CN101359675A - 固态图像捕获装置及其制造方法和电子信息装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态图像捕获装置及其制造方法和电子信息装置。提供一种具有多个用来对来自对象的图像光进行光电转换并且捕获来自对象的图像光的光接收部的固态图像捕获装置。在光接收部中，低浓度相反导电性层设置在单导电性衬底或单导电性层上，具有比低浓度相反导电性层更高的杂质浓度的高浓度相反导电性层设置在所述低浓度相反导电性层上，并且光电二极管由所述单导电性衬底或单导电性层与所述低浓度相反导电性层的PN结构成。

Description

固态图像捕获装置及其制造方法和电子信息装置
根据35 U.S.C§119(a)，该非临时申请要求2007年8月3日在日本提交的专利申请No.2007-203473的优先权，在此并入其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及具有多个二维设置的光接收部的固态图像捕获装置，所述多个光接收部用来对来自对象的图像光进行光电转换并且捕获所述对象的图像；用于固态图像捕获装置的制造方法、以及电子信息装置，例如数字照相机(例如数字视频照相机和数字静物照相机)、图像输入照相机、扫描仪、传真机和装备有照相机的蜂窝式电话装置，固态图像捕获装置作为在电子信息装置的图像捕获部中使用的图像输入装置。
背景技术
上述常规固态图像捕获装置安装在数字照相机、蜂窝式电话装置等中，并且这种固态图像捕获装置包括使用CCD(电荷耦合装置)的CCD图像传感器和CMOS图像传感器，与CCD图像传感器相比，所述CMOS图像传感器可以和CMOS制造工艺兼容并且具有较低的驱动电压。
图10是示意性地示出参考文献1中公开的常规CMOS图像传感器中的基本像素的示范性结构的纵截面图。
在图10中，在高浓度P+衬底101上，提供具有比所述P+衬底101的杂质浓度低的杂质浓度的P型层102，并且在P型层102上提供N型光电转换区域103，所述光电转换区域103与P型层102连接以形成光电二极管。结果，形成了常规CMOS图像传感器的基本像素100。优选地，P型层102通过外延生长形成在P+衬底101上。另外，N型光电转换区域103例如通过离子注入或通过N型杂质的扩散来形成。
在此，P+衬底101的杂质浓度例如从1×1018/cm3到1×1022/cm3变动，P型层102的杂质浓度例如从1×1016/cm3到1×1018/cm3变动。此外，N型光电转换区域103的杂质浓度例如从1×1018/cm3到1×1022/cm3变动。
另外，为了防止N型光电转换区域103的表面上的泄漏，在P型层102和N型光电转换区域103的表面侧上形成表面P+层104。此外，为了隔开基本像素100和相邻的基本像素，提供形成在P型层102中的P+型元件隔离区域105、形成在P+型元件隔离区域105上的元件隔离氧化物膜106等、设置在表面P+层104上的栅氧化物膜107、形成在元件隔离氧化物膜106和栅氧化物膜107上以便覆盖它们全部的夹层绝缘膜108、以及用来防止光进入形成在夹层绝缘膜108中的多余部分的遮蔽膜(shading film)109。
在基本像素100中，P型层102的厚度被设置得从大约2μm到10μm变动。即，从半导体的主表面到P型层102和P+衬底101之间的界面的长度被设置得从大于或等于2μm到小于或等于10μm变动。该大于或等于2μm和小于或等于10μm的深度几乎与硅中红色或近红外区域的光学吸收长度相同。可以根据需要感测的光的波长来改变P型层102的厚度。
当入射光进入由N型光电转换区域103和其下面的P型层102的PN结形成的光电二极管时，由于信号电荷累积期间在N型光电转换区域103和其下面的P型层102的区域中的入射光而生成电子和正空穴对。然后生成的电子在形成在N型光电转换区域103和其下面的P型层102的一部分中的耗尽层中累积。在该阶段，在产生在P型层102中的光电子中，因为杂质浓度比P型层102的杂质浓度高的P+衬底101设置在P型层102的下面，所以向衬底下面扩散的光电转换电子从P型层102流到P+衬底101侧并且被捕获。电子在此重新结合并且消失。利用该结构，通过基本像素100中的P+衬底101控制电子到相邻像素的横向扩散。结果，能够减少像素之间的串扰并且控制图像分辨率的下降。
参考文献1：日本特开公开号No.2002-170945
发明内容
在上述常规结构中，N型光电转换区域103设置在P型层102上，P型层102形成在P+衬底101上，所述P+衬底101是高浓度P型衬底，并且P型层102具有比P+衬底101的浓度低的浓度。在低浓度P型层102的深区域中的光电转换电子流到具有比低浓度P型层102更高杂质浓度的P+衬底101中并且被捕获。结果，电子到相邻像素的横向扩散被控制并且单元像素100之间的串扰被减少，由此控制了图像分辨率的下降。然而，由于下一代光接收部区域的进一步被最小化，在形成光接收部的每个单元像素100的N型光电转换区域103中有助于光电转换的信号电荷的数量(电子的数量)减少。另外，在低浓度P型层102的深区域中，光电转换电子(信号电荷)从低浓度P型层102流到P+衬底101侧。因此，难以改善绿色到红色的灵敏度(光电转换效率)，为此在低浓度P型层102的深位置中进行光电转换。
本发明旨在解决上述常规问题。本发明的目的是提供固态图像捕获装置，其中灵敏度被改善，包括绿色到红色的灵敏度(光电转换效率)，并且信号电荷对相邻像素的串扰被进一步减小；所述固态图像捕获装置的制造方法；以及利用所述固态图像捕获装置作为图像捕获部中的图像输入装置的电子信息装置。
根据本发明的固态图像捕获装置具有用来对来自对象的图像光进行光电转换并且捕获所述来自对象的图像光的多个光接收部，其中，在所述多个光接收部中，低浓度相反导电性层设置在单导电性衬底或单导电性层上，具有比低浓度相反导电性层更高的杂质浓度的高浓度相反导电性层设置在所述低浓度相反导电性层上，并且光电二极管包括单导电性衬底或单导电性层与所述低浓度相反导电性层的PN结，由此实现上述目的。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，沿衬底深度方向在高浓度相反导电性层的下面添加低浓度相反导电性层以扩大光电转换区域的体积。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，设置高浓度相反导电性层和低浓度相反导电性层使得电势倾斜以使光电转换电子从低浓度相反导电性层流到高浓度相反导电性层的侧。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，高浓度相反导电性层被设置在具有达到并且包括0.5μm的衬底深度的区域中。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，低浓度相反导电性层被设置在具有从大约0.5μm到2μm变动的衬底深度的区域中。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，耗尽层在低浓度相反导电性层与单导电性衬底或单导电性层之间的PN结部处延伸到单导电性衬底或单导电性层的更深侧。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，耗尽层在低浓度相反导电性层与单导电性衬底或单导电性层之间的PN结部处沿单导电性衬底或单导电性层的深度方向侧延伸2μm到3μm。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，电势从高浓度相反导电性层的-3到-4V的电势向低浓度相反导电性层与单导电性衬底或单导电性层之间的PN结部的小于0V的电势连续地逐渐倾斜。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，低浓度相反导电性层包括对在绿色光和红色光之间变动的波长进行光电转换的区域。