CN1684269A

CN1684269A - 固态图像传感器

Info

Publication number: CN1684269A
Application number: CNA2005100652665A
Authority: CN
Inventors: 宫川良平; 田中晶二
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Craib Innovations Ltd
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: US20050230720A1; KR100683304B1; JP2005310826A; US7015522B2; JP3727639B2; TWI263330B; KR20060045713A; CN100407434C; TW200601556A

Abstract

本发明提供了一种固态图像传感器，其包括具有多个象素的半导体衬底1，并且每个象素包括杂质层2、光电转换层4、读出区域5和栅电极7。该杂质层2包括与位于栅电极7下紧挨栅电极7的衬底1的一部分相邻的邻接部分。该邻接部分包括沿栅极的宽度方向排列的子部分2a、2b和2c，所述栅极的宽度方向与信号电荷的输运方向以及衬底的厚度方向垂直。包含该邻接部分的中心的子部分2a中的杂质浓度低于子部分2b和2c中的杂质浓度。

Description

固态图像传感器

技术领域

本发明涉及固态图像传感器，尤其涉及象素的结构。

背景技术

近年来，MOS图像传感器在固态图像传感器领域赢得了越来越多的关注，因为MOS图像传感器在尺寸减小和功耗降低方面比电荷耦合器件(CCD)图像传感器更有优势。

MOS图像传感器的结构是：多个象素在p型半导体衬底(或者p型阱)上排列成矩阵。按行和列扫描象素中的信号电荷并顺序读出这些信号电荷，并且随后输出一帧中使用的图像数据，所述信号电荷中的每一个都是根据每个象素中接收的光量产生的。每个象素包括光电转换层、栅电极和读出区域。

光电转换层是形成在p型半导体衬底中的n型区域。在p型区域和n型区域之间的边界附近形成耗尽区，在耗尽区中两个区域的载流子在相互结合之后消失。换言之，在耗尽区中，n型区域中没有电子且p型区域中没有空穴。因此，在耗尽区中n型区域的电势相对高于p型区域中的电势，这意味着在耗尽区中产生内电场。

如果入射的光量足够，则在半导体衬底中产生电子-空穴对。当在耗尽区中产生电子-空穴对时，由于内电场，电子和空穴向相反的方向漂移。电子聚积在n型区域，并随后变成信号电荷。

栅电极控制信号电荷从光电转换层向读出区域的输运。当向栅电极施加正的栅电压时，在栅电极下的衬底区域处紧挨着栅电极形成沟道。信号电荷通过该沟道从光电转换层输运到读出区域。

通常，由于杂质注入，在衬底表面附近可以观察到很多晶体缺陷。在衬底的这部分中，由于热激发产生电子-空穴对。因为这些电子的激发不是基于所接收的光量，所以当被收集以形成信号电荷时，这些电子变成噪声成份，并且导致被称为白点缺陷的缺陷。

作为消除这种白点缺陷的一种方法，日本待审专利申请No.2001-345437公开了一种固态图像传感器，其具有位于衬底表面处的杂质层以及位于该杂质层之下紧挨着该杂质层的光电转换层。该杂质层是通过以高浓度注入p型杂质形成的。杂质层中杂质浓度的增加抑制了光电转换层中的耗尽区扩展到衬底表面。因此，即使电子在衬底表面附近被热激发，这些电子也不被收集到耗尽区。因此，可以消除白点缺陷。

然而，虽然上述传统技术可以解决由于白点缺陷导致的问题，但是这种传统技术也呈现出如下所述的新问题。

当p型杂质的浓度高时，难以在栅电极下紧挨栅电极的衬底区域充分形成沟道，并且不是所有的信号电荷都能被输运。因此，被输运的信号电荷量减少，并且信噪比降低。这阻碍了高灵敏度图像传感器的生产。

