专利名称：固态成像装置的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及一种固态成像装置。尤其是涉及一种，例如行间转移(interline transfer)型固态成像装置，该固态成像装置构造成使得可以通过一个电荷耦合设备(CCD)来读取在光电转换区域产生和积累的信号电荷。
2.相关技术介绍最近广泛流行一种使用固态成像装置的家庭摄影机和数码照相机。这些照相机当中，广泛运用了一种行间转移型的固态成像装置，该装置通过CCD来读取在光电转换区域产生和积累的信号电荷。在这种行间转移型的固态成像装置当中，为了降低能耗，并且让固态成像装置和安装于其上的液晶监控器共享一个电源，进行了降低读取电压的尝试。
为了降低读取电压，提出了这样一种固态成像装置，其中在构成一个垂直CCD的多个电荷转换电极中，一个电荷转移电极用做将光电转换区域中产生和积累的信号电荷传输到垂直CCD的读取栅极(reading gate)，该电荷转移电极被构造为在转移方向上其电极长度比其他电荷转移电极长(例如，参见JP2950317)。下面，介绍一种读取电压已经降低的常规的行间转移型固态成像装置。
图17中给出了一种常规的行间转移型固态成像装置总体结构的示意图。在图17中标记数字100表示一个用于执行光电转换的光电二极管(PD)。200表示在垂直方向上转移信号电荷的垂直CCD。300表示信号电荷读取部件，用于将信号电荷从光电二极管100读到垂直CCD 200上。400表示水平CCD，用于在水平方向上转移信号电荷。500表示输出部件，用于探测并放大信号电荷。一般说来，由执行光电转换的光电二极管100和垂直CCD 200构成的区域“I”称为一个像素。
如此构造的固态成像装置的运转过程示意如下。根据入射光的量的多少，通过光电转换，每个光电二极管100产生并积累信号电荷。在预定的积累过程之后，在垂直消隐(vertical blanking)过程中，通过信号电荷读取部件300，光电二极管100中积累的信号电荷全部被读到邻近的垂直CCD 200上。然后，在图17中，信号电荷通过逐级平行排列的垂直CCD 200向下转移，并且信号电荷从每个垂直CCD200的最终转移端被转移到横向排列的水平CCD 400中。接着，在图17中，信号电荷通过水平CCD 400顺序地向左转移。在输出部件500中信号电荷转换成电压信号，然后，输出为一个时间序列的视频信号。
图18A是图17所示区域I中像素结构的平面图。图18B是图18A中沿II-II’线截取的剖面图。在图18A或图18B中，标记数字501代表由n型扩散层构成的光电转换区域。502表示由n型扩散层构成的垂直CCD 200上的CCD通道区。503表示由第一多晶硅层构成的垂直CCD 200的第一电荷转移电极。504表示由第二多晶硅层构成的垂直CCD的第二电荷转移电极。505表示第二电荷转移区域504的电荷读取部件，用于从光电转换区域501中读取电荷。506表示一个n型半导体基片。507表示一个p型阱。508表示一个p型的读取区，用于将光电转换区501中积累的信号电荷读到CCD通道502中。509表示p+型设备分离区，用于将光电转换区501和CCD通道区502互相分开。510表示一层栅极绝缘膜。511表示层间绝缘膜，用于将第一电荷转移电极503和第二电荷转移电极504隔离。在图18B中，ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4表示转移时钟脉冲。
利用光电转换在光电转换区501中产生并积累信号电荷，通过在第二电荷转移电极504上施加电压幅值为，例如，8-15伏的读取脉冲，经由p型读取区508将信号电荷读到CCD通道502中。然后，在第一电荷转移电极503和第二电荷转移电极504上施加电压幅值为，例如，-5～-8伏的转移脉冲，通过CCD通道502，图18B中信号电荷从右向左转移。p型读取区508中的杂质浓度以如下方式设置成合适的值当在第二电荷转移电极504上施加读取脉冲时，p型读取区508导通并完全将光电转换区501中的信号电荷转移到CCD通道502中，当在第一电荷转移电极503和第二电荷转移电极504上施加一个转移脉冲，并且信号电荷通过CCD通道502转移，p型读取部件508保持在非导通状态。
为了将光电转换区501中积累的电荷读到CCD通道502中，由于驱动电路的限制，要求向第二电荷转移电极504上施加的电压大小为15V或更小。此处，若第二电荷转移电极504的电荷读取区505的宽度W(见图18A)很窄，由于窄带效应(narrow channel effect)，p型读取区508不可能导通以增加读取电压，其中宽度W由设备分离区509和第一电荷转移电极503决定。
