TW517388B - Solid-state imaging device - Google Patents

Description

517388 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明有關一種固態成像裝置以及一種具有諸如光耦合 子之光偵測器之類光電轉換元件的半導體光電轉換裝置， 且更特別的是一種能夠在製造方法中與CMOS(互補式金氧 半導體）裝置，亦即，CMOS影像感測器互換的固態成像裝 置。 相關技術說明 最近幾年吾人已看到用於取得影像資料且能夠與例如個 人電腦一起使用之相機的發展。吾人將使用電荷耦合裝置 (CCD)的CCD影像感測器或者能夠於製造方法中與CMOS 裝置互換的CMOS影像裝置感測器當作結合於這類相機內 的固態成像裝置。 該CCD影像感測器是某種型式的影像感測器，其中各 光電轉換元件或光電二極體係配置成依二維方式對應到各 畫素（圖像元件），依序利用垂直傳輸CCD及水平傳輸CCD 讀取個別畫素上已藉由光電轉換元件變成電荷的信號。該 CMOS影像感測器與CCD影像感測器類似的是將各光電 轉換元件配置成依二維方式對應到各畫素，但是係用於讀 取作業而不是使用垂直及水平的傳輸CCD，藉著由鋁線構 成的選擇線從所選擇的圖像元件內讀取個別畫素內所儲存 的信號，如同半導體記憶體裝置的讀出作業一般。

與需要許多正及負電源電壓以驅動各CCD之CCD影像 感測器相反的是，能夠藉由單一的電力供應驅動該CMOS 517388 五、發明説明（2 ) 影像感測器而能夠在比C C D影像感測器更低的電力消耗 及更低的電源電壓下動作。此外，於C C D影像感測器的 製程中使用用於CCD本身的製造方法會使通常用於CM0S 電路之製造方法的直接應用變複雜。反之，平常也會將用 於CMOS影像感測器的製造方法用在CMOS電路上。因此 能夠藉由經常用在處理器、諸如DRAM(動態隨機存取記 憶體）之類半導體記憶體裝置及邏輯電路上的CMOS製造 方法，在形成CMOS影像感測器的同時形成諸如邏輯電 路、類比電路及類比/數位轉換電路之類的周邊電路。換 句話說，CMOS影像感測器的優點是能夠很容易地將之形 成於當作半導體記憶體裝置或處理器的相同半導體晶片上 ，另外該CMOS影像感測器的製程能夠很容易地與半導體 記憶體裝置或處理器共享相同的製造工廠。 第1圖係用以顯示這種型式之CMOS影像感測器的平面 示意圖以及用以顯示一種形成爲CMOS影像感測器之半導 體裝置的地上平面圖示。該CMOS影像感測器1係提供有 :成像單位2，其中係依二維方式爲每一個畫素配置有各 光電轉換元件；時序產生器3,用於產生用來從各畫素上 讀取信號的必要時序信號；垂直掃瞄單位4及水平掃瞄單 位5，用於選擇各畫素的輸出；類比信號處理器6，用於 放大並處理來自所選擇畫素的信號；邏輯電路單位7，用 於處理由類比信號處理器6輸出的類比信號並輸出其結果 當作數位信號。該邏輯電路單位7提供有：類比/數位轉 換器8，用於執行該輸入類比信號的類比到數位的轉換； -4- 五、發明説明（3 ) 數位信號處理器9，用於將各數位信號轉換成數位影像信 號；介面（I/F)10，用於將各數位影像信號輸出到外面並從 外面接收命令資料。 接下來解釋有關由CMOS影像感測器1之成像單位2製 成的單位單元。此例中該單位單元係設於每一個畫素上， 且係由光電轉換元件亦即每一個畫素上藉由PN接面施行 之光電二極體以及構成開關以便選出這種光電轉換元件之 電晶體構成的。第2圖係用以顯示CMOS影像感測器內一 種習知單位單元結構的截面示意圖。 該單位單元11的基礎結構中係將p-型位阱區域13設於 P_-型基板12，且將會結合該p-型位阱區域13而形成光 電二極體的η-型光電轉換區域14係設於該p-型位阱區域 1 3的表面內。爲使這個單位單元11與各鄰近單位單元隔 離開的目的，也提供有：p、型隔離區域1 5，形成於該P-型位阱區域13 ;絕緣氧化膜16，形成於例如該p + -型隔離 區域15上；閘極氧化膜17，形成於該p-型位阱區域13 的部分表面上以及該η-型光電轉換區域1 4上除了其中形 成有該絕緣氧化膜1 6之外的區域上；內夾絕緣膜1 8，其 形成方式是使之覆蓋住絕緣氧化膜1 6及閘極氧化膜1 7之 整個表面；以及遮蔽膜1 9，形成於該內夾絕緣膜1 8以防 止光入射到不必要的部分。 另外，η + -型重設汲極區域20係形成於該ρ-型位阱區域 13上多少與該η-型光電轉換區域14間隔開的位置上。同 時將閘極氧化膜1 7形成於此η + -型重設汲極區域20的表 517388 五、發明説明（4 ) 面上。重設電晶體21係形成於該p-型位阱區域13之內落 在該η-型光電轉換區域14與該n + -型重設汲極區域20之 間當作通路區域的區域上，其中該η-型光電轉換區域14 像是源極而該η + -型重設汲極區域20則像是汲極。如是藉 由該重設電晶體21將該心型光電轉換區域14連接到該 η + -型重設汲極區域20上。

