TWI231997B - Charge-transferring device - Google Patents
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Description
1231997 φκ:重設時脈。 扬J、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化 學式：無 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電荷傳送元件，詳細地說，是 有關於一種用於提高輸出靈敏度的輸出部構造。 【先前技術】 圖7表示幀傳送方式的CCD(Charge Coupled Device， 電荷耦合元件）固體攝像元件的構成圖。幀傳送方式的CCD 固體攝像元件包含攝像部10i、存儲部l〇s、水平傳送部l〇h 以及輸出部10d。在攝像部10i中所生成的資訊電荷通過 作爲CCD移位暫存器的電荷傳送元件被傳送到存儲部 l〇s。資訊電荷被保持在存儲部10s中，同時，逐行向水 平傳送部10h傳送，再逐個像素地從水平傳送部10h向輸 出部l〇d傳送。輸出部10d將每個像素的資訊電荷量變換 成電壓値，並將該電壓値的變化設定爲CCD輸出。 在水平傳送部l〇h的通道區域的輸出一側設置具有 用於暫時存儲資訊電荷的電容的浮置擴散（電容）區域， 將通過被存儲在該電容中的電荷產生的電位的變動作爲輸 出信號取出。輸出信號的電位變爲用浮置擴散區域的電容 値去除被存儲的資訊電荷的値。通過减小該浮置擴散區域 的電容値能夠提高固體攝像元件的輸出靈敏度。 圖8是輸出部l〇d的等效電路圖。另外，圖9是表 13054pif.doc/008 5 1231997 示水平傳送部l〇h、輸出部10d的構造的平面圖。 輸出部10d如圖8所不那樣’基本上由3個輸出電 晶體Tdl、Td2、Td3以及3個負載電晶體Tal、Ta2、Ta3構 成。輸出電晶體Tdl和負載電晶體Tal被串聯連接並構成 第1級的源跟隨器電路。同樣，輸出電晶體Td2和負載電 晶體Ta2以及輸出電晶體Td3和負載電晶體Ta3各自被串聯 連接並構成第2級和第3級的源跟隨器(source follower)電 路0 第1級的源跟隨器電路的輸出電晶體Tdl的閘極被連 接到浮置擴散區域FD。第1〜3級的源跟隨器電路被串聯 連接，第3級的源跟隨器電路的輸出電晶體Td3的源極電 位作爲固體攝像元件的輸出信號乂01；7被取出。 水平傳送部l〇h的通道12在N型半導體基底中擴散 P型雜質並在被配置在半導體基底的一個主面的P井13 內被形成。此處，在P井13中外加接地電位V(JND，在n 型半導體基底中外加5〜10V左右的電位。 通道區域12上的重設(reset)電晶體被形成的元件 區域18與通道區域12連接並被形成。在作爲重設電晶體 Tr的汲極和源極的區域中擴散N型雜質，並各自變成浮置 擴散區域FD和重設汲極區域RD。 在通道區域12上，多個傳送電極14a、14b夾持絕緣 膜並相互平行地被配置。而且，輸出控制電極16與傳送 電極14a、14b被平行地配置。傳送時脈φ η被外加到傳送 電極14a、14b，資訊電荷沿著通道區域12向輸出控制電 13054pif.doc/008 6 1231997 極16被傳送。一定的輸出控制電壓V0(3被外加到輸出控 制電極16，資訊電荷經過在輸出控制電極16的下面所形 成的通道被輸出到浮置擴散區域FD。 在元件區域18中，重設電極20經由絕緣膜被配置 以便跨越浮置擴散區域FD和重設汲極區域RD，並形成重 設電晶體1\。另外，源極配線22被連接到浮置擴散區域 FD，汲極配線24被連接到重設汲極區域RD。 通過輸出控制電壓Voc被輸出到浮置擴散區域FD的 資訊電荷被存儲到浮置擴散區域FD並被變換成電壓値。 浮置擴散區域FD的電壓値通過源極配線22被取出。 