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，单导电性衬底或单导电性层是硅衬底或硅层，并且低浓度相反导电性层的厚度范围包括硅中从绿色到红色变动的光的吸收波长。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，对高浓度相反导电性层执行多步注入。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，在沿上部杂质区域和下部杂质区域的深度方向的两个步骤中、或在沿上部杂质区域、中间杂质区域和下部杂质区域的深度方向的三个步骤中执行该多步注入，并且上部杂质区域设置在其中到读出信号电荷的区域的距离比到下部杂质区域的距离短的位置中。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，通过改变具有预定角度的注入方向对上部杂质区域和比上部杂质区域低的杂质区域进行杂质离子注入。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，高浓度相反导电性层的注入杂质具有比低浓度相反导电性层的注入杂质大的质量。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，高浓度相反导电性层的注入杂质是砷(As)，并且低浓度相反导电性层的注入杂质是磷(P)。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，对高浓度相反导电性层下面的低浓度相反导电性层进行多步注入以便更深地进行离子注入。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，在沿上部杂质区域和下部杂质区域的深度方向的两个步骤中、或在沿上部杂质区域、中间杂质区域和下部杂质区域的深度方向的三个步骤中进行该多步注入。
根据本发明的固态图像捕获装置是CMOS固态图像捕获装置，其中该多个光接收部二维地设置在图像捕获区域中，在信号电压转换部中读出在每个光接收部中被转换的信号电荷，并且为每个像素读出根据在信号电压转换部中被转换的信号电压放大的信号作为输出信号。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，作为两个像素共用的结构，通常通过用于两个光接收部的浮动扩散和根据所述两个光接收部读出信号电荷的两个传输晶体管(transfert ransistor)来设置一个信号读出电路。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，信号读出电路包括用来在设置成矩阵的多个光接收部中选择预定的光接收部的选择晶体管；串联连接到所述选择晶体管的放大晶体管，所述放大晶体管用来根据信号电荷转换成的信号电压放大信号，该信号电荷通过传输晶体管从选择的光接收部被传输到浮动扩散；以及用来在信号从放大晶体管输出后将浮动扩散的电势复位到预定电势的复位晶体管。
根据本发明的固态图像捕获装置是CCD固态图像捕获装置，其中该多个光接收部二维地设置在图像捕获区域中，并且在每个光接收部中的被光电转换的信号电荷被读出到电荷传输部并且沿预定方向被连续传输。
在根据本发明的固态图像捕获装置中，在相反导电性衬底或相反导电性层上，形成单导电性层作为具有被离子注入到预定深度的单导电性杂质的低浓度单导电性阱层。
一种根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法，包括：在光接收部形成区域、整个多像素区域、或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成高浓度相反导电性层的高浓度相反导电性杂质离子注入步骤；在光接收部形成区域、整个多像素区域、或多个沿行或列方向的带形多像素区域中在高浓度相反导电性层的下面形成低浓度相反导电性层的低浓度相反导电性杂质离子注入步骤；以及通过利用预定图案选择性地注入单导电性杂质离子来隔离光接收部的像素隔离步骤，所述像素隔离步骤在以该顺序或相反的顺序进行所述两个前面的步骤之后进行，由此实现上述目的。
在根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法中，高浓度相反导电性杂质离子注入步骤通过利用具有用于整个多像素区域、或该多个沿行或列方向的带形多像素区域的开口的掩模离子注入具有第一杂质浓度的第一相反导电性杂质来形成高浓度杂质层。
在根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法中，低浓度相反导电性杂质离子注入步骤通过利用具有用于整个多像素区域、或该多个沿行或列方向的带形多像素区域的开口的掩模离子注入具有第一杂质浓度的第二相反导电性杂质来形成低浓度杂质层。
在根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法中，像素隔离步骤通过利用具有开口的掩模选择性地离子注入单导电性杂质以隔离光接收部的***，并且利用元件隔离区域隔离光接收部的***以限定光接收部的区域的***。
根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法进一步包括STI步骤，作为高浓度相反导电性杂质离子注入步骤和低浓度相反导电性杂质离子注入步骤前面的步骤，该STI步骤利用单导电性衬底或单导电性层上的绝缘材料隔离光接收部的***。
在根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法中，STI步骤包括：形成隔离单导电性衬底或单导电性层上的光接收部的***的沟槽凹槽(trench groove)的沟槽凹槽形成步骤，形成嵌入沟槽凹槽的元件隔离绝缘膜的步骤，以及抛光形成的元件隔离绝缘膜以平面化衬底表面的步骤。
根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法进一步包括作为像素隔离步骤后面的步骤的、形成用来传输电荷的栅电极的栅电极形成步骤。
根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法进一步包括在高浓度相反导电性层的表面中离子注入单导电性杂质以形成表面单导电性区域的表面单导电性区域形成步骤。
根据本发明的电子信息装置利用根据本发明的固态图像捕获装置作为图像捕获部中的图像输入装置。
以下将描述具有上述结构的本发明的功能。
根据本发明，具有比高浓度相反导电性层的杂质浓度低的杂质浓度的低浓度相反导电性层被深入设置在形成光接收部的高浓度相反导电性层下面的衬底内部。此外，通过低浓度相反导电性层下面的单导电性衬底或单导电性层的PN结，光电二极管被深入形成在衬底的内部。
利用这种结构，即使光接收部的光接收面积减小，光接收部也可以在衬底中形成得更深并且也可以扩大光接收部的体积以确保信号电荷的数量。另外，即使在衬底的深区域也能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(光电转换效率)，并且能够增加饱和充电容量(存储的电子的最大数目)。
因为低浓度相反导电性层设置在高浓度相反导电性层之下并且能级(电势)的倾斜被如此设置使得深入衬底中的低浓度相反导电性层中生成的光电转换电子流到高浓度相反导电性层，所以光电转换电子按照惯例从与衬底侧上的导电类型相同的导电性层流到衬底，由此进一步减小了信号电荷(电子)对邻近的左边和右边的像素的串扰。
另外，在根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法中，进行用来在光接收部形成区域、整个多像素区域、或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成高浓度相反导电性层的相反导电性杂质离子注入，以及用来在整个多像素区域或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成低浓度相反导电性层的相同类型的相反导电性杂质离子注入。随后，进行用来隔离像素的单导电性杂质离子注入，并且在光接收部之间形成元件隔离部。因此，与从一开始就将单导电性区域和相反导电性区域限定在各部中并且然后进行离子注入的常规方法相比，在形成光接收部时没有必要考虑偏移的注入位置的裕度。因此，能够在更宽范围内形成每个光接收面积。
根据具有上述结构的本发明，在构成光接收部的高浓度相反导电性层下面形成具有比高浓度相反导电性层的杂质浓度低的杂质浓度的低浓度相反导电性层以便深入衬底内部形成光电二极管。因此，即使下一代固态图像捕获装置的光接收部面积被最小化，也可以扩大光接收部的体积以确保信号电荷的数量。另外，即使在衬底的深区域也能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(改善光电转换效率)，并且能够增加饱和容量(存储的电子的最大数目)。此外，因为低浓度相反导电性层形成在高浓度相反导电性层的下面，所以深入衬底中的低浓度相反导电性层的电子流到高浓度相反导电性层的侧并且聚集在一起，减小了信号电荷对邻近像素的串扰。
此外，在光接收部形成区域、整个多像素区域、或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成高浓度相反导电性层，并且全部一起进行用来在整个多像素区域或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成低浓度相反导电性层的杂质离子注入。随后，进行用来隔离像素的单导电性杂质离子注入。因此，与从一开始就将单导电性区域和相反导电性区域限定在各部中并且然后进行离子注入的常规情形相比，在形成光接收部时没有必要考虑偏移的注入位置的裕度。因此，能够在更宽范围内形成每个光接收面积。
参考附图阅读和理解下列详细描述时，本发明的这些和其它优点对本领域技术人员将会变得显而易见。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明的实施例1的固态图像捕获装置中的单元像素的结构原理的纵截面图。
图2是示出根据本发明的实施例2的CMOS图像传感器中具有两个像素共用的结构的固态图像捕获装置的单元像素的电路图。
图3是示意性地示出包括多个图2中的固态图像捕获装置的单元像素的示范性平面结构的平面图。
图4是示意性地示出图3的固态图像捕获装置的单元像素的沿线X-X′的截面图。
图5是对应于图4的固态图像捕获装置的单元像素中基本部分的截面位置的电势等高线图。
图6是对应于常规固态图像捕获装置的单元像素中基本部分的截面位置的电势等高线图，图6是与图5比较的参考实例。
图7是示出在图5中横轴位置X1中沿衬底的深度的电势的图。
图8是示意性地示出根据本发明的实施例3的CCD图像传感器中的固态图像捕获装置的单元像素的纵截面图。
图9是示出根据本发明的实施例4的电子信息装置的示范性基本结构的方块图。
图10是示意性地示出参考文献1中公开的常规CMOS图像传感器中的基本像素的示范性结构的纵截面图。
10、10A、10B  单元像素
1    单导电性衬底或单导电性层
2    低浓度相反导电性层
3    高浓度相反导电性层
4     元件隔离部
11、12、30  光电二极管
13、14      传输晶体管
13a、14a、38栅极
15    信号读出电路
16    选择晶体管
17    放大晶体管
18    复位晶体管
19    信号线
21、31    N型半导体衬底
22、32    低浓度P型阱
23、33    高浓度P型阱
24、34    低浓度N层
25、35    高浓度N层
26、36    用来隔离元件的高浓度P型层
26a、36a  STI
27、37    表面P+层
33a       电荷读出部
50        电子信息装置
51        固态图像捕获装置
52        信号处理部
53        存储器部
54        显示器部
55        通信部
FD        浮动扩散
TF        电荷传输部
具体实施例方式
在下文中，根据本发明的固态图像捕获装置的基本原理和所述固态图像捕获装置的制造方法将被描述为实施例1。其中根据本发明实施例1的固态图像捕获装置及其制造方法被应用到CMOS图像传感器的情形将被描述为实施例2。其中根据本发明实施例1的固态图像捕获装置及其制造方法被应用到CCD图像传感器的情形将被描述为实施例3。此外，利用根据实施例1到3固态图像捕获装置中的任何一个作为图像捕获部中的图像输入装置的电子信息装置将被描述为实施例4。将参考附图描述全部实施例。
在此，将简要描述CMOS图像传感器和CCD图像传感器的特性。
CMOS图像传感器类似于CCD图像传感器在于对应于像素的光电转换元件(光接收部)被二维地设置在CMOS图像传感器中。然而，不同于CCD图像传感器，CMOS图像传感器并不使用CCD来利用垂直传输部从每个光接收部传输信号电荷并且利用水平传输部沿水平方向从垂直传输部传输信号电荷。代替地，CMOS图像传感器类似存储器装置那样利用由铝线形成的选择控制线从每个像素的光接收部读出信号电荷并且将所述信号电荷转换成电压。随后，CMOS图像传感器连续从选择的像素读出根据转换的电压放大的成像信号。另一方面，CCD图像传感器需要多个正和负的电源电压来驱动CCD，而CMOS图像传感器能够利用单电源驱动它自己，与CCD图像传感器相比这实现了低电耗和低电压驱动。此外，因为使用独特的CCD制造工艺来制造CCD图像传感器，所以难以将通常用于CMOS电路的制造工艺直接应用到CCD图像传感器的制造方法。另一方面，CMOS图像传感器使用通常用于CMOS电路的制造工艺。因此，可以通过被频繁用来制造控制显示器的驱动器电路、控制图像捕获的驱动器电路、半导体存储器例如DRAM、以及逻辑电路的CMOS工艺同时形成逻辑电路、模拟电路和模数转换电路等。即，容易在其上形成了半导体存储器、控制显示器的驱动器电路、和控制图像捕获的驱动器电路的相同半导体芯片上形成CMOS图像传感器。另外，关于CMOS图像传感器的制造，CMOS图像传感器容易与半导体存储器、控制显示器的驱动器电路、和控制图像捕获的驱动器电路共用生产线。
(实施例1)
图1是示意性地示出根据本发明的实施例1的固态图像捕获装置中的单元像素的结构原理的纵截面图。
根据图1，在根据实施例1的固态图像捕获装置的单元像素10中的光接收部(光电转换部)中，低浓度相反导电性层2设置在单导电性衬底或单导电性层1上。在低浓度相反导电性层2上，设置具有比低浓度相反导电性层2的杂质浓度高的杂质浓度的高浓度相反导电性层3，并且通过单导电性层1和低浓度相反导电性层2的PN深入衬底内部形成光电二极管。
如上所述，通过在比高浓度相反导电性层3深的区域中提供具有比高浓度相反导电性层3的杂质浓度低的杂质浓度的低浓度相反导电性层2，即使下一代固态图像捕获装置的在其中进行光电转换的光接收部面积进一步被最小化，也可以扩大光接收部的体积。另外，从比高浓度相反导电性层3的底部深的低浓度相反导电性层2的区域不知道光电转换电子流到哪个方向，所述光电转换电子可以有效地从具有较低杂质浓度的低浓度相反导电性层2被汲取到高浓度相反导电性层3的将被积累的侧。
如上所述，低浓度相反导电性层2设置在高浓度相反导电性层3的底部使得能级(电势)的倾斜被设置得使光电转换电子从单导电性衬底或层1到低浓度相反导电性层2的PN结部平稳地流到高浓度相反导电性层3的侧。因此，能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(改善光电转换效率)，并且能够增加饱和容量(存储的电子的最大数目)，以及能够减少信号电荷对邻近像素的串扰。
