CN104917980B - 固态成像设备和成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态成像设备和成像系统。固态成像设备包括多个像素，像素包括：光电转换部；电荷保持部，积聚从光电转换部转移的信号电荷；以及浮置扩散区，电荷保持部的信号电荷被转移到浮置扩散区，其中，光电转换部包括第一导电类型的第一半导体区以及在第一半导体区下面形成的第二导电类型的第二半导体区，电荷保持部包括第一导电类型的第三半导体区以及在第三半导体区下面形成的第二导电类型的第四半导体区，并且第三半导体区与第四半导体区之间的p‑n结的位置比第一半导体区与第二半导体区之间的p‑n结深。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像设备和成像系统。
背景技术
近年来，诸如数码摄像机和数码照相机之类的成像系统变得普及，所述成像系统中使用了适合于低能耗和高速读出的CMOS图像传感器。在CMOS图像传感器中，顺序读出操作(卷帘快门操作)是基本操作，它顺序地读出每一行中或几行的每个块中的像素，但是还提出了具有全像素同时电子快门(whole-pixel simultaneous electronic shutter)功能的CMOS图像传感器(参考国际公开号WO 11/043432)。在这里，全像素同时电子快门是同时控制所有像素中的曝光的开始和结束的机构。
当电荷保持部的面积加宽或者电荷保持部的杂质浓度增大以确保足够量的饱和电荷时，在CMOS图像传感器中，已经存在了电荷保持部中所产生的暗电流噪声增大和图像质量下降的情况。特别地，当全像素同时电子快门进行操作时，致使像素的电荷保持部保持信号电荷期间的时间段彼此不同。由于该原因，当电荷保持部中产生的暗电流噪声大时，致使噪声量按照图像中的位置而有所不同，并且已存在出现诸如阴影之类的显著噪声的可能性。此外，即使在全像素同时电子快门不进行操作的情况下，也希望降低电荷保持部中所产生的暗电流噪声。
发明内容
本发明的一个目的是提供能够降低其中积聚信号电荷的电荷保持部中产生的暗电流噪声的固态成像设备。
根据本发明的一个方面，提供了包括多个像素的固态成像设备，其中每个像素都包括：光电转换部，对入射光进行光电转换以产生信号电荷；电荷保持部，积聚从光电转换部转移的信号电荷；以及浮置扩散区，电荷保持部的信号电荷被转移到所述浮置扩散区，其中，光电转换部包括第一导电类型的第一半导体区，以及在第一半导体区下面形成的第二导电类型的第二半导体区，电荷保持部包括第一导电类型的第三半导体区，以及在第三半导体区下面形成的第二导电类型的第四半导体区，并且第三半导体区与第四半导体区之间的p-n结的位置比第一半导体区与第二半导体区之间的p-n结深。
根据本发明的另一个方面，提供了包括多个像素的固态成像设备，其中每个像素都包括：光电转换部，对入射光进行光电转换以产生信号电荷；电荷保持部，积聚从光电转换部转移的信号电荷；以及浮置扩散区，电荷保持部的信号电荷被转移到所述浮置扩散区，其中，光电转换部包括第一导电类型的第一半导体区，以及在第一半导体区下面形成的第二导电类型的第二半导体区，电荷保持部包括第一导电类型的第三半导体区，以及在第三半导体区下面形成的第二导电类型的第四半导体区，并且第三半导体区具有比第一半导体区高的杂质浓度。
参考附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其他特征将变得明白。
附图说明
图1是例示了根据本发明第一实施例的固态成像设备的成像区的配置的电路图；
图2是示意性地例示了根据本发明第一实施例的固态成像设备的成像区的结构的平面图；
图3是例示了根据本发明第一实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图；
图4是例示了根据本发明第一实施例的固态成像设备的单元像素中的光电转换部和电荷保持部中的杂质浓度分布的示图；
图5是示意性地例示了根据本发明第二实施例的固态成像设备的成像区的结构的平面图；
图6是例示了根据本发明第二实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图；
图7是例示了根据本发明第三实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图；
图8是例示了根据本发明第三实施例的固态成像设备的单元像素中的光电转换部和电荷保持部中的杂质浓度分布的示图；
图9A和图9B是例示了根据本发明第四实施例的固态成像设备的单元像素中的光电转换部和电荷保持部中的每一个中的杂质浓度分布的示图；
图10A和图10B是例示了根据本发明第五实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图；
图11A和图11B是例示了根据本发明第六实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图；
图12A和图12B是例示了根据本发明第七实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图；
图13是例示了根据本发明第八实施例的成像系统的配置的示意图。
具体实施方式
现在将根据附图来详细描述本发明的优选实施例。
[第一实施例]
下面将参考图1至图4来描述根据本发明第一实施例的固态成像设备。
图1是例示了根据本实施例的固态成像设备的成像区的配置的电路图。图2是例示了根据本实施例的固态成像设备的成像区的结构的平面图。图3是例示了根据本实施例的固态成像设备的成像区的结构的示意性截面图。图4是例示了根据本实施例的固态成像设备的单元像素中的光电转换部和电荷保持部中的在深度方向上的杂质浓度分布的示图。
首先，下面将参考图1至图4来描述根据本实施例的固态成像设备的成像区的结构。
