TWI692858B - 固體攝像裝置 - Google Patents

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Abstract

固體攝像裝置SI具備：複數個光電轉換部、及蓄積對應之光電轉換部所產生之電荷之複數個電荷蓄積部。光電轉換部包含：光感應區域，其根據光入射而產生電荷；電位梯度形成部，其促進於光感應區域之電荷向第二方向D2之移動。電荷蓄積部包含：雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(半導體層)22、23、24、對複數個區域22、23、24施加電場之電極32、33。電極32配置為跨及雜質濃度階段性地不同之複數個區域22、23。電極33配置為跨及雜質濃度階段性地不同之複數個區域23、24。

Description

固體攝像裝置
本發明係關於一種固體攝像裝置。
已知一種固體攝像裝置，其包含：複數個光電轉換部，其排列於第一方向；複數個電荷蓄積部，其與對應之光電轉換部排列於與第一方向正交之第二方向，且蓄積對應之光電轉換部產生之電荷；電荷輸出部，其取得分別自複數個電荷蓄積部轉送而來之電荷，向第一方向轉送並輸出(例如，參照專利文獻1)。於專利文獻1揭示之固體攝像裝置中，電荷蓄積部包含至少兩個閘極電極，其係沿第二方向配置，且以向第二方向提高電位之方式分別賦與特定之電位。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2012-151364號公報
於如上述之固體攝像裝置中，為了擴大動態範圍及提高SN比，較佳為使各電荷蓄積部之飽和電荷量增大。於該情形時，藉由將電荷蓄積部於第二方向之尺寸設為較大，可實現電荷蓄積部之飽和電荷量之增大。隨著電荷蓄積部於第二方向之尺寸變大，電荷蓄積部所蓄積之電荷之轉送時間變長。電荷之轉送時間之增加係阻礙固體攝像裝置之電荷轉送之高速化，即攝像之高速化之要因。由於電荷轉送之高速 化之限制，故於縮短電荷之轉送時間之情形時，電荷不被轉送而殘留於電荷蓄積部。其結果，有產生圖像滯後(殘像)之虞。因此，飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化互為折衝關係。
對於增大飽和電荷與電荷轉送之高速化之要求正越來越高。根據本發明人等之研究，即使專利文獻1所揭示之固體攝像裝置，於兼具飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化之觀點尚有改善之餘地。
本發明之一態樣之目的在於提供一種可於較高次元實現兼具飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化之固體攝像裝置。
本發明之一態樣係一種固體攝像裝置，其包含：複數個光電轉換部，其排列於第一方向；複數個電荷蓄積部，其與對應之光電轉換部排列於與第一方向正交之第二方向，且蓄積於對應之光電轉換部中產生之電荷；電荷輸出部，其取得分別自複數個電荷蓄積部轉送而來之電荷，並於上述第一方向轉送且輸出。各光電轉換部包含：光感應區域，其根據光入射而產生電荷；電位梯度形成部，其相對於光感應區域形成沿著第二方向升高之電位梯度，且促進於光感應區域之電荷向第二方向移動。各電荷蓄積部包含：雜質濃度向第二方向階段性地單一方向地變化之複數個區域；及以跨及雜質濃度階段性地不同之複數個區域之方式配置且對複數個區域施加電場之電極。
於電荷蓄積部中，利用藉由電極施加之電場，調整於該電極正下方之區域之電位之深度。電極之於第二方向之中途部分(例如，於第二方向之中央部分)所產生之電場較電極之於第二方向之端部所產生之電場更弱。因此，於電極之上述中途部分正下方之區域之電位之深度未經適當調整。於該情形時，無法充分促進電荷於第二方向之移動，而有電荷之轉送時間變長之虞。又，亦有阻礙電荷蓄積部於第二方向之大尺寸化(飽和電荷量增大)之虞。
於本態樣中，電荷蓄積部具有雜質濃度向第二方向階段性地單一方向地變化之複數個區域，且電荷蓄積部所具有之電極係配置為跨及雜質濃度階段性地不同之複數個區域。因此，即使於電極之於第二方向之中途部分所形成之電場較弱之情形時，由於於該中途部分正下方之區域，雜質濃度階段性地單一方向地變化，故電極之上述中途部分正下方之區域之電位之深度被適當調整。藉此，充分促進電荷於第二方向之移動，縮短電荷之轉送時間。又，不會阻礙電荷蓄積部於第二方向之大尺寸化(飽和電荷量增大)。
各電荷蓄積部具有作為複數個區域之於第二方向排列之第一區域與第二區域，於第一區域與第二區域中，亦可藉由對第一區域與第二區域注入雜質，且於注入有雜質之第二區域進而注入雜質，而使雜質濃度階段性地單一方向地變化。於該情形時，可簡易地實現雜質濃度向第二方向階段性地單一方向地變化之複數個區域。
第二區域於第二方向與光感應區域鄰接，光感應區域亦可藉由與第二區域同時注入雜質，使雜質濃度與第二區域相同。於該情形時，於第二方向相互鄰接之光感應區域與第二區域之間難以產生電位之障壁或井。因此，可防止阻礙電荷自光感應區域向電荷蓄積部之轉送。
