CN102082154A - 固体摄像器件、其制造方法以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固体摄像器件、其制造方法以及将使用该固体摄像器件的电子装置。所述固体摄像器件包括：具有光电二极管和像素晶体管的像素；在相邻所述光电二极管之间形成的第一隔离区域，该第一隔离区域使用了包含杂质的半导体区域；在所述光电二极管与所述像素晶体管之间形成的第二隔离区域，该第二隔离区域使用了包含杂质的半导体区域；其中，所述第一隔离区域的杂质浓度不同于所述第二隔离区域的杂质浓度。根据本发明能够提供改善如饱和特性、灵敏度和混色等像素特性的固体摄像器件。

Description

固体摄像器件、其制造方法以及电子装置
相关申请的交叉参考
本申请包含与2009年11月30日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2009-272440的公开内容相关的主题，在此将这些在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件、其制造方法以及将该固体摄像器件应用于照相机等的电子装置。
背景技术
作为固体摄像器件，采用了CMOS固体摄像器件，CCD固体摄像器件等。特别是，由于CMOS固体摄像器件具有低电源电压以及低能耗，因此，将其应用于数字照相机、数字摄像机以及各种移动终端装置，如带有内置照相机的移动电话。
例如，CMOS固体摄像器件包括像素部分以及围绕像素部分布置的周边电路部分，其中，在所述像素部分处，二维布置了作为光电转换部分的光电二极管和具有多个像素晶体管的多个像素。作为多个像素晶体管，例如，可以采用包括传输晶体管、复位晶体管和放大晶体管的三晶体管结构或增加了选择晶体管的四晶体管结构。
一种典型的CMOS固体摄像器件通过设置多个单位像素构成，每一单位像素均包括作为一组的一个光电二极管和多个像素晶体管。最近，随着像素数量的增加，像素越来越微小，为了通过减小每一单位像素的像素晶体管的数量来加宽光电二极管的面积，已研发出了一种所谓像素共用的CMOS固体摄像器件，其中，多个像素共用像素晶体管(参见日本未审查专利申请公开文献No.2008-294218和2006-54276)。另外，为了加宽光电二极管的面积，已研发出了一种背面照射型CMOS固体摄像器件，其中，将基板与布置有布线层的一侧相对的背面用作光射入面(参见日本未审查专利申请公开文献No.2003-31785)。
另外，CMOS固体摄像器件包括用于隔离每一像素或像素内的元件的隔离区域。例如，已知使用了STI(浅槽隔离)结构或杂质半导体层的隔离区域在像素晶体管的周边分离光电二极管以隔开(参见日本待审专利申请公开文献No.2009-16810和2008-205022)。
在CMOS固体摄像器件中，随着像素数量的增加并且像素越发微小化，用于隔离每一像素的隔离区域的面积增大。因此，不能获得光电二极管的足够面积，并且，难以获得充分的饱和特性(饱和电荷量Qs)。例如，像素晶体管的源极/漏极区域由具有高浓度杂质的n-型半导体区域形成。因此，在利用由p-型半导体层形成的隔离区域来隔离像素晶体管的周边的情况下，包括源极/漏极区域与光电二极管之间隔离，必须增大用于隔离的p-型半导体层中的杂质浓度。通常，通过以高浓度将离子共同注入包括像素晶体管周边以及光电二极管之间的区域上，能够形成隔离区域。即，通过在像素晶体管周围的隔离区域的高杂质浓度，对隔离区域的杂质浓度进行比例控制。
因此，在隔离区域由具有高浓度的p-型半导体层形成时，隔离区域的p-型杂质朝光电二极管扩散的影响会导致光电二极管的有效面积减小并减小饱和信号量Qs。另外，在浮动扩散(FD)区域，具有高浓度的浮动扩散区域邻接具有高浓度的隔离区域，以便形成高浓度的p-n结。因此，p-n结部的电场强度增大，并且，在浮动扩散区域的白点恶化。在电场较强并且存在结晶缺陷时，结晶缺陷的生长速度加快，并且，电子更易于甚至从较深能级逃逸，以致白点恶化。
同时，由于浮动扩散区域与隔离区域之间的p-n结容量增大，因此，会降低转换效率。
另外，在由于如随机噪声降低这样的摄像特性，元件隔离结构在像素部分的布置内变化的情况下，对于每一元件隔离结构而言，均不能获得最佳杂质浓度，并且，其会导致饱和特性、灵敏度和混色的损失。此处，设置使用了STI结构的隔离区域与使用了杂质半导体层的隔离区域的混合体。在共同注入离子的情况下，虽然在具有STI结构的隔离区域中能够减小隔离浓度，但是，由于进行高浓度注入，因此，不能达到最佳。
就饱和特性和灵敏度而言，由于因高浓度隔离区域而降低光电二极管的面积和体积，因此，饱和特性和灵敏度会降低。就混色而言，隔离区域的宽度因高浓度隔离区域而增大，并且，以光电方式从射至隔离区域的光转换的电荷会不稳定地侵入光电二极管，以致产生混色。
发明内容
本发明能够解决上述问题并提供一种固体摄像器件及其制造方法，由此至少能够改善如饱和特性、灵敏度和混色这样的像素特性。
可以将本发明用于将上述固体摄像器件应用于照相机等的电子装置中。
本发明实施例的固体摄像器件包括像素，该像素包括光电二极管和像素晶体管。另外，根据本发明的实施例，在相邻光电二极管之间形成由含有杂质的半导体区域形成的第一隔离区域，并且，在光电二极管与像素晶体管之间形成由含有杂质的半导体区域形成的第二隔离区域。另外，第一隔离区域的杂质浓度不同于第二隔离区域的杂质浓度。
在本发明的实施例的固体摄像器件中，由于第一隔离区域的杂质浓度不同于第二隔离区域的杂质浓度，因此，可以将每一隔离区域的杂质浓度设定至最佳浓度。特别是，由于可以将相邻光电二极管之间的第一隔离区域的杂质浓度设定至最适于获得充分隔离的低浓度，因此，能够增大光电二极管的面积。能够减小相邻光电二极管之间的第一隔离区域的宽度。
制造本发明实施例的固体摄像器件的方法包括：形成包括光电二极管和像素晶体管的像素的工序，以及在相邻光电二极管之间利用含有杂质的半导体区域形成第一隔离区域的工序。另外，本发明实施例的方法包括在光电二极管与像素晶体管之间形成第二隔离区域的工序，其中，所述第二隔离区域具有与第一隔离区域不同的杂质浓度。
本发明实施例的制造固体摄像器件的方法包括在相邻光电二极管之间形成第一隔离区域以及在光电二极管与像素晶体管之间形成第二隔离区域的工序，其中，杂质浓度彼此不同。结果，特别是，由于相邻光电二极管之间的第一隔离区域的浓度可以是最适于获得充分隔离的低浓度，因此，能够形成具有较大面积的光电二极管。由于能够抑制第一隔离区域的杂质朝光电二极管侧扩散，因此，能够形成具有较窄宽度的第一隔离区域。
本发明实施例的电子装置包括固体摄像器件，将入射光导引至固体摄像器件的光电二极管的光学系统，以及处理固体摄像器件的输出信号的信号处理电路。固体摄像器件由本发明实施的固体摄像器件构成。
在本发明实施例的电子装置中，就固体摄像器件而言，由于杂质浓度在固体摄像器件的第一和第二隔离区域之间是不同的，因此，能够将每一隔离区域的杂质浓度设定至最佳浓度。特别是，由于可以将相邻光电二极管之间的第一隔离区域的浓度设定至最适于获得充分隔离的低浓度，因此，能够增大光电二极管之间的面积。可以减小相邻光电二极管之间的第一隔离区域的宽度。
在本发明实施例的固体摄像器件中，光电二极管的面积增大，并且，减小了第一隔离区域的宽度。因此，即使在像素的数量增加并且像素更微小时，仍能够至少改善如饱和特性、灵敏度和混色这样的像素特性。
在本发明实施例的制造固体摄像器件的方法中，形成具有较宽面积的光电二极管并形成具有较窄宽度的第一隔离区域。因此，即使在像素的数量增加或像素更微小时，仍能够制造至少具有改善的像素特性(如饱和特性、灵敏度和混色)的固体摄像器件。
在本发明实施例的电子装置中，通过设置上述固体摄像器件，能够至少改善像素特性，如饱和特性、灵敏度和混色。因此，能够提供具有改善的图像质量的高质量电子装置。
附图说明
图1为示意图，其显示了本发明第一实施例的固体摄像器件的主要元件；
图2A～2C为分别沿图1中的线IIA-IIA、IIB-IIB和IIC-IIC所示的示意性剖面图；
图3A～3C为本发明第一实施例的示意性剖面图；
图4为流程图，其显示了本发明第一实施例的固体摄像器件的制造流程；
图5A～5D为工序剖面图，其显示了制造本发明第一实施例的固体摄像器件的示范方法(其第一部分)；
图6A～6C为工序剖面图，其显示了制造本发明第一实施例的固体摄像器件的示范方法(其第二部分)；
图7为示意图，其显示了本发明第二实施例的固体摄像器件的主要元件；
图8为示意图，其显示了本发明第三实施例的固体摄像器件的主要元件；
图9为示意图，其显示了本发明第四实施例的固体摄像器件的主要元件；
