CN1143396C - 固态图象传感器 - Google Patents
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Abstract
一种固态图象传感器，包括：半导体层，具有第2电导率，光电转换部分，把光转换成电荷，控制晶体管，控制所述的光电转换部分的工作，源跟随晶体管，输出由所述的电荷产生的电压，其特征是，所述的光电转换部分包括：具有第1电导率的第1区，延伸到所述的控制晶体管的栅极，与源跟随晶体管的栅极电连接，具有第1电导率第2区，形成在所述的第1区的附近。所述的固态图象传感器减少光电转换部分的寄生电容，因此增加了光电转换部分的效率和灵敏度。
Description
本发明涉及固态图象传感器，特别是涉及有源型XY可寻址的固态图象传感器，具有制造CMOS晶体管工艺的兼容性。
根据光电转换产生的转换信号电荷的转换层，能把常规的固态图象传感器分类成MOS型和CCD型。特别是，CCD型固态图象传感器广泛地用于包括照相机，数字照相机，传真机等VTR，为了增进性能，目前正在进一步开发CCD型固态图象传感器。
某些固态图象传感器具有制造CMOS晶体管工艺的兼容性(下文把上述的固态图象传感器简单地称为“CMOS传感器”)如Nikkei Micro Device，VOL.7，1997，PP.120-125中所述的。CMOS传感器具有下述优点，能采用单电源工作，例如5V或3.3V电池，从而具有低功耗能用常规的CMOS制造工艺制造，能把诸如信号处理电路的外围电路安装在同一芯片上。
图1和图2是CMOS传感器基本单元的横截面图。图1也表示其中正在积累电荷的光电转换部分，图2也表示已从中清除电荷的光电转换部分。
参照图1，CMOS传感器的基本单元由下列部分组成：p-型半导体衬底101，形成在p-型半导体衬底101上和部分暴露在p-型半导体衬底101表面上的p-型阱层102，暴露在p-型半导体衬底101表面上的p+半导体区103a和103b，使各区域和制造有半导体器件邻近区相互隔离，夹在p-型阱102和p+半导体区103a之间的第1n+半导体区104，夹在p-型阱102和p+半导体区103b之间的第2n+半导体区105，控制MOSFET201，具有面向位于p-型半导体衬底101表面的部分p-型阱102的栅极，作为源跟随放大器的第1MOSFET202，作为水平选择开关的第2MOSFET203。
通过第2MOSFET203把CMOS传感器的基本单元电连接到外部电路。
外部电路包括下列部分，作为源跟随放大器202负载的第3MOSFET204，用于转换暗输出的第4MOSFET205，用于转换亮输出的第5MOSFET206，用于积累其中暗输出的电连接到第4MOSFET205的源或漏的第1电容器207，用于积累其中亮输出的电连接到第5MOSFET206源或漏的第2电容器208。
第1n+半导体区104作为把光转换为电荷的光电转换部件。第1n+半导体区104电连接到第1MOSFET202的栅极。第2n+半导体区105作为控制MOSFET201的漏区。
第1，第2，第3MOSFETs202，203，204在电压VSS和VDD之间相互串连连接。第5和第6MOSFETs205和206的源极和漏极之一电连接到位于第2和第3 MOSFETs203和204之间接点上，其他端分别电连接到第1和第2电容器207和208的上和输出端上。
P+半导体区103a和103b接地。第2n+半导体区105和源电压VDD电连接。
如图1和2所示的多个所述的基本单元排成矩阵形，由此限定CMOS单元行，如图3A部分所示那样。每个基本单元50电连接到垂直寄存器51，水平寄存器52，负载晶体管54，输出线53。
负载晶体管54相应于图1和2所示的第3负载MOSFET204。
输出线53通过作为由水平寄存器52选择的垂直开关MOSFET55，电连接到第4和第5MOSFET205和206上和第1和第2电容器207和208上。
图3B是CMOS传感器的电略图。图1及图2对应的部件或元件用相同的标号表示。把控制脉冲φR加到控制MOSFET201的栅极。把地址信号X加到第2MOSFET203的栅极，作为水平选择开关。负载晶体管54和输出线53电连接到第2MOSFET203的源极上。
下面说明图1，2，3A，3B所示的CMOS传感器的工作。
首先，如图2所示，设置控制MOSFET201的控制脉冲φR等于高电平电压，由此设置第1n+半导体区104等于源电压VDD。
然后，如图1所示，设置控制MOSFET201的控制肪冲φR等于低电平电压，以便防止模糊。
由于光入射到那里，所以作为光电转换部件的第1n+体区104产生电子和空穴。把这样产生的电子积累在耗尽层。通过p-型阱102排除这样产生的空穴。
在图1和2中，具有比源电压VDD较深电位的阴影区没有耗尽。
