CN102549748B - 固态图像拾取器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种在像素中具有电荷保持部分的固态图像拾取器件，其中，无论电荷保持部分的杂质浓度如何，都提高从电荷保持部分到FD的电荷传输效率。所以固态图像拾取器件具有：光电转换部分；电荷保持部分，其包括第一传导类型第一半导体区；和传输部分，其包括传输栅电极，所述传输栅电极控制电荷保持部分与感测节点之间的电势。电荷保持部分包括控制电极，第二传导类型第二半导体区设置在控制电极与传输栅电极之间的半导体区的表面上，所述第二半导体区具有比第一半导体区的杂质浓度高的杂质浓度，第一传导类型第三半导体区设置在第二半导体区下面，第三半导体区的杂质浓度比第一半导体区的杂质浓度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态图像拾取器件。更具体地，本发明涉及一种其中每个像素具有电荷保持部分的固态图像拾取器件。
背景技术
最近几年，为了固态图像拾取器件的更高性能，考虑其中每个像素具有与光电转换部分和浮置扩散(以下，FD)分离的电荷保持部分的构造。在每个像素中提供电荷保持部分，以便实现如PTL 1和PTL 2中所述的全局电子快门(global electronic shutter)，或者以便如PTL 3中所述那样扩展动态范围。此外，如PTL 4中所述，在其中每个像素具有模数(AD)转换器的构造中也在每个像素中提供电荷保持部分。
PTL 1公开了一种构造，在该构造中，P型半导体区设置在表面部分上，以便使在由N型半导体区形成的电荷保持部分上的电极TX1和电荷保持部分中的用于传输电荷的电极TX2彼此分离。这样的构造防止暗电流流到累积区域。
引文列表
专利文献
PTL 1：美国专利No.7414233
PTL 2：日本专利公开No.2008-004692
PTL 3：日本专利公开No.2006-197383
PTL 4：日本专利公开No.2009-038167
发明内容
技术问题
然而，根据PTL 1的构造，P型半导体区被设置为使两个传输栅极结构彼此分离，并且在其下面设置构成电荷保持部分的N型半导体区。因此，难以与电荷保持部分的杂质浓度无关地控制被设置为分离两个传输栅极结构的P型半导体区下面的电荷路径中的电荷传输效率。因此，如果对电荷保持部分的性能给予高优先级，则难以提高从电荷保持部分延伸到感测节点的电荷路径中的传输效率。
本发明基于该问题而提出，并且旨在无论电荷保持部分的杂质浓度如何，都提高从电荷保持部分到FD的电荷传输效率。
问题的解决方案
鉴于上述问题，根据本发明，提供一种包括多个像素的固态图像拾取器件。所述多个像素中的每个包括：光电转换部分，其被构造为根据入射光产生电荷；电荷保持部分，其被构造为包括第一传导类型第一半导体区，所述第一传导类型第一半导体区将由光电转换部分产生的电荷保持在与该光电转换部分不同的部分中；和传输部分，其被构造为包括传输栅电极，所述传输栅电极控制电荷保持部分与感测节点之间的电势。电荷保持部分包括通过绝缘膜设置在第一半导体区上方的控制电极。第二传导类型第二半导体区设置在控制电极与传输栅电极之间的半导体区的表面上，所述第二半导体区具有比第一半导体区的杂质浓度高的杂质浓度。第一传导类型第三半导体区设置在第二半导体区下面、从电荷保持部分延伸到感测节点的电荷路径中。第三半导体区的杂质浓度比第一半导体区的杂质浓度高。
本发明的有益效果
根据本发明，无论电荷保持部分的杂质浓度如何，都可提高从电荷保持部分到FD的电荷传输效率。
附图说明
图1是根据第一实施例的固态图像拾取器件的像素的截面的示意图。
图2是根据第二实施例的固态图像拾取器件的像素的截面的示意图。
图3是根据第三实施例的固态图像拾取器件的像素的截面的示意图。
图4是根据第三实施例的固态图像拾取器件的像素的上表面的示意图。
图5是示出图3中的Y-Y′截面中的杂质浓度的分布的概念图。
