ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК ИЗОБРАЖЕНИЯ И КАМЕРА Российский патент 2016 года по МПК H01L27/146 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к твердотельному датчику изображения и камере (фотоаппарату), включающей в себя такой датчик.

Предшествующий уровень техники

[0002] В твердотельном датчике изображения размер пиксела уменьшается наряду с увеличением количества пикселов, при этом возникающее уменьшение количественного показателя насыщенности зарядов порождает проблему. Опубликованный патент Японии №2010-114275 описывает твердотельный датчик изображения, который увеличивает количественный показатель насыщенности зарядов. Твердотельный датчик изображения, описанный в опубликованном патенте Японии №2010-114275, включает в себя множество фотодиодов, послойно размещенных в полупроводниковой подложке, и вертикальный транзистор, расположенный в полупроводниковой подложке для считывания зарядов с множества фотодиодов.

[0003] Твердотельный датчик изображения, описанный в опубликованном патенте Японии №2010-114275, имеет сложную структуру, включающую в себя множество фотодиодов и вертикальный транзистор, сформированный в полупроводниковой подложке. По этой причине для изготовления требуется множество этапов, вследствие чего управление производственным процессом усложняется.

Сущность изобретения

[0004] Настоящее изобретение обеспечивает твердотельный датчик изображения, который является простым в изготовлении и имеет структуру, эффективную в отношении увеличения количественного показателя насыщенности зарядов, и камеру, включающую в себя такой датчик.

[0005] Первый аспект настоящего изобретения обеспечивает твердотельный датчик изображения, содержащий: полупроводниковую подложку, первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и располагается в первой полупроводниковой области, и линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении, проходящем вдоль поверхности полупроводниковой подложки, потенциальный барьер для заряда, накопленного в области накопления заряда, формируется между множеством участков, вторая полупроводниковая область выполнена с возможностью полного обеднения посредством расширения области обеднения от первой полупроводниковой области в направлении второй полупроводниковой области, а участок окончательного обеднения, который является частью второй полупроводниковой области и предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, выполнен с возможностью обеднения посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения, в направлении участка окончательного обеднения.

[0006] Второй аспект настоящего изобретения обеспечивает твердотельный датчик изображения, содержащий: полупроводниковую подложку, первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и располагается в первой полупроводниковой области, и линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении, проходящем вдоль поверхности полупроводниковой подложки, потенциальный барьер для заряда, накопленного в области накопления заряда, формируется между множеством участков, а в каждом из множества участков сумма N1 концентрации примеси в направлении глубины полупроводниковой подложки и сумма N2 концентрации примеси в направлении, в котором располагается множество участков, удовлетворяют отношению, выраженному посредством N1>N2.

[0007] Третий аспект настоящего изобретения обеспечивает твердотельный датчик изображения, содержащий: полупроводниковую подложку, первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и располагается в первой полупроводниковой области, и линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении, проходящем вдоль поверхности полупроводниковой подложки, часть первой полупроводниковой области располагается между множеством участков, посредством приложения напряжения обратного смещения, имеющего предварительно определенную величину, между первой полупроводниковой областью и второй полупроводниковой областью, область обеднения расширяется от первой полупроводниковой области в направлении второй полупроводниковой области, благодаря чему достигается полное обеднение второй полупроводниковой области, участок окончательного обеднения, который является частью второй полупроводниковой области и предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, выполнен с возможностью обеднения посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения, в направлении участка окончательного обеднения, а также посредством приложения напряжения обратного смещения между первой полупроводниковой областью и второй полупроводниковой областью, область обеднения расширяется от второй полупроводниковой области до части первой полупроводниковой области, благодаря чему достигается полное обеднение части первой полупроводниковой области.

[0008] Четвертый аспект настоящего изобретения обеспечивает твердотельный датчик изображения, содержащий: полупроводниковую подложку, первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и располагается в первой полупроводниковой области, и линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении, проходящем вдоль поверхности полупроводниковой подложки, потенциальный барьер для заряда, накопленного в области накопления заряда, формируется между множеством участков, вторая полупроводниковая область выполнена с возможностью полного обеднения посредством расширения области обеднения от первой полупроводниковой области в направлении второй полупроводниковой области, участок окончательного обеднения, который является частью второй полупроводниковой области и предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, выполнен с возможностью обеднения посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения, в направлении участка окончательного обеднения, а интервал между множеством участков находится в пределах диапазона от 0,1 мкм до 1,0 мкм.

[0009] Пятый аспект настоящего изобретения обеспечивает камеру, содержащую: твердотельный датчик изображения, в соответствии с любым из 1-4 аспектов настоящего изобретения, и блок обработки, который обрабатывает сигнал, выводимый из твердотельного датчика изображения.

