固態成像元件及其驅動方法

2023-05-10 12:25:41

專利名稱：固態成像元件及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及一種固態成像元件及其驅動方法。更具體地，涉及一種單板固態成像 兀件(single plate solid-state imaging element)及其驅動方法。
背景技術：
在現有的單板彩色固態成像元件，如CXD (電荷耦合器件)或CMOS (互補金屬氧化 物半導體)圖像傳感器中，彩色濾光片(colorfilter)設置在光接收/電荷存儲層上以使 得紅色、綠色或藍色光通過。為獲得彩色圖像信息，將通過彩色濾光片並被光接收/電荷存 儲層接收的可見光作為信號從固態成像元件中輸出。順便提一下，大約2/3的入射光被各 種顏色的濾光片吸收了，由此導致了差的可見光利用率和低的靈敏度。此外，每個固態成像 元件提供一種單色色彩信號，尤其導致低解析度和明顯的色彩失真。為克服這些缺陷，已經研究和開發了一些固態成像元件，這些固態成像元件具有 一層堆疊在另一層頂部的三個光接收/電荷存儲層(例如，參考日本特開第2006-278446 號，下文中，稱作專利文獻1)。例如，在具有這樣結構的固態成像元件中，分別用於產生與三 原色光或藍、綠、紅光相應的電荷的三個光接收/電荷存儲層從光入射面以這樣的順序堆 疊在一起。每個固態成像元件具有信號讀出電路並將幾乎所有的入射光轉換為電信號，其 中，信號讀出電路適用於獨立讀出由每個光接收/電荷存儲層產生的電荷。這樣確保了近 100%的可見光利用率。單個固態成像元件提供紅、綠、藍三原色信號，由此提供具有高靈敏 度和高解析度的優質圖像。

發明內容
在專利文獻1披露的固態成像元件中，一層堆疊在另一層上的光接收/電荷存儲 層的每一個設置有MOS (金屬氧化物半導體)開關。換句話說，三個MOS開關彼此獨立設置。 這導致了固態成像元件整體面積變大，使得該元件不適於小型化。據上所述，期望提供一種固態成像元件及其驅動方法，其中，該固態成像元件具有 一層堆疊在另一層的頂部上的光接收/電荷存儲層，可以減小其總體面積。根據本發明一個實施方式的固態成像元件包括(A)形成在半導體層中的光接收/電荷存儲區，該光接收/電荷存儲區包括一層堆 疊在另一層的頂部上的M層光接收/電荷存儲層(其中，M>2)；(B)形成在半導體層上的電荷輸出區； (C)導通/非導通控制區，包括位於光接收/電荷存儲區和電荷輸出區之間的部分半導體層；以及
(D)導通/非導通控制電極，用於控制導通/非導通控制區的導通或者非導通狀 態。此外，第m電位控制電極設置在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層(其中，l≤m≤ (M-I))之間，從而控制光接收/電荷存儲層的電位。根據本發明實施方式的固態成像元件的驅動方法是指上述固態成像元件的驅動 方法。該驅動方法將預定電壓施加到導通/非導通控制電極以使得導通/非導通控制區進 入導通狀態。該驅動方法還將第一控制電壓施加到第一到第(m-Ι)電位控制電極，同時，將 第二控制電壓施加到第m到第(M-I)電位控制電極。這在電位上隔離了第一到第m光接收 /電荷存儲層與第(m+1)到第M光接收/電荷存儲層，從而，通過已進入導通狀態的導通/ 非導通控制區將存儲在第一到第m光接收/電荷存儲層中的電荷轉移到電荷輸出區域。應當注意的是，當m = 1時，也就是說，當儲存在第一光接收/電荷存儲層的電荷 被轉移到電荷輸出區域時，該驅動方法將預定電壓施加到導通/非導通控制電極以使得導 通/非導通控制區域進入導通狀態。該驅動方法還將第二控制電壓施加到第一到第(M-I) 電位控制電極。這在電位上隔離了第一光接收/電荷存儲層與第二到第M光接收/電荷存 儲層，從而，通過已進入導通狀態的導通/非導通控制區域將儲存在第一光接收/電荷存儲 層的電荷轉移到電荷輸出區。另一方面，當儲存在第M光接收/電荷存儲層中的電荷轉移 到電荷輸出區時，該驅動方法將預定電壓施加到導通/非導通控制電極以使得導通/非導 通控制區進入導通狀態。該驅動方法還將第一控制電壓施加到第一到第(M-I)電位控制電 極。這通過已處於導通狀態的導通/非導通控制區將存儲在第一到第M光接收/電荷存儲 層的電荷轉移到電荷輸出區。在固態成像元件或其驅動方法中，第m電位控制電極設置在第m和第(m+1)光接 收/電荷存儲層之間以控制光接收/電荷存儲層的電位，其中，1彡m彡(M-1)。如果將合 適的第一和第二控制電壓施加到電位控制電極上，則這通過已進入導通狀態的導通/非導 通控制區將存儲在光接收/電荷存儲層的電荷轉移到電荷輸出區，由此減小了固態成像元 件的整體尺寸。一種具有在半導體層中的電位控制電極、並且適於控制該電位控制電極以 便控制存儲在光接收/電荷存儲層中的電荷向電荷輸出區的轉移的固態成像元件在本發 明發明人進行該研究之前是未知的。


圖1是根據實施方式1的固態成像元件的示意性局部截面圖；圖2A和圖2B是分別沿圖1中箭頭A-A和B-B的示意性局部截面圖，它們示出了 光接收/電荷存儲層和其他部件的設置；圖3是根據實施方式2的固態成像元件的示意性局部截面圖；圖4A和圖4B是分別沿圖3中箭頭A-A和B-B的示意性局部截面圖，它們示出了 光接收/電荷存儲層和其他部件的設置；圖5是根據實施方式3的固態成像元件的示意性局部截面圖；圖6A和圖6B是分別沿圖5中箭頭A-A和B-B的示意性局部截面圖，它們示出了 光接收/電荷存儲層和其他部件的設置；圖7是根據實施方式4的固態成像元件的示意性局部截面圖8A和圖8B是分別沿圖7中箭頭A-A和B-B的示意性局部截面圖，它們示出了光接收/電荷存儲層和其他部件的設置；圖9是示出了每個區域的電位的示意圖，以用於描述根據實施方式1的固態成像 元件的驅動方法；圖IOA 圖IOD是矽半導體襯底和其他部件的示意性局部截面圖，以用於描述根 據實施方式1的固態成像元件的製造方法；圖IlA和圖IlB是延續圖IOA 圖IOD的矽半導體襯底和其他部件的示意性局部 截面圖，以用於描述根據實施方式1的固態成像元件的製造方法；圖12是當成像元件是背面照射成像元件(back irradiationimaging element) 時根據實施方式1的固態成像元件的示意性局部截面圖；以及圖13是當成像元件是背面照射成像元件時根據實施方式1的背面照射固態成像 元件的修改實例的示意性局部截面圖。
