CN107124565B - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于减小漏电流而抑制画质的劣化。本申请的摄像装置，具有半导体基板和多个单位像素单元；多个单位像素单元分别具备：第1导电型的第1区域，位于半导体基板内，在半导体基板的表面的第1区中在半导体基板的表面上露出；与第1导电型不同的第2导电型的第2区域，在半导体基板内与第1区域直接邻接，在被第1区将周围包围的第2区中在半导体基板的表面上露出；光电变换部，位于半导体基板的表面的上方；接触插塞，位于半导体基板的表面与光电变换部之间，与第2区域连接；第1晶体管，包括将第1区内的第1部分覆盖的第1电极、和半导体基板与第1电极之间的第1绝缘层，将第2区域作为源极及漏极的一方；第2电极，将第1区内的与第1部分不同的第2部分覆盖；半导体基板与第2电极之间的第2绝缘层。当从与半导体基板的表面垂直的方向观察时，第2区域与接触插塞之间的连接部位于第1电极与第2电极之间。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像装置。
背景技术
在数码相机等中广泛地使用CCD(Charge Coupled Device)图像传感器及CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。如周知那样，这些图像传感器具有形成在半导体基板上的光电二极管。
另一方面，提出了一种将具有光电变换层的光电变换部配置在半导体基板的上方的构造(例如专利文献1)。具有这样的构造的摄像装置有时被称作层叠型的摄像装置。在层叠型的摄像装置中，通过光电变换产生的电荷被存储到电荷蓄积区域(被称作“浮置扩散部(floating diffusion)”)中。与存储在电荷蓄积区域中的电荷量对应的信号经由形成在半导体基板上的CCD电路或CMOS电路而被读出。
专利文献1：特开2009－164604号公报
专利文献2：国际公开第2012/147302号
发明内容
在层叠型的摄像装置中，有时由于来自电荷蓄积区域的漏电流或向电荷蓄积区域的漏电流而在得到的图像中发生劣化。如果能够减少这样的漏电流则是有益的。以下，有时将这些漏电流称作“暗电流”。
根据本申请的非限定性的某个例示性的实施方式，提供以下技术方案。
一种摄像装置，具有半导体基板和多个单位像素单元；多个单位像素单元分别具备：第1导电型的第1区域，位于半导体基板内，在半导体基板的表面的第1区中在半导体基板的表面上露出；与第1导电型不同的第2导电型的第2区域，在半导体基板内与第1区域直接邻接，在被第1区将周围包围的第2区中在半导体基板的表面上露出；光电变换部，位于半导体基板的表面的上方；接触插塞，位于半导体基板的表面与光电变换部之间，与第2区域连接；第1晶体管，包括将第1区内的第1部分覆盖的第1电极、和半导体基板与第1电极之间的第1绝缘层，将第2区域作为源极及漏极的一方；第2电极，将第1区内的与第1部分不同的第2部分覆盖；半导体基板与第2电极之间的第2绝缘层；当从与半导体基板的表面垂直的方向观察时，第2区域与接触插塞之间的连接部位于第1电极与第2电极之间。
总括性或具体性的形态也可以由元件、器件、模组或***实现。此外，总括性或具体性的形态也可以由元件、器件、模组及***的任意组合实现。
公开的实施方式的追加性的效果及优点根据说明书及附图会变得清楚。效果及/或优点由在说明书及附图中公开的各种各样的实施方式或特征分别提供，为了得到它们中的1个以上并非全部需要。
根据本申请的实施方式，提供一种抑制了暗电流的摄像装置。
附图说明
图1是表示本申请的第1实施方式的摄像装置的例示性的电路结构的图。
图2是表示单位像素单元10的器件构造的典型例的示意性剖视图。
图3是表示单位像素单元10中的各元件的布局的一例的、从半导体基板60的法线方向观察时的平面图。
图4是将在控制电极27e及栅极电极26e上施加了0V的状态下的复位晶体管26的附近放大表示的示意性剖视图。
图5是将在控制电极27e及栅极电极26e上施加了负的电压Vn的状态下的复位晶体管26的附近放大表示的示意性剖视图。
图6是表示第1实施方式的变形例的单位像素单元10A中的各元件的布局的平面图。
图7是将在栅极电极26e及控制电极27e上分别施加了负电压Vn1及Vn2的状态下的复位晶体管26的附近放大表示的示意性剖视图。
图8是表示第1实施方式的其他变形例的单位像素单元10B中的各元件的布局的平面图。
图9是将在复位晶体管26的栅极电极26e及复位晶体管28的栅极电极28e上施加了负电压Vn的状态下的复位晶体管26及复位晶体管28的附近放大表示的示意性剖视图。
图10是表示本申请的第2实施方式的单位像素单元20中的各元件的布局的一例的平面图。
图11是将在栅极电极26De上施加了负的电压Vn的状态下的复位晶体管26D的附近放大表示的示意性剖视图。
图12是表示向复位晶体管的栅极电极的施加电压与暗电流之间的关系的曲线图。
图13是示意地表示不具有控制电极27e的情况下的比较例的电极构造(栅极构造A)的平面图。
图14是示意地表示以夹着接触插塞86而对置的方式配置有相互电连接的控制电极27e及栅极电极26e的电极构造(栅极构造B)的平面图。
图15是示意地表示接触插塞86位于环状的栅极电极26De的开口AP1的内侧的电极构造(栅极构造C)的平面图。
图16是表示本申请的第3实施方式的摄像装置中的单位像素单元的例示性电路结构的图。
图17是表示图16所示的单位像素单元30的器件构造的一例的示意性剖视图。
图18是表示单位像素单元30中的各元件的布局的一例的平面图。
图19是表示第3实施方式的单位像素单元的变形例中的各元件的布局的平面图。
图20是表示第3实施方式的单位像素单元的其他变形例中的各元件的布局的平面图。
图21是表示栅极电极的外形的其他例的平面图。
图22是将在又一变形例的单位像素单元40中、在控制电极27e及复位晶体管26的栅极电极26e上施加了负电压Vn时的复位晶体管26的附近放大表示的示意性剖视图。
具体实施方式
层叠型的摄像装置通常具有将光电变换部和形成在半导体基板上的读出电路电连接的连接部。在半导体基板和连接部的接点周边，形成有各种pn结。在这些pn结的附近，形成有耗尽层。pn结附近的耗尽层中的电荷的复合可能成为漏电流发生的原因。特别是，半导体基板的表面附近的耗尽层对漏电流的发生带来较大的影响。本发明的发明者们发现，通过采用将半导体基板和连接部之间的接点包围那样的电极构造，能够缩小在半导体基板的表面附近出现的耗尽层的面积。
本申请的一技术方案的概要是以下这样的。
[项目1]
一种摄像装置，具有半导体基板和多个单位像素单元；上述多个单位像素单元分别具备：第1导电型的第1区域，位于上述半导体基板内，在上述半导体基板的表面的第1区中在上述半导体基板的上述表面上露出；与上述第1导电型不同的第2导电型的第2区域，在上述半导体基板内与上述第1区域直接邻接，在被上述第1区将周围包围的第2区中在上述半导体基板的上述表面上露出；光电变换部，位于上述半导体基板的上述表面的上方；接触插塞，位于上述半导体基板的上述表面与上述光电变换部之间，与上述第2区域连接；第1晶体管，包括将上述第1区内的第1部分覆盖的第1电极、和上述半导体基板与上述第1电极之间的第1绝缘层，将上述第2区域作为源极及漏极的一方；第2电极，将上述第1区内的与上述第1部分不同的第2部分覆盖；上述半导体基板与上述第2电极之间的第2绝缘层；当从与上述半导体基板的上述表面垂直的方向观察时，上述第2区域与上述接触插塞之间的连接部位于上述第1电极与上述第2电极之间。
[项目2]
如项目1所述的摄像装置，上述单位像素单元分别还具备将上述第1电极和上述第2电极电连接的布线。
[项目3]
如项目1或2所述的摄像装置，还具备被施加将上述光电变换部的电荷初始化的复位电压的电压线；上述电压线连接于上述第1晶体管的上述源极及上述漏极的另一方。
[项目4]
如项目1～3的任一项所述的摄像装置，上述第1绝缘层和上述第2绝缘层是同层的。
[项目5]
如项目1～4的任一项所述的摄像装置，上述第1电极和上述第2电极是同层的。
[项目6]
