ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2014 года по МПК H01L27/146 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к твердотельному устройству захвата изображения. Более конкретно, данное изобретение относится к твердотельному устройству захвата изображения, в котором каждый из пикселей имеет участок удержания заряда.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы рассматривалась конфигурация, в которой каждый из пикселей имеет участок удержания заряда, отделенный от участка фотоэлектрического преобразования и плавающей диффузионной области (здесь и далее FD), как более эффективная для твердотельного устройства захвата изображения. Участок удержания заряда обеспечивается в каждом пикселе для реализации общей электронной части, как описано в PTL 1 и PTL 2, или для того, чтобы расширить динамический диапазон, как описано в PTL 3. Более того, участок удержания заряда обеспечивается в каждом пикселе также и в конфигурации, в которой каждый пиксель имеет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), как описано в PTL 4.

PTL 1 раскрывает конфигурацию, в которой полупроводниковая область P-типа расположена в участке поверхности таким образом, чтобы отделить электрод TX1 на области накопления, сформированной из полупроводниковой области N-типа, и электрод TX2 для передачи зарядов в области накопления друг от друга. Такая конфигурация предотвращает прохождение темнового тока в области накопления.

СПИСОК ССЫЛОК

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

PTL 1: патент США No. 7414233

PTL 2: публикация японской заявки на патент No. 2008-004692

PTL 3: публикация японской заявки на патент No. 2006-197383

PTL 4: публикация японской заявки на патент No. 2008-038167

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

В соответствии с конфигурацией из PTL 1 полупроводниковая область P-типа расположена таким образом, чтобы отделять две структуры передающих затворов друг от друга, а полупроводниковая область N-типа, составляющая участок удержания заряда, расположена под ней. Заряды перемещаются в полупроводниковую область N-типа под полупроводниковой областью P-типа между передающими затворами. Профиль распределения концентрации примеси полупроводниковой области N-типа под полупроводниковой областью P-типа существенно влияет на эффективность передачи заряда.

Тем не менее, в конфигурации, где есть полупроводниковая область N-типа участка удержания заряда, может частично образоваться область высокой концентрации примеси N-типа. Если возникает область высокой концентрации, заряды скапливаются в этой области, что может ухудшить эффективность передачи.

Данное изобретение было сделано на основе этой проблемы и направлено на увеличение эффективности передачи заряда от участка удержания заряда к FD.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Соответственно, предоставляется твердотельное устройство захвата изображения, включающее в себя множество пикселей, причем каждый из множества пикселей включает в себя: участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный для генерации зарядов в соответствии с падающим светом; участок удержания заряда, сконфигурированный так, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, которая удерживает заряды, генерируемые участком фотоэлектрического преобразования в участке, отличном от участка фотоэлектрического преобразования; и участок передачи, сконфигурированный так, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания заряда и узлом считывания. Участок удержания заряда включает в себя управляющий электрод, который расположен над первой полупроводниковой областью через изолирующую пленку. Вторая полупроводниковая область второго типа проводимости расположена на поверхности полупроводниковой области между управляющим электродом и электродом передающего затвора. Третья полупроводниковая область первого типа проводимости расположена под второй полупроводниковой областью в местоположении пути заряда, продолжающегося от участка удержания заряда до узла считывания. Третья полупроводниковая область расположена в более глубоком местоположении, чем первая полупроводниковая область.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения эффективность передачи заряда от участка удержания заряда может быть увеличена.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 является схематическим видом сечения пикселя твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 2 является схематическим видом сечения пикселя твердотельного устройства захвата изображения в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 3 является схематическим видом сечения пикселя твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 4 является схематическим видом верхней поверхности пикселей твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с третьим вариантом осуществления.

Фиг. 5 является графиком, отображающим профиль распределения концентрации примеси в сечении V-V с Фиг. 3.

Фиг. 6А является видом в разрезе пикселя, изображающим пример способа производства твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 6В является видом в разрезе пикселя, изображающего пример способа производства твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 7 является эквивалентной электрической схемой твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Здесь и далее будут подробно описаны варианты осуществления данного изобретения. Что касается типа проводимости полупроводников, описание будет дано с учетом предположения, что первый тип проводимости является N-типом, а второй тип проводимости является P-типом, но обратное также возможно. Разница зависит от того, являются ли сигнальными зарядами электроны или дырки. Виды в разрезе каждого из пикселей изображают часть одного пикселя, но в реальном устройстве предоставляется множество пикселей.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 1 является схематическим видом сечения пикселя твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Ссылочная позиция 101 отображает участок фотоэлектрического преобразования. Используется, например, фотодиод, сконфигурированный, чтобы включать в себя полупроводниковую область P-типа и полупроводниковую область N-типа. Ссылочная позиция 102 отображает участок удержания заряда. Участок 102 удержания заряда сконфигурирован таким образом, чтобы включать в себя полупроводниковую область N-типа (первую полупроводниковую область), способную удерживать заряды, генерируемые участком 101 фотоэлектрического преобразования. Ссылочная позиция 103 отображает участок передачи. Участок 103 передачи передает заряды, удерживаемые участком 102 удержания заряда на узел считывания. Ссылочная позиция 104 отображает узел считывания. Узел 104 считывания является плавающей диффузной областью (FD), которая электрически соединена с затвором транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП) для усиления сигнала пикселя, например. Узел 104 считывания может быть электрически соединен с вертикальной сигнальной линией (не изображенной) вместо того, чтобы быть электрически соединенным с затвором транзистора с МОП структурой для усиления сигнала пикселя.

Далее будут описаны специальные конфигурации приведенных далее отдельных элементов. В этом варианте осуществления участок 101 фотоэлектрического преобразования, участок 102 удержания заряда, участок 103 передачи и узел 104 считывания расположены в кармане 107 P-типа. Карман 107 P-типа сформирован на поверхности подложки 116 N-типа путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. Полупроводниковая подложка P-типа может быть использована вместо подложки 116 N-типа, на которой формируется карман 107 P-типа.

Ссылочные позиции 105 и 106 отображают полупроводниковые области N-типа. Полупроводниковая область 105 N-типа расположена в полупроводниковой области 106 N-типа и имеет концентрацию примеси N-типа более высокую по сравнению с полупроводниковой областью 106 N-типа. Полупроводниковая область 105 N-типа формирует PN переход вместе с карманом 107 P-типа.

Полупроводниковая область 108 P-типа является полупроводниковой областью P-типа с высокой концентрацией. Предоставление полупроводниковой области 108 P-типа делает возможным уменьшение темнового тока, который генерируется на поверхности полупроводника. В данном варианте осуществления вышеупомянутый участок 101 фотоэлектрического преобразования составлен полупроводниковыми областями 105 и 106 N-типа, карманом 107 P-типа и полупроводниковой областью 108 P-типа.

Ссылочная позиция 110 отображает полупроводниковую область N-типа. В данном варианте осуществления полупроводниковая область 110 N-типа является первой полупроводниковой областью, которая удерживает заряд в участке, отличном от участка 101 фотоэлектрического преобразования. Ссылочная позиция 112 отображает управляющий электрод. Вышеупомянутый участок 102 удержания заряда сконфигурирован таким образом, чтобы включать в себя полупроводниковую область 110 N-типа и управляющий электрод 112.

В участке 102 удержания заряда в соответствии с данным изобретением управляющий электрод 112 расположен над полупроводниковым слоем N-типа через изолирующую пленку 109. Управляющий электрод 112 управляет потенциалом на полупроводниковой поверхности полупроводниковой области 110 N-типа. Отрицательное напряжение может быть приложено к управляющему электроду 112, таким образом, чтобы подавить влияние темнового тока, генерируемого в участке 102 удержания заряда.

Ссылочная позиция 113 отображает электрод передающего затвора. Напряжение смещение, подаваемое на электрод 113 передающего затвора, приводит к формированию пути передачи информационных зарядов в части кармана 107 P-типа рядом с полупроводниковой областью 110 N-типа. Электрод 113 передающего затвора переключается между состоянием формирования пути передачи и состоянием отсутствия пути передачи в соответствии с напряжением смещения, подаваемым на него, и управляет электрическим соединением между участком 102 удержания заряда и FD.

FD 114 является полупроводниковой областью N-типа. В данном варианте осуществления FD 114 выступает в роли узла считывания. Узел считывания может являться полупроводниковой областью, из которой выводится сигнал в соответствии с количеством зарядов, накопленных в ней.

Ссылочная позиция 115 отображает светоэкранирующий элемент. Светоэкранирующий элемент 115 сокращает количество падающего света на участок 102 удержания заряда, область 103 передачи и на узел 104 считывания, или полностью блокирует падающий на него свет.

Ссылочная позиция 111 отображает полупроводниковую область P-типа (вторую полупроводниковую область). Полупроводниковая область 111 P-типа расположена на участке поверхности между управляющим электродом 112 и электродом 113 передающего затвора. Предоставление полупроводниковой области 111 P-типа делает возможным подавление темнового тока на пути передачи заряда для передачи зарядов в FD 114.

