內建電子倍增功能型的固體攝像元件的製作方法

2023-04-26 12:27:26 1

專利名稱：內建電子倍增功能型的固體攝像元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及內建電子倍增功能型的固體攝像元件。
背景技術：
以前，具有倍增寄存器的固體攝像元件(例如，參照下述專利文獻1 2)已為人 所知。在這樣的固體攝像元件中，將從攝像區域所讀取的電荷經由水平移位寄存器傳送至 倍增寄存器。倍增寄存器具備有形成於半導體層上的絕緣層、與形成於絕緣層上的傳送電 極，在對於某電極(DC電極)施加直流電位而固定的狀態下，若使次段的傳送電極(倍增電 極)的電位大幅上升，則在這些電極間的電荷傳送期間，可進行電子倍增。在這樣的具有倍 增功能的固體攝像元件中，以監視其倍增率作為目的，在倍增寄存器之前的位置，注入基準 量的電荷並監視輸出(參照下述專利文獻1、2)的技術已被提出。[專利文獻1]日本特開2002-369081號公報[專利文獻2]日本特開2003-9000號公報

發明內容
發明所要解決的問題然而，上述的構造的情況時，雖在倍增寄存器的近處的水平移位寄存器注入電荷， 但由於水平移位寄存器的傳送速度通常為高速，故無法精確控制電荷注入的時機，因此，難 於進行安定的監視。本發明有鑑於上述問題而完成，其目的在於提供一種能夠安定監視倍增率的內建 電子倍增功能型的固體攝像元件。解決問題的技術方案為解決上述問題，本發明所涉及的內建電子倍增功能型的固體攝像元件的特徵在 於具備由多個垂直移位寄存器構成的攝像區域；傳送來自攝像區域的電子的水平移位寄 存器；倍增來自水平移位寄存器的電子的倍增寄存器；及設置於攝像區域的電子傳送方向 的始點側的端部的電子注入單元；通過電子注入單元被注入電子的特定的垂直移位寄存器 被設定為受到隔絕而不被入射光照射。通常，垂直移位寄存器的傳送速度被設定為比水平移位寄存器的傳送速度慢。因 此，對於特定的垂直移位寄存器，可以在正確的時機，將電子從電子傳送方向的始點側的端 部注入至垂直移位寄存器內，該電子經由垂直移位寄存器，傳送至水平移位寄存器，如此之 後，由倍增寄存器倍增。特定的垂直移位寄存器由於被設定為受到隔絕而不被入射光照射， 故用於監視而注入的電子可正確地反映倍增寄存器的倍增率，並以安定的時機輸出。因此， 可對倍增率進行安定的監視。另外，本發明所涉及的固體攝像元件具備具有由厚板部包圍的薄板部的構造的 半導體基板，且優選為攝像區域形成於薄板部，特定的垂直移位寄存器位於厚板部。即，該 固體攝像元件為攝像區域形成於薄板部的背面入射型的固體攝像元件，且由於從沒有電極
3的背面側進行受光，故可高感光度地進行攝像。另外，由於厚板部可較薄板部更充分地吸收 入射光，故從背面側入射的影像幾乎不會到達厚板部的表面側，因此，可使進行電子注入的 特定的垂直移位寄存器處於受到隔絕而不被入射光照射的狀態。另外，電子注入單元優選為具備與半導體基板電連接的輸入電極，和控制輸入電 極與特定的垂直移位寄存器之間的電位的柵極電極。由於將電子注入垂直移位寄存器內的時機可通過調整向柵極電極施加的電壓而 控制，故可以以正確的時機進行電子注入，因此，可對倍增率進行安定的監視。另外，倍增寄存器優選為具有倍增從攝像區域的第1區域所傳送的電子的第1倍 增寄存器，與倍增從攝像區域的第2區域所傳送的電子的第2倍增寄存器，且電子注入單元 優選為具備設置於第1區域的電子傳送方向的始點側的端部的第1電子注入單元，與設置 於第2區域的電子傳送方向的始點側的端部的第2電子注入單元。該情況下，由於在第1區域與第2區域所產生的電荷由不同的倍增寄存器倍增並 讀取，故可作短時間的信號讀取。