TWI382532B - 固態成像元件及成像裝置及其製造方法 - Google Patents

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Description

固態成像元件及成像裝置及其製造方法
本發明係關於一種用於偵測入射光之波長及強度的感測器。本發明亦有關一種固態成像元件。本發明進一步關於使用此一固態成像元件之成像裝置及其製造方法。
本發明包含有關2008年1月18日向日本專利局申請之日本專利申請案JP 2008-009474號之標的，其全部內容以引用方式併入本文中。
已實行一用於藉由單一光二極體獲得有關三個原色(RGB)之資訊的嘗試(參見，例如，USP第5,965,875號)。
如USP第5,965,875號中描述之光二極體具有一種像素的配置，其中各像素包括一在一矽基板上形成具有不同深度(0.2 μm、0.6 μm及2 μm)之三個擴散層的堆疊結構。因此，各像素具有一三層結構，其中該等層具有不同深度。此等層係設計以基於矽之透射特性分別透射及接收具有不同波長之光，即光之三個原色(RGB：紅色(R)、綠色(G)及藍色(B))。
例如，RGB之所有波長係自矽基板之表面入射在像素上且其全部係在頂部層中取得，除了藉由頂部層吸收之B以外的RG係在中間層取得，且除了藉由頂部及中間層吸收之BG以外的R係在底部層中取得。接著，在底部層取得之R的值係從在中間層取得之RG減去以獲得G之值。其後，R及G之值係從RGB的值中減去以獲得B的值。
光二極體係如以上描述般組態，以致藉由直接取得光之原色所獲得的影像可在儘管包括一單一晶片下產生。
以上光二極體係設計以在深度方向中自RGB取得各元件。然而，光二極體可能不改變用於捕獲電子之位置且進一步可使其電路組態複雜，造成設計靈活性不足。此外，每一像素持續產生關於個別色彩之資訊的獨立資料。因此，難以在一其中持續產生資料及獲得RGB特性之部分中自雜訊區分出正確資料。因此，可能需要複雜軟體以決定RGB特性。
在考慮以上所述時，已提出一種感測器，該感測器具有一對應於入射光的單一光二極體，其具有一用於藉由改變一閘極電壓來控制光二極體之電位深度之結構(參見，例如，日本未審定專利申請案公開案第2005-10114號)。該感測器改變閘極電壓以允許回應於閘極電壓改變用於捕獲藉由入射在光二極體上之光所產生的電子之深度，決定入射光波長及強度。
然而，如在日本未審定專利申請案公開案第2005-10114號中所述之感測器，係設計以允許光入射在具有設於其上的電極及一電路部分之成像元件的前側上。即，電路及類似者係在成像元件之光接收側上形成。因此，一用於入射光之開口區域可能狹窄，造成接收到之光的量減少。此外，其亦導致敏感度的減少。此外，一透明電極之使用導致對於在較短波長區(例如紫外光或藍色區)之光的敏感度 的極端減少。
需要提供一種能用一單一光二極體之高度敏感光譜測量的感測器，一固態成像元件，及一成像裝置及其製造方法。
根據本發明的一具體實施例提供一種感測器，其包括一半導體層，一在該半導體層中形成的光二極體，一在該光二極體上形成之雜質摻雜多晶矽層，及一將一閘極電壓施加於該多晶矽層的閘極電極。一佈線層係提供在該半導體層之一表面上且光係入射在其另一表面上。
根據本發明之另一具體實施例係提供一種固態成像元件，其包括像素及一由像素之二維配置形成的像素區。該像素包括一半導體層，一在半導體層內形成的光二極體，一在該光二極體上形成之雜質摻雜多晶矽層，及一將一閘極電壓施加至該多晶矽層的閘極電極。一佈線層係提供在該半導體層之一表面上且光係入射在其另一表面上。
根據本發明之進一步具體實施例係提供一種成像裝置，其包括一光學單元、一固態成像元件及一信號處理單元。該固態成像元件包括像素及一由該等像素之二維配置形成的像素區。該像素包括一半導體層，一在該半導體層內形成的光二極體，一在該光二極體上形成之雜質摻雜多晶矽層，及一將一閘極電壓施加至該多晶矽層的閘極電極。一佈線層係設於該半導體層之一表面上且光係入射在其另一表面上。