另外，通過預先將汲極電壓VRD外加到汲極配線24， 將重設時脈〇&外加到重設電極20，能夠使重設電晶體Tr 接通，並經由重設汲極區域RD將在浮置擴散區域FD中 所存儲的資訊電荷排出到汲極配線24。 在半導體基底上形成第1級的源跟隨器電路的元件 區域26從元件區域18間隔規定的距離被設置。而且，形 成第2級的源跟隨器電路的元件區域28和形成第3級的 源跟隨器電路的元件區域30與其它的元件區域相互間隔 規定的距離被設置。 元件區域26、28、30在N型半導體基底的一個主面 上用使P型雜質擴散的P井被形成。N型雜質被擴散到元 件區域26，並形成輸出電晶體Tdl的汲極區域D dl和源極 區域Sdl以及負載電晶體Tal的汲極區域Dal和源極區域S al。同樣，N型雜質也被擴散到元件區域28、30，並形成 13054pif.doc/008 7 1231997 汲極區域〇(12、0&2、0(13、0?13以及3(12、332、8(13、833。 源極配線22被配置以便向元件區域26延伸，並經 由絕緣膜跨越汲極區域D dl和S dl。它將變成輸出電晶體 T dl的閘極電極。輸出電晶體T dl的源極區域S dl和負載 電晶體T al的汲極區域D al通過源極配線32被連接。而 且，源極配線32被配置以便向元件區域28延伸，並經由 絕緣膜跨越汲極區域D d2和源極區域S d2。它將變成輸出 電晶體T &的閘極電極。同樣，輸出電晶體T d2的源極配 線34也被配置，源極區域S d2、汲極區域D a2以及輸出電 晶體Td3的閘極電極被連接。源極區域Sd3和汲極區域Da3 通過源極配線36被連接，其源極配線36取出固體攝像元 件的輸出信號VQUT並變爲配線。 在負載電晶體Tal、Ta2、T a3的汲極區域D al、Da2、 D a3和源極區域Sal、Sa2、Sa3中經由絕緣膜配置閘極電極 38，並外加共用的閘極電位VCCT。另外，汲極區域D dl、 〇d2、D d3通過汲極配線40被連接並外加共用電源電位 VDD，源極區域Sal、Sa2、Sa3通過接地配線42被連接，並 被維持成接地電位VCND。 參照日本專利早期公開之特開2000—91557號公報， 在上述那樣的水平傳送部l〇h、輸出部i〇d那樣的電荷傳 送元件的構成中，若將第1級的輸出電晶體Tdl的元件區 域26的P井固定爲接地電位VCND，那麽伴隨著源極配線 32的電位VBS的變動，如公式（1 )所表示的那樣，將產 生輸出電晶體Tdl的閥値電壓Vth變動的反向閘極效果。 13054pif.doc/008 8 1231997 該反向閘極效果引起輸出電晶體Tdl的增益的變動。其結 果’例如’將產生固體攝像元件的輸出變成不穩定的問題。 【公式1】 通⑺ P—a.VBS ( 1 )
Na : P井的表面濃度 VBS :源極電位 另一方面，人們考慮到將輸出電晶體Tdl的元件區域 26的P井和源極區域S dl連接起來並固定爲該電位的方 法。但是，使用該方法在P井13和元件區域26的P井之 間將產生電位差，並容易使兩個區域之間短路。因此，必 須使兩個區域之間的距離充分加寬到不產生短路的程度， 作爲結果將存在增大固體攝像元件的尺寸的問題。 另外，爲防止短路，若加大兩個區域之間的距離， 那麽連接浮置擴散區域FD和輸出電晶體Tdl的閘極的源 極配線22就變長，並增大配線電容。其結果，源極配線22 的配線電容和浮置擴散區域FD的電容互補，存儲相同資 訊電荷的場合的電位的變化變小。其結果例如將產生降低 輸出部l〇h的增益，或降低固體攝像元件的動作速度的問 題。 【發明內容】 本發明的目的在於，鑒於上述現有技術的問題，提 供應解决至少上述課題的一個，並改進輸出部的構造的電 荷傳送元件。 能解决上述課題的本發明，其特徵在於，包括：被 13054pif.doc/008 9 1231997 在圖2中表示本發明實施形態的固體攝像元件中的 輸出部l〇d的等效電路。