具體實施例方式在下文中，將基於實施方式並參照附圖來描述本發明。然而，本發明並不限於這些 實施方式，在實施方式中描述的數值和材料僅僅是示例性的。應當注意，將按下面給出的順 序進行描述1.關於根據本發明的實施方式的固態成像元件及其驅動方法的總體描述；2.實施方式1 (固態成像元件及其驅動方法的具體描述)3.實施方式2 (實施方式1的修改實例)4.實施方式3 (實施方式1的另一個修改實例)5.實施方式4 (實施方式1的又一個修改實例和其他部分)[關於根據本發明的實施方式的固態成像元件及其驅動方法的總體描述]在根據本發明的實施方式的固態成像元件中，第一控制電壓被施加到第1到第 (m-Ι)電位控制電極，同時，第二控制電壓被施加到第m到第(M-I)電位控制電極。這在電 位上將第一到第m光接收/電荷存儲層與第(m+1)到第M光接收/電荷存儲層隔離。在根據包括上述優選實施方式的本發明實施方式的固態成像元件中或在由根據 本發明實施方式的固態成像元件驅動方法驅動的固態成像元件中，電位控制電極和導通/ 非導通控制區可以具有第一導電型，而電荷輸出區、光接收/電荷存儲層和夾在第m和第 (m+1)光接收/電荷存儲層之間的中間層可以具有第二導電型。在這種情況下，電位控制電 極可以至少部分包圍中間層。這裡，如果第一導電型是P型，則第二導電型是η型。電子作 為載流子。另一方面，如果第一導電型是η型，則第二導電型是ρ型。空穴作為載流子。此 夕卜，例如，如果第一導電型是P型，第二導電型η型，則優選電荷輸出區應該是η+雜質區，光 接收/電荷存儲層和中間層應該是η型雜質區，以及電位控制電極和導通/非導通控制區 應該是P型雜質區。在根據包括上述配置和優選實施方式的本發明的實施方式的固態成像元件中或 由根據本發明實施方式的固態成像元件驅動方法驅動的固態成像元件中，最上光接收/電 荷存儲層可以覆蓋有一層塗層。該塗層包括一種含有導電型與同一光接收/電荷存儲層不 同的雜質的半導體材料。塗層可以被連接到導通/非導通控制區。例如，如果光接收/電荷存儲層是n型雜質區，塗層優選為p+型雜質區。如果覆蓋有塗層，最上光接收/電荷存 儲層有助於減小暗電流並降低kTC噪聲。應當注意的是，替代提供塗層，可以在最上光接收 /電荷存儲層上形成對入射光透明的層間絕緣層，並且在同一層間絕緣層上形成透明電極， 以提供減小的暗電流和降低的kTC噪聲。進一步，在根據包括各種優選實施方式和上述配置的本發明實施方式的固態成像 元件中或由根據本發明實施方式的固態成像元件驅動方法所驅動的固態成像元件中，可以 在光接收/電荷存儲層和導通/非導通控制區之間的半導體層的區域中形成勢壘區。勢壘 區包含與光接收/電荷存儲層相同的導電型的雜質。在這種配置中，電位控制電極和導通 /非導通控制區可以具有第一導電型，而電荷輸出區、光接收/電荷存儲層以及夾在第m和 第(m+1)光接收/電荷存儲層之間的中間層可以具有第二導電型。電位控制電極可以至少 部分包圍中間層。可選地，在這種配置中(除了其中形成有中間層的配置)，電位控制電極和導通/ 非導通控制區可以具有第一導電型，而電荷輸出區和光接收/電荷存儲層可以具有第二導 電型。電位控制電極可以被夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間。應該注意的 是，如果光接收/電荷存儲層是n型雜質區，則勢壘區優選應該是rT型雜質區。形成這樣 的勢壘區允許存儲在光接收/電荷存儲層中的電荷通過導通/非導通控制區轉移到電荷輸 出區。更進一步，在根據包括各種優選實施方式和上述配置的本發明的實施方式的固態 成像元件中或由根據本發明實施方式的固態成像元件驅動方法驅動的固態成像元件中，可 以在半導體層的表面上形成元件隔離層(element isolation layer)。該元件隔離層包括 一種包含與光接收/電荷存儲層導電型不同的雜質的半導體材料。應當注意的是，如果光 接收/電荷存儲層是n型雜質區，則元件隔離層優選為p+型雜質區。更進一步，在根據包括各種優選實施方式和上述配置的本發明的實施方式的固態 成像元件或由根據本發明實施方式的固態成像元件驅動方法驅動的固態成像元件中，優選 地，光接收/電荷存儲層在電荷儲存之前應完全耗盡或被完全耗盡。這樣抑制了 kTC噪聲。 應當注意的是，光接收/電荷存儲層在某些情況下可以不完全耗盡。並且，在先前的操作 中，儲存在光接收/電荷存儲層中的電荷轉移到電荷輸出區。光接收/電荷存儲層在該操 作完成時可以完全耗盡。因此，這樣的操作包含在「在電荷儲存之前，光接收/電荷存儲層 完全耗盡」的概念中。在根據本發明實施方式的固態成像元件的驅動方法中，光接收/電 荷存儲層可以在電荷儲存之前完全耗盡。這裡，措辭「在電荷儲存之前」用來表達同樣的意 )思o在根據包括各種優選實施方式和上述配置的根據本發明的實施方式的固態成像 元件中和根據包括各種優選實施方式和上述配置的本發明實施方式的固態成像元件的驅 動方法(以下簡單地統稱為本發明)中，優選地，電荷應該是電子，當儲存在光接收/電荷 存儲層中的電荷轉移到電荷輸出區時，電荷輸出區的電位應該比光接收/電荷存儲層的電 位低。進一步，優選地，導通/非導通控制區的電位應該比電荷輸出區的電位高，而比光接 收/電荷存儲層的電位低。再進一步，優選地，通過將第二控制電壓施加到電位控制電極而 形成的中間層的電位應該比光接收/電荷存儲層的電位高。