專利名稱：內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件。
背景技術(shù)：
以前，具有倍增寄存器的固體攝像元件(例如，參考下述專利文獻1 3)已為人 所知。在如此的固體攝像元件中，將由攝像區(qū)域讀取的電荷經(jīng)由水平移位寄存器傳送至倍 增寄存器。倍增寄存器具備形成于半導體層上的絕緣層、與形成于絕緣層上的傳送電極，在 對于某電極(DC電極)施加直流電位且該電位固定的狀態(tài)下，若使次段的傳送電極(倍增 電極)的電位大幅上升，則在這些電極間的電荷傳送期間，可進行電子倍增。專利文獻1 日本發(fā)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

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題然而，發(fā)明人等潛心研究上述的構(gòu)造的倍增寄存器的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為在提高對于光 的感光度下兼又提高分辨率，在使用具高電阻的外延層的基板的情況時，幾乎無法進行電 子倍增。本發(fā)明的目的在于提供一種即使使用具有高電阻的外延層的基板，也可充分進行 電子倍增的內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件。解決問題的技術(shù)手段為解決上述的問題，本發(fā)明所涉及的內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件的特征 在于具備P型半導體基板；在半導體基板上生長的P型外延層；形成于外延層內(nèi)的攝像 區(qū)域；具有形成于外延層內(nèi)的N型半導體區(qū)域并傳送來自攝像區(qū)域的信號的水平移位寄存 器；及形成于外延層內(nèi)的P型阱區(qū)域；N型的上述半導體區(qū)域延伸至阱區(qū)域內(nèi)，阱區(qū)域內(nèi)的 P型雜質(zhì)濃度高于外延層內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度，在阱區(qū)域中，形成有倍增來自水平移位寄存器 的電子的倍增寄存器。外延層已知其結(jié)晶性優(yōu)良。因此，在P型外延層形成N型半導體區(qū)域的情況時，由 于在水平移位寄存器的電子在結(jié)晶性優(yōu)良的半導體內(nèi)傳送，故電子傳送可高精度地進行。 如此傳送的電子流入倍增寄存器內(nèi)，而在倍增寄存器的周圍，存在有濃度相對高于外延層 的P型阱區(qū)域。發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)在如此的情況時，倍增寄存器的傳送電極正下方的電位變化 會變得急劇，使電子倍增率顯著提高。另外，倍增寄存器優(yōu)選為具備形成于阱區(qū)域內(nèi)的N型的上述半導體區(qū)域；形成于 上述半導體區(qū)域上的絕緣層；在該絕緣層上以鄰接的方式形成的多個傳送電極；及配置于 傳送電極間，被施加直流電位的DC電極。S卩，在被施加直流電位的DC電極，與次段的傳送電極(倍增電極)之間的N型半導體區(qū)域內(nèi)的電位變化會變得急劇，電子倍增顯著地進行。另外，上述絕緣層優(yōu)選為僅由單一的SiO2層構(gòu)成。絕緣層以提高其機械耐性與電 性耐壓作為目的，優(yōu)選為采用Si3N4層與SiO2層的2層構(gòu)造。然而，與起初的預想相悖，使 用如此的絕緣層的情況時，倍增寄存器的增益會劣化。另一方面，絕緣層僅由單一的3102層 構(gòu)成的情況時，卻會得到不會發(fā)生增益劣化的超出預想的結(jié)果。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件，即使使用高電阻的外延層， 也可充分地進行電子倍增。


圖1為固體攝像元件的平面圖；圖2為圖1所示的固體攝像元件的II-II箭頭剖面圖；圖3為圖1所示的固體攝像元件的III-III箭頭剖面圖；圖4為顯示固體攝像元件的詳細的連接關(guān)系的平面圖；圖5為圖4所示的固體攝像元件的V-V箭頭剖面圖；圖6為顯示驅(qū)動/讀取電路與固體攝像元件的連接關(guān)系的方塊圖；圖7為倍增寄存器的電位圖；圖8為顯示使用固體攝像元件的時間與相對增益的關(guān)系的圖表。
