CN1287466C - 电荷传送元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电荷传送元件。具有能抑制反向栅极效果的输出部分构造的电荷传送元件。一种固体摄像元件，它具备沟道区域(12)，与沟道区域(12)连接并被配置的第1元件区域(18)，在第1元件区域(18)中形成了源极区域和漏极区域的复位晶体管(Tr)，第2元件区域(52)，以及在第2区域(52)中形成源极区域(Sd1)和漏极区域(Dd1)，同时，栅极电极与复位晶体管的源极区域连接的第1晶体管(Td1)，在这样的固体摄像元件中，在第1晶体管(Td1)的源极区域(Sd1)和漏极区域(Dd1)之间，通过第2源极区域(52)的表面区域的实效的杂质浓度变成比第2元件区域(52)的半导体衬底和第2元件区域(52)的边界区域的实效的杂质浓度低能解决上述课题。

Description

电荷传送元件
技术领域
本发明涉及电荷传送元件，详细地说，涉及用于提高输出灵敏度的输出部分构造。
背景技术
图7表示帧传送方式的CCD固体摄像元件的构成图。帧传送方式的CCD固体摄像元件包含摄像部分10i、存储部分10s、水平传送部分10h以及输出部分10d。在摄像部分10i中所生成的信息电荷通过作为CCD移位寄存器的电荷传送元件被传送到存储部分10s。信息电荷被保持在存储部分10s中，同时，逐行向水平传送部分10h传送，再逐个象素地从水平传送部分10h向输出部分10d传送。输出部分10d将每个象素的信息电荷量变换成电压值，并将该电压值的变化设定为CCD输出。
在水平传送部分10h的沟道区域的输出一侧设置具有用于暂时存储信息电荷的电容的浮置扩散(电容)区域，将通过被存储在该电容中的电荷产生的电位的变动作为输出信号取出。输出信号的电位变为用浮置扩散区域的电容值去除被存储的信息电荷的值。通过减小该浮置扩散区域的电容值能够提高固体摄像元件的输出灵敏度。
图8是输出部分10d的等效电路图。另外，图9是表示水平传送部分10h、输出部分10d的构造的平面图。
输出部分10d如图8所示那样，基本上由3个输出晶体管Td1、Td2、Td3以及3个负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3构成。输出晶体管Td1和负载晶体管Ta1被串联连接并构成第1级的源跟随器电路。同样，输出晶体管Td2和负载晶体管Ta2以及输出晶体管Td3和负载晶体管Ta3各自被串联连接并构成第2级和第3级的源跟随器电路。
第1级的源跟随器电路的输出晶体管Td1的栅极被连接到浮置扩散区域FD。第1～3级的源跟随器电路被串联连接，第3级的源跟随器电路的输出晶体管Td3的源极电位作为固体摄像元件的输出信号VOUT被取出。
水平传送部分10h的沟道12在N型半导体衬底中扩散P型杂质并在被配置在半导体衬底的一个主面的P阱13内被形成。此处，在P阱13中外加接地电位VGND，在N型半导体衬底中外加5～10V左右的电位。沟道区域12上的复位晶体管Tr被形成的元件区域18与沟道区域12连接并被形成。在作为复位晶体管Tr的漏极和源极的区域中扩散N型杂质，并各自变成浮置扩散区域FD和复位漏极区域RD。
在沟道区域12上，多个传送电极14a、14b挟持绝缘膜并相互平行地被配置。而且，输出控制电极16与传送电极14a、14b被平行地配置。传送时钟ΦH被外加到传送电极14a、14b，信息电荷沿着沟道区域12向输出控制电极16被传送。一定的输出控制电压VOG被外加到输出控制电极16，信息电荷经过在输出控制电极16的下面所形成的沟道被输出到浮置扩散区域FD。
在元件区域18中，复位电极20经由绝缘膜被配置以便跨越浮置扩散区域FD和复位漏极区域RD，并形成复位晶体管Tr。另外，源极配线22被连接到浮置扩散区域FD，漏极配线24被连接到复位漏极区域RD。
