CN103688359B - 固态成像装置及其驱动方法、固态成像装置的制造方法以及电子信息设备 - Google Patents

固态成像装置及其驱动方法、固态成像装置的制造方法以及电子信息设备 Download PDF

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Abstract

固态成像装置100a包括：光电变换元件PD1和PD2，其形成在第一导电性类型半导体衬底100内；以及转移晶体管Tt1和Tt2，其形成在半导体衬底100的第一主表面上，用于将由光电变换元件生成的信号电荷转移到光电变换元件的外部。转移晶体管中的每一个的栅极电极107被配置成，配置在电荷累积区102的第一主表面侧的表面上，所述电荷累积区102配置光电变换元件PD1和PD2中的每一个。结果，能够实现高分辨率图像，其中进一步抑制了噪声和残留图像。

Description

固态成像装置及其驱动方法、固态成像装置的制造方法以及电子信息设备
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置和该固态成像装置的驱动方法、固态成像装置的制造方法以及电子信息设备。更特别地，本发明涉及：固态成像装置以及该固态成像装置的驱动方法，该固态成像装置用于由半导体衬底内的光电变换元件对已经从该半导体衬底的一个表面进入的来自对象的入射光进行光电变换并且在该半导体衬底的另一表面侧将由该光电变换获得的信号电荷变换成电信号以捕获图像；此类固态成像装置的制造方法；以及装配有此类固态成像装置的电子信息设备。
背景技术
近年来，作为高度灵敏的固态成像装置的背面照明类型固态成像装置的开发已经进步。此类背面照明类型固态成像装置被配置成包括在硅衬底的前表面侧形成的电路元件、配线层等并允许光进入硅衬底的背表面侧以捕获图像。
用具有此类配置的固态成像装置，能够增加用于接收光的孔径比，并且能够抑制入射光朝向光电变换元件的吸收或反射。
例如，专利文献1公开了一种常规背表面光接收类型（背面照明类型）CMOS图像传感器。
图9是用于描述在专利文献1中公开的背面照明类型CMOS图像传感器的图。图9（a）示意性地图示出CMOS图像传感器的总体配置。图9（b）图示出CMOS图像传感器中的单位像素的电路配置。
CMOS图像传感器10包括：像素部11，其是通过将像素（在下文中也被称为单位像素）布置成行和列而获得的；垂直选择电路（V选择电路）12，其用于以一行为单位来选择像素部11的像素；以及信号处理电路（S/H，CDS电路）13，其用于对来自由垂直选择电路12选择的像素行中的像素的像素信号执行噪声减小过程并保持该像素信号。信号处理电路13对来自所选行中的每一个的像素的像素信号执行去除针对每个像素的固定噪声图案的过程。
CMOS图像传感器10还包括：水平选择电路（H选择电路）14，其用于按顺序选择并输出信号处理电路13中所保持的像素信号；AGC电路16，其用于以适当的增益将从信号处理电路13输出的像素信号放大；A/D变换器17，其用于将由AGC电路16放大的像素信号变换成数字像素信号；数字放大器18，其用于将数字像素信号放大并输出；以及定时生成部（TG）15，其用于生成定时信号以便控制上述电路中的每一个。
如图9（b）中所图示的那样，单位像素Px包括：光电变换元件（光电二极管）21，其用于通过对入射光的光电变换来生成信号电荷；转移晶体管（transfertransistor）22，其用于将在光电二极管中生成的信号电荷转移至电荷累积部FD；重置晶体管25，其被连接在电源Vdd与电荷累积部FD之间以用于将电荷累积部FD的电荷重置；以及放大晶体管23和选择晶体管（地址晶体管）24，其被串联连接在读出信号线（垂直信号线）27与电源Vdd之间。在这里，选择晶体管（地址晶体管）24用于选择一行像素，并且其栅极被连接到电荷累积部FD的放大晶体管23用于将电荷累积部FD的电位放大并输出。
在这里，转移晶体管22的栅极与转移线26相连，重置晶体管25的栅极与静止线（restwire）29相连，并且地址晶体管24的栅极与地址线28相连。此外，垂直信号线27的一端与恒定电流电路I相连。
此外，CMOS图像传感器10形成于半导体衬底（诸如硅衬底）上。在下文中，将描述半导体衬底中的其中形成有像素部的区域（像素区）和其中形成有外围电路的区域（外围电路区）。
图10图示出半导体衬底的像素区和外围电路区的截面结构。
在本文中，使用N－型硅衬底41作为半导体衬底，并且其厚度期望地相对于可见光为5μm至15μm，并且其被设置成10μm。
在N－型硅衬底41的像素区中，遍及像素部的整个表面在一个表面（背表面）侧形成有浅的背表面P+层42。此外，由深P阱43形成用于分离调整像素的像素分离区，该深P阱43与背表面P+层42相连。
在N－型区44a中形成有光电二极管37，该N－型区44a为其中未形成有P阱43的N－型硅衬底41的区域。N－型区44a是光电变换区。其面积是小的且具有低杂质浓度，使得其被完全耗尽。在N－型区44a上形成有电荷累积N+区44，该区44累积信号电荷（电子）。还在其上形成有前表面P+层45以便实现嵌入式光电二极管。在本文中，在嵌入式光电二极管中，在电荷累积N+区44的前表面上形成有前表面P+层45，以增加空穴的浓度并且通过缩短噪声电荷的寿命来抑制由于除信号电荷之外的噪声电荷而引起的噪声，该空穴很可能与由于用于累积信号电荷（电子）的电荷累积N+区44的前表面上的晶体缺陷等而热生成的噪声电荷（电子）耦合。
光电二极管37被形成为使得在光接收表面（背表面）侧的表面面积被形成为大于在配线层（前表面侧）侧的表面面积。结果，能够高效地吸收入射光。由N－型区44a光电变换且由电荷累积N+区44累积的信号电荷（所述区域构成光电二极管37）被转移晶体管46（图9（b）中的转移晶体管22）转移至N+型区47，其起电荷累积部（浮置扩散）FD的作用。构成光电二极管37的N－型区44a和电荷累积N+区44通过电荷转移P－层48与构成电荷累积部FD的N+型区47电分离。
除像素内的转移晶体管46之外，晶体管（图9（b）中的放大晶体管23、地址晶体管24和静止晶体管25）是在深P阱43中以正常方式形成的。另一方面，关于外围电路区，在未达到背表面P+层42的深度处形成有P阱（Pwell）49，并且进一步在P阱49的内部形成有N阱（Nwell）50，因此配置在阱49和50的区域中形成的CMOS电路。
在具有此类配置的固态成像设备中，使用像素结构，使得在表面之一（在其上形成有硅衬底的光电变换元件）的外部形成有栅极电极和包括进一步位于栅极电极的外部的多个导线的配线层，并且允许光进入硅衬底的另一表面，使得将不需要在考虑光接收表面的情况下布置配线。
因此，增加了用于构成像素的配线的自由度，由此使像素小型化。此外，关于硅衬底41，在其中执行光电变换的N－型区44a的发光表面侧的表面面积被形成为大于在更接近于用于累积信号电荷的电荷累积N+区44的一侧的表面面积，使得能够高效地吸收入射光。
引用列表
专利文献
【PTL1】
日本专利No.3759435。
发明内容
技术问题
由于常规固态成像装置具有使得嵌入式光电二极管37的前表面区域被暴露的结构，所以当对栅极电极材料（诸如多晶硅）进行蚀刻以形成转移晶体管的栅极电极时，对光电二极管表面施加等离子体损坏。这是噪声电荷的生成中的因素。
因此，根据常规技术，光电二极管的前表面区被形成为是高浓度区（前表面P+层45）以减少由于噪声电荷而引起的噪声。具体地，增加光电二极管的前表面区的杂质浓度以增加空穴浓度，使得将缩短在光电二极管的前表面区上热生成的噪声电荷（电子）与空穴耦合而消失之前的时间（寿命），由此抑制由于噪声电荷而引起的噪声。
然而，利用常规技术，通过高浓度离子注入来形成光电二极管的前表面P+层45，这对光电二极管的表面施加离子注入损坏。虽然执行热处理等以便从由离子注入引起的此类损坏中恢复，但在从该损坏实现完全恢复之前不能执行此类热处理，因为通过离子注入而被注入的杂质将扩散。因此，不可能将光电二极管的前表面侧恢复成彻底没有来自离子注入的损坏的状态。
此外，在常规固态成像装置中，由于构成嵌入式光电二极管37的前表面P+层45邻接电荷转移P－层48（其构成转移晶体管46的阱区），所以势垒的高度被设置成使得通过以前表面P+层45和转移晶体管46的栅极电极46a将不会相互重叠的这样的方式来对它们进行布置，势垒将不是电荷转移期间的在从用于累积信号电荷（电子）的电荷累积N+区44通过起转移通道的作用的电荷转移P－层48到起电荷累积部FD的作用的N+型区47的电荷转移路径中的电荷转移的障碍。
