CN105304658B - 固态摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种固态摄像装置。固态摄像装置包括：多个像素，所述多个像素中的每个像素包括根据入射光而生成电荷的光电转换部以及输出与由所述光电转换部生成的所述电荷对应的图像信号的结型场效应晶体管。所述固态摄像装置包括使用绝缘体的第一元件分离区域和使用pn结的第二元件分离区域，所述第一元件分离区域和所述第二元件分离区域被配置在配置有所述多个像素的区域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态摄像装置。
背景技术
结型场效应晶体管(下文称为“JFET”)被用作互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(固态摄像装置)的像素中用于信号放大的晶体管。已知利用JFET防止了在放大操作期间信号电荷被界面状态捕获，从而可以降低噪声。
在日本特开第2004-158508号公报(下文称为“专利文件1”)中，JFET的漏区形成在光电转换元件周围的区域中，并还用作相邻光电转换元件之间的分离区域。专利文件1涉及将在分离区域中不使用绝缘体作为技术优点。
发明内容
实施例的固态摄像装置包括：多个像素，所述多个像素中的每个像素包括生成与入射光对应的电荷的光电转换部以及输出与由所述光电转换部生成的所述电荷对应的图像信号的结型场效应晶体管。所述固态摄像装置包括使用绝缘体的第一元件分离区域和使用pn结的第二元件分离区域，所述第一元件分离区域和所述第二元件分离区域被配置在配置有所述多个像素的区域中，其中，所述第二元件分离区域的一部分包括所述结型场效应晶体管的漏区，和/或作为所述结型场效应晶体管而操作，所述结型场效应晶体管是横向型。
根据本发明的其它方面，在此讨论了一个或更多个额外的固态摄像装置。根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示根据第一实施例的固态摄像装置的结构的示意性平面图。
图2是例示根据第一实施例的固态摄像装置的、沿图1中的线II-II取得的示意性剖面图。
图3是例示根据第一实施例的固态摄像装置的、沿图1中的线III-III取得的示意性剖面图。
图4是例示根据第二实施例的固态摄像装置的结构的示意性平面图。
图5是例示根据第二实施例的固态摄像装置的、沿图4中的线V-V取得的示意性剖面图。
图6是例示根据第二实施例的固态摄像装置的、沿图4中的线VI-VI取得的示意性剖面图。
图7是例示根据第三实施例的固态摄像装置的结构的示意性平面图。
图8是例示根据第三实施例的固态摄像装置的、沿图7中的线VIII-VIII取得的示意性剖面图。
图9是例示根据第四实施例的固态摄像装置的结构的示意性平面图。
图10是例示根据第五实施例的固态摄像装置的结构的示意性平面图。
具体实施方式
根据各实施例，实现了能够降低从光电转换部输出的像素信号中的噪声的至少一个固态摄像装置。
在JFET的漏区或复位晶体管的漏区附近，通过碰撞电离(impact ionization)生成电荷。该电荷通过作为中性区域的扩散层(JFET的漏区)而侵入光电转换部中。因此，在像素信号中产生噪声。当对pn结施加高电场时，产生碰撞电离的可能性更高。当存在基于pn结的多个元件分离时，产生上述碰撞电离的可能性变得更高。
根据各实施例，能够降低上述噪声。
第一实施例
图1至图3是例示根据第一实施例的固态摄像装置的结构的示意图。图1是平面图，图2是沿图1中的线II-II取得的剖面图，图3是沿图1中的线III-III取得的剖面图。
参照图1，固态摄像装置包括形成在该固态摄像装置中的多个像素100。像素100包括生成并存储对应于入射光的电荷的光电转换部101和接收、放大并输出光电转换部101中所存储的电荷的横向JFET 102。
像素100包括复位晶体管的漏区103、传送晶体管的栅电极104以及复位晶体管的栅电极105。
栅电极104是将光电转换部101中生成并存储的电荷传送给JFET102的传送晶体管的栅电极。漏区103是用于排出传送给JFET 102的电荷的复位晶体管(使JFET 102的栅区中存储的电荷复位的复位晶体管)的漏区。栅电极105是控制复位晶体管的漏区103的复位晶体管的栅电极。
通过至少一个使用绝缘体的第一元件分离区域和至少一个使用pn结的第二元件分离区域二者，使像素100彼此分离，这是本实施例的特征。至少一个第一元件分离区域由例如浅沟槽分离(STI)的分离或硅局部氧化(LOCOS)的分离形成，在下文中将被称为绝缘体分离区域(或区域)106。至少一个第二元件分离区域自身是n-型杂质区域，与作为相邻结构的p-型杂质区域一起形成pn结，并且在下文中被称为n-型分离区域(或区域)107。作为一种选择，在一个或更多个实施例中，第二元件分离区域107自身可以是p-型杂质区域，并与作为相邻结构的n-型杂质区域一起形成pn结。
图2例示了JFET 102及复位晶体管的漏区103的剖面结构。JFET 102包括形成在n-型井层206中的p-型栅区201、形成在p-型栅区201中的n-型源区203以及在垂直方向上(和/或在n-型沟道区域202的相对侧上)被p-型栅区201夹持的n-型沟道区域202。
JFET 102的n-型沟道区域202与n-型井层206和n-型分离区域107电气连接。通过将预定电压施加给通过栅绝缘薄膜而形成在n-型井层206上的传送晶体管的栅电极104，使存储在光电转换部101中的电荷被传送给栅区201，并在放大后被输出。在JFET 102的操作期间，JFET 102的ON电流通过n-型井层206和n-型分离区107而流向JFET 102的n-型源区203。换句话说，n-型井层206和n-型分离区107充当JFET 102的漏区。
复位晶体管的漏区103包括接触部205和p-型半导体区域204，并具有将传送给JFET 102的电荷排出的功能。此外，在一个或更多个实施例中，可以配设复位晶体管的漏区103和JFET 102的n-型沟道区域202，从而使得n-型分离区域107被夹持在它们之间。在一个或更多个实施例中，n-型分离区域107可以被夹持在复位晶体管(例如，一个像素100)的漏区103和JFET 102(例如，另一像素100)的n-型沟道区域202之间(参见图1至图2中所示的结构)。通过采用这种结构，在JFET 102的n-型沟道区域202内的夹断(pinch-off)区域中，通过碰撞电离产生的剩余电荷被排出到复位晶体管的漏区103。
图3例示了光电转换部101及复位晶体管的漏区103的剖面结构。光电转换部101由形成在n-型井层206中的p-型电荷累积区域301和形成在p-型电荷累积区域301上部(或侧部，所述侧部面向远离井层206的方向等)的半导体表面的附近的高浓度n-型半导体区域302形成。光电转换部101生成并存储对应于入射光的电荷。
如上文所述，在本实施例中，绝缘体分离区域106和n-型分离区域107都用于像素100中的元件分离。
至少一个绝缘体分离区域106(如图3中所示)用于彼此相邻的光电转换部101与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)的元件分离。
至少一个n-型分离区域107用于彼此相邻的JFET 102与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)(例如，跨过像素100)的元件分离。
至少一个n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101与JFET102之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)(例如，跨过像素100)的元件分离。
至少一个n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101之间(例如，跨过像素100)的元件分离。
在上文所述的元件之间的分离中，由绝缘体分离区域106或n-型分离区域107分离的两个元件是位于相同像素100中的元件或是分别位于彼此相邻(例如，跨过像素100)的像素100中的元件。
n-型分离区域107、n-型沟道区域202、n-型源区203、n-型井层206及n-型半导体区域302由作为n-型杂质的磷(P)、砷(As)等的离子注入或热扩散而形成。
例如，为了利用离子注入形成n-型分离区域107，通过形成并使用具有开口(该开口与将在用于元件分离的区域内形成n-型分离区域107的区域相对应)的抗蚀剂掩模，从而利用预定加速能量而执行预定剂量的n-型杂质的离子注入。类似地，通过使用具有用于要形成的区域的开口的抗蚀剂掩模，从而利用预定加速能量而执行预定剂量的n-型杂质的离子注入，来分别形成n-型沟道区域202、n-型源区域203、n-型井层206以及n-型半导体区域302。在使用后通过灰化处理或湿法处理而去除抗蚀剂掩模。
通过对作为p-型杂质的硼(B)的离子注入或热扩散，形成p-型栅区201、p-型半导体区域204以及p-型电荷累积区域301。
例如，为了利用离子注入形成p-型栅区201，通过形成并使用具有开口(该开口与将形成p-型栅区201的区域相对应)的抗蚀剂掩模，从而利用预定加速能量而执行预定剂量的p-型杂质的离子注入。类似地，通过使用具有用于要形成的区域的开口的抗蚀剂掩模，从而利用预定加速能量而执行预定剂量的p-型杂质的离子注入，来分别形成p-型半导体区域204和p-型电荷累积区域301。在使用后通过灰化处理或湿法处理而去除抗蚀剂掩模。
由于对p-型半导体区域204和n-型井层206施加了预定电位，因此跨过由至少一个p-型半导体区域204和至少一个n-型井层206构成的PN结而生成电场。该电场促使产生碰撞电离，从而产生剩余电荷。当利用pn结的n-型扩散层分离被用作彼此相邻的光电转换部101和复位晶体管的漏区103之间的元件分离时，通过碰撞电离产生的电荷可以通过n-型扩散层而侵入p-型电荷累积区域301中。
因此，在本实施例中，绝缘体分离区域106(而不是n-型扩散层分离)被用于彼此相邻的光电转换部101与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)的元件分离。因此，确实地抑制了通过碰撞电离而产生的、侵入p-型电荷累积区域301中的电荷。这样，在本实施例中，实现了可靠的固态摄像装置，其大幅降低了从光电转换部101输出的图像信号的噪声。
第二实施例
图4至图6是例示根据第二实施例的固态摄像装置的结构的示意图。图4是平面图，图5是沿图4中的线V-V取得的剖面图，图6是沿图4中的线VI-VI取得的剖面图。在图4至图6中，与第一实施例中描述的结构部件相同的结构部件以相同的附图标记来表示，并将省略对其的详细描述。
本实施例主要在形成用于像素100中的元件分离的绝缘体分离区域106和n-型分离区域107的位置这方面与第一实施例不同。
与第一实施例不同的是，n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)(例如，参见图4和图6)的元件分离。
与第一实施例不同的是，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的JFET102和复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)(例如，参见图4和图5)的元件分离。
与第一实施例类似，n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101和JFET 102之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET102和光电转换部101之间)(例如，参见图4)的元件分离。
与第一实施例类似，n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101之间的元件分离(例如，参见图4)。
在上文所述的元件之间的分离中，由绝缘体分离区域106或n-型分离区域107分离的两个元件是位于相同像素100中的元件或是分别位于彼此相邻(例如，跨过像素100)的像素100中的元件。
在本实施例中，如上文所述，绝缘体分离区域106(而不是n-型扩散层分离)被用于彼此相邻的JFET 102与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)的元件分离。因此，确实地抑制了p-型半导体区域204和n-型井层206之间通过碰撞电离而产生的、侵入JFET 102的p-型栅区201中的电荷。这样，在本实施例中，实现了可靠的固态摄像装置，其大幅降低了从光电转换部101输出的图像信号的噪声。
第三实施例
图7至图8是例示根据第三实施例的固态摄像装置的结构的示意图。图7是平面图，图8是沿图7中的线VIII-VIII取得的剖面图。在图7和图8中，与第一实施例和/或第二实施例中描述的结构部件相同的结构部件以相同的附图标记来表示，并将省略对其的详细描述。
本实施例主要在形成用于像素100中的元件分离的绝缘体分离区域106和n-型分离区域107的位置这方面与第一实施例不同。
与第一实施例不同的是，n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的光电转换部101和漏区103之间)(例如，参见图7)的元件分离。
与第一实施例类似，n-型分离区域107用于彼此相邻的JFET 102和复位晶体管的漏区103之间(例如，在各个相邻的JFET 102和漏区103之间)(例如，参见图7)的元件分离。
与第一实施例不同的是，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101和JFET 102之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)(例如，参见图7和图8)的元件分离。
与第一实施例类似，n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101之间(例如，参见图7)的元件分离。
在上文所述的元件之间的分离中，由绝缘体分离区域106或n-型分离区域107分离的两个元件是位于相同像素100中的元件或是分别位于彼此相邻的像素100(例如，跨过像素100)中的元件。
在至少一个JFET 102的操作期间，在JFET 102的n-型沟道区域202内(例如，参见图2和/或图5)的夹断区域中产生高电场，并且由于碰撞电离而产生了剩余电荷。当n-型扩散分离被用于彼此相邻的光电转换部101和JFET 102之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)的元件分离时，由于碰撞电离而产生的电荷可以通过n-型分离区域107侵入p-型电荷累积区域301中。
在本实施例中，如上文所述，绝缘体分离区域106(而不是n-型扩散层分离)被用于彼此相邻的光电转换部101与JFET 102之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间))的元件分离。因此，确实地抑制了JFET 102的n-型沟道区域202内由于碰撞电离而产生的、侵入p-型电荷累积区域301中的电荷。这样，在本实施例中，实现了可靠的固态摄像装置，其大幅降低了从光电转换部101输出的图像信号的噪声。
第四实施例
图9是例示根据第四实施例的摄像装置的结构的示意性平面图。在图9中，与第一至第三实施例中描述的结构部件相同的结构部件以相同的附图标记来表示，并将省略对其的详细描述。
本实施例主要在形成用于像素100中的元件分离的绝缘体分离区域106和n-型分离区域107的位置这方面与第一实施例不同。
与第一实施例类似，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101与复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)的元件分离。
与第一实施例类似，n-型分离区域107用于彼此相邻的JFET 102和复位晶体管的漏区103之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)的元件分离。
与第一实施例不同的是，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101和JFET 102之间(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)的元件分离。
与第一实施例不同的是，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101之间(例如，跨过像素100)的元件分离。
在上文所述的元件之间的分离中，由绝缘体分离区域106或n-型分离区域107分离的两个元件是位于相同像素100中的元件或是分别位于彼此相邻的像素100(例如，跨过像素100)中的元件。
在本实施例中，由于形成上述元件分离的方式，因此采用了这样的结构：即光电转换部101被绝缘体分离区域106和传送晶体管的栅电极104包围。因此，确实地抑制了在JFET102的n-型沟道区域202内以及p-型半导体区域204和n-型井层206之间由于碰撞电离而产生的、侵入p-型电荷累积区域301和JFET 102的p-型栅区201中的电荷。这样，在本实施例中，实现了非常可靠的固态摄像装置，其大幅降低了从光电转换部101输出的像素信号的噪声。此外，抑制了相邻像素100之间的颜色混合。
注意，在本发明中，可以想到除本实施例之外的例如以下实现元件分离的方式。
1.其他方式1
绝缘体分离区域106用于分离彼此相邻的光电转换部101和复位晶体管的漏区103(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)。
绝缘体分离区域106用于彼此相邻的JFET 102和复位晶体管的漏区103之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)。
n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101和JFET 102之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)。
绝缘体分离区域106或n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101之间的元件分离。
2.其他方式2
n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101和复位晶体管的漏区103之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)。
绝缘体分离区域106用于彼此相邻的JFET 102和复位晶体管的漏区103之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)。
绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101和JFET 102之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)。
绝缘体分离区域106或n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101之间的元件分离。
第五实施例
图10是例示根据第五实施例的摄像装置的结构的示意性平面图。在图10中，与第一至第四实施例中描述的结构部件相同的结构部件以相同的附图标记来表示，并将省略对其的详细描述。
在本实施例中，在元件之间的分离中，采用了这样的结构：即合并第一至第三实施例中形成绝缘体分离区域106的所有方式。
与第一实施例类似，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101和复位晶体管的漏区103之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的漏区103和光电转换部101之间)。
与第二实施例类似，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的JFET 102和复位晶体管的漏区103之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和漏区103之间)。
与第三实施例类似，绝缘体分离区域106用于彼此相邻的光电转换部101和JFET102之间的元件分离(例如，在一个或更多个像素100的各个相邻的JFET 102和光电转换部101之间)。
与第一实施例类似，n-型分离区域107用于彼此相邻的光电转换部101之间(例如，跨过像素100)的元件分离。
在上文所述的元件之间的分离中，由绝缘体分离区域106或n-型分离区域107分离的两个元件是位于相同像素100中的元件或是分别位于彼此相邻的像素100(例如，跨过像素100)中的元件。
在本实施例中，确实地抑制了在JFET 102的n-型沟道区域202内以及p-型半导体区域204和n-型井层206之间由于碰撞电离而产生的、侵入p-型电荷累积区域301和JFET102的p-型栅区201中的电荷。这样，在本实施例中，实现了非常可靠的固态摄像装置，其大幅降低了从光电转换部101输出的像素信号的噪声。
虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对下列权利要求的范围赋予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构及功能。
Claims (7)
1.一种固态摄像装置，所述固态摄像装置包括：
多个像素，所述多个像素中的每个像素包括：
生成与入射光对应的电荷的光电转换部；以及
输出与由所述光电转换部生成的所述电荷对应的图像信号的结型场效应晶体管，
其中，所述固态摄像装置包括使用绝缘体的第一元件分离区域和使用pn结的第二元件分离区域，所述第一元件分离区域和所述第二元件分离区域被配置在配置有所述多个像素的区域中，
其中，所述第二元件分离区域的一部分包括所述结型场效应晶体管的漏区，和/或作为所述结型场效应晶体管而操作，所述结型场效应晶体管是横向型。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述多个像素的中每个像素还包括使所述结型场效应晶体管的栅区中存储的电荷复位的复位晶体管，以及，
其中，在所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管与所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的漏区之间的区域、所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部与所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的所述漏区之间的区域以及所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部与所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管之间的区域中的一个区域包括形成在其中的所述第一元件分离区域，且另外两个区域分别包括形成在其中的所述第二元件分离区域。
3.根据权利要求2所述的固态摄像装置，其中，在所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管和所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的漏区之间的区域中形成至少一个第二元件分离区域，以及
其中，所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管的沟道区域和所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的漏区通过至少一个所述第二元件分离区域而相互电气连接。
4.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述多个像素中的每个像素还包括使各个所述结型场效应晶体管的栅区中存储的电荷复位的复位晶体管，以及，
其中，在所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管与所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的漏区之间的区域、所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部与所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的所述漏区之间的区域以及所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部与所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管之间的区域中的两个区域包括形成在其中的所述第一元件分离区域，且另外一个区域包括形成在其中的所述第二元件分离区域。
5.根据权利要求4所述的固态摄像装置，其中，所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部被所述第一元件分离区域和将所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部生成的所述电荷传送给所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管的电极包围。
6.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述多个像素中的每个像素还包括使所述结型场效应晶体管的栅区中存储的电荷复位的复位晶体管，
其中，在以下各区域中形成所述第一元件分离区域：
(i)在所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管与所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的漏区之间的区域，
(ii)在所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部与所述多个像素的至少一个像素的所述复位晶体管的所述漏区之间的区域，以及
(iii)在所述多个像素的至少一个像素的所述光电转换部与所述多个像素的至少一个像素的所述结型场效应晶体管之间的区域，以及，
其中，在彼此相邻的所述多个像素中的至少一个像素的光电转换部与所述多个像素中的另一个像素的光电转换部之间形成所述第二元件分离区域。
7.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，沿与所述结型场效应晶体管的沟道方向平行的线配置所述结型场效应晶体管的沟道和所述第二元件分离区域。
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