为了解决上述的问题，在一个常规的固态成像装置中，将电荷读取区505的宽度W增大到一定程度，使得窄带效应不再明显。更具体地说，如图18B所示，电荷读取区505构造成使第二电荷转移电极504的电极长度L1比第一电荷转移电极503的电极长度L2要长，其中电荷转移电极504也起着读取栅极的作用。
一般说来，CCD的转移效率主要取决于转移电极之间产生的边缘电场。特别是，转移效率很大程度上依赖于转移电极下的最小电场。当该最小电场增大时，转移所需要的时间(转移时间)变小，从而转移效率提高了。
图19A是部分地显示了图18B中的垂直CCD的截面图。图19B显示了当垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，从而由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503从中级电压VVM变成低级(low level)电压VVL时，处于中间电压的通道区的电势分布。图19C给出了当由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504从中级电压VVM变为低级电压VVL时，处于中间电势的通道区的电势分布。图19B和19C中，电势以向下为正的方向示出。
如图19A所示，在常规的固态成像装置中，为了降低读取电压，第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极503的电极长度L2要长。因而，在由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504中，最小电势512出现在电极长度较长的第二电荷转移电极504的中间位置，如图19C所示，并且该值随着电极长度L1的增大而减小。
这样，在常规的固态成像装置中，随着第二电荷转移电极504的电极长度L1的增加而降低了读取电压，最小电场变弱，进而降低转移效率。
发明概述因此，考虑到上述情况，本发明的一个目的就是提供一种固态成像装置，其中即使将电荷转移电极的电极长度设置得更长以致于降低了读取电压，仍然可以通过增加电荷转移电极之下的最小电场，来提高转移效率，由此，读取电压的降低和转移效率的提高都得以满足。
为了实现上述目的，本发明的固态成像装置包括形成在第一导电性(first conductivity)半导体基片或第一导电性阱的表面区域的多个第二导电性(second conductivity)光电转移区；与光电转换区相邻的第二导电性CCD通道区；位于光电转换区和CCD通道区之间的第一导电性电荷读取区；位于光电转换区的周围，不包括读取区的第一导电性设备分离区；位于CCD通道区域上的多个第一电荷转移电极；以及位于多个第一电荷转移电极之间的第二电荷转移电极。在电荷转移方向上，第二电荷转移电极的电极长度比第一电荷转移电极的长度要长，同时起着电荷读取栅极的作用，用于从光电转换区域读取电荷，在第二电荷转移电极下的CCD通道区域中，形成了在电荷转移方向上加强的电势梯度。
对于本领域的技术人员来说，阅读并理解了以下结合附图的详细的介绍以后，本发明的上述和其他优点是显而易见的。
附图简介图1A是根据本发明实施例1的固态成像装置中像素结构的平面图。
图1B是沿图1A中II-II’线截取的剖面图。
图2A是在生产图1B中剖面图所示的垂直CCD的一个步骤中该垂直CCD的剖面图。
图2B是在生产图1B中剖面图所示的垂直CCD的一个步骤中该垂直CCD的剖面图。
图2C是在生产图1B中剖面图所示的垂直CCD的一个步骤中该垂直CCD的剖面图。
图3A是部分地显示了图1B或图2C中的垂直CCD的一个剖面图。
图3B展示了下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图3A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503由中级电压的VVM变成低级电压VVL。
图3C展示了下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图3A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图4是根据本发明实施例1的固态成像装置中垂直CCD的修改后的例子的构造的剖面图。
图5A是根据本发明实施例2的固态成像装置中像素结构的平面图。
图5B是沿图5A中II-II’线截取的剖面图。
图6A是在生产图5B中剖面图所示的垂直CCD的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图6B是在生产图5B中剖面图所示的垂直CCD的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图6C是在生产图5B中剖面图所示的垂直CCD的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图7A是部分地显示了图5B或图6C中的垂直CCD的剖面图。
