專利名稱：固體攝像元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及CCD固體攝像元件及其制造方法，特別是涉及輸出部的低功耗化。
背景技術：
圖6是幀傳輸方式的CCD固體攝像元件的簡略結構圖。幀傳輸方式的CCD固體攝像元件有攝像部i、蓄積部s、水平傳輸部h及輸出部d。在攝像部i中生成的信息電荷被高速地傳輸給蓄積部s。在與信息電荷被保持在蓄積部s中的同時，一行一行地被傳輸給水平傳輸部h，再以1像素單位從水平傳輸部h傳輸給輸出部d。輸出部d將每一像素的電荷量變換成電壓值，該電壓值的變化被作成CCD輸出信號。
在攝像部i中如果發(fā)生信息電荷過剩，則產生信息電荷溢出到周邊像素中的模糊現(xiàn)象。為了抑制該模糊現(xiàn)象的發(fā)生，設有排出不需要的信息電荷的排泄結構。排泄結構中有縱型排泄結構和橫型排泄結構。
在縱型排泄結構中，在N型半導體襯底的表面上形成作為N型擴散層的N阱、以及在其下面形成作為P型擴散層的P阱，構成沿襯底深度方向的NPN結構。將正電壓加在襯底背面上，使P阱耗盡，表面的光電二極管的剩余電荷越過P阱形成的電位勢壘，排放到襯底中。
另一方面，在橫型排泄結構中，與受光像素相鄰地設有N+擴散層的漏極區(qū)。因此，不需要襯底深度方向的NPN結構，在P型半導體襯底的表面上形成構成受光像素、CCD寄存器等用的N阱。
N阱的雜質濃度根據攝像部i及蓄積部s的各像素的使用電荷量(能蓄積的電荷量)決定。就是說，根據CCD固體攝像元件的小型化及像素數量的增加的要求，構成攝像部i及蓄積部s的像素的尺寸增大，確保所希望的使用電荷量有困難，因此通過提高N阱的雜質濃度，謀求確保使用電荷量。迄今，這樣將攝像部i及蓄積部s的使用電荷量作為基準，確定N阱的雜質濃度，形成攝像部i、蓄積部s、水平傳輸部h及輸出部d的全部區(qū)域同樣地用該雜質濃度形成N阱。
圖7、圖8是現(xiàn)有的橫型排泄結構的CCD固體攝像元件的主要部分的剖面圖。圖7是垂直移位寄存器沿電荷的傳輸方向的剖面圖，作為垂直移位寄存器示出了蓄積部s在輸出端附近的剖面，還示出了連接在蓄積部s的輸出端上的水平傳輸部h的剖面。另外圖8是水平移位寄存器沿電荷的傳輸方向的剖面圖，示出了水平移位寄存器在輸出端附近的剖面、以及構成輸出部的一部分的浮游擴散層及復位晶體管。
對P型硅襯底2的表面進行N型雜質離子注入，進行擴散處理，形成N阱4。N阱4下面的P型雜質層(Psub)6本來就存在于硅襯底2上。
在圖7中，信息電荷在N阱4上形成的垂直移位寄存器的電位井中依次向右傳輸，在水平移位寄存器的電極14-1下面形成的電位井中被讀出。另外，在圖8中，信息電荷根據加在傳輸電極14-1、14-2上的傳輸時鐘脈沖φH1、φH2，在N阱4中形成的水平移位寄存器的電位井中依次向左傳輸，經由輸出門(OG)16的下面，傳輸給浮游擴散層(FD)18。
浮游擴散層18是N+擴散層，如果使與其相鄰的復位門(RG)22導通，則浮游擴散層18的電位被設定為復位漏極20的復位漏極電位VRD。如果從水平移位寄存器將信息電荷傳輸給該浮游擴散層18，則浮游擴散層18的電位隨著該電荷量的變化而變化。該電位變化被輸出放大器30檢測并放大，輸出放大器的輸出VOUT成為CCD輸出。輸出放大器30是由MOS型晶體管的驅動晶體管32和負載晶體管34構成的源跟隨電路，用電源電壓VDD(例如5V)驅動。使電源電路公用化，從簡化CCD驅動電路的觀點看，作為復位漏極電壓VRD使用電源電壓VDD，在此情況下，浮游擴散層18的復位電位也與電源電壓VDD等電位。
