CN105684150B - 线性图像传感器 - Google Patents

线性图像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN105684150B
CN105684150B CN201480059141.9A CN201480059141A CN105684150B CN 105684150 B CN105684150 B CN 105684150B CN 201480059141 A CN201480059141 A CN 201480059141A CN 105684150 B CN105684150 B CN 105684150B
Authority
CN
China
Prior art keywords
region
charge
photoelectric conversion
conversion regions
gate electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480059141.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105684150A (zh
Inventor
高木慎郎
高木慎一郎
米田康人
铃木久则
村松雅治
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Publication of CN105684150A publication Critical patent/CN105684150A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105684150B publication Critical patent/CN105684150B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14825—Linear CCD imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14806—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14812—Special geometry or disposition of pixel-elements, address lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14831—Area CCD imagers
    • H01L27/14843—Interline transfer
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/701—Line sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/713—Transfer or readout registers; Split readout registers or multiple readout registers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

光检测部AR以具有沿着列方向排列的多个像素区域PX的方式被分割。将来自多个像素区域PX的信号分别按各光检测部AR累计，作为与一维的光学图像对应的电信号而依时间顺序输出。各个像素区域PX具备促进光电转换区域内的电荷的传送的电阻性栅电极R与电荷存储区域S2，漏极区域ARD隔着沟道区域而邻接于电荷存储区域S2。

Description

线性图像传感器
技术领域
本发明涉及一种将所入射的能量线(光/X射线)转换为电荷(电子)，使半导体内部的电位变化，从而传送所转换的电荷的线性图像传感器。
现有技术
电荷耦合元件(CCD)等线性图像传感器是将入射至其中的一维的光学图像进行光电转换之后，依时间顺序输出通过光电转换而产生的电信号的固体拍摄元件。现有的图像传感器例如记载于专利文献1～3。在这样的图像传感器的中，线性图像传感器(一维CCD)被用于与二维的图像传感器不同的用途，要求不同的特性。
图18表示现有的线性图像传感器。在光感应区域中，在行方向上排列有多个像素，在列方向仅存在1个像素。根据能量线的入射，在各像素中产生的电荷经由传送栅电极的正下方的区域而被传送至水平记录仪。输入至水平记录仪的电荷在水平方向传送，经由放大器而输出至外部。
这样的线性图像传感器用于检测微弱光的分光分析。为了实现较高的S/N比(Signal to Noise Ratio，信噪比)，优选为增大1个像素的受光部面积，从而增加入射至1个像素的信号光子数。在该情况下，增大1个像素的光电转换区域中的长度方向(电荷传送方向)的尺寸。
另外，在CCD中，利用称为边缘电场的电位梯度，传送所产生的电荷，若像素尺寸变大，则存在以下倾向：在像素的中央部，电位相对于位置变得平坦，难以传送电荷。在此，在具有长度方向的尺寸较大的光电转换区域的线性图像传感器中，在光电转换区域上，隔着绝缘膜而配置电阻性栅电极，并在光电转换区域内有意地形成电位梯度。
另一方面，以激光诱导击穿分析(LIBS)为首的发射光谱法(OES)用的线性图像传感器要求高速快门功能。若利用线性图像传感器检测经分光的光学图像，则可进行分光分析。
