專利名稱：固態(tài)成像裝置的制作方法
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像裝置。尤其是涉及一種，例如行間轉移(interline transfer)型固態(tài)成像裝置，該固態(tài)成像裝置構造成使得可以通過一個電荷耦合設備(CCD)來讀取在光電轉換區(qū)域產生和積累的信號電荷。
2.相關技術介紹最近廣泛流行一種使用固態(tài)成像裝置的家庭攝影機和數碼照相機。這些照相機當中，廣泛運用了一種行間轉移型的固態(tài)成像裝置，該裝置通過CCD來讀取在光電轉換區(qū)域產生和積累的信號電荷。在這種行間轉移型的固態(tài)成像裝置當中，為了降低能耗，并且讓固態(tài)成像裝置和安裝于其上的液晶監(jiān)控器共享一個電源，進行了降低讀取電壓的嘗試。
為了降低讀取電壓，提出了這樣一種固態(tài)成像裝置，其中在構成一個垂直CCD的多個電荷轉換電極中，一個電荷轉移電極用做將光電轉換區(qū)域中產生和積累的信號電荷傳輸到垂直CCD的讀取柵極(reading gate)，該電荷轉移電極被構造為在轉移方向上其電極長度比其他電荷轉移電極長(例如，參見JP2950317)。下面，介紹一種讀取電壓已經降低的常規(guī)的行間轉移型固態(tài)成像裝置。


圖17中給出了一種常規(guī)的行間轉移型固態(tài)成像裝置總體結構的示意圖。在圖17中標記數字100表示一個用于執(zhí)行光電轉換的光電二極管(PD)。200表示在垂直方向上轉移信號電荷的垂直CCD。300表示信號電荷讀取部件，用于將信號電荷從光電二極管100讀到垂直CCD 200上。400表示水平CCD，用于在水平方向上轉移信號電荷。500表示輸出部件，用于探測并放大信號電荷。一般說來，由執(zhí)行光電轉換的光電二極管100和垂直CCD 200構成的區(qū)域“I”稱為一個像素。
如此構造的固態(tài)成像裝置的運轉過程示意如下。根據入射光的量的多少，通過光電轉換，每個光電二極管100產生并積累信號電荷。在預定的積累過程之后，在垂直消隱(vertical blanking)過程中，通過信號電荷讀取部件300，光電二極管100中積累的信號電荷全部被讀到鄰近的垂直CCD 200上。然后，在圖17中，信號電荷通過逐級平行排列的垂直CCD 200向下轉移，并且信號電荷從每個垂直CCD200的最終轉移端被轉移到橫向排列的水平CCD 400中。接著，在圖17中，信號電荷通過水平CCD 400順序地向左轉移。在輸出部件500中信號電荷轉換成電壓信號，然后，輸出為一個時間序列的視頻信號。
圖18A是圖17所示區(qū)域I中像素結構的平面圖。圖18B是圖18A中沿II-II’線截取的剖面圖。在圖18A或圖18B中，標記數字501代表由n型擴散層構成的光電轉換區(qū)域。502表示由n型擴散層構成的垂直CCD 200上的CCD通道區(qū)。503表示由第一多晶硅層構成的垂直CCD 200的第一電荷轉移電極。504表示由第二多晶硅層構成的垂直CCD的第二電荷轉移電極。505表示第二電荷轉移區(qū)域504的電荷讀取部件，用于從光電轉換區(qū)域501中讀取電荷。506表示一個n型半導體基片。507表示一個p型阱。508表示一個p型的讀取區(qū)，用于將光電轉換區(qū)501中積累的信號電荷讀到CCD通道502中。509表示p+型設備分離區(qū)，用于將光電轉換區(qū)501和CCD通道區(qū)502互相分開。510表示一層柵極絕緣膜。511表示層間絕緣膜，用于將第一電荷轉移電極503和第二電荷轉移電極504隔離。在圖18B中，ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4表示轉移時鐘脈沖。
利用光電轉換在光電轉換區(qū)501中產生并積累信號電荷，通過在第二電荷轉移電極504上施加電壓幅值為，例如，8-15伏的讀取脈沖，經由p型讀取區(qū)508將信號電荷讀到CCD通道502中。然后，在第一電荷轉移電極503和第二電荷轉移電極504上施加電壓幅值為，例如，-5～-8伏的轉移脈沖，通過CCD通道502，圖18B中信號電荷從右向左轉移。p型讀取區(qū)508中的雜質濃度以如下方式設置成合適的值當在第二電荷轉移電極504上施加讀取脈沖時，p型讀取區(qū)508導通并完全將光電轉換區(qū)501中的信號電荷轉移到CCD通道502中，當在第一電荷轉移電極503和第二電荷轉移電極504上施加一個轉移脈沖，并且信號電荷通過CCD通道502轉移，p型讀取部件508保持在非導通狀態(tài)。
為了將光電轉換區(qū)501中積累的電荷讀到CCD通道502中，由于驅動電路的限制，要求向第二電荷轉移電極504上施加的電壓大小為15V或更小。此處，若第二電荷轉移電極504的電荷讀取區(qū)505的寬度W(見圖18A)很窄，由于窄帶效應(narrow channel effect)，p型讀取區(qū)508不可能導通以增加讀取電壓，其中寬度W由設備分離區(qū)509和第一電荷轉移電極503決定。
為了解決上述的問題，在一個常規(guī)的固態(tài)成像裝置中，將電荷讀取區(qū)505的寬度W增大到一定程度，使得窄帶效應不再明顯。更具體地說，如圖18B所示，電荷讀取區(qū)505構造成使第二電荷轉移電極504的電極長度L1比第一電荷轉移電極503的電極長度L2要長，其中電荷轉移電極504也起著讀取柵極的作用。