然后，根据积累电子的数量，改变第1n+半导体区或光电转换区104的电位。第1n+半导体区或光电转换区104的电位变化，借助于第1MOSFET202的源跟随器的运作，通过作为源跟随放大器的第1MOSFET202输入到作为水平选择开关的第2MOSFET203。于是获得了优良线性的光电转换特性。
由于在第1n+半导体区或光电转换区104中的复位操作产生KTC噪声。但是，通过取样和积累在转换信号电荷前产生的暗输出，计算亮输出和这样积累的暗输出之间的差别，能消除所述的KTC噪声。
所述的固态图象传感器和CMOS制造工艺具有兼容性，第1n+半导体区或光电转换区104的电位根据积累电子变化，通过第1MOSFET的源极或源跟随放大器202的源极把电位变化输入到第2MOSFET或水平选择开关203。
其中，信号电荷量Q，第1n+半导体区或光电转换区104的寄生电容C，输出电压V之间具有如下关系：
V＝Q/C
图4表示入射光量，电位和输出电压之间的关系。
通常，如图4所示，输出电压正比于入射光量或电位量。但是固态图象传感器和CMOS制造工艺具有兼容性，如图1和2所示，伴随有下述问题。由于光电转换部分由第1n+半导体区104形成，所以不可避免地使光电转换部分104的寄生电容C变高。结果，不可能产生由信号电荷引起的高电位变化V。这引起输出转换效率降低的问题。
已经提出多种固态图象传感器。
例如，日本没有审查的专利公开NO.63-13582提出一种固态传感器，由包括象素矩阵的象素阵列组成，每个象素单元具有光电转换器件和开关器件，用于选择某个光电器件，还具有开关MOSFET，接收来自象素阵列的垂直信号，和把接收的垂直信号传输到输出线。把偏压加到形成象素阵列的阱区，以便吸收其中的错误信号。把反偏压加到开关MODFET的阱区，以便减少在阱区和限定开关MOSFET的半导体区之间的结电容。
日本没有审查的专利公开NO.8-241982提出一种固态传感器，其中以自对准方法形成p型阱和n型半导体层，由此使p型阱周围区和n型半导体层耗尽。结果，能在结周围区减少寄生电容。
日本没有审查的专利公开NO.9-260628提出一种固态传感器，其包括，n型半导体衬底，形成在半导体衬底表面的p型阱区，形成在p型阱区附近的重掺杂n型半导体区，位于重掺杂n型区周围之间的轻掺杂n型区。使位于重掺杂n型区和p型区之间的pn结处于反偏压的条件下，则重掺杂n型区周围和轻掺杂n型区全部耗尽。
但是，由于在所述的日本没有审查的专利公开中，在重掺杂n型半导体区中形成光电转换部分，所以，日本没有审查的专利公开中也伴随有前述的问题，光电转换部分的非常大的寄生电容降低了输出转换效率。
考虑到上述的问题，本发明的目的是提供固态传感器，能够减少光电转换部分的寄生电容，由此提高输出转换效率和灵敏度。
提供一种固态图象传感器包括，具有第2电导率的半导体层，用于把光转换成电荷和形成在半导体层上的光电转换部分，用于控制光电转换部分运作和形成在半导体层上面的控制晶体管，用于从那里输出由电荷引起电压的源跟随晶体管，其特征是，光电转换部分包括具有第1电导率第1区，它延伸到控制晶体管的栅极，电连接到源跟随晶体管的栅极，还包括具有第1电导率第2区，它形成在第1区邻近。
还提供一种固态图象传感器包括，具有第2电导率的半导体层，用于把光转换成电荷和形成在半导体层上的光电转换部分，用于控制光电转换部分操作和形成在半导体层上面的控制晶体管，用于从那里输出由电荷引起电压的源跟随晶体管，其特征是，光电转换部分包括具有第1电导率第3区，电连接到源跟随晶体管的栅极，还包括具有第1电导率第1区，它形成在第3区中。
按照本发明，除了在其上光电转换部分电连接源跟随器晶体管的光电转换部分区域和从前述区域延伸到控制栅区域外的区域，被控制MOSFET的高电位耗尽。因此可能减少光电转换部分的寄生电容。结果，能够使由信号电荷引起的电位变化V较大，保证增加输出转换效率。
此外，本发明可能相对于入射光量，在2个，3个或较大的量级之间切换信号输出特性。这保证了高的动态范围。
在本发明的某些实施例中，可能使具有第2电导率的和接地的半导体区形成在具有第1电导率的和耗尽的半导体区上。因此，通过再结合、能消除在硅和氧化膜之间的界面处产生的电流，保证减少不是由光电转换引起噪声。
图1是常规CMOS传感器基本单元的横截面图，还表示光电转换部分，其中在光电转换部分积累信号电荷。
图2是常规CMOS传感器基本单元的横截面图，还表示光电转换部分，其中已清除在光电转换部分中的信号电荷。
图3A是如图1和2所示的CMOS传感器的方框图。
图3B是如图1和2所示的CMOS传感器电略图。
图4是表示常规CMOS传感器中的入射光量，电位和输出电压之间关系的曲线图。
图5是按照本发明第1实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图6是表示按照本发明第1实施例的CMOS传感器中的入射光量，电位和输出电压之间关系的曲线图。