在根据本发明的固态图像捕获装置的制造方法中，进行相反导电性杂质离子注入以在光接收部形成区域、整个图像捕获区域(整个多像素区域)、或多个沿行或列方向的带形多像素部(多像素区域)中形成高浓度相反导电性层3。此外，进行相同的相反导电性杂质离子注入以在整个图像捕获区域(整个多像素区域)或多个沿行或列方向的带形多像素部(多像素区域)中形成低浓度相反导电性层2。随后，进行用来隔离像素的单导电性杂质离子注入，通过单导电类型元件隔离部4隔离光接收部的周围，并且可以通过为光接收部限定各部来形成光接收部。因此，与从一开始就将光接收部的单导电性区域(元件隔离部)和相反导电性区域限定在各部中并且然后进行离子注入的常规方法相比，没有必要考虑在光接收部和元件隔离部4之间的离子注入位置的裕度。因此，能够在更宽范围内形成每个光接收部的每个光接收面积。
(实施例2)
图2是示出根据本发明的实施例2的CMOS图像传感器中具有两个像素共用的结构的固态图像捕获装置的单元像素的电路图。
根据图2，在根据实施例2的CMOS图像传感器中具有两个像素共用的结构的固态图像捕获装置中的单元像素部10A中，光电二极管11和12起两个光接收部的作用并且设置用来读出对应于相应光电二极管11和12的信号电荷的两个传输晶体管13和14，并且也为所述两个光电二极管和两个传输晶体管设置一个公共信号读出电路15。
读出电路15包括作为像素选择部的选择晶体管16，用来根据所选像素的浮动扩散FD的信号电荷电压放大信号、串联连接到选择晶体管16并且起信号放大部的作用的放大晶体管17，以及用来将浮动扩散FD的电势复位到预定电势的复位晶体管18。读出电路15将信号电荷从两个顶部和底部光电二极管11和12连续传输到浮动扩散FD以将电荷转换成电压。根据转换的信号电压，由选择晶体管16选择的像素中的放大晶体管17放大所述信号使得信号线19为每个像素连续读出所述信号作为图像捕获像素信号。随后，浮动扩散FD通过复位晶体管18被复位到电源电压Vdd的预定电势。
光电二极管11和12根据光的量进行光电转换以将入射光转换成信号电荷。起电荷传输部(传输栅极)的作用的传输晶体管13和14分别设置在相应的光电二极管11和12与浮动扩散FD之间。
电荷传输控制信号TX1和TX2通过用来传输电荷的电荷传输控制线被提供给相应传输晶体管13和14的栅极13a和14a，并且由光电二极管11和12光电转换的信号电荷(光电转换电子)被连续传输到浮动扩散FD。
放大晶体管17的栅极被连接到浮动扩散FD，并且串联的选择晶体管16和放大晶体管17被连接在电源线和信号线19之间。放大晶体管17具有源跟随器型放大器结构。另外，电源线通过复位晶体管18电连接到浮动扩散FD，并且浮动扩散FD的电势在读出到信号线19之后并且在信号电荷读出到浮动扩散FD之前被周期性地复位到电源电压Vdd的预定电势等。
图3是示意性地示出包括多个图2中的固态图像捕获装置的单元像素的示范性结构的平面图。图4是示意性地示出图3的固态图像捕获装置的单元像素的沿线X-X′的截面图。
根据图3和图4，在根据实施例1的固态图像捕获装置的每个像素部10A中，低浓度P型阱22设置在N型半导体衬底21的衬底部上。在正好在栅电极13之下的区域(沟道形成区域)中，设置包括上述的低浓度P型阱22的区域、和避免与光电二极管11接触的区域、具有比低浓度P型阱22高的浓度的P型层23。另外，在低浓度P型阱22和高浓度P型层23中的每个光接收区域中设置起低浓度相反导电性层的作用的低浓度N层24，并且设置起具有比低浓度N层24的杂质浓度高的杂质浓度的高浓度相反导电性层的作用的高浓度N层25。通过低浓度P型阱22和高浓度P型层23中的低浓度N层24和高浓度N层25形成起图2中描述的光电转换部的作用的光电二极管11。邻近于光电二极管11，在高浓度P型层23上设置用来传输信号电荷到浮动扩散FD的电荷传输晶体管的电荷传输部(晶体管沟道部)。
栅电极(栅极13a)通过栅绝缘膜(未示出)设置在浮动扩散FD和高浓度N层25之间的电荷传输部的高浓度P型层23上，所述栅电极(栅极13a)是平面图中覆盖矩形光电二极管11的一角的三角形引出电极(extraction electrode)(电荷传输电极)。此外，为每两个单元像素10A设置信号读出电路(未示出)，其中从光电二极管11被传输到浮动扩散FD的信号电荷被转换成电压并且根据转换的电压进行放大并且信号读出电路为每个像素读出成像信号。
另外，沿由起光接收部的作用的光电二极管11和12、栅极13a和14a以及在栅极13a和14a之间的浮动扩散FD形成的两个单元像素10A的区域的***以围绕的方式设置用来隔离元件并且具有比高浓度P型层23的杂质浓度高的杂质浓度的高浓度P型层26和STI 26a。
此外，在高浓度N层25上设置表面P+层27使得构成光电二极管11以防止暗电流的低浓度N层24和高浓度N层25将具有嵌入式结构。简而言之，通过表面P+层27、栅极13a和高浓度P型层26将低浓度N层24和高浓度N层25嵌入低浓度P型阱22和高浓度P型层23中。
上述的栅极13a和14a、多个电路布线例如上述信号读出电路(未示出)以及夹层绝缘膜交替设置。例如，浮动扩散FD通过接触28连接到上部布线并且上部布线连接到放大晶体管17的栅极。此外，在布线上，相应的R、G和B颜色的滤色器以对应的方式形成到相应的光接收部。此外，用来将光聚集到对应的光接收部的微型透镜设置在上面。
由光电二极管11和12光电转换的信号电荷被传输晶体管13和14从光电二极管11和12传输到浮动扩散FD，并且在此信号电荷从电荷被转换成电压。根据转换的电压，进行将被信号线19读出的信号放大。然而，即使通过多级注入将光电二极管11和12形成为甚至更深的高浓度N区域3，传输路径的势垒也不会降低，即使在衬底的深部分中施加预定的电荷传输电压，并且需要施加更高的电荷传输电压。因此，在不施加作为电荷传输电压的更高电压到栅极13a和14a的情况下难以读出电荷。相反，通过在比高浓度N层25更深的位置中设置低浓度N层24，耗尽层可以延伸到低浓度N层24下面，同时避免了高电压驱动并且电荷传输在有利的条件下进行。
图5是对应于图4的固态图像捕获装置的单元像素中基本部分的截面位置的电势结构图。图6是与图5比较的参考实例，并且是对应于常规固态图像捕获装置的单元像素中基本部分的截面位置的电势结构图。在图5和6中，纵轴(Z)表示衬底的深度，并且上端表示衬底的表面，以及横轴(X)表示沿衬底平面的方向，并且在相应图中的参考数字的位置对应于图4中部件的参考数字的位置。
如图5和6中所示，在根据实施例2的单元像素10A中，高浓度N层25是大约0.5μm深并且高浓度N层25的中心部分是大约0.3μm深。另一方面，低浓度N层24是至多约2μm深并且中心部分是1.0μm深。随后，因为在具有低浓度P型阱22的PN结部处的耗尽层从低浓度N层24的2μm的深度进一步延伸，所以在大约2μm到3μm深度中的光电转换电子可以积累在高浓度N层25中。
在图5和6中，-3到-4V的电势存在于深到并包括位置a并且N型电势强，其是电子容易存在的区域。-2到-3V的电势区域达到并包括位置b，-1到-2V的电势区域达到并包括位置c，0到-1V的电势区域达到并包括位置d，以及小于0V的电势区域达到并包括位置e。与图6的参考实例相比，根据实施例2，电势的倾斜由于低浓度N层24而深入存在于衬底的内部，并且可以认识到，电势的倾斜被设置使得光电转换电子平稳地流到低浓度P型阱22、低浓度N层24、和高浓度N层25的侧。在图7中示出电势的这种倾斜。
图7是示出在图5中横轴位置X1中沿衬底的深度的电势的图。
如图7中所示，与根据图5的实施例2的单元像素10A的情形相比，图6的常规参考实例的情形示出仅较浅的衬底深度中的光电转换电子可以积累到高浓度N层25的侧。然而，在根据图5的实施例2的单元像素10A的情形中，低浓度N层24设置在高浓度N层25的下面，以便图5中电势的轮廓可以被如此设置使得在电势中产生倾斜以便光电转换电子从高浓度N层25的侧的衬底深度的达到0.5μm的深衬底深度中的低浓度N层24的位置平稳地流动并且光电转换电子积累在高浓度N层25b侧上。
在此，在实施例2的CMOS图像传感器中具有两个像素共用的结构的固态图像捕获装置的单元像素部10A可以制造如下。关于单元像素10A，实际上在固态图像捕获装置的图像捕获区域中以二维矩阵设置了多个单元像素10A。在此，为简单起见，仅示出一个单元像素部10A。
首先，形成用来隔离元件的STI 26a。