在发光分光分析法中，通过对被检查体照射较强的激发光(激光等)，进行自被检查体辐射的发射线光谱的分光分析，从而可以鉴定被检查体中包含的元素的分布、状态。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-303982号公报
专利文献2：日本专利特开2012-151364号公报
专利文献3：日本专利特开平6-283704号公报
发明内容
发明想要解决的问题
然而，通过由激发光在被检查体表面产生的等离子体，刚照射后较多地包含等离子体自身的背景光，故而想要检测的元素固有的明线光谱被其掩盖。因此，为了进行精度较高的分光分析，优选通过电子快门除去包含较多的由该较强的激发光的照射而在被检查体表面产生的刚照射后的等离子体自身的背景光的信号，照射之后经过一定时间，选择性地检测包含较多的元素固有的明线光谱的信号。激发光自其刚产生之后单调衰减，10μ秒左右消失，故而将用电子快门进行的信号的除去时间设定为数μ秒以下的期间。
线性图像传感器将入射光转换为电子(空穴)，将所转换的载体传送至终端部从而读出。例如，自时刻0秒开始拍摄，将至时刻t1为止所存储的电荷除去，并将自时刻t1至时刻t2为止存储的电荷传送至水平记录仪。
此处，进行电荷的除去的电子快门通过将自光电转换区域至刚传送栅电极正下方的区域之前的电荷流入至漏极，从而除去电荷。
图19(A)是这种情形下的1个像素附近结构的平面图。
通过设置于光感应区域的电阻性栅电极R形成的电场，从而电荷在垂直方向被传送，存储于第1传送电极STG的正下方的电荷通过对电子快门用的重置栅电极ARG施加特定电位，从而该正下方的电荷流入至漏极区域ARD，并被废弃于外部。若终端的传送电极TG在电荷未被废弃的时刻打开，则电荷流入至水平方向的传送电极PH的正下方的区域，并经由水平记录仪被读出。
若详细说明，为了将电荷流入至漏极区域ARD，而在电荷存储区域与漏极区域之间配置重置栅电极ARG，并对该重置栅电极ARG给予特定时间宽度的时钟信号。通过将时钟信号输入至重置栅电极ARG，而重置栅电极ARG的正下方的沟道区域打开，电荷自电荷存储区域流入至漏极区域ARD，并发挥快门功能。
然而，由于沿着电荷传送方向的光电转换区域的尺寸较长，故而将移动至光电转换区域的一端的电荷存储于电荷存储区域内的时刻与传送另一端中的电荷并存储于电荷存储区域内的时刻之间存在时间上的延迟。即，在这样的结构的线性图像传感器中，经过该延迟量的时间之后，将存储于电荷存储区域内的电荷流入至漏极区域。换而言之，在这种类型的线性图像传感器中，向漏极区域的电荷的传送时刻变慢，因此，不能缩短电子快门期间。
另一方面，如图19(B)所示，如果做成在设置有电阻性栅电极R的光电转换区域的侧方并设地设置长条的漏极区域ARD，并使电荷流入至该漏极区域ARD的构造，则不管光电转换区域中的哪个区域中产生的电荷，均可立即流入至漏极区域ARD。然而，为了将电荷排出至漏极区域ARD，需要在长条的漏极区域并设地配置长条的重置栅电极ARG，重置栅电极ARG或漏极区域ARD构成电容器等寄生元件，即便对重置栅电极ARG给予高速的时钟信号，重置栅电极ARG正下方的沟道区域的应答也较慢，无法进行高速的打开/关闭的控制。因此，电子快门未高速化。
本发明是鉴于这样的技术问题而完成的，其目的在于提供一种可实现电子快门的高速化的线性图像传感器。
解决问题的技术手段
为了解决上述技术问题，本发明的线性图像传感器的特征在于，具有排列于行方向上的多个光检测部，各光检测部以具有沿着列方向排列的多个像素区域的方式被分割，将来自多个像素区域的信号分别按照各光检测部累计，依时间顺序输出与一维的光学图像对应的电信号，且各个像素区域具备：光电转换区域，其将所入射的能量线进行光电转换；梯度电位形成机构，其在光电转换区域内形成促进沿着列方向的电荷的传送的电位梯度；电荷存储区域，其分别存储各个光电转换区域中产生的电荷；漏极区域，其隔着沟道区域而邻接于电荷存储区域；及重置栅电极，其配置于沟道区域上，以控制在沟道区域中流动的电荷量。
通过梯度电位形成机构，可将在光电转换区域内产生的电荷在列方向高速地传送。经传送的电荷经由势垒区域，而被传送至电荷存储区域。
漏极区域隔着沟道区域而邻接于各个电荷存储区域。电荷是否可通过沟道区域依赖于对其上的重置栅电极施加的电位。即，若对重置栅电极施加电位，使沟道区域打开，则电荷自电荷存储区域经由沟道区域流入至漏极区域。
根据该线性图像传感器，将1个像素分割为多个光电转换区域，分别隔着沟道区域而邻接于漏极区域，故而可将电荷高速地排出至漏极。另外，通过上述分割，而漏极区域周边的时间常数变小，故而亦对各重置栅电极给予较高频率的时钟信号，可容易地进行沟道区域的打开/关闭的切换。
另外，该线性图像传感器的特征在于，在某像素区域中的上述电荷存储区域与邻接于该像素区域的后段部分的像素区域中的上述光电转换区域之间，形成有杂质浓度低于上述光电转换区域的势垒区域。这样，在存在杂质浓度较低的势垒区域的情况下，可防止电荷自后段部分的像素区域向对象的像素区域的电荷存储区域逆流。
发明的效果
根据本发明的线性图像传感器，可实现电子快门的高速化，因此通过将其利用于发光分光分析法等，从而可以实现先前不可能的精密的分析。
附图说明
图1是表示具备电荷耦合元件的固体拍摄装置的平面结构的图。
图2是图1所示的线性图像传感器的截面图(II-II箭头线截面)。
图3是图1所示的线性图像传感器的截面图(III-III箭头线截面)。
图4是用来说明垂直方向的光检测部中的电位变化的图。
图5是表示各信号的电位的变化的图表。
图6是电阻性栅电极的平面图。
