专利名称:对模糊现象不敏感的图像传感器及其制造方法
本发明涉及一个图象传感器，该传感器组成如下由第一种导电类型材料构成半导体衬底，衬底上有很多由第一种导电类型材料构成的连接表面的沟道区域;这些沟道区与呈现在表面上的电极系统成直角;工作时，在上述沟道区域中收集和传输电荷;第一种导电类型材料构成的沟道，被由第二种导电类型材料构成的连接表面的沟道隔离区相互分开，并且进一步与第二种导电类型材料构成的，基本上与表面平行延伸的半导体区相连接。
本发明进一步涉及该图象传感器的制造办法。
上述的图象传感器，在工作时，把电压加到各电极上，结果在沟道中形成由势垒相互分开的势井图型。在一集聚时间中，由入射辐射产生于半导体材料内的电荷被收集在势井中，于是形成一个与入射图象相对应的电荷图象。在集聚时间后，加时钟电压到各电极，结果通过沟道区传输所收到的电荷群，并将这些电荷群，转送到存贮器。这样的方法，就是所谓的帧或场的转送方法(frame or field transfer method)，然后，在电视输入信号的下一个集聚周期中，对电荷进一步处理。
由于基本上平行表面延伸的半导体区的存在，在电极之间加适当的电压，半导体区和衬底将会导致在表面和衬底之间的势垒变化，这种变化，在半导体区显示出一个电势位垒。这样从表面上看，在半导体材料中的势垒上面产生的电荷，将导致电荷图象的形成，而在势垒下面产生的电荷，将不会影响电荷图象的形成。由于长波辐射比短波辐射能更深地穿透半导体材料。势垒的位置决定了图象传感器的光谱灵敏度。
在英国专利申请第2054961号开头的段落中，公开了一种图象传感器，器件中的半导体区和沟道区的掺杂浓度不超过衬底的浓度。结果，在沟道区收集的电荷可影响表面和半导体衬底之间的电势变化，其方式为在半导体区域中，最初出现的势垒，当超过给定的电荷值时，便在集聚周期中消失掉。在集聚周期内，由于强烈的局部辐射，在局部产生的电荷量将超过所说给定电荷量，超过的电荷，能流过半导体衬底。这样能防止集聚时间内，过剩的电荷可能遍布于沟道区出现的许多相连势井上。这种现象常常被称为“模糊现象”，它能引起电视图象中的特殊干扰线，这种模糊现象是由图象传感器获得的信号形成的。
已知的图象传感器，是由半导体衬底及衬底表面上安排的两个半导体层组成的。其中靠上面的半导体层是由沟道区组成，该沟道区的掺杂浓度不超过半导体衬底的浓度。这样的结构通过在半导体材料中扩散杂质是不能获得的。若是在某种导电类型的半色体内扩散杂质，只能形成另一种导电类型的半导体区，其掺杂浓度大于前种导电类型的半导体内的杂质浓度。为了获得已知的图象传感器。必须在半导体衬底上，用外延的方法，首先生长第二种导电类型的半导体层，然后生长第一种导电类型的半导体材料。在这种层状结构里，通过在两层中扩散杂质的方法形成的沟道隔离区，延伸到这两层中较低的一层上。
已知的图象传感器的另一个缺点是沟道区有一个宽度，这个宽度是在制造沟道隔离区时决定的。这些沟道区域将有一个最小宽度，其尺寸等于扩散所需窗口的最小尺寸，加上横向扩散两边的距离。在已知的图象传感器中，这个距离要比形成沟道区的层厚大。从相邻沟道区之间要求的中心距离开始，将要求的中心距离减去所需的扩散窗口宽度和大大超过两倍沟道厚度的值后得到沟道区的宽度。实际上，例如，要求的中心距离是10μm窗口宽度是4μm，沟道区的厚度是1μm，沟道区的宽度仅仅是大约3μm。
因此已知的图象传感器，只能有比较狭的沟道区和比较宽的沟道隔离区。这是一个不理想的情况，因为这样不仅每单位面积能够收集和传输的电荷数量比较小，而且图象传感器因为这样不仅每单位面积能够收集和传输的电荷数量比较小，而且图象传感器因而只有一个比较低的灵敏度。在沟道区产生的电荷，能流到半导体衬底，并对图象的形成无任帮助。
尤其为了这个目的，本发明提供了在开头段落里叙述的那种图象传感器，它利用在通道区内收集的电荷在导体衬底与表面之间产生电势变化，同时过剩电荷也能流过半导体衬底，而且传感器有比较宽的沟道区和比较窄的沟道隔离区。
