TWI422024B - 固態成像器件及製造固態成像器件之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種固態成像器件及一種製造該固態成像器件之方法，且更特定言之，本發明係關於一種可抑制由一半導體建構之一CMOS(互補金屬氧化物半導體)類型固態成像器件之一洩漏電流並且可減少在一較低照度時間或較暗時間下之雜訊的固態成像器件，及製造該固態成像器件之方法。
一CMOS(互補金屬氧化物半導體)類型固態成像器件(在下文中有時稱為一CMOS類型成像器件)可以一較低電壓位準驅動，且在能量消耗方面可容易地滿足一較高像素密度的一需求及一較高讀取速度之一需求。
由於該等特性，該CMOS類型影像擷取器件最近已用於數位單眼相機中，促成一較高之影像品質及一專業影像擷取裝置以及小型化個人裝置，諸如附帶相機的行動電話。再者，該CMOS類型影像擷取器件已作為替代相關技術之一CCD(電荷耦合器件)的一高效能影像擷取器件而引人注意。
在相關技術中，據說在影像擷取器件中，在一較暗時間或一較低照度時間下可容易地引入雜訊至一影像中。由於與一銀鹽相機比較之結果令人不滿，一些使用者拒絕使用該等影像擷取器件。因此，減少影像擷取器件中的雜訊已成為一問題。
因此，用於藉由在一較暗時間或一較低照度時間下抑制包含於該CMOS類型影像擷取器件中之光電二極體及浮動擴散中之一洩漏電流而減少雜訊的一技術已被認為是重要的。
圖1繪示相關技術中包含一浮動擴散之一CMOS類型影像擷取器件之一組態之一實例。一般而言，浮動擴散FD係與一光電二極體PD相對而安置，其中用於轉移電荷之一轉移閘極TG係***其等之間，該轉移閘極TG係用Poly-Si(多晶矽)或類似物建構。具有與該光電二極體PD相同之傳導類型之一雜質擴散層係形成於用於轉移電荷之一轉移閘極TG***之位置處(參考日本未經審查專利申請公開案第2001-028433號)。
在該等CMOS類型影像擷取器件之中，在具有捲動快門方案之一CMOS類型影像擷取裝置中，該浮動擴散用作一信號電荷讀取元件。另一方面，在具有全域快門方案之一CMOS類型影像擷取器件中，該浮動擴散除了用作讀取元件之外，亦用作在執行讀取之前儲存該等信號電荷的一元件(參考日本未經審查專利申請公開案第2006-311515號)。
現在描述該捲動快門方案及該全域快門方案。
根據由該等光電二極體光電地轉換之信號電荷之一累積時間間隔(或一曝光時間間隔)之併發性差異，可將該CMOS類型影像擷取器件分為兩個類型：捲動快門方案(有時稱為一焦平面快門方案或一線曝光方案)及全域快門方案(參考日本未經審查專利申請公開案第2006-191236號)。
捲動快門方案表示輸出信號之像素從輸出信號之時間起執行光電轉換且在循序執行讀取之前將信號電荷累積於一光電二極體中的一方案。在此方案中，該等信號電荷之累積時間間隔根據該像素陣列中之列而為不同的。因此，在擷取之影像中存在變形。
另一方面，全域快門方案表示維持信號電荷之累積時間間隔之併發性以移除由該捲動快門方案引起之變形的一方案。為實施該全域快門方案，已提出一種額外使用一機械快門之方法(參考日本未經審查專利申請公開案第2006-191236號)，一種藉由在由一光遮蔽層覆蓋之一浮動擴散中之所有像素中同時執行來自光電二極體之信號電荷轉移以及在執行讀取之前儲存該等信號電荷而維持累積時間間隔之併發性的方法(參考日本未經審查專利申請公開案第2009-049870號)及類似方法。
在圖1中所顯示之相關技術中之CMOS類型影像擷取器件之結構中，日本未經審查專利申請公開案第2001-028433號揭示：在藉由各向異性蝕刻Poly-Si(多晶矽)或類似物而形成之一轉移閘極TG之一末端部分中容易引入晶體缺陷。在該轉移閘極TG之關閉狀態中，由於在該浮動擴散FD與該轉移閘極TG之間之一電壓差，電場集中出現於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極TG之末端部分鄰近處。結果，因該晶體缺陷而在該電場集中之部位產生一洩漏電流，使得可在一較暗時間或一較低照度時間下輸出混擾信號。
再者，在圖1中，一n型雜質擴散層n1作為一第一傳導類型半導體層而安置於一矽基板Si上，且一p型雜質擴散層p1作為一第二傳導類型半導體層而安置於該n型雜質擴散層n1上。由該等層p1及n1建構光電二極體PD。再者，在該圖中，安置一元件隔離區域DV，且在該元件隔離區域DV之下安置一p型雜質擴散層p2。再者，將一n型雜質擴散層n2與該光電二極體PD相對而安置，該轉移閘極TG***其等之間，使得形成浮動擴散FD。