图7是第1实施方式的光电转换区域的平面图。
图8是第2实施方式的光电转换区域的平面图。
图9是第3实施方式的光电转换区域的平面图。
图10是线性图像传感器的局部性的平面图。
图11是图10所示的电荷耦合元件的截面图(A-A箭头线截面)(A)、沿着该截面的X轴方向的电位图(B)、(C)。
图12是线性图像传感器的局部性的平面图。
图13是变形后的结构所涉及的线性图像传感器的截面图。
图14是用来说明垂直方向的像素列中的电位变化的图。
图15是背面照射型的线性图像传感器的局部性的截面图。
图16是使传送电极共通的情况下的线性图像传感器的传送电极附近的截面图。
图17是用来说明杂质的注入方法的图。
图18是现有的线性图像传感器的平面图。
图19是1个像素附近结构的平面图(A)、(B)。
符号说明
10 半导体基板
B 势垒区域
S1 光电转换区域
S2 电荷存储区域
R 电阻性栅电极(梯度电位形成机构)
ARD 漏极区域
ARG 重置栅电极
具体实施方式
以下，对实施方式的线性图像传感器进行说明。另外，对相同要素使用相同符号，并省略重复的说明。
图1是表示具备由电荷耦合元件构成的线性图像传感器100的固体拍摄装置的平面构成的图，图2是图1所示的线性图像传感器的截面图(II-II箭头线截面)。
该线性图像传感器100具有排列于行方向(X轴方向)的多个光检测部(像素列)AR。各光检测部AR以具有沿着列方向(Y轴方向)排列的多个像素区域PX(图2中为PX(1)、PX(2))的方式被分割，在各像素区域PX中产生的电荷沿着列方向被传送。
线性图像传感器100将来自多个像素区域PX的信号分别按各光检测部AR累计，依时间顺序输出与入射至光检测部AR的一维的光学图像对应的电信号。
各个像素区域PX具备：光电转换区域S1，其将入射的能量线进行光电转换；梯度电位形成机构(电阻性栅电极R)，其在光电转换区域S1内形成促进沿着列方向(Y轴)的电荷的传送的电位梯度；电荷存储区域S2，其分别存储在各个光电转换区域S1中产生的电荷；漏极区域ARD，其隔着沟道区域B2(参照图11)而邻接于电荷存储区域S2；以及重置栅电极ARG(参照图11)，其配置于沟道区域B2上，以控制在沟道区域B2中流动的电荷量。
通过梯度电位形成机构，可将在光电转换区域S1内产生的电荷在列方向(Y轴)高速地传送。经传送的电荷经由势垒区域B(参照图2)而被传送至电荷存储区域S2。
如图2所示，该线性图像传感器100具备：半导体基板10，其具有排列于Y轴方向(单方向)的多个像素区域PX(PX(1)、PX(2))；及绝缘膜20，其设置于半导体基板10上。在P型(第1导电型)的半导体基板10的表面侧，形成有比半导体基板本体10A更高浓度地添加了杂质(P型)而成的接触区域C1，电极E1(参照图1)接触并电连接于接触区域C1。在半导体基板10的表面侧形成有构成线传感器的拍摄区域的多个光检测部AR(参照图1)，各光检测部AR具备排列于Y轴方向的多个像素区域PX。另外，图2的接触区域C1可以以包围半导体基板10的外缘的方式而形成。
如图1所示，在各光检测部AR的终端部，设置有控制电子的通过的传送栅电极TG，隔着传送栅电极TG，配置有水平记录仪HR。水平记录仪隔着传送栅电极TG，而将流入的电子在水平方向(X轴负方向)传送。经传送的电子被输入至放大器A，转换为电压，从而输出至外部。
如图2所示，各个像素区域PX具备：N型(第2导电型)的光电转换区域S1，其将入射的能量线进行光电转换(另外，耗尽层较宽的PN结形成于光电转换区域S1与半导体基板本体10A的界面)；以及电阻性栅电极R(梯度电位形成机构)，其在光电转换区域S1内形成沿着单方向的电位梯度。另外，各个像素区域PX具备：第1传送电极T1，其设置于绝缘膜20上；及第2传送电极T2，其设置于绝缘膜20上，且配置于第1传送电极T1与邻接于该像素区域PX(1)的像素区域PX(2)之间。进一步，各个像素区域PX具备：势垒区域B，其位于半导体基板10中的第1传送电极T1正下方；及电荷存储区域S2，其位于半导体基板10中的第2传送电极T2正下方。
此处，势垒区域B的杂质浓度(第2导电型：N型)低于电荷存储区域S2的杂质浓度(N型)，第1传送电极T1与第2传送电极T2电连接。
另外，在本例中，梯度电位形成机构是位于光电转换区域S1的正上方并设置于绝缘膜20上的电阻性栅电极R，自图1所示的驱动电路101在电阻性栅电极R的Y轴方向的两端间施加特定的固定电压，即便使用半导体基板表面的二维杂质浓度分布，也可构成梯度电位形成机构。梯度电位形成机构促进沿着电荷传送方向(Y轴)的电荷的传送。
在使用电阻性栅电极R的情况下，在绝缘膜20上配置电阻性栅电极R，在其两端间施加固定电压，从而在电阻性栅电极正下方的半导体区域中，可形成电位梯度。在此，对电阻性栅电极R中的电子传送方向的前段部分施加电位RGL，对后段部分施加电位RGH(＞RGL)。另外，这些电位若以接地为基准则成为电压。后段部分的电位较高，从而具有负电荷的电子向电位较高的后段部分流去。因此，在使用大面积的像素的情况下也可以充分地传送电荷。
通过电阻性栅电极R，即便在像素尺寸较大的情况下，也可以将在光电转换区域内产生的电荷向单方向充分地传送。经传送的电荷经由势垒区域B而被传送至电荷存储区域S2。势垒区域B及电荷存储区域S2的无偏压状态下的电位(potential)由于这些的杂质浓度差而不同，电荷存储区域S2较深，容易存储电荷。另一方面，在这些势垒区域B及电荷存储区域S2中，通过电连接的第1传送电极T1以及第2传送电极T2，经由绝缘膜20，而被施加相同的偏压。因此，通过使向第1传送电极T1及第2传送电极T2的施加电位(传送信号PV)上下波动，而可实现经由势垒区域B将电荷存储于电荷存储区域S2(第1状态)，将经存储的电荷向后段部分的像素传送(第2状态)。
可从驱动电路101对电阻性栅电极R或传送电极T1、T2施加电位。驱动电路101通过控制装置102而受控制。控制装置102由微电脑等构成，根据向控制装置102的控制输入，而将预先程序化的时钟信号输出至驱动电路101。若对驱动电路101输入特定的时钟信号，则驱动电路101产生恒定电压RGL、RGH与1相的传送信号PV。例如，驱动电路101监测时钟信号的输入开始，在一定时间的期间，产生固定的电压RGL、RGH，并且将时钟信号根据需要分频，在经分频的时钟信号的上升的时刻，使传送信号PV的电位上升，在下降的时刻使传送信号PV的电位降低。
即，该固体拍摄装置具备线性图像传感器100、驱动线性图像传感器100的驱动电路101、及控制驱动电路101的控制装置102，控制装置102以第1传送电极T1及第2传送电极T2的电位通过传送信号PV的施加而同时上下振动的方式控制驱动电路101。在该情况下，通过电位的上下波动，可交替地形成上述“第1状态”及“第2状态”。
另外，第1传送电极T1及第2传送电极T2可如图18所示共通化。将经共通化的传送电极设为STG。
图3是图1所示的线性图像传感器的截面图(III-III箭头线截面)。
传送至垂直方向的光检测部AR的终端为止的电子经由最后的像素区域PX(last)的势垒区域B，而存储于其电荷存储区域S2。线性图像传感器具备形成于绝缘膜20上、并设置于最后的势垒区域B及电荷存储区域S2上的传送电极STG。在传送电极STG的旁边配置有传送栅电极TG，并且经由传送栅电极TG正下方的N型的沟道区域B3，从而经存储的电荷可流入至水平方向的传送电极PH的正下方的区域。
水平方向的传送电极PH的正下方的结构也与传送电极STG的正下方的结构相同，具备在Y轴方向邻接的势垒区域B＊与电荷存储区域S2＊。另外，沟道区域B3的杂质浓度设定为低于电荷存储区域S2，成为电荷容易存储于电荷存储区域S2的结构。另外，势垒区域B＊及电荷存储区域S2＊的结构与势垒区域B及电荷存储区域S2相同。
在此，对传送栅电极TG施加的传送信号TGV是用以进行组合动作的信号。组合动作以如下方式进行。在第1阶段，传送信号TGV是低于基准值的电位，使传送栅电极TG正下方的沟道区域B3作为相对于电荷存储区域S2的势垒而发挥功能，将电荷存储于电荷存储区域S2。在第2阶段，使传送信号TGV的电位增高，使相对于电荷存储区域S2的势垒减少，从最后的像素区域中的电荷存储区域S2经由沟道区域B3及水平记录仪的势垒区域B＊，而将电荷传送至水平记录仪的电荷存储区域S2＊。在第3阶段，保持对传送信号TGV施加较高的电压，重复上述第1状态、第2状态，从而前段部分的像素区域的电荷逐渐向水平记录仪的电荷存储区域S2＊传送，并累计。在第4阶段，1个垂直方向的像素区域的电荷全部流入至水平记录仪的电荷存储区域S2＊并累计之后，对传送信号TGV施加较低的电压，形成势垒，而结束向水平方向的传送电极PH的正下方的电荷传送。
存储于水平记录仪的电荷存储区域S2＊的电荷是通过对设置于绝缘膜20上的水平方向的传送电极PH施加水平方向的传送信号HV，而在水平方向传送，该传送信号HV及对传送栅电极TG施加的传送信号TGV也根据控制装置102的指示，通过驱动电路101而产生。
图4是用来说明垂直方向的像素列中的电位变化的图，图5是表示各信号的电位的变化的图表。另外，在以下的图表中，电位由φ表示，图面向下为正方向。
在进行电荷传送的期间，在所有期间t1～t2(参照图5)中，施加至电阻性栅电极R的两端的电位RGL、RGH固定。当然，也可以施加电位RGL、RGH，一边进行光电转换，一边进行光电转换区域内的电荷传送，在光电转换时不在电阻性栅电极R的两端间施加电压而存储电子，然后，也可仅在电荷传送时施加电压。
在第1期间t1，如图4(A)所示，配置有电阻性栅电极R的光电转换区域S1的电位随着向电子(黑色圆点)的传送方向(图面右侧：图1的Y轴负方向)前进而变深，第1传送电极T1的正下方的势垒区域B的电位大幅变深，第2传送电极T2正下方的电荷存储区域S2则进一步变深。电荷存储区域S2由邻接于其的势垒区域B与后段部分的光电转换区域S1夹持，形成有势阱。在(A)的状态的情况下，在该第1传送电极T1及第2传送电极T2中，均通过传送信号PV，而被施加有高于基准值的电位。
在第2期间t2，如图4(B)所示，配置有电阻性栅电极R的光电转换区域S1的电位不变化，第1传送电极T1的正下方的势垒区域B的电位小于光电转换区域S1的电位，构成势垒。电荷存储区域S2的电位比势垒区域B深，比后段部分的光电转换区域S1浅，因此存储于电荷存储区域S2的电子流入至后段部分的光电转换区域，利用通过势垒区域B(缓冲区域)而形成的势垒从而电子被阻挡，在光电转换区域S1的图面的右端暂时被存储。
以后，重复这些的第1期间t1与第2期间t2的动作。即，图4(B)的期间之后，成为第1期间t1。在这种情况下，如图4(C)所示，配置有电阻性栅电极R的光电转换区域S1的电位不变化，势垒区域B及光电转换区域S1的电位变化为与第1期间t1相同的状态，且进行与其相同的动作。进而，在下一期间，变化为与第2期间t2相同的状态，进行与其相同的动作。
其次，对梯度电位形成机构进行说明。