另外，各個倍增寄存器的倍增率，可將從設置於各個區域 的第1及第2電子注入單元注入的電子，通過第1及第2倍增寄存器分別倍增並監視。這 樣能夠讀取短時間的信號的構造的情況下，由於倍增寄存器附近的空出的空間趨向於變 窄，故對配置其它元件物理制約較大，但在本發明中，由於並非在倍增寄存器的附近而是從 攝像區域的端部注入電子，故可在不受限於倍增寄存器附近的物理制約下配置電子注入單兀。發明的效果根據本發明的內建電子倍增功能型之固體攝像元件，可對倍增率進行安定的監 視。


圖1為固體攝像元件的平面圖。圖2為圖1所示的固體攝像元件的II-II箭頭剖面圖。圖3為圖1所示的固體攝像元件的III-III箭頭剖面圖。圖4為顯示固體攝像元件的詳細的連接關係的平面圖。圖5為圖4所示的固體攝像元件的V-V箭頭剖面圖。圖6為顯示驅動/讀取電路與固體攝像元件的連接關係的方塊圖。圖7為倍增寄存器的電位圖。圖8為第1實施方式所涉及的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始 點側的部分的立體圖。圖9為圖8所示的固體攝像元件的IX-IX箭頭剖面圖。圖10為第2實施方式所涉及的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始 點側的部分的立體圖。圖11為圖10所示的XI-XI箭頭剖面圖。圖12為顯示第3實施方式所涉及的固體攝像元件的平面構成圖。圖13為顯示第4實施方式所涉及的固體攝像元件的平面構成圖。圖14為顯示第5實施方式所涉及的固體攝像元件的平面構成圖。
圖15為顯示第6實施方式所涉及的固體攝像元件的平面構成圖。圖16為遮光構造變更的固體攝像元件的剖面圖。圖17為表面入射型的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始點側的部 分的立體圖。圖18為表面入射型的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始點側的部 分的立體圖。圖19為顯示圖1所示的固體攝像元件的信道隔離區IS的放大圖。
具體實施例方式以下，就實施方式所涉及的內建電子倍增功能型的固體攝像元件進行說明。再者， 對相同要素使用相同的符號，從而省略重複的說明。圖1為背面入射型的固體攝像元件100的平面圖。在半導體基板上形成有絕緣層2，在絕緣層2的表面上形成有多個垂直電荷傳送 電極，這些部份構成垂直移位寄存器。形成有垂直移位寄存器的區域為攝像區域VR，本例的 情況為CXD攝像區域。再者，攝像區域VR也可由MOS型的影像傳感器構成。在攝像區域VR的一邊，鄰接設置有水平移位寄存器HR，在從水平移位寄存器HR到 倍增寄存器EM的電荷傳送路徑內，配置有轉角寄存器CR。轉角寄存器CR的構造雖與水平 移位寄存器HR相同，但電荷傳送方向以描繪圓弧的方式彎曲。在倍增寄存器EM的輸出端， 電連接有放大器AMP，從放大器AMP的輸出端子OS所獲得的圖像信號由逐個像素依次讀取。形成有絕緣層2的半導體基板的背面側的中央部被蝕刻成矩形，並形成有凹部 DP。形成有凹部DP之側為基板的背面，且影像入射至固體攝像元件的背面側。相當於凹部的內側的底面的區域，為厚度比周圍薄的薄板部，其周圍構成有厚度 比薄板部大的厚板部。由多個垂直移位寄存器構成的攝像區域VR大部分形成於薄板部。若 將垂直於電子傳送方向(自攝像區域VR朝水平移位寄存器HR的方向)及基板厚度方向兩 者的方向設為攝像區域VR的寬度方向，則攝像區域VR的寬度大於凹部DP的寬度，寬度方 向的兩端部位於厚板部。