在STI形成步骤中，通过热氧化N型半导体衬底21的表面上的例如n型硅来形成SiO2膜，所述N型半导体衬底21是n型硅衬底。在SiO2膜上，通过低压CVD形成SiN膜作为保护膜。此外，利用光刻技术在期望形成例如光电二极管部的像素区域上图案化光致抗蚀剂掩模。利用所述光致抗蚀剂掩模，对应于元件隔离区域的SiO2膜和SiN膜通过干法刻蚀被刻蚀并且被图案化。此外，利用SiN膜作为掩模刻蚀Si衬底以形成例如350nm深的沟槽凹槽。随后，为了除去由于刻蚀产生的表面缺陷层，通过在氧气氛中在850摄氏度氧化沟槽凹槽1a内部的表面部分来形成牺牲氧化膜。随后，所述牺牲氧化膜被除去。在形成凹槽沟槽时所述凹槽沟槽的表面部分是粗糙的。然而，通过氧化所述凹槽沟槽的内表面形成牺牲氧化膜，并且用氟除去所述牺牲氧化膜。结果，表面上的晶体缺陷被除去并且表面被净化。随后，通过CVD方法形成HDP膜作为嵌入沟槽凹槽的元件隔离绝缘膜。通过CMP方法抛光所述HDP膜以平面化衬底表面并且除去表面上的SiN膜3。通过元件隔离绝缘膜隔离光接收部区域的***。形成用来限定光接收部区域的STI26a。因为邻近的光接收部被稍后将描述的高浓度P型层电隔离，可以仅沿浮动扩散存在的方向(平面图中的左和右方向)形成STI，而不是在光接收部区域的四个边缘上形成STI。此外，HDP膜可以在形成高浓度P型层26后被嵌入沟槽凹槽中作为元件隔离绝缘膜。
然后，硼(B)作为P型杂质被注入由N型硅构成的N型半导体衬底21中达到预定的深度以形成低浓度P型阱22。此外，使用众所周知的光刻技术并且抗蚀剂图案被用作掩模，所述抗蚀剂图案包括将要形成栅电极13的区域和开口的区域而不包括光接收部区域，使得硼(B)被注入达到预定深度以在低浓度P型阱22或具有比低浓度P型阱22更高的浓度的高浓度P型层23上形成区域。
此外，形成浅侧上的高浓度N层25。
在高浓度N型杂质离子注入步骤中，使用众所周知的光刻技术并且使用抗蚀剂图案作为掩模，其中用来形成光接收部的区域被开口，离子注入杂质浓度为5×1016/cm3到1×1018/cm3的砷(As)以便形成浅侧上的高浓度N层25。在该情形下，在两个改变离子注入方向的倾斜度(七度)的步骤中形成高浓度N层25。首先，以远离稍后将形成的栅极13a的侧倾斜七度的离子注入方向在0.12到0.25μm的注入深度和1到2×1012/cm2的注入浓度下进行离子注入以在上部侧上形成高浓度N层。随后，以倾向稍后将形成的栅极13a的侧的离子注入方向(沿到达栅极13a下面的方向)在0.05到0.12μm的注入深度和2.5到4×1012/cm2的注入浓度下进行离子注入以在下部侧上形成高浓度N层。结果，在高浓度N层25中的所述两个下部高浓度N层和上部高浓度N层中形成具有从0到0.5μm变动的衬底深度的区域。上部高浓度N层形成得比下部高浓度N层更靠近浮动扩散FD中有源区域的端部，使得能够对信号电荷进行低压传输驱动。可以利用抗蚀剂图案作为掩模进行高浓度N型杂质离子注入步骤，在所述抗蚀剂图案中在整个多像素区域中或在多个沿行或列方向的带形多像素区域中(整个图像捕获区域或多个沿行或列方向的带形多像素部)的区域被开口。因为抗蚀剂处理容易，所以更优选这种情形。
此外，形成更深侧上的低浓度N层24。
在低浓度N型杂质离子注入步骤中，使用抗蚀剂图案作为掩模，其中在整个多像素区域中或在多个沿行或列方向的带形多像素区域中(整个图像捕获区域或多个沿行或列方向的带形多像素部)的区域被开口，比砷(As)轻的磷(P)以5×1015/cm3到5×1017/cm3的杂质浓度注入甚至更深的衬底深度中，以便形成更深侧上的低浓度N层24。在该情形下，在三个步骤中沿衬底深度方向形成低浓度N层24。首先，在0.7±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以0.3到3×1012/cm2的注入浓度进行第一离子注入以形成上部低浓度N层。随后，在1±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以0.2到1.5×1012/cm2的注入浓度进行第二离子注入以形成中间低浓度N层。此外，在1.4±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以0.5到3.5×1012/cm2的注入浓度进行第三离子注入以形成下部低浓度N层。结果，低浓度N层24由所述三个上部低浓度N层、中间低浓度N层和下部低浓度N层形成。结果，在图7的电势中，在不在所述电势中形成势垒或势阱的情况下形成平滑的倾斜使得光电转换电子从低浓度N层24平稳地流到高浓度N层25的侧并且所述光电转换电子被积累到高浓度N层25的侧。结果，能够利用低压进行电荷传输。另外，在从0到0.5μm变动的衬底深度中形成高浓度N层25，并且在形成高浓度N层25后通过尽可能深地扩大区域到衬底中的深位置来形成低浓度N层24。因为砷(As)具有比磷(P)大的质量，所以砷(As)难以移动并且因此容易控制所述区域。利用多步注入进行尽可能深的离子注入。通过该多步注入在这种条件下进行离子注入以使电势变平滑而在所述电势的中间没有电势聚集(build-up)。
随后，以这种方式形成高浓度P型层26作为元件隔离部使得STI26a沿平面宽度方向位于元件隔离的中心部。
在元件隔离步骤，利用抗蚀剂图案作为掩模，其中区域被选择性地开口以隔离光接收部区域的***，以5×1016/cm3到1×1019/cm3的杂质浓度注入P型杂质离子(B)(或铟In)，光接收部的***通过P型元件隔离区域隔离，并且光接收部区域的***被限定。在该情形下，在四个步骤中沿衬底深度方向进行对隔离元件的注入。首先，在0.7±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以2到6×1012/cm2的注入浓度进行第一离子注入。随后，在1±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以2到6×1012/cm2的注入浓度进行第二离子注入。此外，在1.4±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以2到6×1012/cm2的注入浓度进行第三离子注入并且然后在0.2±0.15μm的范围内的衬底深度的区域中以3到8×1012/cm2的注入浓度进行第三离子注入。由于该注入，P型杂质被注入N型区域以将N型区域变成P型区域。结果，没有必要考虑光接收部和元件隔离区域之间的离子注入的位置的裕度，并且可以在更宽的范围内形成每个光接收部中的光接收面积。
然后，形成用来传输电荷的栅电极(栅极13a)。
在通过众所周知的技术例如热氧化在衬底表面上形成栅绝缘膜(未示出)之后，在衬底部上形成导电性材料膜。此外，在其上面，抗蚀剂图案被用作掩模，其中包括低浓度N层24和高浓度N层25的光电二极管的区域以及浮动扩散FD的有源区域是开口的并且用来传输电荷的栅极区域被覆盖以保留所述区域，导电性材料膜被刻蚀，并且栅电极(栅极13a)被形成为预定形状作为电荷传输电极。
此外，形成表面P+层27。
在表面P型区域形成步骤中，为了形成嵌入式光电二极管，具有预定图案的抗蚀剂图案和栅电极(栅极13a)被用作掩模，并且以5×1012/cm3到3×1013/cm3的注入浓度将硼离子注入到构成光电二极管的高浓度N层25的表面中从0.01到0.05μm变动的深度。结果，形成具有1×1017/cm3到1×1019/cm3的杂质浓度的表面P+型区域。
此外，形成浮动扩散FD的有源区域。
使用抗蚀剂图案作为掩模，其中将成为浮动扩散FD的有源区域的区域是开口的，并且以1×1013到5×1015/cm2的注入浓度将砷(As)离子注入到从0.01到0.2μm变动的深度。结果，形成具有5×1016/cm3到1×1022/cm3的杂质浓度的浮动扩散FD的有源区域。
随后，执行布线形成，并且形成滤色器和微型透镜。
尽管在图中未示出，但是在栅电极(栅极13a)上交替形成多个金属布线部和夹层膜部之后，在光电二极管区域上形成相应的滤色器。此外，在形成平面化膜之后，以相应的方式将微型透镜形成到光电二极管区域。结果，可以制造CMOS型固态图像捕获装置。