图6是作为梯度电位形成机构的电阻性栅电极R的平面图。电阻性栅电极R例如由具有比光电转换区域S1低的电阻率的多晶硅等。电阻R的两端间的较佳的电阻值可设定为1kΩ以上且10MΩ以下。电阻性栅电极R在XY平面内构成长方形，但也做成梯形等其它多边形形状。对电阻性栅电极R的两端，施加电位RGL、RGH，形成促进向电荷传送方向的电荷的传送的电位梯度。
图7是作为梯度电位形成机构的第1实施方式的光电转换区域S1的平面图。即，本例是不使用上述电阻性栅电极R，使光电转换区域S1的杂质浓度变化，同样地形成梯度电位的例子。电子向图面的右方向传送，相比于电荷传送的前段侧区域S11的杂质浓度，后段侧区域S12的杂质浓度设定得更高。在这种情况下，后段侧区域S12的电位也比前段侧区域S11深，在前段侧区域S11与后段侧区域S12的交界附近形成梯度的边缘电场。即，形成促进向电荷传送方向的电荷的传送的电位梯度。
图8是作为梯度电位形成机构的第2实施方式的光电转换区域的平面图。即，本例也是不使用上述电阻性栅电极R，使光电转换区域S1的杂质浓度变化，同样地形成梯度电位的例子。电子向图面的右方向传送，X轴方向宽度随着朝向与电荷传送方向(Y方向)相反方向而变窄的梯形状的锥形区域S12＊，以在Y轴方向穿过残余的光电转换区域S11＊的方式延伸。锥形区域S12＊的杂质浓度设定得比光电转换区域S11＊的杂质浓度高。在这种情况下，宽度方向的平均电位在电荷传送方向的后段侧区域中，较前段侧区域深，在光电转换区域S1内形成促进电荷向电荷传送方向传送的电位梯度。
图9是作为梯度电位形成机构的第3实施方式的光电转换区域的平面图。即，本例也是不使用上述电阻性栅电极R，使光电转换区域S1的杂质浓度变化，同样地形成梯度电位的例子。本例的光电转换区域S1是将第2实施方式中的锥形区域S12＊置换为多个微小半导体区域S12＊＊的区域，各个微小半导体区域S12＊＊的形状为长方形等多边形，多个微小半导体区域S12＊＊的宽度方向(X轴方向)两端间的距离的最大值随着朝向与电荷传送方向相反的方向(Y轴正方向)而变小。
微小半导体区域S12＊＊的杂质浓度设定为比残余的光电转换区域S11＊的杂质浓度高。在这种情况下，宽度方向的平均电位在电荷传送方向的后段侧区域中，比前段侧区域深，在光电转换区域S1内形成促进电荷向电荷传送方向传送的电位梯度。
图10是用来说明垂直方向的像素列的终端部的线性图像传感器的局部性的平面图。
在由多个像素区域PX的光检测部的终端，沿着Y轴的负方向排列有上述传送电极STG、传送栅电极TG、水平方向的传送电极PH。在各像素区域PX中，在X轴方向排列有传送电极STG、重置栅电极ARG、漏极区域ARD。存储于各像素区域中的传送电极STG正下方的区域中的电荷可经由重置栅电极ARG正下方的沟道区域流入至漏极区域ARD。
图11是沿着图10所示的线性图像传感器的1个像素区域的X轴方向的截面图(A-A箭头线截面)(图11(A))、沿着该截面的X轴方向的电位图(B)、(C)。所有像素区域的构造与其相同，因此作为电荷存储区域的符号使用S2。
邻接于传送电极STG的X轴方向，在绝缘膜20上，形成有重置栅电极ARG。在重置栅电极ARG的正下方，邻接于电荷存储区域S2，形成有具有比其低的杂质浓度的沟道区域B2，邻接于沟道区域B2，形成有漏极区域ARD。漏极区域ARD的杂质浓度高于电荷存储区域S2。在对重置栅电极ARG被施加低于基准的电位的情况下(B)，在沟道区域B2中形成有势垒，电子存储于电荷存储区域S2，在施加了高于基准的电位的情况下(C)，势垒消失，电子(黑色圆点)流向漏极区域ARD。对重置栅电极ARG施加较高的电位的时刻为开动电子快门的时刻。
漏极区域ARD隔着沟道区域B2而邻接于各个电荷存储区域S2。电荷是否可通过沟道区域B2依赖于对其上的重置栅电极ARG施加的电位。即，若对重置栅电极ARG施加高于基准的电位，将沟道区域B2打开，则电荷从电荷存储区域S2经由沟道区域B2而流入至漏极区域ARD。
根据该线性图像传感器，由于将1个光检测部分割为多个光电转换区域，并分别隔着沟道区域B2而邻接于漏极区域ARD，因此可以高速地将电荷排出至漏极区域ARD。另外，通过上述分割，漏极区域周边的时间常数变小，故而也对各重置栅电极ARG施加较高频率的时钟信号，可容易地进行通道的打开/关闭的切换。
图12是使各光电转换区域S1(电阻性栅电极R)的平面形状变化的情况下的线性图像传感器的局部性的平面图。通过传送电极STG的X轴方向的截面结构与图11所示的相同。另外，电阻性栅电极R的平面形状与其正下方的光电转换区域S1的平面形状相同。
与图10所示结构的不同点仅为各像素区域PX中的各光电转换区域S1(电阻性栅电极R)的平面形状，其它的结构与图10的相同。像素区域PX中的电阻性栅电极R的XY平面形状为将长方形的2个角部切除的形状，在电阻性栅电极R的两端部中，宽度变窄。这样，不会将传送来的电荷导向漏极区域ARD，而可向传送电极STG的正下方的区域传送。
图13是变形了的结构所涉及的线性图像传感器的截面图，图14是用来说明垂直方向的光检测部中的电位变化的图。图13所示的构造与图2所示的结构的不同点在于：在光电转换区域S1的电荷传送方向的前段侧设置有低杂质浓度的势垒区域BR，其它的结构相同。
即，在某像素区域PX(1)中的电荷存储区域S2与邻接于该像素区域的后段部分的像素区域PX(2)中的光电转换区域S1之间，形成有比光电转换区域S1杂质浓度低的N型的势垒区域BR。这样，在存在杂质浓度较低的势垒区域BR的情况下，可防止电荷从后段部分的像素区域PX(2)向对象的像素区域的电荷存储区域S2逆流。
