TWI640088B - Charge coupled device, method of manufacturing the same, and solid-state imaging device - Google Patents

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鈴木久則
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Abstract

各個像素區域PX具備光電轉換區域S1、電阻性閘極電極R、第1傳送電極T1、第2傳送電極T2、位於半導體基板10中之第1傳送電極T1正下方之障壁區域B、及位於半導體基板10中之第2傳送電極T2正下方之電荷儲存區域S2。障壁區域B之雜質濃度低於電荷儲存區域S2之雜質濃度，且第1傳送電極T1與第2傳送電極T2電性連接。

Description

電荷耦合元件及其製造方法、以及固體攝像裝置
本發明係關於一種將所入射之能量線(光/X射線)轉換為電荷(電子)，使半導體內部之電位變化，藉此傳送所轉換之電荷之電荷耦合元件(CCD)及其製造方法、以及具備該電荷耦合元件之固體攝像裝置。
先前，將所入射之能量線轉換為電荷之固體攝像元件眾所周知有多種(參照專利文獻1~3)。尤其，於醫療領域等中之電荷耦合元件中，要求像素尺寸較大者。此係因為，若使用較大之尺寸之像素，則可減少電荷之傳送次數。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2004-303982號公報
專利文獻2：日本專利特開2012-151364號公報
專利文獻3：日本專利特開平6-283704號公報
然而，於電荷耦合元件中，係利用稱為邊緣電場(fringing electric field)之電位傾斜，傳送已產生之電荷，但存在如下傾向：若像素尺寸變大，則於像素之中央部中，電位相對於位置變得平坦，難以傳送電荷。
本發明係鑒於此種問題而開發者，其目的在於提供一種將所入射之能量線轉換為電荷之後，可充分傳送該電荷之電荷耦合元件及其製造方法、以及具備該電荷耦合元件之固體攝像裝置。
為了解決上述問題，本發明之電荷耦合元件具備：半導體基板，其具有排列於一方向之複數個像素區域；及絕緣膜，其設置於上述半導體基板上；該電荷耦合元件之特徵在於，各個像素區域具備：光電轉換區域，其對所入射之能量線進行光電轉換；傾斜電位形成機構，其於上述光電轉換區域內形成促進沿著上述一方向之電荷之傳送之電位傾斜；第1傳送電極，其設置於上述絕緣膜上；第2傳送電極，其設置於上述絕緣膜上，且配置於上述第1傳送電極與鄰接於該像素區域之像素區域之間；障壁區域，其位於上述半導體基板中之上述第1傳送電極正下方；及電荷儲存區域，其位於上述半導體基板中之上述第2傳送電極正下方；且上述障壁區域之雜質濃度低於上述電荷儲存區域之雜質濃度，上述第1傳送電極與上述第2傳送電極電性連接。
藉由傾斜電位形成機構，而於像素尺寸較大之情形時，可將於光電轉換區域內產生之電荷向一方向充分傳送。經傳送之電荷經由障壁區域而被傳送至電荷儲存區域。障壁區域及電荷儲存區域之無偏壓狀態之電位(potential)因雜質濃度差而不同，電荷儲存區域較深，容易儲存電荷。另一方面，於該等障壁區域及電荷儲存區域中，藉由電性連接之第1及第2傳送電極，經由絕緣膜，而被給予相同之電位。因此，藉由使向第1及第2傳送電極之施加電位上下波動，而可經由障壁區域將電荷儲存於電荷儲存區域(第1狀態)，將經儲存之電荷向後段之像素傳送(第2狀態)。
又，上述第1傳送電極及上述第2傳送電極亦可包括1個共用電極。於該情形時，具有簡化構造之效果。
又，該電荷耦合元件之特徵在於，於某像素區域中之上述電荷儲存區域與鄰接於該像素區域之後段之像素區域中之上述光電轉換區域之間，形成雜質濃度低於上述光電轉換區域之電位障壁區域。如此，於存在雜質濃度較低之電位障壁區域之情形時，可防止自後段之像素區域向對象之像素區域之電荷儲存區域之電荷之逆流。
