光傳感器及其信號讀出方法、以及固體攝像裝置及其信號讀出方法與流程
2023-10-06 14:58:24 2
本發明涉及一種光傳感器及其信號讀出方法、以及固體攝像裝置及其信號讀出方法。
背景技術：
隨著科學技術的進展、網絡社會的滲透，光傳感器、固體攝像裝置的需求正在飛躍性地擴大。另一方面，應對高靈敏度/高速/寬動態範圍/寬光波長頻帶的光傳感器、應對靜止圖像/動態圖像的固體攝像裝置作為開拓新市場的必須項目而受到市場強烈需求。特別是動態範圍更寬的光傳感器、固體攝像裝置在醫用/醫藥/健康/護理市場、生命科學市場、形成放心安全社會所需的防災、防止犯罪市場等中受到迫切期待。
作為動態範圍寬的光傳感器/固體攝像裝置的例子，例如記載於專利文獻1。
專利文獻1：日本特開2005-328493號公報
技術實現要素：
發明要解決的問題
然而，專利文獻1所記載的光傳感器/固體攝像裝置確實具有比以往更寬的動態範圍，但是動態範圍的擴大區域是高照度側，低照度側沒有超出以前的區域。因而，針對有時也要求微光量區域中的應對這部分的市場對策還未被開拓。因此，進一步發展產業、實現更放心更安全的社會依然是國際社會中的大問題。
本發明是鑑於上述的點而完成的，其主要目的在於提供一種對進一步發展產業、實現更放心更安全的社會作出大的貢獻的光傳感器和固體攝像裝置以及它們的信號讀出方法驅動。
本發明的其它目的在於提供一種能夠基於單光子進行檢測的、具備寬動態範圍性能的光傳感器和固體攝像裝置以及它們的信號讀出方法。
本發明的另一個其它目的在於提供一種具備從單光子光量區域至高照度光量區域的動態範圍的、應對高靈敏度/高速/寬光波長頻帶的光傳感器和固體攝像裝置以及它們的信號讀出方法。
本發明的另一個其它目的在於提供一種兼顧了能夠進行單光子檢測的高靈敏度性能和充足的高飽和性能的具備寬範圍的動態範圍性能的、應對高靈敏度/高速/寬光波長頻帶的光傳感器和固體攝像裝置以及它們的信號讀出方法。
用於解決問題的方案
本發明是鑑於上述的點而刻苦努力研究開發出的結果，其一個特徵是一種光傳感器，具有受光元件、用於蓄積電荷的蓄積電容、以及用於將通過輸入到所述受光元件的光所產生的電荷傳送到所述蓄積電容的傳送開關，在該光傳感器中，所述蓄積電容是浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容，所述傳送開關是非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體，且該傳送開關的漏極區域中的雜質的濃度為1×1020個/cm3以下。
本發明的其它特徵是一種光傳感器，按受光元件(pd)、傳送用的開關(t)、溢出用的開關(s)、復位用的開關(r)的順序將它們串聯連接，該光傳感器具有：浮動擴散電容(cfd)，其連接於所述傳送開關(t)與所述開關(s)之間的連線；源極跟隨型的開關(sf)，其連接於所述傳送開關(t)與所述開關(s)之間的連線；以及橫向溢出蓄積電容(clofic)，其連接於所述開關(s)與所述復位開關(r)之間的連線，其中，所述源極跟隨型的開關(sf)是金屬氧化物半導體電晶體，所述傳送開關(t)是漏極區域的雜質濃度為比所述源極跟隨型的開關(sf)的源極區域的雜質濃度少50％的濃度的非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體。
本發明的另外其它特徵在於一種光傳感器，在每個像素中具有受光元件、用於蓄積電荷的蓄積電容、用於將通過輸入到所述受光元件的光所產生的電荷傳送到所述蓄積電容的傳送開關以及像素信號輸出線，對所述像素信號輸出線連接信號讀出路徑，其中，所述蓄積電容是浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容，所述傳送開關是非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體，且該傳送開關的漏極區域中的雜質的濃度為1×1020個/cm3以下，所述信號讀出路徑被輸入第一像素輸出信號和第二像素輸出信號，其中，該第一像素輸出信號是利用所述浮動擴散電容進行電荷電壓變換而得到的像素輸出信號，該第二像素輸出信號是使所述浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容耦合併進行電荷電壓變換而得到的像素輸出信號，所述第一像素輸出信號在所述信號讀出路徑中被多個放大器放大，該多個放大器包含至少一個放大率大於1的放大器。
本發明的另一個其它特徵是多像素的光傳感器，具備：像素列部，其平面地配置有像素部，各像素部具有受光元件、用於蓄積電荷的蓄積電容、以及用於將通過輸入到所述受光元件的光所產生的電荷傳送到所述蓄積電容的傳送開關，其中，所述蓄積電容是浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容，所述傳送開關是非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體，且該傳送開關的漏極區域中的雜質的濃度為1×1020個/cm3以下；像素信號輸出線，其依次連接所述像素列部；以及信號讀出路徑部，在所述像素信號輸出線的比連接有所述像素列部的排列中的最後的像素部的位置靠下遊的位置，該信號讀出路徑部與所述像素信號輸出連接，其中，所述信號讀出路徑部具有多個信號路徑，在該多個信號路徑中的至少兩個信號路徑中分別具備放大率不同的放大功能，所述放大功能中的至少一個放大功能的放大率大於1。
本發明的另外其它一個特徵是一種光傳感器的信號讀出方法，使用光傳感器，該光傳感器具備：傳感器部，其在每個像素部中具有受光元件、用於蓄積電荷的蓄積電容、以及用於將通過輸入到所述受光元件的光所產生的電荷傳送到所述蓄積電容的傳送開關，其中，所述蓄積電容是浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容，所述傳送開關是非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體，且該傳送開關的漏極區域中的雜質的濃度為1×1020個/cm3以下；像素信號輸出線，其連接各像素部；以及信號讀出路徑，其與該像素信號輸出線連接，在該光傳感器的信號讀出方法中，利用所述浮動擴散電容將對讀出有貢獻的電荷量的電荷進行電荷電壓變換來形成第一像素輸出信號，將所述浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容耦合來將對讀出有貢獻的電荷量的電荷進行電荷電壓變換從而形成第二像素輸出信號，將這兩個像素輸出信號輸入到所述信號讀出路徑，所述第一像素輸出信號在所述信號讀出路徑中被多個放大器放大，該多個放大器包含至少一個放大率大於1的放大器。