一般說來，CCD的轉移效率主要取決于轉移電極之間產生的邊緣電場。特別是，轉移效率很大程度上依賴于轉移電極下的最小電場。當該最小電場增大時，轉移所需要的時間(轉移時間)變小，從而轉移效率提高了。
圖19A是部分地顯示了圖18B中的垂直CCD的截面圖。圖19B顯示了當垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，從而由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503從中級電壓VVM變成低級(low level)電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)的電勢分布。圖19C給出了當由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504從中級電壓VVM變?yōu)榈图夒妷篤VL時，處于中間電勢的通道區(qū)的電勢分布。圖19B和19C中，電勢以向下為正的方向示出。
如圖19A所示，在常規(guī)的固態(tài)成像裝置中，為了降低讀取電壓，第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極503的電極長度L2要長。因而，在由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504中，最小電勢512出現在電極長度較長的第二電荷轉移電極504的中間位置，如圖19C所示，并且該值隨著電極長度L1的增大而減小。
這樣，在常規(guī)的固態(tài)成像裝置中，隨著第二電荷轉移電極504的電極長度L1的增加而降低了讀取電壓，最小電場變弱，進而降低轉移效率。
發(fā)明概述因此，考慮到上述情況，本發(fā)明的一個目的就是提供一種固態(tài)成像裝置，其中即使將電荷轉移電極的電極長度設置得更長以致于降低了讀取電壓，仍然可以通過增加電荷轉移電極之下的最小電場，來提高轉移效率，由此，讀取電壓的降低和轉移效率的提高都得以滿足。
為了實現上述目的，本發(fā)明的固態(tài)成像裝置包括形成在第一導電性(first conductivity)半導體基片或第一導電性阱的表面區(qū)域的多個第二導電性(second conductivity)光電轉移區(qū)；與光電轉換區(qū)相鄰的第二導電性CCD通道區(qū)；位于光電轉換區(qū)和CCD通道區(qū)之間的第一導電性電荷讀取區(qū)；位于光電轉換區(qū)的周圍，不包括讀取區(qū)的第一導電性設備分離區(qū)；位于CCD通道區(qū)域上的多個第一電荷轉移電極；以及位于多個第一電荷轉移電極之間的第二電荷轉移電極。在電荷轉移方向上，第二電荷轉移電極的電極長度比第一電荷轉移電極的長度要長，同時起著電荷讀取柵極的作用，用于從光電轉換區(qū)域讀取電荷，在第二電荷轉移電極下的CCD通道區(qū)域中，形成了在電荷轉移方向上加強的電勢梯度。
對于本領域的技術人員來說，閱讀并理解了以下結合附圖的詳細的介紹以后，本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點是顯而易見的。
附圖簡介圖1A是根據本發(fā)明實施例1的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。
圖1B是沿圖1A中II-II’線截取的剖面圖。
圖2A是在生產圖1B中剖面圖所示的垂直CCD的一個步驟中該垂直CCD的剖面圖。
圖2B是在生產圖1B中剖面圖所示的垂直CCD的一個步驟中該垂直CCD的剖面圖。
圖2C是在生產圖1B中剖面圖所示的垂直CCD的一個步驟中該垂直CCD的剖面圖。
圖3A是部分地顯示了圖1B或圖2C中的垂直CCD的一個剖面圖。
圖3B展示了下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖3A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503由中級電壓的VVM變成低級電壓VVL。
圖3C展示了下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖3A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖4是根據本發(fā)明實施例1的固態(tài)成像裝置中垂直CCD的修改后的例子的構造的剖面圖。
圖5A是根據本發(fā)明實施例2的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。
圖5B是沿圖5A中II-II’線截取的剖面圖。
圖6A是在生產圖5B中剖面圖所示的垂直CCD的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖6B是在生產圖5B中剖面圖所示的垂直CCD的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖6C是在生產圖5B中剖面圖所示的垂直CCD的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖7A是部分地顯示了圖5B或圖6C中的垂直CCD的剖面圖。
