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CN1666345A - 固体摄像器件 - Google Patents

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CN1666345A CN03815217.7A CN03815217A CN1666345A CN 1666345 A CN1666345 A CN 1666345A CN 03815217 A CN03815217 A CN 03815217A CN 1666345 A CN1666345 A CN 1666345A
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Abstract

本发明的固体摄像器件是具有多个根据入射光生成信号电荷的单位象素的固体摄像器件，在单位象素的区域内设置了吸气区域。该吸气区域由于与单位象素距离近，故对固体摄像器件的象素区域发挥直接且高效的吸气能力。其结果，能高效地去除包含在象素区域中的金属污染，能显著降低由金属污染所产生的暗输出。

Description

固体摄像器件
技术领域
本发明涉及具有多个根据入射光生成信号电荷的单位象素的固体摄像器件。
背景技术
以前，已知有在半导体晶片的背面形成吸气(gettering)层、并将晶片内的金属污染集中在背面侧捕捉的吸气技术。关于这样的吸气技术的背景技术，在日本电子通信学会编制的《LSIハンドブツク(手册)》(第一版第一次印刷，358页～364页，オ-ム社发行)中有所记载。
此外，在日本特开2002-43557号公报中记载了在固体摄像器件中适用了吸气技术的例子。在该现有公报中，在包围象素区域的阱的外侧(主要在阱的下方)形成了吸气层。
一般地，若固体摄像器件被金属等污染，则从该污染处产生暗输出，使图像信号的信噪比降低。
特别是在外延层形成了象素区域的情况下，金属污染显著发生。作为这样的金属杂质的污染源，例举有外延生长的材料气体中的金属和使用于工艺设备(气体配管等)的金属等。由于由该金属杂质产生的暗输出直接作用于外延层的象素区域，故图像信号的信噪比降低很大。
因此，本发明者对于在工艺设备中使用很多的、成为暗输出的主要原因的“铁”进行了假想工艺过程的污染实验。在该实验中，在将硅基片加热到900℃的状态下，使铁固溶在硅基片中。这时，暗输出等使元件特性恶化的铁污染就一直发生到从基片表面5μm的深度。
从该实验结果可以想象，在固体摄像器件的工艺过程中产生的金属污染直接污染了表面附近的象素区域。
但是，在上述现有的吸气技术中，将吸气层形成在“基片背面”或“阱的下方”。因此，吸气层与象素区域(基片表面)的间隔实际较远，存在对于金属污染集中的象素区域吸气能力容易不足的问题。
特别是，若固体摄像器件的元件微细化发展而使工艺低温化，则吸气能力就全面降低，因此，对于象素区域的污染去除的效果就容易不充分。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种对固体摄像器件(象素区域)的污染去除有效的吸气技术。以下关于本发明进行说明。
(1)本发明的固体摄像器件是具有多个根据入射光生成信号电荷的单位象素的固体摄像器件。在这些多个单位象素的至少一部分区域中设置吸气区域。
(2)再有，最好在设置于半导体基片上的阱中形成多个单位象素。在该阱的内部设置吸气区域。
(3)此外，最好每个单位象素独立地设置吸气区域。
(4)再有，最好将吸气区域形成在与单位象素的进行光电变换的层大致相等的深度。
(5)此外，最好将吸气区域设置在单位象素的区域内的被遮光的地方上。
(6)再有，最好将吸气区域设定为平均杂质浓度在1E20cm-3以上的区域。
(7)此外，最好将吸气区域内的铁的平均面积浓度设定在1E10cm-2以上。
(8)再有，最好将吸气区域设定在存在晶格缺陷的区域上。
(9)此外，最好将吸气区域设定在包含硼、磷、砷和锑中的至少一种作为杂质的区域上。
(10)再有，最好在施加恒电压的地方上设置吸气区域。
(11)此外，最好至少在一部分的单位象素的区域内设置上述吸气区域和与金属布线接触的接触区域。
附图说明
可以利用以下的说明和附图，容易地确认本发明中的上述目的和除此之外的目的。
图1是示出固体摄像器件10的感光面的结构的图。
图2是示出单位象素11的等效电路的图。
图3是沿图1中的A-A’线的剖面图。
图4是沿图1中的B-B’线的剖面图。
图5是示出固体摄像器件30的感光面的结构的图。
图6是示出单位象素41的等效电路的图。
图7是沿图5中的C-C’线的剖面图。
图8是沿图5中的D-D’线的剖面图。
图9是示出吸气区域的平均杂质浓度与固体摄像器件的暗输出之间关系的实验数据。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明涉及的实施方式。
第一实施方式：
图1是示出固体摄像器件10的感光面的结构的图。
如图1所示，固体摄像器件10大致由排列成阵列状的单位象素11和包含垂直扫描电路等的外围电路12构成。这些多个单位象素11形成在阱13的内侧。
图2是示出该单位象素11的等效电路的图。
在单位象素11中构图形成下面的元件。
(1)将入射光光电变换成信号电荷的光电二极管PD、
(2)复位用的MOS开关Qr、
(3)用于从光电二极管PD读取信号电荷的MOS开关Qt、
(4)将读取的信号电荷变换成电压信号的放大元件Qa、
(5)用于选择输出行的MOS开关Qs。
图3是图1中示出的A-A’线的剖面图。
如图3所示，除了光电二极管PD的开口部分以外，单位象素11的表面被遮光膜15覆盖。
在单位象素11的除了电路元件以外的区域中，适当地形成场氧化膜17，使相邻的单位象素11相互分离并绝缘。在该场氧化膜17的下面形成吸气区域20。该吸气区域20是硼等平均杂质浓度满足下式的高浓度杂质区域。
1E20cm-3≤平均杂质浓度≤1E23cm-3
关于该上限值1E23cm-3，是与金属硼的浓度大致相等的值。另一方面，关于下限值1E20cm-3的根据，在后述的实验数据的说明中详细解释。
此外，在该吸气区域20的内部存在位错环或堆垛层错或空位等晶格缺陷。该晶格缺陷由于存在于吸气区域20内，故不达到光电二极管的耗尽区域，而在光电二极管PD中引起漏电流的可能性小。
这样的吸气区域20通过捕捉铁污染，结果铁的平均面积浓度示出1E10cm-2以上。
例如，作为这样的吸气区域20的形成方法，可以在形成场氧化膜17之前离子注入硼，在氮气气氛中实施950℃、30分钟的退火处理。这样的处理后，在1000℃左右的高温下进行氧化，在吸气区域20的上面形成厚的场氧化膜17。
此外，作为另外的吸气区域20形成方法，也可以通过场氧化膜17，利用高能量离子注入法向场氧化膜17的下面导入硼。
(第一实施方式的效果等)
上述的吸气区域20具有如下特征。
(A)吸气区域20设置在电路形成单位象素11的区域内(或者电路形成单位象素11的多个层中)。从而，根据上述的现有技术，实际缩短了吸气区域20与单位象素11的间隔，能够得到对单位象素11的高吸气效果。其结果，吸气区域20对于容易受金属污染影响的单位象素11发挥强有力的吸气效果，容易提高固体摄像器件10的信噪比。
(B)吸气区域20存在于包围单位象素11的阱13的内部。从而，吸气区域20从阱13内侧直接作用于单位象素11，能够得到更高的吸气效果。
(C)吸气区域20形成在与光电二极管PD的耗尽区域大致相等的深度。从而，能够对光电二极管PD的耗尽区域得到高的吸气效果。其结果，就能显著拉出存在于光电二极管PD的耗尽区域中的污染金属，能显著降低在该耗尽区域内产生的暗输出。其结果，能确实提高固体摄像器件10的信噪比。
(D)吸气区域20设置在被遮光膜15遮光的地方。因此，即使固体摄像器件10处于光照射下，吸气区域20也保持为暗状态。通常，通过白光的照射，吸气区域20内的、与硼成对构成的重金属的施主一部分背离。但是，在本实施方式中，由于吸气区域20被置于暗状态，因此，捕捉的金属的背离少，能持续地得到更稳定的吸气效果。
(E)在吸气区域20中存在晶格缺陷。晶格缺陷由于其不规则结构而对周围的晶体产生晶格变形。该晶格变形作为重金属类的吸气中心而工作。从而，吸气区域20利用该晶格变形的吸气作用，就能进一步有效地捕捉金属污染。
(F)特别是，在此的吸气区域20能够设为不与金属布线接触的区域。由于这样的吸气区域20能够配置成与金属布线的图形无关，因此，位置的自由度高。因此，能够将该吸气区域20适当地配置在光电二极管PD的耗尽区域的附近。该情况下，能够对该耗尽区域提高重点且有效的吸气效果。其结果，就能有效地降低在该耗尽区域内产生的暗输出，能有效地提高固体摄像器件10的信噪比。
下面，关于另外的实施方式进行说明。
第二实施方式：
由于第二实施方式中的单位象素的结构与第一实施方式(图1、图2)相同，故省略在此的说明。
图4是沿图1中的B-B’线的剖面图。
如图4所示，在第二实施方式中，在MOS开关Qr的区域(施加复位电压的区域)、放大元件Qa的漏极区域和MOS开关Qs的区域(与垂直读出线连接的区域)中设置吸气区域20a。再有，在这些区域内，由于与金属布线欧姆接触的区域区别于不与金属布线欧姆接触的吸气区域，因此有时也特殊地称作接触区域。
在这些吸气区域20a中，例如按1E20cm-3以上的平均杂质浓度导入磷作为杂质。
此外，在该吸气区域20a的内部也存在位错环或堆垛层错或空位等晶格缺陷。
作为这些吸气区域20a的形成方法，可以利用例如离子注入法从半导体基片的表面导入磷，之后，在例如氮气气氛中在950℃以下的温度中退火30分钟来激活磷即可。
这样的吸气区域20a通过捕捉铁污染，结果铁的平均面积浓度为1E10cm-2以上。
(第二实施方式的效果等)
这样地，在第二实施方式中追加吸气区域20a。因此，就能进一步提高第一实施方式中说明过的吸气效果。
下面，关于另外的实施方式进行说明。
第三实施方式：
图5是示出固体摄像器件30的感光面的结构的图。
如图5所示，固体摄像器件30大致由排列成阵列状的单位象素41和包含垂直扫描电路等的外围电路42构成。
图6是示出该单位象素41的等效电路的图。
单位象素41由以下构图构成：将入射光光电变换成信号电荷的光电二极管PD，用于从光电二极管PD读取信号电荷的MOS开关Qt，复位用的MOS开关Qr，以及将读取的信号电荷变换成电压信号的结型FET的放大元件Qa。
图7是沿图5中的C-C’线的剖面图。
图8是沿图5中的D-D’线的剖面图。
如图7和图8所示，在第三实施方式中，在MOS开关Qr的主电极32(施加复位电压的一侧)和放大元件Qa的漏极33上分别设有吸气区域32a、33a。再有，在这些区域内，由于与金属布线欧姆接触的区域区别于不与金属布线欧姆接触的吸气区域，因此有时也特殊地称作接触区域。
在这些吸气区域32a中例如按1E20cm-3以上的平均杂质浓度导入硼。此外，在这些吸气区域33a中，例如按1E20cm-3以上的平均杂质浓度导入磷。
另外，在这些吸气区域32a、33a的内部也存在位错环或堆垛层错或空位等晶格缺陷。
作为这些吸气区域32a、33a的形成方法，可以利用例如离子注入法导入氟化硼或磷，之后，在例如氮气气氛中、在950℃以下的温度中退火30分钟。
这样的吸气区域32a、33a通过捕捉铁污染，结果铁的平均面积浓度为1E10cm-2以上。
再有，在第三实施方式中，对半导体基片实施现有技术的本征吸气(IG)处理，形成了微小缺陷区域(体微小缺陷BMD)31b和基片表面的无缺陷区域(DZ区域)31a。
利用该微小缺陷区域31b，也能够从单位象素41的区域下方捕捉金属污染，能得到更可靠的吸气效果。
(第三实施方式的效果等)
在第三实施方式中，利用吸气区域32a、33a，能得到与第一实施方式同样的效果。
另外，在第三实施方式中，也能得到如下三点的效果。
(1)一般地，在现有的吸气技术中，由于将吸气层设置在基片单位和阱单位上，因此，吸气层的尺寸大。由于这样的吸气层不但尺寸大而且高浓度地包含杂质和缺陷，因此，很难不对单位象素的元件结构和功能及工作产生坏影响。因此，以前需要充分地分离吸气层和单位象素进行设计。
但是，在本实施方式中，对每个单位象素41将吸气区域32a、33a设计成独立的形状。从而，就能选择对单位象素41的元件结构和功能及工作无障碍的位置局部地配置吸气区域。其结果，既对单位象素41产生更强力的吸气作用，又能够确实减少对单位象素41的元件结构和功能及工作的坏影响。
(2)在第三实施方式中，在构成单位象素41的电路元件的一部分区域形成吸气区域32a、33a。因此，即使原来存在的一部分区域的尺寸扩大一些，也不需要确保专用于吸气区域的新地方。因此，尽管在有限的单位象素41的区域内追加了吸气区域32a、33a，单位象素41的无用的尺寸扩大、芯片尺寸的扩大和有效感光面积的缩小这样的弊端也极少。
(3)在第三实施方式中，特别选择施加恒电压的地方设置了吸气区域32a、33a。具体地说，利用聚硅和硅化物等也能施加恒电压。
利用恒电压电路和接地线，将这样的地方电气性地维持为低阻抗。因此，即使捕捉后的污染物质在吸气区域32a、33a内产生暗电流，也能够快速地吸收该暗电流。其结果，能可靠地封闭捕捉后的污染物质所产生的暗电流，能进一步提高图像信号的信噪比。
再有，在第三实施方式中，选择原本施加了恒电压的地方配置吸气区域，但作为发明不限定于此。在新配置了吸气区域的情况下，也可以在该吸气区域新布线连接恒电压线路。
(实验数据)
在此，用实验数据来验证本发明中的吸气区域的平均杂质浓度与固体摄像器件的暗输出的关系。
以下对该实验的顺序进行说明。首先，如第一～第三实施方式中说明的那样，准备多个在单位象素的区域内设置了吸气区域的固体摄像器件。在这些试样中，导入到吸气区域中的硼浓度各种各样地变化。
对于这些试样，使铁在900℃中含有到最大固溶度4.2E13cm-3。在这样的铁污染后，对各试样测量暗输出。
图9绘制了这样测量得到的暗输出与吸气区域中的硼的平均杂质浓度的关系。
