TWI505454B - 固態攝像裝置及其驅動方法、固態攝像裝置之製造方法、以及電子資訊機器 - Google Patents

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Description

固態攝像裝置及其驅動方法、固態攝像裝置之製造方法、以及電子資訊機器
本發明係關於一種固態攝像裝置及一種該固態攝像裝置之驅動方法、一種一固態攝像裝置之製造方法以及一種電子資訊機器。更特定而言，本發明係關於：一種固態攝像裝置，其用於藉由一半導體基板內之一光電轉換元件來光電轉換已自該半導體基板之一個表面進入之來自一被攝體之入射光且在該半導體基板之另一表面側上將藉由該光電轉換所獲得之信號電荷轉換成電信號以擷取一影像；及一種該固態攝像裝置之驅動方法；一種此一固態攝像裝置之製造方法；以及一種配備有此一固態攝像裝置之電子資訊機器。
近年來，作為一高度敏感固態攝像裝置之一背面照明類型固態攝像裝置之發展一直在進步。此一背面照明類型固態攝像裝置經組態以包含形成於一矽基板之前表面側上之電路元件、佈線層及諸如此類且允許光進入該矽基板之後表面側中以擷取一影像。
在具有此一組態之固態攝像裝置之情況下，接收光之孔徑比可增加且朝向光電轉換元件之入射光之吸收或反射可被抑制。
舉例而言，專利文獻1揭示一習用後表面光接收類型(背面照明類型)CMOS影像感測器。
圖9係用於闡述專利文獻1中所揭示之背面照明類型 CMOS影像感測器之一圖式。圖9(a)示意性圖解說明CMOS影像感測器之一整體組態。圖9(b)圖解說明CMOS影像感測器中一單元像素之一電路組態。
一CMOS影像感測器10包括：一像素區段11，其係藉由將像素(在下文中亦稱作單元像素)配置成列及行而獲得；一垂直選擇電路(V選擇電路)12，其用於以一個列為單位選擇像素區段11中之像素；及一信號處理電路(S/H、CDS電路)13，其用於對來自由垂直選擇電路12所選擇之一像素列中之像素之像素信號執行一雜訊減少處理且存留該像素信號。信號處理電路13對來自所選擇列中之每一者之像素之像素信號執行移除每一像素之一固定雜訊型樣之一處理。
CMOS影像感測器10進一步包括：一水平選擇電路(H選擇電路)14，其用於依次選擇及輸出存留於信號處理電路13中之像素信號；一AGC電路16，其用於藉助一適當增益放大來自信號處理電路13之像素信號之輸出；一A/D轉換器17，其用於將由AGC電路16放大之像素信號轉換成數位像素信號；一數位放大器18，其用於放大並輸出數位像素信號；及一時序產生區段(TG)15，其用於產生用於控制以上所闡述電路中之每一者之時序信號。
如圖9(b)中所圖解說明，一單元像素Px包括：一光電轉換元件(光電二極體)21，其用於藉由入射光之光電轉換而產生信號電荷；一轉移電晶體22，其用於將該光電二極體中所產生之信號電荷轉移至一電荷累積區段FD；一重設電 晶體25，其連接於一電源Vdd與電荷累積區段FD之間，用於重設電荷累積區段FD之電荷；及一放大電晶體23及一選擇電晶體(位址電晶體)24，其串聯連接於一讀取信號線(垂直信號線)27與電源Vdd之間。此處，選擇電晶體(位址電晶體)24係用於選擇一像素列，且放大電晶體23(其閘極連接至電荷累積區段FD)係用於放大並輸出電荷累積區段FD之一電位。
此處，轉移電晶體22之閘極與一轉移導線26連接，重設電晶體25之閘極與一重設導線29連接，且位址電晶體24之閘極與一位址導線28連接。此外，此外，垂直信號線27中之一端與一恆定電流電路I連接。
此外，CMOS影像感測器10形成於一半導體基板(諸如一矽基板)上。在下文中，將闡述在該半導體基板中一像素區段形成於其中之一區(像素區)及周邊電路形成於其中之一區(周邊電路區)。
圖10圖解說明半導體基板之一像素區及一周邊電路區之一剖面結構。
在本文中，一N- 型矽基板41用作半導體基板，且其厚度期望係針對可見光5 μm至15 μm，且其設定為10 μm。
在N- 型矽基板41之像素區中，一淺、後表面P+ 層42形成於貫穿像素區段之整個表面之一個表面(後表面)側上。此外，用於分離調整像素之一像素分離區係藉由與後表面P+ 層42連接之一深P井43形成。
一光電二極體37形成於一N- 型區44a中，該N- 型區係其 中不形成P井43之N- 型矽基板41之區。N- 型區44a係一光電轉換區。該N- 型區之面積係較小且具有一低雜質濃度以使得其完全空乏。一電荷累積N+ 區44形成於N- 型區44a上，區44累積信號電荷(電子)。一前表面P+ 層45進一步形成於電荷累積N+ 區上用於實現一嵌入式光電二極體。在本文中，在嵌入式光電二極體中，前表面P+ 層45形成於電荷累積N+ 區44之前表面上以增加可能與由於用於累積信號電荷(電子)之電荷累積N+ 區44之前表面上之晶體缺陷或諸如此類所熱產生之雜訊電荷(電子)耦合之電洞之一濃度，且藉由縮短雜訊電荷(除信號電荷以外)之壽命來抑制由於該等雜訊電荷所致之雜訊。
光電二極體37經形成以使得光接收表面(後表面)側上之表面積經形成大於佈線層(前表面側)側之表面積。因此，可高效地接收入射光。將由N- 型區44a光電轉換且由電荷累積N+ 區44積累(該等區構成光電二極體37)之信號電荷藉由一轉移電晶體46(圖9(b)中之轉移電晶體22)轉移至充當一電荷累積區段(浮動擴散)FD之一N+ 型區47。構成光電二極體37之N- 型區44a及電荷累積N+ 區44藉由一電荷轉移P- 層48與構成電荷累積區段FD之N+ 型區47電分離。
一像素內除轉移電晶體46以外的電晶體(圖9(b)中之放大電晶體23、位址電晶體24及重設電晶體25)係以一正常方式形成於深P井43中。另一方面，關於周邊電路區，一P井(Pwell)49形成於不到達後表面P+ 層42之一深度處，且一N井(Nwell)50進一步形成於P井49內部，因此組態形成於井 49及50之區中之一CMOS電路。
在具有此一組態之一固態攝像裝置中，使用一像素結構以使得一閘極電極及包括進一步定位在閘極電極外部之複數個導線之一佈線層形成於一矽基板之一光電轉換元件形成於其上之表面中之一者之外部上，且允許光進入至該矽基板之另一表面中，以使得將不必考量一光接收表面而佈局該佈線。
因此，構成像素之佈線之自由度增加，藉此使像素小型化。此外，關於矽基板41，N- 型區44a(其中執行光電轉換)之照明表面側上之表面積經形成以大於較靠近於用於累積信號電荷之電荷累積N+ 區44之側上之表面積，以使得可高效低接收入射光。
引用列表 專利文獻
PTL1：日本專利第3759435號
由於習用固態攝像裝置具有使得一嵌入式光電二極體37之一前表面區曝露之一結構，因此當蝕刻諸如多晶矽之一閘極電極材料以形成一轉移電晶體之一閘極電極時對該光電二極體施加電漿損害。此係雜訊電荷之產生之一因素。
因此，根據習用技術，光電二極體之前表面區經形成為一高濃度區(前表面P+ 層45)以減少由於雜訊電荷所致之雜訊。特定而言，增加光電二極體之前表面區之雜質濃度以 增加電洞濃度，以使得在該光電二極體之前表面區上所熱產生之雜訊電荷(電子)與一電洞耦合以消失之前的時間(壽命)將縮短，藉此抑制由於雜訊電荷所致之雜訊。
然而，在習用技術之情況下，光電二極體之前表面P+ 層45係藉由對該光電二極體之表面施加離子植入損害之高濃度離子植入形成。儘管執行一熱處理或諸如此類以便自由離子植入所致之此損害恢復，但不能執行此一熱處理直至達成自該損害之一完全恢復，此乃因由離子植入所植入之雜質將擴散。因此，不可能使光電二極體之前表面側恢復至徹底無離子植入損害之一狀態中。
此外，在習用固態攝像裝置中，由於構成嵌入式光電二極體37之前表面P+ 層45鄰接構成轉移電晶體46之井區之電荷轉移P- 層48，因此藉由以使得前表面P+ 層45與轉移電晶體46之一閘極電極46a彼此將不重疊之一方式配置其來設定一電位障壁之高度，以使得該電位障壁將不係在電荷轉移期間自用於累積信號電荷(電子)之電荷累積N+ 區44穿過充當一轉移通道之電荷轉移P- 層48至充當一電荷累積區段FD之N+ 型區47之一電荷轉移路徑中之電荷轉移之一障礙。
因此，需要進一步增加電荷轉移P- 層48之雜質濃度以便抑制自前表面P+ 層45至電荷轉移P- 層48之過渡區中之雜訊電荷之產生。然而，在此一情形中，在自電荷累積N+ 區44穿過電荷轉移P- 層48至N+ 型區47之電荷轉移路徑中之電荷轉移P- 層48中電位障壁將較高。此導致轉移特性之劣化且 確保飽和電荷量將係困難的。雖然此飽和電荷量係光電二極體37中可累積之最大飽和電荷量，但該量經設定以使得其將對應於可自光電二極體轉移至電荷累積區段FD之最大飽和電荷量。
另一方面，為確保飽和電荷量，將需要減少自前表面P+ 層45至電荷轉移P- 層48之過渡區中之雜質濃度。在此一情形中，將難以完全抑制雜訊電荷。特定而言，隨著前表面P+ 層45及電荷轉移P- 層48之電洞濃度減少以使得彼等層之雜質濃度減少，在彼等層中所熱產生之雜訊電荷(電子)與一電洞耦合以消失之前的時間(壽命)將延長，此使由於雜訊電荷所致之雜訊明顯。