图7B展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图7A中的垂直CCD由四相转换脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图7C展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图7A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图8是根据本发明实施例2的固态成像装置中修改了的垂直CCD的示例性结构的剖面图。
图9A是根据本发明实施例3的固态成像装置中像素结构的平面图。
图9B是沿图9A中II-II’线截取的剖面图。
图10A是在生产图9B的剖面图所示的垂直CCD的过程中的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图10B是在生产图9B的剖面图所示的垂直CCD的过程中的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图10C是在生产图9B的剖面图所示的垂直CCD的过程中的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图10D是在生产图9B的剖面图所示的垂直CCD的过程中的一个步骤中，垂直CCD的剖面图。
图11A是部分地显示了图9B或图10D中垂直CCD的剖面图。
图11B展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图11A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图11C展示了下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图11A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图12A是根据本发明实施例3的固态成像装置中修改后的像素结构的例子的平面图。
图12B是沿图12A中II-II’线截取的剖面图。
图13A是根据本发明的实施例4的固态成像装置中像素结构的平面图。
图13B是沿图13A中II-II’线截取的剖面图。
图14A是部分地显示13B中垂直CCD的剖面图。
图14B展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图14A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV2驱动的第一电荷转移电极403由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图14C展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图11A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低电压VVL。
图15A是根据本发明的实施例4的固态成像装置中修改后的像素结构的例子的平面图。
图15B是沿图15A中II-II’线截取的剖面图。
图16A是根据本发明实施例4的固态成像装置中另一个修改后的像素结构的例子的平面图。
图16B是沿图16A中II-II’线截取的剖面图。
图17示意性地示出了常规行间转移型固态成像装置的整体构造。
图18A是在常规的固态成像装置中像素结构的平面图。
图18B是沿图18A中II-II’线截取的剖面图。
图19A是部分地示出了图18B中垂直CCD的剖面图。
图19B展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图19A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503由中级电压VVM变成低级电压VVL。
图19C展示了在下述条件下处于中间电压的通道区域中的电势分布，即图19A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，由此由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL。
优选实施方式介绍下面，参照附图通过优选实施例介绍本发明。下面的每个实施例中，整体构造、信号电荷的读取以及行间转移型固态成像装置中的转移操作，都与参照图17所介绍传统的例子相同。每个实施例中构成像素的部件，特别是垂直CCD的构造，与常规实例不相同。因而，在下面的介绍中主要介绍垂直CCD的构造及其生产方法。那些与常规实例中的部件构造相同的部件将用相同的标记数字来表示，并省略对其介绍。