[0010] Дополнительные отличительные признаки настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего описания иллюстративных вариантов осуществления, представленного со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

[0011] Фиг. 1 изображает вид в разрезе, схематически иллюстрирующий структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0012] Фиг. 2 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0013] Фиг. 3 изображает графики, иллюстрирующие профиль концентрации носителей заряда и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по линии B-B', изображенной на Фиг. 1;

[0014] Фиг. 4 изображает графики, иллюстрирующие профиль концентрации носителей заряда и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по линии C-C', изображенной на Фиг. 1;

[0015] Фиг. 5 изображает вид в разрезе, иллюстрирующий сравнительный пример;

[0016] Фиг. 6 изображает графики, иллюстрирующие профиль концентрации носителей заряда и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по линии D-D', изображенной на Фиг. 5;

[0017] Фиг. 7 изображает вид в разрезе, схематически иллюстрирующий структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0018] Фиг. 8 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0019] Фиг. 9А и 9B изображают горизонтальные проекции, схематически иллюстрирующие структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0020] Фиг. 10 изображает вид в разрезе, схематически иллюстрирующий структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0021] Фиг. 11 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения; и

[0022] Фиг. 12 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика изображения, в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Описание вариантов осуществления

[0023] Далее, со ссылкой на прилагаемые чертежи, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Для предоставления более подробного примера ниже будет описан случай, в котором первый тип проводимости является типом p, а второй тип проводимости является типом n. Однако первый тип проводимости может быть изменен на тип n, а второй тип проводимости может быть изменен на тип p.

[0024] Один или более вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивают твердотельный датчик изображения, который является простым в изготовлении и имеет структуру, эффективную в отношении увеличения количественного показателя насыщенности зарядов, и камеру, включающую в себя такой датчик.

Первый вариант осуществления

[0025] Фиг. 1 и 2 изображают вид в разрезе и горизонтальную проекцию, соответственно, схематически иллюстрирующие структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 1 изображает вид в разрезе, выполненном по линии, изображенной на Фиг. 2. Твердотельный датчик 100 изображения включает в себя полупроводниковую подложку SB. Полупроводниковая подложка SB может включать в себя, например, полупроводниковую область 101 второго типа проводимости (n-типа) и полупроводниковую область 102 (карман) первого типа проводимости (p-типа), расположенную на полупроводниковой области 101. Вторая полупроводниковая область 103 второго типа проводимости (n-типа), которая составляет область накопления заряда, располагается в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости (p-типа). Полупроводниковая область 104 первого типа проводимости (p-типа) может быть расположена на стороне верхней поверхности второй полупроводниковой области 103. Линза 122, которая конденсирует свет на вторую полупроводниковую область 103, может быть расположена на полупроводниковой подложке SB. Вторая полупроводниковая область 103 включает в себя множество участков 103А и 103B, расположенных в направлении, проходящем вдоль поверхности полупроводниковой подложки SB. Фотодиод, служащий в качестве элемента фотоэлектрического преобразования, может быть составлен посредством первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости (p-типа) и второй полупроводниковой области 103 второго типа проводимости (n-типа). Фотодиод также может включать в себя полупроводниковую область 104 первого типа проводимости (p-типа), расположенную на второй полупроводниковой области 103. Каждый пиксел может быть изолирован от других пикселов посредством изолирующего элемента 105, такого как изоляция LOCOS (технология изготовления МОП интегральных схем с толстым защитным слоем оксида кремния) или STI (узкощелевая изоляция). Потенциальный барьер формируется между множеством участков 103А и 103B. В первом варианте осуществления множество участков 103А и 103B могут быть электрически изолированы друг от друга посредством потенциального барьера. Потенциальным барьером является область, в которой потенциал для сигнальных зарядов, накопленных в области накопления заряда, превышает потенциал в области накопления заряда. Например, если сигнальные заряды являются электронами, то потенциальным барьером является область, в которой потенциал для электронов превышает потенциал во второй полупроводниковой области 103. Потенциальный барьер может быть составлен посредством полупроводниковой области первого типа проводимости. Потенциальный барьер может включать в себя изолирующие участки, такие как изоляция STI, LOCOS или изоляция меза-типа (с мезаструктурой). Следует отметить, что в случае, когда сигнальные заряды являются электронными дырками, потенциальным барьером является область, в которой потенциал для электронных дырок превышает потенциал в области накопления заряда.

[0026] Области 106А и 106B обеднения формируются в участках, которые являются смежными со второй полупроводниковой областью 103 (участками 103А и 103B) второго типа проводимости (n-типа), за пределами первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости (p-типа). Области 107А и 107B обеднения формируются во второй полупроводниковой области 103 (участках 103А и 103B) второго типа проводимости (n-типа). Чем выше напряжение сброса (напряжение обратного смещения), прилагаемое между первой полупроводниковой областью 102 и второй полупроводниковой областью 103 (участками 103А и 103B), тем больше области 106А, 106B, 107А и 107B обеднения. Величина напряжения сброса задается таким образом, чтобы вторая полупроводниковая область 103 (участки 103А и 103B) полностью обеднялась, то есть чтобы устранялись необедненные нейтральные области 108А и 108B.

[0027] Когда между первой полупроводниковой областью 102 и второй полупроводниковой областью 103 (участками 103А и 103B) прикладывается напряжение сброса, области обеднения расширяются от первой полупроводниковой области 102 до второй полупроводниковой области 103, благодаря чему достигается обеднение всей второй полупроводниковой области 103. Полное обеднение второй полупроводниковой области 103 способствует увеличению количественного показателя насыщенности зарядов.