本發明意欲解決以上所闡述之常見問題。本發明之一目的係提供：一種固態攝像裝置，其能夠減輕一半導體基板之用於形成一光電轉換元件之一區及其一周邊區中由於蝕刻及離子植入所致之損害，藉此抑制雜訊電荷之產生以減少自半導體基板中之一光電轉換元件至一電荷累積區段之一電荷轉移路徑中之一雜質濃度，且因此，能夠使對雜訊電荷之抑制與飽和電荷量之確保彼此相容，及一種該固態攝像裝置之驅動方法；一種該固態攝像裝置之製造方法；以及一種電子資訊機器。
根據本發明之一種固態攝像裝置包括形成於一第一導電性類型半導體基板內用於在入射光之光電轉換中產生一信號電荷之一光電轉換元件，該固態攝像裝置藉由信號處理 將由該光電轉換元件所產生之該信號電荷轉換成一影像信號並將其輸出，其中該固態攝像裝置包括形成於該第一導電性類型半導體基板之一第一主表面側上用於將由該光電轉換元件所產生之一信號電荷轉移至該光電轉換元件之外部之一轉移電晶體；其中該光電轉換元件包含：一第二導電性類型光電轉換區，其用於光電轉換自第一主表面之相對側上之該第一導電性類型半導體基板之一第二主表面所取得之入射光；及一第二導電性類型電荷累積區，其用於在該第一導電性類型半導體基板之該第一主表面側上累積由該第二導電性類型光電轉換區中之光電轉換所產生之一信號電荷；且其中該轉移電晶體之一閘極電極係以覆蓋該第二導電性類型電荷累積區之該第一主表面側之一表面上方之方式安置，藉此達成以上所闡述之目的。
較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該固態攝像裝置進一步包括：一第二導電性類型信號電荷累積區段，其用於累積自該光電轉換元件所轉移之一信號電荷；及一第一導電性類型電荷轉移區，其用於將該等信號電荷自該第二導電性類型電荷累積區轉移至該第二導電性類型信號電荷累積區段，且其中該第二導電性類型電荷累積區與該第二導電性類型信號電荷累積區段分離地安置，其中該第一導電性類型電荷轉移區插置於其間。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該第二導電性類型電荷累積區與該第二導電性類型信號電荷累積區段之間的一間隔等於或大於不實質上導致一短通道效應 之一最小距離以及等於或小於由該固態攝像裝置中之像素之積體度所判定之一可准許最大距離。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該第二導電性類型電荷累積區與該第二導電性類型信號電荷累積區段之間的該間隔係在0.2μm至1.0μm之範圍內。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該固態攝像裝置包括形成於該第二導電性類型電荷累積區之該第一主表面側上以便覆蓋該第二導電性類型電荷累積區之一第一導電性類型前表面半導體區，且該第一導電性類型前表面半導體區具有超過該第一導電性類型電荷轉移區之一雜質濃度之一雜質濃度。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該固態攝像裝置包括形成於該第一導電性類型半導體基板內之一第一導電性類型井區，且該第一導電性類型前表面半導體區具有等於或小於該第一導電性類型井區之一雜質濃度之一雜質濃度。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該轉移電晶體之該閘極電極係覆蓋於該第一導電性類型前表面半導體區、該第一導電性類型電荷轉移區及該第一導電性類型井區之該第一主表面側上之該等表面上方。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該第一導電性類型井區經形成以構成該第二導電性類型電荷累積區、該第一導電性類型電荷轉移區及該第二導電性類型信號電荷累積區段之一區。
根據本發明之一種固態攝像裝置包括形成於一第一導電性類型半導體基板內用於在入射光之光電轉換中產生一信號電荷之一光電轉換元件，該固態攝像裝置藉由信號處理將由該光電轉換元件所產生之該信號電荷轉換成一影像信號並將其輸出，其中該固態攝像裝置包括形成於該第一導電性類型半導體基板之一第一主表面側上用於將該光電轉換元件中所產生之一信號電荷轉移至該光電轉換元件之外部之一轉移電晶體；其中該光電轉換元件包含：一第二導電性類型光電轉換區，其用於光電轉換自第一主表面之相對側上之該第一導電性類型半導體基板之一第二主表面所取得之入射光；一第二導電性類型電荷累積區，其用於在該第一導電性類型半導體基板之該第一主表面側上累積由該第二導電性類型光電轉換區中之光電轉換所產生之一信號電荷；及一第一導電性類型前表面半導體區，其形成於該第二導電性類型電荷累積區之該第一主表面側上，以便覆蓋該第二導電性類型電荷累積區，且其中該第一導電性類型前表面半導體區具有等於或小於形成於該第一導電性類型半導體基板中以環繞該第二導電性類型電荷累積區之一第一導電性類型井區之一雜質濃度之一雜質濃度，藉此達成以上所闡述之目的。
較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該固態攝像裝置進一步包括：一第二導電性類型信號電荷累積區段，其用於累積自該光電轉換元件轉移之一信號電荷；及一第一導電性類型電荷轉移區，其用於將該信號電荷自該 第二導電性類型電荷累積區轉移至該第二導電性類型信號電荷累積區段，其中該第二導電性類型電荷累積區與該第二導電性類型信號電荷累積區段分離地安置，其中該第一導電性類型電荷轉移區插置於其間，且其中該轉移電晶體之該閘極電極係覆蓋於該第一導電性類型前表面半導體區、該第一導電性類型電荷轉移區及該第一導電性類型井區之該第一主表面側上之該等表面上方。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該第二導電性類型電荷累積區與該第二導電性類型信號電荷累積區段之間的一間隔等於或大於不實質上導致一短通道效應之一最小距離以及等於或小於由該固態攝像裝置中之像素之積體度所判定之一可准許最大距離。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該第二導電性類型電荷累積區與該第二導電性類型信號電荷累積區段之間的一間隔係在0.2μm至1.0μm之範圍內。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該第一導電性類型電荷轉移區經安置以環繞該第二導電性類型信號電荷累積區段。
更較佳地，在根據本發明之一固態攝像裝置中，該固態攝像裝置包括：一重設電晶體，其用於重設該第二導電性類型信號電荷累積區段之該信號電荷；及一放大電晶體，其用於放大根據該第二導電性類型信號電荷累積區段中所累積之該信號電荷所產生之信號電壓，其中該重設電晶體及該放大電晶體在複數個像素當中共用。
根據本發明之一種用於驅動一固態攝像裝置之方法包括：在於其期間藉由入射光之光電轉換產生該信號電荷並將其累積於該光電轉換元件處之一電荷累積週期期間，在該轉移電晶體之該閘極電極與該第一導電性類型前表面半導體區之間施加一電位，以使得該轉移電晶體之該閘極電極之電位將小於該第一導電性類型前表面半導體區之電位，藉此達成以上所闡述之目的。
較佳地，在根據本發明之用於驅動一固態攝像裝置之一方法中，在該電荷累積週期期間，將除一像素區以外的周邊電路區段中所產生之負電壓施加至該轉移電晶體之該閘極電極，且將該等周邊電路區段之一接地電位施加至該第一導電性類型前表面半導體區。
更較佳地，在根據本發明之用於驅動一固態攝像裝置之一方法中，在該電荷累積週期期間，將該等周邊電路區段之一接地電位施加至該轉移電晶體之該閘極電極，且將正電壓施加至該第一導電性類型前表面半導體區。
更較佳地，在根據本發明之用於驅動一固態攝像裝置之一方法中，在其中將在該電荷累積週期期間該光電轉換元件中所累積之該信號電荷轉移至該信號電荷累積區段之一電荷轉移週期期間，在該轉移電晶體之該閘極電極與該第一導電性類型前表面半導體區之間施加電壓以使得該轉移電晶體之該閘極電極之一電位將大於該第一導電性類型前表面半導體區之一電位。
根據本發明之一種用於製造一固態攝像裝置之方法包 括：在該第一導電性類型半導體基板內形成該光電轉換元件之一步驟；及在形成該光電轉換元件之後形成該轉移電晶體之該閘極電極之一步驟，其中形成該光電轉換元件之該步驟包括：自該第一導電性類型半導體基板之該第一主表面側植入第二導電性類型雜質以形成該第二導電性類型電荷累積區之一步驟，且其中形成該轉移電晶體之該閘極電極之該步驟包括：將該轉移電晶體之該閘極電極之一構成材料沈積於該第一主表面上之一步驟；及藉由選擇性蝕刻該閘極電極之該所沈積構成材料而形成該閘極電極以安置於該第二導電性類型電荷累積區之該第一主表面側上之該表面上方之一步驟，藉此達成以上所闡述之目的。