实施例1图1A是根据本发明的实施例1的固态成像装置中像素结构的平面图。图1B是沿图1A中II-II’线截取的剖面图。
在图1A和图1B中，实施例1与图18A和18B所示的常规实例的不同之处在于在第二电荷转移电极504下面，用于形成电势梯度的n-型电平差区域113设置在第二电荷转移电极504下的CCD通道区102的电荷转移方向的上游(upstream)一侧。
接下来，参照图2A、图2B和图2C，介绍生产这种固态成像装置的方法。图2A至2C是图1B中的截面表示的垂直CCD的每个生产步骤中的截面图。
首先，如图2A所示，向n型半导体基片506中注入p型杂质，以形成一个p型阱507。通过向p型阱507的表面区域注入n型杂质来形成CCD通道区102。通过在CCD通道区102的表面生成热氧化物膜和化学气相沉积(CVD)氮化物膜来形成栅极绝缘膜510。在栅极绝缘膜510上形成第一多晶硅层，并利用图案(patterning)去掉部分第一多晶硅层，以形成第一电荷转移电极503。
然后，如图2B所示，在第一电荷转移电极503的电荷转移方向上游一侧形成有多个开口的光阻材料116。用光阻材料116和第一电荷转移电极503作为掩膜，p型杂质如硼以自动对准(self-alignment)的方式被注入，从而形成n-型电平差区域113。
接下来，如图2C所示，光阻材料116被去掉，然后第一电荷转移电极503的周围被热氧化，形成层间绝缘膜511。此时，在栅极绝缘膜510上的第一电荷转移电极503之间，形成了由第二多晶硅层组成的第二电荷转移电极504，从而制成了根据实施例1的固态成像装置。
下面，参考图3A、3B和3C，介绍如此制成的固态成像装置的优点。
图3A是一个截面图，部分地示出了图1B或图2C中的垂直CCD。当图3A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，从而由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503由中级电压VVM变成低级电压VVL时，图3B展示了这一过程中处于中间电压的通道区域中的电势分布。图3C展示了当由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL时，处于中间电压的通道区域中的电势分布。在图3B和3C中电势以向下为正的方向示出。
如上所述，一般来说，CCD的转移效率主要取决于转移电极间产生的边缘电场(fringe electric field)。特别是，转移效率很大程度上依赖于转移电极下的最小电场。当最小电场增大时，转移所需要的时间(转移时间)就变短，转移效率也就提高了。
如图3A所示，在根据实施例1的固态成像装置中，为了降低读取电压，第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极503的电极长度L2要长。同时，在CCD通道区域102中位于第二电荷转移电极504下面的位置上，设置了n-型电平差区域113，用于形成电势梯度。
从而，如图3C所示，在每个第二电荷转移电极504下，由n-型电平差区域113形成了一个电平差114的跃变(step)。第二电荷转移电极504下的最小电场112变得比常规的固态成像装置中的最小电场512更强。
这样，在根据实施例1的固态成像装置中，即使第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极503的电极长度L2更长，以致于降低了读取电压，也可以通过n-型电平差区域113，来增加第二电荷转移电极504下的最小电场112，该n-型电平差区域113在CCD通道区域102中位于第二电荷转移电极504下面的部位上的在电荷转移方向的上游一侧。从而，可以同时满足读取电压的降低和转移效率的提高。
另外，在根据实施例1的固态成像装置中，通过在CCD通道区域102的部分区域形成n-型电平差区域113，与常规的固态成像装置相比，n-型电平差区域113的电势的延伸(spread)被抑制了。这可以减少在CCD通道区域102以外的区域中由光电转换所造成的坏点(smear)的产生，这是由于电荷直接流入CCD通道区域102导致的，并且还可以降低n-型电平差区域113中产生的暗电流。
此外，根据实施例1中的生产固态成像装置的方法，可以通过与第一电荷转移电极503自动对准的方式，形成n-型电平差区域113的在中电荷转移方向上的上游端。所以，n-型电平差区域113不会因为掩膜的对位不准而处于第一电荷转移区503的下方，从而，在电荷转移方向上，n-型电平差区域113的上游端和第一电荷转移电极503的下游(downstream)端之间也不会形成间隙。因而可以稳定地制造出高转移效率的固态成像装置。
