TW201125110A - Solid-state imaging device and method of controlling the same - Google Patents

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201125110 六、發明說明： 本發明主張日本申請案 JP2009-2854 1 9 (申請日： 2009/12/16)之優先權，內容亦參照其全部內容。 【發明所屬之技術領域】 實施形態係關於固態攝像裝置及其控制方法。 【先前技術】 於CMOS等之固態攝像裝置，係藉由通過濾光片之光 於半導體基板上產生電子-電洞對，僅使電子儲存於作爲 電荷儲存部之機能的η型擴散層，此被揭示於特開 2007-258684 號公報。 最近，基於多畫素化或光學尺寸之縮小要求，上述η 型擴散層之尺寸亦被要求縮小。如此則，η型擴散層所能 儲存之電子數（以下稱爲飽和電子數）將減少，導致攝影 之圖像品質降低。 【發明內容及實施方式】 以下參照圖面說明第1實施形態。又，於說明時，全 圖之共通部分附加共通之參照符號。 依據實施形態之一態樣之固態攝像裝置，係包含：第 1擴散層、電位層、第2擴散層、第3擴散層及讀出電極 。上述第1擴散層係形成於第1導電型或第2導電型之半 導體基板表面內，由該半導體基板表面起在第1深度之位 -5- 201125110 置以濃度成爲最大値的方式被摻雜。上述第1擴散層係上 述第2導電型。上述電位層，係於上述半導體基板表面上 ，以上述第1擴散層被配置於正下方的方式來形成，被設 爲特定電位。上述第2擴散層之至少一部分係相接於上述 第1擴散層。上述第2擴散層爲上述第1導電型。上述第 3擴散層’係在上述半導體基板表面內，以和上述第1擴 散層呈隔離的方式被形成。上述讀出電極，係於上述第1 擴散層與上述第3擴散層之間，被形成於上述半導體基板 上。在使藉由上述半導體基板之背面側朝表面側照射之光 而產生於上述半導體基板內之電子，被儲存於作爲電荷儲 存部機能之上述第1擴散層時，係形成有上述第1導電型 之電荷儲存層，該電荷儲存層係自上述半導體基板表面與 上述第〗擴散層表面之界面起具有較上述第1深度爲淺的 第2深度。 (第1實施形態） 便用圖1說明第1實施形態之固態攝像裝置及其控制 力法。圖1表示第1實施形態之固態攝像裝置之一構成例 ° &下實施形態中，無特別說明時係構成爲背面照射型固 態攝像裝置。 如圖1所示，固態攝像裝置1，係具備：電源部2， 感測器核心部3，控制部5，及透鏡6。另外，感測器核 心部3係具備畫素部4。以下說明各部之詳細。 電源部2係產生複數個特定之電壓，將該產生之電壓 -6- 201125110 施加於包含畫素部4之感測器核心部3。電源部2係產生 負電壓’可將該產生之負電壓供給至畫素部4。 感測器核心部3係具備以矩陣狀配置之複數畫素（以 下稱像素）。於畫素部4，係依據由控制部5供給之信號 RESET及信號信號READ，對複數個配置之像素進行重置 動作及對選擇之像素進行信號之讀出動作。 以下說明控制部5。控制部5係依據由主時脈MCK 供給之時脈信號，來產生固態攝像裝置1之內部時脈。主 時脈MCK係以設於固態攝像裝置1之外部的例如計時器 (以下稱外部計時器）爲基準而獲得之時脈信號。另外， 控制部5係由外部受取控制資料（圖中之DATA )而使固 態攝像裝置1之全體系統動作。控制資料例如爲指令或使 固態攝像裝置1全體動作的動作時序等。具體言之爲，讀 出畫素部4所接收之光信號時，係由電源部2對該畫素部 4供給負電壓的動作時序。控制部5，係將由外部受取之 指令之中例如RESET信號及READ信號分別供給至畫素 部4。另外’控制部5係對感測器核心部3所讀出之信號 進行信號處理，而輸出至外部。 透鏡6係由外部接收光，使該接收之光透過分解濾光 片之後，供給至畫素部4。又，濾光片係對應於RGB進 行光之分解。 又’固態攝像裝置，係於感測器核心部3除了畫素部 4 以外，亦可另具備：CDS (Correlated double sampling )、AD轉換電路（以下稱ADC部）、閂鎖器電路 '及水 201125110 平移位暫存器。此情況下，CDS用於消除包含於由畫素部 4讀出之信號的雜訊。AD轉換電路係對經由CDS消除雜 訊後之信號，進行 A/D ( Analog-to-Digital)轉換。如此 則’可獲得例如1 0位元之數位信號。另外，閂鎖器電路 係用於閂鎖A D C部獲得之數位信號。水平移位暫存器則 提供指示而將閂鎖器電路閂鎖之數位信號予以讀出。 以下使用圖2說明上述感測器核心部3中之畫素部4 之詳細。圖2表示感測器核心部3之方塊圖。 (關於畫素部4 ) 如圖2所示，於畫素部4配置有分別連接於垂直信號 線 VLIN1〜VLIN(n+l)之各個，而且於垂直方向設有 (m+Ι)個的像素i〇(n、m均爲自然數）。亦即，畫素 部〗係具備以矩陣狀配置之複數個像素1〇。另外，以下 著眼於垂直信號線 VLIN1，針對配置於和垂直信號線 VLIN1呈正交之水平方向之第1行上的像素10加以說明 〇 如圖所示，像素1 0具備：MOS電晶體Tb、Tc、Td 及光二極體PD。於光二極體PD之陰極被形成電極（未 圖示），由電源部2對該電極供給負電壓。如後述說明， 對該電極供給負電壓之結果，在該電極與光二極體PD之 間形成容量。亦即，例如在配置於和垂直信號線VLIN ( η + 1)呈正交之水平方向之第（m+1)行上的像素10形 成容量。又，各個容量爲大略同一之特性。 -8 - 201125110 於MOS電晶體Tc之閘極係由控制部5被供給信號 R E S E T 1 ’於汲極端被供給電壓v 〇 D (例如2.8 V )，源極 端則連接於連接節點N 1。亦即，MOS電晶體Tc係作爲 重置電晶體之機能’用於產生成爲由光二極體PD讀出之 信號之基準電壓的重置電壓。 於MOS電晶體Td之閘極係由控制部5被供給信號 READ 1 ’汲極端被連接於連接節點n 1，源極端則連接於 光二極體PD之陰極。亦即，MOS電晶體Td係作爲信號 電荷讀出用電晶體之機能。另外，光二極體PD之陽極被 接地。 Μ O S電晶體T b之閘極係連接於連接節點N1，於汲 極端被供給電壓VDD，源極端則連接於垂直信號線 VLIN1。亦即，MOS電晶體Tb之閘極、MOS電晶體Tc 之源極端、與MOS電晶體Td之汲極端係共通連接於連接 節點N 1。連接節點N 1爲用於檢測電位之節點。另外， MOS電晶體Tb係作爲信號放大用之放大電晶體之機能。 亦有將MOS電晶體Tb標記爲MOS電晶體Amp之情況。 分別用於傳送信號R E S E T 1、信號R E A D 1的信號線， 係共通連接於在和垂直信號線V L IN呈正交之水平方向之 第1行上所配置之像素1 〇。亦即，信號線，係在和垂直 信號線VLIN呈正交之水平方向之第1行，針對連接於個 別之垂直信號線VLIN 1〜垂直信號線VLIN ( η + 1 )的像 素1 〇，分別被共通連接。另外，關於和垂直信號線VLIN 呈正交之水平方向之第2〜第（m+1)行亦同樣。 -9 - 201125110 另外’配置於同一列之上述像素1 0，係介由M〇s電 晶體Tb之源極’而共通連接於垂直信號線v LIN 1 \垂 直信號線VLIN ( n + 1 )之其中任一。以下不區別垂直信 號線VLIN1〜垂直信號線VLIN ( n + 1 )時係僅單純稱爲 垂直信號線VLIN。 又’針對同一行之像素1〇 ’係被共通供給信號 RESET1〜信號 RESET (m+1)、信號 rEAD1〜信號 READ ( m + 1 )之其中任一信號。以下不區別信號 RESET1〜信號RESET (m+1)、信號rEAD1〜信號 READ ( m + 1 )時係僅單純稱爲信號RESET、信號READ 〇 又，感測器核心部3具備CDS電路、ADC部、閃鎖 器電路及水平移位暫存器時，圖2中之各垂直信號線 VLIN係連接於CDS電路、ADC部、閂鎖器電路及水平移 位暫存器。 (像素1 0之構成例） 以下使用圖3、4說明本實施形態之固態攝像裝置具 有之像素1 0之構成例。圖4所示之斷面構成，係沿圖3 之A-A方向之斷面圖。其中，以相對於矽基板20，以形 成有絕緣膜25之側爲第1方向，反之，亦即以矽基板20 之底面爲第2方向。如上述說明，本實施形態係說明背面 照射型固態攝像裝置。亦即，以下說明例之背面照射型固 態攝像裝置，係在形成有上述MOS電晶體Tb的半導體基 -10- 201125110 板之表面（表面側）之相反側的基板表面（背面側），被 形成受光面。亦即，形成有半導體元件之側的相反側係成 爲露出於射入光之側，成爲背面。以下爲基板表面之平面 構成例。 如圖4所示，於活化區域AA內，在矽基板20之表 面上被配置像素1 〇。矽基板20例如爲摻雜有硼（B )等 雜質之P型半導體基板。另外，該矽基板2〇亦可爲磊晶 成長之磊晶層（以下亦有稱爲半導體區域2 〇之情況）。 又’用於區隔元件分離區域的元件分離帶（於圖3以 STI表示）係以包圍活化區域AA (於圖3以AA表示）的 方式被設置。又’矽基板20亦可爲摻雜有磷（p)等之η 型。 於矽基板2 0上被形成電位層，例如電極2 6、電極2 7 係以寬度w 1之間隔被形成。 於電極26之正下方被形成用於構成像素的η型擴 散層24。