CN1697194A - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

在半导体衬底(1)上设置用于垂直传输信号电荷的垂直传输电荷耦合装置、用于接收和水平传输所传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置(6)、多余电子扫除器(12)以及水平传输电荷耦合装置(6)和多余电子扫除器(12)之间的势垒。该势垒包括第一n型扩散层(10)、与其一端接触的第二n型扩散层(9)以及与其另一端接触的第三n型扩散层(11)。第二n型扩散层(9)和第三n型扩散层(11)的杂质浓度比第一n型扩散层(10)的杂质浓度更高。结果，使固态成像装置的多余电子扫除器扫除多余电子的能力提高，而不降低水平传输电荷耦合装置处理的电荷量，即使使用大光量信号也可以输出图像。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及一种具有电荷耦合装置(下文还称为“CCD”)的固态成像装置。
现有技术
随着固态成像装置在消费类和专业摄像机中以及在近年飞速发展的数字照相机中的使用，由于照相机变得更小而且包含更多像素，减小的单元尺寸导致CCD像素元件(下文还简称为“像素元件”)处理的电荷量急剧上升。另一方面，传送信号电荷给放大器的水平传输CCD元件(下文还简称为“水平CCD元件”，为了方便，在以下的说明中可以省略词语“传输”)需要具有更低的电压需求，从而它们可以由电池来驱动，然而这样使得处理的电荷量大量增加。因此，就产生这样一种情况，在大量光产生的信号(下文还称为“大光量(largeoptical volume)信号”)的电荷转移期间，例如在室内和室外图像捕捉(capture)中用高亮度来捕捉物体的图像时，无法输出图像。将参考图9来说明这种情况。图9是普通固态成像装置的示意图。当用高亮度来捕捉物体图像时，大量的光在像素元件93的光电二极管91中产生大量电子，而且这些电子溢出到垂直CCD92中。垂直CCD92向水平CCD95不断进行传输，使得水平CCD95在与像素元件对应的区域33中充满电子。这些电子超过了作为信号可以处理的电平，因此被称为多余电子。在这点上，除非多余电子可以被形成为与水平CCD95接触的多余电子扫除器96很快地扫除，否则信号电荷(即，电子)将完全掩埋与遮光(optical black)元件(下文称为“OB元件”)94对应的区域34中的水平CCD95，从而无法检测在照相机内用作参考信号的0电平，而且阻碍图像输出。
例如在JP H9-223788A中公开了一种常规固态成像装置中的多余电子扫除器。图10是包含在JP H9-223788A中公开的多余电子扫除器的常规水平CCD元件的横截面示意图。在图10中，附图标记101是n型半导体衬底、102是p型阱、103是作为水平CCD元件的n型区、104是作为势垒的掩埋沟道的n型区、105是作为多余电子扫除器的n型区、106是分隔器件的p型区、107是用作第一水平电荷传输电极的多晶硅、108是栅绝缘膜、131是厚氧化膜，以及130是绝缘膜。以相同的杂质分布形成多余电子扫除器和水平电荷传输元件的掩埋沟道。虚线109表示在区104到106内的衬底表面上的水平方向。
但是，对于常规结构，如果作为水平CCD元件的n型区103、作为势垒的掩埋沟道的n型区104和作为多余电子扫除器的n型区105仅仅以相同的杂质分布来形成，将会降低扫除从像素元件流入的多余电子的能力，从而不能输出图像，或者降低可以由水平CCD处理的电荷量。这个问题将通过参考图11A到11C进行说明。图11A到11C是在沿着虚线109的区域内的杂质分布和电势分布示意图，该虚线109穿过图10中的n型区103、n型区104和n型区105。当n型区104的杂质浓度(下文“杂质浓度”还将简称为“浓度”)相对较低时，将会遇到以下的问题。当n型区104具有相对较低的浓度时将导致图11A中的杂质分布111。图11B中的电势115是在从固态成像装置外围施加的电源电压已经耗尽n型区103和n型区104而没有耗尽n型区105的状态下的电势。当在大光量信号的情况下从像素元件流入多余电子114时，电势从电势115下降到电势113。但是，由于在n型区104内的电子扫除距离116较长，所以无法扫除多余电子114，而且与像素元件对应的水平CCD溢出多余电子114。因此，当存在大光量信号时，甚至OB元件的水平CCD充满多余电子114，而且因此无法输出图像。
同时，当n型区104的杂质浓度相对较高时，将会遇到以下问题。当n型区104具有相对较高的浓度时导致图11A中的杂质分布112。图11C中的电势117是在从固态成像装置外围施加的电源电压已经耗尽n型区103和n型区104而没有耗尽n型区105的状态下的电势。当在大光量信号的情况下从像素元件流入多余电子118时，电势从电势117下降到电势119。在这种情况下，在n型区104内扫除多余电子118的电子扫除距离120比上述电子扫除距离116短，所以在扫除多余电子方面不会造成问题。但是，可以用水平CCD积聚信号电荷的电势只有电势119，这意味着可以由水平CCD处理的电荷量降低。