本發明的另外其它一個特徵是一種攝像裝置，具有多個像素部，在各像素部中，按受光元件(pd)、傳送用的開關(t)、溢出用的開關(s)、復位用的開關(r)的順序將它們串聯連接，各像素部具有：浮動擴散電容(cfd)，其連接於所述傳送開關(t)與所述開關(s)之間的連線；源極跟隨型的開關(sf)，其連接於所述傳送開關(t)與所述開關(s)之間的連線；以及橫向溢出蓄積電容(clofic)，其連接於所述開關(s)與所述復位開關(r)之間的連線，其中，所述源極跟隨型的開關(sf)是金屬氧化物半導體電晶體，所述傳送開關(t)是漏極區域的雜質濃度為比所述源極跟隨型的開關(sf)的源極區域的雜質濃度少50％的濃度的非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體，該多個像素部的所述受光元件(pd)二維地配置而構成像素陣列，該攝像裝置具有像素列輸出信號線，該像素列輸出信號線依次連接所述多個像素部，該攝像裝置具有連接於該像素列輸出信號線的列電路部，該列電路部被輸入第一像素輸出信號和第二像素輸出信號，該第一像素輸出信號是利用所述浮動擴散電容進行電荷電壓變換而得到的像素輸出信號，該第二像素輸出信號是使所述浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容耦合併進行電荷電壓變換而得到的像素輸出信號，所述第一像素輸出信號在所述信號讀出路徑中被多個放大器放大，該多個放大器包含至少一個放大率大於1的放大器。
本發明的另外其它一個特徵在於一種攝像裝置的信號讀出方法，準備攝像裝置，該攝像裝置具有多個像素部，在各像素部中，按受光元件(pd)、傳送用的開關(t)、溢出用的開關(s)、復位用的開關(r)的順序將它們串聯連接，各像素部具有：浮動擴散電容(cfd)，其連接於所述傳送開關(t)與所述開關(s)之間的連線；源極跟隨型的開關(sf)，其連接於所述傳送開關(t)與所述開關(s)之間的連線；以及橫向溢出蓄積電容(clofic)，其連接於所述開關(s)與所述復位開關(r)之間的連線，其中，所述源極跟隨型的開關(sf)是金屬氧化物半導體電晶體，所述傳送開關(t)是漏極區域的雜質濃度為比所述源極跟隨型的開關(sf)的源極區域的雜質濃度少50％的濃度的非輕摻雜漏極的金屬氧化物半導體電晶體，該多個像素部的所述受光元件(pd)二維地配置而構成像素陣列，該攝像裝置具備：像素列輸出信號線，其依次連接所述多個像素部，以及列電路部，其連接於該像素列輸出信號線，在攝像裝置的信號讀出方法中，利用所述浮動擴散電容將對讀出有貢獻的電荷量的電荷進行電荷電壓變換來形成第一像素輸出信號，使所述浮動擴散電容和橫向溢出蓄積電容耦合來將對讀出有貢獻的電荷量的電荷進行電荷電壓變換從而形成第二像素輸出信號，將這兩個像素輸出信號向所述信號讀出路徑輸入，所述第一像素輸出信號在所述信號讀出路徑中被多個放大器放大，該多個放大器包含至少一個放大率大於1的放大器。
發明的效果
根據本發明，能夠提供一種具備從單光子光量區域至高照度光量區域的寬範圍的動態範圍性能的、應對高靈敏度/高速/寬光波長頻帶的光傳感器和固體攝像裝置以及它們的驅動方法，能夠對進一步發展產業、實現更放心更安全的社會作出大的貢獻。
附圖說明
圖1是示出本發明所涉及的cmos圖像傳感器的像素電路和一列讀出電路的優選實施方式的一例的電路圖。
圖2是從圖1所示的電路圖抽出像素電路部示出的等效電路圖。
圖3a是用於說明通常的mostr的構造的示意性構造截面圖。
圖3b是用於說明本發明所涉及的mostr的構造的示意性構造截面圖。
圖4a是示意性地示出在設置有通常的雜質濃度的擴散層的情況下所形成的耗盡層的寬度w的擴展狀態的示意性構造截面圖。
圖4b是示意性地示出在如本發明那樣設置有使雜質濃度與通常相比低濃度化的擴散層的情況下的耗盡層的寬度w的擴展狀態的示意性構造截面圖。
圖5是用於說明將省略ldd形成和使擴散層低濃度化應用於具有圖2所示的像素電路部101的器件的情況下的器件構造布局的示意性變形截面圖。
圖6a是用於說明光輸入傳感器像素部500的製造例的示意性工序圖。
圖6b是繼圖6a之後的示意性工序圖。
圖6c是繼圖6b之後的示意性工序圖。
圖6d是繼圖6c之後的示意性工序圖。
圖6e是繼圖6d之後的示意性工序圖。
圖6f是繼圖6e之後的示意性工序圖。
圖6g是繼圖6f之後的示意性工序圖。
圖6h是繼圖6g之後的示意性工序圖。
圖6i是繼圖6h之後的示意性工序圖。
圖6j是繼圖6i之後的示意性工序圖。
圖6k是繼圖6j之後的示意性工序圖。
圖6l是繼圖6k之後的示意性工序圖。
圖7是用於說明第1-1信號、第1-2信號、第2信號的光電變換特性的示意性說明概念圖。
圖8是示出浮動擴散輸入換算的噪聲電子數量與誤讀出概率的關係的曲線。
圖9是示出輸入換算噪聲電子數量與電荷電壓變換增益的關係的曲線。
圖10是讀出一個像素的信號的情況下的時序圖。
圖11是用於說明讀出一個像素的信號的情況下的過程的流程圖。
圖12是示出在將發明所涉及的cmos圖像傳感器應用於攝像裝置的情況下的傳感器部的優選實施方式的一例，是示出第一列的n個像素電路和一列讀出電路的電路圖。
圖13是示意性地示出圖12所示的攝像裝置的傳感器部整體的整體框圖。
圖14是示出像素選擇開關單元(x)207和源極跟隨開關單元(sf)208的示意性的布局圖案的一例的圖。
圖15是示出像素選擇開關單元(x)207和源極跟隨開關單元(sf)208的示意性的布局圖案的其它例子的圖。
圖16是示出像素選擇開關單元(x)207和源極跟隨開關單元(sf)208的示意性的布局圖案的另一個其它例子的圖。
具體實施方式
圖1中示出作為示出本發明所涉及的cmos光輸入傳感器的像素電路和一列讀出電路的優選實施方式的一例(實施方式例1)的電路圖。
通過設為圖1的電路結構且設為後述的器件結構，能夠兼顧光子檢測的高靈敏度和高飽和性。
為了避免附圖和說明變得複雜，圖1圖示了所需最小限度的部分以利用所需最小限度的說明來清晰地理解本發明的特徵。
圖1的電路100包括像素電路部101和列電路部102。
像素電路部101和列電路部102經由像素列輸出信號線103電連接。在像素列輸出信號線103的下方設置有電流源108。電流源108例如由mos電晶體構成。
像素電路部101的等效電路圖與專利文獻1的圖21的像素等效電路圖相同。在圖1的例子中，列電路部102包括三個列讀出電路。用於輸出第1-1信號102s1的第一列讀出電路102hg成為如下結構：從上遊側起，第1-1信號102s1讀出用的開關單元(sw/ampen)104hg、高增益放大器105hg、模擬存儲器電路部106hg按該順序排列並通過信號線107hg電連接。
關於模擬存儲器電路部106hg，第1-1信號102s1用的開關單元(ns1h)106hg-1和電容(n1h)106hg-2在電氣上串聯連接，另外開關單元(ss1h)106hg-3和電容(s1h)106hg-4在電氣上串聯連接，並分別如圖所示連接於信號線107hg。
用於輸出第1-2信號102s2的第二列讀出電路102lg也成為如下結構：從上遊側起，第1-2信號102s2讀出用的開關單元(sw/ampen)104lg、低增益放大器105lg、模擬存儲器電路部106lg按該順序排列並通過信號線107lg電連接。
