CN100546040C - 固体摄影装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种固体摄影装置,具有在半导体衬底上以行列状配置单位单元而成的摄影区域,其中,所述单位单元具有:在所述半导体衬底内设置的、把输入光信号光电变换为信号电荷、积蓄信号电荷的光电二极管、在所述半导体衬底的表层部接近所述光电二极管设置的、向信号电荷检测部传送在所述光电二极管上积蓄的信号电荷的MOS型读出晶体管、放大向所述信号电荷检测部传送的信号电荷后输出电压信号的放大晶体管,所述信号电荷检测部由在所述读出晶体管的漏极侧的半导体区域的表层部的一部分上形成的离子注入区形成。

Description

固体摄影装置
相关申请的交叉参照
本发明基于2005年1月5日提交的在先日本专利申请No.2006-000749,并要求其优先权,其全部内容并入本申请作为参考。
技术领域
本发明涉及固体摄影装置,特别涉及放大型CMOS图像传感器中的单元图形,例如在便携电子设备等中使用。
在现有技术中,对于在像素部内具有放大功能的放大型CMOS图像传感器,希望为适合像素数增加的部件,而且希望为适合通过缩小图像尺寸而缩小像素尺寸的部件。另外,放大型CMOS图像传感器与电荷耦合型CCD传感器相比,因为消费电力低,而且也容易与使用和在传感器部分的制造中的CMOS工艺相同的CMOS工艺制造的外围电路合并,所以十分受到期待。
固体摄影装置的单位单元,例如由光电二极管、向信号电荷检测部传送在光电二极管上积蓄的信号电荷的MOS型读出晶体管、放大向信号电荷检测部传送的信号电荷后输出电压信号的MOS型放大晶体管、向垂直输出线传送放大晶体管的输出电压信号(放大输出)的MOS型垂直选择晶体管、和复位在信号电荷检测部中检测到的信号电荷的MOS型复位晶体管构成。
在现有技术的单位单元中,信号电荷检测部由在读出晶体管的漏极侧的半导体区域(SDG区域)的全部面上注入N型杂质离子形成的离子注入区构成。读出晶体管的变换增益由离子注入区的面积决定。在现有的单位单元中,在读出晶体管的漏极侧的半导体区域(SDG区域)的全部面上形成离子注入区,所以离子注入区的面积宽。因此,读出晶体管的变换增益小。其结果,有信号电荷检测部的饱和电压不能变大,而且,传感器的饱和输出不能变大,信噪比(S/N)特性恶化等的问题。
此外,在特开2005-101442中,公开了在固体摄影装置中通过进行二次离子注入、MOS型读出晶体管的高浓度漏极区域变得比MOS晶体管的SDG区域小这样的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题提出的,其目的是提供一种固体摄影装置,能够增加具有放大功能的单位单元的放大晶体管的变换增益,提高信号电荷检测部的饱和输出,改善输出的S/N特性。
根据本发明的观点,提供一种固体摄影装置,具有在半导体衬底上以行列状配置单位单元而成的摄影区域,其中,所述单位单元具有:在所述半导体衬底内设置的、把输入光信号光电变换为信号电荷、积蓄信号电荷的光电二极管、在所述半导体衬底的表层部上接近所述光电二极管设置的、把在所述光电二极管上积蓄的信号电荷向信号电荷检测部传送的MOS型读出晶体管、放大向所述信号电荷检测部传送的信号电荷后输出电压信号的放大晶体管,所述信号电荷检测部由在所述读出晶体管的漏极侧的半导体区域的表层部的一部分上形成的离子注入区组成。
附图说明
图1是涉及本发明的第一实施形态的放大型CMOS图像传感器的电路图,特别是一个单位单元的详细的电路图。
图2是图1的单位单元的图形平面图。
图3是沿图2的单位单元的III-III线的截面图。
图4是第一实施形态的CMOS图像传感器的一个制造工序中的截面图。
图5是第一实施形态的CMOS图像传感器的、接着图4的制造工序的制造工序中的截面图。
图6是把现有技术例的CMOS图像传感器的饱和电压作为基准值,对比表示第一实施形态的单位单元的信号电荷检测部的面积和传感器输出的饱和电压的关系的特性图。
图7是涉及本发明的第二实施形态的放大型CMOS图像传感器的两像素一单元型的单位单元的图形平面图。
图8是涉及本发明的第三实施形态的放大型CMOS图像传感器的四像素一单元型的单位单元的图形平面图。
图9是图1的单位单元的其他的截面图。
图10是作为图1的单位单元的一部分的信号电荷检测部的详细的放大截面图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施形态。在以下的说明中,给全部图中共同的部分赋予共同的参照符号。
涉及本发明的实施形态的固体摄影装置,作为基本的结构,有在半导体衬底上以行列状配置单位单元而成的摄影区域、和扫描该摄影区域读出各单位单元的信号的信号扫描部。
<第一实施形态>
图1是涉及本发明的第一实施形态的放大型CMOS图像传感器的电路图,特别是一个单位单元的详细的电路图。该单位单元10由光电变换光输入信号、积蓄变换为信号电荷的光电二极管11、向信号电荷检测部传送在光电二极管上积蓄的积蓄信号的MOS型读出晶体管12、放大向信号电荷检测部传送的信号电荷后输出电压信号的MOS型放大晶体管13、向垂直输出线18传送放大晶体管的输出电压信号(放大输出)的MOS型垂直选择晶体管(地址晶体管)14、复位在信号电荷检测部中检测出来的信号电荷的MOS型复位晶体管15、地址栅极布线16、和复位栅极布线17等构成。
图2是图1的单位单元的图形平面图,图3是沿图2的单位单元的III-III线的截面图。如图2以及图3所示,在半导体衬底的表层部上形成的P阱20的表层部上形成浅沟(シヤロウトレンチ)型的元件分离区(STI)21,在通过该STI 21围起来的元件区域上形成如图1所示结构的单位单元10。
在单位单元10中,在P阱20的平面内的规定位置,设置光电变换输入光信号而且积蓄通过光电变换得到的信号电荷的光电二极管11。光电二极管11具有从P阱20的表面向衬底深度方向离开规定距离的位置处形成的N型杂质扩散区22、在该N型杂质扩散区22上在P阱20的表层部形成的由高浓度的P+扩散层形成的表面屏蔽层23。
进而,在P阱20的表层部中,接近光电二极管11,形成向信号电荷检测部传送光电二极管的信号电荷的MOS型读出晶体管12。12G是在读出晶体管12的沟道区(P阱的表层部的一部分)上通过栅极绝缘膜24设置的读出栅极电极。
在本实施形态中,在读出晶体管12的漏极侧的半导体区域(SDG区域)的一部分上形成通过注入N型杂质(例如P)离子而成的离子注入区(N型杂质扩散区)25作为信号电荷检测部。离子注入区25具有比漏极侧的半导体区域(SDG区域)小的面积。此外,在形成离子注入区25时向读出晶体管12的漏极侧的半导体区域(SDG区域)的一部分注入的N型杂质(例如P)离子不仅在半导体区域内深度方向上而且也在平面方向上扩散,所以实际上如图10所示,离子注入区25包含在P阱20的表面部上、读出晶体管12的栅极电极12G的端缘下部的区域。
进而在读出晶体管12的附近形成MOS型放大晶体管13。13G是读出晶体管12的栅极电极(放大栅极电极)。31是连接离子注入区25和放大栅极电极13G的放大栅极电极布线,用接触部C1连接到离子注入区25上,同时用接触部C2连接到放大栅极电极13G上。对于放大晶体管13,在漏极区13D上通过接触部C3供给电源电压VDD,放大离子注入区25的信号电荷后输出电压信号。
接近放大晶体管13,形成MOS型垂直选择晶体管14。14G是垂直选择晶体管14的栅极电极(地址栅极电极)。对于垂直选择晶体管14,漏极区14D通过接触部C4连接垂直输出线18,向垂直输出线18传送放大晶体管13的电压信号(放大输出)。
接近离子注入区25形成MOS型复位晶体管15。15G是复位晶体管15的栅极电极(复位栅极电极)。对于复位晶体管15,在漏极区15D通过接触部C5供给复位电压,复位离子注入区25的电荷。
下面参照图4以及图5所示的截面图说明本实施形态的CMOS图像传感器的制造工序。如图4所示,在半导体衬底的表层部形成P阱20,在P阱20的表层部形成STI 21。在由STI 21围起来的半导体区域亦即元件形成用区域内如下所述形成单位单元10。
首先,在半导体衬底上的全部面上堆积栅极绝缘膜24以及多晶硅层。此后,在多晶硅层上的规定部分上形成抗蚀剂图形41。通过把该抗蚀剂图形41作为掩模进行腐蚀处理,对于多晶硅层以及栅极绝缘膜24进行图形化,形成多个MOS晶体管的栅极。在图4以及图5中,仅表示出读出用的MOS晶体管12的部分,12G表示由上述多晶硅层组成的MOS晶体管12的读出栅极电极。此后,除去抗蚀剂图形41。
接着,如图5所示,在图形化后的多晶硅层上以及半导体衬底上的规定部分上形成抗蚀剂图形51。在读出晶体管12的漏极侧的半导体区域(SDG区域)内,形成STI 21上的抗蚀剂图形51,以使其从STI 21上延伸到P阱20上覆盖读出晶体管12的漏极侧的半导体区域的一部分。51a表示延伸形成的抗蚀剂图形51的尖端部。
