固體攝象裝置和用固體攝象裝置的攝象機系統的製作方法
2023-10-24 05:01:07
專利名稱：固體攝象裝置和用固體攝象裝置的攝象機系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體攝象裝置和用固體攝象裝置的攝象機系統。
背景技術：
近年來對於固體攝象裝置作為以數字靜態攝象機、視頻攝像機編碼器為中心的圖象輸入用攝象裝置的需要急速的增加。
正在用CCD(Charge Coupled Device電荷耦合元件)和MOS型固體攝象裝置作為這些固體攝象裝置。前者與後者比較，因為靈敏度高噪聲小，所以作為高畫質的攝象裝置正在普及中，但是其反面是，具有功耗大，驅動電壓高，因為不使用通用的半導體製造工藝所以成本高，難以集成驅動電路等的周邊電路等的弱點。
由於上述理由，至今也一直在開發放大型的MOS型固體攝象裝置。放大型的固體攝象裝置是將在光二極體中儲存的信號電荷導入象素中備有的放大電晶體的控制電極，從放大電晶體的主電極放大並輸出與信號電荷量相應的輸出的裝置。特別是作為放大型的固體攝象裝置，正在作為放大電晶體使用MOS電晶體的MOS傳感器的開發中投入力量。
我們預想能夠克服上述CCD的弱點的MOS型固體攝象裝置將適用於在預想今後擴大需要的可攜式設備中的應用。
圖13是表示作為固體攝象裝置的CMOS傳感器象素的典型例的電路圖。
在圖13中30是單位象素、1是用於儲存由入射光產生的信號電荷的光二極體、6是輸出與信號電荷量相應的放大輸出信號的放大MOS電晶體、3是與接受信號電荷的放大MOS電晶體6的柵極連接的浮置擴散(以下記為FD)區域、2是用於將在光二極體1中儲存的信號電荷傳送到FD區域3的傳送MOS電晶體、4是用於使FD區域3復位的復位MOS電晶體、5是用於選擇輸出象素的選擇MOS電晶體、9a是用於在傳送MOS電晶體2的柵極上加上脈衝，對電荷傳送工作進行控制的控制線、9b是用於在復位MOS電晶體4的柵極上加上脈衝，對復位工作進行控制的控制線、9c是用於在選擇MOS電晶體5的柵極上加上脈衝，對選擇工作進行控制的控制線、10a是與放大MOS電晶體6的漏極和復位MOS電晶體4的漏極連接，向它們供給電源電位的電源配線。10b是輸出選擇的象素的放大信號的輸出線、8是作為電流源工作的，放大MOS電晶體6和形成源極跟隨器的恆定電流用MOS電晶體、10c是將使MOS電晶體8進行恆定電流工作的電位供給MOS電晶體8的柵極的配線。將上述象素30配列成2維矩陣狀形成2維固體攝象裝置的象素區域，但是在該矩陣構成中輸出線10b成為各列的象素的共同線，控制線9a、9b、9c分別成為各行的象素的共同線，只有由控制線9c選擇的行的象素向輸出線10b輸出信號。
進一步，圖14是表示已有固體攝象裝置的其它象素電路的圖。在圖14中，1是光二極體、2是傳送光二極體的電荷的傳送MOS電晶體、3是暫時存儲傳送電荷的浮置擴散區域、4是用於使浮置擴散區域和光二極體復位的復位MOS電晶體、5是用於選擇陣列中的任意一行的選擇MOS電晶體、6是將浮置擴散區域的電荷變換成電壓用源極跟隨器型放大器放大的源極跟隨器MOS電晶體、7是在1列中共同化讀出象素電壓信號的讀出線、8是用於使讀出線7流過恆定電流的恆定電流源。
現在我們簡單地說明工作情況。由光二極體1將入射光變換成電荷，由傳送MOS電晶體2將電荷存儲在浮置擴散區域3中。因為預先打開復位MOS電晶體4和傳送MOS電晶體2使浮置擴散區域3和光二極體1復位到一定電位，所以浮置擴散區域3的電位與由入射光產生的電荷相應地變化。浮置擴散區域3的電位由源極跟隨器MOS電晶體6放大，輸出到讀出線7。通過打開選擇MOS電晶體5選擇該象素。在圖中未畫出的輸出電路中通過浮置擴散區域3的復位電位和光信號儲存後的電位的差分計算，檢測光信號。
圖15是圖13的固體攝象裝置的模式截面圖。又，圖15是包含光二極體、傳送MOS電晶體和FD區域的截面的模式截面圖。在圖15中，11是N型半導體基片、12是P型阱、15是在P型阱12中形成的N型半導體區域、由P型阱12和N型半導體區域15形成光二極體，在N型半導體區域15中儲存由入射光產生的信號電荷。18是由在P型阱12內形成的N型半導體區域構成的FD區域、14是圖13所示的傳送MOS電晶體2的柵極，又，FD區域18也是傳送MOS電晶體的漏極區域。又，傳送MOS電晶體的源極區域是N型半導體區域15。20是與FD區域18連接的配線，與圖中未畫出的放大MOS電晶體的柵極連接。17是稱為LOCOS氧化膜的元件分離用絕緣膜、29是雜質濃度比在元件分離用絕緣膜17下形成的P型阱12高的P+型的溝道阻擋層。
圖16是圖14所示的固體攝象裝置的模式截面圖。這個截面圖16是表示圖14的光二極體1和傳送MOS電晶體2的部分的圖。11是n型矽基片、12是P型阱、13a是MOS電晶體的柵極氧化膜、13b是受光部分上的薄氧化膜、14是傳送MOS電晶體的柵極、15是光二極體1的N型陰極、16是為了具有埋入光二極體構造的表面P型區域、17是用於元件分離的LOCOS氧化膜、18是形成浮置擴散區域也成為傳送MOS電晶體2的漏極區域的N型高濃度區域、19是使柵極和金屬第1層絕緣的矽氧化膜、20是接觸插頭、21是金屬第1層、22是使金屬第1層與金屬第2層絕緣的層間絕緣膜、23是金屬第2層、24是使金屬第2層與金屬第3層絕緣的層間絕緣膜、25是金屬第3層、26是鈍化膜。在彩色用光電變換裝置中，在鈍化膜26的上層進一步形成圖中未畫出的濾色器層、用於進一步提高靈敏度的微透鏡。從表面入射的光通過沒有金屬第3層的開口部分，進入光二極體。光在光二極體的N型陰極15或P型阱12內被吸收，生成電子·空穴對。其中電子儲存在N型陰極區域。