依據本發明之進一步另一具體實施例係提供一種製造一 成像裝置之方法，其包括以下步驟：形成一在該半導體層內的光二極體，形成一在該光二極體上之雜質摻雜多晶矽層，形成一將一閘極電壓施加至該多晶矽層的閘極電極。一佈線層係設於半導體層之一表面上且光係入射在其另一表面上。
根據本發明之一具體實施例的感測器包括一在該半導體層之一表面上的佈線層且光係入射在其另一表面上。因此，任何佈線層或透明電極未在該光二極體上形成。在延伸至紫外光區之各種範圍波長中的光譜特性可用高敏感度決定。此外，一彩色影像係從所得光譜特性中獲得。因此，根據本發明以上具體實施例之固態成像元件及成像裝置兩者可對於各種範圍波長高度地敏感。
根據本發明以上具體實施例，單一光二極體之使用允許光譜特性的高敏感決定。
在根據本發明之一具體實施例說明特定範例前，將會描述本發明之大綱。
根據本發明之一具體實施例係提供可實行光譜測量的成像元件。入射在半導體元件上之光進入半導體元件且欲經受光電轉換之光的波長取決於元件之表面的深度而變化。使用該光之此等特性，一閘極電極係設置在半導體元件中的一感測器上以實行一其中自光子轉換電子所累積的量子井結構之電位的可變控制，其允許光譜特性的測量。此外，一用於自測量到光譜特性獲得一彩色影像的固態成像 元件可使用此一感測器組態成為一像素。
首先，用於獲得關於入射在一半導體之表面上的光之波長的資訊之基本原理將參考圖1說明。
若光係入射在半導體上，則該光之能量hv在半導體中造成一電子-電洞對。在此，h指示Planck常數且v指光學頻率的數字。
此現象係由於光及半導體間之交互作用且取決於半導體之類型及光的波長。例如，若半導體係矽(Si)，則半導體具有約1.1 V之能帶隙Eg(禁帶)。因此，一相對於具有hv>Eg之入射光自價能帶至導電帶之電子的激發之發生將光改變成電子。此時，成為hv 0=hc/λ0=Eg之光的波長(λ0)係稱為一基本吸收末端，其提供欲在半導體中光電轉換之光波長的上限。例如，在矽之情況下λ0 1.0 μm。
此外，如圖1中所示，從其中吸收發生之區檢視，實際上入射在半導體上之光的強度係(1-R)．I0，其中I0指入射光的強度且R指在半導體的表面上之光的反射。若(I)係在離半導體表面之深度x的位置處之光的強度，且(I+dI)係在位置(x+dx)處之光的強度，則可定義滿足dI=-α．I．dx之吸收係數α。若積分該方程式，則所得方程式如下：[方程式1]I=Io(1-R)e -αx………(1)方程式(1)代表一在半導體之深度方向中的光學強度分布，其中一有效吸收區可幾乎高達x0=1/α。
其次，圖2表示入射在半導體上之光的能量(eV)及吸收係數α(cm-1)的波長相依。一光子之能量增加越高(波長越短)，吸收係數α之值增加越高。此外，有效吸收區變得淺。換句話說，在較短波長處之光可幾乎被吸收且在一接近半導體之表面的位置處進行光電轉換。反之，較長波長之光可達到離半導體之表面的更深位置且進行光電轉換。
根據本發明之一具體實施例，測量一藉由改變可收集藉由入射在半導體元件上之光所產生的電子(或電洞)的電位深度所產生之電流。此方法可獲得關於入射光之波長的資訊。
例如，若入射單色光，則直至光達到離半導體之表面的深度(位置)W所產生之電流可藉由計算決定。若光係入射在半導體上，則光強度可依指數地減少。因此，某一深度x處之光強度Φ可藉由以下方程式表示：
在公式中，Φ0指入射光的強度[w/cm2]且α指吸收係數[cm-1]。
接著，直至光達到深度W之吸收的比率可藉由以下方程式表達：
接著，產生直至光達到深度W的電流可藉由以下的方程式定義：
其中，S指一光接收部分的表面積[cm2]，hv指光之能量[J]，且q指一電子伏特[J]。
若具有兩種不同波長(λ1及λ2)之光線係分別用強度A1及A2同時入射，則一由於從一離半導體表面之區域至電子捕獲位置W1所產生電子的電流係電流I1。
其次，若一由於從一離半導體表面之區域至電子捕獲位置W2所產生電子的電流被測量到，且導致電流I2，則以上方程式(4)可藉由具有個別分開光線之波長的以下方程式表示：