图10A～10C分别为沿图9中的线XA-XA、XB-XB和XC-XC所示的示意剖面图；
图11A～11C为示意性剖面图，这些附图显示了本发明第四实施例的固体摄像器件；
图12为流程图，其显示了本发明第四实施例的固体摄像器件的制造流程；
图13A～13D为工序剖面图，其显示了制造本发明第四实施例的固体摄像器件的示范方法(其第一部分)；
图14A～14C为工序剖面图，其显示了制造本发明第四实施例的固体摄像器件的示范方法(其第二部分)；
图15为示意图，其显示了本发明第五实施例的固体摄像器件的主要元件；
图16为示意图，其显示了本发明第六实施例的固体摄像器件的主要元件；
图17为示意图，其显示了本发明第七实施例的固体摄像器件的主要元件；
图18为示意图，其显示了本发明第八实施例的固体摄像器件的主要元件；
图19为示意图，其显示了本发明第九实施例的固体摄像器件的主要元件；
图20为示意图，其显示了适用于本发明实施例的固体摄像器件的示例CMOS固体摄像器件；
图21为说明一种示例单位像素的等效电路图；
图22为说明另一种示例单位像素的等效电路图；
图23为说明示例像素共用单元的等效电路图；以及
图24为示意图，其显示了本发明第十实施例的电子装置的主要元件。
具体实施方式
下面，将对实现本发明的多个实施例进行说明(后文，称为实施例)。按照以下的顺序对本发明进行说明：
1.CMOS固体摄像器件的示例示意性结构；
2.第一实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
3.第二实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
4.第三实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
5.第四实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
6.第五实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
7.第六实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
8.第七实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
9.第八实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；
10.第九实施例(固体摄像器件及其制造方法的例子)；以及
11.第十实施例(电子装置的例子)；
1.CMOS固体摄像器件的示例示意性结构
图20显示了适用于本发明每一个例子的CMOS固体摄像器件的示例示意性结构。本例的固体摄像器件1包括像素部分3(所谓摄像区域)以及图20所示的周边电路部分，其中，在像素部分3处，在半导体基板11上(例如，硅基板)上、以二维方式规则布置包括光电转换部分(光电二极管)的多个像素2。作为像素2，可以使用包括单一光电转换部分和多个像素晶体管的单位像素。另外，作为像素2，也可以使用所谓像素共用结构，其中，多个光电转换部分共用传输晶体管之外的另一个像素晶体管组。如下所述，多个像素晶体管可具有带有传输晶体管、复位晶体管和放大晶体管的三晶体管结构或增加了选择晶体管的四晶体管结构。
周边电路部分包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7、控制电路8等。
控制电路8接收输入时钟脉冲和用于指示操作模式等的数据并输出如固体摄像器件的内部信息等数据。即，控制电路8根据垂直同步信号、水平同步信号和主时钟脉冲，产生用作垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6等的操作基准的控制信号或时钟信号，将这些信号输入垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6等。
垂直驱动电路4可以例如由位移寄存器构成，其中，选择像素驱动行，将用于驱动像素的脉冲供给至所选择的像素驱动行，并且，以行单位驱动像素。即，垂直驱动电路4沿竖直方向、以行单位按顺序选择性地对像素部分3的每一像素2进行扫描。通过垂直信号线9，将与产生的信号电荷相对应的像素信号供给至列信号处理电路5，其中，所述信号电荷例如是根据作为每一像素2的光电转换元件的光电二极管的接收光量产生的。
例如，为像素2的每一列设置列信号处理电路5，针对从与单一行对应的像素2输出的信号，进行如针对每一像素列去除噪声这样的信号处理。即，列信号处理电路5执行如CDS、信号放大以及AD转换等信号处理以除去像素2的特有固定模式噪声。列信号处理电路5的输出级设有连接在水平信号线10之间的水平选择开关(未示出)。
水平驱动电路6例如包括位移寄存器。通过顺序输出水平扫描脉冲，按顺序选择每一个列信号处理电路5，并且，从每一个列信号处理电路5，将像素信号输出至水平信号线10。
输出电路7针对经水平信号线10、从每一个列信号处理电路5按顺序供给的信号进行信号处理并且输出信号处理的结果。例如，信号处理可仅仅包括缓冲，或者可包括黑电平调节、列偏移纠正、各种数字信号处理等等。输入/输出终端12与外部单元进行信号交换。
图21显示了一种单位像素的示例等效电路图。本例的单位像素21包括由虚线包围的三个像素晶体管和起到光电转换部分功能的光电二极管PD。三个像素晶体管包括传输晶体管Tr1、复位晶体管Tr2以及放大晶体管Tr3。此处，作为像素晶体管Tr1～Tr3，例如，使用了n-沟道MOS晶体管。
光电二极管PD与传输晶体管Tr1相连。传输晶体管Tr1通过浮动扩散部分(FD)与复位晶体管Tr2相连。通过传输布线14，对传输晶体管Tr1的栅极提供传输脉冲φTG，从而将在光电二极管PD中以光电方式转换并在其中累积的信号电荷(在这种情况下为电子)输送至浮动扩散部分FD。
浮动扩散部分FD与放大晶体管Tr3的栅极相连。此处，将复位晶体管Tr2的源极(传输晶体管Tr1的漏极)用作浮动扩散部分FD。在将信号电荷从光电二极管PD传输至浮动扩散部分FD之前，通过经复位布线15，对复位栅极提供复位脉冲φRST，使浮动扩散部分FD的电位复位。
放大晶体管Tr3的源极与垂直信号线9相连。通过浮动扩散部分FD的电势，区别像素的选择/非选择。作为复位电平，放大晶体管Tr3对垂直信号线9输出由复位晶体管Tr2复位后的浮动扩散部分FD的电位。另外，作为信号电平，放大晶体管Tr3对垂直信号线9输出通过传输晶体管Tr1传输信号电荷之后的浮动扩散部分FD的电位。
图22显示了另一种单位像素的示例等效电路。本例的单位像素22包括四个像素晶体管和起到光电转换部分功能的光电二极管PD。四个像素晶体管包括传输晶体管Tr1，复位晶体管Tr2，放大晶体管Tr3以及选择晶体管Tr4。此处，作为像素晶体管Tr1～Tr4，例如，使用了n-沟道MOS晶体管。
光电二极管PD与传输晶体管Tr1相连。传输晶体管Tr1经浮动扩散部分FD与复位晶体管Tr2相连。通过传输布线14，对传输晶体管Tr1的栅极提供传输脉冲φTG，从而将通过光电二极管PD以光电方式转换并在其中累积的信号电荷(在这种情况下，为电子)输送至浮动扩散部分FD。
浮动扩散部分FD与放大晶体管Tr3的栅极相连。在将信号电荷从光电二极管PD传输至浮动扩散部分FD之前，通过经复位布线15对复位栅极供给复位脉冲φRST，从而使浮动扩散部分FD的电位复位。
放大晶体管Tr3的源极与选择晶体管Tr4的漏极相连，选择晶体管的源极与垂直信号线9相连。通过选择布线16对选择晶体管Tr4的栅极供给选择脉冲φSEL，接通选择晶体管Tr4，从而选择像素。作为复位电平，放大晶体管Tr3经选择晶体管Tr4，对垂直信号线9输出由复位晶体管Tr2复位后的浮动扩散部分FD的电位。另外，作为信号电平，放大晶体管Tr3经选择晶体管Tr4，对垂直信号线9输出由传输晶体管Tr1传输信号电荷后的浮动扩散部分FD的电位。另外，选择晶体管Tr4也可以与放大晶体管Tr3的漏极侧相连。在这种情况下，使放大晶体管Tr3的源极与垂直信号线9相连。