該電荷耦合元件之特徵在於，上述傾斜電位形成機構係位於上述光電轉換區域之正上方、且設置於上述絕緣膜上之電阻性閘極電極(resistive gate electrode)，於上述電阻性閘極電極之上述一方向之兩端間施加有特定之額定電壓。藉由配置電阻性閘極電極，且對其兩端間施加額定電壓，而可於電阻性閘極電極正下方之半導體區域中，形成電位傾斜。因此，於使用大面積之像素之情形時，亦可充分地傳送電荷。
於電阻性閘極電極或傳送電極中，可自驅動電路給予電位。驅動電路藉由控制裝置而控制。
本發明之固體攝像裝置之特徵在於具備：上述電荷耦合元件；驅動電路，其驅動上述電荷耦合元件；及控制裝置，其控制上述驅動電路；上述控制裝置以上述第1及第2傳送電極之電位同時上下振動之方式控制上述驅動電路。於該情形時，藉由電位之上下波動，而可交替地形成上述第1狀態及第2狀態。
又，一種電荷耦合元件之製造方法，其係製造具備上述共用電極之電荷耦合元件者，且其特徵在於上述障壁區域係藉由將成為上述光電轉換區域之雜質添加至上述半導體基板之表面之後，將與由添加而形成之半導體區域相反之導電型之雜質添加一部分進行載體補償(carrier compensation)而形成。藉由載體之補償，可容易地形成低濃度之障壁區域。
根據本發明之電荷耦合元件及固體攝像裝置，可將所入射之能量線轉換為電荷之後，充分地傳送該電荷，且若使用其製造方法，則可容易地製造其障壁區域之部分。
10‧‧‧半導體基板
10A‧‧‧半導體基板本體
10'‧‧‧區域
20‧‧‧絕緣膜
100‧‧‧電荷耦合元件
101‧‧‧驅動電路
102‧‧‧控制裝置
A‧‧‧放大器
AR‧‧‧像素行
ARD‧‧‧汲極區域
ARG‧‧‧重設閘極電極
B‧‧‧障壁區域
B*‧‧‧障壁區域
B3‧‧‧通道區域
BR‧‧‧電位障壁區域
C1‧‧‧接觸區域
E1‧‧‧電極
HD‧‧‧高濃度地添加有N型雜質之區域
HR‧‧‧水平暫存器
L1‧‧‧入射光
LD‧‧‧未添加N型雜質之區域
M0‧‧‧遮罩
M1‧‧‧遮罩
M2‧‧‧遮罩
PH‧‧‧傳送電極
PV‧‧‧傳送信號
PX‧‧‧像素區域
PX(1)‧‧‧像素區域
PX(2)‧‧‧像素區域
PX(Last)‧‧‧像素區域
R‧‧‧電阻性閘極電極
RGH‧‧‧電位
RGL‧‧‧電位
S‧‧‧半導體區域
S1‧‧‧光電轉換區域
S11‧‧‧前段側區域
S11*‧‧‧光電轉換區域
S12‧‧‧後段側區域
S12*‧‧‧錐形區域
S12**‧‧‧微小半導體區域
S2‧‧‧電荷儲存區域
S2*‧‧‧電荷儲存區域
STG‧‧‧傳送電極
T1‧‧‧第1傳送電極
T2‧‧‧第2傳送電極
TG‧‧‧傳送閘極電極
TGV‧‧‧時脈信號
圖1係表示具備電荷耦合元件之固體攝像裝置之平面構成之圖。
圖2係圖1所示之電荷耦合元件之剖視圖(II-II箭頭線剖面)。
圖3係圖1所示之電荷耦合元件之剖視圖(III-III箭頭線剖面)。
圖4(A)-(C)係用以說明垂直方向之像素行中之電位變化之圖。
圖5係表示各信號之電位之變化之圖表。
圖6係電阻性閘極電極之俯視圖。
圖7係第1形態之光電轉換區域之俯視圖。
圖8係第2形態之光電轉換區域之俯視圖。
圖9係第3形態之光電轉換區域之俯視圖。
圖10係用以說明垂直方向之像素行之終端部之電荷耦合元件之局部性之俯視圖。
圖11係圖10所示之電荷耦合元件之剖視圖(A-A箭頭線剖面)。
圖12係用以說明垂直方向之像素行之終端部之電荷耦合元件之局部性之俯視圖。
圖13係圖12所示之電荷耦合元件之剖視圖(A-A箭頭線剖面)(圖13(A))、沿著該剖面之X軸方向之電位圖(B)、(C)。
圖14係將最終段之像素中之電荷儲存區域變化之情形時之電荷耦合元件之局部性之俯視圖。
圖15係已變化之構造之電荷耦合元件之剖視圖。
圖16(A)-(C)係用以說明垂直方向之像素行中之電位變化之圖。
圖17係背面照射型之電荷耦合元件之局部性之剖視圖。
圖18係使傳送電極共用之情形時之電荷耦合元件之傳送電極附 近之剖視圖。
圖19(A1)-(A2)、(B1)-(B3)、(C1)-(C3)係用以對雜質之注入進行說明之圖。
