CN102208422A - 固体摄像器件、固体摄像器件制造方法以及电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了固体摄像器件、固体摄像器件制造方法以及电子装置。所述固体摄像器件包括多个单位像素，其中，所述多个单位像素均包括光电转换元件、第一传输门、电荷保持区域、第二传输门和浮动扩散区域；位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分具有在规定了预定电荷量的电位下形成的溢出通道结构，所述溢出通道将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；并且所述第一传输门设置有功函数不同的两个电极，这两个电极分别作为布置于所述溢出通道上方的栅极电极和布置于所述电荷保持区域上方的栅极电极。根据本发明的实施例，能够稳定地形成溢出势垒。
Description
相关申请的交叉参考
本申请包含与2010年3月31日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-080526所公开的内容相关的主题，因此将该日本优先权专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件、固体摄像器件制造方法以及电子装置，特别地，涉及能够稳定地形成溢出势垒(overflow barrier)的固体摄像器件、该固体摄像器件的制造方法以及安装有该固体摄像器件的电子装置。
背景技术
固体摄像器件包括例如互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器，该CMOS图像传感器通过MOS晶体管来读出累积在作为光电转换元件的光电二极管的pn结电容中的光电荷。
CMOS图像传感器进行这样的操作：它把累积在各像素或各行等中的光电二极管内的光电荷读出。因此，例如，所有像素中的用于累积光电荷的曝光期间不可能相互一致，并且当被拍摄物体移动时所拍摄的图像中会发生失真。
图1示出了单位像素的结构示例。
如图1所示，单位像素20A除了包括光电二极管(PD)21以外，还包括传输门24、浮动扩散区域(FD)25、复位晶体管26、放大晶体管27和选择晶体管28。
在单位像素20A中，光电二极管21例如是埋入型光电二极管，该埋入型光电二极管是通过将N型埋入层34埋入到形成于P型阱层32表面侧的P型层33中而形成的，上述P型阱层32形成在N型基板31上。P型阱层32形成在第二传输门24的下方。当第二传输门24处于断开状态时，电荷的移动受到电位势垒的阻碍。另一方面，当第二传输门24处于导通状态时，第二传输门24下方的电位势垒变低，由光电二极管21的pn结所累积的电荷被传输至浮动扩散区域25，并且浮动扩散区域25的电压的变化经过放大晶体管27后而被输出至信号线17。
如上所述，设有这种单位像素的CMOS图像传感器具有如下问题：当拍摄移动的被拍摄物体时，会发生图像失真。
机械快门***
使用机械遮光部的机械快门***被广泛作为实现全局曝光的方法之一，该全局曝光用于在同一曝光期间内对具有上述结构的单位像素20A的固体摄像器件中的所有像素进行摄像。全局曝光是这样进行的：所有像素同时开始曝光，并且所有像素同时结束曝光。
机械快门***通过机械地控制曝光期间使得所有像素中光入射到光电二极管21上的期间以及所有像素中产生的光电荷的期间彼此相同。在得到将机械快门关闭因而基本上没有光电荷被累积的状态之后，机械快门***依次读出信号。然而，由于该机械快门***需要机械遮光部，因而难以小型化，并且由于机械驱动速度受到局限，因此该机械快门***的同时性(simultaneity)比电气方法的同时性差。
设有存储部的像素结构
图2示出了包括有存储部(MEM)的CMOS图像传感器中的单位像素的结构示例。
如图2所示，单位像素20B包括与浮动扩散区域(FD)25分隔开的电荷保持区域(下文中称为“存储部(MEM)”)23。存储部23用于对埋入型光电二极管(PD)21中所累积的光电荷进行暂时保持。单位像素20B还包括用于将光电二极管(PD)21中所累积的光电荷传输至存储部23的第一传输门22。
在设有存储部23的单位像素20B中，由光电二极管(PD)21累积的光电荷一旦被传输给存储部23之后，上述光电荷随后便被继续传输给浮动扩散区域25，并进行读出操作。然而，由于第一传输门22和存储部23形成于同一像素内，因而光电二极管(PD)21中能够累积的电荷最大量有所减少。这样的CMOS图像传感器例如披露于作为专利文献1的日本专利特许公报第2006-311515号和作为专利文献2的日本专利特许公报第11-177076号中。
通过溢出通道使光电二极管与存储部一体化的像素结构
作为用于解决上述使用了存储部23的***中所出现的问题的方法，例如参见作为专利文献3的日本专利特许公报第2009-268083号(图19和图21)，本申请人在先提出过一种像素结构，在该像素结构中，当在光电二极管21与存储部23之间的电荷传输通道中形成电位势垒(一般称为溢出势垒)时，光电二极管21与存储部23以耗尽状态彼此连接。
图3示出了专利文献3中所提出的单位像素的结构示例。如图3所示，单位像素20C具有这样的结构：该结构中，通过在栅极电极22A下方且在光电二极管21与存储部23之间的边界部分中设置N型杂质扩散区域37来形成溢出通道30。
为了形成溢出通道30，需要使杂质扩散区域37处于低电位。可通过用N型杂质轻微地掺杂该杂质扩散区域37来形成该N型杂质扩散区域37。
图4是图3中单位像素20C的X方向(图3中的A-A′)电位图。图4的X方向电位图清楚地表明：通过在光电二极管21与存储部23之间的边界部分中设置有N型杂质扩散区域37，能使该边界部分的电位下降。电位发生下降的该部分成为了溢出通道30。光电二极管21中所产生的且超过了溢出通道30的电位的电荷会自动漏入存储部23并被累积在存储部23中。所产生的但未超过溢出通道30的电位的电荷则被累积在光电二极管21中。
因此，通过杂质浓度来控制溢出势垒的电位高度，并且溢出通道30用作中间电荷传输部。具体地，在多个单位像素全部都同时进行摄像操作的曝光期间内，作为中间电荷传输部的溢出通道30将如下电荷作为信号电荷而传输到存储部23中：在光电二极管21中经过光电转换后产生的并且超过了由溢出通道30的电位所规定的预定电荷量的电荷。
顺便提及地，在图3中，采用了通过设置N型杂质扩散区域37来形成溢出通道30的结构。然而，也可以采用如下的结构：该结构中，通过设置P型杂质扩散区域37来代替设置N型杂质扩散区域37，由此形成溢出通道30。
在图3的单位像素20C中，在光电二极管21与存储部23之间以耗尽状态形成的溢出通道30的溢出势垒的电位变化会影响固体摄像器件的性能。
具体地，溢出势垒的电位变化会影响最初读出的信号量与被保持在存储部23中之后然后被读出的信号量之比，因此，由于在输出图像特性方面的像素间差异或在所保持电荷的最大量方面的像素间差异因而影响了固体摄像器件的性能。
图5示出了图3的单位像素20C的一部分以及该部分的电位。如图5所示，通过轻微注入N型杂质形成了其中形成有溢出通道30的杂质扩散区域37。通过杂质扩散区域37中的杂质浓度来控制溢出势垒(overflow barrier，OFB)的电位高度。关于杂质注入方法，如图6所示，利用光致抗蚀剂50，注入形成溢出通道30用的离子(例如N型杂质)。
然而，当使用这种注入方法时，无法避免地会出现光致抗蚀剂50的宽度的变化或者光致抗蚀剂50的对准精度的变化。结果，由于在杂质扩散区域37的两侧均存在有N型杂质区域，因此作为溢出通道30的那部分的N型浓度不是恒定的而是变化的。
于是，如图6的溢出势垒电位图中清楚表明的那样，作为溢出通道30的那部分的N型浓度的变化表现为溢出势垒(OFB)的电位的变化，并且使固体摄像器件的特性劣化。
发明内容
鉴于上述情况而做出了本发明。本发明的目的是期望能够稳定地形成溢出势垒，该溢出势垒确定了累积在光电二极管中的以及流出至存储部中的预定电荷量。