图7是按照本发明第2实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图8是表示按照第2实施例的CMOS传感器中的入射光量，电位和输出电压之间关系的曲线图。
图9是按照本发明第3实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图10是按照本发明第4实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图11是按照本发明第5实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图12是按照本发明第6实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图13是按照本发明第6实施例的CMOS传感器基本单元变化的横截面图。
图14是按照本发明第7实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图15是表示按照第7实施例的CMOS传感器中的入射光量，电位和输出电压之间关系的曲线图。
图16是按照本发明第8实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图17是按照本发明第9实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
图18是按照本发明第10实施例的CMOS传感器基本单元的横截面图。
[第1实施例]
图5表示按照第1实施例CMOS传感器的基本单元。和图1对应的部分和元件用相同的标号表示。
如图5所示，按照第1实施例的CMOS传感器的基本单元，包括p型半导体衬底101，形成在半导体衬底101中和部分暴露在p型半导体衬底101表面的p型阱层102，暴露在p型半导体衬底101表面的p+半导体区103a和103b，使区域和各制造半导体器件的邻近区隔离，夹在p型阱102和p+半导体区103a之间的第1区或n+半导体区106，形成在第1区或n+半导体区106和p+半导体区103a之间的第2区或n型半导体区114，夹在p型阱102和p+半导体区103b之间的n+半导体区105，控制MOSFET201，具有面向p型阱102部分和形成在p型半导体衬底101表面的栅电极，作为源跟随放大器的第1MOSFET，作为水平选择开关的第2MOSFET203。
CMOSFET传感器的基本单元，通过第2MOSFET203电连接到外部电路。
外部电路包括，作为源跟随放大器202负载的第3MOSFET204，用于转换暗输出的第4MOSFET205，用于转换亮输出的第5MOSFET206，第1电容器207，电连接第4MOSFET205的源或漏极，用于积累其中的暗输出，第2电容器208，电连接第5MOSFET206的源或漏极，用于积累其中的亮输出。
第2MOSFET203电连接到第3负载MOSFET204。第1区或n+半导体区106电连接到第1MOSFET202的栅极。N+半导体区105作为控制MOSFET201的漏极。
第1，第2，第3MOSFET202，MOSFET203，MOSFET204在VSS和VDD之间相互串联连接。第5和第6MOSFETs205和206的源和漏之一电连接到第2和第3MOSFETs203和204之间的结点上，其他端分别电连接到第1和第2电容器207和208以及输出端。
如图5所示，第1区或n+半导体区106形成在p型阱层102上，一端位于控制MOSFET201栅极端的正下方。
P+半导体区103a和103b接地。n+半导体区105和源电压VDD电连接。
和图1及2所示的常规的CMOS传感器基本单元比较，如图5所示的第1实施例的CMOS传感器基本单元，其特征是，光电转换部分301包括，第1区或n+半导体区106，和第2区或n型半导体区114。
用n型杂质重掺杂第1区106，而用n型杂质轻掺杂第2区114。
在p型阱102层，p+半导体区103a，和第2区114之间的结形成耗尽层。按照第1实施例，可能使耗尽层向光电转换部分301延伸。因此，如图6所示，能够减少光电转换部分301的寄生电容C，其保证由信号电荷引起的巨大电位变化，还保证提高输出转换效率。
[第2实施例]
图7表示第2实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第2实施例在结构上和图5所示的第1实施例的差别，仅仅在于由n-型半导体区108构成的第2区代替了n型半导体区114。
也就是，第2实施例的光电转换部分302，由第1区或n+半导体区106和第2区或n-半导体区108构成。
在p型阱层102，p+半导体区103a和第2区108之间的结形成耗尽层。按照第2实施例，可能使耗尽层向光电转换部分302延伸。因此如图7所示，可能减少光电转换部分302的寄生电容C，其保证由信号电荷引起的巨大电位变化，还进一步保证提高输出转换效率。