且後述進行電子的注入的特定的垂直移位寄存器位於該厚板部， 受到隔絕而不被入射光照射。圖2為圖1所示的固體攝像元件的II-II箭頭剖面圖。固體攝像元件100包含有P型半導體基板IA ；在半導體基板IA上生長的P型外 延層IB ；形成於外延層IB內的攝像區域VR ；及形成於外延層IB內的N型半導體區域1C， 並構成埋入通道型CCD。光像hv從基板背面側入射。半導體基板IA從背面側經蝕刻而構 成凹部DP。再者，將包含半導體基板IA ；外延層IB及半導體區域IC的整體設為半導體基 板1。在半導體基板1上形成有絕緣層2，且在絕緣層2上設置有傳送電極3。在外延層IB 的一部分形成有P型接觸區域1G，在接觸區域IG設置有電極El。若對電極El施加接地電 位等的基準電位，則可決定P型半導體基板IA與外延層IB的電位。在攝像區域VR中，所傳送的電子在垂直於圖2的紙面的方向行進。再者，在N型 半導體區域內，形成有沿著電荷傳送方向延伸的由多個P型半導體區域構成的隔離區(信 道阻絕)IS，而將垂直移位寄存器的各信道區分間隔。在圖2中顯示的是，各隔離區IS從N型半導體區域IC的表面朝深部延伸到達P型外延層IB的方式，而事實上，如圖19所示，隔離區IS擴散嵌入至絕緣層2的較厚的部分的 下部。外側的區域(包含斜面的區域)的厚度大於凹部DP的底面的厚度，在該區域R2、R3 形成有虛設通道D2 D4、D5 D7 (參照圖8)，在區域Rl (及/或R4)形成有監視用通道 Dl (及/或D8)。形成有這些信道的區域Rl、R2、R3、R4由於基板厚度較大，故各通道D2 D4、D5 D7、Dl、D8相對於從基板的背面入射的光hv被遮斷。圖3為圖1所示的固體攝像元件的III-III箭頭剖面圖。設置於攝像區域VR的傳送電極3A、3B為交替配置，這些電極一部分區域重疊，絕 緣層5介於鄰接的傳送電極3A、3B之間，並電氣分離。來自攝像區域VR的信號通過水平移 位寄存器HR經由轉角寄存器CR，傳送至倍增寄存器EM。另外，倍增寄存器EM(在同圖中僅 將電極組作為EM而模式性顯示)位於水平移位寄存器HR的附近。半導體基板1由形成有凹部DP的薄板部與其周圍的厚板部構成。在厚板部中，因 光的入射而在內部產生的載流子在到達表面側之前消失。尤其是半導體基板IA的P型雜質 濃度由於較外延層IB為充分高的濃度，故載流子的行經距離也縮短。水平移位寄存器HR、 轉角寄存器CR(參照圖1)及倍增寄存器EM至少形成於薄板部的外側的區域，優選為形成 於厚板部的區域。因此，在厚板部產生的載流子不會混入該這些寄存器內。圖4為顯示固體攝像元件的詳細的連接關係的平面圖，圖5為圖4所示的固體攝 像元件的V-V箭頭剖面圖。圖6為顯示驅動/讀取電路200與固體攝像元件100的連接關 系的方塊圖。攝像區域VR具備沿著垂直方向交替配置的垂直傳送電極3A、3B(參照圖3)。各傳 送電極3A、3B沿水平方向延伸，鄰接的傳送電極彼此少許重疊。在本例中，對傳送電極3施 加3相的驅動電壓(P1V、P2V、P3V)。通過該驅動電壓的施加，存儲於傳送電極正下方的電子 在垂直方向傳送。再者，在同圖中，顯示有FFT(full frame transfer)方式的(XD，其亦可替 換成進一步包含存儲區域的FT (frame transfer)方式的CCD，或IT (interline transfer) 方式的CXD。在攝像區域VR，形成有用於分離各垂直電荷傳送信道CHl CHlO (參照圖8)的P 型隔離區IS (參照圖2)。在構成攝像區域VR的信道CHl CHlO中，反應於光的入射而產 生的電荷朝垂直方向傳送，且在每個信道中流入水平移位寄存器HR的各傳送電極6(參照 圖5)的正下方。