TWI642173B - Linear image sensor - Google Patents

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TWI642173B
TWI642173B TW103138409A TW103138409A TWI642173B TW I642173 B TWI642173 B TW I642173B TW 103138409 A TW103138409 A TW 103138409A TW 103138409 A TW103138409 A TW 103138409A TW I642173 B TWI642173 B TW I642173B
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高木慎一郎
米田康人
鈴木久則
村松雅治
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濱松赫德尼古斯股份有限公司
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Abstract

光檢測部AR以具有沿著行方向排列之複數個像素區域PX之方式被分割。將來自複數個像素區域PX之信號針對各光檢測部AR之每一者累計，作為與一維之光學影像對應之電信號而依時間順序輸出。各個像素區域PX具備促進光電轉換區域內之電荷之傳送之電阻性閘極電極R與電荷儲存區域S2，汲極區域ARD隔著通道區域而鄰接於電荷儲存區域S2。

Description

線性圖像感測器
本發明係關於一種將所入射之能量線(光/X射線)轉換為電荷(電子)，使半導體內部之電位變化，藉此傳送所轉換之電荷之線性圖像感測器。
電荷耦合元件(CCD)等線性圖像感測器係對入射至其之一維之光學影像進行光電轉換之後，依時間順序輸出藉由光電轉換而產生之電信號之固體攝像元件。先前之圖像感測器例如記載於專利文獻1~3。此種圖像感測器之中，線性圖像感測器(一維CCD)被用於與二維之圖像感測器不同之用途，要求不同之特性。
圖18表示先前之線性圖像感測器。於光感應區域，於列方向排列有複數個像素，於行方向僅存在1個像素。根據能量線之入射，於各像素中產生之電荷經由傳送閘極電極之正下方之區域，而被傳送至水平暫存器。輸入至水平暫存器之電荷於水平方向傳送，經由放大器而輸出至外部。
此種線性圖像感測器用於檢測微弱光之分光分析。為了實現較高之S/N(Signal to Noise，信號雜訊)比，較佳為增大1個像素之受光部面積，增加入射至1個像素之信號光子數。於該情形時，增大1個像素之光電轉換區域中之長度方向(電荷傳送方向)之尺寸。
再者，於CCD中，利用稱為邊緣電場之電位傾斜，傳送所產生之電荷，若像素尺寸變大，則存在如下傾向：於像素之中央部中，電位 相對於位置變得平坦，難以傳送電荷。因此，於具有長度方向之尺寸較大之光電轉換區域之線性圖像感測器中，於光電轉換區域上，隔著絕緣膜而配置電阻性閘極電極，於光電轉換區域內有意地形成電位傾斜。
另一方面，以雷射誘發擊穿分析(LIBS)為首之發光分光分析法(OES)用之線性圖像感測器要求高速快門功能。若利用線性圖像感測器檢測經分光之光學影像，則可進行分光分析。
發光分光分析法中，對被檢查體照射較強之激發光(雷射等)，進行自被檢查體輻射之明線光譜之分光分析，藉此可鑑定被檢查體中包含之元素之分佈、狀態。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2004-303982號公報
專利文獻2：日本專利特開2012-151364號公報
專利文獻3：日本專利特開平6-283704號公報
然而，藉由利用激發光而於被檢查體表面產生之電漿，剛照射後包含較多之電漿自身之背景光，故而欲檢測之元素固有之明線光譜被其掩蓋。因此，為了進行精度較高之分光分析，較佳為，將包含較多之藉由該較強之激發光之照射而於被檢查體表面產生之照射之後之電漿自身之背景光的信號藉由電子快門而去除，照射後經過一定時間，選擇性地檢測包含較多之元素固有之明線光譜之信號。激發光自其產生之後單調衰減，10μ秒左右消失，故而將藉由電子快門而進行之信號之去除時間設定為數μ秒以下之期間。
