CN101159282A - 放大型固体摄像元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种放大型固体摄像元件，使用在P型半导体衬底上外延生长了N型半导体层的半导体衬底，在所述N型半导体层中形成光电变换部，包括：在G像素和B像素的至少一方的所述光电变换部的下方形成的第一P型半导体层；使用所述第一P型半导体层以包围所述各光电变换部的方式形成的、具有到达所述第一P型半导体层的深度的第二P型半导体层；以包围R像素的方式形成的、具有到达所述P型半导体衬底的深度的第三P型半导体层。

Description

放大型固体摄像元件
相关申请的交叉引用
本申请是根据2006年10月4日提出的在先日本专利申请No.2006-273177，并要求其优先权，在此引用其全部内容。
技术领域
本发明涉及放大型固体摄像元件。
背景技术
最近，CMOS类型的放大型固体摄像元件(CMOS摄像传感器)正在商品化。该CMOS摄像传感器的特征是单电源、低电压驱动(3V)、低功耗(50mW左右)。CMOS摄像传感器也与CCD同样多像素化、微细化，采用在同一衬底上设置光电变换元件和晶体管的结构。在CMOS摄像传感器中，用由光电变换元件产生的信号电荷调制信号电荷积蓄部的电位，通过该电位调制像素内部的放大晶体管，从而使像素内部具有放大功能。
在现有的CMOS摄像传感器中，使用在基体衬底(例如1～3×1018cm-3)上(衬底表面一侧)层叠有5～10μm左右的B(硼)浓度低的(例如1×1015cm-3)P型半导体层的外延层的P/P+衬底。
图6是使用P/P+衬底制作CMOS摄像传感器时的PD(光电二极管：光电变换部)部附近的剖视图。在CMOS摄像传感器中使用P/P+衬底的理由是能缩短在衬底的深处(B(硼)浓度高的区域)产生的载流子(电子)的寿命。具体而言，即使对PD 3照射强光而产生载流子并扩散到衬底深处，电子会在这些载流子的寿命短的区域中复合。因此，能抑制电子通过衬底的深处泄漏进与光照射的PD 3相邻的PD 3。这在器件的特性上是抑制图像浮散。此外，能降低来自衬底深处的暗电流。而在CCD等中，以往使用的是N衬底。
图7是使用N衬底10制作CCD摄像元件时的PD部附近的剖视图。在N衬底上，例如以2.7MV的加速电压、剂量5E11cm2、无掩模地全面地打入B(硼)，形成平坦P阱(Flat Pwell)8。结果，从衬底表面到3～4μm左右的深度形成P型半导体层、即平坦P阱8。然后，在衬底表面一侧(大致1μm左右)形成进行光电变换的PD 3。另外，为了将相邻的PD 3彼此之间电分离，一般在相邻的PD 3之间形成基于B的P型半导体区(势垒阱)7。
在现有的CCD摄像元件中，使用N衬底，在PD 3下部及其附近形成平坦P阱8和势垒阱7。在CCD摄像元件中，形成这样的器件结构：当因对PD 3照射强光而产生的电子使PD 3变满时，电子逃逸到衬底的(调节了平坦P阱8的浓度的)器件结构。也就是，在N衬底中，把照射了极强光(例如太阳光)时产生的电子的一部分抛弃到衬底上的结构，所以能抑制图像浮散。
可是，在N衬底中，在衬底深处产生的电子，例如在比平坦P阱8还深的位置产生的电子全部被抛弃到衬底中，所以与P/P+衬底相比，存在灵敏度下降的问题。这尤其对于对Si衬底的吸收系数小的长波长光(红光)，导致红灵敏度的下降。
如以上那样，对固体摄像元件使用N型衬底时，能把从PD 3溢出的载流子(电子)抛弃到衬底中，所以能简单地抑制图像浮散或混色。可是，在N衬底中，与P/P+衬底相比，存在引起灵敏度下降的问题，不利于元件的微细化。为了解决该灵敏度下降的问题，在CCD中，采用对PD施加高的电压(例如5V)，扩大PD的耗尽层，高效地把载流子集中到PD的方法。
可是，放大型固体摄像元件(CMOS摄像传感器)以与CCD相比的低电压驱动作为元件的特征，PD的耗尽层不比CCD宽，难以提高灵敏度。因此，采用高效地把载流子集中到PD中的阱(well)结构成为CMOS摄像传感器的技术课题。
作为该技术课题的解决方法，提出了使用N/P+衬底。N/P+衬底是使用与现有的P/P+衬底相同的P+衬底，并在P+衬底上外延生长N型半导体层的结构。当通过使用N/P+衬底，利用加速器对N外延层离子注入P(磷)离子以形成光电二极管(N型半导体层)时，光电二极管的耗尽层比P/P+衬底展宽，所以PD的集中电子的区域能扩展到衬底深处一侧，灵敏度提高。
可是，现有的在P/P+衬底上形成固体摄像元件时和在N/P+衬底上形成固体摄像元件时，产生几个技术的问题。其问题之一是PD的电分离。在现有的P/P+衬底中，如图6所示，在P外延层中形成PD(N型半导体层)3，所以相邻的PD 3之间由P外延层9的P型半导体层进行元件分离。可是，在N/P+衬底中，在N外延层中形成PD，所以产生PD彼此之间电连接的问题。
此外，在N/P+衬底中，与现有的在P/P+衬底上形成CMOS摄像传感器时同样，无法抛弃在对光电变换部照射强光时产生的过剩的信号电荷。因此，在N/P+衬底中，与现有的P/P+衬底同样存在图像浮散、混色的问题。
在使用N衬底的CCD中，成为能把多余的信号电荷抛弃到衬底中的结构，但是在使用N/P+衬底或P/P+衬底的CMOS摄像传感器中，没有抛弃多余的信号电荷的地方，所以引起所述的无法抛弃过剩的信号电荷的问题。
须指出的是，在日本专利申请公开特开2006-5265号公报中记载了使用P+/N/P衬底，为了限制图像浮散的发生，与光电变换部相邻地设置元件分离区域的技术。
此外，在日本专利申请公开特开2002-198507号公报中公开了为了在CCD固体摄像元件中防止混色，用P阱包围传感器部的侧面以及下部的技术。
发明内容
本发明的一个方式的放大型固体摄像元件是，使用在P型半导体衬底上外延生长了N型半导体层的半导体衬底，在所述N型半导体层中形成光电变换部，包括：在G像素和B像素的至少一方的所述光电变换部的下方形成的第一P型半导体层；使用所述第一P型半导体层以包围所述各光电变换部的方式形成的、具有到达所述第一P型半导体层的深度的第二P型半导体层；以包围R像素的方式形成的、具有到达所述P型半导体衬底的深度的第三P型半导体层。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是表示本发明实施方式的CMOS类型的放大型固体摄像元件(CMOS摄像传感器)的各色的像素配置的平面图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是表示像素部与摄像区域周边部的关系的剖视图。
图4是表示图2的变形例的图。
图5是表示本实施例的R像素部的光电二极管部的杂质浓度分布和电势分布的图。
图6是使用现有例的P/P+衬底制作CMOS摄像传感器时的PD部附近的剖视图。
图7是使用现有例的N衬底制作CMOS摄像传感器时的PD部附近的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明实施例。
图1是表示本发明实施例的CMOS类型的放大型固体摄像元件(CMOS摄像传感器)的各色的像素配置的平面图。在图1中，R(红)、G(绿)、B(蓝)的各像素部100、200、300配置在H方向(横向)和V方向(纵向)。
图2是图1的A-A剖视图，表示PD部的截面结构。如图2所示，在B(硼)浓度高的(例如，2×1018cm-3)衬底1(P型半导体衬底)上外延生长例如6μm左右的N型半导体层(N型杂质浓度P：2×1015cm-3)2，构成N/P+衬底。
在N型半导体层2中，利用现有方法，形成光电变换部PD(光电二极管)3。作为PD的形成的一个例子，利用加速器，以310KV的加速电压、剂量1.3E12cm2，离子注入P(磷)。这时，P浓度的峰值深度主要由P离子注入时的能量决定，为距表面大致为0.4μm左右。
此外，PD 3的表面及其附近部分形成为防护部4。这时，以10KV、5E13cm2的剂量注入B离子。结果，PD表面的B浓度提高到1×1019cm-3。
在使用现有的P/P+衬底时，即使在P外延层(P型半导体层)上形成PD(N型半导体层)，相邻的PD彼此之间也电分离。可是，在N/P+衬底中，在N外延层上形成PD，所以如果只用现有的方法形成PD，相邻的PD彼此之间就电连接。如果PD彼此之间电连接，由光电变换产生的电子就不成为本来应该进行信号处理的像素的信号，成为混色的原因，引起再现图像的恶化。因此，有必要把相邻的PD和PD进行元件分离。
因此，为了电分离(元件分离)相邻的PD 3和PD 3，在所需的区域(想形成有源区域的区域)上涂敷抗蚀剂，进行构图，形成剩下抗蚀剂的图案。即在想形成PD-PD之间的元件分离层的区域上成为没有抗蚀剂的状态。
然后，利用加速器注入B+(硼离子)。以所需的加速能量、离子注入量，分数次进行该离子注入，从而能形成具有到达衬底深处的基体衬底1的P+层的深度的P型半导体层，形成相邻的PD 3和PD 3的元件分离层7。作为具体的元件分离层的形成方法，在所述的抗蚀剂构图后，作为B+的注入条件，以200KV、400KV的加速电压，分别以剂量1E12cm2的照射量跨数次地进行离子注入。
通过这些B+的离子注入，在各PD的侧面形成P型半导体层。然后，通过灰化(asher)处理(氧原子团处理等)，剥离抗蚀剂。然后，为了对G像素部200和B像素部300的PD 3下方和R像素部100和G像素部200和B像素部300的PD-PD之间打入B，再次进行抗蚀剂的涂敷和抗蚀剂的构图。在该构图中，R像素部100的PD四方(元件分离层)为打入B离子的图案，而R像素部100的PD下方为不打入B离子的图案。然后，以700KV、1E12cm2的剂量注入B+。
结果，在B像素部300和G像素部200的PD下方分别形成由离子注入形成的P型半导体层(形成在PD下方的P型半导体层：Bottom_P)5，这些P型半导体层5彼此由摄像区域连接。据此，在B像素部300和G像素部200中，由形成在PD 3侧面的P型半导体层7和形成在PD 3下方的P型半导体层5包围PD 3。即在B像素部300和G像素部200的侧面形成的各P型半导体层7具有到达P型半导体5的深度。
然后，为了用P型半导体层只包围R像素部100的PD 3，再次进行抗蚀剂的涂敷和抗蚀剂的构图，例如以1200KV、1E12cm2的剂量打入B+离子。结果，R像素部100的PD 3成为四方侧面(R像素的PD元件分离部)由P型半导体层7包围、形成该PD 3的N型半导体层2的底的部分由基于来自衬底1的B扩散的P型半导体层包围的结构。即包围R像素部100的PD 3的P型半导体层7具有到达衬底1的深度。
结果，形成R像素部100的PD 3的N型半导体层2比形成B像素部300的PD 3的N型半导体层2更能形成到衬底的深处。即可以在R像素部100和G像素部200以及B像素部300中，成为PD区域在衬底的深度方向不同的结构。
这样，通过上述的元件分离等离子注入，在G像素部200以及B像素部300下方形成P型半导体层5，成为在比P型半导体层5更靠衬底的深处(P型半导体层5的下方)剩下由N外延层形成的N型半导体层(以下称作N外延OFD)6的结构。如图3所示，把该N外延OFD 6与可以对形成在摄像区域周边的N阱区域等施加电压的N型半导体层电连接，以可以对N外延OFD 6施加电压的方式，可以用N外延OFD 6形成溢出漏极结构。即成为可以通过N外延OFD 6，将从PD 3溢出的电子抛弃的结构。
须指出的是，P型半导体层5优选形成在bayer排列的G像素部200和B像素部300的PD 3下方。其理由是在G像素部200和B像素部300的P型半导体层5下方形成N外延OFD 6时，在比P型半导体层5更深的衬底的位置，没必要形成以将G像素部200和B像素部300的元件分离为目的的P型半导体层，就能容易地将G像素部200和B像素部300的下方的各N外延OFD 6彼此之间电连接。
此外，在G像素部200和B像素部300的PD下方形成的P型半导体层5也能兼用用于PD彼此之间的元件分离的离子注入步骤的一部分来形成。
此外，在本实施例中，P型半导体层5在G像素部200和B像素部300的PD 3下方形成，但是如图4所示，也可以只在B像素部300的下方形成。可是，这时，形成在B像素部300的P型半导体层5下方的N外延OFD 6成为浮空状态，用该结构无法抛弃多余的载流子。即无法具有OFD功能。
因此，例如，在B像素部300的P型半导体层5下部形成的N外延生长层OFD，例如以高能量(例如400KV、800KV、1.2MV、1.6MV、2.0MV、剂量＝1E12cm2)，对复位晶体管的漏极部分分数次追加注入P(磷)离子，据此可以形成与在B像素部300的深处形成的N外延OFD 6电连接的结构。
此外，也可以在R像素部100、G像素部200、B像素部300的全部的PD 3下方形成P型半导体层5，在比P型半导体层5更靠衬底深处形成的N外延OFD 6可以由摄像区域电连接。这时，认为基于N外延OFD 6的溢出漏极功能被增强了。可是，这时，R像素部100的PD区域的深度由形成P型半导体层5的深度决定，所以比图2所示的本实施例(R像素部100的PD区域的深度由来自衬底1的B扩散规定)中形成的R像素部100的PD区域的深度还浅。因此，认为R灵敏度略有下降。
此外，关于本实施例中担负溢出漏极功能的N外延OFD 6，也可以通过离子注入，向衬底中打入P等形成N型半导体层的元素离子(P、As)，来降低N外延OFD 6的电阻，以容易施加电压。
图5是表示本实施例的R像素部100的光电二极管部的杂质浓度分布和电势分布的图。如图5所示，PD 3部的深度方向的B、P的杂质浓度成为可以通过基于离衬底表面2μm左右深度的平坦P阱8的P型半导体层，电分离衬底表面一侧的PD 3(N型半导体层)和N外延OFD 6(N型半导体层)的分布图。通过采用所述的杂质分布图结构，在比平坦P阱8更深的位置产生的电子流入N外延OFD 6并被抛弃，所以不会泄漏入相邻的PD，不会成为混色的原因。
根据本发明的实施例，能抛弃多余的信号电荷，结果，能减少混色，抑制图像浮散，能提供提高了颜色再现性的放大型固体摄像元件。
那些熟知本技术的人将容易取得附加的优点和修改。因此，本发明在其更广阔的意义上并不局限于这里表示和描述的特殊细节和代表性的实施例。因此，在不脱离附加的权利要求及其等价物所限定的概括发明概念的精神或范围的前提下，能进行各种修改。

Claims (10)

1.一种放大型固体摄像元件，使用在P型半导体衬底上外延生长有N型半导体层的半导体衬底，在所述N型半导体层中形成光电变换部，包括：
形成在G像素和B像素的至少一方的所述光电变换部下方的第一P型半导体层；
使用所述第一P型半导体层、以包围所述各光电变换部的方式形成的、具有到达所述第一P型半导体层的深度的第二P型半导体层；
以包围R像素的方式形成的、具有到达所述P型半导体衬底的深度的第三P型半导体层。
2.根据权利要求1所述的放大型固体摄像元件，其中：
在所述第一P型半导体层下方残留所述N型半导体层。
3.根据权利要求2所述的放大型固体摄像元件，其中：
所述第一P型半导体层下方的所述N型半导体层与形成在摄像区域周边的N型半导体层电连接。
4.根据权利要求1所述的放大型固体摄像元件，其中：
所述第一P型半导体层分别形成在所述G像素和所述B像素的所述各光电变换部下方，所述各第一P型半导体层由摄像区域连接。
5.根据权利要求2所述的放大型固体摄像元件，其中：
所述第一P型半导体层分别形成在所述G像素和所述B像素的所述各光电变换部下方，所述各第一P型半导体层的下方的所述各N型半导体层由摄像区域电连接。
6.根据权利要求1所述的放大型固体摄像元件，其中：
所述G像素和所述B像素为bayer排列。
7.根据权利要求1所述的放大型固体摄像元件，其中：
所述第一P型半导体层只形成在所述B像素的所述光电变换部下方。
8.根据权利要求1所述的放大型固体摄像元件，其中：具有在所述N型半导体层上施加电压的结构。
9.根据权利要求9所述的放大型固体摄像元件，其中：所述结构包括对摄像区域周边施加电压的N型半导体层。
10.根据权利要求1所述的放大型固体摄像元件，其中：所述第二P型半导体层包含B。
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