專利名稱：光接收元件和光電轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于圖象讀取系統(tǒng)如數(shù)字照相機、圖象掃描儀、傳真機、復印機等中的圖象傳感器的光接收元件，以及一種具有該光接收元件的光電轉(zhuǎn)換裝置，特別涉及一種適用于比如密接型圖象傳感器之光電轉(zhuǎn)換裝置的光接收元件的結(jié)構(gòu)，其中設有相對較大的光接收元件，其象素開口部分的尺寸為數(shù)十微米以上。
近年來，CCD圖象傳感器、諸如CMOS圖象傳感器等的非CCD圖象傳感器作為光電轉(zhuǎn)換裝置取得了積極的進展。
一般地，這些光電轉(zhuǎn)換裝置的光接收元件都采用具有半導體PN結(jié)的光電二極管?，F(xiàn)有技術(shù)(1)例如日本專利申請公開No.55-154784中所公開的，提出了一種光接收元件的結(jié)構(gòu)，其中未形成PN結(jié)的基片表面具有一個與基片導電型相同而雜質(zhì)濃度比芯片更大的區(qū)域。從而降低了基片表面產(chǎn)生的暗電流。
圖29A和29B表示傳統(tǒng)光接收元件的結(jié)構(gòu)。標號201表示n型半導體基片；202p型半導體層；203n型半導體層，其雜質(zhì)濃度為5×1015cm-3至10×1015cm-3，厚度為0.2μm至0.3μm；205熱氧化膜；208n+通道隔離區(qū)；209含有氮化物的抗反射鍍膜；215和216鋁電極；228n+型半導體層；238表面電極。符號DL表示耗盡層；而DLS耗盡層的表面部分。
光電二極管的陽極僅由p型半導體層202構(gòu)成。因此當雜質(zhì)濃度降低時，會損害與電極215的歐姆接觸特性。相反地，當雜質(zhì)濃度提高時，耗盡層DL不會延伸至半導體層202?，F(xiàn)有技術(shù)(2)例如日本專利申請公開No.61-264758中所公開的，提出了一種光接收元件，其中減小了PN結(jié)所形成的結(jié)電容，用作一維光電轉(zhuǎn)換裝置中的光接收元件。
圖30表示諸如CCD圖象傳感器的傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換裝置的俯視圖。標號301表示p型基片，標號302表示n+型積聚部。在p型基片301上n+型積聚部302的周圍是p型光電轉(zhuǎn)換區(qū)，用作一個象素。符號PG表示光閘門；SG移位門；以及SRCCD移位寄存器。
在此結(jié)構(gòu)中，減小了其PN結(jié)區(qū)域，但是增加了其PN結(jié)周長。因此不能有效地減小PN結(jié)的電容，從而不能顯著提高其靈敏度。現(xiàn)有技術(shù)(3)例如日本專利申請公開No.1-303752中所公開的，提出了一種用于密接型圖象傳感器的感光部分的結(jié)構(gòu)，其中通過在其感光部分的芯片端部進行劃線以降低其暗電流。
圖31表示現(xiàn)有技術(shù)的光接收元件的剖面圖。在圖31中，標號301表示p型半導體區(qū)；302n型半導體區(qū)；303p型淺溝道隔離層；305場氧化膜；306p型基片；308p型溝道隔離層；309層間隔離膜；317用以形成開口部分(OP)的遮光膜。耗盡層(DL)延伸入p型半導體區(qū)301，從而所產(chǎn)生的光生載流子(PC)的電子由內(nèi)部磁場聚集在n型半導體區(qū)302中?，F(xiàn)有技術(shù)(4)例如日本專利申請公開No.64-14958中所公開的，具有n型基片/p型區(qū)/n型區(qū)/p型區(qū)截面結(jié)構(gòu)的光電二極管通常用作CCD圖象傳感器的光接收元件。
圖32表示現(xiàn)有技術(shù)光接收元件的剖面圖。在圖32中，標號406表示n型基片；401p型半導體區(qū)；402n型半導體區(qū)；403淺溝道p型半導體層；408P+型溝道隔離層；409隔離膜；415由多晶硅構(gòu)成的電極；以及420CCD寄存器的N型區(qū)域?，F(xiàn)有技術(shù)(5)另一方面，例如在日本專利申請公開No.9-205588中，提出了一種采用光接收元件的光電轉(zhuǎn)換裝置，它用光電二極管作為光接收元件，并且通過在該光接收元件上設置電極將其與MOS管的門電極相連，利用一個源極輸出放大器在某個時刻讀取該光接收源極的電荷。
然而，當光接收元件用于聚集光生載流子，并利用電荷-電壓轉(zhuǎn)換裝置從PN光電二極管讀出信號電壓的放大式光電轉(zhuǎn)換裝置時，該光電轉(zhuǎn)換裝置的靈敏度在某些情況下會降低。
對于這種放大式光電轉(zhuǎn)換裝置，其光輸出由下式(1)表示Vp＝Qp/Cs (1)其中Qp為聚集在PN光電二極管中的電荷量，Cs為光電二極管的電容。
例如，對于在象素中有MOS源極跟隨器或復位MOS管與光電二極管相連的放大式光電轉(zhuǎn)換裝置來說，其光電二極管的電容Cs可由下述式(2)表示Cs＝Cpd+Ca(2)其中Cpd為含有光接收部分的PN光電二極管本身的PN結(jié)電容，Ca為與該光電二極管相連部分的其它電容，并且在上述情況下，該其它電容包括構(gòu)成MOS源極跟隨器的MOS管的門電容、源極與復位MOS管之間的結(jié)電容、源極與門極的交疊電容、線路電容，等等。
相應地，為了提高靈敏度，必須有效聚集光生載流子并且盡可能降低用于聚集載流子的光電二極管的電容。
另一方面，當光束入射在光電二極管上時，則在光電二極管中產(chǎn)生電荷，因半導體基片的PN結(jié)表面而形成的耗盡層中及其周圍的電荷聚集在陽極和陰極上。在此情況下，當電極附著在該陽極或陰極時，可以取出其電荷作為電信號?，F(xiàn)有技術(shù)(6)圖33為具有電極的現(xiàn)有技術(shù)光接收元件的剖面圖。在圖33中，標號701表示第一半導體區(qū)，標號702表示用作陽極的第二半導體區(qū)。這些區(qū)域的半導體類型分別是N型和P型。另外，符號DL為由第一半導體區(qū)701和第二半導體區(qū)702之間的PN結(jié)形成的耗盡層。盡管在圖33中沒有顯示，但是在第一半導體區(qū)701和第二半導體區(qū)702之間施加有反向偏壓。另外，標號715表示電極，其通過隔離膜709的接觸孔CH與第二半導體區(qū)702相連。
電極715以金屬，例如鋁作為主要成分。電極715通過覆蓋光電二極管表面的隔離膜709上的接觸孔CH與形成在半導體基片主表面上的電極區(qū)相連。一般地說，該光接收元件通過將導電材料例如鋁與半導體區(qū)相連而構(gòu)成，以便獲得由該半導體區(qū)中光電轉(zhuǎn)換的光生載流子而產(chǎn)生的光信號。
例如，當采用一般的RIE(反應離子刻蝕)方法制作此電極時，通常進行過刻蝕，從而去除不必要的部分。然而在此過刻蝕中，被電場加速的有些離子會穿過隔離膜709而到達半導體基片的主表面，損害了半導體與隔離膜之間界面的鄰近區(qū)域，因而在某些情況下會導致晶體缺陷的產(chǎn)生。
即使在制作好電極之后的步驟中，也會由于光刻膠等的等離子體灰化(ashing)而產(chǎn)生晶體缺陷，如同在上述情況下一樣。
在一般的光接收元件情況下，PN結(jié)存在于半導體基片主表面上形成的半導體區(qū)周圍，其中半導體區(qū)有電極與之相連，并且在多數(shù)情況下其結(jié)表面到達半導體基片主表面與隔離膜之間的界面附近。
因此，當電極在內(nèi)部從結(jié)表面形成至到達半導體基片的主表面時，在結(jié)表面附近會產(chǎn)生由于刻蝕損害引起的晶體缺陷，且該晶體缺陷成為產(chǎn)生載流子的中心。在耗盡層部分所產(chǎn)生的晶體缺陷會引起暗電流的產(chǎn)生。
上述所產(chǎn)生的暗電流也成為引起暗電流變化的因素，因為在所述界面附近所產(chǎn)生的晶體缺陷數(shù)量或晶體缺陷本身的數(shù)量會由于制作電極時掩模的不對準等以及刻蝕條件而改變。
本發(fā)明的第一個目的在于提供一種能夠盡可能降低光電二極管部分的PN結(jié)的電容并能更有效地利用光生載流子的光接收元件。
本發(fā)明的第二個目的在于提供一種能夠在形成耗盡層的半導體區(qū)中抑制晶體缺陷產(chǎn)生的光接收元件。
(1)本發(fā)明的光接收元件包括第一導電型的第一半導體區(qū)(1、11、21、31、81)；第二導電型的第二半導體區(qū)(2、12、32、82)，設在第一半導體區(qū)上；第一導電型的第三半導體區(qū)(3、13、33、83)，設在第二半導體區(qū)與一隔離膜之間；第二導電型的電極區(qū)(4、14、44、84)，設在第二半導體區(qū)中的其上面沒有第三半導體區(qū)的位置上，并且與由導體制成的陽極或陰極電極相連。
光接收陰極的各個部分優(yōu)選為如下設計。
電極區(qū)可以設置成浮置狀態(tài)以積聚光生電荷；并且可以向第一半導體區(qū)施加偏置電壓以便在第一半導體區(qū)與第二半導體區(qū)之間施加反向偏壓。
設在第三半導體區(qū)之下的第二半導體區(qū)可以完全耗盡從而減小其電容。
電極區(qū)可以由陽極或陰極電極加以遮光。
用以將光生電荷移向電極區(qū)的電勢梯度可以在電極區(qū)與第二半導體區(qū)之間形成。
用以將光生電荷移向第二半導體區(qū)的電勢梯度可以在第三半導體區(qū)與第二半導體區(qū)之間以及在第一半導體區(qū)與第二半導體區(qū)之間形成。
陽極或陰極電極可以連接至讀取電路的晶體管(M2)的門極。
可以在第二半導體區(qū)內(nèi)部形成為第二導電型的內(nèi)區(qū)(22)。內(nèi)區(qū)(22)的雜質(zhì)濃度高于第二半導體區(qū)的雜質(zhì)濃度而低于電極區(qū)的雜質(zhì)濃度。
內(nèi)區(qū)(22)可以由多個雜質(zhì)濃度互不相同的部分構(gòu)成。
內(nèi)區(qū)(22)可以構(gòu)造成包含電極區(qū)。
內(nèi)區(qū)(22)可以構(gòu)造為不均勻地分布在形成于遮光膜(17)上的開口部分(OP)中。
內(nèi)區(qū)(22)可以含有一個其寬度隨著內(nèi)區(qū)遠離電極區(qū)而減小的區(qū)域(22A)，以提高載流子收集效率。
寬度減小的區(qū)域(22A)的各個角部可以為鈍角。
內(nèi)區(qū)(22)可以從不均勻分布在形成于所述遮光膜上的開口部分中的電極區(qū)延伸至開口部分中心之上。