Ссылочная позиция 117 отображает полупроводниковую область N-типа (третью полупроводниковую область). Полупроводниковая область 117 N-типа расположена под полупроводниковой областью 111 P-типа в местоположении пути заряда, продолжающегося от участка 102 удержания заряда до узла 104 считывания. Полупроводниковая область 117 N-типа расположена в глубине полупроводниковой подложки по сравнению с полупроводниковой областью 110 N-типа. Полупроводниковая область 110 N-типа и полупроводниковая область 117 N-типа формируются на отдельных этапах. Полупроводниковая область 117 N-типа и карман 107 P-типа формируют PN переход. Поверхность этого PN перехода (первая поверхность PN перехода) находится глубже, чем поверхность PN перехода между полупроводниковой областью 110 N-типа, составляющей участок 102 удержания заряда, и карманом 107 P-типа (второй поверхностью PN перехода). При таком соотношении глубин поверхностей PN перехода глубина диффузии полупроводниковой области 117 N-типа больше глубины диффузии полупроводниковой области 110 N-типа.

В соответствии с такой конфигурацией можно устранить возникновение участка высокой концентрации примеси в пути передачи заряда, таким образом, что возникновение накопления электронов в пути заряда между участком 102 удержания заряда и FD может быть предотвращено. Причина, по которой может быть достигнут такой эффект, будет описана ниже. В качестве примера для сравнения будет рассмотрен случай, когда первая поверхность PN перехода и вторая поверхность PN перехода находятся на одной глубине. В таком случае полупроводниковые области 110 и 117 N-типа имеют практически одинаковый профиль распределения концентрации примеси. Тогда, в связи с неравномерностью ионной имплантации или диффузии ионов примеси N-типа в полупроводниковой области может локально образоваться область высокой концентрации примеси N-типа. Эта область высокой концентрации является областью малого потенциала по сравнению с информационными зарядами, и, скорее всего, будет являться областью, в которой информационные заряды будут скапливаться. Возникновение накопления информационных зарядов может уменьшить эффективность передачи заряда.

Далее, будет рассмотрен случай, когда первая поверхность PN перехода расположена ниже второй поверхности PN перехода. В этом случае профиль распределения концентрации примеси полупроводниковой области 111 P-типа, которая должна подавлять темновой ток, может измениться, и значительная концентрация примеси полупроводниковой области 111 P-типа уменьшается, таким образом, что можно не получить существенного эффекта уменьшения темнового тока.

Напротив, в соответствии с данным вариантом осуществления, накопление информационных зарядов может быть предотвращено, и можно получить значительный эффект уменьшения темнового тока.

ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 2 является схематическим видом сечения пикселя в соответствии с данным вариантом осуществления. Части, имеющие те же функции, что и в первом варианте осуществления, обозначены теми же ссылочными позициями, а их подробное описание опущено.

Разница между этим вариантом осуществления и первым вариантом осуществления заключается в концентрации примеси полупроводниковой области 201 N-типа. Хотя в первом варианте осуществления и не ссылаются на концентрацию примеси, концентрация примеси полупроводниковой области 201 N-типа выше, чем концентрация примеси полупроводниковой области 110 N-типа в данном варианте осуществления.

В соответствии с этим вариантом осуществления может быть получен эффект, достигаемый в первом варианте осуществления, а также может быть определена характеристика передачи вне зависимости от концентрации примеси участка 102 удержания заряда. Таким образом, количество зарядов при насыщении в участке 102 удержания заряда может быть спроектировано независимо от характеристики передачи. Более того, темновой ток, вызываемый смещением в связи с отклонениями в обработке полупроводниковой области 110 N-типа, составляющей участок 102 удержания заряда, и отклонения в значении количества зарядов при насыщении могут быть уменьшены.

ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 3 является схематическим видом сечения пикселя в соответствии с данным вариантом осуществления, а Фиг. 4 является видом сверху пикселей. Фиг. 5 является графиком профиля распределения концентрации примеси в сечении V-V с Фиг. 3. Фиг. 3 является видом в разрезе участка III-III на Фиг. 4. Части, имеющие те же функции, что и в первом и втором вариантах осуществления, обозначены теми же ссылочными позициями, а их подробное описание опущено.

Разница между этим вариантом осуществления и первым и вторым вариантами осуществления заключается в том, что полупроводниковая область 301 P-типа (четвертая полупроводниковая область) расположена под полупроводниковой областью 110 N-типа. Другим отличием является то, что полупроводниковая область 302 P-типа (пятая полупроводниковая область), включающая в себя множество полупроводниковых областей, расположена под полупроводниковой областью 301 P-типа. Здесь полупроводниковая область 302 P-типа включает в себя четыре полупроводниковых области P-типа с 302а по 302d. Число полупроводниковых областей P-типа этим не ограничено.