图23显示了多个像素之间共用的等效电路。在图23中，显示了2-像素共用单元23，4-像素共用单元24以及8-像素共用单元25。例如，在2-像素共用单元23中，作为两个光电转换部分的光电二极管PD1和PD2共用传输晶体管Tr11和Tr12之外的另外的一个像素晶体管组。具体地，2-像素共用单元23包括两个光电二极管PD，两个传输晶体管Tr11和Tr12，一个浮动扩散部分FD，一个复位晶体管Tr2，一个放大晶体管Tr3以及一个选择晶体管Tr4。作为可选择的方案，可以省略选择晶体管。连接分别对应光电二极管PD1和PD2的传输晶体管Tr11和Tr12。传输晶体管Tr11和Tr12中的每一个均通过共用浮动扩散部分FD与复位晶体管Tr2相连，并且，浮动扩散部分FD与放大晶体管Tr3的栅极相连。使放大晶体管Tr3的源极与选择晶体管Tr4的漏极相连。使选择晶体管Tr4的源极与垂直信号线9相连。分别通过传输布线31和32，将传输脉冲φTG1和φTG2施用于传输晶体管Tr11和Tr12的栅极。通过复位布线15，将复位脉冲φRST施用于复位晶体管Tr2的栅极。通过选择布线16，将选择脉冲φSEL施用于选择晶体管Tr4的栅极。
除了2-像素共用单元23的电路元件以外，4-像素共用单元24还包括两个光电二极管PD3和PD4，两个传输晶体管Tr13和Tr14。具体地，连接分别与总共四个光电二极管PD[PD1～PD4]相对应的四个传输晶体管Tr11～Tr14，并且，使传输晶体管Tr11～Tr14的源极共同连接至浮动扩散部分FD。
除了4-像素共用单元24的电路元件以外，8-像素共用单元25还包括四个光电二极管PD5～PD8和四个传输晶体管Tr15～Tr18。具体地，连接分别与总共八个光电二极管PD[PD1～PD8]相对应的八个传输晶体管Tr11～Tr18，并且，使传输晶体管Tr11～Tr18的源极共同连接至浮动扩散部分FD。
在任意一幅图21、22和23中，对复位晶体管和放大晶体管的漏极端子t1和t2均提供必需的电压。通常，使电源VDD与漏极端子t1和t2相连。也可以使用两组电源。
2.第一实施例
固体摄像器件的示范性结构
图1～2C显示了本发明第一实施例的固体摄像器件。在该实施例中，可以采用一种CMOS固体摄像器件，其中，二维布置2水平像素×2垂直像素构成一个单元的所谓4-像素共用单元。如图1所示，在本发明第一实施例的固体摄像器件31中，通过以二维布置4-像素共用单元32构成像素部分，并且，通过布置作为四个像素的光电转换部分的四个光电二极管PD[PD1～PD4]，获得4-像素共用单元32。4-像素共用单元32共用四个光电二极管PD和传输晶体管以外的单一像素晶体管组。具体地，在4-像素共用单元32中，单一浮动扩散区域FD由四个光电二极管PD1～PD4共用。像素晶体管包括四个传输晶体管Tr1[Tr11～Tr14]，以及共用的一个复位晶体管Tr2，一个放大晶体管Tr3以及一个选择晶体管Tr4。在本例子中，虽然像素晶体管具有4-晶体管结构，但是也可以使用3-晶体管结构。
将浮动扩散区域FD布置在由四个光电二极管PD1～PD4包围的中央。传输晶体管Tr11～Tr14均在共用的浮动扩散区域FD与对应的光电二极管PD1～PD4之间布置有传输栅极电极33[331～334]。
此处，包括光电二极管PD1～PD4、浮动扩散区域FD以及每一行4-像素共用单元的传输晶体管Tr11～Tr14的区域为光电二极管形成区域35。另外，包括每一行4-像素共用单元的像素晶体管中4个像素共用的复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3以及选择晶体管Tr4的区域为像素晶体管形成区域36。沿水平方向连续的光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36沿像素部分的垂直方向交替布置。
与一个像素对应的区域37包括由通过浮动扩散区域FD中心的水平和垂直线、通过像素晶体管形成区域36的中心的水平线以及通过水平相邻的4-像素共用单元之间的中心的垂直线所包围的各光电二极管PD。
复位晶体管Tr2包括一对源极/漏极区域38和39以及复位栅极电极42。放大晶体管Tr3包括一对源极/漏极区域39和40以及放大栅极电极43。选择晶体管Tr4包括一对源极/漏极区域40和41以及选择栅极电极44。
浮动扩散区域FD和每一源极/漏极区域38～41均由第一导电型半导体区域形成。在本例子中，由于将电子用作信号电荷，因此，在n-型半导体区域中形成浮动扩散区域FD和每一源极/漏极区域38～41。
在本实施例中，在光电二极管形成区域35内形成的第1隔离区域46和包围像素晶体管形成区域36内的像素晶体管Tr2～Tr4的第2隔离区域47均由第二导电型，例如p-型杂质半导体层形成。即，相邻光电二极管PD之间的第1隔离区域46由p-型半导体层形成，并且，像素晶体管Tr2～Tr4与光电二极管PD之间的第2隔离区域47由p-型半导体层形成。
将第1隔离区域46和第2隔离区域47的杂质浓度设定至不同值，这些值中的每一个值均是最佳的。即，将第1隔离区域46的杂质浓度设定至较低浓度，只要能够确保光电二极管PD之间的元件隔离即可。另一方面，将第2隔离区域47的杂质浓度设定至高于第1隔离区域46的值，即，该值能够实现像素晶体管Tr2～Tr4的具有较高杂质浓度的源极/漏极区域38～41之间的隔离。
下面，将参照附图2A～2C(剖面图)进行说明。图2A～2C分别显示了沿图1中的线IIA-IIA、IIB-IIB和IIC-IIC所示的剖面部分。每一个光电二极管PD均包括n-型半导体区域51，由高浓度n+半导体区域形成的电荷累积区域52，以及用于抑制其表面上的暗电流的p-型半导体区域53。通过离子注入，使p-型半导体阱区域54形成在形成有光电二极管PD和像素晶体管Tr11～Tr14、Tr2～Tr4的区域中。在光电二极管形成区域35的相邻的光电二极管PD之间，通过离子注入，在从基板表面至电荷累积区域52的深度的区域中，形成由具有最佳浓度的p-型半导体层形成的第1隔离区域46。在n-型源极/漏极区域，即如由矩形框a所示，在附图中的源极/漏极区域40与光电二极管PD之间，通过离子注入形成第2隔离区域47，该区域47具有高于第1隔离区域46的杂质浓度的最佳浓度。在栅极绝缘膜56上形成栅极电极，即附图中的放大栅极电极43。
为了易于理解，图3A～3C示意性地显示了本发明实施例的第1隔离区域46和第2隔离区域47。图3A～3C的示意性结构分别说明了像素晶体管的源极/漏极区域与光电二极管之间的剖面结构，像素晶体管的栅极电极与光电二极管之间的剖面结构，以及光电二极管之间的剖面结构。
本发明第一实施例的固体摄像器件31可以形成背面照射型CMOS固体摄像器件或正面照射型CMOS固体摄像器件。在背面照射型CMOS固体摄像器件中，在半导体基板的表面侧上，在层间绝缘膜中形成具有多层布线的布线层，并且，使支承件结合至布线层。另外，通过从背面进行抛光和刻蚀，使具有光电二极管PD的半导体基板形成薄膜，并且，在基板的背面上形成滤色器和片上透镜。结果，通过使用基板中与形成布线层一侧相对的背面作为光输入面，构成背面照射型CMOS固体摄像器件。
在表面照射型CMOS固体摄像器件中，在半导体基板的表面侧的层间绝缘膜中形成具有多层布线的布线层，并且，在其上的平坦化膜中形成滤色器和片上透镜。
在本发明的第一实施例的固体摄像器件31中，能够改善像素特性，如饱和特性、灵敏度、混色、在浮动扩散区域FD处的白点，以及转换效率。即，将在光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间的第1隔离区域46的杂质浓度设定至足以在光电二极管PD之间获得隔离的最佳浓度，以便提供较低的浓度。结果，能够抑制第1隔离区域46的杂质扩散至光电二极管PD内。因此，即使在像素的数量增加或者像素更微小时，与相关技术相比，仍能够获得光电二极管PD的较大区域，并能提高饱和特性，即饱和电荷量Qs。另外，能够改善灵敏度。
由于减小了第1隔离区域46的杂质浓度，因此，能够减小在浮动扩散区域FD的p-n结处的电场强度，并且，能够抑制在浮动扩散区域FD中产生白点。另外，由于与相关技术相比，能够减小浮动扩散区域FD的结容量，因此，能够提高转换效率。
由于能够减小第1隔离区域46的浓度，因此，能够减小在浮动扩散区域FD中包括的n-型半导体区域的杂质浓度。另外，能够抑制在浮动扩散区域FD中产生白点并能提高转换效率。
由于能够减小光电二极管形成区域35的第1隔离区域46的浓度并抑制扩散到光电二极管PD侧，因此，能够形成实质上较小的线宽度。因此，能够减轻由射至第1隔离区域46的光线以光电形式转换的信号电荷所产生的混色。
另外，由于能够提高转换效率并降低如混色这样的噪声，因此，能够改善S/N比。
另一方面，在像素晶体管形成区域36，将第2隔离区域47的杂质浓度设定至足以在n-型源极/漏极区域38～41之间获得隔离的最佳值，以便提供较高浓度。结果，能够抑制在具有较高浓度的n-型源极/漏极区域38～41之间产生电流泄漏并确保元件隔离。