關於模擬存儲器電路部106lg，開關單元(ns1)106lg-1和電容(n1)106lg-2在電氣上串聯連接，另外開關單元(ss1)106lg-3和電容(s1)106lg-4在電氣上串聯連接，並分別如圖所示連接於信號線107lg。
輸出第2信號102sn的第三列讀出電路102n同所述第一列讀出電路102hg和所述第二列讀出電路102lg不同，模擬存儲器電路部106n經由信號線107n1而與像素輸出信號線103電連接。
關於模擬存儲器電路部106n，開關單元(ns2)106n-1和電容(n2)106n-2在電氣上串聯連接，另外開關單元(ss2)106n-3和電容(s2)106n-4在電氣上串聯連接，並分別如圖所示連接於信號線107n2。
列電路部102在一列的各像素電路部中共用。
通過設為圖1的電路結構，能夠提供一種能夠兼顧單光子檢測的高靈敏度特性和高飽和特性且具有寬動態範圍性能的高靈敏度圖像傳感器。
在圖1的例子中，在各列設置經由高增益放大器的路徑(第一列讀出電路部102hg)、經由低增益放大器的路徑(第二列讀出電路部102lg)、直接連接像素信號輸出線的路徑(第三列讀出電路部102n)共計三個信號路徑，在各個路徑中配置有兩個模擬存儲器。
配置在列中的兩個增益放大器在從像素電路部101讀出高靈敏度的第1信號時使用，能夠通過生成放大振幅而降低了後級的噪聲的第1-1信號和原來的信號振幅的第1-2信號來獲得超高靈敏度信號、高靈敏度信號。另外，能夠使用直接連接像素信號輸出線的路徑以原來的信號振幅讀出由像素電路部101獲得的高飽和的第2信號來獲得高飽和信號。即，基於上述說明過的三個信號，通過在極低照度的像素中使用超高靈敏度的第1-1信號、在高照度的像素中使用第2信號、在它們中間的照度的像素中使用第1-2信號，能夠在從極低照度區域至高照度的範圍內使用單一的曝光期間線性地獲得影像信號。
在圖1的說明中，標記序號前的「」中的英文字母表示以下的技術意義。
ampen：「第1-1信號」和「第1-2信號」讀出用開關
ns1h：「第1-1bg信號」採樣用開關
ss1h：「第1-1光信號」採樣用開關
n1h：「第1-1bg信號」保持用電容
s1h：「第1-1光信號」保持用電容
ns1：「第1-2bg信號」採樣用開關
ss1：「第1-2光信號」採樣用開關
n1：「第1-2bg信號」保持用電容
s1：「第1-2光信號」保持用電容
ns2：「第2bg信號」採樣用開關
ss2：「第2光信號」採樣用開關
n2：「第2bg信號」保持用電容
s2：「第2光信號」保持用電容
按照圖2、圖3a、圖3b、圖4a、圖4b來說明本發明的特徵。
圖2是示出圖1所示的電路100中的像素電路部101的圖。
像素電路部101由光電二極體(pd)201、傳送用開關單元(t)202、進行電荷電壓變換的浮動擴散電容(cfd)(非固定浮動電容：floatingdiffusioncapacitor，有時也記為「cfd電容」)203、橫向溢出蓄積電容(clofic)(lateraloverflowintegrationcapacitor)204、溢出用開關單元(s)205、復位用開關單元(r)206、像素選擇開關單元(x)207、源極跟隨開關單元(sf)208構成。
溢出用開關單元(s)205是將cfd電容203和橫向溢出蓄積電容(clofic)204的電勢耦合或者分開的溢出用的開關。
在圖2中，「vr」意味著復位電壓，「vdd」意味著電源電壓。
在本發明中，像素電路部101中具有clofic電容204，因此，像素電路部101以後有時也稱為「lofic像素部」。
期望本發明中的像素電路101中的各開關單元優選是由mos(metaloxidesemiconductor：金屬氧化物半導體)電晶體(mostr)等的fet(fieldeffecttransistor：場效應電晶體)構成。
在圖2中，傳送用開關單元(t)202、溢出用開關單元(s)205、復位用開關單元(r)206、像素選擇開關單元(x)207、源極跟隨開關單元(sf)208的各開關單元由mostr構成。
本發明中的基本的信號路徑如下。
即，輸入到pd201的光產生光電荷，產生的光電荷通過cfd203的電容和cfd203與clofic204的合計電容分別進行了電荷電壓變換後經由sf208向模擬存儲器電路部106hg、106lg、106n中相應的模擬存儲器電路部讀出，在該模擬存儲器電路部的模擬存儲器中以電壓信號被保持。之後，電壓信號從模擬存儲器被電容分開，經由輸出緩衝器(未圖示)向器件外部讀出，通過adc(analog-digitalconvertor：模擬數字變換器)(未圖示)向數位訊號變換。
在該一系列的信號路徑中，越到讀出的後級而噪聲越重疊，s/n越低，因此在本發明中，通過使讀出路徑的儘可能靠前級、特別是cfd203中的電荷電壓變換增益儘可能高增益化，來相對地減小讀出路徑後級的噪聲，實現高s/n化。
本發明是基於以下內容而完成的：重複進行基於圖2所示的像素電路部101，實際以輸入傳感器/器件進行器件設計/製造，測量傳感器的靈敏度特性，分析/研究其結果，並將該研究結果反饋給設計/製造，在重複進行的過程中發現如果實現圖2中用虛線○示出的位置的(柵極)交疊電容的最優化則能夠達成本發明的目的。
構成電容(cfd)203的電容能夠大致區分為如下五種：形成在器件的布線部的(1)布線寄生電容、在fd擴散層部中形成的(2)pn結電容、在像素sf部中形成的(3)柵極/基板寄生電容、(4)溝道電容、在fd擴散層部和像素sf部中形成的(5)柵極交疊電容。
在構成電容(cfd)203的五種電容中，布線寄生電容(1)能夠通過將fd擴散層部504和像素sf部505接近地配置來縮短布線的距離且將相鄰的金屬布線儘可能分開配置而在一定程度上被縮小。但是，當從器件的高密度化的要求考慮必須進行像素電路部101的尺寸(以後也稱為「像素尺寸」)縮小時，布線寄生電容(1)的低電容化也存在界限。
作為柵極/基板寄生電容(3)的改善方法，能夠通過將「wellinwell」(阱中阱)這樣的特殊工藝應用於像素sf部505來降低柵極/基板寄生電容(3)。但是，存在工藝變得複雜化、並且像素尺寸變大這樣的問題，因此在採用「wellinwell」工藝的情況下，不適合兼顧像素尺寸縮小和低電容化。
除此之外，基於本申請的發明人的研究，目前柵極/基板寄生電容(3)相比於其它電容是小的電容，因此得出現在沒有必要改善柵極/基板寄生電容(3)這樣的結論。
溝道電容(4)是用於在像素sf部505中使固定電流流過的溝道所需要的，因此實際上無法期待電容降低化。
當將源極跟隨型的開關單元208的溝道電容表述為「cchl」時，電容(cchl)對電容(cfd)203產生影響的是鏡像效應，因此實際效果上溝道電容(4)成為「1-源極跟隨型的開關單元208的增益」的倍數。
因而，如果與所述同樣地採用「wellinwell」工藝來排除基板偏置效應並將源極跟隨型的開關單元208的增益設為「1」，則能夠抑制溝道電容(4)。但是，在採用「wellinwell」工藝的情況下，不適合兼顧像素大小縮小和低電容化。