該單位單元11係另外提供有源極隨耦器的驅動電晶體 22以及用來當作水平選擇開關的電晶體23。該η-型光電 轉換區域1 4係連接於該驅動電晶體22的閘極上以便根據 入射光的量額輸出外面的輸出變化。形成源極隨耦器器的 負載電晶體24以便用在該單位單元陣列的每一列上。依 序以串聯方式將驅動電晶體22、電晶體23及負載電晶體 24塞入電力供應電壓VDD與Vss之間。吾人係從該電晶體 23與負載電晶體24之間的連接點上得到此單位單元1 1的 電壓輸出VoUt。

具有這種結構的CMOS影像感測器係依下列方式操作 的。 首先，使加到該重設電晶體21之閘極上的脈波升高到 極高位準，係將該η-型光電轉換區域1 4的電位設定成加 到該η + -型重設汲極區域20的電力供應電壓VDD上，如是 重設了該η-型光電轉換區域1 4內的信號電荷。使加到該 重設電晶體2 1之閘極上的脈波降低到極低位準，而產生 開始堆積信號電荷的作業。於信號電荷堆積期間，入射光 會於該η-型光電轉換區域14中較低部分的區域內產生電 -6- 517388 五、發明説明（5 ) 子-電洞對，其中各電子係堆積於該型光電轉換區域14 底下的空乏層內而電洞則是透過該Ρ-型位阱區域13進行 放電。於是該η-型光電轉換區域14的電位會根據所堆積 的電子數目並因爲該源極隨耦器的作業而改變，這種電位 上的變化係藉由該驅動電晶體22的源極輸出到當作水平 選擇開關的電晶體23，因此能夠得到具有良好線性的光電 轉換輸出特徵。 雖則會在變成浮動擴散層的η-型光電轉換區域14內發 生「kTC」噪訊，然而當重設該重設電晶體21時，吾人能 夠在傳送各信號電子之前的黑暗期間藉由取樣及儲存輸出 ，然後再找出這與明亮輸出之間的差異而排除這種噪訊。 這裡，k指的是波滋曼常數，T指的是時間，而C指的是 電容量。 第3圖係用以顯示能夠提供一種其泄漏噪訊減少量大於 如第2圖所示之單位單元內光電轉換元件（光電二極體）之 光電二極體結構的示意圖。於第3圖中，以第2圖中相同 之符號標示出的零件都是和第2圖相同的零件。 如第3圖所示之光電二極體結構包含形成於第2圖中光 電二極體（亦即光電轉換元件）部分之表面上的表面p + -層 25，且提供這種型式的表面p + -層25會減小該光電二極體 部分之表面上的漏電流。這種型式的結構已在習知設計中 使用得很好。 最近幾年吾人已看到在微型化以及畫素數目更大之影像 感測器（亦即固態成像裝置）上的需求與日倶增，而這類需 -7- 517388 五、發明説明（6 ) 求不可避免地會同時在每個畫素上求具有更高積體的單位 單元以及的更小的面積。減小畫素尺寸會造成減小了每一 個光電二極體的面積，這種面積上的減小則轉而減少了入 射到每一個畫素上的光量額。入射光量額的減少已造成輸 出信號的下降，因此降解了輸出影像的信噪（信號對噪訊） 比且破壞了影像品質。

