CN102005461A - 固体摄像器件、固体摄像器件制造方法和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了固体摄像器件及其制造方法和电子装置。所述固体摄像器件包括至少一个像素。所述像素进一步包括：光电二极管；在所述光电二极管的区域中的浮动扩散部；以及读出栅极电极，当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散部。所述固体摄像器件制造方法包括如下步骤：形成光电二极管；在所述光电二极管内形成浮动扩散区；以及在所述浮动扩散区周围形成读出栅极电极，当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散区。所述电子装置包括上述固体摄像器件。本发明的固体摄像器件及其制造方法和电子装置能够缩短读出距离，能够容易地读出信号电荷、减少残留图像的产生并提高图像质量。

Description

固体摄像器件、固体摄像器件制造方法和电子装置

相关申请的交叉参考

本申请要求在2009年8月28日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2009-198119的优先权，这里，在法律允许的范围内将该日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及固体摄像装置、该固体摄像装置的制造方法、以及装配有该固体摄像器件的诸如照相机等电子装置。

背景技术

作为固体摄像器件，众所周知的是由例如互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)型图像传感器等MOS型图像传感器代表的放大型固体摄像器件。作为另一种固体摄像器件，众所周知的是由电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)图像传感器代表的电荷传输型固体摄像器件。这些固体摄像器件已广泛地应用于数码照相机和数码摄像机等中。近年来，MOS型图像传感器由于具有低工作电压和低电力消耗的优点，因而已广泛用作安装在诸如带有照相机的手机和个人数字助理(Personal Digital Assistants，PDA)等移动装置中的固体摄像器件。

MOS型固体摄像器件(下文称作MOS固体摄像器件)是包括多个像素的器件。各像素由用作光电转换部的光电二极管和至少一个像素晶体管构成。这些像素以二维阵列的方式布置着。近来，为了减小各像素中像素晶体管所占的面积以使像素小型化，已经提出了所谓的多像素共用部件(component-shared-by-plural-pixels)结构，该结构中，由多个像素共用一个像素晶体管。在该多像素共用部件结构中，由于为每个像素都设置的光电二极管能够占据较大的面积，因而能够提高光电二极管的灵敏度。例如，在日本专利公开公报特开2004-172950号、特开2006-54276号和特开2006-157953号中公开了具有两像素共用部件结构的固体摄像器件。另外，在日本专利公开公报特开2009-135319号中还公开了具有2×2像素共用部件结构的固体摄像器件。

图23是示出了具有两像素共用部件结构的MOS固体摄像器件的示意性结构示例的图。在该固体摄像器件101中，以如下方式布置有用作光电转换部的光电二极管PD1和PD2：该光电二极管PD1和PD2相互面对着且在它们二者之间设有浮动扩散部(FD)102。在光电二极管PD1与浮动扩散部102之间隔着栅极绝缘层形成有读出栅极电极103。在光电二极管PD2与浮动扩散部102之间隔着栅极绝缘层也形成有读出栅极电极104。晶体管Tr11由读出栅极电极103和浮动扩散部102构成，晶体管Tr12由读出栅极电极104和浮动扩散部102构成。晶体管Tr11和Tr12分别与光电二极管PD1和PD2连接。将一个共用单元限定为这两个分别包括光电二极管PD1和PD2的像素的组合，并且以二维阵列的方式布置多个共用单元。为每个共用单元配设了复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管Tr3。

复位晶体管Tr2由一对源极/漏极区域105和106以及复位栅极电极109构成。放大晶体管Tr3由一对源极/漏极区域106和107以及放大栅极电极110构成。选择晶体管Tr4由一对源极/漏极区域107和108以及选择栅极电极111构成。这些读出晶体管Tr11和Tr12、复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3以及选择晶体管Tr4都是所谓的像素晶体管。

虽然图23中未示出，但浮动扩散部102与放大栅极电极110及复位晶体管Tr2的一个源极/漏极区域105连接。另一个源极/漏极区域106与电源VDD连接。另外，选择晶体管Tr4的一个源极/漏极区域108与垂直信号线连接。