圖20係表示電子傳送方向之位置(μm)與電位(V)及電子移行時間(μs)之關係之曲線圖。
以下，對實施形態之電荷耦合元件及其製造方法、以及具備該電荷耦合元件之固體攝像裝置進行說明。再者，對相同要素使用相同符號，並省略重複之說明。
首先，對完成本發明之前提進行說明。首先，於電荷耦合元件(CCD)中，於1個像素內，調查藉由能量線(光/X射線等)之入射而產生之電子之行為。以下，對於CCD之構成中一般之2相驅動型CCD進行說明。像素包括障壁區域及電荷儲存區域。障壁區域與電荷儲存區域成為1對，且被給予共用之偏壓。於相同偏壓下，障壁區域之電位較電荷儲存區域之電位淺。一個像素係由2對障壁區域與電荷儲存區域而構成。
圖20係表示電子傳送方向之位置(μm)與電位(V)及電子移行時間(μs)之關係之曲線圖。
於正方形之像素尺寸為24μm、48μm、96μm之情形時，成為如圖之線所示之電位分佈。自位置為0μm之地點起，向負方向延伸且電位大致向上增加之區域為第一障壁區域，自位置為0μm之地點起向正方向延伸之大致平坦之區域為第一電荷儲存區域，其次電位向下增加且大致平坦之區域為第二障壁區域，進而，形成其次之電位井之區域為第二電荷儲存區域。對第一電荷儲存區域與第一障壁區域給予共用之第一偏壓，對第二電荷儲存區域與第二障壁區域給予共用之第二偏壓。於各區域之交界附近電位傾斜，故而形成邊緣區域。圖20中，較 第一偏壓而言對第二偏壓給予較大之電壓，第一電荷儲存區域之電荷經由第二障壁區域而被傳送至第2電荷儲存區域。藉由較第二偏壓而言對第一偏壓給予較大之電壓，而儲存於第二電荷儲存區域之電荷經由與第二電荷儲存區域鄰接之像素之第一障壁區域而被傳送至第一電荷儲存區域。藉由重複該操作，而進行遍及複數個像素之電荷傳送。
於像素尺寸為24μm之情形時，於第一電荷儲存區域之端即位置0μm中產生之電子於1×10-3(μs)後，到達第2電荷儲存區域。於像素尺寸為48μm之情形時，於位置0μm中產生之電子於1.2×10-1(μs)後，到達第2電荷儲存區域。另一方面，於像素尺寸為96μm之情形時，於位置0μm中產生之電子由於電位平坦之區域過大，故而未到達第2電荷儲存區域。
因此，於本實施形態之電荷耦合元件中，構成為於像素之大部分中，形成傾斜電位。形成傾斜電位之方法考慮有複數個方法，但較佳為，隔著絕緣膜而將電阻性閘極電極配置於光電轉換區域上，並對電阻性閘極電極之兩端施加電壓。
於使用電阻性閘極電極之情形時，於像素尺寸為24μm、48μm、96μm之情形時，各像素內之電場強度之最小值成為63(V/nm)、41(V/nm)、18(V/nm)。於像素尺寸為24μm、48μm、96μm之情形時，不使用電阻性閘極電極之2相驅動之CCD中，各像素內之電場強度之最小值為28(V/nm)、1.2(V/nm)、0(V/nm)。因此，可知藉由使用電阻性閘極電極，與不使用電阻性閘極電極之情形相比，可使電場強度增加。再者，該結果為於2相驅動之CCD之情形時，使障壁區域與電荷儲存區域之長度之比率為1：2之情形時之結果，於使用電阻性閘極電極之情形時，則為使障壁區域之長度為4μm、使電荷儲存區域之長度為8μm之情形時之結果。
以下，對實施形態之電荷耦合元件進行詳細說明。
圖1係表示具備電荷耦合元件之固體攝像裝置之平面構成之圖，圖2係圖1所示之電荷耦合元件之剖視圖(II-II箭頭線剖面)。
如圖2所示，該電荷耦合元件100具備：半導體基板10，其具有排列於Y軸方向(一方向)之複數個像素區域PX(圖2中表示為PX(1)、PX(2))；及絕緣膜20，其設置於半導體基板10上。於P型(第1導電型)之半導體基板10之表面側，形成有較半導體基板本體10A高濃度地添加雜質(P型)而成之接觸區域C1，電極E1(參照圖1)接觸並電性連接於接觸區域C1。於半導體基板10之表面側形成有構成二維攝像區域之複數個像素行AR，各像素行具備排列於Y軸方向之複數個像素區域PX。再者，接觸區域C1亦可以包圍半導體基板10之外緣之方式而形成。
如圖1所示，於各像素行AR之終端部，設置有控制電子之通過之傳送閘極電極TG，隔著傳送閘極電極TG，而配置有水平暫存器HR。水平暫存器HR經由傳送閘極電極TG，而將流入之其中之電子向水平方向(X軸負方向)傳送。經傳送之電子被輸入至放大器A，轉換為電壓，並輸出至外部。
如圖2所示，各個像素區域PX具備：光電轉換區域S1，其對所入射之能量線進行光電轉換(再者，空乏層較寬之PN接面形成於半導體基板本體10A與光電轉換區域S1之界面)；及電阻性閘極電極R(傾斜電位形成機構)，其於光電轉換區域S1內形成沿著一方向之電位傾斜。又，各個像素區域PX具備：第1傳送電極T1，其設置於絕緣膜20上；及第2傳送電極T2，其設置於絕緣膜20上，且配置於第1傳送電極T1與鄰接於該像素區域PX(1)之像素區域PX(2)之間。進而，各個像素區域PX具備：障壁區域B，其位於半導體基板10中之第1傳送電極T1正下方；及電荷儲存區域S2，其位於半導體基板10中之第2傳送電極T2正下方。
此處，障壁區域B之雜質濃度(第2導電型：N型)低於電荷儲存區域S2之雜質濃度(N型)，第1傳送電極T1與第2傳送電極T2電性連接。
再者，於本例中，傾斜電位形成機構係位於光電轉換區域S1之正上方、且設置於絕緣膜20上之電阻性閘極電極R，自驅動電路101對電阻性閘極電極R之Y軸方向之兩端間施加特定之額定電壓，如上所述，即便使用半導體基板表面之二維濃度分佈，亦可構成傾斜電位形成機構。傾斜電位形成機構促進沿著電荷傳送方向之電荷之傳送。
於使用電阻性閘極電極R之情形時，於絕緣膜20上配置電阻性閘極電極R，對其兩端間施加額定電壓，藉此，於電阻性閘極電極正下方之半導體區域中，可形成電位傾斜。此處，對電阻性閘極電極R中之電子傳送方向之前段施加電位RGL，對後段施加電位RGH(>RGL)。換言之，於與接地之間，分別施加電壓RGL、RGH。由於後段之電位較高，故而具有負電荷之電子向電位較高之後段流去。因此，於使用大面積之像素之情形時，亦可充分地傳送電荷。
藉由電阻性閘極電極R，而於像素尺寸較大之情形時，亦可將於光電轉換區域S1內產生之電荷向一方向充分地傳送。經傳送之電荷經由障壁區域B而被傳送至電荷儲存區域S2。障壁區域B及電荷儲存區域S2之無偏壓狀態之電位(potential)因雜質濃度差而不同，電荷儲存區域S2較深，容易儲存電荷。另一方面，於該等障壁區域B及電荷儲存區域S2中，藉由電性連接之第1傳送電極T1及第2傳送電極T2，經由絕緣膜，而被給予相同之偏壓。因此，藉由使向第1傳送電極T1及第2傳送電極T2之施加電位(傳送信號PV)上下波動，而可實現經由障壁區域B將電荷儲存於電荷儲存區域S2(第1狀態)，將經儲存之電荷向後段之像素傳送(第2狀態)。
可對電阻性閘極電極R或傳送電極T1、T2，自驅動電路101給予電位。驅動電路101藉由控制裝置102而控制。控制裝置102包括微電 腦等，根據向控制裝置102之控制輸入，而將預先程式化之時脈信號向驅動電路101送出。若對驅動電路101輸入特定之時脈信號，則驅動電路101產生額定電壓RGL、RGH與1相之傳送信號PV。例如，驅動電路101偵測時脈信號之輸入開始，於一定時間之期間，產生固定之電壓RGL、RGH，並且將時脈信號根據需要分頻，於經分頻之時脈信號之上升之時序，使傳送信號PV之電位上升，於下降之時序使傳送信號PV之電位降低。
即，該固體攝像裝置具備電荷耦合元件100、驅動電荷耦合元件100之驅動電路101、及控制驅動電路101之控制裝置102，控制裝置102以第1傳送電極T1及第2傳送電極T2之電位藉由傳送信號PV之施加而同時上下振動之方式控制驅動電路101。於該情形時，藉由電位之上下波動，可交替地形成上述「第1狀態」及「第2狀態」。
圖3係圖1所示之電荷耦合元件之剖視圖(III-III箭頭線剖面)。
傳送至垂直方向之像素行之最後之像素區域PX(last)為止之電子被儲存於最後之障壁區域B與電荷儲存區域S2。於最後之障壁區域B與電荷儲存區域S2上，隔著絕緣膜20，而配置有共用之傳送電極STG，其亦可分離。鄰接於最後之電荷儲存區域S2，設置有N型之通道區域B3，於通道區域B3上隔著絕緣膜20，而配置有傳送閘極電極TG。傳送閘極電極TG係控制向水平暫存器HR之電荷傳送者，且被施加閘極用之時脈信號TGV。時脈信號TGV亦可與時脈信號PV相同，亦可設定為進行組合動作。