因此，有必要进一步增加电荷转移P－层48的杂质浓度以便抑制从前表面P+层45至电荷转移P－层48的过渡区中的噪声电荷的生成。然而，在这种情况下，在从电荷累积N+区44通过电荷转移P－层48到N+型区47的电荷转移路径中，势垒将在电荷转移P－层48中更高。这引起转移特性的劣化，并且饱和电荷的量的保证将是困难的。虽然此饱和电荷的量是可累积在光电二极管37中的饱和电荷的最大量，但该量被设置成使得其将对应于可从光电二极管转移至电荷累积部FD的饱和电荷的最大量。
另一方面，为了保证饱和电荷的量，将有必要减小从前表面P+层45到电荷转移P－层48的过渡区中的杂质浓度。在这种情况下，将难以完全抑制噪声电荷。具体地，随着前表面P+层45和电荷转移P－层48的空穴浓度减少，使得那些层的杂质浓度减少，将延长在那些层中热生成的噪声电荷（电子）与空穴耦合而消失之前的时间（寿命），这使得由于噪声电荷而引起的噪声明显。
本发明意图解决上述常规问题。本发明的目的是提供一种固态成像装置，以及该固态成像装置的驱动方法；该固态成像装置的制造方法；以及电子信息设备，所述固态成像装置能够减轻由于在半导体衬底的用于形成光电变换元件的区域及其外围区域中的蚀刻和离子注入而引起的损坏，由此抑制噪声电荷的生成以减小半导体衬底中的从光电变换元件到电荷累积部的电荷转移路径中的杂质浓度，并且结果，能够使得噪声电荷的抑制和饱和电荷的量的保证相互相容。
问题的解决方案
根据本发明的固态成像设备包括被形成在第一导电性类型半导体衬底内的用于用入射光的光电变换来生成信号电荷的光电变换元件，该固态成像装置通过信号处理将由光电变换元件生成的信号电荷变换成图像信号并输出，其中，该固态成像装置包括转移晶体管，其被形成在第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧，用于将由光电变换元件生成的信号电荷转移到光电变换元件的外部；其中，光电变换元件包括：第二导电性类型光电变换区，其用于对从在第一主表面的相反侧的第一导电性类型半导体衬底的第二主表面获取的入射光进行光电变换；以及第二导电性类型电荷累积区，其用于将由第二导电性类型光电变换区中的光电变换生成的信号电荷累积到第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧；以及其中，转移晶体管的栅极电极被配置在第二导电性类型电荷累积区的第一主表面侧的表面上，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的固态成像装置中，固态成像装置还包括：第二导电性类型信号电荷累积部，其用于累积从光电变换元件转移的信号电荷；以及第一导电性类型电荷转移区，其用于将该信号电荷从第二导电性类型电荷累积区转移至第二导电性类型信号电荷累积部，以及其中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部分离地配置，其中第一导电性类型电荷转移区被插入于其间。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部之间的空间等于或大于基本上不引起短沟道效应的最小距离以及等于或小于由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部之间的空间在0.2μm至1.0μm的范围内。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，该固态成像装置包括被形成在第二导电性类型电荷累积区的第一主表面侧，从而覆盖第二导电性类型电荷累积区的第一导电性类型前表面半导体区，以及，第一导电性类型前表面半导体区具有超过第一导电性类型电荷转移区的杂质浓度的杂质浓度。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，该固态成像装置包括被形成在第一导电性类型半导体衬底内的第一导电性类型阱区，以及，第一导电性类型前表面半导体区具有等于或小于第一导电性类型阱区的杂质浓度的杂质浓度。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，转移晶体管的栅极电极被配置于第一导电性类型前表面半导体区、第一导电性类型电荷转移区和第一导电性类型阱区的在第一主表面侧的表面上。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，第一导电性类型阱区被形成为包围构成第二导电性类型电荷累积区、第一导电性类型电荷转移区和第二导电性类型信号电荷累积部的区域。
一种根据本发明的固态成像装置包括被形成在第一导电性类型半导体衬底内的用于用入射光的光电变换来生成信号电荷的光电变换元件，该固态成像装置通过信号处理将由光电变换元件生成的信号电荷变换成图像信号并输出，其中，该固态成像装置包括转移晶体管，其被形成在第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧，用于将在光电变换元件中生成的信号电荷转移到光电变换元件的外部；其中，光电变换元件包括：第二导电性类型光电变换区，其用于对从在第一主表面的相反侧的第一导电性类型半导体衬底的第二主表面获取的入射光进行光电变换；第二导电性类型电荷累积部，其用于将由第二导电性类型光电变换区中的光电变换生成的信号电荷累积到第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧；以及第一导电性类型前表面半导体区，其被形成在第二导电性类型电荷累积区的第一主表面侧，从而覆盖第二导电性类型电荷累积区，以及其中，第一导电性类型前表面半导体区具有等于或小于在第一导电性类型半导体衬底中形成以包围第二导电性类型电荷累积区的第一导电性类型阱区的杂质浓度的杂质浓度，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的固态成像装置中，该固态成像装置还包括：第二导电性类型信号电荷累积部，其用于累积从光电变换元件转移的信号电荷；以及第一导电性类型电荷转移区，其用于将该信号电荷从第二导电性类型电荷累积区转移至第二导电性类型信号电荷累积部，其中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部分离地配置，其中第一导电性类型电荷转移区被插入于其间，以及其中，转移晶体管的栅极电极被配置于第一导电性类型前表面半导体区、第一导电性类型电荷转移区和第一导电性类型阱区的在第一主表面侧的表面上。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部之间的空间等于或大于基本上不引起短沟道效应的最小距离以及等于或小于由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部之间的空间在0.2μm至1.0μm的范围内。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，第一导电性类型电荷转移区被配置成包围第二导电性类型信号电荷累积部。
更优选地，在根据本发明的固态成像装置中，该固态成像装置包括：重置晶体管，其用于将第二导电性类型信号电荷累积部的信号电荷重置；以及放大晶体管，其用于将根据累积在第二导电性类型信号电荷累积部中的信号电荷生成的信号电压放大，其中，重置晶体管和放大晶体管在多个像素之中被共享。
一种根据本发明的用于驱动固态成像装置的方法包括在电荷累积时段期间，在此期间通过对入射光的光电变换而生成信号电荷并将其累积在光电变换元件处，在转移晶体管的栅极电极与第一导电性类型前表面半导体区之间施加电位，使得转移晶体管的栅极电极的电位将小于第一导电性类型前表面半导体区的电位，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的用于驱动固态成像装置的方法中，在电荷累积时段期间，向转移晶体管的栅极电极施加在除像素区之外的外围电路部中生成的负电压，并且向第一导电性类型前表面半导体区施加外围电路部的接地电位。
更优选地，在根据本发明的用于驱动固态成像装置的方法中，在电荷累积时段期间，向转移晶体管的栅极电极施加外围电路部的接地电位，并且向第一导电性类型前表面半导体区施加正电压。
更优选地，在根据本发明的用于驱动固态成像装置的方法中，在电荷转移时段期间，其中在电荷累积时段期间累积在光电变换元件中的信号电荷被转移至信号电荷累积部，在转移晶体管的栅极电极与第一导电性类型前表面半导体区之间施加电压，使得转移晶体管的栅极电极的电位将大于第一导电性类型前表面半导体区的电位。