又，電極27係作爲M〇s電晶體Td之讀出閘極 之機能，用於將儲存於n型擴散層24之電子讀出至浮置 擴散層23。以下亦有稱呼電極27爲讀出電極。其中，電 極26 ’例如爲多晶矽或多晶矽之—部分與金屬結合而成 之CoSi、TiSi、NiSi等金屬矽化物，或者cu (銅）、A1 (鋁）、W (鎢）等之金屬材料。又，如圖所示，本實施 形態之單位畫素之垂直信號線VLIN方向之畫素間距p， 係以均成爲共通的方式被配置。 又，分別構成上述重置電晶體Tc及放大電晶體Tb的 -11 - 201125110 間極電極（於圖3以Tb(Amp) 、Tc(Reset)表示）， 係被形成於活化區域AA之表面上。亦即，於活化區域 AA內，係被形成作爲電晶體Tc、Tb之源極及汲極機能 的雜質擴散層（未圖示）。 以下使用圖4說明上述像素10之斷面構成例。 如圖4所示，例如在摻雜有硼（B )等而形成之p型 矽等所構成之半導體基板20表面（第1方向側）內，形 成作爲電荷儲存部機能的η型擴散層24，用於儲存產生 於該半導體基板內之電子。該η型擴散層24之底面，係 位於自半導體基板20之表面起朝第2方向僅深及W2( > w 1 )之位置。 相接於η型擴散層24，而於半導體基板20內形成p 型擴散層21。該Ρ型擴散層21之至少一部分係被接地。 亦即，擴散層21被設爲0電位。該擴散層2 1係作爲形成 如後述說明之電洞儲存層的供給源之機能。又，擴散層 2 1係作爲元件分離區域之機能。 另外，於半導體基板20之表面內形成作爲浮置擴散 層之機能的η型擴散層23。於半導體基板20內相接於擴 散層23之底面而形成ρ型擴散層22。 於半導體基板20上形成絕緣膜25，於該絕緣膜25 以擴散層24被形成於正下方的方式將電極26予以形成。 於電極26被施加由電源部2供給之例如約-1 V之負電壓 。另外，於絕緣膜25上、和電極26隔開寬度wl之間隔 而使電極27呈鄰接被形成。於電極27被施加由控制部5 -12- 201125110 供給之正電壓之信號read。 (讀出動作） 以下使用圖5、6說明固態攝像裝置1針對光二極體 PD所接收之光，由像素10予以讀出之方法。圖5、6係 表示，於上述圖4之中，藉由MOS電晶體Td，將依據通 過透鏡6(未圖示）而於濾光片被分光之光，而產生於半 導體基板20內之電子一電洞對之中之電子，讀出至外部 時之動作。又，藉由控制部5來控制供給至電極26、27 之電壓之時序。 (步驟S1 ) 首先，至少於光接收時，係由電源部2對電極2 6施 加例如約-1 V之負電壓。如此則，由設爲〇電位之擴散層 2 1所激發之電洞，會移動至擴散層2 4與絕緣膜2 5之界 面、亦即移動至半導體基板上面與絕緣膜25之界面（圖 5、6 之 S 1 )。 如此則，在擴散層2 4與絕緣膜2 5之界面所激發出之 電洞’和擴散層2 4之間將產生空乏層。以下稱呼半導體 基板20之界面激發之電洞之層爲電洞儲存層或電荷儲存 層（儲存有電洞之層）。其中，上述電洞儲存層之於第2 方向之深度（厚度）爲極薄，而且僅形成於半導體基板 20之界面。具體Η之爲，電洞儲存層之寬度設爲例如約 0.0 1〔 /i m〕〜0.05〔#m〕。結果，只要負電壓爲某一定 -13- 201125110 之値，則該空乏層之儲存容量之値將被設爲 有之寬度對應之値。亦即，空乏層可儲存之 和該空乏層之儲存容量之値成比例，該儲存 則和其成比例而使該電子之數變多。另外， 濃度係對應於施加於電極2 6之電壓大小而變 供給至電極2 6之負電壓之値（絕對値）越大 層之濃度變爲越高。 (步驟S2 ) 之後，由基板20背面沿第1方向、亦即 板20背面側接收光，而使半導體基板20內產 電洞對之中之電子移動至擴散層24 (圖5、6 此乃基於半導體基板20內產生之電場或熱擴 該產生之電子係被儲存於形成有空乏層的擴散 (步驟S 3 ) 於步驟S2之後，藉由電源部2對電極26 之同時，對電極27施加脈衝狀正電壓（信號 如此則，於電極2 7之正下方，在半導體基板 成通道。結果，儲存於擴散層24之電子會經 極27正下方之通道，介由擴散層23被讀出至 、6中之S 3 )。如此則，於像素10接收之光 讀出至外部。另外，將電子儲存於擴散層24 24與絕緣膜25之界面會激發電洞儲存層，| 該空乏層具 子之數，係 量之値越大 洞儲存層之 化。亦即， 則電洞儲存 由半導體基 生之電子_ 中之S2 )。 散引起者。 層24。 施加負電壓 READ )。 2 0之表面形 由形成於電 ^外部（圖5 變爲電荷被 時在擴散層 電洞儲存層 -14 - 201125110 於上述步驟si〜S3之期間繼續被形成。換言之，該電洞 儲存層之形成乃在對電極26施加負電壓之上述步驟S1〜 S 3之期間。 (關於半導體基板20之表面中之濃度分布） 之後，使用圖7說明於上述圖5對電極26施加負電 壓時半導體基板20之表面中之濃度分布。具體言之爲， 說明擴散層24以及擴散層24與絕緣膜2 5之界面中之電 洞、電等之載子濃度之分布。圖7表示沿圖5之B-B’方 向之斷面圖中之電洞與電子之濃度分布。縱軸取濃度，橫 軸取B-B’斷面之位置。又，位置B設爲半導體基板20之 表面。 如圖7所示，藉由對電極26施加負電壓，而於半導 體基板20之表面內，在擴散層24與絕緣膜25之界面一 面產生電洞儲存層。換言之，在位置B-B 1間電洞濃度呈 6函數分布。又，如上述說明，位置B至B 1爲止被形成 之電洞儲存層之寬度約爲〇.〇1〔 μιη〕〜0.05〔 /zm〕。 位置B2表示擴散層24內之電子濃度之峰値。空乏層之寬 度係由電洞濃度之峰値之表示位置與電子濃度之峰値之表 示位置間之距離來決定。亦即，如圖7所示，位置B 1〜 B2範圍內之間隔被設爲空乏層之寬度。由該空乏層之寬 度來決定儲存容量。亦即，該空乏層之寬度之値變爲越小 ，擴散層24可儲存之電子濃度變爲越高。 -15- 201125110 (本實施形態之效果） 依據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法，可提 升再生畫面之品質。 以下針對本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法之 效果，習知固態攝像裝置進行比較予以說明。 例如習知固態攝像裝置，假設於如圖4所示擴散層 24上，於半導體基板20內未形成p型擴散層以及電極26 之構成。其中所謂擴散層係指，藉由摻雜雜質而於半導體 具有極性之區域。假設未形成該擴散層，於半導體基板 20之表面內僅形成η型擴散層24之構成。此情況下，光 接收而產生於半導體基板20內之電子被儲存於擴散層24 時，由於半導體基板20與絕緣膜25之界面及其附近產生 之空乏層，該空乏層導致暗電流之產生。暗電流係指在光 二極體PD爲進行光接收期間（以下稱爲暗時），於半導 體基板20內亦產生電子及電洞，而引起之流通電流。電 子之流動導致暗時亦有電流之流動，而成爲雜訊之原因。 該暗電流之產生原因之具體理由之一，可推測爲半導體基 板20/絕緣膜25 (例如氧化膜）界面之非連續性構造之 差異。亦即，挾持界面之一方區域之構造爲穩定之矽，另 一方區域爲非晶質狀之矽與氧之結合。亦即，於該界面無 法維持規則之結合狀態，半導體基板20區域中之矽原子 之結合鍵不存在結合之對象而成爲不穩定狀態，亦即，懸 空鍵於矽（Si )之能帶（band gap )中央形成能階（ energy level )。因此，於矽結晶中產生未找到對象之結 • 16 - 201125110 合鍵（懸空鍵）而成爲再結合中心。該產生之再結合中心 會促進存在於價電帶（Valence band)之電子之例如熱激 發。因此由該價電帶被激發之電子會介由該產生之再結合 中心而移至導電帶（Conduction band )。亦即，於價電帶 出現電子被放出之電洞，於導電帶則存在有電子。因此， 在該產生之再結合中心之助力下產生於界面之電子會被儲 存於擴散層24。如此而導致光接收之結果，於半導體基 板2 0內產生除電子以外之暗電流（此爲問題1 )。 爲防止上述暗電流之產生，習知固態攝像裝置係如圖 4 (其中假設爲未形成電極26者）所示，於擴散層24上 ，在半導體基板20內形成例如摻雜有硼（B)等之電洞的 P型擴散層（未圖示）。如此則，可抑制半導體基板20 之界面來自空乏層之電子之產生，可防止暗電流。 但是，將P型擴散層配置於擴散層24之正下方予以 形成時，在相接於擴散層24之界面難以調整該擴散層24 之濃度峰値。因此，在P型擴散層於擴散層24相接之界 面，電洞朝向電子之電氣力線（電場）之長度變長，結果 ，無法增大儲存容量。亦即，儲存容量小，因此擴散層 24中之飽和電子數減少，如此則，例如攝取明亮被攝體 時之S/N比變小之問題存在。具體言之爲，例如攝取明亮 被攝體之圖像所包含之雜訊，係由光曝光（photo shot ) 雜訊來決定。光曝光雜訊中之雜訊，假設儲存於光二極體 PD (於此爲擴散層24 )之電子之數爲η時可以/η予以 表示。亦即，S/N比被設爲η/ 7~η，因此隨飽和電子數之 -17- 201125110 減少’ S/Ν比亦雖之降低。因此，產生攝取之圖像品質劣 化之問題（此爲問題2 )。 關於此點’本實施形態中爲防止上述問題1及2，依 據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法，係將擴散層 21接地’對電極2 6施加負電壓。