如项目1～5的任一项所述的摄像装置，上述第2区域包括第1浓度区域和杂质浓度比上述第1浓度区域高的第2浓度区域；上述接触插塞连接于上述第2浓度区域。
[项目7]
如项目1～6的任一项所述的摄像装置，上述接触插塞电连接于上述光电变换部。
[项目8]
如项目1～7的任一项所述的摄像装置，还具备包括上述第2电极和上述第2绝缘层、将上述第2区域作为源极或漏极的一方的第2晶体管。
[项目9]
如项目1～8的任一项所述的摄像装置，上述第1电极及上述第2电极构成具有开口的单一的第3电极；当从与上述半导体基板的上述表面垂直的方向观察时，上述第2区域与上述接触插塞之间的连接部位于上述第3电极的上述开口内。
[项目10]
如项目9所述的摄像装置，上述第3电极是C字形状。
[项目11]
如项目1～10中任一项所述的摄像装置，当从与上述半导体基板的上述表面垂直的方向观察时，上述第2电极的一部分与上述第2区重叠。
[项目12]
如项目1～11中任一项所述的摄像装置，上述第2区域的杂质浓度是1×1018/cm3以上。
[项目13]
一种摄像装置，是具有多个单位像素单元的摄像装置，多个单位像素单元分别具备：半导体基板，包括具有第1导电型的第1区域、以及形成于第1区域中的、具有第2导电型的杂质区域；光电变换部，配置在半导体基板的上方；布线构造，配置在半导体基板及光电变换部之间，包括连接于杂质区域的接触插塞；第1晶体管，包括半导体基板上的第1绝缘层及第1绝缘层上的第1控制电极；第2控制电极，配置在与第1绝缘层同层的第2绝缘层上；第1晶体管包括杂质区域作为源极及漏极中的一方；杂质区域的至少一部分位于半导体基板的表面；当从与半导体基板垂直的方向观察时，杂质区域中的与接触插塞接触的部分位于第1控制电极及第2控制电极之间。
根据项目13的结构，能够将半导体基板的表面的耗尽区域缩小。
[项目14]
如项目13所述的摄像装置，第1控制电极及第2控制电极是同层的；第2控制电极具有对于杂质区域中的与接触插塞接触的部分与第1控制电极对称的配置。
根据项目14的结构，能够更有效地将半导体基板的表面的耗尽区域缩小。
[项目15]
如项目13或14所述的摄像装置，杂质区域包括杂质浓度相对较低的低浓度区域、以及配置在低浓度区域内的高浓度区域；接触插塞连接于高浓度区域。
根据项目15的结构，能够减小接触电阻。
[项目16]
如项目13～15中任一项所述的摄像装置，具有被施加将光电变换部的电荷初始化的复位电压的电压线；电压线连接于第1晶体管的源极及漏极中的另一方。
根据项目16的结构，能够为了将半导体基板的表面的耗尽区域缩小而利用复位控制信号。
[项目17]
如项目13～16中任一项所述的摄像装置，接触插塞是将半导体基板及光电变换部电连接的连接部的至少一部分。
根据项目17的结构，能够减少由暗电流引起的噪声向电荷蓄积区域的混入。
[项目18]
如项目17所述的摄像装置，布线构造包括将第1控制电极及第2控制电极连接的布线。
根据项目18的结构，在摄像装置动作时能够向第1控制电极及第2控制电极施加共通的控制电压。
[项目19]
如项目13～18中任一项所述的摄像装置，还具备包括第2控制电极作为栅极电极、并且包括杂质区域作为源极及漏极中的一方的第2晶体管。
根据项目19的结构，能够使复位晶体管的导通电流增大。
[项目20]
如项目13～16中任一项所述的摄像装置，还具备包括第2控制电极作为栅极电极、并且包括杂质区域作为源极及漏极中的一方的第2晶体管；第1晶体管的源极及漏极中的另一方电连接于光电变换部。
根据项目20的结构，能够减小复位漏极节点处的漏电流。
[项目21]
一种摄像装置，是具有多个单位像素单元的摄像装置，多个单位像素单元分别具备：半导体基板，包括具有第1导电型的第1区域、以及形成于第1区域的、具有第2导电型的杂质区域；光电变换部，配置在半导体基板的上方；布线构造，配置在半导体基板及光电变换部之间，包括连接于杂质区域的接触插塞；第1晶体管，包括在中央具有开口的第1栅极电极；第1晶体管包括杂质区域作为源极及漏极中的一方；杂质区域的至少一部分位于半导体基板的表面；接触插塞在第1栅极电极的开口的内侧连接于杂质区域。
根据项目21的结构，能够将半导体基板的表面的耗尽区域缩小。
[项目22]
如项目21所述的摄像装置，杂质区域包括杂质浓度相对较低的低浓度区域、以及配置在低浓度区域内的高浓度区域；接触插塞连接于高浓度区域。
根据项目22的结构，能够减小接触电阻。
[项目23]
如项目21或22所述的摄像装置，具有被施加将光电变换部的电荷初始化的复位电压的电压线；电压线连接于第1晶体管的源极及漏极中的另一方。
根据项目23的结构，能够为了将半导体基板的表面的耗尽区域缩小而利用复位控制信号。
[项目24]
如项目21～23中任一项所述的摄像装置，接触插塞是将半导体基板及光电变换部电连接的连接部的至少一部分。
根据项目24的结构，能够减少由暗电流引起的噪声向电荷蓄积区域的混入。
[项目25]
如项目21～23中任一项所述的摄像装置，还具备源极及漏极的一方电连接在光电变换部上的第2晶体管；接触插塞电连接于第2晶体管的源极及漏极的另一方。
根据项目25的结构，能够减少复位漏极节点处的漏电流。
以下，参照附图详细地说明本申请的实施方式。另外，以下说明的实施方式都表示总括性或具体性的例子。在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例，并不意欲限定本申请。在本说明书中说明的各种各样的技术方案只要不发生矛盾就能够相互组合。此外，关于以下实施方式的构成要素之中在表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。在以下的说明中，实质上具有相同功能的构成要素有时用共通的标号表示而省略说明。
(摄像装置的实施方式)
图1表示本申请的第1实施方式的摄像装置的例示性的电路结构。图1所示的摄像装置100具有包括多个单位像素单元10的像素阵列PA、和包括负载电路42、列信号处理电路44、垂直扫描电路46及水平信号读出电路48等的周边电路。在图1所例示的结构中，像素阵列PA包括以矩阵状配置的多个单位像素单元10。多个单位像素单元10被1维或2维地排列，从而形成摄像区域(感光区域)。在图1中，为了避免图面复杂，示出了以矩阵状配置的多个单位像素单元10中的排列为2行2列的4个单位像素单元10。不言而喻，像素阵列PA中的单位像素单元10的数量及配置并不限定于该例。例如，单位像素单元10也可以1维地排列。在此情况下，能够将摄像装置100用作行传感器。
如后面详细说明那样，各单位像素单元10概略地讲具有光电变换部12和检测由光电变换部12生成的信号的信号检测电路14。信号检测电路14形成于半导体基板，光电变换部12配置在半导体基板的上方。即，这里，作为摄像装置100，例示层叠型的摄像装置。另外，本说明书中的“上方”及“下方”的用语表示半导体基板及光电变换部12之间的相对性的配置，并不意欲限定使用时的摄像装置100的姿势。半导体基板并不限定于其整体是半导体的基板，也可以是在形成摄像区域的一侧的表面设有半导体层的绝缘基板等。此外，所谓“半导体基板的表面”，是指构成半导体基板的半导体或半导体层的最表面。另外，例如，在半导体或半导体层的一部分被氧化而形成有氧化膜的情况下，将半导体或半导体层中的除去了氧化膜的部分的最表面定义为半导体基板的表面。
单位像素单元10的光电变换部12接受光的入射而产生正及负的电荷(典型地是空穴－电子对)。如图示那样，各单位像素单元10的光电变换部12具有与蓄积控制线39之间的连接，在该蓄积控制线39上，在摄像装置100动作时施加规定的电压。例如，如果是将通过光电变换生成的正及负的电荷中的正电荷用作信号电荷的情况，则在摄像装置100动作时，例如将10V左右的正电压施加在蓄积控制线39上。通过将规定的正电压施加在蓄积控制线39上，能够有选择地将通过光电变换生成的正及负的电荷中的正电荷(例如空穴)存储到电荷蓄积区域中。以下，例示将通过光电变换生成的正及负的电荷中的正电荷用作信号电荷的情况。
