CN100446262C - 摄像元件和它的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是一种具有半导体衬底的摄像元件，包括：光接收部分(13)、电荷读出部分(23)和电荷转移部分(15)。元件(100)具有非掺杂区“A”和由第一杂质制成的层。前者在光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线，它不包括确定电荷读出部分的阈值的第一杂质。后者在光接收表面内在非掺杂区外侧的掺杂区、在电荷读出部分和在电荷转移部分形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种摄像元件，多个摄像元件构成一种CCD(即ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)型固体图像敏感器件，也涉及一种制造该摄像元件的方法。
背景技术
通常已提出各种CCD(即电荷耦合器件)型固体图像敏感器件。CCD型固体图像敏感器件由在单块衬底上例如以线状或矩阵状形成的大量摄像元件构成。
图4是示出现有摄像元件200的结构的图。光接收部分13把入射光变换成与入射光强度相应的电荷量。当过量的光入射到光接收部分13上时，P型阱层12使光接收部分13中产生的过量电荷放电到N型半导体衬底11。即，P型阱层12的功能是作为垂直型溢流口。电荷读出部分(也称为转移栅部分)23读出在光接收部分13产生的电荷。CCD层(也称为电荷转移部分或CCD寄存器)15输出光接收部分13的电荷，该电荷由电荷读出部分23读出到输出电路(图中未示出)。在CCD层15下面的势垒层14防止N型半导体衬底11与CCD层15之间的电荷交换。表面P+层16包括分隔相邻摄像元件的P+杂质层16a，表面P+层16控制光接收部分13的暗电流。根据在杂质层17中所掺的P型杂质量，控制电荷读出部分23的阈值。
下面简要描述如何制造摄像元件200。
首先，在N型半导体衬底11上形成P阱层12后，在P阱层内部形成由N型杂质构成的CCD层15、在CCD层15下面由P型杂质构成的势垒层14以及分隔相邻摄像元件的P+杂质层16a。其后，由硼辐射形成用于控制电荷读出部分23的阈值的P型杂质层17。由该硼辐射形成的P型杂质的掺杂是对衬底11上形成摄像元件的整个区域进行的。
在上述工艺后，紧接着形成氧化硅膜18，氮化硅膜19，栅电极20，和覆盖栅电极20的氧化硅层21。并且，接着形成第二栅电极(图中未示出)。其后，通过对由栅电极20和第二栅电极限定的长方形区域掺以N型杂质，形成光接收部分13。用相同方法，通过利用栅电极的自对准，形成表面P+层16。此外，表面P+层16也连接到已经形成的P+杂质层16a。在排列了大量摄像元件的区域外，表面P+层16接地，使光接收部分13的表面电位等于地电位。然后，通过用干法刻蚀形成遮光金属层22来完成摄像元件200。
由在单块衬底上形成的大量摄像元件200构成的固体图像敏感器件(所谓CCD触点)读出图像，因而当已被读出的该图像在显示器件上示出时，与工作不正常的摄像元件所在的位置相对应，在显示器件的再生图像上出现空白像素。而空白像素是不希望的。为了形成上述现有的摄像元件200的光接收部分13，在该处掺以N型杂质。因此，执行实际光电变换的N型杂质量由于已被掺入的P型杂质层17的作用而减少，这是引起不正常工作的一个因素。
为了解决上述技术问题，已经提议在制造摄像元件200时(参考日本未经审查的特开平No.1-281764专利公报)，仅仅在栅电极20下面与杂质层17起电荷读出部分23的作用的位置相对应，形成杂质层17，用于控制阈值。
然而，当杂质层17仅仅在栅电极20下面杂质层17起电荷读出部分23作用的那个位置形成时，必须在掺杂位置制造抗蚀剂掩模，而且必须使栅电极大(或长)至某种程度。在希望摄像元件小型化的情况下，计及与掩模制造精度相关的任何偏差等，要使栅电极增大(或加长)，这是不希望的，因为这会招致光接收部分13的电容减少。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供具有能保证必要的电容的光接收部分且能精确工作的小尺寸摄像元件。