[0028] Расширение областей обеднения от первой полупроводниковой области 102 до второй полупроводниковой области 103 может быть раздельно рассмотрено в качестве расширения в горизонтальном направлении (в направлении, параллельном по отношению к поверхности полупроводниковой подложки SB) и расширения в вертикальном направлении (в направлении, перпендикулярном по отношению к поверхности полупроводниковой подложки SB). Участок, который предназначен для окончательного обеднения за пределами второй полупроводниковой области 103, будет называться участком окончательного обеднения. Участок окончательного обеднения обедняется посредством расширения областей обеднения от участков, расположенных в поперечном направлении (горизонтальном направлении) участка окончательного обеднения за пределами первой полупроводниковой области 102, в направлении участка окончательного обеднения (то есть расширения в горизонтальном направлении). Структуру, которая обедняет участок окончательного обеднения посредством расширения областей обеднения в горизонтальном направлении от участков, расположенных в поперечном направлении участка окончательного обеднения за пределами первой полупроводниковой области 102, получают посредством деления второй полупроводниковой области 103 на множество участков 103А и 103B. Для разделения второй полупроводниковой области 103 на множество участков 103А и 103B, участки 103А и 103B задают посредством маски для ионной имплантации, используемой для формирования второй полупроводниковой области 103, и это может быть реализовано посредством очень простого процесса.

[0029] Твердотельный датчик 100 изображения также включает в себя третью полупроводниковую область 121 второго типа проводимости (n-типа), сформированную в первой полупроводниковой области 102 полупроводниковой подложки SB. Третья полупроводниковая область 121 является составным элементом плавающей диффузионной области (преобразователь заряда в напряжение). Твердотельный датчик 100 изображения также на полупроводниковой подложке SB содержит передающий затвор 120, который в первой полупроводниковой области 102 формирует канал для передачи зарядов из второй полупроводниковой области 103 (участков 103А и 103B) в третью полупроводниковую область 121.

[0030] Фиг. 3 иллюстрирует профиль концентрации носителей заряда (профиль концентрации примеси) и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по линии B-B', изображенной на Фиг. 1. Фиг. 4 иллюстрирует профиль концентрации носителей заряда (профиль концентрации примеси) и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по линии C-C', изображенной на Фиг. 1. В данной спецификации ордината графика, изображающая профиль распределения потенциала, демонстрирует положительный потенциал. То есть чем больше значение вдоль ординаты, тем меньше потенциал для электронов, или выше потенциал для электронных дырок. Линия C-C' проходит через участок, имеющий максимальную концентрацию носителей заряда во второй полупроводниковой области 103 (участки 103А) в направлении, параллельном по отношению к поверхности полупроводниковой подложки SB. На Фиг. 3 и 4 заштрихованный участок демонстрирует обедненную область. На Фиг. 3 потенциал (потенциал, указанный посредством пунктирной линии) для полного обеднения нейтральной области 108А второй полупроводниковой области 103А посредством расширения областей обеднения в вертикальном направлении (направлении, перпендикулярном по отношению к поверхности полупроводниковой подложки SB) является напряжением Vdep_V обеднения.

[0031] Фиг. 4 иллюстрирует профиль концентрации носителей заряда (профиль концентрации примеси) и профиль распределения потенциала по линии C-C', которая проходит через участок, имеющий максимальную концентрацию носителей заряда во второй полупроводниковой области 103 (участки 103А), в направлении, параллельном по отношению к поверхности полупроводниковой подложки SB. На Фиг. 4 потенциал (потенциал, указанный посредством пунктирной линии) для полного обеднения нейтральной области 108А второй полупроводниковой области 103А посредством расширения областей обеднения в горизонтальном направлении (направлении, параллельном по отношению к поверхности полупроводниковой подложки SB) является напряжением Vdep_H обеднения. Следует отметить, что Vdep_V>Vdep_H.

Когда вторая полупроводниковая область 103 второго типа проводимости, расположенная в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости, делится на множество участков 103А и 103B, общее количество носителей заряда второго типа проводимости между первой полупроводниковой областью 102 и второй полупроводниковой областью 103 может быть сокращено. Деление второй полупроводниковой области 103 выполняется для удовлетворения отношения Vdep_V>Vdep_H. Когда области обеднения расширяются от боковой поверхности участка 103А и боковой поверхности противоположной стороны и входят в контакт друг с другом, обеднение всей второй полупроводниковой области 103А прекращается. Когда области обеднения расширяются от боковой поверхности участка 103B и боковой поверхности противоположной стороны и входят в контакт друг с другом, обеднение всей второй полупроводниковой области 103B прекращается.

[0032] Допустим N1 (шт./см²) имеет значение, полученное посредством суммирования концентрации носителей заряда во второй полупроводниковой области 103, изображенной на Фиг. 3, а N2 (шт./см²) имеет значение, полученное посредством суммирования концентрации носителей заряда во второй полупроводниковой области 103, изображенной на Фиг. 4. В этом случае преимущественно удовлетворяется отношение, выраженное посредством N1>N2. Отношение N1>N2 является условием для обеднения участка окончательного обеднения посредством расширения областей обеднения от участков, расположенных в поперечном направлении (горизонтальном направлении) участка окончательного обеднения за пределами первой полупроводниковой области 102, в направлении участка окончательного обеднения (то есть расширения в горизонтальном направлении).

