CN102280462A - 固态摄像器件及其制造方法和摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固态摄像器件及其制造方法和设有该固态摄像器件的摄像装置。所述固态摄像器件的像素具有能够进行光电转换的传感器单元，所述固态摄像器件包括：第一导电类型的电荷存储区域，其形成在所述半导体基板中，并构成所述传感器单元；由所述第一导电类型的杂质区域制成的多层电荷存储子区域，其在所述半导体基板中形成为位于用作主电荷存储区域的所述电荷存储区域的下方，其中，所述多层电荷存储子区域中的至少一层电荷存储子区域形成为遍布整个所述像素；和器件隔离区域，其形成在所述半导体基板中，所述器件隔离区域使所述像素相互隔离，且是由第二导电类型的杂质区域制成。所述固态摄像器件能够在像素小型化的情况下确保灵敏度。

Description

固态摄像器件及其制造方法和摄像装置

相关申请的交叉参考

本申请包含与2010年6月14日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-135612的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及固态摄像器件及其制造方法和设有该固态摄像器件的摄像装置。

背景技术

在固态摄像器件中，为了弥补由于像素的小型化而引起的电荷存储电容量的减少，提出了在现有传感器单元中的电荷存储区域的下方额外地形成与电荷存储区域导电类型相同的杂质区域。

此外，还提出了一种电荷存储单元，其中，在电荷存储区域下方多次注入不同能量的离子，从而形成多个杂质区域，随后该多个杂质区域与已知电荷存储区域进行组合(例如，参见日本公开专利申请No.2002-164529)。

上述专利申请对CCD(电荷耦合器件)固态摄像器件进行了说明。但对于CMOS(互补金属氧化物半导体)固态摄像器件，同样可以在传感器单元的电荷存储区域下方形成多个杂质区域，从而构成电荷存储单元。

图5A和图5B表示以上述方式构造的CMOS固态摄像器件的示意性构造图(剖面图)。图5A是传输栅极的正交面处的剖面图，图5B是沿图5A中的线X-X’的剖面图。

注意，虽然日本公开专利申请No.2002-164529提到了第一电荷存储单元和第二电荷存储单元，但在本说明书中，将目前已知的电荷存储区域称为主电荷存储区域，将下部杂质区域称为电荷存储子区域。

图5A和图5B所示的固态摄像器件具有如下构造：通过P⁺器件隔离区域53隔离各个像素，传感器单元的光电二极管(PD)和电荷传输部形成在器件隔离区域53所隔离的内部部分中。在图中，附图标记51表示半导体基板(即，半导体基板，或者半导体基板和形成在半导体基板上的半导体外延层)，附图标记52表示通过埋入半导体基板51而形成的p^-半导体阱区域。半导体阱区域52形成为溢出势垒。

在此固态摄像器件中，特别地，在传感器单元的n⁺型电荷存储区域54下面形成n型电荷存储子区域。该电荷存储子区域是由三个n型杂质区域构成，该三个n型杂质区域从下往上依次包括第一电荷存储子区域61、第二电荷存储子区域62和第三电荷存储子区域63。

