固态摄像元件及其制造方法、以及电子设备与流程

本发明涉及一种固态摄像元件及其制造方法。并且，本发明涉及一种使用了这种固态摄像元件的电子设备等。

背景技术：

虽然在固态成像目前以CCD(Charge-coupled Device：电荷耦合装置)为主流，但能够以低压来进行驱动并且能够混装周边电路的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器的发展较为显著。CMOS传感器被实施通过完全传输技术或暗电流防止结构等的制造工艺上的对策、CDS(correlated double sampling：相关双采样)等电路对策而实现的噪声对策等，如今被改善为可以说是能够获得与CCD同等的画质从而成长为在质与量上均凌驾于CCD之上的设备。虽然CMOS传感器的飞跃的较大原因是画质被大幅度地改善，但其改善的主要原因中包括电荷传输技术的改善。

作为相关的技术，在专利文献1中公开了一种具备不会产生复位噪声的FD(floating diffusion：浮置扩散)放大器的固态成像装置。该固态成像装置的特征在于，具备由如下部件构成的FD放大器型的电荷检测部，所述部件包括：形成在第一导电型的半导体层上的第二导电型的扩散区域；与该扩散区相邻设置的电势垒形成栅电极；与电势垒形成栅电极相邻设置的电荷传输装置的最终栅电极；将该扩散区域作为源极电极而形成的扩散区域复位用MOS晶体管；对该扩散区域的电位进行检测的源极跟随电路，所述固态成像装置将该扩散区域以其杂质浓度在扩散区中央部处较高且在端部处较低的方式而形成，并且在该扩散区域中央部之上形成第一导电型的扩散区域。

根据专利文献1，由于在形成浮置扩散区的第二导电型的扩散区域上形成有第一导电型的高浓度的扩散层，因此当将复位用晶体管设为导通状态时，扩散层将会完全耗尽，从而从成像部传输来的信号电荷将流入至浮置扩散区中，并被完全传输至复位用晶体管的漏极。此外，由于在复位用晶体管为断开状态时电位成为浮置状态，因此不会引起复位动作时的电位变动，从而不会产生复位噪声。

然而，如果在从光电二极管被传输信号电荷的第二导电型的扩散区域上形成第一导电型的高浓度的扩散层(钉扎(pinning)层)，则存在如下的问题，即，在从光电二极管传输信号电荷的路径上会产生电势的势垒(壁垒(barrier))，从而会产生传输不良。

专利文献

专利文献1：日本特开平5-121459号公报(第0009-0012段，图1及图2)

技术实现要素：

本发明的几个方式涉及提供一种固态成像装置，其能够减少由残留在从光电二极管被传输信号电荷的杂质区内的电荷所形成的暗电流，并且对信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生进行抑制，从而降低传输不良。此外，本发明的几个方式涉及提供一种使用了这种固态摄像元件的电子设备等。

本发明的第一方式所涉及的固态摄像元件具备：半导体层，其为第一导电型；栅极绝缘膜，其位于半导体层上；栅电极，其位于栅极绝缘膜上；第一杂质区，其为第二导电型，且至少位于在俯视观察时与栅电极的第一端部相比靠外侧的半导体层内；第二杂质区，其为第二导电型，且至少位于在俯视观察时与栅电极的对置于第一端部的第二端部相比靠外侧的半导体层内；第三杂质区，其为第一导电型，且在俯视观察时与栅电极的第二端部分离且位于半导体层的第二杂质区的上层内，并与第二杂质区相接。

根据本发明的第一方式，由于在从构成光电二极管的第一杂质区被传输信号电荷的第二杂质区的上层具备第三杂质区，从而减少了由残留在第二杂质区的电荷所形成的暗电流，并且由于在俯视观察时第三杂质区与栅电极的第二端部分离，因此能够抑制信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生，从而降低传输不良。