較佳地，在根據本發明之用於製造一固態攝像裝置之一方法中，該方法進一步包括：藉由將第一導電性類型雜質自該第一導電性類型半導體基板之該第一主表面側植入至該第二導電性類型電荷累積區之前表面中形成該第一導電性類型前表面半導體區之一步驟。
更較佳地，在根據本發明之用於製造一固態攝像裝置之一方法中，該方法包括：在形成該轉移電晶體之該閘極電極之後形成該第二導電性類型信號電荷累積區段之一步驟。
根據本發明之一種用於製造一固態攝像裝置之方法包括：在該第一導電性類型半導體基板中形成該第一導電性類型井區之一步驟；及在該第一導電性類型井區中形成該光電轉換元件之一步驟；及形成該光電轉換元件之該步驟 包括：藉由自該第一導電性類型半導體基板之第一主表面側植入第二導電性類型雜質而形成該第二導電性類型電荷累積區之一步驟；及藉由將第一導電性類型雜質自該第一導電性類型半導體基板之該第一主表面側植入至該第二導電性類型電荷累積區之前表面中而形成具有等於或小於該第一導電性類型井區之該雜質濃度之雜質濃度之該第一導電性類型前表面半導體區之一步驟，藉此達成以上所闡述之目的。
較佳地，在根據本發明之用於製造一固態攝像裝置之一方法中，藉由使用相同離子植入遮罩來植入雜質而形成該第二導電性類型電荷累積區及該第一導電性類型前表面半導體區。
根據本發明之一種電子資訊機器包括根據本發明之一固態攝像裝置，藉此達成以上所闡述之目的。
接下來，在下文中將闡述本發明之功能。
在本發明中，轉移電晶體之閘極電極安置於電轉換元件之電荷累積區中之與光輻射表面相對側上之半導體基板之表面上方，以使得電轉換元件之電荷累積區將不受來自形成轉移閘極電極之程序中之電漿蝕刻之損害，因此抑制由於晶體缺陷所致之雜訊電荷之產生。因此，形成於電荷累積區之前表面區中之P型半導體區之雜質濃度可減少且毗鄰於此電荷累積區之一電荷轉移區之雜質濃度可經抑制為較低。因此，電荷轉移區中之電位位準之變化量可增加，藉此增加電荷轉移之效率。
此外，半導體基板內之全部雜質區(除信號電荷累積區以外)係在轉移閘極電極之形成之前形成。因此，半導體基板內之雜質區(除信號電荷累積區以外)將經形成而不受由在轉移閘極電極之形成期間之電漿蝕刻所致之損害。因此，可確保有利的結晶性且可消除特性之劣化之原因(諸如洩漏電流)。
藉由消除自第一導電性類型前表面半導體區至不同於光輻射表面之光電轉換元件之前表面側上之電荷轉移區段之過渡區中之雜質濃度之一快速改變，如以上所闡述，對雜訊電荷之抑制及飽和電荷量之確保可彼此相容，且進一步，可消除由於閘極電極蝕刻所致之對光電轉換元件之表面之電漿損害及由離子植入所致之植入損害。
此外，在本發明中，在電荷累積期間將負偏壓施加至轉移閘極電極，以使得電洞濃度可穩定保持於光電轉換元件之前表面半導體區中。
在本發明中，第一導電性類型電荷轉移區係以使得環繞第二導電性類型信號電荷累積區段之一方式安置，以使得自光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區至第二導電性類型信號電荷累積區段之電荷轉移路徑形成於遠離一井區之一位置處，該景區定位於第一導電性類型電荷轉移區之周邊中。
因此，可減少由自定位於第一導電性類型電荷轉移區之周邊中之第一導電性類型井區至第一導電性類型電荷轉移區中之電荷轉移路徑之雜質擴散所致之影響。
此外，由於包含電荷轉移路徑之第一導電性類型電荷轉移區係以使得環繞第二導電性類型信號電荷累積區段之周邊之一方式形成，因此在半導體基板上由第一導電性類型電荷轉移區所佔據之面積可係較大的，藉此防止第一導電性類型電荷轉移區之面積由於自毗鄰於第一導電性類型電荷轉移區之第一導電性類型井區藉由熱擴散進入之雜質而減少。
根據如以上所闡述之本發明，可在一半導體基板之用於形成一光電轉換元件之一區及其之一周邊區中減輕由於蝕刻及離子植入所致之損害，且藉此可抑制雜訊電荷之產生以使得在半導體基板中之自一光電轉換元件至一電荷累積區段之一電荷轉移路徑中可減少一雜質濃度。因此，可實現：能夠使對雜訊電荷之抑制及飽和電荷量之確保彼此相容之一固態攝像裝置；用於此一固態攝像裝置之一驅動方法；用於此一固態攝像裝置之一製造方法；以及配備有此一固態攝像裝置之一電子資訊機器。
在下文中，將參考附圖闡述本發明之實施例。
(實施例1)
圖1係用於闡述根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一圖式。圖1(a)示意性圖解說明該固態攝像裝置之一整體組態。圖1(b)圖解說明構成該固態攝像裝置中之一像素之電路。
根據實施例1之一固態攝像裝置100a包括：一像素區段151，其包括經配置成列及行之複數個像素；一垂直掃描電路153，其用於選擇一像素列，該像素列係像素區段151中沿水平方向之一像素配置；及一信號處理電路154，其包括一AD轉換區段(ADC)，用於藉由信號處理將來自一經選擇像素列中之像素中之每一者之類比像素信號轉換成數位像素信號並存留該等數位像素信號。固態攝像裝置100a包括：一水平掃描電路152，其用於將一掃描信號輸出至信號處理電路154以使得信號處理電路154能將每一像素之一數位像素信號依次輸出至一水平信號線155；及一輸出區段157，其用於將經輸出至水平信號線155之數位像素信號輸出至固態攝像裝置100a之外部。固態攝像裝置100a進一步包括：一時序產生區段156，其用於將一時序信號供應至垂直掃描電路153、水平掃描電路152及信號處理電路154；及一電壓產生電路158，其用於產生負電壓。
此處，像素區段151經組態於一第一導電性類型半導體基板(在下文中，簡稱為一半導體基板)上。垂直掃描電路153、水平掃描電路152、信號處理電路154、時序產生區段156及電壓產生電路158係安置於半導體基板之像素區段151安置於其中之像素區之周邊區中。此等電路及區段構成用於將一類比像素信號轉換成一數位像素信號並將該數位像素信號輸出作為一影像信號之一周邊電路區段，其中該類比像素信號係藉由在構成像素區段之每一像素之一光電轉換元件處之入射光之光電轉換所產生之一信號電荷。 注意，此處電壓產生電路158產生負電壓。然而，由電壓產生電路158所產生之電壓並不限於負電壓。
雖然固態攝像裝置100a之整體組態類似於一典型CMOS固態攝像裝置之彼組態，但根據實施例1之固態攝像裝置100a係藉由修改圖9及圖10中所圖解說明之習用固態攝像裝置10中之像素區段11之組態而獲得。特定而言，轉移閘極電極之平面形狀經修改以使得光電轉換元件(光電二極體)之前表面P層之雜質濃度減少。
雖然習用固態攝像裝置10包括具有帶有一轉移電晶體、一重設電晶體、一放大電晶體及一位址電晶體(選擇電晶體)之一個四電晶體組態之像素，但根據本發明之實施例1之固態攝像裝置包括具有帶有一轉移電晶體、一重設電晶體及一放大電晶體之一個三電晶體組態之像素。然而，不用說，根據本發明之實施例1之固態攝像裝置可包括具有替代三電晶體組態之一個四電晶體組態之像素。
如圖1(a)中所圖解說明，複數個像素Px在像素區段151中經配置成列及行。此處，為便於闡釋，像素區段151中之自該圖之左側起第四行中及自圖之頂部起第三及第四列中之像素將特定稱作像素Px1及Px2，且在下文中將闡述該特定像素組態。
首先，將闡述圖1(b)中所圖解說明之像素之電路組態。
像素Px1包括：一光電轉換元件PD1，其用於藉由對入射光之光電轉換產生一信號電荷；一轉移電晶體Tt1，其用於基於一轉移信號Tx1將由光電轉換元件PD1所產生之 信號電荷轉移至該光電轉換元件之外部之一信號電荷累積區段FD；一重設電晶體Rt，其用於基於一重設信號Rs而重設信號電荷累積區段FD之信號電荷；及一放大電晶體At，其用於放大根據信號電荷累積區段FD中所累積之信號電荷所產生之信號電壓，並將該信號電壓輸出至一讀取信號線Lr。
像素Px2包括：一光電轉換元件PD2，其用於藉由對入射光之光電轉換產生一信號電荷；一轉移電晶體Tt2，其用於基於一轉移信號Tx2將由光電轉換元件PD2所產生之信號電荷轉移至該光電轉換元件之外部之一信號電荷累積區段FD；一重設電晶體Rt，其用於基於一重設信號Rs而重設該信號電荷累積區段FD之信號電荷；及一放大電晶體At，其用於放大根據信號電荷累積區段FD中所累積之信號電荷所產生之信號電壓，並將該信號電壓輸出至一讀取信號線Lr。
特定而言，在像素區段151中，構成像素Px之電路具有一個兩像素共用組態，其中經定位而彼此上下毗鄰之兩個像素(例如，圖1(a)及圖1(b)中所圖解說明之像素Px1及像素Px2)共用一重設電晶體Rt及一放大電晶體At。
