TWI462281B - Built-in electronic multiplier functional solid-state imaging device - Google Patents

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TWI462281B
TWI462281B TW099102711A TW99102711A TWI462281B TW I462281 B TWI462281 B TW I462281B TW 099102711 A TW099102711 A TW 099102711A TW 99102711 A TW99102711 A TW 99102711A TW I462281 B TWI462281 B TW I462281B
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Hisanori Suzuki
Yasuhito Yoneta
Shinichiro Takagi
Kentaro Maeta
Masaharu Muramatsu
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

內建電子倍增功能型之固體攝像元件
本發明係關於內建電子倍增功能型之固體攝像元件者。
先前，具有倍增暫存器之固體攝像元件(例如，參考下述專利文獻1~3)已為人所知。在如此之固體攝像元件中，係將由攝像區域讀取之電荷經由水平移位暫存器傳送至倍增暫存器。倍增暫存器具備有形成於半導體層上之絕緣層、與形成於絕緣層上之傳送電極，在對於某電極(DC電極)施加直流電位固定之狀態下，若使次段之傳送電極(倍增電極)之電位大幅上升，則在該等之電極間之電荷傳送期間，可進行電子倍增。
先行技術文獻 特許文獻
專利文獻1：日本發明專利3862850號公報
專利文獻2：日本特表2007-533130號公報
專利文獻3：日本特開2001-127277號公報
然而，發明人等等潛心研究上述之構造之倍增暫存器之結果發現，為在提高對於光之感光度下兼又提高解析度，在使用具高電阻之磊晶層之基板之情況時，幾乎無法進行電子倍增。
本發明之目的在於提供一種即使使用具有高電阻之磊晶層之基板，亦可充分進行電子倍增的內建電子倍增功能型之固體攝像元件。
為解決上述之問題，本發明之內建電子倍增功能型之固體攝像元件之特徵在於：具備P型半導體基板；於半導體基板上生長之P型磊晶層；形成於磊晶層內之攝像區域；具有形成於磊晶層內之N型半導體區域並傳送來自攝像區域之信號之水平移位暫存器；及形成於磊晶層內之P型阱區域；N型之上述半導體區域係延伸至阱區域內，阱區域內之P型雜質濃度高於磊晶層內之P型雜質濃度，在阱區域中，形成有倍增來自水平移位暫存器之電子之倍增暫存器。
磊晶層已知其結晶性優良。因此，在P型磊晶層形成N型半導體區域之情況時，由於在水平移位暫存器之電子係在結晶性優良之半導體內傳送，故電子傳送可高精度地進行。如此傳送之電子係流入倍增暫存器內，而在倍增暫存器之周圍，存在有濃度相對高於磊晶層之P型阱區域。發明人等發現在如此之情況時，倍增暫存器之傳送電極正下方之電位變化會變得急劇，使電子倍增率顯著提高。
又，倍增暫存器宜為具備形成於阱區域內之N型之上述半導體區域；形成於上述半導體區域上之絕緣層；毗連於該絕緣層上而形成之複數個傳送電極；及配置於傳送電極間，被施加直流電位之DC電極。
即，在被施加直流電位之DC電極，與次段之傳送電極(倍增電極)之間的N型半導體區域內之電位變化會變得急劇，電子倍增顯著地進行。
又，上述絕緣層宜為僅由單一之SiO2 層構成。絕緣層係以提高其機械耐性與電性耐壓作為目的，宜為採用Si3 N4 層與SiO2 層之2層構造。然而，與起初之預想相悖，使用如此之絕緣層之情況時，倍增暫存器之增益會劣化。另一方面，絕緣層僅由單一之SiO2 層構成之情況時，卻會得到不會發生增益之劣化之超出預想的結果。