在此，优选为，在俯视观察时，第三杂质区在与栅电极的第二端部大致正交的方向上从该第二端部起而分离了栅电极的长度的六分之一以上。在该情况下，抑制电势的势垒的产生的效果将变大。

本发明的第二方式所涉及的电子设备具备上述的任意一种固态摄像元件。根据本发明的第二方式，能够提供一种通过使用如下的固态成像装置从而改善了对被摄体进行成像而获得的图像数据的画质的电子设备，所述固态成像装置为，减少由残留在从光电二极管被传输信号电荷的杂质区中的电荷所形成的暗电流，并且抑制信号电荷的传输路径上的电势的势垒产生，从而降低传输不良的装置。

本发明的第三方式所涉及的固态摄像元件的制造方法具备：工序(a)，通过以第一光刻胶为掩膜而向第一导电型的半导体层注入第二导电型的杂质离子，从而在半导体层内形成第二导电型的第一杂质区；工序(b)，通过以第二光刻胶为掩膜而向半导体层注入第二导电型的杂质离子，从而在半导体层内形成第二导电型的第二杂质区；工序(c)，在半导体上隔着栅极绝缘膜而形成栅电极，所述栅电极在第一杂质区侧具有第一端部，且在第二杂质区侧具有第二端部；工序(d)，通过以栅电极以及第三光刻胶为掩膜而向半导体层倾斜地注入第一导电型的杂质离子，从而形成第一导电型的第三杂质区，所述第一导电型的第三杂质区在俯视观察时与栅电极的第二端部分离且被形成在半导体层内的第二杂质区的上层内，并与第二杂质区相接。

此外，本发明的第四方式所涉及的固态摄像元件的制造方法具备：工序(a)，通过以第一光刻胶为掩膜而向第一导电型的半导体层注入第二导电型的杂质离子，从而在半导体层内形成第二导电型的第一杂质区；工序(b)，在半导体层上，隔着栅极绝缘膜而形成在第一杂质区侧具有第一端部的栅电极；工序(c)，通过以栅电极以及第二光刻胶为掩膜而向半导体层注入第二导电型的杂质离子，从而在俯视观察时在与栅电极的对置于第一端部的第二端部相比靠外侧的半导体层内形成第二导电型的第二杂质区；工序(d)，通过以栅电极以及第三光刻胶为掩膜而向半导体层倾斜地注入第一导电型的杂质离子，从而形成第一导电型的第三杂质区，所述第一导电型的第三杂质区在俯视观察时与栅电极的第二端部分离且被形成在半导体层内的第二杂质区的上层内，并与第二杂质区相接。

根据本发明的第三方式或第四方式，由于在从构成光电二极管的第一杂质区被传输信号电荷的第二杂质区的上层形成第三杂质区，从而减少了由残留在第二杂质区中的电荷形成的暗电流，并且由于第三杂质区以在俯视观察时与栅电极的第二端部分离的方式而形成，因此能够抑制信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生从而降低传输不良。

另外，在本申请中，半导体层是指半导体基板、被形成在半导体基板上的阱、或者被形成在半导体基板上的外延层。此外，既可以采用第一导电型为P型而第二导电型为N型的方式，也可以采用第一导电型为N型而第二导电型为P型的方式。

附图说明

图1为表示本发明的一个实施方式所涉及的固态摄像元件的图。

图2为用于对图1所示的固态摄像元件的制造方法进行说明的工序图。

图3为表示比较例所涉及的固态摄像元件中的电势的状态的图。

图4为表示实施方式所涉及的固态摄像元件中的电势的状态的图。

图5为表示本发明的一个实施方式所涉及的电子设备的结构例的框图。

具体实施方式

以下，参照附图来对本发明的实施方式进行详细说明。另外，对相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略重复的说明。

固态摄像元件

在以下的实施方式中，对以低电压来进行驱动的固态摄像元件进行说明。虽然作为形成固态摄像元件的半导体基板，能够使用N型半导体基板或P型半导体基板，但在下文中，作为一个示例而对使用N型硅基板的情况进行说明。

图1为表示本发明的一个实施方式所涉及的固态摄像元件的图。图1(A)为俯视图，图1(B)为图1(A)所示的1B-1B'处的剖视图，图1(C)为图1(A)所示的1C-1C'处的剖视图。

该固态摄像元件包括：P阱(P^--)12，其被形成在N型硅基板(Nsub)11中；N型杂质区(N^-)13、N型杂质区(N⁺)14以及P型杂质区(P⁺)15，其被形成在P阱12中；栅极绝缘膜19，其位于P阱12上；栅电极(传输栅电极)20，其位于栅极绝缘膜19上。

作为第一杂质区的N型杂质区(N^-)13至少位于在俯视观察时与栅电极20的第一端部(图中左侧的栅极长度方向的端部)相比靠外侧的P阱12内，并且构成了光电二极管的N型杂质区。在本申请中，“俯视观察”是指，从与N型硅基板11的主面(图1(B)中的上表面)垂直的方向透视各部的含义。另外，N型杂质区13也可以延伸至在俯视观察时与栅电极20的第一端部相比靠内侧的P阱12内。

作为第二杂质区的N型杂质区(N⁺)14至少位于在俯视观察时与栅电极20的对置于第一端部的第二端部(图中右侧的栅极长度方向的端部)相比靠外侧的P阱12内，并且作为对从光电二极管传输来的电荷进行存储的杂质区而被使用。另外，N型杂质区14也可以延伸至在俯视观察时与栅电极20的第二端部相比靠内侧的P阱12内。

作为第三杂质区的P型杂质区(P+)15在俯视观察时从栅电极20的第二端部向与该第二端部大致正交的方向(栅极长度方向)分离且位于P阱12的N型杂质区14的上层，并与N型杂质区14相接。在本申请中，“上”表示与N型硅基板11的主面垂直的方向之中从N型硅基板11的主面朝向栅电极20的方向。

以此方式，通过在从构成光电二极管的N型杂质区13被传输信号电荷的N型杂质区14的上层设置高浓度的P型杂质区(钉扎层)15，从而能够减少由残留在N型杂质区14中的电荷形成的暗电流。然而，当在N型杂质区14的整个上表面上设置钉扎层时，有可能会在从光电二极管传输信号电荷的路径上产生电势的势垒(壁垒)，从而引起传输不良。因此，根据本实施方式，由于P型杂质区15从栅电极20的第二端部向栅极长度方向分离，因此能够抑制信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生而降低传输不良。

固态摄像元件的特性根据栅电极20的第二端部与P型杂质区15之间的栅极长度方向上的距离d而发生变化。例如，在图1所示的栅电极20的栅极长度L0为3μm的情况下，当距离d为0.5μm以上时，对电势的势垒的产生进行抑制的效果将变大。在此，距离0.5μm相当于栅极长度3μm的六分之一。另一方面，为了确保N型杂质区14与P型杂质区15在栅极长度方向上重叠的长度为0.5μm以上，需要使距离d小于从图1所示的N型杂质区14的长度L1中减去0.5μm所得到的值。

通过以上述的方式而对栅电极20的第二端部与P型杂质区15之间的栅极长度方向上的距离d进行设定，从而在由残留于N型杂质区14中的电荷所形成的暗电流几乎不会增加的范围内，能够有效地抑制信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生，从而改善由未被传输而剩余的电荷所形成的余像现象。

固态摄像元件的制造方法

接下来，对图1所示的固态摄像元件的制造方法进行说明。

图2为用于对图1所示的固态摄像元件的制造方法进行说明的工序图。作为固态摄像元件的制造中所使用的半导体基板，优选为使用杂质浓度为1×10¹⁴atoms/cm³数量级的N型半导体基板，或者杂质浓度为从1×10¹⁴atoms/cm³数量级的后半至1×10¹⁵atoms/cm³数量级的前半的P型半导体基板。在下文中，作为一个示例而对使用了杂质浓度为1×10¹⁴atoms/cm³数量级的N型硅基板(Nsub)11的情况进行说明。