再者，在攝像區域VR與水平移位寄存器HR之間，設置有施加柵極電壓TG的傳送 電極(轉移柵)(參照圖3)，通過控制柵極電壓TG，可控制從攝像區域VR流入至水平移位 寄存器HR的電荷量。構成水平移位寄存器HR的傳送電極6A、6B(參照圖5)系沿著水平方向交替配置， 且一部分重疊。再者，在任一的寄存器中，在鄰接的傳送電極3A、3B、6A、6B、7A、7B、8A、8B之 間，均存在有形成於絕緣層2上的絕緣層5 (參照圖5)，且這些電極電氣分離。對傳送電極 6施加3相的驅動電壓(P1HA、P2HA、P3HA)，且傳送電極6正下方的電子在水平方向傳送。 在水平移位寄存器HR上，連接有圓弧狀彎曲的轉角寄存器CR。構成轉角寄存器CR的傳送 電極7A、7B沿著圓弧交替配置，且一部分重疊。對傳送電極7施加與在水平移位寄存器上 施加的相同的3相的驅動電壓(P1HA、P2HA、P3HA)，且傳送電極7的正下方的電子沿著圓弧 傳送至倍增寄存器EM。
在倍增寄存器EM中，將傳送電極8A、8B沿著水平方向交替配置，且一部分重疊。對 傳送電極8施加3相的驅動電壓(P1HB、P2HB、P3HB)，且傳送電極8的正下方的電子在水平 方向傳送。在4個成一組的傳送電極8中，對3個傳送電極8施加驅動電壓，對其餘的1個 傳送電極8施加作為DC電極的直流電位DCB。在本例中，具有在水平方向依次鄰接的4個 成一組的傳送電極8，即第1、第2、第3、第4傳送電極8的情況時，將位於第2的傳送電極 設為DC電極，對其施加直流電位DCB。對傳送電極8所施加的電位為正電位，對第1傳送電極8施加適當的正電位 (P1HB)，並加深勢阱(提高電位參照圖7)，在該阱內預先存儲電子。對第3傳送電極8也 施加大的正電位(P2HB的最大值> P2HA的最大值)，加深勢阱，且施加於第2傳送電極8的 一定的電位(DCB)低於這些電位(P1HB、P2HB)，而在第1與第3井之間形成勢壘。在此狀 態下，若使第1勢阱變淺(降低電位參照圖7)，則從勢阱溢出的電子會越過勢壘，而落入 第3傳送電極的勢阱(電位深度ΦΑ)內。該電子落下時進行電子倍增。第1勢阱的電位 進一步下降(上方向)，而使所存儲的電子完全傳送至第3勢阱。再者，電位Φ的朝向為朝 下方為正。該經倍增的電子一邊加深第4傳送電極8的正下方的勢阱，一邊使第3傳送電極 8的正下方的勢阱變淺，由此可移動至第4勢阱。同樣地，存儲於第4勢阱的電子使用與從 第3至第4的電荷傳送相同的方法，移動至下一組的第1勢阱並存儲。以下，使用與上述相 同的手法，在下一組中也重複倍增 傳送步驟。再者，在本例中，電荷傳送使用3相驅動，但 也可設定成4相驅動，或2相驅動。經倍增的電子最終流入至高濃度的N型半導體區域FD。半導體區域FD連接於放 大器AMP。該放大器AMP為內建於半導體基板1內的浮動·擴散·放大器。從圖6所示的驅動/讀取電路200將各種信號給予至固體攝像元件100。再者，為 方便電荷讀取部的說明，各要素與信號使用相同的符號。對信號讀取部的結構進行說明。在圖5所示的信號讀取部的半導體區域FD連接 有放大器AMP。對應於半導體區域FD內的電荷量，電晶體QB的柵極電位變動，對應於此，從 輸出漏極OD經由電晶體QB流過電阻R的電流量變動。即，對應於存儲於半導體區域FD的 電荷量，電阻R的兩端值的電壓(輸出電壓)OS變化，並將其讀取。來自1個像素的電荷經讀取後，在重置柵極RG輸入重置電壓RG，經由重置漏極RD 重置半導體區域FD的電位。此處，由於重置漏極RD的電位為正，故重置時，可存儲電子的 勢阱形成於半導體區域FD內。