[0033] Следует отметить, что расширение областей обеднения в вертикальном направлении прогрессирует наряду с расширением областей обеднения в горизонтальном направлении. Следовательно, напряжение Vdep_V может быть понижено посредством деления второй полупроводниковой области 103 второго типа проводимости, расположенной в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости, на множество участков 103А и 103B. То есть, даже если отношение Vdep_V>Vdep_H не удовлетворено, напряжение обеднения может быть понижено посредством деления второй полупроводниковой области 103 на множество участков 103А и 103B.

[0034] В качестве сравнительного примера рассмотрим напряжение обеднения в случае, когда вторая полупроводниковая область 103 не разделена на участки 103А и 103B, то есть в отсутствие потенциального барьера, как изображено на Фиг. 5. Профиль концентрации носителей заряда (профиль концентрации примеси) и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по лини E-E', изображенной на Фиг. 5, совпадают с профилями, которые изображены на Фиг. 3. Однако следует отметить, что, как иллюстрировано на Фиг. 6, профиль концентрации носителей заряда (профиль концентрации примеси) и профиль распределения потенциала на участке разреза, выполненного по линии D-D', изображенной на Фиг. 5, отличаются от профилей, которые изображены на Фиг. 4. Если вторая полупроводниковая область 103 не разделена на участки 103А и 103B, как изображено на Фиг. 5, то потенциал для полного обеднения нейтральной области 108А второй полупроводниковой области 103А посредством расширения областей обеднения в горизонтальном направлении является напряжением Vdep_H1 обеднения.

[0035] В примере, изображенном на Фиг. 5, участок окончательного обеднения, который является участком, предназначенным для окончательного обеднения за пределами второй полупроводниковой области 103, обедняется посредством расширения областей обеднения от участков, расположенных на нижней стороне (вертикальное направление) участка окончательного обеднения за пределами первой полупроводниковой области 102, в направлении участка окончательного обеднения. В примере, изображенном на Фиг. 5, Vdep_V<Vdep_H1. В сравнительном примере, изображенном на Фиг. 5, когда области обеднения расширяются от верхнего и нижнего оконечных участков второй полупроводниковой области 103, и область обеднения, расширяющаяся от верхнего оконечного участка, входит в контакт с областью обеднения, расширяющейся от нижнего оконечного участка, обеднение всей второй полупроводниковой области 103 прекращается.

[0036] Как было описано выше, когда вторая полупроводниковая область 103 второго типа проводимости, расположенная в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости, включает в себя множество участков 103А и 103B, напряжение обеднения может быть понижено. Поскольку напряжение сброса второй полупроводниковой области 103 должно превышать напряжение обеднения, меньшее напряжение обеднения является выгодным при понижении напряжения питания. Если напряжение питания не было понижено, то концентрация во второй полупроводниковой области 103 может возрасти, при этом количественный показатель насыщенности зарядов может быть увеличен. Это предоставляет возможность получения твердотельного датчика изображения, имеющего широкий динамический диапазон.

[0037] Участки 103А и 103B, которые составляют вторую полупроводниковую область 103, преимущественно имеют одинаковую ширину в направлении, проходящем вдоль линии А-А' (направлении, пересекающем участки 103А и 103B). Если участки 103А и 103B имеют различную ширину, то сначала обедняется более узкий участок, а затем более широкий. Поэтому напряжение сброса и т.п. определяется посредством напряжения обеднения более широкого участка.

[0038] Области 106А и 106B обеднения, сформированные посредством обеднения участков 103А и 103B, которые составляют вторую полупроводниковую область 103, преимущественно контактируют друг с другом, когда все участки 103А и 103B являются обедненными (полностью обедненными). Это предоставляет возможность получения такой же чувствительности, как и в случае, в котором вторая полупроводниковая область 103, служащая в качестве области накопления, не разделена. Ввиду уменьшения интервала между участками 103А и 103B, области 106А и 106B обеднения, сформированные посредством их обеднения, могут быть легко сведены друг с другом. Однако если интервал является слишком малым, то полезный эффект расширения областей 107А и 107B обеднения от первой полупроводниковой области 102 между участками 103А и 103B до участков 103А и 103B ослабевает. Следует обратить внимание на то, что интервал между участками 103А и 103B преимущественно находится в пределах диапазона от 0,1 мкм до 1,0 мкм, и, более преимущественно, находится в пределах диапазона от 0,2 мкм до 0,5 мкм. Границей второй полупроводниковой области 103 является, например, p-n-переход к смежной первой полупроводниковой области 102. Увеличение интервала между множеством участков 103А и 103B независимо от размера пиксела позволяет понизить напряжение обеднения, наряду с поддержкой чувствительности.

[0039] Размер пиксела, предпочтительный для обеднения участка окончательного обеднения посредством расширения областей обеднения в горизонтальном направлении, находится в пределах диапазона, например, от 2,0 мкм до 7,0 мкм. Более предпочтительно, чтобы размер пиксела находился в пределах диапазона от 4,0 мкм до 6,0 мкм. Причина состоит в том, что размер пиксела меньше 2,0 мкм затрудняет процесс деления второй полупроводниковой области 103, а размер пиксела больше 7,0 мкм упрощает обеспечение количественного показателя насыщенности зарядов.