圖7B展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖7A中的垂直CCD由四相轉換脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖7C展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖7A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖8是根據本發(fā)明實施例2的固態(tài)成像裝置中修改了的垂直CCD的示例性結構的剖面圖。
圖9A是根據本發(fā)明實施例3的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。
圖9B是沿圖9A中II-II’線截取的剖面圖。
圖10A是在生產圖9B的剖面圖所示的垂直CCD的過程中的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖10B是在生產圖9B的剖面圖所示的垂直CCD的過程中的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖10C是在生產圖9B的剖面圖所示的垂直CCD的過程中的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖10D是在生產圖9B的剖面圖所示的垂直CCD的過程中的一個步驟中，垂直CCD的剖面圖。
圖11A是部分地顯示了圖9B或圖10D中垂直CCD的剖面圖。
圖11B展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖11A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖11C展示了下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖11A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖12A是根據本發(fā)明實施例3的固態(tài)成像裝置中修改后的像素結構的例子的平面圖。
圖12B是沿圖12A中II-II’線截取的剖面圖。
圖13A是根據本發(fā)明的實施例4的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。
圖13B是沿圖13A中II-II’線截取的剖面圖。
圖14A是部分地顯示13B中垂直CCD的剖面圖。
圖14B展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖14A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極403由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖14C展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖11A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低電壓VVL。
圖15A是根據本發(fā)明的實施例4的固態(tài)成像裝置中修改后的像素結構的例子的平面圖。
圖15B是沿圖15A中II-II’線截取的剖面圖。
圖16A是根據本發(fā)明實施例4的固態(tài)成像裝置中另一個修改后的像素結構的例子的平面圖。
圖16B是沿圖16A中II-II’線截取的剖面圖。
圖17示意性地示出了常規(guī)行間轉移型固態(tài)成像裝置的整體構造。
圖18A是在常規(guī)的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。
圖18B是沿圖18A中II-II’線截取的剖面圖。
圖19A是部分地示出了圖18B中垂直CCD的剖面圖。
圖19B展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖19A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
圖19C展示了在下述條件下處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布，即圖19A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，由此由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL。
優(yōu)選實施方式介紹下面，參照附圖通過優(yōu)選實施例介紹本發(fā)明。下面的每個實施例中，整體構造、信號電荷的讀取以及行間轉移型固態(tài)成像裝置中的轉移操作，都與參照圖17所介紹傳統(tǒng)的例子相同。每個實施例中構成像素的部件，特別是垂直CCD的構造，與常規(guī)實例不相同。因而，在下面的介紹中主要介紹垂直CCD的構造及其生產方法。那些與常規(guī)實例中的部件構造相同的部件將用相同的標記數字來表示，并省略對其介紹。