內(nèi)區(qū)(22)形成在比第二半導體區(qū)淺的位置。
第二半導體區(qū)可以構(gòu)造成與用于元件隔離的隔離膜相隔開。
第三半導體區(qū)可以構(gòu)造成與電極區(qū)相隔開。
第三半導體區(qū)可以構(gòu)造成包含電極區(qū)。
第二半導體區(qū)的各個角部可以是鈍角。
電極區(qū)可以設置成不均勻分布在形成于遮光膜中的開口部內(nèi)的一端，并且其中用以向第一半導體區(qū)施加電壓的接觸點可以設置在開口部內(nèi)的另一端。
在第二半導體區(qū)中從開口部內(nèi)一端至另一端可以形成有勢能梯度。
第二半導體區(qū)的各個角部可以為鈍角，并且形成在第二半導體區(qū)中的內(nèi)區(qū)(22)的各個角部可以為鈍角。
在第三半導體區(qū)與電極區(qū)之間可以形成有一個低雜質(zhì)濃度的摻雜區(qū)域(43)。
在上述摻雜區(qū)域或之上可以形成陽極或陰極電極。
陽極或陰極電極可以設置成在第三半導體區(qū)與電極區(qū)之間形成的偏移區(qū)域或之上延伸。
陽極或陰極電極可以設置成在電極區(qū)附近形成的耗盡層(DL)與隔離膜(9)之間的界面上延伸。
第二半導體區(qū)的上表面可以由陽極或陰極電極以及第三半導體區(qū)加以覆蓋。
陽極或陰極電極可以與讀取電路晶體管的門極以及復位電路晶體管的源極或漏極相連。
第一半導體區(qū)可以由半導體基片、形成在該半導體基片上的外延層以及形成在該半導體基片中的阱區(qū)之任一構(gòu)成。
(2)本發(fā)明的光接收元件也可以包括第一導電型的第一半導體區(qū)(51、61、71、81)；第二導電型的第二半導體區(qū)(52、62、72、82)，設在第一半導體區(qū)上；第一導電型的第三半導體區(qū)(53、63、73、83)，設在含有第一和第二半導體區(qū)的半導體基片的表面與鄰接該半導體基片表面的一隔離膜(9)之間；以及由導體制成的陽極或陰極電極(15)，該陽極或陰極電極與第二半導體區(qū)相連，其中陽極或陰極電極具有一個延伸部分，覆蓋由第二半導體區(qū)和第三半導體區(qū)之間形成的耗盡層(DL)與隔離膜相接觸的部分(59、69、89)的上部。
本發(fā)明的各光接收元件可以優(yōu)選如下設計。
第一半導體區(qū)可以由外延層構(gòu)成，第二半導體區(qū)可以形成在第一半導體區(qū)內(nèi)的上表面，并且可以使其陽極或陰極電極的上表面面積大于第二半導體區(qū)的上表面面積。
第二半導體區(qū)可以由多個雜質(zhì)濃度彼此不同的部分構(gòu)成，并且可以使其陽極或陰極電極的上表面面積大于第二半導體區(qū)的上表面面積。
第二半導體區(qū)可以由一個高雜質(zhì)濃度的部分和一個低雜質(zhì)濃度的部分構(gòu)成，并且第三半導體區(qū)可以形成在低雜質(zhì)濃度部分的上表面上。
陽極或陰極電極的延伸部分可以覆蓋至少一個第三半導體區(qū)或其上的部分。
通過將上述的這些光接收元件、光源例如LED、以及成象元件加以結(jié)合，可以獲得本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置。


圖1A為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖1B為根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件的剖面圖；圖1C為根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件沿水平方向的電勢分布示意圖；圖1D為根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件沿垂直方向的電勢分布示意圖2表示根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件中的雜質(zhì)濃度分布曲線；圖3表示根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件的施加電壓與電容之間關(guān)系的曲線圖；圖4為本發(fā)明中采用的讀取電路和復位電路的電路圖；圖5A為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖5B為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖6A、6B和6C表示用于制作根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件的方法的示意剖面圖；圖7為本發(fā)明中采用的讀取電路和復位電路的電路圖；圖8A為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖8B為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件沿水平方向的電勢分布示意圖；圖10A、10B和10C表示用于制作根據(jù)本發(fā)明該實施例的光接收元件的方法的示意剖面圖；圖11A為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖11B為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖13為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖14為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖15為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖16為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖17為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖18為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖19為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖20A、20B、20C和20D表示用于制作根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的方法的示意剖面圖；圖21為本發(fā)明中采用的讀取電路和復位電路的電路圖；圖22為本發(fā)明中采用的讀取電路和復位電路的電路圖；圖23A為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖23B為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖24A為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖24B為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖25A為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖25B為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖26A為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的俯視圖；圖26B為根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的剖面圖；圖27A、27B和27C表示一例用于制作根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的方法的示意剖面圖；圖28A、28B和28C表示一例用于制作根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的光接收元件的方法的示意剖面圖；圖29A和29B為現(xiàn)有技術(shù)的光接收元件的剖面圖；圖30為現(xiàn)有技術(shù)的光接收元件的俯視圖；圖31為現(xiàn)有技術(shù)的另一光接收元件的剖面圖；圖32為現(xiàn)有技術(shù)的又一光接收元件的剖面圖；且圖33為現(xiàn)有技術(shù)的再一光接收元件的剖面圖。下面，參照圖1A至1D、圖2和圖3，以本發(fā)明第一實施例作為基本實施例加以描述。
圖1A至1D最準確地表示了第一實施例的特性。圖1A是第一實施例的光接收部分的俯視圖。圖1B是沿圖1A的線1B-1B所取的剖面圖。圖1C是沿圖1B的線1C-1C所取的電勢分布圖。圖1D是沿圖1B的線1D-1D所取的電勢分布圖。
在這些圖中，標號1、2和3分別表示設在半導體基片上的第一導電型的第一半導體區(qū)、設在第一半導體區(qū)1中的第二導電型的第二半導體區(qū)、和設在第二半導體區(qū)2的主表面一側(cè)的第一導電型的第三半導體區(qū)。
標號4表示與第二半導體區(qū)2相鄰設置的電極區(qū)，以提取出由光所產(chǎn)生的電荷(以下稱“光生電荷”)。更具體地說，電極區(qū)4由具有與第二半導體區(qū)2導電型相同而雜質(zhì)濃度較高的雜質(zhì)濃度區(qū)等構(gòu)成。
標號102表示光接收區(qū)102，由第一、第二和第三半導體區(qū)1、2和3構(gòu)成。由入射光在區(qū)域102所產(chǎn)生的載流子被捕獲在區(qū)域101中。不用說，當光束入射在區(qū)域101上時，在該區(qū)域101中會產(chǎn)生載流子。
在此圖中，第一導電型表示為p型，而第二導電型表示為n型。然而，根據(jù)本發(fā)明，第一導電型也可以是n型，第二導電型可以是p型。
另外，在半導體基片的表面上形成有隔離膜，在該隔離膜上形成有多個開口，在這些開口中形成有用作電極的導體。
例如，在光接收區(qū)102所產(chǎn)生的載流子(在此例中為電子)如圖1C所示橫向運動，電子被捕獲至勢阱中，即電勢最低的區(qū)域4中。
在沒有此種電勢結(jié)構(gòu)的情況下，所產(chǎn)生的電子由于其分散性而雜散在基片中。當電子在其壽命周期不能抵達區(qū)域4時，他們將與正的空穴相結(jié)合而消失。