图6包括像素的截面图，该截面图示出用于制造根据本发明的固态图像拾取器件的方法的示例。
图7是根据本发明的固态图像拾取器件的等效电路图。
具体实施方式
以下，将对本发明的实施例进行详细描述。关于半导体的传导类型，将在假定第一传导类型是N型、第二传导类型是P型的前提下给出描述，但是相反情况也是可接受的。差别取决于信号电荷是电子还是空穴。每个像素的截面图示出一个像素的一部分，但是在实际设备中提供多个像素。
(第一实施例)
图1是根据本发明的实施例的固态图像拾取器件的像素的截面的示意图。
标号101表示光电转换部分。例如，使用被构造为包括P型半导体区和N型半导体区的光电二极管。标号102表示电荷保持部分。电荷保持部分102被构造为包括能够保持由光电转换部分产生的电荷的N型半导体区(第一半导体区)。标号103表示传输部分。传输部分103将由电荷保持部分保持的电荷传输到感测节点。标号104表示感测节点。感测节点例如是与用于像素放大的金属氧化物半导体(MOS)晶体管的栅极电连接的浮置扩散(FD)。感测节点可以与垂直信号线(未示出)电连接，而不是与用于像素放大的MOS晶体管的栅极电连接。
接下来，将对前述各个构件的具体构造进行描述。在本实施例中，光电转换部分101、电荷保持部分102、传输部分103和感测节点104布置在P型阱107中。P型阱107通过离子注入或外延生长形成在N型基板116的表面侧上。可使用P型半导体基板，而不是其上形成P型阱107的N型基板116。
标号105和106表示N型半导体区。N型半导体区105形成在N型半导体区106中，并且具有比N型半导体区106的N型杂质浓度高的N型杂质浓度。N型半导体区105与P型半导体区108一起形成PN结。N型半导体区106与P型阱107一起形成PN结。
标号108表示高浓度P型半导体区。提供P型半导体区108使得能够减小在半导体的表面上产生的暗电流。在该实施方案中，前述光电转换部分101由N型半导体区105和106、P型阱107以及高浓度P型半导体区108构成。
标号110表示N型半导体区。在该实施方案中，N型半导体区110是将电荷保持在与光电转换部分不同的部分中的第一半导体区。标号112表示控制电极。前述电荷保持部分102被构造为包括N型半导体区110和控制电极112。
在根据本实施例的电荷保持部分102中，控制电极112通过绝缘膜109设置在N型半导体区110上方。控制电极112控制N型半导体区110的半导体表面侧的电势。负电压可以施加于控制电极，以便抑制电荷保持部分中所产生的暗电流的影响。
标号113表示传输栅电极。施加于传输栅电极113的偏压使得在与N型半导体区110相邻的P型阱107的一部分中形成电子传输路径。传输栅电极113根据供给其的偏压在传输路径形成状态与传输路径非形成状态之间切换，并且控制电荷保持部分与PD之间的电连接。
N型半导体区114是FD。在本实施例中，FD 114用作感测节点。感测节点可以是从其根据其中所累积的电荷量输出信号的半导体区。
标号115表示遮光构件。遮光构件115减小电荷保持部分102、传输部分103和感测节点104的入射光，更优选地，完全遮挡电荷保持部分102、传输部分103和感测节点104的入射光。
标号116表示P型半导体区(第二半导体区)。P型半导体区116设置在控制电极112与传输栅电极113之间的表面部分中。提供该P型半导体区使得能够抑制用于将电荷传输到FD 114的电荷传输路径中的暗电流。
标号117表示N型半导体区(第三半导体区)。N型半导体区117设置在P型半导体区116下面。在与设置构成电荷保持部分的N型半导体区110的步骤不同的步骤中，将N型半导体区117设置为与N型半导体区110分离的构造。P型半导体区116和N型半导体区117形成PN结。N型半导体区117的杂质浓度比N型半导体区110的杂质浓度高。
根据这种构造，可不根据N型半导体区110的杂质浓度来确定传输特性，因此可独立地设计电荷保持部分中的饱和电荷量。具体地讲，为了提高电荷传输效率，N型半导体区117的杂质浓度优选地高到一定程度。然而，如果N型半导体区117被构造为构成电荷保持部分的N型半导体区110的延伸部分，则整个N型半导体区110的杂质浓度太高。在这样的构造中，用于从电荷保持部分传输大部分电荷(优选地，所有电荷)的电压高。相反，N型半导体区110的杂质浓度优选地被设置为低到一定程度，以使得用于传输的电压没有如此高。然而，如果N型半导体区117被构造为构成电荷保持部分的N型半导体区110的延伸部分，则N型半导体区117的杂质浓度低，并且电荷传输效率降低。因此，如本实施例中那样，N型半导体区110和117被形成为彼此分离的区域，并且N型半导体区117的杂质浓度被设置为比N型半导体区110的杂质浓度高，以使得可在不增大用于传输的电压的情况下提高传输效率。
此外，根据本实施例，可减小由由于工艺变化而导致的各个像素的电荷保持部分的位移引起的暗电流和饱和变化。
(第二实施例)
图2是根据本实施例的像素的截面的示意图。具有与第一实施例中的功能相同的功能的部分用相同的标号表示，并且将省略其详细描述。
本实施例与第一实施例的不同之处在于设置N型半导体区117的深度。在第一实施例中，N型半导体区117设置在与N型半导体区110几乎相同的深度处。在本实施例中，N型半导体区117设置在比设置N型半导体区110的深度大的深度处。
根据本实施例，可获得第一实施例中所获得的效果。另外，可抑制从电荷保持部分延伸到感测节点的电荷路径中的电荷累积。
(第三实施例)
图3是根据本实施例的像素的截面的截面图，图4是像素的俯视图。图5是图3中的Y-Y′截面中的杂质分布的概念图。图3是图4中的A-B部分的截面图。具有与第一实施例和第二实施例中的功能相同的功能的部分用相同的标号表示，并且将省略其详细描述。
本实施例与第一实施例和第二实施例之间的不同之处在于在N型半导体区110下面设置P型半导体区301(第四半导体区)。另一不同之处在于在P型半导体区301下面设置包括多个半导体区的P型半导体区302(第五半导体区)。这里，P型半导体区302包括四个P型半导体区302a至302d。P型半导体区的数量不限于此。
标号301表示高浓度P型半导体区。P型半导体区301的杂质浓度比P型阱107的杂质浓度高。优选地，P型半导体区301直接与N型半导体区110形成PN结，而不通过P型阱107。P型半导体区301的深度方向上的杂质浓度的分布可以是在某一深度处具有杂质浓度峰值的分布。优选地，P型半导体区301的杂质浓度的峰值在比表面浅0.5μm的位置处。这是因为，如果峰值在比表面浅0.5μm的位置处，则在N型半导体区110与高浓度P型半导体区301之间不设置低杂质浓度的区域。通过这种构造，可以以低电压将电荷从电荷保持部分传输到感测节点。将对这进行详细描述。
首先，将对将电荷从电荷保持部分传输到感测节点的机制进行描述。在光电转换部分101中所产生的信号电荷保持在N型半导体区110中之前，通过感测节点将重置电压供给N型半导体区110。然后，在感测节点的电势浮置之后，光电转换部分101中的电荷被传输到N型半导体区110。然后，电荷被顺序地从电荷保持部分传输到感测节点。传输以像素行为单位或者以多个像素行为单位执行。此时，N型半导体区110处于通过传输部分103供给反相偏压的状态。反相偏压使得N型半导体区110耗尽，以使得电荷被传输。为了将N型半导体区110中所保持的大部分电荷(优选地，全部电荷)传输到感测节点，需要使N型半导体区110的大部分区域(优选地，整个区域)被耗尽。为了抑制此时耗尽层的扩张，N型半导体区110优选地与高浓度P型半导体区111一起形成PN结，而不通过P型阱107。这是因为，由于与N型半导体区110一起形成PN结的P型半导体区的杂质浓度高，所以可抑制耗尽层扩张到P型半导体区。因此，即使通过传输部分供给的反相偏压低，N型半导体区110的大部分区域(优选地，整个区域)也可被耗尽。