若對傳送閘極電極TG給予高於基準值之電位，打開閘極，則儲存於最終之像素區域PX(last)之電荷經由通道區域B3，而流入至形成於水平暫存器用之傳送電極PH正下方之半導體區域。該半導體區域包括障壁區域B*與電荷儲存區域S2*，且可分別與障壁區域B及電荷儲存區域S2為相同之構成。
儲存於水平暫存器HR之電荷儲存區域S2*之電荷係藉由對設置於絕緣膜20上之水平方向之傳送電極PH施加水平方向之傳送信號，而於水平方向傳送，該傳送信號及對傳送閘極電極TG施加之傳送信號均係根據控制裝置102之指示，藉由驅動電路101而產生。
圖4係用以說明垂直方向之像素行中之電位變化之圖，圖5係表示各信號之電位之變化之圖表。再者，以下之曲線圖中，電位由表示，圖式向下為正方向。
於進行電荷傳送之期間中，於所有期間t1~t2(參照圖5)中，施加至電阻性閘極電極R之兩端之電位RGL、RGH固定(於與接地之間分別表示電壓)。當然，亦可施加電位RGL、RGH，一面進行光電轉換，一面進行光電轉換區域內之電荷傳送，於光電轉換時不對電阻性閘極電極R之兩端間給予電壓地儲存電子，然後，亦可僅於電荷傳送時給予電壓。
於第1期間t1，如圖4(A)所示，配置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域S1之電位隨著向電子(黑色圓點)之傳送方向(圖式右側：圖1之Y軸負方向)前進而變深，第1傳送電極T1之正下方之障壁區域B之電位大幅變深，第2傳送電極T2正下方之電荷儲存區域S2則進而變深。電荷儲存區域S2由鄰接於其之障壁區域B與後段之光電轉換區域S1夾持，形成有電位井。於(A)之狀態之情形時，於該第1傳送電極T1及第2傳送電極T2中，均藉由傳送信號PV，而被施加有高於基準值之電位。
於第2期間t2，如圖4(B)所示，配置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域S1之電位不變化，第1傳送電極T1之正下方之障壁區域B之電位小於光電轉換區域S1之電位，構成電位障壁。電荷儲存區域S2之電位較障壁區域B深，較後段之光電轉換區域S1淺，故而儲存於電荷儲存區域S2之電子流入至後段之光電轉換區域，利用藉由障壁區域B(緩 衝區域)而形成之電位障壁而電子被阻擋，於光電轉換區域S1之圖式之右端暫時被儲存。
以後，重複該等第1期間t1與第2期間t2之動作。即，圖4(B)之期間之後，成為第1期間t1。於該情形時，如圖4(C)所示，配置有電阻性閘極電極R之光電轉換區域S1之電位不變化，障壁區域B及光電轉換區域S1之電位變化為與第1期間t1相同之狀態，且進行與其相同之動作。進而，於下一期間，變化為與第2期間t2相同之狀態，進行與其相同之動作。
其次，對傾斜電位形成機構進行說明。
圖6係作為傾斜電位形成機構之電阻性閘極電極R之俯視圖。電阻性閘極電極R例如包括具有較光電轉換區域S1低之電阻率之多晶矽等。電阻R之兩端間之較佳之電阻值可設定為1kΩ以上且10MΩ以下。電阻性閘極電極R於XY平面內構成長方形，但亦可為梯形等其他多邊形形狀。對電阻性閘極電極R之兩端，給予電位RGL、RGH，形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖7係作為傾斜電位形成機構之第1形態之光電轉換區域S1之俯視圖。即，本例係不使用上述電阻性閘極電極R，使光電轉換區域S1之雜質濃度變化，同樣地形成傾斜電位者。電子向圖式之右方向傳送，相較於電荷傳送之前段側區域S11之雜質濃度，後段側區域S12之雜質濃度設定得較高。於該情形時，後段側區域S12之電位亦較前段側區域S11深，於前段側區域S11與後段側區域S12之交界附近形成傾斜之邊緣電場。