本发明的另一个目的在于提供制造小尺寸摄像元件的方法。
为了实现本发明的上述目的，按照其一个方面提供具有一种导电类型的半导体衬底的第一摄像元件，它至少包括光接收部分、电荷读出部分和电荷转移部分。光接收部分把入射到光接收表面上的光变换成电荷。电荷读出部分读出由光接收部分产生的电荷。电荷转移部分输出由电荷读出部分读出的电荷。第一摄像元件包括非掺杂区和第一杂质制成的层。非掺杂区在光接收部分的光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线处形成。确定电荷读出部分的阈值的第一杂质没有掺入非掺杂区内。第一杂质制成的层至少在光接收部分的光接收表面内除了非掺杂区以外的掺杂区，在电荷转移部分和在电荷读出部分形成。
为了实现本发明的上述目的，按照其另一方面，形成第二摄像元件，其中，由第一杂质制成的层至少在光接收部分的光接收表面内除了非掺杂区以外的掺杂区，以及在除了光接收部分以外的光接收部分外侧的区域形成。
为了实现本发明的上述目的，按照其又一方面，形成第三摄像元件，其中，相对于在上述第一和第二摄像元件之一中第一杂质未掺入其中的非掺杂区和第一杂质的掺杂区，先接收部分通过仅仅掺以与第一杂质的导电类型不同的必要量的第二杂质形成，用于使非掺杂区起光接收部分的作用。
为了实现本发明的上述另一目的，提供制造摄像元件的第一方法，该摄像元件具有一种导电类型的半导体衬底，至少包括光接收部分，电荷读出部分和电荷转移部分。光接收部分把入射到光接收表面上的光变换成电荷。电荷读出部分读出由光接收部分产生的电荷。电荷转移部分输出由电荷读出部分读出的电荷。本发明的制造摄像元件的第一方法包括：至少在光接收部分的光接收表面内除了非掺杂区以外的掺杂区和电荷读出部分，形成确定电荷读出部分的阈值的由第一杂质制成的层的步骤。非掺杂区在光接收部分的光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线处形成，它阻止第一杂质的掺杂。
为了实现本发明的上述另一目的，提供制造摄像元件的第二方法，其中，在形成第一杂质制成的层的步骤中，由第一杂质制成的层在光接收部分的光接收表面内除了非掺杂区以外的掺杂区和在除了光接收部分以外的光接收部分外侧的区域形成。
为了实现本发明的上述另一目的，提供制造摄像元件的第三方法，其中，相对于在上述第一和第二方法之一中第一杂质未掺入其中的非掺杂区和第一杂质的掺杂区，如同形成其光接收部分的步骤一样，还提供仅仅掺以与第一杂质的导电类型不同的必要量的第二杂质的步骤，使得非掺杂区起光接收部分的作用。
附图说明
本发明的这些目的和其它目的以及特点可参照下列附图，结合其优选实施例的下列描述而变得明晰。
图1是示出按照本发明的实施例的摄像元件的结构的截面图。
图2A-2E是示出制造图1中的摄像元件的步骤的剖面图。
图3A是图1的摄像元件在制作时的俯视图。
图3B是图1的摄像元件的俯视图，示出由第一栅电极和第二栅电极区隔的光接收部分区域。
图4是示出按照现有技术的摄像元件的结构的截面图。
具体实施方式
在由单块衬底上形成的众多摄像元件构成的固体图像敏感器件读
出图像，从而已经读出的图像在显示器件上示出的情况下，涉及由摄像元件的不正常工作引起在显示器件的再生图像上的以白斑示出的像素缺陷，本申请的发明人研究了这种像素缺陷的起因。作为研究结果，发明人发现，当光接收部分的杂质量超过必要量，像素缺陷的发生率增加。这就是说，发明人发现，当试图通过在上述摄像元件200(参见图4)中增加N型杂质的掺杂量来保证光接收部分13的某个电容时，摄像元件200的品质反而恶化。
同时，也如上所解释的，在仅仅在栅电极20下面起电荷读出部分23作用的位置处掺以少量杂质(如日本未经审查的特开平No.1-281764专利公报)的情况下，导致栅电极的尺寸增大，还根据N型杂质的分散造成的电容变化，和/或导致CCD层15和光接收部分13的品质如同产品一样呈现不均匀性。