根据本实施例的固态成像设备100的成像区具有其中多个单元像素P1沿着行方向和列方向以二维矩阵形式布置的像素阵列，如图1所示。为了简化附图，图1例示了三行和三列的像素阵列，但是在行方向和列方向上布置的像素P1的数量不受特别限制。顺便提及，在本说明书中，行方向将意指附图中的横向，而列方向将意指附图中的纵向。
每个单元像素P1都具有光电转换部1、第一转移晶体管14、第二转移晶体管15、复位晶体管16、源极跟随器晶体管17、行选择晶体管18和溢出晶体管19。
构成光电转换部1的光电二极管的阳极连接到接地电压线21，并且其阴极连接到第一转移晶体管14的源极和溢出晶体管19的源极。第一转移晶体管14的漏极连接到第二转移晶体管15的源极。第二转移晶体管15的漏极连接到复位晶体管16的源极和源极跟随器晶体管17的栅极。复位晶体管16的漏极、源极跟随器晶体管17的漏极和溢出晶体管19的漏极连接到电源电压线20。源极跟随器晶体管17的源极连接到行选择晶体管18的漏极。
第一转移晶体管14的漏极与第二转移晶体管15的源极之间的连接节点构成了电荷保持部3。在图1中，电荷保持部3由连接在第一转移晶体管14的漏极与第二转移晶体管15的源极之间的连接节点和接地电压线21之间的电容器表示。
第二转移晶体管15的漏极、复位晶体管16的源极与源极跟随器晶体管17的栅极之间的连接节点包括浮置扩散区(后文称为“FD区”)6。在图1中，FD区6由连接在第二转移晶体管15的漏极、复位晶体管16的源极与源极跟随器晶体管17的栅极之间的连接节点和接地电压线21之间的电容器表示。
作为参考，存在着晶体管的源极和漏极的名称按照晶体管的导电类型、受到关注的功能等而改变的情况，并且也存在着名称被称为与上述源极和漏极相反的名称的情况。
在像素阵列的每行中，信号线pTX1、信号线pTX2、信号线pRES、信号线pSEL和信号线pOFG各自被布置为在行方向上延伸。信号线pTX1分别与在行方向上对齐的单元像素P1中的第一转移晶体管14的栅极连接，并且形成到这些单元像素P1的公共信号线。信号线pTX2分别与在行方向上对齐的单元像素P1中的第二转移晶体管15的栅极连接，并且形成到这些像素单元P1的公共信号线。信号线pRES分别与在行方向上对齐的单元像素P1中的复位晶体管16的栅极连接，并且形成到这些单元像素P1的公共信号线。信号线pSEL分别与在行方向上对齐的单元像素P1中的行选择晶体管18的栅极连接，并且形成到这些单元像素P1的公共信号线。信号线pOFG分别与在行方向上对齐的单元像素P1中的溢出晶体管19的栅极连接，并且形成到这些单元像素P1的公共信号线。顺便提及，在图1中，与行号n对应的数字被添加到各信号线的名称(例如，pTX1(n-1)、pTX1(n)和pTX1(n+1))。
在像素阵列的每列中，垂直信号线Vout被布置为在列方向上延伸。垂直信号线Vout分别与在列方向上对齐的单元像素P1中的行选择晶体管18的源极(像素输出部22)连接，并且形成到这些单元像素P1的公共信号线。在图1中，与列号m对应的数字被添加到各垂直信号线Vout的名称(例如，Vout(m-1)、Vout(m)和Vout(m+1))。
作为参考，可以省略单元像素P1中的行选择晶体管18。在这种情况下，用作像素输出部22的源极跟随器晶体管17的源极连接到垂直信号线Vout。
例如，通过图2中所示的平面布局可以实现图1中所示的电路配置的像素阵列。图2中由虚线围绕的区域(后文称为“单元像素区”)对应于单元像素P1。这种单元像素区在行方向和列方向上被重复布置，由此形成作为成像区的像素阵列。
在每个单元像素区中，由元件隔绝区10限定近似反S形的活性区10a。在活性区10a上方，布置有各自的晶体管的栅电极。具体来说，栅电极TX1、TX2、RES、SFG和SEL按此顺序从图2中的活性区10a的下侧被布置，以横贯活性区10a。在这里，栅电极TX1是第一转移晶体管14的栅电极。栅电极TX2是第二转移晶体管15的栅电极。栅电极RES是复位晶体管16的栅电极。栅电极SFG是源极跟随器晶体管17的栅电极。栅电极SEL是行选择晶体管18的栅电极。
在图2中，光电转换部1被布置在栅电极TX1下侧的活性区10a中。电荷保持部3被布置在栅电极TX1与栅电极TX2之间的活性区10a中。FD区6被布置在栅电极TX2与栅电极RES之间的活性区10a中。在行方向上彼此相邻的单元像素P1的活性区10a在光电转换部1与到电源电压线20的连接部(复位晶体管16的栅极区)之间的边界中连接，并且溢出晶体管19的栅电极OFG被布置在该连接部上方。在电荷保持部3上方形成遮光层11。
接下来，将参考图3和图4来更详细地描述根据本实施例的固态成像设备的光电转换部1与FD区6之间的部分的结构。图3是沿着图2中的A-A’线所取的示意性截面图。图4是例示了沿着图3中的X1线所取的部分(光电转换部)在深度方向上的杂质浓度分布，以及沿着图3中的X2线所取的部分(电荷保持部)在深度方向上的杂质浓度分布的曲线图。在图4中，垂直轴以对数轴形式表示杂质浓度(有效载流子浓度)，并且p型和n型杂质都显示在正方向上。顺便提及，在这里，下面将描述其中电子形成信号电荷的实例，但是空穴也可以形成信号电荷。在这种情况下，各部分的导电类型都相应地变为相反的导电类型。
光电转换部1具有在衬底的表面部分中形成的p型半导体区32，以及被形成为与p型半导体区32的底部接触的n型半导体区31，并且在n型半导体区31与p型半导体区32之间形成p-n结。光电转换部1由隐埋二极管(buried diode)形成，在隐埋二极管中n型半导体区31与p型半导体区32之间的p-n结被形成为与衬底表面分离。因为p-n结与衬底表面分离，所以隐埋二极管具有能够降低诸如在衬底表面产生的暗电流之类的噪声的效果。当在衬底表面产生的少数载流子在被重新结合前已到达耗尽层时，少数载流子由于耗尽层中的电场的原因而向光电转换部1的n型半导体区31漂移。少数载流子在到达耗尽层之前变得容易重新结合，因为p-n结与衬底表面分离，因此可以降低噪声。顺便提及，从使得已在光电转换部1中经光电转换的全部电荷能够被转移到电荷保持部3同时又确保饱和电荷量的观点来看，期望电荷保持部3的面积大于光电转换部1的面积。在本说明书中的面积是把固态成像设备看作平面时的面积。