這些問題的解決方法會要求改良每單位面積上的光電轉 換效率。由於各畫素變得比較小，故入射到每一個畫素上 的光量額也會減少。無論這種入射光量額的減少情形爲何 ，吾人都必須改良沿著該光電二極體之深度方向的光電轉 換效率以便增加光電子，亦即必須形成一種深光電二極體 。形成深光電二極體意指擴充該光電二極體的空乏層使之 深入基板。依這種方式，因此由習知設計中之光電轉換產 生但是沿著基板方向流動的電子，不會堆積於該光電二極 體部分內且不會對該光電二極體的靈敏度作出’貢獻，故能 夠堆積於該光電二極體內。 以這種考量爲基礎，本發明的受讓人先前已於日本專利 申請案第jp，P2 00 1 -73 09 A.號文件提出一種方法，其中係 使該光電二極體底下僅有之P-型位阱層的雜質濃度低於其 他部分之P-型位阱的雜質濃度，因此擴充了該光電二極體 的空乏層使之深入基板並改良了其光靈敏度’此外減低了 與該基板的電容性耦合以改良其偵測靈敏度。 不過，仍然留下一種未因採用這些策略而獲致解決的問 題。這個問題會涉及在各畫素之間發生交叉失真現象以及 517388 五、發明説明（7 ) 肇因於各電子在各鄰近光電二極體（亦即各單位單元）之間 的運動而實質地減低了其解析度。換句話說，各光電子在 各畫素內因擴散而產生的光會造成電子泄漏到一開始就不 應該有入射光的畫素之內，如是產生了噪訊使得即使在這 些沒有入射光的畫素內也會出現信號輸入。諸如遮蔽膜之 類的設計無法抑制這種串話組成，因爲它是源自該基板之 相當深部分中產生之光電子的緣故。會在該基板之相當深 部分內產生光電子的光指的是波長落在從紅光到近紅外光 範圍內的光。這是因爲肇因於用來當作半導體基板之矽的 吸收係數對波長的依賴，對波長落在從紅光到近紅外光範 圍內的光而言其吸收長度是比較大的，亦即這種光會深入 穿透到該基板內。肇因於對這種光的吸收作用而發生於基 板深處的光電子會在P-型基板內發生擴散，且沿著如第2 或3圖所示截面之水平方向擴散的光電子可能會抵達鄰近 的畫素且因此變成一種交叉失真源。 反之，屬短波長可見光的藍及綠光實質上會在η-型光電 轉換區域的各部分以及該光電二極體上沿著基板方向散佈 之空乏層之內被吸收掉，因此這種光不會深入穿透到該基 板內。換句話說，對短波長的光而言穿透該基板的交叉失 真組成是很小的。 若將該Ρ-型位阱形成得具有太大的深度，則相對於近紅 外光的靈敏度會增加且該裝置不再是一種可依例應用在可 見光的固態成像裝置。吾人經常會使用紅外線截斷濾光片 以抑制對近紅外光的靈敏度，但是若其對近紅外光的靈敏 517388 五、發明説明（8 ) 度太大時，則即便使用了該紅外線截斷濾光片也無法忽視 穿透該濾光片之光的靈敏度。 因此，爲提高靈敏度而只增加該P-型位阱的深度會增加 對近紅外光的不必要靈敏度，發生於該P-型位阱之較深部 分的電子會作水平擴散而變成鄰近畫素的交叉失真源。 結論是，並未提出一種能夠同時提供對可見光的高靈敏 度以及低交叉失真作用的光電二極體結構。 發明之槪述 本發明的目的在於提供一種固態成像裝置，而能夠提高 偵測靈敏度、提高輸出轉換效率、提高光電轉速效率、擴 充空乏層、維持各畫素之間的絕緣特徵以及減少交叉失真 現象的發生。 本發明的目的在於藉由一種固態成像裝置而施行的，該 固態成像裝置包括：基板層，係由具有第一導電型式之半 導體組成的；具有第一導電型式的半導體層，設於該基板 層上；以及具有與第一導電型式相反之第二導電型式的光 電轉換區域，係設於該基板層上；其中該基板層的雜質濃 度是高於該半導體層的雜質濃度。 吾人可以在該基板層與該半導體層之間提供一種具有比 該半導體層更低之雜質濃度的第一導電型式低雜質濃度半 導體層。在提供有低雜質濃度之半導體層的例子裡，較佳 的是該低雜質濃度半導體層的雜質濃度是低於該光電轉換 區域的雜質濃度。 本發明的固態成像裝置也可能提供有周邊電路半導體層 -10- 517388 五、發明説明（9 ) ，此周邊電路半導體層係屬第一導電型式而具有高於該半 導體層的雜質濃度且係形成於至少落在各畫素內之電晶體 底下的半導體層上。