線性圖像感測器將入射光轉換為電子(電洞)，將所轉換之載體傳 送至終端部為止並予以讀出。例如，自時刻0秒開始攝像，將儲存至時刻t1為止之電荷去除，將自時刻t1至時刻t2為止儲存之電荷傳送至水平暫存器。
此處，進行電荷之去除之電子快門將自光電轉換區域至傳送閘極電極正下方之區域之前之電荷流入至汲極，藉此將電荷去除。
圖19(A)係此種情形時之1個像素附近構造之俯視圖。
藉由形成設置於光感應區域之電阻性閘極電極R之電場，而於垂直方向傳送電荷，儲存於第1傳送電極STG之正下方之電荷係藉由對電子快門用之重設閘極電極ARG施加特定電位，而該正下方之電荷流入至汲極區域ARD，並於外部廢除。若於未廢除之時序將終端之傳送電極TG打開，則電荷流入至水平方向之傳送電極PH之正下方之區域，且經由水平暫存器而被讀出。
若詳細說明，為了將電荷流入至汲極區域ARD，而於電荷儲存區域與汲極區域之間配置重設閘極電極ARG，並對該重設閘極電極ARG給予特定時間寬度之時脈信號。藉由將時脈信號輸入至重設閘極電極ARG，而重設閘極電極ARG之正下方之通道區域打開，電荷自電荷儲存區域流入至汲極區域ARD，發揮快門功能。
然而，沿著電荷傳送方向之光電轉換區域之尺寸由於較長，故而將移動至光電轉換區域之一端之電荷儲存於電荷儲存區域內之時刻與傳送另一端中之電荷並儲存於電荷儲存區域內之時刻之間存在時間上之延遲。即，於此種構造之線性圖像感測器中，該延遲量之時間經過之後，將儲存於電荷儲存區域內之電荷流入至汲極區域。換言之，於此種類型之線性圖像感測器中，向汲極區域之電荷之傳送時刻變慢，因此，無法縮短電子快門期間。
另一方面，如圖19(B)所示，若設為於設置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域之側方並設地設置長條之汲極區域ARD，並使電荷流 入至該汲極區域ARD之構造，則不管光電轉換區域中之哪個區域中產生之電荷，均可立刻流入至汲極區域ARD為止。然而，為了將電荷排出至汲極區域ARD，必須於長條之汲極區域並設地配置長條之重設閘極電極ARG，重設閘極電極ARG或汲極區域ARD構成電容器等寄生元件，即便對重設閘極電極ARG給予高速之時脈信號，重設閘極電極ARG正下方之通道區域之應答亦較慢，無法進行高速之打開/關閉之控制。因此，電子快門未高速化。
本發明係鑒於此種問題而開發者，其目的在於提供一種可實現電子快門之高速化之線性圖像感測器。
為了解決上述問題，本發明之線性圖像感測器之特徵在於，具有排列於列方向之複數個光檢測部，各光檢測部以具有沿著行方向而排列之複數個像素區域之方式被分割，將來自複數個像素區域之信號針對各光檢測部之每一者而累計，依時間順序輸出與一維之光學影像對應之電信號，且各個像素區域具備：光電轉換區域，其對所入射之能量線進行光電轉換；傾斜電位形成機構，其於光電轉換區域內形成促進沿著行方向之電荷之傳送之電位傾斜；電荷儲存區域，其分別儲存各個光電轉換區域中產生之電荷；汲極區域，其隔著通道區域而鄰接於電荷儲存區域；及重設閘極電極，其配置於通道區域上，以控制於通道區域中流動之電荷量。
藉由傾斜電位形成機構，可將於光電轉換區域內產生之電荷於行方向高速地傳送。經傳送之電荷經由障壁區域，而被傳送至電荷儲存區域。
汲極區域隔著通道區域而鄰接於各個電荷儲存區域。電荷是否可通過通道區域依賴於對其上之重設閘極電極給予之電位。即，若對重設閘極電極給予電位，使通道區域打開，則電荷自電荷儲存區域經 由通道區域而流入至汲極區域。
根據該線性圖像感測器，將1個像素分割為複數個光電轉換區域，汲極區域隔著通道區域而鄰接於各者，故而可將電荷高速地排出至汲極。又，藉由上述分割，而汲極區域周邊之時間常數變小，故而亦對各重設閘極電極給予較高之頻率之時脈信號，可容易地進行通道區域之打開/關閉之切換。
又，該線性圖像感測器之特徵在於，於某像素區域中之上述電荷儲存區域與鄰接於該像素區域之後段之像素區域中之上述光電轉換區域之間，形成有雜質濃度低於上述光電轉換區域之電位障壁區域。如此，於雜質濃度較低之電位障壁區域存在之情形時，可防止電荷自後段之像素區域向對象之像素區域之電荷儲存區域逆流。
根據本發明之線性圖像感測器，由於可實現電子快門之高速化，故而藉由將其利用於發光分光分析法等，先前不可能之精密之分析亦成為可能。
10‧‧‧半導體基板
10'‧‧‧區域