此后,把抗蚀剂图形51作为掩模,离子注入N型杂质离子,例如P(磷)离子。离子注入区域由抗蚀剂图形51决定。通过该离子注入,在读出晶体管12的漏极侧的半导体区域中,通过读出栅极电极12G从用自校准决定的位置到用抗蚀剂图形的端部51a决定的位置的半导体区域上形成离子注入区25。另外,离子注入区25的面积比漏极侧的半导体区域的面积小。此外,在形成离子注入区25时向读出晶体管12的漏极侧的半导体区域(SDG区域)的一部分注入的N型杂质(例如P)离子不仅在半导体区域内深度方向上而且也在平面方向上扩散,所以实际上如图11所示,离子注入区25包含在P阱20的表面部上、读出晶体管12的栅极电极12G的端缘下部的区域。
图6把现有技术例的CMOS图像传感器的饱和电压作为基准值,对比表示本实施形态的单位单元10的离子注入区25的面积和传感器输出的饱和电压的关系。如从图6可知,即使在把离子注入区25的面积做成0.2μm2左右小的场合,因为在本实施形态中与现有技术例相比饱和电压增加到约1.3倍,所以能够实现S/N大的CMOS图像传感器。
如上所述,根据本实施形态的CMOS图像传感器,因为作为信号电荷检测部作用的离子注入区25的面积比读出晶体管12的漏极侧的半导体区域的面积小,所以能够提高具有放大功能的单位单元的读出晶体管的变换增益,增大饱和输出,改善输出的S/N特性。
另外,根据本实施形态的CMOS图像传感器,因为能够通过作为读出晶体管12的漏极侧区域的一部分的离子注入区25而设定信号电荷检测部,所以对于读出晶体管12的变换增益控制性好,生产方面优良。例如,通过使读出晶体管12的漏极侧区域的图形一定、改变离子注入区25的图形,能够改变读出晶体管12的变换增益,改变饱和电压特性,所以容易实现饱和电压不同的CMOS图像传感器。
此外,在上述第一实施形态中,作为单位单元示出在一个单元中有一个像素的一像素一单元型的结构,但是不限于此,在一个单元中有两个像素的两像素一单元型、或者在一个单元中有四个像素的四像素一单元型的单位单元中也可以使用本发明。亦即在单位单元内设置多组信号积蓄区域以及读出晶体管、而且在这些多个读出晶体管中共有一个离子注入区的CMOS图像传感器中也可以使用本发明。
<第二实施形态>
图7是涉及本发明的第二实施形态的放大型CMOS图像传感器中的两像素一单元型的单位单元的图形平面图。该单位单元,与参照图2说明的单位单元比较,变更为:以读出晶体管12的漏极侧区域以及离子注入区25为轴线,对称设置两个由光电二极管11以及读出晶体管12(在图7中仅图示读出栅极电极12G)组成的组,两个组共有读出晶体管12的漏极侧区域以及离子注入区25,放大晶体管13(在图7中仅图示放大栅极电极13G)以及垂直选择晶体管14(在图7中仅图示地址栅极电极14G)配置在一组光电二极管11以及读出晶体管12的侧方,复位晶体管15(在图7中仅图示复位栅极电极15G)配置在另一组光电二极管11以及读出晶体管12的侧方。
在本实施形态中也作为信号电荷检测部作用的离子注入区25的面积比读出晶体管12的漏极侧的半导体区域的面积小,所以能够得到和上述第一实施形态同样的效果。
<第三实施形态>
图8是涉及本发明的第三实施形态的放大型CMOS图像传感器的四像素一单元型的单位单元的图形平面图。该单位单元与参照图7说明的单位单元相比,变更为:进一步设置一个和图7所示的两个组的结构相同的结构,以放大晶体管13、垂直选择晶体管14以及复位晶体管15的排列为轴互相成线对称配置,一方的结构的两个读出晶体管12共有该一方的结构的一个漏极侧区域以及一个离子注入区25,另一方的结构的两个读出晶体管12共有该另一方的结构的一个漏极侧区域以及一个离子注入区25,在这些离子注入区25上共同连接复位晶体管15的源极以及放大晶体管的栅极电极布线31。
在本实施形态中也作为信号电荷检测部作用的离子注入区25的面积比读出晶体管12的漏极侧的半导体区域的面积小,所以能够得到和上述第一实施形态同样的效果。
在上述各实施形态中,作为信号电荷检测部作用的离子注入区25形成为比复位晶体管15的漏极侧的半导体区域小。
另外,在上述各实施形态中,以阱为P型的场合加以说明,但是如图9所示,即使把阱作为N型,把P型杂质扩散区域变为N型杂质扩散区域,另外把N型杂质扩散区域变为P型杂质扩散区域,也能得到和上述各实施形态同样的效果。