近年來，正在開發(fā)例如數碼相機和帶有照相攝影功能的攜帶電話這樣的使用CCD固體攝像元件的小型輕量的機器。在小型輕量的機器中為了使電池也小型化，希望低功耗化。為了低功耗化，一般降低驅動電壓有效，在CCD固體攝像元件中，例如通過降低復位漏極電壓VRD或電源電壓VDD，能降低功耗。特別是驅動輸出放大器時，需要較大的電流，該部分的功耗大，降低輸出放大器的驅動電壓，對降低功耗有效。
可是，如果降低復位漏極電壓VRD或電源電壓VDD，則會產生信息電荷從水平移位寄存器至浮游擴散層18的傳輸效率劣化的問題。即，如果降低復位漏極電壓VRD或電源電壓VDD，則復位漏極20的電位升高，與此相伴隨，浮游擴散層18的電位也升高。因此，輸出門16下面的電位和浮游擴散層18的電位差縮小，浮游擴散層18的電荷的允許蓄積量下降。其結果，從水平移位寄存器傳輸的信息電荷不會被浮游擴散層接收，信息電荷的傳輸效率劣化。
另外，雖然考慮了降低水平移位寄存器的傳輸時鐘的電壓，使水平移位寄存器區(qū)域的電位升高的方法，但在謀求水平移位寄存器的傳輸時鐘比當初電壓低、以及埋入溝道CCD的溝道電位中存在由阻塞(pinning)現(xiàn)象決定的下限，所以降低傳輸時鐘的電位、提高溝道區(qū)域的電位也有極限。
本發(fā)明就是為了解決上述問題而完成的，目的在于提供一種不使信息電荷從水平傳輸部至輸出部的傳輸效率劣化，降低功耗的CCD固體攝像元件及其制造方法。
發(fā)明內容
解決上述課題用的本發(fā)明是一種固體攝像元件，其特征在于備有有一種導電型，在逆導電型的半導體襯底的主面上互相以規(guī)定的間隔設置且平行配置的多個第一溝道區(qū)；配置在上述多個第一溝道區(qū)的間隙中的漏極區(qū)；在上述多個第一溝道區(qū)上形成的、在與上述第一溝道區(qū)交叉的方向上互相平行配置的多個第一傳輸電極；有一種導電型，與上述多個第一溝道區(qū)連續(xù)地在上述半導體襯底的主面上形成的、沿著與上述第一溝道區(qū)交叉的方向延伸的第二溝道區(qū)；以及在上述第二溝道區(qū)上形成的、在與上述第二溝道區(qū)交叉的方向上互相平行配置的多個第二傳輸電極，上述第二溝道區(qū)的雜質濃度比上述第一溝道區(qū)的低。
這里，在上述固體攝像元件中，上述第一溝道區(qū)和上述第二溝道區(qū)的邊界最好設定得與上述多個第一傳輸電極的最后級和上述第二傳輸電極的邊界一致。
另外，解決上述課題用的本發(fā)明的另一形態(tài)是一種固體攝像元件的制造方法，該固體攝像元件有多個受光像素呈行列狀配置的攝像部；對應于上述多個受光像素的各列配置多個垂直移位寄存器的垂直傳輸部；配置在上述多個垂直移位寄存器的輸出側的水平傳輸部；以及配置在水平傳輸部的輸出側的輸出部，該固體攝像元件的制造方法的特征在于包括在一種導電型的半導體襯底的主面中注入逆導電型的雜質，形成溝道區(qū)的第一工序；在形成了上述溝道區(qū)的半導體襯底的主面中覆蓋著上述水平傳輸部及上述輸出部區(qū)域形成抗蝕劑圖形的第二工序；以及將上述抗蝕劑圖形作為掩模，再將逆導電型的雜質注入上述半導體襯底的主面中的第三工序，上述水平傳輸部及上述輸出部的溝道區(qū)的雜質濃度比上述攝像部及上述垂直傳輸部的溝道區(qū)的低。