又，在美國專利6403998中，揭示了從n型基片形成所定深度的p型埋入層，在它上側的n型基片上形成光電變換部分的固體攝象裝置。
進一步，在美國專利6504193中，揭示了直到讀出柵極的下部延伸地形成光二極體的一端，在與漏極區域相當的信號檢測部分的下部對於柵極自匹配地形成穿通阻擋層區域的固體攝象裝置。
但是，在圖15、圖16的已有構造的情形中，在光二極體下方產生的信號電荷的一部分不被光二極體吸收，而被FD區域18和象素內的電晶體的源極·漏極區域吸收。結果，使靈敏度降低。
又，儘管對CMOS型固體攝象裝置進行了各種各樣的改良，但是還是存在著在特別小的象素尺寸的裝置中靈敏度低那樣的課題。本發明根據新的構造提供即便用微細的象素也能夠得到高靈敏度的CMOS型固體攝象裝置。
下面我們說明在圖16的已有構造中靈敏度低的理由。圖16是由入射到開口部分的光線27產生電子順利地儲存在N型陰極區域，作為有效的信號電荷進行工作，但是例如光線28那樣在從光二極體多少離開的位置上產生的電子不在N型陰極區域，而被電勢更低的N+型浮置擴散區域18捕獲的情形。又，即便在光二極體的直接下面，由於反覆擴散和俘獲電子，結果以某個概率，電子被光二極體以外的低電勢區域吸收，對光電變換信號沒有貢獻。如果在對於矽表面更深位置上形成N型陰極15，則容易收集由光二極體產生的電子，但是因為N型陰極區域是通過在P型阱區域12中注入離子形成的，所以雜質濃度不能夠太低。N型陰極15由於受到進行耗盡化工作那樣的制約，不能取在相當深的位置形成高濃度的構造，這是已有構造的課題。
這樣，因為對成為光二極體的N型陰極的體積存在界限，所以收集由入射光產生的電子的能力不夠充分，從而靈敏度低。
又，即便在美國專利6403998中揭示的已有構造中，也存在著因為在信號讀出柵極的下部設置勢壘，所以仍然不能夠防止由入射光在深的位置產生的電子被浮置擴散區域18等吸收，使靈敏度降低的課題。
又，即便在美國專利6504193中揭示的已有構造中，也存在著因為穿通阻擋層區域只形成在信號檢測部分的下部，所以不能夠防止由入射光產生的電子的一部分被象素內的其它電晶體的源極、漏極吸收和到鄰接象素的吸收，同樣使靈敏度降低的課題。
發明內容
本發明的目的是提供即便用微小的象素靈敏度也很高的固體攝象裝置，本發明的另一個目的是提供功耗低驅動電壓低，低成本的攝象機系統。
為了解決上述課題，本發明的第1固體攝象裝置，在多個配列備有由第1導電型半導體區域和與上述第1導電型半導體區域的導電型相反的第2導電型半導體區域構成的光二極體、具有在上述第2導電型半導體區域內形成的第1導電型漏極區域，將在上述光二極體中產生的信號電荷傳送到上述漏極區域的第1電晶體、和具有在上述第2導電型半導體區域內形成的第1導電型源極·漏極區域的第2電晶體的象素的固體攝象裝置中，在上述第1電晶體的上述漏極區域的下部和上述第2電晶體的上述源極區域和/或上述漏極區域的下部設置第2導電型的勢壘。
又，本發明的第2固體攝象裝置，在由備有由第1導電型半導體區域和與上述第1導電型相反的導電型的第2導電型半導體區域構成的光二極體、和具有在上述第1導電型半導體區域內形成的第1導電型源極·漏極區域的電晶體的象素構成的固體攝象裝置中，在上述電晶體的柵極的下部設置第2導電型的勢壘。
又，本發明的第3固體攝象裝置，在具有第1導電型基片、第2導電型層和第1導電型層，由上述第2導電型層和上述第1導電型層形成光二極體的固體攝象裝置中，在形成上述光二極體的區域周圍，形成由第2導電型區域構成的勢壘。
又，本發明的第4固體攝象裝置的特徵是將形成勢壘的第2導電型區域多層地配置在形成光二極體的第1導電型層的深度方向。
又，本發明的第5固體攝象裝置的特徵是形成勢壘的多層中的最上層控制從光二極體到傳送電晶體的電荷傳送路徑。
又，本發明的第6固體攝象裝置的特徵是在第1導電層中至少相反導電型埋入層近旁的深度中，由於包圍著的相反導電型層，使雜質濃度降低。
又，本發明的第7固體攝象裝置的特徵是第1導電層具有在半導體表面附近的部分中，比其它部分雜質濃度高的區域。
又，本發明的第8固體攝象裝置的特徵是當傳送電荷時第1導電層被完全耗盡化。
又，本發明的第1固體攝象裝置的製造方法的特徵是在相反導電型埋入層上外延生長形成第1導電型層後，通過離子注入形成相反導電型層。
又，本發明的第2固體攝象裝置的製造方法的特徵是相反導電型埋入層是在第1導電型的半導體基片中進行離子注入後，通過離子注入形成相反導電型層。
進一步，本發明的第9固體攝象裝置的特徵是鄰接的象素間的分離區域是通過STI(Shallow Trench Isolation(淺溝分離))形成的。
進一步，本發明的第10固體攝象裝置的特徵是用分離象素的STI形成的氧化膜與矽的接觸面被第1導電型的半導體層完全覆蓋。
進一步，本發明的第11固體攝象裝置的特徵是鄰接的象素間的分離區域是通過深溝分離(Deep Trench Isolation)形成的。
進一步，本發明的第12固體攝象裝置的特徵是用分離鄰接的象素間的深溝分離形成的氧化膜與矽的接觸面被第1導電型的半導體層完全覆蓋。
本發明的第1固體攝象裝置的作用是因為通過將勢壘設置在FD區域和各電晶體的源極·漏極下面，在勢壘下方產生的信號電荷不被FD區域和設置了勢壘的各電晶體的源極·漏極區域吸收，所以提高了靈敏度。