進一步，本發明的導通/非導通控制電極的具體配置和結構之一是一種M0S開關或結型FET (場效應管)結構。M0S開關包括以絕緣膜為媒介形成在導通/非導通控制區上 方的傳輸柵極(transfergate)。結型FET結構由夾在兩個電極之間的導通/非導通控制區 組成，其中兩個電極一個在導通/非導通控制區的頂部，另一個在導通/非導通控制區的底 部。另一方面，電位控制電極可以包括電極結構而不包括如上所述包含高濃度雜質的半導 體層區。電極結構由被絕緣層電絕緣的金屬、合金、導電氧化物或氮化物、多晶矽或其他材 料組成。半導體層可以包括例如通過外延生長形成在期望的導電型的矽半導體襯底上的矽 層。在某些情況下，半導體層可以包括矽半導體襯底的表面區。「2」和「3」在由M表示的具體值之中，但是M並不限制於此。例如，當M = 3時， 最靠近半導體層光入射面的光接收/電荷存儲層(為方便起見，稱為第一光接收/電荷存 儲層(m = 1))位於距離半導體層光入射面平均0. 1 y m 0. 3 y m處。例如，第二最接近半 導體層光入射面的光接收/電荷存儲層(為方便起見，稱為第二光接收/電荷存儲層(m = 2))位於距離半導體層光入射面平均0.5 iim 0.8 iim處。例如，離半導體層光入射面最遠 的光接收/電荷存儲層(為方便起見，稱為第三光接收/電荷存儲層(m = M = 3)位於距 離半導體層光入射面平均1. 5 y m 3 y m處。在這樣的配置中，第一光接收/電荷存儲層 接收藍光(例如，波長為400nm 500nm)並儲存電荷。第二光接收/電荷存儲層接收綠光 (例如，波長為500nm 600nm)並儲存電荷。第三光接收/電荷存儲層接收紅光(例如，波 長為600nm 700nm)並儲存電荷。根據本發明實施方式的固態成像元件能夠組成諸如CCD或CMOS圖像傳感器的單 板彩色固態成像元件(single plate colorsolid-state imaging element)禾口單板彩色固 態成像裝置(single platecolor solid-state imaging device)。此外，根據本發明的實 施方式的固態成像元件可以是正面或背面照射的成像元件。[實施方式1]實施方式1涉及根據本發明的一個實施方式的固態成像元件及其驅動方法。圖1 是根據實施方式1的固態成像元件的示意性局部截面圖。圖2A和圖2B分別是沿圖1中的 箭頭A-A和B-B的示意性局部截面圖，它們示出了光接收/電荷存儲層和其他部件的設置。根據實施方式1或者隨後將描述的實施方式2 4任何一個的固態成像元件組成 CMOS圖像傳感器以及正面照射型單板彩色固態成像元件和單板彩色固態成像裝置。該固態 成像元件包括如下部分(A)光接收/電荷存儲區20，該光接收/電荷存儲區20形成在半導體層12上並 且由一層堆疊在另一層的頂部上的M層光接收/電荷存儲層21、22和23組成(M > 2並且 在本實施方式中M = 3)；(B)電荷輸出區40，形成在半導體層12上(C)導通/非導通控制區50，該導通/非導通控制區50包括位於光接收/電荷存 儲區20和電荷輸出區40之間的部分半導體層12，以及(D)導通/非導通控制電極60，適用於控制導通/非導通控制區50的導通或非導 通狀態此外，第m電位控制電極31和32設置在第m光接收/電荷存儲層和第(m+1)光 接收/電荷存儲層(這裡(M-1))之間，以控制光接收/電荷存儲層21、22和23 的電位。
這裡，塗層13覆蓋最上光接收/電荷存儲層21。塗層13包括含有導電型與光接 收/電荷存儲層21不同的雜質的半導體材料。也就是說，第一光接收/電荷存儲層21沒 有被暴露，從而，減少了暗電流並降低了 kTC噪聲。塗層13連接到導通/非導通控制區50。 此外，在實施方式1和隨後描述的實施方式2和3中，電位控制電極31和32以及導通/非 導通控制區50具有第一導電型。另一方面，電荷輸出區40、光接收/電荷存儲層21、22和 23以及夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間的中間層24和25具有第二導電型。 更具體地，如果第一導電型是P型，則第二導電型就是n型。電子作為載流子。每個電位控 制電極31和32包括一個p型雜質區。導通/非導通控制區50包括一個p型雜質區。塗 層13包括一個p+型雜質區。另一方面，每一個光接收/電荷存儲層21、22和23以及中間 層24和25包括一個n型雜質區。電荷輸出區40包括一個n+型雜質區。此外，電位控制 電極31和32至少部分(在實施方式1或將在隨後描述的實施方式2中完全)包圍中間層 24和25。每個電位控制電極31和32是一種扁平矩形環形式的嵌入式電極。電位控制電 極31和中間層24形成結型FET(JFET)結構，電位控制電極32和中間層25形成另外一個 結型FET(JFET)結構。中間層24和25用作溝道形成區(channel forming region)。應當注意的是，為方便起見，將包圍夾在第一和第二光接收/電荷存儲層21和22 之間的中間層(為方便起見，稱作第一中間層24)的電位控制電極31稱為第一電位控制電 極31。此外，為方便起見，將包圍夾在第二和第三光接收/電荷存儲層22和23之間的中間 層(為方便起見，稱作第二中間層25)的電位控制電極32稱為第二電位控制電極32。接下來，將第一控制電壓施加到第一到第(m-1)電位控制電極，同時將第二控制 電壓施加到第m到第(M-1)電位控制電極。這在電位上將第一到第m光接收/電荷存儲層 與第(m+1)到第M光接收/電荷存儲層隔離。也就是說，通過將第一控制電壓施加到電位 控制電極31和32形成了一種勢壘。應當注意的是，當m= 1時，也就是說，當儲存在第一 光接收/電荷存儲層的電荷轉移到電荷輸出區時，第二控制電壓被施加到第一到第(M-1) 電位控制電極。這在電位上將第一光接收/電荷存儲層與第二到第M光接收/電荷存儲層 隔離。