增加栅电压可形成足以输运所有信号电荷的沟道。然而，这增加了功耗量，阻碍了低功率图像传感器的生产。

发明内容

考虑到上述问题，本发明的目的是提供灵敏度高且功率低的图像传感器，并且该图像传感器无白点缺陷。

根据本发明的图像传感器具有多个象素，并且每个象素包括：杂质层，基本位于半导体衬底表面处并通过向衬底中掺入杂质形成；光电转换层，位于杂质层下紧挨着杂质层的衬底中，并且根据所接收的光量产生信号电荷；读出区域，位于衬底内并且远离杂质层和光电转换层，并且产生的信号电荷向其输运；以及栅电极，放置在衬底上以便覆盖杂质层和读出区域之间的衬底的至少一部分，并且控制信号电荷从光电转换层向读出区域的输运，其中杂质层包括与位于栅电极下紧挨栅电极的衬底的一部分邻接的部分，该邻接部分包括沿栅极的宽度方向排列的多个子部分，所述宽度方向与信号电荷的输运方向以及衬底的厚度方向垂直，并且包含该邻接部分的中心的子部分的杂质浓度低于其它子部分中的杂质浓度。

上述固态图像传感器包括杂质层，并且通过这种结构可以消除白点缺陷。此外，信号电荷趋向于聚集在光电转换层的中心部分周围。因此，将包括该中心的中心子部分中的杂质浓度设定为低于该杂质层的剩余部分的杂质浓度。由此，当向栅电极施加预定栅电压时，可以容易地在中心子部分形成沟道。因此，可以在不增加栅电压的条件下，将聚集在光电转换层中的所有信号电荷输运到读出区域。

该固态图像传感器也可以是这样的：一个子部分中的杂质浓度低于与其相邻且更远离中心子部分的另一子部分中的杂质浓度。

光电转换层中的信号电荷在中心部分附近比在外围部分更密集地聚集。使用上述结构，与在外围部分中相比，可以客易地在中心部分附近形成沟道。因此，可以有效地输运信号电荷。

该固态图像传感器也可以是这样的：邻接部分包括三个子部分，这三个子部分包括中心子部分和分别位于该邻接部分的端部的两个子部分，并且所述端部子部分中的杂质浓度等于该杂质层的除了中心子部分之外的剩余部分中的杂质浓度。

根据上述结构，杂质层所需要的杂质浓度是两级(two-tiered)的。因此可以简化制造过程。

该固态图像传感器也可以是这样的：中心子部分的杂质浓度为大于或等于1×10¹⁶atom/cm³且小于1×10¹⁸atom/cm³，直至距离衬底表面至少100nm的深度；并且端部的子部分中的杂质浓度为大于或等于1×10¹⁸atom/cm³且小于5×10¹⁹atom/cm³，直至距离衬底表面至少50nm的深度。

从本发明人使用杂质浓度作为参数所进行的模拟的结果可知，对于杂质层中的各个子部分，上述数字是最优选的范围。

附图说明

从下面结合附图的描述中，本发明的这些和其它目的、优点和特征将变得明显，在这些附图中说明了本发明的一个特定实施例。

附图中：

图1示出了根据本发明的MOS图像传感器中的象素的结构；

图2是示出光接收区域中电势线的图示；

图3示出了在图1A所示的截面图中的象素的工作状态；

图4是根据修改例1的象素的平面视图；

图5是根据修改例2的象素的平面视图；

图6是根据修改例3的象素的平面视图；以及

图7是根据修改例4的象素的平面视图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的优选实施例。

[概要]

在根据本发明的MOS图像传感器中，位于杂质层中一部分的中心处的子部分中的杂质浓度设定为低于该杂质层剩余部分中的杂质浓度。进行这种改进是由于发现了这样的趋势：在该中心聚集了比在光电转换层的外围部分更多的信号电荷。通过上述结构，可以生产高灵敏度和低功率的MOS图像传感器，并且没有白点缺陷。

[结构]