重置後，控制重置柵極RG的電位，將電晶體QA斷開，並將半 導體區域FD的電位設成浮動電平。再者，在使電荷流入半導體區域FD內之前，升高近處的信號柵SG的電位，在此存 儲電荷，且輸出柵OG的電位固定，而形成阻擋，以使電荷不從信號柵SG的正下方區域流入 半導體區域FD。其後，若在輸出柵OG的電位固定的狀態下，降低信號閘SG的電位，則存儲 於信號閘SG的正下方的電荷將流入半導體區域FD內。其次，對倍增寄存器EM進行說明。倍增寄存器EM倍增來自水平移位寄存器HR的 電子。外延層已知其結晶性優良。因此，在P型外延層IB形成N型半導體區域IC的情 況時，垂直移位寄存器、水平移位寄存器HR、及轉角寄存器CR中的電子在結晶性優良的半導體內傳送，噪聲變少，從而電子傳送高可精度地進行。如此傳送的電子流入至倍增寄存器 EM的半導體區域IC內。倍增寄存器EM具備有N型半導體區域IC ；形成於半導體區域IC上的絕緣層2;在 絕緣層2上以鄰接方式形成的多個傳送電極8 ；及配置於傳送電極8之間且被施加直流電 位DCB(參照圖4及圖7)的DC電極8。再者，外延層IB形成於基板整個面，但N型半導體 區域IC僅選擇性形成於形成有攝像區域VR、水平移位寄存器HR、轉角寄存器CR、倍增寄存 器EM的區域。圖7為倍增寄存器EM的電位圖。上述構造的情況，如同圖所示，倍增寄存器EM的傳送電極8的正下方的半導體區 域內的電位變化變得急劇，電子倍增率顯著提高。即，被施加直流電位DCB的DC電極8，與 被施加電位P2HB的次級的傳送電極(倍增電極)8之間的N型半導體區域IC內的電位變 化變得急劇，電子倍增顯著地進行。越過施加直流電位DCB的第2電位，電子從第1勢阱(電位P1HB)流入第3勢阱 (電位P2HB)時，電子倍增進行。再者，上述的半導體的材料為Si，本例的各半導體要素內的P型雜質濃度Cp及N 型雜質濃度Cn的範圍優選為如以下所述。再者，P型外延層IB的表面電阻設定成使攝像區 域VR的光感度增高。· P 型半導體基板 IA =Cp(IA) = IXlO17 1 X IO1Vcm3
· P 型外延層 IB =Cp(IB) =IX IO11 1 X 1016/cm3· N 型半導體區域 IC :CN(IC) = IXlO12 lX1017/cm3此處，雜質濃度C滿足以下的關係。· Cp(IA) > Cn(IC) > Cp(IB)此處，P型半導體基板IA的厚度t (IA)、P型外延層IB的厚度t (IB)、及N型半導 體區域IC的厚度t (IC)滿足以下關係。· t (IA) > t (IB) > t (IC)其次，就圖4所示的電子注入單元(輸入電極)11A進行說明。電子注入單元(輸入電極)IlA設置於攝像區域VR的電子傳送方向的始點側的端 部。垂直移位寄存器的電子傳送速度被設定為比水平移位寄存器的傳送速度慢。因此，可 以以正確的時機將電子從該特定的垂直移位寄存器(監視用的通道Dl)中的電子傳送方向 的始點側的端部，注入至垂直移位寄存器內。該電子經由該垂直移位寄存器，傳送至水平移 位寄存器HR，如此之後，經由轉角寄存器CR傳送至倍增寄存器EM，並通過倍增寄存器EM倍 增。由於位於端部的特定的垂直移位寄存器(通道Dl)以受到隔絕而不被入射光照射的方 式設定，故用於監視而注入的電子可正確地反映倍增寄存器的倍增率，並在安定的時機輸 出。因此，可對倍增率進行安定的監視。另外，特定的垂直移位寄存器(通道Dl)位於厚板部。即，該固體攝像元件為攝像 區域形成於薄板部的背面入射型的固體攝像元件，且由於從不具電極的背面側進行受光， 故可高感光度地進行攝像。