10A‧‧‧半導體基板本體
20‧‧‧絕緣膜
100‧‧‧線性圖像感測器
101‧‧‧驅動電路
102‧‧‧控制裝置
A‧‧‧放大器
AR‧‧‧光檢測部(像素行)
ARD‧‧‧汲極區域
ARG‧‧‧重設閘極電極
B‧‧‧障壁區域
BR‧‧‧電位障壁區域
B3‧‧‧通道區域
B*‧‧‧障壁區域
C1‧‧‧接觸區域
E1‧‧‧電極
HD‧‧‧高濃度地添加有N型雜質之區域
HR‧‧‧水平暫存器
L1‧‧‧入射光
LD‧‧‧未添加N型雜質之區域
M0‧‧‧遮罩
M1‧‧‧遮罩
M2‧‧‧遮罩
PH‧‧‧傳送電極
PV‧‧‧傳送信號
PX‧‧‧像素區域
PX(1)‧‧‧像素區域
PX(2)‧‧‧像素區域
PX(Last)‧‧‧像素區域
R‧‧‧電阻性閘極電極(傾斜電位形成機構)
RGH‧‧‧電位
RGL‧‧‧電位
S‧‧‧半導體區域
S1‧‧‧光電轉換區域
S2‧‧‧電荷儲存區域
S11‧‧‧前段側區域
S12‧‧‧後段側區域
S2*‧‧‧電荷儲存區域
S11*‧‧‧光電轉換區域
S12*‧‧‧錐形區域
S12**‧‧‧微小半導體區域
STG‧‧‧傳送電極
T1‧‧‧第1傳送電極
T2‧‧‧第2傳送電極
TG‧‧‧傳送閘極電極
TGV‧‧‧時脈信號
圖1係表示具備電荷耦合元件之固體攝像裝置之平面構成之圖。
圖2係圖1所示之線性圖像感測器之剖視圖(II-II箭頭線剖面)。
圖3係圖1所示之線性圖像感測器之剖視圖(III-III箭頭線剖面)。
圖4(A)-(C)係用以說明垂直方向之光檢測部中之電位變化之圖。
圖5係表示各信號之電位之變化之圖表。
圖6係電阻性閘極電極之俯視圖。
圖7係第1形態之光電轉換區域之俯視圖。
圖8係第2形態之光電轉換區域之俯視圖。
圖9係第3形態之光電轉換區域之俯視圖。
圖10係線性圖像感測器之局部性之俯視圖。
圖11係圖10所示之電荷耦合元件之剖視圖(A-A箭頭線剖面)(A)、沿著該剖面之X軸方向之電位圖(B)、(C)。
圖12係線性圖像感測器之局部性之俯視圖。
圖13係變化之構造之線性圖像感測器之剖視圖。
圖14(A)-(C)係用以說明垂直方向之像素行中之電位變化之圖。
圖15係背面照射型之線性圖像感測器之局部性之剖視圖。
圖16係使傳送電極共用之情形時之線性圖像感測器之傳送電極附近之剖視圖。
圖17(A1)-(A2)、(B1)-(B3)、(C1)-(C3)係用以對雜質之注入方法進行說明之圖。
圖18係先前之線性圖像感測器之俯視圖。
圖19係1個像素附近構造之俯視圖(A)、(B)。
以下，對實施形態之線性圖像感測器進行說明。再者，對相同要素使用相同符號，並省略重複之說明。
圖1係表示具備包括電荷耦合元件之線性圖像感測器100之固體攝像裝置之平面構成之圖，圖2係圖1所示之線性圖像感測器之剖視圖(II-II箭頭線剖面)。
該線性圖像感測器100具有排列於列方向(X軸方向)之複數個光檢測部(像素行)AR。各光檢測部AR以具有沿著行方向(Y軸方向)而排列之複數個像素區域PX(圖2中為PX(1)、PX(2))之方式被分割，於各像素區域PX中產生之電荷沿著行方向而被傳送。
線性圖像感測器100將來自複數個像素區域PX之信號，針對各光檢測部AR之每一者累計，依時間順序輸出與入射至光檢測部AR之一維之光學影像對應之電信號。
各個像素區域PX具備：光電轉換區域S1，其對所入射之能量線 進行光電轉換；傾斜電位形成機構(電阻性閘極電極R)，其於光電轉換區域S1內形成促進沿著行方向(Y軸)之電荷之傳送之電位傾斜；電荷儲存區域S2，其分別儲存各個光電轉換區域S1中產生之電荷；汲極區域ARD，其隔著通道區域B2(參照圖11)而鄰接於電荷儲存區域S2；及重設閘極電極ARG(參照圖11)，其配置於通道區域B2上，以控制於通道區域B2中流動之電荷量。
藉由傾斜電位形成機構，可將於光電轉換區域S1內產生之電荷於行方向(Y軸)高速地傳送。經傳送之電荷經由障壁區域B(參照圖2)而被傳送至電荷儲存區域S2。
如圖2所示，該線性圖像感測器100具備：半導體基板10，其具有排列於Y軸方向(一方向)之複數個像素區域PX(PX(1)、PX(2))；及絕緣膜20，其設置於半導體基板10上。於P型(第1導電型)之半導體基板10之表面側，形成有較半導體基板本體10A高濃度地添加雜質(P型)而成之接觸區域C1，電極E1(參照圖1)接觸並電性連接於接觸區域C1。於半導體基板10之表面側形成有構成線感測器之攝像區域之複數個光檢測部AR(參照圖1)，各光檢測部AR具備排列於Y軸方向之複數個像素區域PX。再者，圖2之接觸區域C1亦可以包圍半導體基板10之外緣之方式而形成。
