第二导电型第五半导体区域，
所述第二光电转换元件具有接合所述第二半导体区域的第二导电型第六半导体区域，并且
杂质浓度比所述第五半导体区域和所述第六半导体区域低的第二导电型第七半导体区域形成为与所述第二光电转换元件的所述第二半导体区域的下侧接触。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。

Claims (7)

1.一种固态摄像装置，其包括：
第一光电转换元件，其具有形成于半导体基板内部的第一导电型第一半导体区域；
第二光电转换元件，其具有形成于所述半导体基板的比所述第一光电转换元件的位置深的第一导电型第二半导体区域；
栅电极，其层叠在所述半导体基板上，并且在电荷传输时施加有预定电压，其中，在所述电荷传输时读取与所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件所光电转换的电荷对应的信号；
浮动扩散区域，在所述电荷传输时间内，向所述浮动扩散区域传输所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件中累积的电荷；和
第一导电型第三半导体区域，其在所述半导体基板的深度方向上布置在所述第一半导体区域和所述第二半导体区域之间，并且在俯视观察时与所述栅电极重叠。
2.如权利要求1所述的固态摄像装置，其中，
所述第二半导体区域形成为具有比所述第三半导体区域低的杂质浓度。
3.如权利要求2所述的固态摄像装置，其中，
所述第一半导体区域形成为具有比所述第三半导体区域高的杂质浓度。
4.如权利要求1所述的固态摄像装置，其还包括：
第一导电型第四半导体区域，其形成在比所述浮动扩散区域更深的位置处，并且在与所述浮动扩散区域接触的同时比所述浮动扩散区域更向所述第一半导体区域的一侧突出。
5.如权利要求3所述的固态摄像装置，其中，
所述第四半导体区域形成为在俯视观察时与所述栅电极重叠。
6.如权利要求1所述的固态摄像装置，其中，
所述第一光电转换元件具有第二导电型第五半导体区域，所述第五半导体区域结合到所述第一半导体区域，
所述第二光电转换元件具有第二导电型第六半导体区域，所述第六半导体区域接合到所述第二半导体区域，并且
杂质浓度比所述第五半导体区域和所述第六半导体区域低的第二导电型第七半导体区域形成为与所述第二光电转换元件的所述第二半导体区域的下侧接触。
7.一种电子设备，其包括权利要求1-6中任一项所述的固态摄像装置。
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