根據本發明之內建電子倍增功能型之固體攝像元件，即使使用高電阻之磊晶層，亦可充分地進行電子倍增。
以下，就實施形態之內建電子倍增功能型之固體攝像元件進行說明。再者，相同之要素係使用相同之符號，而省略重複之說明。
圖1係背面入射型之固體攝像元件100之平面圖。
在半導體基板上形成有絕緣層2，在絕緣層2之表面上形成有複數個垂直電荷傳送電極，該等部份構成垂直移位暫存器。形成有垂直移位暫存器之區域為攝像區域VR，本例之情況為CCD攝像區域。再者，攝像區域VR亦可包含MOS型影像感應器。
在攝像區域VR之一邊，毗連設置有水平移位暫存器HR，在從水平移位暫存器HR至倍增暫存器EM之電荷傳送路徑內，配置有角形暫存器CR。角形暫存器CR之構造雖與水平移位暫存器HR相同，但電荷傳送方向以描繪圓弧的方式彎曲。在倍增暫存器EM之輸出端，電性連接有放大器AMP，從放大器AMP之輸出端子OS所獲得之圖像信號係逐個像素依序讀取。
形成有絕緣層2之半導體基板之背面側之中央部被蝕刻成矩形，並形成有凹部DP。形成有凹部DP之側為基板之背面，且影像係入射至固體攝像元件之背面側。
圖2係圖1所示之固體攝像元件之II-II箭頭剖面圖。
固體攝像元件100包含有P型半導體基板1A；於半導體基板1A上生長之P型磊晶層1B；形成於磊晶層1B內之攝像區域VR；及形成於磊晶層1B內之N型半導體區域1C，並構成埋入通道型CCD。光像hv 係從基板背面側入射。半導體基板1A係從背面側經蝕刻而構成凹部DP。再者，將包含半導體基板1A、磊晶層1B及半導體區域1C之整體設為半導體基板1。在半導體基板1上形成有絕緣層2，且在絕緣層2上設置有傳送電極3。在磊晶層1B之一部分形成有P型接觸區域1G，在接觸區域1G設置有電極E1。若對電極E1施與接地電位等之基準電位，則可決定P型半導體基板1A與磊晶層1B之電位。
在攝像區域VR中，所傳送之電子在垂直於圖2之紙面之方向行進。再者，在N型半導體區域內，形成有包含沿著電荷傳送方向延伸之複數個P型半導體區域之隔離區IS(參照圖4)，而將垂直移位暫存器之各通道區隔，為使說明簡略化，在同圖中未顯示隔離區區。
圖3係圖1所示之固體攝像元件之III-III箭頭剖面圖。
設置於攝像區域VR之傳送電極3A、3B係交替配置，該等電極一部分區域重疊，絕緣層5係介存於毗連之傳送電極3A、3B之間，並電性分離。來自攝像區域VR之信號係藉由水平移位暫存器HR傳送。又，倍增暫存器EM(在同圖中僅將電極群作為EM而模式性顯示)位於水平移位暫存器HR之附近。在倍增暫存器EM之位置之磊晶層1B內，形成有P型阱區域1D，N型半導體區域1C亦延伸至阱區域1D內。阱區域1D內之P型雜質濃度高於磊晶層1B內之P型雜質濃度。
半導體基板1包含形成有凹部DP之薄板部、與其周圍之厚板部。在厚板部中，因光之入射而在內部產生之載子係在到達表面側之前消滅。尤其是半導體基板1A之P型雜質濃度由於較磊晶層1B為充分高之濃度，故載子之行經距離亦縮短。水平移位暫存器HR、角形暫存器CR(參照圖1)及倍增暫存器EM至少形成於薄板部之外側之區域，宜為形成於厚板部之區域。因此，在厚板部產生之載子不會混入該等之暫存器內。
圖4係顯示固體攝像元件之詳細之連接關係之平面圖。
攝像區域VR具備有沿著垂直方向交替配置之垂直傳送電極3A、3B。各傳送電極3A、3B係於水平方向延伸，毗連者彼此若干重疊。在本例中，對傳送電極3施加3相之驅動電壓(P1V、P2V、P3V)。藉由該驅動電壓之施加，蓄積於傳送電極正下方之電子係於垂直方向傳送。再者，在同圖中，顯示有FFT(全景)方式之CCD，其亦可替換成進一步包含蓄積區域之FT(全傳)方式之CDD，或IT(隔行(掃描))方式之CCD。