此處，重設電晶體Rt係連接於一汲極信號線Rd與一信號電荷累積區段FD之間，且信號電荷累積區段FD與放大電晶體At之一閘極電極連接。此外，一轉移電晶體Tt1及一光電轉換元件PD1串聯連接於信號電荷累積區段FD與接地節點之間。類似地，一轉移電晶體Tt2及一光電轉換元件 PD2係串聯連接。此外，光電轉換元件PD1及PD2經組態有光電二極體。
接下來，將參考圖2及圖3闡述根據實施例1之一固態攝像裝置中之一像素區段之一詳細結構。
圖2係用於闡述根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一平面圖。圖2(a)圖解說明相對於一元件分離區之一雜質植入區之一安置。圖2(b)圖解說明相對於元件分離區之一轉移電晶體之一閘極電極及一接觸區段之一安置。
圖3係沿著圖2(b)中之線A-A'之一剖面圖。圖2(b)之平面圖圖解說明關於圖1(a)中所圖解說明之像素區段151之藉由交替的長及短虛線所環繞之部分X之在半導體基板上呈現之各種雜質植入區之安置。
在根據本發明之實施例1之固態攝像裝置100a中，組態形成於一第一導電性類型半導體基板100(諸如一p型矽基板)上之像素區段151之各別像素Px(諸如像素Px1及Px2)形成於半導體基板100內；且包括用於藉由入射光之光電轉換產生一信號電荷之光電轉換元件(亦即，光電二極體)PD1及PD2，且包括形成於半導體基板100之一第一主表面上用於轉移由光電轉換元件PD1及PD2所產生之信號電荷之轉移電晶體Tt1及Tt2。以上所闡述之第一主表面係圖3中之半導體基板100之上表面(在下文中，亦稱作一前基板表面)，且圖3圖解說明像素Px1之轉移電晶體Tt1之結構以及定位於轉移電晶體Tt1之任一側上之光電轉換元件PD1及一信號電荷累積區段108(圖1(b)中之FD)。注意，雖 然圖3圖解說明像素Px1之一剖面結構，但其他像素Px完全相同於此像素Px1。
此處，像素Px1之光電轉換元件PD1包括：一第二導電性類型光電轉換區(n- 型半導體區)101，其用於光電轉換入射光，該入射光已進入與第一主表面相對之半導體基板之一第二主表面；一第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102，其用於在半導體基板100之第一主表面側上累積藉由光電轉換區101處之光電轉換所產生之一信號電荷；及一後表面p+ 區110。轉移電晶體之一閘極電極107(在下文中，亦稱作一轉移閘極電極)經形成以安置於電荷累積區102之第一主表面側上之表面上方。此處，第二主表面係圖3中之半導體基板100之一下表面(在下文中，亦稱作一後基板表面)。
此外，在固態攝像裝置100a中，光電轉換元件PD1包括：一第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)103，其形成於第二導電性類型電荷累積區102之基板前表面側上，以覆蓋電荷累積區102。此外，像素Px1包括：一第二導電性類型信號電荷累積區段(電荷累積n+ 區)108，其用於累積由光電轉換元件PD1所產生之一信號電荷；及一第一導電性類型電荷轉移區(電荷轉移區段p- 區)109，其安置於光電轉換元件外部之信號電荷累積區段108與光電轉換元件之電荷累積區102之間，用於將來自光電轉換元件PD1之電荷累積區102之信號電荷轉移至光電轉換元件外部之信號電荷累積區段108。第一導電性類型電荷轉移區(電荷 轉移區段p- 區)109包括轉移電晶體Tt1之一通道區。前表面p區103具有超過電荷轉移區段p- 區109之雜質濃度之一雜質濃度。
此處，第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102及第二導電性類型信號電荷累積區段(電荷累積n+ 區)108彼此遠離安置，其中第一導電性類型電荷轉移區(電荷轉移區段p- 區)109插置於其間。電荷累積區102與信號電荷累積區段108之間的間隔之下限可等於或大於並不實質上導致一短通道效應之一最小距離。此外，電荷累積區102與信號電荷累積區段108之間的間隔之上限可等於或小於由固態攝像裝置中之像素之積體度所判定之一可准許最大距離。特定而言，只要電荷累積區102與信號電荷累積區段108之間的間隔等於或大於並不實質上導致一短通道效應之一最小距離，且等於或小於由固態攝像裝置中之像素之積體度所判定之一可准許最大距離，其即在本發明之範圍內。舉例而言，電荷累積區102與信號電荷累積區段108之間的間隔在0.2μm至1.0μm之範圍內。此乃因，在現有情況中，不導致一短通道效應之最小距離係0.2μm且由固態攝像裝置中之像素之積體度所判定之可准許最大距離係1.0μm。然而，由於精細處理技術之進步，以上所闡述之間隔之下限具有小於當前下限之一趨勢。因此，在未來，以上所闡述之間隔之下限可小於當前值0.2μm(例如，0.1μm)。任一方式，只要電荷累積區102與信號電荷累積區段108之間的間隔等於或大於並不實質上導致一短通道效應之一最小 距離且等於或小於由固態攝像裝置中之像素之積體度所判定之一可准許最大距離，其即在本發明之範圍內，如以上所闡述。
此外，第二導電性類型電荷累積區102、第一導電性類型電荷轉移區109及第二導電性類型信號電荷累積區段108係由形成於半導體基板100中之一第一導電性類型井區104環繞。針對共用相同第二導電性類型信號電荷累積區段108之每兩個像素，第二導電性類型電荷累積區102、第一導電性類型電荷轉移區109及第二導電性類型信號電荷累積區段108係藉由第一導電性類型井區104彼此電分離。
此外，前表面p區103具有等於或小於第一導電性類型井區104之雜質濃度之一雜質濃度。藉由將第一導電性類型井區104之雜質濃度設定為1×1018 cm-3 或更小，可減少對井區104之離子植入損害且因此可抑制雜訊電荷之產生。
此外，第一導電性類型前表面半導體區103經組態有0.1μm至0.3μm厚之一p型半導體層，且構成光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區102經形成以使得其雜質濃度之峰值位置係在自半導體基板之第一主表面0.15μm至0.40μm深之一位置處。
此外，一元件分離區105定位於彼此上下毗鄰之光電轉換元件PD1與PD2之間，且元件分離區105亦定位於以與光電轉換元件之配置間距相同之間距沿水平方向配置之第二導電性類型信號電荷累積區段108之間。此外，藉由元件分離區105，光電轉換元件配置於其中之光電轉換元件之 頂部及底部配置區之兩個行亦與用於重設電晶體Rt及放大電晶體At之帶狀擴散區131及141電分離。
元件分離區105係藉由將諸如氧化矽之一絕緣部件填充至形成於半導體基板100中之一溝槽中所製成之此一區。此外，後表面p+ 區110形成於半導體基板100之後表面側上。
將參考圖2及圖3闡述構成一像素之一電路中之電晶體之連接。
為避免複雜性，圖2(a)及圖2(b)圖解說明定位於圖中之光電轉換元件PD1及PD2之左側上之光電轉換元件中之電晶體之間的連接，同時光電轉換元件PD1及PD2中之電晶體之間的連接與定位於圖中之光電轉換元件PD1及PD2之左側上之光電轉換元件中之彼連接相同。
兩個重設電晶體Rt1及Rt2形成於帶狀擴散區131上，且將一重設信號Rs施加至其之兩個重設閘極電極132係以使得與帶狀擴散區131相交之一方式安置，其中一閘極絕緣膜(未展示)插置於其間。將用於列選擇之一汲極信號Rd透過一接觸區段134施加至帶狀擴散區131中之兩個重設閘極電極132之間的一共同汲極區。此外，重設電晶體中之一者(亦即，重設電晶體Rt1)之源極區與佈線112b(其與信號電荷累積區段(FD區段)108連接)連接，其中一接觸區段133插置於其間。另一重設電晶體(亦即，重設電晶體Rt2)之源極區與為圖1中所圖解說明之像素區段151中之第一列中之像素及第二列中之像素所共有之一信號電荷累積區段 (FD區段)連接。
兩個放大電晶體At1及At2形成於帶狀擴散區141上，且一放大閘極電極142係以使得與帶狀擴散區141相交之一方式安置，其中一閘極絕緣膜(未展示)插置其間。將一電源電壓Vdd(例如，2.5 V)透過一接觸區段144施加至帶狀擴散區141中之兩個放大閘極電極142之間的一共同汲極區。此外，放大電晶體中之一者(亦即，放大電晶體At1)之源極區與一讀取信號線Lr連接，其中一接觸區段143插置於其間。另一放大電晶體(亦即，放大電晶體At2)之源極區亦與對應於相同像素行之讀取信號線Lr連接，其中接觸區段143插置於其間。此外，放大電晶體中之一者(亦即，放大電晶體At1)之閘極電極142與佈線112b(其與信號電荷累積區段(FD區段)108連接)。另一放大電晶體(亦即，放大電晶體At2)之閘極電極142與為圖1中所圖解說明之像素區段151之第五列中之像素及第六列中之像素所共有之一信號電荷累積區段(FD區段)連接。