另一方面，在日本专利公开公报特开2003-31785号中公开了一种背照射型固体摄像器件，该背照射型固体摄像器件在基板的背侧(即，与基板的形成有多层布线和像素晶体管等的那个表面相反的侧)上具有光接收面。

在相关技术中，在MOS固体摄像器件中，浮动扩散部和包括读出栅极电极的读出晶体管通常形成得邻接于光电二极管的端部(作为示例，参见图23)。在具有这种结构的MOS固体摄像器件中，当光电二极管中的信号电荷被读出以传输给浮动扩散部时，难以读出位于光电二极管的远离读出栅极电极的那些部分中的某些信号电荷，并且可能会遗留某些未被读出的信号电荷。换句话说，存在一种可能：由于所谓的读出距离D0而产生残留图像。因此，在相关技术中，为了不遗留任何未被读出的信号电荷，将读出栅极电压设成很高，结果，电位调节的作用就能到达很远且很宽，于是能够读出全部信号电荷。或者，将饱和信号电荷量Qs设成很小，使得能够容易地读出信号电荷。例如，如果在光电二极管的n型电荷存储区域中把注入的n型杂质浓度设成很低，就能够把饱和信号电荷量Qs设成很小。

例如，为了避免遗留下某些部分的未被读出的信号电荷(这通常会导致高电源电压)的这种危险，就要求诸如单镜头反光式照相机(single-lens reflex camera)等配有大尺寸像素的固体摄像器件具有高的读出栅极电压。

发明内容

本发明是考虑到上述问题而做出的。本发明的实施例提供了这样一种固体摄像器件，其具有短读出距离并能够减少残留图像的发生，还提供了这种固体摄像器件的制造方法以及装配有这种固体摄像器件的电子装置。

本发明一实施例提供了一种固体摄像器件，其包括至少一个像素。所述像素包括光电二极管、在所述光电二极管的区域中的浮动扩散部、以及读出栅极电极，当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散部。

在本发明实施例的固体摄像器件中，当从平面图看时，所述读出栅极电极有效地包围着所述浮动扩散区。

在本发明实施例的固体摄像器件中，当从平面图看时，所述读出栅极电极完全地包围着所述浮动扩散区。

在本发明实施例的固体摄像器件中，所述读出栅极电极从平面图看时具有环形。

根据本实施例，所述环形可以在宽度上始终是一致的。

此外，根据本实施例，所述环形可以缺少一部分。

在本发明实施例的固体摄像器件中，所述读出栅极电极从平面图看时具有四边形形状。

根据本实施例，所述读出栅极电极从平面图看时可以具有矩形形状。

此外，根据本实施例，所述四边形形状的各角从平面图看时可以具有倒圆的棱边。

在本发明实施例的固体摄像器件中，所述读出栅极电极位于所述光电二极管的中心区域内。

根据本发明的实施例，所述浮动扩散部位于所述光电二极管的光学中心处。

在本发明实施例的固体摄像器件中，在所述光电二极管的中心区域的表面下方有p型半导体阱区域，且在所述光电二极管的表面下方有另一个p型半导体区域。在本实施例中，位于所述读出栅极电极的一部分下方的连接区域把所述p型半导体阱区域与所述另一个p型半导体区域连接起来。

根据本发明的实施例，在所述光电二极管的表面下方有被所述光电二极管包围着的半导体阱区域。

根据本发明的实施例，所述固体摄像器件是背照射型器件，在该背照射型器件中，入射光从所述光电二极管的背对着所述读出栅极电极的表面进入。

根据本发明的实施例，所述光电二极管是n型半导体，且在所述光电二极管的中心区域下方设有p型半导体阱区域。在本实施例中，所述p型半导体阱区域被所述n型半导体区域包围着。