即，图14(A)、(B)、(C)分别为对应于图2(A)、(B)、(C)的状态的图，势垒区域BR在(A)的状态下，抑制电子(黑色圆点)向下一段的像素区域PX(2)的多余的传送，另外，在从(C)的状态返回至(A)的状态的情况下，防止电子的逆流。
图15是背面照射型的线性图像传感器的局部性的截面图。
本例与图2所示的结构的不同点在于：做成将半导体基板本体10A从背面侧蚀刻从而薄膜化，并从背面入射入射光L1的结构。半导体基板本体10A的周边部的厚度比中央部的厚度厚，中央部的厚度设定为例如5μm以上且100μm以下。在该结构的情况下，没有阻碍光向光电转换区域S1入射的电极，因此可进行高灵敏度的拍摄。
图16是使传送电极共通的情况下的线性图像传感器的传送电极附近的截面图。
即，如上所述，第1传送电极T1及第2传送电极T2可由1个共通电极STG构成。在这种情况下，具有简化构造的效果。
在制造具备上述共通电极STG的电荷耦合元件的电荷耦合元件的制造方法中，势垒区域B可通过对N型(第2导电型)的半导体区域添加P型(第1导电型)的杂质，并进行载体补偿而形成。即，通过载体的补偿，可容易地形成低浓度的势垒区域B。以下，进行详细说明。
图17是用来说明杂质的注入方法的图。
首先，将N型的杂质离子注入从而添加至P型的半导体基板10的表面的整个面，形成N型的半导体区域S(A1)。接下来，在N型半导体区域S上形成由多晶硅等构成的电阻层R。该形成可使用溅射法等。然后，在电阻层R上形成具有开口的掩膜M1，使用该掩膜M1，将电阻层R蚀刻而图案化(B1)。进一步，准备另一掩膜M2，以使电阻层R的开口位置与掩膜M2的开口位置错开，仅开口的一部分重叠的方式配置掩膜M2，使用该掩膜M2的开口边缘与电阻层R的开口边缘(自对准)将P型的杂质注入从而添加至N型的半导体区域S内，补偿经添加的区域的载体，形成上述势垒区域B(C1)。另外，半导体基板上的绝缘膜20是在电阻层R的形成前形成，电阻层及上述电极是在绝缘膜20上用通常的方法图案化，在图17中省略记载。
另外，即便使用不进行载体补偿的方法，也可形成势垒区域B，在这种情况下，由于无法使用由电阻层的开口进行的自对准，因此与使用载体补偿的方法相比，势垒区域的形成位置精度不高。
在不使用载体补偿的方法的情况下，首先，在P型的半导体基板10的表面侧，配置掩膜M0，注入并添加N型的杂质，形成N型的半导体区域S(A2)。在存在掩膜M0的正下方的区域10'中不添加杂质。接下来，在半导体基板10的整个面上形成由多晶硅等构成的电阻层R，并在电阻层R上配置具有开口的掩膜M1，使用该掩膜M1，将电阻层R蚀刻，进行图案化。在这种情况下，经图案化的电阻层R的开口位置与半导体基板10的表面的未添加杂质的区域10'会因掩膜M1的对准精度而位置微妙地偏移。
接下来，准备另一掩膜M2，以使电阻层R的开口位置与掩膜M2的开口位置错开，仅开口的一部分重叠的方式配置掩膜M2，使用该掩膜M2的开口与电阻层R的开口(自对准)，将低浓度的N型的杂质注入从而添加至并非N型半导体区域的P型的区域10'内，形成N型的势垒区域B。在这种情况下，与上述方法相比，势垒区域B的位置变得不准确。
即，在上述步骤(B2)中，在掩膜M1的开口的左边缘的位置较区域10'的左边缘向右侧偏移的情况下，如(C2)所示，在势垒区域B的左侧形成未添加N型杂质的区域LD。
另一方面，在上述步骤(B2)中，在掩膜M1的开口的左边缘的位置较区域10'的左边缘向左侧偏移的情况下(表示为(B3))，如(C3)所示，在势垒区域B的右侧形成高浓度地添加有N型杂质的区域HD。
最后，对材料进行说明。
上述半导体基板10由硅(Si)构成，添加至势垒区域、电荷存储区域的N型杂质可为N、P或As，P型杂质可为B或Al。各杂质浓度/厚度的优选值如以下所述。
·半导体基板本体10A：
1013以上且1019以下(cm-3)/50000以上且800000以下(nm)
·光电转换区域S1：
1012以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·势垒区域B：
1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且000以下(nm)
·电荷存储区域S2：
1012以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·区域S11：
1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·区域S12：
1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·区域S11＊：
1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·区域S12＊：
1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·区域S12＊＊：
1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·锥形区域S12＊：
1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·沟道区域B2：
1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·漏极区域ARD：
1017以上且1020以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
·势垒区域BR：
1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
如以上所说明的，根据上述线性图像传感器，可对重置栅电极施加按数μ秒变化的时钟脉冲，可实现高速快门，另外，可以使用各光检测部的像素区域的面积也较大的，因此也可以提高S/N比。

Claims (2)

1.一种线性图像传感器，其特征在于：
具有排列于行方向的多个光检测部，各所述光检测部以具有沿着列方向排列的多个像素区域的方式被分割，将来自多个像素区域的信号分别按各所述光检测部累计，依时间顺序输出与一维的光学图像对应的电信号，且
各个所述像素区域具备：
光电转换区域，其将入射的能量线进行光电转换；
梯度电位形成机构，其在所述光电转换区域内形成促进沿着所述列方向的电荷的向后段部分的像素区域的传送的电位梯度；
电荷存储区域，其分别存储各个所述光电转换区域中产生且通过所述梯度电位形成机构而在所述列方向传送的电荷，并且所存储的电荷通过由向设置于其上的传送电极的施加电位所进行的电位控制，从而流入至后段部分的像素区域的光电转换区域；
漏极区域，其隔着沟道区域而在行方向上邻接于所述电荷存储区域；及
重置栅电极，其配置于所述沟道区域上，以控制在所述沟道区域中流动的电荷量。
2.如权利要求1所述的线性图像传感器，其中
在某像素区域中的所述电荷存储区域与邻接于该像素区域的后段部分的像素区域中的所述光电转换区域之间，形成有杂质浓度低于所述光电转换区域的势垒区域。
CN201480059141.9A 2013-11-05 2014-10-31 线性图像传感器 Active CN105684150B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013229745A JP6211898B2 (ja) 2013-11-05 2013-11-05 リニアイメージセンサ
JP2013-229745 2013-11-05
PCT/JP2014/079140 WO2015068667A1 (ja) 2013-11-05 2014-10-31 リニアイメージセンサ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105684150A CN105684150A (zh) 2016-06-15
CN105684150B true CN105684150B (zh) 2019-02-19

Family

ID=53041444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480059141.9A Active CN105684150B (zh) 2013-11-05 2014-10-31 线性图像传感器

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10403677B2 (zh)
EP (1) EP3067934B1 (zh)
JP (1) JP6211898B2 (zh)
KR (1) KR102236597B1 (zh)
CN (1) CN105684150B (zh)
TW (1) TWI642173B (zh)
WO (1) WO2015068667A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6739891B2 (ja) 2014-09-01 2020-08-12 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP6932580B2 (ja) * 2017-08-04 2021-09-08 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像素子
JP6925206B2 (ja) * 2017-09-04 2021-08-25 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP2019046995A (ja) * 2017-09-04 2019-03-22 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0682693B2 (ja) * 1984-08-17 1994-10-19 松下電子工業株式会社 電荷転送装置
JP3297947B2 (ja) 1993-03-24 2002-07-02 ソニー株式会社 固体撮像素子
JP2699895B2 (ja) * 1994-11-24 1998-01-19 日本電気株式会社 イメージセンサの駆動方法
JPH1132166A (ja) * 1997-07-09 1999-02-02 Canon Inc イメージセンサと画像読み取り装置
US6465820B1 (en) * 1998-09-16 2002-10-15 Dalsa, Inc. CMOS compatible single phase CCD charge transfer device
JP2002217399A (ja) 2001-01-22 2002-08-02 Fuji Photo Film Co Ltd 電荷読出方法および固体撮像装置
JP4236864B2 (ja) * 2002-05-08 2009-03-11 Ｎｅｃエレクトロニクス株式会社 カラーイメージセンサ