如圖1所示，於各光檢測部AR之終端部，設置有控制電子之通過之傳送閘極電極TG，隔著傳送閘極電極TG，而配置有水平暫存器HR。水平暫存器隔著傳送閘極電極TG，而將流入之其中之電子向水平方向(X軸負方向)傳送。經傳送之電子被輸入至放大器A，轉換為電壓，並輸出至外部。
如圖2所示，各個像素區域PX具備：N型(第2導電型)之光電轉換區域S1，其對所入射之能量線進行光電轉換(再者，空乏層較寬之PN接面係形成於光電轉換區域S1與半導體基板本體10A之界面)；及電阻 性閘極電極R(傾斜電位形成機構)，其於光電轉換區域S1內形成沿著一方向之電位傾斜。又，各個像素區域PX具備：第1傳送電極T1，其設置於絕緣膜20上；及第2傳送電極T2，其設置於絕緣膜20上，且配置於第1傳送電極T1與鄰接於該像素區域PX(1)之像素區域PX(2)之間。進而，各個像素區域PX具備：障壁區域B，其位於半導體基板10中之第1傳送電極T1正下方；及電荷儲存區域S2，其位於半導體基板10中之第2傳送電極T2正下方。
此處，障壁區域B之雜質濃度(第2導電型：N型)低於電荷儲存區域S2之雜質濃度(N型)，第1傳送電極T1與第2傳送電極T2電性連接。
再者，於本例中，傾斜電位形成機構係位於光電轉換區域S1之正上方、且設置於絕緣膜20上之電阻性閘極電極R，自圖1所示之驅動電路101對電阻性閘極電極R之Y軸方向之兩端間施加特定之額定電壓，即便使用半導體基板表面之二維濃度分佈，亦可構成傾斜電位形成機構。傾斜電位形成機構促進沿著電荷傳送方向(Y軸)之電荷之傳送。
於使用電阻性閘極電極R之情形時，於絕緣膜20上配置電阻性閘極電極R，對其兩端間施加額定電壓，藉此，於電阻性閘極電極正下方之半導體區域中，可形成電位傾斜。此處，對電阻性閘極電極R中之電子傳送方向之前段施加電位RGL，對後段施加電位RGH(>RGL)。再者，該等電位若以接地為基準則成為電壓。後段之電位較高，故而具有負電荷之電子向電位較高之後段流去。因此，於使用大面積之像素之情形時，亦可充分地傳送電荷。
藉由電阻性閘極電極R，即便於像素尺寸較大之情形時，亦可將於光電轉換區域內產生之電荷向一方向充分地傳送。經傳送之電荷經由障壁區域B而被傳送至電荷儲存區域S2。障壁區域B及電荷儲存區域S2之無偏壓狀態之電位(potential)因該等之雜質濃度差而不同，電 荷儲存區域S2較深，容易儲存電荷。另一方面，於該等障壁區域B及電荷儲存區域S2中，藉由電性連接之第1傳送電極T1及第2傳送電極T2，經由絕緣膜20，而被給予相同之偏壓。因此，藉由使向第1傳送電極T1及第2傳送電極T2之施加電位(傳送信號PV)上下波動，而可實現經由障壁區域B將電荷儲存於電荷儲存區域S2(第1狀態)，將經儲存之電荷向後段之像素傳送(第2狀態)。
可對電阻性閘極電極R或傳送電極T1、T2，自驅動電路101給予電位。驅動電路101藉由控制裝置102而控制。控制裝置102包括微電腦等，根據向控制裝置102之控制輸入，而將預先程式化之時脈信號向驅動電路101送出。若對驅動電路101輸入特定之時脈信號，則驅動電路101產生額定電壓RGL、RGH與1相之傳送信號PV。例如，驅動電路101偵測時脈信號之輸入開始，於一定時間之期間，產生固定之電壓RGL、RGH，並且將時脈信號根據需要分頻，於經分頻之時脈信號之上升之時序，使傳送信號PV之電位上升，於下降之時序使傳送信號PV之電位降低。
即，該固體攝像裝置具備線性圖像感測器100、驅動線性圖像感測器100之驅動電路101、及控制驅動電路101之控制裝置102，控制裝置102以第1傳送電極T1及第2傳送電極T2之電位藉由傳送信號PV之施加而同時上下振動之方式控制驅動電路101。於該情形時，藉由電位之上下波動，可交替地形成上述「第1狀態」及「第2狀態」。
再者，第1傳送電極T1及第2傳送電極T2可如圖18所示共用化。將經共用化之傳送電極設為STG。
圖3係圖1所示之線性圖像感測器之剖視圖(III-III箭頭線剖面)。