方程式(5)中，A1及A2指入射光之強度[W/cm2]，S指光 接收部分的表面積(cm2)，W1及W2指電子捕獲位置[cm]，α1及α2表示在個別波長[cm-1]處之吸收係數，I1指當電子捕獲位置係W1時之觀察到電流位準[A]，且I2指當電子捕獲位置係W2時之觀察到電流位準[A]。此外，在方程式(5)中，v 1指示一可藉由v 1=c/λ1表達之頻率，且v 2指一可藉由v 2=c/λ2表達的頻率。在此，c指光速，S指一光接收單元之面積，hv指光之能量，且q指一電子伏特。此等參數除了入射光強度A1及A2以外係已知值。入射光強度A1及A2可藉由從此兩方程式解聯立方程式計算出。例如，聯立方程式可表示為如下：：
方程式(6)中之個別參數可表示如下：
例如，將入射光分成具有三個不同波長光之光線造成用於方程式(4)中之電子捕獲位置W3之電流I3的增加。其後，可進行如用於兩種波長的相同計算以將進入光分成三個不同波長。
同樣地，若入射具有100種不同波長的光，則測量可在改變電子捕獲位置100次時實行。
在此，將詳細說明本發明的具體實施例。
本發明之一具體實施例現將參考圖3中之方塊圖及圖4中之電路圖描述。換句話說，一配有一行並聯類比數位轉換器(ADC)之CMOS影像感測器係在圖3及圖4中說明。
如圖3及4中顯示，一固態成像元件10包括一像素區11、一垂直掃描電路18、一行並聯類比數位轉換器(ADC)15、一產生斜波之數位類比轉換器(DAC)19、一邏輯控制電路20及一數位輸出LVDS(低電壓差分發信號)介面(I/F)16。
像素區11包括複數個像素12。在此情況下，(例如)像素12可配置在一平面中之一矩陣內。另外，像素12係具有一感測器或類似者的功能且包括一光二極體，一雜質摻雜多晶矽層及一將一閘極電壓施加於多晶矽層的閘極電極。此外，像素區11包括每一行像素12一像素驅動線25及每一線像素12一垂直信號線24。像素區11中之各像素12可藉由在一行方向中延伸之像素驅動線25驅動。此外，一來自像素12之信號係一可輸出至在一線方向中延伸的垂直信號線24之類比信號。
行並聯類比/數位轉換器(行並聯ADC)15包括一比較器21及一計數器23。比較器21在一自DAC 19產生之斜波及一來自各像素12之類比信號間進行比較。接著，計數器23可為一可逆計數器，其計數一需用於藉由比較器21完成比較之時間週期且保留其結果。
具有一內建鎖相迴路(PLL)17之計數器23(其係可逆計數器)可依高速度操作以產生一高速計數時脈。
此外，係配置用於順序地自像素區11讀出信號之控制電路，其包括一用於產生一內部時脈之邏輯控制電路20及一用於控制一線位址及一線掃描之垂直掃描電路18。
數位輸出LVDS介面(I/F)16處理一來自行並聯ADC 15的信號且接著自其輸出結果。例如，其可僅實行緩衝或可實行一黑位準的調整，線變化之校正，各種數位信號的處理等等。
此外(但未在圖式中明確地說明)可配置各種類之信號處理的其他額外電路。
在本具體實施例中(如以上描述)，行並聯ADC 15係由比較器21及計數器(可逆計數器)23形成。在此，可逆計數器較佳係一能用一單一計數控制時脈高速操作之異步可逆計數器。
可逆計數器因為其許多優點(例如電路之簡化、高速操作等等)而具有一用於本具體實施例之較佳組態。或者，計數器可加倍地實施以取代可逆計數器或計數器可能不為行並聯且由一加倍記憶體元件形成。
其次，圖5說明本具體實施例之一固態成像元件的一像素區及一周邊電路。
如圖5中顯示，一由具有約10 μm至20 μm厚度之矽(Si)或類似者製成的半導體31，係藉由化學機械拋光(CMP)拋光一晶圓形成。此一厚度之較佳範圍係用於可見光之5 μm 至15 μm，用於紅外光的15 μm至50 μm，及用於紫外光之3 μm至7 μm。在半導體層31之一側上，一由SiO2或類似者製成之絕緣層32及一光阻蔽膜33係形成具有一在其間之雜質摻雜多晶矽(poly-Si)層35。此外，一閘極電極Vg係形成在雜質摻雜多晶矽(poly-Si)層35上。在此，閘極電極Vg係由如層35之相同雜質摻雜多晶矽製成。
光阻蔽膜33僅依一光學因素考慮係佈線且配置不同。一開口33A係形成在光阻蔽膜33中。另外，一鈍化膜34(例如氮化矽膜(SiN))係在光阻蔽膜33上形成。此外，一微透鏡36係在開口33A上形成。