在实施例1中，介绍和说明了这样一种情况，其中通过在每个第二电荷转移电极504下形成n-型电平差区域113来产生电平差跃变。但本发明不局限于此。如图4所示的实施例1的一种修改例，通过在每个第二电荷转移电极504下的CCD通道区域102中，形成n-型电平差区域113a和n-型电平差区域113b，可以形成电平差的两个或更多的跃变。这进一步增强了第二电荷转移电极504下的最小电场。从而进一步提高了转移效率。
实施例2图5A是根据本发明的实施例2的固态成像装置中像素结构的平面图。图5B是图5A中沿II-II’线截取的剖面图。
在图5A和图5B中，实施例2在以下方面不同于图1A和1B中的实施例1，用以形成电势梯度的n+型电平差区域215形成于第二电荷转移电极504下面的CCD通道区202中的电荷转移方向下游的一侧。
然后，参照图6A、图6B和图6C，来介绍生成这种固态成像装置的方法。图6A至6C是图5B中的截面所示的垂直CCD的每个生产阶段的截面图。
首先，如图6A所示，通过向n型半导体基片506中注入p型杂质形成一个p型阱507。通过向p型阱507的表面区域注入n型杂质来形成CCD通道区域202。通过在CCD通道区域202的表面上生成热氧化物膜和CVD氮化物膜来形成栅极绝缘膜510。通过在栅极绝缘膜510上形成第一多晶硅层，并利用图案去掉第一多晶硅层，从而形成了第一电荷转移电极503。到此为止，以上步骤与实施例1相同。
然后，如图6B所示，形成了在第一电荷转移电极503的电荷转移方向下游的一侧有开口的光阻材料216。用光阻材料216和第一电荷转移电极503作为掩膜，n型杂质如硼和砷以自动对准的方式被注入，从而形成n+型电平差区域215。
接下来，如图6C所示，光阻材料216被去掉，然后第一电荷转移电极503的周围被热氧化，以形成层间绝缘膜511。此时，在栅极绝缘膜510上，在第一电荷转移电极之间，就形成了由第二多晶硅层组成的第二电荷转移电极504，从而，生成了根据实施例2的固态成像装置。
下面，参照附图7A、7B和7C介绍如此制成的固态成像装置的优点。
图7A是部分地示出了图5B或图6C所示的垂直CCD的剖面图。图7B给出了当图7A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，因而由ΦV2驱动的第一电荷转移电极503由中级电压VVM变成低级电压VVL时，处于中间电压的通道区域中的电势的分布。图7C显示了当由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级VVM变成低级电压VVL时，处于中间电压的通道区域中的电势分布。图7B和7C中电势以向下为正的方向显示。
如上所述，一般来说，CCD的转移效率主要取决于转移电极间产生的边缘电场。特别是，转移效率很大程度上依赖于转移电极下的最小电场。当最小电场增大时，转移所需要的时间(转移时间)变小，从而转移效率就提高了。
如图7A所示，在根据本发明的固态成像装置中，为了降低读取电压，第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极503的电极长度L2更长。同时，在CCD通道区域202中位于第二电荷转移电极504下面的位置，在电荷转移方向下游的一侧，设置了n+型电平差区域215，用于形成电势梯度。
因此，如图7C所示，在第二电荷转移电极504下，由n+型电平差区域215形成了电势差214的一个跃变。第二电荷转移电极504下的最小电场212就变得比常规的固态成像装置中的最小电场512要强。
这样，在根据实施例2的固态成像装置中，即使第二电荷转移电极504的电极长度L1设置为比第一电荷转移电极503的电极长度L2更长，以致于降低了读取电压，也可以通过在CCD通道区域202中在第二电荷转移电极504下面的位置，在电荷转移方向下游的一侧形成n+型电平差区域215，来增加第二电荷转移电极504下的最小电场212。从而，可以同时实现读取电压的降低和转移效率的提高。
此外，在根据实施例2的固态成像装置中，通过在CCD通道区域202的部分区域形成n+型电平差区域215，n+型电平差区域215的n型杂质的浓度设置得比常规的固态成像装置中的杂质浓度更高。从而，就可以增加垂直CCD的最大电荷转移量。
另外，根据如实施例2所述的生产该固态成像装置的方法，可以通过相对于第一电荷转移电极503自动对准的方式而形成n+型电平差区域215的电荷转移方向的下游端。所以n+型电平差区域215不会因为掩膜的对位不准而处于第一电荷转移电极503的下方，并且在电荷转移方向上，n+型电平差区域215的下游端和第一电荷转移电极503的上游端之间也不会形成间隙。因而可以稳定地生产高转移效率的固态成像装置。
在实施例2中，通过附图介绍说明了这样一种情况，通过在每个第二电荷转移电极504下形成n+型电平差区域215来产生电平差的一个跃变。但本发明不局限于此。如图8所示的实施例2的一种改进方案，通过在CCD通道区域202中第二电荷转移电极504下面的位置处形成n++型电平差区域215a和n+型电平差区域215b可以形成两个或更多电平差跃变。这进一步增强了第二电荷转移电极504下的最小电场。从而进一步提高了转移效率。
实施例3图9A是展示了根据本发明实施例3的固态成像装置中像素结构的平面图。图9B是沿图9A中II-II’线截取的剖面图。
在图9A和图9B中，实施例3与图1A和1B中的实施例1的不同之处在于，在CCD通道区302中在第二电荷转移电极504下面的部位，用以形成电势梯度的n-型电平差区域313设置在电荷转移方向上游的一侧，而用以形成电势梯度的n+型电平差区域315设置在电荷转移方向下游的一侧。
下面，参照附图10A、图10B、图10C和图10D，介绍生产这种固态成像装置的方法。图10A至图10D是每一个生产步骤中垂直CCD的剖面图，该垂直CCD如图9B中的剖面图所示。
首先，如图10A所示，通过向n型半导体基片506中注入p型杂质，形成一个p型阱507。通过向p型阱507的表面区域注入n型杂质来形成CCD通道区域302。在CCD通道区域302的表面上生成热氧化物膜和CVD氮化物膜来形成栅极绝缘膜510。在栅极绝缘膜510上形成第一多晶硅层，利用图案去掉第一多晶硅层，从而形成了第一电荷转移电极503。
然后，如图10B所示，生成光阻材料316a，该光阻材料316a在第一电荷转移电极503的电荷转移方向上游的一侧形成有开口。使用光阻材料316a和第一电荷转移电极503作为掩膜，p型杂质如硼以自动对准的方式被注入，从而形成n-型电平差区域313。
然后，如图10C所示，产生了在第一电荷转移电极503的电荷转移方向下游的一侧有开口的光阻材料316b。使用光阻材料316b和第一电荷转移电极503作为掩膜，n型杂质如硼和砷以自动对准的方式被注入，从而形成n+型电平差区域315。
然后，如图10D所示，第一电荷转移电极503的周围被热氧化，以形成层间绝缘膜511。此时，在第一电荷转移电极503之间，在栅极绝缘膜510上，形成了由第二多晶硅层组成的第二电荷转移电极504，从而制成了根据实施例3固态成像装置。
下面，参照附图11A、11B和11C，来介绍如此制成的固态成像装置的优点。
图11A是一个剖面图，部分地显示了图9B或图10D中的垂直CCD。图11B给出了在图11A中的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，从而输入了ΦV2第一电荷转移电极503由中级电压VVM变成低级电压VVL的过程中，处于中间电压的通道区域中的电势分布。图11C示出了当输入了ΦV1的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL时，处于中间电压的通道区域中的电势分布。在图11B和11C中电势以向下为正的方向示出。
如上所述，一般来说，CCD的转移效率主要取决于转移电极间产生的边缘电场。特别是，转移效率很大程度上依赖于转移电极下的最小电场。当最小电场增大时，转移所需要的时间(转移时间)就变小，从而转移效率也就提高了。
如图11A所示，在根据实施例3的固态成像装置中，为了降低读取电压，第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极503的电极长度L2要长。同时，在第二电荷转移电极504下面的CCD通道区域302中电荷转移方向上游的一侧，形成了n-型电平差区域313，在电荷转移方向下游的一侧形成了n+型电平差区域315，用于形成相应的电势梯度。
由此，如图11C所示，在第二电荷转移电极504下，由n-型电平差区域313和n+型电平差区域315形成了两个电平差跃变314。第二电荷转移电极504下的最小电场312变得比实施例1和2中的固态成像装置中的最小电场要强。
这样，在根据实施例3的固态成像装置中，即使第二电荷转移电极504的电极长度L1比第一电荷转移电极503的电极长度L2长，以致于降低了读取电压，也可以在第二电荷转移电极504下的CCD通道区域302中，通过在电荷转移方向上游的一侧形成n-型电平差区域313，以及在电荷转移方向下游的一侧形成n+型电平差区域315，来进一步增加第二电荷转移电极504下的最小电场312。因此，可以同时实现读取电压的降低和转移效率的提高。
此外，根据实施例3中的生产固态成像装置的方法，n-型电平差区域313的在电荷转移方向的上游的一侧以及n+型电平差区域315的在电荷转移方向的下游的一侧可以以相对于第一电荷转移电极503自动对准方式形成。所以n-型电平差区域313和n+型电平差区域315不会因为掩膜的对位不准而位于第一电荷转移电极503的下方，从而，n-型电平差区域313的上游端和第一电荷转移电极503之间、n+型电平差区域315的下游端和第一电荷转移电极503之间不会形成间隙。因而可以稳定地制造高转移效率的固态成像装置。