實施例1圖1A是根據本發(fā)明的實施例1的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。圖1B是沿圖1A中II-II’線截取的剖面圖。
在圖1A和圖1B中，實施例1與圖18A和18B所示的常規(guī)實例的不同之處在于在第二電荷轉移電極504下面，用于形成電勢梯度的n-型電平差區(qū)域113設置在第二電荷轉移電極504下的CCD通道區(qū)102的電荷轉移方向的上游(upstream)一側。
接下來，參照圖2A、圖2B和圖2C，介紹生產這種固態(tài)成像裝置的方法。圖2A至2C是圖1B中的截面表示的垂直CCD的每個生產步驟中的截面圖。
首先，如圖2A所示，向n型半導體基片506中注入p型雜質，以形成一個p型阱507。通過向p型阱507的表面區(qū)域注入n型雜質來形成CCD通道區(qū)102。通過在CCD通道區(qū)102的表面生成熱氧化物膜和化學氣相沉積(CVD)氮化物膜來形成柵極絕緣膜510。在柵極絕緣膜510上形成第一多晶硅層，并利用圖案(patterning)去掉部分第一多晶硅層，以形成第一電荷轉移電極503。
然后，如圖2B所示，在第一電荷轉移電極503的電荷轉移方向上游一側形成有多個開口的光阻材料116。用光阻材料116和第一電荷轉移電極503作為掩膜，p型雜質如硼以自動對準(self-alignment)的方式被注入，從而形成n-型電平差區(qū)域113。
接下來，如圖2C所示，光阻材料116被去掉，然后第一電荷轉移電極503的周圍被熱氧化，形成層間絕緣膜511。此時，在柵極絕緣膜510上的第一電荷轉移電極503之間，形成了由第二多晶硅層組成的第二電荷轉移電極504，從而制成了根據實施例1的固態(tài)成像裝置。
下面，參考圖3A、3B和3C，介紹如此制成的固態(tài)成像裝置的優(yōu)點。
圖3A是一個截面圖，部分地示出了圖1B或圖2C中的垂直CCD。當圖3A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，從而由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503由中級電壓VVM變成低級電壓VVL時，圖3B展示了這一過程中處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。圖3C展示了當由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。在圖3B和3C中電勢以向下為正的方向示出。
如上所述，一般來說，CCD的轉移效率主要取決于轉移電極間產生的邊緣電場(fringe electric field)。特別是，轉移效率很大程度上依賴于轉移電極下的最小電場。當最小電場增大時，轉移所需要的時間(轉移時間)就變短，轉移效率也就提高了。
如圖3A所示，在根據實施例1的固態(tài)成像裝置中，為了降低讀取電壓，第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極503的電極長度L2要長。同時，在CCD通道區(qū)域102中位于第二電荷轉移電極504下面的位置上，設置了n-型電平差區(qū)域113，用于形成電勢梯度。
從而，如圖3C所示，在每個第二電荷轉移電極504下，由n-型電平差區(qū)域113形成了一個電平差114的躍變(step)。第二電荷轉移電極504下的最小電場112變得比常規(guī)的固態(tài)成像裝置中的最小電場512更強。
這樣，在根據實施例1的固態(tài)成像裝置中，即使第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極503的電極長度L2更長，以致于降低了讀取電壓，也可以通過n-型電平差區(qū)域113，來增加第二電荷轉移電極504下的最小電場112，該n-型電平差區(qū)域113在CCD通道區(qū)域102中位于第二電荷轉移電極504下面的部位上的在電荷轉移方向的上游一側。從而，可以同時滿足讀取電壓的降低和轉移效率的提高。
另外，在根據實施例1的固態(tài)成像裝置中，通過在CCD通道區(qū)域102的部分區(qū)域形成n-型電平差區(qū)域113，與常規(guī)的固態(tài)成像裝置相比，n-型電平差區(qū)域113的電勢的延伸(spread)被抑制了。這可以減少在CCD通道區(qū)域102以外的區(qū)域中由光電轉換所造成的壞點(smear)的產生，這是由于電荷直接流入CCD通道區(qū)域102導致的，并且還可以降低n-型電平差區(qū)域113中產生的暗電流。
此外，根據實施例1中的生產固態(tài)成像裝置的方法，可以通過與第一電荷轉移電極503自動對準的方式，形成n-型電平差區(qū)域113的在中電荷轉移方向上的上游端。所以，n-型電平差區(qū)域113不會因為掩膜的對位不準而處于第一電荷轉移區(qū)503的下方，從而，在電荷轉移方向上，n-型電平差區(qū)域113的上游端和第一電荷轉移電極503的下游(downstream)端之間也不會形成間隙。因而可以穩(wěn)定地制造出高轉移效率的固態(tài)成像裝置。