本發明的第2固體攝象裝置的作用是設置在形成象素的N型電晶體的柵極下面的勢壘兼而起著防止源極、漏極間發生短路，和即便在N型半導體區域中N型電晶體也可以工作的作用。
本發明的第3固體攝象裝置的作用是通過用具有相反導電型的埋入層和與該埋入層相同導電型的層包圍光二極體的N型層產生對電子的勢壘，同時形成雜質濃度低體積大的光二極體，能夠使收集光信號電子的收集力增大。
本發明的第4固體攝象裝置的作用是光二極體的N型層很深，即在更長波長一側具有靈敏度的構造中，通過層積多個P型層，也能夠形成有效的勢壘。
本發明的第5固體攝象裝置的作用是能夠實現通過傳送電晶體能夠確實地傳送來自光二極體的信號的構造。
本發明的第6固體攝象裝置的作用是當儲存電荷時在光二極體上加上逆偏壓時，耗盡層有效地延伸到N型層一側，容易實現完全耗盡化。通過該阱層和該埋入層在平面方向中處於大致相同的位置上，能夠用更少的光掩蔽工序得到高的分離效果。
本發明的第7固體攝象裝置的作用是通過使半導體表面的電子電勢比其它部分低，在儲存電荷時使電子集中在表面附近，當轉送電荷時難以出現傳送殘餘。
本發明的第8固體攝象裝置的作用是根據加在被相反導電型層包圍的光二極體上的逆偏壓，為了耗盡化而決定濃度深度，形成沒有復位噪聲，完全傳送型的光二極體。
本發明的第1固體攝象裝置的製造方法的作用是能夠通過改變外延生長層的厚度，製造與種種分光特性對應的固體攝象裝置。
本發明的第2固體攝象裝置的製造方法的作用是當在長波長一側不需要顯著地高的分光靈敏度時，能夠用離子注入法，在深度方向形成再現性好面內均勻的埋入層。
本發明的第9固體攝象裝置的作用是能夠提供用STI，即便在微細象素中也能夠抑制鄰接畫面間的電荷漏入，串擾小，靈敏度高的攝象元件。
本發明的第10固體攝象裝置的作用是通過在STI中的，在氧化膜矽的界面不形成耗盡層，能夠形成黑暗時的噪聲少的攝象元件。
本發明的第11固體攝象裝置的作用是能夠提供在微細象素中進一步提高象素間的分離性，串擾小，靈敏度高的攝象元件。
本發明的第12固體攝象裝置的作用是通過在深溝分離中，在氧化膜矽的界面不形成耗盡層，能夠形成黑暗時的噪聲少的攝象元件。
圖1是本發明的第1實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖2是本發明的第2實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖3是本發明的第3實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖4是本發明的第4實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖5是本發明的第5實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖6是本發明的第6實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖7是本發明的第7實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖8是根據本發明的固體攝象裝置的象素平面圖。
圖9是本發明的第8實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖10是本發明的第9實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖11是根據本發明的固體攝象裝置的電路圖的一部分。
圖12是用根據本發明的固體攝象裝置的攝象機系統的方框圖。
圖13是表示作為固體攝象裝置的CMOS傳感器象素的典型例的電路圖。
圖14是表示已有的固體攝象裝置的象素電路的圖。
圖15是圖13所示的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖16是圖14所示的固體攝象裝置的模式截面圖。
具體實施例方式
(第1實施形態)圖1是本發明的第1實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
在圖1中，101是第1導電型(這裡作為例示為N型)的半導體基片、102是作為第2導電型半導體區域的P型阱、103是作為在P型阱102中形成的第1導電型半導體區域的N型半導體區域、由P型阱102和N型半導體區域103形成光二極體，在N型半導體區域103中儲存由入射光產生的信號電荷。111是在作為第1電晶體傳送光二極體中產生的信號電荷的傳送電晶體的第1導電型的漏極區域，是在P型阱102中形成的N型半導體區域的FD區域。109是傳送電晶體的柵極，N型半導體區域103、111分別也是傳送電晶體的源極、漏極區域。113是與N型半導體區域111連接的配線，與作為第2電晶體的放大電晶體的柵極130連接。又，放大電晶體具有在源極區域131·漏極區域132之間形成柵極130的構成。133是與源極131連接的垂直信號線。又，132也是放大電晶體的漏極，也是作為別的第2電晶體的選擇電晶體的源極區域。134是選擇電晶體的漏極，在源極·漏極之間形成柵極135。136是與選擇電晶體的漏極134連接的漏極線。107是由厚的氧化膜形成的用於分離元件的絕緣膜、106是雜質濃度比在用於分離元件的絕緣膜107下面形成的P型阱102高的P+型溝道阻擋層、105是在與P型阱102相同導電型的P型半導體區域中形成的勢壘。