发明内容
为了解决传统技术中的上述问题，本发明提供一种固态成像装置，其多余电子扫除器扫除多余电子的能力提高了，同时不降低由水平传输电荷耦合装置处理的电荷量，即使是用大光量信号也可以输出图像。
本发明的第一种固态成像装置包括二维地设置在半导体衬底上的光电二极管、用于垂直传输从光电二极管读出的信号电荷的垂直传输CCD、用于接收和水平传输由垂直传输CCD传输的信号电荷的水平传输CCD、用于扫除多余电子的多余电子扫除器，以及在水平传输CCD和多余电子扫除器之间的势垒，其中该势垒包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层、与第一n型扩散层的一端接触而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层，以及与第一n型扩散层的另一端接触而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第三n型扩散层。
本发明的第二种固态成像装置包括二维地设置在半导体衬底上的光电二极管、用于垂直传输从光电二极管读出的信号电荷的垂直传输CCD、用于接收和水平传输由垂直传输CCD传输的信号电荷的水平传输CCD、用于扫除多余电子的多余电子扫除器，以及在水平传输CCD和多余电子扫除器之间的势垒，其中该势垒包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层以及与第一n型扩散层的至少一端接触而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层。
本发明的第三种固态成像装置包括二维地设置在半导体衬底上的光电二极管、用于垂直传输从光电二极管读出的信号电荷的垂直传输CCD、用于接收和水平传输由垂直传输CCD传输的信号电荷的水平传输CCD、用于扫除多余电子的多余电子扫除器，以及在水平传输CCD和多余电子扫除器之间的势垒，其中该势垒包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层、与第一n型扩散层的一端接触而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层，以及与第一n型扩散层的另一端接触而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第三n型扩散层，该水平传输CCD包括在第二n型扩散层的与第一n型扩散层侧的相对侧、与第二n型扩散层的端部接触而且杂质浓度比第二n型扩散层的杂质浓度更高的第四n型扩散层，而且多余电子扫除器包括形成半导体衬底上、在第三n型扩散层的与第一n型扩散层的相对侧、与第三n型扩散层的端部接触的第五n型扩散层，而且第五n型扩散层的杂质浓度比第三n型扩散层的杂质浓度更高。
本发明的第四种固态成像装置包括二维地设置在半导体衬底上的光电二极管、用于垂直传输从光电二极管读出的信号电荷的垂直传输CCD、用于接收和水平传输由垂直传输CCD传输的信号电荷的水平传输CCD、用于扫除多余电子的多余电子扫除器，以及在水平传输CCD和多余电子扫除器之间的势垒，其中该势垒包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层以及与第一n型扩散层的一端接触而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层，而且多余电子扫除器包括形成为与第二n型扩散层接触的第三n型扩散层，以及形成为一端与第二n型扩散层接触而另一端与第三n型扩散层接触的第四n型扩散层。
本发明的第五种固态成像装置包括二维地设置在半导体衬底上的光电二极管、用于垂直传输从光电二极管读出的信号电荷的垂直传输CCD、用于接收和水平传输由垂直传输CCD传输的信号电荷的水平传输CCD、用于扫除多余电子的多余电子扫除器，以及在水平传输CCD和多余电子扫除器之间的势垒，其中该水平传输CCD包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层，该多余电子扫除器包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第二n型扩散层，并且该势垒包括选择性地形成在半导体衬底表面上从而一端与第一n型扩散层接触而相对端与第二n型扩散层接触的第三n型扩散层，以及选择性地形成在半导体衬底表面上的第四n型扩散层，该第四n型扩散层的一端与第一n型扩散层接触而相对端与第二n型扩散层接触，而且剩余端的其中之一与第三n型扩散层接触，并且其杂质浓度比第三n型扩散层的杂质浓度更高。