根据具有上述结构的实施例2，在CMOS型固态图像捕获装置中低浓度N层24形成在高浓度N层25的下面。因此，即使在下一代中固态图像捕获装置的光接收部面积被最小化，也可以扩大光接收部的体积以确保信号电荷的数量。另外，即使在衬底的深区域也能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(改善光电转换效率)，并且能够增加饱和容量(存储的电子的最大数目)。此外，因为低浓度N层24形成在高浓度N层25的下面，在深衬底深度中的低浓度N层24中的电子流到高浓度N层25的侧并且将被积累，减少了信号电荷对邻近像素的常规串扰。
图8是示意性地示出根据本发明的实施例3的CCD图像传感器中的固态图像捕获装置的单元像素的纵截面图。
在图8中，在根据本实施例3的CCD图像传感器的每个单元像素10B中的N型半导体衬底31的衬底部上设置低浓度P型阱32。在低浓度P型阱32上设置具有比低浓度P型阱32高的浓度的P型层33。另外，在低浓度P型阱32和高浓度P型层33中为平面图中的每一个光接收部设置起低浓度相反导电性层的作用的低浓度N层34。在低浓度N层34上设置高浓度N层35，高浓度N层35起高浓度相反导电性层的作用并且具有比低浓度N层34高的杂质浓度。通过低浓度P型阱32中的低浓度N层34和高浓度N层35形成光电二极管30，所述光电二极管30起光电转换部的作用，所述光电转换部用来对入射光进行光电转换以生成信号电荷。通过P型层33设置用来将信号电荷传输到电荷传输部TF的电荷读出部33a(晶体管沟道部)，所述电荷读出部33a邻近于光电二极管30。
在电荷读出部33a上，栅极38通过栅绝缘膜(未示出)沿预定的方向连续设置，起用来读出信号电荷并且控制电荷传输的电荷传输电极的作用。尽管栅极38被设置在电荷读出部33a上，但是它可以被设置在电荷传输部TF和电荷读出部33a上以不仅起用来读出电荷的栅极的作用而且起垂直电荷传输栅极的作用。
此外，用来隔离元件的、具有比P型层33高的杂质浓度的高浓度P型层36沿包括作为光接收部的光电二极管30和栅极38的单元像素10B的区域设置以包围它，并且起元件隔离绝缘区域的作用的STI 36a沿宽度方向设置在高浓度P型层36的中心部。
此外，为了防止暗电流，用来使构成光电二极管30的低浓度N层34和高浓度N层35用作嵌入式结构的表面P+层37设置在高浓度N层35的上侧上。简而言之，通过表面P+层37、栅极38和高浓度P型层36将低浓度N层34和高浓度N层35嵌入到低浓度P型阱32和P型层33中。
根据实施例3的CCD图像传感器中的固态图像捕获装置的单元像素部10B可以被制造如下。注意，多个单元像素部10B实际上以二维矩阵的形式被设置在固态图像捕获装置的图像捕获区域中。在此，为了简单起见仅示出一个单元像素部10B。
首先，形成用来隔离元件的STI 36a。
在STI形成步骤中，通过热氧化N型半导体衬底21的表面的例如n型硅来形成SiO2膜，所述N型半导体衬底21是n型硅衬底。在SiO2膜上，通过低压CVD形成SiN膜作为保护膜。此外，利用光刻技术在期望形成例如光电二极管的像素区域上图案化光致抗蚀剂掩模。利用所述光致抗蚀剂掩模，对应于元件隔离区域的SiO2膜和SiN膜通过干法刻蚀被刻蚀并且被图案化。此外，利用SiN膜作为掩模刻蚀Si衬底以形成例如350nm深的沟槽凹槽。随后，为了除去由于刻蚀产生的表面缺陷层，通过在氧气氛中在850摄氏度氧化沟槽凹槽1a内部的表面部分来形成牺牲氧化膜。随后，所述牺牲氧化膜被除去。在形成凹槽沟槽时所述凹槽沟槽的表面部分是粗糙的。然而，通过氧化所述凹槽沟槽的内表面形成牺牲氧化膜，并且用氟除去所述牺牲氧化膜。结果，表面上的晶体缺陷被除去并且表面被净化。随后，通过CVD方法形成HDP膜作为嵌入沟槽凹槽的元件隔离绝缘膜。通过CMP方法抛光所述HDP膜以平面化衬底表面并且除去表面上的SiN膜3。通过元件隔离绝缘膜隔离光接收部区域的***。形成用来限定光接收部区域的STI 26a。另外，HDP膜可以在形成高浓度P型层36后被嵌入沟槽凹槽中作为元件隔离绝缘膜。
然后，硼(B)作为p型杂质被离子注入由n型硅构成的N型半导体衬底31中达到并包括预定的深度以形成低浓度P型阱32。此外，为了形成低浓度P型阱32上面的区域，硼(B)被离子注入达到并包括预定深度以形成具有比低浓度P型阱32更高的浓度的高浓度P型层33。
此外，形成浅侧上的高浓度N层35和电荷传输区域TF。
在高浓度N型杂质离子注入步骤中，使用众所周知的光刻技术并且使用抗蚀剂图案作为掩模，其中用来形成光接收部的区域是开口的，以5×1016/cm3到1×1018/cm3的杂质浓度离子注入砷(As)，以便形成浅侧上的高浓度N层25。在该情形下，在两个改变离子注入方向步骤中形成高浓度N层25。首先，以远离稍后将形成的栅极38的侧倾斜七度的离子注入方向在0.12到0.25μm的注入深度和1到2×1012/cm2的注入浓度下进行离子注入以在上部侧上形成高浓度N层。随后，以倾向稍后将形成的栅极38的侧的离子注入方向(沿到达电极下面的方向)在0.05到0.12μm的注入深度和2.5到4×1012/cm2的注入浓度下进行离子注入以在下部侧上形成高浓度N层。结果，在高浓度N层35中的所述两个下部高浓度N层和上部高浓度N层中形成具有从0到0.5μm变动的衬底深度的区域。上部高浓度N层形成得比下部高浓度N层更靠近电荷传输部TF中有源区域的端部的侧，使得能够对信号电荷进行低压传输驱动。可以利用抗蚀剂图案作为掩模进行高浓度N型杂质离子注入步骤，其中在整个多像素区域中或在多个沿行或列方向的带形多像素区域中(整个图像捕获区域或多个沿行或列方向的带形多像素部)的区域是开口的。因为抗蚀剂处理容易，所以更优选这种情形。
在该情形下，使用抗蚀剂图案作为掩模，所述抗蚀剂图案在多个沿行或列方向的带形区域中被选择性地开口，并且以1×1016/cm3到1×1018/cm3的杂质浓度注入砷(As)，以便同时形成电荷传输部TF。
此外，形成更深侧上的低浓度N层34。
在低浓度N型杂质离子注入步骤中，使用抗蚀剂图案作为掩模，其中在多个沿行或列方向的带形多像素部(多像素区域)中的区域是开口的，比砷(As)轻的磷(P)以5×1015/cm3到5×1017/cm3的杂质浓度被离子注入甚至更深的衬底深度，以便形成更深侧上的低浓度N层34。在该情形下，在三个步骤中沿衬底深度方向形成低浓度N层34。首先，在0.7±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以0.3到3×1012/cm2的注入浓度进行第一离子注入以形成上部低浓度N层。随后，在1±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以0.2到1.5×1012/cm2的注入浓度进行第二离子注入以形成中间低浓度N层。此外，在1.4±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以0.5到3.5×1012/cm2的注入浓度进行第三离子注入以形成下部低浓度N层。结果，低浓度N层34由所述三个上部低浓度N层、中间低浓度N层和下部低浓度N层形成。结果，类似于对在图7中的电势的解释，在不在所述电势中形成势垒或阱的情况下形成平滑的变化使得光电转换电子从低浓度N层34平稳地流到高浓度N层35的侧并且所述光电转换电子被积累到高浓度N层35的侧。
随后，以这种方式形成高浓度P型层36作为元件隔离部使得STI36a沿平面宽度方向位于元件隔离的中心部。