通过输出控制电压VOG被输出到浮置扩散区域FD的信息电荷被存储到浮置扩散区域FD并被变换成电压值。浮置扩散区域FD的电压值通过源极配线22被取出。
另外，通过预先将漏极电压VRD外加到漏极配线24，将复位时钟ΦR外加到复位电极20，能够使复位晶体管Tr接通，并经由复位漏极区域RD将在浮置扩散区域FD中所存储的信息电荷排出到漏极配线24。
在半导体衬底上形成第1级的源跟随器电路的元件区域26从元件区域18间隔规定的距离被设置。而且，形成第2级的源跟随器电路的元件区域28和形成第3级的源跟随器电路的元件区域30与其它的元件区域相互间隔规定的距离被设置。
元件区域26、28、30在N型半导体衬底的一个主面上用使P型杂质扩散的P阱被形成。N型杂质被扩散到元件区域26，并形成输出晶体管Td1的漏极区域Dd1和源极区域Sd1以及管Ta1的漏极区域Da1和源极区域Sa1。同样，N型杂质也被扩散到元件区域28、30，并形成漏极区域Dd2、Da2、Dd3、Da3以及Sd2、Sa2、Sd3、Sa3。
源极配线22被配置以便向元件区域26延伸，并经由绝缘膜跨越漏极区域Dd1和Sd1。它将变成输出晶体管Td1的栅极电极。输出晶体管Td1的源极区域Sd1和负载晶体管Ta1的漏极区域Dn1通过源极配线32被连接。而且，源极配线32被配置以便向元件区域28延伸，并经由绝缘膜跨越漏极区域Dd2和源极区域Sd2。它将变成输出晶体管Td2的栅极电极。同样，输出晶体管Td2的源极配线34也被配置，源极区域Sd2、漏极区域Da2以及输出晶体管Ta3的栅极电极被连接。源极区域Sd3和漏极区域Da3通过源极配线36被连接，其源极配线36取出固体摄像元件的输出信号VOUT并变为配线。
在负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3的漏极区域Da1、Da2、Da3和源极区域Sa1、Sa2、Sa3中经由绝缘膜配置栅极电极38，并外加共用的栅极电位VGGT。另外，漏极区域Dd1、Dd2、Dd3通过漏极配线40被连接并外加共用电源电位VDD，源极区域Sa1、Sa2、Sa3通过接地配线42被连接，并被维持成接地电位VGND。
【专利文献1】
特开2000-91557号公报
发明内容
在上述那样的水平传送部分10h、输出部分10d那样的电荷传送元件的构成中，若将第1级的输出晶体管Td1的元件区域26的P阱固定为接地电位VGND，那么伴随着源极配线32的电位VBS的变动，如公式(1)所表示的那样，将产生输出晶体管Td1的阈值电压Vth变动的反向栅极效果。该反向栅极效果引起输出晶体管Td1的增益的变动。其结果，例如，将产生固体摄像元件的输出变成不稳定的问题。
【公式1】
Na：P阱的表面浓度
VBS：源极电位
另一方面，人们考虑到将输出晶体管Td1的元件区域26的P阱和源极区域Sd1连接起来并固定为该电位的方法。但是，使用该方法在P阱13和元件区域26的P阱之间将产生电位差，并容易使两个区域之间短路。因此，必须使两个区域之间的距离充分加宽到不产生短路的程度，作为结果将存在增大固体摄像元件的尺寸的问题。
另外，为防止短路，若加大两个区域之间的距离，那么连接浮置扩散区域FD和输出晶体管Td1的栅极的源极配线22就变长，并增大配线电容。其结果，源极配线22的配线电容和浮置扩散区域FD的电容互补，存储相同信息电荷的场合的电位的变化变小。其结果例如将产生降低输出部分10h的增益，或降低固体摄像元件的动作速度的问题。
本发明的目的在于，鉴于上述现有技术的问题，提供应解决至少上述课题的一个，并改进输出部分的构造的电荷传送元件。
能解决上述课题的本发明，其特征在于，它具备：将逆导电型的杂质扩散到某种导电型的半导体衬底的一个主面而成的逆导电型的半导体区域；被配置为在所述半导体区域在一个方向上延伸的所述某种导电型的沟道区域；被配置为在所述半导体衬底上与所述沟道区域被交叉的多个传送电极；在所述半导体区域内与所述沟道区域连接被配置的电容；以及在所述半导体区域内配置源极和漏极，栅极被连接到所述电容的输出晶体管，配置所述输出晶体管的所述半导体区域的所述半导体衬底的深度方向的浓度分布在所述半导体区域的中间位置遇到最大值。
这时，配置所述输出晶体管的所述半导体区域沿着所述半导体衬底的深度方向，杂质浓度在表面区域比中间区域低是合适的。
而且，所述负载晶体管具备与所述输出晶体管串联连接的负载晶体管，并被配置在配置了所述输出晶体管的所述半导体区域内也是合适的。
附图说明
图1是本发明实施形态中的固体摄像元件的输出部分的等效电路图。
图2是本发明实施形态中的固体摄像元件的输出部分的平面构造图。
图3是本发明实施形态中的固体摄像元件的输出部分的横断面图。
图4是表示本发明实施形态中的固体摄像元件的输出晶体管的实效的杂质浓度分布的图。
图5是表示本发明实施形态中的固体摄像元件的输出部分的变形例的横断面图。
图6是本发明实施形态中的固体摄像元件的制造工序的工艺流程图。
图7是表示固体摄像元件的构成的概略的方框图。
图8是现有的固体摄像元件的输出部分的等效电路图。
图9是现有的固体摄像元件的输出部分的平面构造图。
具体实施方式
本发明的实施形态中的电荷传送元件被包含在固体摄像元件中。以下，参照附图详细地说明。
(固体摄像元件的构成)
本发明的实施形态中的固体摄像元件具备与图7所示的帧传送方式的CCD固体摄像元件相同的构成。
在图2中表示本发明实施形态的固体摄像元件中的输出部分10d的等效电路。输出部分10d与现有技术相同包含基本上由3个输出晶体管Td1、Td2、Td3和3个负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3构成的、被串联连接成3级的源跟随器电路。
图1是表示输出部分10d的构造的平面图。水平传送部分10h的沟道区域12在将P型杂质扩散到N型半导体衬底的一个主面的P阱50内被形成。P阱50与形成摄像部分10i、存储部分10s的P阱被连接形成，并被外加接地电位VGND。在本实施形态中，P阱被延伸到输出晶体管Td1的元件区域52并被形成。
N型杂质被扩散到与水平传送部分10h连接并被形成的元件区域54，分别变成复位晶体管Tr的浮置扩散区域FD和复位漏极区域RD。
在沟道区域12上，传送电极14a、14b和输出控制电极16挟持绝缘膜并相互平行地被配置。另外，复位晶体管Tr的复位电极20经由绝缘膜横跨浮置扩散区域FD和复位漏极区域RD被配置。而且，源极配线22被连接到浮置扩散区域FD，漏极配线24被连接到复位漏极区域RD。
在与P阱50连接的元件区域52中再扩散N型杂质，形成输出晶体管Td1的漏极区域Dd1和源极区域Sd1。而且，在漏极区域Dd1和源极区域Sd1之间的表面附近形成用低浓度注入了N型杂质的沟道掺杂区域56。
复位晶体管Tr的源极配线22向元件区域52被延伸，并经由绝缘膜被配置以便跨越漏极区域Dd1和源极区域Sd1变成输出晶体管Td1的栅极电极。
在半导体衬底上，再与其它的元件区域相互间隔规定的距离设置形成第1级的负载晶体管Ta1的元件区域58、形成第2级的源跟随器电路的元件区域60和形成第3级源跟随器电路的元件区域62。元件区域58、61、63在使P型杂质扩散到N型半导体衬底的一个主面的P阱中被形成，并对各P阱外加接地电位VGND。将N型杂质扩散到元件区域58、61、63中，形成构成负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3的漏极区域Da2、Da3以及Sa1、Sa2、Sa3。元件区域60、62与元件区域61、63邻接被配置，将P型和N型杂质注入到规定的部位，并形成构成输出晶体管Td2、Td3的P阱、漏极区域Dd2、Dd3以及Sd2、Sd3。该元件区域60、62在P阱内形成P+区域，该P+区域和源极区域被连接，P阱的电位被固定为源极电位。