由於厚板部可較薄板部更充分地吸收入射光，故從背面側入射 的影像幾乎不會到達厚板部的表面側，因此，可使進行電子注入的特定的垂直移位寄存器 (通道Dl)處於受到隔絕而不被入射光照射的狀態。輸入電極IlA從電流源13A的端子EIJ被供給電子。圖8為第1實施方式所涉及的固體攝像元件中的攝像區域VR的電子傳送方向的 始點側的部分的立體圖，圖9為圖8所示的固體攝像元件的IX-IX箭頭剖面圖。在第1實施方式中，電子注入單元包含電連接於半導體區域(半導體基板)IC的 輸入電極IlA0輸入電極IlA經由設置於絕緣層2的接觸孔，接觸於形成於半導體區域IC 的高濃度N型接觸區域1K(參照圖9)。由於接觸區域IK鄰接於垂直傳送電極3Α，故經由 輸入電極IlA注入接觸區域IK的電子沿著圖中箭頭方向(垂直方向)傳送。再者，如上所 述，由於圖8所示的區域Rl、R2、R3、R4被遮光，故由光的入射而引起的電荷不會混入用於 監視而從輸入電極IlA注入的電子群。圖10為第2實施方式所涉及的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始 點側的部分的立體圖，圖11為圖10所示的固體攝像元件的XI-XI箭頭剖面圖。該固體攝像元件在第1實施方式的N型接觸區域1Κ，與始點側端部的傳送電極3Α 的正下方的區域之間設置有柵極電極12Α。柵極電極12Α構成電子供給單元，其控制輸入 電極IlA與特定的垂直移位寄存器(通道Dl的傳送電極3Α)之間的電位。其它結構與第 1實施方式相同。將電子注入垂直移位寄存器內的時機由於可通過調整對柵極電極12Α的施加電 壓IGV而控制，故可以以正確的時機進行電子注入，因此，可對倍增率進行安定的監視。再 者，柵極電極12Α形成於絕緣層2上。圖12為顯示第3實施方式所涉及的固體攝像元件的平面構成圖。倍增寄存器EM包含有倍增從攝像區域VR的第1區域(R1、R2、RE1)所傳送的電子 的第1倍增寄存器EMA、與倍增從攝像區域VR的第2區域(R3、R4、RE2)所傳送的電子的第 2倍增寄存器EMB。即攝像區域VR由寬度方向的中央位置的左側的第1區域與右側的第2 區域構成。從左側的第1區域所傳送的電子經由第1水平移位寄存器HRA、及第1轉角寄存 器CRA，傳送至第1倍增寄存器EMA，在第1倍增寄存器EMA倍增後，經由浮動·擴散·放大 器AMPA輸出至外部。從水平移位寄存器HRA至倍增寄存器EMA的部分的VA-VA箭頭剖面 圖和作用與圖5所示的相同。再者，該剖面的情況時，同圖的符號HR、CR、EM、AMP分別替換 成 HRA、CRA、EMA、AMPA。從右側的第2區域所傳送的電子經由第2水平移位寄存器HRB、及第2轉角寄存器 CRB,傳送至第2倍增寄存器EMB，在第2倍增寄存器EMB倍增後，經由第2浮動·擴散·放 大器AMPB輸出至外部。從水平移位寄存器HRB至倍增寄存器EMB的部分的VB-VB箭頭剖 面圖和作用與圖5所示的相同。再者，該剖面的情況時，同圖符號HR、CR、EM、AMP分別替換 成 HRB、CRB、EMB、AMPB。另外，輸入電極具備設置於第1區域(R1、R2、RE1)的區域Rl的電子傳送方向的始 點側的端部的第1電子注入單元(第1輸入電極)11A、及設置於第2區域(R3、R4、RE2)的 區域R4的電子傳送方向的始點側的端部的第2電子注入單元(第2輸入電極)11B。另外， 在其餘的區域(R2、RE、R3)，也在攝像區域VR的電子傳送方向的始點側的端部設置有第3 輸入電極11C。在各個輸入電極1認、1讓、11(，分別連接有進行電子供給的電流源134、138、 13C。這些電子供給根據必要的用途而進行。兩端的輸入電極IlAUlB為進行用於監視倍