又，在本說明書中，將傳送電晶體作為第1電晶體，將在象素內形成的傳送電晶體以外的電晶體表示為第2電晶體。
又，為了當傳送工作時將在N型半導體區域103中儲存的信號電荷傳送到FD區域111，在傳送後立即使N型半導體區域103耗盡化那樣地，在N型半導體區域103上設定N型雜質濃度。
又，在本實施形態的固體攝象裝置中，1個象素由光二極體、傳送電晶體、放大電晶體和選擇電晶體構成，但是1個象素的構成不限定於本實施形態。例如，1個象素也可以由光二極體、傳送電晶體和放大電晶體構成。或者1個象素也可以由光二極體、傳送電晶體、放大電晶體、選擇電晶體和復位電晶體構成。
本發明的勢壘105的特徵是設置在第1電晶體的漏極區域下面和第2電晶體的源極和/或漏極區域下面。當形成多個第2電晶體時，設置至少1個以上的源極和/或漏極區域。
又，勢壘105的雜質濃度是比P型阱102的雜質濃度高的P+型。又，溝道阻擋層106和勢壘105都是相同P+型的半導體區域，但是它們的雜質濃度當然也可以是不同的，勢壘105是通過離子注入例如將硼和鎵注入P型阱102設置的。
如圖1所示本發明的勢壘105形成在FD區域111、放大電晶體和選擇電晶體的源極·漏極區域131、132和134的下面。
如本發明那樣，因為通過將勢壘105設置在FD區域和各電晶體的源極·漏極下面，在勢壘105的下方產生的信號電荷不被被吸收到FD區域111和設置勢壘的各電晶體的源極·漏極區域，所以提高了靈敏度。
所以，因為通過在更多的電晶體的源極·漏極區域的直接下面設置勢壘105，形成使信號電荷更難以被光二極體以外的區域吸收的構造，所以是更適合的。
又，也可以將勢壘105設置在元件分離區域107的下面。通過將勢壘105設置在元件分離區域107的下面，形成信號電荷更難以被鄰接的象素內的光二極體或電晶體吸收的構造，能夠防止信號電荷混入鄰接的象素間。
(第2實施形態)圖2是本發明的第2實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖2是具有光二極體、傳送電晶體和使FD電極211復位的復位電晶體的固體攝象裝置的模式截面圖，設置使FD電極復位的復位電晶體作為第2電晶體。
在圖2中，223是使FD電極211復位的復位用電晶體的柵極，224是使與電源線226連接的FD電極211復位的復位用電晶體的漏極區域。
本實施形態與實施形態1的不同之處是在本實施形態中勢壘205也設置在第2電晶體的柵極下面。從而，因為由於勢壘205減少了被光二極體以外的N型半導體區域吸收的信號電荷，所以提高了靈敏度。
又，本實施形態舉出復位電晶體作為第2電晶體的一個例子，但是也可以與第1實施形態相同第2電晶體也可以是放大或選擇，復位電晶體。或者也可以形成多個第2電晶體。
例如，也可以將本發明的勢壘205設置在由光二極體、傳送電晶體、復位電晶體、放大電晶體和選擇電晶體構成1個象素的固體攝象裝置中。
又，因為當將勢壘205設置在象素內形成的全部電晶體的柵極、源極和漏極區域下面時，使信號電荷更難以被光二極體以外的區域吸收，所以提高了靈敏度。
進一步，形成通過將勢壘205設置在元件分離區域207的下面，將比電晶體的源極·漏極區域深的區域的勢壘205設置在光二極體的周圍的固體攝象裝置。
因為通過以上那樣地將勢壘205設置在光二極體的周圍，使在光二極體上形成的信號電荷更難被鄰接的電晶體的源極或漏極區域吸收，所以提高了靈敏度。
又，在為了包圍光二極體的周圍而設置的勢壘205中，也可以設置1個以上的開口部分。
當不設置開口部分在光二極體的周圍設置勢壘205和信號電荷從光二極體溢出時，從勢壘205溢出的信號電荷難以被周邊的N形半導體區域吸收，容易引起模糊現象。因此，更好的是通過在光二極體周邊的至少一部分上設置不設置勢壘205的開口部分，吸收從光二極體溢出的信號電荷，抑制模糊現象。
(第3實施形態)圖3是本發明的第3實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
圖3是具有光二極體、傳送電晶體和使FD電極311復位的復位電晶體的固體攝象裝置的模式截面圖。
在圖3中，303是作為第1導電型半導體區域的在N型阱或N型半導體基片301的上層部分的N型半導體區域、302是作為構成N型半導體區域303和光二極體的第2導電型半導體區域的P型半導體區域、312是用於收集儲存在光二極體中產生的信號電荷的第1導電型信號電荷儲存區域，是雜質濃度比N型半導體區域303高的區域。
圖3與圖2不同之處是在圖2中在P型阱202內形成具有相反導電型的N型源極·漏極區域的電晶體，進一步與勢壘205是與P型阱202相同導電型的相反，在本實施形態中在作為第1導電型半導體區域的N型半導體區域303內形成具有相同導電型的N型源極·漏極區域的電晶體，進一步設置與N型半導體區域相反導電型的P型勢壘305。
又，在本實施形態中，作為與光二極體一起構成象素的電晶體，存在傳送在光二極體中產生的信號電荷的傳送電晶體和使FD電極復位的復位電晶體，但是電晶體不限定於此。例如，象素內的電晶體也可以是傳送電晶體、復位電晶體、放大電晶體或選擇電晶體等中任何一個或它們的組合。
又，在本實施形態中，設置在形成象素的N型電晶體的柵極下面的勢壘305兼而起著防止源極·漏極間發生短路，和即便在N型半導體區域303中N型電晶體也可以工作的作用。
又，設置在柵極下面的勢壘305也可以是具有與柵極區域對應的大小的勢壘，也可以是在柵極下面形成的勢壘。
從而，在本實施形態中，將傳送電晶體的柵極309下面的勢壘設置在柵極309的一部分的下面，在復位電晶體的柵極323的下面設置與柵極323大小對應的勢壘。
又，同樣地也可以將設置在本說明書中所述的源極·漏極區域下面的勢壘設置在源極·漏極區域的一部分的下面。
又，在圖3那樣的象素構造中，因為對於光行進的方向形成深的光二極體的N型區域，所以關於信號電荷的量子效率比第1實施形態高。
在本實施形態中，因為象素中N型電晶體是在N型半導體區域中形成的，所以它的閾值電位下降到比已有例的N型電晶體的閾值電位低，所以能夠擴大放大電晶體的輸入輸出範圍。
又，本實施形態中的電晶體的閾值電位，通過使由反向柵極效果引起的變動小，能夠使放大增益比已有的高。
又，也可以將勢壘305設置在元件分離區域307的下面。通過在元件分離區域307的下面設置勢壘305，形成信號電荷難以被鄰接的象素內的光二極體或電晶體吸收的構造，能夠防止信號電荷混入鄰接的象素間。
(第4實施形態)圖4是本發明的第4實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
本實施形態與圖3不同之處是在本實施形態中勢壘405不限於只在電晶體的柵極下面，也可以設置在存在於象素內的電晶體的源極和/或漏極區域的下面。
因為具有通過將勢壘405不僅只是設置在柵極的下面，而且也設置在源極和/或漏極區域的下面，形成在勢壘405下方產生的信號電荷難以被電晶體的源極和/或漏極區域吸收的構造，所以能夠進一步提高靈敏度。
又，在本實施形態中，作為象素內的電晶體，存在傳送在光二極體中產生的信號電荷的傳送電晶體和使FD電極復位的復位電晶體，但是電晶體不限定於此。例如，象素內的電晶體也可以是傳送電晶體、復位電晶體、放大電晶體或選擇電晶體等中任何一個或它們的組合。
又，也可以將勢壘405設置在元件分離區域407的下面。因為形成通過在元件分離區域407的下面設置勢壘405，信號電荷難以被鄰接的象素內的光二極體或電晶體吸收的構造，所以能夠防止信號電荷混入鄰接的象素間。
因為如上那樣地通過將勢壘405設置在光二極體的周圍，在光二極體中形成的信號電荷難以被鄰接的電晶體的源極和/或漏極區域吸收，所以與沒有勢壘的情形比較能夠提高靈敏度。又，也可以在為了包圍光二極體的周圍而設置的勢壘405上設置1個以上的沒有設置勢壘的開口部分。
當在不設置開口部分的光二極體的周圍的全部面上設置勢壘405和從光二極體溢出信號電荷時，由於勢壘405，溢出的信號電荷難以被周邊的N型半導體區域吸收，容易引起模糊現象。因此，通過在光二極體周邊的N型半導體區域吸收，容易引起模糊現象。這裡，通過在光二極體周邊的至少一部分上設置沒有設置勢壘405的開口部分，吸收從光二極體溢出信號電荷，能夠抑制模糊現象。
又，作為抑制模糊現象的其它形態，具有使P型半導體區域402的雜質濃度比勢壘405的雜質濃度低，使從光二極體溢出信號電荷逃離N型半導體基片401的所謂的縱型溢出漏極構造。因為在這種構造中，可以不設置上述那樣的開口部分，所以與不設置開口部分的情形比較，能夠提高靈敏度。
又，在本實施形態中，也可以不設置信號電荷儲存區域412。又，也可以是在儲存信號電荷的N型半導體區域，或者，信號電荷儲存區域412的半導體界面部分上形成P型半導體區域的所謂的埋入光二極體。
以上，作為第1到第4實施形態中的象素構造，也可以使N型、P型的極性完全反轉。
(第5實施形態)
圖5是本發明的第5實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
說明第5實施形態的截面圖如圖5所示。圖5與已有例的圖16相同，表示出象素內的光二極體部分、傳送MOS電晶體部分和浮置擴散部分。501是N型矽基片、502是埋入P型高濃度層、503是成為光二極體陰極的N型外延生長層、504a、504b是P型分離層、505a、505b是P型阱層。又，506a是場氧化膜下的溝道阻擋P型層。507是場氧化膜、508是MOS電晶體的柵極氧化膜、509是傳送MOS電晶體的柵極多晶矽、510是用於使光二極體成為埋入型的表面P型層。又511是傳送MOS電晶體的N型漏極擴散區域，暫時存儲傳送的電荷，起著浮置擴散區域的作用。進一步，512是第1層間絕緣膜、513是接觸插頭、514是第1層的配線層、515是第2絕緣膜、516是第2層的配線層、517是第3層間絕緣膜、518是第3層的配線層、519是鈍化膜。在本實施例中形成3層的配線層，但是根據傳感器的說明書，為了確保光學特性，令配線層為1層或2層也與本發明的主旨不矛盾。此外，通過作為彩色攝象裝置使用時在鈍化膜上形成濾色器層，進一步在濾色器的上部形成微透鏡，提高光靈敏度，這能夠與已有的攝象裝置同樣地進行。通過P型分離層504a、504b、而且P型阱層505a、505b與埋入的P型高濃度層一起，包圍成為光二極體的陰極的N型外延生長區域503，使鄰接象素的光二極體之間電分離。由射到象素的入射光520和521產生的電子·空穴對中，由於包圍N型外延生長層的種種P型層產生的勢壘使電子確實地作為信號電荷儲存在光二極體中。又P型阱層505a也控制位於傳送MOS電晶體的大致直接下面，通過傳送MOS的溝道將儲存在N型外延生長層503中的電子傳送到浮置擴散區域時的傳送路徑。通過適當地設計P型阱層的濃度、深度、橫向位置，當將讀出電壓加到MOS柵極509上時，能夠為了使N型外延生長層503完全耗盡化而進行工作。