本发明的第六种固态成像装置包括二维地设置在半导体衬底上的光电二极管、用于垂直传输从光电二极管读出的信号电荷的垂直传输CCD、用于接收和水平传输由垂直传输CCD传输的信号电荷的水平转CCD、用于扫除多余电子的多余电子扫除器，以及在水平传输CCD和多余电子扫除器之间的势垒，其中该水平传输CCD包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层，该多余电子扫除器包括选择性地形成在半导体衬底表面上的第二n型扩散层，并且该势垒包括选择性地形成在半导体衬底表面上从而一端与第一n型扩散层接触而相对端与第二n型扩散层接触的第三n型扩散层，以及选择性地形成在半导体衬底表面上的第四n型扩散层，该第四n型扩散层一端与第一n型扩散层接触而相对端与第二n型扩散层接触，而且剩余端的其中之一与第三n型扩散层接触，并且因此耗尽期间的电势比第三n型扩散层更高。
附图说明
图1是本发明实施例1中的固态成像装置的包含多余电子扫除器的水平CCD元件的横截面示意图；
图2A和2B是在沿着图1中的虚线17的区中杂质分布和电势分布的示意图；
图3是本发明实施例2中的固态成像装置的包含多余电子扫除器的水平CCD元件的平面图；
图4是沿着图3中的虚线36的横截面示意图；
图5是本发明实施例3中的固态成像装置的包含多余电子扫除器的水平CCD元件的平面图；
图6是沿着图5中的虚线53的横截面示意图；
图7是沿着图5中的虚线54的横截面示意图；
图8A和8B是在沿着图6中的虚线61和图7中的虚线71的区中杂质分布和电势分布的示意图；
图9是如本发明和现有技术中的固态成像装置的示意图；
图10是包含多余电子扫除器的常规水平CCD元件的横截面示意图；以及
图11A到11C是在沿着图10中的虚线109的区中的杂质分布和电势分布的示意图。
优选实施例
本发明的固态成像装置具有选择性地形成在半导体衬底表面上的第一n型扩散层和例如与第一n型扩散层的一端接触，而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层。结果，提高了多余电子扫除器扫除多余电子的能力，而不减小水平传输电荷耦合装置处理的电荷量，使得即使使用大光量信号也可以输出图像。
对于第一和第三固态成像装置，第一n型扩散层、第二n型扩散层和第三n型扩散层的杂质浓度分别优选为至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3、至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3、以及至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
对于第二固态成像装置，第一n型扩散层和第二n型扩散层的杂质浓度分别优选为至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3和至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
对于第四固态成像装置，第一n型扩散层和第二n型扩散层的杂质浓度分别优选为至少是1×1016cm-3且不大于5×1018cm-3和至少是1×1017cm-3且不大于5×1019cm-3。
优选地，第四n型扩散层存在于决定图像黑度值(black level)的遮光元件中，而且形成为具有比第三n型扩散层更高的杂质浓度。
对于第五和第六固态成像装置，第四n型扩散层优选存在于决定图像黑度值的遮光元件中。
同样，第三n型扩散层和第四n型扩散层的杂质浓度分别优选为至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3和至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
现在将参考附图说明本发明的实施例。本发明实施例中的像素元件的光电二极管与图9中所示的相同，因此不再对其进行说明。
实施例1
图1是本发明实施例1中固态成像装置的包含多余电子扫除器的横向CCD元件的横截面示意图。图1还是垂直于水平CCD的信号电荷传输方向的横截面。如图1所示，在n型半导体衬底1(下文简称为“衬底1”)上形成低浓度p型阱4。为了抑制电子从衬底1回流，该p型阱4的杂质浓度设置为大约1×1014cm-3或更高。这样设置浓度使得使电子从衬底1回流的水平驱动电压大于或等于3.6V。杂质本身可以是现有技术中使用的任何一种。水平CCD传输沟道是选择性地形成在p型阱4上的n型区6。当存在大光量信号时，过剩的多余电子从像素元件流入水平CCD沟道，用于扫除多余电子的多余电子扫除器是选择性地形成在p型阱4上的n型区12。形成n型区10，以便确定将用作水平CCD最大电荷处理量阈值的势垒，以及将用作在大光量信号的情况下从像素元件流入水平CCD沟道的过剩和多余电子的扫除量阈值的势垒。n型区10选择性地形成在p型阱4上。n型区9选择性地形成在p型阱4上，从而将n型区10的一端与作为水平CCD的n型区6相连。n型区11选择性地形成在p型阱4上，从而将n型区10的另一端与n型区12相连。n型区10的浓度低于n型区9和n型区11。n型区9的浓度低于n型区6。n型区11的浓度低于n型区12。通过将n型区9设置成与作为水平CCD的n型区6接触，可以抑制n型区6的电势狭窄效应(potential narrowing effect)，而且可以保持n型区10的势垒以扫除多余电子。通过将n型区11设置成与作为多余电子扫除器的n型区12接触，可以抑制n型区12的电势狭窄效应，而且可以保持n型区10的势垒。由于可以抑制n型区6和n型区12的电势狭窄效应，所以可以减小用于形成将扫除多余电子的势垒的n型区10的宽度。而且，由于n型区9和n型区11分别只需要抑制n型区6和n型区12的变窄效应，所以通过将它们的浓度提高到高于n型区10的浓度，可以保持低电阻。因此，通过在作为水平CCD的n型区6和作为多余电子扫除器的n型区12之间设置n型区9、n型区10和n型区11，可以在更短的时间内扫除电子。这提高了扫除多余电子的能力，而且使得即使使用大光量信号也可以输出图像。而且，由于n型区10的势垒可以保持较高，所以水平CCD处理的电荷量不减少。