另外由抑制對近紅外光之靈敏度的觀 點，較佳的是從該半導體上主要平面之表面到落在基板層 側邊上之半導體層表面的距離最小爲2微米而最大爲10 微米。 於本發明中，較佳的是至少該半導體層及該低雜質濃度 半導體層之一係藉由磊晶成長法形成的。此外，較佳的是 該半導體層內雜質的深度剖面圖是一種退化的剖面圖。 藉由採用上述結構，本發明能夠實現一種具有高靈敏度的 光電二極體，而能夠得到一種趨近可見光波譜特徵的光波 譜特徵，此外提供了一種能夠抑制各畫素之間交叉失真現 象的固態成像裝置。 本發明的上述及其他目的、特性、及優點將會因爲以下 參照所附圖示對顯示用實施例的詳細說明而變得更明顯。 圖式簡單說明 第1圖係用以顯示一種CMOS影像感測器實例之結構的 平面示意圖。 第2圖係用以顯示習知CMOS影像感測器中之單位單元 及周邊電路的截面示意圖。 第3圖係用以顯示一種已減低其光電二極體內泄漏噪訊 之習知單位單元的截面示意圖， 第4圖係用以顯示一種根據本發明第一實施例之固態成 像裝置內單位單元的截面示意圖。 -11- 517388 五、發明説明（10 ) 第5圖係用以顯示一種根據本發明第二實施例之固態成 像裝置內單位單元的截面示意圖。 第6圖顯示的是第5圖之固態成像裝置中光電二極體內 雜質之深度剖面圖。 第7圖係用以顯示習知固態成像裝置及第5圖中固態成 像裝置之波譜靈敏度特徵的曲線圖。 第8圖係用以顯示一種根據本發明第三實施例之固態成 像裝置內單位單元的截面示意圖。 、第9圖係用以顯示一種根據本發明第四實施例之固態成 像裝置內單位單元的截面示意圖。 較佳實施例的詳細說明 第一實施例 將具有如第4圖所示之單位單元的固態成像裝置形成爲 如第1圖所示之CMOS影像感測。於第4圖的固態成像裝 置中，除了該單位單元之外各部分的結構及作業是等於如 第1圖所示之固態成像裝置的結構及作業，因此省略多餘 的解釋。另外，第4圖中以第2圖中相同之符號標示出的 零件都是和第2圖相同的零件。 在第4圖中，係將其雜質濃度低於基板p + -層26的p-型 層27形成於該基板p + -層26，亦即，高濃度p-型半導體 基板（例如矽P + -型基板）上。該η-型光電轉換區域14係形 成於此ρ-型層27上邊的某一位置上。基板ρ + -層26、ρ-型層27及η-型光電轉換區域14係分別對應到具有第一導 電型式的基板層、具有第一導電型式的半導體層以及具有 -12- 517388 五、發明説明（11 ) 第二導電型式的光電轉換區域。該η-型光電轉換區域14 係藉由例如將η-型雜質植入或擴散到該ρ-型層27之內而 形成的。較佳的是藉由磊晶成長法將該Ρ-型層27形成於 該基板Ρ + -層26上。如同將要解釋如下的第二貧施例，吾 人能夠藉由Ρ-型雜質的離子植入法使該雜質剖面圖受到控 制。此例中，該基板Ρ + -層26的雜質濃度是例如落在從 lxl018/cm3到lxl022/cm3的範圍內，而該ρ-型層27的雜 質濃度是例如落在從lxl016/cm3到lxlO]8/cm3的範圍 內。該η-型光電轉換區域14的雜質濃度是例如落在從 lxl016/cm3 到 lxl018/cm3 的範圍內。 如圖所示在該p_型層27上表面的兩個端點上提供用於 裝置隔離的P + -型隔離區域15及絕緣氧化膜16，另外連 同如第3圖所示之習知單位單元，將表面p + -層25形成 於該P-型層27及該η-型光電轉換區域14上除了該絕緣氧 化膜1 6的形成區域之外的表面之上.，以防止該光電二極 體部分的表面上產生泄漏現象。將內夾絕緣膜1 8設於該 絕緣氧化膜16及該表面ρ + -層25上以便覆蓋包含此單位 單元的整個固態成像裝置。將遮蔽膜19形成於該內夾絕 緣膜1 8內以防止光入射到不需要光的各部分上。 此單位單元中係將該ρ-型層27的厚度設定爲大槪2微 米到10微米。換句話說，從該半導體上主要平面之表面 到落在基板層側邊上之半導體層表面的距離設定爲最小 爲2微米而最大爲1 0微米。這個從2微米到1 0微米的範 圍是實質上等於矽中紅光或近紅外光的吸收長度。吾人能 -13- 517388 五、發明説明（12 ) 夠根據需要靈敏度之光的波長改變該P-型層27的長度。