如圖1D所示，本發(fā)明的另一個特征在于，其表面第三半導體區(qū)3、第一半導體區(qū)1和第二半導體區(qū)2的雜質(zhì)濃度和結(jié)深度，以及施加于電極區(qū)4和區(qū)域1的電勢，設定為使得第二半導體區(qū)2在其大致整個區(qū)域中被耗盡。其結(jié)果是，第二半導體區(qū)2幾乎不影響其電容，從而可以減小該光接收元件的電容。
更具體地說，在區(qū)域2和區(qū)域1的結(jié)界面附近所產(chǎn)生的電子根據(jù)由其間pn結(jié)所生內(nèi)置電勢而被捕獲至區(qū)域2。另一方面，在區(qū)域2和區(qū)域3的結(jié)界面附近所產(chǎn)生的電子根據(jù)由其間pn結(jié)所生內(nèi)置電勢而被捕獲至區(qū)域2。這樣，光接收區(qū)102的區(qū)域2由于上述兩個pn結(jié)的作用而幾乎耗盡，從而不存在中性區(qū)域。這種狀態(tài)稱作“完全耗盡模式”。然后，所收集的電子如上所述聚集至區(qū)域4。
圖2表示沿圖1B的線1D-1D方向的雜質(zhì)濃度分布。
Np1表示在作為區(qū)域1的初始材料的p型半導體基片中p型雜質(zhì)例如硼的濃度。Nn1表示引入以形成區(qū)域2的n型雜質(zhì)例如磷或砷的濃度。Np2表示引入以形成區(qū)域3的p型雜質(zhì)的濃度。另外，NC表示各區(qū)域中的凈雜質(zhì)濃度(凈值)。
各區(qū)域的雜質(zhì)濃度和厚度可以選自下述范圍。厚度參數(shù)表示從基片表面的結(jié)深度。
第一半導體區(qū)1的雜質(zhì)濃度ND1在1014cm-3至1017cm-3范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1015cm-3至1016cm-3范圍內(nèi)。
第二半導體區(qū)2的雜質(zhì)濃度ND2在1015cm-3至1018cm-3范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1016cm-3至1017cm-3范圍內(nèi)，其結(jié)深度在0.2μm至2μm范圍內(nèi)。
第三半導體區(qū)3的雜質(zhì)濃度ND3在1016cm-3至1019cm-3范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1017cm-3至1018cm-3范圍內(nèi)，其結(jié)深度在0.1μm至0.5μm范圍內(nèi)。
第四半導體區(qū)4的雜質(zhì)濃度ND4在1018cm-3至1021cm-3范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1019cm-3至1020cm-3范圍內(nèi)，其結(jié)深度在0.1μm至0.3μm范圍內(nèi)。
最好使得第二半導體區(qū)2的雜質(zhì)濃度ND2高于第一半導體區(qū)1的雜質(zhì)濃度ND1，并且第三半導體區(qū)3的雜質(zhì)濃度ND3高于第二半導體區(qū)2的雜質(zhì)濃度ND2。
為了進行更為詳細的說明，圖3畫出了電極區(qū)4的電壓與其時的電容之間的關(guān)系。隨著電壓的上升，其電容下降。在圖3中，電極區(qū)4的電容從作為邊界的點A開始變?yōu)槌?shù)。
當電壓較低時，區(qū)域2沒有被耗盡，其電容隨著區(qū)域2與區(qū)域3之間的耗盡層電容分量和區(qū)域2與區(qū)域1之間的耗盡層電容分量而變化。換句話說，隨著區(qū)域4電容的上升，耗盡層更加擴展，使得電容逐漸下降。然而，當上下兩個耗盡層連接起來時，光接收區(qū)102中的區(qū)域2幾乎完全耗盡，因此，其電容急劇下降，然后變?yōu)槌?shù)。其轉(zhuǎn)折點以圖3的點A表示。點A的電壓稱作“耗盡電壓”。
由于該耗盡電壓決定于各區(qū)域1、2或3的厚度和雜質(zhì)濃度，(a)在光接收元件被復位的狀態(tài)下電極區(qū)4的電勢，且(b)在光接收元件的光輸出是飽和的狀態(tài)下電極區(qū)4的電勢，設定至該耗盡電壓或更高，從而光電二極管本身的電容可以基本降低至區(qū)域101底部上的結(jié)電容(Co)左右，以實現(xiàn)較高的靈敏度。
當光束所產(chǎn)生的電荷聚集在電極區(qū)時，電極的電勢會改變。然而，工作點(電勢改變的范圍)設定為耗盡電壓以上，使得可以獲得具有高靈敏度和良好線性特征的光電轉(zhuǎn)換特性，因為電極區(qū)4的電容具有線性特征。
另外，當電壓由邊界處的耗盡電壓降低時，電容值會從Co指數(shù)上升至由區(qū)域2面積所決定的電容值。
特別指出，電極區(qū)4未被耗盡的光電二極管的電容值大約4400倍于如下光接收元件情況下的光電二極管的電容值，其中的光接收元件具有厚約600μm、雜質(zhì)濃度為1×1016cm-3的第一區(qū)域1，結(jié)深度為0.2μm、雜質(zhì)濃度為1×1017cm-3的區(qū)域2，結(jié)深度為0.2μm、雜質(zhì)濃度為1×1018cm-3的區(qū)域3，以及結(jié)深度為0.2μm、雜質(zhì)濃度為1×1019cm-3的區(qū)域4，區(qū)域2的上表面面積為80μm×80μm，區(qū)域4的上表面面積為1.2μm×1.2μm。
如果沒有圖1C中所示的電勢分布，則電極區(qū)4附近所產(chǎn)生的電子易于抵達那兒。然而，光接收表面端部所產(chǎn)生的電子抵達距離其大約40μm的電極區(qū)的概率極小，從而會嚴重惡化其靈敏度。
相反地，根據(jù)本實施例的結(jié)構(gòu)，在光接收元件的任何位置都可以收集從其表面至少約1μm的距離以內(nèi)所產(chǎn)生的絕大部分電子。特別地，由于大部分藍色光被吸收在自硅表面1μm的范圍內(nèi)，所以作為可見光傳感器問題的藍色光的靈敏度得以改善。
另外，采用了高能離子植入技術(shù)等來形成這種衰退阱結(jié)構(gòu)，其基片中具有峰值的雜質(zhì)濃度，或者相反地，降低基片1的濃度以擴大耗盡層，使得可以聚集更深部分產(chǎn)生的電子。
更進一步地，在基片表面上形成高濃度的雜質(zhì)層，在其上設置一個低雜質(zhì)濃度的外延層，從而可以獲得對長波長具有高靈敏度的光接收部分的結(jié)構(gòu)。
圖4表示本發(fā)明采用的一例讀取和復位電路。D1表示由根據(jù)本發(fā)明的光接收元件構(gòu)成的光電二極管。M1表示由MOS管等構(gòu)成的復位開關(guān)。M2表示由MOS管等構(gòu)成的放大元件。M3表示一個負載，由MOS管等構(gòu)成，可以用作選擇開關(guān)。VR表示用于提供復位參考電壓的復位線或復位端子。VDD表示用于提供電源電壓的電源電壓線或電源電壓端子。φR表示用于接通/斷開復位開關(guān)M1的復位控制線。Vout表示輸出端子。
當接通復位開關(guān)M1并向陰極(圖1A中所示區(qū)域4)提供不低于耗盡電壓的復位參考電壓之后再斷開開關(guān)M1時，則載流子的存儲開始，并且放大元件M2的輸入端子的電勢會改變。當既定存儲時間過后向選擇線φS輸入通脈沖并接通選擇開關(guān)M3時，則電流會通過具有晶體管M2和M3的源極輸出電路提供，從而得到一個輸出信號。[實施例2]圖5A為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光接收元件的俯視圖。
圖5B是沿圖5A的線5B-5B所取的剖面圖。
在這些圖中，標號11表示第一導電型(此處為n型)的第一半導體區(qū)；12為第二導電型(此處為p型)的第二半導體區(qū)；13為第一導電型的第三半導體區(qū)；以及14為第二導電型并具有高雜質(zhì)濃度的電極區(qū)。
根據(jù)第二實施例，為了隔離光接收元件，通過采用稱作LOCOS的選擇性氧化方法或類似方法來形成元件隔離區(qū)5。
下面說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光接收元件的制作方法。
開始時，由二氧化硅構(gòu)成的元件隔離區(qū)5按照選擇性氧化方法形成，其中先形成氮化硅膜(圖中沒有畫出)作為抗氧化掩摸，然后在其暴露的部分形成一層厚氧化膜(參見圖6A)。該方法即公知的LOCOS方法。接著，形成一光刻膠掩模(圖中沒有畫出)，進行離子注入，并且進行熱處理，從而在構(gòu)成n型半導體基片的第一半導體區(qū)11中形成p型第二半導體區(qū)12。第二半導體區(qū)12的邊緣103與存在許多缺陷的元件隔離區(qū)5的邊緣104分開，從而防止由于pn結(jié)而形成的耗盡層到達邊緣104。這樣，就可以抑制由于缺陷所引起的暗電流的產(chǎn)生(參見圖6B)。
形成光刻膠掩模(圖中沒有畫出)，對其進行離子注入，除去光刻膠掩模，進行熱處理，從而在基片表面上形成n型第三半導體區(qū)13(參見圖6C)。
接著，形成光刻膠掩模(圖中沒有畫出)，對其進行離子注入，在除去光刻膠掩模之后進行熱處理，從而形成p型電極區(qū)14。如此獲得圖5B中所示的結(jié)構(gòu)。
然后，根據(jù)情況需要，形成隔離膜以覆基片的表面，其上開有接觸孔，形成在該相同半導體基片另一位置上的讀取和復位電路可以通過導線與電極區(qū)14相連。
由于在本發(fā)明第二實施例中信號是從光電二極管的陽極輸出的，所以其中采用的讀取和復位電路的關(guān)于高低電位順序等電位關(guān)系、導電型、以及其結(jié)構(gòu)，都與第一實施例中的相反。
圖7表示本發(fā)明采用的另一讀取和復位電路的電路圖。D1表示由本發(fā)明的光接收元件構(gòu)成的光電二極管。M2和M3構(gòu)成一個源極跟隨器，用作對光電二極管D1中所產(chǎn)生的光生電荷進行電荷/電壓轉(zhuǎn)換的放大器。在此情況下，通過接通/關(guān)閉開關(guān)M3來選擇象素，其中開關(guān)M3還用作所述源極跟隨器的低電流源。在開關(guān)M3讀取象素的光生電荷信息之后，光電二極管D1由復位開關(guān)M1加以復位。設定復位電壓使得將不低于耗盡電壓的一個反向電壓施加在光電二極管的陽極上。例如，由于耗盡電壓為光電二極管的反向偏置電壓1.0伏，所以將復位電壓設定為使得施加3伏的反向偏置電壓。特別指出，當采用向端子VDD施加5伏的源電壓時，施加在端子VR上的復位電壓設定為2.0伏以進行讀取操作。