更明確言之，一般而言，在一半導體裝置中，根據稱為一陷阱輔助穿隧(TAT)模型的一機制描述，若由於一pn接面之反偏壓而使電場集中出現於一晶體缺陷部分中，則因該晶體缺陷而產生一洩漏電流。再者，前述問題由於類似之機制而發生係廣為人知的(參考Hurkx等人之「A New Recombination Model for Device Simulation Including Tunneling」(《IEEE TED.》1992年第39卷第2期，第331-338頁)及G. Eneman等人之「Analysis of junction leakage in advanced germanium P+/n junctions」(在Proc. European Solid-State Device Research Conf. 2007第454-457頁中))。
圖2A及圖2B繪示在相關技術中之CMOS類型影像擷取器件中之浮動擴散區域之一雜質濃度分佈及一電場強度分佈之模擬結果。圖2A繪示該雜質濃度分佈，且圖2B繪示該電場強度分佈。在圖2A之該雜質濃度分佈中，隨著色彩越接近於白色，n型雜質之濃度越高；且隨著色彩越接近於黑色，p型雜質之濃度越高。再者，在圖2B之電場強度分佈中，隨著色彩越接近於白色，電場強度越高；且隨著色彩越接近於黑色，電場強度越低。再者，圖2A及圖2B繪示存在該轉移閘極TG之情況，且在圖中已安置浮動擴散FD。換句話說，圖2A及圖2B繪示圖1之該轉移閘極TG及該浮動擴散FD之鄰近處之擴大範圍內之分佈。在圖2B中，假設該轉移閘極TG處於一關閉時間，且因此施加一負電壓至該轉移閘極TG，使得該浮動擴散FD區域係處於一正電壓。
換句話說，在圖2A及圖2B中所顯示之相關技術中之一結構之情況中，在該轉移閘極TG之關閉時間下，施加一負電壓至該轉移閘極TG，使得該電壓可透過一閘極絕緣層而轉移至在該閘極絕緣層正下方之矽基板Si之一內部部分。結果，由於該閘極絕緣層正下方之矽基板與該浮動擴散FD區域之間之一電壓差，在該轉移閘極TG之末端部分之鄰近處存在一區域(圖2B中之區域A)，其中電場具有最大值。
特定言之，在該全域快門方案CMOS類型影像擷取器件中，在諸如日本未經審查專利申請公開案第2006-311515號之一實例中，在信號電荷儲存於該浮動擴散FD中之情況中，洩漏電流之影響係不可避免的。換句話說，在信號電荷儲存之時間間隔期間，由於因上文所描述之機制而於該浮動擴散FD中連續產生洩漏電流，在待轉移之信號電荷中出現雜訊，使得一SN比率(信雜比)惡化。
因此，較佳藉由實施不使電場集中出現於諸如容易產生晶體缺陷之轉移閘極TG之一末端部分的一區域中之一結構而獲得減少洩漏電流之一結構。
期望提供一種可防止電場集中於一CMOS類型固態成像器件之一浮動擴散中之一轉移閘極之一末端部分之鄰近處，使得不容易產生一洩漏電流的固態成像器件，及一種製造該固態成像器件之方法。
在本發明之一第一實施例中，提供一種固態成像器件，其包含：一光電二極體，其將一光學信號轉換至信號電荷；一轉移閘極，其從該光電二極體轉移該等信號電荷；一雜質擴散層，該等信號電荷由該轉移閘極而轉移至該雜質擴散層；及一MOS電晶體，其之一閘極連接至該雜質擴散層，其中該雜質擴散層具有一第一傳導類型半導體層及一第二傳導類型半導體層，該第二傳導類型半導體層形成於該第一傳導類型半導體層中且在該轉移閘極之一末端部分之下。
在上述實施例中，該第一傳導類型半導體層及該第二傳導類型半導體層可形成為彼此部分接觸。
再者，由該第二傳導類型半導體層建構之一部分可連接至該第二傳導類型半導體層，該第二傳導類型半導體層形成於該第一傳導類型半導體層之一元件隔離區域周圍。
再者，該第二傳導類型半導體層可形成於一重設閘極之一末端部分之下及一源極區域中，該源極區域連接至一重設電晶體之雜質擴散層。
再者，在複數個雜質擴散層及複數個轉移閘極包含於一像素中之情況中，該第二傳導類型半導體層可形成於形成至少一個或多個雜質擴散層的該第一傳導類型半導體層中之轉移閘極的該末端部分之下。
再者，在複數個雜質擴散層及複數個轉移閘極包含於一像素中之情況中，在***該等轉移閘極之間之該至少一個或多個雜質擴散層中，該第一傳導類型半導體層之一表面可由該第二傳導類型半導體層覆蓋。