而且，直接在n型区6、n型区9、n型区10、n型区11和n型区12下面形成p型区7，以便将衬底1与这里的各个n型区分隔开。用作器件隔离的厚氧化膜3选择性地形成在衬底1上。直接在厚氧化膜3下面形成在衬底1中用于器件隔离的p型区2。为了分隔开n型区12和衬底1，在n型区12下面选择性地形成p型区5，以便与p型区2和直接在p型区2下面的p型区7接触。第一水平传输栅电极13经由栅绝缘膜8形成在作为水平CCD沟道的n型区6上。在第一水平传输栅电极13上形成绝缘膜14。在这上面提供遮光膜(opticalblack film)15，用于防止光污染n型区6。遮光膜15可以是铝(Al)膜，或者可以是钨(W)膜、硅化钨(WSi)膜、钛(Ti)膜或者由具有优良阻光性能的高熔点金属组成的其它这种膜。在整个表面上进一步设置保护膜16。保护膜16例如是由氧化物膜、氮化物膜、氮氧化物膜、氮化钛膜、氧化钽膜、氧化铌膜等等形成的厚度为100到2000nm的一层或者多层。虚线17表示在水平CCD和多余电子扫除器之间的横截面上的n型区6、n型区9、n型区10、n型区11和n型区12内、衬底1表面上的水平方向。
n型区10以0.5到2μm的宽度横跨整个水平CCD传输沟道。厚度小于或等于0.4μm，以防止该区比水平CCD传输沟道更深。
n型区9以0.2到1μm的宽度横跨整个水平CCD传输沟道。厚度小于或等于0.4μm，以防止该区比水平CCD传输沟道更深。
n型区11以0.2到1μm的宽度横跨整个水平CCD传输沟道。厚度小于或等于0.4μm，以防止该区比水平CCD传输沟道更深。
现在将参考图2A和2B说明本实施例带来的多余电子去除能力的改善和水平CCD处理电荷量的提高。在图2A和2B中，那些与图1中相同的组成元件采用相同的附图标记，而且不再对其进行说明。图2A示出了沿着图1的虚线17的区内的杂质分布(杂质分布21)。图2B示出了沿着图1的虚线17的区内的电势分布。当从固态成像装置的外围给作为水平CCD的n型区6和作为多余电子扫除器的n型区12施加电源电压、而且没有信号电荷时，n型区6、n型区9、n型区10和n型区11处于耗尽状态。由于n型区12扫除多余电子，所以它总是处于非耗尽状态。在图2B的电势22下，作为水平CCD的n型区6、n型区9、n型区10和n型区11处于耗尽状态，并且作为多余电子扫除器的n型区12处于非耗尽状态。在耗尽的n型区6和n型区12之间的n型区9、n型区10和n型区11的电势φ中存在以下关系：
        φ＝KT/q×1n(Nd/ni)
其中k是玻尔兹曼常数，q是元电荷，Nd是施主浓度，而ni是本征浓度(true concentration)。
作为水平CCD的n型区6的电势稍微形成对n型区10的势垒。由于来自n型区6的电势调整(modulation)可以在n型区9中被吸收，所以n型区10中的势垒将不调整和降低。同样，用作漏极的n型区12的电势对n型区10形成势垒。由于来自n型区12的电势调整可以在n型区11中被吸收，所以n型区10中的势垒将不调整和降低。由于来自n型区6和n型区12的电势调整不起作用，所以可以减小n型区10的宽度，并且还可以减小n型区10的势垒的距离28。
在作为水平CCD的n型区6中传输信号电荷25时，该电势变为电势23。当在大光量信号的情况下从像素元件流入多余电子26时，该电势变为电势24。由于该势垒的短距离28，多余电子26可以即刻扫除到作为多余电子扫除器的n型区12，如箭头27所示，这使扫除多余电子26的能力更高。而且，由于在n型区6、n型区9和n型区10之间杂质浓度逐级降低，所以多余电子26可以送入n型区10，而不会对形成了势垒的n型区10较大地提高电阻。这提高了扫除多余电子26的能力。
而且，可以减小n型区10的势垒中的狭窄效应，这提高了多余电子的扫除。结果，在n型区10中可以将该势垒设置得更高，因此不会降低水平CCD处理的电荷量。
如上所述，对于实施例1，第一n型扩散层选择性地形成在半导体衬底表面上，第二n型扩散层与第一n型扩散层的一端接触，而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高，以及第三n型扩散层与第一n型扩散层的另一端接触，而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高。结果，这提高了水平CCD的多余电子扫除器的多余电子扫除能力，而且使得即使使用大光量信号也可以输出图像，而不减少水平CCD处理的电荷量。