傳送至垂直方向之光檢測部AR之終端為止之電子經由最後之像素區域PX(last)之障壁區域B，而儲存於其電荷儲存區域S2。線性圖像感測器具備形成於絕緣膜20上、且設置於最後之障壁區域B及電荷儲 存區域S2上之傳送電極STG。於傳送電極STG之旁邊配置有傳送閘極電極TG，經由傳送閘極電極TG正下方之N型之通道區域B3，經儲存之電荷可流入至水平方向之傳送電極PH之正下方之區域。
水平方向之傳送電極PH之正下方之構造亦與傳送電極STG之正下方之構造相同，具備於Y軸方向鄰接之障壁區域B*與電荷儲存區域S2*。再者，成為通道區域B3之雜質濃度設定為抵於電荷儲存區域S2，電荷容易儲存於電荷儲存區域S2之構造。再者，障壁區域B*及電荷儲存區域S2*之構造與障壁區域B及電荷儲存區域S2相同。
此處，對傳送閘極電極TG給予之傳送信號TGV係用以進行組合動作之信號。組合動作以如下方式進行。於第1階段，傳送信號TGV為低於基準值之電位，使傳送閘極電極TG正下方之通道區域B3作為相對於電荷儲存區域S2之電位障壁而發揮功能，將電荷儲存於電荷儲存區域S2。於第2階段，使傳送信號TGV之電位增高，使相對於電荷儲存區域S2之電位障壁減少，自最後之像素區域中之電荷儲存區域S2經由通道區域B3及水平暫存器之障壁區域B*，而將電荷傳送至水平暫存器之電荷儲存區域S2*。於第3階段，保持對傳送信號TGV給予較高之電壓，重複上述第1狀態、第2狀態，藉此前段之像素區域之電荷逐漸向水平暫存器之電荷儲存區域S2*傳送，並累計。於第4階段，1個垂直方向之像素區域之電荷全部流入至水平暫存器之電荷儲存區域S2*並累計之後，對傳送信號TGV給予較低之電壓，形成電位障壁，而結束向水平方向之傳送電極PH之正下方之電荷傳送。
儲存於水平暫存器之電荷儲存區域S2*之電荷係藉由對設置於絕緣膜20上之水平方向之傳送電極PH施加水平方向之傳送信號HV，而於水平方向傳送，該傳送信號HV及對傳送閘極電極TG施加之傳送信號TGV亦根據控制裝置102之指示，藉由驅動電路101而產生。
圖4係用以說明垂直方向之像素行中之電位變化之圖，圖5係表 示各信號之電位之變化之圖表。再者，以下之曲線圖中，電位由表示，圖式向下為正方向。
於進行電荷傳送之期間中，於所有期間t1~t2(參照圖5)中，施加至電阻性閘極電極R之兩端之電位RGL、RGH固定。當然，亦可施加電位RGL、RGH，一面進行光電轉換，一面進行光電轉換區域內之電荷傳送，於光電轉換時不對電阻性閘極電極R之兩端間給予電壓地儲存電子，然後，亦可僅於電荷傳送時給予電壓。
於第1期間t1，如圖4(A)所示，配置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域S1之電位隨著向電子(黑色圓點)之傳送方向(圖式右側：圖1之Y軸負方向)前進而變深，第1傳送電極T1之正下方之障壁區域B之電位大幅變深，第2傳送電極T2正下方之電荷儲存區域S2則進而變深。電荷儲存區域S2由鄰接於其之障壁區域B與後段之光電轉換區域S1夾持，形成有電位井。於(A)之狀態之情形時，於該第1傳送電極T1及第2傳送電極T2中，均藉由傳送信號PV，而被施加有高於基準值之電位。
於第2期間t2，如圖4(B)所示，配置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域S1之電位不變化，第1傳送電極T1之正下方之障壁區域B之電位小於光電轉換區域S1之電位，構成電位障壁。電荷儲存區域S2之電位較較障壁區域B深，較後段之光電轉換區域S1淺，故而儲存於電荷儲存區域S2之電子流入至後段之光電轉換區域，利用藉由障壁區域B(緩衝區域)而形成之電位障壁而電子被阻擋，於光電轉換區域S1之圖式之右端暫時被儲存。
以後，重複該等第1期間t1與第2期間t2之動作。即，圖4(B)之期間之後，成為第1期間t1。於該情形時，如圖4(C)所示，配置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域S1之電位不變化，障壁區域B及光電轉換區域S1之電位變化為與第1期間t1相同之狀態，且進行與其相同之 動作。進而，於下一期間，變化為與第2期間t2相同之狀態，進行與其相同之動作。
其次，對傾斜電位形成機構進行說明。