在實施例1中，介紹和說明了這樣一種情況，其中通過在每個第二電荷轉移電極504下形成n-型電平差區(qū)域113來產生電平差躍變。但本發(fā)明不局限于此。如圖4所示的實施例1的一種修改例，通過在每個第二電荷轉移電極504下的CCD通道區(qū)域102中，形成n-型電平差區(qū)域113a和n-型電平差區(qū)域113b，可以形成電平差的兩個或更多的躍變。這進一步增強了第二電荷轉移電極504下的最小電場。從而進一步提高了轉移效率。
實施例2圖5A是根據本發(fā)明的實施例2的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。圖5B是圖5A中沿II-II’線截取的剖面圖。
在圖5A和圖5B中，實施例2在以下方面不同于圖1A和1B中的實施例1，用以形成電勢梯度的n+型電平差區(qū)域215形成于第二電荷轉移電極504下面的CCD通道區(qū)202中的電荷轉移方向下游的一側。
然后，參照圖6A、圖6B和圖6C，來介紹生成這種固態(tài)成像裝置的方法。圖6A至6C是圖5B中的截面所示的垂直CCD的每個生產階段的截面圖。
首先，如圖6A所示，通過向n型半導體基片506中注入p型雜質形成一個p型阱507。通過向p型阱507的表面區(qū)域注入n型雜質來形成CCD通道區(qū)域202。通過在CCD通道區(qū)域202的表面上生成熱氧化物膜和CVD氮化物膜來形成柵極絕緣膜510。通過在柵極絕緣膜510上形成第一多晶硅層，并利用圖案去掉第一多晶硅層，從而形成了第一電荷轉移電極503。到此為止，以上步驟與實施例1相同。
然后，如圖6B所示，形成了在第一電荷轉移電極503的電荷轉移方向下游的一側有開口的光阻材料216。用光阻材料216和第一電荷轉移電極503作為掩膜，n型雜質如硼和砷以自動對準的方式被注入，從而形成n+型電平差區(qū)域215。
接下來，如圖6C所示，光阻材料216被去掉，然后第一電荷轉移電極503的周圍被熱氧化，以形成層間絕緣膜511。此時，在柵極絕緣膜510上，在第一電荷轉移電極之間，就形成了由第二多晶硅層組成的第二電荷轉移電極504，從而，生成了根據實施例2的固態(tài)成像裝置。
下面，參照附圖7A、7B和7C介紹如此制成的固態(tài)成像裝置的優(yōu)點。
圖7A是部分地示出了圖5B或圖6C所示的垂直CCD的剖面圖。圖7B給出了當圖7A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，因而由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極503由中級電壓VVM變成低級電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢的分布。圖7C顯示了當由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級VVM變成低級電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。圖7B和7C中電勢以向下為正的方向顯示。
如上所述，一般來說，CCD的轉移效率主要取決于轉移電極間產生的邊緣電場。特別是，轉移效率很大程度上依賴于轉移電極下的最小電場。當最小電場增大時，轉移所需要的時間(轉移時間)變小，從而轉移效率就提高了。
如圖7A所示，在根據本發(fā)明的固態(tài)成像裝置中，為了降低讀取電壓，第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極503的電極長度L2更長。同時，在CCD通道區(qū)域202中位于第二電荷轉移電極504下面的位置，在電荷轉移方向下游的一側，設置了n+型電平差區(qū)域215，用于形成電勢梯度。
因此，如圖7C所示，在第二電荷轉移電極504下，由n+型電平差區(qū)域215形成了電勢差214的一個躍變。第二電荷轉移電極504下的最小電場212就變得比常規(guī)的固態(tài)成像裝置中的最小電場512要強。
這樣，在根據實施例2的固態(tài)成像裝置中，即使第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置為比第一電荷轉移電極503的電極長度L2更長，以致于降低了讀取電壓，也可以通過在CCD通道區(qū)域202中在第二電荷轉移電極504下面的位置，在電荷轉移方向下游的一側形成n+型電平差區(qū)域215，來增加第二電荷轉移電極504下的最小電場212。從而，可以同時實現讀取電壓的降低和轉移效率的提高。
此外，在根據實施例2的固態(tài)成像裝置中，通過在CCD通道區(qū)域202的部分區(qū)域形成n+型電平差區(qū)域215，n+型電平差區(qū)域215的n型雜質的濃度設置得比常規(guī)的固態(tài)成像裝置中的雜質濃度更高。從而，就可以增加垂直CCD的最大電荷轉移量。
另外，根據如實施例2所述的生產該固態(tài)成像裝置的方法，可以通過相對于第一電荷轉移電極503自動對準的方式而形成n+型電平差區(qū)域215的電荷轉移方向的下游端。所以n+型電平差區(qū)域215不會因為掩膜的對位不準而處于第一電荷轉移電極503的下方，并且在電荷轉移方向上，n+型電平差區(qū)域215的下游端和第一電荷轉移電極503的上游端之間也不會形成間隙。因而可以穩(wěn)定地生產高轉移效率的固態(tài)成像裝置。