与在深处单独形成电荷存储区域54的情况相比，由第一电荷存储子区域61、第二电荷存储子区域62和第三电荷存储子区域63形成的电荷存储子区域增加了电荷存储电容量。

以此方式，能够补偿电荷存储电容量在像素小型化时的减少，并能够抑制由于像素小型化而导致的灵敏度降低。

此外，还能够有效传输光电二极管的深层区域处所光电转换的光电子。

能够通过进行不同能级的n型杂质离子注入，连续形成第一电荷存储子区域61、第二电荷存储子区域62和第三电荷存储子区域63。

图6表示图5B的剖面处的电位分布图。

如图6所示，由于形成电荷存储子区域61、62和63的原因，形成了在纵深方向上延伸的电位分布。

如果对n型杂质进行多级循环的离子注入以形成上述电荷存储子区域，则能够设计出这类纵深方向上的电位。

从图5A可以看出，为提高灵敏度而形成的电荷存储子区域61、62和63仅形成在电荷存储区域54下方，即形成在光电二极管的内部。

这样是为了抑制白点恶化以及抑制由于光电二极管的深层部分的钉扎(pinning)劣化而导致的存储电荷溢出。

此外，在设置有该电荷存储子区域的结构中，光电二极管的有效面积也随着像素的小型化而减小。

与在图5A的剖面处相比，p⁺器件隔离区域之间的距离在图5B的剖面处变窄。

因此，在光电二极管的深层部分中，由于器件隔离区域53和半导体阱区域52增加了p型杂质的有效浓度，由此电位收缩。参考图7对此进行说明。

图7表示图6的电位图与图5B的剖面结构叠加后的器件隔离区域53和半导体阱区域52，器件隔离区域53和半导体阱区域52都是p型杂质区域。

如图7所示，由于p型杂质区域(即，器件隔离区域53和半导体阱区域52)的有效浓度的增加而导致n型杂质区域中的电位如箭头所示方式收缩。

这可能导致耗尽层无法向纵深延伸，灵敏度的值可能会低于设计值。

通常，与在深处单独形成电荷存储区域的情况相比，在日本公开专利申请No.2002-164529中，通过设置电荷存储子区域减缓了电位收缩，并产生了电位向纵深方向延伸的效果。

但是，随着像素的小型化的进一步发展，仅设置电荷存储子区域并不能满足要求。

因此，为在像素小型化的同时确保灵敏度，需要进一步创新。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施例提供一种固态摄像器件及其制造方法，其中即使像素进一步小型化，也能确保满足条件的灵敏度。本发明还提供一种包括所述固态摄像器件的固态摄像装置。

本发明实施例的固态摄像器件是由包括能够进行光电转换的传感器单元的像素构成。

所述固态摄像器件包括半导体基板和第一导电类型的电荷存储区域，所述电荷存储区域形成在所述半导体基板中并用作所述传感器单元。

所述固态摄像器件还包括由第一导电类型的杂质区域制成的多层电荷存储子区域，所述电荷存储子区域在所述半导体基板中形成为位于用作主电荷存储区域的所述电荷存储区域的下方，其中，所述多层电荷存储子区域中的至少一层电荷存储子区域形成为遍布整个所述像素。

此外，所述固态摄像器件还包括形成在所述半导体基板中的器件隔离区域，所述器件隔离区域使所述像素彼此隔离，且是由第二导电类型的杂质区域形成。

在本发明实施例的固态摄像器件的制造方法中，所述固态摄像器件是由包括能够进行光电转换的传感器单元的像素构成。

所述方法包括：在半导体基板中形成至少一层遍布整个所述像素的由第一导电类型的杂质区域制成的电荷存储子区域，形成均由所述第一导电类型的杂质区域制成且包括形成为遍布整个所述像素的所述至少一层电荷存储子区域的多层电荷存储子区域。

此外，所述方法还包括：在所述半导体基板中形成器件隔离区域，所述器件隔离区域使所述像素彼此隔离，且是由第二导电类型的杂质区域形成；及在所述半导体基板中形成位于所述多层电荷存储子区域上方的所述第一导电类型的电荷存储区域，所述电荷存储区域用作所述传感器单元。

本发明实施例的摄像装置包括：用于聚集入射光的聚光单元；接收所述聚光单元聚集的入射光并进行光电转换的固态摄像器件；和对通过所述固态摄像器件的光电转换获得的信号进行处理的信号处理单元。

根据本发明实施例的固态摄像器件，由第一导电类型的杂质区域制成的所述多层电荷存储子区域在所述半导体基板中形成为位于用作主电荷存储区域的所述电荷存储区域的下方。与在深处单独形成电荷存储区域的情况相比，由于设置了该电荷存储子区域的原因，电位可朝纵深方向延伸。

此外，由于所述多层电荷存储子区域中的至少一层电荷存储子区域形成为遍布整个所述像素，所以能够在传感器单元的深度处增加第一导电类型的杂质的有效剂量。这样能够减轻电荷存储子区域周围的第二导电类型的杂质区域产生的电位收缩，能够使传感器单元中的电位分布沿着纵深方向扩展，并能够使传感器单元中的耗尽层沿着纵深方向延伸，从而能够增加传感器单元中的饱和电荷量。

根据本发明实施例的固态摄像器件的制造方法，在半导体基板中形成由所述第一导电类型的杂质区域形成的至少一层电荷存储子区域为遍布整个所述像素，且形成均由所述第一导电类型的杂质区域制成且并包括形成为遍布整个所述像素的所述至少一层电荷存储子区域的多层电荷存储子区域。由此，固态摄像器件具有下述结构：传感器单元中的耗尽层沿着纵深方向延伸，从而确保传感器单元中的饱和电荷量增加。

根据本发明实施例的所述摄像装置，所述固态摄像装置包括本发明的所述固态摄像器件，由于增加了所述摄像器件中传感器单元的饱和电荷量，所以确保了满足条件的灵敏度。

根据本发明的实施例，固态摄像器件确保传感器单元中的饱和电荷量的增加，从而提高传感器单元的灵敏度。

因此，即使像素进一步小型化，也能保证满足条件的灵敏度。因此，能够在增加像素的数目及减小固态摄像器件的尺寸的情况下实现像素小型化。

根据本发明的实施例，即使增加固态摄像器件的像素数目或减小固态摄像器件的尺寸，也能够实现具有满足条件的灵敏度的固态摄像装置。

附图说明

图1A和1B分别是表示根据本发明第一实施例的固态摄像器件的示意性构造图(剖面图)；

图2是对应于图1B的剖面图的部分的电位分布图；

图3A～3E分别是说明图1A和图1B的固态摄像器件的制造方法的过程图；

图4是根据本发明第二实施例的摄像装置的示意性构造图(方块图)：

图5A和图5B分别是具有电荷存储子区域形成在主电荷存储区域下方的构造的固态摄像器件的示意性构造图(剖面图)；

图6是对应于图5B的剖面图的部分的电位分布图；及

图7是说明图5A和图5B的固态摄像器件中的电位变化的图示。

具体实施方式

下面说明用于实现本发明的实施例。

以下述顺序进行说明：

1.第一实施例(固态摄像器件)

2.第二实施例(摄像装置)

1.第一实施例

图1A和1B表示根据本发明第一实施例的固态摄像器件的示意性构造图(剖面图)。图1A表示传输栅极的正交面处的剖面图，图1B表示图1A中的线A-A’处的剖面图。

该固态摄像器件具有如下结构：在由硅或其它半导体制成的n^-型半导体基板1的表面上形成传感器单元的光电二极管(PD)、作为传输栅极7的电荷传输单元和浮动扩散部(FD)6。

能够将半导体基板(硅基板等)或将半导体基板和形成在半导体基板上的半导体外延层用作半导体基板1。

p型半导体阱区域2形成为掩埋在该半导体基板1中。

半导体阱区域2形成为遍布整个像素区域的表面或固态摄像器件芯片的表面，半导体阱区域2使基板和像素单元彼此隔离。通过半导体阱区域2形成溢出势垒。

通过半导体阱区域2上方的p⁺器件隔离区域3隔离各个像素。在器件隔离区域3所隔离的内部部分中，形成有电荷传输单元和用作传感器单元的光电二极管(PD)。

在光电二极管的一部分中，形成有n⁺电荷存储区域4，在电荷存储区域4的表面上形成有抑制暗电流的p⁺正电荷存储区域5。

在电荷传输单元中，传输栅极7隔着未图示的薄栅极绝缘膜形成在半导体基板1的表面上，在传输栅极7的侧壁处形成有由绝缘层制成的侧壁8。

例如，传输栅极7可由多晶硅形成。

在器件隔离区域3的位于图左侧的表面中，形成有n⁺浮动扩散部(FD)6。

浮动扩散部6和传感器单元的正电荷存储区域5在传输栅极7的外侧形成为与传输栅极7的位置相配合。

注意，作为图1A所示构造的变形，正电荷存储区域5可在传输栅极7外侧处形成为与侧壁8的外边缘的位置相配合。

传输栅极7用于在光电二极管和浮动扩散部6之间传输电荷。浮动扩散部6用于存储传输的电荷。

在电荷存储区域4下面形成电荷存储子区域，该电荷存储子区域从下到上依次包括三个n型杂质区域：第一电荷存储子区域11、第二电荷存储子区域12和第三电荷存储子区域13。

这三个电荷存储子区域11、12、13形成在p型半导体阱区域2上方，即，位于半导体阱区域2和电荷存储区域4之间的纵深位置处。

类似于图5B所示的剖面图，与在图1A的剖面处相比，p⁺器件隔离区域3之间的距离在图1B的剖面处变窄。

因此，基于图1B的剖面图构造，由于器件隔离区域3和半导体阱区域2增加了p型杂质有效浓度，所以电位在光电二极管的深层部分处收缩。

为避免这种情况，在本实施例中，三个电荷存储子区域11、12、13中最深位置的第一电荷存储子区域11形成为延伸到器件隔离区域3。也就是说，第一电荷存储子区域11形成为遍布整个像素。

图2表示图1B的剖面处的电位分布图。

由于第一电荷存储子区域11较大范围地形成为足以延伸到器件隔离区域3，所以能够形成图2所示的这类电位分布，与图6所示的电位分布相比，该电位分布在纵深方向上延伸。

这是因为：由于较大范围地形成第一电荷存储子区域11，所以能够增加光电二极管的深层部分中的n型杂质的有效剂量，从而能够减缓p型杂质区域2和3周围产生的电位收缩。

由于能够沿着纵深方向加宽电位分布，所以能够朝着纵深方向延长光电二极管中的耗尽层，从而能够改善灵敏度。

更优选地，形成为遍布整个像素的第一电荷存储子区域11的形成位置的深度距离半导体基板1的表面不小于1μm。

这使得耗尽层能够在不小于1μm的深度处延伸，由此在可见光的长波长区域中的光的情况下获得满足要求的灵敏度。

可通过下述方式制造本实施例的固态摄像器件。

首先，如图3A所示，在半导体基板1的某一纵深位置处进行p型杂质的离子注入21，从而用作溢出势垒的P型半导体阱2形成为遍布整个半导体基板1或摄像区域。

接下来，如图3B所示，通过在半导体阱区域2上方进行n型杂质的离子注入22，形成遍布整个半导体基板1的第一电荷存储子区域11。

接下来，如图3C所示，通过将抗蚀剂23用作掩膜进行n型杂质的离子注入24，从而在第一电荷存储子区域11上接连形成第二电荷存储子区域12和第三电荷存储子区域13。

注意，以不同的能量进行形成第一电荷存储子区域11的离子注入、形成第二电荷存储子区域12的离子注入和形成第三电荷存储子区域13的离子注入(能量大小的顺序为：形成第一电荷存储子区域11的离子注入的能量＞形成第二电荷存储子区域12的离子注入的能量＞形成第三电荷存储子区域13的离子注入的能量)。

接下来，如图3D所示，通过将抗蚀剂25作为掩膜进行p型杂质的离子注入26，从而形成围绕传感器单元的光电二极管的p⁺器件隔离区域3。

在此阶段，选择p型杂质的注入量，使得p型杂质超过整个半导体基板1上所离子注入的n型杂质。这样能够将器件隔离区域3和光电二极管之间边界区域处的电位设计成用于防止晕光(b1ooming)、混色和白点恶化。

通过以此方式形成p⁺器件隔离区域3，从而隔离了每个像素的n型第一电荷存储子区域11。

随后，如图3E所示，分别形成电荷存储区域4、正电荷存储区域5、浮动扩散部(FD)6、传输栅极7和侧壁8。能够通过已有技术形成这些部件。

例如，在形成传输栅极7之后，在将传输栅极7用作掩膜的情况下，通过进行n型杂质的离子注入形成n⁺电荷存储区域4，并通过进行p型杂质的离子注入形成p⁺正电荷存储区域5。在传输栅极7的侧壁上形成由绝缘层制成的侧壁8，在将侧壁8用作掩膜情况下，通过进行n型杂质的离子注入形成浮动扩散部(FD)6。

此后，必要时可分别形成滤色器、片上透镜和上布线层。

以此方式，能够制造图1A和图1B所示的固态摄像器件。

根据这个实施例的固态摄像器件，三个n型电荷存储区域11、12和13中的最下层的第一电荷存储子区域11形成为延伸到器件隔离区域3，因此，第一电荷存储子区域11形成为遍布整个像素。这样能够增加光电二极管的深层处的n型杂质的有效剂量，从而能够减缓p型杂质区域2和3周围产生的电位收缩，因而朝向纵深方向加宽电位分布。

尤其是，能够沿着纵深方向延长光电二极管中的耗尽层，能够增加饱和电荷量，从而改善光电二极管的灵敏度。

因此，根据这个实施例的固态摄像器件，如果像素被小型化，则能够确保满足条件的灵敏度。因此，能够通过像素的小型化来增加像素的数目并减小固态摄像器件的尺寸。

基于上述实施例，仅第一电荷存储区域11形成为遍布整个像素，第二电荷存储区域12和第三电荷存储区域13仅形成在电荷存储区域4下方的部分处。

在本发明中，在电荷存储区域下方形成多个电荷存储子区域，但形成为遍布整个像素的电荷存储子区域的数量是任意的。

因此，在形成图1A和图1B所示的电荷存储子区域11、12和13的情况下，可形成任意数量的遍布整个像素的子区域。

更优选地，形成为遍布整个像素的电荷存储子区域构造成其形成位置的深度距离半导体基板1的表面不小于1μm。

注意，形成为遍布整个像素的电荷存储子区域还可在使用相对每个像素具有开口的掩膜的情况下通过离子注入来形成，以取代上述制造方法中的将电荷存储子区域形成为遍布整个半导体基板或遍布整个摄像区域的情况。

在上述制造方法中，可确保将子区域形成为遍布整个半导体基板或摄像区域时的形成过程容易实现，一旦形成器件隔离区域，就隔离了每个像素的子区域。

在上述实施例中，尽管本发明应用到其每个像素设置有浮动扩散部(FD)6的CMOS型固态摄像器件，但本发明也可应用到其它类型的固态摄像器件。

例如，本发明还可应用到前述日本公开专利申请中所述的CCD固态摄像器件。

在上述实施例中，电荷存储区域4形成为n型区域，并在电荷存储区域4的表面上形成p⁺正电荷存储区域。

在本发明中，也可以使用导电类型与上述实施例相反的构造，例如该结构包括p型电荷存储区域和形成在p型电荷存储区域上的n⁺负电荷存储区域。在此情况下，在电荷存储区域下方形成多层p型杂质区域作为电荷存储子区域，且至少一层p型杂质区域形成为遍布整个像素。