圖6係作為傾斜電位形成機構之電阻性閘極電極R之俯視圖。電阻性閘極電極R例如包括具有較光電轉換區域S1低之電阻率之多晶矽等。電阻R之兩端間之較佳之電阻值可設定為1kΩ以上且10MΩ以下。電阻性閘極電極R於XY平面內構成長方形，但亦可為梯形等其他多邊形形狀。對電阻性閘極電極R之兩端，給予電位RGL、RGH，形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖7係作為傾斜電位形成機構之第1形態之光電轉換區域S1之俯視圖。即，本例係不使用上述電阻性閘極電極R，使光電轉換區域S1之雜質濃度變化，同樣地形成傾斜電位者。電子向圖式之右方向傳送，相較於電荷傳送之前段側區域S11之雜質濃度，後段側區域S12之雜質濃度設定得較高。於該情形時，後段側區域S12之電位亦較前段側區域S11深，於前段側區域S11與後段側區域S12之交界附近形成傾斜之邊緣電場。即，形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖8係作為傾斜電位形成機構之第2形態之光電轉換區域之俯視圖。即，本例亦係不使用上述電阻性閘極電極R，使光電轉換區域S1之雜質濃度變化，同樣地形成傾斜電位者。電子向圖式之右方向傳送，X軸方向寬度隨著朝向與電荷傳送方向(Y方向)相反方向而變窄之梯形狀之錐形區域S12*，以於Y軸方向穿過殘餘之光電轉換區域S11*之方式延伸。錐形區域S12*之雜質濃度設定得較光電轉換區域S11*之雜質濃度高。於該情形時，寬度方向之平均電位於電荷傳送方向之後段側區域中，較前段側區域深，於光電轉換區域S1內形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖9係作為傾斜電位形成機構之第3形態之光電轉換區域之俯視圖。即，本例亦係不使用上述電阻性閘極電極R，使光電轉換區域S1之雜質濃度變化，同樣地形成傾斜電位者。本例之光電轉換區域S1係將第2形態中之錐形區域S12*置換為複數個微小半導體區域S12**者，各個微小半導體區域S12**之形狀為長方形等多邊形，複數個微小半導體區域S12**之寬度方向(X軸方向)兩端間之距離之最大值隨著朝向與電荷傳送方向相反之方向(Y軸正方向)，而變小。
微小半導體區域S12**之雜質濃度設定得較殘餘之光電轉換區域S11*之雜質濃度高。於該情形時，寬度方向之平均電位於電荷傳送方向之後段側區域中，較前段側區域深，於光電轉換區域S1內形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖10係用以說明垂直方向之像素行之終端部之線性圖像感測器之局部性之俯視圖。
於包括複數個像素區域PX之光檢測部之終端，沿著Y軸之負方向排列有上述傳送電極STG、傳送閘極電極TG、水平方向之傳送電極PH。於各像素區域PX中，於X軸方向排列有傳送電極STG、重設閘極電極ARG、汲極區域ARD。儲存於各像素區域中之傳送電極STG正下方之區域中之電荷可經由重設閘極電極ARG正下方之通道區域，而流入至汲極區域ARD。
圖11係沿著圖10所示之線性圖像感測器之1個像素區域之X軸方向之剖視圖(A-A箭頭線剖面)(圖11(A))、沿著該剖面之X軸方向之電位圖(B)、(C)。所有像素區域之構造與其相同，作為電荷儲存區域之符號使用S2。
鄰接於傳送電極STG之X軸方向，於絕緣膜20上，形成有重設閘極電極ARG。於重設閘極電極ARG之正下方，鄰接於電荷儲存區域S2，形成有具有較其低之雜質濃度之通道區域B2，鄰接於通道區域 B2，形成有汲極區域ARD。汲極區域ARD之雜質濃度高於電荷儲存區域S2。於對重設閘極電極ARG被給予低於基準之電位之情形時(B)，於通道區域B2中形成電位障壁，電子儲存於電荷儲存區域S2，於被給予高於基準之電位之情形時(C)，電位障壁消失，電子(黑色圓點)流向汲極區域ARD。對重設閘極電極ARG給予較高之電位之時序為開動電子快門之時序。
汲極區域ARD隔著通道區域B2而鄰接於各個電荷儲存區域S2。電荷是否可通過通道區域B2依賴於對其上之重設閘極電極ARG給予之電位。即，若對重設閘極電極ARG給予高於基準之電位，將通道區域B2打開，則電荷自電荷儲存區域S2經由通道區域B2而流入至汲極區域ARD。
根據該線性圖像感測器，由於將1個光檢測部分割為複數個光電轉換區域，汲極區域ARD隔著通道區域B2而鄰接於各者，故而可高速地將電荷排出至汲極區域ARD。又，藉由上述分割，而汲極區域周邊之時間常數變小，故而亦對各重設閘極電極ARG給予較高之頻率之時脈信號，可容易地進行通道之打開/關閉之切換。