此外，在本实施例中，高浓度P型半导体区301的杂质浓度比下述区域的杂质浓度高，所述区域在与传输路径下面的P型半导体区301相同的深度处。换句话讲，高浓度P型半导体区301不延伸到传输栅电极113下面。通过这种构造，可在不增大供给传输栅电极113的偏压电压的情况下在传输栅电极113下面的P型阱中形成传输路径。
此外，在本实施例中，P型半导体区302设置在P型半导体区301的一部分下面。P型半导体区302延伸到传输栅电极113下面和FD 114下面。
P型阱107包括两个区域107a和107b。然而，P型半导体区302可仅延伸到P型半导体区301、传输栅电极113和FD 114中的每个的至少一部分下面。此外，可进一步对区域107b执行离子注入，以形成P型半导体区。
以电荷保持部分的端部为参照，包括在P型半导体区302中的多个半导体区的全部或一些的端部偏离同一像素中的光电转换部分侧。构成光电转换部分的一部分的N型半导体区106设置在偏移部分中。
在本实施例中，在多个像素中的每个中，在P型半导体区302和303的光电转换部分侧的端部偏离光电转换部分。这种构造对于在倾斜方向上进入的光可具有灵敏度。在所有像素或一些像素中可利用这样的布置。
接下来，将参照图4给出描述。标号401表示设置构成像素的电路的部分。具体地讲，该电路包括放大MOS晶体管、重置MOS晶体管等。以下将对其等效电路的示例进行描述。标号402表示元件分离区。提供该区是为了使有源区域彼此分离。设置由绝缘膜构成的场区和通过PN结分离构成的扩散分离中的任何一个。标号403表示与FD电连接的接触插头。接触插头403将FD与放大MOS晶体管的栅极电连接。标号404表示设置元件的有源区域。
在图4中，其中设置P型半导体区302的区域用虚线指示，其中设置P型半导体区116和N型半导体区201的区域用点划线指示。从图4可以理解，以电荷保持部分的端部为参照，P型半导体区302的端部偏离同一像素中的光电转换部分。如上所述，构成光电转换部分的一部分的N型半导体区106设置在偏移部分中。
图5示出图3中的Y-Y′截面中的杂质浓度的分布。垂直轴指示通过相对传导类型的杂质补偿的净杂质浓度(净浓度)。水平轴指示从其中设置半导体基板的光接收部分的一个主表面算起的深度。P型半导体区302a至302d均具有杂质浓度的峰值。P型半导体区301和302具有其中峰值在最接近表面的区域中为最高的构造。
如上所述，根据本实施例，除了第一实施例和第二实施例的效果之外，还可获得光电转换部分的灵敏度提高的效果。
(用于制造固态图像拾取器件的方法)
图6包括像素的截面的示意图，该示意图用于说明制造根据本发明的固态图像拾取器件的处理。具有与所述每个实施例中相同功能的部分用相同的标号表示，并且将省略其详细描述。
所述制造方法的第一特征是使用相同掩模(第一掩模)形成N型半导体区110和P型半导体区301。第二特征是使用相同掩模形成设置在控制电极112与传输栅电极113之间的间隙部分中的P型半导体区116和N型半导体区201。
将参照图6给出详细描述。图6仅示出与本实施例相关的部分。其它部分中的晶体管等可使用已知的制造方法来制造。图6(a)是形成P型半导体区301的状态下的像素的截面的示意图。标号601表示由光致抗蚀剂形成的掩模图案。
首先，在基板的整个表面上方形成光致抗蚀剂。然后，使光致抗蚀剂曝光，以使得在其中将设置电荷保持部分中的N型半导体区110的区域中形成开口。
作为形成N型半导体区110的第一杂质注入步骤，使用在曝光步骤中形成的光致抗蚀剂图案作为掩模图案(第一掩模图案)来注入N型杂质离子。砷或磷可用作杂质。
随后，在没有移除光致抗蚀剂掩模的步骤的情况下，作为形成高浓度P型半导体区301的第二杂质注入步骤，注入P型杂质。此时，硼等可用作杂质。然后，执行热处理，以恢复离子注入期间发生的晶体缺陷等。以这种方式，使用相同的掩模图案来形成N型半导体区110和P型半导体区301。
形成N型半导体区的第一杂质注入步骤和形成P型半导体区的第二杂质注入步骤可以按相反次序执行。
在N型半导体区110和P型半导体区301形成之后，移除光致抗蚀剂掩模601。
然后，使用与前述第一掩模不同的掩模将P型半导体区302形成为偏离光电转换部分。然后，形成控制电极112和传输栅电极113。
接下来，将参照图6(b)对形成P型半导体区116和N型半导体区201的步骤进行描述。
首先，在基板的整个表面上方形成光致抗蚀剂。然后，使光致抗蚀剂曝光，以形成光致抗蚀剂掩模(第二掩模)，以使得半导体基板除了控制电极112与传输栅电极113之间的间隙部分之外被覆盖。为了执行离子注入以使得相对于控制电极112和传输栅电极113实现自校准，形成光致抗蚀剂以覆盖控制电极112和传输栅电极113及其它区域的至少一部分。
然后，以相对于控制电极112和传输电极113自校准的方式执行P型杂质的离子注入，以便形成P型半导体区116(第三杂质注入步骤)。然后，在不移除第二掩模的情况下执行N型杂质的离子注入，以便形成N型半导体区201(第四杂质注入步骤)。作为该离子注入的条件，将杂质离子的剂量设置为比第一杂质注入步骤中的杂质离子的剂量高，以使得N型半导体区201的杂质浓度至少比N型半导体区110的杂质浓度高。然后，执行热处理，以恢复在离子注入期间发生的晶体缺陷等。
根据上述制造方法，可形成P型半导体区301和116以及N型半导体区201，而无需大量地增加制造步骤。此外，可减小N型半导体区110和P型半导体区301在与基板表面水平的方向上的位移。因此，可增大其中N型半导体区110和P型半导体区301直接形成PN结的部分。此外，可抑制P型半导体区116和N型半导体区201的位移，并且可抑制各个像素的传输变化。
第一杂质注入步骤和第二杂质注入步骤以及第三杂质注入步骤和第四杂质注入步骤中的任何一个可使用相同掩模来执行。
(固态图像拾取器件的等效电路)
图7是可应用于所有前述实施例的固态图像拾取器件的等效电路图。具有该等效电路的固态图像拾取器件可执行整体电子快门操作。
标号801表示光电转换部分。这里使用光电二极管。标号802表示保持由光电转换部分产生的信号电荷的电荷保持部分。标号803表示放大部分的感测节点。例如，FD和与FD电连接的放大晶体管的栅电极对应于感测节点。标号804表示第一传输部分，其将电荷保持部分中的电荷传输到放大部分的感测节点。标号805表示必要时提供的第二传输部分。第二传输部分还可用作电荷保持部分的控制电极。第二传输部分可不具有传输功能，可仅具有作为电荷保持部分中的控制电极的功能。第二传输部分的功能是将光电转换部分中的电荷传输到电荷保持部分。标号808表示重置部分，其将参考电压至少供给放大部分的输入部分。此外，重置部分可将参考电压供给电荷保持部分。标号807表示必要时提供的选择部分。选择部分807使信号线输出各像素行的信号。标号806表示构成放大部分的放大晶体管。放大晶体管806与提供给信号线的恒流源一起构成源极跟随器电路。标号809表示电荷输出控制部分，其控制光电转换部分与用作溢漏(以下，OFD)的电源线之间的连接。
所述等效电路不限于此，并且所述构造的一部分可被多个像素共享。此外，所述等效电路可应用于其中各个元件的控制配线固定在某一电压并且不执行传导控制的构造。
第二传输部分可具有埋入沟道MOS晶体管构造，以使得由光电转换部分产生的电荷立即流到电荷保持部分中。在这种构造中，即使在非传导状态下，在比表面深的部分处，也存在能量势垒部分低的一部分。在这种情况下，可使电荷传输部分变为这样的状态，即，在不执行有源控制的情况下供给某一电压。也就是说，可提供固定的势垒，而不是作为传输部分的功能。
根据这样的构造，当光进入光电转换部分时通过光电转换产生的大部分信号电荷不在光电转换部分中累积，并且可被传输到电荷保持部分。因此，可使得电荷累积时间在所有像素的光电转换部分中变得一致。此外，当MOS晶体管处于非传导状态时，空穴在沟道的表面上累积，并且用于传输电荷的构造存在于相对于表面的预定深度处。因此，可减小暗电流对绝缘膜的界面的影响。
从另一观点来讲，在当信号电荷在光电转换部分和电荷保持部分中累积时的时间段期间，光电转换部分与电荷保持部分之间的电荷路径的电势低于光电转换部分与OFD区之间的电荷路径的电势。这里，电势是指相对于信号电荷的电势。
此外，从驱动观点来讲，在一个曝光时间段内从光电转换部分移到第一电荷保持部分的电荷保持在第一电荷保持部分中，并且用作图像信号。也就是说，在光电转换部分中的一个曝光时间段开始之后，信号被读到像素的外部，而不通过电荷保持部分的重置操作。指出，当一帧图像被捕捉时，在各个光电转换部分中共同确定一个曝光时间段。
在这样的像素构造中，可以以低电压将电荷从光电转换部分传输到电荷保持部分，从与本发明的实施例组合中以低电压提高电荷传输效率的观点来讲，这是更优选的。
在这样的构造中，可相对容易地执行整体曝光，但是光电转换部分中的电荷在从电荷保持部分传输到FD区期间释放到OFD区。因此，图像是间歇性的。在图像的连续性在这样的构造中尤其必要的情况下，可通过执行曝光来获得连续图像。必要时可切换这二者。
此外，还可在下述固态图像拾取器件中实现本发明，在所述固态图像拾取器件中，在每个像素中提供电荷保持部分以增大动态范围，并且电荷从电荷保持部分传输到感测节点。
本发明不限于各个实施例，并且各种修改形式在不脱离本发明的概念的情况下是可接受的。例如，本发明可应用于不包括控制电极112的构造。例如，N型半导体区110可通过接触插头和开关选择性地连接至电源。
指代符号列表
101 光电转换部分
102 电荷保持部分
114 控制电极
113 传输栅电极
116 P型半导体区
117，201 N型半导体区
Claims (7)
1.一种包括多个像素的固态图像拾取器件，其特征在于所述多个像素中的每个包括：
光电转换部分，其被构造为根据入射光产生电荷；
电荷保持部分，其被构造为包括第一传导类型第一半导体区，所述第一传导类型第一半导体区将由所述光电转换部分产生的电荷保持在与所述光电转换部分不同的部分中；和
传输部分，其被构造为包括传输栅电极，所述传输栅电极控制所述电荷保持部分与感测节点之间的电势，
其中，所述电荷保持部分包括控制电极，所述控制电极通过绝缘膜设置在所述第一半导体区上方，
其中，第二传导类型第二半导体区设置在所述控制电极与所述传输栅电极之间的半导体区的表面上，所述第二半导体区具有比所述第一半导体区的杂质浓度高的杂质浓度，
其中，第一传导类型第三半导体区设置在所述第二半导体区下面、从所述电荷保持部分延伸到所述感测节点的电荷路径中，
其中，所述第三半导体区的杂质浓度比所述第一半导体区的杂质浓度高，并且
其中，在截面图中所述控制电极(112)的面积大于所述传输栅电极(113)的面积。
2.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，第二传导类型第四半导体区设置在所述第一半导体区下面，以便与所述第一半导体区一起形成PN结。
3.根据权利要求2所述的固态图像拾取器件，其中，所述感测节点包括浮置扩散区，并且其中，第二传导类型第五半导体区设置在比所述第四半导体区深的位置处，所述第五半导体区在所述第四半导体区、所述传输栅电极和所述浮置扩散区的至少一部分下面延伸。
4.根据权利要求3所述的固态图像拾取器件，其中，所述第五半导体区被构造为包括在不同深度处的多个第二传导类型半导体区。
5.根据权利要求4所述的固态图像拾取器件，
其中，在所述每个像素中，与所述第二半导体区的光电转换部分侧的端部相比，所述第五半导体区的光电转换部分侧的端部在靠近所述光电转换部分的位置处，并且
其中，构成所述光电转换部分的一部分的第一传导类型半导体区设置在所述第二半导体区的至少一部分下面。
6.根据权利要求1至5中的任何一个所述的固态图像拾取器件，其中，在所述光电转换部分与所述电荷保持部分之间延伸的电荷路径是埋入沟道。
7.一种用于制造根据权利要求1所述的固态图像拾取器件的方法，其中，相对于所述控制电极和所述传输栅电极以自对准的方式，使用相同掩模来形成所述第二半导体区和所述第三半导体区。
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