另一方面，pn結電容(2)和柵極交疊電容(3)是無法期待通過器件的布局、讀出方法的研究來降低的電容，因此在本發明中如以下所說明那樣變更製造工藝來實現降低。即，在本發明中，如以後對柵極交疊電容(5)的形成工藝和形成條件進行說明那樣通過大幅度變更現有方法來實現cfd203的電容的降低最優化。
在說明本發明的特徵時，首先，使用圖3a、圖3b說明用於降低柵極交疊電容所進行的、ldd(lightlydopeddrain：輕摻雜漏極)的省略。
圖3a是用於說明通常的mostr301a1、301a2的構造的示意性構造截面圖。
圖3b是用於說明本發明所涉及的mostr301b1、301b2的構造的示意性構造截面圖。
通常，在柵極電極303a、303b的製作與側壁304a、304b1、304b2的製作之間首先進行ldd305的形成。
接著，按照側壁304a、304b1、304b2的形成、擴散層302的形成的順序來形成。設置ldd305的理由是防止所形成的mostr的熱載流子劣化。即，從源極向漏極行進的電子的一部分被漏極附近的高的電場加速，成為具有高能量的熱載流子。熱載流子由於衝擊離子化產生具有高能量的電子/空穴、或者在柵極絕緣膜與半導體的界面附近生成缺陷、或者注入到柵極絕緣膜中並被柵極絕緣膜中的缺陷捕捉而成為固定電荷，從而引起電晶體電氣特性的經時劣化。該熱載流子的產生在溝道長度為1μm以下的電晶體中是顯著的，成為一般的邏輯lsi(large-scaleintegratedcircuit大規模集成電路)的微細化中的大問題。
為了抑制該熱載流子的產生，形成用於緩和漏極附近的電場的濃度薄的擴散層。一般將形成有該擴散層的電晶體稱為「ldd構造的電晶體」。另外，在本申請中，有時將不具有ldd構造的電晶體稱為「非ldd構造電晶體」。
在這種ldd構造的電晶體的情況下，產生如下問題。
如圖3a所示，形成有擴散層302部分中的ldd305部分向柵極電極303a、303b側突出的部分(被示出為ldd305在擴散層302的兩側突出的部分)，這成為使柵極交疊電容增大的主要因素。
因此，在本發明中，能夠將省略ldd305的形成作為大幅度地減輕交疊電容的一個主要因素。並且，通過電晶體的試製和測量的實驗發現了即使省略了ldd305的形成，在光傳感器的動作電壓條件下，所述的熱載流子的影響也足夠小而不會產生問題。
圖3b中示出省略了ldd305的形成的柵極交疊部的放大圖。
以下敘述用於降低電容而進行的工藝變更。
pn結電容是由遍及p-外延層和n+層(擴散層)而形成的耗盡層的寬度而決定的。即，耗盡層的寬度w越大，pn結的電容越小。該耗盡層的寬度w是由p-外延層和n+層的雜質的濃度而決定的。
在本發明中，通過減小n+層的雜質的濃度來加大耗盡層的寬度w從而減小pn結電容。
圖4a中示意性地示出設置有通常的雜質濃度的擴散層402a的情況下的耗盡層的寬度w的擴展狀態，圖4b中示意性地示出設置有如本發明那樣使雜質濃度與通常相比低濃度化的擴散層402b的情況下的耗盡層的寬度w的擴展狀態。
圖4a是示意性地示出在省略了ldd形成的mostr中設置有通常的雜質濃度的擴散層的情況下所形成的耗盡層的寬度w的擴展狀態的示意性構造截面圖。
圖4b是示意性地示出如本發明那樣在省略了ldd形成的mostr中設置有使雜質濃度與通常相比低濃度化的擴散層的情況下的耗盡層的寬度w的擴展狀態的示意性構造截面圖。
在圖4a中示出mostr401a1和mostr401a2的結構的一部分。
擴散層402a兼備mostr401a1的漏極區域(在圖中擴散層402a的左側部分)和mostr401a2的源極區域(在圖中擴散層402a的右側部)。
當如通常那樣擴散層402a中的雜質的濃度高時，如圖4a所示那樣耗盡層的寬度w變小，當如本申請那樣擴散層402b中的雜質的濃度低時，如圖4b所示那樣耗盡層的寬度w變大。
n+層(擴散層)的雜質的低濃度化能夠擴大pn結的耗盡層寬度，因此具有降低pn結電容的效果。並且，n+層中的電荷與柵極電極的距離變大，因此與省略ldd形成同樣地具有降低柵極交疊電容的效果。
在圖5中示出以上在圖3a至圖4b中說明的、應用了省略ldd形成和使擴散層低濃度化的情況下的本發明的實施方式的一個優選例。
圖5是用於說明在形成具有與圖2所示的像素電路部101的電路結構同等的電路結構的光輸入傳感器像素部500的器件構造時應用了省略ldd形成和使擴散層低濃度化的情況下的器件構造布局的示意性變形截面圖。
在圖5中，引出電極(用實線表示)記載為虛擬電極。另外，在表示與圖1、圖2相同的內容的情況下，用圖1、圖2的標記序號來表示。
關於光輸入傳感器像素部500，在n-型矽(n-si)襯底500-1上使p型矽層500-2外延生長，利用該p型矽層500-2，基於圖2所示的電路設計來製作感光二極體、電晶體、電容元件等各電子元件和布線。
在圖5中，用標記序號501-1、501-2、501-3表示使雜質的摻雜量比以往減少以形成低電容fd的n型區域。
如以往那樣以高濃度摻雜雜質量的是n+型區域502-1、502-2、502-3、502-4、502-5。
如以往那樣作為ldd形成的是n型區域503-1、503-2、503-3、503-4、503-5、503-6。
在本發明中，上述n型區域(503-1～503-6)、n+型區域(502-1～502-5)有時也記為「擴散層502-1～502-5」。
在各電子元件中的、使元件可靠分離對實現高器件性能化有貢獻的相應電子元件中，分別設置有所需的性能特性的元件分離區域506-1、506-2、506-3、506-4。
在p型矽層500-2的規定的位置處設置有p型嵌入區域507-1、507-2、507-3。
在圖5中，光電二極體(pd)201具有將n-區域508和p+區域509層疊而成的二極體構造。
在本發明中，光電二極體(pd)201也能夠變更為光電電晶體。
傳送用開關單元t202的電極202-1連接布線φt，溢出用開關單元s205的電極205-1連接布線φs，復位用開關單元r206的電極206-1連接布線φr，像素選擇開關單元(x)207的電極207-1連接布線φx。
n+型區域502-1作為復位用開關單元(r)206的漏極來發揮功能，連接提供復位電壓的布線vr。
源極跟隨開關單元(sf)208的電極208-1與n型區域501-1電連接。
橫向溢出蓄積電容(clofic)204的電極204-1作為電容(clofic)204的一個電極來發揮功能，與n型區域501-2電連接。
n+型區域502-2、502-3與布線gnd直接電連接。
n+型區域502-5與像素輸出信號線103直接電連接。
圖5所記載的各開關單元由mostr構成。
在本發明中具有特徵的是fd擴散部504、像素sf部505。
關於fd擴散部504，省略了以前的ldd且使n型區域501-1的雜質濃度比以前減少。由此，有效地實現電容(cfd)203的電容降低。
關於像素sf部505的n型區域501-3，省略了ldd並且使雜質濃度比以前減少以使電容(cfd)203的電容降低。
n型區域(擴散層)501-2是與電容(clofic)204連接的擴散層，因此與其說實現了低濃度化以使電容(cfd)的電容降低，倒不如說實現了低濃度化以使向電容(clofic)204的洩漏電流降低。