根据本发明的实施例，所述浮动扩散区被p型的所述半导体阱区域包围着。

根据本发明的实施例，所述固体摄像器件包括在所述光电二极管的每一侧处的隔离区域。在本实施例中，在这两个隔离区域中的一者或两者内有附加晶体管。

根据本发明的实施例，所述固体摄像器件包括具有多个共用单元的像素部。在本实施例中，各所述共用单元均包括：具有多个像素的第一组件部；以及具有多个像素的第二组件部。此外，在本实施例中，在所述第一组件部与所述第二组件部之间设置有放大晶体管。

上述结构使得从所述光电二极管的外围边缘到所述浮动扩散部的读出距离变短。另外，当读出所述光电二极管中的信号电荷时，所述信号电荷被从所述读出栅极电极的周边读出至所述浮动扩散部。

本发明另一实施例的固体摄像器件制造方法包括用于制造像素的方法。根据本实施例，在制造所述固体摄像器件时，包括如下步骤：形成光电二极管；在所述光电二极管内形成浮动扩散区；以及在所述浮动扩散区周围形成读出栅极电极，且当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散区。

根据本发明另一实施例，所述光电二极管是n型半导体，并且所述用于制造像素的方法还包括如下步骤：利用所述读出栅极电极作为掩模，通过自对准法将p型杂质离子注入到所述n型半导体光电二极管的被所述读出栅极电极包围着的表面这部分中。

在本发明实施例的固体摄像器件制造方法中，利用所述读出栅极电极作为掩模，通过自对准法将所述半导体阱区域和所述浮动扩散部形成在所述光电二极管的区域中。

本发明又一实施例的电子装置包括：光电二极管；在所述光电二极管的区域中的浮动扩散部；以及读出栅极电极，当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散部。

此外，根据本实施例，所述电子装置可以具有摄像功能。

由于本发明实施例的电子装置装配有上述固体摄像器件，因此存储在该固体摄像器件内所含的光电二极管中的信号电荷能够被容易地读出并传输给浮动扩散部。

本发明实施例的固体摄像器件使得从光电二极管的外围边缘到相应的浮动扩散部的读出距离变短，结果是：能够容易地读出信号电荷，并能够减少残留图像的产生。

在本发明实施例的固体摄像器件制造方法中，由于能够通过自对准法来形成半导体阱区域和浮动扩散部，因此能以高精度制造出能够容易地读出上述信号电荷的固体摄像器件。

在本发明实施例的电子装置中，能够容易地读出存储在上述固体摄像器件内所含的光电二极管中的信号电荷，能够减少残留图像的产生，并能够提高图像质量。因此，能够提供高质量的电子装置。

附图说明

图1是示出了MOS固体摄像器件的示例的示意性结构图。

图2是示出了第一实施例固体摄像器件的主要部分的示意性结构图。

图3是沿图2中的线III-III得到的截面图。

图4是示出了光电二极管和读出栅极电极的图形的另一示例的示意性平面图。

图5是示出了光电二极管和读出栅极电极的图形的又一示例的示意性平面图。

图6是示出了光电二极管和读出栅极电极的图形的再一示例的示意性平面图。

图7是示出了光电二极管和读出栅极电极的图形的另外一示例的示意性平面图。

图8是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图9是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图10是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图11是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图12是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图13是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图14是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图15是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图16是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图17是示出了固体摄像器件制造方法的示例的制造工序图。

图18是示出了第二实施例固体摄像器件的主要部分的示意性结构图。

图19是沿图18中的线XIX-XIX得到的截面图。

图20是示出了第三实施例固体摄像器件的主要部分的示意性结构图。

图21是共用单元的等效电路。

图22是本发明第五实施例的电子装置的示意性结构图。

图23是示出了相关技术的固体摄像器件的主要部分的示意性结构图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的实施例。