在如图12A的平面图和12B的剖面图所示的实施例3的修改例中，将第一电荷转移电极303的电极长度L2’设置得比实施例1和2中的固态成像装置中相应的长度L2小(L2’＜L2)，将第二电荷转移电极304的电极长度L1’设置得比实施例1和2中的固态成像装置中相应的长度L1长(L1’＞L1)，这样电荷读取部分305的宽度W’(图12A)就可以变大(W’＞W)。因而，与实施例1和2中的固态成像装置相比，在保持高转移效率的同时，可以进一步降低读取电压。
实施例4图13A是根据本发明的实施例4中的固态成像装置中像素结构的平面图。图13B是沿图13A中II-II’线截取的剖面图。
在图13A和图13B中，实施例4与图9A和9B所示的实施例3的不同之处在于，CCD通道区域302上的在第一电荷转移电极403的电荷转移方向上游一侧的部分417位于在电荷转移方向上彼此相邻的光电转换区之间的间隙418中。其他区与实施例3相同，因而此处使用与实施例3中相同的标记数字，并且略去相应的介绍。
然后，参照14A、14B和14C，来介绍这种这种固态成像装置的优点。
图14A是一个剖面图，部分地示出了图13B所示的垂直CCD。图14B显示了在图14A所示的垂直CCD由四相转移时钟脉冲ΦV1、ΦV2、ΦV3和ΦV4驱动，从而由ΦV2驱动的第一电荷转移电极403由中级电压VVM变成低级电压VVL时，处于中间电压的通道区域中的电势分布。图14C显示了当由ΦV1驱动的第二电荷转移电极504由中级电压VVM变成低级电压VVL时，处于中间电压的通道区域中的电势分布。图14B和14C的电势以向下为正方向显示。
如上所述，一般来说，CCD的转移效率主要取决于转移电极间产生的边缘电场。特别是，转移效率很大程度上依赖于转移电极下面的最小电场。当最小电场增大时，转移所需要的时间(转移时间)就变小，转移效率也就提高了。
如图14A所示，在根据实施例4的固态成像装置中，为了降低读取电压，第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极403的电极长度L2更长。同时，在第二电荷转移电极504下面的CCD通道区域302中电荷转移方向上游的一侧，形成了n-型电平差区域313，以形成电势梯度，并且在电荷转移方向下游的一侧，形成了n+型电平差区域315，以形成电势梯度。
因此，如图14C所示，在第二电荷转移电极504下，由n-型电平差区域313和n+型电平差区域315形成了电平差314的两个跃变。以于实施例3一样的方式，第二电荷转移电极504下的最小电场312变强了。
此外，如图14A所示，在根据实施例4的固态成像装置中，在CCD通道区域302上的第一电荷转移电极403的电荷转移方向上游一侧的部分417位于在电荷转移方向上彼此相邻的光电转移区之间的间隙418中。更具体地说，根据实施例4的固态成像装置构造成使得只有第一电荷转移电极403下的CCD通道区域302中的在电荷转移方向上游一侧的部分417被p+型设备分离区509插入(interposed)。
从而，如图14B所示，p+型设备分离区509的窄带效应只对上游一侧的部分有贡献。因而，以与第二转移电极504一样的方式，在第一电荷转移电极403下面的CCD通道区域中就形成了电势梯度。另外，第一电荷转移电极403下的最小电场419变得比常规实例和实施例1至3中的固态成像装置中的最小电场要大。
这样，在根据实施例4的固态成像装置中，即使第二电荷转移电极504的电极长度L1设置得比第一电荷转移电极403的电极长度L2更长，以致于降低了读取电压，也可以在第二电荷转移电极504下的CCD通道区域302中，通过形成n-型电平差区域413和n+型电平差区域415，来增加第二电荷转移电极504下的最小电场312。因此，可以同时实现读取电压的降低和转移效率的提高。
另外，在CCD通道区域302上，在第一电荷转移电极403的电荷转移方向上游一侧的部分417位于间隙418之中，间隙418是在电荷转移方向上彼此相邻的光电转换区之间的间隙。从而，可以增大第一电荷转移电极403下的最小电场419，这进一步提高了这部分的电荷转移效率。
在实施例4中，与实施例3一样，通过图解介绍和说明了在第二电荷转移电极504下形成n-型电平差区域313和n+型电平差区域315的情况。然而，如图15A和15B所示，可以只形成了n-型电平差区域313，或如图16A和16B，可以只形成了n+型电平差区域315。在二者中的任一构造中，都可同样提高第一电荷转移电极403下的电荷转移效率。
如上所述，与图13A和13B所示的既形成了n-型电平差区域313又形成了n+型电平差区域315的固态成像装置不同，在只形成n-型电平差区域313和n+型电平差区域315二者之一的固态成像装置中，用以形成电平差区域的光刻步骤和离子注入步骤可以省略，这可以缩短了生产时间，并降低了生产成本。