9增寄存器的倍增率的電子注入的電極，而中央的輸入電極IlC可用於在不同於這些區域注 入電子而進行監視的情況。上述構造的情況下，由於在第1區域與第2區域產生的電荷由不同的倍增寄存器 倍增並讀取，故可讀取短時間的信號。另外，各個倍增寄存器EMA、EMB的倍增率可通過第1 及第2倍增寄存器EMA、EMB將從設置於各個區域的第1及第2電子注入單元(電極12A、 12B)所注入的電子分別倍增而監視。這樣的可以讀取短時間的信號的構造的情況下，由於 倍增寄存器附近的空的空間趨向於變窄，故對配置其它元件的物理制約較大，但在本實施 方式中，由於並非從倍增寄存器EMA、EMB的附近而是攝像區域VR的端部注入電子，故可不 受限於倍增寄存器附近的物理制約，而配置電子注入單元。圖13為顯示第4實施方式所涉及的固體攝像元件的平面構成圖。該實施方式的固體攝像元件具備有包含區域R1、R2、RE、R3、R4而延伸的單一的輸 入電極IlA'，在區域Rl中具備柵極電極12A，在區域R4中具備柵極電極12B，在區域R2、 R3、E3中具備有柵極電極12C。各電極附近的縱剖面構造與圖11所示的相同。這些電子供 給根據必要的用途而進行。兩端的柵極電極12A、12B為進行用於監視倍增寄存器的倍增率 的電子注入的電極，將電子從電流源13供給至輸入電極IlA'，並控制對柵極電極12A、12B 的施加電壓，由此可控制電子供給量。中央的輸入電極IlC可用於在與這些不同的區域注 入電子進行監視的情況，且可將電子從電流源13A供給至輸入電極IlA'，並通過對柵極電 極12C的施加電壓而控制其電子供給量。圖14為顯示第5實施方式的固體攝像元件的平面構成圖。該實施方式的固體攝像元件為圖12所示的第3實施方式所涉及的固體攝像元件 中省略輸入電極IlC的固體攝像元件。其它構成的構造和作用與第3實施方式相同。圖15為顯示第6實施方式的固體攝像元件的平面構成圖。該實施方式的固體攝像元件為圖12所示的第3實施方式所涉及的固體攝像元件 中，在輸入電極11A、11B、11C與垂直移位寄存器的始點側的端部的傳送電極之間，配置有 包含區域Rl R4而延伸的柵極電極12A'的固體攝像元件。其它構成的構造與作用與第 3實施方式相同。沿著各電極附近的電子傳送方向的縱剖面圖與圖11所示的相同，且將同 圖的柵極電極12A替換成12A'，將同圖的輸入電極IlA以11A、IlBUlC而替換。從各電 流源13A、13B、13C供給至輸入電極11A、11B、11C的電子為通過控制對柵極12A'的施加電 壓，而可控制對應的對於垂直移位寄存器的注入量。圖16為遮光構造變更的固體攝像元件的剖面圖。在上述實施方式中，利用基板的厚度，使光不會入射至區域Rl、R2、R3、R4，而在本 例中，其構成為在半導體基板1的背面側的表面(厚板部的露出面)上，安裝包含鋁板或陶 瓷板等的遮光部件SF，由此使光hv不會從背面側入射至區域R1、R2、R3、R4。因此，可獲得 高精度的倍增率監視。圖17為表面入射型的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始點側的部 分的立體圖。再者，在同圖中，省略電子注入用電極等的圖示。在未具備上述的柵極電極的類型的實施方式(第1實施方式)中，作為不具備上 述凹部DP，而為表面入射型的固體攝像元件的情況時，在形成有監視用通道Dl與虛設通道 D2 D4的區域R1、R2的傳送電極3A、3B上，配置有由鋁膜等構成的遮光膜SF。再者，遮光膜SF與傳送電極3A、3B絕緣。該構造的情況下，從表面側入射的光由遮光膜SF遮斷，不會 入射至監視用通道Dl與虛設通道D2 D4。因此，可獲得高精度的倍增率監視。