在图1中，附图标记10对应于第一n型扩散层，9对应于第二n型扩散层，而11对应于第三n型扩散层。
实施例2
图3是包括本发明实施例2中固态成像装置的多余电子扫除器的水平CCD元件的平面图。区33对应于像素元件中的多余电子扫除器和水平CCD沟道。区34对应于OB(遮光)元件中的多余电子扫除器和水平CCD沟道。沿着虚线35截取的横截面对应上面讨论的图1。也就是说，图1对应于与水平CCD中的信号电荷传输方向垂直的横截面，该水平CCD与本实施例中区33的像素元件相对应。还将通过参考图1来说明实施例2。图4是沿着图3中的虚线36的横截面示意图。也就是说，图4是与水平CCD中信号电荷传输方向垂直的横截面，该水平CCD与区34的OB元件对应。图3和4中与图1中相同的这些组成元件将不再进行说明。
在图3、4和1中，水平CCD传输沟道是选择性地形成在p型阱4上的n型区6。用于在大光量信号的情况下扫除流入水平CCD沟道的过剩和多余电子的多余电子扫除器是对应于像素元件的区33中的n型区12和对应于OB元件的区34中的n型区32。关于n型区12和n型区32，n型区32的浓度比n型区12更高，而且n型区12和n型区32选择性地形成在p型阱4上，彼此在一端相接触。形成n型区10，以便确定将用作水平CCD最大电荷处理量阈值的势垒，以及将用作在大光量信号的情况下从像素元件流入水平CCD沟道的过剩和多余电子的扫除量阈值的势垒。n型区10选择性地形成在p型阱4上。n型区9选择性地形成在p型阱4上，以便将作为水平CCD的n型区6与n型区10的一端相连。n型区11选择性地形成在区33和区34中的p型阱4上，从而将n型区10的另一端与n型区12和n型区32相连。p型区7直接形成在n型区6、n型区9、n型区10、n型区11和n型区12下面，以便将衬底1与这里的各个n型区隔开。用作器件隔离的厚氧化膜3选择性地形成在衬底1上。用于衬底1中的器件隔离的p型区2选择性地直接形成在厚氧化膜3下面。为了将区33的像素元件中的n型区12和区34的OB元件中的n型区32与衬底1隔开，在n型区12和n型区32下面选择性地形成p型区5，以便与p型区2和直接在p型区2下面的p型区7接触。第一水平传输栅电极13和第二水平传输栅电极31经由栅绝缘膜8形成在作为水平CCD沟道的n型区6上。
如果区34的OB元件中的n型区32的浓度比区33的像素元件中的n型区12更高，将可以快速扫除流入n型区12的任何多余电子和在区34的OB元件中形成势垒的n型区9、n型区10和n型区11上溢出并流入n型区32的多余电子，该n型区12是对应于区33的像素元件的多余电子扫除器。因此，可以提高多余电子扫除器扫除多余电子的能力，而且即使使用大光量信号也可以输出图像。此外，由于n型区12和n型区32对决定势垒的n型区10的电势没有影响，所以水平CCD处理的电荷量将不会减少。
而且，如果扫除多余电子能力优异的n型区32从区34的OB元件延伸到对应于区33的像素元件的多余电子扫除器和水平CCD，那么高浓度n型区32将设置在整个固态成像装置中，导致n型区32和衬底1之间的耐压低。例如，对于用于具有4百万像素的数字照相机的固态成像装置，与像素元件对应的水平CCD将具有大约2300比特，而与OB元件对应的水平CCD将具有大约50比特，这意味着像素元件的表面积是OB元件表面积的40倍以上。因此，当n型区32一直延伸到与区33的像素元件对应的区时，耐压减小的情况将比当其只设置在区34的OB元件中时的情况更差。防止n型区32和衬底1之间耐压减小的唯一途径是使p型阱4、p型区5和p型区7的浓度更高，或者加大n型区32和衬底1之间的深度。如果p型阱4、p型区5和p型区7设定为更高的浓度，这将导致作为水平CCD的n型区6中的整体传输效率下降。如果加大n型区32和衬底1之间的深度，这将导致在将电荷从光电二极管扫除到衬底1时的扫除电压(sweep voltage)提高。因此，n型区32必须限制在与区34的OB元件对应的区内。
如上所述，对于实施例2，第一n型扩散层选择性地形成在半导体衬底表面上，形成在半导体衬底表面上的第二n型扩散层与第一n型扩散层的一端接触，而且杂质浓度比第一n型扩散层的杂质浓度更高，第三n型扩散层形成在半导体衬底表面，而且第四n型扩散层形成在半导体衬底表面，从而一端与第二n型扩散层接触而另一端与第三n型扩散层接触，而且杂质浓度比第三n型扩散层的杂质浓度更高。结果，这提高了水平CCD的多余电子扫除器的多余电子扫除能力，而且即使使用大光量信号也可以输出图像，而不减少水平CCD处理的电荷量。
在图3中，附图标记10对应于第一n型扩散层，11对应于第二n型扩散层，12对应于第三n型扩散层，而32对应于第四n型扩散层。图3中，在区34和区33的接触之处设置n型区32的端部，但是重要的是可以快速扫除多余电子，而且作为区34的水平CCD的n型区6不充满多余电子，而且n型区32的端部可以设置在区34内的任何地方。
实施例3
图5是包括本发明实施例3中固态成像装置的多余电子扫除器的水平CCD元件的平面图。图6是沿着图5中的虚线53的横截面示意图。图7是沿着图5中的虚线54的横截面示意图。在图5、6和7中，那些与图1到4中相同的组成元件用相同的附图标记表示，而且不再进行说明。