通過與P型分離層504a電連接的P型阱層作為電荷傳送MOS電晶體的阱起作用，也對該MOS電晶體的閾值電壓進行控制。又，也將P型阱層505a配置在象素內的其它電晶體的下面，作為這些MOS電晶體的阱起作用。將P型高濃度埋入層502的深度設計為能夠得到傳感器需要的分光特性的深度。除了形成勢壘外，最好使成為峰值的雜質濃度在IE15(/cm3)以上。為了降低電阻最好用高濃度形成。因為高能量高劑量的離子注入使製造成本上升，所以實際上決定了濃度上限。又，P型分離層504a、504b考慮到光二極體的開口面積和入射光到達的位置，決定橫向位置。雜質濃度最好在能夠形成勢壘的IE15(/cm3)以上。又，當N型外延生長層的厚度比本實施例更厚時，進一步通過追加第2個P型分離層，能夠形成在深度方向與P型層連接的構造。下面我們記述用於製作本實施例的構造的製造方法。形成P型高濃度埋入層502的方法概略地如下面2個方法所示。在第1個方法中，在n型矽基片501的表面中離子注入硼後，外延生長n型矽層503。n型矽基片501的雜質濃度在IE13～IE15(/cm3)的範圍中是合適的。又P型埋入層502可以在IE15～IE20(/cm3)的範圍中。N型外延生長區域503的雜質濃度可以在IE14～IE16(/cm3)的範圍中。N型外延生長區域503的厚度根據需要的分光靈敏度進行設定。如果是通常的可見光的攝象裝置，則在2μm～6μm左右是適合的。在第2個方法中，通過從在雜質濃度IE14～IE16(/cm3)的n型矽基片或n型矽基片上外延生長的基片表面，用1MeV～5MeV的加速能量離子注入硼，形成P型高濃度埋入層502。P型高濃度埋入層502的表面一側成為圖5的N型外延生長層503。其次，通過形成布線圖案和離子注入，形成P型分離層504a、504b，接著形成P型阱層505a、505b。P型分離層504a、504b的雜質濃度可與基底的N型矽的N型雜質濃度相抵消，可以淨得到P型IE15～IE18(/cm3)。當通過有效的設計得到比N型外延生長層的雜質濃度高的濃度，在光二極體的PN結上加上逆偏壓時，也不會使P型層耗盡化，能夠有效地作為勢壘進行工作。如本實施例那樣當外延生長層的厚度為4μm左右時，P型分離層504a、504b作為離子注入的行程1.5～3.0μm是合適的。在本實施例中，作為離子的種類用硼，用1200KeV的能量注入6E11(cm-2)的劑量。根據這個條件硼的行程為1.9μm，能夠進行P型高濃度埋入和電連接。P型阱層505a、505b作為離子注入的行程0.5～1.5μm是合適的。在本實施例中，作為離子的種類用硼，用500KeV的能量注入1E12(cm-2)的劑量。根據這個條件硼的行程為1.0μm，能夠與P型分離層504a、504b電連接。此外，當外延生長層的厚度變化時，P型分離層、P型阱層的製作條件變化。為了P型阱層與P型高濃度埋入層電連接，外延生長層的厚度在6μm以上，P型阱層由2層構成是合適的。又，外延生長層的厚度在2μm以下時不需要P型分離層。外延生長層的厚度決定攝象元件的長波長一側的分光靈敏度，但是因為在通常的可見光區域如果外延生長層的厚度為4μm則足夠了，所以本實施例的構造適合於可見光區域的攝象元件。其次，通過離子注入形成溝道阻擋層506a、506b後，用通常的LOCOS分離法或リセスLOCOS法等形成場氧化膜507。形成多晶矽電極509後，通過離子注入在光二極體表面上形成P型表面層510、N型高濃度層511。因為接觸開口工序以後的製造方法與已有的攝象元件相同，所以省略。根據本實施例也能夠捕獲在已有光二極體中不能夠部捕獲的光載流子，提高了靈敏度。此外，在本實施例中使外延生長層的導電型為N型，但是當通過使它為P型，使其它的所有導電型反轉，構成空穴儲存型象素時也能夠應用本發明，這是不言而喻的。
圖8是平面圖的一個例子。為了包圍光二極體801而將P型阱層和分離層802配置在虛線的區域內。在光二極體801的一端配置用於傳送電荷的傳送電晶體的柵極線803。又804是暫時儲存傳送電荷的浮置擴散區域。在本平面圖中沒有畫出放大用MOS電晶體、復位用MOS電晶體或行選擇用MOS電晶體，但是為了實現本發明並不在這些元件的配置上加上新的制約。本平面的要點是通過阱層、分離層包圍光二極體，分離鄰接的象素。
圖11是當2維地配置多個本發明的象素電路時的電路構成的簡略圖。在1個象素1101中存在著光二極體1102、傳送MOS電晶體1103、放大MOS電晶體1104、復位MOS電晶體1105、選擇MOS電晶體1106。分別用選擇線1107連接相同行的選擇MOS電晶體的柵極，用復位線1108連接復位MOS電晶體的柵極，而且用傳送線1109連接傳送MOS電晶體的柵極，用垂直掃描電路1110，進行掃描·選擇。電流源1112與相同列的輸出線1111連接，能夠通過源極跟蹤器的工作讀出輸出線的電位。分別地，用光信號讀出線1115通過選擇的光信號傳送MOS電晶體1113將輸出線上的光信號存儲在電荷存儲部分1118中，用噪聲信號讀出線1116通過選擇的噪聲信號傳送MOS電晶體1114將噪聲信號存儲在電荷存儲部分1118中。用水平掃描電路順次掃描·讀出存儲在電荷存儲部分1118中的信號，通過圖中未畫出的差動放大電路，輸出光信號與噪聲信號的差分。