在攝像區域VR，形成有用於分離各垂直電荷傳送通道CH1~CH10之P型隔離區IS。在構成攝像區域VR之通道CH1~CH10中，應答於光之入射而產生之電荷係朝垂直方向傳送，且就每個通道流入水平移位暫存器HR之各傳送電極6之正下方。
再者，在攝像區域VR與水平移位暫存器HR之間，設置有被施與閘極電壓TG之傳送電極(轉移閘)，藉由控制閘極電壓TG，可控制從攝像區域VR流入至水平移位暫存器HR之電荷量。
構成水平移位暫存器HR之傳送電極6A、6B沿著水平方向交替配置，且一部分重疊。再者，在任一者之暫存器中，在毗連之傳送電極3A、3B、6A、6B、7A、7B、8A、8B之間，均介存有形成於絕緣層2上之絕緣層5(參照圖5)，且該等絕緣層電性分離。對傳送電極6施加3相之驅動電壓(P1HA、P2HA、P3HA)，且傳送電極6正下方之電子於水平方向傳送。在水平移位暫存器HR上，連接有圓弧狀彎曲之角形暫存器CR。構成角形暫存器CR之傳送電極7A、7B沿著圓弧交替配置，且一部分重疊。對傳送電極7施加與施加於水平移位暫存器者相同之3相之驅動電壓(P1HA、P2HA、P3HA)，且傳送電極7之正下方之電子係沿著圓弧傳送至倍增暫存器EM。
在倍增暫存器EM中，係將傳送電極8A、8B沿著水平方向交替配置，且一部分重疊。對傳送電極8施加3相之驅動電壓(P1HB、P2HB、P3HB)，且傳送電極8之正下方之電子係於水平方向傳送。在4個成一組之傳送電極8中，對3個傳送電極施加驅動電壓，對其餘之1個傳送電極8施加作為DC電極之直流電位DCB。在本例中，具有於水平方向依序毗連之4個成一組之傳送電極8，即第1、第2、第3、第4傳送電極8之情況時，將位於第2者設為DC電極，對其施加直流電位DCB。
對傳送電極8所施加之電位為正電位，對第1傳送電極8施加適當之正電位(P1HB)，並加深勢阱(提高電位：參照圖7)，在該阱內預先蓄積電子。對第3傳送電極8亦施加大的正電位(P2HB之最大值>P2HA之最大值)，加深勢阱，且施加於第2傳送電極8之一定之電位(DCB)係低於該等之電位(P1HB、P2HB)，並於第1與第3阱之間形成電位阻障。在此狀態下，若使第1勢阱變淺(降低電位：參照圖7)，則從勢阱溢出之電子會越過電位阻障，而落入第3傳送電極之勢阱(電位深度ΨA)內。將該電子落下時進行電子倍增。第1勢阱之電位進一步下降(上方向)，而使所蓄積之電子完全傳送至第3勢阱。再者，電位Ψ之朝向係朝下方為正。
該經倍增之電子一面加深第4傳送電極8之正下方之勢阱，一面使第3傳送電極8之正下方之勢阱變淺，藉此可移動至第4勢阱。同樣地，蓄積於第4勢阱之電子使用與從第3至第4之電荷傳送相同之方法，移動至下一組之第1勢阱並蓄積。以下，使用與上述相同之手法，在下一組中亦重複倍增‧傳送步驟。再者，在本例中，電荷傳送係使用3相驅動，但亦可設定成4相驅動，或2相驅動。
經倍增之電子最終流入至高濃度之N型半導體區域FD。半導體區域FD連接於放大器AMP。該放大器AMP係內建於半導體基板1內之浮動‧擴散‧放大器。
圖5係圖4所示之固體攝像元件之V-V箭頭剖面圖。再者，圖6係顯示驅動/讀取電路200與固體攝像元件100之連接關係之方塊圖。從驅動/讀取電路200將各種之信號賦與於固體攝像元件100。再者，為方便電荷讀取部之說明，使各要素與信號使用相同之符號。
首先，就信號讀取部之構成進行說明。在信號讀取部之半導體區域FD連接有放大器AMP。根據半導體區域FD內之電荷量，電晶體QB之閘極電位變動，因應於此，從輸出汲極OD經由電晶體QB流過電阻R之電流量變化。即，根據蓄積於半導體區域FD之電荷量，電阻R之兩端值之電壓(輸出電壓)OS變化，並將其讀取。
來自1個像素之電荷經讀取後，於重置閘極RG輸入重置電壓RG，經由重置汲極RD重置半導體區域FD之電位。此處，由於重置汲極RD之電位為正，故重置時，可蓄積電子之勢阱係形成於半導體區域FD內。重置後，控制重置閘極RG之電位，將電晶體QA斷開，並將半導體區域FD之電位設成浮動位準。