當入射光進入由該η-型光電轉換區域14及該p-型層27 構成的光電二極體時，入射光會於單一電荷堆積時段期間 ，在該η-型光電轉換區域14及該ρ-型層27落在該η-型 光電轉換區域14底下之區域內產生電子-電洞對。於是所 產生的電子會堆積在形成於該η-型光電轉換區域14及該 ρ-型層27落在該η-型光電轉換區域14底下各部分中的空 乏層內。因爲其雜質濃度高於該Ρ-型層27的基板ρ + -層 26係配置於該ρ-型層27底下，則能夠依可靠方式於該基 板Ρ + -層26內捕獲此時發生於該ρ-型層27內光電子中沿 著基板方向擴散的各電子使之復合而殲滅掉。因此，較之 習知單位單元大幅地抑制了如第4圖所示之單位單元內沿 著水平方向擴散的電子。結果，減小了各畫素之間的交叉 失真現象，因此能夠抑制影像解析度的滑落。 第二實施例

如同第4圖的單位單元，將具有如第5圖所示根據本發 明第二實施例之單位單元的固態成像裝置形成爲如第1圖 所示之CMOS影像感測器。據此這裡省略有關除了該單位 單元之外各零件的結構及作業的多餘解釋。另外，第5圖 中以第2圖中相问之付5虎標不出的零件都是和第2圖相同 的零件。 這種單位單元與第4圖中單元之間的差異點是落在形成 於該基板P + -層26與該ρ-型層27之間的層28上。該 ρ·-層28的雜質濃度是低於該ρ-型層27的雜質濃度，且 -14- 517388 五、發明説明（13 ) 因此其雜質濃度是明顯地低於該基板P + -層26的雜質濃 度。該P·-層28係對應到具有第一導電型式的低雜質濃度 半導體層，且較佳的是藉由磊晶成長法設於該基板P + -層 26上。另外，較佳的是將該p_-層28的雜質濃度設定成低 於該η-型光電轉換區域14內的雜質濃度。該基板p + -層 26的雜質濃度是例如落在從lxl018/cm3到lxl022/cm3的 範圍內，該P_-層28的雜質濃度是例如落在從lxl014/cm3 到lxl016/cm3的範圍內，而該p_型層27的雜質濃度是例 如落在從ixi〇16/cm3到ixi〇18/cm3的範圍內。該n-型 光電轉換區域14的雜質濃度是例如落在從lx]〇18/cm3到 lxl022/cm3的範圍內。 具體而言，在形成此單位單元時能夠於相同的磊晶步驟 中將該P'層28及該p-型層27成長於該基板P+-層26上 ，隨後能夠藉由離子植入法另在該P-型層27的適當部分 內引進P-型雜質。此例中，係在施行離子植入時由雜質的 最大範圍定出該P-型層27的厚度。因爲較佳的是也將此 單位單元中該P-型層27的厚度設定在2微米與10微米之 間，故於植入期間根據必要的厚度調整其離子能量。此外 如同以下將要解釋的’具有最大雜質濃度的位置不是落在 該p-型層27的表面上而是落在其內部，較佳的是以非常 高的能量施行離子植入法使得沿著深度方向的雜質濃度分 布亦即深度剖面圖是一種已退化的剖面圖。 同時於此單位單元中，當入射光進入由該η-型光電轉換 區域14及該ρ-型層27構成的光電二極體時’入射光會於 -15· 517388 五、發明説明（14 ) 單一電荷堆積時段期間，在該η-型光電轉換區域14及該 ρ_型層27落在該η-型光電轉換區域14底下之區域內產生 電子-電洞對。因此所產生的電子會堆積在形成於該心型 光電轉換區域14及該ρ-型層27落在該η-型光電轉換區域 14底下各部分中的空乏層內。此時，出現在該ρ-型層27 底下而雜質濃度低於該Ρ-型層27的jT-層28會造成該ρ-型層27內所產生的電子傾向於會在具有低電位的這個ρ' 層28內擴散。因爲形成了高濃度基板ρ + -層，故電子一旦 抵達該Ρ'-層28則會可靠地爲該基板ρ + -層26所捕獲，然 後在沿著水平方向亦即沿著各相鄰單位單元的方向擴散之 前復合並殲滅掉。因此如第5圖所示之單位單元會對電子 的水平擴散提供比習知設計更大的抑制作用。因此，這種 單位單元能夠減少各畫素之間的交叉失真現象並抑制影像 解析度的耗損。 爲了解釋上述電子運動的目的，第6圖顯示的是如第5 圖所示單位單元之光電二極體內沿著深度方向的雜質濃度 剖面圖。此例中如上所述，該基板Ρ + -層26的雜質濃度很 高，該η-型光電轉換區域14及該ρ-型層27的雜質濃度中 等，而該Ρ'層28的雜質濃度很低。扮演著空乏層角色的 光電轉換區域的範圍指的是由箭號標示出的部分，其深度 方向係從該η-型光電轉換區域14延伸到該ρ-型層27之深 度方向的中間部分上。產生於比該Ρ-型層27之中間部分 更深部分內的光電子會有效地沿著該Ρ_-層28的方向擴散 ，且即便真的沿著水平方向擴散的電子也不會再次抵達表 -16- 517388 五、發明説明（15 ) 面一側的空乏層而不致對靈敏度作出貢獻。換句話說，實 質地抑制了各電子的擴散現象。抵達該1>\層28的電子會 在該基板P + -層26內復合並殲滅掉，因此也不致對靈敏度 作出貢獻。如是抑制了各電子沿著水平方向的擴散現象， 且能夠減少各畫素之間的交叉失真現象。