圖12是表示將根據本發明的固體攝象裝置應用於攝象機時的電路方框圖的例子的圖。在攝影透鏡1202前面是快門1201，控制曝光。需要時由光圈1203控制光量，成像在固體攝象元件1204上。從固體攝象元件1204輸出的信號由信號處理電路1205進行處理，由A/D變換器從模擬信號變換到數位訊號。輸出的數位訊號進一步在信號處理部分1207中進行計算處理。將處理後的數位訊號存儲在存儲器1210中，通過外部I/F1213發送給外部設備。固體攝象裝置1204、攝象信號處理電路1205、A/D變換器1206、信號處理部分1207由定時產生部分1208進行控制，此外系統整體由整體控制·計算部分1209進行控制。為了將圖象記錄在記錄媒體1212中，通過由整體控制·計算部分控制的記錄媒體控制I/F部分1211記錄輸出數位訊號。
根據本發明，因為除了能夠大幅度地提高CMOS型固體攝象裝置的靈敏度外，也能夠構成N型層體積比已有的大的光二極體，所以能夠使攝象元件的飽和電流增大。又，因為與埋入光二極體的表面P型層510連接的N型外延生長層503的接合部分的雜質濃度比已有的低，所以能夠降低象素缺陷的發生率，從而與已有例比較也能夠改善品質。
(第6實施形態)圖6是本發明的第6實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
說明第6實施形態的截面圖如圖6所示。因為除了柵極外的配線部分與第5實施形態相同，所以在圖中未畫出。
與第5實施形態不同之處是在光二極體的構造中在N型外延生長層603的表面附近追加其它的N型層612。該N型層612具有在P型表面層610的下面，又，一部分進入柵極609下面的構造。N型層612的雜質濃度比N型外延生長層高約為IE15～IE17是合適的。這樣因為N型層612對於電子來說成為電勢低的地方，所以在電荷儲存中使電子匯集在N型層612中。所以，是適合於當由MOS電晶體傳送電荷時，完全傳送電子的構造。因為通過完全傳送電荷，在光二極體中殘存的電子數沒有搖擺，所以能夠構成隨機噪聲小的攝象元件。N型層612是在形成多晶矽柵極609以前的工序中通過形成布線圖案和離子注入形成的。或者，在形成多晶矽柵極609後用斜離子注入法，能夠鑽進多晶矽柵極609的下面。圖6的截面圖的其它部分與第5實施形態相同。本發明的要點是P型分離層604a、604b和P型阱層605a、605b的形成方法能夠用與第5實施形態相同的方法。因為其它部分也是相同的，所以省略對它們的說明。
本實施例的效果是通過在光二極體的陰極部分的表面一側設置雜質濃度比其它部分高的部分，容易用傳送MOS電晶體傳送儲存中的電子。根據該構造，能夠實現容易完全傳送光二極體的電荷，隨機噪聲少的裝置。此外，本實施形態根據圖8、11、12所示的平面構造和電路構成以及方框構成也能夠作為攝象系統有效地進行工作。
(第7實施形態)圖7是本發明的第7實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
說明第7實施形態的截面圖如圖7所示。
在本實施形態中P型分離層704a、704b表示在雜質濃度方面完全不與P型阱層705a、705b和P型高濃度埋入層702接觸的構造。即便是這種構造，如果這些P型區域對於光二極體的N型區域(N型外延生長層703)，形成足夠的勢壘則也可以使用。勢壘能夠由要儲存在光二極體中的電荷數決定。此外，在第5實施形態中N型外延生長層的厚度為2μm～6μm，但是因為在P型層中形成勢壘，所以在深度方向能夠將分離層數增加到多個。因為圖7的截面圖的其它部分與第5實施形態相同，所以省略對它們的說明。
在本實施形態中表示如果分離層不與P型阱層和P型埋入層接觸，並且形成足夠的勢壘，則可以應用本發明。表示最好按照本實施例的指示與N型外延生長層的厚度相應地，設計需要的分離層數和濃度。
(第8實施形態)圖9是本發明的第8實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
說明第8實施形態的截面圖如圖9所示。
在本實施形態中表示作為元件分離方法，用STI(ShallowTrench Isolation(淺溝分離))的情形。P型分離層904a、904b表示在雜質濃度方面完全不與P型阱層905a、905b和P型高濃度埋入層902接觸的構造。該構造與第7實施形態相同。圖9中，STI氧化膜907的下部存在為了不使STI氧化膜907與矽的界面耗盡化的P型區域906a、906b。這個P型區域為了不使STI氧化膜的側面部分耗盡化是特別重要的。P型阱層905a、905b形成與第7實施形態相同的深度，防止電荷鑽入鄰接象素，並且對傳送MOS電晶體的傳送路徑進行控制，也對傳送MOS電晶體的閾值進行控制。又，在STI氧化膜907直接下面的P型阱層905b在元件分離的直接下面形成勢壘，同時也起著STI氧化膜907下面的溝道阻擋層的作用。P型分離層904a、904b與其它實施形態相同，在P型阱層905a、905b與P型高濃度埋入區域902之間形成勢壘。
因為其它構造與第6實施形態到第7實施形態相同，所以省略對它們的說明。
在本實施形態中通過用STI進行元件分離，具有以下面的效果提高了鄰接光二極體之間的分離性。因為表面是平坦的所以也用微細加工穩定阻擋層的形狀。因為在形成STI後能夠用離子注入形成P型分離層和P型阱層，所以P型分離層和P型阱層能夠形成不因氧化時的熱擴散而變寬的微細圖案。
用STI的本實施形態適合於製造微細象素的攝象元件。
(第9實施形態)圖10是本發明的第9實施形態的固體攝象裝置的模式截面圖。