在第二實施例中，當光接收表面的尺寸設定為40μm×40μm并且電極區(qū)14的上表面尺寸設定為6μm×6μm時，光電二極管的電容為3.8fF，低于現(xiàn)有技術(shù)中的電容，從而可以獲得較高靈敏度的光電二極管。另外，在本實施例中，可以獲得光接收表面前區(qū)的視頻信息，從而可以獲得高分辨率的圖象。
特別地，本實施例在應用于光收集效率較低的具有大光接收表面的光接收元件中時很有效。當光接收表面的尺寸為20μm2或以上時，其收集效率開始變低。因此，本實施例可以有效應用于特別是具有大于上述尺寸的光接收表面的光接收元件中。[實施例3]圖8A表示根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光接收元件的俯視圖，圖8B表示沿圖8A的8B-8B線所取的剖面圖。本實施例與圖5A和5B中所示實施例的區(qū)別在于，根據(jù)第三實施例的光接收元件含有一個第二半導體區(qū)，它由雜質(zhì)濃度彼此不同的兩個區(qū)域構(gòu)成。與電極區(qū)14相接觸的內(nèi)區(qū)22的雜質(zhì)濃度高于外區(qū)12的雜質(zhì)濃度但是低于電極區(qū)14的雜質(zhì)濃度。內(nèi)區(qū)22的結(jié)深度可以小于或大于外區(qū)12的結(jié)深度。圖9表示沿圖8A的8B-8B線方向的勢能分布圖。這樣，由于內(nèi)區(qū)22與外區(qū)12具有彼此不同的雜質(zhì)濃度，所以形成了陡于圖1C中所示的勢能梯度。相應地，在光接收表面端部產(chǎn)生的電荷可以容易地收集至電極區(qū)14，從而可以降低讀取光信號所需的時間。
下面說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光接收元件的制作方法。
由二氧化硅構(gòu)成的元件隔離區(qū)5按照選擇性氧化方法形成，其中先形成氮化硅膜(圖中沒有畫出)作為抗氧化掩模，然后在其暴露的部分形成一層厚氧化膜(參見圖10A)。
接著，形成一光刻膠掩模(圖中沒有畫出)，進行離子注入，并且進行熱處理，從而在構(gòu)成n型半導體基片的第一半導體區(qū)11中形成p型第二半導體區(qū)12。第二半導體區(qū)12的邊緣103與存在許多缺陷的元件隔離區(qū)5的邊緣104分開，從而防止由pn結(jié)形成的耗盡層到達邊緣104。以此方式，可以抑制由于缺陷所引起的暗電流的產(chǎn)生。這樣，就形成了光刻膠掩模(圖中沒有畫出)，并且通過離子注入和熱處理形成了高雜質(zhì)濃度的內(nèi)區(qū)22(參見圖10B)。
按照離子注入和熱處理形成n型第三半導體區(qū)13(參見圖10C)。
接著，通過離子注入和熱處理形成p型電極區(qū)14，從而獲得圖8B中所示的結(jié)構(gòu)。
然后，根據(jù)情況需要，形成隔離膜以覆蓋基片的表面，在隔離膜上形成開口，形成在該相同半導體基片另一位置的讀取和復位電路可以通過導線與電極區(qū)14相連。
作為讀取和復位電路，可以采用上述圖7中所示的相同電路。[實施例4]圖11A表示根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光接收元件的上表面。圖11B表示沿圖11A的線11B-11B所取的剖面圖。
第四實施例與圖5A和5B中所示實施例的區(qū)別在于，通過外延生長法在p型半導體基片的表面形成的n型外延層21用作第四實施例中的第一半導體區(qū)。
根據(jù)第四實施例，可以用通過離子注入和熱處理在p型半導體基片中形成的n型阱來代替形成外延層21。另外，在根據(jù)第四實施例的光接收元件中，可以防止在p型半導體基片的深部所產(chǎn)生的電荷到達p型第二半導體區(qū)12。更具體地說，當所述阱的厚度例如是大約4μm時，則距離光接收元件表面大約4μm深的位置所產(chǎn)生的大多數(shù)空穴將流向p型半導體基片。因此，可以抑制暗電流的產(chǎn)生。
在圖5A和5B所示結(jié)構(gòu)的情況下，驅(qū)動復位電路或讀取電路時所產(chǎn)生的噪聲易于進入第二半導體區(qū)。另一方面，如同在本實施例中，第二半導體區(qū)形成在為每個象素所設置的或者為全部象素共同設置的阱中，因此可以抑制噪聲的進入。[實施例5]圖12表示根據(jù)本發(fā)明第五實施例的光接收元件的俯視圖。
圖13表示沿圖12的線13-13所取的剖面圖。
圖14表示沿圖12的線14-14所取的剖面圖。
在圖12中，用于形成作為光接收元件的光電二極管的p型第二半導體區(qū)32形成在開口部OP中。另外，在此區(qū)域32中，形成p型內(nèi)區(qū)22。在內(nèi)區(qū)22中，形成p+型電極區(qū)34。電極區(qū)34通過由第一金屬層構(gòu)成的導線15與作為復位開關(guān)的MOS管M1的漏極部分并且與作為放大元件的源極跟隨器MOS管M2的門極部分電連接。另外，光接收元件的開口部OP由第二金屬層構(gòu)成的遮光層17加以限定。遮光層17與電源相連，并且固定在一個預定的參考電位。
此處，p+型電極區(qū)34設置在與開口部中心相比更靠近設有復位MOS管M1的漏極部分和源極跟隨器MOS管M2的部分。在與電極區(qū)34相對的一側(cè)，設有電源線16，以確定用作第一半導體區(qū)的n型阱區(qū)31的電位。在圖12中，開口部OP的尺寸設定為40μm×60μm。
從圖13和14中可以明顯看出，第二半導體區(qū)32形成在位于p型半導體基片6中的n型阱區(qū)31的開口部OP中，而且，內(nèi)區(qū)22形成在第二半導體區(qū)32中，電極區(qū)34以島的形式設置在內(nèi)區(qū)22中。
另外，在第二半導體區(qū)32與內(nèi)區(qū)22的主表面上，設有一個用作第三半導體區(qū)的n型表面區(qū)33，它與n型阱區(qū)31在開口部OP的端部電連接。
相應地，該光電二極管由p型半導體構(gòu)成的第二半導體區(qū)32、內(nèi)區(qū)22與由n型半導體構(gòu)成的第一和第三半導體區(qū)31和33之間的pn結(jié)構(gòu)成。由光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換的光生載流子收集在由p+型半導體構(gòu)成的電極區(qū)34中，以改變由第一金屬層制成的導線15的電位。
另外，在由第二金屬層制成的遮光層17上設有保護膜18。
此處，p+型電極區(qū)34設置在與開口部中心相比更靠近設有復位MOS管M1和源極跟隨器MOS管M2的一側(cè)，也即，在圖14中的右側(cè)。另一方面，用于向n型阱區(qū)31提供電壓的電源線16的觸點只設置在與p+型電極區(qū)34相對的一側(cè)。
另外，在p型基片6中形成n型阱區(qū)31，各象素的周圍被用作元件隔離區(qū)的p型阱區(qū)7所包圍，每個象素與另一象素之間由pn結(jié)加以電氣隔離。
參照圖13和14，下面說明各區(qū)的表面濃度和結(jié)深度的近似代表值。
p型基片6約1×1015(cm-3)；第一半導體區(qū)31約1×1017(cm-3)并且約4.0μm；第二半導體區(qū)32約2×1017(cm-3)并且約0.35μm；內(nèi)區(qū)22約3×1017(cm-3)并且約0.30μm；第三半導體區(qū)33約3×1018(cm-3)并且約0.20μm；以及電極區(qū)34約3×1019(cm-3)。
另外，下面列出第五實施例中第二半導體區(qū)32和內(nèi)區(qū)22的各耗盡電壓。
第二半導體區(qū)32約-1.0V；以及內(nèi)區(qū)22約-1.5V。
相應地，由于第二半導體區(qū)32與內(nèi)區(qū)22的耗盡電壓向著電極區(qū)34升高，所以形成了光生載流子的勢能梯度，使得光生載流子可以更有效率地收集至電極區(qū)34部分。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第五實施例，形成有用于曝光的光掩模(光柵)，使得第二半導體區(qū)32與內(nèi)區(qū)22的各角部具有鈍角，從而幾乎不會形成由于角部電場的不均勻所引起的勢能槽。這樣就改善了殘留圖象的特性。還有，由于區(qū)域31形成在p型半導體基片6中，并且具有各象素外圍被p型阱區(qū)7包圍的結(jié)構(gòu)，所以可以基本完全控制由于光生載流子進入相鄰象素所產(chǎn)生的串擾。因此，可以獲得高質(zhì)量分辨率的圖譜。
另外，即使在某個象素中存儲有不低于飽和的光生載流子時，溢出的光生載流子也可以由周圍的p型阱區(qū)7或基片6吸收。因此，可以形成具有較小影像擴散的高質(zhì)量圖象，而對其它象素沒有任何影響。
根據(jù)本發(fā)明的本實施例，盡管圖中所示的第二半導體區(qū)32和內(nèi)區(qū)22是作為形成光電二極管的區(qū)域，但是比如也可以設置在內(nèi)區(qū)22的內(nèi)側(cè)含有電極區(qū)34的第二p型內(nèi)區(qū)，并且該第二內(nèi)區(qū)的雜質(zhì)濃度和結(jié)深度可以設定為使得第二內(nèi)區(qū)的耗盡電壓高于內(nèi)區(qū)22的耗盡電壓，從而可以形成具有較低殘留圖象特性的光接收元件。[實施例6]圖15表示根據(jù)本發(fā)明第六實施例的光接收元件的俯視圖。圖16表示沿圖15的線16-16所取的剖面圖。圖17表示沿圖15的線17-17所取的剖面圖。
第六實施例的光接收元件與圖12至14中所示第五實施例的光接收元件區(qū)別在于，構(gòu)成p型半導體內(nèi)區(qū)22的平面形狀改成了具有寬度逐漸變化部分的形狀。
寬度向圖下方逐漸減小的部分22A從圖上方向下延伸超過了光接收表面(開口部)的中心。
標號8表示具有高雜質(zhì)濃度的接觸區(qū)，用作陰極觸點。
參照圖15至17，用作光接收元件的光電二極管的第二半導體區(qū)32形成在開口部OP中。內(nèi)區(qū)22形成在第二半導體區(qū)32中。電極區(qū)34形成在內(nèi)區(qū)22中。電極區(qū)34通過由第一金屬層構(gòu)成的導線15與復位MOS管M1的漏極部分以及源極跟隨器MOS管M3的門極部分電連接。另外，光接收元件的開口部OP由第二金屬層構(gòu)成的遮光層17加以限定，該遮光層17與電源相連，并且固定在一個所需的電位。