再者，該固態成像器件可為具有一全域快門功能的一固態成像器件，該全域快門功能允許所有像素同時執行影像擷取操作，且所有像素可同時執行從光電二極體至雜質擴散層之信號電荷轉移，使得該等信號電荷在從轉移至讀取之一時間間隔期間儲存於該等雜質擴散層中。
在本發明之一第二實施例中，提供一種製造一固態成像器件之方法，該方法包含以下步驟：在一矽基板上形成構成一光電二極體的一第一傳導類型半導體層；形成一轉移閘極；在該轉移閘極之一末端部分之下形成一第二傳導類型半導體層；且形成構成一雜質擴散層之一第一傳導類型半導體層。
在本發明之一第三實施例中，提供一種利用一固態成像器件之電子裝置，該固態成像器件包含：一光電二極體，其將一光學信號轉換至信號電荷；一轉移閘極，其從該光電二極體轉移該等信號電荷；一雜質擴散層，該等信號電荷由該轉移閘極而轉移至該雜質擴散層；及一MOS電晶體，其之一閘極連接至該雜質擴散層，其中該雜質擴散層具有一第一傳導類型半導體層及一第二傳導類型半導體層，該第二傳導類型半導體層形成於該第一傳導類型半導體層中且在該轉移閘極之一末端部分之下。
在本發明之該第一實施例中，該光學信號由該光電二極體轉換至該等信號電荷；該等信號電荷由該轉移閘極從該光電二極體轉移至該雜質擴散層；該等信號電荷係轉移至該雜質擴散層；該MOS電晶體之閘極由該MOS電晶體而連接至該雜質擴散層；且該第二傳導類型半導體層係形成於形成該雜質擴散層之該第一傳導類型半導體層的該轉移閘極的該末端部分之下。
在本發明之該第二實施例中，構成該光電二極體之該第一傳導類型半導體層係形成於該矽基板之上；將該等信號電荷轉移至該雜質擴散層之該轉移閘極係經形成；該第二傳導類型半導體層係形成於該轉移閘極之末端部分之下；且構成該雜質擴散層之該第一傳導類型半導體層係經形成。
根據本發明之一實施例，在一浮動擴散中，可防止電場集中於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極TG之末端部分鄰近處，使得可抑制洩漏電流。再者，因為實施其中構成該浮動擴散之該雜質擴散層不與該轉移閘極TG重疊的一結構，故在該轉移閘極之該末端部分之下之重疊電容減小，使得轉換效率增加。結果，可以一較高SN比率擷取一影像。
在下文中描述本發明之例示性實施例(在下文中稱為實施例)。描述根據以下順序而進行。
1. 第一實施例(基本實例)
2. 第二實施例(元件隔離區域由第二傳導類型半導體層圍繞之實例)
3. 第三實施例(浮動擴散係連接至重設電晶體之源極區域之實例)
4. 第四實施例(包含複數個轉移閘極及複數個浮動擴散之實例)
描述根據本發明之一固態成像器件之一組態。首先，描述包含該固態成像器件之一像素電路之一組態。
圖3繪示包含該固態成像器件之一像素電路之組態。如圖3中所顯示，包含該固態成像器件之一像素電路經組態以包含一光電二極體21、一浮動擴散部分(FD)22及複數個MOS電晶體Tr1至Tr4。在圖3中，該複數個MOS電晶體Tr1至Tr4包含一轉移電晶體Tr1、一重設電晶體Tr2、一放大器電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4。
該轉移電晶體Tr1經組態為具有由該光電二極體21建構的一源極，及由該浮動擴散部分22建構的一汲極，及形成於該源極與該汲極之間之一閘極電極24。將一轉移脈衝ΦTRG供應至該轉移電晶體Tr1之該閘極電極24。相應地，累積於一光感測部分21中之信號電荷被轉移至該浮動擴散部分22。該光感測部分21係隨後描述之光電二極體PD。
該放大器電晶體Tr3經組態為具有由一電源供應電壓VDD建構的一源極，及由一雜質區域23建構的一汲極，及形成於該源極與該汲極之間之一閘極電極26。
該浮動擴散部分22及該放大器電晶體Tr3之該閘極電極26可能需要彼此電連接。換句話說，該浮動擴散部分22及該放大器電晶體Tr3之該閘極電極26係彼此電連接，使得將該浮動擴散部分22之電壓供應至該放大器電晶體Tr3之該閘極電極26。相應地，對應於該浮動擴散部分22之電壓之像素信號係輸出至作為該放大器電晶體Tr3之汲極的該雜質區域23。
該重設電晶體Tr2經組態為具有由該浮動擴散部分22建構的一源極，由該電源供應電壓VDD建構的一汲極，及形成於該源極與該汲極之間之一閘極電極25。將一重設脈衝ΦRST供應至該重設電晶體Tr2之該閘極電極25。相應地，該浮動擴散部分22之電壓係重設至接近該電源供應電壓VDD之電源電壓的一電壓。
該選擇電晶體Tr4經組態為具有由一雜質區域23建構的一源極，由連接至一垂直信號線VSL之一雜質區域28建構的一汲極，及形成於該源極與該汲極之間之一閘極電極27。作為該選擇電晶體Tr4之源極的該雜質區域23通常係用作該放大器電晶體Tr3之汲極。將一選擇脈衝ΦSEL供應至該選擇電晶體Tr4之閘極電極27。相應地，傳送至該雜質區域23之像素信號係透過該垂直信號線VSL而轉移。
在圖3中，儘管該浮動擴散部分係例示性地安置於一位置中，但是該等浮動擴散部分可安置於複數個位置中。
圖4繪示根據本發明之一實施例之一固態成像器件之一組態之一實例。
在該固態成像器件中，一n型雜質擴散層n1作為一第一傳導類型半導體層而安置於一矽基板Si上，且一p型雜質擴散層p1作為一第二傳導類型半導體層而安置於該n型雜質擴散層n1上。由該等層p1及n1建構一光電二極體PD。再者，在該圖中，安置一元件隔離區域DV，且在該元件隔離區域DV之下安置一p型雜質擴散層p2。再者，將一轉移閘極TG安置於一閘極絕緣層GF上。再者，將為一第一傳導類型半導體層之一n型雜質擴散層n2與該光電二極體PD相對而安置，該轉移閘極TG***其等之間，使得形成一浮動擴散FD。一p型雜質擴散層p11作為一第二傳導類型半導體層而安置於建構該浮動擴散FD的該n型雜質擴散層n2之該轉移閘極TG之一末端部分中。更明確言之，形成該p型雜質擴散層p11，使得其一表面之一部分與該轉移閘極TG之該末端部分重疊。
因為已形成p型雜質擴散層p11，如圖5B中所顯示，可抑制電場集中出現於該浮動擴散FD之該轉移閘極TG之該末端部分中。圖5A繪示根據本發明之實施例之圖4之固態成像器件之雜質濃度分佈，且圖5B繪示其電場強度分佈。在圖5B中，假定該轉移閘極TG處於一關閉時間，且因此施加一負電壓至該轉移閘極TG，使得該浮動擴散FD區域係處於一正電壓。在圖5A之該雜質濃度分佈中，隨著色彩越接近於白色，n型雜質之濃度越高；且隨著色彩越接近於黑色，p型雜質之濃度越高。再者，在圖5B之該電場強度分佈中，隨著色彩越接近於白色，電場強度越高；且隨著色彩越接近於黑色，電場強度越低。再者，圖5A及圖5B繪示存在該轉移閘極TG之情況，且在圖中已安置該浮動擴散FD。換句話說，圖5A及圖5B繪示圖4之該轉移閘極TG及該浮動擴散FD之鄰近處之擴大範圍內之分佈。
就存在或不存在p型雜質擴散層p11方面而言，圖4中所顯示之根據發明之實施例的該固態成像器件之結構係不同於圖1中所顯示之相關技術中之該固態成像器件之結構。
可如下描述在圖1中顯示之相關技術中之該固態成像器件的圖2A及圖2B之模擬結果。在該轉移閘極TG之關閉時間施加之該負電壓透過一閘極絕緣層GF而轉移至該矽基板Si中之一通道部分，且在該通道部分與該浮動擴散FD之間出現一電壓差。結果，在該轉移閘極TG之該末端部分鄰近處形成具有一最大值之電場的一部位。
如圖4中所顯示，該p型雜質擴散層p11(圖5A之區域B之一黑色部分)係安置於該n型雜質擴散層n2之該轉移閘極TG之該末端部分鄰近處。結果，一pn接面以從該轉移閘極TG至該浮動擴散FD之一分離方向而移位至圖5B之一區域A'。換句話說，如圖5B中所顯示，抑制電場集中於該轉移閘極TG之該末端部分中。
根據圖4中顯示之本發明之實施例之組態，可抑制電場集中於容易產生一晶體缺陷之該轉移閘極TG之該末端部分中且可抑制由於該晶體缺陷而出現洩漏電流。再者，在本發明之實施例之組態中，建構該浮動擴散的該n型雜質擴散層n2不與該轉移閘極TG重疊。結果，與圖1中顯示之相關技術中之結構的情況相比較，在該轉移閘極TG與該n型雜質擴散層n2之間產生的一重疊電容減小。以此方式，因為該浮動擴散之一寄生電容減小，轉換效率增加。本發明之實施例具有上文所述之組態，使得可減少在較暗時間或較低照度時間下擷取時容易產生之雜訊。
再者，特定言之，在該全域快門方案CMOS類型影像擷取器件中，可在信號電荷儲存時間間隔期間減少雜訊。
例如，在一捲動快門方案(稱為一焦平面快門方案或一線曝光方案)中，如圖6中所顯示，該光電二極體之曝光係以列為單位而開始，且讀取係在曝光結束的同時開始。換句話說，在圖6中，在第一列中，在一時間點t1開始曝光。在經過一曝光時間間隔Te後之一時間點t101，若曝光結束，則開始一讀取時間間隔Tr。在第二列中，在一時間點t2開始曝光。在經過該曝光時間間隔Te後之一時間點t102，若曝光結束，則開始該讀取時間間隔Tr。在一時間點t3開始曝光。在經過該曝光時間間隔Te後之一時間點t103，若曝光結束，則開始該讀取時間間隔Tr。接著，在該第一列中，在一時間點t103再次開始曝光。經過曝光時間間隔Te後，曝光結束，且同時開始該讀取時間間隔Tr。