在图1所例示的结构中，各单位像素单元10的信号检测电路14包括放大晶体管22及地址晶体管(也称作行选择晶体管)24。放大晶体管22及地址晶体管24典型地是形成于半导体基板的场效应晶体管(FET)。以下，只要没有特别声明，就说明使用N沟道MOS作为晶体管的例子。
放大晶体管22的栅极电连接于光电变换部12。如后述那样，由光电变换部12生成的电荷被存储到在一部分中包含光电变换部12与放大晶体管22之间的电荷蓄积节点(也称作“浮置扩散部节点”)FD的电荷蓄积区域中。放大晶体管22的漏极连接于在摄像装置100动作时向各单位像素单元10供给规定的(例如3.3V左右的)电源电压VDD的电源布线(源极跟随器电源)32。放大晶体管22的源极连接于地址晶体管24的漏极。放大晶体管22输出与由光电变换部12生成的信号电荷的量对应的信号电压。
地址晶体管24的源极连接于垂直信号线35。如图示那样，垂直信号线35按多个单位像素单元10的每个列而设置，在各个垂直信号线35上，连接着负载电路42及列信号处理电路(也称作“行信号蓄积电路”)44。负载电路42与放大晶体管22一起形成源极跟随器电路。放大晶体管22通过在漏极接受电源电压VDD的供给，将施加在栅极上的电压放大。换言之，放大晶体管22将由光电变换部12生成的信号放大。
在地址晶体管24的栅极上连接着地址信号线34。地址信号线34按多个单位像素单元10的每个行而设置。地址信号线34连接于垂直扫描电路(也称作“行扫描电路”)46，垂直扫描电路46向地址信号线34施加控制地址晶体管24的导通及截止的行选择信号。由此，将读出对象的行在垂直方向(列方向)上扫描，选择读出对象的行。垂直扫描电路46通过经由地址信号线34控制地址晶体管24的导通及截止，能够将所选择的单位像素单元10的放大晶体管22的输出向对应的垂直信号线35读出。地址晶体管24的配置并不限定于图1所示的例子，也可以是放大晶体管22的漏极与电源布线32之间。
来自单位像素单元10的信号电压经由地址晶体管24而被输出到垂直信号线35，并被输入到对应的列信号处理电路44。列信号处理电路44进行以相关双采样为代表的噪声抑制信号处理及模拟－数字变换(AD变换)等。列信号处理电路44连接于水平信号读出电路(也称作“列扫描电路”)48，水平信号读出电路48从多个列信号处理电路44将信号依次向水平共通信号线49读出。
在图1所例示的结构中，信号检测电路14包括漏极连接于电荷蓄积节点FD的复位晶体管26。在复位晶体管26的栅极，连接具有与垂直扫描电路46之间的连接的复位信号线36。复位信号线36与地址信号线34同样地按多个单位像素单元10的每个行而设置。垂直扫描电路46通过向地址信号线34施加行选择信号，能够以行单位选择作为复位的对象的单位像素单元10。进而，通过将控制复位晶体管26的导通及截止的复位信号经由复位信号线36施加于复位晶体管26的栅极，能够使所选择的行的复位晶体管26导通。通过使复位晶体管26导通，电荷蓄积节点FD的电位被复位。
在该例中，复位晶体管26的源极连接于按多个单位像素单元10的每个列设置的反馈线53中的1个。即，在该例中，作为将光电变换部12的电荷初始化的复位电压，将反馈线53的电压向电荷蓄积节点FD供给。这里，上述反馈线53按多个单位像素单元10的每个列设置，反馈线53分别连接于反相放大器50的输出端子。这样，图1所例示的摄像装置100的周边电路包括多个反相放大器50。
着眼于多个单位像素单元10的列中的1个。如图示那样，反相放大器50的反相输入端子连接于该列的垂直信号线35。此外，反相放大器50的输出端子和属于该列的1个以上的单位像素单元10经由反馈线53而被连接。在摄像装置100动作时，向反相放大器50的非反相输入端子供给规定的电压(例如1V或1V附近的正电压)Vref。通过选择属于该列的1个以上的单位像素单元10中的1个、使地址晶体管24及复位晶体管26导通，能够形成使该单位像素单元10的输出负反馈的反馈路径。通过反馈路径的形成，垂直信号线35的电压收敛于向反相放大器50的非反相输入端子的输入电压Vref。换言之，通过反馈路径的形成，电荷蓄积节点FD的电压被复位成垂直信号线35的电压为Vref那样的电压。作为电压Vref，能够使用电源电压(例如3.3V)及接地(0V)的范围内的任意大小的电压。也可以将反相放大器50称作反馈放大器。这样，图1所例示的摄像装置100具有在反馈路径的一部分中包括反相放大器50的反馈电路16。
如周知那样，随着晶体管的导通或截止，发生被称作kTC噪声的热噪声。随着复位晶体管的导通或截止而发生的噪声被称作复位噪声。在将电荷蓄积区域的电位复位后，通过使复位晶体管截止而发生的复位噪声在蓄积信号电荷之前残留在电荷蓄积区域中。但是，随着复位晶体管的截止而发生的复位噪声能够通过利用反馈来减小。利用反馈的复位噪声的抑制的详细情况在国际公开第2012/147302号中进行了说明。为了参考，在本说明书中援用国际公开第2012/147302号的全部公开内容。在图1所例示的结构中，由于直到复位晶体管26刚刚截止之前形成反馈路径，所以能够减小随着复位晶体管26的截止而发生的复位噪声。
(单位像素单元10的器件构造)
图2示意地表示单位像素单元10的器件构造的典型例。如图2所示，单位像素单元10包括半导体基板60、配置在半导体基板60的上方的光电变换部12、和配置在光电变换部12及半导体基板60之间的布线构造80。如后面详细说明那样，半导体基板60包括作为电荷蓄积区域的一部分而发挥功能的n型杂质区域67n。
在半导体基板60上，形成有上述信号检测电路14的放大晶体管22、地址晶体管24及复位晶体管26。另外，在图2中，为了说明的方便，将放大晶体管22、地址晶体管24及复位晶体管26表示在1个剖视图中。
在半导体基板60上，配置将放大晶体管22、地址晶体管24及复位晶体管26覆盖的层间绝缘层90。上述布线构造80配置在层间绝缘层90中。在该例中，层间绝缘层90具有包括绝缘层90a、90b、90c及90d这4层绝缘层的层叠构造，层间绝缘层90中的布线构造80包括布线层80a～80d、插塞(plug)82a～82d、插塞84及接触插塞86。层间绝缘层90中的绝缘层的数量及布线构造80中的布线层的数量并不限定于该例，可以任意设定。
如图示那样，插塞82d将像素电极12a和布线层80d连接，插塞82c将布线层80d和布线层80c连接。插塞82b将布线层80c和布线层80b连接，插塞82a将布线层80b和布线层80a连接。布线层80b～80d及插塞82a～82d典型地由铜等金属形成。插塞84将布线层80a和放大晶体管22的栅极电极22e连接。接触插塞86将布线层80a和半导体基板60的n型杂质区域67n连接。插塞84、接触插塞86及布线层80a典型地由掺杂了n型杂质的多晶硅形成。
如图示那样，光电变换部12配置在层间绝缘层90上。光电变换部12包括形成在层间绝缘层90上的像素电极12a、对置于像素电极12a的透明电极12c、以及配置在它们之间的光电变换层12b。光电变换部12的光电变换层12b由有机材料或非晶硅等无机材料形成，接受经由透明电极12c入射的光，通过光电变换生成正及负的电荷。光电变换层12b典型地遍及多个单位像素单元10而形成。光电变换层12b也可以包括由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。
透明电极12c由ITO等透明的导电性材料形成，配置在光电变换层12b的受光面侧。透明电极12c典型地与光电变换层12b同样地遍及多个单位像素单元10而形成。在图2中省略了图示，但透明电极12c具有与上述蓄积控制线39之间的连接。在摄像装置100动作时，例如将10V左右的偏压经由蓄积控制线39向透明电极12c施加。通过偏压使透明电极12c的电位比像素电极12a的电位高，从而能够将通过光电变换生成的作为信号电荷的正电荷(例如空穴)通过像素电极12a来收集。
像素电极12a由铝、铜等金属、金属氮化物、或者通过掺加杂质而被赋予了导电性的多晶硅等形成。像素电极12a与相邻的其他单位像素单元10的像素电极12a在空间上分离，从而与它们电分离。