具體實施例方式以下，就實施方式所涉及的內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件進行說明。再者， 相同的要素使用相同的符號，而省略重復的說明。圖1為背面入射型的固體攝像元件100的平面圖。在半導體基板上形成有絕緣層2，在絕緣層2的表面上形成有多個垂直電荷傳送 電極，這些部份構(gòu)成垂直移位寄存器。形成有垂直移位寄存器的區(qū)域為攝像區(qū)域VR，本例的 情況為CXD攝像區(qū)域。再者，攝像區(qū)域VR也可由MOS型影像傳感器構(gòu)成。在攝像區(qū)域VR的一邊，鄰接設置有水平移位寄存器HR，在從水平移位寄存器HR至 倍增寄存器EM的電荷傳送路徑內(nèi)，配置有轉(zhuǎn)角寄存器CR。轉(zhuǎn)角寄存器CR的構(gòu)造雖與水平 移位寄存器HR相同，但電荷傳送方向以描繪圓弧的方式彎曲。在倍增寄存器EM的輸出端， 電連接有放大器AMP，從放大器AMP的輸出端子OS所獲得的圖像信號按逐個像素依次讀取。形成有絕緣層2的半導體基板的背面?zhèn)鹊闹醒氩勘晃g刻成矩形，并形成有凹部 DP。形成有凹部DP之側(cè)為基板的背面，且影像入射至固體攝像元件的背面?zhèn)取D2為圖1所示的固體攝像元件的II-II箭頭剖面圖。固體攝像元件100具有P型半導體基板IA ；在半導體基板IA上生長的P型外延 層IB ；形成于外延層IB內(nèi)的攝像區(qū)域VR;及形成于外延層IB內(nèi)的N型半導體區(qū)域1C，并 構(gòu)成埋入通道型(XD。光像hv從基板背面?zhèn)热肷洹０雽w基板IA從背面?zhèn)冉?jīng)蝕刻而構(gòu)成 凹部DP。再者，將包含半導體基板1A、外延層IB及半導體區(qū)域IC的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。在外延層IB的 一部分形成有P型接觸區(qū)域1G，在接觸區(qū)域IG設置有電極El。若對電極El施加接地電位
4等的基準電位，則可決定P型半導體基板IA與外延層IB的電位。在攝像區(qū)域VR中，所傳送的電子在垂直于圖2的紙面的方向行進。再者，在N型半 導體區(qū)域內(nèi)，形成有沿著電荷傳送方向延伸的由多個P型半導體區(qū)域構(gòu)成的隔離區(qū)IS(參 照圖4)，而將垂直移位寄存器的各信道區(qū)分間隔，為使說明簡略化，在同圖中未顯示隔離 區(qū)。圖3為圖1所示的固體攝像元件的III-III箭頭剖面圖。設置于攝像區(qū)域VR的傳送電極3A、3B為交替配置，這些電極一部分區(qū)域重疊，絕 緣層5介于鄰接的傳送電極3A、3B之間，并電氣分離。來自攝像區(qū)域VR的信號由水平移位 寄存器HR傳送。另外，倍增寄存器EM(在同圖中僅將電極組作為EM而模式性顯示)位于水 平移位寄存器HR的附近。在倍增寄存器EM的位置的外延層IB內(nèi)，形成有P型阱區(qū)域1D， N型半導體區(qū)域IC也延伸至阱區(qū)域ID內(nèi)。阱區(qū)域ID內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度高于外延層IB內(nèi) 的P型雜質(zhì)濃度。半導體基板1由形成有凹部DP的薄板部、與其周圍的厚板部構(gòu)成。在厚板部中， 因光的入射而在內(nèi)部產(chǎn)生的載流子在到達表面?zhèn)戎跋АＳ绕涫前雽w基板IA的P型 雜質(zhì)濃度由于較外延層IB為充分高的濃度，故載流子的行經(jīng)距離也縮短。水平移位寄存器 HR、轉(zhuǎn)角寄存器CR(參照圖1)及倍增寄存器EM至少形成于薄板部的外側(cè)的區(qū)域，優(yōu)選為形 成于厚板部的區(qū)域。因此，在厚板部產(chǎn)生的載流子不會混入這些寄存器內(nèi)。圖4為顯示固體攝像元件的詳細的連接關(guān)系的平面圖。攝像區(qū)域VR具備沿著垂直方向交替配置的垂直傳送電極3A、3B。各傳送電極3A、 3B在水平方向延伸，鄰接的傳送電極彼此少許重疊。在本例中，對傳送電極3施加3相的驅(qū) 動電壓(P1V、P2V、P3V)。通過該驅(qū)動電壓的施加，存儲于傳送電極正下方的電子在垂直方 向傳送。再者，在同圖中，顯示有FFT(full frame transfer)方式的CCD，其也可替換成進 一步包含存儲區(qū)域的FT (frame transfer)方式的CCD，或IT (interline transfer)方式的 CCD。在攝像區(qū)域VR，形成有用于分離各垂直電荷傳送信道CHl CHlO的P型隔離區(qū) IS。在構(gòu)成攝像區(qū)域VR的信道CHl CHlO中，對應于光的入射而產(chǎn)生的電荷朝垂直方向 傳送，且在每個信道中流入水平移位寄存器HR的各傳送電極6的正下方。再者，在攝像區(qū)域VR與水平移位寄存器HR之間，設置有被施加柵極電壓TG的傳 送電極(轉(zhuǎn)移柵)，通過控制柵極電壓TG，可控制從攝像區(qū)域VR流入至水平移位寄存器HR 的電荷量。構(gòu)成水平移位寄存器HR的傳送電極6A、6B沿著水平方向交替配置，且一部分重 疊。再者，在任一者的寄存器中，在鄰接的傳送電極3A、3B、6A、6B、7A、7B、8A、8B之間，均存 在有形成于絕緣層2上的絕緣層5 (參照圖5)，且這些電極電氣分離。對傳送電極6施加3 相的驅(qū)動電壓(P1HA、P2HA、P3HA)，且傳送電極6正下方的電子在水平方向傳送。在水平移 位寄存器HR上，連接有圓弧狀彎曲的轉(zhuǎn)角寄存器CR。構(gòu)成轉(zhuǎn)角寄存器CR的傳送電極7A、 7B沿著圓弧交替配置，且一部分重疊。對傳送電極7施加與在水平移位寄存器上施加的相 同的3相的驅(qū)動電壓(P1HA、P2HA、P3HA)，且傳送電極7的正下方的電子沿著圓弧傳送至倍 增寄存器EM。 在倍增寄存器EM中，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相的驅(qū)動電壓(P1HB、P2HB、P3HB)，且傳送電極8的正下方的電子在水平 方向傳送。在4個成一組的傳送電極8中，對3個傳送電極8施加驅(qū)動電壓，對其余的1個 傳送電極8施加作為DC電極的直流電位DCB。在本例中，具有在水平方向依次鄰接的4個 成一組的傳送電極8，即第1、第2、第3、第4傳送電極8的情況時，將位于第2者設為DC電 極，對其施加直流電位DCB。對傳送電極8所施加的電位為正電位，對第1傳送電極8施加適當?shù)恼娢?(P1HB)，并加深勢阱(提高電位參照圖7)，在該阱內(nèi)預先存儲電子。對第3傳送電極8也 施加大的正電位(P2HB的最大值> P2HA的最大值)，加深勢阱，且施加于第2傳送電極8的 一定的電位(DCB)低于這些電位(P1HB、P2HB)，并于第1與第3阱之間形成勢壘。在此狀 態(tài)下，若使第1勢阱變淺(降低電位參照圖7)，則從勢阱溢出的電子會越過勢壘，而落入 第3傳送電極的勢阱(電位深度ΦΑ)內(nèi)。該電子落下時進行電子倍增。第1勢阱的電位 進一步下降(上方向)，而使所存儲的電子完全傳送至第3勢阱。再者，電位Φ的朝向為朝 下方為正。該經(jīng)倍增的電子一邊加深第4傳送電極8的正下方的勢阱，一邊使第3傳送電極 8的正下方的勢阱變淺，由此可移動至第4勢阱。同樣地，存儲于第4勢阱的電子使用與從 第3至第4的電荷傳送相同的方法，移動至下一組的第1勢阱并存儲。以下，使用與上述相 同的手法，在下一組中也重復倍增 傳送步驟。再者，在本例中，電荷傳送使用3相驅(qū)動，但 也可設定成4相驅(qū)動，或2相驅(qū)動。經(jīng)倍增的電子最終流入至高濃度的N型半導體區(qū)域FD。半導體區(qū)域FD連接于放 大器AMP。該放大器AMP為內(nèi)建于半導體基板1內(nèi)的浮動·擴散·放大器。圖5為圖4所示的固體攝像元件的V-V箭頭剖面圖。再者，圖6為顯示驅(qū)動/讀 取電路200與固體攝像元件100的連接關(guān)系的方塊圖。從驅(qū)動/讀取電路200將各種的信 號給予至固體攝像元件100。再者，為方便電荷讀取部的說明，使各要素與信號使用相同的 符號。首先，對信號讀取部的結(jié)構(gòu)進行說明。在信號讀取部的半導體區(qū)域FD連接有放大 器AMP。根據(jù)半導體區(qū)域FD內(nèi)的電荷量，晶體管QB的柵極電位變動，對應于此，從輸出漏 極OD經(jīng)由晶體管QB流過電阻R的電流量變化。即，根據(jù)存儲于半導體區(qū)域FD的電荷量， 電阻R的兩端值的電壓(輸出電壓)OS變化，并將其讀取。來自1個像素的電荷經(jīng)讀取后，在重置柵極RG輸入重置電壓RG，經(jīng)由重置漏極RD 重置半導體區(qū)域FD的電位。此處，由于重置漏極RD的電位為正，故重置時，可存儲電子的 勢阱形成于半導體區(qū)域FD內(nèi)。重置后，控制重置柵極RG的電位，將晶體管QA斷開，并將半 導體區(qū)域FD的電位設成浮動電平。再者，在使電荷流入半導體區(qū)域FD內(nèi)之前，升高近處的信號柵SG的電位，在此存 儲電荷，且輸出柵OG的電位固定，而形成阻擋，以使電荷不從信號柵SG的正下方區(qū)域流入 半導體區(qū)域FD內(nèi)。其后，若在輸出柵OG的電位固定的狀態(tài)下，降低信號柵SG的電位，則存 儲于信號柵SG的正下方的電荷將流入半導體區(qū)域FD內(nèi)。其次，對倍增寄存器EM進行說明。在阱區(qū)域ID中形成有倍增寄存器EM，倍增寄存 器EM倍增來自水平移位寄存器HR的電子。外延層已知其結(jié)晶性優(yōu)良。尤其在低雜質(zhì)濃度的情形下結(jié)晶性增高。因此，在P 6型外延層IB形成N型半導體區(qū)域IC的情況時，垂直移位寄存器、水平移位寄存器HR、及轉(zhuǎn) 角寄存器CR的電子在結(jié)晶性優(yōu)良的半導體內(nèi)傳送，噪聲變少，從而電子傳送可高精度地進 行。如此傳送的電子流入至倍增寄存器EM的半導體區(qū)域IC內(nèi)。另外，由于低雜質(zhì)濃度的緣 故，耗盡層容易擴大，從而感度提高。在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的電子會因電場引起的漂移而移動， 故電子跑動中不會因擴散而擴大，從而分辨率提高。倍增寄存器EM具備形成于阱區(qū)域ID內(nèi)的N型半導體區(qū)域IC ；形成于半導體區(qū)域 IC上的絕緣層2 ；在絕緣層2上以鄰接的方式形成的多個傳送電極8 ；及配置于傳送電極8 之間且被施加直流電位DCB(參照圖4及圖7)的DC電極8。在倍增寄存器EM的周圍，存在 有濃度相對高于外延層IB的P型阱區(qū)域1D。再者，外延層IB形成于基板整個面，但N型半 導體區(qū)域IC僅選擇性形成于形成有攝像區(qū)域VR、水平移位寄存器HR、轉(zhuǎn)角寄存器CR、倍增 寄存器EM的區(qū)域。圖7為倍增寄存器EM的電位圖。上述構(gòu)造的情況，如同圖所示，倍增寄存器EM的傳送電極8的正下方的半導體區(qū) 域內(nèi)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的DC電極8、與 被施加電位P2HB的次段的傳送電極(倍增電極)8之間的N型半導體區(qū)域IC內(nèi)的電位變 化變得急劇，電子倍增顯著地進行。越過被施加直流電位DCB的第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(qū)域1D(參照圖5)情況時，如同圖的虛 線PRI所示，電位變化變得緩慢，使電子倍增無法充分進行。在使用高電阻的外延層時，在 沒有P型阱區(qū)域ID的情況時幾乎無法進行倍增，但在某些情況每1段的倍增率為1. 01以上。再者，上述的實施方式的半導體層內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度CP、N型雜質(zhì)濃度Cn的范圍優(yōu) 選為以下的情況。· P型半導體基板IA的雜質(zhì)濃度Cp (IA) = 1 X IO17 1 X IO1Vcm3· P 型外延層 IB 的雜質(zhì)濃度 Cp(IB) = 1 X IO11 1 X IO16/cm3· N型半導體區(qū)域IC的雜質(zhì)濃度Cn (IC) = 1 X IO12 1 X IO1Vcm3· P 型阱區(qū)域 ID 的雜質(zhì)濃度 Cp (ID) = 1 X IO12 1 X IO1Vcm3此處，雜質(zhì)濃度C滿足以下的關(guān)系。· Cp(IA) > CN(IC) > Cp(IB)· Cp(IA) > Cp(ID) > Cp(IB)此處，P型半導體基板IA的厚度t (IA)、P型外延層IB的厚度t (IB)、N型半導體 區(qū)域IC的厚度t (IC)、及P型阱區(qū)域ID的厚度t (ID)滿足以下的關(guān)系?！?t(lA) > t(lB) > t(lD) > t(lC)再者，上述的半導體材料為Si，本例的P型外延層IB的電阻率為lOOQcm，相對通 常所使用的10 Ω cm為較高值。其次，對絕緣層2的材料進行說明。圖8為顯示使用固體攝像元件的時間與相對增益的關(guān)系的圖表。圖5所示的實施例所涉及的絕緣層2僅由單一的SiO2層構(gòu)成。比較例中的絕緣 層采用Si3N4層/SiO2層的2層構(gòu)造。將單一的SiO2層與Si3N4層/SiO2層的2層以相同的厚度比較。SiO2層為Si熱氧化膜。另外，Si3N4層以LPCVD法而形成，傳送電極的材料為摻 雜P的多晶硅。使用比較例的絕緣層時，隨著攝像時間的經(jīng)過，倍增寄存器的相對增益逐漸下降。 另一方面，絕緣層2僅由單一的SiO2層構(gòu)成的實施例的情況下，獲得經(jīng)過5個小時后，也不 會發(fā)生增益的劣化的超出預想的結(jié)果。研究該現(xiàn)象后可推定，2層構(gòu)造的絕緣層的情況時，在Si3N4層/SiO2層的界面電荷 會被捕捉，而被捕捉的電荷所引起的電場對于倍增寄存器EM的特性會造成不良影響。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明通過進行高性能的電子倍增，可適用于能夠拍攝微弱的光像的內(nèi)建電子倍 增功能型的固體攝像元件。再者，上述的實施方式也可適用于不蝕刻半導體區(qū)域的表面入射型固體攝像元 件。符號說明
IA半導體基板
IB外延層
VR攝像區(qū)域
ICN型半導體區(qū)域
HR水平移位寄存器
IDP型阱區(qū)域
EM倍增寄存器
權(quán)利要求
一種內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特征在于具備P型半導體基板；P型外延層，其生長于所述半導體基板上；攝像區(qū)域，其形成于所述外延層內(nèi)；水平移位寄存器，其具有形成于所述外延層內(nèi)的N型的半導體區(qū)域并傳送來自所述攝像區(qū)域的信號；以及P型阱區(qū)域，其形成于所述外延層內(nèi)，N型的所述半導體區(qū)域延伸至所述阱區(qū)域內(nèi)，所述阱區(qū)域內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度高于所述外延層內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度，在所述阱區(qū)域中，形成有倍增來自所述水平移位寄存器的電子的倍增寄存器。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特征在于 所述倍增寄存器具備形成于所述阱區(qū)域內(nèi)的N型的所述半導體區(qū)域； 形成于所述半導體區(qū)域上的絕緣層； 在所述絕緣層上以鄰接方式形成的多個傳送電極；以及 配置于所述傳送電極間且被施加直流電位的DC電極。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特征在于 所述絕緣層僅由單一的SiO2層構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明的固體攝像元件具備P型半導體基板(1A)；在半導體基板(1A)上生長的P型外延層(1B)；形成于外延層(1B)內(nèi)的攝像區(qū)域(VR)；具有形成于外延層(1B)內(nèi)的N型半導體區(qū)域(1C)并傳送來自攝像區(qū)域(VR)的信號的水平移位寄存器(HR)；及形成于外延層(1B)內(nèi)的P型阱區(qū)域(1D)。N型的半導體區(qū)域(1C)延伸至阱區(qū)域(1D)內(nèi)，阱區(qū)域(1D)內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度高于外延層(1B)內(nèi)的P型雜質(zhì)濃度，在阱區(qū)域(1D)中，形成有倍增來自水平移位寄存器的電子的倍增寄存器(EM)。
文檔編號H01L27/148GK101960598SQ201080001168
公開日2011年1月26日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日
發(fā)明者前田堅太郎, 村松雅治, 米田康人, 鈴木久則, 高木慎一郎 申請人:浜松光子學株式會社