這里，在上述固體攝像元件的制造方法中，最好在上述第二工序之后還包括在上述半導體襯底的主面上形成多個傳輸電極的工序；以及通過上述多個傳輸電極，將一種導電型的雜質注入上述半導體襯底中，在上述溝道區(qū)中形成分離區(qū)的第四工序。
如果采用本發(fā)明，則由于在形成了多個傳輸電極之后形成分離區(qū)，所以傳輸電極和分離電極的定位容易。即，由于與傳輸電極的排列狀態(tài)一致地進行離子注入，規(guī)定溝道區(qū)，所以與溝道區(qū)及分離區(qū)排列一致地形成傳輸電極的情況相比，傳輸電極和溝道區(qū)的定位容易。
圖1是實施形態(tài)的CCD固體攝像元件的垂直移位寄存器和水平移位寄存器的連接部分模式平面圖。
圖2是設置了橫型排泄的垂直CCD寄存器沿著與電荷傳輸方向正交的方向的模式剖面圖、以及對應于該剖面的部分的電位分布圖。
圖3是實施形態(tài)的CCD固體攝像元件中的垂直移位寄存器沿傳輸溝道的簡略剖面圖。
圖4是實施形態(tài)的CCD固體攝像元件中的水平移位寄存器沿傳輸溝道的簡略剖面圖。
圖5是說明實施形態(tài)的CCD固體攝像元件中的N阱的形成工序的元件的俯視模式圖。
圖6是幀傳輸方式的CCD固體攝像元件的簡略結構圖。
圖7是現(xiàn)有的CCD固體攝像元件中的垂直移位寄存器沿溝道的簡略剖面圖。
圖8是現(xiàn)有的CCD固體攝像元件中的水平移位寄存器沿溝道的簡略剖面圖。
具體實施例方式
其次，參照
本發(fā)明的實施形態(tài)。以下，說明幀傳輸方式的CCD固體攝像元件的實施形態(tài)。幀傳輸方式的CCD固體攝像元件的簡略結構如圖6所示，引用該圖。幀傳輸方式的CCD固體攝像元件有攝像部i、蓄積部s、水平傳輸部h及輸出部d。攝像部i沿垂直方向延伸，由互相平行排列的多個移位寄存器構成，各移位寄存器的各位具有光電二極管的功能，構成受光像素。蓄積部s由對攝像部i的垂直移位寄存器連續(xù)遮光的多個垂直移位寄存器構成，各垂直移位寄存器的各位構成蓄積像素。水平傳輸部h由沿水平方向延伸的單一的水平移位寄存器構成，蓄積部s的垂直移位寄存器的輸出端連接在各位上。輸出部d包括暫時蓄積從水平傳輸部h輸出的電荷的電容、以及排出該電容中蓄積的電荷的復位晶體管。因此，蓄積在攝像部i的各受光像素中的信息電荷在每個像素中獨立地傳輸給蓄積部s的蓄積像素后，一行一行地從蓄積部s被傳輸給水平傳輸部h，再以1像素單位從水平傳輸部h傳輸給輸出部d。然后，在輸出部d中每一像素的電荷量被變換成電壓值，該電壓值的變化作為CCD輸出信號供給外部電路。
圖1是說明CCD固體攝像元件的主要部分用的圖，是垂直移位寄存器和水平移位寄存器的連接部分的模式平面圖。將N型雜質注入P型半導體襯底表面中形成了N阱后，再經過多個工序作成圖示的結構。
具體地說，在襯底表面上形成了N阱的襯底上，使氧化膜介于中間層疊多晶硅層，對其進行構圖，形成多個傳輸電極60、62、64。其次，與傳輸電極的排列一致地形成抗蝕劑圖形，將該抗蝕劑圖形作為掩模，將P型雜質注入N阱中，形成分離區(qū)46、48、50。該分離區(qū)46、48、50以分離區(qū)為界，將相鄰的兩個N阱區(qū)在電氣上分離，因此，在半導體襯底主面上規(guī)定成為電荷的傳輸路徑的溝道區(qū)42、44，在傳輸電極和溝道區(qū)上構成受光像素、垂直移位寄存器及水平移位寄存器。