根据本发明，开始段落中叙述的图象传感器的特征是沟道区的掺杂浓度超过半导体区的浓度，半导体区本身的浓度又超过半导体衬底区的掺杂浓度。半导体区的厚度在与沟道垂直的方向上变化，在沟道区的中心处;为最小值。
按照本发明，通过在具有第一导电类型的半导体衬底中扩散杂质的简单方法，能制造这种图象传感器。通过具有以一固定相对中心距离延伸的窗口的第一次掩模提供了第二导电型区，然后具有同一固定相对中心距离延伸的窗口的第二次掩模提供了构成沟道区的第一导电型区。第二次掩模的安排是使沟道区在第二导电型区之间的一半处构成，从而使沟道区由第二导电型的连接表面区(沟道隔离区)相互分开。与此同时，沟道区进一步和相对于表面的基本平行延伸的第二导电型区相连接。第二导电型区的厚度以与沟道区成直角的方向延伸并在沟道区的中心，有一个最小值。沟道区有一个掺杂浓度，它超过位于其下的半导体区的浓度，而后者超过半导体衬底的浓度。结果可产生有效的“反模糊现象”。
根据本发明，在图象传感器中，沟道区的宽度是等于第二次掩模中的窗口宽度加上窗口横向扩散间的距离。这个距离基本上等于沟道区的厚度。在这种情况下，一个限制因素是在两个窗口之间的最小距离必须得到保证。已知沟道区之间要求得到的中心距离后，这些沟道区的最大宽度是等于该中心距离减去最小窗口距离后加上沟道区厚度的两倍。前述的实际方案是，中心距离为10μm，最小窗口宽4μm，沟道区的厚度1μm从而沟道区的宽度至少为8μm。和已知的图象传感器相比，本发明的图象传感器，有比较宽的沟道区和比较窄的沟道隔离区。
本发明进一步涉及开头段落中叙述的图象传感器的制造方法。这方法的特征是通过对以固定相对中心距离延伸的窗口进行第一次掩模来扩散杂质在第一导电型半导体衬底上提供第二导电型半导体区;然后通过对具有以同样固定相对中心距离延伸的窗口进行第二次掩模来提供构成沟道区的第一导电型半导体区。第二次掩模的安排使得在第二导电型区之间的一半处形成沟道区。
这样，通过简单的扩散技术便可获得图象传感器，其中沟道区被第二导电型材料构成的连接表面半导体区(沟道隔离区)相互分开，沟道区进一步和第二导电型的半导体区相连。沟道区有一个掺杂浓度，它超过半导体区的浓度，半导体区本身的浓度又超过半导体衬底的浓度。半导体区的厚度，在与沟道区垂直的方向上变位，并在沟道区的中心位置达到最小值。使用如此方法形成的图象传感器，可强烈的阻止“模糊现象”的产生。
在下面，使用带有附图的例子，将更全面的描述本发明。
图1示出了根据本发明获得的图象传感器一实施例的平面示意图;
图2为图1所示的图象传感器沿Ⅱ-Ⅱ线切割的剖面图;
图3为图1所示的图象传感器沿Ⅲ-Ⅲ方向切割的剖面图;
图4为按照本发明构成的图象传感器在与表面垂直的方向上的电势变化;
图5、6、7为图1、2、3中所示的图象传感器的制造步骤。
附图是简图，不标尺寸，并为了清楚起见，在横截面上，特别是在厚度方向上的尺寸是大大地放大了。相同导电类型的半导体区用相同方向的阴影线来画，并且一般用相同参考数字来表示相应的部分。
图1到图3用图解方法表示一图象传感器，该图像传感器由第一导电型的半导体衬底1组成，本例中是采用n型硅衬底。衬底的表面2与一些第一导电型沟道区7连接，沟道区7是与表面电极系统3、4、5、6垂直，沟道区在工作时收集和传输电荷，而且被与表面2相连接的第二导电型材料构成的沟道隔离区8相互分开，沟道区进一步与表面基本平行延伸的第二导电型的半导体区9相连接。电极3、4、5、6用绝缘层10(例如二氧化硅)彼此绝缘。
在工作时，如下文所述，把电压加到电极3、4、5、6上，以致于使由例如位于电极3下面的势垒相互分离的势井图案于沟道区7内形成。在电极4、5、6下面构成的势井中，在给定的集聚时间内，收集在半导体材料7和9中由入射辐射产生的电荷。
于是，在图象传感器的第一部分11中构成一相应于入射图象的电荷图象。在集聚时间后，把时钟脉冲加到电极3、4、5、6和电极12、13、14、15，结果，通过沟道7传输收集的电荷束，并且转送到存储器16。为进一步处理信号，在下一个集聚时间里，可以从这个寄存器里读出这个电荷。存储器16由于有未示出的反射铝层复盖使得入射辐射不能修改这个寄存器里的电荷。