固體攝像裝置亦可進而包含於第一方向排列於各電荷蓄積部且將電荷蓄積部所蓄積之電荷排出之複數個電荷排出部。於該情形時，例如，於電荷蓄積部產生超過該電荷蓄積部之蓄積容量之電荷時，可藉由電荷排出部排出超過蓄積容量部分之電荷。藉此，自超過蓄積容量之電荷蓄積部溢出之電荷朝其他電荷蓄積部漏出，可防止所謂之暈散(blooming)。
各電荷蓄積部亦可隨著向第二方向，於第一方向之寬度變大。於該情形時，可不阻礙電荷自電荷蓄積部於第二方向之流動而配置電 荷排出部。
各電荷排出部包含：排出電荷之汲極區域、位於電荷蓄積部與汲極區域之間且控制電荷自電荷蓄積部向汲極區域流入之閘極區域，且汲極區域亦由第一方向相鄰之電荷排出部間共用。於該情形時，可實現電荷排出部之空間節省化。
根據本發明之上述一態樣，可提供一種可於較高次元實現兼具飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化之固體攝像裝置。
3‧‧‧儲存部
5‧‧‧轉送部
7‧‧‧移位暫存器
10‧‧‧光電轉換部
11‧‧‧光感應區域
13‧‧‧電位梯度形成部
17‧‧‧輸出段
20‧‧‧半導體基板
21‧‧‧p型半導體層
22‧‧‧n--型半導體層/n---型半導體層/n型半導體層
23‧‧‧n-型半導體層/n+型半導體層
24‧‧‧n型半導體層/n++型半導體層
25‧‧‧n----型半導體層
26‧‧‧n型半導體層
27‧‧‧n----型半導體層
28‧‧‧n型半導體層
29‧‧‧p+型半導體層
31‧‧‧電極
32‧‧‧電極
33‧‧‧電極
34‧‧‧轉送電極
35‧‧‧轉送電極
36‧‧‧轉送電極
37‧‧‧轉送電極
41‧‧‧n型半導體層
41a‧‧‧n-型半導體層
51‧‧‧n--型半導體層/n+型半導體層
52‧‧‧n-型半導體層/n++型半導體層
53‧‧‧n型半導體層/n+++型半導體層
55‧‧‧電極
61‧‧‧電荷排出部
63‧‧‧汲極區域
63a‧‧‧n+型半導體層
63b‧‧‧電極
65‧‧‧閘極區域
65a‧‧‧n型半導體層
65b‧‧‧閘極電極
101‧‧‧n型之半導體層
102‧‧‧n-型半導體層
103‧‧‧n型半導體層
104‧‧‧n-型半導體層
105‧‧‧n型半導體層
111‧‧‧電極
112‧‧‧電極
113‧‧‧電極
121‧‧‧電極
122‧‧‧電極
123‧‧‧電極
124‧‧‧電極
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
SI‧‧‧固體攝像裝置
圖1係顯示一實施形態之固體攝像裝置之平面構成之圖。
圖2係顯示沿著圖1之II-II線之剖面構成之概念圖。
圖3係用以說明儲存部之構成之圖。
圖4(a)~(d)係用以說明於本實施形態之固體攝像裝置中形成之電位變化之圖。
圖5(a)~(c)係用以說明儲存部之複數個區域之形成過程之圖。
圖6(a)、(b)係用以說明對比例1之圖。
圖7(a)、(b)係用以說明對比例1之圖。
圖8(a)、(b)係用以說明對比例1之圖。
圖9(a)、(b)係用以說明對比例2之圖。
圖10係用以說明對比例3之圖。
圖11係顯示本實施形態之變化例之固體攝像裝置之剖面構成之概念圖。
圖12係用以說明儲存部之構成之圖。
圖13(a)~(d)係用以說明儲存部之複數個區域之形成過程之圖。
圖14(a)、(b)係用以說明本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成之圖。
圖15(a)、(b)係用以說明本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成之圖。
圖16係用以說明本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成之圖。
圖17係用以說明本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成之圖。
圖18(a)、(b)係用以說明本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成之圖。
以下，參照附加圖式，對本發明之實施形態詳細地進行說明。再者，於說明中，對同一要素或具有同一功能之要素使用同一符號，並省略重複之說明。
參照圖1~圖4，對本實施形態之固體攝像裝置SI之構成進行說明。圖1係顯示本實施形態之固體攝像裝置之平面構成之圖。圖2係顯示沿著圖1之II-II線之剖面構成之圖。圖3係用以說明儲存部之構成之圖。圖4係用以說明於本實施形態之固體攝像裝置中形成之電位變化之圖。於圖4中，圖式向下為電位之正方向。圖4中，黑圓圈表示電荷。
如圖1所示，固體攝像裝置SI包含受光部1、複數個儲存部3、複數個轉送部5、及作為電荷輸出部之移位暫存器7。固體攝像裝置SI為例如BT(Back-Thinned，薄背型)-CCD(電荷耦合裝置)線性影像感測器。
受光部1具有複數個光電轉換部10。複數個光電轉換部10排列於第一方向D1。複數個光電轉換部10分別具有光感應區域11及電位梯度形成部13。即，受光部1具有複數個光感應區域11及複數個電位梯度形成部13。