像素电极12a经由至少一部分中包含上述布线构造80的连接部88，与形成于半导体基板60的信号检测电路14电连接。在该例中，布线层80a～80d、插塞82a～82d及接触插塞86构成连接部88。连接部88、插塞84、放大晶体管22的栅极电极22e及n型杂质区域67n构成存储信号电荷的电荷蓄积区域的至少一部分。
半导体基板60包括支承基板61和形成在支承基板61上的1个以上的半导体层。这里，作为支承基板61而例示p型硅(Si)基板。在图2所例示的结构中，半导体基板60具有支承基板61上的p型半导体层61p、p型半导体层61p上的n型半导体层62n、n型半导体层62n上的p型半导体层63p及p型半导体层63p上的p型半导体层65p。p型半导体层63p遍及支承基板61的整面而形成。p型半导体层65p具有杂质浓度相对较低的p型杂质区域66p、n型杂质区域68an、68bn、68cn和68dn、以及元件分离区域69。
p型半导体层61p、n型半导体层62n、p型半导体层63p及p型半导体层65p分别典型地通过向外延成长层注入杂质而形成。p型半导体层63p及p型半导体层65p中的杂质浓度彼此是相同程度，并且比p型半导体层61p的杂质浓度高。配置在p型半导体层61p及p型半导体层63p之间的n型半导体层62n抑制从支承基板61或周边电路向电荷蓄积区域的少数载流子的流入。在摄像装置100动作时，n型半导体层62n的电位经由设在像素阵列PA的外侧的阱接触部(未图示)而被控制。此外，在该例中，半导体基板60具有将p型半导体层61p及n型半导体层62n贯通而设在p型半导体层63p及支承基板61之间的p型区域64。p型区域64与p型半导体层63p及p型半导体层65p相比具有较高的杂质浓度，将p型半导体层63p和支承基板61电连接。在摄像装置100动作时，p型半导体层63p及支承基板61的电位经由设在像素阵列PA的外侧的基板接触部(未图示)而被控制。
在作为p阱的p型半导体层65p内，形成有p型杂质区域66p。上述n型杂质区域67n配置在p型杂质区域66p内。如在图2中示意地表示那样，n型杂质区域67n形成在半导体基板60的表面附近，其至少一部分位于半导体基板60的表面。在图2所例示的结构中，n型杂质区域67n包括第1区域67a及第2区域67b。n型杂质区域67n中的第1区域67a形成在第2区域67b内，具有比第2区域67b高的杂质浓度。
如图示那样，这里，上述接触插塞86连接到形成于半导体基板60的第1区域67a。n型杂质区域67n中的第1区域67a的形成不是必须的。但是，通过使作为接触插塞86与半导体基板60之间的连接部分的第1区域67a的杂质浓度比较高，能得到抑制接触插塞86与半导体基板60接触的部分的周围的耗尽层扩大(耗尽化)的效果。通过抑制接触插塞86与半导体基板60接触的部分的周围的耗尽层的扩大，能够抑制由接触插塞86与半导体基板60之间的界面处的半导体基板60的结晶缺陷(也可以称作界面态)引起的漏电流。此外，通过将接触插塞86连接到具有比较高的杂质浓度的第1区域67a，能得到降低接触电阻的效果。
通过p型杂质区域66p及n型杂质区域67n之间的pn结形成的结电容作为将信号电荷的至少一部分进行蓄积的电容而发挥功能，构成电荷蓄积区域的一部分。在图2所例示的结构中，在n型杂质区域67n的第1区域67a与p型杂质区域66p之间，配置有杂质浓度比第1区域67a低的第2区域67b。通过在第1区域67a的周围配置杂质浓度相对较低的第2区域67b，能缓和通过n型杂质区域67n与p型杂质区域66p之间的pn结形成的电场强度。由于通过pn结形成的电场强度得以缓和，由通过pn结形成的电场引起的漏电流得以抑制。
通过以与p型半导体层63p接触的方式配置p型半导体层65p，在摄像装置100动作时能够经由p型半导体层63p控制p型半导体层65p的电位。通过采用这样的构造，能够在接触插塞86与半导体基板60相接触的部分(这里是n型杂质区域67n的第1区域67a)的周围配置杂质浓度相对较低的区域(这里是p型杂质区域66p及n型杂质区域67n的第2区域67b)。
形成在p型杂质区域66p内的n型杂质区域67n作为复位晶体管26的漏极发挥功能。在该例中，复位晶体管26包括n型杂质区域67n的至少一部分、半导体基板60上的栅极绝缘层26g、栅极绝缘层26g上的栅极电极26e、以及n型杂质区域68an。如在图2中示意地表示那样，当从半导体基板60的法线方向观察时，栅极绝缘层26g及栅极电极26e的层叠构造与n型杂质区域67n的至少一部分重叠。另外，虽然在图2中省略了图示，但n型杂质区域68an经由接触插塞而与上述反馈线53连接。n型杂质区域68an作为复位晶体管26的源极发挥功能。
在该例中，夹着接触插塞86而与栅极电极26e对置地配置有控制电极27e。在控制电极27e及半导体基板60之间配置有绝缘层27g。典型地，绝缘层27g是与复位晶体管26的栅极绝缘层26g相同的层，控制电极27e是与复位晶体管26的栅极电极26e相同的层。控制电极27e既可以具有与n型杂质区域67n的重叠也可以不具有。控制电极27e的功能在后面叙述。
在图2所例示的结构中，放大晶体管22包括半导体基板60上的栅极绝缘层22g、栅极绝缘层22g上的栅极电极22e、以及形成于半导体基板60的n型杂质区域68bn及68cn。n型杂质区域68bn具有与电源布线32(在图2中未图示)之间的连接，作为放大晶体管22的漏极发挥功能。在图2中省略了图示，但典型地在n型杂质区域68bn及电源布线32之间配置将它们电连接的接触插塞。另一方面，n型杂质区域68cn作为放大晶体管22的源极发挥功能。在该例中，元件分离区域69也设在作为放大晶体管22的漏极的n型杂质区域68bn与作为复位晶体管26的漏极的n型杂质区域67n之间。
如上述那样，在栅极电极22e上连接着插塞84，栅极电极22e及像素电极12a经由布线层80a～80d及插塞82a～82d而被电连接。因而，在摄像装置100动作时，从放大晶体管22输出与像素电极12a的电位对应的信号电压。此外，放大晶体管22的栅极电极22e经由插塞84、布线层80a及接触插塞86，也连接于作为复位晶体管26的漏极的n型杂质区域67n。因而，通过使复位晶体管26导通，将存储在电荷蓄积区域中的电荷复位，并且将放大晶体管22的栅极电极22e的电位也复位为规定的反馈电压。
地址晶体管24包括半导体基板60上的栅极绝缘层24g、栅极绝缘层24g上的栅极电极24e、以及形成于半导体基板60的n型杂质区域68cn及68dn。在该例中，地址晶体管24通过与放大晶体管22共用n型杂质区域68cn，从而与放大晶体管22电连接。n型杂质区域68cn作为地址晶体管24的漏极发挥功能。另一方面，n型杂质区域68dn作为地址晶体管24的源极发挥功能。n型杂质区域68dn具有与垂直信号线35(在图2中未图示)之间的连接。在图2中省略了图示，但典型地在n型杂质区域68dn及垂直信号线35之间配置将它们电连接的接触插塞。
图3表示单位像素单元10中的各元件的布局的一例。图3示意地表示从半导体基板60的法线方向观察时的、形成于半导体基板60的各元件(放大晶体管22、地址晶体管24、复位晶体管26等)的配置。在图3所例示的结构中，在放大晶体管22及地址晶体管24的组的周围、和复位晶体管26的周围，形成有用于与其他单位像素单元10的信号检测电路14之间的电绝缘的元件分离区域69。元件分离区域69例如是p型的杂质扩散区域。
在该例中，放大晶体管22及地址晶体管24沿着列方向(图3中的上下方向)配置为直线状。此外，控制电极27e及复位晶体管26的栅极电极26e沿着列方向配置为直线状。如果沿着图3的A－A’线将单位像素单元10切断而展开，则能得到图2所示的剖视图。另外，在本说明书中，行方向是指行延伸的方向，列方向是指列延伸的方向。例如，在图1中，纸面的上下方向是列方向，纸面的横向是行方向。
如图示那样，在该例中，接触插塞86配置在控制电极27e与复位晶体管26的栅极电极26e之间。换言之，形成于半导体基板60的n型杂质区域67n中的与接触插塞86接触的部分、即第1区域67a位于控制电极27e与复位晶体管26的栅极电极26e之间。如后述那样，以夹着第1区域67a而与复位晶体管26的栅极电极26e对置的方式配置控制电极27e，通过对控制电极27e的电位进行控制，能够抑制由结晶缺陷引起的漏电流。