例如，由于能够增大放大晶体管Tr3的栅极的宽度，因此，能够改善随机噪声特性。
制造固体摄像器件的示范性方法
一种制造本发明第一实施例的固体摄像器件31的方法包括：形成光电二极管PD和具有像素晶体管Tr1～Tr4的像素，即形成4-像素共用单元的工序；形成第1隔离区域46的工序；以及形成第2隔离区域47的工序。4-像素共用单元由共用传输晶体管之外的一个像素晶体管组的四个光电二极管PD构成。在本发明的第一实施例中，如图1所示，通过第一离子注入工序，将低浓度p-型杂质注入光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36内的隔离区域。即，通过第一离子注入工序注入低浓度p-型杂质以在光电二极管PD之间获得隔离。随后，通过第二离子注入工序，将p-型杂质注入像素晶体管形成区域36内的隔离区域。将第二离子注入的杂质剂量设定至第一和第二离子注入工序的总浓度为高浓度的剂量，以便在源极/漏极区域之间不会产生电流泄漏并能在源极/漏极区域之间确保隔离。
下面，将参照图4的制造流程以及图5A～6C的制造工序图，说明制造本发明第一实施例的固体摄像器件31的示范性方法。
首先，如图4的工序A和图5A所示，准备期望的导电型(例如n-型或者p-型)硅半导体基板30。
随后，如在图4的工序B和图5B中所示，通过离子注入，在半导体基板30上形成第2导电型(在本例子中，为p-型)半导体阱区域54。随后，通过离子注入，在与4-像素共用单元的光电二极管PD对应的区域中形成第1导电型(在本例子中，为n-型)半导体区域51。
随后，如图4的工序C和图5C中所示，在栅极绝缘膜56中的半导体基板30的表面上形成像素晶体管Tr11～Tr14和Tr2～Tr4的栅极电极。在附图中，显示了传输晶体管Tr11～Tr14的传输栅极电极331～334和复位晶体管Tr2的复位栅极电极42。栅极电极由多晶硅膜形成。
随后，如图4的工序D和图5D所示，在与光电二极管PD对应的n-型半导体区域51上形成电荷累积区域52和高浓度p-型半导体区域53，其中，所述电荷累积区域52为n-型半导体区域，其浓度高于n-型半导体区域51的浓度，所述高浓度p-型半导体区域53也能抑制表面上的暗电流。通过离子注入形成n-型电荷累积区域52和p-型半导体区域53。n-型半导体区域51、n-型电荷累积区域52和p-型半导体区域53构成光电二极管PD[PD1～PD4]。
随后，如图4的工序E和图6A中所示，通过第一和第二p-型杂质离子注入工序，形成光电二极管形成区域35的第1隔离区域46和像素晶体管形成区域36的第2隔离区域47。
即，通过第一离子注入工序，将p-型杂质离子共同注入与光电二极管形成区域35内的隔离区域相对应的区域以及与像素晶体管形成区域36内的隔离区域相对应的区域。此时的剂量为能够确保光电二极管PD之间的隔离且比像素晶体管周围的隔离区域的剂量小的最佳剂量。例如，可以将第一离子注入工序的杂质离子的剂量设定至大约1×1012～1×1013cm-2。
随后，通过第二离子注入工序，选择性地将p-型杂质离子仅仅注入与像素晶体管形成区域36内的隔离区域相对应的区域。像素晶体管形成区域36内的杂质离子的总剂量为能够确保源极/漏极区域之间的隔离的最佳剂量。例如，可以将第二离子注入工序的杂质离子的剂量设定至大约1×1012～1×1013cm-2。通过第一离子注入工序，在光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间形成第1隔离区域46。通过第一和第二离子注入工序，在像素晶体管Tr2～Tr4与光电二极管PD之间以及围绕像素晶体管形成区域36内的像素晶体管形成第二隔离区域47。
随后，如图4的工序F和图6B所示，在像素晶体管Tr11～Tr14和Tr2～Tr4的栅极电极的端部形成由绝缘膜形成的侧壁58。
随后，如图4的工序G和图6C所示，通过注入n-型杂质离子，形成n-型浮动扩散区域FD和像素晶体管Tr2～Tr4的n-型源极/漏极区域38～41。可以将此时的n-型杂质离子的剂量设定至大约1×1014～5×1015cm-2。因此，源极/漏极区域的杂质浓度为大约5×1020～2×1021cm-2。
随后，虽然未在附图中显示，但是，在形成背面照射型CMOS固体摄像器件的情况下，在层间绝缘膜中的整个半导体基板30的表面上形成设有多层布线的布线层。例如，使作为支承基板的独立硅基板结合至布线层，随后，通过将半导体基板30的背面抛光并刻蚀至理想深度，从而使半导体基板形成薄膜。随后，在基板的背面上形成用于抑制暗电流的p-型半导体区域，另外，在基板的背面上的绝缘膜中形成滤色器和片上透镜，以便获得期望的背面照射型CMOS固体摄像器件。
在形成正面照射型CMOS固体摄像器件的情况下，在半导体基板30的整个表面上形成通过在层间绝缘膜中设置多层布线所获得的布线层。在除光电二极管PD之外的区域形成布线。随后，在布线层上的平坦化膜中形成滤色器和片上透镜，以便获得期望的正面照射型CMOS固体摄像器件。
在制造本发明第一实施例的固体摄像器件31的方法中，通过两次进行离子注入，形成第一隔离区域46和第二隔离区域47。具体地，对光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36共同进行第一离子注入工序，并且，仅对像素晶体管形成区域36进行第二离子注入工序。通过两次进行离子注入，能够以高精度形成具有低杂质浓度的第一隔离区域46和具有高杂质浓度的第二隔离区域47。因此，能够以高精度制造CMOS固体摄像器件，由此能够提高饱和特性、转换效率以及随机噪声特性，抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，并且，能够减轻混色。
3.第二实施例
固体摄像器件的示范性结构
图7显示了本发明第二实施例的固体摄像器件。在本实施例中，如上所述，可以采用CMOS固体摄像器件，其中，二维布置2水平像素×2垂直像素构成一个单元的所谓4-像素共用单元。如图7所示，在本发明第二实施例的固体摄像器件61中，通过二维布置4-像素共用单元32构成像素部分，并且，通过布置作为四个像素的光电转换部分的四个光电二极管PD[PD1～PD4]，获得4-像素共用单元32。如上所述，4-像素共用单元32包括光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36，并且，由p-型杂质半导体层形成第一隔离区域46和第二隔离区域47。
在本实施例中，隔离光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36，并且，注入最佳剂量的p-型杂质离子，以便使第一隔离区域46和第二隔离区域47具有最佳浓度。即，在光电二极管形成区域35的光电二极管PD之间形成具有最佳低浓度的第一隔离区域46。在像素晶体管形成区域36的像素晶体管周围形成具有最佳高浓度的第二隔离区域47。
其它的结构与第一实施例相似。在图7中，相同的附图标记表示与图1相似的元件，并且，将省略对其的说明。
在本发明第二实施例的固体摄像器件61中，在光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间的第一隔离区域46的杂质浓度达到最适合的较低浓度，并且，在像素晶体管形成区域36内的第二隔离区域47的杂质浓度达到最佳高浓度。因此，虽然不再进行重复说明，但是以与第一实施例相同的方式，本实施例仍能够改善饱和特性(即饱和电荷量QS)和灵敏度。本实施例能够抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，能够提高转换效率。另外，能够减轻混色，能够改善随机噪声特性。
另外，由于第二隔离区域47能够以最适合的方式形成在像素晶体管形成区域36中以具有较高浓度，因此，能够抑制在源极/漏极区域38～41之间产生电流泄漏，以便确保元件的隔离。由于能够加宽放大晶体管的栅极的宽度，因此，能够改善随机噪声特性。
制造固体摄像器件的示范性方法
制造本发明第二实施例的固体摄像器件61的方法包括：形成像素的工序，其中，所述像素包括光电二极管PD和像素晶体管Tr1～Tr4，即4-像素共用单元；形成第一隔离区域46的工序；以及形成第二隔离区域47的工序。本发明与上述第一实施例相似，不同之处在于：独立进行第一隔离区域和第二隔离区域的离子注入。就图4以及5A～6C所示的制造工序而言，根据本发明的第二实施例，在图4的工序E和图6A中，例如，通过第一离子注入工序，仅仅将离子注入光电二极管形成区域35，以形成具有最佳浓度的第一隔离区域46。随后，通过第二离子注入工序，仅仅将离子注入像素晶体管形成区域36，以形成具有最佳浓度的第二隔离区域47。作为可选择的方案，也可以通过第一离子注入工序，形成第二隔离区域47，并且，可以通过第二离子注入工序，形成第一隔离区域46。其它的工序与图4以及图5A～6C相同。