首先，在N型硅基板11的主面上形成作为离子注入时的透过膜的热氧化膜。之后，如图2(A)所示，向N型硅基板11的主面注入硼等P型的杂质离子，并通过实施热处理而使杂质离子热扩散，从而在N型硅基板11中形成P阱(P^--)12。另外，也可以通过以多级的方式(改变加速能量而多次)注入P型的杂质离子或以高能量注入P型的杂质离子，从而形成P阱12。P阱12的杂质浓度例如优选为1×10¹⁵atoms/cm³左右。

并且，在N型硅基板11的表面上，通过LOCOS(local oxidation of silicon：硅局部氧化)法等而形成成为元件分离区的氧化膜(未图示)，并形成作为下一个工序中的离子注入时的透过膜的硅氧化膜(未图示)。

接下来，如图2(B)所示，通过光刻技术而在N型硅基板11上形成光刻胶31。在光刻胶31上，在成为光电二极管的区域处形成开口。并且，通过以该光刻胶31为掩膜而向P阱12注入N型的杂质离子，从而在P阱12中形成光电二极管的N型杂质区(N^-)13。此时，也可以通过实施热处理而使杂质离子热扩散。

上述的离子注入优选为采用如下方式，即，例如使用磷离子而以1.2MeV～150keV左右的加速能量来实施多级的注入，并且在N型杂质区13中形成杂质浓度从较深侧朝向较浅侧而变浓的杂质曲线。此外，优选为，以杂质浓度成为1×10¹⁵atoms/cm³～1×10¹⁶atoms/cm³左右的方式来实施离子注入，以便之后形成在与周围的P型杂质扩散层之间的耗尽层使光电二极管的N型杂质区13耗尽。

另外，在图1中，虽然在N型硅基板11中形成P阱12，并在P阱12中形成N型杂质区13，但也可以通过外延生长法而在N型硅基板11上形成P型硅层，并在该P型硅层中形成N型杂质区13。

接下来，如图2(C)所示，将光刻胶31去除，并通过光刻技术而在N型硅基板11上形成光刻胶32。在光刻胶32上，在成为电荷传输目的地的区域处形成有开口。并且，通过以该光刻胶32为掩膜而向P阱12注入N型的杂质离子，从而在P阱12中形成N型杂质区(N⁺)14。N型杂质区14的杂质浓度被调节为高于光电二极管的N型杂质区13的杂质浓度。

上述的离子注入例如使用砷离子或磷离子来实施。作为使用磷离子的情况下的注入条件，优选为，例如将加速能量设为100keV～150keV左右，将剂量设为1×10¹²atoms/cm²～5×10¹⁴atoms/cm²左右，将注入角度设为7°左右。

接下来，如图2(D)所示，将光刻胶32去除，并在将作为透过膜而使用的硅氧化膜剥离之后，重新形成栅极绝缘氧化膜，并且对多晶硅等进行成膜，并通过以光刻胶为掩膜而进行图案形成，从而在P阱12上隔着栅极绝缘膜19而形成栅电极(传输栅电极)20。栅电极20在N型杂质区13侧具有第一端部，并在N型杂质区14侧具有第二端部。

此时，也可以对掩膜的位置进行调节，以使栅电极20的第一端部与N型杂质区13的图中右侧的端部在俯视观察时一致，且使栅电极20的第二端部与N型杂质区14的图中左侧的端部在俯视观察时一致。或者，也可以以栅电极20具有在俯视观察时与N型杂质区13或14重叠的部分的方式而对掩膜的位置进行调节。