在實施例2中，通過附圖介紹說明了這樣一種情況，通過在每個第二電荷轉移電極504下形成n+型電平差區(qū)域215來產生電平差的一個躍變。但本發(fā)明不局限于此。如圖8所示的實施例2的一種改進方案，通過在CCD通道區(qū)域202中第二電荷轉移電極504下面的位置處形成n++型電平差區(qū)域215a和n+型電平差區(qū)域215b可以形成兩個或更多電平差躍變。這進一步增強了第二電荷轉移電極504下的最小電場。從而進一步提高了轉移效率。
實施例3圖9A是展示了根據本發(fā)明實施例3的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。圖9B是沿圖9A中II-II’線截取的剖面圖。
在圖9A和圖9B中，實施例3與圖1A和1B中的實施例1的不同之處在于，在CCD通道區(qū)302中在第二電荷轉移電極504下面的部位，用以形成電勢梯度的n-型電平差區(qū)域313設置在電荷轉移方向上游的一側，而用以形成電勢梯度的n+型電平差區(qū)域315設置在電荷轉移方向下游的一側。
下面，參照附圖10A、圖10B、圖10C和圖10D，介紹生產這種固態(tài)成像裝置的方法。圖10A至圖10D是每一個生產步驟中垂直CCD的剖面圖，該垂直CCD如圖9B中的剖面圖所示。
首先，如圖10A所示，通過向n型半導體基片506中注入p型雜質，形成一個p型阱507。通過向p型阱507的表面區(qū)域注入n型雜質來形成CCD通道區(qū)域302。在CCD通道區(qū)域302的表面上生成熱氧化物膜和CVD氮化物膜來形成柵極絕緣膜510。在柵極絕緣膜510上形成第一多晶硅層，利用圖案去掉第一多晶硅層，從而形成了第一電荷轉移電極503。
然后，如圖10B所示，生成光阻材料316a，該光阻材料316a在第一電荷轉移電極503的電荷轉移方向上游的一側形成有開口。使用光阻材料316a和第一電荷轉移電極503作為掩膜，p型雜質如硼以自動對準的方式被注入，從而形成n-型電平差區(qū)域313。
然后，如圖10C所示，產生了在第一電荷轉移電極503的電荷轉移方向下游的一側有開口的光阻材料316b。使用光阻材料316b和第一電荷轉移電極503作為掩膜，n型雜質如硼和砷以自動對準的方式被注入，從而形成n+型電平差區(qū)域315。
然后，如圖10D所示，第一電荷轉移電極503的周圍被熱氧化，以形成層間絕緣膜511。此時，在第一電荷轉移電極503之間，在柵極絕緣膜510上，形成了由第二多晶硅層組成的第二電荷轉移電極504，從而制成了根據實施例3固態(tài)成像裝置。
下面，參照附圖11A、11B和11C，來介紹如此制成的固態(tài)成像裝置的優(yōu)點。
圖11A是一個剖面圖，部分地顯示了圖9B或圖10D中的垂直CCD。圖11B給出了在圖11A中的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，從而輸入了ΦV2第一電荷轉移電極503由中級電壓VVM變成低級電壓VVL的過程中，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。圖11C示出了當輸入了ΦV1的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。在圖11B和11C中電勢以向下為正的方向示出。
如上所述，一般來說，CCD的轉移效率主要取決于轉移電極間產生的邊緣電場。特別是，轉移效率很大程度上依賴于轉移電極下的最小電場。當最小電場增大時，轉移所需要的時間(轉移時間)就變小，從而轉移效率也就提高了。
如圖11A所示，在根據實施例3的固態(tài)成像裝置中，為了降低讀取電壓，第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極503的電極長度L2要長。同時，在第二電荷轉移電極504下面的CCD通道區(qū)域302中電荷轉移方向上游的一側，形成了n-型電平差區(qū)域313，在電荷轉移方向下游的一側形成了n+型電平差區(qū)域315，用于形成相應的電勢梯度。
由此，如圖11C所示，在第二電荷轉移電極504下，由n-型電平差區(qū)域313和n+型電平差區(qū)域315形成了兩個電平差躍變314。第二電荷轉移電極504下的最小電場312變得比實施例1和2中的固態(tài)成像裝置中的最小電場要強。
這樣，在根據實施例3的固態(tài)成像裝置中，即使第二電荷轉移電極504的電極長度L1比第一電荷轉移電極503的電極長度L2長，以致于降低了讀取電壓，也可以在第二電荷轉移電極504下的CCD通道區(qū)域302中，通過在電荷轉移方向上游的一側形成n-型電平差區(qū)域313，以及在電荷轉移方向下游的一側形成n+型電平差區(qū)域315，來進一步增加第二電荷轉移電極504下的最小電場312。因此，可以同時實現讀取電壓的降低和轉移效率的提高。
此外，根據實施例3中的生產固態(tài)成像裝置的方法，n-型電平差區(qū)域313的在電荷轉移方向的上游的一側以及n+型電平差區(qū)域315的在電荷轉移方向的下游的一側可以以相對于第一電荷轉移電極503自動對準方式形成。所以n-型電平差區(qū)域313和n+型電平差區(qū)域315不會因為掩膜的對位不準而位于第一電荷轉移電極503的下方，從而，n-型電平差區(qū)域313的上游端和第一電荷轉移電極503之間、n+型電平差區(qū)域315的下游端和第一電荷轉移電極503之間不會形成間隙。因而可以穩(wěn)定地制造高轉移效率的固態(tài)成像裝置。
