CN1527397A - 电荷检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电荷检测装置，能低电压且高效率地将蓄积电荷转换为电压，另外输出电压的动态范围大，转换效率的线性良好。其具备由在P阱(101)内的低浓度N型(N－)层(108)及在N－层和主表面之间形成的高浓度N型(N+)层构成的电荷蓄积部，N+层与输出电路的放大用晶体管(405)的输入端子连接，在蓄积电荷的排出中对N+层加反向偏置电压后，至少到蓄积饱和电荷之前，N－层全部耗尽。

Description

电荷检测装置
技术领域
本发明涉及一种适用于CCD传感器和CMOS传感器等固体摄像装置的电荷检测装置。
背景技术
在以固体摄像装置为代表的装置中，有由光电二极管和CCD移位寄存器构成的CCD传感器、及由光电二极管和MOS晶体管构成的APS(有源像素传感器：Active Pixel Sensor)等CMOS传感器。
APS的每个像素都包含光电二极管、MOS开关、用于放大从光电二极管来的信号的放大电路等，有能“XY寻址”及“传感器和信号处理电路单芯片化”等多个优点。但是，另一方面，由于APS的一个像素内的元件数量多，因此像素开口率小，难以将决定光学系统大小的芯片尺寸缩小，CCD传感器占据了大部分市场。
近年来，由于MOS晶体管的微细化技术的提高和“传感器和信号处理电路单芯片化”及“低功耗化”等要求的提高，APS又受到关注。
图4A表示的是现有的APS中的光电转换部的半导体剖面结构以及输出电路的构成(例如，参照日本特开平9-232555号公报)。以下就该现有例的构成简单地加以说明。在图4A中，光电转换部(光电二极管)是所谓在P型半导体衬底401的表面上形成N(N+)层402的PN结(PN接合)型，由同时用作电荷蓄积部的扩散漂移区域构成。403是复位用MOS晶体管，对应于加在复位电极404上的复位控制信号，将扩散漂移区域复位至预定的电压(电源电压VCC)；405是放大用MOS晶体管(源极跟随电路)，放大扩散漂移区域的电压；406是行选择用MOS晶体管；407是输出端子。另外，在图4A中，虚线表示耗尽层的端部。
接下来，就这样构成的光电二极管的动作概略地加以说明。预先将扩散漂移区域复位至预定的电压(电源电压VCC)。光入射后，通过光电转换生成的电子蓄积在光电二极管的n层402中。蓄积电荷Q通过扩散漂移电容Cfd转换成电压，扩散漂移区域的电压从复位电压只下降了Q/Cfd大小的电压。在复位MOS晶体管403截止、行选择用MOS晶体管406导通时，该电压的变化通过放大用MOS晶体管405、行选择用MOS晶体管406从输出端子407输出。
但是，在现有例的构成中，电荷电压转换部、即漂移扩散区域的电容Cfd，通过对应于MOS晶体管的微细化来增高P型半导体衬底(P阱)401的杂质浓度而变大。因此，有转换效率(Q/Cfd)变低、输出电压降低这样的问题。
图4B是表示漂移扩散区域的电容Cfd的电压依存性的曲线。横轴是所加电压V，纵轴是电容Cfd。在图4B中，复位时，所加电压V是接近电源电压VCC的电压，信号不从输出端子407输出。
由图4B所知，如果加大所加电压V，则可以降低电容Cfd，提高转换效率(Q/Cfd)，但是加大所加电压V，也就是伴随电源电压VCC的上升。这样，与微细化MOS晶体管所需要的低电压化相反，不能满足晶体管的特性。
另外，为了将随所加电压V的变化而导致的转换效率的变化抑制在预定的范围内，规定电容Cfd的可能使用范围ΔCfd，则输出电压的动态范围变窄，相反，如果要确保预定的动态范围，则有这样的问题：电容Cfd相对于所加电压V的变化而产生的变化量变大，输出电压相对于信号电荷量的变动变大，即，转换效率的线性变坏。
发明内容
本发明是鉴于以上问题点提出的，其目的是提供一种电荷检测装置，能低电压且高效率地将蓄积电荷转换为电压，另外输出电压的动态范围宽，转换效率的线性良好。