在图5、6和7中，水平CCD传输沟道是选择性地形成在p型阱4上的n型区6。用于在大光量信号的情况下扫除流入水平CCD沟道的过剩和多余电子的多余电子扫除器是选择性地形成在p型阱4上的n型区12。形成n型区51和n型区52，以便确定将用作水平CCD最大电荷处理量阈值的势垒，以及将用作在大光量信号的情况下从像素元件流入水平CCD沟道的过剩和多余电子的扫除量阈值的势垒。在作为对应于像素元件的多余电子扫除器和水平CCD的区33中，决定上述势垒的区是n型区51，而且n型区51选择性地形成在p型阱4上，以便使n型区51的一端与n型区6接触，而相对端与n型区12接触。在作为对应于OB元件的多余电子扫除器和水平CCD的区34中，决定上述势垒的区是n型区52，而且这个n型区52选择性地形成在p型阱4上，以便使n型区52的一端与n型区6接触，而相对端与n型区12接触。由于决定上述势垒的区连续穿过水平CCD和多余电子扫除器，因此n型区51和n型区52在它们剩余端的其中之一彼此接触。而且，由于在区33中确保了水平CCD处理的电荷量，而且在区34中提高了扫除多余电子的能力，所以n型区51的浓度比n型区52更低。而且，由于对于n型区6和n型区12形成势垒，所以n型区51和n型区52形成为浓度比n型区6和n型区12更低。为了将衬底1与各个n型区隔开，在n型区6、n型区51、n型区52和n型区12下面直接形成p型区7。用于器件隔离的厚氧化膜3选择性地形成在衬底1上。在衬底1中用于器件隔离的p型区2选择性地直接形成在厚氧化膜3下面。为了将n型区12与衬底1隔开，p型区5选择性地形成在n型区12下面，以便与p型区2和直接在p型区2下面的p型区7接触。第一水平传输栅电极13和第二水平传输栅电极31经由栅绝缘膜8形成在作为水平CCD沟道的n型区6上。图6中的虚线61表示n型区6、12和51内、衬底1表面上的水平方向。图7中的虚线71表示n型区6、12和52内、衬底1表面上的水平方向。
下面将通过参考图8A和8B说明本实施例带来的对水平CCD处理电荷量的提高和对多余电子扫除能力的提高。在图8A和8B中，将不再说明与图1到7中相同的那些组成元件。
图8A示出沿着图6的虚线61的区内的杂质分布80，以及沿着图7的虚线71的区内的杂质分布81。这里，用于决定n型区6和n型区12之间势垒的区的杂质浓度在杂质分布80中比在杂质分布81中更低，而且可以看出，像素元件中的区33的杂质浓度比OB元件中的区34更低。图8B是在沿着图6的虚线61的区内的电势分布示意图，以及在沿着图7的虚线71的区内的电势分布示意图。当从固态成像装置的外围向作为水平CCD的n型区6和作为多余电子扫除器的n型区12施加电源电压、而且没有信号电荷时，n型区6、n型区51和n型区52处于耗尽状态。由于n型区12扫除多余电子，所以它总是处于非耗尽状态。在对应于像素元件的区33中没有信号电荷的状态下的电势分布是电势分布82。在对应于OB元件的区34中没有信号电荷的状态下的电势分布是电势分布86。由于对应于像素元件的区33内的n型区51浓度低，n型区51内的势垒是电势83，所以导致高势垒。因此，可以在不引起任何传输退化例如溢出到水平CCD后部的传输单元(transfer cell)的情况下，提高可以处理的最大电荷量。接下来，当存在大光量信号并且多余电子84从像素元件流入作为水平CCD的n型区6时，电势上升，而且形成电势分布85。在这点上，如果作为对应于像素元件的水平CCD的n型区6充满多余电子84，这些电子将溢出到后部的传输单元中，而且到达与OB元件相对应的区34。但是，由于对应于OB元件的区34中的n型区52内的势垒设定为电势87，使其低于电势83，在多余电子84到达对应于OB元件的区34的同时，这些多余电子84可以扫除到作为多余电子扫除器的n型区12，所以n型区6中的电势只降低到电势89。因此，对应于OB元件的区34中的水平CCD没有被多余电子84完全掩埋，而且即使用大光量信号也可以输出图像。而且，由于n型区52的势垒87低，来自n型区6和n型区12的电势狭窄效应更加显著，而且多余电子84的扫除距离变为距离90，因此扫除距离更短。因此，更加提高了作为多余电子扫除器的n型区12扫除多余电子的能力。
如上所述，对于实施例3，第一n型扩散层选择性地形成在半导体衬底表面，第二n型扩散层选择性地形成在半导体衬底表面，第三n型扩散层选择性地形成在半导体衬底表面，从而一端与第一n型扩散层接触而相对端与第二n型扩散层接触，并且第四n型扩散层选择性地形成在半导体衬底表面从而一端与第一n型扩散层接触而相对端与第二n型扩散层接触，而且剩余端的其中之一与第三扩散层接触，而且浓度比第三n型扩散层的浓度更低。结果，这提高了水平CCD的多余电子扫除器扫除多余电子的能力，而且使得即使使用大光量信号也可以输出图像，而不减少水平CCD处理的电荷量。
在图5中，附图标记6对应于第一n型扩散层，12对应于第二n型扩散层，52对应于第三n型扩散层，而51对应于第四n型扩散层。