光电转换部1还具有被形成为与n型半导体区31的底部接触的n型半导体区33，并且具有比n型半导体区31低的杂质浓度(见图4)。具有更低杂质浓度的n型半导体区33被布置在比n型半导体区31深的部分，从而n型半导体区31甚至可以收集在远离衬底表面的深处被光电转换的电子。作为参考，不一定需要提供n型半导体区33。可以在比n型半导体区31更深的部分提供p型半导体区，来代替n型半导体区33。在这种情况下，已在远离衬底表面的深处被光电转换的电子可以由延伸到已经代替n型半导体区而提供的p型半导体区的耗尽层收集，或者由p型半导体区中的电势分布收集。
p型隐埋层9在比光电转换部1更深的部分中形成。因此，光电转换部1通过p型阱8、隐埋层9等与n型半导体衬底7电隔离(p-n结隔离)。隐埋层9用作光电转换部1与n型半导体衬底7之间的势垒，并且具有防止光电转换部1与来自半导体衬底7等的无益电荷混合的效果。顺便提及，确切地说，除栅电极外的所有半导体区都是在半导体衬底中形成，但是在这里，为了方便，在半导体衬底外的比隐埋层9更深的部分被称为“半导体衬底7”。仅表述为“衬底”的术语将意指整个半导体衬底。
电荷保持部3具有n型半导体区41和p型半导体区42，并在p型半导体区42与n型半导体区41之间形成p-n结，所述p型半导体区42被布置在就衬底而言的n型半导体区41的表面侧。如之前已经描述的光电转换部1中那样，电荷保持部3由降低在衬底表面出现的噪声的隐埋二极管形成。
p型耗尽抑制部5在电荷保持部3的底部下面形成，以与n型半导体区41接触。其中p-n结由n型半导体区41和耗尽抑制部5形成的配置具有能够在低电压下使n型半导体区41处于完全耗尽状态并读出信号电荷的效果。由于耗尽抑制部5具有更高的杂质浓度，所以信号电荷能够在更低电压下转移。另外，耗尽抑制部5还具有防止电荷保持部3与存在于比耗尽抑制部5更深处的无益电荷混合的效果。
电荷保持部3和耗尽抑制部5在p型阱8中形成。存在于耗尽抑制部5下面的阱8由通过多个离子注入步骤形成的层形成，并且由具有的杂质浓度低于耗尽抑制部5的杂质浓度的p型半导体区形成(见图4)。在耗尽抑制部5下面的阱8的杂质浓度被配置为低于耗尽抑制部5的杂质浓度，从而可以有效地防止电荷保持部3与无益电荷混合。顺便提及，在图3中，阱8由多个层8a、8b、8c和8d表示，以可视地例示出阱8是通过多个离子注入步骤由层形成，但是在功能上形成作为整体的一个p型半导体区。p型隐埋层9也可以被认为是阱8的一部分。阱8不一定需要通过多个离子注入步骤形成，并且为了形成阱8而执行的离子注入步骤的数量也不限于所例示的实例。
覆盖电荷保持部3上面的部分的遮光层11在电荷保持部3上方形成。遮光层11具有为电荷保持部3遮挡入射光，并且防止产生除了由光电转换部1中的光电转换产生的信号电荷之外的无益电荷的效果。遮光层11一般采用诸如钨和铝之类的具有对抗可见光的遮光效果的金属膜，但是不限于上述材料。
栅电极TX1在光电转换部1与电荷保持部3之间的半导体衬底上方形成。由此，形成了第一转移晶体管14，其中n型半导体区31用作源极区而p型半导体区32用作漏极区。
另外，栅电极TX2在电荷保持部3与FD区6之间的半导体衬底上方形成。由此，形成了第二转移晶体管15，其中n型半导体区41用作源极区而FD区6用作漏极区。FD区6是n型半导体区。FD区6的电容包括p型阱8与n型FD区6之间的p-n结的电容。在FD区6上形成的接触插塞12是使FD区6与源极跟随器晶体管17的栅电极SFG电连接的互连的一部分。顺便提及，包括FD区6的连接节点可以包括由于这些互连和接触插塞12而导致的寄生电容分量。
接下来，将参考图1和图3描述根据本实施例的固态成像设备的操作。
当光线入射到光电转换部1上时，由光电转换部1的光电二极管通过光电转换产生电子，并且这些电子积聚在光电转换部1中。当第一转移晶体管14被驱动(导通)时，已经在光电转换部1中积聚的电子被转移到电荷保持部3。
当读出来自多行像素的信号电荷时，不具有电荷保持部的CMOS图像传感器顺序地驱动每行中的转移晶体管(逐行地驱动)。另一方面，根据本实施例的具有电荷保持部3的固态成像设备可以执行把所有行的单元像素P1的光电转换部1中的信号电荷同时转移到各自的电荷保持部3的操作，换句话说是全像素同时转移。在全像素同时转移之后，光电转换部1变为空闲状态，也就是初始状态，并且变为用于下次曝光的开始状态。具体地说，根据本实施例的固态成像设备能够执行同时控制所有像素中的曝光的开始和结束的操作，也就是全像素同时电子快门的操作。
在信号电荷已经从光电转换部1转移到电荷保持部3之后，驱动溢出晶体管19以从光电转换部1放出多余的电荷。
当第二转移晶体管15被驱动(导通)时，信号电荷被从电荷保持部3读出到FD区6。当信号电荷被从电荷保持部3读出到FD区6时，每行中的第二转移晶体管15被顺序地驱动(逐行地驱动)。
当信号电荷已经被读出到FD区6时，已被读出到FD区6的信号电荷根据信号电荷的量被FD区6的电容器转换为电压，并且该电压被施加到源极跟随器晶体管17的栅电极SFG。已经根据被施加到源极跟随器晶体管17的栅极电压来放大的电压通过行选择晶体管18输出到垂直信号线Vout。从而，每行中的第二转移晶体管15被顺序地驱动，由此可以读出从所有像素发出的输出信号。
在这里，因为如上所述，信号是逐行地从电荷保持部3读出到FD区6，所以在电荷保持部3中保持信号电荷期间的时间段按照单元像素P1在屏幕中也就是在像素阵列中的位置(行)而改变。具体地说，在要信号电荷从电荷保持部3转移到FD区6所需要的保持时间段较长的行中，致使信号电荷受到在电荷保持部3的衬底表面等处产生的暗电流噪声的影响更大。此外，当增大电荷保持部3的面积以确保饱和电荷时，交界面的表面积增大，因此噪声的影响进一步增大。顺便提及，在把信号电荷从光电转换部1转移到电荷保持部3的过程中，所有像素被同时控制，因此噪声的影响在屏幕上没有差异。