在本發明中，對於n型區域501-1、501-3的雜質濃度的降低化的程度，期望相對於以前實際使用元件中的雜質含有量(n+型區域502-1～502-5的雜質含有量)通常減少50％，優選是減少70％，更優選是減少90％。
具體地說，期望是1×1020個/cm3以下，優選是6×1019個/cm3以下，更優選是2×1019個/cm3以下。
在本發明中，如上所述利用n型區域501-1、501-3的雜質濃度的降低化來有效地實現電容(cfd)203的電容降低化。但是，例如n型區域502-1、502-4、502-5的雜質濃度的降低化會引起串聯電阻的增加，其結果，使像素信號輸出電壓範圍縮小而使動態範圍降低，或者使源極跟隨電路的增益降低而使s/n比降低，或者成為暗影的原因，因此使n型區域502-1、502-4、502-5的雜質濃度比以前的實際使用元件的雜質濃度降低在器件的總體設計上不理想。
從這種視角考慮，在本發明中優選是將n型區域501-1、501-3的雜質濃度設為n+型區域502-1至502-5中的雜質濃度的50％以下。
通過設為如以上那樣的器件結構，實現電容(cfd)的低電容化，兼顧單光子檢測的高靈敏度特性和高飽和特性，能夠提供具有寬範圍的動態範圍的高靈敏度圖像傳感器。
認為由於省略了ldd，因此接通電阻變大，圖5所示的電晶體中流過的電流變小。
特別是，源極跟隨型的開關單元(sf)208需要流過用於對模擬存儲器進行充電放電的大約幾10μa的電流，確認了由該接通電阻變大引起的影響，確認出在實際使用上沒有問題。
傳送用開關單元(t)202、溢出用開關單元(s)205、復位用開關單元(r)206隻分別在蓄積於光電二極體(pd)201的電荷的傳送、以及光電二極體(pd)201的電容、電容(cfd)203的電容、電容(clofic)204的電容(電容的合計量10ff左右)的復位中使用，因此不需要流過大電流，因此不受上述的影響。
當源極跟隨型的開關單元(sf)208的串聯電阻變大時，導致增益下降。因此，在本發明中，如圖5所示在作為開關單元208的mos電晶體的源極部不省略ldd的形成，如以往那樣設置從而阻止增益的下降。
這樣，在本發明中，通過在構成電容(cfd)203的mos電晶體中選擇性地省略ldd的形成來降低柵極交疊電容。
接著，參照圖6a至圖6l來說明圖5所示的光輸入傳感器像素部500的製造例。
所使用的製造技術是通常的半導體製造技術，因此在如果是本領域技術人員則能夠容易理解的程度的範圍內進行省略(材料、藥品、製造條件、製造裝置等)地進行說明。
以下的工序表是示出製造工序的主要工序的表。
其中，在以下的工序中，工序(9)如到此為止所說明那樣在本發明中被省略。另外，工序(12)、(13)是用於電容(cfd)203的電容降低的工序。
「工序表」
工序(1)：元件分離(shallowtrenchisolation：sti(淺溝槽隔離))(506-1～506-4)形成
工序(2)：阱/溝道阻擋層(507-1～507-3、510)形成離子注入
工序(3)：活化退火
工序(4)：柵極絕緣膜形成
工序(5)：形成柵極電極膜
工序(6)：柵極電極圖案形成
工序(7)：pd嵌入n-層(508)形成離子注入
工序(8)：pd表面p+層(509)形成離子注入
工序(9)：輕摻雜漏極(lightlydopeddrain(ldd))形成離子注入
「光刻離子注入抗蝕劑去除」
工序(10)：活化退火
工序(11)：側壁形成
工序(12)：s/d擴散層(501-1～501-3、502-1～502-5)形成離子注入(1)
光刻離子注入抗蝕劑去除
工序(13)：s/d高濃度擴散層(502-1～502-5)形成離子注入(2)
「光刻離子注入抗蝕劑去除」
工序(14)：活化退火
工序(15)：第一層間膜(605-1)形成
工序(16)：接觸孔形成
工序(17)：接觸電極(606-1～606-3)形成
工序(18)：金屬電極(607-1、607-2)形成
工序(19)：氫氣燒結
按照上述工序順序，在圖6a至6l中示出主要部分的工序圖。
圖6a：緊接在pd表面p+層(509)形成的離子注入之後
圖6b：緊接在用於ldd形成的離子注入的光刻之後
圖6c：緊接在ldd形成的離子注入之後
圖6d：緊接在進行ldd形成的離子注入、抗蝕劑去除之後
圖6e：緊接在側壁(602-1～602-11)形成之後
圖6f：緊接在用於擴散層(501-1～501-3、502-1～502-5)形成時進行的第一次離子注入的光刻之後
圖6g：緊接在為了形成擴散層(501-1～501-3、502-1～502-5)而進行的第一次離子注入之後
圖6h：緊接在進行第一次離子注入、抗蝕劑去除之後
圖6i：緊接在用於擴散層(502-1～502-5)形成時進行的第二次離子注入的光刻之後
圖6j：緊接在為了形成擴散層(502-1～502-5)而進行的第二次離子注入之後
圖6k：緊接在進行第二次離子注入、抗蝕劑去除之後
圖6l：製造工藝完成時(相當於圖5的器件構造)
接著，利用圖1、2來記述將本發明應用到作為圖像輸入器件的高靈敏度cmos圖像傳感器(固體攝像裝置)的情況下的一個優選例。
在此，記述光電子檢測型，但是即使元件構造的極性是逆極性也在本發明的範疇內，這是毋庸置疑的。
在蓄積期間(st)(將通過接受攝像光所產生的光電荷蓄積到規定的電容的期間)中，向光電二極體(pd)201和浮動擴散電容(cfd)203的蓄積超過它們的電容而成為過飽和狀態從而流出的過飽和電荷經由溢出用開關單元(s)205蓄積到橫向溢出蓄積電容(clofic)204中。
在電容值小的電容(cfd)203中進行電荷電壓變換，從像素電路部輸出第一信號a1-1。接著在將浮動擴散電容(cfd)203的電容和橫向溢出蓄積電容(clofic)204的電容相加得到的電容值大的電容中進行電荷電壓變換，從像素電路部203輸出第二信號a1-2。
在此，通過在電容值小的電容(cfd)203中進行電荷電壓變換就完成的從像素電路部a1輸出的第一信號a1-1在攝像信號中使用。
如前所述那樣從過飽和電荷多的像素電路部a2輸出的第二信號a1-2在攝像信號中使用。
所述第一信號a1-1經由第一列讀出電路102hg、第二列讀出電路102lg分別作為第1-1信號102s1、第1-2信號102s2而從列電路部102輸出。
在本發明的試製器件中，例如高增益放大器105hg的放大率設為16倍，低增益放大器105lg的放大率設為1倍。
其中，如果處於將高增益放大器105hg與低增益放大器105lg的放大率之差保持在固定以內的範圍以使在將第1-1信號102s1和第1-2信號102s2合成時第1-1信號102s1的信號/噪聲比和第1-2信號102s2的信號/噪聲比均為固定值以上，則期望將高增益放大器105hg的信號放大率設得高以降低在列電路部102的下遊的電路中產生的噪聲的影響。
所述第二信號a1-2是從第三列讀出電路102n作為第2信號102sn來輸出的信號。
來自列電路部102的信號輸出是利用沿水平方向設置的掃描電路(未圖示)依次選擇列而讀出的。
在此，也可以在各列讀出電路設置adc(a/d變換單元)，在器件晶片內按列對各信號進行模擬-數字變換，將數位訊號讀出到器件晶片外。
根據以上，能夠將靈敏度高的第1-1信號102s1、靈敏度第二高的第1-2信號102s2、以及高飽和的第2信號102n合成來獲得第1-1信號102s1的高靈敏度信號，並且在一次曝光期間內獲得寬動態範圍的攝像信號。
即，將「第1-1信號102s1」「第1-2信號102s2」「第2信號102n」合成而得到的信號是「攝像信號」，該「攝像信號」是在一次曝光時間內以高靈敏度在寬動態內獲得的，也就是說，「攝像信號」是在一次曝光期間內在從來自單光子程度的暗部像素的信號至來自高照度的像素的信號的寬範圍內獲得的。用於概念性地說明這點的圖是圖7。
圖7是用於說明第1-1信號102s1、第1-2信號102s2、第2信號102n的光電變換特性的示意性的說明概念圖。
圖8是示出浮動擴散輸入換算的噪聲電子數量與誤讀出概率的關係的曲線。
在此，將能夠一個一個地讀出浮動擴散地輸入的光電荷的情況定義為正確讀出。
發現當使輸入換算噪聲電子數量為0.26個以下時能夠使誤讀出概率小於5％，且能夠實際上沒有問題地以每個單光子的精確度來讀出信號。另外，還發現當進一步使輸入換算噪聲電子數量優選地為0.20個以下時能夠使誤讀出概率小於1％。
以上這些是通過各種反覆進行器件設計/仿真/製造/器件驅動/分析/研究來取得確認的。
圖9是示出輸入換算噪聲電子數量與電荷電壓變換增益的關係的曲線。
以下，使用圖10、圖11來說明通過本發明所涉及的攝像裝置來拍攝並讀出基於該拍攝出的圖像的圖像信號的方法。
在此，以下所記載的本發明中的器件的像素信號輸出方法是基於包括源極跟隨型的開關(sf)208和列電流源108的源極跟隨電路的像素信號輸出方法。
在本發明中，不限於該像素信號輸出方法，也可以使用如下的浮動電容負荷讀出方法：在將像素輸出線103復位之後設為浮動狀態，利用像素輸出線103中寄生的電容負荷來驅動源極跟隨型的開關(sf)從而進行像素信號輸出。
圖10是讀出一個像素的信號的情況下的時序圖。
在圖10中，在傳送用開關單元(t)202接通斷開(脈衝st1)、接著接通斷開(脈衝st2)時，從最初的接通斷開的斷開時間點起至下一個接通斷開的接通時間點為止的期間是蓄積期間(st)。
t1～t5是向模擬存儲器的信號採樣結束的定時。
在相應脈衝接通時開始向模擬存儲器的信號採樣。
在溢出用開關單元(s)205、像素選擇開關單元(x)207分別將接通狀態維持規定時間(t1、t2)的期間內使復位用開關單元(r)206、傳送用開關單元(t)202依次接通，將接通狀態維持各自的規定時間(t3、t4)。
在溢出用開關單元(s)205、像素選擇開關單元(x)207斷開的定時，在斷開溢出用開關單元(s)205之後，斷開像素選擇開關單元(x)207。
在斷開溢出用開關單元(s)205之前使復位用開關單元(r)206、傳送用開關單元(t)202接通斷開(脈衝sr1、脈衝st1)。
傳送用開關單元(t)202的接通斷開的定時設為在復位用開關單元(r)206的接通斷開期間(「規定時間(t3)」)內。
在依次斷開傳送用開關單元(t)202、復位用開關單元(r)206、溢出用開關單元(s)205之後，使開關單元(ns2)106n-1接通規定時間(t5)。在經過該規定時間(t5)之後，斷開開關單元(ns2)106n-1。
該開關單元(ns2)106n-1斷開的定時在斷開溢出用開關單元(s)205之前。之後，斷開像素選擇開關單元(x)207。
當再次接通像素選擇開關單元(x)207時，首先使開關單元(sw/ampen)104hg、開關單元(sw/ampen)104lg接通。
接著，開關單元(ns1h)106hg-1和開關單元(ns1)106lg-1同時接通斷開(脈衝shg1、脈衝slg1)。
接著，傳送用開關單元(t)202接通斷開(脈衝st2)，之後開關單元(ss1h)106hg-3和開關單元(ss1)106lg-3同時接通。
在開關單元(ss1h)106hg-3和開關單元(ss1)106lg-3從該接通狀態同時斷開之後的定時，開關單元(sw/ampen)104hg、開關單元(sw/ampen)104lg斷開(脈衝sam1、脈衝sam2)。
在該開關單元(sw/ampen)104hg、開關單元(sw/ampen)104lg斷開之後，溢出用開關單元(s)205接通(脈衝ss2)，接著開關單元(ss2)106n-3接通斷開(脈衝sss2)。
接著，復位用開關單元(r)206、傳送用開關單元(t)202依次變成接通。
在該溢出用開關單元(s)205處於接通狀態的期間(脈衝ss2的寬度t1)內，傳送用開關單元(t)202、復位用開關單元(r)206依次變成斷開(脈衝st3、脈衝sr2)。
接著，開關單元(ns2)106n-1接通斷開(脈衝sns22)。在該開關單元(ns2)106n-1斷開(脈衝sns22)之後，溢出開關單元(s)205斷開(脈衝ss2)。
在此，在蓄積期間(st)內pd201中產生超過pd201的飽和電荷量的光電荷量的情況下，光電荷從pd201超過傳送用開關單元(t)202的勢壘而向電容fd203溢出。並且，在超過電容fd203的飽和電荷量的光電荷量向電容fd203溢出的情況下，光電荷從電容(cfd)203超過開關單元(s)205的勢壘而向蓄積電容(clofic)204溢出。
在開關單元(x)207接通的期間內(相當於脈衝sx1、脈衝sx2的脈寬t2)，該像素與列輸出線103耦合，依次輸出以下的信號。
在開關單元(sw/ampen)104hg、開關單元(sw/ampen)104lg接通時，增益放大器105hg和增益放大器105lg變成有效。
在傳送用開關單元(t)202接通之前且在蓄積期間(st)內，使開關單元(sw/ampen)104hg和開關單元(sw/ampen)104lg接通。
之後，使開關單元(ns1h)106hg-1和開關單元(ns1)106lg-1接通斷開(脈衝shg1、脈衝slg1)來分別讀出第1-1bg信號、第1-2bg信號，將各自的信號保持於相應的電容(n1h)106hg-2和電容(n1)106lg-2。
在此，在第1-1信號、第1-2信號中包含電容(cfd)203的復位噪聲、開關單元(sf)208的閾值偏差以及相當於增益放大器105hg、增益105lg的偏移電壓信號(噪聲信號)。
接著，使傳送用開關單元(t)202接通斷開(脈衝st2)，來使由於受光而在pd201內產生的電荷(也有時稱為「光電荷」)向浮動擴散電容(cfd)203完全傳送。
此時，在光電荷的電荷量大於電容(cfd)203的飽和電荷量的情況下，超過開關單元(s)205的勢壘而向蓄積電容(clofic)204溢出過飽和量的光電荷。與電容(cfd)203的電容值相應地對傳送到電容(cfd)203的電荷量的光電荷進行電荷電壓變換。
在傳送用開關單元(t)202斷開(脈衝st2的斷開)之後，使開關單元(ss1h)106hg-3和開關單元(ss1)106lg-3接通斷開(脈衝shg3、脈衝slg3)，分別讀出第1-1光信號、第1-2光信號，分別保持於相應的電容(s1h)106hg-4、電容(s1)106lg-4。該信號讀出結束定時t3是開關單元(ss1h)106hg-3和開關單元(ss1)106lg-3斷開時。
在此，第1-1光信號、第1-2光信號中除了分別加上第1-1bg信號、第1-2bg信號之外，還加上與被傳送到電容(cfd)203的光電荷的電荷量相應地產生的信號，在後級的電路中進行相關雙採樣處理、即從第1-1光信號減去第1-1bg信號且從第1-2光信號減去第1-2bg信號，由此分別只獲得與光電荷的電荷量相應地產生的信號。當然，增益放大器105hg、105lg也可以使用具有相關雙採樣功能的增益放大器。
在將第1-1光信號向電容(s1h)106hg-4讀出、將第1-2光信號向電容(s1)106lg-4讀出之後，分別斷開開關單元(sw/ampen)104hg、開關單元(sw/ampen)104lg，將增益放大器105hg和105lg設為非有效。
之後，使開關單元(s)205接通來使電容(cfd)203和蓄積電容(clofic)204的電勢耦合。
此時，當在蓄積期間(st)內或者在蓄積期間(st)內和傳送期間(tt)內有從電容(cfd)203溢出而蓄積到蓄積電容(clofic)204的電荷的情況下，蓄積在蓄積電容(clofic)204的電荷量的電荷和傳送到電容(cfd)203蓄積的電荷量的電荷經由開關單元(s)205而被混合，通過蓄積電容(clofic)204和電容(cfd)203的合計的電容來進行電荷電壓變換。
在沒有從電容(cfd)203溢出而在蓄積電容(clofic)204中沒有蓄積電荷的情況下，被傳送到電容(cfd)203的電荷量的電荷通過蓄積電容(clofic)204和電容(cfd)203的合計的電容來進行電荷電壓變換。
在此，也可以在開關單元(s)205接通的狀態下進行使傳送用開關單元(t)202接通斷開的動作，以從傳送用開關單元(t)202由於以脈衝st2進行接通斷開的動作而被斷開的時間點起使蓄積在光電二極體(pd)201中的光電荷傳送到電容(cfd)203和蓄積電容(clofic)204。
之後，在開關單元(s)205為接通的期間(t1)內，通過使開關單元(ss2)106n-3接通斷開(脈衝sss2)來將第2光信號讀出到電容(s2)106n-4並進行保持。此時的讀出結束定時是t4。
接著，使開關單元(r)206接通以開始蓄積電容(clofic)204和電容(cfd)203的復位。
之後，使傳送用開關單元(t)205接通以開始pd201的復位。
接著，使開關單元(r)206斷開以完成蓄積電容(clofic)204和電容(cfd)203的復位。
此時，在蓄積電容(clofic)204和電容(cfd)203中分別取入復位噪聲，但是能夠如上所述那樣消除來獲得只與受光量相應的信號。
之後，通過使開關單元(ns2)106n-1接通斷開(脈衝sns22)來將第2bg信號讀出到電容(n2)106n-2並進行保持。
之後，使開關單元(s)205斷開來使蓄積電容(clofic)204和電容(cfd)203的電勢非耦合。
接著，使開關單元(x)207斷開，將像素從輸出線切離，移到其它行的像素的讀出期間。
圖11是用於說明讀出一個像素的信號的情況下的過程的流程圖。
當開始拍攝時(步驟801)，判斷是否是信號輸出的準備前(步驟802)。如果是信號輸出的準備前，則轉移到第1-1信號102s1、第1-2信號102s2、第2信號102n的光電變換特性的獲取步驟803。當各信號的光電變換特性的獲取完成時，轉移到步驟804。如果在步驟80中不是信號輸出的準備前，則轉移到步驟804。在步驟804中，判斷像素信號的獲取是否開始。當像素信號的獲取開始時，在步驟805中蓄積所獲取的像素信號。在像素信號的獲取開始為否的情況下，再次回到步驟804來判斷像素信號的獲取是否開始。在步驟806中輸出步驟804中蓄積的各信號(第1-1信號102s1、第1-2信號102s2、第2信號102n)以向下級電路傳送。
接著，從第1-1信號102s1、第1-2信號102s2、第2信號102n的輸出的組合中導出表示攝像面的照度的信號(步驟807)。之後，輸出所導出的信號以傳送到規定的電路(步驟808)，完成一系列的讀取動作(步驟809)。
在本發明所涉及的試製器件a中，通過在列電路部102中使用高增益放大器能夠使浮動擴散輸入換算的噪聲電壓為60μv。
當將電荷電壓變換增益設為230μv/e-時能夠使輸入換算噪聲電子數量為0.26個，能夠實際上沒有問題地以每個單光子的精確度讀出信號。
另外，當將電荷電壓變換增益設為300μv/e-時能夠使輸入換算噪聲電子數量為0.20個。
在此，電荷電壓變換增益與浮動擴散電容的關係由以下的式來提供。
cg=q/cfd……(1)
此外，「cg」表示電荷電壓變換增益，「q」表示元電荷，「cfd」表示浮動擴散電容。
在上述的試製器件a的試製中，如目前為止所說明那樣，使用不形成被稱為通常ldd的、在柵極電極的側壁形成前注入n型的雜質來形成的n型區域(ldd)的製作流程以在物理上將柵極電極和n型擴散層的交疊縮小。
另外，在側壁形成後變更以1015cm-2等級的高劑量打進n型雜質的離子注入的工序來將n型雜質的劑量低劑量化為6×1014cm-2，降低了規定的n型擴散層(n型區域501-1、501-2、501-3)的濃度。
由此，柵極交疊電容被進一步降低，另外還能夠降低pn結電容。即，在試製器件a中，能夠使浮動擴散電容為0.5ff，電荷電壓變換增益為320μv/e-，輸入換算噪聲電子數量為0.19個，能夠以單光子的精確度讀出信號。另外，通過將第1-1信號、第1-2信號、第2信號合成，能夠在一次曝光期間內在1個電子～74000個電子之間線性地獲得攝像信號。
接著，通過圖12、圖13示出將本發明應用到攝像裝置的情況下的優選實施方式的一例。
圖12是示出將發明所涉及的cmos圖像傳感器應用到攝像裝置的情況下的傳感器部的優選實施方式的一例，是示出第一列的n個像素電路和一列讀出電路的電路圖。
在圖12中，示出第一列的列像素電路部1200-1和第一列的列電路部102-1。
在列像素電路部1200-1中，n個像素(電路)部(101-1～101-n)如圖所示地排列，像素(電路)部(101-1～101-n)的各個像素(電路)部按照列的順序連接於第一列像素列信號線103-1。
在圖12中，只記載了一列列像素電路部，但是實際上排列有m列(1200-1～1200-m)(1200-2～1200-m未圖示)。
與圖1的情況同樣地，電流源108-1連接於像素列信號線103-1的下遊。
列電路部102-1與圖1的情況同樣地包括具備高增益放大器的第一列讀出電路102hg-1、具備低增益放大器的第二列讀出電路102lg-1、第三列讀出電路102n。
另外，在列讀出電路(102hg-1、102lg-1、102n)的各個列讀出電路中與圖1的情況同樣地設置有模擬存儲器電路部。
圖12的情況下的信號的讀出方法除了重複進行n行讀出以外，其他與前述的方法相同。
圖13是示意性地示出圖12所示的攝像裝置的例子的傳感器部整體的整體框圖。
傳感器部1300具備由「nxm」個具有圖1所示的像素電路部(相當於一個像素)101的像素二維排列而得到的像素陣列1301、垂直(行)移位寄存器部1302、以及水平(列)移位寄存器部1303。
沿著像素陣列1301的行方向，分別設置有配設了m個電流源108的電流源列部1304、配設了m個像素輸出線復位用開關單元的復位開關列部1305、配設了m個模擬存儲器電路部106hg的第1-1信號用模擬存儲器部1307、配設了m個模擬存儲器電路部106lg的第1-2信號用模擬存儲器部1309、配設了m個模擬存儲器電路部106n的第2信號用模擬存儲器部1309。
在列復位開關部1305與第1-1信號用模擬存儲器部1307之間設置有16倍放大器部1306，另外，在第1-1信號用模擬存儲器部1307與第2信號用模擬存儲器部1309之間設置有1倍放大器列部1308。
在此，16倍放大器列部1306意味著採用放大率為16倍的放大器來作為高增益放大器，1倍放大器列部1308意味著採用放大率為1倍的放大器來作為低增益放大器。
最末級緩衝器1311是用於將由水平移位寄存器依次選擇的列中的模擬存儲器的保持信號以低輸出阻抗輸出到晶片外部的緩衝器。
接著，說明本發明的光傳感器的最優設計的一例。
圖14至圖16是示出像素選擇開關單元(x)207和源極跟隨開關單元(sf)208的示意性的布局圖案的圖。
(1)作為浮動擴散電容的構成因子的、源極跟隨器柵極的漏極側的柵極交疊電容與源極跟隨器柵極的漏極側的寬度(wsf_d)成比例，因此期望減小源極跟隨器柵極的寬度。
圖14是以將源極跟隨器柵極的寬度最小化來降低交疊電容為優先而得到的布局圖案的優選的一例。
期望以最小加工尺寸來設計wsf_d，在本發明的優選具體例中設為0.34μm。
(2)期望增加源極跟隨器柵極的柵極寬度以增加源極跟隨電路的增益並降低包括1/f噪聲和隨機電報(randomtelegraph)噪聲的低頻噪聲。
圖15是以將源極跟隨器柵極的寬度增大來使源極跟隨電路的增益增加和低頻噪聲降低為優先而得到的布局圖案的優選一例。
在本發明的優選具體例中，wsf_s與wsf_d都設為0.60μm。
(3)圖16中示出在覆蓋柵極多晶矽和活性si的溝道區域中非對稱地配置活性si的例子(將非對稱形狀活性si應用到源極跟隨器柵極的優點)。
在將活性si寬度從wsf_d向wsf_s擴寬來形成非對稱形狀時，期望以向柵極寬度方向直行的電流流過的方向為基線以緩慢的角度來布局使得通過緩慢地拓寬電流路徑來使載流子的散亂變少。
在本發明的優選具體例中，以電流流過的方向為基線以±45°的斜率來布局。
另外，柵極多晶矽與活性si由於光刻法的對準偏差而相對於設計值發生偏差，需要保持餘量以使即使發生對準偏差wsf_d和wsf_s的值各自也不會變動。因此，
wsf_s的可設計的範圍由以下的式(2)來提供。
wsf_d≤wsf_s≤wsf_d+2·(lsf-2·lm)
……式(2)
這裡，lm是對準偏差餘量的最小值。
在圖16中，lm是通過lm1、lm2表示。
在本發明的優選具體例中，lm(lm1，lm2)＝0.10μm。
期望以最小加工尺寸來設計wsf_d。
在本發明的優選具體例中，設為0.34μm。另外，lsf設為0.55μm。由此，此時wsf_s的可設計的最大值是1.04μm。
在本發明的優選具體例中，wsf_s設為0.60μm。
在本發明中，通過滿足上述「(1)～(3)」的條件地進行布局設計，能夠實現最優化。
在最優例中，能夠非對稱地配置活性si，使漏極側的柵極寬度(wsf_d)最小化來降低柵極交疊電容，並且加大源極側的柵極寬度(wsf_s)來兼顧源極跟隨電路的增益增加和低頻噪聲降低。
附圖標記說明
100：像素電路和一列讀出電路；101：像素電路部；101-1～101-n：像素部；102、102-1：列電路部；102hg、102hg-1：第一列讀出電路；102lg，102lg-1：第二列讀出電路；102n、102n-1：第三列讀出電路；102s1：第1-1信號；102s2：第1-2信號；102s3：第2信號；103、103-1：像素列輸出信號線；104hg：開關單元(sw/ampen)；104lg：開關單元(sw/ampen)；105hg：高增益放大器；105lg：低增益放大器；106hg：模擬存儲器電路部；106lg：模擬存儲器電路部；106n：模擬存儲器電路部；106hg-1：開關單元(ns1h)；106lg-1：開關單元(ns1)；106n-1：開關單元(ns2)；106hg-2：電容(n1h)；106lg-2：電容(n1)；106n-2：電容(n2)；106hg-3：開關單元(ss1h)；106lg-3：開關單元(ss1)；106n-3：開關單元(ss2)；106hg-4：電容(s1h)；106lg-4：電容(s1)；106n-4：電容(s2)；107hg：第1-1信號用信號線；107lg：第1-2信號用信號線；107n1：從像素列輸出信號線分支出的第2信號用信號線；108、108-1：電流源；201：光電二極體(pd)；202：傳送用開關單元(t)；202-1：傳送用開關單元(t)的電極；203：浮動擴散電容(cfd)；204：橫向溢出蓄積電容(clofic)；205：溢出用開關單元(s)；205-1：溢出用開關單元(s)的電極；206：復位用開關單元(r)；206-1：復位用開關單元(r)的電極；207：像素選擇開關單元(x)；207-1：像素選擇開關單元(x)的電極；208：源極跟隨型的開關單元(sf)；208-1：源極跟隨型的開關單元(sf)的電極；300：p-型外延基板；301a1、301a2、301b1、301b2：mos電晶體；302：擴散層(n+型區域)；303a、303b：柵極電極；304a、304b1、304b2：側壁；305：ldd；306：絕緣膜層；400：p-型外延基板；401a1、401a2：mos電晶體；402a：擴散層(n+型區域)；403a、403b：柵極電極；404a、404b1、403b2：側壁；500：光輸入傳感器像素部；500-1：n-型矽(n-si)襯底；500-2：p型矽層；501-2～501-3：雜質量減少化n型區域；502-1～502-5：n+型區域；503-1～503-6：ldd；504：fd擴散層部；505：像素sf部；506-1～506-4：元件分離區域；507-1～507-3：p型嵌入區域；508：n-型區域；509：p+型區域；510：sti周邊p+型區域；601-1～601-3：ldd形成用光致抗蝕劑；602-1～602-11：側壁；603-1～603-2：s/d擴散層形成用光致抗蝕劑；604-1～604-3：s/d高濃度擴散層形成用光致抗蝕劑；605-1～605-2：布線層間絕緣體層；606-1～606-3：接觸電極；607-1～607-2：金屬布線；801～809：信號讀出步驟；1200-1：第一列的列電路部；1300：傳感器部；1301：像素陣列；1302：垂直移位寄存器；1303：水平移位寄存器；1304：電流源列部；1305：像素輸出線復位開關列部；1306：16倍放大器部；1307：第1-1信號用模擬存儲器部；1308：1倍放大器列部；1309：第1-2信號用模擬存儲器部；1310：第2信號用模擬存儲器部；1311：最末級緩衝器。