第二實施例的單位單元也具有允許吾人很容易地控制該 光電二極體之波譜特徵的優點。第7圖係用以顯示第二實 施例之單位單元以及習知設計之單位單元中波譜靈敏度的 曲線圖。

於習知設計之單位單元的例子裡，發生在該光電二極體 之很深部分亦即該P-型位阱區域之很深位置上的光電子也 會對靈敏度作出貢獻，因此該單位單元會在近紅外光上呈 現出非常高的靈敏度。如同先前的解釋，不僅對近紅外光 的靈敏度在用於可見光之固態成像裝置上是不必要的，較 佳的是當作交叉失真特徵破壞源的近紅外光靈敏度減到最 小。於如第5和6圖所示之單位單元的例子裡，該波譜靈 敏度的決定因素特別是對近紅外光部分的靈敏度指的是該 空乏層沿著深度方向特別是沿著該P-型層27之深度（及剖 面）方向的延伸程度。於如第7圖所示的例子裡，只控制 沿著該P-型層27之深度方向的延伸程度，較之習知設計 能夠有效地只抑制其近紅外光靈敏度且不致減低其對可見 光之較短波長（從350奈米到550奈米）的靈敏度。 第三實施例 如同第4圖的單位單元，將如第8圖所示根據本發明第 -17- 517388 五、發明説明（16 ) 三實施例之固態成像裝置形成爲如第1圖所示之CMOS影 像感測器，並省略有關除了該單位單元之外各零件的結構 及作業的多餘解釋。另外，第8圖中以第4圖中相同之符 號標示出的零件都是和第4圖相同的零件。 如第8圖所示之單位單元實質上是與如第4圖所示之單 位單元相同的，但是其差異是如第4圖所示之p-型層27 係由標示爲PPD之光電二極體p-型層29以及標示爲Pcir 之周邊電路p-型層3 0構成的。該光電二極體P-型層29係 設於至少直接落在該η-型光電轉換區域14底下的區域內 以便同時接觸到該ία-型光電轉換區域14及該基板ρ + -層 26。該周邊電路ρ-型層30係提供爲形成於該光電二極體 Ρ-型層29內的位阱區域，且提供該周邊電路Ρ-型層30以 構成各畫素內諸如具有水平選擇開關的電晶體以及驅動電 晶體之類的電晶體。該光電二極體Ρ-型層29及該周邊電 路Ρ-型層3 0係分別對應到具有第一導電型式的半導體層 以及具有第一導電型式的周邊電路層。該周邊電路ρ-型層 30本身不會直接與該基板ρ + -層26結合。該光電二極體 Ρ-型層29內的雜質濃度是低於該基板Ρ + -層26的雜質濃 度。該η-型光電轉換區域14係藉由離子植入法或是該光 電二極體Ρ-型層29內η-型雜質的擴散作用而形成的。 同時於此單位單元中，當入射光進入由該η-型光電轉換 區域14及光電二極體ρ-型層29構成的光電二極體時，入 射光會於單一電荷堆積時段期間，在該η-型光電轉換區域 14及該光電二極體ρ-型層29落在該η-型光電轉換區域14 -18- 517388 五、發明説明（17 ) 底下之區域內產生電子-電洞對。於是所產生的電子會堆 積在形成於該η-型光電轉換區域14及該光電二極體p-型 層29落在該η-型光電轉換區域14底下一部分中的空乏層 內。 此時將其雜質濃度高於該光電二極體Ρ-型層29之基板 Ρ + -層26配置在該光電二極體ρ-型層29底下，指的是能 夠可靠地捕獲該光電二極體Ρ-型層29內已產生的光電子 中沿著基板方向擴散的電子，然後使之復合並殲滅掉。因 此如第8圖所示之單位單元會對電子的水平擴散提供比習 知設計更大的抑制作用。因此，能夠減少各畫素之間的交 叉失真現象並抑制影像解析度的耗損。此外，較之如第4 圖所示之單位單元，這種單位單元能夠在電子擴散上提供 更大的抑制作用並減小其交叉失真現象，因爲該周邊電路 Ρ-型層30係形成於各畫素的電晶體底下，且這種層的ρ-型雜質濃度是高於該光電二極體Ρ-型層29的雜質濃度。 第四實施例 如同第8圖的單位單元，將如第9圖所示根據本發明第 四實施例之固態成像裝置形成爲如第1圖所示之CMOS影 像感測器，並省略有關除了該單位單元之外各零件的結構 及作業的多餘解釋。另外，第9圖中以第8圖中相同之符 號標示出的零件都是和第8圖相同的零件。 這種單位單元與第8圖中單元之間的差異，是在該基板 p + -層26與該光電二極體ρ-型層29之間形成雜質濃度低 於該光電二極體p_型層29的ρ'層28，如同第二實施例 -19- 517388 心 18 、 五、發明説明（） 一般。較佳的是’該p、層2 8係藉由嘉晶成長法设於該基 板P + -層26上，而於相同的磊晶步驟內形成該周邊電路P-型層30，且能夠藉由離子植入法只將P-型雜質引進該光 電二極體p-型層29及該周邊電路p-型層30內的適當部分 內，如同第二實施例一般。另外，較佳的是用於該光電二 極體P-型層29的雜質剖面圖是與第二實施例中該p-型層 27的雜質剖面圖相同的。這裡，該基板p + -層26的雜質 濃度是例如落在從lxl〇18/cm3到lxl022/cm3的範圍內’ 該p'層28的雜質濃度是例如落在從lxl 014/cm3到1x1016 /cm3的範圍內，而該光電二極體p-型層29及該周邊電路 P-型層30的雜質濃度是例如落在從lxl016/cm3到lxlO22/ cm3的範圍內。不過，該光電二極體p-型層29的雜質濃 度是低於該周邊電路P-型層30的雜質濃度。該η-型光電 轉換區域14的雜質濃度是例如落在從lxl018/cm3到lxlO22 /cm3的範圍內。 同時於此單位單元中，.當入射光進入由該η-型光電轉換 區域14及光電二極體ρ-型層29構成的光電二極體時，入 射光會於單一電荷堆積時段期間，在該η-型光電轉換區域 14及該光電二極體ρ-型層29落在該η-型光電轉換區域14 底下之區域內產生電子-電洞對。所產生的電子會堆積在 形成於該η-型光電轉換區域14及該光電二極體ρ-型層29 落在該η-型光電轉換區域1 4底下區域中的空乏層內。此 時，出現在該光電二極體ρ-型層29底下而雜質濃度低於 該光電二極體ρ-型層29的層28會造成該光電二極體 -20- 517388 五、發明説明（19 ) P-型層29內所產生的電子傾向於會在具有低電位的這個 p_-層28內擴散。因爲形成了高濃度基板p + _層，故電子一 旦抵達該P_-層28則會可靠地爲該基板p + -層26所捕獲， 然後在沿著水平方向亦即沿著各相鄰單位單元的方向擴散 之前復合並殲滅掉。因此如第9圖所示之單位單元會對電 子的水平擴散提供比習知設計更大的抑制作用。結果，這 種單位單元能夠減少各畫素之間的交叉失真現象並抑制影 像解析度的耗損。此外，因爲該周邊電路P-型層30係形 成於各畫素的電晶體底下，且這種層的P-型雜質濃度是高 於該光電二極體P-型層29的雜質濃度，故這種單位單元 能夠爲電子擴散提供更大的抑制作用並將串話現象保持在 比第二實施例之單位單元更低的位準上。 雖則已於前述解釋中說明了本發明的各實施例，然而較 佳的是這類實施例中該基板P + -層26與該！Γ型層27或該 周邊電路P-型層30的接面位置不是太淺或者將會減低其 靈敏度並改變各電晶體特徵。較佳的是該接面位置是落在 從2微米到1 0微米亦即比習知設計之p-型位阱更深處。 換句話說，較佳的是該P-型層27或該周邊電路p-型層30 的厚度是落在從2微米到10微米，亦即包含該η-型光電 轉換區域14及表ρ + -層25的厚度。 吾人能夠藉由磊晶成長法將該基板Ρ + -層26本身形成於 某些型式的矽半導體基板上。使用這種藉由磊晶成長法製 成的基板Ρ + -層2 6的優點是減少瑕庇並排除雜訊。此例中 ，該基板較之落在比這個基板Ρ + -層更深處的各部分上具 -21- 517388 五、發明説明（2G ) 有任何雜質濃度，且吾人能夠藉由使用這種p-〇n-p +基板 實現上述目的。 雖則吾人已於上述實施例中說明了 一種具有位於光電二 極體表面之表面P + -層25的低噪訊「含插針」光電二極體 ，然而本發明並不受限於這種光電二極體結構且顯然可以 將之應用在該光電二極體表面上少了該表面P + -層25的光 電二極體上。 此外，本發明並不受限於上述CMOS影像感測器且顯然 能夠將之應用在一維的CMOS感測器（亦即「線形感測器」） 或是具有光電二極體結構的光電耦合子上。另外，本發明 在此架構內包含反轉上述各實施例中每一層之導電型式的 結構，例如一種使用基板n + -層、η-型層及p_型光電轉換 區域以取代基板P + -層、P-型層及η-型光電轉換區域且會 在空乏層內堆積電洞的結構。