虽然，使由轻掺杂n半导体区构成的第2区108耗尽，但是第2区108和由重掺杂n半导体区构成的第1区106配合，来限定光电转换分部302。如图7下部所示，首先在较深电位的第1区106，然后在第2区108，积累由光电转换部分产生的信号电荷。
另外，光电转换部分302的寄生电容C1小于光电转换部分302的寄生电容C2，电容C1和复位电位VDD有关，在第1区106积累的信号电荷到第1电位“a”，电容C2和第1电位“a”有关，在第2区108积累信号电荷到第2电位“c”。因此如图8所示，在入射光和输出电压之间获得两段特性，保证高的动态范围。
[第3实施例]
图9表示第3实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第3实施例在结构上和图5所示的第1实施例的差别，仅仅在于由夹在p型阱102和p+半导体区103a之间的第3区或n型半导体区107代替了第2区或n型半导体区114。
如图9所示，第3区或n型半导体区107延伸到控制MOSFET201的栅电极的正下面。在第3区107中形成第1区106。即第1区或n+半导体区106部分地暴露在p型半导体衬底101的表面，但是除了露出在p型半导体衬底101表面的部分外，完全被第3区或n型半导体区107包围。
即，第3实施例的光电转换部分303由第1区或n+半导体区106和第3区或n型半导体区107构成。
在p型阱102，p+半导体区103a和第3区107之间的结形成耗尽层。按照第3实施例，可能使耗尽层向光电转换部分303延伸。因此，能够减少光电转换部分303的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
而且，和以后叙述的按照第5实施例的CMOS传感器相比，能够用较少的步骤制造第3实施例的CMOS传感器。
[第4实施例]
图10表示第4实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第4实施例在结构上和图9所示的第3实施例的差别，仅仅在于用n型半导体区105a代替作为控制CMOSFET21漏极的n+型半导体区105。
按照第4实施例，可能使耗尽层向光电转换部分303延伸，和第3实施例类似。因此，能够减少光电转换部分303的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
而且，和以后叙述的第5实施例的CMOS传感器相比，能够用较少的步骤制造第4实施例的CMOS传感器。
[第5实施例]
图11表示第5实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第5实施例在结构上和图9所示的第3实施例的差别，仅仅在于CMOS传感器还包括形成在p型阱层102上和夹在p+半导体区103a和第3区或n型半导体区107之间的第4区或n型半导体区115。
如图11所示，在p型阱102上形成第4区或n型半导体区115，夹在p+半导体区103a和第3区107之间。也就是，在第3实施例通过制造第3区或n型半导体区107形成的空闲区中，形成的第4区或n型半导体区115，其长度比图9所示的第3区的长度较短。
第5实施例的光电转换部分305包括，第1区或n+型半导体区106，第3区或n型半导体区107，和第4区或n型半导体区115。
在p型阱102，p+半导体区103a和第3和第4区107和115之间的结形成耗尽层。按照第5实施例，由于第3区或n型半导体区107包含比第1区或n+型半导体区106低杂质浓度的n型杂质，形成在p型阱102和p+半导体区103a之间，可能使耗尽层向光电转换部分305延伸。因此，能够减少光电转换部分305的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
[第6实施例]
图12表示第6实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第6实施例在结构上和图11所示的第5实施例的差别，仅仅在于用n-型半导体区116构成的第4区代替n型半导体区115。
第6实施例的光电转换部分306包括，第1区或n+型半导体区106，第3区或n型半导体区107，第4区或n-型半导体区116。
在p型阱102，p+半导体区103a和第3和第4区107和116之间的结形成耗尽层。按照第6实施例，由于第3区或n型半导体区107包含比第1区或n+型半导体区106低杂质浓度的n型杂质，形成在p型阱102和p+半导体区103a之间，可能使耗尽层向光电转换部分306延伸。因此，能够减少光电转换部分306的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
