CN100407435C - 电荷耦合装置以及制作电荷耦合装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种电荷耦合装置(CCD)，包括：沿一传输通道交替设置的第一层传输电极和第二层传输电极，其中位于第一层传输电极之下的电荷存储部分的宽度大于位于第二层传输电极之下的势垒部分的宽度。第一和第二互接线向该传输电极提供两相驱动信号。把第一互接线连接到该传输电极的接触塞以及连接第二互接线的接触塞相对于传输通道的中心线设置在相对的侧部。

Description

电荷耦合装置以及制作电荷耦合装置的方法

技术领域

本发明涉及一种传输通道中势垒(barrier)部分宽度减小的电荷耦合(charge-coupled)装置(CCD)以及其适用于CCD的更精制结构。

背景技术

目前的固态成像装置包括一CCD，像素的尺寸越来越减小，成像装置的结构也更加精制，因而还需要其内CCD的宽度更小。CCD的宽度是很重要的因素，它决定着在该固态成像装置中传输的电子量(或者电荷量)，宽度较大的CCD可使该CCD在其内传输更大量的电子，并可为该固态成像装置提供质量有所改进的图像。

图14表示常用CCD中传输电极结构的顶视平面示意图。该CCD包括多个第一层传输电极11和多个第二层电极12，它们沿一传输通道17交替地设置，以传输在传输通道17中的电荷。传输通道17包括掺杂有许多n型杂质并位于电极11和12之下的n型势阱(well)20。可沿传输通道17交替地设置一第一群对和一第二群对，其中，每一个第一群对(group of pairs)包括第一层传输电极11之一和与其相邻的第二层传输电极12之一，每一个第二群对包括另一个第一层传输电极11和另一个与其相邻的第二传输电极12。第一群对与一第一互连线连接，而第二群对与一第二互连线连接。

图15表示位于传输通道17之下的顶视平面示意图。该传输通道17由一p势阱包围着，包括一掺杂有许多杂质的n势阱、以及多道掺杂有少量杂质并沿传输通道17设置的n^-势阱21。n^-势阱21设置在n势阱20的表面区域。从n^-势阱21暴露的n势阱20部分位于第一层传输电极11之下，而且n势阱20位于第二层传输电极12之下。电荷在箭头所示的方向上沿传输通道17传输。

图16表示制作图14所示CCD的工艺流程图。首先，在设于半导体衬底内的p势阱中制作传输通道17的n势阱20(步骤S1)，之后，把硼离子注入传输通道17的周边区域，形成p⁺扩散区(步骤S2)。随后，在衬底的整个表面上形成一层氧化膜(步骤S3)，接下来，沉积成第一层多晶硅膜，并对其进行制模，从而形成第一层传输电极11(步骤S4)。于是，把第一层传输电极11作为一模板(mask)，采用自校准技术将硼离子注入n势阱20的表面区域中，从而有选择地把n势阱21的表面区域变成n^-势阱21(步骤S5)。随后，形成一层氧化膜和一层内层绝缘膜(步骤S6)，之后，沉积成第二层多晶硅膜，并对其进行制模，从而形成第二层传输电极12(步骤S7)。

如图14所示，假设P、S1、S2、A1、A2、A3、A4和A5分别表示组合传输电极11和12的高度、相邻的两个第一层传输电极11间的间隔、相邻的两个第二层传输电极12间的间隔、接触塞13和相应的第一层传输电极11的边缘间的距离、接触塞13和相应的第二层传输电极12的边缘间的距离、第一层传输电极11的宽度、第一层传输电极11和相应的第二层传输电极12间的重叠部分的尺寸、以及接触塞13的宽度。

在图14所示的CCD的设计方案中，确定上述高度P、间隔S1和S2、距离A1和A2、宽度A3、尺寸A4和宽度A5时考虑到了设计容限，从而使高度P满足下列关系式：

P≥S1+S2+A1+A2+A3+A4+A5

如果满足这一关系式，就可使该CCD具有图14所示的完整形状。但是，由于近来研制出面积更小的CCD像素，最好是使组合传输电极的高度P等于或者低于2微米，这样在使用图14所示结构时就会面临着困难。