在工作时，电压加至电极3、4、5、6及衬底1之间，结果在半导体区9型成势垒。势垒上面产生的电荷将有助于电荷图象的形成，而在势垒的下面产生的电荷，对这个电荷图象的形成没有影响。由于长波辐射比短波辐射能更深地射入半导体，所以，通过选择势垒的位置可以确定图象传感器的光波灵敏度。
根据本发明，参考图1、2、3描述的图象传感器中，沟道区的浓度超过半导体区9的浓度，半导体区9的浓度超过衬底1的浓度。在本例中，n型沟道区7的掺杂浓度，大约是1016原子/cm3，P型半导体区9的浓度大约是3×1015原子/cm3，n型衬底1的掺杂浓度大约是5×1014原子/cm3。半导体区9的厚度沿与沟道7垂直方向变化，并在沟道区的中心取得最小值。由于这样掺杂图象传感器的电势在与表面2相垂直的方向上将有变化，如图4所示。图中，在沟道区7中心的电势V被表示成离开表面2的距离X的函数。半导体区9接地。半导体衬底1接-15V电压。图中曲线20表示集聚时间开始时电势的变化。电势变化中有一个位于沟道区7中的势井21和一个位于半导体9深处的势垒22，在集聚周期内，由于在沟道区7中收集的负电荷，势垒可能由曲线23变到24。当由曲线24表示的情况出现时，仅有一个小的势垒26仍然存在于沟道区7中的势井25和衬底1之间。使得当在这个面积上进一步产生电荷时，这些电荷可能流到衬底1。通过在电极3上加电压V2，V1加到电极4、5、6上，在沟道区的纵向上，可形成势垒;在电极4、5、6下面，获得电势变化20、23、24，而在电极3下面，获得电势变化27(图中横跨绝缘层10的电压降，是由点线表示的)。这样，可以达到势井中的过剩电荷可流向衬底1，而不是流向沟道7中各相邻接的势井。这种常常表示为“模糊”的现象，可导致由这种图象传感器获得的信号形成的电视图象中产生特殊干扰线。
按照本发明的较佳实施方案，如果在沟道区7的中心断开半导体区9，并在此切槽17，则可用电极3、4、5、6之间的很实际的电压来实现“反模糊现象”。
正如下面将表述的那样，用简单的方法可以制造图象传感器，而且沟道区7的宽度较大，而沟道隔离区8的宽度较小。这样，根据本发明，图象传感器有一个比较高的灵敏度。
图5、6、7表示图1到图3所示的图象传感器的制造过程中的几个连续状态。图5表示这样一个状态在具有第一导电型半导体衬底1上，本例中它是由具有平均杂质浓度约为5×1014原子/cm3的n型硅组成，提供有第二导电型区33，本例中是P型区，这是通过对具有以一固定相对中心距离31延伸的窗口32的二氧化硅掩模31用一般的扩散方法得到的。区域33有一个平均掺杂浓度，约为3×1015原子/cm3。接着象图6表示的那样，构成沟道区7的第一导电型n型区域，是通过对具有以同一相对中心距离31延伸的窗口35的二氧化硅的第二掩模34用通常的扩散方法得到的，结果形成如图7表示的结构。掩模34安排成使得区域33之间的一部分形成沟道区7。然后，这些沟道区7被沟道隔离得区域33之间的一部分形成沟道区7。然后这些沟道区7被沟道隔离区8相互分开，并且沟道区进一步与基本上相对表面2平行延伸的半导体区9连接。区域9的厚度在与沟道区相垂直的方向上延伸，并在沟道区7的中心有一个最小值。沟道区7的掺杂浓度，在本方案中，平均值是1016原子/cm3，它超过区域9的浓度，在本方案中，区域9的平均浓度约为3×1015原子/cm3。区域9的浓度超过衬底1的浓度，在本方案中，衬底1的浓度大约是5×1014原子/cm3。
沟道7的宽度等于第二次掩模34中的窗口35的宽度加上沟道7掩蔽34下面横向扩散的距离。横向扩散的距离近似等于沟道7的厚度，例如等于1微米。一个限制因素是两个相邻窗口35之间，必须有一最小距离。如果一个掩模，其最小距离为4μm，那么当中心距离为10微米，沟道区的宽度变为8μm，沟道隔离区8的宽度变成大约2微米。