光感應區域11感應於光之入射，產生對應於入射光強度之電荷。光感應區域11之平面形狀，呈由兩條長邊與兩條短邊形成之矩形狀。複數個光感應區域11係排列於第一方向D1。於本實施形態中，第一方向D1係沿著光感應區域11之短邊方向之方向。複數個光感應區域11以第一方向為一次元方向，陣列狀地配置於該一次元方向。一個光感應區域11構成受光部1中之一像素。於本實施形態中，於圖1中，自右向左之一方向，及自左向右之一方向分別為第1方向D1。
各電位梯度形成部13分別對應於光感應區域11而配置。電位梯度形成部13相對於對應之光感應區域11，形成沿著與第一方向D1交叉之第二方向D2升高之電位梯度。於本實施形態中，第一方向D1與第二方向D2係正交，第二方向D2係沿著光感應區域11之長邊方向，且為自一短邊朝向另一短邊之一方向。藉由電位梯度形成部13，光感應區域11所產生之電荷自光感應區域11之另一短邊側排出。即，電位梯度形成部13係形成光感應區域11之一短邊側高於光感應區域11之另一短邊側之電位梯度。
各儲存部3分別對應於光感應區域11，且配置於光感應區域11之另一短邊側。即，複數個儲存部3於光感應區域11之另一短邊側，於第二方向D2與光感應區域11(光電轉換部10)並列之方式而配置。儲存部3係位於光感應區域11與轉送部5之間。於本實施形態中，藉由電位梯度形成部13使自光感應區域11排出之電荷蓄積於儲存部3。蓄積於儲存部3之電荷傳送至對應之轉送部5。儲存部3作為電荷蓄積部而發揮功能。即，固體攝像裝置SI包含複數個電荷蓄積部。
各轉送部5分別對應於儲存部3，且配置於對應之儲存部3與移位暫存器7之間。即，複數個轉送部5於光感應區域11之另一短邊側，以於第二方向與儲存部3並列之方式而配置。轉送部5係位於儲存部3與移位暫存器7之間。轉送部5取得蓄積於儲存部3之電荷，且將取得之 電荷向移位暫存器7轉送。
移位暫存器7配置為與各儲存部3隔著各轉送部5。即，移位暫存器7係配置於光感應區域11之另一短邊側。移位暫存器7取得自各轉送部5轉送來之電荷，於第一方向D1轉送，依次輸出至輸出段17。自移位暫存器7輸出之電荷藉由輸出段17轉換為電壓，作為每個光感應區域11之電壓而輸出至固體攝像裝置SI之外部。輸出段17係以例如浮動擴散放大器(FDA，floating diffusion amplifier)等構成。
相鄰之光感應區域11之間、相鄰之儲存部3之間、及相鄰之轉送部5之間配置有隔離區域。隔離區域分別實現光感應區域11之間、儲存部3之間、及轉送部5之間之電性分離。
受光部1、複數個儲存部3、複數個轉送部5、及移位暫存器7亦如圖2所示，形成於半導體基板20。即，固體攝像裝置SI包含半導體基板20。半導體基板20包含：p型半導體層21，其係成為半導體基板20之基體；形成於p型半導體層21之一面側之n--型半導體層22、n-型半導體層23、n型半導體層24、26、28，n----型半導體層25、27，及p+型半導體層29。於本實施形態中，係使用矽基板作為半導體基板20。p型及n型之各導電型亦可調換為與上述者相反者。
於導電型標註之「+」係表示高雜質濃度。於導電型標註之「-」係表示低雜質濃度。低雜質濃度亦包含標註「-」之導電型之雜質之一部分可藉由與標註「-」之導電型相反之導電型之雜質而被補償，藉此，表觀上為低雜質濃度之態樣。「-」之數量係表示標註「-」之導電型之雜質濃度之程度。「-」之數量越多，標註「-」之導電型之雜質之濃度越低。作為n型雜質，有N、P或As等。作為p型雜質，有B或Al等。
p型半導體層21與n--型半導體層22形成pn接合，藉由n--型半導體層22，構成利用光之入射而產生電荷之光感應區域11。n--型半導體層 22以俯視，呈由兩條長邊與兩條短邊形成之矩形狀。n--型半導體層22沿著第一方向D1排列，陣列狀地位於一次元方向。即，各n--型半導體層22排列於沿著n--型半導體層22之短邊方向之方向。上述隔離區域可由p+型半導體層構成。
對於n--型半導體層22，配置電極31。電極31經由絕緣層(圖2中未圖示)形成於n--型半導體層22上。藉由電極31，構成電位梯度形成部13。電極31構成所謂之電阻閘極電極，以於第二方向D2延伸之方式而形成。
電極31藉由於第二方向D2之兩端(REGL、REGH)賦與電位差，形成對應於電極31於第二方向D2之電阻成分之電位梯度。即，電極31形成沿第二方向D2提高之電位梯度。藉由該電位梯度，於n--型半導體層22之電極31之正下方之區域，如圖4所示，形成電位之傾斜。根據光入射而於n--型半導體層22產生之電荷沿著電極31之正下方之區域之電位傾斜而於第二方向D2移動。
對於n--型半導體層22與n-型半導體層23，亦如圖3所示，配置有電極32。電極32於第二方向D2與電極31鄰接。電極32以經由絕緣層(圖3中未圖示)，跨及n--型半導體層22與n-型半導體層23之方式，形成於n--型半導體層22與n-型半導體層23上。n-型半導體層23於第二方向D2與n--型半導體層22鄰接。
對於n-型半導體層23與n型半導體層24，配置電極33。電極33於第二方向D2與電極32鄰接。電極33以經由絕緣層(圖3中未圖示)，跨及n-型半導體層23與n型半導體層24之方式，形成於n-型半導體層23與n型半導體層24上。n型半導體層24於第二方向D2與n-型半導體層23鄰接。
對電極32施加較施加於電極31之兩端之電壓高之電壓(STG1)。對電極33施加較施加於電極32之電壓高之電壓(STG2)。因此，n--型半 導體層22與n-型半導體層23之電極32正下方之區域之電位、與n-型半導體層23與n型半導體層24之電極33正下方區域之電位，低於n--型半導體層22之電極31正下方之區域之電位。因此，沿著電極31正下方之區域之電位之傾斜而移動之電荷，流入形成於電極32及電極33正下方之區域之電位井內，且蓄積於該電位井。
n--型半導體層22之電極32正下方之區域之p型雜質濃度，較n-型半導體層23之電極32正下方之區域高。即，外觀上，n-型半導體層23之電極32正下方之區域之n型雜質濃度，較n--型半導體層22之電極32正下方之區域高。因此，n-型半導體層23之電極32正下方之區域之電位，較n--型半導體層22之電極32正下方之區域之電位低。
於n-型半導體層23之電極32正下方之區域與n-型半導體層23之電極33正下方之區域中，雜質濃度係相同。於電極33施加高於電極32之電壓。因此，n-型半導體層23之電極33正下方區域之電位，較n-型半導體層23之電極32正下方區域之電位低。
n-型半導體層23之電極32正下方之區域之p型雜質濃度，較n型半導體層24之電極33正下方之區域高。即，外觀上，n型半導體層24之電極33正下方之區域之n型雜質濃度，較n-型半導體層23之電極32正下方之區域高。因此，n型半導體層24之電極33正下方區域之電位，較n-型半導體層23之電極32正下方區域之電位低。
藉由電極32、33、n--型半導體層22之一部分(n--型半導體層22之於第二方向D2之端部)、n-型半導體層23、及n型半導體層24，構成儲存部3。如上所述般，儲存部3具有n--型半導體層22之一部分、n-型半導體層23、及n型半導體層24作為雜質濃度向第二方向D2階段性單一方向地變化之複數個區域。儲存部3具有以跨及雜質濃度階段性不同之複數個區域之方式而配置之電極32、33。於儲存部3之電位，即，兩個電極32、33正下方之區域之電位，如圖4所示，沿著第二方向D2 階段性地加深。
於本實施形態中，n--型半導體層22與n-型半導體層23之界面位於對應於電極32於第二方向D2之中央部分。n-型半導體層23與n型半導體層24之界面位於對應於電極33於第二方向D2之中央部分。儲存部3之電極32、33之數量少於雜質濃度階段性地單一方向地變化之上述複數個區域之數量。
與電極33於第二方向D2鄰接，配置有一對轉送電極34、35。轉送電極34、35介隔絕緣層(圖3中未圖示)，分別形成於n----型半導體層25及n型半導體層26上。n----型半導體層25及n型半導體層26以與n型半導體層24於第二方向D2鄰接之方式配置。
自控制電路(未圖示)對轉送電極34、35供給信號TG。n----型半導體層25及n型半導體層26之電位之深度係如圖4所示，根據供給至轉送電極34、35之信號TG而改變。藉此，蓄積於電極32、33正下方之區域之電荷被送出至移位暫存器7。藉由轉送電極34、35、n----型半導體層25及n型半導體層26構成轉送部5。
於第二方向D2與轉送電極35鄰接，配置有一對轉送電極36、37。轉送電極36、37介隔絕緣層(圖3中未圖示)，分別形成於n----型半導體層27及n型半導體層28上。n----型半導體層27及n型半導體層28係以於第二方向D2與n型半導體層26鄰接之方式配置。
自控制電路(未圖示)對轉送電極36、37供給信號PH。n----型半導體層27及n型半導體層28之電位之深度如圖4所示，根據供給至轉送電極36、37之信號PH而改變。藉此，自轉送部5取得之電荷係轉送至輸出段17。藉由轉送電極36、37與n----型半導體層27及n型半導體層28，構成移位暫存器7。
P+型半導體層29將n型之各半導體層22、23、24、25、26、27、28與半導體基板20之其他部分電性分離。電極31、32、33、34、35、 36、37係例如包含多晶矽膜。上述絕緣層係例如包含氧化矽膜。
接著，參照圖5，說明形成儲存部3所具有之雜質濃度向第二方向D2階段性單一方向地變化之複數個區域之過程。圖5係用以說明儲存部之複數個區域之形成過程之圖。
準備於p型半導體層21之一面側具有以特定濃度添加n型雜質之n型半導體層41之半導體基板20。n型半導體層41係用以形成光感應區域11與儲存部3之區域。
於n型半導體層41之n--型半導體層22與n-型半導體層23之形成預定區域，以特定濃度添加p型雜質。此處，使用於形成預定區域對應之位置形成有開口之掩模，通過掩模之開口添加p型雜質。即，於n型半導體層24之形成預定區域未添加p型雜質。藉此，n型半導體層41之未添加p型雜質之區域成為n型半導體層24。若於n型半導體層41添加p型雜質，則補償n型雜質。藉此，表觀上，n型半導體層41之添加p型雜質之區域成為n型雜質之濃度較低之區域(n-型半導體層41a)。雜質之添加係使用離子注入法等。
接著，於n--型半導體層22之形成預定區域，進而以特定濃度添加p型雜質。此處，使用於對應於形成預定區域之位置形成有開口之掩模，通過掩模之開口添加p型雜質。藉此，於n型半導體層41之一度添加p型雜質之區域成為n-型半導體層23，二度添加p型雜質之區域成為n--型半導體層22。表觀上，p型雜質之添加次數越多，n型雜質之濃度變得越低。