本发明实施例提供了一种包括多个单位像素的固体摄像器件，其中，所述多个单位像素均包括：光电转换元件，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；第一传输门，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输；电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持通过所述第一传输门从所述光电转换元件传输来的所述电荷；第二传输门，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；以及浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出。位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分具有在规定了预定电荷量的电位下形成的溢出通道结构，所述溢出通道用于将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域。所述第一传输门设有功函数不同的两个电极，这两个电极分别作为布置于所述溢出通道上方的栅极电极和布置于所述电荷保持区域上方的栅极电极。
两个所述栅极电极中的位于所述溢出通道上方的那个栅极电极的功函数小于两个所述栅极电极中的位于所述电荷保持区域上方的另一个栅极电极的功函数。
两个所述栅极电极中的位于所述溢出通道上方的那个栅极电极是N型多晶硅，两个所述栅极电极中的位于所述电荷保持区域上方的另一个栅极电极是P型多晶硅。
所述N型多晶硅和所述P型多晶硅被绝缘层分离开。
位于所述溢出通道上方的所述栅极电极和位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极是处于同一层中的多晶硅结构，并且是通过注入不同杂质而被分离为所述N型多晶硅和所述P型多晶硅。
两个所述栅极电极中的位于所述溢出通道上方的那个栅极电极是由金属形成的电极，两个所述栅极电极中的位于所述电荷保持区域上方的另一个栅极电极是P型多晶硅。
两个所述栅极电极中的位于所述溢出通道上方的那个栅极电极是N型多晶硅，两个所述栅极电极中的位于所述电荷保持区域上方的另一个栅极电极是由金属形成的电极。
两个所述栅极电极中的位于所述溢出通道上方的那个栅极电极与两个所述栅极电极中的位于所述电荷保持区域上方的另一个栅极电极是由不同种类的金属形成的电极。
位于所述溢出通道上方的所述栅极电极和位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极每一者与同一布线连接。
本发明实施例提供了第一种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤：在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成第一传输门的第一栅极电极和第二传输门的栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成第二栅极电极，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出。
在本发明实施例的第一种固体摄像器件的制造方法中，在半导体基板中形成了电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成了第一传输门的第一栅极电极和第二传输门的栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成了第二栅极电极，所述第二栅极电极具有与所述第一栅极电极的功函数不同的功函数，所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及形成了所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出。
本发明实施例提供了第二种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤：在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成第一栅极电极和第二传输门，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出；以及将离子注入到要成为所述第一传输门的第一栅极电极的部分、要成为所述第一传输门的第二栅极电极的部分和要成为所述第二传输门的栅极电极的部分中，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二栅极电极具有与所述第一栅极电极的功函数不同的功函数，并且所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域。
所述离子注入步骤包括：在利用光致抗蚀剂进行图形化之后，将P型离子注入到要成为所述第一传输门的所述第一栅极电极的部分和要成为所述第二传输门的所述栅极电极的部分中，以及在利用光致抗蚀剂进行图形化之后，将N型离子注入到要成为所述第一传输门的所述第二栅极电极的部分中。
在第二种固体摄像器件的制造方法中，在半导体基板中形成了电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成了第一栅极电极和第二传输门，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成了所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出；以及将离子注入到要成为所述第一传输门的第一栅极电极、所述第一传输门的第二栅极电极和所述第二传输门的栅极电极的各个部分中，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二栅极电极具有与所述第一栅极电极的功函数不同的功函数，并且所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域。
本发明实施例提供了第三种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤：在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成第一传输门的第一栅极电极和第二传输门的栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出；在所述半导体基板上形成预定的层间绝缘膜；对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第二栅极电极，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，所述第二栅极电极要被设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第二栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠预定金属，随后除去不必要的金属层，由此形成所述第二栅极电极。
在第三种固体摄像器件的制造方法中，在半导体基板中形成了电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成了第一传输门的第一栅极电极和第二传输门的栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成了所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出；在所述半导体基板上形成了预定的层间绝缘膜；对所述层间绝缘膜进行了蚀刻，使得能够设置具有与所述第一栅极电极的功函数不同的功函数的第二栅极电极，所述第二栅极电极要被设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第二栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠预定金属，随后除去不必要的金属层，由此形成了所述第二栅极电极。
本发明实施例提供了第四种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤：在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成第二传输门的栅极电极，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出；在所述半导体基板上形成预定的层间绝缘膜；对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第一传输门的第一栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极会被设置在所述电荷保持区域的上方；在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第一栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠第一金属，随后除去不需要的金属层，由此形成所述第一栅极电极；对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第二栅极电极，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第二栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠与所述第一金属不同的第二金属，随后除去不必要的金属层，由此形成所述第二栅极电极。
在第四种固体摄像器件的制造方法中，在半导体基板中形成了电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；形成第二传输门的栅极电极，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出；在所述半导体基板上形成预定的层间绝缘膜；对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第一传输门的第一栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极会被设置在所述电荷保持区域的上方；在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第一栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠第一金属，随后除去不需要的金属层，由此形成所述第一栅极电极；对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置具有与所述第一栅极电极的功函数不同的功函数的第二栅极电极，所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第二栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠与所述第一金属不同的第二金属，随后除去不必要的金属层，由此形成所述第二栅极电极。
本发明实施例提供了一种安装有固体摄像器件的电子装置，其中，所述固体摄像器件包括多个单位像素，所述多个单位像素均包括：光电转换元件，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；第一传输门，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输；电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持通过所述第一传输门从所述光电转换元件传输来的所述电荷；第二传输门，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；以及浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，以便将通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而读出。位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分具有在规定了预定电荷量的电位下形成的溢出通道结构，所述溢出通道将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域。此外，所述第一传输门设有功函数不同的两个电极，这两个电极分别作为布置于所述溢出通道上方的栅极电极和布置于所述电荷保持区域上方的栅极电极。
根据本发明的实施例，能够稳定地形成溢出势垒。
附图说明
图1示出了现有的单位像素的结构。
图2示出了现有的单位像素的结构。
图3示出了现有的单位像素的结构。
图4是示出了图3中单位像素的X方向电位的电位图。
图5用于辅助说明现有的单位像素中的溢出势垒的电位。
图6是用于辅助说明杂质注入方法的图。
图7是示出了本发明实施例所适用的固体摄像器件的结构示例的框图。
图8示出了本发明实施例所适用的固体摄像器件的单位像素的一种结构。
图9是图8中的单位像素沿X方向的结构图。
图10A、图10B、图10C和图10D是用于说明图8中的单位像素的制造方法的图。
图11示出了本发明实施例所适用的固体摄像器件的单位像素的另一种结构。
图12A、图12B、图12C、图12D、图12E、图12F和图12G是用于辅助说明图11中的单位像素的制造方法的图。
图13示出了本发明实施例所适用的固体摄像器件的单位像素的又一种结构。
图14A、图14B、图14C、图14D、图14E、图14F、图14G和图14H是用于说明图13中的单位像素的制造方法的图。
图15是用于辅助说明图13中的单位像素的制造方法的图。
图16示出了本发明实施例所适用的固体摄像器件的单位像素的再一种结构。
图17A、图17B、图17C、图17D和图17E是用于辅助说明图16中的单位像素的制造方法的图。
图18是示出了本发明实施例所适用的电子装置的结构示例的框图。
具体实施方式
下面说明用于实施本发明的实施方案(下文中将这些方案称为实施例)。顺便提及地，将按照如下顺序进行说明。
1.第一实施例
2.第二实施例
3.第三实施例
4.第四实施例
5.变形例
1.第一实施例
固体摄像器件的结构示例
图7是示出了作为本发明实施例所适用的固体摄像器件的CMOS图像传感器的结构示例的框图。
CMOS图像传感器100包括像素阵列部111、垂直驱动部112、列处理部113、水平驱动部114和***控制部115。像素阵列部111、垂直驱动部112、列处理部113、水平驱动部114和***控制部115形成在图7中未图示的半导体基板(芯片)上。
在像素阵列部111中，以矩阵形式二维地布置有包括光电转换元件的单位像素(图5中的单位像素20C)，上述光电转换元件用于产生具有与入射光量对应的电荷量的光电荷(后面有时将光电荷简称为“电荷”)，并将该光电荷累积在该光电转换元件内。顺便提及地，在下文中，光电荷可简称为“电荷”，并且“单位像素”可简称为“像素”。
像素阵列部111还具有：沿着图7的水平方向(像素行中的像素的布置方向)形成的与呈矩阵形式布置的像素的各行对应的像素驱动线116，以及沿着图7的垂直方向(像素列中的像素的布置方向)形成的与呈矩阵形式布置的像素的各列对应的垂直信号线117。虽然图7示出了单条的像素驱动线116，但像素驱动线116不限于单条线。像素驱动线116的一端连接至垂直驱动部112的与各行对应的输出端。
CMOS图像传感器100还包括信号处理部118和数据存储部119。信号处理部118和数据存储部119可由设置在与CMOS图像传感器100独立的基板上的例如数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)等外部信号处理部来实现，或通过软件进行处理来实现，或者可以与CMOS图像传感器100安装在同一个基板上。
垂直驱动部112由移位寄存器或地址解码器等构成。垂直驱动部112例如是以对所有像素同时进行驱动的方式或者以行为单位进行驱动的方式对像素阵列部111的各像素进行驱动的像素驱动部。虽然并未示出垂直驱动部112的具体结构，但垂直驱动部112一般具有两个扫描***，即，读出扫描***和清除扫描***。
读出扫描***以行为单位依次选择并扫描像素阵列部111的单位像素，由此从单位像素中读出信号。清除扫描***对将要被读出扫描***执行读出扫描的读出行进行清除扫描，该清除扫描比读出扫描提前与快门速度对应的时间。
通过清除扫描***进行的清除扫描，将不必要的电荷从读出行的单位像素的光电转换元件中清除(复位所述光电转换元件)。于是，通过清除扫描***对不必要的电荷进行的清除(复位)，来进行所谓的电子快门操作。在此情况下的电子快门操作是指排出光电转换元件中的光电荷并开始新曝光(开始累积光电荷)的操作。
通过读出扫描***进行的读出操作而读出的信号对应于在上一次读出操作或电子快门操作之后入射的光量。从上一次进行读出操作的读出时刻或从进行电子快门操作的清除时刻到这一次进行读出操作的读出时刻之间的期间是单位像素中的光电荷的累积时间(曝光时间)。
通过各条垂直信号线117把从被垂直驱动部112选择并扫描的像素行中的各个单位像素输出的像素信号提供给列处理部113。针对像素阵列部111的各像素列，列处理部113对通过垂直信号线117从被选择行的各个单位像素输出的像素信号进行预定的信号处理，并且暂时保持着经过该信号处理之后的像素信号。
具体地，列处理部113至少进行噪声除去处理(例如相关双采样(Correlated Double Sampling，CDS)处理)等信号处理。列处理部113的CDS处理除去了复位噪声、像素所固有的例如放大晶体管阈值变化等固定模式噪声等。除了具有噪声除去处理功能以外，列处理部113还能够设置有例如模拟数字(Analog-to-Digital，AD)转换功能，从而将信号电平作为数字信号输出。
水平驱动部114是由移位寄存器或地址解码器等构成的。水平驱动部114依次选择与列处理部113的像素列对应的单位电路。在列处理部113中经过信号处理后的像素信号通过水平驱动部114的选择和扫描而被依次输出给信号处理部118。
***控制部115由用于产生各种时序信号的时序发生器等形成。***控制部115例如基于由时序发生器产生的各种时序信号对垂直驱动部112、列处理部113和水平驱动部114进行驱动控制。
信号处理部118至少具有相加处理功能。信号处理部118对从列处理部113输出的像素信号进行诸例如相加处理等各种信号处理。在信号处理部118进行信号处理时，数据存储部119暂时存储当信号处理部118进行信号处理时所必需的数据。
单位像素的结构
下面将说明图7中以矩阵形式布置在像素阵列部111中的单位像素120的具体结构。单位像素120具有这样的像素结构：该结构中，如前所述的光电二极管和存储部通过溢出通道而彼此集成在一起。在各实施例中，将单位像素120A～120D的结构(第一实施例至第四实施例)作为单位像素120的示例进行说明。在第一实施例中，将会说明单位像素120A。
图8示出了单位像素120A的结构。
单位像素120A具有作为光电转换元件的例如光电二极管(PD)121。光电二极管121例如是埋入型光电二极管，它是通过将N型埋入层134埋入到形成于P型阱层132的基板表面侧处的P型层133中而形成的，其中P型阱层132形成在N型基板131上。
单位像素120A除了具有光电二极管121以外，还具有第一传输门122、存储部(MEM)123、第二传输门124和浮动扩散区域(FD)125。顺便提及地，存储部123和浮动扩散区域125被遮光。
当向栅极电极122A和栅极电极122B施加传输脉冲TRX时，第一传输门就传输经过光电二极管121光电转换后而得到的且累积在光电二极管121中的电荷。
具体地，栅极电极122A由P型多晶硅(polycrystalline silicon；polycrystalline Si；Poly-Si)形成，并且设置在存储部123的上方。另一方面，栅极电极122B由N型多晶硅(Poly-Si)形成，并且设置在作为形成于光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分中的溢出通道130的那部分的上方。顺便提及地，即使当栅极电极122B被布置为具有与作为溢出通道130的那部分以外的光电二极管121或存储部123重叠的某个重叠部分时，也没有问题。
栅极电极122A和栅极电极122B各自的Poly-Si(多晶硅)部分被绝缘膜(绝缘层)分隔开，但都与同一条布线(TRX)电连接。形成栅极电极122A用的P型Poly-Si和形成栅极电极122B用的N型Poly-Si被氧化物膜隔离开。
存储部123由在栅极电极122A下方形成的N型埋入式沟道135构成。存储部123累积通过第一传输门122从光电二极管121传输来的电荷。顺便提及地，存储部123被形成为具有这样的杂质浓度：当通过第二传输门124传输(排出)电荷时，该杂质浓度处于耗尽状态。
在单位像素120A中，在形成于N型基板131上的P型阱层132的内部，光电二极管121和存储部123被形成为N型杂质扩散区域。例如，当在此情况下P型阱层132的P型杂质浓度为1×1015(cm-3)时，光电二极管121和存储部123被形成得具有当排出电荷时会处于耗尽状态的N型杂质浓度，例如浓度约为1×1016(cm-3)～1×1017(cm-3)。另外，形成于光电二极管121的基板表面侧上的P型层133被形成得具有例如约1×1017(cm-3)～1×1019(cm-3)的杂质浓度。
第二传输门124形成在存储部(MEM)123与浮动扩散区域(FD)125之间。当向栅极电极124A施加传输脉冲TRG时，第二传输门124就对累积在存储部123中的电荷进行传输。浮动扩散区域125是由N型层形成的电荷电压转换部。浮动扩散区域125将通过第二传输门124从存储部123传输来的电荷转换成电压。
图9是图8中的单位像素120A的沿X方向的结构图。
如图9所示，在形成有存储部123的存储区域(MEM)上覆盖有由P型Poly-Si制成的栅极电极122A。另一方面，在由N型Poly-Si制成的栅极电极122B的下方有P型阱层132。溢出势垒(OFB)可由栅极电极122A的P型Poly-Si的功函数与栅极电极122B的N型Poly-Si的功函数之差形成。
仍参照图8的说明，单位像素120A还包括复位晶体管126、放大晶体管127和选择晶体管128。在图8的示例中，使用N沟道MOS晶体管作为复位晶体管126、放大晶体管127和选择晶体管128。然而，图8所示出的复位晶体管126、放大晶体管127和选择晶体管128的导电类型的组合仅仅是一个示例，而不限于这些导电类型的组合。
复位晶体管126被连接在电源VDB与浮动扩散区域125之间。当向复位晶体管126的栅极电极施加复位脉冲RST时，复位晶体管126将浮动扩散区域125复位。放大晶体管127的漏极电极连接至电源VDO，而放大晶体管127的栅极电极连接至浮动扩散区域125。放大晶体管127读出浮动扩散区域125的电压。
例如，选择晶体管128的漏极电极连接至放大晶体管127的源极电极，并且选择晶体管128的源极电极连接至垂直信号线117。当向选择晶体管128的栅极电极施加选择脉冲SEL时，选择晶体管128选择要被读出像素信号的单位像素120。顺便提及地，也可将选择晶体管128连接在电源VDO与放大晶体管127的漏极电极之间。
顺便提及地，取决于像素信号的读出方法，也可以省略复位晶体管126、放大晶体管127和选择晶体管128中的一个或多个，或者可以让多个像素共用复位晶体管126、放大晶体管127和选择晶体管128中的一个或多个。
单位像素120A还包括用于把累积在光电二极管121中的电荷排出的电荷排出部(未图示)。在曝光开始时，当向上述电荷排出部的栅极电极施加控制脉冲ABG时，该电荷排出部将光电二极管121的电荷排出至由N型层形成的漏极部。电荷排出部用来防止在曝光结束后的读出期间中当光电二极管121饱和时发生电荷溢出。所述漏极部被施加预定电压VDA。
存储部上方的各栅极电极的电位
下面对作为电荷保持区域的存储部123上方的各栅极电极，即第一传输门122的栅极电极122A和栅极电极122B的电位进行说明。
当向栅极电极122A和栅极电极122B施加传输脉冲TRX时，由于形成栅极电极122B用的N型Poly-Si的功函数小于形成栅极电极122A用的P型Poly-Si的功函数，所以作为溢出通道130的那部分的电位下降。也就是说，当向栅极电极122A和栅极电极122B施加同一电压(传输脉冲TRX)时，向栅极电极122B侧施加了例如约为1V的偏压。于是，就电位方面而言，是从上侧施加了偏移电压(offset voltage)。因此，形成在栅极电极122B下方的P型阱层132的电位下降，由此形成了溢出通道130。
换言之，当栅极电极122B设置在P型阱层132的上方，并且向栅极电极122A和栅极电极122B施加传输脉冲TRX时，通过栅极电极122A与栅极电极122B间的偏移对P型阱层132进行调节。也就是说，通过向栅极电极122A和栅极电极122B施加传输脉冲TRX，使由位于光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分中的P型阱层132形成的溢出势垒(OFB)的电位加深，由此形成了溢出通道130。
顺便提及地，当通过控制溢出势垒(OFB)的电位高度而形成溢出通道130时，施加例如0V或负电位作为传输脉冲TRX。
制造工序
下面参照图10A～图10D来说明图8中的单位像素120A的制造工序。
首先，如图10A所示，进行离子注入处理，从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成作为N型区域的存储部(MEM)123。这时形成的存储部123的N型杂质浓度是前文所述的浓度。
接着，如图10B所示，进行热氧化处理从而形成氧化硅膜(Si氧化物膜)，随后形成Poly-Si膜并进行图形化处理，由此形成第一传输门122的栅极电极122A和第二传输门124的栅极电极124A。然而，在上述图形化处理之前，进行离子注入处理使栅极电极122A和栅极电极124A形成得具有P型杂质浓度。这样，由P型Poly-Si制成的栅极电极122A设置在存储部123的上方。
顺便提及地，在本制造工序的示例中，已经说明的是在图形化之前进行离子注入的示例。然而，也可以在制造工序的最后阶段利用光掩模将离子仅注入至栅极电极122A中。另一方面，关于栅极电极124A，栅极电极124A可以与栅极电极122A同时形成为P型，或者可以在形成栅极电极124A之后通过离子注入将栅极电极124A形成为N型。
然后，如图10C所示，进行热氧化处理或层叠处理以形成氧化硅膜，随后通过再次形成Poly-Si膜并进行蚀刻以获得所需图形，由此形成栅极电极122B。于是，由N型Poly-Si制成的栅极电极122B设置在作为溢出通道130的那部分的上方。
最后，如图10D所示，进行离子注入处理从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成光电二极管(PD)121和浮动扩散区域(FD)125。这时形成的光电二极管121的杂质浓度是前文所述的浓度。随后，经过诸如杂质活化用的热处理等预定的已知制造工序，能够获得具有图8所示的单位像素120A的CMOS图像传感器100。
如上所述，在第一实施例中，由P型Poly-Si制成的栅极电极122A和由N型Poly-Si制成的栅极电极122B被设置为具有不同功函数的栅极电极(这两个栅极电极分别设置在存储部123的上方和溢出通道130的上方)。上述两个栅极电极间的偏移使光电二极管121与存储部123之间的边界部分中的P型阱层132的电位下降，由此形成溢出通道130。
因此，不是通过在作为溢出通道130的部分中设置杂质扩散区域而是能够通过设置有多个栅极电极来形成溢出通道130。因此，能够稳定地形成溢出势垒(中间溢出势垒)。另外，由于两个栅极电极间的偏移使电位下降，与通过杂质浓度来控制溢出势垒的电位高度的情况相比，能够更有力地控制电位。
顺便提及地，在图8及图10A～图10D的说明中，栅极电极122B具有跨越到栅极电极122A上方的结构。然而，栅极电极122B不是必需具有这样的结构。只要栅极电极122B被设置在光电二极管121与存储部123之间的边界部分中就足够了。另外，图8的单位像素120A中，形成杂质扩散区域和栅极电极用的P型导体和N型导体可以互换。
2.第二实施例
单位像素的结构
下面参照图11来说明本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处在于：第一实施例中由多晶硅形成的两个栅极电极中的一者在第二实施例中是由金属形成的。
图11示出了单位像素120B的结构。顺便提及地，在图11中，与图8中相对应的构成部分由相同的附图标记表示，并适当地省略对它们的说明。
在单位像素120B中，在P型阱层132上形成有层间绝缘膜140，由P型Poly-Si(多晶硅)制成的栅极电极122A形成在存储部123的上方。另外，在光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分中作为溢出通道130的那部分的上方形成有层叠在栅极绝缘膜122D上的金属性栅极电极122C。
具体地，在单位像素120B中，形成栅极电极122A以后，形成层间绝缘膜140，蚀刻掉层间绝缘膜140的将要在其下方形成溢出通道130的部分，在层间绝缘膜140的该部分中层叠栅极绝缘膜122D和金属性栅极电极122C，随后通过化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)除去栅极绝缘膜122D及金属性栅极电极122C的上部，由此形成了栅极电极。上述工序被称为镶嵌工艺。将会在图12A～图12G所示的单位像素120B的制造工序部分中对该工序的细节进行说明。
金属性栅极电极122C例如由下列材料形成：选自由铪(Hf)和钽(Ta)等组成的组中的金属；包含这些金属的合金；或者包含这些金属的化合物。金属性栅极电极122C的功函数接近N型Poly-Si的功函数。具体地，作为金属性栅极电极122C，具有4.6eV以下的功函数的材料或者优选具有4.3eV以下的功函数的材料是适合的。特别地，期望使用HfSix作为金属性栅极电极122C。
使用氧化硅膜或诸如氧化铪(HfO2)等高介电常数绝缘膜等作为栅极绝缘膜122D。
在如上所述形成的单位像素120B中，当向栅极电极122A和金属性栅极电极122C施加传输脉冲TRX时，由于金属性栅极电极122C(例如HfSix)的功函数小于栅极电极122A(P型Poly-Si)的功函数，因而作为溢出通道130的那部分的电位下降。
制造工序
下面参照图12A～图12G来说明图11所示的单位像素120B的制造工序。
首先，如图12A所示，进行离子注入处理，从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成作为N型区域的存储部(MEM)123。
接着，如图12B所示，通过热氧化处理形成氧化硅膜，随后形成Poly-Si膜并进行图形化处理，由此形成第一传输门122的栅极电极122A和第二传输门124的栅极电极124A。然而，在上述图形化处理之前，进行离子注入处理使栅极电极122A和栅极电极124A形成得具有P型杂质浓度。于是，由P型Poly-Si制成的栅极电极122A设置在存储部123的上方。
顺便提及地，在本制造工序的示例中，已经说明的是在图形化之前进行离子注入的示例。然而，也可以在制造工序的最后阶段使用光掩模将离子仅注入至栅极电极122A中。另一方面，关于栅极电极124A，栅极电极124A可以与栅极电极122A同时形成为P型，或者可以在形成栅极电极124A之后通过离子注入将该栅极电极124A形成为N型。
接下来，如图12C所示，进行离子注入处理从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成光电二极管(PD)121和浮动扩散区域(FD)125。通过热处理使杂质活化。
随后，如图12D所示，在形成了光电二极管(PD)121、第一传输门122的栅极电极122A、存储部(MEM)123、第二传输门124和浮动扩散区域(FD)125以后，在P型阱层132的表面侧上形成层间绝缘膜140。然后，如图12E所示，通过光刻处理和干式蚀刻处理，蚀刻掉层间绝缘膜140的如下一部分：这一部分位于光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分上方且将要在这一部分中形成栅极电极。
然后，如图12F所述，在上述的通过蚀刻而被处理成预定形状的这一部分上，沉积由氧化硅膜或高介电常数绝缘膜形成的栅极绝缘膜122D，然后再层叠由HfSix等制成的金属性栅极电极122C。随后，通过化学机械研磨处理，进行用于除去金属性栅极电极122C及栅极绝缘膜122D上部中的不必要金属层的镶嵌工艺。由此形成了如图12G所示的层叠在栅极绝缘膜122D上的金属性栅极电极122C。于是，由HfSix等制成的金属性栅极电极122C设置在作为溢出通道130的那部分的上方。
随后，经过预定的已知制造工序，能够获得具有图11所示的单位像素120B的CMOS图像传感器100。
如上所述，在第二实施例中，由P型Poly-Si制成的栅极电极122A和由相当于N型Poly-Si的金属(例如HfSix)制成的金属性栅极电极122C被设置为具有不同功函数的栅极电极(这两个栅极电极分别设置在存储部123的上方和溢出通道130的上方)。上述两个栅极电极间的偏移使光电二极管121与存储部123之间的边界部分中的P型阱层132的电位下降，从而形成了溢出通道130。
顺便提及地，图11的单位像素120B中形成杂质扩散区域和栅极电极用的P型导体和N型导体可以互换。当图11的单位像素120B中形成杂质扩散区域和栅极电极用的P型导体和N型导体互换时，金属电极所需的功函数也变得与前述相反。
3.第三实施例
单位像素的结构
下面参照图13来说明本发明的第三实施例。第三实施例与第一实施例的区别在于：第一实施例中由多晶硅形成的两个栅极电极在第三实施例中均由金属形成。
图13示出了单位像素120C的结构。顺便提及地，在图13中，与图8和图11中相对应的部分由相同的附图标记表示，并适当地省略对它们的说明。
在单位像素120C中，在P型阱层132上形成有层间绝缘膜140，而层叠于栅极绝缘膜122F上的金属性栅极电极122E形成在存储部123的上方，层叠于栅极绝缘膜122D上的金属性栅极电极122C形成在作为溢出通道130的那部分的上方。
金属性栅极电极122E例如由下列材料形成：选自由钛(Ti)、钼(Mo)和钌(Ru)等组成的组中的金属；包含这些金属的合金；或者包含这些金属的化合物。金属性栅极电极122E的功函数接近P型Poly-Si的功函数。具体地，作为金属性栅极电极122E，具有4.6eV以上的功函数的材料或者优选具有4.9eV以上的功函数的材料是适合的。特别地，期望使用氮化钛(TiN)或钌(Ru)作为金属性栅极电极122E。
使用氧化硅膜或者高介电常数绝缘膜作为栅极绝缘膜122F。
在如上所述形成的单位像素120C中，当向金属性栅极电极122E和金属性栅极电极122C施加传输脉冲TRX时，由于金属性栅极电极122C(例如HfSix)的功函数小于金属性栅极电极122E(例如氮化钛(TiN)等)的功函数，因而作为溢出通道130的那部分的电位下降。
制造工序
下面参照图14A～图14H以及图15来说明图13所示的单位像素120C的制造工序。
首先，如图14A所示，进行离子注入处理，从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成作为N型区域的存储部(MEM)123。
接着，如图14B所示，通过热氧化处理形成氧化硅膜，随后形成Poly-Si膜并进行图形化处理，由此形成了第二传输门124的栅极电极124A。然后，如图14C所示，进行离子注入处理，从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成光电二极管(PD)121和浮动扩散区域(FD)125。通过热处理使杂质活化。
随后，如图14D所示，在形成了光电二极管(PD)121、存储部(MEM)123、第二传输门124和浮动扩散区域(FD)125以后，在P型阱层132的表面侧上形成层间绝缘膜140。然后，如图14E所示，通过光刻处理和干式蚀刻处理，蚀刻掉层间绝缘膜140的如下一部分：这一部分位于存储部(MEM)123上方且要在这一部分中形成栅极电极。
接着，如图14F所示，在上述的通过蚀刻而被处理成预定形状的这一部分上，沉积由氧化硅膜或高介电常数绝缘膜形成的栅极绝缘膜122F，然后层叠由氮化钛(TiN)等制成的金属性栅极电极122E。然后，通过执行镶嵌工艺从而形成图14G所示的层叠在栅极绝缘膜122F上的金属性栅极电极122E。于是，由氮化钛(TiN)等制成的金属性栅极电极122E设置在存储部123的上方。另外，如图14H所示，蚀刻掉层间绝缘膜140的如下部分：这部分位于光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分的上方且将要在该部分中形成栅极电极。然后，如图12F所示，沉积由氧化硅膜或高介电常数绝缘膜形成的栅极绝缘膜122D，然后层叠由HfSix制成的金属性栅极电极122C，并执行镶嵌工艺。于是，如图15所示，由HfSix等制成的金属性栅极电极122C设置在作为溢出通道130的那部分的上方。
随后，经过预定的已知制造工序，能够获得具有图13所示的单位像素120C的CMOS图像传感器100。
4.第四实施例
单位像素的结构
下面参照图16来说明本发明的第四实施例。第四实施例与第一实施例的区别在于：在离子注入过程中形成P型Poly-Si和N型Poly-Si。
图16示出了单位像素120D的结构。顺便提及地，在图16中，与图8中相对应的部分由相同的附图标记表示，并适当地省略对它们的说明。
在单位像素120D中，由P型Poly-Si(多晶硅)制成的栅极电极122A形成在存储部123上方。另外，在光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分中作为溢出通道130的那部分的上方，形成有由N型Poly-Si(多晶硅)制成的栅极电极122B。
具体地，在单位像素120D中，在存储部123的上方形成了由Poly-Si制成的第一传输门122，随后通过离子注入法，形成由P型Poly-Si制成的栅极电极122A和由N型Poly-Si制成的栅极电极122B。当由此形成上述各栅极电极时，P型杂质和N型杂质在由Poly-Si制成的第一传输门122内扩散，并由此形成了过渡部分。然而，因为是在单个工序中完成了栅极形成过程，所以能够减少工序。顺便提及地，将会在图17A～图17E中所示的单位像素120D的制造工序部分中对该工序的细节进行说明。
在如上所述形成的单位像素120D中，当向栅极电极122A和栅极电极122B施加传输脉冲TRX时，由于栅极电极122B(N型Poly-Si)的功函数小于栅极电极122A(P型Poly-Si)的功函数，因而作为溢出通道130的那部分的电位下降。
制造工序
下面参照图17A～图17E来说明图16所示的单位像素120D的制造工序。
首先，如图17A所示，进行离子注入处理，从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成作为N型区域的存储部(MEM)123。
接着，如图17B所示，进行热氧化处理以形成氧化硅膜，随后形成Poly-Si膜并进行图形化处理，由此形成了第一传输门122和第二传输门124。另外，进行离子注入处理，从而在形成于N型基板131上的P型阱层132中形成光电二极管(PD)121和浮动扩散区域(FD)125。
随后，如图17C所示，对光致抗蚀剂150进行图形化，然后将P型离子(例如硼等)注入到将要成为第一传输门122的栅极电极122A的部分和将要成为第二传输门124的栅极电极124A的部分中。另外，如图17D所示，对光致抗蚀剂150进行图形化，然后将N型离子(例如磷等)注入到将要成为第一传输门122的栅极电极122B的部分中。
最后，进行热处理以使杂质活化。于是，如图17E所示，由P型Poly-Si制成的栅极电极122A设置在存储部123上方，而由N型Poly-Si制成的栅极电极122B设置在作为溢出通道130的那部分的上方。
随后，经过预定的已知制造工序，能够获得具有图16所示的单位像素120D的CMOS图像传感器100。
如上所述，在第四实施例中，由P型Poly-Si制成的栅极电极122A和由N型Poly-Si制成的栅极电极122B被设置为具有不同功函数的栅极电极(该两个栅极电极分别设置在存储部123的上方和溢出通道130的上方)。该两个栅极电极间的偏移使光电二极管121与存储部123之间的边界部分中的P型阱层132的电位下降，从而形成了溢出通道130。
另外，由于第一传输门122中的P型区域和N型区域仅仅是通过杂质注入而彼此分离，这便简化了第四实施例的制造工序。然而，由于在在P型区域与N型区域之间扩散有所不同，并且形成了耗尽层，这会使溢出势垒的电位的控制特性略微劣化。
5.变形例
第二实施例(图11)的说明已经对栅极电极122A和栅极电极122C做了这样的假设：栅极电极122A由P型多晶硅形成，栅极电极122C由金属形成。然而，也可以反过来，即，栅极电极122A可由金属形成，而栅极电极122C可由N型多晶硅形成。在此情况下，如第三实施例(图13)所述，栅极电极122A例如由功函数接近P型Poly-Si的功函数的下列材料形成：选自由钛(Ti)、钼(Mo)和钌(Ru)等组成的组中的金属；包含这些金属的合金；或者包含这些金属的化合物。
另外，上述第一实施例～第四实施例的单位像素120A～单位像素120D中的器件结构的导电类型仅仅是示例，并且可以将N型变成P型，而将P型变成N型。N型基板131的导电类型可以是N型或P型。
另外，可以将离子轻微注入到位于光电二极管(PD)121与存储部(MEM)123之间的边界部分中的P型阱层132内，从而辅助具有不同功函数的两个栅极电极使P型阱层132的电位降低。
本发明不限于对固体摄像器件的应用。也就是说，本发明适用于一般的在图像摄取部(光电转换部)中使用了固体摄像器件的电子装置，所述电子装置包括例如数码照相机和摄像机等摄像装置、具有摄像功能的便携式终端装置、在图像读取部中采用了固体摄像器件的复印机，等等。固体摄像器件可以形成为单个芯片，或者可以是具有摄像功能的模块形式，在该模块中集中地封装有摄像部及信号处理部或者光学***。
本发明所适用的电子装置的结构示例
图18是示出了作为本发明所适用的电子装置的摄像装置的结构示例的框图。
图18的摄像装置300包括：由透镜组等构成的光学部301、采用了上述单位像素120的各种结构之一的固体摄像器件(摄像器件)302、以及作为照相机信号处理电路的数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)电路303。摄像装置300还包括帧存储器304、显示单元305、记录单元306、操作单元307和电源单元308。DSP电路303、帧存储器304、显示单元305、记录单元306、操作单元307和电源单元308通过总线309相互连接。
光学部301获取来自于被拍摄物体的入射光(图像光)，然后在固体摄像器件302的摄像面上形成图像。固体摄像器件302以像素为单位，将入射光(该入射光的图像被光学部301形成在摄像面上)的量转换为电信号，并将该电信号作为像素信号输出。作为固体摄像器件302，可使用上述各实施例的CMOS图像传感器100的固体摄像器件等，即能够通过全局曝光(global exposure)来实现不失真地进行成像的固体摄像器件。
例如，显示单元305由诸如液晶面板或有机电致发光(electro luminescence，EL)面板等平板型显示装置构成。显示单元305显示出由固体摄像器件302拍摄到的动态图像或静态图像。记录单元306将由固体摄像器件302拍摄到的动态图像或静态图像记录在诸如录像带或数字式多用盘(Digital Versatile Disk，DVD)等记录媒介上。
在用户进行的操作下，操作单元307发出摄像装置300的各种功能的操作命令。电源单元308适当地向DSP电路303、帧存储器304、显示单元305、记录单元306和操作单元307提供各种电力以作为它们的操作电力。
如上所述，当使用上述各实施例的CMOS图像传感器100作为固体摄像器件302时，能够减少由像素晶体管的阈值变化所产生的噪声，从而能够确保高的信噪比(S/N)。因此，在诸如摄像机或者数码照相机等摄像装置300中以及在用于诸如手机等移动装置的相机模块中，也能够提高所拍摄图像的图像质量。
另外，上述各实施例已经举例说明了将本发明应用于以矩阵形式布置单位像素而形成的CMOS图像传感器的情况，上述单位像素是把与可见光的量相对应的信号电荷作为物理量进行感测。然而，本发明不限于应用于CMOS图像传感器，还适用于列方式(column system)的固体摄像器件，该列方式的固体摄像器件通常形成有与像素阵列部的各像素列对应布置着的列处理部。
另外，本发明不限于应用于对入射的可见光量的分布进行感测并将该分布作为图像进行拍摄的固体摄像器件。本发明还适用于如下固体摄像器件：用于将红外线、X射线或粒子等的入射量的分布拍摄成图像的固体摄像器件；以及，从广义上讲，通常包括用于对诸如压力或电容等其它他物理量的分布进行感测并将该分布拍摄成图像的例如指纹检测传感器等固体摄像器件(物理量分布感测器件)。
应当注意的是，在本说明书中，当然可以按照所说明的顺序以时间顺序进行流程图中所述的步骤，但是例如当进行呼叫时，也可并行地或按必要时序进行上述步骤，而不一定必须按时间顺序来实现。
本发明的实施例不限于上述实施例，而是在不背离本发明的精神下能够做出各种改变。
Claims (15)
1.一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括多个单位像素，其中，
所述多个单位像素均包括：
光电转换元件，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；
第一传输门，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输；
电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持通过所述第一传输门从所述光电转换元件传输来的所述电荷；
第二传输门，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；以及
浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而被读出，
位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分具有在规定了预定电荷量的电位下形成的溢出通道结构，所述溢出通道用于将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域，并且
所述第一传输门设有功函数不同的两个电极，这两个电极分别作为布置于所述溢出通道上方的栅极电极和布置于所述电荷保持区域上方的栅极电极。