即，形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖8係作為傾斜電位形成機構之第2形態之光電轉換區域之俯視圖。即，本例亦係不使用上述電阻性閘極電極R，使光電轉換區域S1之雜質濃度變化，同樣地形成傾斜電位者。電子向圖式之右方向傳 送，X軸方向寬度隨著朝向與電荷傳送方向(Y方向)相反方向而變窄之梯形狀之錐形區域S12*，以於Y軸方向穿過殘餘之光電轉換區域S11*之方式延伸。錐形區域S12*之雜質濃度設定得較光電轉換區域S11*之雜質濃度高。於該情形時，寬度方向之平均電位於電荷傳送方向之後段側區域中，較前段側區域深，於光電轉換區域S1內形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖9係作為傾斜電位形成機構之第3形態之光電轉換區域之俯視圖。即，本例亦係不使用上述電阻性閘極電極R，使光電轉換區域S1之雜質濃度變化，同樣地形成傾斜電位者。本例之光電轉換區域S1係將第2形態中之錐形區域S12*置換為複數個微小半導體區域S12**者，各個微小半導體區域S12**之形狀為長方形等多邊形，複數個微小半導體區域S12**之寬度方向(X軸方向)兩端間之距離之最大值隨著朝向與電荷傳送方向相反之方向(Y軸正方向)而變小。
微小半導體區域S12**之雜質濃度設定得較殘餘之光電轉換區域S11*之雜質濃度高。於該情形時，寬度方向之平均電位於電荷傳送方向之後段側區域中，較前段側區域深，於光電轉換區域S1內形成促進向電荷傳送方向之電荷之傳送之電位傾斜。
圖10係用以說明垂直方向之像素行之終端部之電荷耦合元件之局部性之俯視圖，圖11係圖10所示之電荷耦合元件之剖視圖(A-A箭頭線剖面)。
於包括複數個像素區域PX之像素行之終端，沿著Y軸之負方向依序形成有上述傳送電極STG、傳送閘極電極TG、水平方向之傳送電極PH。於該構成之情形時，存在如下問題：電荷儲存區域S2構成於X軸方向均勻地擴散之N型半導體層，無法將傳送電極STG正下方之電荷於所期望之時序排出。
圖12係用以說明垂直方向之像素行之終端部之電荷耦合元件之 局部性之俯視圖，圖13係圖12所示之電荷耦合元件之剖視圖(A-A箭頭線剖面)(圖13(A))、沿著該剖面之X軸方向之電位圖(B)、(C)。
於包括複數個像素區域PX之像素行之終端，沿著Y軸之負方向排列形成有上述傳送電極STG、傳送閘極電極TG、水平方向之傳送電極PH。鄰接於傳送電極STG之X軸方向，於絕緣膜20上，形成有重設閘極電極ARG。
於重設閘極電極ARG之正下方，鄰接於電荷儲存區域S2，形成有具有較其低之雜質濃度之通道區域B2，鄰接於通道區域B2，形成有電荷排出用之汲極區域ARD。於對重設閘極電極ARG給予低於基準之電位之情形時(B)，於通道區域B2中形成電位障壁，電子儲存於電荷儲存區域S2，於給予高於基準之電位之情形時(C)，電位障壁消失，電子(黑色圓點)向汲極區域ARD流動。對重設閘極電極ARG給予較高之電位之時序例如為組合動作之結束時等，根據所期望之目的而設定。
圖14係使最終段之像素區域中之電阻性閘極電極R及光電轉換區域S1之平面形狀變化之情形時之電荷耦合元件之局部性之俯視圖。與圖13所示者之不同點為，最終段之像素區域PX(last)中之電阻性閘極電極R及光電轉換區域S1之平面形狀不同，其他之構成與圖12者相同。最終段之像素區域PX(last)中之電阻性閘極電極R及光電轉換區域S1之XY平面形狀係於端部中，隨著朝向電荷傳送方向而寬度變窄。再者，電阻性閘極電極R及光電轉換區域S1之XY平面形狀相同，故而該圖中僅表示電阻性閘極電極R。藉由該構造，可不將傳送而來之電荷導向汲極區域ARD，而向傳送電極STG之正下方之電荷儲存區域S2傳送。
圖15係變化之構造之電荷耦合元件之剖視圖，圖16係用以說明垂直方向之像素行中之電位變化之圖。圖15所示之構造與圖2所示者 之不同點為：於光電轉換區域之電荷傳送方向之前段側，設置有低雜質濃度之電位障壁區域BR，其他構成相同。