Полупроводниковая область 301 P-типа является полупроводниковой областью P-типа высокой концентрации. Концентрация примеси полупроводниковой области 301 P-типа выше концентрации примеси кармана 107 P-типа. Полупроводниковая область 301 P-типа формирует PN переход непосредственно с полупроводниковой областью 110 N-типа, а не через карман 107 P-типа. Профиль распределения концентраций примеси в направлении вглубь полупроводниковой области 301 P-типа может являться профилем, имеющим наибольшее значение концентрации примеси на определенной глубине. Наибольшее значение концентрации примеси полупроводниковой области 301 P-типа может быть при глубине более 0,5 микрометров от поверхности. Это связано с тем, что если максимальное значение соответствует глубине ниже 0,5 микрометров от поверхности, то область малой концентрации примеси не располагается между полупроводниковой областью 110 N-типа и полупроводниковой областью P-типа высокой концентрации 301. При такой конфигурации заряды могут передаваться от участка 102 удержания заряда до узла 104 считывания при низком напряжении. Это будет более подробно описано.

Сначала будет описан механизм передачи зарядов от участка 102 удержания заряда до узла 104 считывания. До того, как информационные заряды, генерируемые в участке 101 фотоэлектрического преобразования удерживаются в полупроводниковой области 110 N-типа, напряжение сброса подается в полупроводниковую область 110 N-типа через узел 104 считывания. Затем, после установки потенциала узла 104 считывания, заряды в участке 101 фотоэлектрического преобразования передаются в полупроводниковую область 110 N-типа. Затем заряды последовательно передаются от участка 102 удержания заряда к узлу 104 считывания. Передача осуществляется по ряду пикселей или по множеству рядов пикселей. При этом полупроводниковая область 110 N-типа находится в состоянии, когда напряжение обратного смещения подается через участок 103 передачи. Напряжение обратного смещения приводит к истощению полупроводниковой области 110 N-типа, таким образом, что заряды передаются. Для того чтобы передать большую часть или все заряды, содержащиеся в полупроводниковой области 110 N-типа к узлу 104 считывания, большая часть или вся область полупроводниковой области 110 N-типа должна быть истощена. Для того, чтобы при этом предотвратить увеличение обедненного слоя, полупроводниковая область 110 N-типа формирует PN переход с полупроводниковой областью 301 P-типа высокой концентрации без промежуточного кармана 107 P-типа. Это связано с тем, что, так как концентрация примеси полупроводниковой области 301 P-типа, которая формирует PN переход с полупроводниковой областью 110 N-типа, велика, то увеличение обедненного слоя в полупроводниковой области 301 P-типа предотвращается. Таким образом, даже если напряжение обратного смещения, которое подается через участок 103 передачи, низкое, большая часть или вся область полупроводниковой области 110 N-типа может быть истощена.

Более того, в данном варианте осуществления концентрация примеси полупроводниковой области 301 P-типа высокой концентрации выше, чем концентрация примеси области, которая находится на той же глубине, что и полупроводниковая область 301 P-типа под путем передачи. Другими словами, полупроводниковая область 301 P-типа высокой концентрации не доходит до электрода 113 передающего затвора. При такой конфигурации путь передачи может быть сформирован в кармане 107 P-типа под электродом 113 передающего затвора без увеличения напряжения смещения, которое подается на электрод 113 передающего затвора.

Более того, в данном варианте осуществления полупроводниковая область 302 P-типа расположена под частью полупроводниковой области 301 P-типа. Полупроводниковая область 302 P-типа продолжается под электродом 113 передающего затвора и под FD 114.

Карман 107 P-типа включает в себя две области 107а и 107b. Тем не менее, полупроводниковая область 302 P-типа может продолжаться только, по меньшей мере, под частью каждого из полупроводниковой области 301 P-типа, электродом 113 передающего затвора и FD 114. Также ионная имплантация может быть далее применена в области 107b для формирования полупроводниковой области P-типа.

Краевые участки всех или некоторых из множества полупроводниковых областей, включенных в полупроводниковую область 302 P-типа смещены относительно участка фотоэлектрического преобразования на том же пикселе, при этом краевой участок участка 102 удержания заряда является опорным. Полупроводниковая область 106 N-типа, составляющая часть участка 101 фотоэлектрического преобразования, расположена в смещенном участке.