在制造本发明第二实施例的固体摄像器件61的方法中，如上所述，能够以高精度制造CMOS固体摄像器件，由此能够改善饱和特性、转换效率以及随机噪声特性，抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，并且，能够减轻混色。
4.第三实施例
固体摄像器件的示范性结构
图8显示了本发明第三实施例的固体摄像器件。在本实施例中，如上所述，可以采用一种CMOS固体摄像器件，其中，二维布置2水平像素×2垂直像素构成一个单元的所谓4-像素共用单元。如图8所示，在本发明第三实施例的固体摄像器件63中，通过二维布置4-像素共用单元32构成像素部分，并且，通过布置作为四个像素的光电转换部分的四个光电二极管PD[PD1～PD4]，能够获得4-像素共用单元32。如上所述，4-像素共用单元32包括光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36，并且，由p-型杂质半导体层形成第一隔离区域46和第二隔离区域47。
在本实施例中，在像素晶体管Tr2～Tr4的源极/漏极区域38～41与光电二极管PD之间形成第二隔离区域47。另外，使第一隔离区域46从相邻光电二极管PD之间的间隙延伸至光电二极管与像素晶体管Tr2～Tr4的栅极电极42～44之间的间隙。即，通过对光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36共同进行第一离子注入工序，从而在相邻光电二极管PD之间以及绕像素晶体管Tr2～Tr4形成具有最佳低浓度的第一隔离区域46，随后，进行第二离子注入工序以仅仅包围像素晶体管Tr2～Tr4的源极/漏极区域38～41，以便形成具有最佳高浓度的第二隔离区域47。
其它的结构与第一实施例相似。在图8中，相同的附图标记表示与图1相似的元件，故省略了对它们的说明。
在本发明第三实施例的固体摄像器件63中，具有最佳低浓度的第一隔离区域46从光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间的间隙延伸至光电二极管PD与像素晶体管形成区域36的栅极电极之间的间隙。另外，仅仅绕像素晶体管形成区域36内的源极/漏极区域38～41形成具有最佳高浓度的第二隔离区域47。因此，虽然没有进行重复说明，但是，以与第一实施例相同的方式，能够改善饱和特性(即饱和电荷量QS)和灵敏度。能够抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，能够提高转换效率。另外，能够减轻混色，能够改善随机噪声特性。
另外，由于仅仅绕像素晶体管形成区域36中的源极/漏极区域38～41形成具有最佳高浓度的第二隔离区域47，因此，能够抑制在源极/漏极区域38～41之间产生电流泄漏，以便确保元件的隔离。由于与第一和第二实施例相比，第二隔离区域47邻接光电二极管PD的接触部分更小，第二隔离区域47的杂质对光电二极管PD的影响可以忽略不计。由于能够加宽放大晶体管中栅极的宽度，因此，能够改善随机噪声特性。
制造固体摄像器件的示范性方法
制造本发明第三实施例的固体摄像器件63的方法包括：形成像素的工序，其中，所述像素包括光电二极管PD和像素晶体管Tr1～Tr4，即，4-像素共用单元；形成第一隔离区域46的工序；以及形成第二隔离区域47的工序。在本实施例中，针对光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36，共同进行第一离子注入工序。随后，除了像素晶体管Tr2～Tr4的栅极电极42～44与光电二极管PD之间间隙以外，在像素晶体管形成区域36中，针对源极/漏极区域38～41与光电二极管PD之间的间隙进行第二离子注入工序。就图4和图5A～6C所示的制造工序而言，在图4的工序E和图6A中，例如，通过第一离子注入工序，将离子共同注入光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36，以形成具有最佳浓度的第一隔离区域46。随后，通过第二离子注入工序，在像素晶体管形成区域36中，仅仅将离子注入源极/漏极区域38～41与光电二极管PD之间的间隙，就能形成具有最佳浓度的第二隔离区域47。其它的工序与图4以及图5A～6C所示相同。
在制造本发明第三实施例的固体摄像器件63的方法中，如上所述，能够以高精度制造CMOS固体摄像器件，由此能够改善饱和特性，转换效率以及随机噪声特性，抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，并且，能够减轻混色。
5.第四实施例
固体摄像器件的示范性结构
图9～10C显示了本发明第四实施例的固体摄像器件。在本实施例中，可以采用CMOS固体摄像器件，其中，二维布置所谓4-像素共用单元，在该单元中2水平像素×2垂直像素构成一个单元。如图9所示，在本发明第四实施例的固体摄像器件65中，通过二维布置4-像素共用单元32构成像素部分，并且，通过布置作为四个像素的光电转换部分的四个光电二极管PD[PD1～PD4]，获得4-像素共用单元32。如上所述，4-像素共用单元32包括光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36。
在本实施例中，在光电二极管形成区域35内形成的第一隔离区域46由第二导电型(例如p-型)杂质半导体层形成。即，在相邻光电二极管PD之间的第一隔离区域46由p-型杂质半导体层形成。另一方面，在像素晶体管形成区域36内形成的隔离区域由第二隔离区域66和第三隔离区域67形成。即，利用包围像素晶体管Tr2～Tr4的STI结构形成第三隔离区域67。另外，在第三隔离区域67与光电二极管PD之间以及在像素晶体管Tr2～Tr4与光电二极管PD之间，利用p-型杂质半导体层形成第二隔离区域66。
将第一隔离区域46和第二隔离区域66的杂质浓度设定至均为最佳的不同值。即，将第一隔离区域46设定至较低浓度，只要能够确保光电二极管PD之间的元件隔离即可。由于存在具有STI结构的第三隔离区域67，因此，将第二隔离区域66设定至低于第一隔离区域46的杂质浓度。
下面，将参照图10A～10C(剖面图)进行说明。图10A～10C分别显示了沿图9的线XA-XA、XB-XB和XC-XC的剖面图。每一个光电二极管PD均包括n-型半导体区域51、由高浓度n+半导体区域形成的电荷累积区域52以及用于抑制其表面上的暗电流的p-型半导体区域53。通过离子注入，在形成光电二极管PD和像素晶体管Tr11～Tr14与Tr2～Tr4的区域中形成p-型半导体阱区域54。通过离子注入，在光电二极管形成区域35的相邻光电二极管PD之间，从基板表面至电荷累积区域52的深度的区域形成由具有最佳杂质浓度的p-型半导体层形成的第一隔离区域46。在像素晶体管Tr2～Tr4的周围形成采用了STI结构的第三隔离区域67。如矩形框b所示，在第三隔离区域67与光电二极管PD之间形成浓度低于第一隔离区域46的第二隔离区域66。在附图中，在栅极绝缘膜56上形成放大栅极电极43。
为易于理解，根据本发明的实施例，图11A～11C示意性地显示了第一隔离区域46、第二隔离区域66和第三隔离区域67。图11A～11C的示意性结构分别显示了在像素晶体管的源极/漏极区域与光电二极管之间的剖面图、在像素晶体管的栅极电极与光电二极管之间的剖面图以及在光电二极管之间的剖面图。
其它结构与上述第一实施例相似。在图9中，相同的附图标记表示与图1相似的元件，故省略了对它们的说明。
本发明第四实施例的固体摄像器件65可以形成上述背面照射型CMOS固体摄像器件或正面照射型CMOS固体摄像器件。
在本发明第四实施例的固体摄像器件65中，将在光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间的第一隔离区域46的杂质浓度设定至足以确保光电二极管PD之间隔离的最佳浓度，以便提供较低浓度。结果，能够抑制第一隔离区域46的杂质扩散进入光电二极管PD内。因此，与相关技术相比，能够获得光电二极管PD的更大面积，并能够改善饱和特性，即，饱和电荷量Qs。另外，能够提高灵敏度。
由于能够减小第一隔离区域46的杂质浓度，因此，能够减小在浮动扩散区域FD的p-n结的电场强度，并且，能够抑制在浮动扩散区域FD产生白点。另外，由于与相关技术相比，能够降低浮动扩散区域FD的结容量，因此，能够提高转换效率。
由于能够减小第一隔离区域46的杂质浓度，因此，还能够减小在浮动扩散区域FD中包括的n-型半导体区域的杂质浓度。另外，能够抑制在浮动扩散区域产生白点并提高转换效率。
由于能够减小光电二极管形成区域35的第一隔离区域46的浓度并抑制朝光电二极管PD侧扩散，因此，能够形成实质上较窄的线宽度。因此，能够减轻通过射至第一隔离区域46的光以光电形式转换的信号电荷产生的混色。另外，由于能够以低浓度形成像素晶体管与光电二极管之间的元件隔离注入，因此，能够增大在放大晶体管Tr3的栅极电极下方的面积以致难以形成扩散。因此，能够改善随机噪声特性。
另外，在像素晶体管形成区域36中，由于利用包围像素晶体管Tr2～Tr4的STI结构形成第三隔离区域67，因此，能够抑制在具有较高浓度的n-源极/漏极区域38～41之间产生电流泄漏并确保元件隔离。通过采用了STI结构的第三隔离区域67，能够获得杂质浓度低于第一隔离区域46的第二隔离区域66的杂质浓度。由于第二隔离区域66具有较低浓度，因此，能够朝向第二隔离区域66侧加宽光电二极管PD并进一步提高饱和电荷量Qs和灵敏度。
另外，在4-像素共用中的单一像素37具有方形形状。在朝第二隔离区域66侧加宽光电二极管PD时，光电二极管PD更接近方形形状，于是光电二极管PD的中心更靠近光学中心。即，片上透镜的光学中心位于像素中心，并且，光电二极管PD的中心更接近光学中心，以便减轻混色。
制造固体摄像器件的示范性方法
本发明第四实施例的制造固体摄像器件65的方法包括：形成光电二极管PD和具有像素晶体管Tr1～Tr4的像素，即形成4-像素共用单元的工序。另外，该方法包括形成用于在光电二极管PD与像素晶体管Tr2～Tr4之间进行隔离的具有STI结构的第三隔离区域67的工序。另外，该方法包括通过在相邻光电二极管PD之间注入杂质离子形成第一隔离区域46以及在第三隔离区域67与光电二极管PD之间形成杂质浓度低于第一隔离区域46的第二隔离区域66的工序。
随后，将参照图12的制造流程和图13A～14C的制造工艺，说明本发明第四实施例的制造固体摄像器件65的示范性方法。
首先，如图12的工序A和图13A所示，准备期望的导电型、例如n-型或者p-型硅半导体基板30。另外，在与半导体基板30的像素部分相对应的区域的表面上，通过典型的工艺形成采用了STI结构的第三隔离区域67。
随后，如图12的工序B和图13B所示，通过离子注入，在半导体基板30上形成第二导电型(在本例子中，为p-型)半导体阱区域54。随后，通过离子注入，在与4-像素共用单元的光电二极管PD相对应的区域形成第一导电型(在本例子中，为n-型)半导体区域51。
随后，如图12的工序C和图13C所示，在半导体基板30的表面上，在栅极绝缘膜56上形成像素晶体管Tr11～Tr14和Tr2～Tr4的栅极电极。在附图中，显示了传输晶体管Tr11～Tr14的传输栅极电极331～334和复位晶体管Tr2的复位栅极电极42。栅极电极由多晶硅膜形成。
随后，如图12的工序D和图13D所示，在与光电二极管PD对应的n-型半导体区域51上形成电荷累积区域52和也能抑制其表面上的暗电流的高浓度p-型半导体区域53，其中，电荷累积区域52由浓度高于n-型半导体区域51的n-型半导体区域形成。n-型电荷累积区域52和p-型半导体区域53均是通过离子注入形成的。由n-型半导体区域51、n-型电荷累积区域52、p-型半导体区域53形成光电二极管PD[PD1～PD4]。
随后，如图12的工序E和图14A所示，通过第一和第二p-型杂质离子注入工序，形成光电二极管形成区域35的第一隔离区域46和像素晶体管形成区域36的第二隔离区域66。
即，通过第一离子注入工序，将p-型杂质离子共同注入与光电二极管形成区域35内的隔离区域相对应的区域以及与像素晶体管形成区域36内的隔离区域相对应的区域。此时的剂量为能够确保第二隔离区域66的杂质浓度的低剂量，该剂量低于其后形成的光电二极管PD之间的第一隔离区域46的剂量。
随后，通过第二离子注入工序，选择性地将p-型杂质离子仅仅注入与光电二极管形成区域35内的隔离区域相对应的区域。光电二极管形成区域35内的杂质离子的总剂量为能够确保光电二极管PD之间隔离的最佳剂量。通过第一离子注入工序，形成第二隔离区域66。通过第一和第二离子注入工序，在光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间形成第一隔离区域46。
随后，如图12的工序F和图14B所示，在像素晶体管Tr11～Tr14和Tr2～Tr4的栅极电极的端部形成由绝缘膜形成的侧壁58。
随后，如图12的工序G和图14C所示，通过注入n-型杂质离子，形成n-型浮动扩散区域FD和像素晶体管Tr2～Tr4的n-型源极/漏极区域38～41。
随后，虽然没有在附图中显示，但是在形成背面照射型CMOS固体摄像器件的情况下，在整个半导体基板30的表面上形成在层间绝缘膜中布置有多层布线的布线层。例如，将作为支承基板的独立硅基板结合至布线层，随后，通过抛光并将半导体基板30的背面刻蚀至期望深度，使半导体基板形成薄膜。随后，在基板的背面上形成用于抑制暗电流的p-型半导体区域，另外，在基板背面上的绝缘膜中形成滤色器和片上透镜，以便获得期望的背面照射型CMOS固体摄像器件。
在形成正面照射型CMOS固体摄像器件的情况下，在半导体基板30的整个表面上形成通过在层间绝缘膜中布置多层布线所获得的布线层。布线形成在光电二极管PD之外的区域上。随后，在布线层上的平坦化膜中形成滤色器和片上透镜，以便获得期望的正面照射型CMOS固体摄像器件。
在制造本发明第四实施例的固体摄像器件65的方法中，通过两次进行离子注入，形成第一隔离区域46和第二隔离区域66。具体地，针对光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36共同进行第一离子注入工序，并且，仅对光电二极管形成区域35进行第二离子注入工序。通过两次进行离子注入，能够以高精度形成具有较低杂质浓度的第二隔离区域66和具有较高浓度的第一隔离区域46，该较高浓度虽高于第二隔离区域66，但与相关技术相比，仍是最适合的较低浓度。因此，能够以高精度制造CMOS固体摄像器件，由此能够改善饱和特性、转换效率和随机噪声特性，抑制在浮动扩散区域FD形成白点并减轻混色。
6.第五实施例
固体摄像器件的示范性结构
图15显示了本发明第五实施例的固体摄像器件。在本实施例中，如上所述，可以采用CMOS固体摄像器件，其中，以二维方式布置了所谓4-像素共用单元，在该单元中2水平像素×2垂直像素构成一个单元。如图15所示，在本发明第五实施例的固体摄像器件69中，通过以二维布置4-像素共用单元32构成像素部分，并且，通过布置作为四个像素的光电转换部分的四个光电二极管PD[PD1～PD4]，获得4-像素共用单元32。以与图9相同的方式，4-像素共用单元32包括光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36。在光电二极管形成区域35，形成由p-型杂质半导体层制成的第一隔离区域46。在像素晶体管形成区域，形成包围像素晶体管Tr2～Tr4的具有STI结构的第三隔离区域67和在第三隔离区域67与光电二极管PD之间由p-型杂质半导体层制成的第二隔离区域66。
在本实施例中，光电二极管形成区域35和像素晶体管形成区域36是隔离的，并且注入最佳剂量的p-型杂质离子以便使第一隔离区域46和第二隔离区域66具有最适合的浓度。即，具有最佳较低浓度的第一隔离区域46形成在光电二极管形成区域35的光电二极管PD之间。浓度低于第一隔离区域46的第二隔离区域66形成在像素晶体管形成区域36的具有STI结构的第三隔离区域67与光电二极管形成区域35的光电二极管PD之间。
其它结构与第四实施例相似。在图15中，相同的附图标记表示与图9相同的元件，故省略了对其的说明。
在本发明第五实施例的固体摄像器件69中，在光电二极管形成区域35内的光电二极管PD之间的第一隔离区域46的杂质浓度达到最适合的较低浓度。另外，在像素晶体管形成区域36内形成包围像素晶体管Tr2～Tr4的具有STI结构的第三隔离区域67，并且，包围第三隔离区域67的第二隔离区域66具有低于第一隔离区域46的浓度。因此，虽然没有重复说明，但是，以与第四实施例相同的方式，能够改善饱和特性(即饱和电荷量QS)和灵敏度。能够抑制在浮动扩散区域FD形成白点。能够提高转换效率。另外，由于通过增加光电二极管的面积，能够使光电二极管PD的中心可以更靠近像素的光学中心，因此，能够减轻混色。并且，能够改善随机噪声特性。