图1示出了根据本发明的MOS图像传感器的象素的结构。

图1A示出了设置在衬底上的象素的截面图。图1B示出了从垂直于衬底表面的方向观察到的沿图1A的线A-A’截取的象素的平面图。

该MOS图像传感器的结构是：多个象素在p型半导体衬底1上排列成矩阵。按行和列扫描和读出在每个象素中根据接收的光量产生的信号电荷，并且随后产生一帧中的图像数据。

首先，参照图1A解释该象素的结构。

该象素包括杂质层2、光电转换层4、读出区域5和栅电极7。

杂质层2基本位于衬底1的表面处，通过加入例如硼的p型杂质使得杂质层2中的杂质浓度高于衬底1中的杂质浓度。

光电转换层4位于杂质层2下紧挨着杂质层2的衬底1中。向衬底1中加入诸如磷和砷的n型杂质以形成光电转换层4。由于光电转换层4被p型半导体(杂质层2和衬底1)包围，光电转换层4具有耗尽区，在该耗尽区中杂质层2和衬底1中的载流子结合并且消失。

入射到光接收区域9上的光被位于衬底1上方的微透镜(图中未示出)会聚，并且经过滤色器(图中未示出)通过挡板(图中未示出)的开口达到先接收区域9，该滤色器选择入射光中的波长。射向非光接收区域9的其它区域的光被该挡板遮挡。

当光电转换层4接收光时，产生电子-空穴对，并且电子-空穴对中的电子由于内电场的作用而被收集到光电转换层4。如上所述，光电转换层4根据接收的光量产生信号电荷。

为了在初始状态下实现光电转换层完全耗尽以便其中所有载流子电子消失，将光电转换层4的n型杂质浓度设定为远低于围绕光电转换层4的p型半导体的p型杂质浓度。

通常，耗尽区向杂质浓度变低的方向扩展。在本实施例的情况下，耗尽区向衬底1扩展，而不向杂质层2扩展。因此，杂质层2不被耗尽，并且即使电子在杂质层中被热激发，这些电子也不被收集到光电转换层4中。因此，通过以上述方式定位杂质层2和光电转换层4可以消除白点缺陷。

读出区域5是光电转换层4中产生的信号电荷要输运到的目标。MOS图像传感器根据输运到读出区域5的信号电荷输出电压信号。

栅电极7放置在衬底1上以便覆盖杂质层2和读出区域5之间的衬底的至少一部分。当向栅电板7施加正栅极电压时，在栅电极7下紧挨栅电极7的衬底1的区域中产生沟道。信号电荷可以通过该沟道从光电转换层4输运到读出区域5。

通过MOS图像传感器的行扫描电路(未在图中示出)施加栅电压。例如，当信号电荷输运时栅电压是3v，其它情况下是0v。由此，当输运时，在紧接栅电极7下的衬底1的区域中产生沟道，当不输运时沟道消失。

注意，一个象素通常被分成光接收区域9、栅板区域10和输运目标11，并且通过隔离体8与相邻象素电绝缘。隔离体8具有浅沟槽隔离(STI)结构。

图1B示出了从垂直于衬底1表面的方向观察到的上述象素。

如图1B所示，光接收区域9的一部分(边界12)的形状取决于栅电极7的形状。

本实施例的主要特征在于杂质层包括与栅电极7下紧挨着栅电极7的衬底1的区域邻接的部分，并且该邻接部分包括子部分2a、2b和2c，并且包括该邻接部分的中心的子部分2a中的杂质浓度低于子部分2b和2c中的杂质浓度。

位于栅电极7下紧挨着栅电极7的衬底1的区域的p型杂质浓度变得越低，沟道越客易产生。因此，在该MOS图像传感器中，在子部分2a附近比在子部分2b和2c附近更容易产生沟道。下面描述为什么上述结构对于实现高灵敏度和低功率MOS图像传感器是理想的。

图2是示出了光接受区域中的电势线的图示。

图2中的截面图是沿图1B中的线B-B’截取的。该电势线示出了图2的截面图中线C-C’处的电势。

线C-C’是通过光电转换层4的线。

通常，p型区域中的载流子与n型区域中的载流子结合并且在两个区域之间的边界附近消失。因此，作为n型区域的光电转换层4处的电势相对高，而作为p型区域的隔离体8处的电势相对低。如图2所示，光电转换层4中心处的电势比边界周围高。在该象素中，光电转换层4的n型杂质浓度设定为远低于隔离体8的p型杂质浓度。因此，光电转换层4中的所有电子(载流子)消失(耗尽区24)。

当光电转换层4接收入射光时，价带21中的电子被激发到导带23并且在价带21中产生空穴。当在耗尽区24中产生这种电子-空穴对时，由于内电场的效应，电子25向电势较高的光电转换层4中心漂移，并且空穴26向电势较低的p型区域漂移。电子25被收集到光电转换层4中，从而变成信号电荷27。

由于电势从光电转换层4的边缘向中心逐渐增加，信号电荷主要聚集在光电转换层4的中心附近。为了无遗漏地转移所有信号电荷27，所需要的是这样的结构：能够在子部分2a周围容易地产生沟道。因此，在本实施例中，将子部分2a的杂质浓度设定为低于子部分2b和2c的杂质浓度。

接下来，下面解释根据本发明的杂质层2的杂质浓度和深度。

(1)杂质层2的子部分2b和2c以及部分2d

可以在衬底1的表面上发现很多晶体缺陷，这些缺陷是晶片制造(例如形成栅极)过程中的损伤导致的。这些晶体缺陷在导带23和价带21之间的带隙(禁带22)中形成缺陷能极。电子通过缺陷能级从价带21被热激发到导带23。当热激发的电子被收集在光电转换层4中时，会引起白点缺陷。

为了使缺陷能级不活动，本发明提供了基本位于衬底1的表面处的具有高浓度p型杂质的杂质层2。当p型杂质浓度高时，将几乎没有电子的热激发，因为缺陷能级被空穴占据。P型杂质浓度越高，这种效果就变得越显著。

为了充分抑制白点缺陷的发生，子部分2b、2c和2d的杂质浓度需要为1×10¹⁸atom/cm³或更高，直到距离表面至少50nm的深度。

另一方面，当杂质浓度太高时也会导致白点缺陷。这是因为由杂质导致的晶体缺陷量增加并且位错缺陷越过杂质层2生长到光电转换层4中。如果光电转换层4具有位错缺陷，则会引起白点缺陷。因此，理想的是p型杂质层2的杂质浓度小于5×10¹⁹atom/cm³。

如上所述，子部分2b和2c以及部分2d中的杂质浓度为大于或等于1×10¹⁸atom/cm³且小于5×10¹⁹atom/cm³直到距离表面至少50nm的深度时是足够的。

(2)杂质层2的子部分2a

杂质层2中的子部分2a的高杂质浓度使得难以输运聚集在光电转换层4中的信号电荷，并且未被读的电荷会留在光电转换层4中而不被输运。因此，在本实施例中，在杂质层2中设有子部分2a，该子部分2a的杂质浓度低于子部分2b和2c以及部分2d中的杂质浓度。为了实现该效果，理想的是子部分2a中的杂质浓度低于1×10¹⁸atom/cm³。虽然子部分2a中的杂质浓度不是很高，但是除了适当设定杂质浓度之外，还可以通过使子部分2a的面积足够小来基本上消除白点缺陷。

另一方面，在面对衬底1的表面附近的栅电极至少一部分由n型多晶硅制成。因此，靠近栅电极7并且在栅电极7下紧挨着栅电极7的衬底1的区域中的一部分由于内建电压可以被耗尽。在栅电极7下紧挨着栅电极7的衬底1的区域中的该部分中，电子通过缺陷能级被热激发，并且如果这些电子被收集到光电转换层4中，将会导致白点缺陷。然而，可通过将杂质层2中的杂质浓度设置得足够高，在光电转换层4和紧挨栅电极7之下的衬底1的区域中的该部分中的耗尽区之间制造杂质垒(impurity barrier)。由此，可以防止在栅极中热激发的电子被收集到光电转换层4中。为了实现此目的，杂质层2中的杂质浓度需要大于或等于1×10¹⁶atom/cm³，直到距离衬底表面至少100nm的深度。

