CN107833899B - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本申请的固体摄像装置具备被配置成二维状的多个像素，所述多个像素的每一个具备：第一电压的半导体衬底；金属电极；光电转换层，被形成在所述金属电极上，并将光转换为电信号；透明电极，被形成在所述光电转换层上；电荷积蓄区域，形成在上述半导体衬底中，与所述金属电极电连接，并积蓄来自所述光电转换层的电荷；放大晶体管，输出与所述电荷积蓄区域的电荷量相对应的信号电压；以及复位晶体管，对所述电荷积蓄区域的电位进行复位，在所述复位晶体管导通时，所述复位晶体管的栅极被施加第二电压，在所述复位晶体管断开时，所述复位晶体管的栅极被施加第三电压，所述第一电压处于所述第二电压与所述第三电压之间。

Description

固体摄像装置
本申请是申请日为2013年3月8日、申请号为201380032967.1、发明名称为“固体摄像装置”的发明专利申请的分案。
技术领域
本发明涉及像素被排列成阵列状的固体摄像装置。
背景技术
曾经提出了一种层叠型传感器，将能够进行光电转换的材料层叠在半导体衬底的上方，即使在被微小化后的像素也能够实现较大的饱和电荷量。
图5是专利文献1所述的层叠型图像传感器的像素截面图。如该图所示，在半导体衬底200上方形成有光电转换层210、透明电极211、以及像素电极212。并且，在半导体衬底200内形成有构成输出电路的多个杂质区。在上述的杂质区中形成有：用于积蓄光电转换层210内产生的电荷的n型的电荷积蓄部201；以及在电荷积蓄部201的上部为了降低因半导体衬底200的表面缺陷而造成的泄漏的p型的表面注入区域202。并且，为了将积蓄在电荷积蓄部201的电荷输出到信号线，因此形成有将电荷传输给浮动扩散部203的传输晶体管204。浮动扩散部203连接于用于转换为与电荷量对应的电压的放大晶体管205的栅极，在浮动扩散部203形成有用于选择输出给信号线的像素的选择晶体管206。并且，形成有用于使浮动扩散部203的电位复位的复位晶体管207。并且，为了将光电转换层210内所产生的光电荷传送到电荷积蓄部201，而设置了触头208，并且为了降低接触电阻，而形成有杂质浓度高的n型的接触注入区域209。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1日本 特开2009-164604号公报
发明内容
发明要解决的问题
在半导体衬底200表面的触头208的近旁，通过p型的表面注入区域202与n型的接触注入区域209而形成PN结。该PN结的漏电流依存结点的电场强度，为了减少结点的漏电流，因此，在表面注入区域202的杂质浓度达到一定程度时，则不能使该杂质浓度变得更高。
然而，表面注入区域202原本是为了降低因半导体衬底200的表面缺陷，尤其是在加工时因缺陷而容易诱发的在栅极端近旁发生的漏电流而被设置的，若降低上述的杂质浓度，则不能充分抑制因缺陷而造成的漏电流。
本发明鉴于上述的课题，目的在于提供一种能够抑制漏电流的高灵敏度的层叠型固体摄像装置。
用于解决问题的手段
为了解决上述课题，本发明的固体摄像装置具备被配置成二维状的多个像素，所述多个像素的每一个具备：第一电压的半导体衬底；金属电极；光电转换层，被形成在所述金属电极上，并将光转换为电信号；透明电极，被形成在所述光电转换层上；电荷积蓄区域，形成在上述半导体衬底中，与所述金属电极电连接，并积蓄来自所述光电转换层的电荷；放大晶体管，输出与所述电荷积蓄区域的电荷量相对应的信号电压；以及复位晶体管，对所述电荷积蓄区域的电位进行复位，在所述复位晶体管导通时，所述复位晶体管的栅极被施加第二电压，在所述复位晶体管断开时，所述复位晶体管的栅极被施加第三电压，所述第一电压处于所述第二电压与所述第三电压之间。
通过上述的构成，能够将高的电压施加到复位晶体管的栅极电极，并使承担表面注入区域的电荷集中到栅极端近旁，以使表面注入区域的电位稳定，从而抑制漏电流。
发明效果
通过本发明所涉及的固体摄像装置，不仅能够降低电荷积蓄部的漏电流，而且能够降低1/f噪声，从而能够实现高灵敏度(高S/N)的固体摄像装置。
附图说明
图1是示出实施方式所涉及的固体摄像装置的一个例子的电路图。
图2A是示出实施方式所涉及的像素的构成的一个例子的截面图。
图2B是示出实施方式所涉及的电源电路的构成的一个例子的截面图。
图3是实施方式1所涉及的固体摄像装置的像素平面图。
图4是实施方式2所涉及的固体摄像装置的像素平面图。
图5是专利文献1所述的层叠型传感器的像素截面图。
具体实施方式
以下基于附图对实施方式进行详细说明。并且，本发明并非受以下的实施方式所限。并且，在不脱离实现本发明的效果的范围内，能够进行恰当地变更。而且，也能够与其他的实施方式进行组合。
(实施方式1)
首先，利用图1对实施方式1所涉及的固体摄像装置的像素电路构成的一个例子进行说明。
图1是示出实施方式所涉及的固体摄像装置的一个例子的电路图。该图所示的固体摄像装置是层叠型图像传感器的一个例子，其中的像素10被排列成二维状。在像素10内具备：金属电极11；被形成在金属电极上，并将光转换为电信号的光电转换层13；被形成在光电转换层13上的透明电极12；积蓄来自光电转换层13的电荷的电荷积蓄区域(浮置扩散区)14；输出与电荷积蓄区域14的电荷量对应的信号电压的放大晶体管15；对电荷积蓄区域的电位进行复位的复位晶体管16；以及选择晶体管17。
光电转换层13通过对入射光进行光电转换，从而生成信号电荷。由光电转换层13生成的信号电荷，经由金属电极11而被传输到电荷积蓄区域14。在本实施方式中，为了传输电荷，而将10V左右的正偏压施加到透明电极12。
被传输到电荷积蓄区域14的电荷由放大晶体管15放大。在选择晶体管17成为导通状态时，由放大晶体管15放大的信号被输出到输出信号线18。
为了去除复位晶体管16在工作时所产生的热(kTC)噪声，从输出信号线18经由反馈布线19，将逆相位的噪声成分返回到电荷积蓄区域14，从而与热(kTC)噪声相抵消。
从垂直电路20输入对像素内的每个晶体管进行控制的信号，经由水平电路21输出到信号端24。为了实现小型化，通过被设置在同一个芯片内的电源电路22，而产生施加到透明电极12的10V左右的外加电压。
接着，利用图2A对实施方式1所涉及的固体摄像装置所具备的像素10的截面构成的一个例子进行说明。
图2A是示出实施方式所涉及的像素的构成的一个例子的截面图。如该图所示，本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素10具备：被形成在半导体衬底的n型的阱1；被形成在半导体衬底上方、且通过对入射的光进行光电转换来生成信号电荷的光电转换层13；以及夹着光电转换层13的金属电极11和透明电极12。透明电极12采用能够使光入射到光电转换层13的ITO或ZnO等透明电极。
在本实施方式中，虽然采用了在半导体衬底形成的n型的阱1，不过也可以采用在半导体衬底形成的p型的阱。在这种情况下，以后所示的杂质的导电型则成为n型与p型交替。
并且，在光电转换层13产生的电荷，通过向透明电极12施加10V左右的正电压，从而经由金属电极11传输空穴，并积蓄到p型的电荷积蓄区域14。该电荷积蓄区域14兼用作复位晶体管16的活性区，在使复位晶体管16导通时，电荷积蓄区域14的电位被复位。
而且，该电荷积蓄区域14通过n型或STI(Shallow Trench Isolation：浅沟槽隔离)构成的隔离区域31，从而与像素内的放大晶体管15或选择晶体管17电隔离。
并且，在该电荷积蓄区域14的上部设置n型的表面注入区域32，这样，能够抑制泄漏到因阱1表面上的众多缺陷而产生的漏电流的电荷积蓄区域14。
并且，在用于将来自光电转换层13的电荷传输到电荷积蓄区域14的触头33与半导体衬底的界面，设置用于降低接触电阻的触头注入区域34。并且，表面注入区域32延伸到复位晶体管16的栅极端近旁。
该复位晶体管16的栅极氧化膜36的膜厚比放大晶体管15的栅极氧化膜25的膜厚厚。通过此构成，能够向复位晶体管16施加高的栅极电压。因此，在复位晶体管16断开时，在栅极下方能够聚集与承担表面注入区域32的多数载流子相同的电子，这样，能够使表面注入区域32的电位稳定，并能够减少漏电流。在本实施方式中，例如，将复位晶体管16的导通时的电压设为0V左右，将断开时的电压设为3.8V左右。
并且，通过将放大晶体管15的栅极氧化膜25形成得较薄，从而能够抑制1/f噪声。
并且，使选择晶体管17的栅极氧化膜27的膜厚与放大晶体管15的栅极氧化膜25的膜厚相同。通过此构成，因为能够降低在将选择晶体管17导通时的栅极外加电压，从而有利于耗电量的降低。并且，上述的厚度相同是指，厚度大致相同，也就是说包括制造上的误差。
在本实施方式中，放大晶体管15的栅极氧化膜25的膜厚例如大致在3nm～6nm的范围内。并且，复位晶体管16的栅极氧化膜36的膜厚例如大致在4nm～13nm。并且，选择晶体管17的栅极氧化膜27的膜厚例如大致在3nm～6nm的范围。
图2B是示出实施方式所涉及的电源电路的构成的一个例子的截面图。构成将电压施加到透明电极12的电源电路22的晶体管的栅极氧化膜35的膜厚比复位晶体管16的栅极氧化膜36的膜厚厚。通过此构成，由于能够将高的电压施加到构成电源电路22的晶体管，因此，能够将在光电转换层13生成的信号电荷传送到电荷积蓄区域14。为了能够将10V左右的电压施加到透明电极12，因此，该栅极氧化膜35的膜厚最好是大致在15～25nm的范围内。
在本实施方式中，例如在将阱电压大致设为2.8V，将复位晶体管16的栅极电压设为3.8V左右时，漏电流能够得到百分之几十的改善。
并且，与电荷积蓄区域14连接的放大晶体管15的栅极电极45的电位在由复位晶体管16而成为复位电位时，在能够大致确保阱1与放大晶体管15的栅极电极45之间的耐压的范围内，来使放大晶体管15的栅极氧化膜25薄膜化。据此，作为漏电流以外的噪声成分的1/f噪声的N1/f，能够从以下的理论公式中得到明显的降低。在此，Gox是栅极氧化膜的膜厚、W是沟道宽度、以及L是栅极长度。
(数式1)
Figure BDA0001453605190000061
接着，利用图3对表示实现图2A的截面结构的多个像素10的第一平面构成的图进行说明(上层的布线未图示)。
图3是实施方式1所涉及的固体摄像装置的像素平面图。如图3所示，像素内的电荷积蓄区域14的触头33为了信号电荷不被混合，因此不与相邻的像素10共享。触头33以外的触头由于不会发生信号电荷混合的问题，因此能够与相邻的像素10共享，在受光面的垂直方向上，相邻的像素10与触头共享。据此，能够降低每一个像素的触头占有面积比率，从而能够实现像素尺寸的微小化。
并且，放大晶体管15在受光面上与垂直方向上的相邻的像素10的放大晶体管15共享活性区54。通过此构成，由于在上下相邻的像素10共享触头，因此能够确保放大晶体管15的栅极长度，从而能够降低噪声成分之一的1/f噪声。
并且，选择晶体管17在受光面上与垂直方向上的相邻的像素10的选择晶体管17共享活性区57。通过此构成，由于上下像素共享触头，因此，能够在确保选择晶体管17的栅极长度的同时，能够确保共享了活性区的放大晶体管15的栅极长度，从而能够降低噪声成分之一的1/f噪声。
并且，复位晶体管16在受光面上与垂直方向上的相邻的像素10的复位晶体管16共享活性区56。通过此构成，由于在上下像素共享触头，因此能够确保复位晶体管16的栅极长度，并能够确保将电荷积蓄区域14作为活性区的复位晶体管16的导通特性。
并且，复位晶体管16的栅极长度比放大晶体管15的栅极长度长。通过此构成，能够在确保放大晶体管15的驱动能力的同时，能够降低将电荷积蓄区域14作为活性区的复位晶体管16的导通特性的不均一，即能够降低依存于栅极长度的阈值电压、漏极电流等的不均一，从而能够使电荷积蓄区域14的电位稳定。因此，像素间的泄漏特性成为相同，从而能够拍摄鲜明的图像。另外，在使放大晶体管的栅极长度变短，与√L长成反比，互导gm增高，因此驱动能力增高，从而能够快速地将信号传输到输出信号线18。
并且，放大晶体管15与选择晶体管17被配置在相同的列。只要在确保利用选择晶体管17的栅极电压的导通与断开特性的状态下使栅极长度变短，就能够使放大晶体管15的栅极长度增长，并根据式1能够降低1/f噪声。
在本实施方式中，在像素10的单元尺寸为0.9μm的情况下，放大晶体管15的栅极长度例如最好是大致在0.2～0.3μm的范围。复位晶体管16的栅极长度例如大致在0.2～0.5μm的范围。选择晶体管17的栅极长度例如大致在0.1～0.5μm的范围。即使在像素的单元尺寸不同的情况下，自然也就能够根据单元尺寸从0.9μm的变更比例，来导出与不同的单元尺寸相对应的栅极长度。
(实施方式2)
在本实施方式中，对实现图2A的截面结构的多个像素10的第二平面构成进行说明。
图4是实施方式2所涉及的固体摄像装置的像素平面图。在该图中与图3相同，复位晶体管16通过隔离区域31，而被形成为与放大晶体管15以及选择晶体管17隔离。
如图4所示，像素内的选择晶体管17与同一像素内的放大晶体管15共享活性区55的一部分，像素内的复位晶体管16的活性区56与同一像素内的放大晶体管15的活性区55电隔离。通过此构成，能够确保较宽的需要高速驱动性的放大晶体管15以及选择晶体管17的沟道宽度。并且，通过减小复位晶体管16的活性区的面积，从而能够使表面注入区域32与电荷积蓄区域14的PN结面积减小，这样能够抑制PN结泄漏。
并且，复位晶体管16被配置在，同一像素内的选择晶体管17与在受光面上的水平方向上相邻的像素内的选择晶体管17之间。或者，复位晶体管16也可以被配置在，同一像素内的放大晶体管15与在受光面上的水平方向上相邻的像素内的放大晶体管15之间(未图示)。通过此构成，能够使沟道宽度狭小的复位晶体管16、与沟道宽度宽的放大晶体管15以及选择晶体管17的沟道方向并列地配置在同一像素内，因此，既能够确保噪声特性，又能够容易地使像素大小微小化。
并且，放大晶体管15的沟道宽度比复位晶体管16的沟道宽度宽。根据式1，若扩大放大晶体管15的沟道宽度，则能够降低放大晶体管15的1/f噪声。另外，通过缩小复位晶体管16的沟道宽度，从而能够缩小将复位晶体管16的活性区兼用作电荷积蓄区域14的PN结面积，因此能够降低1/f噪声和漏电流，从而能够得到针对信号降低了噪声成分的高灵敏度的图像。并且，由于确保了放大晶体管15的工作电流，因此能够扩大晶体管沟道宽度，并实现快速驱动，从而也能够降低作为噪声成分之一的1/f噪声。
在本实施方式中，在像素的单元尺寸为0.9μm的情况下，放大晶体管15的沟道宽度例如大致在0.1～0.5μm的范围。复位晶体管16的沟道宽度例如大致在0.1～0.2μm的范围。选择晶体管17的沟道宽度例如大致在0.1～0.5μm的范围。即使在像素的单元尺寸不同的情况下，自然也就能够根据单元尺寸从0.9μm的变更比例，来导出与不同的单元尺寸相对应的沟道宽度。
并且，选择晶体管17的栅极电极47的栅极长度比放大晶体管15栅极电极45的栅极长度短。据此，能够确保放大晶体管15的栅极长度，并能够降低噪声成分之一的1/f噪声。
根据以上的构成，能够制造降低了漏电流以及1/f噪声的固体摄像装置。并且，能够实现1μm左右的微小像素尺寸，并且能够使高速地电荷读出成为可能。
以上基于实施方式1以及2对本发明所涉及的固体摄像装置进行了说明，本发明并非受实施方式1以及2所限。在不脱离本发明的趣旨的范围内，将本领域技术人员所能够想到的各种变形施行于实施方式1以及2的形态，以及对不同的实施方式中的构成要素进行组合并构筑的形态均包含在本发明的范围内。
并且，上述的实施方式所涉及的固体摄像装置典型地能够作为集成电路的LSI来实现。这些可以被分别作为一个芯片，也可以将包括其中的一部分或者全部作为一个芯片来制成。
并且，集成电路化并非受限于LSI，也可以作为专用的电路或泛用的处理器来实现。在LSI制造后，也可以利用可编程的FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)或利用能够将LSI内部的电路单元的连接以及设定重新构建的可重装处理器。
并且，在上述的截面图等中，虽然以直线表示了各个构成要素的角部以及边，不过，因制造上的关系，即使角部以及边带有圆弧度等也包括在本发明内。
并且，以上所使用的数字均是为了对本发明进行具体说明的一个例子，本发明并非受举例所示的数字所限。并且，表面注入区域32、触头注入区域34、活性区54～57等杂质区等中的n型以及p型等均为对本发明进行具体说明的一个例子，即使使他们相反也能够得到同样的效果。并且，以上所示的各个构成要素的材料均为对本发明进行具体说明的一个例子，本发明并非受这些例子中的材料所限。并且，构成要素间的连接关系也是为了对本发明进行具体说明的一个例子，实现本发明的功能的连接方式并非受此所限。
并且，在上述的说明中虽然采用了MOS晶体管的例子，不过也可以是其他的晶体管。
工业实用性
本发明的固体摄像装置能够适用于具有层叠型结构且具有低噪声特性的微小像素尺寸的固体摄像装置。
符号说明
1 阱
10 像素
11 金属电极
12 透明电极
13 光电转换层
14 电荷积蓄区域
15 放大晶体管
16 复位晶体管
17 选择晶体管
18 输出信号线
19 反馈布线
20 垂直电路
21 水平电路
22 电源电路
24 信号端
25、27、35、36 栅极氧化膜
31 隔离区域
32 表面注入区域
33 触头
34 触头注入区域
45 放大晶体管的栅极电极
46 复位晶体管的栅极电极
47 选择晶体管的栅极电极
54、55、56、57 活性区

Claims (12)

1.一种固体摄像装置，具备被配置成二维状的多个像素，
所述多个像素的每一个具备：
第一电压的半导体衬底；
金属电极；
光电转换层，被形成在所述金属电极上，并将光转换为电信号；
透明电极，被形成在所述光电转换层上；
电荷积蓄区域，形成在所述半导体衬底中，与所述金属电极电连接，并积蓄来自所述光电转换层的电荷；
放大晶体管，输出与所述电荷积蓄区域的电荷量相对应的信号电压；以及
复位晶体管，对所述电荷积蓄区域的电位进行复位，
在所述复位晶体管导通时，所述复位晶体管的栅极被施加第二电压，
在所述复位晶体管断开时，所述复位晶体管的栅极被施加第三电压，
所述第一电压处于所述第二电压与所述第三电压之间，
所述固体摄像装置还具备位于所述电荷积蓄区域的上部的表面注入区域，
所述电荷积蓄区域是第1导电型，所述表面注入区域是第2导电型。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置还具备电源电路，该电源电路将电压施加到所述透明电极，
构成所述电源电路的晶体管的栅极氧化膜的膜厚比所述复位晶体管的栅极氧化膜的膜厚厚。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述放大晶体管的沟道宽度比所述复位晶体管的沟道宽度大。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述多个像素的每一个还具备选择晶体管，该选择晶体管决定所述放大晶体管对所述信号电压进行输出的定时，
所述多个像素包括第一像素，
所述第一像素内的所述选择晶体管与所述第一像素内的所述放大晶体管共享活性区的一部分，
所述第一像素内的所述复位晶体管的活性区与所述第一像素内的所述放大晶体管的活性区电隔离。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述多个像素的每一个还具备选择晶体管，该选择晶体管决定所述放大晶体管对所述信号电压进行输出的定时，
所述多个像素包括第一像素、以及在受光面上与该第一像素在水平方向上相邻的第二像素，
所述第一像素内的所述复位晶体管被配置在，所述第一像素内的所述放大晶体管与所述第二像素内的所述放大晶体管之间。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述复位晶体管的栅极长度比所述放大晶体管的栅极长度长。
7.如权利要求4或5所述的固体摄像装置，
所述选择晶体管的栅极长度比所述放大晶体管的栅极长度短。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述多个像素包括第一像素、以及在受光面上与该第一像素在垂直方向上相邻的第二像素，
所述第一像素内的所述放大晶体管与所述第二像素内的所述放大晶体管共享活性区。
9.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述多个像素的每一个还具备选择晶体管，该选择晶体管决定所述放大晶体管对所述信号电压进行输出的定时，
所述多个像素包括第一像素、以及在受光面上与该第一像素在垂直方向上相邻的第二像素，
所述第一像素内的所述选择晶体管与所述第二像素内的所述选择晶体管共享活性区。
10.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述多个像素包括第一像素、以及在受光面上与该第一像素在垂直方向上相邻的第二像素，
所述第一像素内的所述复位晶体管与所述第二像素内的所述复位晶体管共享活性区。
11.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述复位晶体管的栅极氧化膜的膜厚在4nm至13nm的范围，
所述放大晶体管的栅极氧化膜的膜厚在3nm至6nm的范围。
12.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述多个像素的每一个还具备选择晶体管，该选择晶体管决定所述放大晶体管对所述信号电压进行输出的定时，
所述多个像素包括第一像素、以及在受光面上与该第一像素在水平方向上相邻的第二像素，
所述第一像素内的所述复位晶体管被配置在，所述第一像素内的所述选择晶体管与所述第二像素内的所述选择晶体管之间。
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