圖18為表面入射型的固體攝像元件的攝像區域VR的電子傳送方向的始點側的部 分的立體圖。在具備上述柵極電極12A的類型的實施方式(例如第4實施方式)中，作為 不具備上述凹部DP，而為表面入射型的固體攝像元件的情況下，在形成有監視用通道Dl與 虛設通道D2 D4的區域R1、R2的柵極電極12A、傳送電極3A、3B上，配置有由鋁膜等構成 的遮光膜SF。再者，遮光膜SF與傳送電極3A、3B絕緣。該構造的情況下，從表面側入射的 光由遮光膜SF遮斷，不會入射至監視用通道Dl與虛設通道D2 D4。因此，可獲取高精度 的倍增率監視。如上所述，在上述實施方式中，由於為逐線(1信道)注入電子的構造，故可以以簡 單的結構實時監視每1線的倍增率。再者，由於上述N型半導體區域IC的存在，而構成埋入通道型(XD，但若將其省略， 則可形成表面通道型CCD。另外，上述實施方式也可適用於不蝕刻半導體區域的表面入射型 固體攝像元件。產業上的可利用性本發明通過進行高性能的電子倍增，可適用於能夠拍攝微弱的光像的內建電子倍 增功能型的固體攝像元件。符號說明
IA半導體基板
IB外延層
VR攝像區域
ICN型半導體區域
HR水平移位寄存器
EM倍增寄存器
IlA輸入電極
12A柵極電極
權利要求
一種內建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特徵在於具備攝像區域，其由多個垂直移位寄存器構成；水平移位寄存器，其傳送來自所述攝像區域的電子；倍增寄存器，其倍增來自所述水平移位寄存器的電子；及電子注入單元，其設置於所述攝像區域的電子傳送方向的始點側的端部；且由所述電子注入單元注入電子的特定的垂直移位寄存器被設定為受到隔絕而不被入射光照射。
2.如權利要求1所述的內建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特徵在於 具備半導體基板，其為具有由厚板部包圍的薄板部的構造，且所述攝像區域形成於所述薄板部， 所述特定的垂直移位寄存器位於所述厚板部。
3.如權利要求2所述的內建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特徵在於 所述電子注入單元具備電連接於所述半導體基板的輸入電極，及控制所述輸入電極與所述特定的垂直移位寄存器之間的電位的柵極電極。
4.如權利要求1至3中任意一項所述的內建電子倍增功能型的固體攝像元件，其特徵 在於所述倍增寄存器具有第1倍增寄存器，倍增從所述攝像區域的第1區域所傳送的電子；及 第2倍增寄存器，倍增從所述攝像區域的第2區域所傳送的電子，且 所述電子注入單元具備第1電子注入單元，其設置於所述第1區域的電子傳送方向的始點側的端部；及 第2電子注入單元，其設置於所述第2區域的電子傳送方向的始點側的端部。
全文摘要
本發明的內建電子倍增功能型的固體攝像元件具備由多個垂直移位寄存器構成的攝像區域(VR)；傳送來自攝像區域(VR)的電子的水平移位寄存器(HR)；倍增來自水平移位寄存器(HR)的電子的倍增寄存器(EM)；及設置於攝像區域(VR)的電子傳送方向的始點側的端部的電子注入用電極(11A)。通過電子注入用電極(11A)被注入電子的特定的垂直移位寄存器(信道(CH1))位於半導體基板的厚板部，且被設定成相對於入射光被遮光。
文檔編號H04N5/335GK101960600SQ201080001170
公開日2011年1月26日 申請日期2010年1月27日 優先權日2009年1月30日
發明者前田堅太郎, 村松雅治, 米田康人, 鈴木久則, 高木慎一郎 申請人:浜松光子學株式會社