輸出部10d與現有技術相同包含 基本上由3個輸出電晶體Tdl、Td2、Td3和3個負載電晶體 Tal、Ta2、Ta3構成的、被串聯連接成3級的源跟隨器電路。 圖1是表示輸出部l〇d的構造的平面圖。水平傳送 部10h的通道區域12在將P型雜質擴散到N型半導體基 底的一個主面的P井50內被形成。P井50與形成攝像部 l〇i、存儲部10s的P井被連接形成，並被外加接地電位 VCND。在本實施形態中，P井被延伸到輸出電晶體Tdl的 元件區域52並被形成。 N型雜質被擴散到與水平傳送部l〇h連接並被形成的 元件區域54，分別變成重設(reset)電晶體Tr的浮置擴散區 域FD和重設汲極區域RD。 在通道區域12上，傳送電極14a、14b和輸出控制電 極16夾持絕緣膜並相互平行地被配置。另外’重設電晶 體凡的重設電極20經由絕緣膜橫跨浮置擴散區域FD和 重設汲極區域RD被配置。而且，源極配線22被連接到 浮置擴散區域FD，汲極配線24被連接到重設汲極區域 RD。 在與p井50連接的元件區域52中再擴散N型雜質， 形成輸出電晶體Tdl的汲極區域Ddl和源極區域Sdl。而且， 在汲極區域Ddl和源極區域Sdl之間的表面附近形成用低 濃度注入了 N型雜質的通道摻雜區域56。 重設電晶體几的源極配線22向元件區域52被延伸， 13054pif.doc/008 11 1231997 並經由絕緣膜被配置以便跨越汲極區域Ddi和源極區域Sdl 變成輸出電晶體Tdl的閘極電極。
在半導體基底上’再與其它的元件區域相互間隔規 定的距離設置形成第1級的負載電晶體Tal的元件區域 58、形成第2級的源跟隨器電路的兀件區域60和形成第3 級源跟隨器電路的元件區域62。元件區域58、61、63在 使P型雜質擴散到N型半導體基底的一個主面的P井中被 形成，並對各P井外加接地電位Vgnd。將N型雜質擴散 到元件區域58、61、63中’形成構成負載電晶體Tal、Ta2、 Ta3的汲極區域Da2、D a3以及S al、S a2、S a3。元件區域 60、62與元件區域61、63鄰接被配置’將P型和N型雜 質注入到規定的部位’並形成構成輸出電晶體Td2、T d3的 P井、汲極區域Dd2、Dd3以及sd2、Sd3。該元件區域60、 62在P井內形成P+區域’該p+區域和源極區域被連接’ P 井的電位被固定爲源極電位° 連接輸出電晶體Tdl、Td2、Td3負載電晶體Tal、Ta2、 Ta3的各配線與現有相同地被配置。即’輸出電晶體Tcn的 源極區域S dl和負載電晶體Tal的汲極區域Dal通過源極 配線32被連接，而且，源極配線32向元件區域28延伸， 並經由絕緣膜被配置以便跨越汲極區域Dd2和源極區域S d2。同樣，源極配線34連接源極區域Sd2和汲極區域Da2， 並兼作輸出電晶體Td3的閘極電極。源極區域S d3和汲極 區域D a3通過源極配線36被連接，該源極配線36變成固 體攝像元件的輸出信號V0Ut的取出配線。另外，閘極電 13054pif.doc/008 12 1231997 極38經由絕緣膜被配置到負載電晶體Tal、Ta2、Ta3。並 且，汲極區域D al、D a2、D a3通過汲極配線40被連接， 源極區域Sal、Sa2 ' Sa3通過接地配線42被連接。 在圖3中表不在本實施形態的固體攝像兀件中的輸 出電晶體Tdl的X-X之間切斷的橫斷面構造。另外’在圖 4中表示圖3的Y-Y深度方向的實效的雜質濃度分布。 形成輸出電晶體Tdl的元件區域52由水平傳送部10h 的通道區域12和共用的P井50構成，在該P井50中用 高濃度添加N型雜質形成汲極區域D dl和源極區域S dl。 在該汲極區域D dl和源極區域S dl之間的表面附近通過注 入N型雜質被反向摻雜，在輸出電晶體Tdl的閘極區域形 成通道摻雜區域56。因此，配置輸出電晶體Tdl的P井50 如圖4所示那樣，沿著基底深度方向，在表面區域a將雜 質濃度設置得比中間區域b低'，該結果，基底深度方向的 雜質分布在P井50中的中間位置b達到極大値。 