換句話說，入射在半導體層31之一側上的光係透過微透鏡36導至一在半導體層31中形成的光二極體37(其以後將描述)之光接收表面。此外，半導體層31之另一側係具有一佈線層38，其中形成一電晶體及一金屬線路。此外，一基板支撐部件39係附接至佈線層38之下側。
根據先前技術之CMOS影像感測器使用一前面照明類型像素結構，其中半導體層之佈線層側係其頂部側且入射光係接著允許從佈線層側導入。反之，本具體實施例之CMOS影像感測器使用一背部照明類型像素結構，其中入射光從半導體之背部(即與佈線層38相反的表面)進入。如從背部照明像素結構可明顯，僅有光阻蔽膜33提供為在微透鏡36及光二極體37間之金屬層。此外，離光二極體37之光阻蔽膜33的高度比絕緣層32之膜厚度(例如，0.5 μm)更低。因此，可收集光而不受金屬層限制。
此外，閘極電極Vg在個別光感測器上施加相等電位。閘極電極Vg可在各光感測器部分上形成。或者，一閘極電極Vg可提供用於覆蓋所有光感測器。此外，閘極電極Vg係形成在一光入射側上。
圖6係一說明半導體層31之井結構的範例之斷面圖。在圖式中，如圖5之結構元件的相同結構元件係藉由相同參考數字指定。
在此範例中，半導體層31包括N型第一導電類型雜質基板41。如以上描述，半導體層31之厚度對於可見光較佳係5 μm至15 μm。因此，例如，層31具有一10 μm的厚度以有效地實行可見光的光電轉換。在半導體層31之一末端處，一淺P+型第二導電類型雜質區42覆蓋像素區的整個表面。一像素分開區域係用一深P井型第二導電類型雜質區43形成，及在半導體層31之一側處連接至P+型第二導電類型雜質區42。
光二極體37之N型第一導電類型雜質區30係使用一N型第一導電類型雜質基板41形成，而不形成一P井型第二導電類型雜質區。N型第一導電類型雜質區30係用於光電轉換的一區。此一區的區域小且雜質之濃度低，因此其可完全空乏。此外，係形成一用於累積信號電荷(此具體實施例中的電子)的P井型第二導電類型雜質區44。此外，欲提供為一嵌入式光二極體之N-型第一導電類型雜質區45係在以上區44上形成。此外，一絕緣層32及一雜質摻雜多晶矽層35係在半導體層31上形成。此外，一閘極電極Vg係在雜 質摻雜多晶矽層35上形成。
如以上描述，本具體實施例的感測器係由閘極電極Vg、多晶矽層35、絕緣層32及光二極體37構成。此外，光二極體37包括P+型第二導電類型雜質區42、N型第一導電類型雜質區30、P井型第二導電類型雜質區44及N-型第一導電類型雜質區45。換句話說，該感測器包括之光二極體37具有一P+NPN接合結構，在光二極體37上形成之多晶矽層35，及在多晶矽層35上形成用於施加一閘極電壓至其的閘極電極Vg。
一彩色影像係從用以上感測器決定之光譜特性獲得。因此，可用以上感測器之組態作為固態成像元件的一像素區。
根據光二極體之以上結構，過量信號電荷之放電處(溢位汲極)不在如光二極體的相同平面上而係在半導體基板的背側上。因此，無須在半導體元件之表面上形成一溢位功能元件，以致光二極體的表面區域可增加得更多。光二極體之組態允許增加入射光的利用效率，增強一成像元件的敏感度。此外，光二極體之組態能增加可在光二極體中累積之信號電荷量。此外，以上光二極體之組態防止該光二極體累積藉由具有一長波長之光從基板的深度所產生的電子。此可抑制一稱為污跡之現象，或一用高強度在一主體影像的上及下部分上產生白色條紋型雜訊的現象(當以上電子的部分係與傳輸中信號電荷混合時造成)。
此外，如圖6中顯示，光二極體37係形成以致光接收表 面之側上的其表面區域可能比佈線層38的該側上更寬。因此，開口33A變得大，有效地收集入射光。一傳送電晶體46傳輸信號電荷(其係藉由光二極體37光電轉換接著在P井型第二導電類型雜質區44中累積)至N+型第一導電類型雜質區之浮動擴散區(FD)47。光二極體37及FD 47係藉由P-型第二導電類型雜質區電分開。