虽然，由轻掺杂n型半导体区构成的第4区116被耗尽，类似第2实施例，第4区116和第1区106以及第3区107配合，来限定光电转换部分306。如图12下部所示，首先在较深电位的第1区106，然后在第3区107，积累由光电转换部分产生的信号电荷。
此外，类似于第2实施例，光电转换部分306的寄生电容C1小于光电转换部分306的寄生电容C2，电容C1和复位电位VDD有关，在第1区106积累的信号电荷积累到第1电位“a”，电容C2和第1电位“a”有关，在第4区116也积累的信号电荷，积累信号电荷到第2电位“c”。因此如图8所示，在入射光和输出电压之间获得两段特性，保证高的动态范围。
在图11和图12分别表示的第5实施例和第6实施例中，第1区或n+型半导体区106完全由第3区或n型半导体区107包围。应该注意，在图11和图12所示的方式，用所述的方法不总是需要形成第1区106。
图13表示第1区或n+型半导体区106的变形。如图13所示，第1区或n+型半导体区106，可能部分地被第3区或n型半导体区107包围，并且在不被第3区107包围的部分邻近第4区115和116。
[第7实施例]
图14表示第7实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第7实施例在结构上和图12所示的第6实施例的差别，仅仅在于CMOS传感器包括多个由构成第4区的子区，代替单个第4区或n-型半导体区116。
也就是，第7实施例中的第4区包括，由n-型半导体区构成的第1子区117和由n-型半导体区构成的第2子区118。形成第1子区117邻近第3区107，形成第2子区118，邻近第1子区117。
利用控制MOSFET201的高电位，使第1子区或n-半导体区117耗尽。
设计第2子区118，包含比第1子区117较低的n型杂质浓度。
第7实施例中的光电转换部分307包括，第1区或n+型半导体区106，第3区或n型半导体区107，第1子区或n-型半导体117，第2子区或n-型半导区118。
在p型阱102，p+半导体区103a和第2子区或n-型半导区118之间的结形成耗尽层。按照第7实施例，可能使耗尽层向光电转换部分307延伸。因此，能够减少光电转换部分307的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
虽然，构成第4区的第1和第2子区117和118耗尽，类似第2和第6实施例，第1和第2子区117和118和第1区106以及第3区107配合，来限定光电转换部分307。如图14下部所示，首先在较深电位的第1区106，然后在第3区107，积累由光电转换部分产生的信号电荷。
此外，类似于第2实施例，光电转换部分307的寄生电容C1小于光电转换部分307的寄生电容C2，电容C1和复位电位VDD有关，在第1区106积累的信号电荷积累到第1电位“a”，电容C2和第1电位“a”有关，在第1子区117积累的信号电荷，积累到第2电位“b”，而且光电转换部分307的寄生电容C2小于寄生电容C3，电容C3和第2电位“b”有关，在第2子区118积累的信号电荷，积累到第3电位“c”。因此如图15所示，在入射光和输出电压之间获得三段特性，保证高的动态范围。
在第7实施例中，设计第4区，包括二个子区117和118。但是，构成第4区的子区数量不限于二个。可以设计第4区包括三个以上的子区，其中，最好是使靠近第3区107的子区包括较高的杂质浓度。
在按照如图5所示的第1实施例的CMOS传感器中，可能形成第7实施例的第1和第2子区117和118。当把第1和第2子区117和118用于按照第1实施例CMOS传感器时，第1和第2子区117和118形成在p+半导体区103a和第2区或n型半导区114之间。
[第8实施例]
图16表示第8实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第8实施例在结构上和图11所示的第5实施例的差别，仅仅在于CMOS传感器包括第5区或n型半导体区113，形成在p型阱上，夹在p+半导体区103a和第3区或n型半导区107之间，第6区或p+半导体区111，形成在第5区或n型半导体区113上，代替第4区或n型半导体区115。
把地电压(GND)加到第6区或p+半导体区111。
第8实施例的光电转换部分308包括，第1区或n+型半导体区106，第3区或n型半导体区107，第5区或n型半导体区113，第6区或p+半导体区111。
在p型阱102，p+半导体区103a和第5和第6区113和111之间的结形成耗尽层。按照第8实施例，可能使耗尽层向光电转换部分308延伸。因此，能够减少光电转换部分308的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
在按照如图5所示的第1实施例的CMOS传感器中，可能形成第8实施例的第5和第6区113和111。当把第5和第6区113和111用于按照第1实施例CMOS传感器时，第5和第6区113和111形成在p+半导体区103a和第2区或n型半导区114之间。