可以考虑这种小面积的CCD应该具有图17和18中所示的结构，图17和18分别表示与图14和15所示相似的CCD结构。在所示的结构中，连接第一组中的第一互接线41和相应的传输电极11和12的接触塞13设置在传输通道17的一边缘附近，连接第二组的第二互接线42和相应传输电极11和12的接触塞13设置在与上述边缘相对的一边缘附近。换句话说，接触塞13相对于传输通道17的中心成交错结构设置。这样的结构可使用于接触塞13的结构模式中的设计容限得到降低，从而减少组合传输电极的高度P。但是，这种结构的缺点是传输通道17的宽度(W2)减少了，如图18和19所示，进而也减少了由传输通道17传输的最大电荷量。

为了确保传输通道17具有足够的宽度，可考虑图19所示的另一种结构。但是，这样的结构需要在相邻的两个第二层传输电极12之间具有足够的间隔，以确保第二传输电极12和势垒部分或者n势阱具有相同的宽度。这样会使传输通道具有更大的高度P，因此这种结构并不合适。

发明内容

鉴于上面所述，本发明的目的就是提供一种CCD，该CCD组合传输电极的高度P减少了，具有足够的宽度可传输足够量的电荷，而与采用与传统的设计规程相同的设计规程设计而成、并采用与传统工艺相同的工艺制作而成的CCD无关。

本发明提供一种电荷耦合装置(CCD)，包括：一半导体衬底，该衬底内设有一设于该半导体衬底表面区域上的传输通道；覆盖在该半导体衬底之上并沿该传输通道交替设置的多个第一传输电极和多个第二传输电极；以及用于向该第一和第二传输电极提供两相驱动信号、以便沿该传输通道传输电荷的第一和第二互接线，其中该传输通道包括：多个第一扩散区以及多个第二扩散区，每一第一扩散区都位于相应的其中一个第一传输电极之下，每一第二扩散区都位于相应的其中一个第二传输电极之下，在传输电荷期间，该第一扩散区组成电荷存储部分，而该第二扩散区组成势垒部分，而且每一电荷存储部分的宽度都大于每一势垒部分的宽度。

根据本发明所述的CCD，通过使势垒部分的宽度小于电荷存储部分的宽度，可使位于势垒部分之上的第二传输电极的宽度更小，从而可利用交错设置的接触塞减小组合传输电极的高度。由于是由电荷存储部分的宽度、而几乎不是由势垒部分的宽度决定最大电荷量，因此其宽度更小的势垒部分基本上不会减少由传输通道传输的最大电荷量。

本发明还提供一种用于制作本发明所述CCD的方法，该方法包括如下步骤：采用把第一传输电极作为一掩模(mask)的自校准(self-alignment)技术，有选择地把杂质注入电荷存储部分，形成势垒部分。

根据本发明所述的方法，制作CCD时，采用晶体管电极的自校准技术减少了照相平版印刷步骤的数量，同时还可确保准确的选择性。

从下面参照附图所作的说明中，可更清除地理解本发明的上述和其他的目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例所述CCD的顶视平面示意图。

图2是沿图1所示的II-II线剖开的剖视图。

图3是沿图1所示的III-III线剖开的剖视图。

图4是沿图1所示的IV-IV线剖开的剖视图。

图5是沿图1所示的V-V线剖开的剖视图。

图6是位于图1所示结构之下的传输通道的顶视平面示意图。

图7是沿图1所示的VII-VII线剖开的剖视图，并附有表示在瞬时时刻T1和T2时传输通道的电压分布图。

图8是沿图1所示的VIII-VIII线剖开的剖视图。

图9是图1所示CCD的另一种顶视平面示意图，包括CCD部件的尺寸。

图10是制作图1所示CCD的工艺流程图。

图11是根据本发明的第二实施例所述CCD的顶视平面示意图。

图12是位于图11所示结构之下的传输通道的顶视平面示意图。

图13是根据本发明的第三实施例所述CCD的顶视平面示意图。

图14是传统CCD的顶视平面示意图。

图15是位于图14所示结构之下的传输通道的顶视平面示意图。

图16是制作图15所示CCD的工艺流程图。

图17是本发明所述CCD的比较实例的顶视平面示意图。

图18是位于图17所述结构之下的传输通道的顶视平面示意图。

图19是本发明所述CCD的另一种比较实例的顶视平面示意图。

具体实施方式

现在参照附图更具体地说明本发明，其中，全部附图中相同的组成元件由相同的参考标记表示。

参照图1，根据本发明的第一实施例所述的一种CCD包括：多层第一层传输电极11；多层第二层传输电极12；以及一传输通道17，该传输通道包括一n势阱20以及在n势阱20的表面区域形成的多个n^-势阱21。在同一层上形成的第一和第二互接线41和42向第一和第二层传输电极11和12提供两相驱动电压。从附图中可以理解，连接互接线41、42和传输电极11、12的接触塞13设置成交错结构，并设置在传输通道17的相反边缘附近。

一第一群对通过设置在传输通道17的一边缘(图1中的右侧)附近的接触塞13连接到第一互接线41，每一个该第一群对包括一第一层传输电极11和一相邻的第二层传输电极12。多个第二群对通过设置在传输通道17的另一边缘附近的接触塞13连接到第二互接线42，每一个该第二群对包括一第一层传输电极11和一相邻的第二层传输电极12。沿传输通道17的传输方向交替地设置第一群对和第二群对。通过向互接线41和42分别提供一对时钟脉冲序列，可采用两相驱动方案驱动CCD，其中时钟脉冲序列的相位彼此相反。在图1所示的实例中，电荷从顶部传输到底部。

图2是沿图1所示的II-I I线剖开的横向剖视图，表示第一组(下面称作“第一对”)中的其中一对第一层传输电极11，图中，第一互接线41通过接触塞13连接到第一对中的第一层传输电极11和第二层传输电极12。一金属膜15敷设在互接线41和42上，用于为互接线41和42挡住顶部光线。在传输电荷的同时，n势阱20还将这些电荷暂时保存在其内，n势阱20的宽度W1等于第一层传输电极11的宽度。设置有绝缘膜(图中未示出)，可实现互接线41和42与第一和第二层传输电极11和12之间的电绝缘，还可实现第一层传输电极11和第二层传输电极12之间的绝缘，后者还通过另一绝缘膜(图中未示出)与一硅衬底19绝缘。

尽管在本发明中，在p势阱19上形成CCD，但是也可把该CCD直接形成在p型衬底上。可在设于-n型衬底上的p势阱上形成CCD。另外，这些导电类型只是实例性的，而且可参照公知技术对其进行改进。

图3是沿图1所示的III-III线剖开的剖视图，表示第一对中的第二层传输电极12，该电极与图2所示并与第一互接线41相连的那部分中的相应第一层传输电极11相同(overlaps)。图3中，示出了设置成n^-势阱21的势垒部分，该势垒部分可传输电荷却不能存储电荷，其宽度“B”等于第二层传输电极12的宽度。由于传输电荷期间n^-势阱21并不存储电荷，因此与n势阱20的宽度W1相比较，n势阱或者势垒部分21的宽度“B”较窄。

图4是沿图1所示的IV-IV线剖开的剖视图，表示在第二组(以下称作“第二对”)中的其中一对中的第一层传输电极11，图中第二组中的第一和第二层传输电极11、12通过接触塞13连接到第二互接线42。图4所示的传输通道17部分组成一电荷存储部分，其宽度“W1”等于第一层传输电极11的宽度。

图5是沿图1所示的V-V线剖开的剖视图，表示第二对中的第二层传输电极12。第二对中的第二层传输电极12在图4所示的部位连接到第二互接线42。图5所示的传输通道17部分组成一其宽度“C”等于第二层传输电极12的宽度的势垒部分。相对于传输通道17横向方向的中心，传输通道17横向方向所示的第一对中的第二层传输电极12的中心位于第二对中的第二层传输电极12的中心的相对一侧。

参照图6，图中示出了位于传输电极11和12之下的传输通道17，该传输通道17包括n势阱20和设置在n势阱20的表面区域上的n^-势阱21。传输通道17被一p型扩散区16包围着，扩散区组成一通道阻挡区。图中箭头所示表示电荷的传输方向。应当指出的是，n势阱20的暴露面位于第一层电极11之下，而n^-势阱位于各自的第二层传输电极12之下。n势阱在任何位置的宽度为“W1”，而n^-势阱的宽度为“B”或“C”，其中W1＞B或C，而且C＝B或者C≠B。从传输通道17的横向方向看去，n^-势阱21的中心偏离传输通道17的中心，而且n^-势阱在第一对和第二对之间成交错排列设置。如果需要，n势阱20的宽度可以随第一层传输电极11的宽度不同而不同。

参照图7，示出了传输通道17的纵向截面，其中位于第二层传输电极12中心的n^-势阱21用做一势垒部分，而位于第一层传输电极11之下的n势阱20的暴露部分用做暂时电荷存储部分。采用自校准技术，即把第一层传输电极11用做一掩模(mask)，通过注入诸如硼之类的p型杂质构成n^-势阱21。