說明第9實施形態的截面圖如圖10所示。
在本實施形態中表示作為元件分離方法，用深溝分離(DeepTrench Isolation)法的情形。在本實施形態中，P型分離層1004、P型阱層1005表示在雜質濃度方面完全不與P型高濃度埋入層1002接觸的構造。該構造與第7、第8實施形態相同。溝分離氧化膜1007一直達到矽內3μm的深度，為了不使溝分離氧化膜1007與矽的界面耗盡化的P型區域1006a、1006b覆蓋界面。該P型區域1006a、1006b防止暗電流同時在溝分離氧化膜1007和P型高濃度埋入區域1002中形成勢壘。
因為其它構造與第6實施形態到第8實施形態相同，所以省略對它們的說明。
在本實施形態中通過用深溝分離法進行元件分離，具有下面的效果與STI比較進一步提高了鄰接光二極體之間的分離性。因為分離區域的寬度很小，並且能夠直到深的區域進行分離，所以是適合於微細象素的構造。
如以上說明的那樣，如果根據本發明，則作為通過在象素內設置勢壘，使信號電荷難以被光二極體以外的部分吸收的構造，能夠實現高靈敏度的固體攝象裝置。
進一步，根據本發明，因為與已有技術比較能夠構成N型層的體積更大的光二極體，所以也能夠使攝象元件的飽和電流增大。又，因為與埋入光二極體的表面P型層連接的N型外延生長層的接合部分的雜質濃度比由有的低，所以能夠降低象素缺陷的發生率，從而與已有例比較也能夠改善品質。
進一步，在光二極體的陰極部分的表面一側設置雜質濃度比其它部分高的部分，容易完全傳送光二極體的電荷，實現隨機噪聲少的固體攝象裝置。
權利要求
1.一種固體攝象裝置，排列多個象素而成，所述象素包括由第1導電型半導體區域和與上述第1導電型半導體區域的導電型相反的第2導電型半導體區域構成的光二極體、具有在上述第2導電型半導體區域內形成的第1導電型漏極區域，將在上述光二極體中產生的信號電荷傳送到上述漏極區域的第1電晶體、和具有在上述第2導電型半導體區域內形成的第1導電型源極·漏極區域的第2電晶體，其特徵在於在上述第1電晶體的上述漏極區域的下部和上述第2電晶體的上述源極區域和/或上述漏極區域的下部設置第2導電型的勢壘。
2.根據權利要求1記載的固體攝象裝置，其特徵在於上述第2導電型的勢壘的雜質濃度比上述第2導電型半導體區域的雜質濃度高。
3.根據權利要求1記載的固體攝象裝置，其特徵在於將上述勢壘設置在第1電晶體和/或上述第2電晶體的柵極的下部。
4.根據權利要求1記載的固體攝象裝置，其特徵在於備有多個上述象素，在上述象素之間具有元件分離區域，將上述勢壘設置在上述元件分離區域的下部。
5.一種固體攝象裝置，由象素構成，所述象素包括由第1導電型半導體區域和與上述第1導電型相反的導電型的第2導電型半導體區域構成的光二極體、和具有在上述第1導電型半導體區域內形成的第1導電型源極·漏極區域的電晶體，其特徵在於在上述電晶體的柵極的下部設置第2導電型的勢壘。
6.根據權利要求5記載的固體攝象裝置，其特徵在於將上述勢壘設置在上述電晶體的源極區域和/或漏極區域的下部。
7.根據權利要求5記載的固體攝象裝置，其特徵在於上述第1導電型半導體區域內具有比儲存有在上述光二極體中產生的信號電荷的上述第1導電型半導體區域的雜質濃度高的第1導電型的信號電荷儲存區域。
8.根據權利要求5記載的固體攝象裝置，其特徵在於上述勢壘的雜質濃度比上述第2導電型半導體區域的雜質濃度高。
9.一種固體攝象裝置，具有第1導電型基片、第2導電型層和第1導電型層，由上述第2導電型層和上述第1導電型層形成光二極體，其特徵在於在形成上述光二極體的區域周圍形成由第2導電型區域構成的勢壘。
10.根據權利要求9記載的固體攝象裝置，其特徵在於將形成勢壘的上述第2導電型區域形成在形成上述光二極體的上述第1導電型層內，形成上述光二極體的上述第2導電型層是埋入層。
11.根據權利要求10記載的固體攝象裝置，其特徵在於形成勢壘的上述第2導電型區域在深度方向上一直達到形成上述光二極體的上述第2導電型埋入層。
12.根據權利要求10記載的固體攝象裝置，其特徵在於將形成上述勢壘的上述第2導電型區域多層地配置在形成上述光二極體的第1導電型層的深度方向上。
13.根據權利要求12記載的固體攝象裝置，其特徵在於由上述多層中的最上層來控制從光二極體到傳送電晶體的電荷傳送路徑。
14.根據權利要求10記載的固體攝象裝置，其特徵在於在上述第1導電型層的半導體表面附近的部分中，具有比其它部分雜質濃度高的區域。
15.一種攝象機系統，其特徵在於具有根據權利要求9記載的固體攝象裝置。
全文摘要
本發明提供在光二極體下方產生的信號電荷難以被光二極體以外的區域吸收的固體攝象裝置。該固體攝象裝置是排列多個象素而成，所述象素備有由第1導電型半導體區域和與上述第1導電型半導體區域的導電型相反的第2導電型半導體區域構成的光二極體、具有在上述第2導電型半導體區域內形成的第1導電型漏極區域，將在上述光二極體中產生的信號電荷傳送到上述漏極區域的第1電晶體、和具有在上述第2導電型半導體區域內形成的第1導電型源極·漏極區域的第2電晶體，在上述第1電晶體的上述漏極區域的下部和上述第2電晶體的上述源極區域和/或上述漏極區域的下部設置第2導電型的勢壘。
文檔編號H04N5/335GK1471311SQ0314847
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月27日 優先權日2002年6月27日
發明者
原真人, 篠原真人, 井上俊輔, 輔 申請人:佳能株式會社