2.第二实施例

图4表示根据本发明第二实施例的摄像装置的示意性构造图(框图)。例如，该摄像装置包括摄像机、数码相机或蜂窝式电话的相机。

如图4所示，摄像装置500的摄像单元501设置有固态摄像器件(未图示)。

在摄像单元501的上行处设置有聚光系统502，聚光系统502用于收集入射光并对图像进行调焦。在摄像单元501的下行处连接有信号处理器503，信号处理器503具有驱动电路和信号处理电路，该驱动电路用于驱动摄像单元501，该信号处理电路用于对固态摄像器件中的被光电转换为图像的信号进行处理。信号处理器503所处理的图像信号可存储在图像存储器(未图示)中。

可将本发明的固态摄像器件(诸如上述实施例的固态摄像器件)用作这类摄像装置500中的固态摄像器件。

本实施例的摄像装置500使用本发明的固态摄像器件，即，如上所述，使用如前面所述的在像素进行小型化的情况下确保满足条件的灵敏度的固态摄像器件。

其优点在于，如果增加固态摄像器件的像素数目或减小固态摄像器件的尺寸，也能构造具有满足条件的灵敏度的摄像装置500。注意，本发明的摄像装置并不限于图4所示的结构，也可应用到使用固态摄像器件的任何类型的摄像装置。

例如，固态摄像器件可形成为一个芯片，或可形成为具有摄像功能的模块，其中，在该芯片或该模块中封装有摄像单元和信号处理器或光学系统。

例如，能够将本发明的摄像装置应用到具有照相或摄像功能的便携器件以及各种摄像装置。广义上来说，“摄像装置”包括指纹检测器等。

本发明应理解为并不限于上述实施例，而是可以在不背离本发明范围的情况下进行各种变化和变形。

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、次组合及改变。

Claims (6)

1.一种固态摄像器件，所述固态摄像器件的像素包括能够进行光电转换的传感器单元，所述固态摄像器件包括：

半导体基板；

第一导电类型的电荷存储区域，其形成在所述半导体基板中，并构成所述传感器单元；

由所述第一导电类型的杂质区域制成的电荷存储子区域，其在所述半导体基板中形成为位于用作主电荷存储区域的所述电荷存储区域的下方且形成为多层，其中，所述多层电荷存储子区域中的至少一层电荷存储子区域形成为遍布整个所述像素；和

器件隔离区域，其形成在所述半导体基板中，所述器件隔离区域使所述像素相互隔离，且是由第二导电类型的杂质区域制成。

2.如权利要求1所述的固态摄像器件，其中，形成为遍布整个像素的所述电荷存储子区域形成在距离所述半导体基板的表面1μm以上的深度处。

3.如权利要求1或2所述的固态摄像器件，其还包括半导体阱区域，所述半导体阱区域在所述半导体基板中形成为位于所述电荷存储子区域下方并遍布整个所述像素，所述半导体阱区域是由所述第二导电类型的杂质区域制成。

4.一种固态摄像器件的制造方法，所述固态摄像器件的像素包括能够进行光电转换的传感器单元，所述方法包括：

在半导体基板中形成遍布整个所述像素的由第一导电类型的杂质区域制成的至少一层电荷存储子区域，形成均由所述第一导电类型的杂质区域制成且包括形成为遍布整个所述像素的所述至少一层电荷存储子区域的多层电荷存储子区域；

在所述半导体基板中形成器件隔离区域，所述器件隔离区域使所述像素彼此隔离，且是由第二导电类型的杂质区域形成；及

在所述半导体基板中形成位于所述多层电荷存储子区域上方的所述第一导电类型的电荷存储区域，所述电荷存储区域用作所述传感器单元。

5.如权利要求4所述的方法，其中，在形成为遍布整个所述像素的所述电荷存储子区域形成在整个摄像区域上之后，形成所述第二导电类型的所述器件隔离区域以便隔离每个像素的所述多层电荷存储子区域。

6.一种摄像装置，其包括：

聚光单元，其聚集入射光；

固态摄像器件，其是权利要求1-3中任一权利要求所述的固态摄像器件；以及

信号处理器，其对所述固态摄像器件的光电转换所获得的信号进行处理。

Images