另一方面，當儲存在第M光接收/電荷存儲層的電荷轉移到電荷輸出區時，第一控制 電壓被施加到第一到第(M-1)電位控制電極。這在電位上將第一到第m光接收/電荷存儲 層與第M(第(m+1))光接收/電荷存儲層隔離。在實施方式1或隨後將描述實施方式2 4中，電荷是電子。當儲存在光接收/ 電荷存儲層21、22、23中的電荷轉移到電荷輸出區40時，電荷輸出區40的電位比光接收/ 電荷存儲層21、22、23高。此外，光接收/電荷存儲層21、22、23在電荷儲存之前完全耗盡。在實施方式1或隨後將描述的實施方式2 4中，導通/非導通控制電極60由一 種M0S開關組成。M0S開關包括以絕緣膜61為媒介形成在導通/非導通控制區50上方的 傳輸門。半導體層12包括在第二導電型(更具體地，n型)的矽半導體襯底10上通過外 延生長形成的矽層。此外，每個電位控制電極31、32包括含有高濃度雜質的半導體層區(p 型雜質區)。應當注意的是，參考標號11表示用來控制電荷溢出的P型阱區。導通/非導通控制電極60、光接收/電荷存儲區20、電荷輸出區40覆蓋有對入射 的可見光透明的平滑層(smoothing layer)63 這裡，例如，可見光入射到其上的平滑層63 是由Si02或SiN組成。片上微透鏡(on-chip microlen)(未示出)設置在平滑層63上。 此外，光遮蔽層62形成在除了光接收/電荷存儲區20之外的區域上方。例如，光遮蔽層62是由銅(Cu)或鋁(A1)組成。各種配線(未示出)形成在平滑層63上。入射在平滑層63 上的可見光通過設置在光遮蔽層62中的開口部分進入光接收/電荷存儲區20。應當注意的是，當固態成像元件組成CMOS圖像傳感器時，電荷輸出區40被稱為浮 置擴散區(floating diffusion region)。另一方面，當固態成像元件組成C⑶圖像傳感器 時，電荷輸出區40具有已知的傳輸溝道(transfer channel)結構。下面將參考圖9描述根據實施方式1的固態成像元件的驅動方法。基本上，在實 施方式1中，將預定的電壓施加到導通/非導通控制電極60以使導通/非導通控制區50 進入導通狀態。此外，將第一控制電壓施加到第一到第(m-1)電位控制電極，同時，將第二 控制電壓施加到第m到第(M-1)電位控制電極。這在電位上將第一到第m光接收/電荷存 儲層與第(m+1)到第M光接收/電荷存儲層隔離，從而將儲存在第一到第m光接收/電荷 存儲層的電荷通過已處於導通狀態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。應當 注意的是，預定電壓優選地應該以脈衝的方式施加到導通/非導通控制電極60(以便在不 必要時無電壓施加到導通/非導通控制電極60)從而減小從光接收/電荷存儲區20到導 通/非導通控制區50的電荷洩露。應該注意的是，當m = 1時，也就是說，當儲存在第一光接收/電荷存儲層的電荷 轉移到電荷輸出區時，預定電壓施加到導通/非導通控制電極60以使導通/非導通控制區 50進入導通狀態。此外，將第二控制電壓施加到第一到第(M-1)電位控制電極。這在電位 上將第一光接收/電荷存儲層與第二到第M光接收/電荷存儲層隔離，從而將儲存在第一 光接收/電荷存儲層的電荷通過已處於導通狀態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸 出區40。另一方面，當儲存在第M光接收/電荷存儲層的電荷轉移到電荷輸出區時，預定電 壓被施加到導通/非導通控制電極60以使導通/非導通控制區50進入導通狀態。此外， 第一電壓被施加到第一到第(M-1)電位控制電極。這使得第一到第M光接收/電荷存儲層 在電位上連續，從而將儲存在第一到第M光接收/電荷存儲層中的電荷通過已處於導通狀 態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。這裡，在圖9中，術語「B讀出」指儲存在第一光接收/電荷存儲層21的電荷向電 荷輸出區40的轉移，術語「G讀出」指儲存在第一和第二光接收/電荷存儲層21和22的電 荷向電荷輸出區40的轉移，術語「R讀出，，指儲存在第一、第二和第三光接收/電荷存儲層 21、22和23的電荷向電荷輸出區40的轉移。[步驟 100]在根據實施方式1的固態成像元件驅動方法中，光接收/電荷存儲層21、22和23 在電荷儲存之前完全耗盡。更具體地，在先前的操作中，儲存在光接收/電荷存儲層21、22 和23中的電荷轉移到電荷輸出區40。光接收/電荷存儲層21、22和23在該操作完成時完 全耗盡。因此，這樣的操作允許光接收/電荷存儲層21、22和23完全耗盡。[步驟 110]然後，將Vdd(比如，3V)施加到電荷輸出區40。同時，將0V施加到導通/非導通控 制電極60以及第一和第二電位控制電極31和32。這將所謂的反向偏壓施加給了光接收/ 電荷存儲層21、22和23。光接收/電荷存儲層21、22和23根據由各層接收的光的量來儲 存電荷(實施方式1中的電子)。[步驟 120]
11
在預設定的曝光時間內，例如，將VFD_,eset = Vdd施加到電荷輸出區40。同時，將0V 施加到導通/非導通控制電極60。這初始化(復位)了電荷輸出區40。[步驟130]