一种根据本发明的用于制造固态成像装置的方法包括：在第一导电性类型半导体衬底中形成光电变换元件的步骤；以及在形成光电变换元件之后形成转移晶体管的栅极电极的步骤，其中，形成光电变换元件的步骤包括从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入第二导电性类型杂质以形成第二导电性类型电荷累积区的步骤，以及其中，形成转移晶体管的栅极电极的步骤包括：在第一主表面上沉积转移晶体管的栅极电极的构成材料的步骤；以及通过选择性地蚀刻所沉积的栅极电极的构成材料而形成将被配置在第二导电性类型电荷累积区的在第一主表面侧的表面上的栅极电极的步骤，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的用于制造固态成像装置的方法中，该方法还包括通过将第一导电性类型杂质从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入至第二导电性类型电荷累积区的前表面中来形成第一导电性类型前表面半导体区的步骤。
更优选地，在根据本发明的用于制造固态成像装置的方法中，该方法包括在形成转移晶体管的栅极电极之后形成第二导电性类型信号电荷累积部的步骤。
一种根据本发明的用于制造固态成像装置的方法包括：在第一导电性类型半导体衬底中形成第一导电性类型阱区的步骤；以及在第一导电性类型阱区中形成光电变换元件的步骤，以及，形成光电变换元件的步骤包括：通过从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入第二导电性类型杂质来形成第二导电性类型电荷累积区的步骤；以及通过将第一导电性类型杂质从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入至第二导电性类型电荷累积区的前表面中来形成第一导电性类型前表面半导体区的步骤，所述第一导电性类型前表面半导体区具有等于或小于第一导电性类型阱区的杂质浓度的杂质浓度，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的用于制造固态成像装置的方法中，第二导电性类型电荷累积区和第一导电性类型前表面半导体区是通过使用同一离子注入掩模来注入杂质而形成的。
根据本发明的电子信息设备包括根据本发明的固态成像装置，由此实现上述目的。
接着，将在下文中描述本发明的功能。
在本发明中，转移晶体管的栅极电极被配置在电变换元件的电荷累积区中的与光照射表面相反的一侧的半导体衬底的表面上，使得电变换元件的电荷累积区将不会被形成转移栅极电极的过程中的等离子体蚀刻损坏，因此抑制了由于晶体缺陷而引起的噪声电荷的生成。因此，能够减小被形成在电荷累积区的前表面区中的P型半导体区的杂质浓度，并且能够将邻近于此电荷累积区的电荷转移区的杂质浓度抑制得很低。结果，能够增加电荷转移区中的电位电平的变化量，由此增加电荷转移的效率。
此外，除信号电荷累积区之外的半导体衬底内的所有杂质区是在转移栅极电极的形成之前形成的。因此，将在转移栅极电极的形成期间不会被等离子体蚀刻损坏的情况下形成除信号电荷累积区之外的半导体衬底内的杂质区。结果，能够保证良好的结晶度，并且能够消除特性劣化的原因，诸如漏电流。
通过如上所述在与光照射表面不同的光电变换元件的前表面侧消除从第一导电性类型前表面半导体区到电荷转移部的过渡区中的杂质浓度的快速变化，噪声电荷的抑制和饱和电荷的量的保证能够相互相容，并且此外，能够消除由于栅极电极蚀刻而引起的对光电变换元件的表面的等离子体损坏和由离子注入引起的注入损坏。
此外，在本发明中，在电荷累积期间向转移栅极电极施加负偏压，使得能够在光电变换元件的前表面半导体区中稳定地保持空穴浓度。
在本发明中，以包围第二导电性类型信号电荷累积部的这样的方式来配置第一导电性类型电荷转移区，使得在远离位于第一导电性类型电荷转移区的外围中的阱区的位置处形成从光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区到第二导电性类型信号电荷累积部的电荷转移路径。
因此，能够减小从位于第一导电性类型电荷转移区的外围中的第一导电性类型阱区到第一导电性类型电荷转移区中的电荷转移路径的杂质扩散的影响。
此外，由于包括电荷转移路径的第一导电性类型电荷转移区是以包围第二导电性类型信号电荷累积部的外围的这样的方式形成的，所以被第一导电性类型电荷转移区占用的面积在半导体衬底上能够更大，由此防止第一导电性类型电荷转移区的面积由于通过来自邻近于第一导电性类型电荷转移区的第一导电性类型阱区的热扩散进入的杂质而被减小。
发明的有利效果
根据如上所述的本发明，能够在半导体衬底的用于形成光电变换元件的区域及其外围区域中减轻由于蚀刻和离子注入而引起的损坏，并且由此能够抑制噪声电荷的生成，使得能够在半导体衬底中的从光电变换元件到电荷累积部的电荷转移路径中减小杂质浓度。结果，能够实现：能够使噪声电荷的抑制和饱和电荷的量的保证相互相容的固态成像装置；用于此类固态成像装置的驱动方法；用于此类固态成像装置的制造方法以及装配有此类固态成像装置的电子信息设备。
附图说明
【图1】
图1是用于描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的图，其中，图1（a）示意性地图示出固态成像装置的总体配置，并且图1（b）图示出固态成像装置中的构成像素的电路。
【图2】
图2是用于描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的平面图，其中，图2（a）图示出杂质注入区相对于元件分离区的配置。图2（b）图示出转移晶体管的栅极电极和接触部相对于元件分离区的配置。
【图3】
图3是用于描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的图，其中，其图示出沿着图2（b）中的线A-A’的截面图。
【图4】
图4是用于描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的操作的图，其中，图4（a）图示出从半导体衬底的光进入表面通过光电变换元件至信号电荷累积部的路径中的电荷累积时段期间的电位分布，并且图4（b）图示出该路径中的信号电荷转移时段期间的电位分布。
【图5】
图5是用于描述根据本发明的实施例1的用于制造固态成像装置的方法的图，其中，图5（a）至5（f）图示出此制造方法的主要步骤中的固态成像装置的截面结构。
【图6】
图6是用于描述根据本发明的实施例2的固态成像装置的平面图，其中，图6（a）图示出杂质注入区相对于元件分离区的配置，并且图6（b）图示出接触部和转移晶体管的栅极电极相对于元件分离区的配置。
【图7】
图7图示出沿着图6（b）中的线A-A’的截面图。
【图8】
图8是示意性地图示出作为本发明的实施例3的电子信息设备的示例性配置的框图，在作为成像部分的成像部中使用根据本发明的实施例1或2中的任一项的固态成像装置。
【图9】
图9是用于描述在专利文献1中公开的背面照明类型CMOS图像传感器的图，其中，图9（a）示意性地图示出该CMOS图像传感器的总体配置，并且图9（b）图示出该CMOS图像传感器中的单位像素的电路配置。
【图10】
图10是用于图示出构成图9中所图示的CMOS图像传感器的半导体衬底的外围电路区和像素区的截面结构的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来描述本发明的实施例。
（实施例1）
图1是用于描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的图。图1（a）示意性地图示出固态成像装置的总体配置。图1（b）图示出固态成像装置中的构成像素的电路。
根据实施例1的固态成像装置100a包括：像素部151，其包括被布置成行和列的多个像素；垂直扫描电路153，其用于选择像素行，该像素行是该像素部151中的在水平方向上的像素布置；以及信号处理电路154，其包括用于通过信号处理将来自所选像素行中的每个像素的模拟像素信号变换成数字像素信号并保持该数字像素信号的AD变换部（ADC）。固态成像装置100a包括：水平扫描电路152，其用于向信号处理电路154输出扫描信号，使得信号处理电路154将依次向水平信号线155输出针对每个像素的数字像素信号；以及输出部157，其用于向固态成像装置100a的外部输出被输出到水平信号线155的数字像素信号。固态成像装置100a还包括：定时生成部156，其用于向垂直扫描电路153、水平扫描电路152和信号处理电路154供应定时信号；以及电压生成电路158，其用于生成负电压。
在这里，在第一导电性类型半导体衬底（在下文中被简单地称为半导体衬底）上配置有像素部151。垂直扫描电路153、水平扫描电路152、信号处理电路154、定时生成部156和电压生成电路158被配置在半导体衬底的其中配置有像素部151的像素区的外围区域中。这些电路和部构成用于将模拟像素信号变换成数字像素信号并将数字像素信号作为图像信号输出的外围电路部，其中，模拟像素信号是通过构成像素部的每个像素的光电变换元件处的入射光的光电变换生成的信号电荷。请注意，电压生成电路158在这里生成负电压。然而，由电压生成电路158生成的电压不限于负电压。
虽然固态成像装置100a的总体配置类似于典型CMOS固态成像装置的总体配置，但根据实施例1的固态成像装置100a是通过修改图9和10中所图示的常规固态成像装置10中的像素部11的配置而获得的。具体地，修改转移栅极电极的平面形状，使得光电变换元件（光电二极管）的前表面P层的杂质浓度被减小。
虽然常规固态成像装置10包括具有四晶体管配置的像素，该四晶体管配置具有转移晶体管、重置晶体管、放大晶体管以及地址晶体管（选择晶体管），但根据本发明的实施例1的固态成像装置包括具有三晶体管配置的像素，该三晶体管配置具有转移晶体管、重置晶体管以及放大晶体管。然而，不用说，根据本发明的实施例1的固态成像装置可以包括具有四晶体管配置而不是三晶体管配置的像素。
如图1（a）中所图示的那样，多个像素Px在像素部151中被布置成行和列。在这里，为了便于说明，从图的左侧起的第四列中并且从图的顶部起的第三和第四行中的像素部151中的像素将被特别地称为像素Px1和Px2，并且将在下文中描述特定像素配置。
首先，将描述图1（b）中所图示的像素的电路配置。
像素Px1包括：光电变换元件PD1，其用于通过对入射光的光电变换来生成信号电荷；转移晶体管Tt1，其用于基于转移信号Tx1来将光电变换元件PD1所生成的信号电荷转移至在光电变换元件外部的信号电荷累积部FD；重置晶体管Rt，其用于基于重置信号Rs来将信号电荷累积部FD的信号电荷重置；以及放大晶体管At，其用于将根据累积在信号电荷累积部FD中的信号电荷生成的信号电压放大，并向读出信号线Lr输出信号电压。
像素Px2包括：光电变换元件PD2，其用于通过对入射光的光电变换来生成信号电荷；转移晶体管Tt2，其用于基于转移信号Tx2来将光电变换元件PD2所生成的信号电荷转移至在光电变换元件外部的信号电荷累积部FD；重置晶体管Rt，其用于基于重置信号Rs来将信号电荷累积部FD的信号电荷重置；以及放大晶体管At，其用于将根据累积在信号电荷累积部FD中的信号电荷生成的信号电压放大，并向读出信号线Lr输出信号电压。
具体地，在像素部151中，构成像素Px的电路具有两个像素共享配置，其中，相互邻近地位于顶部和底部的两个像素（例如，图1（a）和1（b）中所图示的像素Px1和像素Px2）共享重置晶体管Rt和放大晶体管At。
在这里，重置晶体管Rt被连接在漏极信号线Rd与信号电荷累积部FD之间，并且信号电荷累积部FD与放大晶体管At的栅极电极相连。此外，转移晶体管Tt1和光电变换元件PD1被串联连接在信号电荷累积部FD与接地节点之间。类似地，转移晶体管Tt2和光电变换元件PD2被串联连接。此外，用光电二极管配置光电变换元件PD1和PD2。
接着，将参考图2和3来描述根据实施例1的固态成像装置中的像素部的详细结构。
图2是用于描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的平面图。图2（a）图示出杂质注入区相对于元件分离区的配置。图2（b）图示出转移晶体管的栅极电极和接触部相对于元件分离区的配置。
图3是沿着图2（b）中的线A-A’的截面图。图2（b）的平面图图示出出现在半导体衬底上的各种杂质注入区相对于图1（a）中所图示的像素部151的被交替长和短虚线包围的部分X的配置。
在根据本发明的实施例1的固态成像装置100a中，在半导体衬底100内形成有各个像素Px，诸如像素Px1和Px2，其配置形成于第一导电性类型半导体衬底100（诸如p型硅衬底）上的像素部151；并且所述各个像素Px包括用于通过对入射光的光电变换来生成信号电荷的光电变换元件（即，光电二极管）PD1和PD2，并且包括形成于半导体衬底100的第一主表面上的转移晶体管Tt1和Tt2，其用于转移由光电变换元件PD1和PD2生成的信号电荷。上述第一主表面是图3中的半导体衬底100的上表面（在下文中，也被称为前衬底表面），并且图3图示出像素Px1的转移晶体管Tt1以及位于转移晶体管Tt1的两侧的光电变换元件PD1和信号电荷累积部108（图1（b）中的FD）的结构。请注意，虽然图3图示出像素Px1的截面结构，但其它像素Px与此像素Px1相同。
在这里，像素Px1的光电变换元件PD1包括：第二导电性类型光电变换区（n－型半导体区）101，其用于对已经进入了与第一主表面相反的半导体衬底的第二主表面的入射光进行光电变换；第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102，其用于在半导体衬底100的第一主表面侧累积通过光电变换区101处的光电变换生成的信号电荷；以及背表面P+区110。转移晶体管的栅极电极107（在下文中，也被称为转移栅极电极）被形成为配置于电荷累积区102的第一主表面侧的表面上。在这里，第二主表面是图3中的半导体衬底100的下表面（在下文中，也被称为背部衬底表面）。
此外，在固态成像装置100a中，光电变换元件PD1包括形成于第二导电性类型电荷累积区102的衬底前表面侧以便覆盖电荷累积区102的第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103。此外，像素Px1包括：第二导电性类型信号电荷累积部（电荷累积n+区）108，其用于累积由光电变换元件PD1生成的信号电荷；以及第一导电性类型电荷转移区（电荷转移部p－区）109，其被配置在光电变换元件外部的信号电荷累积部108与光电变换元件的电荷累积区102之间，用于将来自光电变换元件PD1的电荷累积区102的信号电荷转移至光电变换元件外部的信号电荷累积部108。第一导电性类型电荷转移区（电荷转移部p－区）109包括转移晶体管Tt1的沟道区。前表面p区103具有超过电荷转移部p－区109的杂质浓度的杂质浓度。
在这里，第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102和第二导电性类型信号电荷累积部（电荷累积n+区）108被相互远离地配置，其中第一导电性类型电荷转移区（电荷转移部p－区）109被插入于其间。电荷累积区102与信号电荷累积部108之间的空间的下限可以等于或大于基本上不引起短沟道效应的最小距离。此外，电荷累积区102与信号电荷累积部108之间的空间的上限可以等于或小于由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离。具体地，只要电荷累积区102与信号电荷累积部108之间的空间等于或大于基本上不引起短沟道效应的最小距离并等于或小于由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离，其就在本发明的范围内。电荷累积区102与信号电荷累积部108之间的空间在例如0.2μm至1.0μm的范围内。这是因为在现有情况下不引起短沟道效应的最小距离是0.2μm且由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离是1.0μm。然而，由于细微处理技术的发展，上述空间的下限具有小于当前下限的趋势。因此，在将来，上述空间的下限可以小于当前值，0.2μm（例如，0.1μm）。总之，只要电荷累积区102与信号电荷累积部108之间的空间等于或大于基本上不引起短沟道效应的最小距离并等于或小于由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离，其就在本发明的范围内，如上所述。
此外，第二导电性类型电荷累积区102、第一导电性类型电荷转移区109和第二导电性类型信号电荷累积部108被形成于半导体衬底100中的第一导电性类型阱区104包围。对于共享同一第二导电性类型信号电荷累积部108的每两个像素而言，第二导电性类型电荷累积区102、第一导电性类型电荷转移区109和第二导电性类型信号电荷累积部108被第一导电性类型阱区104相互电分离。
此外，前表面p区103具有等于或小于第一导电性类型阱区104的杂质浓度的杂质浓度。通过将第一导电性类型阱区104的杂质浓度设置成1×1018cm-3或更小，能够减小对阱区104的离子注入损坏，并且因此能够抑制噪声电荷的生成。
此外，用在厚度方面为0.1μm至0.3μm的p型半导体层配置第一导电性类型前表面半导体区103，并且构成光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区102被形成为使得其杂质浓度的峰值位置处于在深度方面距离半导体衬底的第一主表面0.15μm至0.40μm的位置处。
此外，元件分离区105位于在顶部和底部相互邻近的光电变换元件PD1和PD2之间，并且元件分离区105还位于以与光电变换元件的布置间距相同的间距布置在水平方向上的第二导电性类型信号电荷累积部108之间。此外，通过元件分离区105，其中布置有光电变换元件的用于光电变换元件的两列顶部和底部布置区也与用于重置晶体管Rt和放大晶体管At的带状扩散区131和141电分离。
元件分离区105是通过将绝缘构件（诸如氧化硅）填充到形成于半导体衬底100中的沟槽中而形成的这样的区域。此外，背表面p+区110形成在半导体衬底100的背表面侧。
将参考图2和3来描述构成像素的电路中的晶体管的连接。
为了避免复杂，图2（a）和图2（b）图示出位于图中的光电变换元件PD1和PD2的左侧的光电变换元件中的晶体管之间的连接，而光电变换元件PD1和PD2中的晶体管之间的连接与位于图中的光电变换元件PD1和PD2的左侧的光电变换元件中的晶体管之间的连接相同。
两个重置晶体管Rt1和Rt2形成在带状扩散区131上，并且被施加重置信号Rs的两个重置栅极电极132被以与带状扩散区131交叉的这样的方式配置，其中栅极绝缘膜（未示出）被插入于其间。通过接触部134向带状扩散区131中的两个重置栅极电极132之间的共漏极区施加用于行选择的漏极信号Rd。此外，重置晶体管之一（即，重置晶体管Rt1）的源极区与配线112b相连，所述配线112b与信号电荷累积部（FD部）108相连，其中接触部133被插入于其间。另一重置晶体管（即，重置晶体管Rt2）的源极区与为图1中所图示的像素部151中的第一行中的像素和第二行中的像素所共用的信号电荷累积部（FD部）相连。
两个放大晶体管At1和At2形成于带状扩散区141上，并且放大栅极电极142被以与带状扩散区141交叉的这样的方式配置，其中栅极绝缘膜（未示出）被插入于其间。通过接触部144向带状扩散区141中的两个放大栅极电极142之间的共漏极区施加电源电压Vdd（例如，2.5V）。此外，放大晶体管之一（即，放大晶体管At1）的源极区与读出信号线Lr相连，其中接触部143被插入于其间。另一放大晶体管（即，放大晶体管At2）的源极区也与对应于同一像素列的读出信号线Lr相连，其中接触部143被插入于其间。此外，放大晶体管之一（即，放大晶体管At1）的栅极电极142与配线112b相连，所述配线112b与信号电荷累积部（FD部）108相连。另一放大晶体管（即，放大晶体管At2）的栅极电极142与为图1中所图示的像素部151中的第五行中的像素和第六行中的像素所共用的信号电荷累积部（FD部）相连。
此外，转移栅极电极107与配线层112a相连，其中接触部111a被插入于其间。此外，信号电荷累积部（浮置扩散部）108与配线层112b相连，其中接触部111b被插入于其间。在这里，配线层112a和112b是通过对形成在转移栅极电极107的上方的配线材料进行构图而形成的，其中层间绝缘膜（未示出）被插入于其间。
在下文中，将描述构成根据本发明的固态成像装置的半导体衬底和各个半导体区的杂质浓度。
构成光电二极管的第二导电性类型光电变换区（n－型半导体区）101的杂质浓度是1×1015cm-3至5×1016cm-3。构成光电二极管的n型电荷累积区102的杂质浓度是1×1016cm-3至1×1017cm-3。此外，形成在第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102的前表面上的前表面p区103的杂质浓度是1×1016cm-3至5×1017cm-3，并且第一导电性类型阱区（p阱区）104的杂质浓度是5×1016cm-3至1×1018cm-3。此外，第二导电性类型信号电荷累积部、即FD（浮置扩散）部108的杂质浓度是1×1017cm-3至1×1020cm-3，并且电荷转移部p－区109的杂质浓度是5×1015cm-3至1×1017cm-3，并且背表面p+区110的杂质浓度是1×1018cm-3至1×1019cm-3。
接着，在下文中将描述根据本发明的实施例1的固态成像装置的操作。
在具有如上所述的配置的根据本发明的实施例1的此类固态成像装置100中，以与图9中所图示的常规固态成像装置类似的方式来执行读出操作。
在下文中，将参考图1（a）和1（b）来简要地描述根据实施例1的固态成像装置中的读出操作。
垂直扫描电路153通过来自定时生成部156的定时信号来选择像素部中的像素行，并且所选像素行的像素信号被输出到信号处理电路154。在信号处理电路154中，执行用于去除固定噪声图案的过程。此外，随着水平扫描电路152通过来自定时生成部156的定时信号向信号处理电路154输出扫描信号，使得信号处理电路154将成功地向水平信号线155输出每个像素的数字像素信号，被输出到水平信号线155的数字信号被从输出部157输出到固态成像装置100a的外部。
此外，在根据实施例1的固态成像装置中，在电荷累积时段期间（在此期间通过在光电变换元件处对入射光的光电变换来生成并累积信号电荷），在转移栅极电极107与第一导电性类型前表面半导体区103之间施加0.1V至1.0V的电位，使得转移栅极电极107的电位将小于第一导电性类型前表面半导体区103的电位。
图4是图示出此类固态成像装置的操作的图。
例如，在固态成像装置100a中，在电荷累积时段期间由电压生成电路158生成并向转移栅极电极107施加0.1V至1.0V的负电压，所述电压生成电路158是配置在半导体衬底的第一主表面侧从而位于像素部的外围中的外围电路部之一。此外，通过第一导电性类型阱区104、第一导电性类型背表面半导体区110等，像素部中的第一导电性类型前表面半导体区103的电位被固定于除像素部151之外的外围电路部的接地电位。
图4（a）图示出在其期间执行光电变换并累积信号电荷的时段的电位分布。
向信号电荷累积部108（FD部）施加1V至5V的电压并向转移栅极电极107提供相对于接地电位设置的在0.1V与1.0V之间的范围内的负电位，使得电荷累积区102的电位将以这样的方式被固定，即空穴浓度将在其前表面上被稳定化，并且将抑制噪声电荷的生成。此外，累积在电荷累积区102中的过量电荷通过在图4（a）中被图示为B-B’-B’’的路径中的电位梯度被排出至信号电荷累积部（FD部）108。
此外，在电荷转移时段期间（在此期间，在电荷累积时段期间累积在光电变换元件中的信号电荷被转移至信号电荷累积部（FD部）108），在转移栅极电极107与第一导电性类型前表面半导体区103之间施加正电位差，使得转移栅极电极107的电位将大于第一导电性类型前表面半导体区103的电位。
图4（b）图示出在其期间转移信号电荷的时段的电位分布。
向转移栅极电极107和信号电荷累积部108施加在2V与5V之间的范围内的电源电压，使得前表面p区103和电荷累积区102的电位将被调制，并且聚集在电荷累积区102中的信号电荷将被读出到FD部108，遵循在图4（b）中被图示为C-C’-C’’的路径中的电位梯度。
照这样，通过在电荷累积时段期间在转移栅极电极107与第一导电性类型前表面半导体区103之间施加电位，使得转移栅极电极107的电位将小于第一导电性类型前表面半导体区103的电位，能够在第一导电性类型前表面半导体区103中保证稳定的空穴浓度，由此缩短热生成载流子（电子）的寿命并减少噪声电荷。
接着，在下文中将描述根据本发明的实施例1的用于制造固态成像装置的方法。
图5是用于描述根据本发明的实施例1的用于制造固态成像装置的方法的图。图5（a）至5（f）图示出此制造方法的主要步骤中的固态成像装置的截面结构。
首先，在第一导电性类型半导体衬底（例如，p型硅衬底）100上形成元件分离区105。通过在p型硅衬底100的前表面中形成沟槽并用绝缘材料（诸如氧化物）来填充沟槽而形成元件分离区105。在图2（a）中，粗实线指示元件分离区的边界。