在如圖12A的平面圖和12B的剖面圖所示的實施例3的修改例中，將第一電荷轉移電極303的電極長度L2’設置得比實施例1和2中的固態(tài)成像裝置中相應的長度L2小(L2’＜L2)，將第二電荷轉移電極304的電極長度L1’設置得比實施例1和2中的固態(tài)成像裝置中相應的長度L1長(L1’＞L1)，這樣電荷讀取部分305的寬度W’(圖12A)就可以變大(W’＞W)。因而，與實施例1和2中的固態(tài)成像裝置相比，在保持高轉移效率的同時，可以進一步降低讀取電壓。
實施例4圖13A是根據本發(fā)明的實施例4中的固態(tài)成像裝置中像素結構的平面圖。圖13B是沿圖13A中II-II’線截取的剖面圖。
在圖13A和圖13B中，實施例4與圖9A和9B所示的實施例3的不同之處在于，CCD通道區(qū)域302上的在第一電荷轉移電極403的電荷轉移方向上游一側的部分417位于在電荷轉移方向上彼此相鄰的光電轉換區(qū)之間的間隙418中。其他區(qū)與實施例3相同，因而此處使用與實施例3中相同的標記數字，并且略去相應的介紹。
然后，參照14A、14B和14C，來介紹這種這種固態(tài)成像裝置的優(yōu)點。
圖14A是一個剖面圖，部分地示出了圖13B所示的垂直CCD。圖14B顯示了在圖14A所示的垂直CCD由四相轉移時鐘脈沖ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驅動，從而由ΦV2驅動的第一電荷轉移電極403由中級電壓VVM變成低級電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。圖14C顯示了當由ΦV1驅動的第二電荷轉移電極504由中級電壓VVM變成低級電壓VVL時，處于中間電壓的通道區(qū)域中的電勢分布。圖14B和14C的電勢以向下為正方向顯示。
如上所述，一般來說，CCD的轉移效率主要取決于轉移電極間產生的邊緣電場。特別是，轉移效率很大程度上依賴于轉移電極下面的最小電場。當最小電場增大時，轉移所需要的時間(轉移時間)就變小，轉移效率也就提高了。
如圖14A所示，在根據實施例4的固態(tài)成像裝置中，為了降低讀取電壓，第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極403的電極長度L2更長。同時，在第二電荷轉移電極504下面的CCD通道區(qū)域302中電荷轉移方向上游的一側，形成了n-型電平差區(qū)域313，以形成電勢梯度，并且在電荷轉移方向下游的一側，形成了n+型電平差區(qū)域315，以形成電勢梯度。
因此，如圖14C所示，在第二電荷轉移電極504下，由n-型電平差區(qū)域313和n+型電平差區(qū)域315形成了電平差314的兩個躍變。以于實施例3一樣的方式，第二電荷轉移電極504下的最小電場312變強了。
此外，如圖14A所示，在根據實施例4的固態(tài)成像裝置中，在CCD通道區(qū)域302上的第一電荷轉移電極403的電荷轉移方向上游一側的部分417位于在電荷轉移方向上彼此相鄰的光電轉移區(qū)之間的間隙418中。更具體地說，根據實施例4的固態(tài)成像裝置構造成使得只有第一電荷轉移電極403下的CCD通道區(qū)域302中的在電荷轉移方向上游一側的部分417被p+型設備分離區(qū)509插入(interposed)。
從而，如圖14B所示，p+型設備分離區(qū)509的窄帶效應只對上游一側的部分有貢獻。因而，以與第二轉移電極504一樣的方式，在第一電荷轉移電極403下面的CCD通道區(qū)域中就形成了電勢梯度。另外，第一電荷轉移電極403下的最小電場419變得比常規(guī)實例和實施例1至3中的固態(tài)成像裝置中的最小電場要大。
這樣，在根據實施例4的固態(tài)成像裝置中，即使第二電荷轉移電極504的電極長度L1設置得比第一電荷轉移電極403的電極長度L2更長，以致于降低了讀取電壓，也可以在第二電荷轉移電極504下的CCD通道區(qū)域302中，通過形成n-型電平差區(qū)域413和n+型電平差區(qū)域415，來增加第二電荷轉移電極504下的最小電場312。因此，可以同時實現讀取電壓的降低和轉移效率的提高。
另外，在CCD通道區(qū)域302上，在第一電荷轉移電極403的電荷轉移方向上游一側的部分417位于間隙418之中，間隙418是在電荷轉移方向上彼此相鄰的光電轉換區(qū)之間的間隙。從而，可以增大第一電荷轉移電極403下的最小電場419，這進一步提高了這部分的電荷轉移效率。
在實施例4中，與實施例3一樣，通過圖解介紹和說明了在第二電荷轉移電極504下形成n-型電平差區(qū)域313和n+型電平差區(qū)域315的情況。然而，如圖15A和15B所示，可以只形成了n-型電平差區(qū)域313，或如圖16A和16B，可以只形成了n+型電平差區(qū)域315。在二者中的任一構造中，都可同樣提高第一電荷轉移電極403下的電荷轉移效率。
如上所述，與圖13A和13B所示的既形成了n-型電平差區(qū)域313又形成了n+型電平差區(qū)域315的固態(tài)成像裝置不同，在只形成n-型電平差區(qū)域313和n+型電平差區(qū)域315二者之一的固態(tài)成像裝置中，用以形成電平差區(qū)域的光刻步驟和離子注入步驟可以省略，這可以縮短了生產時間，并降低了生產成本。