然後，儲存在第一光接收/電荷存儲層21中的電荷轉移到電荷輸出區40 (B讀 出)。更具體地，電荷輸出區40進入浮置狀態。此外，將例如VTC = Vdd施加到導通/非導 通控制電極60，將第二控制電壓Vre_2( = 0V)施加到第一和第二電位控制電極31和32。這 使得導通/非導通控制區50進入導通狀態。而且，將第一光接收/電荷存儲層21與第二 和第三光接收/電荷存儲層22和23在電位上隔離。如上所述，存儲在第一光接收/電荷 存儲層21中的電荷能通過塗層13和已處於導通狀態的導通/非導通控制區50轉移到電 荷輸出區40。另一方面，存儲在第二和第三光接收/電荷存儲層22和23中的電荷沒有被 轉移到電荷輸出區40。接著，電荷輸出區40將電荷轉換為電壓，該電壓將被傳輸到已知的 信號檢測電路(未示出)。[步驟 140]接下來，再次執行步驟120以初始化(復位)電荷輸出區40。然後，存儲在第二光 接收/電荷存儲層22中的電荷轉移到電荷輸出區40 (G讀出)。更具體地，電荷輸出區40 進入浮置狀態。此外，將例如VTC = Vdd施加到導通/非導通控制電極60，將第一控制電壓 Vp^O 0V)施加到第一電位控制電極31，將第二控制電壓VPe_2施加到第二電位控制電極 32。這使得導通/非導通控制區50進入導通狀態。而且，將第一和第二光接收/電荷存儲 層21和22與第三光接收/電荷存儲層23在電位上隔離。如上所述，儲存在第一和第二光 接收/電荷存儲層21和22中的電荷能通過塗層13和已處於導通狀態的導通/非導通控 制區50轉移到電荷輸出區40。另一方面，儲存在第三光接收/電荷存儲層23中電荷不會 被轉移到電荷輸出區40。接著，電荷輸出區40將電荷轉換為電壓，該電壓將被傳輸到已知 的信號檢測電路(未示出)。應當注意的是，儲存在第二光接收/電荷存儲層22的部分電 荷通過中間層24和第一光接收/電荷存儲層21到達塗層13，而剩下的電荷通過在第一電 位控制電極31外部的半導體層12到達塗層13。[步驟 150]接下來，再次執行步驟120以初始化(復位)電荷輸出區40。然後，存儲在第三光 接收/電荷存儲層23中的電荷轉移到電荷輸出區40 (R讀出)。更具體地，電荷輸出區40 進入浮置狀態。此外，將例如VTC = Vdd施加到導通/非導通控制電極60，將第一控制電壓 Vpc^施加到第一和第二電位控制電極31和32。這使得導通/非導通控制區50進入導通狀 態。如上所述，儲存在第一、第二和第三光接收/電荷存儲層21、22和23中的電荷可以通過 已處於導通狀態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。接著，電荷輸出區40將 電荷轉換為電壓，該電壓將被傳輸到已知的信號檢測電路(未示出)。應當注意的是，儲存 在第三光接收/電荷存儲層23中的部分電荷通過中間層25、第二光接收/電荷存儲層22、 中間層24、第一光接收/電荷存儲層21到達塗層13，一部分電荷通過中間層25、第二光接 收/電荷存儲層22、以及第一電位控制電極31外部的半導體層12到達塗層13，而剩下的 電荷通過第二電位控制電極32外部的半導體層12到達塗層13。在實施方式1中，步驟130將存儲在第一光接收/電荷存儲層21中的電荷轉移到 電荷輸出區40。儲存在第一光接收/電荷存儲層21中的電荷由接受藍光而產生。此外，步驟140將儲存在第二光接收/電荷存儲層22的電荷轉移到電荷輸出區40。儲存在第二 光接收/電荷存儲層22中的電荷由接收綠光而產生。更進一步，步驟150將儲存在第三光 接收/電荷存儲層22中的電荷轉移到電荷輸出區40。儲存在第三光接收/電荷存儲層23 中的電荷由接受紅光而產生。因此，通過由已知信號檢測電路(未示出)基於由電荷輸出 區40從電荷轉換的電壓而執行的計算可以得到藍光、綠光和紅光的量。這同樣適用於隨後 描述的實施方式2 4。應當注意的是，如果沒有設置機械快門裝置(mechanical shutter mechanism)，則光接收/電荷存儲層以步驟130、140和150來接收光。然而，由於步驟130、 140和150的時間周期非常短，所以並不代表任何特殊問題。在根據實施方式1的固態成像元件或固態成像元件的驅動方法中，第m電位控制 電極設置在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間以控制光接收/電荷存儲層的電位。 如果將合適的控制電壓施加到電位控制電極，則通過已進入導通狀態的導通/非導通控制 區域將儲存在光接收/電荷存儲層中的電荷轉移到電荷輸出區，從而，整體上減小了固態 成像元件的尺寸。例如，可以基於下面的方法來製造根據實施方式1的固態成像元件。也就是，首 先，通過外延生長(使用原位摻雜的外延生長)在矽半導體襯底10上形成p型阱區11和 半導體層12。然後，根據已知的離子注入技術形成光接收/電荷存儲層21、22和23、中間 層24和25、電位控制電極31、32和導通/非導通控制區50，接著，在半導體層12的表面上 形成絕緣膜61，隨後在導通/非導通控制區50上方形成導通/非導通控制電極60。進一 步，形成電荷輸出區40和塗層13。最後，在整個表面上形成光遮蔽層62和平滑層63。可選地，可以以將參照圖10A 圖10D以及圖11A 圖11B中所示的矽半導體襯 底和其他部件的示意性局部截面圖來描述的方式來製造根據實施方式1的固態成像元件。 應該注意的是，圖10A 圖10D以及圖11A和圖11B是與圖1相似的示意性局部截面圖。[步驟A]首先，在矽半導體襯底10上通過離子注入技術形成p型阱區11，接著，通過外延生 長形成含有n型雜質的半導體層12A(參照圖10A)。然後，基於已知的離子注入技術在半導 體層12A中形成第二電位控制電極32 (參照圖10B)。應該注意的是，半導體層12A對應於 第三光接收/電荷存儲層23和中間層25。[步驟B]接下來，通過外延生長在整個表面上方形成含有n型雜質的半導體層12B(參照圖 10C)。然後，在半導體層12B的表面區中形成第一電位控制電極31 (參照圖10D)。應該注 意的是，半導體層12B對應於第二光接收/電荷存儲層22和中間層24。[步驟C]接著，通過外延生長在整個表面上方形成含有n型雜質的半導體層12C，接下來， 形成由Si02組成的絕緣膜61 (參考圖11A)。絕緣膜61通過氧化半導體層12C的表面形 成。然後，基於已知的離子注入技術在半導體層12C中形成導通/非導通控制區50 (參考 圖11B)。