按照本发明，摄像元件有非掺杂区“A”(参见图1)，用来防止为控制电荷读出部分的阈值的P型杂质掺入那个在光接收部分的光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线的位置。在该结构中，P型杂质掺入整个其余区域。术语“整个其余区域”是指形成摄像元件的一个区域，它相应于光接收部分中除了非掺杂区“A”以外的“掺杂区”，也相应于除了光接收部分的“光接收部分外侧的区域”。此外，关于非掺杂区“A”、掺杂区和光接收部分外侧的区域，参照图3详细解释如下。采用该结构，在形成光接收部分时，可以只掺必要量的N型杂质，使得光接收部分精确地相对于非掺杂区“A”工作。因而，可以防止栅电极尺寸增大，形成具有必要电容的光接收部分13，并可防止会引起品质恶化的不必要的过量杂质的掺杂。
参照图1图2A-图2E 图3A和图3B，按照本发明的实施例，对摄像元件100说明如下。此外，与上述摄像元件200相应的那些元件，用相同的参考数字标明。
图1是示出摄像元件100的结构的示意图。光接收部分13是N型杂质层，它把入射到光接收表面的光变换为与光强度相应的电荷量。当过量的光入射到光接收表面上时，P型阱层12把光接收部分13中产生的过量电荷放电到N型半导体衬底11。即，P型阱层12的功能是作为垂直型溢流口。电荷读出部分(也称为转移栅部分)23读出在光接收部分13中产生的电荷。CCD层(也称为电荷转移部分或CCD寄存器)15输出光接收部分13的电荷，该电荷由电荷读出部分23读出到输出电路(图中未示出)。在CCD层15下面的势垒层14防止CCD层15与N型半导体衬底11之间的电荷交换。表面P+层16包括分隔相邻摄像元件的P+杂质层16a，表面P+层16控制光接收部分13的暗电流。根据在P型杂质层24内所掺的P型杂质量，控制电荷读出部分23的阈值。
如图所示，摄像元件100的特点是，在光接收部分13的光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线的位置处设置P型杂质未掺入其中的非掺杂区“A”，即，在光接收部分13的光接收表面的大致中央处设置非掺杂区“A”。在形成光接收部分13时，设置非掺杂区“A”，使非掺杂区“A”据以精确地起光接收部分的作用的必要的杂质量将掺入其中。由此，能够形成具有必要电容而不使栅电极20尺寸增大的光接收部分13，也能够阻止可引起图像品质恶化的过量杂质的掺入。
同样，按照本发明的实施例，没有必要对栅电极20下面的仅仅起电荷读出部分23作用的部分掺以少量P型杂质。因此，在制作过程中无需准备微细的抗蚀剂，从而有助于制造。
同样，按照本发明的实施例，没有必要将栅电极设计成覆盖已掺入的少量P型杂质。因此，能够使栅电极最小。
图2A到2E是示出制作具有上述结构的摄像元件100的一系列步骤的图。首先，如图2A所示，通过依序和重复执行构图、离子掺杂、抗蚀剂剥离和热处理，在一种导电类型的N型半导体衬底11上连续地形成P型阱层12、在CCD层15下面的由P型杂质制成的势垒层14、由N型杂质制成的CCD层15和分隔相邻摄像元件的P+杂质层16a。
接着，如图2B所示，通过离子注入掺以P型杂质来形成P型杂质层24。因此，为了限定光接收部分13的光接收表面内远离电荷读出部分23一侧的边界线的非掺杂区“A”，与非掺杂区“A”相应的P型阱层12的一个区域用抗蚀剂25掩蔽。
此外，抗蚀剂25的尺寸和抗蚀剂25被固定的位置这样设定，使得非掺杂区“A”不处在光接收部分13外侧，不与电荷读出部分23的区域重叠，该重叠可能是在制造过程中由掩模的偏离引起的。如下面所解释的，光接收部分13依据用栅电极进行自对准而形成。因此，抗蚀剂25的尺寸和抗蚀剂25被固定的位置，是在考虑了抗蚀剂25本身的制作过程中由于精确度(或精密度)引起抗蚀剂25的尺寸变化和固定位置失准，和/或考虑了掩模的制作过程中由于精确度(或精密度)引起栅电极的掩模尺寸变化和掩模固定位置失准等等而设定的。考虑这些因素并采用以这种方式设定的抗蚀剂25，可防止非掺杂区“A”处在光接收部分13外侧，也可防止与电荷读出部分23重叠。因此，例如可以防止通过在P型阱层12内形成低密度杂质区、相邻摄像元件之间的不适当分隔、光接收部分13的电容变化等等引起的其读出特性的恶化。