藉由以上之過程，形成雜質濃度向第二方向階段性地單一方向地變化之複數個區域(n--型半導體層22、n-型半導體層23，及n型半導體層24)。n--型半導體層22構成光感應區域11，且亦構成儲存部3。因此，光感應區域11之n型雜質濃度及儲存部3之與光感應區域11鄰接之區域之n型雜質濃度為相同。
如上所述，於本實施形態中，儲存部3包含：雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n--型半導體層22、n-型半導體層23，及n型半導體層24)、及電極32、33。儲存部3之電極32以跨及n--型半導體層22及n-型半導體層23之方式，且，電極33以跨及n-型半導體層23及n型半導體層24之方式而配置。因此，即使於各電極32、33之於第二方向D2之中途部分形成之電場較弱之情形時，由於於該中途部分正下方之區域，雜質濃度階段性地單一方向地變化，故適當地調整於各電極32、33之上述中途部分正下方區域之電位之深度。藉此，充分促進電荷於儲存部3之於第二方向D2之移動，故縮短電荷之轉送時間。又，不會阻礙儲存部3之於第二方向D2之大尺寸化(飽和電荷量之增大)。
此處，邊將圖6~圖10所示之對比例1~3進行比較，邊確認上述之本實施形態之作用效果。於圖6~圖10中，於對比例1~3中，對與本實施形態對應之構成標註與本實施形態相同之符號且省略說明。圖6~圖10係用以說明對比例1~3之圖。
對比例1係如圖6中之(a)所示，關於位於各電極31、32、33正下方之n型之複數個半導體層101、102、103、104、105，與本實施形態不同。n型半導體層101係位於電極31正下方之區域，作為光感應區域11而發揮功能。n-型半導體層102及n型半導體層103位於電極32正下方之區域。n-型半導體層104及n型半導體層105位於電極33正下方之區域。於對比例1之儲存部3中，雜質濃度向第二方向D2重複變化，但並未階段性地單一方向地變化。於複數個半導體層101、102、103、104、105，如圖6中之(b)所示，形成電位。於儲存部3之電位沿著第二方向D2階段性地變深。
於對比例1中，n-型半導體層102、104係藉由介隔於與n-型半導體層102、104對應之位置形成有開口之掩模，於n型之半導體層添加p 型雜質而形成。此時，因上述掩模之位置偏移，如圖7中之(a)及圖8中之(a)所示，有時於各半導體層102、103、104、105與各電極32、33會產生位置偏移。由於當產生上述位置偏移時，如圖7中之(b)及圖8中之(b)所示，對電位形成意外之障壁或井，故會阻礙電荷轉送。由於掩模之位置偏移係根據每個製造固體攝像裝置時使用之半導體晶圓而不同，故隨每個半導體晶圓而固體攝像裝置之性能不同。藉此，每個製品之性能不均一變大。
於本實施形態中，儲存部3具有於第二方向D2排列之n--型半導體層22之一部分(位於n--型半導體層22之電極32正下方之部分)與n-型半導體層23作為儲存部3所具有之上述複數個區域。就n--型半導體層22之上述一部分與n-型半導體層23而言，於n型半導體層41之n--型半導體層22與n-型半導體層23之形成預定區域注入p型雜質，且，藉由於注入有該p型雜質之上述形成預定區域中之n--型半導體層22之形成預定區域進而注入p型雜質，而使雜質濃度階段性地單一方向地變化。n--型半導體層22與n-型半導體層23之界面之於第二方向之位置係位於電極32之第二方向D2之中途部分。因此，即使於產生掩模之位置偏移之情形時，亦不會對電位形成障壁或井，不會阻礙電荷轉送。因此，難以產生主要因掩模之位置偏移而引起之每個製品之性能不均一。又，可簡易地實現雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n--型半導體層22、n-型半導體層23及n型半導體層24)。
於本實施形態中，n--型半導體層22構成光感應區域11及儲存部3。即，n--型半導體層22包含兩個區域：位於電極31正下方且構成光感應區域11之區域；及位於電極32正下方且構成儲存部3之區域，該兩區域雜質濃度相同。表觀上，構成光感應區域11之區域(n--型半導體層22)之n型雜質濃度較對比例1之n型半導體層101更低。因此，與n 型半導體層101相比，形成於n--型半導體層22之電極31正下方之區域之電位上升。由儲存部3與轉送部5所形成之電位與對比例1相比變深。因此，電荷轉送更順利地進行。於光感應區域11與儲存部3之間難以產生電位之障壁或井，可防止阻礙電荷自光感應區域11向儲存部3之轉送。
對比例2如圖9(a)所示，關於儲存部3所具有之複數個電極111、112、113、及位於該複數個電極正下方之n型半導體層101與本實施形態不同。n型半導體層101位於電極31、及電極111、112、113正下方之區域，作為光感應區域11及儲存部3發揮功能。即，儲存部3係由n型半導體層101之一部分、及複數個電極111、112、113而構成。於各電極111、112、113施加不同之電壓(STG1、STG2、STG3)，於n型半導體層101，如圖9中之(b)所示，形成電位。儲存部3之電位係沿著第二方向D2階段性變深。