如同前述解釋中所說明的，係於本發明的固態成像裝置 中，將具有第一導電型式的高濃度基板層亦即基板ρ + -層 形成於諸如Ρ-型層或光電二極體Ρ-型層之類具有第一導電 型式的半導體層底下。結果，能夠於該基板內可靠地捕獲 該半導體層內所產生的光電子中那些朝基板擴散的電子， 然後再使之復合並殲滅掉。因此會對電子的水平擴散提供 比習知設計更大的抑制作用，且能夠進一步減少各畫素之 間的交叉失真現象並抑制影像解析度的耗損。 另外，於提供有具第一導電型式之低雜質濃度半導體層 例如ρ_-層的結構中，該半導體層內所產生的電子會傾向 -22- 517388 五、發明説明（21 ) 於朝具有低電位的該低雜質濃度半導體層擴散。則會&胃 基板層內可靠地捕獲抵達該低雜質濃度半導體層@«子* ’ 然後在沿著水平方向散佈之前使之復合並殲滅掉。因此# 發明的裝置會對電子的水平擴散提供比習知設計更大的抑 制作用，且如是能夠進一步減少各畫素之間的交叉失真現 象，且必然地抑制了其影像解析度的耗損。此外此例中’ 只控制沿著該半導體層之深度方向的雜質分布，使吾人能 夠有效地只抑制其近紅外光靈敏度且不致減低其對可見光 之較短波長（從3 5 0奈米到5 50奈米）的靈敏度。 雖然吾人已依特定形式說明了本發明的各較佳實施例’ 不過這類說明僅供顯示之用，應該了解的是能在不偏離本 發明所附申請專利範圍之精神及架構下作各種改變及修正。 符號之說明 1 CMOS影像感測器 2 成像單位 3 時序產生器 4 垂直掃瞄單位 5 水平掃瞄單位 6 類比信號處理器 7 邏輯電路單位 8 類比/數位轉換器 9 數位信號處理器 10 介面 11 單位單元 -23- 517388 五、發明説明（22 ) 12 P -型基板 13 P-型位阱區域 14 η-型光電轉換區域 15 Ρ + -型隔離區域 16 絕緣氧化膜 17 閘極氧化膜 18 內夾絕緣膜 19 遮蔽膜 20 η + -型重設汲極區域 21 重設電晶體 22 驅動電晶體 23 電晶體 24 負載電晶體 25 表面Ρ + -層 26 基板Ρ+-層 27 Ρ-型層 28 Ρ、層 29 光電二極體Ρ-型層 30 周邊電路Ρ-型層 -24-