此外，实施例3描述了一种结构，其中n型区51和n型区52分别设置在对应于像素元件的区33和对应于OB元件的区34中，但是本实施例3的基本特征在于作为OB元件的区34的势垒设定为比在作为像素元件的区33内的势垒更小。因此，当n型区51和n型区52的浓度相同时将获得相同的效果，而且在n型区52侧n型区6和n型区12之间的距离比n型区51侧n型区6和n型区12之间的距离更短。
而且，图5中n型区51和n型区52之间的分界线设置在区33和区34之间的分界线处，但是重要的是可以快速地扫除多余电子，而且作为区34的水平CCD的n型区6不充满多余电子，因此n型区51和n型区52之间的分界线可以设置在区34中的任何地方。
在不脱离本发明的精神或实质特征的情况下，本发明可以体现为其它形式。本申请中公开的实施例无论如何应该看作是示意性的，而不是限制性的。本发明的范围由附属的权利要求书来限定，而不由前面的说明来限定，而且属于该权利要求等价物的含义和范围内的所有变化都将被包含在内。

Claims (15)

1、一种固态成像装置，包括：
二维地设置在半导体衬底上的光电二极管；
用于垂直传输从该光电二极管读出的信号电荷的垂直传输电荷耦合装置；
用于接收和水平传输由该垂直传输电荷耦合装置传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置；
用于扫除多余电子的多余电子扫除器；以及
在该水平传输电荷耦合装置和该多余电子扫除器之间的势垒，
其中该势垒包括：
选择性地形成在该半导体衬底表面上的第一n型扩散层；
与该第一n型扩散层的一端接触而且杂质浓度比该第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层；以及
与该第一n型扩散层的另一端接触而且杂质浓度比该第一n型扩散层的杂质浓度更高的第三n型扩散层。
2、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述第一n型扩散层的杂质浓度至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3，
所述第二n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3，以及
所述第三n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
3、一种固态成像装置，包括：
二维地设置在半导体衬底上的光电二极管；
用于垂直传输从所述光电二极管读出的信号电荷的垂直传输电荷耦合装置；
用于接收和水平传输由所述垂直传输电荷耦合装置传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置；
用于扫除多余电子的多余电子扫除器；以及
在所述水平传输电荷耦合装置和所述多余电子扫除器之间的势垒，
其中该势垒包括：
选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第一n型扩散层；以及
与所述第一n型扩散层的至少一端接触而且杂质浓度比所述第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层。
4、根据权利要求3所述的固态成像装置，其中所述第一n型扩散层的杂质浓度至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3，以及
所述第二n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
5、一种固态成像装置，包括：
二维地设置在半导体衬底上的光电二极管；
用于垂直传输从所述光电二极管读出的信号电荷的垂直传输电荷耦合装置；
用于接收和水平传输由所述垂直传输电荷耦合装置传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置；
用于扫除多余电子的多余电子扫除器；以及
在所述水平传输电荷耦合装置和所述多余电子扫除器之间的势垒，
其中该多余电子扫除器包括：
选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第一n型扩散层；
与所述第一n型扩散层的一端接触而且杂质浓度比所述第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层；以及
与所述第一n型扩散层的另一端接触而且杂质浓度比所述第一n型扩散层的杂质浓度更高的第三n型扩散层，
该水平传输电荷耦合装置包括在第二n型扩散层的与所述第一n型扩散层侧的相对侧、与所述第二n型扩散层的端部接触而且杂质浓度比所述第二n型扩散层的杂质浓度更高的第四n型扩散层，以及
所述多余电子扫除器包括形成在该半导体衬底表面上、在第三n型扩散层的与所述第一n型扩散层的相对侧、与所述第三n型扩散层的端部接触而且杂质浓度比所述第三n型扩散层的杂质浓度更高的第五n型扩散层。
6、根据权利要求5所述的固态成像装置，其中所述第一n型扩散层的杂质浓度至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3，