图1是示出了适用于本发明各实施例的MOS固体摄像器件的示例的示意性结构图。本示例的固体摄像器件1包括像素部(摄像区域)3和周边电路部，在像素部3中，在半导体基板11上以二维阵列的方式规则地布置有多个像素2，该多个像素2具有多个作为光电转换部的光电二极管。半导体基板11可以是硅基板。像素2包括光电二极管和多个像素晶体管(MOS晶体管)。上述多个像素晶体管例如是读出晶体管、复位晶体管和放大晶体管。该多个像素晶体管还可以包括选择晶体管。像素部3可包括多个以二维阵列方式布置的单位像素，这些单位像素各自都是光电二极管与多个像素晶体管的组合。像素部3也可以利用多像素共用部件结构作为结构单元，由多个以二维阵列方式布置的上述多像素共用部件结构构成。

周边电路部包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8等。

控制电路8接收输入时钟和表示操作模式的数据等，并输出与固体摄像器件的内部信息有关的数据等。换句话说，控制电路8产生时钟信号和控制信号，以作为垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等利用垂直同步信号、水平同步信号和主时钟进行操作的基准。接着，控制电路8把这些信号发送至垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等。

垂直驱动电路4包括例如移位寄存器，并且选择像素驱动行，并将用于逐个像素行地驱动像素的脉冲发送至所选像素驱动行。换句话说，垂直驱动电路4逐个像素行地扫描像素部3的各像素2，并且把对应于信号电荷(该信号电荷是根据由隶属于各像素2的光电转换部(例如，光电二极管)接收到的光量而生成的)的像素信号经由相应的垂直信号线9馈送给相应的列信号处理电路5。

例如像素部3的每个像素列都被分配有一个列信号处理电路5，并且该列信号处理电路5以逐个像素列的方式对从隶属于当前扫描像素行的像素2输出的信号进行各种类型的信号处理。对上述信号进行的各种类型的信号处理包括例如噪声消除。换句话说，列信号处理电路5进行例如下面列出的各种类型的信号处理：用于消除像素2所特有的固定模式噪声(fixed pattern noise)的CDS处理、信号放大、以及A/D转换等。在各个列信号处理电路5的输出级与水平信号线10之间设有水平选择开关(未图示)。

水平驱动电路6包括例如移位寄存器，并通过依次发出水平扫描脉冲来依次选择列信号处理电路5，并且使每个列信号处理电路5把像素信号输出至水平信号线10。

输出电路7对通过水平信号线10依次从列信号处理电路5馈送过来的信号进行信号处理，并发送这些处理过的信号。在某些情况下，输出电路7仅用作信号缓冲器，而在其他一些情况下，输出电路7对信号进行黑电平调整、列差异修正、以及各种类型的数字信号处理等。输入/输出端子12用于将信号发送到外部或者从外部接收信号。

如果上述固体摄像器件1是前照射型固体摄像器件，则在基板的已经形成有像素部3和周边电路部的表面上形成有多层布线层，该多层布线层具有相互之间被层间绝缘层隔开的多个布线。在像素部3中，在多层布线层之上的平坦化膜上形成有片上滤色器，此外，在片上滤色器上形成有片上微透镜。

如果上述固体摄像器件1是背照射型固体摄像器件，则多层布线层不是形成在基板的作为光入射面(所谓的光接收面)的背侧上。而是，多层布线层被形成在基板的与光接收面相反的表面上。在基板的作为光接收面的背侧上隔着绝缘层形成有片上滤色器，此外，在片上滤色器上形成有片上微透镜。

本发明的第一实施例

图2和图3是示出了本发明第一实施例的固体摄像器件(即，MOS固体摄像器件)的图。图2是示意性地示出了包括光电二极管、浮动扩散部和读出晶体管的像素的基本平面结构(布局)的图。图3是该像素的沿图2中的线III-III得到的示意性结构的截面图。本实施例是本发明适用的背照射型固体摄像器件的示例。

如图2所示，第一实施例的固体摄像器件21包括多个像素，各像素都包括光电二极管(PD)22、设置在光电二极管(PD)22的区域中的读出晶体管Tr1的读出栅极电极23以及浮动扩散部(FD)24。浮动扩散部24形成在读出栅极电极23所包围的区域中。换句话说，当从像素的平面布局来看时，读出栅极电极23被形成为包围着浮动扩散部24，并且光电二极管22被形成为包围着读出栅极电极23。在本实施例中由p型半导体制成的元件隔离区域25被形成为包围着光电二极管22。

虽然图2中未示出，但在光电二极管22外部还形成有除了读出晶体管Tr1以外的其他像素晶体管。像素部包括以二维阵列方式布置的多个光电二极管，各光电二极管均包括读出栅极电极23和浮动扩散部24。

优选的是，读出栅极电极23以具有一致宽度的环状形状予以形成，且包围着浮动扩散部24。此外，优选的是，如图2所示，读出栅极电极23以具有一致宽度(这是所谓的栅极长度)L的圆环状形状予以形成。优选的是，读出栅极电极23形成在光电二极管22的中心区域内，并且浮动扩散部24被形成得位于光电二极管22的光学中心处。通过将读出栅极电极23设置在光电二极管22的中心区域中，能够缩短从光电二极管22的任意外围边缘端点到浮动扩散部24的外围边缘的读出距离D1。在将读出栅极电极23形成在光电二极管22的中心区域中的情况下，即使光电二极管22的区域是正方形形状的，从光电二极管22的任意外围边缘端点到浮动扩散部24的外围边缘的读出距离D1也是近似一致的。

在本实施例中，如图3中的像素的截面结构所示，在光电二极管22的表面下方形成有被光电二极管22包围着的半导体阱区域，并且浮动扩散部24形成得被该半导体阱区域包围着。另外，该固体摄像器件21是背照射型固体摄像器件，其中入射光是从基板的背侧(即，与基板的形成有读出栅极电极23的那个表面相反的侧)进入的。因此，光电二极管22所占的面积是其中设有读出栅极电极23和浮动扩散部24的区域下方的整个面积，即，是读出晶体管Tr1所占区域下方的面积。

下面参照图3所示的截面结构进行说明。在本实施例中，在第一导电型区域中形成有元件隔离区域25。在本实施例中，n型半导体基板31的会形成有像素部的区域是第一导电型区域，然而，该第一导电型区域也可以是p型半导体基板。另外，向每个像素都分配了光电二极管22的区域。元件隔离区域25由第二导电型区域形成。在本实施例中，该p型半导体区域在深度方向上从半导体基板31的表面延伸至背侧，然而，该第二导电型区域也可以是n型半导体基板。

此外，在该区域是n型区域的本发明其他实施例中，该区域也可以是p型区域。类似地，在该区域是p型区域的本发明其他实施例中，该区域也可以是n型区域。例如，在本发明的各实施例中，半导体区域可以是n型区域或p型区域。

光电二极管22由半导体基板31的被元件隔离区域25包围着的n型半导体区域33和形成在该基板表面下方的高杂质浓度p型半导体区域34构成。在基板的背侧还形成有高杂质浓度p型半导体区域35。这些p型半导体区域34和35也抑制了会在绝缘层的边界处产生的暗电流的发生。

在光电二极管22表面的中心区域下方形成有被n型半导体区域33包围着的p型半导体阱区域36。另外，在p型半导体阱区域36表面的中心上方形成有被该p型半导体阱区域36包围着的浮动扩散部24。

在p型半导体阱区域36下方形成有n型区域37，由于在p型半导体阱区域36附近发生的杂质扩散的影响，该n型区域37的浓度低于n型半导体区域33的浓度。在基板表面的下方形成有光电二极管22的电荷存储区域38。电荷存储区域38由n型区域形成，并且它的浓度高于n型半导体区域33的浓度。

均位于n型电荷存储区域38与浮动扩散部24之间的p型半导体阱区域36表面侧部分以及n型半导体区域33表面侧部分用作读出栅极电极23的沟道区域41。该读出栅极电极23由p型或n型多晶硅形成，它隔着栅极绝缘层42位于沟道区域41上且包围着浮动扩散部24。在读出栅极电极23的侧边上都形成有侧壁43。该侧壁可由绝缘层44和在该绝缘层44上的p型或n型多晶硅膜45形成。侧壁43可以由仅位于浮动扩散部24侧的绝缘层形成，或者可在浮动扩散部24侧以及光电二极管22侧都予以形成。读出晶体管Tr1包括用作源极区域的光电二极管22的n型电荷存储区域38、用作漏极区域的n型浮动扩散部24、以及读出栅极电极23。

构成光电二极管22的区域是被由p型半导体区域形成的元件隔离区域25包围着的整个区域，该整个区域包括在包围着浮动扩散部24的p型半导体阱区域36下方的区域。在本实施例中，虽然光电二极管22是光电转换部的主要部分，但浮动扩散部24和p型半导体阱区域36也作为光电转换区域。

尽管图3中没有示出，但在光电二极管22外部的p型半导体阱区域中形成有除了读出晶体管Tr1以外的其他像素晶体管。此外，在基板的已经形成有像素部3和周边电路部的表面上，形成有包含被层间绝缘层隔开的多个布线的多层布线层。另外，该多层布线层的顶部与例如由硅制成的支撑基板粘合。在基板的已经被定位成光入射面的背侧上，隔着绝缘层依次构建有片上滤色器和片上微透镜。

下面说明第一实施例的固体摄像器件21的工作。在像素的电荷存储期间中，在光电二极管22的区域中把从基板背侧进入的光47光电转换成信号电荷(在本实施例中，该电荷是电子)，并将该信号电荷存储在n型电荷存储区域38中。形成在被元件隔离区域25包围的整个区域(包括位于p型半导体阱区域36下方的区域)中的光电二极管22使得饱和信号电荷量Qs很大。此外，用作光电转换区域的p型半导体阱区域36及浮动扩散部24使饱和信号电荷量Qs变得更大。

在上述电荷存储期间中，可以向读出栅极电极23施加负偏压。当施加负偏压时，电荷存储区域38的在读出栅极电极23下方以及在由n型或p型多晶硅构成的侧壁43下方的表面部分处于空穴钉扎(hole pinning)状态。因此，由于由多晶硅构成的侧壁45与读出栅极电极23电容性地相结合，因而负偏压也被施加到侧壁45上。正因为这种空穴钉扎状态，抑制了会在电荷存储区域38与绝缘层之间的边界处产生的暗电流的发生，并且还抑制了白点的发生。

另一方面，通过基板接触部向光电二极管22表面部分处的p型半导体区域34施加接地电位。该基板接触部是这样的接触部：它被配置用于向其中形成有除了读出晶体管以外的其他像素晶体管的p型半导体阱区域施加接地电位，以便使该p型半导体阱区域的电位可以保持稳定。由于上述负偏压，因而电荷存储区域38的表面部分处于钉扎状态，并且成为p型半导体。因此，通过p型半导体区域34以及处于空穴钉扎状态的上述表面部分向p型半导体阱区域36施加接地电位，因此，p型半导体阱区域36的电位是固定的。

接着，在信号读出期间中，向读出栅极电极23施加正电压(即，读出电压)，并将存储在光电二极管22的电荷存储区域38中的信号电荷读出以传输给浮动扩散部24。在该信号读出期间中，如图2中的箭头所示，将信号电荷从包围着浮动扩散部24的包围区域读出并传输给浮动扩散部24。与将浮动扩散部设在光电二极管的边缘区域中的相关技术像素结构相比，能够使从光电二极管22的外围边缘到浮动扩散部24的读出距离D1更短。此外，由于从包围着浮动扩散部24的包围区域读出信号电荷，因而能够容易地读出存储在光电二极管中的全部信号电荷。换句话说，能够读出全部信号电荷，而不会遗留任何信号电荷。