應該注意的是，半導體層12C對應於第一光接收/電荷存儲層21。[步驟D]然後，通過已知方法在導通/非導通控制區50上形成導通/非導通控制電極60。 接著，基於已知的離子注入技術在半導體層12C中形成電荷輸出區40和塗層13。最後，形成平滑層63和光遮蔽層62，從而形成了根據實施方式1的固態成像元件。應該注意的是， 根據實施方式2和3的固態成像元件如上所述也能基本製造出來。[實施方式2]實施方式2是實施方式1的變形。圖3示出了根據實施方式2的固態成像元件示 意性局部截面圖。圖4A和4B分別示出了沿圖3中箭頭A-A和B-B的示意性局部截面圖， 它們示出了光接收/電荷存儲層和其它部件的設置。在根據實施方式2的固態成像元件中，元件隔離區14形成在半導體層12表面上。 該元件隔離區14是由一種半導體材料組成，該半導體材料含有與光接收/電荷存儲層21、 22和23導電型不同的雜質。應當注意的是，因為光接收/電荷存儲層21、22、23是n型雜 質區，所以元件隔離區14是p+型雜質區。更具體地，元件隔離區14包圍光接收/電荷存 儲區20、導通/非導通控制區50和塗層13。除了上面的，根據實施方式2的固態成像元件在配置上和結構上可以與根據實施 方式1的固態成像元件相同，因此，將省略其詳細描述。[實施方式3]實施方式3也是實施方式1的變形，圖5示出了根據實施方式3的固態成像元件 的示意性局部截面圖，圖6A和圖6B分別示出了圖5中沿箭頭A-A和B-B的示意性局部截 面圖，它們示出了光接收/電荷存儲層和其它部件的設置。在根據實施方式3的固態成像元件中，勢壘區15形成在位於光接收/電荷存儲層 21、22、23和導通/非導通控制區50之間的半導體層區12的區域中。勢壘區15包含與光 接收/電荷存儲層21、22、23導電型相同的雜質。更具體地，因為光接收/電荷存儲層21、 22和23是n型雜質區，所以勢壘區15是n_型雜質區。電位控制電極131和132部分包圍 中間層24、25。電位控制電極131和132基本上不設置在勢壘區15和中間層24和25之 間。包圍中間層24和25的電位控制電極131和132在平面圖上近似為U形。如上所述， 通過提供勢壘區15，可以以可靠的方式將存儲在光接收/電荷存儲層21、22和23中的電荷 經由塗層13和已經進入導通狀態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。除上述所述，根據實施方式3的固態成像元件在配置和結構上與根據實施方式1 的固態成像元件相同，因此，將省略其詳細描述。應該注意的是，可以將元件隔離區14像用 在根據實施方式2的固態成像元件中的那樣設置在根據實施方式3的固態成像元件中。[實施方式4]實施方式4也是實施方式1的變形，圖7示出了根據實施方式4的固態成像元件 的示意性局部截面圖，圖8A和圖8B分別示出了沿圖7中箭頭A-A和B-B的示意性局部截 面圖，它們示出了光接收/電荷存儲層和其它部件的設置。在根據實施方式4的固態成像元件中，如在根據實施方式3的固態成像元件中一 樣，勢壘區15形成在位於光接收/電荷存儲層21、22、23和導通/非導通控制區50之間的 半導體層12的區域中。勢壘區15包含與光接收/電荷存儲層21、22、23導電型相同的雜 質。更具體地，因為光接收/電荷存儲層21、22、23是n型雜質區，所以勢壘區15是n_型 雜質區。在實施方式4中，電位控制電極231和232以及導通/非導通控制區50也具有第 一導電型(更具體地，P型)，另一方面，電荷輸出區40和光接收/電荷存儲層21、22、23也 具有第二導電型(更具體地，n型)。
與實施方式3中不同，在實施方式4中，沒有設置中間層24、25，電位控制電極夾在 第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間。具體地，電位控制電極231夾在第一和第二光 接收/電荷存儲層21和22之間。此外，電位控制電極232夾在第二和第三光接收/電荷 存儲層22和23之間。每個電位控制電極231和232可以是單層形式，可選地，這些電極可 以是網狀形式。除以上所述，根據實施方式4的固態成像元件在配置和結構上與根據實施方式1 或3的固態成像元件相同。因此，詳細描述將省略。應該注意的是，可以將元件隔離區14像 用在根據實施方式2的固態成像元件中的那樣設置在根據實施方式4的固態成像元件中。下面將給出根據實施方式4的固態成像元件驅動方法的描述。[步驟 400]在根據實施方式4的固態成像元件的驅動方法中，光接收/電荷存儲層21、22和 23也如實施方式1步驟100那樣首先在電荷存儲之前完全耗盡。[步驟410]然後，如實施方式1步驟110那樣，光接收/電荷存儲層21、22和23根據由各層 接收的光的量儲存電荷。[步驟4加]在預定的曝光時間內，電荷輸出區40如實施方式1步驟120那樣被初始化(復 位)。[步驟430]然後，儲存在第一光接收/電荷存儲層21的電荷被轉移到電荷輸出區40。更具體 地，電荷輸出區40進入浮置的狀態。此外，例如，將Vtc = Vdd施加到導通/非導通控制電極 60，將第二控制電壓V’re_2( >0V)施加到第一和第二電位控制電極231和232，這使導通/ 非導通控制區50進入導通狀態。而且，將第一層光接收/電荷存儲層21與第二層和第三 層光接收/電荷存儲層22和23在電位上隔開。區域電位如下。[A1]電荷輸出區40 <導通/非導通控制區50 <與第一光接收/電荷存儲層21 處於同一高度(level)的部分勢壘區15 第二光接收 /電荷存儲層22[C1]與第三光接收/電荷存儲層23處於同一高度的部分勢壘區15 >第三光接收 /電荷存儲層23結果，儲存在第一光接收/電荷存儲層21的電荷通過勢壘區15和已處於導通狀 態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。