由于该原因，在根据本实施例的固态成像设备中，为了降低屏幕中的噪声的上述影响，电荷保持部3的p型半导体区42被形成为比光电转换部1的p型半导体区32更厚且更深，如图3和图4中所示。由此，在电荷保持部3的n型半导体区41与p型半导体区42之间的p-n结中形成的耗尽层区变为远离衬底表面，并且可以降低暗电流噪声的影响。
顺便提及，当光电转换部1的p型半导体区32变厚时，光电转换部1的p-n结表面变为远离衬底表面，并且具有短波长的入射光的光电转换效率降低。那么，存在这样的担忧：例如，致使诸如蓝色之类的具有短波长的颜色成分的等级(gradation)变得更低。因为该原因，光电转换部1的p型半导体区32和电荷保持部3的p型半导体区42都加厚不一定是期望的。出于这样的观点，期望把电荷保持部3的p型半导体区42形成为比光电转换部1的p型半导体区32更厚且更深，而不管光电转换部1的p型半导体区32。
作为一个实例，用于把电荷保持部3的p型半导体区42形成为比光电转换部1的p型半导体区32更深的方法包括适当地改变离子注入条件的方法。例如，在形成p型半导体区32时所设置的用于p型杂质的离子注入的加速电压被设置为比在形成p型半导体区42时所设置的用于p型杂质的离子注入的加速电压高的电压，由此可以把p型半导体区32形成在更深处。作为替代，也可以把在形成n型半导体区41时所设置的用于n型杂质的离子注入的加速电压设置为比在形成n型半导体区31时所设置的用于n型杂质的离子注入的加速电压高的电压，并把电荷保持部3的p-n结形成为比光电转换部1的p-n结更深。作为参考，形成方法不限于上述方法，并且可以在本实施例能够适用的范围内适当地改变。
因此，根据本实施例，电荷保持部的p-n结被形成为比光电转换部的p-n结更深，从而降低在电荷保持部中产生的暗电流噪声，并且可以降低叠加在从像素输出的信号上的噪声分量。另外，当操作全像素同时电子快门时，可以降低像素的位置之间的噪声量的差异。由此，可以实现具有高性能并且可以获得高质量的图像信息的固态成像设备。
[第二实施例]
下面将参考图5和图6描述根据本发明第二实施例的固态成像设备。与图1至图4中所示的根据第一实施例固态成像设备中的组件相似的组件由相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图5是例示了根据本实施例的固态成像设备的结构的平面图。图6是例示了根据本实施例的固态成像设备的结构的示意性截面图。顺便提及，图6是沿着图5中的C-C'线所取的截面图。
如图5和图6中所示，除了第一转移晶体管14的栅电极TX1的图案不同于第一实施例中的之外，根据本实施例的固态成像设备与根据第一实施例的固态成像设备类似。具体地说，在根据本实施例的固态成像设备中，第一转移晶体管14的栅电极TX1不仅形成在光电转换部1与电荷保持部3之间的区域中，还被形成为延伸到电荷保持部3上面的部分。
栅电极TX1被形成为这样的图案，由此当导通电压(ON voltage)被施加到第一转移晶体管14的栅电极TX1、电荷从光电转换部1转移到电荷保持部3时，可以在电荷保持部3的大部分区域中降低电势。由此，电荷可以容易地从光电转换部1转移到电荷保持部3。
其中电荷被容易地转移的结构还显示出使第一转移晶体管14的导通电压比在栅电极TX1不延伸到电荷保持部3上面的部分的情况中的导通电压更低并且能够降低电功耗的效果。
另外，当截止电压(OFF voltage)被施加到第一转移晶体管14的栅电极TX1时，可以执行衬底表面的钉扎(pinning)，这源于存在着电荷保持部3的p型半导体区42并且此外第一转移晶体管14被设置在截止电压。由此，可以进一步降低电荷保持部3的暗电流噪声。
因此，根据本实施例，第一转移晶体管14的栅电极TX1被形成为延伸到电荷保持部3上面的部分。从而，电荷可以容易地从光电转换部1转移到电荷保持部3，并且还可以进一步降低电荷保持部3的暗电流噪声。
[第三实施例]
下面将参考图7和图8来描述根据本发明第三实施例的固态成像设备。与图1至图6所示的根据第一和第二实施例的固态成像设备中的组件类似的组件以相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图7是例示了根据本实施例的固态成像设备的结构的示意性截面图。图8是例示了根据本实施例的固态成像设备中的光电转换部和电荷保持部的在深度方向上的杂质浓度分布的示图。顺便提及，图7是与沿着图2中的A-A'线所取的部分对应的部分的截面图。另外，图8是例示了沿着图7中的X3线所取的部分(光电转换部)以及沿着图7中的X4线所取的部分(电荷保持部)中的每一个的在深度方向上的杂质浓度分布的示图。在图8中，纵轴以对数轴形式表示杂质浓度(有效载流子浓度)，并且p型和n型杂质都显示在正方向上。
如图7和图8所示，除了电荷保持部3的p型半导体区42中的杂质剖面不同于第一实施例中的之外，根据本实施例的固态成像设备与根据第一实施例的固态成像设备类似。具体地说，在根据本实施例的固态成像设备中，电荷保持部3的p型半导体区42的杂质浓度高于图4中所示的第一实施例中的情况。
当电荷保持部3的p型半导体区42的杂质浓度被控制为变高时，在电荷保持部3的n型半导体区41与p型半导体区42之间的p-n结处产生的耗尽层区域变为远离衬底表面。这是因为随着半导体区具有更高的杂质浓度，从p-n结延伸的耗尽层的宽度更小。结果，可以降低暗电流噪声的影响。
顺便提及，当光电转换部1的p型半导体区32的杂质浓度被控制为变高时，在n型半导体区41与p型半导体区42之间的p-n结处产生的耗尽层区被进一步加宽到n型半导体区41这侧。因此，存在着具有短波长的入射光的光电转换效率降低的担忧。因为该原因，控制光电转换部1的p型半导体区32和电荷保持部3的p型半导体区42的杂质浓度都变高不一定是期望的。出于这样的观点，期望把电荷保持部3的p型半导体区42形成为具有比光电转换部1的p型半导体区32的杂质浓度高的杂质浓度，而不管光电转换部1的p型半导体区32。