通過優(yōu)選的例子介紹了每個實施方式。但本發(fā)明不只局限于這些例，并可以在不離開本發(fā)明的精神的前提下，做各種各樣的變動。例如，在實施例1至4中，介紹了交錯系統(tǒng)(interlace system)中的行間轉移型固態(tài)成像裝置，在該固態(tài)成像裝置中兩個電荷轉移電極組成一個像素。本發(fā)明還適用于累進系統(tǒng)(progressive system)的行間轉移型固態(tài)成像裝置，其中由三個或更多電荷轉移電極組成一個像素。
在上述每個實施例中，通過附圖介紹和說明了第一電荷轉移電極由第一多晶硅層構成，第二電荷轉移電極由第二多晶硅層構成的例子。本發(fā)明還適用于具有單層電極結構的固態(tài)成像裝置，其中第一和第二電荷轉移電極分別由一層多晶硅膜構成。
每個實施例中的電荷轉移電極可以由硅化物膜、多酸膜或其他導電電極膜而不是多晶硅膜構成。
如上所述，根據本發(fā)明，通過設定第二電荷轉移電極的電極長度比第一電荷轉移電極的長，同時在第二電荷轉移電極下的CCD通道區(qū)域中同時形成n-型電平差區(qū)域和n+型電平差區(qū)域或其中之一，來增加第二電荷轉移電極下的最小電場，進而降低讀取電壓。因而可以同時實現讀取電壓的降低和轉移效率的提高。
此外，通過將CCD通道區(qū)域上的第一電荷轉移電極的電荷轉移方向上游一側的部分置于在電荷轉移方向上彼此相鄰的光電轉換區(qū)之間的間隙中，也可以提高第一電荷轉移電極下的最小電場，也就提高了這個電極下的轉移效率。
因此，本發(fā)明對提供一種具有低能量損耗、高速驅動、高成像質量的特點的固態(tài)成像裝置有特殊效果。
在不脫離本發(fā)明主要精神或其本質特點的情況下，本發(fā)明也可以以其他方法實現。從各方面來說，本申請文件中公開的實施例都是說明性的，而非局限性的。本發(fā)明的范圍由后面所附權利要求書而不是上面的說明書指定，并且與權利要求書等價的范圍和內容都包含其中。
權利要求
1.固態(tài)成像裝置，包括多個第二導電性光電轉換區(qū)，形成在第一導電性半導體基片或第一導電性阱的表面區(qū)域；第二導電性CCD通道區(qū)域，與光電轉換區(qū)相鄰；第一導電性電荷讀取區(qū)，位于光電轉換區(qū)和CCD通道區(qū)域之間；第一導電性設備分離區(qū)，位于除讀取區(qū)外的光電轉換區(qū)的周圍；多個第一電荷轉移電極，位于CCD通道區(qū)域上；以及多個第二電荷轉移電極，位于多個第一電荷轉移電極之間，其中，在電荷轉移方向上，第二電荷轉移電極的電極長度要比第一電荷轉移電極的電極長度更長，并作為電荷讀取柵極，用于從光電轉換區(qū)讀取電荷，在第二電荷轉移電極下的CCD通道區(qū)域中，還形成了沿電荷轉移方向加強的電勢梯度。
2.根據權利要求1的固態(tài)成像裝置，其中在第二導電性CCD通道中位于第二電荷轉移電極下面的部位，在電荷轉移方向上游一側的區(qū)域中注入第一導電性雜質，從而形成至少一個電勢差的躍變。
3.根據權利要求2的固態(tài)成像裝置，其中第一電荷轉移電極由第一電極膜層構成，并且注入第一導電性雜質的區(qū)域的一端是以與第一電荷轉移電極的一端自動對準的方式形成的。
4.根據權利要求1的固態(tài)成像裝置，其中在第二導電性CCD通道中位于第二電荷轉移電極下面的部位，在電荷轉移方向下游一側的區(qū)域中注入第二導電性雜質，從而形成了至少一個電勢差的躍變。
5.根據權利要求4的固態(tài)成像裝置，其中第一電荷轉移電極由第一電極膜層構成，并且注入第二導電性雜質的區(qū)域的一端是以與第一電荷轉移電極的一端自動對準的方式形成的。
6.根據權利要求1的固態(tài)成像裝置，其中在第二導電性CCD通道區(qū)域中位于第二電荷轉移電極下面的部位中，在電荷轉移方向上游一側的區(qū)域中注入第一導電性雜質，在電荷轉移方向下游一端的區(qū)域中注入第二導電性雜質，從而形成了至少兩個電勢差的躍變。
7.根據權利要求6的固態(tài)成像裝置，其中第一電荷轉移電極由第一電極膜層構成，并且注入第一導電性雜質和第二導電性雜質的區(qū)的一端以與第一電荷轉移電極的一端自動對準的方式形成。
8.根據權利要求1的固態(tài)成像裝置，其中在CCD通道區(qū)域上的第一電荷轉移電極的電荷轉移方向上游一側的部分位于在電荷轉移方向上彼此相鄰的光電轉移區(qū)之間的間隙中。
全文摘要
提供了一種能同時降低讀取電壓和提高轉移效率的固態(tài)成像裝置。p型阱507形成于n型半導體基片506上，CCD通道區(qū)102形成于p型阱507的表面區(qū)域。柵極絕緣膜510形成于CCD通道區(qū)102的表面，第一電荷轉移電極503形成于柵極絕緣膜510上。層間絕緣膜511形成于第一電荷轉移電極的周圍，第二電荷轉移電極504形成于柵極絕緣膜510上的第一電荷轉移電極之間。第二電荷轉移電極504的電極長度L1比第一電荷轉移電極503的電極長度L2長，通過注入p型雜質，n
文檔編號H04N5/369GK1534792SQ20041003196
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權日2003年3月31日
發(fā)明者山田 , 山田徹 申請人:松下電器產業(yè)株式會社