此外,通过使读出晶体管的漏极侧的半导体区域的面积形成得小也能够使变换增益增大,但是,进一步缩小面积在技术上不容易,即使使读出晶体管的漏极侧的半导体区域的面积形成得更加小由此能够增大变换增益,也经常存在希望进一步增大读出晶体管的变换增益进一步增大传感器的饱和输出这样的要求。如上述各实施形态,通过离子注入在读出晶体管的漏极侧的半导体区域的一部分上形成信号电荷检测部的方法,作为进一步增大读出晶体管的变换增益、进一步增大饱和输出的显示的方法,是理想的方法。另外,即使在要求比当初的设计值大的饱和输出那样的场合,根据基于离子注入的上述方法,能够容易地变更信号电荷检测部的面积,由此能够增大变换增益,容易地变更传感器的饱和输出。
对于本领域的技术人员来说,另外的优点和修改很容易发生。因此,本发明在其更广阔的方面不限于这里图示和说明的具体细节和代表性实施例。因此,可以进行各种修改而不离开由所附权利要求及其等价要求限定的一般发明概念的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固体摄影装置,具有在半导体衬底上以行列状配置单位单元而成的摄影区域,其中,
所述单位单元具有:
在所述半导体衬底内设置的、把输入光信号光电变换为信号电荷、积蓄信号电荷的光电二极管;
在所述半导体衬底的表层部接近所述光电二极管设置的、向信号电荷检测部传送在所述光电二极管中积蓄的信号电荷的MOS型读出晶体管;
放大向所述信号电荷检测部传送的信号电荷后输出电压信号的放大晶体管;以及
复位在所述信号电荷检测部中积蓄的信号电荷的MOS型复位晶体管,
所述信号电荷检测部由在所述读出晶体管的漏极侧的半导体区域的表层部的一部分上形成的离子注入区形成,所述离子注入区比所述复位晶体管的漏极侧的半导体区域小。
2.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述信号电荷检测部由在P型半导体区域中形成的N型区域形成。
3.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述信号电荷检测部由在N型半导体区域中形成的P型杂质离子注入区形成。
4.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述离子注入区包含在所述半导体衬底的表层部且在所述读出晶体管的栅极电极端缘下部的区域。
5.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述单位单元具有多个组,该组由所述光电二极管以及所述读出晶体管组成,所述离子注入区被所述多个组共有。
6.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述单位单元进一步具有向垂直输出线传送所述放大晶体管的输出电压信号的MOS型垂直选择晶体管,
所述单位单元具有多个组,该组由所述光电二极管以及所述读出晶体管组成,所述放大晶体管、所述垂直选择晶体管以及所述复位晶体管被所述多个组共有。
7.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述单位单元具有两个组,该组由所述光电二极管以及所述读出晶体管组成,所述离子注入区被所述两个组共有。
8.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述单位单元具有两个组,该组由所述光电二极管以及所述读出晶体管组成,以在所述读出晶体管的漏极侧的半导体区域及其一部分上形成的所述离子注入区为轴,相互线对称配置所述两个组的所述光电二极管以及所述读出晶体管。
9.根据权利要求1或2所述的固体摄影装置,其中,所述单位单元进一步具有向垂直输出线传送所述放大晶体管的输出电压信号的MOS型垂直选择晶体管,
所述单位单元具有两个组,该组由所述光电二极管以及所述读出晶体管组成,所述放大晶体管、所述垂直选择晶体管以及所述复位晶体管在所述两个组的一侧部沿该侧部被配置,被所述两个组共有。
10.根据权利要求1所述的固体摄影装置,其中,所述单位单元具有两个组,该组由所述光电二极管以及所述读出晶体管组成,所述单位单元进一步具有分别和所述两个组的结构相同结构的两个组,
所述单位单元进一步具有向垂直输出线传送所述放大晶体管的输出电压信号的MOS型垂直选择晶体管,以所述放大晶体管、所述垂直选择晶体管以及所述复位晶体管的排列为轴,和所述两个组相互线对称配置所述进一步具有的两个组。
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