Второй вариант осуществления

[0040] Далее, со ссылкой на Фиг. 7, будет описан второй вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 7 изображает вид в разрезе, выполненном по линии А-А', изображенной на Фиг. 2, а также схематически иллюстрирует структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что объекты, которые не упоминаются во втором варианте осуществления, могут соответствовать первому варианту осуществления.

[0041] В твердотельном датчике 100 изображения, в соответствии со вторым вариантом осуществления, полупроводниковая область 701 первого типа проводимости, в которой концентрация превышает концентрацию в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости, располагается между полупроводниковой областью 101 второго типа проводимости (n-типа) и первой полупроводниковой областью 102 первого типа проводимости (p-типа). Кроме того, в твердотельном датчике 100 изображения, в соответствии со вторым вариантом осуществления, полупроводниковая область 702 первого типа проводимости, в которой концентрация превышает концентрацию в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости, располагается таким образом, чтобы она окружала первую полупроводниковую область 102 первого типа проводимости (p-типа).

[0042] Полупроводниковая область 701 может способствовать возбуждению обеднения второй полупроводниковой области 103 в вертикальном направлении. Полупроводниковая область 702 может функционировать в качестве изолирующей области, которая изолирует пикселы, а также способствует возбуждению обеднения второй полупроводниковой области 103 в вертикальном направлении. Расстояние между полупроводниковой областью 702 и участками 103А и 103B, которые составляют вторую полупроводниковую область 103, может быть настроено таким образом, чтобы сводить области 106А и 106B обеднения с полупроводниковой областью 702. Расстояние между полупроводниковой областью 702 и участками 103А и 103B преимущественно равняется, например, 1 мкм или менее, и, более преимущественно, находится в пределах диапазона от 0 мкм до 0.4 мкм. Однако, если концентрация во второй полупроводниковой области 103 (участках 103А и 103B) превышает 1·10¹⁷ см^-3, то расширение областей 106А и 106B обеднения может быть слишком малым, вследствие чего может возникнуть белое пятно. Чтобы предотвратить это, наиболее предпочтительно, чтобы расстояние было приблизительно равно 0,2 мкм. Концентрация в полупроводниковых областях 701 и 702 преимущественно находится в пределах диапазона от 1·10¹⁷ см^-3 до 1·10¹⁹ см^-3, и, более преимущественно, находится в пределах диапазона от 5·10¹⁷ см^-3 до 5·10¹⁸ см^-3. Концентрация примеси в полупроводниковой области 701 может быть ниже концентрации в полупроводниковой области 702. Концентрация примеси в полупроводниковой области 702 может превышать концентрацию в первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости, расположенной между участками 103А и 103B.

Третий вариант осуществления

[0043] Далее, со ссылкой на Фиг. 8, будет описан третий вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 8 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что объекты, которые не упоминаются в третьем варианте осуществления, могут соответствовать первому и второму вариантам осуществления.

[0044] В третьем варианте осуществления вторая полупроводниковая область 103 второго типа проводимости делится на три участка 103А, 103B и 103C. Вторая полупроводниковая область 103 делится таким образом, чтобы второй участок 103B располагался между первым участком 103А и третьим участком 103C. Ширина первого участка 103А и третьего участка 103C в направлении, пересекающем первый участок 103А, второй участок 103B и третий участок 103C, преимущественно превышает ширину второго участка 103B. Причина состоит в том, что первый участок 103А и третий участок 103C обедняются в горизонтальном направлении проще, чем второй участок 103B.

[0045] Области 106А, 106B и 106C обеднения формируются в участках, которые являются смежными со второй полупроводниковой областью 103 (участками 103А, 103B и 103C) второго типа проводимости (n-типа) за пределами первой полупроводниковой области 102 первого типа проводимости (p-типа). Области 107А, 107B и 107C обеднения формируются во второй полупроводниковой области 103 (участках 103А, 103B и 103C) второго типа проводимости (n-типа).

[0046] Следует отметить, что количественный показатель деления полупроводниковой области 103, которая составляет область накопления заряда, не ограничивается 2 или 3, и может быть равен 4 или более.

Четвертый вариант осуществления

[0047] Далее, со ссылкой на Фиг. 9А и 9B, будет описан четвертый вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 9А изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 9B изображает горизонтальную проекцию, иллюстрирующую полупроводниковую область 103, изображенную на Фиг. 9А. Следует отметить, что объекты, которые не упоминаются в четвертом варианте осуществления, могут соответствовать первому варианту осуществления. Четвертый вариант осуществления может быть осуществлен на практике в сочетании со вторым и/или третьим вариантом осуществления.

[0048] В первом, втором и третьем вариантах осуществления множество частей электрически изолируются друг от друга. Однако в настоящем изобретении это не является важным фактором. Полезный эффект настоящего изобретения достигается посредством сокращения расстояния между участком окончательного обеднения во второй полупроводниковой области 103 и боковой поверхностью второй полупроводниковой области 103. В случае реализации полезного эффекта множество частей могут быть соединены друг с другом. В четвертом варианте осуществления полупроводниковая область 103, которая составляет область накопления заряда, включает в себя соединительный участок 103D, который соединяет множество участков 103А и 103B друг с другом.