作为一个实例，用于把电荷保持部3的p型半导体区42形成为具有比光电转换部1的p型半导体区32的杂质浓度高的杂质浓度的方法包括适当地改变离子注入条件。例如，用于形成p型半导体区32的离子注入步骤与用于形成p型半导体区42的离子注入步骤分离，并且增加在形成p型半导体区42时所设置的离子注入的剂量。由此p型半导体区42中的杂质浓度可以被控制为变高。作为替代，在p型半导体区32的离子注入条件上已经把离子注入到光电转换部1和电荷保持部3中之后，附加地把离子注入电荷保持部3。由此p型半导体区42中的杂质浓度可以被控制为变高。作为参考，形成方法不限于上述方法，并且可以在本实施例能够适用的范围内适当地改变。
因此，根据本实施例，电荷保持部3的p型半导体区42被形成为具有比光电转换部1的p型半导体区32的杂质浓度高的杂质浓度，并因此可以降低电荷保持部的暗电流噪声。
[第四实施例]
下面将参考图9A和图9B来描述根据本发明第四实施例的固态成像设备。与图1至图8中所示的根据第一至第三实施例的固态成像设备中的组件类似的组件由相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图9A和图9B是例示了根据本实施例的固态成像设备的光电转换部和电荷保持部中的每一个的在深度方向上的杂质浓度分布的示图。顺便提及，图9A是例示了沿着图3中X1线所取的部分(光电转换部)和沿着图3中X2线所取的部分(电荷保持部)的在深度方向上的杂质浓度分布的曲线图。图9B是例示了沿着图7中X3线所取的部分(光电转换部)和沿着图7中X4线所取的部分(电荷保持部)的在深度方向上的杂质浓度分布的曲线图。在图9A和图9B中，纵轴以对数轴形式表示杂质浓度(有效载流子浓度)，并且p型和n型杂质都显示在正方向上。
根据本实施例的固态成像设备被配置为与根据第一至第三实施例的固态成像设备类似，除了电荷保持部3的n型半导体区41的杂质剖面不同于在第一至第三实施例中的之外。具体地说，在根据本实施例的固态成像设备中，如图9A和图9B所示，电荷保持部3的n型半导体区41的杂质浓度变为高于光电转换部1的n型半导体区31的杂质浓度。
在这里，图9A例示了在已经对第一或第二实施例的固态成像设备应用了本实施例的配置的情况下，光电转换部1和电荷保持部3中的每一个的在深度方向上的杂质浓度分布。另外，图9B例示了在已经对第三实施例的固态成像设备应用了本实施例的配置的情况下，光电转换部1和电荷保持部3中的每一个的在深度方向上的杂质浓度分布。
下面将描述在根据本实施例的固态成像设备中为什么电荷保持部3的n型半导体区41被形成为具有比光电转换部1的n型半导体区31的杂质浓度高的杂质浓度的原因。
第一个原因是因为可以由电荷保持部3积聚的电荷量变为大于可以由光电转换部1积聚的电荷量。本发明的固态成像设备中的饱和电荷量是可以由信号电荷在被逐行地读出时积聚在其中的部分具体地说是可以由电荷保持部3积聚的电荷量。如果可以由光电转换部1积聚的电荷量大于可以由电荷保持部3积聚的电荷量，则已经在光电转换部1中被光电转换的电荷不能全都转移到电荷保持部3，并且饱和电荷量受到可以由电荷保持部3积聚的电荷量限制。相反，如果可以由光电转换部1积聚的电荷量小于可以由电荷保持部3积聚的电荷量，则通过多次把电荷从光电转换部1转移到电荷保持部3的操作，饱和电荷量可以被设置为可以由电荷保持部3积聚的电荷量。因此，为了确保有限区域内的饱和电荷量，可以由电荷保持部3积聚的电荷量可以被设置为大于可以由光电转换部1积聚的电荷量。
通过多次把电荷从电荷保持部3转移到FD区6的操作，光电转换部1中的饱和电荷量可以增大到多于可以由电荷保持部3积聚的电荷量。但是同样在这种情况下，可以由电荷保持部3积聚的电荷量也可以被设置为大于可以由光电转换部1积聚的电荷量。
第二个原因是因为确保了电荷保持部3中的饱和电荷量。在电荷保持部3的深的部分，形成有p型(相反的导电类型)的耗尽抑制部5，从而致使在耗尽抑制部5上面的部分上形成的n型半导体区41中的n型杂质浓度与n型半导体区31中的n型杂质浓度相比较小。当电荷保持部3的n型半导体区41被形成为具有比光电转换部1的n型半导体区31中的杂质浓度高的杂质浓度时，n型半导体区41中的n型杂质浓度的降低被抑制，并且可以确保足够的饱和电荷量。
如两个原因中已经描述的，把电荷保持部3的n型半导体区41形成为具有比光电转换部1的n型半导体区31中的杂质浓度高的杂质浓度是适当的。
但是，如果简单地把电荷保持部3的n型半导体区41形成为具有高杂质浓度，则电荷保持部3的p型半导体区42中的p型杂质浓度降低，并且致使电荷保持部容易受到衬底表面上的暗电流噪声影响。
由于该原因，把电荷保持部3的p型半导体区42形成为比光电转换部1的p型半导体区32更厚且更深是期望的，如图9A中所示。作为替代，把电荷保持部3的p型半导体区42形成为具有比光电转换部1的p型半导体区32中的杂质浓度高的杂质浓度是期望的，如图9B所示。通过具有这样的配置，固态成像设备可以同时抑制电荷保持部3中的暗电流噪声的影响并增加其中的饱和电荷量。
因此，根据本实施例，电荷保持部3的n型半导体区41被形成为具有比光电转换部1的n型半导体区31中的杂质浓度高的杂质浓度，从而可以增大饱和电荷量。
[第五实施例]
下面将参考图10A和图10B来描述根据本发明第五实施例的固态成像设备。与图1至图9B中所示的根据第一至第四实施例的固态成像设备中的组件类似的组件由相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图10A和图10B是例示了根据本实施例的固态成像设备的结构的示意性截面图。图10A和图10B是与沿着图2中的A-A'线所取的部分对应的部分的截面图。