循序重複此等程序。因此，在該捲動快門方案中，對於所擷取之影像，由於該等曝光時間間隔係以列為單位而移位，故不同時序之影像係以列為單位擷取。因此，若藉由組合以列為單位之影像而建構一張影像，則可容易地出現失真。然而，在該捲動快門方案中，由於沒有信號電荷儲存時間間隔，故相對而言不太可能出現因洩漏電流所致之雜訊。
另一方面，在該全域快門方案中，如圖7中所顯示，在所有列中同時開始曝光。當曝光時間間隔Te結束時，以列為單位循序執行讀取。換句話說，在圖7中，在一時間點t201，所有列之光電二極體之曝光同時開始。在該曝光時間間隔Te結束時之一時間點t301，曝光同時結束，且以列為單位在讀取時間間隔Tr中循序讀取信號電荷。結果，靠近起始列之列在接近於一儲存時間間隔Tk1之一較短時間間隔內結束，但靠近最終列之列的時間間隔持續長達接近於一儲存時間間隔Tkn之一較長時間。再者，Tkn中之「n」表示列數。
因此，在圖1中所顯示之相關技術中之該固態成像器件中，電場集中出現於該轉移閘極TG之該末端部分處，使得產生洩漏電流。在此狀態中，若儲存時間間隔Tkn連續進行，則信號電荷中之雜訊係與該儲存時間間隔Tkn成比例地累積，使得該影像品質可能惡化。
相反，在圖4中顯示之根據本發明之實施例之該固態成像器件中，該p型雜質擴散層p11安置於該n型雜質擴散層n2之該轉移閘極TG之該末端部分鄰近處，使得可防止電場集中於該轉移閘極TG之該末端部分中。結果，關於圖4中顯示之根據本發明之實施例之該固態成像器件，在該快門方案中，諸如包含具有一較長儲存時間間隔Tkn之像素之一全域快門方案中，可抑制出現洩漏電流，使得雜訊有效地減少。
接著，參考圖8中顯示之一流程圖而描述製造圖4中顯示之該固態成像器件之一方法。
在步驟S1中，如圖9A中所顯示，在矽基板Si上形成元件隔離區域DV。用於形成該元件隔離區域DV之一方法可為例如使用矽基板Si之選擇性氧化之一LOCOS(矽之局部氧化)方法、在一絕緣層中埋入一淺溝渠之一STI(淺溝渠隔離)方法，及在該元件隔離區域DV中形成一p型雜質擴散層之一雜質隔離方法之任一者。在藉由該LOCOS方法或該STI方法形成該元件隔離區域DV之情況中，在形成該元件隔離區域DV之前或之後，在該元件隔離區域DV之下形成用於一通道止擋件之一p型雜質擴散層p2。
在步驟S2中，如圖9B中所顯示，藉由執行離子注入而形成作為構成一光電二極體PD之一第一傳導類型半導體層之一n型雜質擴散層n1。
在步驟S3中，如圖9C中所顯示，形成一閘極絕緣層GF，且在該閘極絕緣層GF上形成由多晶矽(poly-Si)或類似物建構之一轉移閘極TG。
在步驟S4中，如圖9D中所顯示，將B(硼)離子或BF2
(氟化硼)離子注入該第一傳導類型半導體層n1之一表面上，其中藉由使用光阻PR作為一遮罩而形成該光電二極體PD。同時，亦將該等B離子或該等BF2
離子注入待形成該浮動擴散FD之一區域中。結果，在該光電二極體PD之表面上形成作為該第二傳導類型半導體層之該p型雜質擴散層p1，且同時，以與該轉移閘極TG自對準之一方式在該浮動擴散FD之該轉移閘極TG之末端部分鄰近處形成該第二傳導類型半導體層p11。
在該程序中，在將B(硼)用作一注入離子類型之情況中，注入能量設定為例如20 keV或更小。在使用BF2
之情況中，注入能量設定為例如50 keV或更小。再者，在該等情況之任一者中，所注入之量設定為1 e12
/cm2
或更多。
在步驟S5中，如圖9E中所顯示，將1 e13
/cm2
或更多之磷離子或砷離子注入於該浮動擴散FD中，使得形成作為第一傳導類型半導體層之一n型雜質擴散層n2。
在步驟S6中，透過熱處理諸如RTA(快速熱退火)而活化所注入之雜質。
在上述製程中，形成該浮動擴散FD之該第一傳導類型半導體層之方法亦可為在該轉移閘極TG之一側壁上形成一側壁間隔物，且其後透過注入砷或磷作為雜質而形成一擴散層之一方法。
再者，在形成該轉移閘極TG之後，可注入約1 e13
/cm2
至1 e14
/cm2
之磷或砷作為雜質，且其後，可在該轉移閘極TG之側壁上形成該側壁間隔物。再者，透過注入砷或磷作為雜質而形成該雜質擴散層，且可形成一LDD(輕度摻雜汲極)結構。
根據上述製程，作為第二傳導類型半導體層之該p型雜質擴散層p11及在該光電二極體PD之表面上之作為第二傳導類型半導體層之該p型雜質擴散層p1係同時形成於該浮動擴散FD之該轉移閘極TG之末端部分鄰近處。因此，在相關技術中之製程中，在於該光電二極體PD之表面上形成作為第二傳導類型半導體層之該p型雜質擴散層p1之程序中，程序範圍經部分地擴大，以便形成該層p11，使得可製造圖4中顯示之該固態成像器件。結果，與相關技術中之製程不同的是，其可在無需增添一新程序之前提下以一較低成本製造能夠容易減少洩漏電流之固態成像器件。
在上文之描述中，描述其中作為該第二傳導類型半導體層之層p11係形成於該浮動擴散FD之該轉移閘極TG之末端部分中之實例。若保持上述位置關係，該層p11可經組態以存在於一不同範圍內。例如，如圖10A及圖10B中所顯示，可形成一層p21來代替層p11。該層p21經組態以在浮動擴散FD之表面處圍繞該浮動擴散FD，且以一層壓形狀圍繞該元件隔離區域DV。圖10A係一平面圖，且圖10B係沿著圖10A之線XB-XB獲得之一橫截面圖。
可在形成該元件隔離區域DV之前或之後藉由形成p型雜質擴散層而實施該層p21，以便透過雜質注入以層壓形狀覆蓋該元件隔離區域DV。
根據該組態，可防止電場集中於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極TG之該末端部分中，且可減少該浮動擴散FD中之洩漏電流，且亦可減少在該元件隔離區域DV之鄰近處出現之洩漏電流。結果，由於可減少在該轉移閘極TG及該元件隔離區域DV之任一者中之洩漏電流，故亦可減少在一較暗時間或一較低照度時間下所擷取之影像中的雜訊。
在上文之描述中，例示說明如下之一實例：在該浮動擴散FD中，該層p11或該層p21係形成於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極TG之末端部分鄰近處。然而，即使對於並非是該轉移閘極TG之末端部分之一部分，若在該部分中容易產生晶體缺陷，則可獲得相同之效果。
例如，如圖11中所顯示，除了形成該轉移閘極TG之外，可形成包含一重設閘極RG之一重設電晶體RST，且可在連接至該浮動擴散FD之該重設電晶體RST之一源極區域Ss中形成類似於該層p11之作為一第二傳導類型半導體層之一p型雜質擴散層p52。
在此情況中，藉由一電線L而允許構成該浮動擴散FD之該n型雜質擴散層n2及構成該重設電晶體RST之該源極區域Ss之該n型雜質擴散層n51處於相同之電壓位準。若該等層n2及n51係一體地形成，則該電線L係不必要的。
根據該組態，可防止電場集中出現於該浮動擴散FD之該轉移閘極TG之該末端部分中，使得不僅可減少該浮動擴散FD中之洩漏電流，而且亦可以相同方式減少連接至該浮動擴散FD之該重設電晶體RST之源極區域中的洩漏電流。
在上文之描述中，提供一轉移閘極及一浮動擴散，或提供一重設閘極或一源極區域。然而，可組態以提供複數個此等元件。
例如，如圖12A中所顯示，一固態成像器件經組態以包含兩個浮動擴散FD1及FD2及兩個轉移閘極TG1及TG2，且作為第二傳導類型半導體層之p型雜質擴散層p11、p71及p72係安置於該等浮動擴散FD1及FD2之該等轉移閘極TG1及TG2之各者之末端部分上。換句話說，該等p型雜質擴散層p11、p71及p72係安置於作為構成該等浮動擴散FD1及FD2之第一傳導類型半導體層的該等層n71及n72之該等轉移閘極TG1及TG2的末端部分上。因此，在其等之任一者中，因為可防止電場集中於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極之該末端部分中，故可減少由電場集中引起之洩漏電流。
再者，該等層p11及p71可經一體地組態以在層n71之表面處圍繞該層n71。更明確言之，如圖12B中所顯示，該等層p11及p71可一體地形成以構成一層p101，以便覆蓋該層n71之表面，使得可獲得相同之效果。
再者，在上文之描述中，該第一傳導類型半導體層及該第二傳導類型半導體層分別對應於該n型雜質擴散層及該p型雜質擴散層。然而，該p型雜質擴散層及該n型雜質擴散層可交換組態。在此情況中，亦可獲得相同之效果。
接著，參考圖13A及圖13B而描述利用根據本發明之實施例之固態成像器件之一電子裝置之一組態之一實例。圖13A係繪示由根據本發明之實施例之固態成像器件建構的一固態成像裝置101之一組態之一示意圖。圖13B係一電子裝置131之一示意性橫截面圖。
如圖13A中所顯示，該固態成像裝置101包含一像素陣列部分111(其中單位像素以一陣列形狀安置)、一控制電路112、一垂直驅動電路113、一行信號處理電路114、一水平驅動電路115，及一輸出電路116。該控制電路112控制該垂直驅動電路113、該行信號處理電路114及該水平驅動電路115。該垂直驅動電路113、該行信號處理電路114及該水平驅動電路115藉由使用垂直信號線L1及像素驅動線L2而轉移該像素陣列部分111之像素信號且從該輸出電路116處輸出該等像素信號。
圖13B中顯示之該電子裝置131係使用根據本發明之實施例之上文所述之包含像素之固態成像裝置101之情況中之一組態之一實例。例如，該電子裝置131係可擷取一靜態影像之一數位相機。
該電子裝置131包含該固態成像裝置101、一光學透鏡141、一快門單元142、一驅動電路143及一信號處理電路144。
該光學透鏡141允許來自一物件之一影像光(入射光)聚焦於該固態成像裝置101之一成像平面上。相應地，信號電荷在一預定時間間隔內累積於該固態成像裝置101中。該快門單元142控制該固態成像裝置101之一曝光時間及一擋光時間。該驅動電路143供應驅動信號以控制該固態成像裝置101之轉移操作及該快門單元142之快門操作。該驅動電路143供應驅動信號(時序信號)至該固態成像裝置101，且該固態成像裝置101基於該等驅動信號而執行信號轉移，以供應影像信號至該信號處理電路144。該信號處理電路144對從該固態成像裝置101供應之該等影像信號執行多種信號處理。該等經信號處理之視訊信號係儲存於一儲存媒體(圖中未顯示)中，諸如儲存於一記憶體中或被輸出且顯示於一監視器，諸如一LCD(液晶顯示器)上。
圖13B中顯示之該電子裝置131利用包含根據本發明之實施例之該固態成像器件之該固態成像裝置101。在該固態成像裝置101之該浮動擴散中，可防止電場集中於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極之末端部分鄰近處，使得可抑制洩漏電流。再者，在該轉移閘極之該末端部分中之重疊電容減小，使得轉換效率增加。因此，在該電子裝置131中，可以一較高SN比率擷取一影像。
該電子裝置131(其可經調適於利用根據本發明之實施例之該固態成像器件之該固態成像裝置101)並不限制於一數位相機，但其可經調適於一影像擷取裝置，諸如用於一行動裝置(諸如一行動電話)之一數位靜態相機或一相機模組。
根據本發明之實施例，在該浮動擴散FD中，因為可防止電場集中於容易產生晶體缺陷之該轉移閘極之末端部分鄰近處，故可抑制洩漏電流，使得可在一較低照度時間或一較暗時間下擷取具有減少雜訊之一影像。特定言之，在包含一全域快門方案之一快門之固態成像器件之情況中，因為信號電荷在一較長時間內係儲存於該浮動擴散FD中直至讀取操作，故洩漏電流減少，且可擷取具有較低雜訊之一影像。
再者，在本說明書中，描述該等程序之步驟可根據描述順序按時間序列執行，否則該等步驟可並行地執行或個別地執行來代替按時間序列執行。
本申請案包含在2009年7月27日向日本專利局申請之日本優先權專利申請案JP 2009-174329及2010年3月19日申請之JP 2010-065114中揭示之相關標的，其等之全文以引用之方式併入本文中。
熟習此項技術者應理解，取決於設計需求及其他因數可出現多種修改、組合、子組合及變更，只要該等修改、組合、子組合及變更係在隨附申請專利範圍內或為其等之等效物。
21．．．光電二極體
22．．．浮動擴散部分
23．．．雜質區域
24．．．閘極電極
25．．．閘極電極
26．．．閘極電極
27．．．閘極電極
28．．．雜質區域
101．．．固態成像裝置
111．．．像素陣列部分
112．．．控制電路
113．．．垂直驅動電路
114．．．行信號處理電路
115．．．水平驅動電路
116．．．輸出電路
131．．．電子裝置
141．．．光學透鏡
142．．．快門單元
143．．．驅動電路
144．．．信號處理電路
DV．．．元件隔離區域
FD．．．浮動擴散
FD1．．．浮動擴散
FD2．．．浮動擴散
GF．．．閘極絕緣層
n1．．．n型雜質擴散層
n2．．．n型雜質擴散層
n51．．．n型雜質擴散層
n71．．．層
n72．．．層
PD．．．光電二極體
p1．．．p型雜質擴散層
p2．．．p型雜質擴散層
p11．．．p型雜質擴散層
p21．．．p型雜質擴散層
p52．．．p型雜質擴散層
p71．．．層
p72．．．層
p101．．．層
RST．．．重設電晶體
SEL．．．選擇脈衝
Si．．．矽基板
Ss．．．源極區域
TG．．．轉移閘極
TG1．．．轉移閘極
TG2．．．轉移閘極
Tr1．．．轉移電晶體
Tr2．．．重設電晶體
Tr3．．．放大器電晶體
Tr4．．．選擇電晶體
VDD．．．電源供應電壓
VSL．．．垂直信號線
圖1係繪示相關技術中之一固態成像器件之一組態之一實例的一圖式；
圖2A及圖2B係繪示圖1之該固態成像器件中之一雜質濃度分佈及一電場強度分佈之圖式；
圖3係繪示包含一固態成像器件之一像素電路之一組態之一圖式；
圖4係繪示根據本發明之一實施例之一固態成像器件之一組態之一實例之一圖式；
圖5A及圖5B係繪示圖4之該固態成像器件中之一雜質濃度分佈及一電場強度分佈之圖式；
圖6係繪示一捲動快門之操作之一圖式；
圖7係繪示一全域快門之操作之一圖式；
圖8係繪示一製造方法之一流程圖；
圖9A至圖9E係繪示根據本發明之一實施例之一製造方法之製程圖式；
圖10A及圖10B係繪示根據本發明之一實施例之一固態成像器件之一組態之一實例之圖式，其中一元件隔離區域由一第二傳導類型半導體層而圍繞；
圖11係繪示根據本發明之一實施例之一固態成像器件之一組態之一實例之一圖式，其中一浮動擴散係連接至一重設電晶體之一源極區域；
圖12A及圖12B係繪示根據本發明之一實施例之一固態成像器件之一組態之一實例之圖式，其中包含複數個轉移閘極及複數個浮動擴散；及
圖13A及圖13B係繪示利用根據本發明之一實施例之一固態成像器件之一電子裝置之一組態之一實例之圖式。
DV．．．元件隔離區域
FD．．．浮動擴散
GF．．．閘極絕緣層
n1．．．n型雜質擴散層
n2．．．n型雜質擴散層
PD．．．光電二極體
p1．．．p型雜質擴散層
p2．．．p型雜質擴散層
p11．．．p型雜質擴散層
Si．．．矽基板
TG．．．轉移閘極
Claims (9)
- 一種固態成像器件，其包括：一光電二極體，其將一光學信號轉換至信號電荷；一轉移閘極，其從該光電二極體轉移該等信號電荷；一雜質擴散層，該等信號電荷由該轉移閘極而轉移至該雜質擴散層；及一MOS電晶體，其之一閘極連接至該雜質擴散層，其中該雜質擴散層具有一第一傳導類型半導體層及一第二傳導類型半導體層，該第二傳導類型半導體層形成於該第一傳導類型半導體層中且在該轉移閘極之一末端部分之下。
- 如請求項1之固態成像器件，其中該第一傳導類型半導體層及該第二傳導類型半導體層係形成為彼此部分接觸。
- 如請求項1之固態成像器件，其中以該第二傳導類型半導體層建構之一部份係連接至形成於該第一傳導類型半導體層之一元件隔離區域周圍之該第二傳導類型半導體層。
- 如請求項1至3中任一項之固態成像器件，其中在形成連接至該雜質擴散層的一重設電晶體之一源極區域所在的該第一傳導類型半導體層中，該第二傳導類型半導體層係形成於一重設閘極之一末端部分之下。
- 如請求項1至3中任一項之固態成像器件，其中在於一像素中具有複數個雜質擴散層及複數個轉移閘極之該固態 成像器件中，該第二傳導類型半導體層係形成於形成至少一個或多個雜質擴散層之該第一傳導類型半導體層中之該轉移閘極之該末端部分之下。
- 如請求項5之固態成像器件，其中在該至少一個或多個雜質擴散層中，該第一傳導類型半導體層之一表面係由該第二傳導類型半導體層覆蓋。
- 如請求項1至3中任一項之固態成像器件，其中該固態成像器件具有一全域快門方案，其中所有像素同時執行影像擷取操作，且其中所有像素同時執行從該等光電二極體至該等雜質擴散層之信號電荷轉移，使得該等信號電荷在從該轉移至讀取之一時間間隔期間儲存於該等雜質擴散層中。
- 一種製造一固態成像器件之方法，其包括以下步驟：在一矽基板上形成構成一光電二極體的一第一傳導類型半導體層；形成一轉移閘極，其執行從該光電二極體轉移信號電荷；在該轉移閘極之一末端部分之下形成一第二傳導類型半導體層；及形成構成一雜質擴散層之一第一傳導類型半導體層。
- 一種利用如請求項1至7中任一項之固態成像器件之電子裝置，該固態成像器件包含：一光電二極體，其將一光學信號轉換至信號電荷；一轉移閘極，其從該光電二極體轉移該等信號電荷； 一雜質擴散層，該等信號電荷由該轉移閘極而轉移至該雜質擴散層；及一MOS電晶體，其之一閘極連接至該雜質擴散層，其中該雜質擴散層具有一第一傳導類型半導體層及一第二傳導類型半導體層，該第二傳導類型半導體層形成於該第一傳導類型半導體層中且在該轉移閘極之一末端部分之下。
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