另一方面，儲存在第二和第三光接收/ 電荷存儲層22和23的電荷不會轉移到電荷輸出區40。接著，電荷輸出區40將電荷轉換成 電壓，該電壓被傳輸到已知的信號檢測電路(未示出)。[步驟440]接下來，再次執行步驟420以初始化(復位)電荷輸出區40。然後，將儲存在第二光接收/電荷存儲層22的電荷轉移到電荷輸出區40。更具體地，電荷輸出區40進入浮置 狀態。此外，例如將Vtc = Vdd施加到導通/非導通控制電極60，將第一控制電壓V』.^ = 0V)施加到第一電位控制電極231，將第二控制電壓V』 rc_2施加到第二電位控制電極232。這使得導通/非導通控制區域50進入導通狀態。而且，將第一和第二光接收/電荷存儲層21和22與第三光接收/電荷存儲層23在電位上隔開。另一方面，第二光接收/電荷存儲 層22上升到比步驟430中的第二光接收/電荷存儲層22更高的電位。區域電壓如下[A2]電荷輸出區40 <導通/非導通控制區50 <與第二光接收/電荷存儲層22 處於同一高度的部分勢壘區15和與絕緣膜61更接近的部分勢壘區15 第三光接收/電荷存儲層23結果，儲存在第二光接收/電荷存儲層22中的電荷通過勢壘區15和已處於導通 狀態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。另一方面，儲存在第三光接收/電荷 存儲層23中的電荷不會轉移到電荷輸出區40。接著，電荷輸出區40將電荷轉換成電壓，該 電壓被傳輸到已知的信號檢測電路(未示出)。[步驟450]接著，再次執行步驟420以初始化(復位)電荷輸出區40。然後，將儲存在第三 光接收/電荷存儲層23的電荷轉移到電荷輸出區40 (R讀出)。更具體地，電荷輸出區40 進入浮置狀態。此外，將例如Vtc = Vdd施加到導通/非導通控制電極60，將第一控制電壓 Vpc^1施加到第一和第二電位控制電極231和232。這使得導通/非導通控制區50進入導 通狀態。而且，第三光接收/電荷存儲層23上升到比步驟440中的第三光接收/電荷存儲 層23更高的電位。區域的電位如下。[A3]電荷輸出區40 <導通/非導通控制區50 <與第三光接收/電荷存儲層23 處於同一高度的部分勢壘區15和與絕緣膜61更接近的部分勢壘區15 <第三光接收/電 荷存儲層23結果，儲存在第三光接收/電荷存儲層23的電荷可以通過勢壘區15和已處於導 通狀態的導通/非導通控制區50轉移到電荷輸出區40。接著，電荷輸出區40將電荷轉換 成電壓，該電壓被傳輸到已知的信號檢測電路(未示出)。雖然上面已經描述了本發明的優選實施方式，本發明並不限於上述的實施方式。 實施方式中描述的固態成像元件的配置和結構僅僅是示例性的並可以作適當的修改。值M 並不限於3，也可以是2。可選地，該值可以是4或更高。另一方面，實施方式中，光接收/ 電荷存儲層21、22、23完全耗盡。然而，術語「完全耗盡」還包括這些層幾乎完全耗盡的狀 態或沒有完全耗盡的狀態。雖然，在實施方式中，只描述了正面照射型固態成像元件，然而，成像元件可是背 面照射型成像元件，更具體地，如果實施方式1中描述的固態成像元件是背面照射型成像 元件，則光從如圖12所示的矽半導體襯底10進入成像元件。絕緣層64、光遮蔽層62和半 導體層12形成在矽半導體襯底10中。進一步，光接收/電荷存儲層21、22和23、電荷輸出 區(浮置擴散區)40和導通/非導通控制區50形成在半導體層12中。更進一步，絕緣膜 61形成在半導體層12的表面上，導通/非導通控制電極60在導通/非導通控制區50的下 方。更進一步，平滑層63形成在導通/非導通控制電極60的下面。導通/非導通控制電 極60比第三光接收/電荷存儲層23設置的更靠下。可選地，如圖13所示，導通/非導通 控制電極60可以比第一光接收/電荷存儲層21設置的更靠上。應當注意的是，圖13中，參考標號65表示絕緣層，參考標號16表示傳導層。 本領域的普通技術人員應當理解，可以根據設計要求和其它因素進行各種變形、 組合、子組合以及變化，只要它們在所附權利要求書的範圍內或其等同範圍內。
權利要求
一種固態成像元件，包括(A)形成在半導體層中的光接收/電荷存儲區，所述光接收/電荷存儲區包括一層堆疊在另一層頂部上的M層光接收/電荷存儲層，其中，M≥2；(B)形成在所述半導體層中的電荷輸出區；(C)導通/非導通控制區，包括位於所述光接收/電荷存儲區和所述電荷輸出區之間的部分所述半導體層；以及(D)導通/非導通控制電極，用於控制所述導通/非導通控制區的導通或非導通狀態，其中，第m電位控制電極設置在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間，以控制所述光接收/電荷存儲層的電位，其中1≤m≤(M-1)。
2.根據權利要求1所述的固態成像元件，其中，將第一控制電壓施加到第一到第(m-Ι)電位控制電極，同時，將第二控制電壓施加到 第m到第(M-I)電位控制電極，以便將第一到第m光接收/電荷存儲層與第(m+1)到第M 光接收/電荷存儲層在電位上隔離。
3.根據權利要求1所述的固態成像元件，其中，所述電位控制電極和導通/非導通控制區具有第一導電型，以及所述電荷輸出區、光接收/電荷存儲層和夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之 間的中間層具有第二導電型。
4.根據權利要求3所述的固態成像元件，其中，所述中間層至少部分地被所述電位控制電極包圍。
5.根據權利要求1所述的固態成像元件，其中，最上層光接收/電荷存儲層覆蓋有塗層，所述塗層包括含有與所述最上層光接收/電 荷存儲層導電型不同的雜質的半導體材料，以及所述塗層被連接到所述導通/非導通控制區。
6.根據權利要求1所述的固態成像元件，其中，勢壘區形成在所述光接收/電荷存儲層和導通/非導通控制區之間的半導體層區域 中，所述勢壘區含有與所述光接收/電荷存儲層導電型相同的雜質。