除了光电转换部1的p型半导体区32和电荷保持部3的p型半导体区42的结构不同于第一至第四实施例中的之外，根据本实施例的固态成像设备与根据第一至第四实施例的固态成像设备类似。具体地说，如图10A和图10B所示，根据本实施例的固态成像设备在p型半导体区32的位于电荷保持部侧的端部也就是位于栅电极TX1侧的端部具有电场抑制层23，所述电场抑制层23具有比p型半导体区32的杂质浓度低的杂质浓度。另外，固态成像设备在p型半导体区42的位于光电转换部侧的端部也就是位于栅电极TX1侧的端部具有电场抑制层24，所述电场抑制层24具有比p型半导体区42的杂质浓度低的杂质浓度。另外，固态成像设备在p型半导体区42的位于FD区6侧的端部也就是位于栅电极TX2侧的端部具有电场抑制层25，所述电场抑制层25具有比p型半导体区42的杂质浓度低的杂质浓度。图10A是已经对第一、第二和第四实施例的固态成像设备应用了本实施例的配置的情况中的示意性截面图。另外，图10B是已经对第三实施例的固态成像设备应用了本实施例的配置的情况中的示意性截面图。
当转移电荷时，产生了由要施加到栅电极TX1和TX2的电压(例如3.3V)与p型半导体区32和42的电势(例如0V)之间的电势差引起的电场。存在这样的担忧：由于这种电场以及/或者在电荷保持部3与光电转换部1的p-n结处产生的耗尽层区中的电场而出现的被称为碰撞电离的现象产生无益电荷，并致使噪声增大。
当设有电场抑制层23、24和25时，可以抑制在电荷转移时的在栅电极TX1与光电转换部1之间、在栅电极TX1与电荷保持部3之间以及在电荷保持部3与栅电极TX2之间的电势梯度。由此，可以减弱上述部分中的每一个的电场强度，并且可以防止噪声增大。
另外，也降低了在光电转换部1与第一转移晶体管14之间、在第一转移晶体管14与电荷保持部3之间以及在电荷保持部3与第二转移晶体管15之间的势垒。所以，还获得了便于转移电荷的效果。
从而根据本实施例，在p型半导体区32和42的端部上设有电场抑制层23、24和25。因此，降低了在信号电荷转移时产生的噪声，并且可以容易地转移电荷。
[第六实施例]
下面将参考图11A和图11B来描述根据本发明第六实施例的固态成像设备。与图1至图10B中所示的根据第一至第五实施例的固态成像设备中的组件类似的组件由相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图11A和图11B是例示了根据本实施例的固态成像设备的结构的示意性截面图。顺便提及，图11A和图11B是与沿着图2中的A-A'线所取的部分对应的部分的截面图。
除了电荷保持部3的n型半导体区41的结构不同于第五实施例中的之外，根据本实施例的固态成像设备与根据第五实施例的固态成像设备类似。具体地说，根据本实施例的固态成像设备具有转移支持层26，所述转移支持层26设在p型半导体区42的光电转换部侧，具体地说，在栅电极TX1附近，如图11A和图11B中所示。另外，转移支持层27设在p型半导体区42的FD区6侧，具体地说，在栅电极TX2附近。转移支持层26和27由导电性与p型半导体区42中的导电性相反的n型半导体区形成。在图11A和图11B的实例中，n型半导体区41的一部分是转移支持层26和27。
图11A是在图10A中所示的根据第五实施例的固态成像设备中设有转移支持层26和27的情况下的示意性截面图。另外，图11B是在图10B中所示的根据第五实施例的固态成像设备中设有辅助转移层26和27的情况下的示意性截面图。也可以说，按照根据本实施例的固态成像设备与图10A和图10B中所示的根据第五实施例的固态成像设备之间的关系，根据本实施例的固态成像设备具有代替p型电场抑制层24和25而布置的n型转移支持层26和27。
当设有转移支持层26和27时，获得了类似于第五实施例中所述的效果的、降低在电荷转移时在每个部分中产生的电场的效果。另外，也降低了在光电转换部1与第一传输栅极TX1之间、在第一传输栅极TX1与电荷保持部3之间以及在电荷保持部3与第二传输栅极TX2之间的势垒。因此，还获得了便于转移电荷的效果。
作为参考，转移支持层26和27这两个不一定都需要提供，可以仅提供任意一层。同样在这种情况下，降低了已布置有转移支持层26或转移支持层27的部分中的势垒，并因此获得了便于转移电荷的效果。
转移支持层26和27可以在形成n型半导体区41的步骤中同时形成(作为n型半导体区41的一部分)，或者也可以在与形成n型半导体区41的步骤不同的步骤中形成。
因此，根据本实施例，转移支持层26和27设在p型半导体区42的端部，从而可以容易地转移电荷。
[第七实施例]
下面将参考图12A和图12B来描述根据本发明第七实施例的固态成像设备。与图1至图11B所示的根据第一至第六实施例的固态成像设备中的组件类似的组件由相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图12A和图12B是例示了根据本实施例的固态成像设备的结构的示意性截面图。顺便提及，图12A和图12B是与沿着图2中的A-A'线所取的部分对应的部分的截面图。
除了电场抑制层23以及转移支持层26和27延伸到栅电极TX1和TX2下面的区域之外，根据本实施例的固态成像设备与根据第六实施例的固态成像设备类似。具体地说，在根据本实施例的固态成像设备中，电场抑制层23延伸到栅电极TX1下面的区域，如图12A和图12B所示。另外，转移支持层26延伸到栅电极TX1下面的区域。另外，转移支持层27延伸到栅电极TX2下面的区域。图12A是对图11A中所示的根据第六实施例的固态成像设备应用了本实施例的配置的实例，并且图12B是对图11B中所示的根据第六实施例的固态成像设备应用本实施例的配置的实例。
电场抑制层23以及转移支持层26和27被布置为延伸到栅电极TX1和TX2下面的区域，由此可以降低栅电极TX1和TX2下面的势垒。由此，可以进一步容易地转移电荷。
作为参考，电场抑制层23以及转移支持层26和27不一定都需要形成为延伸到栅电极TX1和TX2下面的区域。把任意一层或两层延伸到栅电极TX1和TX2下面的区域也是能够接受的。