不同於像素中之傳送電晶體46之其他電晶體60典型地係形成在一深P井型第二導電類型雜質區43上。另一方面，在周邊電路區上，一P井型第二導電類型雜質區49係形成在可不達到背側上之P+型第二導電類型雜質區42的深度處。此外，一N井第一導電類型雜質區50係在P井第二導電類型雜質區49的內側上形成。接著，一CMOS電路係在P井第二導電類型雜質區49及N井第一導電類型雜質區50上形成。
一使用以上感測器之固態成像元件係一背部照明成像元件，例如CCD或CMOS。因此，(例如)圖7說明一在入射光之波長(nm)及量子效率(光電轉換效率)(%)間之關係的範例。背部照明成像元件之敏感度高於前面照明的敏感度，因為用於自光二極體讀出電荷之電路或類似者係未設於光入射側上。此外，前面照明成像元件所需之透明電極可能不需要，因此背部照明成像元件將具有從紫外光至紅外區之一寬波長區處的高量子轉換效率。
使用以上感測器之固態成像元件經組態用以用一來自閘極電極Vg之閘極電壓中的改變實行量子井電位的電壓控 制。成像元件因為其背部照明而具有在深度方向中之波長的相依及高敏感度。
以上影像感測器係回應於垂直讀出而藉由改變閘極電壓來驅動。現將描述藉由驅動成像元件實行入射光之光譜測量方法的範例。
係提供一透射光且可用以上描述的電壓施加之雜質摻雜多晶矽膜。
首先，(例如)一伏特之閘極電壓係施加於雜質摻雜多晶矽膜且接著透過其通過的電流被讀出。
其次，將兩伏特之一閘極電壓施加於多晶矽膜且接著透過其通過之電流被讀出。
其次，將五伏特之一閘極電壓施加於多晶矽膜且接著透過其通過之電流被讀出。
其次，基於如以上描述所測量之電流值，在各波長處之入射光的強度係從以上方程式(2)計算出。
例如，當可見區具有一從400 nm延伸至700 nm之300 nm波長寬度時，若成像元件具有10 nm之單元解析度，光譜特性可藉由讀出30次連同一取決於解析度之電壓中的改變獲得。此外，解析度增加的越高，光譜特性之精度可增加得越多。例如，因為目前視為高速之影像感測器具有每秒約300圖框(300 fps)之像素計數，約10 fps可導致光譜特性的決定。
此外，一彩色影像可藉由來自所獲得光譜特性之色彩的再生獲得。因此，可設計一固態成像元件而無須任何濾色 器。應用的範圍可進一步藉由加速及增強影像處理能力而延伸。因此，例如其可應用至一汽車設置相機或類似者。
其次，一根據本發明之一具體實施例製造固態成像元件的方法將會參考圖8至圖12中所說明的方法圖描述。在此等圖式中，在圖5中說明之區的部分將用作一範例且將僅在此描述其主要事宜。
在以下描述中，一厚絕緣體上半導體(SOI)基板係用作基板。
首先，如圖8A中顯示，所使用之半導體層31係一矽部分或類似者，其係形成在由矽或類似者製成具有一由嵌入式氧化膜或類似者之絕緣膜52在中間之基板53上。換句話說，本具體實施例之固態成像元件中的半導體基板係一設置在基板之部分上的半導體區。較佳係，矽部分的厚度t(在使用SOI基板之半導體層31的情況下係相對較厚)較佳係(例如)10 μm至20 μm。此外，半導體層31係一第一導電率型類型，例如N型。
在一薄絕緣層51藉由熱氧化形成在半導體層31表面上後，一P井型第二導電類型雜質區43係藉由植入一例如硼之雜質形成。因此，當從該表面執行離子植入至半導體層31之一相對較深區時，較佳係用一可處置百萬電子伏特之高能量離子植入裝置實行離子植入。
第二導電類型雜質區43可在一格狀平面中依相等間隔配置。
其次，如圖8B中顯示，除了第二導電類型雜質區43以外 具有一不達到絕緣膜52之深度的一區係經受一N型第一導電類型雜質之離子植入，以待提供為一光接收部分的下部分，從而形成N型第一導電類型雜質區30。此外，在此情況下，如以上第二導電類型雜質區43，離子植入係用可處置百萬電子伏特之高能量離子植入裝置實行。
離子植入係實行以植入離子進入一開口33A中，而在依以上方法中之格狀中配置第二導電類型雜質區43。因此，第一導電類型雜質區30可依相等間隔配置。
在此情況下，離子植入可造成一在接近彼此相鄰像素間之表面的一區域上的損害。因此，較佳係用一具有小原子量之離子種類(例如磷離子)以減少在彼此相鄰像素間之損害的程度中之差異。
另一方面，為了收集電子至光接收部分的第一表面31A的電子，或校正至佈線電路側，較佳係設計離子植入以致雜質濃度在第一側31A處增加。因此，較佳係在實行離子植入時增加在第一側31A處之劑量若干倍。
其次，如圖9A中顯示，係形成一元件分開區54。在此，係使用淺溝渠隔離(STI)。換句話說，元件分開係藉由在一由矽或類似者製成之半導體層31中挖出一開口來實行，且該開口係接著用SiO2或類似者嵌入。在該方法中，係有一使半導體層31經受約950℃之高溫的步驟，其分散大量在先前步驟中植入的離子。其後，如圖9B中顯示，一閘極電極55係透過絕緣層51在半導體層31上形成。
其次，如圖9C中顯示，係形成在光接收部分之第一表面 31A的側上之結構。在此情況下，一第二導電率型類型硼離子或類似者被植入進入第一側31A上的一區中以形成一P井型第二導電類型雜質區44。接著，閘極電極55之側壁(未顯示)係形成及在此情況下一第一導電率型類型之N型砷離子被注入且接著用低分散活化，同時通過在約850℃之溫和加熱步驟。結果，可形成N-型第一導電類型雜質區45。一電晶體之源極汲極(未顯示)亦可在此方法位置上形成。
其次，如圖10中顯示，佈線層57及58係透過一絕緣間層56在閘極電極55上形成，附接一由具有如苯環丁烯(BCB)樹脂之黏著劑59的矽或類似者製成之基板支撐部件39。
其後，半導體層31(或SOI基板)係倒轉。SOI基板53及由嵌入式氧化膜形成的絕緣層52藉由拋光移除且蝕刻以曝露半導體元件31的第二側31B。此外，如圖11中顯示，一薄保護氧化膜係形成在第二側31B上之表面上且硼離子或類似者係接著植入進入第二側31B上的表面裡，之後藉由用雷射退火或類似者活化以形成一P+型第二導電類型雜質區42。此外，一絕緣膜32係形成且堆疊在P+型第二導電類型雜質區42上。
此外，一雜質摻雜多晶矽層35係堆疊在絕緣層32上。一閘極電極Vg係在多晶矽層35之部分上形成。
之後，如圖中12顯示，(例如)氮化矽膜(SiN)或類似者係用於形成一在第二側31B上之絕緣層32之上的鈍化膜34。其後，微透鏡36係在鈍化膜34上形成。此等微透鏡36係形 成在對應於第一導電類型雜質區45、第二導電類型雜質區44及第一導電類型雜質區30之位置上，其依實質上相等間隔構成一光接收部分。
根據以上製造方法，可製造本具體實施例的固態成像元件。
根據本發明之一具體實施例的成像裝置100可使用根據以上描述之本發明的具體實施例之固態成像元件如圖13中所示製造。如圖13中說明之成像裝置100係組態成為具有成像功能之任何電子裝置，例如行動電話、數位靜態相機及攝錄影機。成像裝置100包括一光學單元101、一固態成像元件102及一信號處理單元103。成像裝置亦100包括一暫時儲存單元105、一顯示元件106、一儲存元件107、一操作單元108及一電源單元109，其係例如透過傳輸匯流排線104連接至一信號處理單元103。
光學單元101包括各種類的透鏡、一快門、一孔徑及類似者且將一主體之影像導至固態成像元件102。在此，根據以上所述具體實施例之固態成像元件102係包括且光電轉換透過光學單元101形成一影像的主體光成為欲輸出之信號。信號處理單元103包括一數位信號處理器(DSP)，其實行數位信號的處理。信號處理單元103在自固態成像元件102輸出之影像信號上實行處理，如格式化或類似者，其轉換信號成用於顯示或記錄之資料。
暫時儲存單元105包括一隨機存取記憶體(RAM)及暫時儲存一藉由信號處理單元103處理的影像資料。顯示元件 106包括一液晶顯示器或類似者及顯示一藉由以上信號處理單元103處理的影像資料。儲存元件107可為快閃記憶體、可抹除可程式化ROM(EPROM)、硬碟(HD)，其儲存影像資料。操作單元108包括一快門按鈕、各種功能鍵、游標鍵及類似者，用於輸入來自外部之控制信號，以控制成像裝置100的操作。電源單元109供應用於操作之電力至成像裝置100的個別單元。
因為成像裝置100包括前述具體實施例之因態成像元件以實行具有依相等間隔取樣之信號處理。因此，可避免複雜信號處理。
此外，成像裝置100之組態不限於以上描述。成像裝置100可形成具有任何各種組態。
如以上描述，本具體實施例之感測器以及各使用此一感測器的固態成像元件及成像裝置使用一背部照明感測器或一成像元件以允許依高敏感度廣泛地測量光譜特性。
在根據先前技術之前面照明成像元件的情況下，一電極及一電路單元係設置在一光入射於其上之光二極體的側上。因此，開口表面係窄。此外，相對於具有更短波長之紫外光或藍色光，使用一透明電極導致在敏感度中的相當大的減少。反之，本具體實施例之背部照明成像元件具有高敏感度，因為在光入射側不提供電極及電路單元，特別是改進在更短波長處的光譜特性。
因此，可在包括紫外光區之各種波長範圍處決定光譜特性。此外，其可用作一用於以與光譜相同精度測量之感測 器。
此外，根據先前技術之感測器藉由每一秒之一百八十分之一改變一閘極電壓來改變用於捕獲電子的深度。反之，與先前技術比較，使用根據如以上所述之本發明具體實施例的感測器能縮短測量時間，從而以高速實現光譜處理。
此外，將以上所述感測器用作一像素區導致使用光譜特性組態一可獲得彩色影像的固態成像元件。在此情況下，因為使用本具體實施例的感測器，可能不需要任何濾色器。此外，可使色彩從光譜特性重製而無限制。
此外，與根據先前技術之點測量或線測量相比，使用如以上所述感測器使其可在一如二維測量的平面上實行光譜測量。
此外，感測器係一背部照明類型。因此，無須考慮光接收表面之任何佈線設計。因此，設計像素區之佈線的靈活性增加，允許像素小型化。
此外，該方法設計係用一高精度之程度實現以使其可用高精度之程度實現方法設計，其允許高速成像。因此，以上成像裝置可應用於所有感測器及成像元件。
本發明不限於前述組態且可在不脫離本發明之依據下以各種其他形式體現。
習知此項技術者應瞭解，可取決於設計要求及其他因素進行各種修改、組合、次組合及變更，只要其係在隨附申請專利範圍或其等效內容的範疇內即可。
10‧‧‧固態成像元件
11‧‧‧像素區
12‧‧‧像素
15‧‧‧行並聯類比數位轉換器/ADC
16‧‧‧數位輸出LVDS介面(I/F)
17‧‧‧內建鎖相迴路/PLL
18‧‧‧垂直掃描電路
19‧‧‧數位類比轉換器/DAC
20‧‧‧邏輯控制電路
21‧‧‧比較器
23‧‧‧計數器
24‧‧‧垂直信號線
25‧‧‧像素驅動線
30‧‧‧N型第一導電類型雜質區
31‧‧‧半導體層
31A‧‧‧第一表面/第一側
31B‧‧‧第二側
32‧‧‧絕緣層
33‧‧‧光阻蔽膜
33A‧‧‧開口
34‧‧‧鈍化膜
35‧‧‧雜質摻雜多晶矽(poly-Si)層
36‧‧‧微透鏡
37‧‧‧光二極體
38‧‧‧佈線層
39‧‧‧基板支撐部件
41‧‧‧N型第一導電類型雜質基板
42‧‧‧P+型第二導電類型雜質區
43‧‧‧P井型第二導電類型雜質區
44‧‧‧P井型第二導電類型雜質區
45‧‧‧N-型第一導電類型雜質區
46‧‧‧傳送電晶體
47‧‧‧浮動擴散區/FD
49‧‧‧P井型第二導電類型雜質區
50‧‧‧N井第一導電類型雜質區
51‧‧‧絕緣層
52‧‧‧絕緣膜/絕緣層
53‧‧‧基板
54‧‧‧元件分開區
55‧‧‧閘極電極
56‧‧‧絕緣間層
57‧‧‧佈線層
58‧‧‧佈線層
59‧‧‧黏著劑
60‧‧‧電晶體
100‧‧‧成像裝置
101‧‧‧光學單元
102‧‧‧固態成像元件
103‧‧‧信號處理單元
104‧‧‧傳輸匯流排線
105‧‧‧暫時儲存單元
106‧‧‧顯示元件
107‧‧‧儲存元件
108‧‧‧操作單元
109‧‧‧電源單元
圖1係說明一用於獲得關於入射在一半導體之表面上的光之波長的資訊之基本原理的圖式。
圖2係一說明一入射在半導體上之光的能量及吸收係數α的波長相依之圖式。
圖3係一說明根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的方塊圖。
圖4係一說明根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的電路組態之示意圖。
圖5係一說明根據本發明之一具體實施例的固態成像元件之一像素區及一周邊電路之組態的斷面圖。
圖6係一說明在圖5中顯示之半導體層的組態之範例的斷面圖。
圖7係一說明在背部照明及前面照明成像元件兩者之波長及量子效率間之關係的圖表。
圖8A及8B係說明製造根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的方法之斷面圖，其中圖8A及圖8B說明不同步驟。
圖9A至9C係說明製造根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的方法，其中圖9A、圖9B及圖9C說明不同步驟。
圖10係一說明製造根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的方法之斷面圖。
圖11係一說明製造根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的方法之斷面圖。
圖12係一說明製造根據本發明之一具體實施例的固態成像元件的方法之斷面圖。
圖13係一說明根據本發明之一具體實施例的成像裝置之組態的示意圖。
30‧‧‧N型第一導電類型雜質區
31‧‧‧半導體層
32‧‧‧絕緣層
35‧‧‧雜質摻雜多晶矽(poly-Si)層
37‧‧‧光二極體
41‧‧‧N型第一導電類型雜質基板
42‧‧‧P+型第二導電類型雜質區
43‧‧‧P井型第二導電類型雜質區
44‧‧‧P井型第二導電類型雜質區
45‧‧‧N-型第一導電類型雜質區
46‧‧‧傳送電晶體
47‧‧‧浮動擴散區/FD
49‧‧‧P井型第二導電類型雜質區
50‧‧‧N井第一導電類型雜質區
60‧‧‧電晶體

Claims (3)

  1. 一種固態成像元件，其具備形成有像素部之像素區及週邊電路區，且包含：像素，其包括光二極體，該光二極體形成於第一導電類型雜質基板，且具有堆疊有第一導電類型雜質區、第二導電類型雜質區、第一導電類型雜質區及第二導電類型雜質區之構造；摻雜有雜質之多晶矽層，其係在該光二極體上形成；及閘極電極，其施加閘極電壓至該多晶矽層，且形成於該像素區外之該多晶矽層上；該像素部，其二維配置有前述像素；及該週邊電路區，其包括形成於該第一導電類型雜質基板中之第二導電類型井、形成於該第二導電類型井中之第一導電類型井及形成於該第一導電類型井中之CMOS電路；該第一導電類型雜質基板之一表面具有佈線層，另一表面係光之入射側。
  2. 一種成像裝置，其包含：成像光學單元、固態成像元件及信號處理單元；該固態成像元件係具備形成有像素部之像素區及週邊電路區之固態成像元件，且包括：像素，其包括：光二極體，該光二極體形成於第一導電類型雜質基板，且具有堆疊有第一導電類型雜質區、第二導電類型雜質區、第一導電類型雜質區及第二導電類型雜質區之構造；摻雜有雜質之多晶矽層，其係在該 光二極體上形成；及閘極電極，其施加閘極電壓至該多晶矽層，且形成於該像素區外之該多晶矽層上；該像素部，其二維配置有前述像素；及該週邊電路區，其包括形成於該第一導電類型雜質基板中之第二導電類型井、形成於該第二導電類型井中之第一導電類型井及形成於該第一導電類型井中之CMOS電路；該第一導電類型雜質基板之一表面具有佈線層，另一表面係光之入射側。
  3. 一種製造成像裝置的方法，該成像裝置具有固態成像元件，該固態成像元件具備：形成有像素部之像素區、及週邊電路區之固態成像元件；前述方法包含以下步驟：二維配置像素，形成該像素部；形成該週邊電路區，其包括形成於該第一導電類型雜質基板中之第二導電類型井、形成於該第二導電類型井中之第一導電類型井及形成於該第一導電類型井中之CMOS電路；配置該像素之步驟包括：在該第一導電類型雜質基板形成光二極體，其具有堆疊有第一導電類型雜質區、第二導電類型雜質區、第一導電類型雜質區及第二導電類型雜質區之構造；在該光二極體上形成摻雜有雜質之多晶矽層；及在像素區外之該多晶矽層上形成閘極電極，其將閘極電壓施加至該多晶矽層；該第一導電類型雜質基板之一表面具有佈線層，另一 表面係光之入射側。
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