另外，在图2中，虽然在形成了N型杂质区14之后形成栅极绝缘膜19以及栅电极20，但也可以在形成了栅极绝缘膜19以及栅电极20之后形成N型杂质区14。在该情况下，在N型杂质区13侧具有第一端部的栅电极20隔着栅极绝缘膜19而被形成在P阱12上。之后，通过以栅电极20以及光刻胶为掩膜而向P阱12注入N型的杂质离子，从而在俯视观察时与栅电极20的第二端部相比靠外侧的P阱12以栅自对准的方式而形成N型杂质区14。

接下来，如图2(E)所示，在形成有栅电极20等的N型硅基板11上，通过光刻技术而形成光刻胶33。并且，通过以栅电极20以及光刻胶33为掩膜而向P阱12倾斜地注入P型的杂质离子，从而形成P型杂质区(P⁺)15。作为钉扎层的P型杂质区15在俯视观察时从栅电极20的第二端部向与该第二端部大致正交的方向(栅极长度方向)分离且被形成在P阱12的N型杂质区14的上层，并与N型杂质区14相接。此时，也可以在N型杂质区13中也形成P型杂质区(钉扎层)。

上述的离子注入例如使用硼离子来实施。将P型杂质区15的杂质浓度设为例如1×10¹⁷atoms/cm³～1×10¹⁸atoms/cm³左右。作为注入条件，例如在使用BF²⁺离子的情况下，优选为，将加速能量设为40keV左右，将剂量设为5×10¹²atoms/cm²～5×10¹³atoms/cm²左右，将注入角度设为大约30°～大约45°左右。

接下来，如图2(F)所示，将光刻胶33剥离。之后，在形成有P型杂质区15等的N型硅基板11上形成层间绝缘膜，并在层间绝缘膜上形成接触孔。并且，在层间绝缘膜上形成铝(Al)等的配线层，并穿过接触孔而实施配线，从而完成固态摄像元件。配线层可以根据需要而设为多层。此外，也可以在N型硅基板11上同时形成次级的晶体管等电路元件。

电势的状态

接下来，在与比较例进行比较的同时，对本发明的一个实施方式所涉及的固态摄像元件的信号电荷的转送路径上的电势的状态进行说明。

图3为模式化地表示比较例所涉及的固态摄像元件的电势的状态的图。图4为模式化地表示本发明的一个实施方式所涉及的固态摄像元件的电势的状态的图。在此，图3(A)及图4(A)为固态摄像元件的剖视图。此外，图3(B)及图4(B)表示在图3(A)及图4(A)所示的X-Y线处，传输栅电极导通时的电势(实线)以及传输栅电极为断开时的电势(虚线)。

如图3(A)所示，在比较例中，N型杂质区14以及P型杂质区15位于与栅电极20的第二端部(图中右侧的端部)相比靠外侧的P阱12中。在该情况下，如图3(B)所示，在传输栅电极的出口处产生电势的井以及势垒，从而未被传输而剩余的电荷成为了余像现象的原因。

如图4(A)所示，在本实施方式中，P型杂质区15与栅电极20的第二端部(图中右侧的端部)在栅极长度方向上分离。在该情况下，如4(B)所示，由于传输栅电极的出口处的电势的井变浅，从而能够降低传输栅电极的出口处的电势的势垒，因此实现了残留电荷较少的传输。

以此方式，根据本实施方式，由于通过在从构成光电二极管的N型杂质区13被传输信号电荷的N型杂质区14的上层形成P型杂质区15，从而能够减少由残留在N型杂质区14中的电荷所形成的暗电流，并且P型杂质区15以与栅电极20的第二端部在栅极长度方向上分离的方式被形成，因此能够抑制信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生而降低转送不良。

电子设备

接下来，对本发明的一个实施方式所涉及的电子设备进行说明。

图5为表示本发明的一个实施方式所涉及的电子设备的结构例的框图。如图5所示，电子设备100包括使用了本发明的一个实施方式所涉及的固态摄像元件的摄像部110，并且也可以包括CPU120、操作部130、ROM(只读存储器)140、RAM(随机存取存储器)150、通信部160、显示部170和声音输出部180。另外，既可以省略或改变图5所示的结构要素的一部分，或者也可以在图5所示的结构要素上附加其他的结构要素。