因此，根据本实施例，形成电场抑制层23以及转移支持层26和27延伸到栅电极TX1和TX2下面的区域，从而能够容易地转移电荷。
[第八实施例]
下面将参考图13来描述根据本发明第八实施例的成像系统。与图1至图12B中所示的根据第一至第七实施例的固态成像设备中的组件类似的组件由相同的附图标记指明，并且将省略或简化对其的描述。
图13是例示了根据本实施例的成像系统的配置实例的示图。成像系统800例如包括光学单元810、固态成像设备100、图像信号处理单元830、记录/通信单元840、定时控制单元850、系统控制单元860以及回放/显示单元870。成像设备820具有固态成像设备100和视频信号处理单元830。固态成像设备100采用了在前面的实施例中已经描述的任何固态成像设备100。
光学单元810是诸如透镜之类的光学系统，把从被摄体发射的光的图像聚焦到其中多个单元像素P1二维地布置的固态成像设备100的像素单元上，并且在像素单元上形成被摄体的图像(被摄体图像)。固态成像设备100在基于从定时控制单元850输出的信号的定时，来输出根据图像已被聚焦在像素单元上的光的信号。从固态成像设备100输出的信号被输入到图像信号处理单元830中，并且图像信号处理单元830通过程序等用指定的方法来进行信号处理。通过图像信号处理单元830中的处理而获得的信号被传输到记录/通信单元840作为图像数据。记录/通信单元840把用于形成图像的信号传输到回放/显示单元870，并且使回放/显示单元870回放和显示运动图像或静态图像。记录/通信单元840还通过接收从图像信号处理单元830传输的信号来与系统控制单元860通信，除此之外，还执行把用于形成图像的信号记录在未示出的记录介质上的操作。
系统控制单元860是用于总体控制成像系统的操作的单元，并且控制光学单元810、定时控制单元850、记录/通信单元840和回放/显示单元870的驱动。另外，系统控制单元860设有例如未示出的作为记录介质的存储设备，并且在存储设备中记录控制成像系统的操作所必需的程序等。系统控制单元860还把例如根据用户的操作来切换驱动模式的信号供应到成像系统中。具体的实例包括用于改变要读出的行或要复位的行的信号、伴随着电子变焦的操作的用于改变视角的信号以及伴随着电子振动控制的用于移动视角的信号。定时控制单元850基于系统控制单元860的控制，来控制固态成像设备100和图像信号处理单元830的驱动定时。
因此，成像系统被配置为应用根据第一至第七实施例的固态成像设备的任何一种，由此可以配置使用了具有全像素同时电子快门功能并具有高性能的固态成像设备的成像系统。
[修改的实施例]
本发明不限于上述实施例，而是可以以各种方式修改。
已经在假设固态成像设备具有例如全像素同时电子快门的功能的情况下描述了上述实施例，但是在上述实施例中描述的固态成像设备的配置不一定只限于对全像素同时电子快门进行操作的固态成像设备。
另外，在上述第三实施例中，p型半导体区42被形成为具有高杂质浓度，而在上述第一和第二实施例中，p型半导体区42被形成为较厚。但是，p型半导体区42还可以被形成为既厚且具有高杂质浓度。
另外，在上述第六实施例中，转移支持层26和27设在p型半导体区42的栅电极TX1和TX2附近，但是转移支持层也可以代替电场抑制层23设在p型半导体区32的栅电极TX1附近。
另外，在上述第七实施例中，已经示出了其中电场抑制层23被形成为延伸到栅电极TX1下面的区域的实例中，但是同样在上述第五实施例中，电场抑制层24可以被形成为延伸到栅电极TX1下面的区域。另外，在上述第五实施例中，电场抑制层25也可以被形成为延伸到栅电极TX2下面的区域。
另外，第五实施例中所示的电场抑制层和第六实施例中所示的辅助转移层也可以设在构成光电转换部1的p型半导体区32的栅电极OFG附近。在这种情况下，这些电场抑制层和转移支持层也可以与第七实施例的情况类似地被形成为延伸到栅电极OFG下面的区域。
另外，在上述第二实施例中，栅电极TX1已经被形成为延伸到第一实施例的固态成像设备中的电荷保持部3上面的部分，但是同样地在第三至第七实施例的固态成像设备中，栅电极TX1可以被形成为延伸到的电荷保持部3上面的部分。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求书的范围应被赋予最宽泛的解释以包含所有这种修改以及等效的结构和功能。
Claims (28)
1.一种固态成像设备，其特征在于，包括：
多个像素，所述多个像素中的每一个包括
光电转换部，对入射光进行光电转换以产生信号电荷；
电荷保持部，积聚从光电转换部转移的信号电荷；以及
浮置扩散区，电荷保持部的信号电荷被转移到所述浮置扩散区，其中，
光电转换部包括第一导电类型的第一半导体区，以及在第一半导体区下面形成的第二导电类型的第二半导体区，所述信号电荷被保持在第二半导体区中；
电荷保持部包括第一导电类型的第三半导体区，以及在第三半导体区下面形成的第二导电类型的第四半导体区，所述信号电荷被保持在第四半导体区中；并且
第三半导体区与第四半导体区之间的p-n结的位置比第一半导体区与第二半导体区之间的p-n结深。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
第四半导体区具有比第二半导体区高的杂质浓度。
3.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部的面积比光电转换部的面积大。
4.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第一导电类型的第五半导体区，第五半导体区被形成为与第四半导体区的底部接触。
5.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
光电转换部还具有第六半导体区，第六半导体区被形成为与第一半导体区的位于电荷保持部侧的端部接触，并且具有比第一半导体区低的杂质浓度。