向第一和第二层传输电极11和12提供可供选择地假设为高电位的两相时钟信号φ1和φ2。在图7所示的电压波形图中，在瞬时时刻T1，时钟信号φ1假设为低电位(0伏)，时钟信号φ2假设为高电位(5伏)，而在瞬时时刻T2，时钟信号φ1假设为5伏，时钟信号φ2假设为0伏。图7中瞬时时刻T1和T2是交替出现的。

采用两相时钟驱动信号φ1和φ2，可在传输通道17中出现电压分布，其中传输通道17的电压从位于第一对的第二层传输电极11之下的部分，向着位于第一对的第一层传输电极12之下的部分、位于第二对的第二层传输电极之下的部分以及位于第二对的第一层传输电极之下的部分，在时刻T1单调地降低。在该时刻T1，位于第二对的第一层传输电极11之下的部分可用做电荷存储部分。

在下一时刻T2，传输通道17的电压从位于第二对的第二层传输电极11之下的部分，向着位于第二对的第一层传输电极12之下的部分、位于第一对的第二层传输电极12之下的部分以及位于第一对的第一层传输电极11之下的部分，单调地降低。在该时刻T2，位于第一对的第一层传输电极11之下的部分可用做电荷存储部分。通过重复这些交变的电压分布，在传输通道17内的一个方向上阶梯式地传输电荷。

在上述两相驱动方案中，由于位于第一层传输电极11之下的n势阱20的表面区域用做存储部分，因此其宽度(W1)更宽的第一层传输电极11可使传输通道17传输更大量的电荷。

图8是沿图1所示的线VIII-VIII剖开的剖视图，图中传输通道17的所示部分缺少了第二对中的传输电极11和12。其内没有敷设传输电极的部分传输通道17设置成p型扩散区16，该扩散区可用做用于阻挡电荷的通道阻挡区。通过把诸如硼之类的p型杂质植入n势阱20和n^-势阱21、同时采用第一和第二层传输电极11和12作为掩模，可形成p型扩散区16。

本实施例中所形成的通道阻挡区可避免出现下列故障，即由于n势阱20部分的电压得不到任何传输电极11和12的控制，甚至还可能有非常高的电压阻挡其内的电荷，从而使电荷停留在n势阱20部分中且不会进行传输。

如上所述，在本实施例所述的上述结构中，用做势垒部分的、位于第二层传输电极12之下的n^-势阱21的宽度B或C小于位于第一层传输电极11之下的势阱20的宽度W1。由于势垒部分21没有暂时存储电荷的功能，因此其宽度更窄的势垒部分21基本上不会降低由传输通道17传输的电荷量。需要指出的是，为了实现非常高的传输速率，例如5MHz甚至更高，位于第二层传输电极12之下的传输通道17部分的宽度B或C与位于第一层传输电极11之下的传输通道17部分的宽度W1的比值最好为2∶3。

图9示出了详细的尺寸，其中P、S1、S2、A1、A2、A3、A4和A5分别表示组合传输电极11和12的高度、相邻的两个第一层传输电极11间的间隔、相邻的两个第二层传输电极12间的间隔、接触塞13和相应的第一层传输电极11的边缘间的距离、接触塞13和相应的第二层传输电极12的边缘间的距离、第一层传输电极11的宽度、第一层传输电极11和第二层传输电极12间的重叠部分的尺寸、以及接触塞13的宽度。在此情况下，在用于传输通道17的设计方案中，可充分地确保关系式P＝S1+A3，从而可降低CCD设计方案中的尺寸。尽管该关系式本身可与图17所示的可比较实例所述的情况进行比较，但仍然可使本实施例所述传输通道17的有效宽度大于同一设计容限的情况下所述可比较性实例的有效宽度和CCD的高度。因此，本实施例所述CCD传输的电荷量大于由图17所示的可比较性实例传输的电荷量的1.5至2.0倍。

参照图10，示出了制作本实施例所述CCD的工艺过程。步骤S1至S7与图16所示的步骤S1至S7相似。更具体地说，首先，在设于半导体衬底内的p势阱中制作n势阱20(步骤S1)，之后，把硼离子注入传输通道17的周边区域，形成p⁺扩散区16(步骤S2)。随后，在半导体衬底的整个表面上形成一层氧化膜(步骤S3)，接下来，沉积成第一层多晶硅膜，并对其进行制模，从而形成第一层传输电极11(步骤S4)。于是，把第一层传输电极11作为一模板，采用自校准技术将硼离子注入n势阱20的表面区域中，从而有选择地把n^-势阱21的表面区域变成n^-势阱21(步骤S5)。随后，形成以一层氧化膜和一层内层绝缘膜(步骤S6)，之后，沉积成第二层多晶硅膜，并对其进行制模，从而形成第二二层传输电极12(步骤S7)。