圖12係使各光電轉換區域S1(電阻性閘極電極R)之平面形狀變化之情形時之線性圖像感測器之局部性之俯視圖。通過傳送電極STG之X軸方向之剖面構造與圖11所示者相同。又，電阻性閘極電極R之平面形狀與其正下方之光電轉換區域S1之平面形狀相同。
與圖10所示者之不同點僅為各像素區域PX中之各光電轉換區域S1(電阻性閘極電極R)之平面形狀，其他之構成與圖10者相同。像素區域PX中之電阻性閘極電極R之XY平面形狀為將長方形之2個角部切除之形狀，於電阻性閘極電極R之兩端部中，寬度變窄。藉此，不會將傳送而來之電荷導向汲極區域ARD，可向傳送電極STG之正下方之區域傳送。
圖13係變化之構造之線性圖像感測器之剖視圖，圖14係用以說明垂直方向之光檢測部中之電位變化之圖。圖13所示之構造與圖2所示者之不同點在於：於光電轉換區域S1之電荷傳送方向之前段側，設置有低雜質濃度之電位障壁區域BR，其他之構成相同。
即，於某像素區域PX(1)中之電荷儲存區域S2與鄰接於該像素區域之後段之像素區域PX(2)中之光電轉換區域S1之間，形成有較光電轉換區域S1而雜質濃度低之N型之電位障壁區域BR。如此，於雜質濃度較低之電位障壁區域BR存在之情形時，可防止電荷自後段之像素區域PX(2)向對象之像素區域之電荷儲存區域S2逆流。
即，圖14(A)、(B)、(C)分別為對應於圖2(A)、(B)、(C)之狀態之圖，電位障壁區域BR於(A)之狀態下，抑制電子(黑色圓點)向下一段之像素區域PX(2)之不需要之傳送，又，於自(C)之狀態返回至(A)之狀態之情形時，防止電子之逆流。
圖15係背面照射型之線性圖像感測器之局部性之剖視圖。
本例與圖2所示者之不同點在於：構成為將半導體基板本體10A自背面側蝕刻而薄膜化，使入射光L1自背面入射。半導體基板本體10A之周邊部之厚度較中央部之厚度厚，中央部之厚度設定為例如5μm以上且100μm以下。於該構造之情形時，阻礙光向光電轉換區域S1入射之電極消失，故而可進行高感度之攝像。
圖16係共用傳送電極之情形時之線性圖像感測器之傳送電極附近之剖視圖。
即，如上所述，第1傳送電極T1及第2傳送電極T2可包括1個共用電極STG。於該情形時，具有簡化構造之效果。
於製造具備上述共用電極STG之電荷耦合元件之電荷耦合元件之製造方法中，障壁區域B係可對N型(第2導電型)之半導體區域添加P型(第1導電型)之雜質，進行載體補償而形成。即，藉由載體之補償， 可容易地形成低濃度之障壁區域B。以下，進行詳細說明。
圖17係用以對雜質之注入方法進行說明之圖。
首先，將N型之雜質離子注入並添加至P型之半導體基板10之表面之整個面，形成N型之半導體區域S(A1)。其次，於N型半導體區域S上形成包括多晶矽等之電阻層R。該形成可使用濺鍍法等。然後，於電阻層R上形成具有開口之遮罩M1，使用該遮罩M1，將電阻層R蝕刻而圖案化(B1)。進而，準備另一遮罩M2，以使電阻層R之開口位置與遮罩M2之開口位置錯開，僅開口之一部分重疊之方式配置遮罩M2，使用該遮罩M2之開口邊緣與電阻層R之開口邊緣(自對準)將P型之雜質注入並添加至N型之半導體區域S內，補償經添加之區域之載體，形成上述障壁區域B(C1)。又，半導體基板上之絕緣膜20係於電阻層R之形成前形成，電阻層及上述電極係於絕緣膜20上利用通常之方法圖案化，於圖17中省略記載。
又，即便使用不進行載體補償之方法，亦可形成障壁區域B，於該情形時，由於無法使用電阻層之開口之自對準，故而與使用載體補償之方法相比，障壁區域之形成位置精度不高。
於不使用載體補償之方法之情形時，首先，於P型之半導體基板10之表面側，配置遮罩M0，注入並添加N型之雜質，形成N型之半導體區域S(A2)。於存在遮罩M0之正下方之區域10'不添加雜質。其次，於半導體基板10之整個面上形成包括多晶矽等之電阻層R，於電阻層R上配置具有開口之遮罩M1，使用該遮罩M1，將電阻層R蝕刻，進行圖案化。於該情形時，經圖案化之電阻層R之開口位置與半導體基板10之表面之未添加雜質之區域10'起因於遮罩M1之對準精度，位置會微妙地偏移。