当产生垒之后，在紧挨栅电极7之下的衬底1的区域中的耗尽区内激发的电子被释放到保持高电势的读出区域5。

如上所述，理想的是，杂质层2的子部分2a中的杂质浓度为大于或等于1×10¹⁶atom/cm³且小于1×10¹⁸atom/cm³，直到距离表面至少100nm的深度。

接下来，下面描述杂质层2中每个部分的形状。当子部分2d和栅极区域10之间的距离短时，不可能输运所有聚集在光电转换层4中的信号电荷。因此，子部分2d和栅极区域10之间的距离在信号电荷输运方向上需要大于或等于0.1μm。

此外，由于栅电极7和隔离体之间的边界处应力聚集，所以在边缘13和14处容易发生缺陷。因此，理想的是设置杂质层2的子部分2b和2c在栅极的宽度方向上的宽度足够宽，即，理想的是子部分2b和2c的宽度为0.1μm或更大。

[工作]

下面描述根据本发明的MOS图像传感器的工作。

图3说明了图1A示出的截面图中的象素的工作状态。

该象素的工作状态依次经过初始状态A、曝光B、输运C到输运完成D。

图3A示出了象素的初始状态。

在初始状态中，栅电压Vg为0v，且漏电压Vd为3v。

通过电子和空穴在光电转换层4中复合并消失而产生耗尽区24。光电转换层4被完全耗尽。

图3B示出了曝光时的象素。

当被曝光时，通过入射光23产生由电子25和空穴26构成的电子-空穴对。由于耗尽区24中的内电场，电子25向光电转换层4的中心附近漂移，并被收集为信号电荷27。同样地由于该内电场，空穴26向衬底1漂移，并且随后释放到衬底1外。

当光电转换层4接收的光量大时，电子-空穴对一个接一个地产生，并且信号电荷27的总量变大。另一方面，当光电转换层4中接收的光量小时，信号电荷27的总量也变小。

图3C示出了处于输运状态下的象素。

在输运期间，栅电压Vg为3v。这增加了位于栅电极7下紧挨着栅电极7的衬底1的区域的电势，并且排斥力将空穴推向衬底1深处。同时，吸引力将电子拉向位于栅电极7下紧挨着栅电极7的栅极，从而产生沟道29。当充分发展后，沟道29在光电转换层4和读出区域5之间导通，并且信号电荷27从光电转换层4输运到读出区域5。这降低了漏电压Vd。

图3D示出了输运已经完成时的象素。

在输运已经完成的状态下，栅电压再次为0v。信号电荷27已经被全部读出，并且读出区域5处的漏电压Vd在完成时降低到2v。漏电压的差1v是该象素的信号电压。一旦该信号电压被该象素后的电路读出，该象素被复位到初始状态以用于下一循环。

如上所述，本发明的主要特征在于杂质层2包括邻接部分，该邻接部分包括子部分2a、2b和2c并且与位于栅电极7下紧挨栅电极7的衬底1的区域相邻，并且包括该邻接部分的中心的子部分2a的杂质浓度低于子部分2b和2c的杂质浓度。

由此，可以消除MOS图像传感器中的白点缺陷，并且实现具有高灵敏度和低功耗的MOS图像传感器。

本发明的上述目的可以通过本实施例的很多其它变化来实现。下面描述这些变化的四个例子。

图4是根据修改例1的象素的平面视图。

在修改例1中，该邻接部分的子部分2a与杂质层2的部分2e中的杂质浓度相等。部分2e与位于栅电极下紧挨着栅电极的衬底1的一部分的部分重叠。该修改例的优点在于，由于可以在放置了栅电极7之后自对准地形成子部分2b和2c以及部分2d，可以简化制造过程。

图5是根据修改例2的象素的平面视图。

在修改例2中，杂质层2不与在栅电极7下紧挨着栅电板7的衬底1的区域重叠。该修改例的优点在于，由于可以在放置了栅电极7之后自对准地形成光电转换层4和杂质层2，可以简化制造过程。

图6是根据修改例3的象素的平面视图。

在修改例3中，栅电极7有一个弯曲。

即使栅电极7具有如图所示的弯曲，也可能使子部分2a中的杂质浓度低于子部分2b和2c中的杂质浓度。

图7是根据修改例4的象素的平面视图。

在修改例4中，栅电极7有不止一个弯曲。

在修改例4中，也可能象在修改例3中一样使子部分2a中的杂质浓度低于子部分2b和2c中的杂质浓度。

本实施例描述了子部分2a中的杂质浓度低于杂质层2的剩余部分(子部分2b和2c以及部分2d)的杂质浓度的情况，即，杂质浓度是两级的情况。然而，杂质浓度的分级不限于两级，可以为更多级。

此外，本实施例描述了邻接部分包括三个子部分2a、2b和2c的情况。然而，该邻接部分可以包括多于四个子部分。当子部分多于4个时，理想的是任何子部分中的杂质浓度都低于与其相邻并且更远离中心子部分的另一个子部分中的杂质浓度。

此外，虽然在本实施例中该邻接部分包括三个子部分，也可能在该邻接部分仅包括两个子部分的情况下实现本发明的效果。

此外，本实施例描述了在p型半导体衬底上提供多个象素的情况。然而，也可能向p型阱提供多个象素。

此外，本实施例描述了电子变成信号电荷的情况。但是，本发明不限于这种情况，空穴也可以是信号电荷。这种修改可以通过转换如上所述的象素中每个单元的p型和n型来实现。

虽然已经参照附图通过举例的方式充分描述了本发明，但是应当注意各种变化和修改对于本领域的技术人员将是明显的。因此除非这种变化和修改脱离本发明的范围，否则它们应当被认为是包含在本发明的范围内。

Claims

1、一种固态图像传感器，其具有多个象素，每个象素包括：

杂质层，基本位于半导体衬底表面并通过向衬底中掺入杂质形成；

光电转换层，位于杂质层下紧挨着杂质层的衬底中，并且根据所接收的光量产生信号电荷；

读出区域，位于衬底内且远离杂质层和光电转换层，并且产生的信号电荷向其输运；以及

栅电极，放置在衬底上以覆盖杂质层和读出区域之间的衬底的至少一部分，并且控制信号电荷从光电转换层向读出区域的输运，其中

杂质层包括与位于栅电极下紧挨着栅电极的衬底的一部分邻接的部分，该邻接部分包括沿栅极的宽度方向排列的多个子部分，所述宽度方向与信号电荷的输运方向以及衬底的厚度方向垂直，并且包含该邻接部分的中心的子部分的杂质浓度低于其它子部分中的杂质浓度。

2、根据权利要求1的固态图像传感器，其中子部分之一的杂质浓度低于与其相邻且更远离中心子部分的另一子部分的杂质浓度。

3、根据权利要求2的固态图像传感器，其中

该邻接部分包括三个子部分，这三个子部分包括中心子部分和两个分别位于该邻接部分的端部的子部分，并且

端部子部分中的杂质浓度等于除了中心子部分之外的该杂质层的剩余部分中的杂质浓度。

4、根据权利要求3的固态图像传感器，其中

中心子部分中的杂质浓度为大于或等于1×10¹⁶atom/cm³且小于1×10¹⁸atom/cm³，直至距离衬底表面至少100nm的深度，并且

端部子部分中的杂质浓度为大于或等于1×10¹⁸atom/cm³且小于5×10¹⁹atom/cm³，直至距离衬底表面至少50nm的深度。