[0049] Твердотельный датчик 100 изображения, в качестве плавающей диффузионной области, включает в себя третью полупроводниковую область 121 второго типа проводимости, формируемую в первой полупроводниковой области 102 полупроводниковой подложки SB. Твердотельный датчик 100 изображения также на полупроводниковой подложке SB включает в себя передающий затвор 120, который в первой полупроводниковой области 102 формирует канал для передачи зарядов со второй полупроводниковой области 103 на третью полупроводниковую область 121. Вторая полупроводниковая область 103 может быть сконфигурирована таким образом, чтобы соединительный участок 103D располагался между передающим затвором 120 и множеством участков 103А и 103B. Это предоставляет каналу возможность передачи большего числа зарядов со второй полупроводниковой области 103 на третью полупроводниковую область 121, а также повышает эффективность передачи зарядов. Следует отметить, что соединительный участок 103D может быть расположен под полупроводниковой областью первого типа проводимости, расположенной между множеством участков 103А и 103B. То есть потенциальный барьер может быть сформирован на стороне верхней поверхности полупроводниковой подложки SB, а множество участков 103А и 103B могут быть соединены в глубоком участке полупроводниковой подложки SB.

Пятый вариант осуществления

[0050] Далее, со ссылкой на Фиг. 10, будет описан пятый вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 10 изображает вид в разрезе, схематически иллюстрирующий структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что объекты, которые не упоминаются в пятом варианте осуществления, могут соответствовать первому варианту осуществления. Пятый вариант осуществления может быть осуществлен на практике в сочетании с, по меньшей мере, одним из второго, третьего или четвертого вариантов осуществления.

[0051] Первая полупроводниковая область 102 первого типа проводимости включает в себя первый участок 1001, располагаемый таким образом, чтобы он полностью окружал множество участков 103А и 103B, которые составляют вторую полупроводниковую область 103, и второй участок 1002, располагаемый между множеством участков 103А и 103B. Концентрация примеси во втором участке 1002 превышает концентрацию в первом участке 1001, вследствие чего ширина областей 106А и 106B обеднения становятся малой.

Шестой вариант осуществления

[0052] Далее, со ссылкой на Фиг. 11, будет описан шестой вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 11 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что объекты, которые не упоминаются в шестом варианте осуществления, могут соответствовать первому варианту осуществления. Шестой вариант осуществления может быть осуществлен на практике в сочетании с, по меньшей мере, одним из второго, третьего, четвертого и пятого вариантов осуществления.

[0053] В шестом варианте осуществления множество третьих полупроводниковых областей 121А и 121B второго типа проводимости (n-типа) формируются в полупроводниковой подложке в соответствии с множеством участков 103А и 103B, которые составляют область 103 накопления заряда, соответственно. Множество третьих полупроводниковых областей 121А и 121B составляют плавающую диффузионную область (преобразователь заряда в напряжение). Передающий затвор 120, расположенный на полупроводниковой подложке, формирует в первой полупроводниковой области 102 канал для передачи зарядов из участка 103А в соответствующую третью полупроводниковую область 121А. Передающий затвор 120 также формирует в первой полупроводниковой области 102 канал для передачи зарядов из участка 103B в соответствующую третью полупроводниковую область 121B.

[0054] Твердотельный датчик 100 изображения включает в себя схему считывания (не изображена), используемую для индивидуального считывания сигналов, соответствующих зарядам, переданным на множество третьих полупроводниковых областей 121А и 121B. Свет поступает на участки 103А и 103B через общую линзу. Свет, который прошел через первую область зрачка линзы формирования изображения, а затем прошел через общую линзу, может поступить на участок 103А. Свет, который прошел через вторую область зрачка линзы формирования изображения, а затем прошел через общую линзу, может поступить на участок 103B. Это позволяет достигать эффективности обнаружения фокуса посредством способа обнаружения сдвига по фазе на основе выходного сигнала твердотельного датчика 100 изображения. Следует отметить, что первая область отличается от второй области.

Седьмой вариант осуществления

[0055] Далее, со ссылкой на Фиг. 12, будет описан седьмой вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 12 изображает горизонтальную проекцию, схематически иллюстрирующую структуру одного пиксела твердотельного датчика 100 изображения, в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что объекты, которые не упоминаются в седьмом варианте осуществления, могут соответствовать первому варианту осуществления. Седьмой вариант осуществления может быть осуществлен на практике в сочетании с, по меньшей мере, одним из второго, третьего, четвертого и пятого вариантов осуществления.

[0056] В седьмом варианте осуществления третья полупроводниковая область 121 второго типа проводимости (n-типа), которая является общей для множества участков 103А и 103B, составляющих область 103 накопления заряда, формируется в полупроводниковой подложке. Третья полупроводниковая область 121 составляет плавающую диффузионную область (преобразователь заряда в напряжение). В седьмом варианте осуществления множество передающих затворов 120А и 120B, соответствующих участкам 103А и 103B, которые составляют область 103 накопления заряда, соответственно, располагаются на полупроводниковой подложке. Передающий затвор 120А формирует в первой полупроводниковой области 102 канал для передачи заряды из участка 103А в общую третью полупроводниковую область 121. Передающий затвор 120B формирует в первой полупроводниковой области 102 канал для передачи зарядов из участка 103B в общую третью полупроводниковую область 121. Передающие затворы 120А и 120B электрически изолируются друг от друга, при этом между ними располагается изолирующий элемент 1203.