7.根據權利要求6所述的固態成像元件，其中，所述電位控制電極和導通/非導通控制區具有第一導電型，所述電荷輸出區、光接收/電荷存儲層和夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之 間的中間層具有第二導電型，以及所述中間層至少部分地被所述電位控制電極包圍。
8.根據權利要求6所述的固態成像元件，其中，所述電位控制電極和導通/非導通控制區具有第一導電型，所述電荷輸出區和光接收/電荷存儲層具有第二導電型，以及所述電位控制電極夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間。
9.根據權利要求1所述的固態成像元件，其中，在所述半導體層的表面上形成有元件隔離區，所述元件隔離區包括含有導電型與所述 光接收/電荷存儲層不同的雜質的半導體材料。
10.根據權利要求1所述的固態成像元件，其中， 所述光接收/電荷存儲層在電荷儲存之前被完全耗盡。
11.一種固態成像元件的驅動方法，所述固態成像元件包括(A)形成在半導體層中的光接收/電荷存儲區，所述光接收/電荷存儲區包括一層堆疊 在另一層的頂部上的M層光接收/電荷存儲層，其中，M ^ 2 ；(B)形成在半導體層中的電荷輸出區；(C)導通/非導通控制區，包括位於光接收/電荷存儲區和電荷輸出區之間的部分所述 半導體層；以及(D)導通/非導通控制電極，用於控制導通/非導通控制區的導通或非導通狀態；第m電位控制電極設置在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間，以控制所述光接 收/電荷存儲層的電位，其中，1 ^m^ (M-I)，所述驅動方法包括下面步驟將預定電壓施加到導通/非導通控制電極，以使導通/非導通控制區進入導通狀態； 將第一控制電壓施加到第一到第(m-Ι)電位控制電極，同時，將第二控制電壓施加到 第m到第(M-I)電位控制電極，以將第一到第m光接收/電荷存儲層與第(m+1)到第M光 接收/電荷存儲層在電位上隔離；以及將儲存於第一到第m光接收/電荷存儲層的電荷通過已處於導通狀態的導通/非導通 控制區轉移到所述電荷輸出區。
12.根據權利要求11所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，所述電位控制電極和導通/非導通控制區具有第一導電型，以及所述電荷輸出區、光接收/電荷存儲層和夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之 間的中間層具有第二導電型。
13.根據權利要求12所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，所述中間層至少部分地被所述電位控制電極包圍。
14.根據權利要求11所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，最上層光接收/電荷存儲層覆蓋有塗層，所述塗層包括含有 導電型與所述最上層光接收/電荷存儲層不同的雜質的半導體材料，以及 所述塗層連接到所述導通/非導通控制區。
15.根據權利要求11所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，在位於所述光接收/電荷存儲層與導通/非導通控制區之間 的所述半導體層的區域中形成勢壘區，所述勢壘區含有與所述光接收/電荷存儲層導電型 相同的雜質。
16.根據權利要求15所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，所述電位控制電極和導通/非導通控制區具有第一導電型， 所述電荷輸出區、光接收/電荷存儲層和夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之 間的中間層具有第二導電型，以及所述中間層至少部分地被所述電位控制電極包圍。
17.根據權利要求15所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，所述電位控制電極和導通/非導通控制區具有第一導電型，所述電荷輸出區和光接收/電荷存儲層具有第二導電型，以及 所述電位控制電極夾在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間。
18.根據權利要求11所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，在所述半導體層的表面上形成元件隔離區，所述元件隔離區 包括含有導電型與所述光接收/電荷存儲層不同的雜質的半導體材料。
19.根據權利要求11所述的固態成像元件的驅動方法，其中，在所述固態成像元件中，所述光接收/電荷存儲層在電荷儲存之前被完全耗盡。
全文摘要
本發明披露了一種固態成像元件及其驅動方法，該固態成像元件包括(A)形成在半導體層中的光接收/電荷存儲區，該光接收/電荷存儲區包括一層堆疊在另一層的頂部上的M層光接收/電荷存儲層，其中，M≥2；(B)形成在半導體層中的電荷輸出區；(C)導通/非導通控制區，包括位於光接收/電荷存儲區和電荷輸出區之間的部分半導體層；(D)導通/非導通控制電極，用於控制導通/非導通控制區的導通或者非導通狀態，其中，第m電位控制電極設置在第m和第(m+1)光接收/電荷存儲層之間以控制光接收/電荷存儲層的電位，其中，1≤m≤(M-1)。
文檔編號H01L31/10GK101814518SQ20101012011
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月12日 優先權日2009年2月23日
發明者中村明弘, 久保寺隆, 竹下光明 申請人:索尼公司