通过优选的例子介绍了每个实施方式。但本发明不只局限于这些例，并可以在不离开本发明的精神的前提下，做各种各样的变动。例如，在实施例1至4中，介绍了交错系统(interlace system)中的行间转移型固态成像装置，在该固态成像装置中两个电荷转移电极组成一个像素。本发明还适用于累进系统(progressive system)的行间转移型固态成像装置，其中由三个或更多电荷转移电极组成一个像素。
在上述每个实施例中，通过附图介绍和说明了第一电荷转移电极由第一多晶硅层构成，第二电荷转移电极由第二多晶硅层构成的例子。本发明还适用于具有单层电极结构的固态成像装置，其中第一和第二电荷转移电极分别由一层多晶硅膜构成。
每个实施例中的电荷转移电极可以由硅化物膜、多酸膜或其他导电电极膜而不是多晶硅膜构成。
如上所述，根据本发明，通过设定第二电荷转移电极的电极长度比第一电荷转移电极的长，同时在第二电荷转移电极下的CCD通道区域中同时形成n-型电平差区域和n+型电平差区域或其中之一，来增加第二电荷转移电极下的最小电场，进而降低读取电压。因而可以同时实现读取电压的降低和转移效率的提高。
此外，通过将CCD通道区域上的第一电荷转移电极的电荷转移方向上游一侧的部分置于在电荷转移方向上彼此相邻的光电转换区之间的间隙中，也可以提高第一电荷转移电极下的最小电场，也就提高了这个电极下的转移效率。
因此，本发明对提供一种具有低能量损耗、高速驱动、高成像质量的特点的固态成像装置有特殊效果。
在不脱离本发明主要精神或其本质特点的情况下，本发明也可以以其他方法实现。从各方面来说，本申请文件中公开的实施例都是说明性的，而非局限性的。本发明的范围由后面所附权利要求书而不是上面的说明书指定，并且与权利要求书等价的范围和内容都包含其中。
权利要求
1.固态成像装置，包括多个第二导电性光电转换区，形成在第一导电性半导体基片或第一导电性阱的表面区域；第二导电性CCD通道区域，与光电转换区相邻；第一导电性电荷读取区，位于光电转换区和CCD通道区域之间；第一导电性设备分离区，位于除读取区外的光电转换区的周围；多个第一电荷转移电极，位于CCD通道区域上；以及多个第二电荷转移电极，位于多个第一电荷转移电极之间，其中，在电荷转移方向上，第二电荷转移电极的电极长度要比第一电荷转移电极的电极长度更长，并作为电荷读取栅极，用于从光电转换区读取电荷，在第二电荷转移电极下的CCD通道区域中，还形成了沿电荷转移方向加强的电势梯度。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中在第二导电性CCD通道中位于第二电荷转移电极下面的部位，在电荷转移方向上游一侧的区域中注入第一导电性杂质，从而形成至少一个电势差的跃变。
3.根据权利要求2的固态成像装置，其中第一电荷转移电极由第一电极膜层构成，并且注入第一导电性杂质的区域的一端是以与第一电荷转移电极的一端自动对准的方式形成的。
4.根据权利要求1的固态成像装置，其中在第二导电性CCD通道中位于第二电荷转移电极下面的部位，在电荷转移方向下游一侧的区域中注入第二导电性杂质，从而形成了至少一个电势差的跃变。
5.根据权利要求4的固态成像装置，其中第一电荷转移电极由第一电极膜层构成，并且注入第二导电性杂质的区域的一端是以与第一电荷转移电极的一端自动对准的方式形成的。
6.根据权利要求1的固态成像装置，其中在第二导电性CCD通道区域中位于第二电荷转移电极下面的部位中，在电荷转移方向上游一侧的区域中注入第一导电性杂质，在电荷转移方向下游一端的区域中注入第二导电性杂质，从而形成了至少两个电势差的跃变。
7.根据权利要求6的固态成像装置，其中第一电荷转移电极由第一电极膜层构成，并且注入第一导电性杂质和第二导电性杂质的区的一端以与第一电荷转移电极的一端自动对准的方式形成。
8.根据权利要求1的固态成像装置，其中在CCD通道区域上的第一电荷转移电极的电荷转移方向上游一侧的部分位于在电荷转移方向上彼此相邻的光电转移区之间的间隙中。
全文摘要
提供了一种能同时降低读取电压和提高转移效率的固态成像装置。p型阱507形成于n型半导体基片506上，CCD通道区102形成于p型阱507的表面区域。栅极绝缘膜510形成于CCD通道区102的表面，第一电荷转移电极503形成于栅极绝缘膜510上。层间绝缘膜511形成于第一电荷转移电极的周围，第二电荷转移电极504形成于栅极绝缘膜510上的第一电荷转移电极之间。第二电荷转移电极504的电极长度L1比第一电荷转移电极503的电极长度L2长，通过注入p型杂质，n
文档编号H04N5/369GK1534792SQ20041003196
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年3月31日
发明者山田 , 山田徹 申请人:松下电器产业株式会社