6.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第一导电类型的第七半导体区，第七半导体区被形成为与第三半导体区的位于浮置扩散区侧的端部接触，并且具有比第三半导体区低的杂质浓度。
7.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第一导电类型的第八半导体区，第八半导体区被形成为与第三半导体区的位于光电转换部侧的端部接触，并且具有比第三半导体区低的杂质浓度。
8.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第二导电类型的第九半导体区，第九半导体区被布置在第三半导体区的位于浮置扩散区侧的端部附近。
9.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第二导电类型的第十半导体区，第十半导体区被布置在第三半导体区的位于光电转换部侧的端部附近。
10.根据权利要求5所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从光电转换部转移到电荷保持部的晶体管，其中，第六半导体区延伸到该晶体管的栅电极下面的区域。
11.根据权利要求8所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从电荷保持部转移到浮置扩散区的晶体管，其中，第九半导体区延伸到该晶体管的栅电极下面的区域。
12.根据权利要求9所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从光电转换部转移到电荷保持部的晶体管，其中，第十半导体区延伸到该晶体管的栅电极下面的区域。
13.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从光电转换部转移到电荷保持部的晶体管，其中，该晶体管的栅电极延伸到电荷保持部的上部。
14.一种成像系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1所述的固态成像设备；以及
光学系统，在所述固态成像设备上形成被摄体图像。
15.一种固态成像设备，其特征在于，包括：
多个像素，所述多个像素中的每一个包括
光电转换部，对入射光进行光电转换以产生信号电荷；
电荷保持部，积聚从光电转换部转移的信号电荷；以及
浮置扩散区，电荷保持部的信号电荷被转移到所述浮置扩散区，其中，
光电转换部包括第一导电类型的第一半导体区，以及在第一半导体区下面形成的第二导电类型的第二半导体区，所述信号电荷被保持在第二半导体区中；
电荷保持部包括第一导电类型的第三半导体区，以及在第三半导体区下面形成的第二导电类型的第四半导体区，所述信号电荷被保持在第四半导体区中；并且
第三半导体区具有比第一半导体区高的杂质浓度。
16.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
第四半导体区具有比第二半导体区高的杂质浓度。
17.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部的面积比光电转换部的面积大。
18.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第一导电类型的第五半导体区，第五半导体区被形成为与第四半导体区的底部接触。
19.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
光电转换部还具有第六半导体区，第六半导体区被形成为与第一半导体区的位于电荷保持部侧的端部接触，并且具有比第一半导体区低的杂质浓度。
20.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第一导电类型的第七半导体区，第七半导体区被形成为与第三半导体区的位于浮置扩散区侧的端部接触，并且具有比第三半导体区低的杂质浓度。
21.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第一导电类型的第八半导体区，第八半导体区被形成为与第三半导体区的位于光电转换部侧的端部接触，并且具有比第三半导体区低的杂质浓度。
22.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第二导电类型的第九半导体区，第九半导体区被布置在第三半导体区的位于浮置扩散区侧的端部附近。
23.根据权利要求15所述的固态成像设备，其中，
电荷保持部还具有第二导电类型的第十半导体区，第十半导体区被布置在第三半导体区的位于光电转换部侧的端部附近。
24.根据权利要求19所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从光电转换部转移到电荷保持部的晶体管，其中，第六半导体区延伸到该晶体管的栅电极下面的区域。
25.根据权利要求22所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从电荷保持部转移到浮置扩散区的晶体管，其中，第九半导体区延伸到该晶体管的栅电极下面的区域。
26.根据权利要求23所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从光电转换部转移到电荷保持部的晶体管，其中，第十半导体区延伸到该晶体管的栅电极下面的区域。
27.根据权利要求15所述的固态成像设备，还包括：
控制信号电荷从光电转换部转移到电荷保持部的晶体管，其中，该晶体管的栅电极延伸到电荷保持部的上部。
28.一种成像系统，其特征在于，包括：
根据权利要求15所述的固态成像设备；以及
光学系统，在所述固态成像设备上形成被摄体图像。
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