[0057] Твердотельный датчик 100 изображения включает в себя схему считывания (не изображена), используемую для считывания сигнала, соответствующего зарядам, переданным на общую третью полупроводниковую область 121. Схема считывания может считывать сигнал, соответствующий общему количеству зарядов, переданных из участка 103А в полупроводниковую область 121 посредством передающего затвора 120А, и зарядов, переданных из участка 103B в полупроводниковую область 121 посредством передающего затвора 120B.

[0058] Схема считывания также может индивидуально считывать сигнал, соответствующий зарядам, переданным из участка 103А в полупроводниковую область 121 посредством передающего затвора 120А, и сигнал, соответствующий зарядам, переданным из участка 103B в полупроводниковую область 121 посредством передающего затвора 120B. Например, схема считывания изначально считывает сигнал, соответствующий зарядам, переданным из участка 103А в полупроводниковую область 121 посредством передающего затвора 120А, а затем сигнал, соответствующий зарядам, переданным из участка 103B в полупроводниковую область 121 посредством передающего затвора 120B.

[0059] Свет поступает на участки 103А и 103B через общую линзу. Свет, который прошел через первую область зрачка линзы формирования изображения, а затем прошел через общую линзу, может поступить на участок 103А. Свет, который прошел через вторую область зрачка линзы формирования изображения, а затем прошел через общую линзу, может поступить на участок 103B. Это позволяет достигать эффективности обнаружения фокуса посредством способа обнаружения сдвига по фазе на основе выходного сигнала твердотельного датчика 100 изображения.

Пример применения

[0060] В качестве примера применения твердотельного датчика изображения, в соответствии с каждым из вышеописанных вариантов осуществления, будет рассматриваться камера, включающая в себя твердотельный датчик изображения. Понятие камеры включает в себя не только устройство, которое преимущественно предназначено для фотосъемки, но также и устройство (например, персональный компьютер или мобильный терминал), которое оснащается функцией фотосъемки в качестве вторичной функции. Камера включает в себя твердотельный датчик изображения, в соответствии с настоящим изобретением, иллюстрируемый вариантами осуществления, и блок обработки, который обрабатывает сигнал, выводимый из твердотельного датчика изображения. Блок обработки может включать в себя, например, аналого-цифровой (A/D) преобразователь и процессор, который обрабатывает вывод цифровых данных с аналого-цифрового (A/D) преобразователя.

[0061] Наряду с тем, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми иллюстративными вариантами осуществления. Объем нижеприведенной формулы изобретения должен получить самую широкую интерпретацию, чтобы охватить все подобные модификации, а также эквивалентные структуры и функции.

[0062] Настоящая заявка притязает на приоритет, в соответствии с заявки на патент Японии №2012-008448, поданной 18 января 2012 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.

Настоящее изобретение обеспечивает твердотельный датчик изображения, который является простым в изготовлении и имеет структуру, эффективную в отношении увеличения количественного показателя насыщенности зарядов, и камеру, включающую в себя такой датчик. Согласно изобретению предложен датчик изображения, включающий в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, которая располагается в подложке, и вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая располагается в первой полупроводниковой области для формирования области накопления заряда. Вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении вдоль поверхности подложки. Потенциальный барьер формируется между множеством участков. Вторая полупроводниковая область полностью обедняется посредством расширения области обеднения от первой полупроводниковой области до второй полупроводниковой области. Участок окончательного обеднения, который предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, обедняется посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Твердотельный датчик изображения, содержащий:
полупроводниковую подложку;
первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке;
вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и располагается в первой полупроводниковой области; и
линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем
вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении вдоль поверхности полупроводниковой подложки,
потенциальный барьер для заряда, накопленного в области накопления заряда, формируется между множеством участков,
вторая полупроводниковая область выполнена с возможностью полного обеднения посредством расширения области обеднения от первой полупроводниковой области в направлении второй полупроводниковой области, и
участок окончательного обеднения, который является частью второй полупроводниковой области и предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, выполнен с возможностью обеднения посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения, в направлении участка окончательного обеднения.

2. Датчик по п. 1, в котором множество участков электрически изолированы друг от друга.

3. Датчик по п. 1, в котором
множество третьих полупроводниковых областей второго типа проводимости расположены в полупроводниковой подложке в соответствии с множеством участков, соответственно, и
передающий затвор, являющийся общим для множества участков, расположен на полупроводниковой подложке таким образом, чтобы формировать канал для передачи заряда из каждого участка в одну соответствующую область из множества третьих полупроводниковых областей.

4. Датчик по п. 1, в котором
третья полупроводниковая область второго типа проводимости, которая является общей для множества участков, расположена в полупроводниковой подложке, и
передающий затвор, являющийся общим для множества участков, расположен на полупроводниковой подложке таким образом, чтобы формировать канал для передачи заряда из множества участков в третью полупроводниковую область.