在橫型排泄結構中，通過將N型雜質的離子高濃度地注入分離區(qū)46的寬度方向的中央部分，在分離區(qū)46內平行于溝道區(qū)42細長地形成排泄區(qū)52。該排泄區(qū)在與相鄰的分離區(qū)之間形成電位勢壘。
圖2是一并表示設置了橫型排泄的垂直移位寄存器沿著與電荷傳輸方向正交的方向的模式剖面圖、以及對應于其剖面的部分的電位狀態(tài)的圖。圖2(a)是剖面圖，在P型半導體襯底Psub的表面上形成分別對應于溝道區(qū)42、分離區(qū)56、漏極區(qū)52的N阱70、P+擴散層72、N+擴散層74。在襯底表面上通過柵極氧化膜76配置傳輸電極60。圖2(b)是表示電位狀態(tài)的圖，縱軸表示電位，向下正電位增加。N阱70由于加在傳輸電極60上的電壓而耗盡，形成電位井80。該電位井80能蓄積信息電荷82。N+擴散層74形成漏極84，另外作為分離區(qū)56的P+擴散層72在傳輸溝道的電位井80和漏極84之間形成電位勢壘86。在電位井80中產生過剩的信息電荷，或者在流入的情況下，該過剩部分的電荷越過電位勢壘86，被排放到漏極84中，因此過剩電荷泄漏到周邊像素中，能抑制模糊。
垂直移位寄存器的傳輸電極60、水平移位寄存器的傳輸電極62、64分別沿著電荷傳輸方向并列地配置多個。這里垂直CCD寄存器被進行三相驅動。就是說，傳輸時鐘脈沖φS1、φS2、φS3分別加在周期性排列的傳輸電極60-1～60-3上，在圖1中信息電荷向下傳輸。
在第一層的多晶硅層上形成水平移位寄存器的傳輸電極62，在第二層的多晶硅層上形成傳輸電極64。將兩個互相相鄰的傳輸電極62、64作為一組，由傳輸時鐘φH1、φH2對水平移位寄存器進行兩相驅動。在傳輸電極62及傳輸電極64的下面形成對應于傳輸電極62及傳輸電極64的臺階的呈臺階狀的電位，信息電荷被蓄積在傳輸電極62下面的溝道區(qū)中。傳輸電極62及其右側的傳輸電極64被布線成能用相同的傳輸時鐘驅動，因此，在圖1中信息電荷在水平移位寄存器內向左傳輸。
圖3是垂直移位寄存器沿電荷的傳輸方向的簡略剖面圖，作為垂直移位寄存器示出了蓄積部s在輸出端附近的剖面，另外，示出了連接在蓄積部s的輸出端上的水平傳輸部h的剖面。示出了垂直移位寄存器的輸出端附近的剖面、以及構成輸出部的一部分的浮游擴散層及復位漏極。圖4是水平移位寄存器沿著電荷的傳輸方向的簡略剖面圖，示出了水平移位寄存器的輸出端附近的剖面、以及構成輸出部的一部分的浮游擴散層18及復位漏極20。
如上所述，將N型雜質離子注入P型的硅襯底2中，進行擴散，在襯底2的表面區(qū)域中形成N阱。在本實施形態(tài)中，改變注入的區(qū)域，進行兩次形成了N阱的N型雜質的離子注入。其結果，形成雜質濃度互相不同的兩種N阱70、90。在攝像部i及蓄積部s中形成N阱70，雜質濃度相對地高。在水平傳輸部h及輸出部d中形成N阱90，雜質濃度相對地低。圖3中示出了N阱70、90，圖4中示出了N阱90。從確保攝像部i及蓄積部s中的使用電荷量的觀點確定N阱70的雜質濃度。另一方面，對應于后面所述的輸出部d的驅動電壓的降低，規(guī)定N阱90的雜質濃度。