此外，非掺杂区域“A”的形成位置是确保非掺杂区域“A”在光接收部分13的光接收表面内远离电荷读出部分23一侧的边界线的位置。如果满足这个条件，并且如果非掺杂区“A”处在不影响相邻摄像元件的功能的程度内，则非掺杂区“A”可以设置在待形成光接收部分13的平面区域之外。例如，如果希望非掺杂区“A”在图中向右扩展，则能够形成与P+型杂质层16a的部分重叠的区域。然而，在这种情况下，非掺杂区“A”必须不与CCD层15重叠。这是因为其重叠减小了相邻摄像元件(即在图中由P+杂质层16a分隔的右面的摄像元件)的电荷读出部分区域的面积。
图3A是示出图2B的摄像元件100的俯视图。在该图中，用抗蚀剂25掩蔽的用来确保非掺杂区“A”的区域用交叉的阴影线示出。任何相应的构件或部件由与其它图中采用的相同参考数字标明。同样，待形成光接收部分13的平面区域用长方形的点线示出。掺以P型杂质的区域用阴影线示出。
此外，在被点线包围的区域(即待形成光接收部分13的平面区域)内用交叉阴影线示出的区域外侧的区域(即相应于非掺杂区“A”的区域)是上述的“掺杂区”。同时，在用阴影线示出的区域内在光接收部分13外侧的区域在上面被称为在“光接收部分外侧的区域”。
在图3B中，区隔光接收部分13的第一栅电极图形55用空白轮廓标记；第二栅电极图形56用阴影标记。同样，在图中，为确保非掺杂区“A”的抗蚀剂25用交叉的阴影标记。第一栅电极图形55示出了栅电极(第一栅电极)20的掩模图形。第二栅电极图形56示出了第二栅电极的掩模图形，它在图2A-2E中未示出。第二栅电极是为从光接收部分13将电荷读出到CCD层15以及为输出CCD层15的电荷到输出电路(图中未示出)所用的电极。
接着，回到图2G，栅绝缘膜(或氧化硅膜)18和氮化硅膜19对P型阱层12形成，还形成由热扩散磷或离子注入实现的低阻多晶硅膜。栅电极20通过构图和干法刻蚀在那里形成，然后通过热氧化在栅电极20上形成氧化硅膜21。用同样的方式形成第二栅电极(图中未示出)。
接着，如图2D所示，N型杂质被掺到光接收表面的整个区域，光接收表面区域被栅电极20和第二栅电极区隔，它包括非掺杂区域“A”，从而形成了光接收部分13。在将杂质掺入其内时，采用小于栅电极20的抗蚀剂26，应用栅电极20的自对准工艺。此外，使非掺杂区“A”精确地起光接收部分13作用的N型杂质的必要量优选地是达到同样目的的被掺入的N型杂质的最小量，而没有考虑已经掺入其中的P型杂质的抵消作用。因而，可以防止引起光接收部分13不正常工作的过量杂质掺入光接收部分13。
进而，如图2E所示，由于栅电极20的自对准，表面P+层16通过构图、离子注入、抗蚀剂剥离和热处理而形成。为了使光接收部分的表面可以接地到GND电位，与P+杂质层16a连接的表面P+层在像素区外侧被接地到GND电位。此后，通过形成由钨等制成的高熔点金属层，进行构图和干法刻蚀，形成遮光层22。
采取上述步骤后，制造了摄像元件100。
按照本发明的第一摄像元件，在光接收部分除了非掺杂区以外的掺杂区、电荷转移部分和电荷读出部分，有用于控制电荷读出部分的阈值的第一杂质层。换句话说，从光接收部分到电荷读出部分，存在第一杂质。因此，利用该结构，能有效地防止摄像元件不正常工作。
同时，第一摄像元件的光接收部分有第一杂质未被掺入的非掺杂区。因此，光接收部分不受第一杂质的影响，从而实现了稳定的性能。
按照本发明第二摄像元件，在除了非掺杂区以外的掺杂区和除了光接收部分以外的光接收部分外侧区域，有用于控制电荷读出部分中的阈值的第一杂质层。即，从光接收部分到电荷读出部分，存在第一杂质，因此能有效地防止摄像元件不正常工作。
同时，第二摄像元件的光接收部分有第一杂质未掺入其中的非掺杂区。因此，光接收部分不受第一杂质的影响，从而实现了稳定的性能。
按照本发明的第三摄像元件的光接收部分由必要数量的第二杂质制成，以使非掺杂区能正常地起光接收部分的作用。因此，利用该结构，有效地减少了摄像元件的不正常工作的发生。
按照本发明制造摄像元件的第一方法，第一杂质层至少在光接收部分内除了非掺杂区以外的掺杂区和电荷读出部分形成。因此，与第一杂质层仅在电荷读出部分形成的结构相比，其制造是容易的，因为不需要任何微细的掩模。
按照本发明制造摄像元件的第二方法，第一杂质层在除了非掺杂区以外的掺杂区和除了光接收部分以外的光接收部分外侧的区域形成。因此，与第一杂质层仅在电荷读出部分形成的结构相比，其制造是容易的，因为不需要任何微细的掩模。
按照本发明制造摄像元件的第三方法，第二杂质对非掺杂区只掺入必要的量，使非掺杂区能正常地起光接收部分的作用。因此，利用该方法，能够制造具有稳定的和精确的性能的摄像元件。
虽然本发明已经参照附图结合其优选实施例进行了完整的描述，但必须指出，对本领域的技术人员而言，显然可以对发明进行各种其它的变更和修改。正如所附权利要求定义的，这样的变更和修改将被理解为包括在本发明的范围内，除非它们背离下述权利要求。
Claims (8)
1.一种摄像元件，它具有一种导电类型的半导体衬底，至少包括：
光接收部分(13)，用于把入射到光接收表面上的光变换为电荷；
电荷读出部分(23)，用于读出由光接收部分产生的电荷；和
电荷转移部分(15)，用于输出由电荷读出部分读出的电荷；
该摄像元件(100)的特征在于，具备：
非掺杂区(A)，它在光接收部分的光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线处形成，确定电荷读出部分的阈值的第一杂质没有掺入其中；以及
由上述第一杂质制成的层，该层至少在光接收部分的光接收表面内除了非掺杂区以外的掺杂区、在电荷转移部分和在电荷读出部分形成。
2.如权利要求1的摄像元件，其中由第一杂质制成的层在光接收部分(13)的光接收表面内除了非掺杂区(A)以外的掺杂区，以及在除了光接收部分的光接收部分外侧的区域形成。
3.如权利要求1的摄像元件，其中，相对于第一杂质未掺入其中的非掺杂区和相对于第一杂质的掺杂区，光接收部分(13)通过仅仅掺以与第一杂质的导电类型不同的必要量的第二杂质形成，用于使非掺杂区(A)起光接收部分的作用。
4.如权利要求2的摄像元件，其中，相对于第一杂质未掺入其中的非掺杂区和相对于第一杂质的掺杂区，光接收部分(13)通过仅仅掺以与第一杂质的导电类型不同的必要量的第二杂质形成，用于使非掺杂区域(A)起光接收部分的作用。
5.一种摄像元件的制造方法，该摄像元件具有一种导电类型的半导体衬底，它至少包括：
光接收部分(13)，用于把入射到光接收表面的光变换为电荷；
电荷读出部分(23)，用于读出由光接收部分产生的电荷；和
电荷转移部分(15)，用于输出由电荷读出部分读出的电荷；
本方法的特征在于，包括步骤：
至少在光接收部分的光接收表面内除了非掺杂区(A)以外的掺杂区和在电荷读出部分，形成用于确定电荷读出部分的阈值的由第一杂质制成的层，
其中，非掺杂区在光接收部分的光接收表面内远离电荷读出部分一侧的边界线处形成，它阻止第一杂质的掺杂。
6.如权利要求5的方法，其中，在由第一杂质制成的层的形成步骤中，由第一杂质制成的层在光接收部分(13)的光接收表面内除了非掺杂区(A)以外的掺杂区和在除了光接收部分以外的光接收部分外侧的区域形成。
7.如权利要求5的方法，还包括步骤：
相对于第一杂质未掺入其中的非掺杂区和相对于第一杂质的掺杂区，仅仅掺以与第一杂质的导电类型不同的必要量的第二杂质，用于使非掺杂区(A)起光接收部分(13)的作用，作为形成光接收部分的步骤。
8.如权利要求6的方法，还包括步骤：
相对于第一杂质未掺入其中的非掺杂区和相对于第一杂质的掺杂区，仅仅掺以与第一杂质的导电类型不同的必要量的第二杂质，用于使非掺杂区(A)起光接收部分(13)的作用，作为形成光接收部分的步骤。
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