在图3所例示的结构中，控制电极27e和复位晶体管26的栅极电极26e通过具有与复位信号线36之间的连接的信号线38而被连接。因而，在摄像装置100动作时，能够向控制电极27e及栅极电极26e共通地施加复位信号。复位信号线36以及将控制电极27e与栅极电极26e连接的信号线38可以是布线构造80的一部分。沿着行方向延伸的复位信号线36及地址信号线34典型地是布线层80b(参照图2)的一部分。
另外，电源布线32典型地沿列方向延伸。通过以沿着列方向延伸的方式形成电源布线32，与以沿着行方向延伸的方式形成电源布线32的情况相比，能够减少电源布线32中的电压下降。这是因为，由于信号的读出时的单位像素单元10的选择以行为单位，所以如果以沿着行方向延伸的方式形成电源布线32，则必须使1行的全部单位像素单元10的驱动所需要的大小的电流流过1个电源布线32。如果以沿着列方向延伸的方式形成电源布线32，则流过某个电源布线32的电流的大小是从多个行中选择的某个行的1个单位像素单元10的驱动所需要的大小即可。
接着，参照图4及图5，说明通过向控制电极27e及栅极电极26e施加的电压的控制而实现的耗尽层的大小的控制。以下，假设复位晶体管26的阈值电压是0.5V而进行说明。
图4及图5将复位晶体管26附近的单位像素单元10的截面放大而示意地表示。图4表示对控制电极27e施加了0V的状态。图5表示对栅极电极26e施加了负的电压Vn(Vn<0)的状态。在图4及图5中，由虚线包围的区域示意地表示形成于p型半导体层65p的耗尽层的大小。图4及图5中的两箭头DR表示半导体基板60的表面的耗尽层的宽度。
在使用摄像装置100的摄影中，在复位晶体管26为截止的状态下执行曝光、即向电荷蓄积区域的信号电荷的蓄积。即，当向电荷蓄积区域蓄积信号电荷时，将复位晶体管26的阈值电压以下的电压经由复位信号线36向复位晶体管26的栅极电极26e施加。例如，在对复位晶体管26的栅极电极26e施加了0V的状态(图4)下，复位晶体管26是截止的状态。这里，由于复位晶体管26的栅极电极26e和控制电极27e被信号线38连接，所以对控制电极27e也施加0V。
此时，半导体基板60中的耗尽层除了n型杂质区域67n与p型杂质区域66p之间的界面附近、以及n型杂质区域68an与p型半导体层65p之间的界面附近以外，还扩大到复位晶体管26的栅极电极26e及控制电极27e的下方。如在图4中用两箭头DR示意地表示那样，耗尽层中的出现在半导体基板60表面的部分从栅极电极26e的下方延伸到接触插塞86的附近，此外，从控制电极27e的下方延伸到接触插塞86的附近。
这里，如果使向复位信号线36施加的电压降低，则如在图5中示意地表示那样，耗尽层被从复位晶体管26的栅极电极26e及控制电极27e的下方清除。并且，在接触插塞86的周围，耗尽层中的出现在半导体基板60表面的部分的宽度DR变小。这是因为，通过向栅极电极26e及控制电极27e的负电压的施加，在栅极电极26e及控制电极27e的下方蓄积正的载流子(空穴)。此时的电压Vn的值例如可以是(－2V)左右。
这样，以夹着接触插塞86而与栅极电极26e对置的方式配置控制电极27e，控制向栅极电极26e及控制电极27e的施加电压，从而能够缩小在接触插塞86的周围的半导体基板60的表面出现的耗尽层。结果，能得到抑制由结晶缺陷引起的漏电流的效果，向电荷蓄积区域的噪声混入减少。复位晶体管26由于在用来将电荷蓄积区域的电位复位的期间以外的期间中基本上被设为截止，所以能够将用来控制复位动作的控制信号用于耗尽层的缩小。
另外，在参照图3说明的元件布局中，当从半导体基板60的表面的法线方向观察时，栅极电极26e及控制电极27e的外形是矩形。但是，栅极电极26e及控制电极27e的外形并不限定于该例。当从半导体基板60的表面的法线方向观察时，只要接触插塞86与半导体基板60之间的连接部(这里是接触插塞86与第1区域67a之间的连接部分)位于栅极电极26e与控制电极27e之间，就能得到漏电流抑制的效果。但是，从缩小在半导体基板60的表面出现的耗尽层的观点来看，以接触插塞86与半导体基板60之间的连接部分为中心、将栅极电极26e和控制电极27e相互以180度配置在相反侧是有益的。换言之，如图3所示，通过配置成使控制电极27e和栅极电极26e对于接触插塞86与半导体基板60之间的连接部分对称，能够更有效地缩小在半导体基板60的表面出现的耗尽层。
当从半导体基板60的表面的法线方向观察时，规定栅极电极26e的外形的边中的与控制电极27e对置的边、和规定控制电极27e的外形的边中的与栅极电极26e对置的边不需要是严格平行的。这些边也不需要严格地是直线。规定栅极电极26e的外形的边及规定控制电极27e的外形的边在微观上看通常具有起伏。
本申请中的第1区域由本实施方式的p型杂质区域66p例示。第2区域由n型杂质区域67n例示。第1区由半导体基板60的表面中的p型杂质区域66p露出的部分例示。第2区由半导体基板60的表面中的n型杂质区域67n露出的部分例示。第1浓度区域由第2区域67b例示。第2浓度区域由第1区域67a例示。接触插塞由接触插塞86例示。
此外，本申请中的第1晶体管由复位晶体管26例示。第1绝缘层由栅极绝缘层26g例示。第1电极由栅极电极26e例示。第2绝缘层由绝缘层27g例示。第2电极由控制电极27e例示。布线由信号线38例示。电压线由反馈线53例示。
(第1实施方式的变形例)
图6表示第1实施方式的变形例的单位像素单元10A。图7将复位晶体管26附近的单位像素单元10A的截面放大而示意地表示。在图3所示的单位像素单元10中，向栅极电极26e及控制电极27e施加共通的电压。相对于此，在图6所示的单位像素单元10A中，能够向栅极电极26e和控制电极27e独立地施加不同的电压。
在图6所例示的结构中，在复位晶体管26的栅极电极26e上连接着复位信号线36。另一方面，在控制电极27e上连接着耗尽层控制线37。耗尽层控制线37例如具有与垂直扫描电路46(参照图1)之间的连接。通过在栅极电极26e及控制电极27e上分别连接单独的信号线，在摄像装置100动作时，能够独立地控制向栅极电极26e及控制电极27e分别施加的电压。
图7示意地表示对栅极电极26e及控制电极27e分别施加了负电压Vn1及Vn2(Vn2≠Vn1)的状态。在该例中，向控制电极27e施加了比向栅极电极26e施加的电压低的电压。即，这里是Vn2<Vn1。在此情况下，与栅极电极26e下方相比，被施加更低的电压的控制电极27e下方的载流子(这里是空穴)的密度更高。因而，在距控制电极27e较近的部分，与距栅极电极26e较近的部分相比，能够更强地得到缩小耗尽层中的在半导体基板60的表面出现的部分的宽度的效果。如在图7中示意地表示那样，在该例中，距控制电极27e较近的部分中的耗尽层的宽度DR2小于距栅极电极26e较近的部分中的耗尽层的宽度DR1。这样，通过向控制电极27e施加与向栅极电极26e施加的电压不同的负电压，也能够将耗尽层中的在半导体基板60的表面出现的部分的宽度缩小。因而，能够抑制由结晶缺陷引起的漏电流。
这样，摄像装置100动作时的栅极电极26e及控制电极27e的电位不需要是共通的。通过向栅极电极26e及控制电极27e分别连接单独的信号线，能够不依存于复位晶体管26的导通及截止的动作而向控制电极27e施加所希望的电压。例如，能够进行当摄像装置100动作时始终向控制电极27e施加负电压这样的控制。
图8表示第1实施方式的其他变形例的单位像素单元10B。图3所示的单位像素单元10与图8所示的单位像素单元10B的不同点在于，单位像素单元10B具有共用漏极的两个复位晶体管26及28。
在图8所例示的结构中，复位晶体管28相对于接触插塞86而与复位晶体管26对称地形成。即，在该例中，当从半导体基板60的表面的法线方向观察时，接触插塞86与半导体基板60之间的连接部分位于复位晶体管26的栅极电极26e与复位晶体管28的栅极电极28e之间。