在襯底的表面上使氧化膜76(圖3、圖4中未示出)中間，配置傳輸電極。在蓄積部s的垂直移位寄存器上設置用三相的垂直傳輸時鐘φS1～φS3驅動的電極組60-1～60-3，在水平移位寄存器上設置用兩相的水平傳輸時鐘φH1、φH2驅動的電極組14-1、14-2。通過將正電壓依次加在電極組上，使在電極下面的N阱上形成的電位井移動，蓄積在電位井中的信息電荷也與其連動地移動。例如，在圖3中，電荷包在垂直移位寄存器中依次向右傳輸，在水平移位寄存器的電極14-1下面形成的電位井被讀出。另外在圖4中，信息電荷在水平移位寄存器中依次向左傳輸，經由施加了直流電壓的輸出門(OG)16的下面，被傳輸給浮游擴散層(FD)18。
浮游擴散層18是N+擴散層，形成蓄積從水平移位寄存器傳輸輸出的信息電荷的電容器，另外浮游擴散層18、復位漏極(RD)20及復位門(RG)22構成復位晶體管。由N+擴散層形成復位漏極20。在復位漏極20上作為復位漏極電位VRD維持一定。這里電源電壓VDD被用作復位漏極電壓VRD。如果利用加在復位門22上的復位時鐘脈沖φR使復位門22導通，則在復位門22的下面形成溝道。蓄積在浮游擴散層18中的信息電荷被傳輸給復位漏極20而被排出。在復位門22呈截止狀態(tài)下，浮游擴散層18及連接它的Psub的PN結在電氣上呈浮置(浮游狀態(tài))。這里，如果使信息電荷從水平移位寄存器移動到浮游擴散層18，則該信息電荷暫時蓄積在PN結電容中，浮游擴散層18的電位隨著該電荷量的變化而變化。用輸出放大器30檢測并放大該電位變化，輸出放大器30的輸出VOUT成為CCD輸出。
輸出放大器30使用在襯底2上形成的MOS晶體管，例如由三級源跟隨電路構成。輸出放大器30的驅動晶體管32及負載晶體管34的漏極、源極由在襯底2的表面上形成的N+擴散層構成，在它們之間的襯底半導體區(qū)域中形成的溝道，利用在柵極氧化膜上由多晶硅電極層形成的柵極加以控制。在本實施形態(tài)中，為了低功耗化，施加在輸出部d的復位漏極20或輸出放大器30的驅動晶體管32的漏極擴散層上的電源電壓VDD比以往的電壓低(例如2.9V)。
這樣設定N阱90的雜質濃度，即考慮截止狀態(tài)下的傳輸電極62下面的電位比浮游擴散層18的電位高，能獲得從最后級的傳輸電極至浮游擴散層18的邊緣電場，確保傳輸效率。順便說一下，確保使水平移位寄存器的傳輸溝道寬度大比較容易，溝道電位即使增高，也能通過擴大傳輸電極62下面的區(qū)域的面積，確保使用電荷量。
圖5是說明本CCD固體攝像元件的N阱的形成工序的元件的俯視模式圖。N型雜質的離子注入P型的硅襯底2的表面的元件形成區(qū)域中。利用該第一N型雜質導入工序，在形成攝像部i、蓄積部s、水平傳輸部h及輸出部d的預定的區(qū)域(圖5(a)所示的斜線區(qū)域)中，在第一雜質剖面圖中沿深度方向形成第一N型擴散層。
接著，在形成攝像部i及蓄積部s的預定的區(qū)域(圖5(b)所示的斜線區(qū)域)中，在襯底2的表面上形成有開口的抗蝕劑圖形，將它作為掩模，進行N型雜質的第二次離子注入，進行熱擴散處理。利用該第二N型雜質導入工序，在形成攝像部i及蓄積部s的區(qū)域下面，形成有與先形成的第一雜質剖面合成的第二雜質剖面的第二N型擴散層。這里，設計離子注入用的掩模及熱擴散等，以便蓄積部s和水平傳輸部h之間的N阱70和N阱90的邊界，最終與垂直移位寄存器的作為最后電極的傳輸電極60-3和從垂直傳輸溝道讀出信息電荷的水平移位寄存器的傳輸電極62的邊界一致。在圖1中虛線100表示N阱70和N阱90的邊界。例如，在圖1中偏向虛線100覆蓋1～2微米，形成第二次離子注入用的掩模。然后，用該掩模進行注入，所形成的濃度高的N阱通過此后的熱擴散工序，沿橫向擴展，在最后的熱擴散工序中到達虛線100。