为了达成上述目的，本发明涉及的电荷检测装置，其特征在于，具备电荷蓄积部，该电荷蓄积部包括在包含一主表面的半导体衬底上形成的第1导电型(P型)的第1区域(P阱)、在第1区域内形成的第2导电型(N型)的第2区域(N-层)、及在第2区域和主表面之间形成的第2导电型(N型)的第3区域(N+层)；电荷蓄积部的第3区域与输出电路的输入端子连接，对第3区域施加了将蓄积在电荷蓄积部中的蓄积电荷排出的复位电压之后，第2区域全部耗尽。
另外，本发明涉及的电荷检测装置，其特征在于，具备电荷蓄积部，该电荷蓄积部包括在包含一主表面的半导体衬底上形成的第1导电型(P型)的第1区域(P阱)、在第1区域内形成的第2导电型(N型)的第2区域(N-层)、及在第2区域和主表面之间形成的第2导电型(N型)的第3区域(N+层)；电荷蓄积部的第3区域与输出电路的输入端子连接，对第3区域刚施加了将蓄积在电荷蓄积部中的蓄积电荷排出的复位电压之后，第2区域全部耗尽。
根据上述结构，即使电源电压低电压化，也能以高的转换效率将电荷转换成电压，即，可以在大的动态范围内维持高的转换效率。
另外，优选从刚施加了复位电压之后至少到蓄积饱和电荷为止，第2区域全部耗尽。这样一来，可以抑制电荷蓄积部的扩散漂移电容的改变而得到良好的线性特性，而且能够确保大的动态范围。
另外，在本发明涉及的电荷检测装置中，优选第2区域的杂质浓度低于第3区域的杂质浓度。
另外，在本发明涉及的电荷检测装置中，优选第2区域由同一导电型的多个区域形成，表面侧的区域的杂质浓度低于比该表面侧的区域深的区域的杂质浓度。
另外，在本发明涉及的电荷检测装置中，优选主表面的第3区域的面积，等于或大于第2区域与第3区域相接的部分的面积。
另外，优选第2区域的杂质浓度不大于2.0×1016cm-3。
根据本发明，可以提供一种电荷检测装置，能低电压且高效率地将固体摄像装置的光电二极管中蓄积的电荷转换成电压，而且对转换效率的蓄积电荷量的依存性小，所以，输出电压的动态范围大，转换效率的线性好。
附图说明
图1A是表示本发明实施例1涉及的电荷检测装置的光电转换部的半导体剖面结构和输出电路的构成的图。
图1B是表示图1A的构成的扩散漂移区域的电容Cfd的电压依存性的曲线图。
图2是本发明实施例2涉及的固体摄像元件CCD传感器中，应用了实施例1的电荷检测装置的情况的半导体剖面结构和输出电路的构成。
图3是本发明实施例3涉及的电荷检测装置的光电转换部的半导体剖面结构和输出电路的构成的图。
图4A是现有电荷检测装置的光电转换部的半导体剖面结构和输出电路的构成的图。
图4B是表示图4A的构成的扩散漂移区域的电容Cfd的电压依存性的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的优选实施例。
(实施例1)
图1A是表示本发明实施例1涉及的电荷检测装置的光电转换部的半导体剖面结构和输出电路的构成的图。另外，在图1A中，对于具有与在现有例的说明中参照的图4A相同的构成和功能的部分，附带同一符号并省略其说明。另外，图中的虚线表示耗尽层端部。
光电转换部的构成如下：在P型半导体衬底(或P阱)101上形成光电二极管的N层108，在其上以表面的杂质浓度变高的方式形成光电二极管的N层102。另外，该光电转换部兼有电荷蓄积部和扩散漂移区域的功能，连接在输出电路的放大用MOS晶体管405的栅极上，向放大用MOS晶体管405的漏极提供电源电压VCC，其源极连接在行选择用MOS晶体管406的漏极上，虽然没有图示出，但行选择用MOS晶体管406的源极连接在放大用MOS晶体管405的负载的电流源上，而构成源极跟随放大电路。
简单地说明本实施例1的制作方法。在P型半导体衬底(或P阱)101上，使用离子注入的方法，以10keV的能量、4.0×1014cm-2的浓度注入砷而形成表面的高浓度N层(N+)102，以1000keV的能量、1.0×1012cm-2的浓度注入砷而形成表面侧的低浓度N层(N-层)108。