另外，由于在像素晶体管形成区域36中，通过具有STI结构的第三隔离区域67分离了像素晶体管Tr2～Tr4，因此，能够抑制在源极/漏极区域38～41之间产生电流泄漏以确保元件隔离。
制造固体摄像器件的示范性方法
本发明第五实施例的制造固体摄像器件69的方法包括：形成包括光电二极管PD和像素晶体管Tr1～Tr4的像素，即形成4-像素共用单元的工序；以及形成第三隔离区域67的工序。另外，该方法包括形成第一隔离区域46的工序以及形成第二隔离区域66的工序。本实施例与上述第四实施例相似，不同之处在于：独立进行第一隔离区域和第二隔离区域的离子注入工序。就图12和图13A～14C所示的制造工序而言，根据本发明的第五实施例，在图12的工序E和图14A中，例如，通过第一离子注入工序，仅仅对光电二极管形成区域35注入离子以形成具有最佳浓度的第一隔离区域46。随后，通过第二离子注入工序，仅仅对像素晶体管形成区域36注入离子以形成浓度低于第一隔离区域46的第二隔离区域66。作为可选择的方案，也可以通过第一离子注入工序形成第二隔离区域66，并且，可以通过第二离子注入工序形成第一隔离区域46。其它工序与图12和图13A～14C所示的工序相似。
在本发明第五实施例的制造固体摄像器件69的方法中，以与第四实施例相同的方式，能够以高精度制造CMOS固体摄像器件，由此能够提高饱和特性、转换效率以及随机噪声特性，抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，并能够减轻混色。
7.第六实施例
固体摄像器件的示范性结构
图16显示了本发明第六实施例的固体摄像器件。在本实施例中，可以采用CMOS固体摄像器件，其中，以二维方式布置了两个像素构成一个单元的所谓2-像素共用单元。如图16所示，在本发明第六实施例的固体摄像器件71中，通过以二维布置2-像素共用单元72构成像素部分，并且，通过布置作为两个像素的光电转换部分的光电二极管PD[PD1和PD2]，获得2-像素共用单元72。在2-像素共用单元72中，两个光电二极PD1和PD2共用单一浮动扩散区域FD。除了共用的一个复位晶体管Tr2、一个放大晶体管Tr3、一个选择晶体管Tr4以外，像素晶体管还包括两个传输晶体管Tr1[Tr11和Tr12]。在本例中，虽然像素晶体管采用了4-晶体管结构，但是，也可以采用3-晶体管结构。
例如，沿倾斜方向布置两个光电二极管PD1和PD2，并且，将浮动扩散区域FD设置在两个光电二极管PD1和PD2之间的中心。传输晶体管Tr11和Tr12均包括传输栅极电极73[731和732]，这些传输栅极电极设置在共用的浮动扩散区域FD与对应的光电二极管PD1和PD2之间。
此处，包括每一行的2-像素共用单元的光电二极管PD1和PD2、浮动扩散区域FD以及传输晶体管Tr11和Tr12的区域为光电二极管形成区域75。另外，在每一行的2-像素共用单元的像素晶体管中，包括由两个像素共用的复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管Tr4的区域为像素晶体管形成区域76。沿像素部分的垂直方向交替布置沿水平方向连续的光电二极管形成区域75和像素晶体管形成区域76。
复位晶体管Tr2包括一对源极/漏极区域78和79以及复位栅极电极83。放大晶体管Tr3包括一对源极/漏极区域79和81以及放大栅极电极84。选择晶体管Tr4包括一对源极/漏极区域81和82以及选择栅极电极85。浮动扩散区域FD和源极/漏极区域78、79、81、82由n-型半导体区域形成。
在本实施例中，用于隔离光电二极管形成区域75内的光电二极管PD的第一隔离区域86与包围像素晶体管形成区域76内的像素晶体管Tr2～Tr4的第二隔离区域87由p-型杂质半导体层形成。
如第一实施例所述，将第一隔离区域86和第二隔离区域87的杂质浓度设定至不同的值，其中每一个值均为最佳值。即，将第一隔离区域86的杂质浓度设定至足以在光电二极管PD之间实现隔离的较低浓度。另一方面，将第二隔离区域87的杂质浓度设定至足以在像素晶体管Tr2～Tr4的具有较高杂质浓度的源极/漏极区域38～41之间实现隔离的较高浓度，即高于第一隔离区域86的杂质浓度。
本发明实施例的固体摄像器件71可以形成背面照射型CMOS固体摄像器件或正面照射型CMOS固体摄像器件。
在本发明第六实施例的固体摄像器件71中，能够实现与上述第一实施例相同的效果。例如，能够提高饱和特性、灵敏度、转换效率，抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，并且，能够减轻混色。
也可以将第一、第二和第三实施例所述的结构以及制造方法应用于本发明第六实施例的固体摄像器件的第一隔离区域86和第二隔离区域87的结构和制造方法。
8.第七实施例
固体摄像器件的示范性结构
图17显示了本发明第七实施例的固体摄像器件。在本实施例中，以与第六实施例相同的方式，可以采用CMOS固体摄像器件，其中，以二维方式布置了两个像素构成一个单元的所谓2-像素共用单元。如图17所示，在本发明第七实施例的固体摄像器件89中，通过以二维布置2-像素共用单元72构成像素部分，并且，通过布置作为两个像素的光电转换部分的光电二极管PD[PD1和PD2]，获得2-像素共用单元72。如上所述，2-像素共用单元72包括光电二极管形成区域75和像素晶体管形成区域76。
在本实施例中，如在第四实施例中所述，在光电二极管形成区域75内的相邻光电二极管PD之间形成由p-型杂质半导体层制成的第一隔离区域86。另外，在像素晶体管形成区域76内，形成包围像素晶体管Tr2～Tr4的具有STI结构的第三隔离区域97和在第三隔离区域97与光电二极管PD之间由p-型半导体层制成的第二隔离区域96。第二隔离区域96的杂质浓度低于第一隔离区域86的杂质浓度。
其它的结构与第六实施例相似。在图17中，相同的附图标记表示与图16相同的元件，故省略了对其的说明。
在本发明第七实施例的固体摄像器件89中，能够实现与上述第四实施例相同的效果。例如，能够提高饱和特性、灵敏度、转换效率，抑制在浮动扩散区域FD中产生白点，并且，能够减轻混色。
也可以将第四和第五实施例中所述的结构以及制造方法应用于本发明第七实施例的固体摄像器件的第一隔离区域86、第二隔离区域96和第三隔离区域97的结构和制造方法。
在上述例子中，作为像素共用固体摄像器件，已描述了4-像素共用或2-像素共用CMOS固体摄像器件。本发明也适用于其它的像素共用CMOS固体摄像器件。例如，本发明可适用于共用两个水平像素×2n个垂直像素(其中，n为任意正整数)的CMOS固体摄像器件。
9.第八实施例
固体摄像器件的示范性结构
图18显示了本发明第八实施例的固体摄像器件。在本实施例中，可以采用二维布置单位像素的CMOS固体摄像器件。在本发明第八实施例的固体摄像器件99中，通过以二维布置单位像素101构成像素部分，并且，每一单位像素101均包括一个光电二极管PD和包含单一浮动扩散区域FD的多个像素晶体管。在本例子中，多个像素晶体管具有3-晶体管结构，该结构包括传输晶体管Tr1、复位晶体管Tr2和放大晶体管Tr3。也可以使用增加了选择晶体管Tr4的4-晶体管结构。
传输晶体管Tr1包括光电二极管PD、与浮动扩散区域FD对应的n-型源极/漏极区域103和传输栅极电极106。复位晶体管Tr2包括一对n-型源极/漏极区域103、104和复位栅极电极107。放大晶体管Tr3包括一对n-型源极/漏极区域104和105以及放大栅极电极108。
此处，包括每一行光电二极管PD的区域为光电二极管形成区域111。包括每一行的像素晶体管Tr1～Tr3的区域为像素晶体管形成区域112。沿水平方向延伸的像素晶体管形成区域112和光电二极管形成区域111沿像素区域的垂直方向交替布置。
在本实施例中，用于隔离光电二极管形成区域111内的光电二极管PD的第1隔离区域109和用于包围像素晶体管形成区域112内的像素晶体管Tr2～Tr4的第2隔离区域110由p-型杂质半导体层形成。
如在第一实施例中所述的那样，将第1隔离区域109和第2隔离区域110的杂质浓度设定至不同的值，其中每一个值均是最佳的。即，将第1隔离区域109的杂质浓度设置至足以在光电二极管PD之间实现隔离的较低浓度。另一方面，将第二隔离区域110的杂质浓度设定至足以在像素晶体管Tr1～Tr3的具有较高杂质浓度的源极/漏极区域103～105之间实现隔离的较高浓度，即高于第一隔离区域109的杂质浓度。