此外，轉移閘極電極107與一佈線層112a連接，其中一接觸區段111a插置於其間。此外，信號電荷累積區段(浮動擴散區段)108與一佈線層112b連接，其中接觸區段111b插置於其間。此處，佈線層112a及112b係藉由圖案化形成於轉移閘極電極107上面之一佈線材料而形成，其中一層間絕緣膜(未展示)插置於其間。
在下文中，將闡述構成根據本發明之固態攝像裝置之半導體基板及個別半導體區之雜質濃度。
構成一光電二極體之第二導電性類型光電轉換區(n- 型半導體區)101之雜質濃度係1×1015 cm-3 至5×1016 cm-3 。構成一光電二極體之n型電荷累積區102之雜質濃度係1×1016 cm-3 至1×1017 cm-3 。此外，形成於第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102之前表面上之前表面p區103之雜質濃度係1×1016 cm-3 至5×1017 cm-3 ，且第一導電性類型井區(p井區)104之雜質濃度係5×1016 cm-3 至1×1018 cm-3 。此外，一第二導電性類型信號電荷累積區段(亦即，FD(浮動擴散)區段108)之雜質濃度係1×1017 cm-3 至1×1020 cm-3 ，且電荷轉移區段p- 區109之雜質濃度係5×1015 cm-3 至1×1017 cm-3 ，且後表面p+ 區110之雜質濃度係1×1018 cm-3 至1×1019 cm-3 。
接下來，在下文中將闡述根據本發明之實施例1之固態攝像裝置之操作。
在根據本發明之實施例1之具有如以上所闡述之一組態之此一固態攝像裝置100a中，以類似於圖9中所圖解說明之習用固態攝像裝置之一方式執行讀取操作。
在下文中，將參考圖1(a)及圖1(b)簡要闡述根據實施例1之固態攝像裝置中之一讀取操作。
垂直掃描電路153藉由來自時序產生區段156之一時序信號選擇像素區段中之一像素列，且將經選擇像素列之一像素信號輸出至信號處理電路154。在信號處理電路154中，執行用於移除一固定雜訊型樣之一處理。此外，在水平掃描電路152藉由來自時序產生區段156之時序信號將一掃描信號輸出至信號處理電路154以使得信號處理電路154能將 每一像素之一數位像素信號依次輸出至水平信號線155時，將輸出至水平信號線155之數位信號自輸出區段157輸出至固態攝像裝置100a外部。
此外，在根據實施例1之固態攝像裝置中，在一電荷累積週期期間(在此期間信號電荷經產生且藉由光電轉換元件處之入射光之光電轉換而累積)，將0.1 V至1.0 V之電位施加於轉移閘極電極107與第一導電性類型前表面半導體區103之間以使得轉移閘極電極107之電位將小於第一導電性類型前表面半導體區103之彼電位。
圖4係圖解說明此一固態攝像裝置之一操作之一圖式。
舉例而言，在固態攝像裝置100a中，在由一電壓產生電路158(其係安置於半導體基板之第一主表面側上以便定位於像素區段之周邊中之周邊電路區段中之一者)進行之電荷累積週期期間，產生0.1 V至1.0 V之負電壓並將其施加至轉移閘極電極107。此外，像素區段中之第一導電性類型前表面半導體區103之電位透過第一導電性類型井區104、第一導電性類型後表面半導體區110及諸如此類固定至除像素區段151以外的周邊電路區段之接地電位。
圖4(a)圖解說明在其期間執行光電轉換且累積信號電荷之一週期之一電位分佈。
將1 V至5 V之電壓施加至信號電荷累積區段108(FD區段)且將相對於接地電位設定之介於0.1 V與1.0 V之間的範圍內之負電位提供至轉移閘極電極107，以使得電荷累積區102之電位將以使得在其前表面上電洞濃度將穩定且將 抑制雜訊電荷之產生之一方式固定。此外，經由如圖4(a)中之B-B'-B"所圖解說明之路徑中之電位梯度將累積於電荷累積區102中之過量電荷汲取至信號電荷累積區段(FD區段)108。
此外，在將於電荷累積週期期間累積於光電轉換元件中之信號電荷轉移至信號電荷累積區段(FD區段)108之一電荷轉移週期期間，在轉移閘極電極107與第一導電性類型前表面半導體區103之間施加一正電位差以使得轉移閘極電極107之電位將大於第一導電性類型前表面半導體區103之彼電位。
圖4(b)圖解說明在其期間轉移信號電荷之一週期之一電位分佈。
將介於2 V與5 V之間的範圍內之電源電壓施加至轉移閘極電極107及信號電荷累積區段108，以使得前表面p區103及電荷累積區102之電位將經調變，且電荷累積區102中聚集之信號電荷將沿循如圖4(b)中之C-C'-C"所圖解說明之路徑中之電位梯度經讀出至FD區段108。
如此，藉由將在電荷累積週期期間之一電位施加於轉移閘極電極107與第一導電性類型前表面半導體區103之間以使得轉移閘極電極107之電位將小於第一導電性類型前表面半導體區103之彼電位，可在第一導電性類型前表面半導體區103中確保一穩定電洞濃度，藉此縮短熱產生載子(電子)之壽命且減少雜訊電荷。
接下來，在下文中將闡述用於製造根據本發明之實施例 1之一固態攝像裝置之一方法。
圖5係用於闡述用於製造根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一方法之一圖式。圖5(a)至圖5(f)圖解說明此製造方法之主要步驟中之一固態攝像裝置之剖面圖。
首先，在一第一導電性類型半導體基板(例如，p型矽基板)100上形成一元件分離區105。元件分離區105係藉由在p型矽基板100之前表面中形成一溝槽且用諸如一種氧化物之一絕緣材料填充該溝槽而形成。在圖2(a)中，粗實線指示元件分離區之邊界。
此後，在p型矽基板100中形成一p井區104，且在p井區104中形成一n- 型半導體區101作為一光電二極體之一第二導電性類型光電轉換區。此外，在n- 型半導體區101之前表面區中形成一電荷轉移區段p- 區109。
接下來，形成一離子植入保護膜113b，且此後，使用具有一開口120a之一抗蝕劑遮罩120選擇性地植入諸如磷光體(p+ )或砷(As+ )之n型雜質，如圖5(a)中所圖解說明。因此，一n型半導體區102經形成為構成充當一光電轉換元件之一光電二極體之一第二導電性類型電荷累積區(圖5(b))。
隨後，如圖5(b)中所圖解說明，使用相同抗蝕劑遮罩120植入諸如硼(B+ )或BF2 + 之p型雜質以形成作為一第一導電性類型前表面半導體區之一前表面p區103。
接下來，如圖5(c)中所圖解說明，在移除抗蝕劑遮罩120之後，在半導體基板內形成構成周邊電路區段中之一半導 體元件之一半導體區。此後，移除離子植入保護膜113b且在前表面上形成一閘極絕緣膜113a。此外，藉由一CVD方法或諸如此類沈積諸如多晶矽之一電極材料，且藉由諸如電漿蝕刻之乾式蝕刻之一技術來各向異性地蝕刻此電極材料以形成一轉移閘極電極107(圖5(d))。
在此階段處，如圖5(d)中所圖解說明，將轉移閘極電極107安置於前表面p區103之基板前表面側上之表面上方及亦安置於電荷轉移區段p- 區109之基板前表面側上之表面上方(除用於形成一電荷累積n+ 區108之區以外)。
隨後，使用具有一開口121a之一抗蝕劑遮罩121將諸如磷光體(p+ )或砷(As+ )之n型雜質植入至轉移閘極電極107之開口中，以形成將係一電荷讀出區之一浮動擴散(FD)區(亦即，電荷累積n+ 區)108(圖5(e))。
接下來，在形成一層間絕緣膜(未展示)之後，形成接觸區段111a及111b，且亦形成佈線層112a及112b。在此階段處，接觸區段133、134、143及144經形成不僅位於轉移閘極電極107及電荷累積n+ 區108上面，而且位於重設電晶體Rt及放大電晶體At之閘極電極及源極區上面，以在重設電晶體Rt之源極區與電荷累積n+ 區108之間以及在放大電晶體At之閘極電極與電荷累積n+ 區108之間進行連接。
此外，在此階段處，構成周邊電路之半導體元件(諸如一電晶體)可藉由一佈線層而彼此連接。
此後，當透過藉助一支撐基板層壓以上所闡述之p型矽基板100之一支撐基板層壓步驟及拋光p型矽基板100之後 表面側以使p型矽基板100變薄之一矽膜薄化步驟將n- 型半導體區101之後表面側曝露為一光進入表面時，藉由將雜質引入至n- 型半導體區101之後表面並對其執行一熱處理之一雜質引入及熱處理步驟來形成一後表面p+ 區110(圖5(f))。
接下來，在下文中將闡述根據本發明之固態攝像裝置之工作效應。
首先，在根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置100a與一比較性習用固態攝像裝置10之間，由轉移閘極電極覆蓋之區係分別不同的，如自圖3與圖10之間的比較可看出。