如此則，相對於電極2 6 可提高擴散層2 1之電位。結果，可使擴散層2〗激發之電 洞’在電極26之正下方，在擴散層24之上面被形成，而 形成電洞儲存層。如此則，可抑制矽表面之暗電流之產生 。亦即，可減低雜訊，可提升再生畫面之品質。亦即，可 防止問題1。 上述電洞儲存層之寬度，係小於習知固態攝像裝置所 形成之P型擴散層之於第2方向之深度。具體言之爲，習 知P型擴散層之於第2方向之深度爲0.10〔 #m〕〜0.5〔 // m〕。相對於此，本實施形態之固態攝像裝置之電洞儲 存層之於第2方向之深度爲習知之約1/1〇。結果，空乏層 之寬度變爲小於習知固態攝像裝置之空乏層。因此，擴散 層24之儲存容量變大。因此，例如隨像素〗〇之微細化進 展’即使基板20之表面形成之電洞儲存層之區域（面積 )變小時’單位面積之容量亦可以變大，因此擴散層24 之飽和電子數增加。結果，S/Ν比增加。亦即，可防止攝 取之圖像之畫質劣化之問題2。 另外’依據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法 ，電極27與電極26間之距離wl，係短於構成光二極體 PD之擴散層24之深度W2。因此，在對電極27施加脈衝 -18 - 201125110 狀信號READ將儲存於擴散層24之電子讀出時，藉由電 極27而被調變電位的基板20之區域變爲接近擴散層24 之區域。結果，可以容易讀出儲存於擴散層2 4之全部電 子。 另外，電源部2所施加之電壓，不限定於負電壓，只 要是可將較擴散層21之電位低的電壓施加於26即可。亦 即，被施加於電極26之電壓，只要是能使來自於擴散層 21之電洞激發至擴散層24之上面的電壓即可。 另外，本實施形態之固態攝像裝置爲背面照射型。亦 即，於圖5，光之射入方向爲第1方向。因此，電極26 使用之材料即使是透光率低之材料，亦不會衰減射入擴散 層24之光量。 (第2實施形態） 以下說明第2實施形態固態攝像裝置及其控制方法， 第2實施形態之固態攝像裝置及其控制方法，係於上述第 1實施形態中’使電極26由可透過接收之光的例如 ITO(Indium Tin Oxide)膜等形成之透明電極（如後述說 明之透明電極40)予以形成。亦即，光之受光方向可以 和上述第1實施形態同樣之背面，或表面側均可。另外， 使上述第1實施形態之讀出動作中之步驟S3對電極26施 加之負電位，在傳送至形成於電極27之正下方之通道時 予以停止。 以下說明和第1實施形態不同之構成及動作。 -19- 201125110 圖8表示本實施形態之固態攝像裝置。圖8表示沿圖 2之像素1 0之A-A方向之斷面圖。如圖8所示，本實施 形態之固態攝像裝置，係取代電極2 6改爲設置透明電極 40之構造。該透明電極40由例如ITO ( Indium Tin Oxide )膜形成。該透明電極40係對約400〔nm〕〜700〔nm 〕之可視光具備透光性。 依據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法，於上 述步驟S3係停止對透明電極40之負電壓之施加之同時， 由電源部2對電極27施加脈衝狀之正電壓（信號READ )° 和上述第1實施形態同樣，在電極27之正下方，於 半導體基板20之表面激發出電子。亦即被形成通道。另 外’因爲停止對透明電極40之負電壓之施加，因此，於 透明電極40之正下方在擴散層24之界面之前被激發之電 洞儲存層會消滅。 結果，儲存於擴散層24之電子會經由上述通道被讀 出至外部。停止對透明電極40之負電壓之施加期間，係 成爲對電極27施加脈衝狀之正電壓之期間。至少使對透 明電極40不施加負電壓之期間（透明電極40被施加0〔 V〕之期間），與對電極2 7施加脈衝狀之正電壓之期間 重叠即可。 另外，在對電極27施加脈衝狀之正電壓之期間，亦 可對透明電極40繼續施加約-1〔 V〕之負電壓。亦即，即 使第1實施形態之構成亦可適用本實施形態之動作。 -20- 201125110 又，如上述說明，在擴散層24儲存電子時係於半導 體基板20界面激發出電洞儲存層，但該電洞儲存層之形 成係於上述步驟S1〜S2之期間。換言之，該電洞儲存層 之形成乃在於對透明電極40施加負電壓之上述步驟S1〜 S 2之期間。 (本實施形態之效果） 依據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法，可獲 得和上述第1實施形態同樣之效果。亦即，即使對透明電 極40施加約-1〔V〕之負電壓時，亦可於半導體基板20 之表面，在擴散層24與絕緣膜2 5之界面形成電洞儲存層 。