CN104517983A - 固态成像装置、其制造方法和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态成像装置、其制造方法和成像系统。固态成像装置包括：通过外延生长方法设置在基板上的第一导电类型的第一半导体区域；设置在第一半导体区域上的第一导电类型的第二半导体区域；和设置在第二半导体区域中以与第二半导体区域形成pn结的第二导电类型的第三半导体区域，其中，第一半导体区域被形成为使得杂质浓度从基板侧到第三半导体区域侧减小，并且第二半导体区域中的杂质浓度分布是通过离子注入方法形成的。

Description

固态成像装置、其制造方法和成像系统
技术领域
本发明涉及固态成像装置、其制造方法和成像系统。
背景技术
固态成像装置包括在基板上形成的光电转换部分(pn结二极管)，并且读出通过已入射在光电转换部分上的光产生的电荷。日本专利公开No.2008-034836公开了通过设置在基板上的p型外延层和设置在p型外延层上的n型外延层形成的光电转换部分。p型外延层被形成为使得p型杂质浓度从下侧到上侧减小。n型外延层被形成为使得n型杂质浓度从下侧到上侧增加。根据在日本专利公开No.2008-034836中描述的结构，例如，通过光电转换产生的电荷的水平方向上的移动被抑制，由此防止像素之间的串扰。
通过光电转换产生的电荷可在由光电转换部分的杂质浓度分布确定的电势分布的影响下移动。在调整外延生长室中的掺杂剂浓度的同时通过外延生长来形成上述的n型外延层和p型外延层中的每一个。不容易准确地控制杂质浓度分布。由此，根据通过外延生长方法形成的光电转换部分，难以提高用于读出通过光电转换产生的电荷的电荷传送效率。
发明内容
本发明有利于提高通过光电转换产生的电荷的传送效率。
本发明的第一方面提供一种固态成像装置，该固态成像装置包括：第一导电类型的第一半导体区域，通过外延生长方法设置在基板上；第一导电类型的第二半导体区域，设置在第一半导体区域上；以及第二导电类型的第三半导体区域，设置在第二半导体区域中，使得在第二半导体区域与第三半导体区域之间形成pn结，其中，第一半导体区域被形成为使得：随着第一半导体区域内的位置从基板侧朝向第三半导体区域侧行进，第一半导体区域的杂质浓度减小，以及第二半导体区域中的杂质浓度分布是通过离子注入方法形成的。
本发明的第二方面提供一种固态成像装置的制造方法，该方法包括：通过外延生长方法在基板上形成第一导电类型的第一半导体区域；通过在第一半导体区域的上部和第一半导体区域上形成的区域中的一个中执行离子注入，形成第一导电类型的第二半导体区域；以及在第二半导体区域中形成第二导电类型的第三半导体区域，使得在第二半导体区域与第三半导体区域之间形成pn结，其中，第一半导体区域被形成为使得：随着第一半导体区域内的位置从基板侧朝向第三半导体区域侧行进，第一半导体区域的杂质浓度减小。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1是示出固态成像装置的布置的例子的示图；
图2是用于解释固态成像装置中的每个层中的杂质浓度分布的示图；
图3是用于解释固态成像装置中的p型阱的杂质浓度分布的曲线图；
图4是用于解释半导体基板的光吸收率的曲线图；
图5A至5F是用于解释固态成像装置的制造方法的例子的示图；以及
图6是用于解释固态成像装置的布置的例子的示图。
具体实施方式
(第一实施例)
将参照图1到图5A至5F描述第一实施例。图1是用于解释根据本实施例的固态成像装置100的结构的示意图。固态成像装置100包含其中排列有像素的像素区域R1和其中布置有用于在各像素之间交换信号的单元的周边区域R2。为了简化描述，像素区域R1被示为包含一个像素。周边区域R2中的单元例如包含被配置为驱动每个像素的驱动单元、被配置为处理从每个像素读出的信号的信号处理单元、以及被配置为输出从每个像素读出的信号的输出单元中的至少一个。
固态成像装置100包含p型(第一导电类型)基板1、设置在基板1的上部中的p型半导体区域2、设置在p型半导体区域2上的p型半导体区域3、以及设置在p型半导体区域3上的n型(第二导电类型)半导体区域4。p型半导体区域2是通过在基板1中注入p型杂质形成的高浓度杂质区域。p型半导体区域3是通过外延生长方法在基板1之上(在p型半导体区域2上)形成的第一外延层。p型半导体区域3被形成为使得p型杂质浓度从下侧到上侧减小。即，p型半导体区域3被形成为使得p型杂质浓度从基板1侧到后面将描述的n型半导体区域6侧减小。n型半导体区域4是通过外延生长方法在p型半导体区域3上形成的第二外延层。n型半导体区域4在接触p型半导体区域3的同时被设置为与后面将描述的p型半导体区域5相邻。
固态成像装置100还在像素区域R1中包含与n型半导体区域4相邻的p型半导体区域5。p型半导体区域5是通过离子注入方法在p型半导体区域3上形成的区域(与n型半导体区域4同时形成的区域)中形成的p型阱。作为替代方案，p型半导体区域5可被设置在p型半导体区域3的上部中。在p型半导体区域5中形成了构成像素的各元件。这里示出了n型半导体区域6、p型半导体区域7、n型半导体区域8和栅电极14。在p型半导体区域5上的绝缘膜(未示出)上形成栅电极14。注意，各元件通过元件隔离部分13被隔离。另外，在p型半导体区域5中形成构成像素的每个晶体管的源极区域和漏极区域(它们两者均未示出)。
n型半导体区域6与p型半导体区域5形成pn结。结果，p型半导体区域5和n型半导体区域6形成光电二极管。并且，p型半导体区域7被形成为使得用作光电二极管的电荷积累区域的n型半导体区域6与半导体和绝缘膜之间的界面隔离，由此减少暗电流成分。通过该结构形成光电转换部分。以与已入射在光电转换部分上的光的量对应的量产生电荷。
n型半导体区域8也被称为浮置扩散区域，并且其电势在读出在光电转换部分中产生的电荷之前通过例如复位晶体管(未示出)被初始化。通过向栅电极14施加预定电压，在光电转换部分中产生的电荷经由在p型半导体区域5的表面附近形成的n型沟道被传送到n型半导体区域8。然后，作为像素信号读出与n型半导体区域8中的电势的变动量对应的信号。
在周边区域R2中形成构成上述单元的一个或更多个PMOS晶体管和NMOS晶体管。在n型半导体区域4中或者在n型半导体区域4中形成的阱中形成这些晶体管。该布置减少当在周边区域R2中产生的噪声成分混入像素区域R1中的p型半导体区域5中时出现的噪声。
通过设置在n型半导体区域4的上部中的n型半导体区域9、设置在其上的绝缘膜上的栅电极14和设置在n型半导体区域9中的两个p型半导体区域11，形成PMOS晶体管。n型半导体区域9是通过离子注入方法形成的n型阱。两个p型半导体区域11是PMOS晶体管的p型源极区域和p型漏极区域。
并且，通过设置在n型半导体区域4的上部中的p型半导体区域10、设置在其上的绝缘膜上的栅电极14和设置在p型半导体区域10中的两个n型半导体区域12，形成NMOS晶体管。p型半导体区域10是通过离子注入方法形成的p型阱。两个n型半导体区域12是NMOS晶体管的n型源极区域和n型漏极区域。
注意，这里使用图1中的上述结构。但是，本发明不限于该结构，而可以使用其中例如反转每个半导体区域中的极性(p型/n型)的结构。并且，基板1和p型半导体区域3可被布置为通过省略p型半导体区域2相互接触。并且，n型半导体区域4的导电类型不必是n型。在图1的结构中，只有n型半导体区域4的导电类型可变为p型或本征(intrinsic)型。
图2是用于解释沿图1中的切线A-A′的半导体区域1至7中的杂质浓度分布的示图。杂质浓度分布是与位置对应的杂质浓度，并且典型地是表示为位置函数的杂质浓度。例如，图2示出与深度对应的杂质浓度。杂质浓度分布可简称为杂质分布。
如上所述，p型半导体区域2是通过在p型基板1中注入p型杂质形成的高浓度杂质区域。与外延生长方法相比，离子注入方法可更容易地形成高浓度杂质区域，并且可形成如p型半导体区域2所示的埋入的高浓度杂质区域。由于p型高浓度杂质区域针对电荷(这里，电子)形成高势垒，因此，p型半导体区域2防止在光电转换部分中产生的电荷泄漏到基板1侧。
如上所述，p型半导体区域3是通过外延生长方法在p型半导体区域2上形成的外延层。p型半导体区域3被形成为使得杂质浓度从下侧(基板1和p型半导体区域2侧)到上侧减小。这可在将基板加载于外延生长室中之后通过在调整该室中的掺杂剂浓度的同时进行外延生长来实现。根据该杂质浓度分布，势垒从下侧到上侧变低。因此，在基板的深位置中产生的电荷朝向半导体区域的表面(上侧)被有效收集。并且，外延生长方法可形成具有低的晶格缺陷密度的半导体区域。
半导体区域5至7分别是在设置在p型半导体区域3上的n型半导体区域4(外延层)的一部分中通过离子注入方法形成的p型阱、n型高浓度杂质区域和p型高浓度杂质区域。注意，可以不形成n型半导体区域4(外延层)，并且可在p型半导体区域3的上部中形成各半导体区域5至7。
图3是用于详细解释半导体区域5至7中的图2杂质浓度分布的曲线图。在图3中，实线指示p型杂质的杂质浓度分布，即，受主的浓度分布，而虚线指示n型杂质的杂质浓度分布，即，施主的浓度分布。因此，由实线指示的杂质浓度比虚线的杂质浓度高的区域形成p型区域(半导体区域5和7)，并且由虚线指示的杂质浓度比实线的杂质浓度高的区域形成n型区域(半导体区域6)。
p型半导体区域5按从上侧(n型半导体区域6侧)的顺序包含区域301、302和303。区域302的杂质浓度峰比区域303的杂质浓度峰低。根据该杂质浓度分布，来自p型半导体区域3的电荷朝向半导体区域的表面(上侧)被有效地收集。优选通过设定离子注入条件以使得不在p型半导体区域3与p型半导体区域5之间的边界区域中产生势垒，来执行通过离子注入方法进行的p型半导体区域5的形成。注意，可以在不同的注入条件下多次执行离子注入。
并且，p型半导体区域5中的区域301的杂质浓度峰比区域302的杂质浓度峰高。区域301被形成为接触用作光电二极管的电荷积累区域的n型半导体区域6。即，区域301与n型半导体区域6相邻。区域302被设置在区域301下面。该结构使通过区域301和n型半导体区域6形成的pn结中的耗尽层的宽度变窄，并且还降低用于几乎完全耗尽用作电荷积累区域的n型半导体区域6的耗尽电压。注意，区域302被布置于区域301与p型半导体区域3之间，因为它在下面具有区域303和p型半导体区域3。
在具有低杂质浓度的区域301中的结构中，通过p型半导体区域5和n型半导体区域6形成的pn结中的耗尽层的宽度变宽，并且上述的耗尽电压也增大。并且，如果区域301中的杂质浓度峰位置深(在p型半导体区域3侧)，那么，当在n型半导体区域6中收集通过光电转换产生的电荷时，它可能是势垒。如果区域302与区域303之间的杂质浓度的大小关系反转，那么它也可能是势垒。这些可带来向n型半导体区域8的电荷传送效率的下降。
为了对应这一点，在本实施例中，通过离子注入方法形成p型半导体区域5中的各区域301至303，以形成如图3所示的杂质浓度分布。换句话说，通过离子注入方法形成p型半导体区域5中的杂质浓度分布。更具体而言，形成了在有效地从p型半导体区域3向n型半导体区域6收集通过光电转换产生的电荷的同时降低上述耗尽电压的杂质浓度分布。该结构适当地在用作电荷积累区域的n型半导体区域6中积累通过光电转换产生的电荷，从而导致提高的向n型半导体区域8的电荷传送效率。
这里已例示了其中通过离子注入方法形成具有如图3所示的杂质浓度分布的半导体区域5至7的结构。但是，本发明不限于该结构。例如，根据固态成像装置的规范等，可通过离子注入方法形成具有另一杂质浓度分布的半导体区域。
n型半导体区域4的厚度是可通过离子注入以高精度控制杂质浓度分布的厚度就够了，并且落在例如1μm(包含)至10μm(包含)的范围中。并且，p型半导体区域3的厚度是适合于通过外延生长方法形成的厚度就够了，并且落在例如5μm(包含)至500μm(包含)的范围内。
图4示出通过硅形成的基板上的光吸收率。在图4中，纵坐标表示光吸收率，而横坐标表示基板的厚度，并且光的波长λ被表示为参数。根据图4，例如，通过具有50μm的厚度的基板，几乎100％地吸收波长λ＝800nm的光。因此，当p型半导体区域3的厚度约为50μm时，通过例如红光或红外线产生的电荷朝向半导体区域的表面(上侧)被有效地收集。例如，灵敏度为其中使用具有约3至5μm的深度的光电转换部分的结构中的3至4倍高。
图5A至5F是示出固态成像装置100的制造方法的各步骤的示意图。首先，如图5A所示，通过离子注入方法在p型基板1中注入p型杂质(例如，硼)，由此形成p型半导体区域2。p型半导体区域2可被形成为获得例如约1×1017至1×1018[cm-3]的杂质浓度。注意，可以不执行该步骤。
接下来，如图5B所示，通过例如气相外延生长方法在p型半导体区域2上形成p型半导体区域3。该方法有利地获得具有较少的晶格缺陷的晶体结构，减少噪声成分，并且实现固态成像装置100的更高精确度。p型半导体区域3被形成为使得杂质浓度从下侧A(基板1和p型半导体区域2侧)到上侧B减小。杂质浓度分布落在例如1×1015至1×1018[cm-3]的范围内。注意，杂质浓度分布仅需要被形成为使得不针对电荷(这里，电子)产生势垒，并且可以是具有几乎线性的曲线的梯度或者可逐步改变。在本实施例中，形成了杂质浓度从下侧A到上侧B以2×1017、9×1016、4×1016、2×1016和1×1016[cm-3]的顺序改变的分布。
接下来，如图5C所示，通过例如气相外延生长方法在p型半导体区域3上形成n型半导体区域4。通过使用诸如磷或砷的n型杂质，n型半导体区域4被形成为获得例如约1×1014至1×1015[cm-3]的杂质浓度。这里，通过使用磷作为n型杂质，获得5×1014[cm-3]的杂质浓度。
接下来，在图5D中，在n型半导体区域4中形成氧化物膜(未示出)以及还有元件隔离部分13。然后，形成在像素区域R1中具有开口的光致抗蚀剂51d，并且通过使用离子注入方法注入p型杂质来形成p型半导体区域5(p型阱)。如上所述，p型半导体区域5具有如图3所示的杂质浓度分布。在不同的注入条件下多次执行用于形成p型半导体区域5的离子注入。可通过多个p型区域形成p型半导体区域5。如上所述，p型半导体区域5优选被形成为使得不在p型半导体区域3与p型半导体区域5之间的边界区域中产生势垒。
接下来，如图5E所示，形成在周边区域R2的应形成NMOS晶体管的区域中具有开口的光致抗蚀剂51e，并且通过使用离子注入方法注入p型杂质形成p型半导体区域10(p型阱)。注意，p型半导体区域5中的杂质浓度峰可比p型半导体区域10中的杂质浓度峰高，并且可通过降低上述的耗尽电压来降低复位用作浮置扩散的n型半导体区域8时的电压(传送电压)。
以相同的方式，如图5F所示，形成在周边区域R2的应形成PMOS晶体管的区域中具有开口的光致抗蚀剂51f，并且通过使用离子注入方法注入n型杂质形成n型半导体区域9(n型阱)。
之后，可使用已知的半导体制造处理来形成各元件。更具体而言，在半导体区域5、9和10上的栅极绝缘膜上形成各栅电极14。在形成栅电极14之后，另外形成n型半导体区域6、8和12以及p型半导体区域7和11。
通过使用上述的过程，形成了光电转换部分和诸如各MOS晶体管的各元件，由此完成如图1所示的结构。
如上所述，根据本实施例，通过离子注入方法形成p型半导体区域5。与外延生长方法相比，离子注入方法能够以更高的精度调整p型半导体区域5中的杂质浓度分布。由此，可以在有效地朝向半导体区域的表面(上侧)收集来自p型半导体区域3的电荷的同时，在用作电荷积累区域的n型半导体区域6中积累它们。结果，可以提高向n型半导体区域8的电荷传送效率。
如上所述，本实施例有利于提高电荷传送效率。特别地，本实施例有利于有效地积累通过光电转换可在半导体基板的深区域中产生的具有长波长的光(例如，红光或红外线)产生的电荷并执行电荷传送。
(第二实施例)
将参照图6描述第二实施例。本实施例与第一实施例的不同在于，在p型半导体区域10下面设置n型半导体区域101。n型半导体区域101中的杂质浓度比n型半导体区域4中的杂质浓度高。根据第一实施例中的结构(图1)，在周边区域R2中形成p型半导体区域10、n型半导体区域4和p型半导体区域3的pnp寄生双极晶体管。另一方面，根据本实施例中的结构，通过用作高浓度杂质区域的n型半导体区域101，防止接通寄生双极晶体管。因此，除了获得与第一实施例中相同的效果以外，本实施例还有利于使固态成像装置100的操作稳定化。
以上已描述了两个实施例。但是，本发明不限于这些。本发明可在不背离本发明的范围的情况下根据应用等改变各布置，并且也可通过另一实施例被实现。
(成像系统)
在以上的实施例中，已通过例示包含于由照相机等代表的成像系统中的固态成像装置描述了本发明。成像系统的概念不仅包括主要旨在拍摄的装置，而且包括辅助具有拍摄功能的装置(例如，个人计算机和便携终端)。成像系统可包括在以上实施例中例示的根据本发明的固态成像装置、以及处理从固态成像装置输出的信号的处理器。处理器可包含例如A/D转换器、以及处理从A/D转换器输出的数字数据的处理器。
可在执行近红外线成像和可见光成像两者的成像系统中使用根据上述实施例的固态成像装置。该成像系统包括被配置为以重叠的方式输出近红外线图像和可见光图像的显示单元。该布置使得可以在通常的可见图像中视觉识别对象的同时获得红外线信息。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (25)

1.一种固态成像装置，包括：
第一导电类型的第一半导体区域，通过外延生长方法设置在基板上；
第一导电类型的第二半导体区域，设置在第一半导体区域上；以及
第二导电类型的第三半导体区域，设置在第二半导体区域中，使得在第二半导体区域与第三半导体区域之间形成pn结，
其中，第一半导体区域被形成为使得：随着第一半导体区域内的位置从基板侧朝向第三半导体区域侧行进，第一半导体区域的杂质浓度减小，以及
第二半导体区域中的杂质浓度分布是通过离子注入方法形成的。
2.根据权利要求1的装置，其中，第二半导体区域包含与第三半导体区域相邻的第一区域、以及设置在第一区域与第一半导体区域之间的第二区域，以及
第一区域的第一导电类型的杂质浓度比第二区域的第一导电类型的杂质浓度高。
3.根据权利要求2的装置，其中，第二半导体区域还包含设置在第二区域与第一半导体区域之间的第三区域，以及
第三区域的第一导电类型的杂质浓度比第二区域的第一导电类型的杂质浓度高。
4.根据权利要求3的装置，其中，第二半导体区域中的第三区域的第一导电类型的杂质浓度比第一半导体区域的在第一半导体区域与第二半导体区域之间的边界附近的部分的第一导电类型的杂质浓度低。
5.根据权利要求1的装置，其中，第三半导体区域形成光电转换部分的一部分。
6.根据权利要求1的装置，其中，第一半导体区域和第二半导体区域形成使第一半导体区域中的少数载流子和第二半导体区域中的少数载流子朝向第三半导体区域漂移的电势。
7.根据权利要求1的装置，其中，第二半导体区域中的第一导电类型的杂质浓度比第一半导体区域的在第一半导体区域与第二半导体区域之间的边界附近的部分的第一导电类型的杂质浓度低。
8.根据权利要求1的装置，其中，第二半导体区域中的杂质浓度分布包含第一导电类型的多个杂质浓度峰。
9.根据权利要求1的装置，还包括：第二导电类型的第四半导体区域，设置在第一半导体区域上以与第二半导体区域横向相邻。
10.根据权利要求9的装置，其中，第四半导体区域是通过外延生长方法设置的。
11.根据权利要求10的装置，其中，第二半导体区域是通过使用离子注入方法在与第四半导体区域同时设置的区域中执行杂质注入形成的。
12.根据权利要求9的装置，包括各自包含光电转换部分的多个像素、以及被配置为在所述多个像素之间交换信号的单元，
其中，所述单元被设置在第四半导体区域中。
13.根据权利要求12的装置，其中，所述单元包含MOS晶体管，
第一导电类型的阱被设置在第四半导体区域中，
MOS晶体管的第二导电类型的源极区域和第二导电类型的漏极区域被设置在阱中，
第二导电类型的第五半导体区域被设置在阱与第四半导体区域的一部分之间，以及
第五半导体区域的杂质浓度比第四半导体区域的杂质浓度高。
14.根据权利要求12的装置，包括其中排列有所述多个像素的像素区域、以及与像素区域不同并且其中布置有所述单元的周边区域。
15.根据权利要求1的装置，其中，第一半导体区域的厚度落在大于或等于5μm且小于或等于500μm的范围内。
16.根据权利要求1的装置，其中，第二半导体区域的厚度落在大于或等于1μm且小于或等于10μm的范围内。
17.根据权利要求1的装置，还包括：第一导电类型的第六半导体区域，设置在基板与第一半导体区域之间，其中，第六半导体区域中的第一导电类型的杂质浓度比第一半导体区域中的第一导电类型的杂质浓度高。
18.一种成像系统，包括：
权利要求1中限定的固态成像装置；以及
显示单元，被配置为以重叠的方式输出通过固态成像装置获得的近红外线图像和可见光图像。
19.一种固态成像装置的制造方法，包括：
通过外延生长方法在基板上形成第一导电类型的第一半导体区域；
通过在第一半导体区域的上部和第一半导体区域上形成的区域中的一个中执行离子注入，形成第一导电类型的第二半导体区域；以及
在第二半导体区域中形成第二导电类型的第三半导体区域，使得在第二半导体区域与第三半导体区域之间形成pn结，
其中，第一半导体区域被形成为使得：随着第一半导体区域内的位置从基板侧朝向第三半导体区域侧行进，第一半导体区域的杂质浓度减小。
20.根据权利要求19的方法，还包括：通过外延生长方法在第一半导体区域上形成第二导电类型的第四半导体区域，
其中，在第四半导体区域的一部分中执行离子注入。
21.根据权利要求19的方法，其中，第二半导体区域包含与第三半导体区域相邻的第一区域、以及布置于第一区域与第一半导体区域之间的第二区域，以及
在形成第二半导体区域时，第二半导体区域被形成为使得第一区域的杂质浓度比第二区域的杂质浓度高。
22.根据权利要求21的方法，其中，用于形成第一区域的离子注入和用于形成第二区域的离子注入是在不同的条件下执行的。
23.根据权利要求19的方法，其中，在形成第一半导体区域时，第一半导体区域被形成为使得第一半导体区域的厚度落在大于或等于5μm且小于或等于500μm的范围内。
24.根据权利要求19的方法，其中，在形成第二半导体区域时，第二半导体区域被形成为使得第二半导体区域的厚度落在大于或等于1μm且小于或等于10μm的范围内。
25.根据权利要求19的方法，还包括：在形成第一半导体区域之前，通过在基板中注入第一导电类型的杂质来形成第一导电类型的第六半导体区域，
其中，第六半导体区域中的第一导电类型的杂质浓度比第一半导体区域中的第一导电类型的杂质浓度高。
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