以后，在半導體襯底的表面上形成傳輸電極60、62、64，該工序之后，在半導體襯底的表面上形成分離區(qū)46、48、50及漏極區(qū)52，制成CCD固體攝像元件。
如果采用本發(fā)明的CCD固體攝像元件，則不會使從水平傳輸部至輸出部的信息電荷的傳輸效率劣化，能降低輸出部的驅動電壓，減少功耗。
權利要求
1.一種固體攝像元件，其特征在于備有有一種導電型，在逆導電型的半導體襯底的主面上互相以規(guī)定的間隔設置且平行配置的多個第一溝道區(qū)；配置在上述多個第一溝道區(qū)的間隙中的漏極區(qū)；在上述多個第一溝道區(qū)上形成的、在與上述第一溝道區(qū)交叉的方向上互相平行配置的多個第一傳輸電極；有一種導電型，與上述多個第一溝道區(qū)連續(xù)地在上述半導體襯底的主面上形成的、沿著與上述第一溝道區(qū)交叉的方向延伸的第二溝道區(qū)；以及在上述第二溝道區(qū)上形成的、在與上述第二溝道區(qū)交叉的方向上互相平行配置的多個第二傳輸電極，上述第二溝道區(qū)的雜質濃度比上述第一溝道區(qū)的低。
2.根據權利要求1所述的固體攝像元件，其特征在于上述第一溝道區(qū)和上述第二溝道區(qū)的邊界設定得與上述多個第一傳輸電極的最后級和上述第二傳輸電極的邊界一致。
3.一種固體攝像元件的制造方法，該固體攝像元件有多個受光像素呈行列狀配置的攝像部；對應于上述多個受光像素的各列配置多個垂直移位寄存器的垂直傳輸部；配置在上述多個垂直移位寄存器的輸出側的水平傳輸部；以及配置在水平傳輸部的輸出側的輸出部，該固體攝像元件的制造方法的特征在于包括在一種導電型的半導體襯底的主面中注入逆導電型的雜質，形成溝道區(qū)的第一工序；在形成了上述溝道區(qū)的半導體襯底的主面中覆蓋著上述水平傳輸部及上述輸出部區(qū)域形成抗蝕劑圖形的第二工序；以及將上述抗蝕劑圖形作為掩模，再將逆導電型的雜質注入上述半導體襯底的主面中的第三工序，上述水平傳輸部及上述輸出部的溝道區(qū)的雜質濃度比上述攝像部及上述垂直傳輸部的溝道區(qū)的低。
4.根據權利要求3所述的固體攝像元件的制造方法，其特征在于在上述第二工序之后還包括在上述半導體襯底的主面上形成多個傳輸電極的工序；以及通過上述多個傳輸電極，將一種導電型的雜質注入上述半導體襯底中，在上述溝道區(qū)中形成分離區(qū)的第四工序。
全文摘要
課題在于在CCD固體攝像元件中，如果降低攝像部的驅動電壓，則浮游擴散層的復位電位升高，從水平CCD寄存器至浮游擴散層的傳輸效率劣化。通過兩次雜質的注入工序，形成P型硅襯底2的表面上的N阱，使雜質濃度互相不同，形成攝像部及蓄積部下面的N阱70、以及水平傳輸部下面的N阱90。配置在水平傳輸部下面的N阱90形成得N型雜質的濃度比攝像部及蓄積部低。因此，能繼續(xù)維持攝像部及蓄積部的使用電荷量，而使水平CCD寄存器的溝道電位比浮游擴散層的復位電位高。
文檔編號H04N5/335GK1501699SQ20031011811
公開日2004年6月2日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權日2002年11月14日
發(fā)明者岡田吉弘 申請人:三洋電機株式會社