此时，在如图1A所示的N层102与108相接的部分，通过使102区域与108区域相同或大于108区域，可以确保衬底表面附近的N层的杂质浓度为高浓度，所以可以抑制P型半导体衬底101与光电二极管的N层(102、108)的衬底表面附近处的耗尽层区域的扩展，可以抑制界面电平高的衬底表面附近处产生的暗电流。
然后，进行所期望的热处理，再通过热氧化法在衬底表面全体形成5nm栅极氧化膜后，形成各MOS晶体管的控制电极。接着，形成源极和漏极，生长层间膜，形成接触孔，然后进行布线。
另外，在用作扩散漂移区域的光电转换部上，连接着用于对扩散漂移区域的蓄积电荷进行复位的复位用MOS晶体管403的源极，向其漏极提供电源电压VCC。
接着，说明如上构成的电荷检测装置的读出动作，来明确本实施例的优点。
通过预先使复位用MOS晶体管403导通，使扩散漂移区域复位至接近电源电压VCC的电压(复位电压)。光入射后，通过光电转换生成的电子蓄积在光电二极管的N-层108中。蓄积电荷Q由扩散漂移电容Cfd转换成电压，扩散漂移区域的电压仅从复位电压下降Q/Cfd大小的电压。如果光电二极管的蓄积层是P型，则由于传输电荷是空穴，电压反而上升。
扩散漂移区域由PN结(PN接合)形成，一旦加复位电压就变成反向偏置电压状态，扩散漂移电容Cfd由此时的耗尽层的宽度决定。为了减小扩散漂移电容Cfd、提高电荷电压转换效率，需要扩大耗尽层的宽度。
本实施例的特征在于，扩散漂移区域到蓄积饱和电荷为止，几乎全部的区域都耗尽。由此本发明人可以看出以下陈述的两个优点。
在此，参照图1B，说明采用本实施例的两个优点。图1B的例子是表示由表面的高浓度N层(N+层)102及其下部的低浓度N层(N-层)108形成的扩散漂移区域的电容Cfd的电压依存性的曲线图。另外，图中的长短交替的虚线表示现有例的电容Cfd的电压依存性。
从图1B可以知道，首先，第1个优点是，与现有例比较所加电压V为0附近的电容Cfd可以降低这点。另外，如果增大所加电压V，则存在电容Cfd急剧降低的变化点，这时，表面的高浓度N层(N+层)102的局部与低浓度N层(N-层)108基本(不低于90％)耗尽，如果进一步增大所加电压，则N层102、108进一步耗尽，从而电容Cfd一点一点降低，至少在刚复位之后，低浓度的N层(N-层)108全部耗尽。这是第2个优点，电容Cfd相对所加电压V的变化的变化量比现有例小。这表示输出电压相对信号电荷量的变动少，也就是说转换效率的线性好，到该区域为止电荷的蓄积(饱和电荷量)是可能的，另外，电容Cfd的能使用的范围ΔCfd与现有例相同的情况，输出电压的动态范围大。
对于在MOS传感器中通常使用的电源电压3.3V，如果将低浓度N层(N-层)108的杂质浓度设定在2.0×1016cm-3以下，则如上所述，到饱和电荷量蓄积为止，几乎所有的区域都能耗尽。
(实施例2)
图2是作为本发明实施例2涉及的固体摄像元件CCD的传感器中，应用了实施例1的电荷检测装置的情况的半导体剖面结构和输出电路的构成的图。另外，在图2中，对于具有与在实施例1的说明中参照的图1A相同的构成和功能的部分，附带同一符号并省略其说明。另外，图中的虚线表示耗尽层端部。
在图2中，光电二极管使用埋入型，CCD传感器中常使用的光电二极管的N层209的表面由高浓度P型210形成。实施例1涉及的低电压、高灵敏度的电荷电压转换部，通过插入中间的读出栅极211，被连接到输出电路。在该例中，信号电荷蓄积在埋入光电二极管中，通过在读出栅极211导通之前使复位用MOS晶体管403导通，将扩散漂移区域复位成接近电源电压VCC的电压(复位电压)。然后，通过使读出栅极211导通，将电荷传输至作为电荷电压转换部的扩散漂移区域。这以后与实施例1的说明一样。
(实施例3)
图3是本发明实施例3涉及的电荷检测装置的光电转换部的半导体剖面结构和输出电路的构成的图。另外，在图3中，对于具有与在实施例1的说明中参照的图1A相同的构成和功能的部分，附带同一符号并省略其说明。另外，图中的虚线表示耗尽层端部。