此外，輸出部l〇d的構造，如圖5的平面圖所示那 樣，可以設定爲使通道區域12的P井50與負載電晶體Tal、 Ta2、Ta3的P井共用化的構造。 〈固體攝像元件的製造方法〉 圖6(a)〜6(g)是形成本實施形態的固體攝像元件中的 輸出部l〇d的製程流程圖。以下，參照圖6(a)〜6(g)說明關 於固體攝像元件的輸出部l〇d的製造方法。 在N型半導體基底70上使氧化膜72成膜，使用規 定的罩幕圖案在形成P井50的區域設置開口部（圖6( a ))。 13054pif.doc/008 13 1231997 該氧化膜72被利用作爲下次離子注入步驟的罩幕。另外， 氧化膜72最終變爲分離元件的場氧化膜。 通過將氧化膜72作爲罩幕，將硼（B)、鋁（AI)、 鎵（Ga)、或銦（In)等P型雜質進行離子注入並使其擴 散，在半導體基底70上形成P井50 (圖6 (b))。例如， 在數lOOKeV的能量中用1012〜1018/cm2的面密度注入P 型雜質。 接著，在氧化膜72的開口部使氧化膜74成膜，使 用規定的罩幕圖案在作爲輸出電晶體Tdl的汲極區域Ddl 和源極區域Sdl的區域中設置開口部（圖6 (c))。該氧化 膜74在下次的離子注入步驟中被利用作爲罩幕。 通過將氧化膜4作爲罩幕，將磷（P)、砷（As)或 銻（Sb)等N型雜質等進行離子注入並使其擴散，在P井 50中形成汲極區域Ddl和源極區域Sdl (圖6 (d))。例如， 在數lOOKeV左右的能量中用1015〜1016/cm2的面密度注 入N型雜質。 上述的圖6(a)〜（d)的步驟即使對於形成重設電晶 體乃的元件區域54和形成其它的電晶體的元件區域58、 60、62也能夠同時進行。因此，能夠形成元件區域58、60、 62的P井和浮置擴散區域FD、重設汲極區域RD，以及 汲極區域D al、D d2、D a2、D d3、D a3和源極區域S al、S d2、 S a2、S d3、S a3 o 接著，除去氧化膜74，重新使氧化膜76成膜，並使 用規定的罩幕圖案在作爲輸出電晶體Tdl的閘極區域78(在 13054pif.doc/008 14 1231997 汲極區域Ddl和源極區域Sdl之間）的區域設置開口部（圖 6 (e))。開口部在重設電晶體Tr以及其它輸出電晶體和負 載電晶體等閘極區域沒有設置。該氧化膜76在下次的離 子注入步驟中被利用作爲罩幕。 通過將氧化膜76作爲罩幕，在P井50的表面區域 注入磷（P)、砷（As)或銻（Sb)等N型雜質並使其擴 散，形成溝摻雜區域56 (圖6 ( 〇)。例如，在數lOOKeV 左右的能量中用1〇12〜l〇13/cm2的面密度注入N型雜質。 接著，在輸出電晶體Tdl以外的電晶體的閘極區域的 氧化膜76中也設置開口部，並在各閘極區域形成閘極氧 化膜80。而且，使用規定的罩幕圖案使多晶矽層和金屬膜 成膜，並進行各配線（圖6 (g))。 像以上那樣，能夠形成本實施形態的固體攝像元件 中的輸出部l〇d。但是，不應受此限制，可以使用其它現 有的半導體製造方法。另外，在本實施形態中，限定於固 體攝像元件的輸出部l〇d進行了說明，但不言而喻，可以 使上述步驟的一部分與固體攝像元件的其它區域的製造步 驟共用化。 像以上已說明的那樣，在本實施形態的固體攝像元 件中，通過降低P井50的表面區域的實效的P型雜質濃 度，在將包含通道區域12和元件區域52的P井50固定 爲接地電位VCND的場合也能夠抑制輸出電晶體Tdl的反向 閘極效果。即，如公式（1 )所示那樣，由於輸出電晶體 Tdl的閥値電壓Vth與輸出電晶體Tdl閘極區域的P井50 13054pif.doc/008 1231997 的表面區域的實效的P型雜質濃度Na的平方根和和源極 配線32的電位VBS的平方根成比例，因此通過降低實效 的雜質濃度Na，能夠抑制隨著電位VBS的變化的閥値電壓 Vth的變動。 因此，不連接輸出電晶體Tdl的元件區域52的P井 和源極區域S dl並固定爲該電位，而能夠抑制反向閘極效 果。 而且，由於難以產生P井50和元件區域52的短路， 因此能夠縮短P井50和元件區域52的距離。由此，源極 配線22也變短，並能夠歷_配線電容抑制到低的容量。 通過這些作用，例如能夠在保持輸出部l〇d的高增 益的同時，縮小固體攝像元件的尺寸。 若依據本發明，就能夠抑制電荷傳送元件的輸出部中的電 晶體的反向閘極效果。其結果，不隨著固體攝像元件尺寸 的大型化，而能得到輸出部的高電壓放大增益。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明實施形態中的固體攝像元件的輸出部 的等效電路圖。 圖2是本發明實施形態中的固體攝像元件的輸出部 的平面構造圖。圖3是本發明實施形態中的固體攝像元件 13054pif.doc/008 1231997 的輸出部的橫斷面圖。 圖4是表示本發明實施形態中的固體攝像元件的輸 出電晶體的實效的雜質濃度分布的圖。 圖5是表示本發明實施形態中的固體攝像元件的輸 出部的變化例的橫斷面圖。 圖6(a)〜6(g)是本發明實施形態中的固體攝像元件的 製造步驟的製程流程圖。 圖7是表示固體攝像元件的構成的槪略的方框圖。 圖8是現有的固體攝像元件的輸出部的等效電路圖。 圖9是現有的固體攝像元件的輸出部的平面構造圖。 【圖式標示說明】 10d:輸出部，10i:攝像部，10h:水平傳送部， 10s:存儲部，13、50:P 井， 18、26、28、30:元件區域，12:通道， 14a、14b:傳送電極，16:輸出控制電極， 20:重設電極，22、32、34、36:源極配線， 24:汲極配線，38:閘極電極， 40:汲極配線，42:接地配線， 52、54、58、60、61、62、63、66:元件區域， 56:通道摻雜區域，70:半導體基底， 72、74、76:氧化膜，78:聞極區域，80:聞極氧化膜， Dai，Da2、Da3、Ddl、Dd2、Dd3:汲極區域， FD:浮置擴散區域，RD:重設汲極區域，
Tai、Ta2、Ta3:負載電晶體’ 13054pif.doc/008 17 1231997
Tdl、Td2、Td3:輸出電晶體，IV重設電晶體， VDD:共用電源電位，VCC}:共用的閘極電位， vQCJ:輸出控制電壓，VQUT:輸出信號， vRD:汲極電壓，
Sal、Sa2、Sa3、Sdl ’ Sd2 ’ Sd3:源極區域， ΦΗ:傳送時脈，:重設時脈。 13054pif.doc/008 18
Claims (1)
12319¾ 93102469號中文專利範圍無劃织
修正日期:2005.2.16 拾、申請專利範圍： 1. 一種電荷傳送元件，其特徵在於，包括： 被配置在一個導電型半導體基底的一個主面的逆導 電型的半導體區域； 在所述半導體基底上沿著一個方向延伸並被配置的 一個導電型的通道區域； 在所述半導體基底上與所述通道區域交叉並被配置 的多個傳送電極； 在所述半導體區域內與所述通道區域連接並被配置 的電容；以及 在所述半導體區域內配置源極和汲極，且閘極被連接 到所述電容的輸出電晶體， 其中配置了所述輸出電晶體的所述半導體區域，在所 述半導體基底的深度方向的雜質濃度分布在所述半導體區 域的中間位置達到極大値。 2. 如申請專利範圍第1項所述的電荷傳送元件，其特 徵在於，其中配置了所述輸出電晶體的所述半導體區域， 在沿著所述半導體基底的深度方向上，在表面區域雜質濃 度比中間區域低。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的電荷傳送元 件，其特徵在於，更包括與所述輸出電晶體串聯連接的負 載電晶體，所述負載電晶體是被配置在配置有所述輸出電 晶體的所述半導體區域內。 13054pifl.doc
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