在图10所示工艺过程的附加步骤S8中，采用应用第一和第二层传输电极11和12的自校准技术，通过注入p型杂质离子，制成用做通道阻挡层16的p型扩散区。

例如，在图10所示的工艺过程中，通过在加速能量为80KeV、一次剂量为1E12cm^-2的情况下注入磷离子，可形成n势阱20；通过在加速能量为50KeV、一次剂量为2E13cm^-2的情况下注入硼离子，可形成p型阻挡层16；通过在加速能量为50KeV、一次剂量为8E11cm^-2的情况下注入硼离子，可形成n^-势阱21。

参照图11，根据本发明的第二实施例所述的一种CCD，其中n势阱20的宽度大于第一层传输电极11的宽度，对于第一和第二对来说，接触塞13设置成单行。参照图12，位于图11所示传输电极之下的传输通道17是这样的，在位于第二层传输电极12之下的n势阱20的表面区域形成n^-势阱21，在位于第一层传输电极11之下的n势阱20部分的外部以及n^-势阱21的外部形成p型阻挡层16。n^-势阱21的宽度小于n势阱20的宽度。如图12中的箭头所示，通过传输通道17沿一直线传输电荷。

也可采用图10所示的工艺过程制作本发明所述的第二实施例。

参照图13，根据本发明的第三实施例所述的一种CCD，其中n势阱20的宽度小于第一层传输电极11的宽度，并在n势阱20的外部形成p型扩散区16。接触塞13的设置方式与第一实施例所述的方式相同。

为了制作本实施例所述的CCD，改变图10所示的步骤S2，使p型杂质有选择地注入n势阱20的外周边附近，从而把n势阱20部分改变成p型扩散层16。其它步骤与图10所示的步骤相同。

由于只以实例的方式说明了上述实施例，因此，本发明并不局限于上述实施例，而且对于本领域的技术人员来说，不超出本发明的保护范围，可以很容易地进行各种改进和变化。

Claims (7)

1.一种电荷耦合装置(CCD)，包括：

一半导体衬底，该衬底内设有一在所述半导体衬底表面区域上的传输通道；

覆盖在所述半导体衬底之上并沿所述传输通道交替设置的多个第一传输电极和多个第二传输电极；

以及用于向所述第一和第二传输电极提供两相驱动信号、以便沿所述传输通道传输电荷的第一和第二互接线，其中：

所述传输通道包括：多个第一扩散区以及多个第二扩散区，每一第一扩散区都位于相应的其中一个所述第一传输电极之下，每一第二扩散区都位于相应的其中一个所述第二传输电极之下，在传输电荷期间，所述第一扩散区组成电荷存储部分，而所述第二扩散区组成势垒部分；

而且每一所述电荷存储部分的宽度都大于每一所述势垒部分的宽度，其中所述的宽度是指与电荷的传输方向垂直的方向上的尺寸。

2.如权利要求1所述的CCD，其中所述第一传输电极的宽度等于所述电荷存储部分的宽度，而所述第二传输电极的宽度等于所述势垒部分的宽度。

3.如权利要求1所述的CCD，其中当从所述传输通道的横向方向观察时，相对于所述传输通道的中心线，把所述第一互接线连接到所述第一和第二传输电极的第一接触塞以及把所述第二互接线连接到所述第一和第二传输电极的第二接触塞设置在相对的侧部。

4.如权利要求3所述的CCD，其中当从所述横向方向观察时，相对于所述传输通道的所述中心线，每一个所述势垒部分的中心线偏离所述传输通道的所述中心线，并有相邻的两个所述势垒部分的中心线设置在相对的侧部。

5.如权利要求1所述的CCD，其中所述电荷存储部分和所述势垒部分具有第一导电类型，并被第三扩散区包围着，该第三扩散区具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。

6.一种用于制作如权利要求1所述的CCD的方法，所述方法包括如下步骤：通过把所述第一传输电极作为一掩模，将杂质注入所述半导体衬底，形成所述势垒部分。

7.一种用于制作如权利要求1所述CCD的方法，所述方法包括如下步骤：通过把所述第一和第二传输电极作为一掩模，将杂质注入所述半导体衬底，形成第三扩散区。

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