於對比例2中，有必要設置與形成於儲存部3之電位之段數對應之數量之電極111、112、113，且有必要於各電極111、112、113連接信號線。因此，有使構成複雜化之虞。由於配置電極111、112、113，故儲存部3於第二方向D2之尺寸變大。於該情形時，儲存部3於第二方向D2之尺寸基於飽和電荷量增大之要求，亦有尺寸變大之虞。
與此相對，於本實施形態中，電極32、33之數量比於儲存部3所形成之電位之段數更少，連接於該電極32、33之信號線之數量亦較其更少。因此，於本實施形態中，固體攝像裝置SI之構成較簡單，且固體攝像裝置SI之製造亦容易。儲存部3之第二方向D2之尺寸，基於飽和電荷量增大之要求而尺寸進變得更大之情況將受到抑制。
對比例3係如圖10所示，關於各電極121、122、123、124、及位於該等之電極121、122、123、124正下方之n型之複數個半導體層 101、102、103、104、105與本實施形態不同。n-型半導體層102位於電極121正下方之區域，n型半導體層103位於電極122正下方之區域。n-型半導體層104位於電極123正下方之區域，n型半導體層105位於電極124正下方之區域。電極121與電極122被施加相同電壓(STG1)，電極123與電極124被施加相同電壓(STG2)。
於對比例3中，n-型半導體層102、104係於形成電極31、電極122、及電極124後，藉由將該等電極31、122、124設為掩模，於n型半導體層添加p型雜質而形成。即，n-型半導體層102、104係藉由自動對準而形成。因此，不會產生如對比例1般之掩模之位置偏移，亦不會對電位意外形成障壁或井。
由於對比例3具備於狹窄之區域集中複數個電極121、122、123、124之構成，故確保連接於各電極121、122、123、124之信號線之配線空間等之於設計上之限制較多。於對比例3中，與對比例2相同，儲存部3之於第二方向D2之尺寸亦有基於飽和電荷量增大之要求而尺寸進而變大之虞。
與此相對，於本實施形態中，如上所述般，固體攝像裝置SI之構成較簡單，且固體攝像裝置SI之製造亦容易。儲存部3之於第二方向D2之尺寸於基於飽和電荷量增大之要求而尺寸變得更大之情況將被抑制。
如上述般，本實施形態與對比例1~3相比，發揮優異之作用效果。即，根據本實施形態之固體攝像裝置SI，可於較高次元實現兼具飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化。
接著，參照圖11及圖12，說明本實施形態之變化例之構成。圖11係顯示本實施形態之變化例之固體攝像裝置之剖面構成之概念圖。圖12係用以說明儲存部之構成之圖。
本變化例之固體攝像裝置SI所具備之半導體基板20包含：p型半 導體層21、n---型半導體層22、n--型半導體層51、n-型半導體層52、n型半導體層53、26、28、n----型半導體層25、27、及p+型半導體層29。對於n---型半導體層22、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53，亦如圖12所示，配置電極55。
電極55於第二方向D2與電極31鄰接。電極55介隔絕緣層(圖11中未圖示)，以跨及n---型半導體層22、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53之方式，形成於n---型半導體層22、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53上。電極55包含例如多晶矽膜。上述之絕緣層包含例如氧化矽膜。於電極55施加較施加於電極31之兩端之電壓更高之電壓(STG)。
n--型半導體層51於第二方向D2與n---型半導體層22鄰接。n-型半導體層52於第二方向D2與n--型半導體層51鄰接。n型半導體層53於第二方向D2與n-型半導體層52鄰接。n----型半導體層25於第二方向D2與n型半導體層53鄰接。
n---型半導體層22之電極55正下方之區域之p型雜質濃度較n--型半導體層51更高。即，表觀上，n--型半導體層51之n型雜質濃度較n---型半導體層22之電極55正下方之區域更高。n--型半導體層51之p型雜質濃度較n-型半導體層52更高。n-型半導體層52之p型雜質濃度較n型半導體層53更高。即，表觀上，n型半導體層53之n型雜質濃度較n-型半導體層52更高。表觀上，n-型半導體層52之n型雜質濃度較n--型半導體層51更高。
藉由電極55、n---型半導體層22之一部分(n---型半導體層22之於第二方向之端部)、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53構成儲存部3。如上所述般，儲存部3具有：n---型半導體層22之一部分、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53作為雜質濃度向第二方向D2階段性單向變化之複數個區域。又，儲存部3具 有跨及雜質濃度階段性不同之複數個區域之方式配置之電極55。於儲存部3之電位，即電極55正下方之區域之電位沿著第二方向D2階段性地變深。