另外，形成之電洞儲存層，亦和上述第1實施形態同樣 爲高濃度，且較習知薄之薄膜，因此，光二極體PD之儲 存容量變大。如此則，即使固態攝像裝置之微細化進展， 亦可抑制S/N比之降低，可防止被攝體圖像之劣化。 又，於圖8，擴散層2 4係被配置於正下方，透明電 極40被配置於絕緣膜25上，但是如圖8所示，在包含電 極27之絕緣膜25之一面形成該透明電極40亦可。此情 況下，需要使電極27與透明電極40之間不致於短路而於 該電極27之周圍形成絕緣膜28。 圖9表示本實施形態之固態攝像裝置之中沿像素j 〇 之A-A方向之斷面圖。此情況下，亦可獲得上述效果。 另外’依據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法 ’如上述說明’在對電極2 7施加脈衝狀之正電壓期間中 -21 - 201125110 ，係停止對透明電極40之負電壓之施加。此乃因爲位於 透明電極40之正下方區域、在基板20之界面被儲存之電 洞儲存層之濃度顯著降低，電極27之閘極寬度方向之端 部（接近透明電極40側者）正下方之基板20內之電位變 爲容易藉由該電極27進行調變。如此則，儲存於擴散層 24之信號電荷更容易被傳送，儲存於擴散層24之電子殘 留不致於發生。亦即，擴散層24中之電子殘留不存在時 即不致於發生殘像等問題，可以提升特別是暗時圖像中之 畫質。 又’如圖8之說明，於圖9之固態攝像裝置亦可使用 能透過可視光之透明電極40，因此上述構成不僅背面照 射型，亦可適用於習知表面照射型。 (第3實施形態） 以下說明第3實施形態固態攝像裝置及其控制方法， 本實施形態之固態攝像裝置，係取代上述第1、第2之電 極2 δ、透明電極4 0 ’改爲形成例如絕緣膜4 1。該絕緣膜 41係對約400〔 nm〕〜700〔 nm〕之可視光具備透光性， 而且爲包含負的固定電荷之電位層，例如爲藉由氧化給（

Hf〇 )形成之膜。以下僅說明和第1、第2實施形態不同 之點。 使用圖1 〇說明本實施形態之固態攝像裝置。圖1 0表 示沿圖2之像素10之lOdO方向之斷面圖。如圖1〇所示 ’本實施形態之固態攝像裝置’係取代電極2 6或透明電 -22- 201125110 極4〇，改爲設有包含負的固定電荷之絕緣膜4 1。亦即 對於擴散層2 1，絕緣膜4 1係具有負的電位。因此，如 述第1、第2實施形態之說明，即使不由電源部2供給 電壓時，亦可以在半導體基板20之表面，於擴散層24 絕緣膜2 5之接觸界面激發出電洞儲存層。亦即，無須 加負電壓即可常時產生電洞儲存層，因此，基於光之接 而產生於半導體基板20內之電子，可被儲存於擴散層 。另外，電極26及透明電極40以外之構成，以及本實 形態之固態攝像裝置之讀出動作，除對電極2 6及透明 極40施加負電壓以外，均和上述第1、第2實施形態 樣，因此省略說明。 (本實施形態之效果） 依據本實施形態之固態攝像裝置及其控制方法，可 得和上述第1實施形態同樣之效果。亦即，即使取代電 26或透明電極40，改用包含負的固定電荷之絕緣膜41 ，亦可於半導體基板20之表面，在擴散層24與絕緣 25之界面形成電洞儲存層。另外，形成之電洞儲存層 亦和上述第1實施形態同樣爲高濃度，且較習知薄之薄 ，因此，光二極體PD之儲存容量變大。如此則，即使 態攝像裝置之微細化進展，亦可抑制S/N比之降低，可 止被攝體圖像之劣化。 於圖10，絕緣膜41係以覆蓋一部分電極27的方 被形成於絕緣膜2 5上。但是，在和電極2 7之間被隔離 上 負 與 施 收 2 4 施 電 同 獲 極 時 膜 膜 固 防 式 寬 -23- 201125110 度wl之位置內’使擴散層24被配置於正下方的方式將 絕緣膜4 1配置於絕緣膜2 5上亦可。絕緣膜41及電極2 7 難以分別藉由自動對準方式來形成，絕緣膜41係覆蓋電 極27之一部分表面，因此大多採用如圖10所示構造。 另外，和上述第2實施形態同樣，本實施形態中使用 ’對約400〔 nm〕〜700〔 nm〕之可視光具備透光性的絕 緣膜41，因此不僅背面照射型，亦適用於習知表面照射 型。 另外，如上述說明，於上述第1實施形態亦可適用上 述第2實施形態之動作。亦即，於上述第1實施形態中， 停止對電極26之負電壓之施加之同時，由電源部2對電 極27施加脈衝狀正電壓亦可。亦即，在擴散層24儲存電 子時，亦即在上述步驟S1〜S2之期間係於半導體基板20 界面激發出電洞儲存層。換言之，該電洞儲存層之形成乃 在於對電極26施加負電壓之上述步驟S1〜S2之期間。此 情況下，即使是上述第1實施形態亦可獲得和上述第2實 施形態同樣之效果。亦即，擴散層24中之電子殘留不存 在’因此不致於發生殘像等問題，可以提升特別是暗時圖 像中之畫質。 