В данном варианте осуществления в каждом из множества пикселей краевой участок на стороне участка фотоэлектрического преобразования полупроводниковой области 302 P-типа смещена относительно участка 101 фотоэлектрического преобразования. Эта конфигурация может иметь чувствительность в отношении света, падающего под углом. Такая структура может быть использована во всех пикселях или в некоторых пикселях.

Далее будет приведено описание со ссылкой на Фиг. 4. Ссылочная позиция 401 отображает участок, в котором расположена схема, составляющая пиксель. В частности, схема включает в себя усиливающий МОП-транзистор, МОП-транзистор сброса и тому подобное. Пример его эквивалентной схемы будет описан ниже. Ссылочная позиция 402 отображает область разделения элементов. Она предоставлена для отделения активных элементов друг от друга. Размещено что-либо из полевой области, состоящей из изолирующей пленки, и диффузного разделения, состоящего из разделения PN переходом. Ссылочная позиция 403 отображает контактный штырек, который электрически соединен с FD. Контактный штырек 403 электрически соединяет FD с затвором усиливающего МОП-транзистора. Ссылочная позиция 404 отображает активную область, в которой расположен элемент.

На Фиг. 4 область, в которой расположена полупроводниковая область 302 P-типа, обозначена штриховой линией, а область, где расположены полупроводниковая область 111 P-типа и полупроводниковая область 201 N-типа обозначена штрихпунктирной линией. Из Фиг. 4 может быть понятно, что краевой участок полупроводниковой области 302 P-типа смещен относительно стороны участка фотоэлектрического преобразования в том же пикселе, причем краевой участок участка 102 удержания заряда является опорным. Как описано выше, полупроводниковая область 106 N-типа, составляющая часть участка 101 фотоэлектрического преобразования, расположена в смещенном участке.

Фиг. 5 изображает профиль распределения концентраций примеси в сечении V-V на Фиг. 3. Вертикальная ось отображает полную концентрацию примеси (полную концентрацию), которая компенсирована примесями противоположного типа проводимости. Горизонтальная ось отображает глубину относительно опорной поверхности, где расположена принимающий свет участок полупроводниковой подложки. Каждая из полупроводниковых областей P-типа с 302а по 302d имеет максимальное значение концентрации примеси. Полупроводниковые области 301 и 302 имеют конфигурацию, в которой максимальное значение наибольшее в области, которая наиболее близка к поверхности.

Как было описано выше, в соответствии с данным вариантом осуществления может быть получен эффект увеличения чувствительности участка 101 фотоэлектрического преобразования в дополнение к эффектам первого и второго вариантов осуществления.

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Фиг. 6А и 6В являются схематическими видами сечения пикселя для разъяснения процесса производства твердотельного устройства захвата изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Части, имеющие те же функции, что и в каждом из предыдущих вариантов осуществления, обозначены теми же ссылочными позициями, а их подробное описание будет опущено.

Первый признак способа производства заключается в том, что полупроводниковая область 110 N-типа и полупроводниковая область 301 P-типа формируются с использованием идентичной маски (первой маски). Второй признак заключается в том, что полупроводниковая область 111 P-типа и полупроводниковая область 201 N-типа, которые расположены в участке промежутка между управляющим электродом 112 и электродом 113 передающего затвора, формируются с использованием идентичной маски.

Подробное описание будет дано со ссылкой на Фиг. 6А и 6В. Фиг. 6А и 6В изображают только часть, связанную с данным вариантом осуществления. Транзистор и т.д. в другой части может быть произведен с использованием известного способа производства. Фиг. 6А является схематическим видом сечения пикселя в состоянии, когда сформирована полупроводниковая область 301 P-типа. Ссылочная позиция 601 отображает структуру маски, сформированную из фоторезиста.

Сначала фоторезист формируется над всей поверхностью подложки. Затем фоторезист экспонируют таким образом, что формируется отверстие в области, где должна располагаться полупроводниковая область 110 N-типа в участке 102 удержания заряда.

В качестве первого этапа имплантации примеси в полупроводниковую область N-типа, ионы примеси N-типа имплантируют с использованием рисунка фоторезиста, сформированного на этапе экспонирования в виде рисунка маски (первого рисунка маски). Мышьяк или фосфор могут быть использованы в качестве примеси.

Далее без этапа удаления маски фоторезиста имплантируют ион примеси P-типа в качестве второго этапа имплантации примеси для формирования полупроводниковой области 301 P-типа высокой концентрации. При этом в качестве примеси может быть использован бор или ему подобное. Затем осуществляется тепловая обработка для избавления от кристаллических дефектов или им подобного, которые возникают при ионной имплантации. Таким образом, полупроводниковая область 110 N-типа и полупроводниковая область 301 P-типа формируются с применением идентичного рисунка маски.