从该图9的实验结果可知，若将吸气区域的平均杂质浓度上升到1E20cm-3，则暗输出急剧地减半。在该平均杂质浓度1E20cm-3的附近，出现暗输出的减少曲线的拐折点，到此为止的急剧的暗输出的减少趋势变得缓慢一些。再有，即使超过该平均杂质浓度1E20cm-3，暗输出的减少趋势也进一步继续，接着在平均杂质浓度2E20cm-3中，暗输出几乎变为零(即，测量极限以下)。
从该实验结果可知，关于在单位象素区域内形成的吸气区域，最好将平均杂质浓度设定在1E20cm-3以上(更好的是2E20cm-3以上)。利用这样的平均杂质浓度的设定，就能使固体摄像器件的暗输出减少到一半左右(或者大致为零)。
再有，若根据暗输出的减半而推断为吸气区域捕捉了一半左右的单位象素内的铁污染，则这时的吸气区域内的铁的平均面积浓度根据下式成为1E10cm-2左右。
(4.2E13cm-3)×(污染深度5μm)/2≈1E10cm-2
从而，在本来不存在铁的单位象素内的高浓度杂质区域中铁的平均面积浓度示出高浓度(作为一例，在1E10cm-2以上)的情况下，能够断定为该高浓度杂质区域是本发明的吸气区域。
但是，吸气区域内的铁的平均面积浓度随着铁的污染量而变化。因此，尽管铁的平均面积浓度是低浓度(作为一例，不足1E10cm-2)，也不能一概地断定为就不是本发明的吸气区域。
(实施方式的补充事项)
再有，在上述实施方式中，利用杂质导入形成了吸气区域。该杂质导入作为如上述实施方式所述地局部形成吸气区域的方法特别好。但是，本发明不限定于这样的吸气区域的形成方法。例如，也可以利用加工变形来形成吸气区域。此外，也可以利用膜形成来形成吸气区域。或者，通过控制热处理气氛来形成吸气区域。
此外，在上述实施方式中，导入硼或磷来形成吸气区域。特别是硼，在吸气象素区域的主要污染物质即铁的方面发挥了很高的效果。但是，本发明不限定于这样的杂质。例如，作为用于形成吸气区域的杂质，最好是硼、磷、砷和锑中的至少一种。
再有，本发明可以在不脱离其主旨和主要特征的前提下，用其他的各种各样的形式来实施。因此，上述实施例只不过是其中的一个例示，不能限定地解释。本发明的范围由权利要求的范围来示出，不局限于说明书的内容。另外，属于权利要求的范围的均等范围的变形和变更，全部在本发明的范围内。
工业上的可利用性
如以上说明，在本发明中，在单位象素的区域内形成吸气区域。从而，吸气区域与单位象素的间隔比现有技术的近，能提高对单位象素的吸气效果。其结果，就容易实现暗输出少的固体摄像器件。

Claims (11)

1.一种固体摄像器件，具有多个根据入射光生成信号电荷的单位象素，其特征在于，
至少在一部分的上述单位象素的区域内设置了吸气区域。
2.如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
多个上述单位象素形成在设置于半导体基片上的阱中，
上述吸气区域存在于上述阱的内部。
3.如权利要求1至2中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
每个上述单位象素独立地设置了上述吸气区域。
4.如权利要求1至3中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述吸气区域形成在与上述单位象素的进行光电变换的层大致相等的深度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述吸气区域被设置在上述单位象素的区域内的被遮光的位置。
6.如权利要求1至5中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述吸气区域是平均杂质浓度为1E20cm-3以上的区域。
7.如权利要求1至6中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述吸气区域内的铁的平均面积浓度为1E10cm-2以上。
8.如权利要求1至7中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述吸气区域是存在晶格缺陷的区域。
9.如权利要求1至8中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述吸气区域是包含硼、磷、砷和锑中的至少一种作为杂质的区域。
10.如权利要求1至9中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
在施加恒电压的地方设置了上述吸气区域。
11.如权利要求1至10中任一项所述的固体摄像器件，其特征在于，
至少在一部分的单位象素的区域内，设置了上述吸气区域和与金属布线接触的接触区域。
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