5. Датчик по п. 1, в котором
третья полупроводниковая область второго типа проводимости, являющаяся общей для множества участков, расположена в полупроводниковой подложке, и
множество передающих затворов расположено на полупроводниковой подложке таким образом, чтобы формировать каналы для передачи зарядов из каждого из множества участков в третью полупроводниковую область.

6. Датчик по п. 1, в котором вторая полупроводниковая область включает в себя соединительный участок, который соединяет множество участков друг с другом.

7. Датчик по п. 6, дополнительно содержащий:
третью полупроводниковую область второго типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке; и
передающий затвор для формирования канала для передачи заряда из второй полупроводниковой области в третью полупроводниковую область, при этом передающий затвор расположен на полупроводниковой подложке, причем
соединительный участок расположен между передающим затвором и множеством участков.

8. Датчик по п. 1, в котором
первая полупроводниковая область включает в себя первую часть, расположенную таким образом, чтобы она окружала множество участков, и вторую часть, расположенную между множеством участков, и
концентрация примеси во второй части первой полупроводниковой области ниже концентрации примеси в первой части первой полупроводниковой области.

9. Датчик по п. 8, в котором
множество участков включает в себя первый участок, второй участок и третий участок,
второй участок второй полупроводниковой области расположен между первым участком второй полупроводниковой области и третьим участком второй полупроводниковой области, и
ширина каждого из первого участка второй полупроводниковой области и третьего участка второй полупроводниковой области в направлении, в котором расположены первый участок второй полупроводниковой области, второй участок второй полупроводниковой области и третий участок второй полупроводниковой области, превышает ширину второй части второй полупроводниковой области.

10. Датчик по п. 1, в котором полупроводниковая область второго типа проводимости, которая окружает боковые поверхности первой полупроводниковой области, расположена в полупроводниковой подложке.

11. Датчик по п. 1, в котором
интервал между множеством участков находится в пределах диапазона от 0,1 мкм до 1,0 мкм, и
полная длина множества участков вдоль направления, в котором расположено множество участков, находится в пределах диапазона от 2,0 мкм до 7,0 мкм.

12. Камера, содержащая:
твердотельный датчик изображения по п. 1; и
блок обработки, который обрабатывает сигнал, выводимый из твердотельного датчика изображения.

13. Твердотельный датчик изображения, содержащий:
полупроводниковую подложку,
первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке,
вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и расположена в первой полупроводниковой области, и
линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем
вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении вдоль поверхности полупроводниковой подложки,
потенциальный барьер для заряда, накопленного в области накопления заряда, формируется между множеством участков, и
в каждом из множества участков сумма N1 концентрации примеси вдоль направления глубины полупроводниковой подложки и сумма N2 концентрации примеси вдоль направления, в котором расположено множество участков, удовлетворяют отношению, выраженному посредством N1>N2.

14. Твердотельный датчик изображения, содержащий:
полупроводниковую подложку;
первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке;
вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и расположена в первой полупроводниковой области; и
линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем
вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении вдоль поверхности полупроводниковой подложки,
часть первой полупроводниковой области расположена между множеством участков, посредством приложения напряжения обратного смещения, имеющего предварительно определенную величину, между первой полупроводниковой областью и второй полупроводниковой областью, область обеднения расширяется от первой полупроводниковой области в направлении второй полупроводниковой области, тем самым полностью обедняя вторую полупроводниковую область,
участок окончательного обеднения, который является частью второй полупроводниковой области и предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, выполнен с возможностью обеднения посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения, в направлении участка окончательного обеднения, и посредством приложения напряжения обратного смещения между первой полупроводниковой областью и второй полупроводниковой областью, область обеднения расширяется от второй полупроводниковой области до части первой полупроводниковой области, тем самым полностью обедняя часть первой полупроводниковой области.

15. Твердотельный датчик изображения, содержащий:
полупроводниковую подложку;
первую полупроводниковую область первого типа проводимости, расположенную в полупроводниковой подложке;
вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, которая составляет область накопления заряда и расположена в первой полупроводниковой области; и
линзу для конденсации света на вторую полупроводниковую область, причем
вторая полупроводниковая область включает в себя множество участков, расположенных в направлении вдоль поверхности полупроводниковой подложки,
потенциальный барьер для заряда, накопленного в области накопления заряда, формируется между множеством участков,
вторая полупроводниковая область выполнена с возможностью полного обеднения посредством расширения области обеднения от первой полупроводниковой области в направлении второй полупроводниковой области,
участок окончательного обеднения, который является частью второй полупроводниковой области и предназначен для окончательного обеднения второй полупроводниковой области, выполнен с возможностью обеднения посредством расширения области обеднения от участка первой полупроводниковой области, расположенного в поперечном направлении участка окончательного обеднения, в направлении участка окончательного обеднения, и
интервал между множеством участков находится в пределах диапазона от 0,1 мкм до 1,0 мкм.

16. Датчик по п. 15, в котором полная длина множества участков вдоль направления, в котором расположено множество участков, находится в пределах диапазона от 2,0 мкм до 7,0 мкм.