连接输出晶体管Td1、Td2、Td3负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3的各配线与现有相同地被配置。即，输出晶体管Td1的源极区域Sd1和负载晶体管Ta1的漏极区域Da1通过源极配线32被连接，而且，源极配线32向元件区域28延伸，并经由绝缘膜被配置以便跨越漏极区域Dd2和源极区域Sd2。同样，源极配线34连接源极区域Sd2和漏极区域Da2，并兼作输出晶体管Td3的栅极电极。源极区域Sd3和漏极区域Da3通过源极配线36被连接，该源极配线36变成固体摄像元件的输出信号VOUT的取出配线。另外，栅极电极38经由绝缘膜被配置到负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3。并且，漏极区域Da1、Da2、Da3通过漏极配线40被连接，源极区域Sa1、Sa2、Sa3通过接地配线42被连接。
在图3中表示在本实施形态的固体摄像元件中的输出晶体管Td1的X-X之间切断的横断面构造。另外，在图4中表示图3的Y-Y深度方向的实效的杂质浓度分布。
形成输出晶体管Td1的元件区域52由水平传送部分10h的沟道区域12和共用的P阱50构成，在该P阱50中用高浓度添加N型杂质形成漏极区域Dd1和源极区域Sd1。在该漏极区域Dd1和源极区域Sd1之间的表面附近通过注入N型杂质被反向掺杂，在输出晶体管Td1的栅极区域形成沟道掺杂区域56。因此，配置输出晶体管Td1的P阱50如图4所示那样，沿着衬底深度方向，在表面区域a将杂质浓度设置得比中间区域b低，该结果，衬底深度方向的杂质分布在P阱50中的中间位置b遇到极大值。
此外，输出部分10d的构造，如图5的平面图所示那样，可以设定为使沟道区域12的P阱50与负载晶体管Ta1、Ta2、Ta3的P阱共用化的构造。
(固体摄像元件的制造方法)
图6是形成本实施形态的固体摄像元件中的输出部分10d的工艺流程图。以下，参照图6说明关于固体摄像元件的输出部分10d的制造方法。
在N型半导体衬底70上使氧化膜72成膜，使用规定的掩模图案在形成P阱50的区域设置开口部分(图6(a))。该氧化膜72被利用作为下次离子注入工序的掩模。另外，氧化膜72最终变为分离元件的场氧化膜。
通过将氧化膜72作为掩模，将硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、或铟(In)等P型杂质进行离子注入并使其扩散，在半导体衬底70上形成P阱50(图6(b))。例如，在数100KeV的能量中用1012～1018/cm2的面密度注入P型杂质。
接着，在氧化膜72的开口部分使氧化膜74成膜，使用规定的掩摸图案在作为输出晶体管Td1的漏极区域Dd1和源极区域Sd1的区域中设置开口部分(图6(c))。该氧化膜74在下次的离子注入工序中被利用作为掩模。
通过将氧化膜4作为掩模，将磷(P)、砷(As)或锑(Sb)等N型杂质等进行离子注入并使其扩散，在P阱50中形成漏极区域Dd1和源极区域Sd1(图6(d))。例如，在数100KeV左右的能量中用1015～1016/cm2的面密度注入N型杂质。
上述的图6(a)～(d)的工序即使对于形成复位晶体管Tr的元件区域54和形成其它的晶体管的元件区域58、60、62也能够同时进行。因此，能够形成元件区域58、60、62的P阱和浮置扩散区域FD、复位漏极区域RD，以及漏极区域Da1、Dd2、Da2、Dd3、Da3和源极区域Sa1、Sd2、Sa2、Sd3、Sa3。