然后，在p型硅衬底100中形成p阱区104，并且在p阱区104中形成n－型半导体区101作为光电二极管的第二导电性类型光电变换区。此外，在n－型半导体区101的前表面区中形成电荷转移部p－区109。
接着，形成离子注入保护膜113b，并且然后使用如图5（a）中所图示的具有开口120a的抗蚀剂掩模120来选择性地注入n型杂质，诸如磷（p+）或砷（As+）。结果，作为构成起光电变换元件作用的光电二极管的第二导电性类型电荷累积区而形成n型半导体区102（图5（b））。
随后，如图5（b）中所图示的那样，使用同一抗蚀剂掩模120来注入p型杂质，诸如硼（B+）或BF2 +，以形成前表面p区103作为第一导电性类型前表面半导体区。
接着，如图5（c）中所图示的那样，在去除抗蚀剂掩模120之后，在半导体衬底内形成构成外围电路部中的半导体元件的半导体区。然后，去除离子注入保护膜113b并在前表面上形成栅极绝缘膜113a。此外，用CVD法等来沉积电极材料，诸如多晶硅，并且用干法蚀刻（诸如等离子体蚀刻）的技术来各向异性地蚀刻此电极材料，以形成转移栅极电极107（图5（d））。
在此阶段，如图5（d）中所图示的那样，转移栅极电极107被配置在前表面p区103的衬底前表面侧的表面上以及也被配置在电荷转移部p－区109的衬底前表面侧的表面上，除用于形成电荷累积n+区108的区域之外。
随后，使用具有开口121a的抗蚀剂掩模121将n型杂质（诸如磷（p+）或砷（As+））注入到转移栅极电极107的开口中，以形成浮置扩散（FD）区（即，电荷累积n+区）108，其将是电荷读出区（图5（e））。
接着，在形成层间绝缘膜（未示出）之后，形成接触部111a和111b，并且还形成配线层112a和112b。在此阶段，不仅在转移栅极电极107和电荷累积n+区108的上方而且在重置晶体管Rt和放大晶体管At的栅极电极和源极漏极区的上方形成接触部133、134、143和144，以形成重置晶体管Rt的源极区与电荷累积n+区108之间以及放大晶体管At的栅极电极与电荷累积n+区108之间的连接。
此外，在此阶段，可以用配线层将构成外围电路的半导体元件（诸如晶体管）相互连接。
然后，当通过用支承衬底来层压上述p型硅衬底100的支承衬底层压步骤以及对p型硅衬底100的背表面侧进行研磨以使得p型硅衬底100更薄的硅膜薄化步骤而将n－型半导体区101的背表面侧作为光进入表面而暴露时，通过将杂质引入到n－型半导体区101的背表面并对其执行热处理的杂质引入和热处理步骤而形成背表面p+区110（图5（f））。
接着，在下文中将描述根据本发明的固态成像装置的工作效果。
首先，在根据本发明的实施例1的固态成像装置100a与比较常规的固态成像装置10之间，被转移栅极电极覆盖的区域分别是不同的，如从图3与图10之间的比较能够看到的那样。
具体地，在根据本发明的实施例1的固态成像装置100a中，不仅在每个像素的第一导电性类型电荷转移区（电荷转移部p－区）109的第一主表面侧的表面上而且在每个像素的第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102的第一主表面侧的表面上配置转移栅极电极107（图3），而在常规固态成像装置10中，仅仅在电荷转移p－层48的上方形成转移晶体管46的栅极电极46a，并且不在构成光电变换元件（即，光电二极管）37的电荷累积N+区44的衬底前表面侧的表面上配置转移晶体管46的栅极电极46a（参见图10）。
此外，在根据本发明的实施例1的固态成像装置100a与比较常规的固态成像装置10之间，形成在n型电荷累积区102的前表面侧的前表面p区的杂质浓度是不同的，如从图3与图10之间的比较能够看到的那样。具体地，在根据本发明的实施例1的固态成像装置100a中，形成在n型电荷累积区102的前表面侧的第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103的杂质浓度等于或小于p型阱区104的杂质浓度，其小于常规固态成像装置10中的前表面P+层45的杂质浓度。
具体地，在图10中所图示的常规结构中，能够消除由于对光电变换元件的前表面的栅极电极蚀刻而引起的等离子体损坏以及由于用于形成前表面P+层45的高浓度离子注入而引起的离子注入损坏。结果，在此类常规结构中，能够降低将成为嵌入式光电二极管结构的前表面P+层45的杂质浓度，并且能够消除从前表面P+层45到电荷转移P－层48的过渡区中的杂质浓度的快速变化。由此，能够降低电荷转移区中的杂质浓度，并且能够使得噪声电荷的抑制与饱和电荷的量的保证相互相容。具体地，从前表面P+层45到电荷转移P－层48的电荷转移区的消除促进了转移特性的保证。通过如上所述用转移栅极电极来覆盖光电二极管（光电变换元件）的前表面，在电荷累积期间稳定地保持空穴浓度，并且抑制了对由于噪声电荷而引起的噪声的影响。
在如上所述的根据实施例1的固态成像装置100a中，转移栅极电极107被配置于光电变换元件PD1和PD2的第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102的第一主表面侧的表面上，使得光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102及其上的前表面p区103在形成转移栅极电极107的过程中将不会接收到来自等离子体蚀刻的任何损坏，因此抑制由于晶体缺陷而引起的噪声电荷的生成。
因此，能够在光电变换元件的电荷累积区102中抑制噪声电荷的生成。因此，即使在形成于光电变换元件的电荷累积区102的前表面区中的第一导电性类型前表面半导体区（前表面p－区）103中减小了杂质浓度，也能够抑制所生成的噪声电荷的量。因此，由于噪声电荷而引起的噪声将不是显著的。
结果，能够将邻近于此光电二极管的第二导电性类型电荷累积区102的第一导电性类型电荷转移区109的杂质浓度抑制得很低。因此，相对于转移栅极电极107的电位变化的第一导电性类型电荷转移区109中的电位变化的量能够更大，由此增加电荷转移的效率。
此外，由于转移栅极电极被完全配置于包围光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）102的p阱区（第一导电性类型阱区）104的向半导体的前表面暴露的区域上，所以p阱区104在形成转移栅极电极的过程期间不会接收到来自等离子体蚀刻的任何损坏，并且p阱区的结晶度能够是良好的。因此，能够在p阱区104中抑制由于晶体缺陷而引起的噪声电荷的生成。通过伴随着抑制而减小p阱区104的杂质浓度，能够减少离子注入损坏，其还能够抑制由于晶体缺陷等而引起的噪声电荷的生成。
此外，由于除电荷累积n+区（FD部）108之外的半导体衬底内的杂质区全部是在转移栅极电极的形成之前形成的，所以将在转移栅极电极的形成期间没有从等离子体蚀刻接收到的任何损坏的情况下形成除FD部108之外的半导体衬底内的杂质区。这使得能够保证良好的结晶度并消除特性劣化的原因，诸如漏电流。
此外，通过在电荷累积期间向转移栅极电极施加负偏压，能够在前表面p区103处稳定地保持空穴浓度，并且能够在抑制对由于噪声电荷而引起的噪声的影响的同时实现前表面p区103的杂质浓度的减小。
（实施例2）
图6是用于描述根据本发明的实施例2的固态成像装置的平面图。图6（a）图示出杂质注入区相对于元件分离区的配置。图6（b）图示出转移晶体管的栅极电极和接触部相对于元件分离区的配置。此外，图7图示出沿着图6（b）中的线A-A’截取的截面图。
根据实施例2的固态成像装置100b是相对于根据实施例1的固态成像装置100中的第一导电性类型电荷转移区（电荷转移部p－区）109和第二导电性类型信号电荷累积部（电荷n+区）108的配置的变化。
具体地，在根据实施例2的固态成像装置100b中，第二导电性类型信号电荷累积部（电荷n+区）108a被配置于布置在行方向上的邻近的第一导电性类型电荷累积区102之间，并且第一导电性类型电荷转移区109a被配置于此第二导电性类型信号电荷累积部108a与相应的第一导电性类型电荷累积区102之间。此外，第一导电性类型电荷转移区109a是以包围第二导电性类型信号电荷累积部108a的这样的方式配置的。
该配置的其余部分与根据实施例1的固态成像装置的配置相同。
此外，在根据实施例2的固态成像装置100b中，在带状扩散区131的上方形成有两个重置晶体管Rt1和Rt2，并且以与带状扩散区131交叉的这样的方式配置有被施加重置信号Rs的两个重置栅极电极132，其中栅极绝缘膜（未示出）被插入于其间。通过接触部134向带状扩散区131中的两个重置栅极电极132之间的共漏极区施加漏极信号Rd。此外，重置晶体管之一（即，重置晶体管Rt1）的源极区与配线112b相连，所述配线112b与信号电荷累积部（FD部）108相连，其中接触部133被插入于其间。另一重置晶体管（即，重置晶体管Rt2）的源极区与为图1中所图示的像素部151中的第一行中的像素和第二行中的像素所共用的第二导电性类型信号电荷累积部（FD部）相连。
两个放大晶体管At1和At2形成于带状扩散区141上，并且以与带状扩散区141交叉的这样的方式配置有放大栅极电极142，其中栅极绝缘膜（未示出）被插入于其之间。通过接触部144向此带状扩散区141中的两个放大栅极电极142之间的共漏极区施加电源电压Vdd（例如，2.5V）。此外，放大晶体管之一（即，放大晶体管At1）的源极区与读出信号线Lr相连，其中接触部143被插入于其之间。另一放大晶体管（即，放大晶体管At2）的源极区也与对应于同一像素列的读出信号线Lr相连，其中接触部143被插入于其间。此外，放大晶体管之一（即，放大晶体管At1）的栅极电极142与配线112b相连，所述配线112b与信号电荷累积部（FD部）108相连。另一放大晶体管（即，放大晶体管At2）的栅极电极142与为图1中所图示的像素部151的第五行中的像素和第六行中的像素所共用的信号电荷累积部（FD部）相连。
接着，在下文中将描述根据实施例2的固态成像装置的工作效果。
在具有如上所述的此类配置的固态成像装置100b中，第二导电性类型信号电荷累积部（FD部）108a被配置在转移栅极电极117的开口117a内，并且其并不与元件分离区105进行接触。因此，能够将并行地配置的转移栅极电极117（在图6（b）中相互邻近地配置在顶部和底部的转移栅极电极）相互甚至更接近地配置，这使得能够减小像素面积。
在图6（a）中所图示的像素部的配置中，变为可能的是，配置第二导电性类型信号电荷累积部（FD部）108a和伴随元件分离区105的p阱区104，其中电荷转移部p－区109a被插入于其间。这将促进扩大用于电荷转移部p－区109a的面积。
具体地，由于在根据实施例1的固态成像装置100a中p阱区104被配置在第二导电性类型信号电荷累积部108的左侧和右侧两者，所以第一导电性类型电荷转移区109的宽度被第二导电性类型信号电荷累积部108的宽度限制。另一方面，由于在根据实施例2的固态成像装置100a中第二导电性类型信号电荷累积部108a被远离p阱区104地配置，所以能够以包围第二导电性类型信号电荷累积部108a的这样的方式来配置电荷转移部p－区109a，包括从光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区到第二导电性类型信号电荷累积部108a的转移路径。
因此，能够增加电荷转移部p－区109a的面积，并且能够抑制由于来自位于电荷转移部p－区109a的外围中的p阱区104的杂质扩散而引起的电荷转移部p－区109a的面积的减小。因此，能够实现对转移特性的进一步改善。
根据如上所述的根据实施例2的固态成像装置，除实施例1的效果之外，并行地配置的转移栅极电极117被相互进一步更接近地配置，使得能够获得减小像素的面积的效果和促进用于电荷转移部p－区109a的面积的扩大的效果。
结果，能够实现一种固态成像装置，其能够获得其中噪声和残留图像被进一步抑制的高分辨率图像。
在实施例1和2中，转移栅极电极107被配置在光电变换元件PD1和PD2的第二导电性类型电荷累积区102的第一主表面侧的表面上，使得防止光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区102和其上的前表面p区103在形成转移栅极电极107的过程中从等离子体蚀刻接收到任何损坏。因此，第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103的杂质浓度被减小至等于或小于p阱区104的杂质浓度，使得实现形成于光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区102的前表面区中的第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103的杂质浓度的减小。然而，形成于光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区102的前表面区中的第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103的杂质浓度的减小不限于通过在光电变换元件PD1和PD2的第二导电性类型电荷累积区102的第一主表面侧的表面上配置转移栅极电极107而实现的减小。
例如，还能够通过使用对光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区102的前表面区引起微小损坏的蚀刻过程作为在形成转移栅极电极107的过程中使用的蚀刻过程来实现形成于光电变换元件的第二导电性类型电荷累积区102的前表面区中的第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103的杂质浓度的减小。
具体地，作为结果而将第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）103的杂质浓度减小至等于或小于p阱区104的杂质浓度的任何蚀刻过程都在本发明的范围内，不管实现了该减小的过程的种类如何。
此外，虽然在上述实施例1或2中未具体地描述，但在下文中将描述电子信息设备。具有图像输入设备的电子信息设备（诸如数字摄影机（例如，数字视频摄影机或数字静止摄影机）、图像输入照相机、扫描仪、传真机和装配有照相机的蜂窝电话设备）包括使用根据上述实施例1和2的固态成像装置中的至少一个作为图像输入设备的成像部。
（实施例3）
图8是示意性地图示出作为本发明的实施例3的电子信息设备的示例性配置的框图，在成像部中使用根据本发明的实施例1或2中的任一项的固态成像装置。
如图8中所图示的根据本发明的实施例3的电子信息设备90包括根据本发明的实施例1或2的固态成像装置100a或100b中的至少一个作为用于捕获对象的成像部91。电子信息设备90还包括以下各项中的至少任何一个：存储器部92（例如，记录介质），其用于在对图像数据执行预定信号处理以便记录之后，对通过使用此类成像部进行的图像捕获获得的高质量图像数据进行数据记录；显示器部93（例如，液晶显示器设备），其用于在执行预定信号处理以便显示之后在显示屏（例如，液晶显示屏）上显示此图像数据；通信部94（例如，发射和接收设备），其用于在对图像数据执行预定信号处理以便通信之后传送此图像数据；以及图像输出部95，其用于打印（打出）并输出（打印出）此图像数据。
如上所述，通过使用本发明的优选实施例来举例说明本发明。然而，不应仅仅基于上述实施例来解释本发明。应理解的是，应仅仅基于权利要求来解释本发明的范围。还要理解的是，本领域技术人员根据本发明的详细优选实施例的描述，基于本发明的描述和一般知识，能够实现等效的技术范围。此外，要理解的是，应以与本说明书中具体描述的内容相同的方式在本说明书中通过引用而结合在本说明书中引用的任何专利、任何专利申请和任何参考文献。
工业适用性
在固态成像装置和固态成像装置的驱动方法、固态成像装置的制造方法以及电子信息设备中的领域中，本发明能够实现一种固态成像装置，其能够获得其中进一步抑制噪声和残留图像的高分辨率图像。
附图标记的列表
37光电二极管
41N－型硅衬底
42背表面P+层
43P阱
44电荷累积N+区
44aN－型区
45前表面P+层
46转移晶体管
47FD（浮置扩散）
48电荷转移P－层
49P阱
50N阱
90电子信息设备
91成像部
92存储器部
93显示器部
94通信部
95图像输出部
100第一导电性类型半导体衬底（p型硅衬底）
100a、100b固态成像装置
101第二导电性类型光电变换区（n－型半导体区）
102第二导电性类型电荷累积区（n型半导体区）
103第一导电性类型前表面半导体区（前表面p区）
104第一导电性类型阱区（p阱区）
105元件分离区
107转移栅极电极
108、108a第二导电性类型信号电荷累积部（电荷累积n+区）
109、109a第一导电性类型电荷转移区（电荷转移部p－区）
110第一导电性类型背表面半导体区
111a、111b接触部
112a、112b配线层
113a栅极绝缘膜
113b离子注入保护膜
120、121抗蚀剂
120a、121a抗蚀剂开口。

Claims (14)

1.一种固态成像装置，其包括：光电变换元件，其用于通过对入射光的光电变换来生成信号电荷；以及转移晶体管，其用于将由光电变换元件生成的信号电荷转移到光电变换元件的外部，该固态成像装置通过信号处理来将由光电变换元件生成的信号电荷变换成图像信号并输出，该固态成像装置包括：
半导体区，其被形成在第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧并且被元件分离区分离，
其中，多个光电变换元件和转移晶体管被配置在被元件分离区分离的半导体区中，
其中，该光电变换元件包括：
第二导电性类型光电变换区，其用于对从在第一主表面的相反侧的第一导电性类型半导体衬底的第二主表面获取的入射光进行光电变换；
第二导电性类型电荷累积区，其用于将由第二导电性类型光电变换区中的光电变换生成的信号电荷累积到第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧；以及
第一导电性类型前表面半导体区，其被形成在第二导电性类型电荷累积区的第一主表面侧，从而完全覆盖第二导电性类型电荷累积区，
其中，被元件分离区分离的半导体区包括：
第二导电性类型信号电荷累积部，其用于累积从光电变换元件转移的信号电荷；以及
第一导电性类型电荷转移区，其用于将该信号电荷从第二导电性类型电荷累积区转移至第二导电性类型信号电荷累积部，
其中，第一导电性类型前表面半导体区具有超过第一导电性类型电荷转移区的杂质浓度的杂质浓度，以及
其中，转移晶体管的栅极电极被配置在第二导电性类型电荷累积区的第一主表面侧的表面上并且被配置在被元件分离区分离的半导体区中的邻近光电变换元件之间的区域和光电变换元件与元件分离区之间的区域的第一主表面侧的表面上。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，
其中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部分离地配置，其中第一导电性类型电荷转移区被插入于其间。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，第二导电性类型电荷累积区与第二导电性类型信号电荷累积部之间的空间等于或大于不引起短沟道效应的最小距离以及等于或小于由固态成像装置中的像素的集成度确定的可允许的最大距离。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，
其中，被元件分离区分离的半导体区是形成在第一导电性类型半导体衬底内的第一导电性类型阱区，以及
其中，第一导电性类型前表面半导体区具有等于或小于第一导电性类型阱区的杂质浓度的杂质浓度。
5.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，转移晶体管的栅极电极被配置于第一导电性类型前表面半导体区、第一导电性类型电荷转移区和第一导电性类型阱区的在第一主表面侧的表面上。
6.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，第一导电性类型阱区被形成为包围构成第二导电性类型电荷累积区、第一导电性类型电荷转移区和第二导电性类型信号电荷累积部的区域。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的固态成像装置，其中，第一导电性类型电荷转移区被配置成包围第二导电性类型信号电荷累积部。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的固态成像装置，其中，该固态成像装置包括：
重置晶体管，其用于将第二导电性类型信号电荷累积部的信号电荷重置；以及
放大晶体管，其用于将根据累积在第二导电性类型信号电荷累积部中的信号电荷生成的信号电压放大，以及
其中，重置晶体管和放大晶体管在多个像素之中被共享。
9.一种用于驱动根据权利要求1所述的固态成像装置的方法，其包括：在电荷累积时段期间，通过对入射光的光电变换而生成信号电荷并将其累积在光电变换元件处，在该时段期间，在转移晶体管的栅极电极与第一导电性类型前表面半导体区之间施加电压，使得转移晶体管的栅极电极的电位将小于第一导电性类型前表面半导体区的电位。
10.根据权利要求9所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中，在电荷累积时段期间，向转移晶体管的栅极电极施加在除像素区之外的外围电路部中生成的负电压，并且向第一导电性类型前表面半导体区施加外围电路部的接地电位。
11.根据权利要求9所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中，在电荷累积时段期间，向转移晶体管的栅极电极施加外围电路部的接地电位，并且向第一导电性类型前表面半导体区施加正电压。
12.根据权利要求9所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中，在电荷转移时段期间，其中在该电荷累积时段期间累积在光电变换元件中的信号电荷被转移至信号电荷累积部，在转移晶体管的栅极电极与第一导电性类型前表面半导体区之间施加电压，使得转移晶体管的栅极电极的电位将大于第一导电性类型前表面半导体区的电位。
13.一种用于制造根据权利要求1至6中的任一项所述的固态成像装置的方法，该方法包括：
在第一导电性类型半导体衬底中形成元件分离区的步骤；
在被元件分离区分离的半导体区内形成光电变换元件的步骤；
在形成光电变换元件之后形成转移晶体管的栅极电极的步骤；以及
在形成转移晶体管的栅极电极之后形成第二导电性类型信号电荷累积部的步骤，
其中，形成光电变换元件的步骤包括：
从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入第二导电性类型杂质以形成第二导电性类型电荷累积区的步骤；以及
将第一导电性类型杂质从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入到第二导电性类型电荷累积区的前表面中以形成第一导电性类型前表面半导体区的步骤，所述第一导电性类型前表面半导体区具有超过第一导电性类型电荷转移区的杂质浓度的杂质浓度，
其中，形成转移晶体管的栅极电极的步骤包括：
在第一主表面上沉积转移晶体管的栅极电极的构成材料的步骤；以及
通过选择性地蚀刻所沉积的栅极电极的构成材料而形成转移晶体管的栅极电极的步骤，所述栅极电极将被配置在第二导电性类型电荷累积区的在第一主表面侧的表面上并且将被配置在被元件分离区分离的半导体区中的邻近光电变换元件之间的区域和光电变换元件与元件分离区之间的区域的在第一主表面侧的表面上。
14.根据权利要求13所述的用于制造固态成像装置的方法，其中，第二导电性类型电荷累积区和第一导电性类型前表面半导体区是通过使用同一离子注入掩模来注入杂质而形成的。
15.一种用于制造根据权利要求4所述的固态成像装置的方法，该方法包括：
在第一导电性类型半导体衬底中形成第一导电性类型阱区的步骤；
在第一导电性类型半导体衬底中形成元件分离区的步骤；
在第一导电性类型阱区中形成光电变换元件的步骤，所述第一导电性类型阱区是被元件分离区分离的半导体区；
在形成光电变换元件之后形成转移晶体管的栅极电极的步骤；以及
在形成转移晶体管的栅极电极之后形成第二导电性类型信号电荷累积部的步骤，
其中，形成光电变换元件的步骤包括：
通过从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入第二导电性类型杂质来形成第二导电性类型电荷累积区的步骤；以及
通过将第一导电性类型杂质从第一导电性类型半导体衬底的第一主表面侧注入到第二导电性类型电荷累积区的前表面中来形成第一导电性类型前表面半导体区的步骤，所述第一导电性类型前表面半导体区具有超过第一导电性类型电荷转移区的杂质浓度且等于或小于第一导电性类型阱区的杂质浓度的杂质浓度，
其中，形成转移晶体管的栅极电极的步骤包括：
在第一主表面上沉积转移晶体管的栅极电极的构成材料的步骤；以及
通过选择性地蚀刻所沉积的栅极电极的构成材料而形成转移晶体管的栅极电极的步骤，所述栅极电极将被配置在第二导电性类型电荷累积区的在第一主表面侧的表面上并且将被配置在被元件分离区分离的半导体区中的邻近光电变换元件之间的区域和光电变换元件与元件分离区之间的区域的在第一主表面侧的表面上。
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