[第9实施例]
图17表示第9实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第9实施例在结构上和图16所示的第8实施例的差别，仅仅在于第5区由n型半导体区110形成，代替n型半导体区113。
第9实施例的光电转换部分309包括，第1区或n+型半导体区106，第3区或n型半导体区107，第5区或n-型半导体区110，第6区或p+半导体区111。
利用控制MOSFET201的高电位，使第5区或n-型半导体区110耗尽。
在p型阱102，p+半导体区103a和第5和第6区110和111之间的结形成耗尽层。按照第9实施例，可能使耗尽层向光电转换部分309延伸。因此，能够减少光电转换部分309的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
虽然，使第5区或n-型半导体区110耗尽，类似第2，第6和第7实施例，第5区或n-型半导体区110和第1区106以及第3区107配合，来限定光电转换部分309。如图17下部所示，首先在较深电位的第1区106，然后在第3区107，积累由光电转换部分产生的信号电荷。
此外，类似于第6实施例，光电转换部分309的寄生电容C1小于光电转换部分309的寄生电容C2，电容C1和复位电位VDD有关，在第1区106积累的信号电荷，积累到第1电位“a”，电容C2和第1电位“a”有关，在第5区110也积累的信号电荷，积累到第2电位“c”。因此如图8所示，在入射光和输出电压之间获得二段特性，保证高的动态范围。
此外，第9实施例，由于重掺杂p型半导体区构成的和接地电压的第6区111，形成在由轻掺杂n型半导体区构成和耗尽的第5区上，通过复合能够消除在硅和氧化膜之间界面产生的电流，保证降低不是由光电转换部分引起噪声。
如图5所示，在按照第1实施例的CMOS传感器中，可能形成在第8实施例中的第5和第6区110和111。当把第5和第6区110和111加到按照第1实施例的CMOS传感器中时，第5和第6区110和111形成在p+半导体区103a和第2区或n型半导区114之间。
[第10实施例]
图18表示第10实施例CMOS传感器的基本单元。和图1相应的部件或元件，用相同的标号表示。
第10实施例在结构上和图17所示的第9实施例的差别，仅仅在于CMOS传感器包括多个构成第6区的子区，代替单个第6区或p+半导体区111。
也就是，第10实施例的第6区包括，由p+半导体区构成的第1子区111a和由p+半导体区构成的第2子区111b。在第5区110上形成第1子区111a，邻近第3区107，在第5区110上形成第2子区111b，邻近第1子区111a。
把地电压(GND)加到第1子区或p+半导体区111a。
设计第2子区111b，包含比第1子区111a具有较高浓度的n型杂质。
第10实施例的光电转换部分310包括，第1区或n+型半导体区106，第3区或n型半导体区107，第5区或n-型半导体区110，和第1子区或p+半导体区111a和第2子区或p+半导体区111b二者一起构成第6区。
利用控制MOSFET201的高电位，使第5区或n-型半导体区110耗尽。
在p型阱102，p+半导体区103a和第5和第6区110和111a和111b之间的结形成耗尽层。按照第10实施例，可能使耗尽层向光电转换部分310延伸。因此，能够减少光电转换部分310的寄生电容C，它保证由信号电荷引起的巨大电位变化V，还保证提高输出转换效率。
虽然，使第5区或n-型半导体区110耗尽，类似第9实施例，第5区或n-型半导体区110和第1区106以及第3区107配合，来限定光电转换部分310。如图18下部所示，首先在较深电位的第1区106，然后在第3区107，积累由光电转换部分产生的信号电荷。
此外，类似于第7实施例，光电转换部分310的寄生电容C1小于光电转换部分310的寄生电容C2，电容C1和复位电位VDD有关，在第1区106积累的信号电荷，积累到第1电位“a”，电容C2和第1电位“a”有关，在第1子区111a也积累的信号电荷，积累信号电荷到第2电位“b”。而且寄生电容C2小于光电转换部分310的寄生电容C3，电容C3和第2电位有关，在第2子区111b积累信号电荷，积累到第3电位“c”。因此如图15所示，在入射光和输出电压之间获得三段特性，保证高的动态范围。
比外，第10实施例，由于重掺杂p型半导体区构成的和接地电压的第6区111a和111b，形成在由轻掺杂n型半导体区构成和耗尽的第5区，通过复合能够消除在硅和氧化膜之间界面产生的电流，保证降低不是由光电转换部分引起噪声。
如图5所示，在按照第1实施例的CMOS传感器中，可能形成在第8实施例中的第5区110和构成第6区的第1与第2子区111a和111b。当把它们用于按照第1实施例的COS传感器中时，它们形成在p+半导体区103a和第2区或n型半导区114之间。
在第10实施例，设计第6区包括二个子区111a和111b。但是，构成第6区的子区数量不限于二个。可以设计第6区包括三个以上的子区，其中，靠近第3区107的子区可以包含更高浓度的杂质。
可以修改上述的第10实施例。
例如，不限制半导体区数量为各实施例所示的数量。
在上述实施例中，设计控制MOSFET的栅极，复位光电转换部分的电位到所希望的电位，但是，应该注意，可以设计控制栅完成其他运作及电位复位运作。
形成第1区或n+半导体区106和n+半导体区105作为公共层。
在每个实施例中，设计各半导体区，具有相反的电导率。例如，可以把p型半导体区变成n型半导体区，也可以把n型半导体区变成p型半导体区。
各实施例可以利用n型半导体衬底代替p型半导体衬底101。
Claims (34)
1.一种固态图象传感器，包括：
半导体层(102)，具有第2电导率；
光电转换部分(301-310)，把光转换成电荷，形成在所述的半导体层(102)上，
控制晶体管(201)，形成在所述的半导体层(102)上，控制所述的光电转换部分(301-310)的运作，
源跟随晶体管(202)，从那里输出由所述的电荷引起的电压，
其特征是，所述的光电转换部分(301-302)包括：
具有第1电导率的第1区(106)，延伸到所述的控制晶体管(201)的栅电极，和所述的源跟随晶体管(202)的栅电极电连接，
第2区(114，108)，具有第1电导率和形成在所述的第1区(106)的附近。
2.按照权利要求1的固态图象传感器，其中所述的光电转换部分(301-302)还包括，具有第1电导率的第4区(115，116)，形成在所述的第2区(114，108)的附近。
3.按照权利要求1的固态图象传感器，其中所述的光电转换部分(301-302)还包括，具有第1电导率的第5区(110，113)，形成在所述的半导体区(102)上，邻近所述的第2区(114，108)的附近，具有第2电导率的第6区(111)，形成在所述的第5区(110，113)上。
4.按照权利要求1到3任一项的固态图象传感器，其中相对于所述的控制晶体管(201)的位于所述的第1区(106)对面的扩散层(105)具有和所述的第1区(106)相同的电导率和杂质浓度。
5.按照权利要求1到3任一项的固态图象传感器，其中所述的第2区(114，108)具有比所述的第1区(106)较小的杂质浓度。
6.按照权利要求2的固态图象传感器，其中所述的第4区(115，116)由多个子区(117，118)构成。
7.按照权利要求2的固态图象传感器，其中由所述的控制晶体管(201)的高电位耗尽所述的第2和第4区(114，108，115，116)，所述的第2区(114，108)的耗尽电压深于所述的第4区(115，116)的耗尽电压。
8.按照权利要求6的固态图象传感器，其中由所述的控制晶体管(201)的高电位引起所述的第2区(114，108)和所述的第4区(115，116)的所述的子区(117，118)耗尽，所述的第2区(114，108)的耗尽电压深于所述的第4区(115，116)的所述的子区(117，118)的耗尽电压，更接近所述的第1区(106)的所述的第4区(115，116)的每个所述的子区(117，118)的耗尽电压较深。
9.按照权利要求6的固态图象传感器，其中，所述第4区(115，116)的所述子区(117，118)，具有相同的杂质浓度。
10.按照权利要求6的固态图象传感器，其中，更接近所述第3区(107)的所述子区(117，118)，具有较高的杂质浓度。
11.按照权利要求2的固态图象传感器，其中，所述的第1区(106)和所述的第4区(115，116)具有相同的杂质浓度。
12.按照权利要求3的固态图象传感器，其中，所述的第6区(111)由多个子区(111a，111b)构成。
13.按照权利要求12的固态图象传感器，其中，所述的第6区(111)的子区(111a，111b)具有几乎相同的杂质浓度。
14.按照权利要求12的固态图象传感器，其中，较接近所述的第1区(106)的所述的第6区(111)的子区(111a，111b)具有较高的杂质浓度。
15.按照权利要求1到3的任一项的固态图象传感器，其中，所述的控制晶体管把所述的光电转换部分的电位复位到所要求的电位。
16.一种固态图象传感器，包括：
半导体层(102)，具有第2电导率；
光电转换部分(303-310)，用于把光转换成电荷，形成在所述的半导体层(102)上，
控制晶体管(201)，形成在所述的半导体层上，控制所述的光电转换部分(303-310)的运作，
源跟随晶体管(202)，从那里输出由所述的电荷引起的电压，
其特征是，所述的光电转换部分(303-310)包括：
具有第1电导率的第3区(107)，和
第1区(106)，具有第1电导率和形成在所述的第3区(107)中，所述第3区与所述源跟随晶体管(202)的栅电极通过所述第1区(106)电连接。