所述第二n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3，以及
所述第三n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
7、一种固态成像装置，包括：
二维地设置在半导体衬底上的光电二极管；
用于垂直传输从所述光电二极管读出的信号电荷的垂直传输电荷耦合装置；
用于接收和水平传输由所述垂直传输电荷耦合装置传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置；
用于扫除多余电子的多余电子扫除器；以及
在所述水平传输电荷耦合装置和所述多余电子扫除器之间的势垒，
其中该势垒包括：
选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第一n型扩散层；以及
与所述第一n型扩散层的一端接触而且杂质浓度比所述第一n型扩散层的杂质浓度更高的第二n型扩散层，以及
所述多余电子扫除器包括：
形成为与所述第二n型扩散层接触的第三n型扩散层；和
形成为一端与所述第二n型扩散层接触而另一端与所述第三n型扩散层接触的第四n型扩散层。
8、根据权利要求7所述的固态成像装置，其中所述第一n型扩散层的杂质浓度至少是1×1016cm-3且不大于5×1018cm-3，以及
所述第二n型扩散层的杂质浓度至少是1×1017cm-3且不大于5×1019cm-3。
9、根据权利要求7所述的固态成像装置，其中所述第四n型扩散层存在于决定图像黑度值的遮光元件中，而且形成为杂质浓度比所述第三n型扩散层的杂质浓度更高。
10、一种固态成像装置，包括：
二维地设置在半导体衬底上的光电二极管；
用于垂直传输从所述光电二极管读出的信号电荷的垂直传输电荷耦合装置；
用于接收和水平传输由所述垂直传输电荷耦合装置传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置；
用于扫除多余电子的多余电子扫除器；以及
在所述水平传输电荷耦合装置和所述多余电子扫除器之间的势垒，
其中该水平传输电荷耦合装置包括选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第一n型扩散层，
该多余电子扫除器包括选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第二n型扩散层，以及
该势垒包括：
选择性地形成在所述半导体衬底表面上，从而一端与所述第一n型扩散层接触而相对端与所述第二n型扩散层接触的第三n型扩散层；以及
选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第四n型扩散层，以使该第四n型扩散层的一端与所述第一n型扩散层接触而相对端与所述第二n型扩散层接触，而且剩余端的其中之一与所述第三n型扩散层接触，而且杂质浓度比所述第三n型扩散层的杂质浓度更高。
11、根据权利要求10所述的固态成像装置，其中所述第四n型扩散层存在于决定图像黑度值的遮光元件中。
12、根据权利要求10所述的固态成像装置，其中所述第三n型扩散层的杂质浓度至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3，以及
所述第四n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
13、一种固态成像装置，包括：
二维地设置在半导体衬底上的光电二极管；
用于垂直传输从所述光电二极管读出的信号电荷的垂直传输电荷耦合装置；
用于接收和水平传输由所述垂直传输电荷耦合装置传输的信号电荷的水平传输电荷耦合装置；
用于扫除多余电子的多余电子扫除器；以及
在所述水平传输电荷耦合装置和所述多余电子扫除器之间的势垒，
其中该水平传输电荷耦合装置包括选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第一n型扩散层，
该多余电子扫除器包括选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第二n型扩散层，以及
该势垒包括：
选择性地形成在所述半导体衬底表面，从而一端与所述第一n型扩散层接触而相对端与所述第二n型扩散层接触的第三n型扩散层；以及
选择性地形成在所述半导体衬底表面上的第四n型扩散层，以使该第四n型扩散层的一端与所述第一n型扩散层接触而相对端与所述第二n型扩散层接触，而且剩余端的其中之一与所述第三n型扩散层接触，而且因此耗尽期间的电势比所述第三n型扩散层的电势更高。
14、根据权利要求13所述的固态成像装置，其中所述第四n型扩散层存在于决定图像黑度值的遮光元件中。
15、根据权利要求13所述的固态成像装置，其中所述第三n型扩散层的杂质浓度至少是1×1014cm-3且不大于5×1017cm-3，以及所述第四n型扩散层的杂质浓度至少是1×1015cm-3且不大于1×1018cm-3。
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