本发明实施例的固体摄像器件99可以形成背面照射型CMOS固体摄像器件或正面照射型CMOS固体摄像器件。
在本发明第八实施例的固体摄像器件99中，能够提高饱和特性和灵敏度，并且，减轻混色。
也可以将第一、第二和第三实施例所述的结构以及制造方法应用于本发明第八实施例的固体摄像器件的第一隔离区域109和第二隔离区域110的结构和制造方法。
10.第九实施例
固体摄像器件的示范性结构
图19显示了本发明第九实施例的固体摄像器件。在本实施例中，以与第八实施例相同的方式，可以采用二维布置单位像素的CMOS固体摄像器件。在本发明第九实施例的固体摄像器件115中，通过以二维布置单位像素101构成像素部分，并且，每一单位像素101均包括一个光电二极管PD和包含单一浮动扩散区域FD的多个像素晶体管。如上所述，单位像素101包括光电二极管形成区域111和像素晶体管形成区域112。
在本实施例中，由p-型杂质半导体层制成的第1隔离区域111形成在光电二极管形成区域111内的相邻光电二极管PD之间。另外，在像素晶体管形成区域112内，形成包围像素晶体管Tr1～Tr3的具有STI结构的第三隔离区域116和在第三隔离区域116与光电二极管PD之间由p-型半导体层制成的第二隔离区域110。第二隔离区域110的杂质浓度低于第一隔离区域109的杂质浓度。
其它的结构与第八实施例相似。在图19中，相同的附图标记表示与图18相同的元件，故省略了对其的说明。
在本发明第九实施例的固体摄像器件115中，能够提高饱和特性和灵敏度，并且，能够减轻混色。
也可以将第四和第五实施例中所述的结构以及制造方法应用于本发明第九实施例的固体摄像器件的第一隔离区域109、第二隔离区域110和第三隔离区域116的结构和制造方法。
作为本发明的另一实施例，可以利用在上述实施例中描述的隔离结构形成用于在像素部分的光电二极管PD之间实现隔离的隔离区域和用于在周边电路部分的MOS晶体管之间实现隔离的隔离区域。即，可以采用第一和第二隔离区域的结构或第一、第二和第三隔离区域的结构。
作为本发明的另一实施例，可以采用CCD固体摄像器件。在这种情况下，固体摄像器件的形成应确保二维布置光电二极管，并且，通过设置在两侧的垂直传输寄存器读取来自两相邻列的光电二极管的电荷。另外，作为与隔离区域对应的沟道截止区域，在两相邻列的光电二极管之间的沟道截止区域的杂质浓度低于光电二极管与垂直传输寄存器之间的沟道截止区域的杂质浓度。
在本实施例的CCD固体摄像器件中，能够通过具有较低杂质浓度的沟道截止区域，增大光电二极管的面积。因此，能够进一步改善饱和特性和灵敏度。
虽然将电子用作上述固体摄像器件中的信号电荷，但是，也可以采用将空穴用作信号电荷的固体摄像器件。在这种情况下，可以颠倒每一半导体区域的导电类型。
11.第十实施例
电子装置的示范性结构
例如，可以将本发明的上述实施例的固体摄像器件用于如数码照相机或摄像机这样的照相机系统，或者，用于如具有摄像功能的便携式电话或具有摄像功能的其它装置等电子装置。
图24显示了本发明第十实施例的作为电子装置的例子的照相机。作为本实施例的照相机，举例说明了能够拍摄静止图像或动态图像的摄像机。本实施例的照相机211包括固体摄像器件212、将入射光导引至固体摄像器件212的光敏传感器部分的光学系统213和快门装置214。另外，照相机211包括用于驱动固体摄像器件212的驱动电路215和用于处理来自固体摄像器件212的输出信号的信号处理电路116。
作为固体摄像器件212，可以采用在上述实施例中所述的任意一种CMOS固体摄像器件。特别是，最好将像素共用背面照射型CMOS固体摄像器件用作固体摄像器件212。光学系统(光学透镜)213将来自目标的图像光线(入射光线)聚焦在固体摄像器件212的拍摄平面上。结果，以一段时间使信号电荷累积在固体摄像器件212中。光学系统213可以是包括多个光学透镜的光学透镜系统。快门装置214控制固体摄像器件212的光照射周期以及遮光周期。驱动电路215供给用于控制快门装置214的快门操作和固体摄像器件212的传输操作的驱动信号。根据从驱动电路215供给的驱动信号(时序信号)执行固体摄像器件212的信号传输。信号处理电路216执行各种信号处理操作。将经过信号处理的图像信号存储在如存储器这样的存储介质中或将其输出至监视器。
在本发明第十实施例的如照相机这样的电子装置中，即使固体摄像器件212中的像素更微小，仍能够改善如饱和特性这样的像素特性。因此，可使高质量的电子装置具有改善的拍摄质量。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及变化。

Claims (14)

1.一种固体摄像器件，其包括：
具有光电二极管和像素晶体管的像素；
在相邻的所述光电二极管之间形成的第一隔离区域，该第一隔离区域使用了包含杂质的半导体区域；
在所述光电二极管与所述像素晶体管之间形成的第二隔离区域，该第二隔离区域使用了包含杂质的半导体区域；
其中，所述第一隔离区域的杂质浓度不同于所述第二隔离区域的杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中：所述第一隔离区域的杂质浓度低于所述第二隔离区域的杂质浓度。
3.根据权利要求2所述的固体摄像器件，其中：所述第二隔离区域形成在所述像素晶体管的源极/漏极区域与所述光电二极管之间，并且，所述第一隔离区域在所述像素晶体管的栅极电极与所述光电二极管之间延伸。
4.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中：在所述第二隔离区域与所述像素晶体管之间设置使用了STI结构的第三隔离区域，并且，所述第二隔离区域的杂质浓度低于所述第一隔离区域的杂质浓度。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的固体摄像器件，其中：所述像素包括像素共用单元，在该像素共用单元中，多个光电二极管共用除传输晶体管以外的一个像素晶体管组。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的固体摄像器件，其中：所述像素包括具有光电二极管和多个像素晶体管的单位像素。
7.一种制造固体摄像器件的方法，该方法包括以下步骤：
形成包括光电二极管和像素晶体管的像素；
在相邻的所述光电二极管之间形成第一隔离区域，该第一隔离区域使用了包含杂质的半导体区域；
在所述光电二极管与所述像素晶体管之间形成第二隔离区域，该第二隔离区域的杂质浓度与所述第一隔离区域的杂质浓度不同。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括以下步骤：
通过针对相邻所述光电二极管之间的间隙和所述光电二极管与所述像素晶体管之间的间隙共同进行第一杂质离子注入工序，形成所述第一隔离区域；
通过在所述光电二极管与所述像素晶体管之间进行第二杂质离子注入工序，形成杂质浓度高于所述第一隔离区域的所述第二隔离区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，对除所述光电二极管与所述像素晶体管的栅极电极之间的间隙以外的所述光电二极管与所述源极/漏极区域之间的间隙进行所述第二杂质离子注入工序，以在所述光电二极管与所述源极/漏极区域之间形成所述第二隔离区域。
10.根据权利要求7所述的方法，其还包括以下步骤：
通过单独在相邻的所述光电二极管之间进行杂质离子注入以及在所述光电二极管与所述像素晶体管之间进行杂质离子注入，形成所述第一隔离区域和杂质浓度高于所述第一隔离区域的所述第二隔离区域。
11.根据权利要求7所述的方法，其还包括以下步骤：
形成具有STI结构的第三隔离区域以便在所述光电二极管与所述像素晶体管之间实现隔离；
通过在相邻的所述光电二极管之间注入杂质离子，形成所述第一隔离区域，并且，在所述第三隔离区域与所述光电二极管之间形成杂质浓度低于所述第一隔离区域的所述第二隔离区域。
12.根据权利要求7～11中任意一项所述的方法，其中：使所述像素形成像素共用单元，其中，多个光电二极管共用传输晶体管之外的一个像素晶体管组。
13.根据权利要求7～11中任意一项所述的方法，其中：使所述像素形成单位像素，该单位像素包括光电二极管和多个像素晶体管。
14.一种电子装置，其包括：
权利要求1～6中任意一项所述的固体摄像器件；
光学系统，该光学系统将入射光导引至所述固体摄像器件的光电二极管；以及
信号处理电路，该信号处理电路处理来自所述固体摄像器件的输出信号。
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