接著，參照圖13，說明變化例之形成儲存部3所具有之雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域之過程。圖13係用以說明儲存部之複數個區域之形成過程之圖。
準備p型半導體層21之一面側具有以特定之濃度添加n型雜質之n型半導體層41之半導體基板20。然後，於n型半導體層41之n---型半導體層22、n--型半導體層51、及n-型半導體層52之形成預定區域，以特定濃度添加p型雜質。此處，使用於對應於形成預定區域之位置形成有開口之掩模，通過掩模之開口添加p型雜質。即，於n型半導體層53之形成預定區域，未添加p型雜質。藉此，n型半導體層41之未添加p型之雜質之區域成為n型半導體層53。
接著，於n---型半導體層22及n--型半導體層51之形成預定區域，進而以特定濃度添加p型雜質。此處，使用於對應於形成預定區域之位置形成有開口之掩模，通過掩模之開口添加p型雜質。其後，於n---型半導體層22之形成預定區域，進而以特定濃度添加p型雜質。於此處，亦使用於對應於形成預定區域之位置形成有開口之掩模，通過掩模之開口添加p型雜質。藉此，n型半導體層41之一度添加p型雜質之區域成為n-型半導體層52，二度添加p型雜質之區域成為n--型半導體層51，三度添加p型雜質之區域成為n---型半導體層22。
藉由以上之過程，形成雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n---型半導體層22、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53)。
如上所述，於本變化例中，儲存部3具有：雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n---型半導體層22、n--型半 導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53)、及電極55。儲存部3之電極55以跨及n---型半導體層22、n--型半導體層51、n-型半導體層52、及n型半導體層53之方式而配置。因此，即使於形成於電極55之於第二方向D2之中途部分之電場較弱之情形時，由於該中途部分正下方之區域之雜質濃度階段性地單一方向地變化，故可適當地調整電極55之上述中途部分正下方之區域之電位深度。藉此，於本變化例中，亦可於更高次元實現兼具飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化。
接著，參照圖14~圖17，對本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成進行說明。圖14~圖17係用以說明本實施形態之變化例之固體攝像裝置之構成之圖。
圖14所示之變化例之固體攝像裝置包含複數個電荷排出部61，其於第一方向排列於各儲存部3，且將蓄積於對應之儲存部3之電荷排出。各電荷排出部61包含：汲極區域63，其排出電荷；及閘極區域65，其位於儲存部3與汲極區域63之間。閘極區域65控制電荷自儲存部3朝汲極區域63之流入。汲極區域63包含n+型半導體層63a、及電性連接於n+型半導體層63a之電極63b。n+型半導體層63a之n型雜質濃度較儲存部3更高。閘極區域65具有：於第一方向與儲存部3鄰接之n型半導體層65a、及配置於n型半導體層65a上之閘極電極65b。n型半導體層65a之n型雜質濃度較n+型半導體層63a更低。
對閘極電極65b供給較基準更低之電位之情形時，於n型半導體層65a中，形成電位之障壁。藉此，控制電荷自儲存部3向汲極區域63之流動。對閘極電極65b供給較基準更高之電位之情形時，於n型半導體層65a中不形成電位之障壁。藉此，電荷流動於汲極區域63(n+型半導體層63a)而排出。
於本變化例中，於儲存部3產生超過該儲存部3之蓄積容量之電 荷時，可藉由電荷排出部61排出超過蓄積容量部分之電荷。藉此，自超過蓄積容量部分之儲存部3溢出之電荷朝其他儲存部3漏出，可防止所謂之暈散。
於圖15所示之變化例之固體攝像裝置中，儲存部3隨著向第二方向D2，於第一方向D1之寬度變大。於本變化例中，可不組礙電荷自儲存部3朝轉送部5之流動，即，不阻礙電荷自儲存部3於第二方向D2之流動而可配置電荷排出部61。
於圖16及圖17所示之變化例之固體攝像裝置中，汲極區域63(n+型半導體層63a)由第一方向D1相鄰之電荷排出部61間所共用。藉此，可實現電荷排出部61之省空間化。即使於圖14所示之變化例中，汲極區域63(n+型半導體層63a)亦可由第一方向D1相鄰之電荷排出部61間所共用。
於圖18中之(a)所示之變化例之固體攝像裝置中，儲存部3具有：雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n型半導體層22、n+型半導體層23、及n++型半導體層24)、及電極32、33。於儲存部3中，n+型半導體層23為一度添加n型雜質之區域，n++型半導體層24為二度添加n型雜質之區域。儲存部3之電極32以跨及n型半導體層22與n+型半導體層23之方式配置，又，電極33以跨及n+型半導體層23與n++型半導體層24之方式配置。因此，於儲存部3之電位與本實施形態相同，沿著第二方向D2階段性地變深。