17.按照权利要求16的固态图象传感器，其中所述的光电转换部分(303-310)还包括，具有第1电导率的第4区(115，116)，形成在所述的第3区(107)的附近。
18.按照权利要求16的固态图象传感器，其中所述的光电转换部分(303-310)还包括，和具有第1电导率的第5区(110，113)，形成在所述的半导体区(102)上，邻近所述的第3区(107)的附近，具有第2电导率的第6区(111)，形成在所述的第5区(110，113)上。
19.按照权利要求16到18中任一个的固态图象传感器，其中所述的1区和第3区(106，107)不被所述的控制晶体管(201)的高电压耗尽。
20.按照权利要求17到19中任一个的固态图象传感器，其中所述的第3区(107)具有比所述的第1区(106)较小的杂质浓度。
21.按照权利要求16到18中任一个的固态图象传感器，其中所述的第1区(106)直接电连接到所述的源跟随晶体管(202)的栅电极。
22.按照权利要求16到18中任一个的固态图象传感器，其中相对于所述控制晶体管(201)对面的第扩散层(105a)和所述的第1区(106)具有相同的电导率和杂质浓度。
23.按照权利要求16到18中任一个的固态图象传感器，其中所述的1区(106)全部被所述第3区(107)包围。
24.按照权利要求16到18中任一个的固态图象传感器，其中所述的第1区(106)部分地被所述的第3区(107)包围，在不被所述的第3区(107)包围的部分，邻近所述的第4区(115，116)或所述的第5和第6区(110，113，111)。
25.按照权利要求16的固态图象传感器，其中由多个子区(117，118)构成所述的第4区(115，116)。
26.按照权利要求17的固态图象传感器，其中，所述的第3区和第4区(107；115，116)具有比所述的第1区(106)较小的杂质浓度。
27.按照权利要求17的固态图象传感器，其中，所述的第4区(115，116)具有比所述的第3区(107)较小的杂质浓度。
28.按照权利要求25的固态图象传感器，其中，所述的4区(115，116)的子区(117，118)具有几乎相同的杂质浓度。
29.按照权利要求25的固态图象传感器，其中，较接近所述第3区(107)的所述子区(117，118)具有较高的杂质浓度。
30.按照权利要求17的固态图象传感器，其中，所述的第1区(106)和所述的第4区(115，116)具有几乎相同的杂质浓度。
31.按照权利要求18的固态图象传感器，其中由多个子区(111a，111b)构成所述的第6区(111)。
32.按照权利要求31的固态图象传感器，其中，所述的第6区(111)的所述的子区(111a，111b)具有几乎相同的杂质浓度。
33.按照权利要求31的固态图象传感器，其中，较接近所述第3区(107)的所述子区(111a，111b)具有较高的杂质浓度。
34.按照权利要求16到18中任一个的固态图象传感器，其中，所述控制晶体管把所述的光电转换部分的电位复位成所希望的电位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NEC ELECTRONICS TAIWAN LTD. Free format text: FORMER OWNER: NIPPON ELECTRIC CO., LTD. Effective date: 20030328 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20030328 Address after: Kawasaki, Kanagawa, Japan Applicant after: NEC Corp. Address before: Tokyo, Japan Applicant before: NEC Corp. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: RENESAS KANSAI CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: NEC CORP. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Kawasaki, Kanagawa, Japan Patentee after: Renesas Electronics Corporation Address before: Kawasaki, Kanagawa, Japan Patentee before: NEC Corp. |
|
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20040324 Termination date: 20140330 |