即，於某像素區域PX(1)中之電荷儲存區域S2與鄰接於該像素區域之後段之像素區域PX(2)中之光電轉換區域S1之間，形成有較光電轉換區域S1而雜質濃度低之電位障壁區域BR。如此，於雜質濃度較低之電位障壁區域BR存在之情形時，可防止電荷自後段之像素區域PX(2)向對象之像素區域之電荷儲存區域S2逆流。
即，圖16(A)、(B)、(C)分別為對應於圖4(A)、(B)、(C)之狀態之圖，電位障壁區域BR於(A)之狀態下，抑制電子向下一段之像素區域PX(2)之不需要之傳送，又，於自(C)之狀態返回至(A)之狀態之情形時，防止電子之逆流。
圖17係背面照射型之電荷耦合元件之局部性之剖視圖。
本例與圖2所示者之不同點在於：構成為將半導體基板本體10A自背面側薄膜化，使入射光L1自背面入射。半導體基板本體10A之周邊部之厚度較中央部之厚度厚，中央部之厚度設定為例如5μm以上且100μm以下。藉此，由於遮斷自背面側入射至光電轉換區域S1之光之電極消失，故而可實現高感度之攝像。
圖18係於各像素區域PX中，共用第1傳送電極T1及第2傳送電極T2之情形時之電荷耦合元件之傳送電極附近之剖視圖。
即，本例係第1傳送電極T1及第2傳送電極T2包括1個共用電極T12者，其他之構造與上述實施形態者相同。於該情形時，具有簡化構造之效果。
再者，尤其，於具備上述共用之傳送電極T12或STG之電荷耦合元件之製造方法中，障壁區域B係可對N型(第2導電型)之半導體區域添加P型(第1導電型)之雜質，進行載體補償而形成。換言之，障壁區域B係可藉由將成為光電轉換區域S1之雜質添加至半導體基板10之表 面之後，添加一部分與由添加而形成之半導體區域S相反之導電型之雜質進行載體補償而形成。即，藉由載體之補償，可容易地形成低濃度之障壁區域B。以下，進行詳細說明。
圖19係用以對雜質之注入方法進行說明之圖。
首先，將N型之雜質離子注入並添加至P型之半導體基板10之表面之整個面，形成N型之半導體區域S(A1)。其次，於N型半導體區域S上形成包括多晶矽等之電阻層R。該形成可使用濺鍍法等。然後，於電阻層R上形成具有開口之遮罩M1，使用該遮罩M1，將電阻層R蝕刻而圖案化(B1)。進而，準備另一遮罩M2，以使電阻層R之開口位置與遮罩M2之開口位置錯開，僅開口之一部分重疊之方式配置遮罩M2，使用該遮罩M2之開口邊緣與電阻層R之開口邊緣(自對準)將P型之雜質注入並添加至N型之半導體區域S內，補償經添加之區域之載體，形成上述障壁區域B(C1)。又，半導體基板上之絕緣膜20係於電阻層R之形成前形成，電阻層及上述電極係於絕緣膜20上利用通常之方法圖案化，於圖19中省略記載。
又，即便使用不進行載體補償之方法，亦可形成障壁區域B，於該情形時，由於無法使用電阻層之開口之自對準，故而與使用載體補償之方法相比，障壁區域之形成位置精度不高。
於不使用載體補償之方法之情形時，首先，於P型之半導體基板10之表面側，配置遮罩M0，注入並添加N型之雜質，形成N型之半導體區域S(A2)。於存在遮罩M0之正下方之區域10'不添加雜質。其次，於半導體基板10之整個面上形成包括多晶矽等之電阻層R，於電阻層R上配置具有開口之遮罩M1，使用該遮罩M1，將電阻層R蝕刻，進行圖案化。於該情形時，經圖案化之電阻層R之開口位置與半導體基板10之表面之未添加雜質之區域10'起因於遮罩M1之對準精度，位置會微妙地偏移。
其次，準備另一遮罩M2，以使電阻層R之開口位置與遮罩M2之開口位置錯開，僅開口之一部分重疊之方式配置遮罩M2，使用該遮罩M2之開口與電阻層R之開口(自對準)，將低濃度之N型之雜質注入並添加至並非N型半導體區域之P型之區域10'內，形成N型之障壁區域B。於該情形時，與上述方法相比，障壁區域B之位置變得不準確。
即，於上述步驟(B2)中，於遮罩M1之開口之左邊緣之位置較區域10'之左邊緣向右側偏移之情形時，如(C2)所示，於障壁區域B之左側形成未添加N型雜質之區域LD。
另一方面，於上述步驟(B2)中，於遮罩M1之開口之左邊緣之位置較區域10'之左邊緣向左側偏移之情形時(表示為(B3))，如(C3)所示，於障壁區域B之右側形成高濃度地添加有N型雜質之區域HD。
最後，對材料進行說明。