於圖18中之(b)所示之變化例之固體攝像裝置中，儲存部3具有：雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n型半導體層22、n+型半導體層51、n++型半導體層52、及n+++型半導體層53)、及電極55。於儲存部3中，n+型半導體層51係一度添加n型雜質之區域，n++型半導體層52係二度添加n型雜質之區域，n+++型半導體層53係三度添加n型雜質之區域。儲存部3之電極55以跨及n型半導體 層22、n+型半導體層51、n++型半導體層52、及n+++型半導體層53之方式配置。因此，於儲存部3之電位與圖11及圖12所示之變化例相同，沿著第二方向D2階段性地變深。
如圖18所示之變化例中，藉由添加n型雜質，形成雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之複數個區域(n型半導體層22、n+型半導體層23、及n++型半導體層24)。於本變化例中，亦可於較高之次元實現兼具飽和電荷量之增大與電荷轉送之高速化。
以上，雖已說明本發明之較佳實施形態，但本發明並非限定於上述之實施形態，於不脫離其要旨之範圍內可進行各種之變更。
例如，儲存部3之雜質濃度向第二方向D2階段性地單一方向地變化之區域數量並非限定於上述之實施形態及變化例中之數量。儲存部3所具有之電極數量亦並非限定於上述實施形態及變化例中之數量。
[產業上之可利用性]
本發明可利用於CCD線性圖像感測器等之固體攝像裝置。
20‧‧‧半導體基板
21‧‧‧p型半導體層
22‧‧‧n--型半導體層
23‧‧‧n-型半導體層
24‧‧‧n型半導體層
25‧‧‧n----型半導體層
26‧‧‧n型半導體層
27‧‧‧n----型半導體層
28‧‧‧n型半導體層
29‧‧‧p+型半導體層
31‧‧‧電極
32‧‧‧電極
33‧‧‧電極
34‧‧‧轉送電極
35‧‧‧轉送電極
36‧‧‧轉送電極
37‧‧‧轉送電極
SI‧‧‧固體攝像裝置
D2‧‧‧第二方向

Claims (10)

  1. 一種固體攝像裝置，其包含：複數個光電轉換部，其排列於第一方向；複數個電荷蓄積部，其與對應之光電轉換部排列於與第一方向正交之第二方向，並蓄積於對應之光電轉換部產生之電荷；及電荷輸出部，其取得自上述複數個電荷蓄積部分別轉送而來之電荷，向上述第一方向轉送並輸出；且各上述光電轉換部包含：光感應區域，其根據光入射而產生電荷；及電位梯度形成部，其形成相對於上述光感應區域沿著上述第二方向而升高之電位梯度，並促進上述光感應區域之電荷向上述第二方向移動；且各上述電荷蓄積部包含：雜質濃度向上述第二方向階段性地單一方向地變化之複數個區域；及以跨及雜質濃度階段性地不同之上述複數個區域之方式配置，並對上述複數個區域施加電場之電極。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中各上述電荷蓄積部包含於上述第二方向排列之第一區域與第二區域，來作為上述複數個區域；且於上述第一區域與上述第二區域中，藉由將雜質注入上述第一區域與上述第二區域，且對注入有雜質之上述第二區域進而注入雜質，使雜質濃度階段性地單一方向地變化。
  3. 如請求項2之固體攝像裝置，其中上述第二區域於上述第二方向 與上述光感應區域鄰接；且上述光感應區域藉由與上述第二區域同時注入雜質，使雜質濃度與上述第二區域相同。
  4. 如請求項1至3中任一項之固體攝像裝置，其中進而包含複數個電荷排出部，其跟各上述電荷蓄積部排列於上述第一方向，且排出蓄積於上述電荷蓄積部之電荷。
  5. 如請求項4之固體攝像裝置，其中各上述電荷蓄積部越向上述第二方向，於上述第一方向之寬度越大。
  6. 如請求項4之固體攝像裝置，其中各上述電荷排出部包含：汲極區域，其排出電荷；及閘極區域，其位於上述電荷蓄積部與上述汲極區域之間，且控制電荷自上述電荷蓄積部向上述汲極區域之流入；且上述汲極區域係由於上述第一方向相鄰之上述電荷排出部間所共用。
  7. 如請求項5之固體攝像裝置，其中各上述電荷排出部包含：汲極區域，其排出電荷；及閘極區域，其位於上述電荷蓄積部與上述汲極區域之間，且控制電荷自上述電荷蓄積部向上述汲極區域之流入；且上述汲極區域係由於上述第一方向相鄰之上述電荷排出部間所共用。
  8. 如請求項1之固體攝像裝置，其進而包含：複數個轉送部，其等配置於對應之上述電荷蓄積部與上述電荷輸出部之間；各轉送部係取得蓄積於上述電荷蓄積部之電荷，將取得之電荷向上述電荷輸出部轉送。
  9. 如請求項1之固體攝像裝置，其中 各上述電荷蓄積部係：包含作為上述複數個區域而沿上述第二方向依序配置之第一區域、第二區域及第三區域，並且作為上述電極，包含：第一電極，其以跨及彼此鄰接之上述第一區域及上述第二區域之方式配置；及第二電極，其以跨及彼此鄰接之上述第二區域及上述第三區域之方式配置並且被供給高於上述第一電極之電位。
  10. 如請求項1之固體攝像裝置，其中各上述電荷蓄積部係：作為上述電極，包含以跨及上述複數個區域整體之方式配置之一個電極。
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