Первый этап имплантации примеси для формирования полупроводниковой области 110 N-типа и второй этап имплантации примеси для формирования полупроводниковой области 301 P-типа могут быть осуществлены в обратном порядке.

После формирования полупроводниковой области 110 N-типа и полупроводниковой области 301 P-типа, маска 601 фоторезиста удаляется.

Затем полупроводниковая область 302 P-типа формируется смещенной относительно участка 101 фотоэлектрического преобразования, используя маску, отличную от указанной выше первой маски. Затем формируются управляющий электрод 112 и электрод 113 передающего затвора.

Далее будет описан этап формирования полупроводниковой области 111 P-типа и полупроводниковой области 201 N-типа со ссылкой на Фиг. 6В.

Сначала фоторезист формируется над всей поверхностью подложки. Затем фоторезист экспонируют для формирования маски фоторезиста (второй маски), таким образом, чтобы полупроводниковая подложка была покрыта за исключением участка промежутка между управляющим электродом 112 и электродом 113 передающего затвора. Для того чтобы осуществить ионную имплантацию таким образом, чтобы достичь самосовмещения относительно управляющего электрода 112 и электрода 113 передающего затвора, фоторезист формируется таким образом, чтобы он покрывал, по меньшей мере, часть управляющего электрода 112 и электрода 113 передающего затвора и другую область.

Затем осуществляется ионная имплантация примеси P-типа с самосовмещением относительно управляющего электрода 112 и электрода 113 передающего затвора, таким образом, чтобы сформировать полупроводниковую область 111 P-типа (третий этап имплантации примеси). Затем осуществляется ионная имплантация примеси N-типа, не удаляя вторую маску, таким образом, чтобы сформировать полупроводниковую область 201 N-типа (четвертый этап имплантации примеси). В качестве условия этой ионной имплантации, энергия ионной имплантации устанавливается большей по сравнению с энергией на первом этапе имплантации, таким образом, чтобы полупроводниковая область 201 N-типа была расположена глубже, чем, по меньшей мере, полупроводниковая область 110 N-типа. Затем осуществляется тепловая обработка для избавления от кристаллических дефектов или им подобного, которые возникают при ионной имплантации.

В соответствии с описанным выше способом производства полупроводниковые области 301 и 111 P-типа и полупроводниковая область 201 N-типа могут быть сформированы без необходимости в существенном увеличении этапов производства. Более того, смещение полупроводниковой области 110 N-типа и полупроводниковой области 301 P-типа в направлении, горизонтальном относительно поверхности подложки, может быть уменьшено. Соответственно, участок, в котором полупроводниковая область 110 N-типа и полупроводниковая область 301 P-типа непосредственно формируют PN переход, может быть увеличен. Кроме того, смещение полупроводниковой области 111 P-типа и полупроводниковой области 201 N-типа может быть предотвращено, и изменения передачи отдельных пикселей могут быть предотвращены.

Любой из первого и второго этапов имплантации примеси и третьего и четвертого этапов имплантации примеси может быть осуществлен с использованием идентичной маски.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Фиг. 7 является эквивалентной электрической схемой твердотельного устройства захвата изображения, которое может быть использовано со всеми указанными выше вариантами осуществления. Твердотельное устройство захвата изображения, имеющее эту эквивалентную электрическую схему, может осуществлять функцию общего электронного затвора.

Ссылочная позиция 801 отображает участок фотоэлектрического преобразования. Здесь используется фотодиод. Ссылочная позиция 802 отображает участок удержания заряда, который удерживает информационные заряды, генерируемые участком 801 фотоэлектрического преобразования. Ссылочная позиция 803 отображает узел считывания усилительного участка. Например, FD и электрод затвора усиливающего транзистора, который электрически соединен с FD, относятся к узлу считывания. Ссылочная позиция 804 отображает первый участок передачи, который передает заряды от участка 802 удержания заряда на узел 803 считывания усилительной части. Ссылочная позиция 805 отображает второй участок передачи, который предоставляется в случае необходимости. Второй участок 805 передачи может также выступать в роли управляющего электрода участка 802 удержания заряда. Второй участок 805 передачи может не выполнять функцию передачи и может иметь только одну функцию в качестве управляющего электрода в участке 802 удержания заряда. Функция второго участка 805 передачи заключается в передаче зарядов от участка 801 фотоэлектрического преобразования на участок 802 удержания заряда. Ссылочная позиция 808 отображает участок сброса, который подает опорное напряжение, по меньшей мере, на входной участок усилительного участка. Более того, участок 808 сброса может подавать опорное напряжение на участок 802 удержания заряда. Ссылочная позиция 807 отображает участок выбора, который предоставляется в случае необходимости. Участок 807 выбора заставляет сигнальную линию выдавать сигналы соответственных рядов пикселей. Ссылочная позиция 806 отображает усиливающий транзистор, составляющий усилительный участок. Усиливающий транзистор 806 составляет схему истокового повторителя вместе с источником постоянного тока, предоставленного сигнальной линии. Ссылочная позиция 809 отображает участок управления выводом заряда, который управляет соединением между участком 801 фотоэлектрического преобразования и линией питания, функционирующей в качестве стока переполнения (здесь и далее OFD).