摄像部110利用本发明的一个实施方式所涉及的固态摄像元件来处理对被摄体进行拍摄而获得的像素信号，从而生成图像数据。例如，摄像部110包括固态摄像元件、行解码器、列解码器、放大器、箝位电路、CDS(相关双采样)电路、以及ADC(模拟/数字转换器)。

行解码器依次对固态摄像元件的多行的像素电路进行复位，并且依次选择多行的像素电路。列解码器依次对从通过行解码器所选出的行中的多个像素电路中被输出的像素信号进行选择，并依次输出被选出的像素信号。从以此方式所选出的行及列的像素电路中被输出的像素信号，在通过放大器而被放大了之后向箝位电路进行供给。

当在固态摄像元件中对光电二极管被遮光了的视觉黑色区域进行扫描时，箝位电路将像素信号箝位于黑色电平。由此，能够将由温度上升等而产生的暗电流的增加量抵消。从箝位电路被输出的像素信号被供给至CDS电路。

在从固态摄像元件被输出的像素信号中，包含由像素电路的特性而引起的固定图形噪声。因此，CDS电路通过利用固态摄像元件的复位而对电荷被放出的前后的电平之差进行检测，从而实施取得固定图形噪声被降低了的像素信号的CDS处理。ADC对从CDS电路被输出的像素信号进行A/D转换，从而生成图像数据。

CPU120根据被存储于ROM140等中的程序而利用从摄像部110所供给的图像数据来实施图像处理，并且根据从操作部130被供给的操作信号而对电子设备100的各部进行控制。例如，CPU120为了实施与外部之间的数据通信而对通信部160进行控制。或者，CPU120生成用于使各种的图像显示在显示部170上的图像信号，或者生成用于使各种的声音向声音输出部180输出的声音信号。

操作部130为例如包括操作键或按钮开关等的输入装置，并向CPU120输出与用户所实施的操作对应的操作信号。ROM140对用于使CPU120实施各种图像处理或控制处理的程序或数据等进行存储。此外，RAM150作为CPU120的工作区域而被使用，并且临时性地存储从ROM140被读取的程序或数据、从摄像部110被供给的图像数据、利用操作部130而被输入的数据、或者CPU120根据程序而执行的运算结果等。

通信部160例如由模拟电路以及数字电路构成，并实施CPU120与外部装置之间的数据通信。显示部170例如包括LCD(液晶显示装置)等，并且基于从CPU120被供给的显示信号而显示各种信息。此外，声音输出部180例如包括扬声器等，并基于从CPU120被供给的声音信号而输出声音。

作为电子设备100例如也包括像行车记录仪、数码摄像机、数码照相机、移动电话等的移动终端、电视电话、防盗用电视监视器、测定设备以及医疗设备等这样对被摄体进行拍摄而生成图像数据的电子设备。

根据本实施方式，能够提供一种通过使用如下的固态成像装置从而改善了对被摄体进行成像而获得的图像数据的画质的电子设备，所述固态成像装置为，减少了由残留在从光电二极管被传输信号电荷的杂质区中的电荷所形成的暗电流，并且抑制了信号电荷的传输路径上的电势的势垒的产生，从而降低了传输不良的装置。

虽然在上述的实施方式中，对在P型的半导体层中形成N型杂质区等的情况进行了说明，但本发明并不限定于以上所说明的实施方式。例如，本发明也能够应用于在N型的半导体层上形成P型杂质区等的情况中。如此，在该技术领域中具有公知常识的人员能够在本发明的技术思想内进行多种改变。

符号说明

11…N型硅基板；12…P阱；13、14…N型杂质区；15…P型杂质区；19…栅极绝缘膜；20…栅电极；31～33…光刻胶；100…电子设备；110…摄像部；120…CPU；130…操作部；140…ROM；150…RAM；160…通信部；170…显示部；180…声音输出部。