又，上述電洞儲存層係針對藉由對電極26施加負電 壓而儲存有電洞者，但亦可構成爲在擴散層24之表面形 成P型擴散層，藉由該p型擴散層之形成，使電洞儲存於 擴散層24之表面。 以上依據實施形態具體說明本發明，但是本發明並不 -24- 201125110 限定於上述實施形態，在不脫離其要旨之情況下可做各種 變更實施。另外，在不脫離本發明精神之情況下，可將方 法以及系統之一部分予以省略、取代或變更。伴隨產生之 申請專利範圍以及其之等效者亦包含於本發明之範疇內。 【圖式簡單說明】 圖1表示第1實施形態之固態攝像裝置之方塊圖。 圖2表示第1實施形態之感測器核心部之方塊圖。 圖3表示第1實施形態之像素（pixel)之平面圖。 圖4表示第1實施形態之像素之斷面圖。 圖5表示第1實施形態之固態攝像裝置之讀出動作之 圖。 圖6表示第丨實施形態之資料讀出動作之流程圖。 圖7表示第1實施形態之固態攝像裝置之濃度分布圖 〇 圖8表示第2實施形態之像素之斷面圖。 圖9表示第2實施形態之像素之斷面圖。 圖1 0表示第3實施形態之像素之斷面圖。 【主要元件符號說明】 1 :固態攝像裝置 2 :電源部 3 :感測器核心部 4 :畫素部 -25- 201125110 5 :控制部 6 :透鏡 2 0 :半導體基板 2 1 :擴散層 22 :擴散層 23 :擴散層 24 :擴散層 25 :絕緣膜 2 6 :電極 27 :電極 S2 :電子 S 1 :電洞 S 3 :電子 4 0 :透明電極 4 1 :絕緣膜 wl :寬度 w2 :寬度 -26-

Claims (1)

1. 201125110 七、申請專利範圍： 1. 一種固態攝像裝置，其特徵爲包含： 第1導電型或第2導電型之半導體區域，上述半導體 區域係具有第1表面以及和第1表面呈對向的第2表面； 於上述半導體區域之第1表面內被形成之第2導電型 之第1擴散層，係由上述半導體區域表面起在第1深度之 位置以濃度成爲最大値的方式被摻雜，在使由上述半導體 區域之上述第2表面朝上述第1表面照射之光而產生於上 述半導體區域內之電子，被儲存於作爲電荷儲存部機能之 上述第1擴散層時’係形成有上述第1導電型之電荷儲存 層，該電荷儲存層係自上述半導體區域表面與上述第1擴 散層表面之界面起具有較上述第1深度爲淺的第2深度； 第1導電型之第2擴散層，至少一部分相接於上述第 1擴散層而被形成； 第2導電型之第3擴散層係形成於上述半導體區域之 第1表面內’上述第3擴散層，係在上述第1擴散層之於 上述第2擴散層之相反側’被形成於和上述第1擴散層呈 隔離之位置； 絕緣膜，被形成於上述半導體區域之第1表面； 電位層’被形成於和上述第1擴散層對應之上述絕緣 膜上，上述電位層係被設爲特定電位； 讀出電極’被形成於位於上述第1擴散層與上述第3 擴散層之間的上述絕緣膜上。 2 ·如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 -27- 201125110 以上述第1擴散層作爲儲存上述電子之電荷儲存部之 機能時，係對形成於上述半導體區域上之電位層施加較上 述第2擴散層之電位低的電壓。 3 ·如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 形成於上述半導體區域上之上述電位層爲絕緣層，上 述絕緣層係包含負的固定電荷。 4·如申請專利範圍第2項之固態攝像裝置，其中 上述讀出電極，係以較上述第1深度爲小的間隔，和 可以施加較上述第2擴散層之電位爲低之電壓的上述電極 呈鄰接。 5. 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 施加於上述電位層之電壓爲負電位，上述第2擴散層 之電位被設爲接地電位。 6. 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 上述電位層爲多晶矽、金屬矽化物、金屬以及可以透 過上述射入之光的透明導電膜之其中任一。 7 _如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 在上述第1擴散層與上述電荷儲存層之間被形成空乏 層，上述空乏層所儲存之上述電子之容量，係對應於上述 第2深度與上述第1深度間之距離。 8 ·如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 上述第1擴散層，係自上述半導體區域表面至較上述 第1深度深的第3深度爲止被形成； 上述讀出電極與上述電位層間之距離，係小於上述第 -28- 201125110 3深度。 