此處，電極區(qū)34設置在與開口部中心相比更靠近設有復位MOS管M1的漏極部分和源極跟隨器MOS管M2的部分。在與電極區(qū)34相對的開口部一側(cè)，設有電源線16，以便向作為第一半導體區(qū)的n型阱區(qū)31提供相反的偏置電壓。在圖中，開口部OP的尺寸設定為40μm×60μm。
另外，在第二半導體區(qū)32與內(nèi)區(qū)22的主表面上，設有一個用作第三半導體區(qū)的n型表面區(qū)33，它與n型阱區(qū)31電連接。
相應地，該光電二極管由p型第二半導體區(qū)32和內(nèi)區(qū)22與n型阱區(qū)31和n型表面區(qū)33之間的pn結(jié)構(gòu)成，因此由該光電二極管加以光電轉(zhuǎn)換的光生載流子收集在電極區(qū)34中，從而改變導線15的電位。
另外，在由第二金屬層制成的遮光層17的上部設有保護膜18。
此處，電極區(qū)34設置在與開口部中心相比更靠近設有復位MOS管M1和源極跟隨器MOS管M2的一側(cè)，也即，在圖17中的右側(cè)。另一方面，用于向n型阱區(qū)31提供電壓的電源線16的觸點只設置在與電極區(qū)34相對的一側(cè)(圖17的左側(cè))。
在此情況下，n型阱區(qū)31形成在p型半導體基片6中，并且其結(jié)構(gòu)使得對各象素其區(qū)域31周圍被p型阱區(qū)7包圍，各象素的區(qū)域31被電氣隔離。
此外，內(nèi)區(qū)22具有朝電極區(qū)34其寬度由W1向W2逐漸增加(W2＞W(wǎng)1)的形狀。再此外，第二半導體區(qū)32和內(nèi)區(qū)22的上表面的所有角部以大于90°的鈍角組成。
參照圖16和17，下面說明各區(qū)的表面濃度和結(jié)深度的近似代表值。
p型基片6約1×1015(cm-3)；第一半導體區(qū)31約1×1017(cm-3)并且約4.0μm；第二半導體區(qū)32約2×1017(cm-3)并且約0.35μm；內(nèi)區(qū)22約3×1017(cm-3)并且約0.30μm；第三半導體區(qū)33約3×1018(cm-3)并且約0.20μm；以及電極區(qū)34約3×1019(cm-3)。
另外，下面列出第六實施例中第二半導體區(qū)32和內(nèi)區(qū)22的耗盡電壓。
第二半導體區(qū)32約-1.0V；以及內(nèi)區(qū)22約-1.5V。
相應地，由于第二半導體區(qū)32與內(nèi)區(qū)22的耗盡電壓向著電極區(qū)34升高，所以形成了光生載流子的勢能梯度，使得光生載流子可以更有效率地收集至電極區(qū)34。
另外，由于提供電壓以穩(wěn)定用作第一半導體區(qū)的n型阱區(qū)31電位的電源線16，設置在與電極區(qū)34相對的一側(cè)，所以由光生電子產(chǎn)生的光電流通過n型阱區(qū)31流向接觸區(qū)8。這樣，從接觸區(qū)8至電極區(qū)34形成了勢能梯度，從而光生空穴可以更有效率地收集至電極區(qū)34以改善殘留圖象特性。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第六實施例，由于內(nèi)區(qū)22具有一個寬度向電極區(qū)34增加的部分，所以當?shù)竭_內(nèi)區(qū)22端部的光生空穴由于勢能梯度作用流向電極區(qū)34時，由于光生空穴的作用使得內(nèi)區(qū)22的薄膜電阻相對于光電流逐漸減小，從而可以快速將光生空穴收集至電極區(qū)34中。故可以改善高速操作時的殘留圖象特性。另外，由于內(nèi)區(qū)22的端部設置成超過開口部OP的中心，所以改善了接觸區(qū)8一側(cè)的空穴收集效率。
另外，由于第二半導體區(qū)32與內(nèi)區(qū)22的各角部形成為鈍角，所以幾乎不會形成由于角部電場的不穩(wěn)定所引起的勢能槽，從而更加改善了殘留圖象的特性。該形狀可以通過在光刻膠曝光過程中采用光掩模圖紋方便地形成。
另外，由于n型阱區(qū)31形成在p型半導體基片6中，并且具有各象素外圍被p型阱區(qū)7包圍的結(jié)構(gòu)，所以可以基本完全控制由于光生載流子進入相鄰象素所產(chǎn)生的串擾，從而可以獲得高質(zhì)量分辨率的圖譜。
另外，即使在某個象素中存儲有不低于飽和的光生載流子時，溢出的光生載流子也可以由周圍區(qū)域7或基片6吸收。因此，可以形成具有較小影像擴散的高質(zhì)量象素，而對其它象素沒有任何影響。
根據(jù)本實施例，盡管圖中所示的第二半導體區(qū)32和內(nèi)區(qū)22是作為形成光電二極管的區(qū)域，但是比如也可以設置在內(nèi)區(qū)22的內(nèi)側(cè)還含有電極區(qū)34的第二內(nèi)區(qū)，并且該第二內(nèi)區(qū)的雜質(zhì)濃度和結(jié)深度可以設定為使得第二內(nèi)區(qū)的耗盡電壓高于內(nèi)區(qū)22的耗盡電壓，從而可以形成具有較低殘留圖象特性的光接收元件。[實施例7]圖18表示根據(jù)本發(fā)明第七實施例的光接收元件的俯視圖。圖19表示沿圖18的線19-19所取的剖面圖。
第七實施例的光接收元件的特征在于在電極區(qū)34與半導體區(qū)33之間設置的偏移區(qū)域中形成有低雜質(zhì)濃度的摻雜區(qū)43。
參照圖18和19，用作光接收元件的光電二極管的第二半導體區(qū)32形成在開口部OP中。作為電極區(qū)34的p+型區(qū)域形成在光電二極管的p型區(qū)32中。p+型電極區(qū)34通過由第一金屬層構(gòu)成的導線15與復位MOS管M1的漏極部分以及源極跟隨器MOS管M2的門極部分電連接。另外，光接收元件的開口部OP由第二金屬層構(gòu)成的遮光層17加以限定。該遮光層17與電源相連，并且固定在一個所需的電位。此處，開口部OP的尺寸設定為40μm×40μm。
p型半導體區(qū)32形成在位于p型半導體基片6的n型阱區(qū)31的開口部OP中，p+型電極區(qū)34以島的形式設置在p型第二半導體區(qū)32中。
另外，在p型區(qū)32的主表面上，設有一個用作第三半導體區(qū)的n型表面區(qū)33，它與n型阱區(qū)31電連接。
在此情況下，n型表面區(qū)33設置為具有大約2μm的偏移(間距)，以便不與p+型電極區(qū)34接觸。另外，在含有該偏移區(qū)域的光接收元件整個表面上形成有第二n型表面區(qū)43。
因此，該光電二極管由p型半導體區(qū)32與n型區(qū)域31、33和43之間的pn結(jié)構(gòu)成。由該光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換的光生載流子收集在p+型電極區(qū)34中，從而改變由第一金屬層制成的導線15的電位。
另外，在半導體表面與第一金屬層之間以及第一金屬層與第二金屬層之間設有層間隔離膜9，并且在由第二金屬層制成的遮光層17的上部設有保護膜18。
參照圖19，下面說明各區(qū)的近似表面濃度和結(jié)深度。
p型基片6約1×1015(cm-3)；n型阱區(qū)31約1×1017(cm-3)并且約4.0μm；p型阱區(qū)32約2×1017(cm-3)并且約0.35μm；第一n型表面區(qū)33約3×1018(cm-3)并且約0.20μm；第二n型表面區(qū)域43約3×1017(cm-3)并且約0.1μm；以及p+型區(qū)域34約3×1019(cm-3)。
相應地，當沒有第二n型表面區(qū)域43時，偏移區(qū)域表面附近成為p型區(qū)域，雜質(zhì)濃度在1017cm-3或以下。另外，由于在半導體表面附近的硼濃度容易隨制作工藝變化，所以在該偏移區(qū)域所產(chǎn)生的載流子導致暗電流的產(chǎn)生及其不穩(wěn)定。
另一方面，當p+型區(qū)域34與第一n型表面區(qū)33接觸從而不形成所述偏移區(qū)域時，p+型區(qū)域34與第一n型表面區(qū)33之間的反向偏壓易于產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。在此情況下，第二n型表面區(qū)域43的表面濃度設定在1017至1018cm-3左右，因此即使當p+型區(qū)域34與第一n型表面區(qū)33之間施加有反向偏壓，也不會產(chǎn)生例如擊穿的問題。
另外，當所述偏移區(qū)域太小時，p+型區(qū)域34由于光刻膠不對準而以較高概率與第一n型表面區(qū)33接觸，從而降低了輸出。
因此，由于n型半導體用作低摻雜濃度區(qū)域43而使得偏移區(qū)域的表面附近變?yōu)闈舛葹榇蠹s1017(cm-3)的n型區(qū)域，所以可以抑制該偏移區(qū)域中載流子的產(chǎn)生。例如，即使當按照離子注入方法在光接收部分的整個表面上形成第二n型表面區(qū)域43時，該表面區(qū)域?qū)Φ谝籲型表面區(qū)33與p+型區(qū)域34的影響也基本上很小，因為第二n型表面區(qū)域43的雜質(zhì)濃度充分低于區(qū)域33和34的雜質(zhì)濃度。由于不存在上述光刻過程中不對準的問題，所以可以選擇性控制該偏移區(qū)域的表面濃度并且減小暗電流。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，對暗電流的測量結(jié)果顯示，存在第二n型表面區(qū)域43時所得的暗電流比沒有表面區(qū)域43時所得的暗電流減小了1/3。
此處，根據(jù)本發(fā)明第七實施例的半導體區(qū)32的耗盡電壓為大約-2V。因此，例如當n型阱區(qū)31在源極電壓5V的工作狀態(tài)下與源極電壓相連，p+型區(qū)域34與導線15的電位在3V或更低時，則p型區(qū)域32耗盡而使得中性區(qū)域消失。
上述耗盡電壓主要隨各n型阱區(qū)31、p型區(qū)域32以及第一n型表面區(qū)33的雜質(zhì)濃度和結(jié)深度而敏感地變化。因此顯著降低了制作過程中耗盡電壓的不穩(wěn)定，例如±3σ為大約±1.0V。然而，當耗盡電壓和工作點設定在一個適當范圍時，即使在耗盡電壓不穩(wěn)定的情況下也可以保持高的輸出。