Claims (1)

1. 517388 ττ、申請專利範圍 1 · 一種固態成像裝置，包含： 基板層，由具有第一導電型式之半導體組成的； 半導體層，具有第一導電型式而配置於該基板層 上；以及 光電轉換區域，具有與第一導電型式相反之第二 導電型式而配置於該基板層上；其中該基板層的雜 質濃度是高於該半導體層的雜質濃度。 2 ·如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，進一步地包 含： 周邊電路半導體層，此周邊電路半導層係具有第一 導電型式且係形成於至少落在各畫素內之電晶體底 下的半導體層上，該周邊電路半導體層具有高於該 半導體層的雜質濃度。 3 ·如申請專利範圍第]項之固態成像裝置，其中該半 導體層內雜質的深度剖面圖是一退化的剖面圖。 4 ·如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，其中將從該 半導體上主要平面之表面到落在基板層側邊上之半 導體層表面的距離設定爲最小爲2微米而最大爲i 〇 微米。 5 · —種固態成像裝置，包含： 基板層’由具有第一導電型式之半導體組成的； 低雜質濃度半導體層，具有第一導電型式而配置 該基板層上； 半導體層’具有第一導電型式而配置於該低雜質 -- 35- 517388

   、申請專利範圍 濃度半導體層上；以及 光電轉換區域，具有與第一導電型式相反之第二 導電型式而配置於該半導體層上； 其中該基板層的雜質濃度是高於該半導體層的雜 質濃度’且該低雜質濃度半導體層的雜質濃度是低 於該半導體層的雜質濃度。

   6 .如申請專利範圍第5項之固態成像裝置，其中該低 雜質濃度半導體層的雜質濃度是低於該光電轉換區 域的雜質濃度。 7 ·如申請專利範圍第5項之固態成像裝置，其中係藉 由磊晶成長法至少形成該半導體層及該低雜質濃度 半導體層之一。 8 ·如申請專利範圍第5項之固態成像裝置，進一步地 包含：

   周邊電路半導體層，該周邊電路半導體具有第一 導電型式且形成於至少落在各畫素內之電晶體底下 的半導體層上，該周邊電路半導體層具有高於該半 導體層的雜質濃度。 9 ·如申請專利範圍第5項之固態成像裝置，其中該半 導體層內雜質的深度剖面圖是一退化的剖面圖。 1 0 ·如申請專利範圍第5項之固態成像裝置，其中將從 該半導體上主要平面之表面到落在基板層側邊上之 半導體層表面的距離設定爲最小爲2微米而最大爲 10微米。 26-