特定而言，在根據本發明之實施例1之固態攝像裝置100a中，轉移閘極電極107經安置不僅位於每一像素之第一導電性類型電荷轉移區(電荷轉移區段p- 區)109之第一主表面側上之表面上方而且位於每一像素之第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102之第一主表面側上之表面上方(圖3)，而在習用固態攝像裝置10中，轉移電晶體46之閘極電極46a僅形成於電荷轉移p- 層48上，且轉移電晶體46之閘極電極46a並不安置於構成一光電轉換元件(亦即，光電二極體)37之電荷累積N+ 區44之基板前表面側上之表面上方(見圖10)。
此外，在根據本發明之實施例1之固態攝像裝置100a與比較性習用固態攝像裝置10之間，形成於n型電荷累積區102之前表面側上之前表面p區之雜質濃度係不同的，如自 圖3及圖10之間的比較可看出。特定而言，在根據本發明之實施例1之固態攝像裝置100a中，形成於n型電荷累積區102之前表面側上之第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)103之雜質濃度等於或小於p型井區104之雜質濃度，p型井區104之該雜質濃度小於習用固態攝像裝置10中之前表面P+ 層45之雜質濃度。
特定而言，由於閘極電極蝕刻所致之對光電轉換元件之前表面之電漿損害以及由於用於形成一前表面P+ 層45之高濃度離子植入所致之離子植入損害可在圖10中所圖解說明之習用結構中消除。因此，在此一習用結構中，可降低欲係一嵌入式光電二極體之前表面P+ 層45之雜質濃度且可消除自前表面P+ 層45至電荷轉移P- 層48之過渡區中之雜質濃度之一迅速改變。藉此，可降低電荷轉移區中之雜質濃度且可使對雜訊電荷之抑制及飽和電荷量之確保彼此相容。特定而言，自前表面P+ 層45至電荷轉移P- 層48之電荷轉移區之消除促成轉移特性之確保。藉由用如以上所闡述之轉移閘極電極覆蓋光電二極體(光電轉換元件)之前表面，電洞濃度在電荷累積期間穩定存留且抑制由於雜訊電荷所致之對雜訊之影響。
在根據如以上所闡述之實施例1之固態攝像裝置100a中，轉移閘極電極107係安置於光電轉換元件PD1及PD2之第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102之第一主表面側上之表面上方，以使得光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102與其上面之前表面p區103 將不受到來自形成轉移閘極電極107之程序中之電漿蝕刻之任何損害，因此抑制由於晶體曲線所致之雜訊電荷之產生。
因此，可在光電轉換元件之電荷累積區102中抑制雜訊電荷之產生。因此，即使雜質濃度在形成於光電轉換元件之電荷累積區102之前表面區中之第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)103中減少，仍可抑制所產生雜訊電荷量。因此，由於雜訊電荷所致之雜訊將不顯著。
因此，毗鄰於此光電二極體之第二導電性類型電荷累積區102之第一導電性類型電荷轉移區109之雜質濃度可經抑制為較低。因此，相對於轉移閘極電極107之電位之改變之第一導電性類型電荷轉移區109中之電位改變量可係較大的，藉此增加電荷轉移之效率。
此外，由於轉移閘極電極全部安置於環繞光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)102之p井區(第一導電性類型井區)104之曝露區上方(至半導體之前表面)，因此p井區104不受到來自在形成轉移閘極電極之程序期間之電漿蝕刻之任何損害，且p經區之結晶性可係有利的。因此，可在p井區104中抑制由於晶體缺陷所致之雜訊電荷之產生。藉由減少p井區104之雜質濃度伴隨抑制，可減少離子植入損害，此亦可抑制由於晶體缺陷或諸如此類所致之雜訊電荷之產生。
此外，由於半導體基板內之雜質區(除電荷累積n+ 區(FD區段)108以外)皆在轉移閘極電極之形成之前形成，因此半 導體基板內之雜質區(除FD區段108以外)將經形成而不受到來自轉移閘極電極之形成期間之電漿蝕刻之任何損害。此達成確保有利之結晶性，且消除使特性劣化之原因(諸如洩漏電流)。
此外，藉由在電荷累積期間施加負偏壓至轉移閘極電極，可在前表面p區103處穩定存留電洞濃度，且可達成前表面p區103之雜質濃度之減少同時抑制由於雜訊電荷所致之對雜訊之影響。
(實施例2)
圖6係用於闡述根據本發明之實施例2之一固態攝像裝置之一平面圖。圖6(a)圖解說明相對於一元件分離區之一雜質植入區之一安置。圖6(b)圖解說明相對於一元件分離區之一轉移電晶體之一閘極電極及一接觸區段之一安置。此外，圖7圖解說明沿著圖6(b)中之線A-A'之一剖面圖。
根據實施例2之一固態攝像裝置100b係關於根據實施例1之固態攝像裝置100a中之第一導電性類型電荷轉移區(電荷轉移區段p- 區)109及第二導電性類型信號電荷累積區段(電荷n+ 區)108之安置之一變化。
特定而言，在根據實施例2之固態攝像裝置100b中，一第二導電性類型信號電荷累積區段(電荷n+ 區)108a經安置於沿列方向配置之毗鄰的第二導電性類型電荷累積區102之間且一第一導電性類型電荷轉移區109a經安置於此第二導電性類型信號電荷累積區段108a與一對應第二導電性類型電荷累積區102之間。此外，第一導電性類型電荷轉移 區109a係以使得環繞第二導電性類型信號電荷累積區段108a之一方式加以安置。
該組態之剩餘部分完全相同於根據實施例1之固態攝像裝置之彼組態。
亦在根據實施例2之固態攝像裝置100b中，兩個重設電晶體Rt1及Rt2形成於一帶狀擴散區131上，且將一重設信號Rs施加至其之兩個重設閘極電極132係以使得與帶狀擴散區131相交之一方式安置，其中一閘極絕緣膜(未展示)插置於其間。將一汲極信號Rd透過一接觸區段134施加至帶狀擴散區131中之兩個重設閘極電極132之間的一共同汲極區。此外，重設電晶體中之一者(亦即，重設電晶體Rt1)之源極區與佈線112b(其與信號電荷累積區段(FD區段)108連接)連接，其中一接觸區段133插置於其間。另一重設電晶體(亦即，重設電晶體Rt2)之源極區與為圖1中所圖解說明之像素區段151中之第一列中之像素及第二列中之像素所共有之一第二導電性類型信號電荷累積區段(FD區段)連接。
兩個放大電晶體At1及At2形成於帶狀擴散區141上，且一放大閘極電極142係以使得與帶狀擴散區141相交之一方式安置，其中一閘極絕緣膜(未展示)插置其間。將一電源電壓Vdd(例如，2.5 V)透過一接觸區段144施加至此帶狀擴散區141中之兩個放大閘極電極142之間的一共同汲極區。此外，放大電晶體中之一者(亦即，放大電晶體At1)之源極區與一讀取信號線Lr連接，其中一接觸區段143插置於其 間。另一放大電晶體(亦即，放大電晶體At2)之源極區亦與對應於相同像素行之讀取信號線Lr連接，其中接觸區段143插置於其間。此外，放大電晶體中之一者(亦即，放大電晶體At1)之閘極電極142與佈線112b(其與信號電荷累積區段(FD區段)108連接)。另一放大電晶體(亦即，放大電晶體At2)之閘極電極142與為圖1中所圖解說明之像素區段151之第五列中之像素及第六列中之像素所共有之一信號電荷累積區段(FD區段)連接。
接下來，在下文中將闡述根據實施例2之固態攝像裝置之工作效應。
在具有如以上所闡述之此一組態之固態攝像裝置100b中，第二導電性類型信號電荷累積區段(FD區段)108a經安置於一轉移閘極電極117之一開口117a內，且其並不與一元件分離區105接觸。因此，並聯安置之轉移閘極電極117(轉移閘極電極在圖6(b)中彼此上下毗鄰安置)可經安置彼此更靠近，此使減少一像素面積成為可能。
在圖6(a)中所圖解說明之像素區段之安置中，安置第二導電性類型信號電荷累積區段(FD區段)108a及附有元件分離區105之p井區104變得可能，其中電荷轉移區段p- 區109a插置於其間。此將促成擴展電荷轉移區段p- 區109a之面積。
特定而言，由於在根據實施例1之固態攝像裝置100a中p井區104係安置於第二導電性類型信號電荷累積區段108之左側及右側兩者上，因此第一導電性類型電荷轉移區109 之寬度受第二導電性類型信號電荷累積區段108之寬度限制。另一方面，由於在根據實施例2之固態攝像裝置100b中第二導電性類型信號電荷累積區段108a遠離p井區104安置，因此包含自光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區至第二導電性類型信號電荷累積區段108a之一轉移路徑之電荷轉移區段p- 區109a可以使得環繞第二導電性類型信號電荷累積區段108a之一方式安置。
因此，可增加電荷轉移區段p- 區109a之面積，且可抑制歸因於自定位於電荷轉移區段p- 區109a之周邊中之p井區104之雜質擴散的電荷轉移區段p- 區109a之面積之減少。因此，可對轉移特性進行進一步改良。
根據以上所闡述之實施例2之固態攝像裝置，除實施例1之效應以外，並聯安置之轉移閘極電極117亦彼此更靠近地安置，以使得可獲得較少像素之面積之效應以及促成擴展電荷轉移區段p- 區109a之面積之效應。
因此，可達成能夠獲得其中進一步抑制雜訊及後像之一高解析度影像之一固態攝像裝置。
在實施例1及2中，轉移閘極電極107係安置於光電轉換元件PD1及PD2之第二導電性類型電荷累積區102之第一主表面側上之表面上方，以使得防止光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區102及其上面之前表面p區103受到來自形成轉移閘極電極107之程序中之電漿蝕刻之任何損害。因此，第一導電性類型前表面半導體區(前表面p-區)103之雜質濃度經減少等於或小於p井區104之雜質濃 度，以使得實現形成於光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區102之前表面區中之第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)103之雜質濃度之減少。然而，形成於光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區102之前表面區中之第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)103之雜質濃度之減少並不限於藉由將轉移閘極電極107安置於光電轉換元件PD1及PD2之第二導電性類型電荷累積區102之第一主表面側上之表面上方所達成之減少。
舉例而言，形成於光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區102之前表面區中之第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)103之雜質濃度之減少亦可藉由使用對光電轉換元件之第二導電性類型電荷累積區102之前表面區造成較小損害之一蝕刻程序(如形成轉移閘極電極107之程序中所使用之蝕刻程序)來達成。
特定而言，作為一結果使第一導電性類型前表面半導體區(前表面p-區)103之雜質濃度減少等於或小於p井區104之雜質濃度之任何蝕刻程序在本發明之範疇內，而不管達成此減少之程序之種類如何。
此外，儘管以上所闡述之實施例1或2中未特定闡述，但在下文中將闡述一電子資訊機器。具有一影像輸入裝置之電子資訊機器(諸如一數位相機(例如，數位視訊攝影機或數位靜態相機)、一影像輸入相機、一掃描器、一傳真機及一配備相機之蜂巢式電話裝置)包含使用根據如以上所闡述之實施例1及2之固態攝像裝置中之至少一者作為一影 像輸入裝置之一攝像區段。
(實施例3)
圖8係示意性圖解說明根據本發明之實施例3之在一攝像區段中使用根據本發明之實施例1或2中任一項之固態攝像裝置之一電子資訊機器之一例示性組態之一方塊圖。
如圖8中所圖解說明之根據本發明之實施例3之一電子資訊機器90包括根據本發明之實施例1或2之固態攝像裝置100a或100b中之至少一者作為用於擷取一被攝體之一攝像區段91。電子資訊機器90進一步包括以下中之至少任何者：一記憶體區段92(例如，記錄媒體)，其用於在對由使用此一攝像區段之影像擷取所獲得之一高品質影像資料執行用於記錄之預定信號處理之後，資料記錄該影像資料；一顯示器區段93(例如，液晶顯示器裝置)，其用於在執行用於顯示之預定信號處理之後在一顯示器螢幕(例如，液晶顯示器螢幕)上顯示此影像資料；一通信區段94(例如，傳輸及接收裝置)，其用於在對該影像質量執行用於通信之預定信號處理之後通信此影像資料；及一影像輸出區段95，其用於列印(打印輸出)及輸出(列印輸出)此影像資料。
如以上所闡述，藉由使用其較佳實施例例示本發明。然而，不應僅基於以上所闡述之實施例來解釋本發明。應理解，應僅基於申請專利範圍來解釋本發明之範疇。亦應理解，基於對本發明之闡述及來自對本發明之詳細較佳實施例之闡述之共同知識，熟習此項技術者可實施等效技術範 疇。此外，應理解，本說明書中所引用之任何專利、任何專利申請案及任何參考資料應以與在本說明書中特定闡述內容相同之方式以引用的方式併入入本說明書中。
工業應用
在一固態攝像裝置及該固態攝像裝置之一驅動方法、一固態攝像裝置之一製造方法及一電子資訊機器之領域中，本發明可達成能夠獲得其中進一步抑制雜訊及後像之一高解析度影像之一固態攝像裝置。
37‧‧‧光電二極體
41‧‧‧N- 型矽基板
42‧‧‧後表面P+ 層
43‧‧‧P井
44‧‧‧電荷累積N+ 區
44a‧‧‧N- 型區
45‧‧‧前表面P+ 層
46‧‧‧轉移電晶體
47‧‧‧FD(浮動擴散)
48‧‧‧電荷轉移P- 層
49‧‧‧P井
50‧‧‧N井
90‧‧‧電子資訊機器
91‧‧‧攝像區段
92‧‧‧記憶體區段
93‧‧‧顯示器區段
94‧‧‧通信區段
95‧‧‧影像輸出區段
100‧‧‧第一導電性類型半導體基板(p型矽基板)
100a‧‧‧固態攝像裝置
100b‧‧‧固態攝像裝置
101‧‧‧第二導電性類型光電轉換區(n- 型半導體區)
102‧‧‧第二導電性類型電荷累積區(n型半導體區)
103‧‧‧第一導電性類型前表面半導體區(前表面p區)
104‧‧‧第一導電性類型井區(p井區)
105‧‧‧元件分離區
107‧‧‧轉移閘極電極
108‧‧‧第二導電性類型信號電荷累積區段(電荷累積n+ 區)
108a‧‧‧第二導電性類型信號電荷累積區段(電荷累積n+ 區)
109‧‧‧第一導電性類型電荷轉移區(電荷轉移區段p- 區)
109a‧‧‧第一導電性類型電荷轉移區(電荷轉移區段p- 區)
110‧‧‧第一導電性類型後表面半導體區
111a‧‧‧接觸區段
111b‧‧‧接觸區段
112a‧‧‧佈線層
112b‧‧‧佈線層
113a‧‧‧閘極絕緣膜
113b‧‧‧離子植入保護膜
120‧‧‧抗蝕劑
120a‧‧‧抗蝕劑開口
121‧‧‧抗蝕劑
121a‧‧‧抗蝕劑開口
151‧‧‧像素區段
152‧‧‧水平掃描電路
153‧‧‧垂直掃描電路
154‧‧‧信號處理電路
155‧‧‧水平信號線
156‧‧‧時序產生區段
157‧‧‧輸出區段
158‧‧‧電壓產生電路
Px‧‧‧像素
Px1‧‧‧像素
Px2‧‧‧像素
X‧‧‧像素區段之部分
圖1係用於闡述根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一圖式，其中圖1(a)示意性圖解說明該固態攝像裝置之一整體組態且圖1(b)圖解說明構成該固態攝像裝置中之一像素之電路。
圖2係用於闡述根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一平面圖，其中圖2(a)圖解說明相對於一元件分離區之一雜質植入區之一安置。圖2(b)圖解說明相對於一元件分離區之一轉移電晶體之一閘極電極及一接觸區段之一安置。
圖3係用於闡述根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一圖式，其中該圖式圖解說明沿著圖2(b)中之線A-A'之一剖面圖。
圖4係用於闡述根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一操作之一圖式，其中圖4(a)圖解說明在一電荷累積週期期間自一半導體基板之一光進入表面透過一光電轉換元 件至一信號電荷累積區段之一路徑中之一電位分佈，且圖4(b)圖解說明在該路徑中在一信號電荷轉移週期期間之一電位分佈。
圖5係用於闡述用於製造根據本發明之實施例1之一固態攝像裝置之一方法之一圖式，其中圖5(a)至5(f)圖解說明此製造方法之主要步驟中之一固態攝像裝置之剖面結構。
圖6係用於闡述根據本發明之實施例2之一固態攝像裝置之一平面圖，其中圖6(a)圖解說明相對於一元件分離區之一雜質植入區之一安置，且圖6(b)圖解說明相對於一元件分離區之一接觸區段及一轉移電晶體之一閘極電極之一安置。
圖7圖解說明沿著圖6(b)中之線A-A'之一剖面圖。
圖8係示意性圖解說明在一攝像區段中使用根據本發明之實施例1或2中之任一項之固態攝像裝置作為一攝像部分之根據本發明之實施例3之一電子資訊機器之一例示性組態之一方塊圖。
圖9係用於闡述專利文獻1中所揭示之一背面照明類型CMOS影像感測器之一圖式，其中圖9(a)示意性圖解說明CMOS影像感測器之一整體組態且圖9(b)圖解說明CMOS影像感測器中之一單元像素之一電路組態。
圖10係用於圖解說明構成圖9中所圖解說明之CMOS影像感測器之一半導體基板之一像素區及一周邊電路區之一剖面結構之一圖式。
100a‧‧‧固態攝像裝置
151‧‧‧像素區段
152‧‧‧水平掃描電路
153‧‧‧垂直掃描電路