再者，在使電荷流入半導體區域FD內之前，升高近處之信號閘SG之電位，在此蓄積電荷，且輸出閘OG之電位固定，而形成阻障，以使電荷不從信號閘SG之正下方區域流入半導體區域FD內。其後，若在輸出閘OG之電位固定之狀態下，降低信號閘SG之電位，則蓄積於信號閘SG之正下方之電荷將流入半導體區域FD內。
其次，就倍增暫存器EM進行說明。在阱區域1D中形成有倍增暫存器EM，倍增暫存器係倍增來自水平移位暫存器HR之電子。
磊晶層已知其結晶性優良。尤其在低雜質濃度之情形下結晶性增高。因此，在P型磊晶層1B形成N型半導體區域1C之情況時，垂直移位暫存器、水平移位暫存器HR、及角形暫存器CR之電子係在結晶性優良之半導體內傳送，雜訊變少，從而電子傳送可高精度地進行。如此傳送之電子係流入至倍增暫存器EM之半導體區域1C內。又，由於低雜質濃度之故，空乏層容易擴大，從而感度提高。在空乏層內產生之電子會因電場引起之漂移而移動，故電子跑動中不會因擴散而擴大，從而解析度提高。
倍增暫存器EM具備有形成於阱區域1D內之N型半導體區域1C；形成於半導體區域1C上之絕緣層2；毗連於絕緣層2上而形成之複數個傳送電極8；及配置於傳送電極8之間且被施加直流電位DCB(參照圖4及圖7)之DC電極8。在倍增暫存器EM之周圍，存在有濃度相對高於磊晶層1B之P型阱區域1D。再者，磊晶層1B係形成於基板全面，但N型半導體區域1C僅選擇性形成於形成有攝像區域VR、水平移位暫存器HR、角形暫存器CR、倍增暫存器EM之區域。
圖7係倍增暫存器EM之電位圖。
上述構造之情況，如同圖所示，倍增暫存器EM之傳送電極8之正下方之半導體區域內的電位變化變得急劇，電子倍增率顯著提高。即，被施加直流電位DCB之DC電極8、與被施加電位P2HB之次段之傳送電極(倍增電極)8之間的N型半導體區域1C內之電位變化變得急劇，電子倍增顯著地進行。
越過被施加直流電位DCB之第2電位，電子從第1勢阱(電位P1HB)流入第3勢阱(電位P2HB)時，電子倍增進行。假設在沒有P型阱區域1D(參照圖5)情況時，如同圖之虛線PRI所示，電位變化變得緩慢，使電子倍增無法充分進行。在使用高電阻之磊晶層時，在沒有P型阱區域1D之情況時幾乎無法進行倍增，但在某些時候每1段之倍增率為1.01以上。
再者，上述之實施形態之半導體層內之P型雜質濃度CP 、N型雜質濃度CN 之範圍宜為以下之情況。
‧　P型半導體基板1A之雜質濃度CP (1A)=1×1017 ~1×1019 /cm3
‧　P型磊晶層1B之雜質濃度CP (1B)=1×1011 ~1×1016 /cm3
‧　N型半導體區域1C之雜質濃度CN (1C)=1×1012 ~1×1017 /cm3
‧　P型阱區域1D之雜質濃度CP (1D)=1×1012 ~1×1017 /cm3
此處，雜質濃度C滿足以下之關係。
‧　CP (1A)>CN (1C)>CP (1B)
‧　CP (1A)>CP (1D)>CP (1B)
此處，P型半導體基板1A之厚度t(1A)、P型磊晶層1B之厚度t(1B)、N型半導體區域1C之厚度t(1C)、及P型阱區域1D之厚度t(1D)滿足以下之關係。
‧　t(1A)>t(1B)>t(1D)>t(1C)
再者，上述之半導體材料為Si，本例之P型磊晶層1B之電阻率為100Ωcm，相對通常所使用之10Ωcm為較高值。
其次，就絕緣層2之材料進行說明。
圖8係顯示使用固體攝像元件之時間與相對增益之關係之標繪圖。
圖5所示之實施例之絕緣層2係僅由單一之SiO2 層構成。比較例中之絕緣層係採用Si3 N4 層/SiO2 層之2層構造。就單一之SiO2 層與Si3 N4 層/SiO2 層之2層以相同之厚度比較。SiO2 層係Si熱氧化膜。又，Si3 N4 層係以LPCVD法所形成者，傳送電極之材料係摻雜P之多晶矽。