Эквивалентная электрическая схема не ограничена этим, и часть конфигурации может быть одной для множества пикселей. Кроме того, эквивалентная электрическая схема применима к конфигурации, в которой цепь управления отдельных элементов находится под постоянным напряжением, и в которой управление проводимостью не осуществляется.

Второй участок 805 передачи может иметь конфигурацию МОП-транзистора со скрытым каналом, таким образом, чтобы заряды, генерируемые участком 801 фотоэлектрического преобразования, немедленно передавались в участок 802 удержания заряда. В этой конфигурации есть участок, где энергетический барьер частично ниже в участке, который глубже поверхности даже в непроводящем состоянии. В этом случае второй участок 805 передачи может быть приведен с состояние, где некоторое напряжение подавалось без осуществления активного управления. То есть может быть предоставлен фиксированный потенциальный барьер вместо функции в качестве участка передачи.

В соответствии с такой конфигурацией большая часть информационных сигналов, генерируемых в результате фотоэлектрического преобразования, когда свет попадает в участок 801 фотоэлектрического преобразования, не накапливаются в участке 801 фотоэлектрического преобразования и могут быть переданы в участок 802 удержания заряда. Соответственно, время накопления заряда может быть сделано постоянным в участках 801 фотоэлектрического преобразования всех пикселей. Кроме того, когда МОП-транзистор находится в непроводящем состоянии, на поверхности канала накапливаются дырки, и канал для передачи зарядов существует на предварительно установленной глубине относительно поверхности. Таким образом, влияние темнового тока на поверхности изолирующей пленки может быть снижено.

С другой точки зрения, в течение периода, когда информационные заряды накапливаются в участке 801 фотоэлектрического преобразования и участке 802 удержания заряда, потенциал пути заряда между участком 801 фотоэлектрического преобразования и участком 802 удержания заряда меньше по сравнению с потенциалом пути заряда между участком 801 фотоэлектрического преобразования и областью OFD. Здесь потенциал означает потенциал относительно информационных зарядов.

Более того, с точки зрения применения, заряды, переместившиеся от участка 801 фотоэлектрического преобразования в участок 802 удержания заряда за один период экспонирования, удерживаются в участке 802 удержания заряда и используются в качестве сигнала изображения. То есть, после того, как начинается период экспонирования в участке 801 фотоэлектрического преобразования, сигнал считывается с пикселя даже без операции сброса участка 802 удержания заряда. Отметим, что один период экспонирования обычно определяется в отдельных участках 801 фотоэлектрического преобразования 801, когда делается одно изображение.

В такой пиксельной конфигурации заряды могут переноситься при малом напряжении от участка 801 фотоэлектрического преобразования к участку 802 удержания заряда, что более приемлемо с точки зрения увеличения эффективности передачи заряда при малом напряжении в сочетании с вариантами осуществления данного изобретения.

В такой конфигурации общее применение может быть осуществлено довольно легко, но заряды в участке 801 фотоэлектрического преобразования разряжаются в область OFD в процессе передачи от участка 802 удержания заряда в область FD. Таким образом, изображение является прерывистым. В случае, когда непрерывность изображения особенно важна в такой конфигурации, непрерывное изображение может быть получено путем осуществления линейного экспонирования. Между обоими процессами при необходимости можно переключаться.

Кроме того, вариант осуществления данного изобретения может быть реализован твердотельным устройством захвата изображения, в котором участок удержания заряда обеспечен в каждом пикселе для увеличения динамического диапазона, и в котором заряды передаются от участка удержания заряда к узлу считывания.

Данное изобретение не ограничено приведенными выше отдельными вариантами осуществления, и приемлемы различные модификации, не выходя за рамки концепции изобретения. Например, вариант осуществления данного изобретения может быть использован в конфигурации, которая не включает в себя управляющий электрод 112. Например, полупроводниковая область 110 N-типа может быть безопасно подключена к питанию через контактный штырек и переключатель.

При том, что данное изобретение было описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрываемыми примерными вариантами осуществления. Объем приведенной далее формулы изобретения следует понимать в самом широком смысле, таким образом, чтобы охватить все такие модификации и эквивалентные структуры и функции.

Эта заявка испрашивает приоритет по японской заявке на патент No. 2009-235089, поданной 9 октября 2009, которая в полном объеме включена сюда в качестве ссылки.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

101 Участок фотоэлектрического преобразования

102 Участок удержания заряда

111 Полупроводниковая область P-типа

112 Управляющий электрод

113 Электрод передающего затвора

117 и 201 Полупроводниковая область N-типа.

Изобретение относится к устройствам захвата изображения. Твердотельное устройство захвата изображения включает в себя множество пикселей, причем каждый из множества пикселей содержит участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный для генерации зарядов в соответствии с падающим светом, участок удержания заряда, сконфигурированный так, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, и участок передачи, сконфигурированный так, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания заряда и узлом считывания. Участок удержания заряда включает в себя управляющий электрод. Вторая полупроводниковая область второго типа проводимости расположена на поверхности полупроводниковой области между управляющим электродом и электродом передающего затвора. Третья полупроводниковая область первого типа проводимости расположена под второй полупроводниковой областью. Третья полупроводниковая область расположена в более глубоком местоположении, чем первая полупроводниковая область. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности передачи заряда от участка удержания заряда к плавающей диффузионной области. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Твердотельное устройство захвата изображения, включающее в себя множество пикселей, причем каждый из множества пикселей содержит:
участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный для генерации зарядов в соответствии с падающим светом;
участок удержания заряда, сконфигурированный так, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, которая удерживает заряды, генерируемые участком фотоэлектрического преобразования в участке, отличном от участка фотоэлектрического преобразования; и
участок передачи, сконфигурированный так, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания заряда и узлом считывания,
при этом участок удержания заряда включает в себя управляющий электрод, который расположен над первой полупроводниковой областью через изолирующую пленку,
при этом вторая полупроводниковая область второго типа проводимости расположена на поверхности полупроводниковой области между управляющим электродом и электродом передающего затвора,
при этом третья полупроводниковая область первого типа проводимости расположена под второй полупроводниковой областью в местоположении пути заряда, продолжающегося от участка удержания заряда до узла считывания, и
при этом третья полупроводниковая область расположена в более глубоком местоположении, чем первая полупроводниковая область.

2. Твердотельное устройство захвата изображения по п.1, в котором концентрация примеси третьей полупроводниковой области больше концентрации примеси первой полупроводниковой области.

3. Твердотельное устройство захвата изображения по п.1, в котором четвертая полупроводниковая область второго типа проводимости расположена под первой полупроводниковой областью таким образом, чтобы сформировать PN переход с первой полупроводниковой областью.

4. Твердотельное устройство захвата изображения по п.3, в котором узел считывания включает в себя плавающую диффузионную область, и в котором пятая полупроводниковая область второго типа проводимости расположена в более глубоком местоположении, чем четвертая полупроводниковая область, причем пятая полупроводниковая область продолжается под электродом передающего затвора, плавающей диффузионной областью и, по меньшей мере, частью четвертой полупроводниковой области.

5. Твердотельное устройство захвата изображения по п.4, в котором пятая полупроводниковая область сконфигурирована таким образом, чтобы включать в себя множество полупроводниковых областей второго типа проводимости, которые расположены на разных глубинах.

6. Твердотельное устройство захвата изображения по п.5, в котором в каждом из пикселей краевой участок на стороне участка фотоэлектрического преобразования пятой полупроводниковой области находится в местоположении вдали от участка фотоэлектрического преобразования по сравнению с краевым участком на стороне участка фотоэлектрического преобразования второй полупроводниковой области, и
в котором полупроводниковая область первого типа проводимости, которая составляет часть участка фотоэлектрического преобразования, расположена под, по меньшей мере, частью второй полупроводниковой области.

7. Твердотельное устройство захвата изображения по любому из пп.1-6, в котором путем заряда, продолжающимся между участком фотоэлектрического преобразования и участком удержания заряда, является скрытый канал.

8. Способ производства твердотельного устройства захвата изображения по п.1, в котором вторая полупроводниковая область и третья полупроводниковая область сформированы с использованием идентичной маски самосовмещенным способом относительно управляющего электрода и электрода передающего затвора.