在去除掩模后用通常的方法提供绝缘层10和电极系统3、4、5、6、12、13、14、15后，获得了图1到图3的结构。在图1中，槽17不在寄存器16的电极12、13、14、15的下面延伸，因为它们不在这里执行功能，然而槽延伸到这里也不碍事。
槽17沿与沟道7垂直的方向上的尺寸a最好大于半导体区9厚度b的一半，b是在沟道隔离区8的旁边测得。在这种情况下，衬底电压15伏，沟道隔离区电压为0伏，故V1可为0伏，V2可为-5伏左右。
为了尽可能的利用沟道隔离区8上出现的电荷，沟道隔离区8在与沟道区垂直的方向上，最好选择一个尺寸c，使c小于沟道区7的厚度d的4倍，c正好在沟道隔离区8的旁边测得。于是，保证在与沟道区7垂直的方向获得电势的变化，电势的变化应使沟道隔离区8减少的电荷流到相邻的沟道区7，而不是通过区9流到衬底1。
当完成上述两个扩散时，就用简单的方法得到了槽17，以使得第二导电型区域9彼此不接触，而是由第一导电型半导体区域7和1分开。
当然。这个发明不局限于上述描写的方案，对于本领域的技术人员来说，不脱离发明的范围、许多变化是可能的。例如，表面2上的电极系统可以开设小窗口，可以使电极彼此重迭。而且电极系统可不用4相时钟而用3相或2相时钟系统来形成。在后者和电极上有小窗口的情况下，要在沟道区形成第二导电型的附加半导体区，以在沟道区获得所要求的电位。而且电极3下面的电势可以通过在电极3上加了一个电压V3调整，如图4中曲线28所表示的那样，V3在V1和V2之间，于是形成势井29，结果，传感器的灵敏度将得到改善，因为在电极3下面产生的电荷，现在将流到电极4、5、6下面的沟道区，而不是象由电势曲线27表示的那样流到衬底1中。
权利要求
1.图象传感器是由第一导电型半导体衬组成，衬底上有许多第一导电型连接表面的沟道区域，这些沟道区与衬底表面上的电极系统相垂直，工作时，在沟道区域中收集和传输电荷，这些沟道区由第二导电型连接表面的沟道隔离区相互分开，并且进一步和相对表面平行延伸的第二导电型半导体区相连接，其特征是沟道区掺杂浓度超过半导体区的掺杂浓度，而半导体区本身的掺杂浓度又超过半导体衬底的掺杂浓度，半导体区的厚度沿沟道区垂直方向变化，在沟道中心达到最小值。
2.根据权利要求
1所述的图象传感器，其特征是在沟道区的中心断开半导体区，并在此切槽。
3.根据权利要求
2中所述的图象传感器，其特征是槽在与沟道区相垂直的方向的尺寸大于半导体区厚度的二分之一，并正好沿沟道隔离区的旁边测得。
4.根据权利要求
1、2或3中所述的图象传感器，其特征是沟道隔离区在其垂直方向的尺寸小于沟道区厚度的4倍，并正好沿沟道隔离区的旁边测得。
5.前述各权利要求
所述的图象传感器，其制造方法的特征是在由第一导电型半导体衬底上通过具有以固定相对中心距离延伸的窗口的第一次掩模进行扩散杂质的方法来提供第二导电型区，然后通过以同样固定相对中心距离延伸的窗口的第二次掩模来提供构成沟道区的第一导电型区，第二次掩模安排成使得沟道区在第二导电型区之间的一半处形成。
6.根据权利要求
5所述的方法，其特征是进行两次扩散，以使第二导电型区彼此不接触，并由第一导电型区将其分开。
专利摘要
图像传感器由一具有很多连接表面沟道的半导体衬底组成，沟道区由连接表面的沟道隔离区相互分开，而且进一步和相对表面平行延伸的半导体区相接。沟道区的掺杂浓度超过半导体区的掺杂浓度，而半导体区本身的掺杂浓度超过半导体衬底的掺杂浓度，半导体区的厚度在沟道区中心外有一个最小值。在这样的图像传感器中，在垂直表面的方向上可以实现电势变化，从而可强烈抑制“模糊”现象的产生。本发明也涉及这个图像传感器的制造方法。
文档编号H01L21/02GK85101868SQ85101868
公开日1987年1月24日 申请日期1985年4月1日
发明者鲍德金斯 申请人:菲利浦光灯制造厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan