CN102301475B - 光电转换装置和成像*** - Google Patents

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Abstract

一种光电转换装置包括设置在半导体基板(5B)中的多个光电转换部分(51)，其中，各光电转换部分(51)包括：包含第一杂质的P型电荷蓄积区域(107)；和与P型电荷蓄积区域一起配置光电二极管的N型阱部分(102)，并且，各阱部分具有：包含第一浓度的砷的N型第一半导体区域(102a)；被设置在第一半导体区域下面并且包含比第一浓度低的第二浓度的砷的N型第二半导体区域(102b、102c)；和被设置在第二半导体区域下面并且包含比第一浓度高的第三浓度的第二杂质的N型第三半导体区域(102d)。

Description

光电转换装置和成像***
技术领域
本发明涉及光电转换装置和成像***。
背景技术
日本专利公开No.2005-197674(以下，称为“专利文献1”)公开了一种光电转换装置，在该光电转换装置中，要被设置在N型电荷蓄积区域下面的P型阱被描述为由具有不同深度的多个杂质区域4A～4D配置，如该文献的图1所示。作为多个杂质区域4A～4D中的最深杂质区域的杂质区域4A的浓度比其它杂质区域的浓度大。因此，根据专利文献1，可以沿基板的深度方向形成电子的势垒，这使得能够有效地并且没有损失地沿深度方向将载流子引导到光电二极管，这进而使得能够提高灵敏度。
顺便说一句，在光电转换装置中，存在对于像素小型化和像素灵敏度改善的需求。可以构想在专利文献1中公开的光电转换装置中的像素的小型化还将使得相邻的光电二极管更加相互接近。
专利文献1公开了通过首先在深区域并逐步移动到浅区域来注入硼，形成多个杂质区域4A～4D，并然后执行950℃或更低的热处理。当在形成多个杂质区域4A～4D之后执行这种热处理时，硼即使在950℃或更低的热处理下也趋于扩散，因此，各杂质区域4A～4D中的杂质浓度峰值容易降低。结果，沿基板深度方向的电势的斜坡加宽，从而导致电子不会到达产生电子的像素的光电二极管而是会基于扩散结构(mechanics)到达相邻像素的可能性。在像素具有相互不同的光谱透过特性的颜色传感器中，该现象导致所谓“颜色混合”的问题，由此，某个颜色的光泄漏到对不同颜色进行响应的像素中。在单色传感器中，该现象表现为MTF的下降。当相邻光电二极管(光电转换部分)之间的距离小时，该问题尤其明显。
发明内容
本发明的目的是有效地在电荷蓄积区域中收集构成由光电转换部分产生的信号电荷的空穴。
根据本发明的第一方面的光电转换装置包括设置在半导体基板中的多个光电转换部分。各光电转换部分具有：包含第一杂质的P型电荷蓄积区域；和与P型电荷蓄积区域一起配置光电二极管的N型阱部分。各阱部分具有：包含第一浓度的砷的N型第一半导体区域；被设置在第一半导体区域下面并且包含比第一浓度低的第二浓度的砷的N型第二半导体区域；和被设置在第二半导体区域下面并且包含比第一浓度高的第三浓度的第二杂质的N型第三半导体区域。
根据本发明的第二方面的成像***包括：根据本发明的第一方面的光电转换装置；在光电转换装置的成像区域上形成图像的光学***；和通过处理从光电转换装置输出的信号来产生图像数据的信号处理单元。
根据本发明，能够有效地在电荷蓄积区域中收集构成由光电转换部分产生的信号电荷的空穴。
(参照附图)阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的光电转换装置1的整体配置的示图。
图2是示出根据本发明的实施例的像素P的配置的示图。
图3是示出根据本发明的实施例的光电转换装置1的截面结构的示图。
图4A～4C是示出根据本发明的实施例的光电转换装置制造方法的步骤的截面图。
图5A～5C是示出根据本发明的实施例的光电转换装置制造方法的步骤的截面图。
图6A和6B是示出根据本发明的实施例的光电转换装置制造方法的步骤的截面图。
图7A～7C是示出热扩散的影响的模拟结果的示图。
图8A～8C是示出热扩散的影响的模拟结果的示图(变型例)。
图9是示出根据本发明的第二实施例的光电转换装置的截面结构的示图。
图10是示出根据第二实施例的热扩散的影响的模拟结果的示图。
图11是示出根据本发明的第三实施例的光电转换装置的截面结构的示图。
图12是示出应用了根据本发明的实施例的光电转换装置的成像***的配置的示图。
具体实施方式
在本说明书中，在第一区域“之上”设置第二区域除了包括直接在第一区域上设置第二区域的情况以外，还包括第二区域被设置在另一区域上，而该另一区域自身被设置在第一区域上的情况。类似地，在第一区域“下面”设置第二区域除了包括直接在第一区域下面设置第二区域的情况以外，还包括第二区域被设置在另一区域下面，而该另一区域自身被设置在第一区域下面的情况。
使用图1描述根据本发明的实施例的光电转换装置1的整体配置。图1是示出根据本发明的实施例的光电转换装置1的整体配置的示图。
光电转换装置1包含像素阵列PA、垂直扫描电路10、保持电路20、水平扫描电路30和输出放大器40。
多个像素P(参见图2)在像素阵列PA中被一维或二维布置。如图2所示，各像素P包含光电转换部分51、传送单元52、电荷电压转换单元53、复位单元54和输出单元55。注意，图2是示出根据本发明的实施例的像素P的配置的示图。
光电转换部分51产生基于光的电荷并且存储电荷。这里，信号电荷是空穴。光电转换部分51为例如阴极与接地电势连接并且阳极与传送单元52连接的光电二极管。
传送单元52将通过光电转换部分51产生的信号电荷传送到电荷电压转换单元53。
传送单元52为例如PMOS传送晶体管，并且通过当从垂直扫描电路10供给有效电平传送控制信号时导通，将由光电转换部分51产生的信号电荷传送到电荷电压转换单元53。
电荷电压转换单元53将传送的电荷转换成电压。电荷电压转换单元53具有例如P型浮置扩散。
复位单元54将电荷电压转换单元53复位并且基于供给的复位电势将像素P置于选择/未选择状态。复位单元54为例如PMOS复位晶体管，并且通过当从垂直扫描电路10供给有效电平复位控制信号时导通，将电荷电压转换单元53复位。复位单元54通过响应供给的第一复位电势(例如，L电平)将电荷电压转换单元53的电势复位到第一复位电势，来将像素置于选择状态。同时，复位单元54通过响应供给的第二复位电势(例如，H电平)将电荷电压转换单元53的电势复位到第二复位电势，来将像素置于未选择状态。
输出单元55将基于电荷电压转换单元53的电压的信号输出到信号线SL。输出单元55为例如PMOS放大晶体管，并且通过与连接到信号线SL的恒流源CS一起执行源极跟随操作，将基于电荷电压转换单元53的电压的信号输出到信号线SL。换句话说，输出单元55在电荷电压转换单元53通过复位单元54被复位的状态下基于电荷电压转换单元53的电压将噪声信号输出到信号线SL。输出单元55在光电转换部分51的信号电荷通过传送单元52被传送到电荷电压转换单元53的状态下将基于电荷电压转换单元53的电压的光学信号输出到信号线SL。
注意，各像素P可被配置为包括选择单元(未示出)。在这种情况下，选择单元在选择/未选择状态之间切换像素P。选择单元为例如PMOS选择晶体管，并且通过当从垂直扫描电路10供给有效电平选择控制信号时导通，将像素P置于选择状态。选择单元还通过当从垂直扫描电路10供给非有效电平选择控制信号时关断，将像素P置于未选择状态。
垂直扫描电路10通过沿垂直方向扫描像素阵列PA来选择像素阵列PA中的要从中读出信号的读出行，并且将来自读出行的信号输出到多个信号线SL。
保持电路20暂时保持通过多个信号线SL从读出行输出的多个列的信号(噪声信号，光学信号)。
水平扫描电路30通过沿水平方向扫描保持电路20，依次向输出放大器40传送保持在保持电路20中的多个列的信号(噪声信号，光学信号)。
输出放大器40基于传送的信号(噪声信号，光学信号)产生图像信号。例如，输出放大器通过找到噪声信号和光学信号之间的差异来产生图像信号。输出放大器40将产生的图像信号输出到后段(后面描述的成像信号处理电路95)。
下面，使用图3来描述根据本发明的实施例的光电转换装置1的截面结构。图3是示出根据本发明的实施例的光电转换装置1的截面结构的示图。在图3中表示与单个像素对应的像素区域PR。
光电转换装置1包含多个光电转换部分51、多个器件隔离区域103、阱部分102和多个沟道阻止部分CS。
多个光电转换部分51被设置在半导体基板SB中。半导体基板SB主要由例如硅形成。虽然图3没有示出，但是，当从上面观察时，多个光电转换部分51被设置在一维或二维阵列中。接地区域101被设置为在半导体基板SB中在最远离表面SBa的位置中跨所有像素区域PR延伸。接地区域101是半导体基板SB的没有注入杂质的区域。接地区域101包含P型杂质。
光电转换部分51产生基于光的电荷对，并且蓄积作为信号电荷的空穴。各光电转换部分51为例如光电二极管。光电转换部分51包含电荷蓄积区域107、表面区域108和有效灵敏度区域(电荷收集区域)109。根据需要提供有效灵敏度区域(电荷收集区域)。
电荷蓄积区域107被设置在表面区域108下面。电荷蓄积区域107包含浓度比接地区域101的浓度高的P型第一杂质。第一杂质为例如硼。通过例如硼离子注入形成电荷蓄积区域107。电荷蓄积区域107蓄积空穴。
表面区域108包含浓度比电荷蓄积区域107中的第一杂质的浓度高的N型杂质。表面区域108包含第六浓度的N型杂质。第六浓度是比后面提到的第四浓度(半导体区域104中的N型杂质的浓度)高的浓度。通过例如砷离子注入形成表面区域108。光电二极管由于表面区域108变为埋入光电二极管，并因此可以抑制由半导体基板SB的表面SBa处的悬空键(dangling bond)导致的暗电流的产生。
有效灵敏度区域109被设置在电荷蓄积区域107下面。有效灵敏度区域109包含浓度比电荷蓄积区域107低的P型杂质。虽然能够通过硼离子注入形成有效灵敏度区域109，但也能够使用半导体基板SB的没有注入杂质的区域作为有效灵敏度区域109。有效灵敏度区域109收集由光电转换产生的电荷(例如，来自空穴的正电荷)，并且将电荷引导到电荷蓄积区域107。
多个器件隔离区域103被设置在半导体基板SB中的多个光电转换部分51之间以使光电转换部分51相互隔离。这里使用的“隔离”指的是至少使电荷蓄积区域107相互电气隔离。但是，进一步优选的是也使有效灵敏度区域109相互电气隔离。与此相对，表面区域108和埋入区域102不需要被隔离。虽然这里没有示出，但是多个器件隔离区域103以条带形式或网格形式在多个光电转换部分51之间延伸，以使多个光电转换部分51相互隔离。
各器件隔离区域103被设置在沟道阻止部分CS之上。沟道阻止部分CS被配置为包括被设置在器件隔离区域的边界处并且由绝缘体配置的沟道阻止区域104，和用作势垒的半导体区域105和106。各器件隔离区域103被设置在光电转换部分51中的表面区域108的侧方。各器件隔离部分103由诸如硅氧化物的绝缘体形成。器件隔离部分103可具有例如STI(Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离)结构，或者可具有LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon，硅的局部氧化)结构。作为替代方案，可以使用扩散隔离。
阱部分102与电荷蓄积区域107一起配置光电二极管。虽然阱部分102在图3中被示为在有效灵敏度区域下面被设置在基板内深的位置中，但是，有效灵敏度区域可被省略，并且，阱部分102被直接提供在电荷蓄积区域107下面。阱部分102被设置在接地区域101之上。虽然图3没有示出，但是，阱部分102可跨多个光电转换部分51和多个器件隔离区域103下面的所有像素区域PR被设置，或者，换句话说，被设置为跨整个像素阵列PA(参见图1)延伸。
阱部分102包含在从半导体基板SB的表面SBa起的不同深度处的多个半导体区域。换句话说，阱部分102包含半导体区域(第一半导体区域)102a、半导体区域(第二半导体区域)102b、半导体区域(第二半导体区域)102c和半导体区域(第三半导体区域)102d。
半导体区域102a被设置在阱部分102的最浅位置中。半导体区域102a被设置在电荷蓄积区域107下面，有效灵敏度区域109位于其间。但是，有效灵敏度区域109不需要被提供。半导体区域102a包含第一浓度的N型第二杂质(参见图7C所示的浓度轮廓PF2a)。第二杂质使用例如砷作为其主要成分。第一浓度是比接地区域101中的P型杂质的浓度高的浓度。
半导体区域102b沿与半导体基板SB的表面垂直的方向被设置在半导体区域102a和半导体区域102d之间。半导体区域102b被设置在半导体区域102a下面。半导体区域102b包含第二浓度的N型第二杂质。第二浓度是比第一浓度低的浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2b)。注意，由于内置的电势被完全耗尽并且具有不导致操作问题的厚度的P型区域可被留在半导体区域102a和半导体区域102b之间。
半导体区域102c沿与半导体基板SB的表面垂直的方向被设置在半导体区域102a和半导体区域102d之间。半导体区域102c被设置在半导体区域102b下面。半导体区域102c包含第二浓度的N型第二杂质。第二浓度是比第一浓度低的浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2c)。注意，由于内置的电势被完全耗尽并且具有不导致操作问题的厚度的P型区域可被留在半导体区域102b和半导体区域102c之间。
半导体区域102d被设置在阱部分102的最深位置中。半导体区域102d被设置在半导体区域102c下面。半导体区域102d包含第三浓度的N型第二杂质。第三浓度是比第一浓度高的浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2d)。注意，由于内置的电势被完全耗尽并且具有不导致操作问题的厚度的P型区域可被留在半导体区域102c和半导体区域102d之间。
多个沟道阻止部分CS抑制由绝缘体导致的器件隔离区域的边界处的沟道的形成。并且，各沟道阻止部分CS沿与半导体基板SB的表面垂直的方向被设置在相应的器件隔离区域103下面，以使多个光电转换部分51相互隔离。虽然这里没有示出，但是，多个沟道阻止部分CS以条带形式或网格形式在多个光电转换部分51之间延伸，以使多个光电转换部分51相互隔离。
各沟道阻止部分CS包含半导体区域(第四半导体区域)104以及设置在光电转换部分之间并且用作空穴的势垒的半导体区域(第五半导体区域)105和半导体区域(第五半导体区域)106。
半导体区域104至少覆盖器件隔离区域103的底面，并且进一步延伸到表面区域108。半导体区域104被设置在器件隔离区域103下面以覆盖器件隔离区域103的底部。半导体区域104被设置在比半导体基板SB的表面SBa深的位置中，并且延伸到电荷蓄积区域107的侧方。半导体区域104包含第四浓度的N型第二杂质。第二杂质使用例如作为N型杂质的砷作为其主要成分。第四浓度是比第二浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2b)高的浓度。第四浓度可等于第一浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2a)。半导体区域104由例如砷离子注入形成。
半导体区域105被设置在半导体区域104下面。半导体区域105还被设置到有效灵敏度区域109的侧方。半导体区域105包含第五浓度的第二杂质。第五浓度是比第二浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2b)高的浓度。第五浓度可等于第一浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2a)。第二杂质使用例如作为N型杂质的砷作为其主要成分。半导体区域105由例如砷离子注入形成。
半导体区域106被设置在半导体区域105下面。半导体区域106还被设置到有效灵敏度区域109的侧方。半导体区域105包含第五浓度的第二杂质。第五浓度是比第二浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2b)高的浓度。第五浓度可等于第一浓度(参见图7C所示的浓度轮廓PF2a)。第二杂质使用例如作为N型杂质的砷作为其主要成分。半导体区域105由例如砷离子注入形成。
这里，包含于阱部分102中的半导体区域102a～102d中的第二杂质(例如，砷)的质量比P型杂质(例如，硼)的质量大。基于此，第二杂质的扩散系数比P型杂质的扩散系数低。因此，即使通过在杂质注入之后执行热处理来形成阱部分，半导体区域102a～102d中的杂质浓度峰值也不容易下降。因此，与阱部分由包含P型杂质并且位于不同深度处的多个半导体区域形成的情况相比，可对于作为信号电荷的空穴保持更高的势垒(参见图7C所示的电势水平PH2a和PH2d)。设置在最深位置中的半导体区域102d具有最高的杂质浓度，而被设置为最接近表面的半导体区域102a具有次最高的杂质浓度；半导体区域102b和102c具有最低的杂质浓度。半导体区域102b和102c可被配置为单个区域。使用这种杂质浓度关系使得能够保持沿垂直方向的电场并且有效地将构成由光电转换部分产生的信号电荷的空穴引导到电荷蓄积区域。还能够抑制从电荷蓄积区域107的耗尽层的扩展，由此使得能够减小读出信号时的驱动电压。
如稍后所述，从砷形成半导体区域102a和102b使得能够抑制跨整个像素扩展的N阱中的分布变化，由此使得能够进一步增强上述效果。并且，难以使得空穴穿过多个半导体区域102a～102d并到达相邻的光电转换部分。因此，当相邻的光电转换部分之间的距离减小时出现的颜色混合可被抑制。
下面通过使用图4A～6B描述根据本发明的实施例的光电转换装置的制造方法。图4A～6B是示出根据本发明的实施例的光电转换装置制造方法的步骤的截面图。
在图4A所示的步骤中，抗蚀剂被施加到半导体基板SB并然后通过曝光过程被构图，由此形成暴露像素阵列PA(参见图1)的第一抗蚀剂图案(未示出)。然后通过使用第一抗蚀剂图案作为掩模用N型第二杂质注入半导体基板SB，形成半导体区域102d。第二杂质使用例如砷作为其主要成分。此时，例如，第二杂质的剂量为5×1013/cm2，并且，注入的加速能量为4000KeV。
然后，通过使用第一抗蚀剂图案作为掩模用N型第二杂质注入半导体基板SB，形成半导体区域102c。第二杂质使用例如砷作为其主要成分。此时，例如，第二杂质的剂量为5×1011/cm2，并且，注入的加速能量为2500KeV。
然后，通过使用第一抗蚀剂图案作为掩模用N型第二杂质注入半导体基板SB，形成半导体区域102b。第二杂质使用例如砷作为其主要成分。此时，例如，第二杂质的剂量为5×1011/cm2，并且，注入的加速能量为1200KeV。
然后，通过使用第一抗蚀剂图案作为掩模用N型第二杂质注入半导体基板SB，形成半导体区域102a。第二杂质使用例如砷作为其主要成分。此时，优选地，例如，第二杂质的剂量为1012/cm2，并且，注入的加速能量为600KeV。
在图4B所示的步骤中，通过首先在半导体基板SB中的多个光电转换部分要相互隔离的区域中形成沟槽并然后在这些沟槽中埋入绝缘体，形成STI器件隔离区域103。
在图4C所示的步骤中，抗蚀剂被施加到半导体基板SB并然后通过曝光过程被构图，由此形成暴露器件隔离区域的第二抗蚀剂图案110。然后，通过使用第二抗蚀剂图案110作为掩模在半导体基板SB中注入N型第二杂质，在半导体基板SB中的器件隔离区域103下面形成半导体区域104′。该步骤中的N型第二杂质为例如作为N型杂质的砷。优选地，该步骤中的注入的加速能量为约300keV～2Mev，并且进一步优选加速能量为约500KeV～900KeV。
在图5A所示的步骤中，通过使用第二抗蚀剂图案110作为掩模用N型第二杂质注入半导体基板SB，在半导体基板SB中的半导体区域104′下面形成半导体区域105′。另外，通过使用第二抗蚀剂图案110作为掩模用N型第二杂质注入半导体基板SB，在半导体基板SB中的半导体区域105′下面形成半导体区域106′。此步骤中的N型第二杂质为例如作为N型杂质的砷。优选地，该步骤中的注入的加速能量为约300KeV～2Mev，并且进一步优选地，加速能量为约500KeV～900KeV。
这里，可以使用上述的条件作为用于注入的各实例的条件。并且，在本实施例中，可通过使用相同的抗蚀剂图案形成半导体区域104′、半导体区域105′和半导体区域106′。这使得能够在不增加处理步骤数的情况下实现低成本制造。还使得能够抑制由于不对准导致的在制造中出现的性能的变化。
在图5B所示的步骤中，第二抗蚀剂图案110被去除。
在图5C所示的步骤中，抗蚀剂被施加到半导体基板SB并且然后通过曝光过程被构图，由此形成暴露要设置多个光电转换部分的区域的第三抗蚀剂图案(未示出)。然后通过使用第三抗蚀剂图案作为掩模在半导体基板SB中注入P型第一杂质，在半导体基板SB中的多个器件隔离区域103之间形成光电转换部分51的电荷蓄积区域107。此步骤中的P型第一杂质为例如作为P型杂质的硼。优选地，该步骤中的注入的加速能量为约50～200KeV。
在图6A所示的步骤中，然后通过使用第三抗蚀剂图案作为掩模在半导体基板SB中注入P型杂质，在半导体基板SB中的多个器件隔离区域103之间形成光电转换部分51的表面区域108。此步骤中的P型杂质为例如作为P型杂质的砷。优选地，该步骤中的注入的加速能量为约30～120KeV。
在图6B所示的步骤中，半导体区域104～106通过热扩散(热处理)被稳定化。在该热扩散期间，包含于半导体区域102a～102d和半导体区域104′～106′中的砷具有低的扩散系数，并由此关于注入后即刻的轮廓表现很少的扩散。
然后，通过使用图7A～7C描述本实施例的效果。图7A～7C是示出热扩散的效果的模拟结果的示图。
在图7A中，实线分别表示使用砷作为第二杂质的本实施例中的图4A所示的步骤完成之后的半导体区域102a～102d中的砷的浓度轮廓PFa～PFd。这些条件应被称为“工作例子”。
这里，出于比较的目的，考虑本实施例中的构成要素的导电类型均反转并且通过硼离子注入形成半导体区域102a～102d的情况。在这种情况下，也假定半导体区域102a～102d中的硼的浓度轮廓分别与图7A所示的浓度轮廓PFa～PFd相同。这些条件被称为“比较例”。
关于“比较例”的条件，如图7B中的虚线所示，由浓度轮廓PF1a～PF1d表达硼离子注入之后的在900℃热扩散约1小时的效果的模拟结果。出于比较的目的，还在图7B中表示图7A所示的浓度轮廓PFa～PFd。如图7B所示，当离子类型为硼时，由于热扩散，半导体区域102a和102d的浓度轮廓PF1a和PF1d分别是宽的。作为结果，关于作为“比较例”条件中的信号电荷的载流子的电子的半导体区域102a和102d的电势水平PH1a和PH1d是低的。
但是，关于“工作例子”的条件，如图7C中的点划线所示，由浓度轮廓PF2a～PF2d表达砷离子注入之后的在900℃热扩散约1小时的效果的模拟结果。出于比较的目的，还在图7C中表示图7A所示的浓度轮廓PFa～PFd。如图7C所示，当离子类型为砷时，由于热扩散，半导体区域102a和102d的浓度轮廓PF2a和PF2d分别保持陡峭。结果，关于作为“工作例子”条件中的信号电荷的载流子的空穴的半导体区域102a和102d的电势水平PH2a和PH2d保持高。换句话说，
PH2a＞PH1a，PH2d＞PH1d    ...式1
因此，根据“工作例子”条件，与“比较例”条件相比，信号电荷载流子更难以穿过多个半导体区域102a～102d并到达相邻的光电转换部分。作为结果，与“比较例”条件相比，“工作例子”条件使得能够抑制当相邻的光电转换部分之间的距离减小时出现的颜色混合。
并且，通过“工作例子”条件，与“比较例”条件相比，深度方向的从半导体区域102a到有效灵敏度区域109的扩散距离减小，从而使得能够抑制有效灵敏度区域109的面积的减小。
注意，阱部分102中的半导体区域102d可包含第三浓度的第三杂质。第二杂质使用例如砷作为其主要成分。同时，第三杂质使用例如磷作为其主要成分。第三杂质的质量比第二杂质的质量小。结果，容易在半导体基板中的深的位置处形成半导体区域102d，从而使得能够提高阱部分102能被设计的自由度。
另外，如从图8A～8C可以看出的，在这种情况下，同样，与“比较例”条件相比，热扩散之后的半导体区域102d中的磷的浓度轮廓PF3d的陡峭性得到保持。结果，关于作为“工作例子”条件中的信号电荷的载流子的空穴的半导体区域102d的电势水平PH3d保持高。换句话说，
PH3d＞PH1d    ...式2
因此，根据“工作例子”条件，与“比较例”条件相比，信号电荷载流子更难以穿过多个半导体区域102a～102d并到达相邻的光电转换部分。结果，与“比较例”条件相比，“工作例子”条件使得能够抑制当相邻的光电转换部分之间的距离减小时出现的颜色混合。
图9是示出根据本发明的另一实施例的光电转换装置的截面结构的示图。功能与图3所示的构成要素相同的构成要素被赋予相同的附图标记，并且，它们的详细描述被省略。
图9所表示的截面图示出，传送栅电极201被设置在半导体基板表面SBa之上，氧化物膜(未示出)位于其间。通过向传送栅电极201施加的偏压，在传送栅电极201下面形成传送沟道。202是由P型半导体区域配置的浮置扩散。在本实施例中，电荷蓄积区域107、传送栅电极201和浮置扩散202配置P型传送晶体管。
本实施例和图3所示的配置之间的主要差异如下：虽然在图3中阱部分102在有效灵敏度区域109下面被设置在基板内的深的位置中，但是，在本实施例中，有效灵敏度区域109不被设置，并且阱部分102被设置为接近电荷蓄积区域107。
图10示出沿图9所示的A-B线的深度方向的杂质浓度轮廓。阱部分102包含从半导体基板的表面SBa起的深度不同的多个N型半导体区域。设置在最深位置中的半导体区域102d具有最高的杂质浓度，而设置为最接近表面的半导体区域102a具有次最高的杂质浓度；半导体区域102b和102c具有最低的杂质浓度。
包含于半导体区域102a～102d中的杂质(例如，砷)的质量比P型杂质(例如，硼)的质量大。因此，即使通过在杂质注入之后执行热处理来形成阱部分，半导体区域102a～102d中的杂质浓度峰值也不容易下降。根据这种配置，能够保持沿从基板内的深的位置到表面的垂直方向的电场并有效地将由光电转换部分51产生的空穴引导到电荷蓄积区域，由此使得能够减少像素之间的颜色混合。
最接近表面的半导体区域102a被设置在电荷蓄积区域107的正下方。通过电荷蓄积区域107和半导体区域102a配置PN结。根据该配置，电荷蓄积区域107和半导体区域102a被设置为相互接近，从而使得能够抑制从电荷蓄积区域107的耗尽层的扩展。特别是在为了提高饱和负载增加电荷蓄积区域107的杂质浓度的情况下，增加最接近表面的半导体区域102a的杂质浓度使得能够容易地抑制耗尽层的扩展。这样，可以甚至进一步抑制信号读出时的驱动电压的幅值。
图11是示出根据本发明的另一实施例的光电转换装置的截面结构的示图。功能与图9所示的构成要素相同的构成要素被赋予相同的附图标记，并且，它们的详细描述被省略。
本实施例和图9所示的配置之间的主要差异在于，N型半导体区域305和306被设置在沟道阻止区域104下面。N型半导体区域305和306被设置为包围光电转换部分51，并且具有比阱部分102高的杂质浓度。N型半导体区域305和306用作作为信号电荷的空穴的势垒。使用这种配置使得能够进一步减少像素之间的颜色混合。
在上述的实施例中，不限制光进入的方向。可以采用光从半导体基板表面SBa进入的顶面入射结构。但是，也可采用光从半导体基板表面SBa的相对表面进入的后面照射结构。在后面照射结构中，必须收集表面侧的电荷。由于空穴的迁移率比电子的低，因此它具有低的扩散性。通过将本发明应用于将空穴作为信号电荷处理的后面照射结构，可以保持从基板深部到表面的长度方向电场，并且能够有效地将空穴引导到电荷蓄积区域。因此，与顶面入射结构相比，减少像素之间的颜色混合的效果变得显著。
下面，图12示出应用本发明的光电转换装置的成像***的例子。
如图12所示，成像***90包含光学***、成像装置86和信号处理单元作为其主要部件。光学***包括快门91、透镜92和虹膜93作为其主要部件。成像装置86包括光电转换装置1。信号处理单元包括成像信号处理电路95、A/D转换器96、图像信号处理单元97、存储器单元87、外部I/F单元89、定时产生单元98、中央控制/运算单元99、记录介质88和记录介质控制I/F单元94作为其主要部件。信号处理单元并非必需包含记录介质88。
快门91在光路中被提供在透镜92的前面，并且控制曝光。
透镜92折射入射光，使得在成像装置86的光电转换装置1中的成像区域上形成被照体的图像。
虹膜93在光路中被提供在透镜92和光电转换装置1之间，并且，调整在穿过透镜92之后引入光电转换装置1中的光量。
成像装置86的光电转换装置1将在光电转换装置1的成像区域上形成的被照体的图像转换成图像信号。成像装置86从光电转换装置1读出此图像信号并且输出该图像信号。
成像信号处理电路95与成像装置86连接，并且，处理从成像装置86输出的图像信号。
A/D转换器96与成像信号处理电路95连接，并且将从成像信号处理电路95输出的处理的模拟图像信号转换成数字图像信号。
图像信号处理单元97与A/D转换器96连接，并且对从A/D转换器96输出的数字图像信号执行诸如校正的各种计算处理，由此产生图像数据。此图像数据然后被供给到存储器单元87、外部I/F单元89、中央控制/运算单元99和记录介质控制I/F单元94等。
存储器单元87与图像信号处理单元97连接，并且存储从图像信号处理单元97输出的图像数据。
外部I/F单元89与图像信号处理单元97连接。这使得能够将从图像信号处理单元97输出的图像数据通过外部I/F单元89传送到外部装置(个人计算机等)。
定时产生单元98与成像装置86、成像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97连接。定时信号由此被供给到成像装置86、成像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97。成像装置86、成像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97与定时信号同步地操作。
中央控制/运算单元99与定时产生单元98、图像信号处理单元97和记录介质控制I/F单元94连接，并且，执行定时产生单元98、图像信号处理单元97和记录介质控制I/F单元94的总体控制。
记录介质88以可去除的状态与记录介质控制I/F单元94连接。结果，从图像信号处理单元97输出的图像数据通过记录介质控制I/F单元94被记录到记录介质88中。
通过至此描述的配置，如果通过光电转换装置1获得有利的图像信号，那么也可获得有利的图像(图像数据)。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。
本申请要求在2009年2月6日提交的日本专利申请No.2009-026700和在2010年1月21日提交的日本专利申请No.2010-011375的权益，在此通过引用将它们的全部内容并入。

Claims (6)

1.一种包括设置在半导体基板中的多个光电转换部分的光电转换装置，
其中，所述多个光电转换部分中的各光电转换部分包含：
包含第一杂质的P型电荷蓄积区域；和
与P型电荷蓄积区域一起配置光电二极管的N型阱部分，
所述阱部分具有：
包含第一浓度的砷的N型第一半导体区域；
被设置在第一半导体区域下面并且包含比第一浓度低的第二浓度的砷的N型第二半导体区域；和
被设置在第二半导体区域下面并且包含比第一浓度高的第三浓度的第二杂质的N型第三半导体区域，
所述光电转换装置还包括沿与半导体基板的表面垂直的方向的设置在器件隔离区域和阱部分之间的多个势垒，以使所述多个光电转换部分的P型电荷蓄积区域相互隔离，以及
所述多个势垒中的各势垒包含：
被设置在器件隔离区域下面并且包含比第二浓度高的第四浓度的第二杂质的N型第四半导体区域；和
被设置在第四半导体区域下面并且包含比第二浓度高的第五浓度的第二杂质的N型第五半导体区域。
2.根据权利要求1的光电转换装置，其中，第二杂质的主要成分为磷。
3.根据权利要求1的光电转换装置，
其中，各光电转换部分还包含：
被设置在P型电荷蓄积区域之上并且包含比第四浓度高的第六浓度的第二杂质的N型表面区域；和
被设置在P型电荷蓄积区域下面并且包含比所述电荷蓄积区域中的杂质的浓度低的浓度的第一杂质的P型电荷收集区域，
其中，第四半导体区域至少覆盖器件隔离区域的底面并且延伸到表面区域。
4.根据权利要求1的光电转换装置，其中，光从半导体基板的前表面侧进入装置，使得光进入的方向为从第一半导体区域向着第二半导体区域。
5.根据权利要求1的光电转换装置，其中，光从半导体基板的后表面侧进入装置，使得光进入的方向为从第二半导体区域向着第一半导体区域。
6.一种成像***，包括：
根据权利要求1的光电转换装置；
在光电转换装置的成像区域上形成图像的光学***；和
通过处理从光电转换装置输出的信号来产生图像数据的信号处理单元。
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