JP2004303982A (ja) * 2003-03-31 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像素子
JP4231327B2 (ja) * 2003-04-23 2009-02-25 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
EP2093801B1 (en) * 2006-11-28 2016-11-16 Hamamatsu Photonics K.K. Solid-state imaging element
JP5350659B2 (ja) 2008-03-25 2013-11-27 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP5134427B2 (ja) * 2008-04-30 2013-01-30 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP5484692B2 (ja) * 2008-06-13 2014-05-07 シャープ株式会社 固体撮像素子および電子情報機器
JP5485919B2 (ja) 2011-01-14 2014-05-07 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP5680979B2 (ja) 2011-01-20 2015-03-04 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置

Also Published As

Publication number Publication date
US10403677B2 (en) 2019-09-03
EP3067934A4 (en) 2017-07-05
TW201523858A (zh) 2015-06-16
EP3067934B1 (en) 2021-03-24
WO2015068667A1 (ja) 2015-05-14
JP6211898B2 (ja) 2017-10-11
US20160268334A1 (en) 2016-09-15
KR20160082683A (ko) 2016-07-08
TWI642173B (zh) 2018-11-21
KR102236597B1 (ko) 2021-04-06
JP2015090907A (ja) 2015-05-11
CN105684150A (zh) 2016-06-15
EP3067934A1 (en) 2016-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101087565B1 (ko) 광검출기 및 이를 이용한 공간 정보 검출 장치
KR101436673B1 (ko) 촬상 장치
EP2487897B1 (en) Semiconductor element and solid-state imaging device
CN105684150B (zh) 线性图像传感器
CN104517983B (zh) 固态成像装置、其制造方法和成像系统
CN205582940U (zh) 图像传感器
TWI740958B (zh) 用於前照式紅外線影像感測器的光電閘及其製造方法
US9723232B2 (en) Solid-state image sensor
TW201143051A (en) Coplanar high fill factor pixel architecture
JP6985054B2 (ja) 撮像装置
KR20080085155A (ko) 가시광 검출용으로 최적화된 반도체 방사선 검출기
CN113875008A (zh) 光探测器传感器阵列
EP1624491B1 (en) Solid-state photosensor with electronic aperture control
US20110140177A1 (en) Solid-state imaging device and method of controlling the same
JP6348272B2 (ja) 電荷結合素子及びその製造方法、並びに固体撮像装置
US7750376B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus
JP2013093562A (ja) 枯渇型電荷増倍ｃｃｄ画像センサ
JP2001332716A (ja) フォトセンサアレイおよびその製造方法
JP5452511B2 (ja) 固体撮像装置
US9923024B1 (en) CMOS image sensor with reduced cross talk
WO2016056282A1 (ja) 画素回路および撮像装置
JP4947404B2 (ja) フォトセンサ及びその製造方法
TW201104858A (en) Back-illuminated solid-state image pickup device
WO2021225036A1 (ja) 光検出装置、及び光センサの駆動方法
JP2002057320A (ja) 固体撮像素子の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant