CN1245827C - 固体摄像元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体摄像元件及其制造方法，在采用纵型排泄的CCD固体摄像元件中，抑制由输出放大器的电源电压的下降引起的电荷的漏出。利用三次杂质的注入工序，形成设置在N型硅衬底2的背面的N型杂质层6和表面的N阱4或N+扩散层之间的P阱，使杂质浓度互相不同，形成摄像部及蓄积部下面的P阱、水平传输部下面的P阱10、以及输出部下面的P阱60。配置在输出部下面的P阱60的P型杂质的浓度形成得比其他区域的P阱10的高。
Description
技术领域
本发明涉及CCD固体摄像元件及其制造方法，特别是涉及输出部的低功耗化。
背景技术
图4是帧传输方式的CCD固体摄像元件的简略结构图。帧传输方式的CCD固体摄像元件有摄像部i、蓄积部s、水平传输部h及输出部d。在摄像部i中生成的信息电荷的二维排列高速地传输给蓄积部s。在与信息电荷被保持在蓄积部s中的同时，一行一行地被传输给水平传输部h，再以1像素单位从水平传输部h传输给输出部d。输出部d将每一像素的电荷量变换成电压值，该电压值的变化被作成CCD输出信号。
图5、图6是现有的CCD固体摄像元件的主要部分的剖面图。图5是垂直移位寄存器沿电荷的传输方向的剖面图，作为垂直移位寄存器(V-REG)示出了蓄积部s在输出端附近的剖面，还示出了连接在蓄积部s的输出端上的水平传输部h的剖面。另外图6是水平移位寄存器沿电荷的传输方向的剖面图，示出了水平移位寄存器(H-REG)在输出端附近的剖面、以及构成输出部的一部分的浮游扩散层(FD)18及复位漏极(RD)20。
通过离子注入及扩散处理，在N型硅衬底2上形成位于衬底表面上的作为N型杂质层的N阱(NW)4、位于其下面的作为P型杂质层的P阱(PW)8、10、以及原来的衬底本身的N型杂质层(Nsub)6。在图5中，信息电荷在N阱4上形成的垂直移位寄存器的电位井中依次向右传输，在水平移位寄存器的电极14-1下面形成的电位井中被读出。另外在图6中，信息电荷在N阱4上形成的垂直移位寄存器的电位井中依次向左传输，经由输出门(OG)16的下面，传输给浮游扩散层18。
浮游扩散层18是N+扩散层，如果使与其相邻的复位门(RG)22导通，则浮游扩散层18的电位被设定为复位漏极20的复位漏极电位VRD。如果从水平移位寄存器将信息电荷传输给该浮游扩散层18，则浮游扩散层18的电位随着该电荷量的变化而变化。该电位变化被输出放大器30检测并放大，输出放大器的输出VOUT成为CCD输出。
这里，该输出放大器30也用衬底2表面上的半导体区域形成。即，输出放大器30的MOS晶体管32、34的漏极、源极由在衬底2的表面上形成的N+扩散层构成，在它们之间的衬底半导体区域上形成的沟道，利用栅极氧化膜上由多晶硅电极层形成的栅极进行控制。
其次，通过在N型衬底2上形成P阱10、N阱4，沿该衬底深度方向形成NPN结构。利用该结构，能将衬底表面上的不需要的电荷驱逐到衬底深部。图7是表示衬底深度方向的电位分布的模式图。在该图中，横轴表示衬底深度方向的距离，左侧对应于衬底2的表面侧(即栅极氧化膜侧)，右侧对应于衬底2的背面侧。另外纵轴表示电位，向下对应于正电位方向(电位低的方向)。例如，电位分布曲线40在构成摄像部i或蓄积部s的垂直移位寄存区域中，对衬底侧施加规定的正电压Vsub(例如5V)，对传输电极施加对应于导通状态的正电压VS(例如5V)，在P阱10中形成电位势垒，在N阱4中形成电位井。在硅衬底2中，电子从电位高的地方向电位低的地方移动，即从电位分布曲线的高处向低处移动。因此，在通常工作时，在P阱8中形成的电位势垒妨碍在N阱4中形成的电位井中蓄积的信息电荷向衬底深部移动。另一方面，通过提高衬底电压Vsub、或降低VS，来抬高N阱4的电位井，同时降低P阱8的电位势垒，蓄积在N阱4中的信息电荷被驱逐到衬底深部。例如，电子快门工作时，通过这样的施加电压的操作，将摄像部i和蓄积部s中存在的信息电荷瞬时排出，能使这些区域还原。另外，在这样的纵型排泄结构(VOD)中，在摄像部i的受光像素中信息电荷发生过剩的情况下，该过剩电荷越过P阱8的电位势垒被驱逐到衬底深部，因此，能防止信息电荷泄漏到其他像素中这种所谓的模糊现象。
上述的信息电荷被驱逐到衬底深部的工作只在摄像部i和蓄积部s中需要，在水平传输部h及输出部d中不需要。因此，迄今在设置水平传输部h及输出部d的全部衬底表面上注入了P型杂质离子后，用掩模覆盖摄像部i及蓄积部s，再次对水平传输部h及输出部d的区域进行P型杂质离子注入。因此，使得在水平传输部h及输出部d下面形成的P阱10的P型杂质的浓度比在摄像部i及蓄积部s下面形成的P阱8的P型杂质的浓度大。图7中示出了这种不同。电位分布曲线42是对应于水平传输部h(H-REG)的曲线，如上所述，电位分布曲线40是对应于摄像部i及蓄积部s的垂直移位寄存器的曲线。另外，在图7中作为电位分布曲线还示出了输出部d的复位漏极20或输出放大器30的驱动晶体管32下面区域的电位状态。电源电压VDD(例如5V)加在这些输出部d的复位漏极20或驱动晶体管32的漏极扩散层上，电位的状态有图中所示的特性。曲线40、42表示由P阱形成的电位势垒在水平移位寄存器中比在垂直移位寄存器中高。因此，能设定衬底电压Vsub等的条件，以便在水平移位寄存器中不产生电荷向衬底深部的排出，只在垂直移位寄存器中引起电荷向衬底深部的排出。
近年来，正在开发例如数码相机和带有照相摄影功能的携带电话这样的使用CCD固体摄像元件的小型轻量的机器。在小型轻量的机器中为了使电池也小型化，希望低功耗化。在CCD固体摄像元件中，输出放大器的驱动需要较大的电流，该部分的功耗大。因此，通过降低输出放大器的电源电压VDD，能降低CCD固体摄像元件、或作为摄像装置总体的功耗。
可是，如果降低电源电压VDD，则会产生导致输出放大器的晶体管的工作不良的问题。输出放大器的晶体管成为电源电压VDD被加在漏极上，源极作为主放大器的输出点。另外，如上所述，输出放大器的晶体管在与CCD固体摄像元件所在的同一基板上形成，在基板侧施加与CCD固体摄像元件同样的基板电压Vsub(例如5V)。因此，基板-漏极之间的电位差比漏极-源极之间的电位差大。
另外，降低电源电压VDD，意味着图7所示的曲线44的电位曲线变浅。这些结果不是使从源极注入沟道的电子移动到漏极一侧，而是容易引起越过P阱的电位势垒一起拥入基板一侧的现象。因此，不能使输出放大器30的电源电压VDD降低，难以降低CCD固体摄像元件、或作为摄像元件总体的功耗。
本发明就是为了解决上述问题而完成的，目的在于提供一种备有既能降低功耗、又能抑制电荷的漏出的输出部的CCD固体摄像元件及其制造方法。
发明内容
解决上述课题用的本发明是这样一种固体摄像元件，即对应于呈矩阵配置的多个受光像素的各列配置多个垂直移位寄存器，同时在上述多个垂直移位寄存器的输出侧配置水平移位寄存器，另外在上述水平移位寄存器的输出侧配置输出部，该固体摄像元件的特征在于：在一种导电型的半导体衬底的一主面上形成逆导电型的半导体区域，同时在上述半导体区域中形成上述多个受光像素、上述多个垂直移位寄存器、上述水平移位寄存器及上述输出部，上述输出部的上述半导体区域的杂质浓度比上述水平移位寄存器的半导体区域的杂质浓度高。
另外，在上述固体摄像元件中，最好还有在上述半导体衬底上形成的、配置在上述水平移位寄存器和上述输出部的边界上的输出门。
另外，上述固体摄像元件的特征在于：上述水平移位寄存器的半导体区域的杂质浓度比上述多个受光像素及上述多个垂直移位寄存器的半导体区域的杂质浓度高。
如果采用本发明，则通过使上述输出部的半导体区域的杂质浓度比上述水平移位寄存器的半导体区域的杂质浓度高，上述输出部的半导体区域不会完全耗尽，或者即使耗尽，也能相对于上述水平移位寄存器的半导体区域形成较高的电位势垒。因此，能对上述输出部的半导体区域和上述水平移位寄存器的半导体区域设定互不相同的杂质浓度，所以能防止上述输出部的电荷漏出及水平移位寄存器的传输效率劣化两方面。
同样，通过使上述水平移位寄存器的半导体区域的杂质浓度比上述多个受光像素及上述多个垂直移位寄存器的半导体区域的杂质浓度高，能将信息电荷从上述受光像素及上述垂直移位寄存器高效率地传输给上述水平移位寄存器。另外，能防止上述水平移位寄存器的半导体区域的耗尽层被陷入元件表面的氧化膜的缺陷能级中，能稳定地进行信息电荷的传输。
解决上述课题用的本发明的另一形态，是一种固体摄像元件的制造方法，该固体摄像元件对应于呈矩阵配置的多个受光像素的各列配置多个垂直移位寄存器，同时在上述多个垂直移位寄存器的输出侧配置水平移位寄存器，另外在上述水平移位寄存器的输出侧配置输出部，该固体摄像元件的制造方法的特征在于包括：在一种导电型的半导体衬底的一主面上形成具有第一杂质浓度的逆导电型的第一半导体区域的第一工序；在上述半导体衬底的一主面上形成具有比上述第一杂质浓度高的第二杂质浓度的逆导电型的第二半导体区域的第二工序；以及在上述第一半导体区域上形成上述水平移位寄存器，同时在上述第二半导体区域上形成上述输出部的第三工序。
另外，在上述固体摄像元件的制造方法中，还包括在上述半导体衬底的一主面上形成具有比上述第一杂质浓度低的第三杂质浓度的逆导电型的第三半导体区域的第四工序，上述第四工序最好在上述第三半导体区域中形成上述多个受光像素及上述多个垂直移位寄存器。另外，在上述固体摄像元件的制造方法中，向上述第一及第二半导体区域共同进行上述杂质的注入后，进一步只对上述第二半导体区域进行上述杂质的注入，形成上述第一及第二半导体区域。
在上述固体摄像元件的制造方法中，向上述第一及第三半导体区域共同进行上述杂质的注入后，进一步只对上述第一半导体区域进行上述杂质的注入，形成上述第一及第三半导体区域。
在上述固体摄像元件的制造方法中，向上述第二及第三半导体区域共同进行上述杂质的注入后，进一步只对上述第二半导体区域进行杂质的注入，形成上述第二及第三半导体区域。
如果采用本发明，则通过在上述第一半导体区域中形成上述水平移位寄存器，在杂质浓度比上述第一半导体区域高的上述第二半导体区域中形成上述输出部，上述第二半导体区域不会完全耗尽，另外即使耗尽也会形成相对于上述第一半导体区域较高的电位势垒，能防止上述输出部的电荷漏出及水平移位寄存器的传输效率劣化两方面。
同样，通过在杂质浓度比上述第一半导体区域低的上述第三半导体区域中形成上述多个受光像素及上述多个垂直移位寄存器，能将信息电荷从上述受光像素及上述垂直移位寄存器高效率地传输给上述水平移位寄存器。另外，能防止上述第二半导体区域的耗尽层被陷入元件表面的氧化膜的缺陷能级中，能稳定地进行信息电荷的传输。
附图说明
图1是实施形态的CCD固体摄像元件中的水平移位寄存器沿电荷的传输方向的简略剖面图。
图2是表示实施形态的CCD固体摄像元件中的衬底深度方向的电位分布的模式图。
图3是说明实施形态的CCD固体摄像元件中的P阱的形成工序的元件的俯视模式图。
图4是帧传输方式的CCD固体摄像元件的简略结构图。
图5是现有的实施形态的CCD固体摄像元件中的垂直移位寄存器沿电荷的传输方向的简略剖面图。
图6是现有的CCD固体摄像元件中的水平移位寄存器沿电荷的传输方向的简略剖面图。
图7是现有的CCD固体摄像元件中的衬底深度方向的电位分布的模式图。
具体实施方式
其次，参照附图说明本发明的实施形态。以下，说明帧传输方式的CCD固体摄像元件的实施形态。帧传输方式的CCD固体摄像元件的简略结构如图4所示，引用该图。帧传输方式的CCD固体摄像元件有摄像部i、蓄积部s、水平传输部h及输出部d。摄像部i沿垂直方向延伸，由互相平行排列的多个移位寄存器构成，各移位寄存器的各位具有光致扩散功能，构成受光像素。蓄积部s由对摄像部i的移位寄存器连续遮光的多个移位寄存器构成，各移位寄存器的各位构成蓄积像素。水平传输部h由沿水平方向延伸的单一的移位寄存器构成，蓄积部s的移位寄存器的输出端连接在各位上。输出部d包括暂时蓄积从水平传输部h输出的电荷的电容、以及排出该电容中蓄积的电荷的复位晶体管。因此，蓄积在摄像部i的各受光像素中的信息电荷在每个像素中独立地传输给蓄积部s的蓄积像素后，一行一行地从蓄积部s被传输给水平传输部h，再以1像素单位从水平传输部h传输给输出部d。然后，在输出部d中每一像素的电荷量被变换成电压值，该电压值的变化作为CCD输出信号供给外部电路。
图1是水平移位寄存器(H-REG)沿电荷的传输方向的简略剖面图，示出了水平移位寄存器的输出端附近的剖面、以及成为输出部的一部分的浮游扩散层(FD)18及复位漏极(RD)20。垂直移位寄存器(V-REG)沿电荷的传输方向的简略剖面图与图5相同，应用该图。
在N型硅衬底2中注入P型杂质离子，进行扩散，然后，在衬底2的表面上注入并扩散N型杂质。因此，注入后在衬底2的表面区域形成由扩散的N型杂质构成的作为N型扩散层的N阱(NW)4。另外，通过比N型杂质先进行的P型杂质的离子注入并扩散，在N阱4和衬底本来的N型杂质层6(Nsub)之间形成作为P型扩散层的P阱(PW)。在本实施形态中，改变注入的区域，进行三次形成P阱的P型杂质的离子注入。其结果，形成杂质浓度互不相同的三种P阱8、10、60。在摄像部i及蓄积部s上形成P阱8，是三种P阱中杂质浓度最低的。在水平传输部h上形成P阱10，杂质浓度居中。在输出部d上形成P阱60，杂质浓度最高。图5中示出了P阱8、10，图1中示出了P阱10、60。
电极通过氧化膜(图中未示出)配置在衬底的表面上。在蓄积部s的垂直移位寄存器中设有利用四相的垂直传输时钟φS1~S4驱动的电极组12-1~12-4，在水平移位寄存器中设有利用两相的水平传输时钟φH1、φH4驱动的电极组14-1、12-2。通过将正电压依次加在电极组上，使在电极下面的N阱4上形成的电位井移动，蓄积在电位井中的信息电荷也与其连动地移动。例如，在图5中，电荷在垂直移位寄存器中依次向右传输，被在水平移位寄存器的电极14-1下面形成的电位井读出。另外在图1中，电荷在水平移位寄存器中依次向左传输，经由施加了直流电压的输出门(OG)16的下面，被传输给浮游扩散层18。
浮游扩散层18是N+扩散层，浮游扩散层18及与其接合的P阱形成浮置扩散，另外浮游扩散层18、复位漏极20及复位门(RG)22构成复位晶体管。复位漏极20由N+扩散层形成。复位漏极20维持一定的正电位VRD。这里作为复位漏极电压VRD，能施加电源电压VDD。如果利用加在复位门22上的复位时钟脉冲φR使复位门22下面的沟道导通，则浮游扩散层18的电位也被设定为复位漏极电压VRD，浮置扩散的PN结呈导电性地浮置(浮游状态)。这里，如果从水平移位寄存器将信息电荷移动到浮游扩散层18中，则该信息电荷暂时被蓄积在PN结电容中，浮游扩散层18的电位随着其电荷量的变化而变化。该电位变化由输出放大器30检测及放大，输出放大器的输出VOUT成为CCD输出。
输出放大器30使用在衬底2上形成的MOS晶体管，例如由三级源跟随电路构成。输出放大器30的驱动晶体管32及负载晶体管34的漏极、源极由在衬底2的表面上形成的N+扩散层构成，在它们之间的衬底半导体区域中形成的沟道，利用在栅极氧化膜上由多晶硅电极层形成的栅极加以控制。在本实施形态中，由于低功耗化，施加在输出部d的复位漏极20或输出放大器30的驱动晶体管32的漏极扩散层上的电源电压VDD比以往的电压低(例如2.9V)。
另外，利用在N型衬底2上形成的P阱、N阱，沿衬底深度方向形成NPN结构，利用该结构，在摄像部i及蓄积部s中能将衬底表面上不需要的电荷排出到衬底背面。图2是表示衬底深度方向的电位分布的模式图。该图是与现有技术的图7对应的图，其纵轴、横轴与图7相同。电位分布曲线70是与构成摄像部i或蓄积部s的垂直移位寄存器对应的曲线，表示由N阱4、P阱8及Nsub6构成的NPN结构的电位分布。电位分布曲线72是对应于水平传输部h(H-REG)的曲线，表示由N阱4、P阱10及Nsub6构成的NPN结构的电位分布。另外，电位分布曲线74表示输出部d内的由被施加电源电压VDD的N+扩散层、P阱60及Nsub6构成的NPN结构的电位分布。
曲线70、72表示将作为对应于导通状态的正电压VS、HS比以往低的电压例如2.9V加在垂直移位寄存器或水平移位寄存器的传输电极12、14上，使P阱和N阱4之间呈逆偏压状态，而且传输沟道呈完全耗尽的状态，为了容易与以往对比，图2中示出了将5V加在垂直移位寄存器的传输电极12上时的曲线40。另外，任意的电位分布曲线都表示作为规定的正电压Vsub例如将8V加在衬底背面上，P阱和Nsub6之间呈逆偏压状态的形态。
利用垂直移位寄存器下面的P阱8和水平移位寄存器下面的P阱10的杂质浓度差，对应于电子从N阱4向Nsub6移动的P阱的电位势垒在水平移位寄存器中变得比垂直移位寄存器高。利用该差，在纵型排泄工作及电子快门工作中，在摄像部i及蓄积部s中信息电荷能排出到Nsub6中，另一方面，该工作时在水平传输部h中能防止信息电荷的排出。另外，如果P阱10的杂质浓度过高，则N阱4的电位井、即衬底深度方向的电位分布的极小值向衬底表面侧移动，电荷被陷入衬底和衬底表面的界面上产生的栅格缺陷中，存在信息电荷的传输效率劣化的问题。因此，P阱10的杂质浓度被设定为信息电荷不与栅极氧化膜的界面接触的程度的浓度。
另外，伴随电源电压VDD的低压化，输出部的晶体管的N+扩散层及沟道的电位变高。该电位比将与电源电压VDD相同的电压加在传输电极14上时的水平移位寄存器的传输沟道的电位高。这样晶体管的N+扩散层及沟道的电位变高对容易产生电荷的漏出起作用。因此，使输出部下面的P阱60的杂质浓度比水平移位寄存器下面的P阱10的高，防止输出部的N+扩散层及沟道和Nsub6之间的穿通现象。P阱60的杂质浓度的大小可以这样考虑来确定：浮游扩散层18的电位比截止状态下的传输电极14-1下面的电位低，充分地获得从最后级的传输电极朝向浮游扩散层18的边缘电场，确保传输效率。
图3是说明本CCD固体摄像元件的P阱的形成工序的元件的俯视模式图。P型杂质的离子注入N型的硅衬底2的表面的元件形成区域中，再进行热扩散。在第一杂质剖面图中，利用该第一P型杂质导入工序，在形成摄像部i、蓄积部s、水平传输部h及输出部d的预定的区域(图3(a)所示的斜线区域)中，沿深度方向形成第一P型扩散层。
接着，在形成水平传输部h及输出部d的预定的区域(图3(b)所示的斜线区域)中，在衬底2的表面上形成有开口的抗蚀剂图形，将它作为掩模，进行P型杂质的第二次离子注入。利用该第二P型杂质导入工序，在形成水平传输部h及输出部d的区域下面，形成有与先形成的第一杂质剖面合成的第二杂质剖面的第二P型扩散层。
然后，再在形成输出部d的预定的区域(图3(c)所示的斜线区域)中，在衬底2的表面上形成有开口的抗蚀剂图形，将它作为掩模，进行P型杂质的第三次离子注入，进行热扩散处理。利用该第三P型杂质导入工序，在形成输出部d的区域下面，形成有与先形成的第二杂质剖面合成的第三杂质剖面的第三P型扩散层。这里，设计离子注入的掩模及热扩散等，以便与水平移位寄存器的输出端接触的P阱60的边界最后位于输出门16的下面。
如上所述在三个阶段中形成了第一至第三P型扩散层后，在这些P型扩散层上重叠地注入N型杂质离子，扩散到比P型扩散层浅的深度。因此靠近衬底表面形成的N型扩散层构成N阱4。另外残留在比N型扩散层深的部分上的第一至第三P型扩散层分别成为P阱8、10、60。
以下的工序基本上与以往相同。具体地说，将规定的图形作为掩模，注入高浓度的P型杂质离子，形成分离区(沟道截止区)。将分离区及N阱4覆盖着在衬底2的表面上形成栅极氧化膜。在栅极氧化膜上层叠多晶硅膜，对该多晶硅膜进行构图，形成多个传输电极12、14。
如果采用本发明的CCD固体摄像元件，则即使降低输出部的电源电压，降低功耗，也能抑制在衬底表面上形成的输出部和衬底背面之间的电荷的漏出。
Claims (7)
1.一种固体摄像元件，它是对应于呈矩阵配置的多个受光像素的各列配置多个垂直移位寄存器，同时在上述多个垂直移位寄存器的输出侧配置水平移位寄存器，另外在上述水平移位寄存器的输出侧配置输出部的固体摄像元件，其特征在于：
在一种导电型的半导体衬底的一主面上形成逆导电型的阱区域，同时在上述阱区域中形成上述多个受光像素、上述多个垂直移位寄存器、上述水平移位寄存器及上述输出部，上述输出部的阱区域的杂质浓度比上述水平移位寄存器的阱区域的杂质浓度高。
2.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于：
还有在上述半导体衬底上形成的、配置在上述水平移位寄存器和上述输出部的边界上的输出门。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于：
上述水平移位寄存器的阱区域的杂质浓度比上述多个受光像素及上述多个垂直移位寄存器的阱区域的杂质浓度高。
4.一种固体摄像元件的制造方法，该固体摄像元件对应于呈矩阵配置的多个受光像素的各列配置多个垂直移位寄存器，同时在上述多个垂直移位寄存器的输出侧配置水平移位寄存器，另外在上述水平移位寄存器的输出侧配置输出部，该固体摄像元件的制造方法的特征在于包括：
在一种导电型的半导体衬底的一主面上形成具有第一杂质浓度的逆导电型的第一阱区域的第一工序；
在上述半导体衬底的一主面上形成具有比上述第一杂质浓度高的第二杂质浓度的逆导电型的第二阱区域的第二工序；以及
在上述第一阱区域上形成上述水平移位寄存器，同时在上述第二阱区域上形成上述输出部的第三工序。
5.根据权利要求4所述的固体摄像元件的制造方法，其特征在于：
还包括在上述半导体衬底的一主面上形成具有比上述第一杂质浓度低的第三杂质浓度的逆导电型的第三阱区域的第四工序，
上述第四工序在上述第三阱区域中形成上述多个受光像素及上述多个垂直移位寄存器。
6.根据权利要求4所述的固体摄像元件的制造方法，其特征在于：
向上述第一及第二阱区域共同进行上述杂质的注入后，进一步只对上述第二阱区域进行上述杂质的注入，形成上述第一及第二阱区域。
7.根据权利要求5所述的固体摄像元件的制造方法，其特征在于：
第一及第三阱区域分阶段地注入上述杂质，向上述第一至第三阱区域进行的上述杂质的注入至少一次共同进行。
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