2.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极的功函数小于位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极的功函数。
3.如权利要求2所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极是N型多晶硅，而位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极是P型多晶硅。
4.如权利要求3所述的固体摄像器件，其中，所述N型多晶硅和所述P型多晶硅被绝缘层分离开。
5.如权利要求3所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极和位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极是处于同一层中的多晶硅结构，并且是通过注入不同杂质而被分离为所述N型多晶硅和所述P型多晶硅。
6.如权利要求2所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极是由金属形成的电极，而位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极是P型多晶硅。
7.如权利要求2所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极是N型多晶硅，而位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极是由金属形成的电极。
8.如权利要求2所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极和位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极是由不同种类的金属形成的电极。
9.如权利要求1～8任一项所述的固体摄像器件，其中，位于所述溢出通道上方的所述栅极电极和位于所述电荷保持区域上方的所述栅极电极每一者与同一布线连接。
10.一种固体摄像器件制造方法，所述方法包括如下步骤：
在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；
形成第一传输门的第一栅极电极和第二传输门的栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；
形成第二栅极电极，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中且用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及
形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而被读出。
11.一种固体摄像器件制造方法，所述方法包括如下步骤：
在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；
形成第一传输门和第二传输门，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；
形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而被读出；以及
将离子注入到要成为所述第一传输门的第一栅极电极的部分、要成为所述第一传输门的第二栅极电极的部分和要成为所述第二传输门的栅极电极的部分中，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，且所述第二栅极电极设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域。
12.如权利要求11所述的固体摄像器件制造方法，其中，所述离子注入步骤包括：在利用光致抗蚀剂进行图形化之后，将P型离子注入到要成为所述第一传输门的所述第一栅极电极的部分和要成为所述第二传输门的所述栅极电极的部分中，以及在利用光致抗蚀剂进行图形化之后，将N型离子注入到要成为所述第一传输门的所述第二栅极电极的部分中。
13.一种固体摄像器件制造方法，所述方法包括如下步骤：
在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；
形成第一传输门的第一栅极电极和第二传输门的栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极设置在所述电荷保持区域的上方，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；
形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而被读出；
在所述半导体基板上形成预定的层间绝缘膜；
对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第二栅极电极，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，所述第二栅极电极要被设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及
在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第二栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠预定金属，随后除去不必要的金属层，由此形成所述第二栅极电极。
14.一种固体摄像器件制造方法，所述方法包括如下步骤：
在半导体基板中形成电荷保持区域，所述电荷保持区域用于保持从光电转换元件传输来的电荷，所述光电转换元件用于产生与入射光量相对应的电荷且将所述电荷累积在所述光电转换元件内；
形成第二传输门的栅极电极，所述第二传输门用于对保持在所述电荷保持区域中的所述电荷进行传输；
形成所述光电转换元件和浮动扩散区域，所述浮动扩散区域用于保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷，通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输来的所述电荷作为信号而被读出；
在所述半导体基板上形成预定的层间绝缘膜；
对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第一传输门的第一栅极电极，所述第一传输门用于对累积在所述光电转换元件中的所述电荷进行传输，所述第一栅极电极要被设置在所述电荷保持区域的上方；
在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第一栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠第一金属，随后除去不需要的金属层，由此形成所述第一栅极电极；
对所述层间绝缘膜进行蚀刻，使得能够设置第二栅极电极，所述第二栅极电极的功函数与所述第一栅极电极的功函数不同，所述第二栅极电极要被设置在溢出通道的上方，所述溢出通道位于所述光电转换元件与所述电荷保持区域之间的边界部分中并用于将超过预定电荷量的电荷从所述光电转换元件传输至所述电荷保持区域；以及
在通过将所述层间绝缘膜蚀刻成能够设置所述第二栅极电极的形状而形成的部分中，沉积预定绝缘膜然后层叠与所述第一金属不同的第二金属，随后除去不必要的金属层，由此形成所述第二栅极电极。
15.一种电子装置，其安装有如权利要求1～9任一项所述的固体摄像器件。
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