复位晶体管26的栅极电极26e及复位晶体管28的栅极电极28e都与n型杂质区域67n的至少一部分重叠。复位晶体管26及复位晶体管28共用作为漏极的n型杂质区域67n。复位晶体管28中，作为源极而包括n型杂质区域68en。n型杂质区域68en与n型杂质区域68an同样地连接于反馈线53。如图示那样，这里，复位晶体管26的栅极电极26e及复位晶体管28的栅极电极28e都连接于复位信号线36，在摄像装置100动作时被施加共通的复位信号。
图9将复位晶体管26及复位晶体管28附近的单位像素单元10B的截面放大而示意地表示。如在图9中示意地表示那样，复位晶体管28包括半导体基板60上的栅极绝缘层28g、栅极绝缘层28g上的栅极电极28e、作为漏极的n型杂质区域67n及作为源极的n型杂质区域68en。在该例中，在n型杂质区域68en与p型半导体层65p之间的界面附近也形成有耗尽层。
图9示意地表示向复位晶体管26的栅极电极26e及复位晶体管28的栅极电极28e施加了负电压Vn的状态。如在图9中示意地表示那样，通过向复位晶体管28的栅极电极28e施加负电压Vn，与复位晶体管26的栅极电极26e同样，能够使正的载流子(空穴)蓄积到复位晶体管28的栅极电极28e的下方。因而，能够将耗尽层从栅极电极28e的下方清除。即，能够使复位晶体管28的栅极电极28e与上述控制电极27e同样地发挥功能。
由于复位晶体管28的栅极电极28e与控制电极27e同样地发挥功能，耗尽层中的在半导体基板60的表面出现的部分的宽度DR缩小。结果，能得到抑制由结晶缺陷引起的漏电流的效果。这样，也可以以夹着接触插塞86相互对置的方式配置复位晶体管26及复位晶体管28。通过将并行地动作的两个复位晶体管26及28配置在单位像素单元10B内，还能得到使导通电流增大的效果。
本申请中的第1晶体管由本实施方式的复位晶体管26例示。第2晶体管由复位晶体管28例示。
(第2实施方式)
图10表示本申请的第2实施方式的单位像素单元20中的各元件的布局的一例。第1实施方式与第2实施方式之间的主要不同点在于，在第2实施方式中，复位晶体管的栅极电极具有将接触插塞86包围那样的形状。
在图10所例示的结构中，单位像素单元20包括具有环状的栅极电极26De的复位晶体管26D。如图10所示，栅极电极26De在其中央具有开口AP1。如图示那样，接触插塞86在栅极电极26De的开口AP1的内侧连接于半导体基板60的n型杂质区域67n。
在本说明书中，所谓“环状”并不限于圆环，广泛地包括在俯视中具有开口的形状。“环状”的外形并不限定于圆，可以是椭圆、三角形、四边形、多边形、不定形等。同样，开口的形状也并不限定于圆，可以是椭圆、三角形、四边形、多边形、不定形等。“环状”的外形和开口的形状也不需要一致。此外，“环状”并不限定于用闭曲线表现的形状，也可以具有将开口的内部连结到外部的部分。因而，本说明书的“环状”可解释为也包含例如C字状的形状。
在该例中，当从半导体基板60的表面的法线方向观察时，开口AP1具有矩形状。从半导体基板60的表面的法线方向观察时的开口AP1的形状例如也可以是圆。开口AP1的形状接近于圆更能有效地缩小半导体基板60的表面中的、在被栅极电极26De包围的接触插塞86的周围部分出现的耗尽层。此外，从像素的微细化的观点来看，如果开口AP1的形状接近于圆，则容易使栅极电极26De自身的面积较小从而是有利的。这样，形成于栅极电极的开口的形状并不限定于矩形状。
图11将复位晶体管26D附近的单位像素单元20的截面放大而示意地表示。配置在栅极电极26De与半导体基板60之间的栅极绝缘层26Dg，与栅极电极26De同样地形成为环状，在与栅极电极26De的开口AP1重叠的位置具有开口。如在图11中示意地表示那样，n型杂质区域67n具有在开口AP1内露出的部分。
图11表示向栅极电极26De施加了负的电压Vn的状态。如在图11中示意地表示那样，在将控制电极27e省略而使用环状的栅极电极26De的情况下，也与第1实施方式同样，能够将形成于半导体基板60的耗尽层中的、半导体基板60的表面处的宽度DR缩小。通过将复位晶体管26D的栅极电极26De的形状做成将接触插塞86与半导体基板60之间的连接部分包围的形状，能够整体地缩小在接触插塞86的周围形成于半导体基板60的表面附近的耗尽层。
图12表示改变复位晶体管的栅极构造而得到的暗电流的测量结果的一例。图12所示的曲线图的横轴表示向复位晶体管的栅极电极施加的电压的大小，表示出越向左则施加绝对值越大的负电压。图12所示的曲线图的纵轴用对数标尺表示电荷蓄积区域与半导体基板间的暗电流的大小。
这里，作为栅极构造A、B及C，分别使用图13、图14及图15所示那样的电极构造。图13所示的电极构造(栅极构造A)是不具有控制电极27e的比较例的电极构造。图14所示的电极构造(栅极构造B)是与参照图3说明的电极构造同样的电极构造，以夹着接触插塞86而对置的方式配置有相互电连接的控制电极27e及栅极电极26e。图15所示的电极构造(栅极构造C)是与参照图10说明的电极构造同样的电极构造，接触插塞86位于环状的栅极电极26De的开口AP1的内侧。图13、图14及图15中的两箭头da、db及dc表示复位晶体管的栅极电极与接触插塞86之间的距离。这里，da<db<dc。因而，在不向栅极电极施加电压的情况下，半导体基板60的表面附近的耗尽层中的、在接触插塞86的周围出现的部分的面积可以为，栅极构造A<栅极构造B<栅极构造C。
但是，根据图12可知，通过使栅极电压为负电压，栅极构造B及栅极构造C相比于栅极构造A而言暗电流减小。这是因为，在栅极构造B及栅极构造C中，通过在栅极电极(栅极电极26e或26De)的下方及控制电极27e的下方蓄积正的载流子(空穴)，形成于半导体基板60的耗尽层中的、在半导体基板60的表面出现的部分的面积缩小。
根据图12可知，在栅极电压更低的区域，相比于栅极构造B，栅极构造C对于暗电流的减小能得到更高的效果。这是因为，在栅极构造B中耗尽层从两方向朝向接触插塞86缩小，相对于此，在栅极构造C中耗尽层从4方向朝向接触插塞86缩小。但是，在如栅极构造B那样以夹着接触插塞86而对置的方式配置两个电极(这里是控制电极27e及栅极电极26e)的构造中，能得到容易使像素微细化的优点。
在参照图10及图11说明的例子中，由于将栅极电极26De的形状做成了将接触插塞86的四方包围的形状，所以与将控制电极27e及栅极电极26e对置配置的情况相比，能够更有效地缩小接触插塞86的周围的耗尽层。结果，能够更有效地抑制由结晶缺陷引起的漏电流。
本申请的第3电极由本实施方式的栅极电极26De例示。
(第3实施方式)
图16表示本申请的第3实施方式的摄像装置中的单位像素单元的例示性电路结构。图16所示的单位像素单元30，与图1所示的单位像素单元10之间的主要的不同点在于，单位像素单元30中的信号检测电路15还具有第1电容元件51、第2电容元件52及反馈晶体管56。
在图16所例示的结构中，信号检测电路15包括连接于复位晶体管26的源极与反馈线53之间的反馈晶体管56。在反馈晶体管56的栅极，连接着反馈控制线58。反馈控制线58例如连接于垂直扫描电路46(参照图1)，在摄像装置100动作时，通过垂直扫描电路46控制反馈晶体管56的栅极电压。
信号检测电路15包括连接在复位晶体管26的源极及漏极之间的第1电容元件51。第1电容元件51具有比较小的电容值。此外，信号检测电路15包括一方的电极连接在复位晶体管26及反馈晶体管56之间的节点上的第2电容元件52。第2电容元件52具有比第1电容元件51大的电容值。第2电容元件52及反馈晶体管56能够作为RC滤波电路发挥功能。
如图示那样，第2电容元件52的另一方的电极连接于灵敏度调整线54。灵敏度调整线54例如连接于垂直扫描电路46(参照图1)，在摄像装置100动作时，灵敏度调整线54的电位被设定为例如0V(基准电位)。以下，有时将复位晶体管26与第2电容元件52之间的节点称作“复位漏极节点RD”。
在第3实施方式中，通过反馈晶体管56的栅极电压的控制，形成使单位像素单元30的输出负反馈的反馈路径。如后述那样，通过反馈路径的形成，能够将伴随着复位晶体管26的截止动作而发生的kTC噪声消除。
在将反馈晶体管56连接在复位晶体管26与反馈线53之间的电路结构中，从能够减小复位漏极节点RD处的漏电流和噪声减小的观点看是有益的。与电荷蓄积节点FD同样，对于复位漏极节点RD，也通过使用上述电极构造，能够减小复位漏极节点RD处的漏电流。
图17表示图16所示的单位像素单元30的器件构造的一例。图17所示的半导体基板70包括形成在p型半导体层63p上的p型半导体层75p。如在图17中示意地表示那样，p型半导体层75p具有p型杂质区域66p及p型杂质区域76p。p型杂质区域76p中的杂质浓度可以是与p型杂质区域66p相同的程度。在p型杂质区域76p中形成有n型杂质区域77n。这里，复位晶体管26的栅极电极26e的一部分与n型杂质区域77n的一部分重叠，n型杂质区域77n作为复位晶体管26的源极发挥功能。
在图示的例子中，n型杂质区域77n与n型杂质区域67n同样地，包括第1区域77a及第2区域77b。第1区域77a配置在第2区域77b内，具有比第2区域77b高的杂质浓度。
在第1区域77a，连接着接触插塞89。n型杂质区域77n内的高杂质浓度的第1区域77a的形成不是必须的，但通过在n型杂质区域77n内形成第1区域77a，能得到接触电阻减小的效果。
接触插塞89可以是上述布线构造80的一部分。接触插塞89将与第2电容元件52(未图示)的电极中的没有连接于灵敏度调整线54(未图示)的一侧的电极相连接的布线81、与第1区域77a电连接。这里，布线81与布线层80a是同层的。
在图17所例示的结构中，反馈晶体管56中，作为源极及漏极的一方而包括n型杂质区域77n。反馈晶体管56包括半导体基板70上的栅极绝缘层56g及栅极绝缘层56g上的栅极电极56e。如在图17中示意地表示那样，栅极电极56e的至少一部分与n型杂质区域77n重叠。典型地，绝缘层27g、复位晶体管26的栅极绝缘层26g及反馈晶体管56的栅极绝缘层56g是同层的。此外，控制电极27e、复位晶体管26的栅极电极26e及反馈晶体管56的栅极电极56e是同层的。形成于p型半导体层75p的n型杂质区域68an在这里作为反馈晶体管56的源极及漏极的另一方发挥功能。
图18表示单位像素单元30中的各元件的布局的一例。在图18所示的例子中，与参照图3说明的结构同样地，控制电极27e及复位晶体管26的栅极电极26e以夹着接触插塞86相互对置的方式配置。另外，如果沿着图18的B－B’线将单位像素单元30切断而展开，则能得到图17所示的剖视图。
在该例中，复位晶体管26及反馈晶体管56沿着列方向配置为直线状。因而，这里，接触插塞89与半导体基板70之间的连接部分(这里是n型杂质区域77n的第1区域77a)位于复位晶体管26的栅极电极26e与反馈晶体管56的栅极电极56e之间。换言之，复位晶体管26的栅极电极26e及反馈晶体管56的栅极电极56e以夹着接触插塞89相互对置的方式配置。
因而，通过对栅极电极26e及栅极电极56e分别施加复位晶体管26及反馈晶体管56的阈值电压以下的电压(特别是负电压)，通过与参照图4及图5说明的原理同样的原理，能够缩小半导体基板70的表面中的、在栅极电极26e及栅极电极56e之间出现在接触插塞89周围的耗尽层的宽度。即，通过向复位晶体管26及反馈晶体管56施加的栅极电压的控制，能够抑制复位漏极节点RD处的漏电流。这样，关于复位漏极节点RD，也与电荷蓄积节点FD同样地，能够采用这样的电极结构，即：以将接触插塞89与半导体基板70之间的连接部分(这里是n型杂质区域77n的第1区域77a)从至少两方向夹着的方式，配置复位晶体管26的栅极电极26e及反馈晶体管56的栅极电极56e。
本申请的第1区域由本实施方式的p型杂质区域76p例示。第2区域由n型杂质区域77n例示。第1区由半导体基板60的表面中的p型杂质区域76p露出的部分例示。第2区由半导体基板60的表面中的n型杂质区域77n露出的部分例示。第1浓度区域由第2区域77b例示。第2浓度区域由第1区域77a例示。接触插塞由接触插塞89例示。
此外，本申请的第1晶体管由本实施方式的复位晶体管26例示。第2绝缘层由绝缘层56g例示。第2电极由栅极电极56e例示。第2晶体管由反馈晶体管56例示。
图19表示第3实施方式的单位像素单元的变形例。图19所示的单位像素单元30A，代替复位晶体管26而包括具有环状的栅极电极26De的复位晶体管26D。在这样的结构中，也通过以夹着接触插塞89相互对置的方式配置栅极电极26De及栅极电极56e，能得到复位漏极节点RD处的漏电流的抑制效果。
另外，单位像素单元中的复位晶体管的栅极电极及反馈晶体管的栅极电极不需要对于接触插塞89一定对称地配置。图20表示第3实施方式的单位像素单元的其他变形例。图20所示的单位像素单元30B包括具有形成有两个开口AP1及AP2的栅极电极26Df的复位晶体管26F及具有环状的栅极电极56De的反馈晶体管56D。
图20将单位像素单元30B中的、复位晶体管26F及反馈晶体管56D的周边取出而表示。如图20所例示那样，可以将反馈晶体管56D和复位晶体管26F分离而配置在单位像素单元30B中。在该例中，反馈晶体管56D的栅极电极56De具有开口AP3，接触插塞89在开口AP3的内侧连接于半导体基板70。这里，在半导体基板70，形成有作为复位晶体管26F的源极发挥功能的n型杂质区域69n。n型杂质区域69n在栅极电极26Df的开口AP2的内侧与电连接在接触插塞89上的接触插塞91电连接。n型杂质区域69n可以具有与n型杂质区域67n同样的结构。例如，n型杂质区域69n可以具有相当于n型杂质区域67n中的第1区域67a的、杂质浓度相对较高的区域。接触插塞91可以连接于n型杂质区域69n中杂质浓度相对较高的该区域。通过将接触插塞91与n型杂质区域69n之间的接点形成在开口AP2的内侧，能够抑制该接点的周边的漏电流的发生。
另外，在图20中，表示复位晶体管26F及反馈晶体管56D包括具有相互不同的形状的栅极电极的例子。如图20所示，复位晶体管及反馈晶体管不需要具有相同形状的栅极电极。此外，复位晶体管26F中的栅极电极的外形并不限定于图20所例示的栅极电极26Df那样的矩形。复位晶体管26F的栅极电极的外形例如也可以如图21所示的栅极电极26Dh那样，是在将包围开口AP1的部分与包围开口AP2的部分连结的中央部具有缩颈的形状。
这里，再次参照图16说明利用反馈路径的形成的噪声消除的概要。在具有图16所例示的电路结构的摄像装置中，噪声消除按每个行以像素单位来执行。
在图16所例示的电路结构中，通过使复位晶体管26及反馈晶体管56导通，将反馈线53的电压施加到电荷蓄积节点FD，电荷蓄积节点FD的电位被复位。接着，使复位晶体管26截止。
通过使复位晶体管26截止而发生kTC噪声。但是，在反馈晶体管56导通的期间中，形成有在其路径中包括电荷蓄积节点FD、放大晶体管22、反馈晶体管56及第1电容元件51的反馈路径的状态持续。因此，当形成了反馈路径时(也可以说是反馈晶体管56非截止时)，反馈晶体管56输出的信号在由第1电容元件51和电荷蓄积节点FD的寄生电容形成的衰减电路中衰减。如果设第1电容元件51及电荷蓄积节点FD的寄生电容的电容值分别为C1及Cfd，则此时的衰减率B表示为B＝C1/(C1+Cfd)。
接着，使反馈晶体管56截止。此时，例如，以跨反馈晶体管56的阈值电压的方式，使反馈控制线58的电压电平从高电平逐渐降低到低电平。当使反馈控制线58的电位从高电平朝向低电平逐渐降低，则反馈晶体管56的电阻逐渐增加。当反馈晶体管56的电阻增加，则反馈晶体管56的动作频带变窄，反馈的信号的频率域变窄。
当反馈控制线58的电压达到低电平，则反馈晶体管56截止，反馈路径的形成解除。此时，如果反馈晶体管56的动作频带是与放大晶体管22的动作频带相比足够低的频带，则在反馈晶体管56中发生的热噪声通过反馈电路16而被抑制为1/(1+AB)1/2倍。这里，式中的A是反馈电路16的增益。这样，通过在反馈晶体管56的动作频带比放大晶体管22的动作频带低的状态下使反馈晶体管56截止，能够减小残留在电荷蓄积节点FD的kTC噪声。
根据上述动作可知，复位晶体管26及反馈晶体管56在用来将电荷蓄积区域的电位复位的期间以及由反馈路径的形成带来的噪声消除以外的期间中基本上截止。因而，在电荷的蓄积时及信号的读出时，能够对复位晶体管26的栅极电极26e及反馈晶体管56的栅极电极56e施加负电压。
(其他变形例)
在上述各实施方式中，以将接触插塞(接触插塞86或89)至少从两方向包围的方式配置1个以上的电极，通过控制向这些电极施加的电压，控制这些电极的下方的载流子浓度。在上述各实施方式中，通过使正的载流子(空穴)蓄积到这些电极的下方，将形成于半导体基板(半导体基板60或70)的耗尽层中的、在接触插塞的周围出现在半导体基板的表面的部分的面积缩小。即，在上述各实施方式中，通过将半导体基板的表面中的、没有被栅极电极或控制电极覆盖的部分的表面附近的耗尽层缩小，得到漏电流抑制的效果。相对于此，在以下说明的变形例中，使用能够将形成于半导体基板的耗尽层中的、出现在半导体基板的表面的部分引入到栅极电极及/或控制电极的下方的结构。
图22示意地表示又一其他变形例的单位像素单元中的复位晶体管26的附近的截面。图22所例示的单位像素单元40具有与参照图4及图5说明的单位像素单元10大致相同的截面构造。但是，图22所示的半导体基板71中的p型杂质区域66p，代替n型杂质区域67n而具有杂质浓度比较高的n型杂质区域72n。在该例中，n型杂质区域72n包括第2区域72b、和形成在第2区域72b内且杂质浓度相对较高的第1区域72a，接触插塞86连接于该第1区域72a。
n型杂质区域72n中的第2区域72b的杂质浓度比上述n型杂质区域67n中的第2区域67b的杂质浓度高。n型杂质区域67n中的第2区域67b的杂质浓度例如是1×1016/cm3～2×1017/cm3左右(“×”表示乘法)的范围，相对于此，图22所示的第2区域72b的杂质浓度可以是例如1×1018～5×1018/cm3左右的范围。图22所示的第1区域72a的杂质浓度可以是与上述n型杂质区域67n中的第1区域67a的杂质浓度大致相同的程度。第1区域72a的杂质浓度典型地是1×1019/cm3以上，例如是1×1019/cm3～5×1020/cm3左右的范围。因而，n型杂质区域72n的杂质浓度例如是1×1018/cm3以上。
图22示意地表示向控制电极27e及复位晶体管26的栅极电极26e施加了负电压Vn的状态。在上述各实施方式中，p型杂质区域66p中的n型杂质区域67n的杂质浓度被设定得比较低。因而，当向控制电极27e及复位晶体管26的栅极电极26e施加了负电压Vn时，在这些电极的下方容易蓄积正的电荷(参照图5)。另一方面，在图22所例示的结构中，由于n型杂质区域72n的杂质浓度比较高，所以形成于半导体基板71的耗尽层中的、半导体基板71的表面附近的部分，如在图22中示意地表示那样，位于控制电极27e的下方及栅极电极26e的下方。
半导体基板71的表面中的、配置有绝缘层(这里是绝缘层27g及栅极绝缘层26g)的部分，与半导体基板71的表面的其他部分相比，可以认为结晶缺陷较少。根据图22所例示的结构，形成于半导体基板71的耗尽层中的、半导体基板71的表面附近的部分，出现在结晶缺陷更少的、控制电极27e的下方及栅极电极26e的下方。因而，能得到抑制由结晶缺陷引起的漏电流的效果。
如以上说明，根据本申请的实施方式，由于能够抑制漏电流的影响，所以提供能够以高画质进行摄像的摄像装置。另外，上述放大晶体管22、地址晶体管24、复位晶体管26、26D、26F及28、以及反馈晶体管56及56D分别可以是N沟道MOS，也可以是P沟道MOS。它们不需要全部统一为N沟道MOS或P沟道MOS中的某种。例如在参照图1说明的电路结构中，在使放大晶体管22、地址晶体管24及复位晶体管26分别为N沟道MOS、作为信号电荷而使用电子的情况下，只要将这些晶体管的各自的源极及漏极的配置相互替换就可以。
本申请的摄像装置对于例如图像传感器、数码相机等是有用的。本申请的摄像装置能够用于医疗用相机、机器人用相机、监控相机、搭载在车辆中使用的相机等。
标号说明
10、10A、10B 单位像素单元
20、30、30A、30B、40 单位像素单元
12 光电变换部
14、15 信号检测电路
22 放大晶体管
24 地址晶体管
26、26D、26F、28 复位晶体管
26e、26De、26Df、26Dh、28e 复位晶体管的栅极电极
27e 控制电极
32 电源布线
34 地址信号线
35 垂直信号线
36 复位信号线
37 耗尽层控制线
39 蓄积控制线
50 反相放大器
53 反馈线
54 灵敏度调整线
56、56D 反馈晶体管
56e、56De 反馈晶体管的栅极电极
58 反馈控制线
60、70、71 半导体基板
66p、76p p型杂质区域
67n、72n、77n、69n n型杂质区域
80 布线构造
80a～80d 布线层
81 布线
86、89、91 接触插塞
88 连接部
100 摄像装置
AP1、AP2、AP3 开口

Claims (12)

1.一种摄像装置，其特征在于，
具有半导体基板和多个单位像素单元；
上述多个单位像素单元分别具备：
第1导电型的第1区域，位于上述半导体基板内，在上述半导体基板的表面的第1区中在上述半导体基板的上述表面上露出；
与上述第1导电型不同的第2导电型的第2区域，在上述半导体基板内与上述第1区域直接邻接，在第2区中在上述半导体基板的上述表面上露出，该第2区的周围被上述第1区包围；
光电变换部，位于上述半导体基板的上述表面的上方；
接触插塞，位于上述半导体基板的上述表面与上述光电变换部之间，与上述第2区域连接；
第1晶体管，包括将上述第1区内的第1部分覆盖的第1电极、和上述半导体基板与上述第1电极之间的第1绝缘层，将上述第2区域作为源极及漏极的一方；
第2电极，将上述第1区内的与上述第1部分不同的第2部分覆盖；以及
上述半导体基板与上述第2电极之间的第2绝缘层；
当从与上述半导体基板的上述表面垂直的方向观察时，上述第2区域与上述接触插塞之间的连接部位于上述第1电极与上述第2电极之间。
2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述单位像素单元分别还具备将上述第1电极和上述第2电极电连接的布线。
3.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
还具备被施加将上述光电变换部的电荷初始化的复位电压的电压线；
上述电压线连接于上述第1晶体管的上述源极及上述漏极的另一方。
4.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述第1绝缘层和上述第2绝缘层是同层的。
5.如权利要求4所述的摄像装置，其特征在于，
上述第1电极和上述第2电极是同层的。
6.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述第2区域包括第1浓度区域和杂质浓度比上述第1浓度区域高的第2浓度区域；
上述接触插塞连接于上述第2浓度区域。
7.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述接触插塞电连接于上述光电变换部。
8.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
还具备第2晶体管，该第2晶体管包括上述第2电极和上述第2绝缘层并将上述第2区域作为源极或漏极的一方。
9.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述第1电极及上述第2电极构成具有开口的单一的第3电极；
当从与上述半导体基板的上述表面垂直的方向观察时，上述第2区域与上述接触插塞之间的连接部位于上述第3电极的上述开口内。
10.如权利要求9所述的摄像装置，其特征在于，
上述第3电极是C字形状。
11.如权利要求1～10中任一项所述的摄像装置，其特征在于，
当从与上述半导体基板的上述表面垂直的方向观察时，上述第2电极的一部分与上述第2区重叠。
12.如权利要求1～10中任一项所述的摄像装置，其特征在于，
上述第2区域的杂质浓度是1×1018/cm3以上。
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