根據(jù)本實施例，盡管設置n型表面區(qū)域43以抑制所述偏移區(qū)域表面上載流子的產(chǎn)生，但是也可以設置第二表面區(qū)域，并不局限于n型，設置p型第二表面區(qū)域也同樣可以實現(xiàn)對暗電流的抑制。在此情況下，增加了p型中性區(qū)域。當設計時對光接收部分的電容保留有容差，則可以將該表面區(qū)域制成p型。在每一情況下，為了降低暗電流和防止擊穿，該偏移區(qū)域的雜質(zhì)濃度可以設定在大約1016至1018cm-3的范圍內(nèi)，更好是設定在大約5×1016至5×1017cm-3的范圍內(nèi)。
n型阱區(qū)31形成在p型半導體基片6中，并且具有對于各象素其n型阱區(qū)31外圍被p型阱區(qū)7包圍的結(jié)構(gòu)。
下面參照圖20A至20D說明根據(jù)本發(fā)明第七實施例的光接收元件的制作方法。
在p型半導體基片6的表面一側(cè)形成n型阱區(qū)31和p型區(qū)域7。
然后通過選擇性氧化形成場隔離膜5。
在用作光電二極管的p型半導體區(qū)32形成在由場隔離膜5所包圍的區(qū)域內(nèi)之后，在其表面上形成n型半導體區(qū)33。
對半導體基片的表面進行離子注入以形成n型半導體層43。然后，形成p型電極區(qū)34。
在此情況下，電極區(qū)34與半導體區(qū)33之間的間距(即偏移區(qū)域的寬度)優(yōu)選設定在0.4μm至1.5μm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選設定在0.5μm至1.0μm的范圍內(nèi)。偏移區(qū)域的雜質(zhì)濃度設定成比半導體區(qū)33或電極區(qū)34的雜質(zhì)濃度低一位數(shù)或更多，并且高于半導體區(qū)32的雜質(zhì)濃度。
下面參照圖21至22說明本發(fā)明中采用的復位電路的另一形式。
圖21表示讀取和復位電路的電路圖。
在圖21中，D1表示根據(jù)本發(fā)明各相應實施例的用作光接收元件的光電二極管。M2與圖21中未畫出的一個恒流源共同構(gòu)成一對源極跟隨器。M1表示一復位開關(guān)。M3表示一選擇開關(guān)。M4表示一傳輸開關(guān)，用于將光電二極管的光電荷信號傳輸至源極跟隨器的輸入端子。
從源極跟隨器讀取的光信號和復位信號通過一個掃描電路或類似電路傳輸至存儲器部分并且輸出至外部。
根據(jù)本發(fā)明的第七實施例，電極的面積具體限制在1μm2，使得結(jié)電容可以限制在0.1fF。其結(jié)果是，可以獲得高輸出的固態(tài)圖象拾取裝置，其中的復位噪聲可以抑制在四個電子左右，并且即使在10bit的動態(tài)范圍內(nèi)也不會形成殘留圖象。
下面說明本發(fā)明采用的另一種讀取和復位電路。該讀取和復位電路公開在日本專利申請公開No.9-205588中。
圖22為該讀取和復位電路一個象素的等同電路。
參照圖22，此處，在讀取和復位電路中，各象素包括一個光接收元件D1；一個復位MOS開關(guān)M1，用于將光接收元件D1復位；一個第一MOS源極跟隨器M2，用于將光接收元件D1的信號電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號；一個MOS開關(guān)M3，用于在光接收元件D1的復位噪聲信號的存儲期間保持噪聲信號；一個保持電容605；一個第二MOS源極跟隨器M4，用于對保持電容605的信號進行阻抗變換；一個MOS開關(guān)607，用于在復位操作之后立即讀取噪聲信號電荷；一個噪聲信號保持電容609；一個MOS開關(guān)608，用于在存儲光信號之后讀取光信號電荷；以及一個光信號保持電容610。
另外，該讀取和復位電路包括一個移位寄存器613，用于相繼分別將噪聲信號保持電容609的噪聲信號以及光信號保持電容610的光信號讀出至共用噪聲信號輸出線690和共用光信號輸出線691；緩存放大器614和614′，用于對共用噪聲信號輸出線690和共用光信號輸出線691的電壓進行阻抗變換；一個差動放大器615，用于獲取共用噪聲信號輸出線690和共用光信號輸出線691電壓的差動信號，并對該差動信號進行放大；以及一個輸出緩存放大器692，用于對差動放大器615的輸出進行阻抗變換，并將該所得信號輸出至光電轉(zhuǎn)換裝置的外部。另外，讀取和復位電路還包括用于一個象素的每個讀取操作對共用噪聲信號輸出線690和共用光信號輸出線691進行復位的共用輸出線復位裝置693。
圖22所示光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出電壓VP由下式(3)表示VP=QPCPD×Gsf1×Gsf2×CTCT+CH×Gamp---(3)]]>其中符號QP表示光信號電荷；CPD光接收部分的電容；Gsf1第一源極跟隨器M2的增益；Gsf2第二源極跟隨器M4的增益；CT噪聲信號和光信號存儲電容的電容值；CH噪聲信號和光信號的共用輸出線的電容值；以及Gamp差動放大器615的增益。
在圖22中，當V1PD為光接收元件部分在光接收元件復位即刻后的電位而V2PD為光接收元件部分在存儲有光電荷后的電位時，上式(3)可以由下式(4)表示V2PD-V1PD=ΔVPD=QPCPD=VPGsf1×Gsf2×CTCT+CH×Gamp---(4)]]>其中ΔVPD表示光接收元件部分由于光電荷所引起的電位改變。
相應地，在上式(4)中，V1PD和V2PD設定為光接收元件部分的耗盡區(qū)，從而可以實現(xiàn)高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換裝置。
根據(jù)本實施例，在上述各式中，相應各項設定如下Gsf1＝Gsf2＝0.9；CT/(CT+CH)＝0.5；Gamp＝20；電源電壓(VDD)5V；光接收元件的耗盡電壓-2V；
光輸出的飽和電壓(Vp)2V；以及光接收元件的復位電壓(VR)1V。
因此，從上述各式，可以得出如下值(a)在復位即刻后光接收元件部分的電位(V1PD)約0.70V；以及(b)在飽和輸出時光接收元件部分的電位(V2PD)約0.95V。
從上述電源電壓值和耗盡電壓值可以看出，當光接收元件部分的電位在3V或以下時，光接收元件部分變?yōu)楹谋M狀態(tài)。
從上面(a)和(b)可以明顯看出，由于復位操作即刻后光接收元件部分的電位(V1PD)與飽和輸出時光接收元件部分的電位(V2PD)都在3V或以下，所以所確定的光接收部分的小范圍電容可以有較高的靈敏度。
對光接收部分電容的測量結(jié)果表明，光接收元件電極區(qū)的結(jié)電容、源極跟隨器MOS的門極電容、范圍MOS漏極部分的結(jié)電容、以及比如導線電容等寄生電容，整個為大約25fF。
另外，在本實施例中，當耗盡電壓的波動在-2V±2V左右的范圍內(nèi)時，光接收元件部分的耗盡區(qū)在1V至5V的范圍內(nèi)。然而，由于本實施例中工作點位于小于耗盡區(qū)最小值1V以下的點，所以即使當耗盡電壓的波動在大約±2V，也可以保持高的輸出。
如上所述，因為采用NMOS作為復位開關(guān)并且在復位開關(guān)斷開時光接收元件部分的電位移至負端，所以在復位操作即刻后的光接收元件部分的電位低于復位電壓(Vres)。
另外，盡管在第七實施例描述的例子中本發(fā)明應用于如本發(fā)明人在日本專利申請公開No.9-205588中所提出的光電轉(zhuǎn)換裝置，但是本發(fā)明并不局限于此實施例，也可以應用于其它的光電轉(zhuǎn)換裝置或固態(tài)圖象拾取裝置。
根據(jù)本實施例，采用各具有上述結(jié)構(gòu)的344個象素來形成主要的光電轉(zhuǎn)換裝置，這在圖中沒有畫出。
采用根據(jù)本實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成接觸型圖象傳感器，它可以用作例如傳真機成圖象掃描儀等圖象輸入系統(tǒng)的圖象讀取裝置。這樣，由于即使在高速操作時也可以獲得良好的殘留圖象特性，所以可以實現(xiàn)高質(zhì)量的圖象讀取。另外，該圖象讀取裝置由于其高輸出而可從低成本制作。[實施例8]
下面參照圖23A和23B說明本發(fā)明的第八實施例。
圖23A表示根據(jù)第八實施例的光接收元件部分的俯視圖。圖23B表示沿圖23A的線23B-23B所取的剖面圖。
在圖23A和23B中，標號51表示第一半導體區(qū)，52表示第二半導體區(qū)。此處，這些區(qū)域的導電型分別是n型和p型。另外，第二半導體區(qū)52形成在由遮光層17所限定的開口部OP中。
另外，由第一半導體區(qū)51和第二半導體區(qū)52的pn結(jié)形成耗盡層DL。在第一半導體區(qū)51與第二半導體區(qū)52之間施加反向偏壓，耗盡層DL的較大部分延伸至具有低雜質(zhì)濃度的第一半導體區(qū)51一側(cè)。電極15通過隔離膜9的接觸孔CH與第二半導體區(qū)52相連。
當用光照射光接收元件時，在耗盡層DL及其周圍產(chǎn)生電荷。該電荷收集至第二半導體區(qū)52。在半導體基片的主表面與隔離膜9之間的界面上有許多晶體缺陷。該晶體缺陷導致一種產(chǎn)生空穴和電子對的電平狀態(tài)，從而產(chǎn)生了暗電流。特別地，暗電流的產(chǎn)生最主要取決于耗盡層DL附近的晶體缺陷。
在制作電極15的情況下，當電極的邊緣未延伸至耗盡層DL與隔離膜9鄰接處的外部位置時，由于刻蝕工藝中的損害會導致晶體缺陷數(shù)量的增加，從而增加了暗電流量。
從而，在根據(jù)本發(fā)明第八實施例的光接收元件的結(jié)構(gòu)中，耗盡層DL與隔離膜9接觸位置的部分59由電極15通過隔離膜9加以覆蓋。因此，在電極制作中的刻蝕損害不影響耗盡層DL，從而可以減小暗電流。
另外，考慮到光刻工藝中所產(chǎn)生的不對準，電極15設計成總是形成在耗盡層DL與隔離膜9接觸位置的部分59中。相應地，可以防止在耗盡層DL附近所產(chǎn)生的晶體缺陷量隨著工藝波動而變化。因此，可以降低由于工藝波動而引起的暗電流波動。
根據(jù)本發(fā)明的第八實施例，作為電極15的材料，可以采用金屬、合金和化合物，例如Al、Al合金、Ti、Ti合金、W、W合金、Co、Co合金、Ta、Ta合金、Mo、Mo合金、Cu、Cu合金、WN、TiN、TaN、Cr、Cr合金等等。或者可以層疊多種材料。例如，可以采用導電材料作為該電極材料，比如含有硅作為主要成分的材料，如摻雜多晶硅。[實施例9]
圖24A表示光接收元件部分的俯視圖，圖24B表示沿圖24A的線24B-24B所取的剖面圖。標號66表示n型半導體基片，67表示通過向該n型半導體基片進行離子注入而形成的嵌入n+型區(qū)域。61表示形成在n+型區(qū)域67上的作為第一半導體區(qū)的n型外延層。68表示與嵌入n+型區(qū)域接觸的一個n+型區(qū)域，通過向n-型外延層61進行離子注入而形成。
另外，標號62表示第二半導體區(qū)和特別由p型區(qū)域構(gòu)成的高雜質(zhì)濃度的電極區(qū)。63表示用以抑制耗盡層DL在基片主表面即外延層表面上延伸而設置的n型區(qū)域。電極15由以Al作為主要材料的金屬等制成，通過隔離膜9上的接觸孔CH與電極區(qū)62相連。另外，17表示遮光層。OP表示開口部。5表示用于隔離元件的隔離膜。9表示用于將遮光層17與電極28隔離的層間隔離膜。
根據(jù)本發(fā)明的第九實施例，由n型半導體基片66、n+型區(qū)域67、n-型外延層61、n+型區(qū)域68、n型區(qū)域63和電極區(qū)62所構(gòu)成的半導體部分稱作“基片”。
n-型外延層61具有由位于下部及其周圍的n+型區(qū)域67和68包圍的結(jié)構(gòu)。從而形成了勢壘。其結(jié)果是，由光所產(chǎn)生的正空穴載流子最終收集至具有最低電位的p型電極區(qū)62中。
耗盡層DL形成在電極區(qū)62的周圍。此處，電極區(qū)62的雜質(zhì)濃度設定在大約3×1019cm-3，n型區(qū)域63的雜質(zhì)濃度設定在大約2×1017cm-3。當向其施加3V的反向偏置電壓時，耗盡層DL的層寬變?yōu)榇蠹s0.14μm。耗盡層DL的大部分從電極區(qū)62與n-型區(qū)域61的pn結(jié)表面擴展至n-型區(qū)域61一側(cè)。另一方面，在基片的表面上，耗盡層DL的延伸被n型區(qū)域63加以抑制。
電極15設置成比電極區(qū)62大比如0.4μm，使得耗盡層DL與隔離膜9相接觸部分的上側(cè)被電極覆蓋。因此，由于在電極15制作過程中的刻蝕損害以及對光刻膠灰化所致?lián)p害而產(chǎn)生的晶體缺陷對耗盡層DL沒有任何負面影響，從而可以減小暗電流。
比較在電極15制作成覆蓋耗盡層DL與隔離膜9相接觸部分59時所產(chǎn)生的暗電流與該電極不如此制作時所產(chǎn)生的暗電流，結(jié)果表明，在耗盡層DL與隔離膜9相接觸部分的上側(cè)被電極15覆蓋時所產(chǎn)生的暗電流可以減小至后者的2/3。換句話說，暗電流可以根據(jù)電極15的尺寸和形成位置而減小。
為了簡化說明，盡管半導體基片66以及區(qū)域67和68、外延層61和區(qū)域63確定為n型，區(qū)域62確定為p型，但是不用說，本發(fā)明的本實施例并不局限于上述導電型，各上述導電型可以改成其相反的導電型。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第九實施例，n-型外延層61具有被n+型區(qū)域67和68包圍的結(jié)構(gòu)，從而形成勢壘。因此，光生載流子不會進入相鄰的象素，從而可以基本控制串擾的產(chǎn)生，從而可以獲得高質(zhì)量分辨率的圖譜。[實施例10]圖25A表示一光接收元件的俯視圖，圖25B表示沿圖25A的線25B-25B所取的剖面圖。參照圖25A和25B，標號76表示n型半導體基片，77表示通過向該n型半導體區(qū)76進行離子注入而形成的嵌入n+型區(qū)域。71表示形成在n+型區(qū)域77上的作為第一半導體區(qū)的n-型外延層。78表示通過向n-型外延層進行離子注入而形成的包圍外延層71周圍的一個n+型區(qū)域。
另外，標號72表示第二半導體區(qū)。74表示具體由p型區(qū)域構(gòu)成的高雜質(zhì)濃度的電極區(qū)。73表示用以抑制耗盡層DL在基片主表面上延伸而設置的n型區(qū)域。15表示電極，并由以Al作為主要材料的金屬等制成。電極15通過隔離膜9上的接觸孔CH與電極區(qū)74相連。
在精細分割電極區(qū)74的情況下，當耗盡層DL擴展至具有高雜質(zhì)濃度的電極區(qū)時，由于耗盡層中所存在的缺陷會導致暗電流的不期望地增大。設置p型半導本區(qū)72以抑制此現(xiàn)象。另外，OP表示開口部。5表示用于隔離元件的隔離膜。上層間隔離膜9用作將遮光層17與電極15隔離的隔離膜。
根據(jù)本發(fā)明的第十實施例，由n型半導體基片76、n+型區(qū)域77、n-型外延層71、n+型區(qū)域78、n型區(qū)域73和電極區(qū)74所構(gòu)成的部分稱作“基片”。
n-型外延層71具有由n+型區(qū)域77和78包圍的結(jié)構(gòu)。從而形成了勢壘。其結(jié)果是，由光所產(chǎn)生的正空穴載流子最終收集至具有低電位的p型電極區(qū)74中。
耗盡層DL形成在p型區(qū)域72的周圍。此處，p型區(qū)域72的雜質(zhì)濃度設定為大約3×1018cm-3，n型區(qū)域73的雜質(zhì)濃度設定在大約2×1017cm-3，并且當向其施加3V的反向偏置電壓時，耗盡層DL的層寬變?yōu)榇蠹s0.15μm。耗盡層DL的大部分從p型區(qū)域72與n型區(qū)域71的pn結(jié)表面擴展至n型區(qū)域71一側(cè)。
電極15設置成比p型區(qū)域72大比如0.4μm，使得耗盡層DL與隔離膜9相接觸的部分69被電極覆蓋。因此，由于在電極15制作過程中的刻蝕損害以及對光刻膠灰化所致?lián)p害而產(chǎn)生的晶體缺陷對耗盡層DL沒有任何負面影響，從而可以減小暗電流。
為了簡化說明，盡管半導體基片76以及區(qū)域77和78、外延層71和區(qū)域73確定為n型，區(qū)域72和74確定為p型，但是不用說，本發(fā)明的本實施例并不局限于這些導電型，各導電型可以改成與其相反的導電型。[實施例11]圖26A表示根據(jù)第十一實施例的光接收元件部分的俯視圖，圖26B表示沿圖26A的線26B-26B所取的剖面圖。在圖26A和26B中，標號86表示p型半導體基片。81表示用作第一半導體區(qū)的n型區(qū)域。82表示用作第二半導體區(qū)的p型區(qū)域。83表示用作第三半導體區(qū)的n+型區(qū)域。
另外，84為作為高雜質(zhì)濃度電極區(qū)的p型區(qū)域，也就是說，由p+型區(qū)域構(gòu)成。p+型區(qū)域84經(jīng)由n+型區(qū)域83設置在基片的主表面上，其間設置有一個偏移區(qū)域OF。15表示電極，并由以Al作為主要成分的金屬等制成。電極15通過形成在p型基片86主表面上的隔離膜9上的接觸孔CH與p+型區(qū)域84電連接。DL表示耗盡層。
p型區(qū)域82插入在n型區(qū)域81與n+型區(qū)域83之間。從而耗盡層DL由p型區(qū)域82下表面的pn結(jié)和上表面的pn結(jié)以及半導體區(qū)82中的低勢能槽所構(gòu)成。
其結(jié)果是，光生電荷的正空穴收集至p型區(qū)域82中，并最終收集至具有最低勢能的p+型區(qū)域84中。另外，主要地，適當設定n型區(qū)域81的雜質(zhì)濃度、p型區(qū)域82和n+型區(qū)域83的雜質(zhì)濃度和結(jié)深度及其pn結(jié)的偏置電壓，使得n型區(qū)域81基本上整個部分也可被耗盡。相應地，p型區(qū)域82幾乎不影響光接收元件的電容，從而可以降低該光接收元件的電容。
當未形成偏移區(qū)域OF并且使電極區(qū)84與n+型區(qū)域83接觸時，在電極區(qū)84與n+型區(qū)域83之間施加反向偏壓會導致?lián)舸┈F(xiàn)象，從而向p+型電極區(qū)84提供了大量的漏電流。
另外，當偏移區(qū)域OF太小時，由于光刻工藝中的不對準等因素使得p+型區(qū)域84與n+型區(qū)域83以高概率接觸。這導致光接收元件輸出的降低。因此，根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例，在右側(cè)的p+型區(qū)域84與n+型區(qū)域83之間以及在左側(cè)的p+型區(qū)域84與n+型區(qū)域83之間分別設置1μm的偏移區(qū)域OF。
電極15形成為覆蓋耗盡層DL與隔離膜9相接觸的部分89。因此，由于在電極15制作過程中的刻蝕損害以及對光刻膠去灰所致?lián)p害而產(chǎn)生的晶體缺陷對耗盡層DL沒有任何負面影響，從而可以減小暗電流。
本發(fā)明的本實施例并不局限于上述導電型，本實施例中采用的各導電型可以改成與其相反的導電型。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例，由于n型區(qū)域81形成在p型基片86中，所以可以防止光生載流子進入相鄰的象素。因此可以基本上完全控制串擾的產(chǎn)生，從而可以獲得高質(zhì)量分辨率的圖譜。
另外，即使在某個象素中產(chǎn)生有存儲飽和值或以上的光生載流子時，溢出的光生載流子也可以由位于n型基片81周圍的p型區(qū)域86所吸收，從而可以獲得沒有影像擴散的高質(zhì)量圖象，而對其它象素沒有任何影響。
下面參照圖27A至27C以及28A至28C，說明根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例的光接收元件的制作方法。
先制備p型半導體基片86，并形成由n型半導體構(gòu)成的n型區(qū)域81(參見圖27A)。
接著，按照選擇性氧化方法形成場隔離膜5，然后形成p型半導體基片82(參見圖27B)。
在形成n型半導體區(qū)83之后，形成p型電極區(qū)84。在此情況下，根據(jù)情況需要，對n型半導體區(qū)83與電極區(qū)84之間的偏移區(qū)域以低雜質(zhì)濃度注入摻雜離子(參見圖27C)。
接著，形成由PSG、BSG、BPSG等制成的隔離膜9，并且在電極區(qū)84上形成開口CH(參見圖28A)。
接下來，通過濺射鍍膜等方法形成由導電材料例如Al-Cu等材料構(gòu)成的層15(參見圖28B)。同時，在層15的下面可以形成由TiN等構(gòu)成的隔離金屬。
接著，由導電材料構(gòu)成的層15通過采用BCl3、Cl2等干刻方法經(jīng)受圖紋加工，從而保留層15使得偏移部分被層15覆蓋。以此方式，可以獲得陽極15。
在上述實施例8至11中所述的各光接收元件可以分別應用于圖4、7、21和22中所示的讀取和復位電路。
另外，本發(fā)明可以優(yōu)選應用于日本專利申請公開No.9-205588中所提出的光電轉(zhuǎn)換裝置，也可以應用于其它的光電轉(zhuǎn)換裝置或固態(tài)圖象拾取裝置。
采用根據(jù)本發(fā)明這些實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置制作接觸型圖象傳感器，可以用作例如傳真機或圖象掃描儀等圖象輸入系統(tǒng)的圖象讀取裝置。因此可以實現(xiàn)較低的暗電流，從而可以讀取高質(zhì)量圖象。另外，該圖象讀取裝置由于其高輸出而可以低成本制作。
如上所述，由于可以獲得能夠降低暗電流的光接收元件，所以可以實現(xiàn)即使在制作工藝改變時也具有較小的暗電流波動的高性能光電轉(zhuǎn)換裝置。因此，可以提供能夠獲得高質(zhì)量圖象的便宜的圖象讀取裝置或圖象輸入系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種光接收元件，包括第一導電型的第一半導體區(qū)；第二導電型的第二半導體區(qū)，設在所述第一半導體區(qū)上；第一導電型的第三半導體區(qū)，設在所述第二半導體區(qū)與一隔離膜之間；第二導電型電極區(qū)，設在所述第二半導體區(qū)中的其上面沒有第三半導體區(qū)的位置上，并且與由導體制成的陽極或陰極電極相連。
2.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述電極區(qū)設置成浮置狀態(tài)以積聚光生電荷；并且向所述第一半導體區(qū)施加偏置電壓以便在第一半導體區(qū)與第二半導體區(qū)之間施加反向偏壓。
3.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中設在第三半導體區(qū)之下的第二半導體區(qū)被完全耗盡。
4.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述電極區(qū)由陽極或陰極電極加以遮光。
5.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中在所述電極區(qū)與第二半導體區(qū)之間形成有電勢梯度，用以將所述光生電荷移向所述電極區(qū)。
6.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中在第三半導體區(qū)與第二半導體區(qū)之間以及在第一半導體區(qū)與第二半導體區(qū)之間形成有電勢梯度，用以將所述光生電荷移向所述第二半導體區(qū)。
7.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述陽極或陰極電極連接至一讀取電路的晶體管的門極。
8.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第一導電型為N型，所述第二導電型為P型。
9.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第一導電型為P型，所述第二導電型為N型。
10.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中在所述第二半導體區(qū)內(nèi)部形成為第二導電型的一個內(nèi)區(qū)，該內(nèi)區(qū)的雜質(zhì)濃度高于第二半導體區(qū)的雜質(zhì)濃度而低于電極區(qū)的雜質(zhì)濃度。
11.如權(quán)利要求10所述的光接收元件，其中所述內(nèi)區(qū)包括多個部分，這些部分的雜質(zhì)濃度互不相同。
12.如權(quán)利要求10所述的光接收元件，其中所述內(nèi)區(qū)構(gòu)造成包含電極區(qū)。
13.如權(quán)利要求10所述的光接收元件，其中所述內(nèi)區(qū)構(gòu)造成不均勻地分布在形成于遮光膜上的開口部分中。
14.如權(quán)利要求10所述的光接收元件，其中所述內(nèi)區(qū)含有一個其寬度隨著內(nèi)區(qū)遠離電極區(qū)而減小的區(qū)域。
15.如權(quán)利要求14所述的光接收元件，其中所述寬度減小的區(qū)域的各個角部為鈍角。
16.如權(quán)利要求10所述的光接收元件，其中所述內(nèi)區(qū)從不均勻分布在形成于所述遮光膜上的開口部中的電極區(qū)延伸至所述開口部分中心之上。
17.如權(quán)利要求10所述的光接收元件，其中所述內(nèi)區(qū)形成在比第二半導體區(qū)淺的位置。
18.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第二半導體區(qū)構(gòu)造成與用于元件隔離的隔離膜相隔開。
19.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第三半導體區(qū)構(gòu)造成與所述電極區(qū)相隔開。
20.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第三半導體區(qū)構(gòu)造成包含所述電極區(qū)。
21.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第二半導體區(qū)的各個角為鈍角。
22.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述電極區(qū)設置成不均勻分布在形成于所述遮光膜中的所述開口部內(nèi)的一端，并且用以向所述第一半導體區(qū)施加電壓的接觸點設置在所述開口部內(nèi)的另一端。
23.如權(quán)利要求22所述的光接收元件，其中在所述第二半導體區(qū)中從所述開口部內(nèi)一端至另一端形成有勢能梯度。
24.如權(quán)利要求22所述的光接收元件，其中所述第二半導體區(qū)的各個角部為鈍角，并且形成在第二半導體區(qū)中的所述內(nèi)區(qū)的各個角部為鈍角。
25.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中在所述第三半導體區(qū)與所述電極區(qū)之間形成有一個低雜質(zhì)濃度的摻雜區(qū)域。
26.如權(quán)利要求25所述的光接收元件，其中所述陽極或陰極電極設置在所述摻雜區(qū)域之上。
27.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述陽極或陰極電極設置成在所述第三半導體區(qū)與電極區(qū)之間形成的區(qū)域內(nèi)或其上延伸。
28.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述陽極或陰極電極設置成在所述電極區(qū)附近形成的耗盡層與隔離膜之間的界面內(nèi)或其上延伸。
29.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第二半導體區(qū)的上表面由所述陽極或陰極電極以及第三半導體區(qū)加以覆蓋。
30.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述陽極或陰極電極與一讀取電路晶體管的門極以及一復位電路晶體管的源極或漏極相連。
31.如權(quán)利要求1所述的光接收元件，其中所述第一半導體區(qū)由半導體基片、形成在該半導體基片上的外延層以及形成在該半導體基片中的阱區(qū)之任一構(gòu)成。
32.一種光接收元件，包括第一導電型的第一半導體區(qū)；第二導電型的第二半導體區(qū)，設在所述第一半導體區(qū)上；第一導電型的第三半導體區(qū)，設在含有所述第一和第二半導體區(qū)的半導體基片的表面與鄰接該半導體基片表面的一隔離膜之間；以及由導體制成的陽極或陰極電極，該陽極或陰極電極與所述第二半導體區(qū)相連，其中所述陽極或陰極電極具有一個延伸部分，覆蓋由所述第二半導體區(qū)和第三半導體區(qū)之間形成的耗盡層與所述隔離膜相接觸的部分的上部。
33.如權(quán)利要求32所述的光接收元件，其中所述第一半導體區(qū)為外延層；所述第二半導體區(qū)形成在該外延層內(nèi)的上表面；并且所述陽極或陰極電極的上表面面積大于所述第二半導體區(qū)的上表面面積。
34.如權(quán)利要求32所述的光接收元件，其中所述第二半導體區(qū)含有多個雜質(zhì)濃度彼此不同的部分；并且所述陽極或陰極電極的上表面面積大于所述第二半導體區(qū)的上表面面積。
35.如權(quán)利要求32所述的光接收元件，其中所述第二半導體區(qū)含有一個高雜質(zhì)濃度的部分和一個低雜質(zhì)濃度的部分；并且所述第三半導體區(qū)形成在所述低雜質(zhì)濃度部分的上表面上。
36.如權(quán)利要求32所述的光接收元件，其中所述陽極或陰極電極的延伸部分覆蓋至少一個所述第三半導體區(qū)內(nèi)或其上的部分。
37.一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包括一個如權(quán)利要求1所述的光接收元件；一個用于發(fā)射光束的光源；和一個成象元件。
38.一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包括一個如權(quán)利要求32所述的光接收元件；一個用于發(fā)射光束的光源；和一個成象元件。
全文摘要
為了減小光接收元件的電容,本發(fā)明提供一種光接收元件,包括一個第一導電型的第一半導體區(qū);一個第二導電型的第二半導體區(qū),設在第一半導體區(qū)上;一個第一導電型的第三半導體區(qū),設在第二半導體區(qū)與一隔離膜之間;和一個第二導電型的電極區(qū),設在第二半導體區(qū)中的其上面沒有第三半導體區(qū)的位置上,并且與由導體制成的陽極或陰極電極相連。
文檔編號H01L31/103GK1268773SQ0010862
公開日2000年10月4日 申請日期2000年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月25日
發(fā)明者小冢開, 小泉徹, 澤田幸司 申請人:佳能株式會社