本实施例是对实施例1的构成进一步改善的例子，本发明中最重要的是优选低浓度的N层区域。低浓度的N层区域由2个区域构成。以表面侧低浓度的N层区域(N-)308a的杂质浓度低于深部的低浓度的N层区域(N)308b的方式形成。这样形成的理由是，表面侧N层区域是最后耗尽的区域，而且是结构上难以耗尽的区域，通过将表面侧的低浓度N层区域308a的杂质浓度设定成比深部的低浓度的N层区域308b的杂质浓度低一位数左右，则容易耗尽。这样一来，可以进一步提高本实施例的优点。
另外，应该明白在上述各实施例中虽然以蓄积电子的情况为例进行说明，但本发明并不限定是蓄积空穴的情况、或蓄积电荷及传输MOS晶体管的类型。例如，如果将本发明应用于CCD固体摄像装置的漂移扩散放大器，则可以得到与上述一样的效果。
另外，在本实施例中，虽然低浓度的N层区域由2个区域构成，但由多个区域构成，并将表面侧低浓度N层区域(N-)的杂质浓度形成为低于深部的低浓度的N层区域，也可以得到同等的效果。
以下，使用图3说明本发明涉及的电荷检测装置的制造方法。本实施例的电荷检测装置及固体摄影装置按照以下顺序形成。
对P型衬底(或P阱)301，使用离子注入的方法，以10keV的能量、4.0×1014cm-2的浓度注入砷而形成表面的高浓度N层(N+)102，以600keV的能量、3.0×1011cm-2的浓度注入砷而形成表面侧的低浓度N层(N-)308a，以1200keV的能量、1.0×1012cm-2的浓度注入砷而形成深部的低浓度N层(N)308b，进行热处理，再通过热氧化法在衬底整个表面形成5nm的栅极氧化膜后，形成各MOS晶体管的控制电极。接着，形成源极和漏极，生长层间膜，形成接触孔，然后进行布线。
本发明涉及的电荷检测装置，可以低电压且高效率地将蓄积电荷转换成电压，而且具有输出电压的动态范围大、转换效率的线性好这样的优点，能用于以CCD型固体摄像装置及MOS型传感器为首的放大型固体摄像装置等。

Claims (10)

1.一种电荷检测装置，具备电荷蓄积部，该电荷蓄积部包括在包含一主表面的半导体衬底上形成的第1导电型的第1区域、在上述第1区域内形成的第2导电型的第2区域、及在上述第2区域和主表面之间形成的第2导电型的第3区域；
上述第3区域与输出电路的输入端子连接，对上述第3区域施加了将蓄积在上述电荷蓄积部中的蓄积电荷排出的复位电压之后，上述第2区域全部耗尽。
2.如权利要求1所记载的电荷检测装置，其中，上述第2区域的杂质浓度低于第3区域的杂质浓度。
3.如权利要求1所记载的电荷检测装置，其中，上述第2区域由同一导电型的多个区域形成，表面侧的区域的杂质浓度低于比该表面侧的区域深的区域的杂质浓度。
4.如权利要求1所记载的电荷检测装置，其中，上述主表面的上述第3区域的面积，等于或大于上述第2区域与上述第3区域相接的部分的面积。
5.如权利要求1所记载的电荷检测装置，其中，上述第2区域的杂质浓度不大于2.0×1016cm-3。
6.一种电荷检测装置，具备电荷蓄积部，该电荷蓄积部包括在包含一主表面的半导体衬底上形成的第1导电型的第1区域、在上述第1区域内形成的第2导电型的第2区域、及在上述第2区域和主表面之间形成的第2导电型的第3区域；
上述第3区域与输出电路的输入端子连接，对上述第3区域刚施加了将蓄积在上述电荷蓄积部中的蓄积电荷排出的复位电压之后，上述第2区域全部耗尽。
7.如权利要求6所记载的电荷检测装置，其中，从刚施加了上述复位电压之后至少到蓄积饱和电荷为止，上述第2区域全部耗尽。
8.如权利要求6所记载的电荷检测装置，其中，上述第2区域的杂质浓度低于第3区域的杂质浓度。
9.如权利要求6所记载的电荷检测装置，其中，上述主表面的上述第3区域的面积，等于或大于上述第2区域与上述第3区域相接的部分的面积。
10.如权利要求6所记载的电荷检测装置，其中，上述第2区域的杂质浓度不大于2.0×1016cm-3。
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