9.如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中 上述電位層爲透明導電膜，可使上述射入之光透過， 在停止施加於上述透明導電膜之第1電壓之後，對上 述讀出電極施加第2電壓，上述第1電壓爲較上述第2擴 散層之電位低的電壓，上述第2電壓爲正電壓。 1 〇.如申請專利範圍第9項之固態攝像裝置，其中 上述第1電壓爲負電位，上述第2擴散層之電位係被 設爲接地電位。 11. 一種固態攝像裝置，其包含： 畫素部係具備：光二極體，電位層，及讀出電晶體； 上述光二極體，係對接收之光進行光電轉換而獲得上述電 子；上述電位層係設於光二極體之陰極；讀出電晶體係將 經由上述光二極體光電轉換後之上述電子傳送至浮置擴散 層； 電源部，用於對上述電位層傳送電壓； 其特徵爲：上述電壓爲負電壓，當上述負電壓被施加 於上述電位層時，在上述電位層與上述光二極體之間形成 容量。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之固態攝像裝置，其中 上述光二極體係具備第1擴散層，其被形成於第1或 第2導電型半導體區域表面內； 上述第1擴散層，係自半導體區域表面至上述第1深 度之位置爲止被形成； Η -29- 201125110 上述讀出電晶體具備之讀出電極與上述電位層之間之 距離，係小於上述第1深度。 13.如申請專利範圍第1 1項之固態攝像裝置，其中 上述第1擴散層’係自該半導體區域表面起在第2深 度之位置以濃度成爲最大値的方式被摻雜，上述第2深度 係小於上述第1深度： 在使藉由對上述半導體區域照射之光而產生於上述半 導體區域內之電子，被儲存於作爲電荷儲存部機能之上述 第1擴散層時’係形成有上述第1導電型之電荷儲存層， 該電荷儲存層係自上述半導體區域表面與上述第1擴散層 表面之界面起具有較上述第2深度爲淺的第3深度。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之固態攝像裝置，其中 上述容量，係由上述第1導電型電荷儲存層及上述第 1擴散層形成。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之固態攝像裝置，其中 上述容量之値，係對應於上述第1導電型電荷儲存層 被形成之上述第3深度與上述第2深度間之距離。 16.如申請專利範圍第1 1項之固態攝像裝置，其中 上述第1擴散層，係由該半導體區域表面起在第2深 度之位置以濃度成爲最大値的方式被摻雜，上述第2深度 係小於上述第1深度： 使由上述半導體區域之表面側朝背面側照射之光而產 生於上述半導體區域內之電子，被儲存於作爲電荷儲存部 機能之上述第1擴散層時，係被形成有第1導電型之電荷 -30 - 201125110 儲存層’該電荷儲存層係自上述半導體區域表面與上述第 1擴散層表面之界面起具有較上述第2深度爲淺的第3深 度。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項之固態攝像裝置，其中 上述電位層爲透明導電膜’可使上述射入之光透過， 在停止施加於上述透明導電膜之第1電壓之後，對上 述讀出電極施加第2電壓，上述第1電壓爲較上述第2擴 散層之電位低的電壓，上述第2電壓爲正電壓。 1 8 · —種固態攝像裝置之控制方法，其特徵爲包含： 藉由對電位層施加負電壓，而在形成於半導體區域表 面之第1擴散層與電位層之界面間，形成第1導電型之電 荷儲存層；上述電位層，係於上述半導體區域表面上，而 且上述電位層係使第1擴散層配置於其正下方的方式被形 成；上述第1擴散層，係由上述半導體區域表面起在第1 深度之位置以濃度成爲最大値的方式被摻雜，上述電荷儲 存層，係自上述半導體區域表面與上述第1擴散層表面之 界面起具有較上述第1深度爲淺的第2深度； 藉由上述電荷儲存層及上述第1擴散層來形成空乏層 > 使由上述半導體區域之背面側朝表面側照射之光而產 生於上述半導體區域內之電子，被儲存於作爲電荷儲存部 機能之上述第1擴散層； 對讀出電極施加電壓而於上述讀出電極與上述半導體 區域界面形成通道’將上述電子傳送至浮置擴散層；上述 -31 - 201125110 浮置擴散層，係於上述半導體區域表面，和上述第1擴散 層呈隔離被形成。 1 9.如申請專利範圍第1 8項之固態攝像裝置之控制 方法，其中 對上述電位層施加負電壓之同時，對上述讀出電極施 加上述電壓。 20.如申請專利範圍第1 8項之固態攝像裝置之控制 方法，其中 對上述讀出電極施加上述電壓之時序，係在停止對上 述電位層施加負電壓之後。 -32-