上述半導體基板10可包括矽(Si)，添加至障壁區域、電荷儲存區域之N型雜質為N、P或As，P型雜質為B或Al。各雜質濃度/厚度之較佳值如以下所述。
．半導體基板本體10A：1013以上且1019以下(cm-3)/50000以上且800000以下(nm)
．光電轉換區域S1：1012以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．障壁區域B：1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．電荷儲存區域S2：1012以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．區域S11：1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．區域S12：1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．區域S11*：1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．區域S12*：1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．區域S12**：1013以上且1019以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．錐形區域S12*：1012以上且1018以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．通道區域B2：1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．汲極區域ARD：1017以上且1020以下(cm-3)/100以上且5000以下(nm)
．電位障壁區域BR：1011以上且1017以下(cm-3)/100以上且5,000以下(nm)

Claims (4)

  1. 一種電荷耦合元件，其具備：半導體基板，其具有排列於一方向之複數個像素區域；及絕緣膜，其設置於上述半導體基板上；該電荷耦合元件之特徵在於：各個像素區域具備：光電轉換區域，其對所入射之能量線進行光電轉換；傾斜電位形成機構，其於上述光電轉換區域內形成促進沿著上述一方向之電荷之傳送之電位傾斜；第1傳送電極，其設置於上述絕緣膜上；第2傳送電極，其設置於上述絕緣膜上，且配置於上述第1傳送電極與鄰接於該像素區域之像素區域之間；緩衝區域，其位於上述半導體基板中之上述第1傳送電極正下方；及電荷儲存區域，其位於上述半導體基板中之上述第2傳送電極正下方；且上述緩衝區域之雜質濃度低於上述電荷儲存區域之雜質濃度；上述第1傳送電極與上述第2傳送電極係電性連接；在某像素區域之上述電荷儲存區域與相鄰於該像素區域的後段之像素區域之上述光電轉換區域之間，且於上述傾斜電位形成機構之正下方，形成雜質濃度較上述光電轉換區域低之電位障壁區域；上述傾斜電位形成機構係位於上述光電轉換區域之正上方而設置於上述絕緣膜上之電阻性閘極電極，且於前述電阻性閘極 電極之上述一方向之兩端間施加特定之額定電壓。
  2. 如請求項1之電荷耦合元件，其中上述第1傳送電極及上述第2傳送電極包括1個共用電極。
  3. 一種固體攝像裝置，其特徵在於具備：如請求項1或2之電荷耦合元件；驅動電路，其驅動上述電荷耦合元件；及控制裝置，其控制上述驅動電路；且上述控制裝置以上述第1及第2傳送電極之電位同時上下振動之方式控制上述驅動電路。
  4. 一種電荷耦合元件之製造方法，其係製造如請求項2之電荷耦合元件者，且該電荷耦合元件之製造方法之特徵在於：上述緩衝區域係藉由將成為上述光電轉換區域之雜質添加至上述半導體基板之表面之後，添加一部分與由添加而形成之半導體區域相反之導電型之雜質進行載體補償而形成。
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