其次，準備另一遮罩M2，以使電阻層R之開口位置與遮罩M2之開口位置錯開，僅開口之一部分重疊之方式配置遮罩M2，使用該遮 罩M2之開口與電阻層R之開口(自對準)，將低濃度之N型之雜質注入並添加至並非N型半導體區域之P型之區域10'內，形成N型之障壁區域B。於該情形時，與上述方法相比，障壁區域B之位置變得不準確。
即，於上述步驟(B2)中，於遮罩M1之開口之左邊緣之位置較區域10'之左邊緣向右側偏移之情形時，如(C2)所示，於障壁區域B之左側形成未添加N型雜質之區域LD。
另一方面，於上述步驟(B2)中，於遮罩M1之開口之左邊緣之位置較區域10'之左邊緣向左側偏移之情形時(表示為(B3))，如(C3)所示，於障壁區域B之右側形成高濃度地添加有N型雜質之區域HD。
最後，對材料進行說明。
上述半導體基板10可包括矽(Si)，添加至障壁區域、電荷儲存區域之N型雜質為N、P或As，P型雜質為B或A1。各雜質濃度/厚度之較佳值如以下所述。
‧半導體基板本體10A：1013以上且1019以下(cm-3)/50000以上且800000以下(nm)
‧光電轉換區域S1：1012以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧障壁區域B：1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且000以下(nm)
‧電荷儲存區域S2：1012以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧區域S11：1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧區域S12：1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧區域S11*：1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧區域S12*：1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧區域S12**：1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧錐形區域S12*：1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧通道區域B2：1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧汲極區域ARD：1017以上且1020以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
‧電位障壁區域BR：1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
如以上所說明般，根據上述線性圖像感測器，可對重設閘極電極給予以數μ秒變化之時脈脈衝，可實現高速快門，又，可使用各光檢測部之像素區域之面積亦較大者，故而亦可提高S/N比。

Claims (2)

  1. 一種線性圖像感測器，其特徵在於：具有排列於列方向之複數個光檢測部，各個上述光檢測部以具有沿著行方向而排列之複數個像素區域之方式被分割，將來自複數個像素區域之信號針對各上述光檢測部之每一者而累計，依時間順序輸出與一維之光學影像對應之電信號，且各個上述像素區域具備：光電轉換區域，其對所入射之能量線進行光電轉換；傾斜電位形成機構，其於上述光電轉換區域內形成促進朝向後段之像素區域的沿著上述行方向之電荷之傳送之電位傾斜；電荷儲存區域，其分別儲存上述光電轉換區域中產生而由上述傾斜電位形成機構於上述行方向傳送之電荷，且經儲存之電荷係藉由對設置於其上之傳送電極的施加電位所致的電位控制，而流入至後段之像素區域之光電轉換區域；汲極區域，其隔著通道區域而於列方向鄰接於上述電荷儲存區域；及重設閘極電極，其配置於上述通道區域上，以控制於上述通道區域中流動之電荷量。
  2. 如請求項1之線性圖像感測器，其中於某像素區域中之上述電荷儲存區域與鄰接於該像素區域之後段之像素區域中之上述光電轉換區域之間，形成有雜質濃度低於上述光電轉換區域之電位障壁區域。
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