154‧‧‧信號處理電路
155‧‧‧水平信號線
156‧‧‧時序產生區段
157‧‧‧輸出區段
158‧‧‧電壓產生電路
Px‧‧‧像素
Px1‧‧‧像素
Px2‧‧‧像素
X‧‧‧像素區段之部分

Claims (18)

  1. 一種固態攝像裝置，其包括藉由入射光之光電轉換來產生信號電荷之光電轉換元件，及將由上述光電轉換元件所產生之信號電荷轉移至上述光電轉換元件之外部的轉移電晶體，且藉由信號處理將由上述光電轉換元件所產生之信號電荷轉換成影像信號並將其輸出；其中該固態攝像裝置包括形成於第一導電性類型半導體基板之第一主表面側，且藉由元件分離區而分離之半導體區；且上述光電轉換元件及上述轉移電晶體係複數地配置於藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區內；其中上述光電轉換元件係包含：第二導電性類型光電轉換區，其光電轉換自與上述第一主表面為相對側之上述第一導電性類型半導體基板之第二主表面所取得之入射光；第二導電性類型電荷累積區，其在上述第一導電性類型半導體基板之第一主表面側累積由上述第二導電性類型光電轉換區中之光電轉換所產生之信號電荷；及第一導電性類型表面半導體區，其以覆蓋上述第二導電性類型電荷累積區之方式形成於上述第二導電性類型電荷累積區之上述第一主表面側；其中藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區係包含：第二導電性類型信號電荷累積區段，其累積自上述光電轉換元件轉移來之信號電荷；及 第一導電性類型電荷轉移區，其將上述信號電荷自上述第二導電性類型電荷累積區轉移至上述第二導電性類型信號電荷累積區段；上述第一導電性類型表面半導體區具有超過上述第一導電性類型電荷轉移區之雜質濃度的雜質濃度；且上述轉移電晶體之閘極電極係以覆蓋上述第二導電性類型電荷累積區之上述第一主表面側之表面上方，且覆蓋藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區之相鄰之上述光電轉換元件間之區及上述光電轉換元件與上述元件分離區之間之區的上述第一主表面側之表面上方之方式配置。
  2. 如請求項1之固態攝像裝置，其中上述第二導電性類型電荷累積區與上述第二導電性類型信號電荷累積區段係夾著上述第一導電性類型電荷轉移區而分隔地配置。
  3. 如請求項2之固態攝像裝置，其中上述第二導電性類型電荷累積區與上述第二導電性類型信號電荷累積區段之間的間隔係：實質上不導致短通道效應之最小距離以上、上述固態攝像裝置中之像素之積體度所容許之最大距離以下。
  4. 如請求項2之固態攝像裝置，其中上述第二導電性類型電荷累積區與上述第二導電性類型信號電荷累積區段之間的間隔係在0.2μm至1.0μm之範圍內。
  5. 如請求項1之固態攝像裝置，其中藉由上述元件分離區所分離之上述半導體區係形成於上述第一導電性類型半 導體基板內之第一導電性類型井區；且上述第一導電性類型表面半導體區具有上述第一導電性類型井區之雜質濃度以下的雜質濃度。
  6. 如請求項5之固態攝像裝置，其中藉由上述轉移電晶體之閘極電極而覆蓋於上述第一導電性類型表面半導體區、上述第一導電性類型電荷轉移區及上述第一導電性類型井區的上述第一主表面側之表面上方。
  7. 如請求項5之固態攝像裝置，其中上述第一導電性類型井區係以環繞構成上述第二導電性類型電荷累積區、上述第一導電性類型電荷轉移區及上述第二導電性類型信號電荷累積區段之區的方式而形成。
  8. 如請求項1至4中任一項之固態攝像裝置，其中上述第一導電性類型電荷轉移區係以環繞上述第二導電性類型信號電荷累積區段之方式而配置。
  9. 如請求項1至7中任一項之固態攝像裝置，其包括：重設電晶體，其重設上述第二導電性類型信號電荷累積區段之信號電荷；及放大電晶體，其放大根據上述第二導電性類型信號電荷累積區段中所累積之信號電荷而產生之信號電壓；且上述重設電晶體及上述放大電晶體在複數個像素當中共用。
  10. 一種驅動如請求項1之固態攝像裝置之方法，其中於在上述光電轉換元件藉由入射光之光電轉換產生信號電荷並將其累積的電荷累積期間，在上述轉移電晶體之閘極 電極與上述第一導電性類型表面半導體區之間施加電壓，以使得上述轉移電晶體之閘極電極之電位相對於上述第一導電性類型表面半導體區之電位低。
  11. 如請求項10之驅動固態攝像裝置之方法，其中在上述電荷累積期間，將除像素區之外的周邊電路區段中所產生之負電壓施加至上述轉移電晶體之閘極電極，且將上述周邊電路區段之接地電位施加至上述第一導電性類型表面半導體區。
  12. 如請求項10之驅動固態攝像裝置之方法，其中在上述電荷累積期間，將上述周邊電路區段之接地電位施加至上述轉移電晶體之閘極電極，且將正電壓施加至上述第一導電性類型表面半導體區。
  13. 如請求項10之驅動固態攝像裝置之方法，其中於在上述電荷累積期間上述光電轉換元件中所累積之信號電荷轉移至上述信號電荷累積區段的電荷轉移期間，在上述轉移電晶體之閘極電極與上述第一導電性類型表面半導體區之間施加電壓以使得上述轉移電晶體之閘極電極之電位相對於上述第一導電性類型表面半導體區之電位為高。
  14. 一種製造如請求項1至7中任一項之固態攝像裝置之方法，該方法包括如下步驟：於上述第一導電性類型半導體基板形成上述元件分離區；於藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區內形成 上述光電轉換元件；在形成上述光電轉換元件之後形成上述轉移電晶體之閘極電極；及於形成上述轉移電晶體之閘極電極之後形成上述第二導電性類型信號電荷累積區段；其中形成上述光電轉換元件之步驟包括：自上述第一導電性類型半導體基板之第一主表面側，離子植入第二導電性類型雜質以形成上述第二導電性類型電荷累積區之步驟；及於上述第二導電性類型電荷累積區之表面，自上述第一導電性類型半導體基板之第一主表面側，離子植入第一導電性類型雜質而形成具有超過上述第一導電性類型電荷轉移區之雜質濃度的雜質濃度之上述第一導電性類型表面半導體區；其中形成上述轉移電晶體之閘極電極之步驟包括：將上述轉移電晶體之閘極電極之構成材料沈積於上述第一主表面之上方之步驟；及選擇性蝕刻所沈積之閘極電極之構成材料，而以覆蓋上述第二導電性類型電荷累積區之上述第一主表面側之表面上方、且覆蓋藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區之相鄰之上述光電轉換元件間之區及上述光電轉換元件與上述元件分離區之間之區的上述第一主表面側之表面上方的方式，形成上述轉移電晶體之閘極電極。
  15. 如請求項14之製造固態攝像裝置之方法，其中藉由雜質 之離子植入來形成上述第二導電性類型電荷累積區及上述第一導電性類型表面半導體區，且上述雜質之離子植入係使用了相同之離子植入遮罩。
  16. 一種製造如請求項5之固態攝像裝置之方法，其包括如下步驟：於上述第一導電性類型半導體基板形成上述第一導電性類型井區；於上述第一導電性類型半導體基板形成上述元件分離區；及在藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區即上述第一導電性類型井區形成上述光電轉換元件；且包含在形成上述光電轉換元件之後形成上述轉移電晶體之閘極電極之步驟；及於形成上述轉移電晶體之閘極電極之後形成上述第二導電性類型信號電荷累積區段之步驟；其中形成上述光電轉換元件之步驟包括：自上述第一導電性類型半導體基板之第一主表面側植入第二導電性類型雜質而形成該第二導電性類型電荷累積區之步驟；及將第一導電性類型雜質自上述第一導電性類型半導體基板之第一主表面側離子植入至上述第二導電性類型電荷累積區之表面，而形成具有超過上述第一導電型電荷轉移區之雜質濃度之雜質濃度、且為上述第一導電性類型井區之雜質濃度以下之雜質濃度之第一導電性類型表 面半導體區之步驟；其中形成上述轉移電晶體之閘極電極之步驟包含：將上述轉移電晶體之閘極電極之構成材料沈積於上述第一主表面之上方之步驟；及選擇性蝕刻所沈積之閘極電極之構成材料，而以覆蓋上述第二導電性類型電荷累積區之上述第一主表面側之表面上方、且覆蓋藉由上述元件分離區而分離之上述半導體區之相鄰之上述光電轉換元件間之區及上述光電轉換元件與上述元件分離區之間之區的上述第一主表面側之表面上方之方式，形成上述轉移電晶體之閘極電極。
  17. 如請求項16之製造固態攝像裝置之方法，其中藉由雜質之離子植入而形成上述第二導電性類型電荷累積區及上述第一導電性類型表面半導體區，且上述雜質之離子植入係使用了相同之離子植入遮罩。
  18. 一種包括如請求項1至7中任一項之固態攝像裝置之電子資訊機器。
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