接着，除去氧化膜74，重新使氧化膜76成膜，并使用规定的掩模图案在作为输出晶体管Td1的栅极区域78(在漏极区域Dd1和源极区域Sd1之间)的区域设置开口部分(图6(e))。开口部分在复位晶体管Tr以及其它输出晶体管和负载晶体管等栅极区域没有设置。该氧化膜76在下次的离子注入工序中被利用作为掩模。
通过将氧化膜76作为掩模，在P阱50的表面区域注入磷(P)、砷(As)或锑(Sb)等N型杂质并使其扩散，形成沟掺杂区域56(图6(f))。例如，在数100KeV左右的能量中用1012～1013/cm2的面密度注入N型杂质。
接着，在输出晶体管Td1以外的晶体管的栅极区域的氧化膜76中也设置开口部分，并在各栅极区域形成栅极氧化膜80。而且，使用规定的掩模图案使多晶硅层和金属膜成膜，并进行各配线(图6(g))。
象以上那样，能够形成本实施形态的固体摄像元件中的输出部分10d。但是，不应受此限制，可以使用其它现有的半导体制造方法。另外，在本实施形态中，限定于固体摄像元件的输出部分10d进行了说明，但不言而喻，可以使上述工序的一部分与固体摄像元件的其它区域的制造工序共用化。
象以上已说明的那样，在本实施形态的固体摄像元件中，通过降低P阱50的表面区域的实效的P型杂质浓度，在将包含沟道区域12和元件区域52的P阱50固定为接地电位VGND的场合也能够抑制输出晶体管Td1的反向栅极效果。即，如公式(1)所示那样，由于输出晶体管Td1的阈值电压Vth与输出晶体管Td1栅极区域的P阱50的表面区域的实效的P型杂质浓度Na的平方根和和源极配线32的电位VBS的平方根成比例，因此通过降低实效的杂质浓度Na，能够抑制随着电位VBS的变化的阈值电压Vth的变动。
因此，不连接输出晶体管Td1的元件区域52的P阱和源极区域Sd1并固定为该电位，而能够抑制反向栅极效果。
而且，由于难以产生P阱50和元件区域52的短路，因此能够缩短P阱50和元件区域52的距离。由此，源极配线22也变短，并能够将配线电容抑制到低的容量。
通过这些作用，例如能够在保持输出部分10d的高增益的同时，缩小固体摄像元件的尺寸。
若依据本发明，就能够抑制电荷传送元件的输出部分中的晶体管的反向栅极效果。其结果，不随着固体摄像元件尺寸的大型化，而能得到输出部分的高电压放大增益。

Claims (3)

1.一种电荷传送元件，其特征在于，它具备：与半导体衬底的导电型相反的逆导电型的半导体区域，通过将逆导电型的杂质扩散到具有某种导电型的半导体衬底的一个主面而成；具有所述某种导电型的沟道区域，其被配置为在所述半导体衬底上沿着一个方向延伸；多个传送电极，在所述半导体衬底上被配置为与所述沟道区域交叉；电容，其被配置为在所述半导体区域内与所述沟道区域连接；以及输出晶体管，在所述半导体区域内配置源极和漏极，栅极被连接到所述电容，配置了所述输出晶体管的所述半导体区域的所述半导体衬底的深度方向的浓度分布在所述半导体区域的中间位置遇到极大值。
2.如权利要求1记载的电荷传送元件，其特征在于，配置了所述输出晶体管的所述半导体区域沿着所述半导体衬底的深度方向在表面区域杂质浓度比中间区域低。
3.如权利要求1或2记载的电荷传送元件，其特征在于，它还具备与所述输出晶体管串联连接的负载晶体管，所述负载晶体管被配置在所述输出晶体管被配置的所述半导体区域内。
CNB2004100053221A 2003-02-06 2004-02-05 电荷传送元件 Expired - Fee Related CN1287466C (zh)

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