使用比較例之絕緣層時，隨著攝像時間之經過，倍增暫存器之相對增益逐漸下降。另一方面，絕緣層2僅由單一之SiO2 層構成之實施例的情況下，獲得經過5個小時後，亦不會發生增益之劣化之超出預想的結果。
研究該現象後可推定，2層構造之絕緣層之情況時，在Si3 N4 層/SiO2 層之界面電荷會被捕捉，而被捕捉之電荷所引起之電場對於倍增暫存器EM之特性會造成不良影響。
產業上之可利用性
本發明藉由進行高性能之電子倍增，可適用於能夠拍攝微弱之光像的內建電子倍增功能型之固體攝像元件。
再者，上述之形態亦可適用於不蝕刻半導體區域之表面入射型固體攝像元件。
1、1A．．．半導體基板
1B．．．磊晶層
1C．．．N型半導體區域
1D．．．P型阱區域
2、5．．．絕緣層
6A(6)、6B(6)．．．傳送電極
7A(7)、7B(7)．．．傳送電極
8A(8)、8B(8)．．．傳送電極
AMP．．．放大器
CR．．．角形暫存器
EM．．．倍增暫存器
FD．．．半導體區域
OD．．．輸出汲極
OG．．．輸出閘
OS．．．輸出電壓
HR．．．水平移位暫存器
QA、QB．．．電晶體
R．．．電阻
RD．．．重置汲極
RG．．．重置閘
SG．．．信號閘
VR．．．攝像區域
圖1係固體攝像元件之平面圖；
圖2係圖1所示之固體攝像元件之II-II箭頭剖面圖；
圖3係圖1所示之固體攝像元件之III-III箭頭剖面圖；
圖4係顯示固體攝像元件之詳細之連接關係之平面圖；
圖5係圖4所示之固體攝像元件之V-V箭頭剖面圖；
圖6係顯示驅動/讀取電路與固體攝像元件之連接關係之方塊圖；
圖7係倍增暫存器之電位圖；及
圖8係顯示使用固體攝像元件之時間與相對增益之關係之標繪圖。
1、1A．．．半導體基板
1B．．．磊晶層
1C．．．N型半導體區域
1D．．．P型阱區域
2、5．．．絕緣層
6A(6)、6B(6)．．．傳送電極
7A(7)、7B(7)．．．傳送電極
8A(8)、8B(8)．．．傳送電極
AMP．．．放大器
CR．．．角形暫存器
EM．．．倍增暫存器
FD．．．半導體區域
OD．．．輸出汲極
OG．．．輸出閘
OS．．．輸出電壓
HR．．．水平移位暫存器
QA、QB．．．電晶體
R．．．電阻
RD．．．重置汲極
RG．．．重置閘
SG．．．信號閘

Claims (3)

  1. 一種內建電子倍增功能型之固體攝像元件，其特徵在於具備：P型半導體基板；於上述半導體基板上生長之P型磊晶層；形成於上述磊晶層內之攝像區域；具有形成於上述磊晶層內之N型半導體區域並傳送來自上述攝像區域之信號之水平移位暫存器；及形成於上述磊晶層內之P型阱區域；且N型之上述半導體區域係延伸至上述阱區域內；上述阱區域內之P型雜質濃度係高於上述磊晶層內之P型雜質濃度；在上述阱區域中，形成有倍增來自上述水平移位暫存器之電子之倍增暫存器。
  2. 如請求項1之內建電子倍增功能型之固體攝像元件，其中上述倍增暫存器具備：形成於上述阱區域內之N型之上述半導體區域；形成於上述半導體區域上之絕緣層；毗連於上述絕緣層上而形成之複數個傳送電極；及配置於上述傳送電極間且被施加直流電位之DC電極。
  3. 如請求項2之內建電子倍增功能型之固體攝像元件，其中上述絕緣層係僅由單一之SiO2 層構成。
TW099102711A 2009-01-30 2010-01-29 Built-in electronic multiplier functional solid-state imaging device TWI462281B (zh)

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JP2009020927A JP5243984B2 (ja) 2009-01-30 2009-01-30 電子増倍機能内蔵型の固体撮像素子

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