在元件隔离步骤中，利用抗蚀剂图案作为掩模，所述抗蚀剂图案选择性地开口以隔离光接收部区域的***，以5×1016/cm3到1×1019/cm3的杂质浓度离子注入P型杂质离子(B)(或铟In)，光接收部的***通过元件隔离区域隔离，并且光接收部区域的***被限定。在该情形下，在四个步骤中沿衬底深度方向进行对隔离元件的注入。首先，在0.7±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以2到6×1012/cm2的注入浓度进行第一离子注入。随后，在1±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以2到6×1012/cm2的注入浓度进行第二离子注入。此外，在1.4±0.1μm的范围内的衬底深度的区域中以2到6×1012/cm2的注入浓度进行第三离子注入并且然后在0.2±0.15μm的范围内的衬底深度的区域中以3到8×1012/cm2的注入浓度进行第三离子注入。由于该注入，P型杂质被注入N型区域中以将所述N型区域变成P型区域。作为推理的结果(as a result of a deduction)，P型杂质被注入N型区域中使得所述N型区域被变成P型区域。结果，没有必要考虑光接收部和元件隔离区域之间的离子注入的位置的裕度，并且可以在更宽的范围内形成每个光接收部中的光接收面积。
然后，形成用来读出电荷的栅电极(栅极38)。
在衬底部上形成导电性材料膜。此外，抗蚀剂图案被用作掩模，所述抗蚀剂图案在包括低浓度N层34和高浓度N层35的光电二极管的区域上开口并且覆盖用来传输电荷到电荷传输部TF的电荷读出部33a(晶体管沟道部)以保留所述区域，导电性材料膜被刻蚀，并且栅电极(栅极38)被形成为预定形状作为电荷传输电极。
此外，形成表面P+层37。
在表面P型区域形成步骤中，为了形成嵌入式光电二极管，抗蚀剂图案和栅电极(栅极38)被用作掩模，并且将硼离子注入构成光电二极管的高浓度N层35的表面中。结果，形成高浓度P+型区域。
随后，执行布线形成，并且形成滤色器和微型透镜。
尽管在图中未示出，但是交替形成多个金属布线部和夹层膜部之后，在光电二极管区域上形成滤色器。此外，在形成平面化膜之后，以相应的方式将微型透镜形成到光电二极管区域。结果，可以制造CCD型固态图像捕获装置。
根据具有上述结构的实施例3，在CCD型固态图像捕获装置中低浓度N层34形成在高浓度N层35的下面。因此，即使在下一代中固态图像捕获装置的光接收部面积被最小化，也可以扩大光接收部的体积以确保信号电荷的数量。另外，即使在衬底的深区域也能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(改善光电转换效率)，并且能够增加饱和容量(存储的电子的最大数目)。此外，因为低浓度N层34形成在高浓度N层35的下面，在深衬底深度中的低浓度N层34中的电子流到高浓度N层35的侧并且将被积累，减少了信号电荷对邻近像素的常规串扰。
(实施例4)
在本发明的实施例4中，以下将描述电子信息装置。电子信息装置，例如数字照相机(例如数字视频照相机和数字静物照相机)、图像输入照相机(例如监控照相机、门对讲***照相机、车安装的照相机、用于电视电话的照相机和用于蜂窝式电话的照相机)、扫描仪、传真机和装备有照相机的蜂窝式电话装置，具有装备有上述根据本发明的实施例1到3的固态图像捕获装置中的至少任何一个的图像捕获部作为图像输入装置。
根据本发明的实施例4的电子信息装置50包括：信号处理部52，所述信号处理部52用来处理通过利用上述在图像捕获部中使用的根据实施例1到3的固态图像捕获装置51中的任何一个而获得的图像捕获信号；存储器部53(例如记录介质)，所述存储器部53用来在对用来记录的图像数据进行预定的信号处理之后记录从信号处理部52获得的高质量图像数据；显示器部54(例如液晶显示器装置)，所述显示器部54用来在对用于显示的图像数据进行预定的信号处理后在显示屏(例如液晶显示屏)上显示从信号处理部52获得的高质量图像数据；以及通信部55(例如发送和接收装置)，所述通信部55用来在对用于通信的图像数据进行预定的信号处理后传送来自信号处理部52的高质量图像数据。另外，可以进一步包括用来打印(打出)和输出(印出)来自信号处理部52的高质量图像数据的图像输出部(未示出)，并且可以不包括通信部55。
根据上述实施例1到3，通过在用来进行光电转换的高浓度N层下面设置低浓度N层，即使光接收部的光接收区域被最小化，也可以将光接收部的体积扩大低浓度N层的尺寸。另外，从比高浓度N层深的低浓度N层的区域不知道光电转换电子流到哪个方向，例如哪个衬底方向，所述光电转换电子可以有效地从具有较低杂质浓度的低浓度N层流到将被积累的高浓度N层25的侧。因此，能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(改善光电转换效率)，并且能够减少信号电荷对邻近像素的串扰。
尽管已经关于N型半导体衬底21和31、低浓度P型阱22和32、高浓度P型层23和33、低浓度N层24和34、高浓度N层25和35、用来隔离元件的高浓度P型层26和36、以及表面P+层27和37描述了实施例2和3，但是它们的导电类型可以在P型和N型之间转换。即，它们也可以是P型半导体衬底21和31、低浓度N型阱22和32、高浓度N型层23和33、低浓度P层24和34、高浓度P层25和35、用来隔离元件的高浓度N型层26和36、以及表面N+层27和37。
根据实施例1到3，在两个步骤中为上部杂质区域和下部杂质区域进行高浓度N层的多步注入，并且上部杂质区域设置在离用来读出信号电荷的区域的距离比离下部杂质区域的距离短的位置中。在低浓度N层中，在三个步骤中为上部杂质区域、中间杂质区域和下部杂质区域进行用来深入地注入离子的多步注入。它并不限于此。可以在三个步骤或更多步骤中为上部杂质区域和上部杂质区域下面的下部杂质区域进行高浓度N层的多步注入，其中最上部的杂质区域设置在与其它下部杂质区域相比具有离用来读出信号电荷的区域最短的距离的位置中。另外，可以在两个步骤中为上部杂质区域和下部杂质区域进行用来深入低浓度N层中注入离子的多步注入，或可以在三个步骤或更多步骤中进行多步注入。
如上所述，通过优选实施例1到4的使用来举例说明了本发明。然而，不应只根据上述实施例1到4来解释本发明。要理解的是，本发明的范围应当只根据权利要求来解释。也要理解的是，本领域技术人员可以根据本发明和来自本发明的优选实施例1到4的详细描述的常识来实施技术的等效范围。此外，要理解的是，在本说明书中引用的任何专利、任何专利申请和任何参考文献应当以与其中所述内容被具体描述的相同方式并入本说明书中作为参考。
工业实用性
本发明可以应用于以下领域：具有多个二维设置的光接收部的固态图像捕获装置，所述多个光接收部用来对来自对象的图像光进行光电转换并且捕获所述对象的图像光；固态图像捕获装置的制造方法、以及电子信息装置，例如数字照相机(例如数字视频照相机和数字静物照相机)、图像输入照相机、扫描仪、传真机和装备有照相机的蜂窝式电话装置，固态图像捕获装置作为在电子信息装置的图像捕获部中使用的图像输入装置。在构成光接收部的高浓度相反导电性层下面形成具有比高浓度相反导电性层的杂质浓度低的杂质浓度的低浓度相反导电性层以便深入衬底内部形成光电二极管。因此，即使在下一代中固态图像捕获装置的光接收部面积被最小化，也可以扩大光接收部的体积以确保信号电荷的数量。另外，即使在衬底的深区域也能够改善灵敏度，包括绿色到红色的感色灵敏度(改善光电转换效率)，并且能够增加饱和容量(存储的电子的最大数目)。此外，因为低浓度相反导电性层形成在高浓度相反导电性层的下面，所以深入衬底中的低浓度相反导电性层的电子流到高浓度相反导电性层的侧并且聚集在一起，减小了信号电荷对邻近像素的串扰。
另外，全部一起进行杂质离子注入用来在整个多像素区域或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成高浓度相反导电性层和低浓度相反导电性层。随后，进行用来隔离像素的单导电性杂质离子注入。因此，与从一开始就将单导电性区域和相反导电性区域限定在各部中并且然后进行离子注入的常规情形相比，在形成光接收部时没有必要考虑偏移的注入位置的裕度。因此，能够在更宽范围内形成每个光接收面积。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，多种其它修改对本领域技术人员来说是显而易见的并且可以由本领域技术人员容易地实施。因此，所附权利要求的范围并不旨在局限于这里所阐述的具体实施方式，而是所述权利要求可以被广泛地解释。

Claims (31)

1.一种具有多个光接收部的固态图像捕获装置，所述多个光接收部用来对来自对象的图像光进行光电转换并且捕获来自对象的图像光，其中，在所述多个光接收部中，低浓度相反导电性层设置在单导电性衬底或单导电性层上，具有比低浓度相反导电性层更高的杂质浓度的高浓度相反导电性层设置在所述低浓度相反导电性层上，并且光电二极管包括所述单导电性衬底或单导电性层与所述低浓度相反导电性层的PN结。
2.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中沿衬底深度方向在所述高浓度相反导电性层下面添加低浓度相反导电性层以扩大光电转换区域的体积。
3.根据权利要求1或2的固态图像捕获装置，其中设置高浓度相反导电性层和低浓度相反导电性层使得电势倾斜以使光电转换电子从低浓度相反导电性层流到高浓度相反导电性层的侧。
4.根据权利要求1或2的固态图像捕获装置，其中所述高浓度相反导电性层设置在具有达到并且包括0.5μm的衬底深度的区域中。
5.根据权利要求4的固态图像捕获装置，其中所述低浓度相反导电性层设置在具有从大约0.5μm到2μm变动的衬底深度的区域中。
6.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中耗尽层在低浓度相反导电性层和单导电性衬底或单导电性层之间的PN结部处延伸到单导电性衬底或单导电性层的更深侧。
7.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中耗尽层在低浓度相反导电性层和单导电性衬底或单导电性层之间的PN结部处沿单导电性衬底或单导电性层的深度方向侧延伸2μm到3μm。
8.根据权利要求3的固态图像捕获装置，其中所述电势从高浓度相反导电性层的-3到-4V的电势向低浓度相反导电性层与单导电性衬底或单导电性层之间的PN结部的小于0V的电势连续地逐渐倾斜。
9.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中低浓度相反导电性层包括对在绿色光和红色光之间变动的波长进行光电转换的区域。
10.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中单导电性衬底或单导电性层是硅衬底或硅层，并且低浓度相反导电性层的厚度范围包括硅中从绿色到红色变动的光的吸收长度。
11.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中对所述高浓度相反导电性层进行多步注入。
12.根据权利要求11的固态图像捕获装置，其中在沿上部杂质区域和下部杂质区域的深度方向的两个步骤中、或在沿上部杂质区域、中间杂质区域和下部杂质区域的深度方向的三个步骤中进行所述多步注入，并且上部杂质区域设置在到读出信号电荷的区域的距离比到下部杂质区域的距离短的位置中。
13.根据权利要求12的固态图像捕获装置，其中通过改变具有预定角度的注入方向对上部杂质区域和比上部杂质区域低的杂质区域进行杂质离子注入。
14.根据权利要求12的固态图像捕获装置，其中高浓度相反导电性层的注入杂质具有比低浓度相反导电性层的注入杂质大的质量。
15.根据权利要求1或14的固态图像捕获装置，其中高浓度相反导电性层的注入杂质是砷(As)，并且低浓度相反导电性层的注入杂质是磷(P)。
16.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中对高浓度相反导电性层下面的低浓度相反导电性层进行多步注入以便更深地进行离子注入。
17.根据权利要求16的固态图像捕获装置，其中在沿上部杂质区域和下部杂质区域的深度方向的两个步骤中、或在沿上部杂质区域、中间杂质区域和下部杂质区域的深度方向的三个步骤中进行所述多步注入。
18.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其是CMOS固态图像捕获装置，其中所述多个光接收部二维地设置在图像捕获区域中，在信号电压转换部中读出在每个光接收部中被转换的信号电荷，并且为每个像素读出根据在信号电压转换部中被转换的信号电压放大的信号作为输出信号。
19.根据权利要求18的固态图像捕获装置，其中作为两个像素共用的结构，通常通过用于两个光接收部的浮动扩散和根据所述两个光接收部读出信号电荷的两个传输晶体管来设置一个信号读出电路。
20.根据权利要求19的固态图像捕获装置，其中信号读出电路包括用来在设置成矩阵的多个光接收部中选择预定的光接收部的选择晶体管；串联连接到所述选择晶体管的放大晶体管，所述放大晶体管用来根据信号电荷转换成的信号电压放大信号，所述信号电荷通过传输晶体管从选择的光接收部被传输到浮动扩散；以及用来在信号从放大晶体管输出后将浮动扩散的电势复位到预定电势的复位晶体管。
21.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其是CCD固态图像捕获装置，其中所述多个光接收部二维地设置在图像捕获区域中，并且在每个光接收部中的被光电转换的信号电荷被读出到电荷传输部并且沿预定方向被连续传输。
22.根据权利要求1的固态图像捕获装置，其中在相反导电性衬底或相反导电性层上，形成单导电性层作为具有被离子注入到预定深度的单导电性杂质的低浓度单导电性阱层。
23.一种用于固态图像捕获装置的制造方法，包括：
在光接收部形成区域、整个多像素区域、或多个沿行或列方向的带形多像素区域中形成高浓度相反导电性层的高浓度相反导电性杂质离子注入步骤；
在光接收部形成区域、整个多像素区域、或多个沿行或列方向的带形多像素区域中在高浓度相反导电性层的下面形成低浓度相反导电性层的低浓度相反导电性杂质离子注入步骤；以及
通过利用预定图案选择性地注入单导电性杂质离子来隔离光接收部的像素隔离步骤，所述像素隔离步骤在以该顺序或相反的顺序进行所述两个前面的步骤之后进行。
24.根据权利要求23的用于固态图像捕获装置的制造方法，其中高浓度相反导电性杂质离子注入步骤通过利用具有用于整个多像素区域、或所述多个沿行或列方向的带形多像素区域的开口的掩模离子注入具有第一杂质浓度的第一相反导电性杂质来形成高浓度杂质层。
25.根据权利要求23的用于固态图像捕获装置的制造方法，其中低浓度相反导电性杂质离子注入步骤通过利用具有用于整个多像素区域、或所述多个沿行或列方向的带形多像素区域的开口的掩模离子注入具有第一杂质浓度的第二相反导电性杂质来形成低浓度杂质层。
26.根据权利要求23的用于固态图像捕获装置的制造方法，其中像素隔离步骤通过利用具有开口的掩模选择性地离子注入单导电性杂质以隔离光接收部的***，并且利用元件隔离区域隔离光接收部的***以限定光接收部的区域的***。
27.根据权利要求23或26的用于固态图像捕获装置的制造方法，进一步包括STI步骤，作为高浓度相反导电性杂质离子注入步骤和低浓度相反导电性杂质离子注入步骤前面的步骤，所述STI步骤利用单导电性衬底或单导电性层上的绝缘材料来隔离光接收部的***。
28.根据权利要求27的用于固态图像捕获装置的制造方法，其中所述STI步骤包括：
形成隔离单导电性衬底或单导电性层上的光接收部的***的沟槽凹槽的沟槽凹槽形成步骤；
形成嵌入所述沟槽凹槽的元件隔离绝缘膜的步骤；以及
抛光形成的元件隔离绝缘膜以平面化衬底表面的步骤。
29.根据权利要求23的用于固态图像捕获装置的制造方法，进一步包括作为像素隔离步骤后面的步骤的、形成用来传输电荷的栅电极的栅电极形成步骤。
30.根据权利要求29的用于固态图像捕获装置的制造方法，进一步包括在高浓度相反导电性层的表面中离子注入单导电性杂质以形成表面单导电性区域的表面单导电性区域形成步骤。
31.一种利用根据权利要求1、2、6、7、9到14、以及16到22中的任一项的固态图像捕获装置作为图像捕获部中的图像输入装置的电子信息装置。
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