另外，因为缩短了读出距离D1，并且电位调节作用容易到达光电二极管22的周边，因而能够将读出电压设为较低。

在第一实施例的固体摄像器件21中，由于浮动扩散部24设置成被光电二极管22包围着，因而缩短了从光电二极管22的外围边缘到浮动扩散部24的读出距离D1。因为缩短了读出距离D1，所以能够容易地读出信号电荷，并能减少残留图像的产生。另外，由于读出栅极电极23形成为环状形状，因而可将栅极宽度W设为较大，并能更容易地读出信号电荷。

因为能够容易地读出信号电荷，所以虽然在本实施例及相关技术这两种情况下光电二极管所占的面积是相同的，但在本实施例的情况下能够将用于存储光电二极管的电荷的势阱设成更深，并能将饱和信号电荷量Qs设成更大。

参照像素的截面图，浮动扩散部24被p型半导体阱区域36包围着，而p型半导体阱区域36被光电二极管22包围着。换句话说，由于在光电二极管22的表面部分上形成有p型半导体阱区域36和浮动扩散部24，并且该摄像器件是背照射型，因而能够将用于光电转换的区域设置成较宽，并能够增大饱和信号电荷量Qs。因此，能够提高固体摄像器件的灵敏度。

此外，由于p型半导体阱区域36和浮动扩散部24也用作光电转换区域，因而能够将饱和信号电荷量Qs设为较大。因为能够容易地把信号电荷读出并传输给浮动扩散部24，因而能够将读出栅极电压设为较低。于是，能够把电源电压设为较低，结果就能降低电力消耗。

可以考虑各种形状的读出栅极电极。例如，如图4所示，能够以四边形形状来形成读出栅极电极23，当俯视时，该四边形形状与光电二极管22的形状相似。读出栅极电极还可以具有矩形形状。

作为另一示例，能够以缺少了一部分环形的圆环状形状来形成读出栅极电极23。此外，如图5所示，当俯视时，该读出栅极电极能够几乎全部地包围浮动扩散部24的周边部分。在此情况下，在基板的位于读出栅极电极23的欠缺部分23A下方的表面部分处填充有从光电二极管22的p型半导体区域34延伸的部分。

各种形状的读出栅极电极能以不同的量包围着浮动扩散部24。例如，读出栅极电极可以完全地包围浮动扩散部24、部分地包围浮动扩散部24或有效地包围浮动扩散部24。就其本身而言，“包围”不意味着栅极电极要包围整个浮动扩散部，这是因为栅极电极可以包围浮动扩散部的整体或部分。

作为另一示例，当俯视时，如图6所示，读出栅极电极23能够形成为这样的圆环状形状：在该圆环状形状包围着浮动扩散部24的同时，该圆环状形状的一部分延伸至光电二极管22的外部。读出栅极电极23的延伸部分23B使得读出栅极电极23能容易地与多层布线层的布线进行连接。在此情况下，光电二极管22的p型半导体区域34可形成得延伸至延伸部分23B的下方。

图7示出了光电二极管22的形状的另一示例。光电二极管22被形成为正方形形状，且当俯视时该正方形形状的四个角具有倒圆的形状。在该光电二极管22的中心区域上形成有包围着浮动扩散部24且具有圆环状形状的读出栅极电极23。在光电二极管22被形成为具有四个倒圆角的正方形形状的情况下，从光电二极管22的任意外围边缘端点到浮动扩散部24的读出距离D1比其他情况下的读出距离D1更一致，结果在整体上就能够更容易地读出信号电荷。

此外，浮动扩散部24和读出栅极电极23可形成得稍微离开光电二极管22的中心区域。在此情况下，与相关技术的像素结构相比，还是能使读出距离更短，并且能更容易地将信号电荷读出并传输给浮动扩散部24。

图8～图17示出了第一实施例的固体摄像器件21的制造方法的示例。如图8所示，准备n型半导体基板31，然后通过选择性离子注入法在该n型半导体基板31中形成由p型半导体区域构成的元件隔离区域25。以预定深度将元件隔离区域25形成在基板31中。在像素部中，各元件隔离区域25均被形成得用于包围构成了像素之部件的光电二极管并包围含有像素晶体管的像素。图8是示出了包围着光电二极管区域的元件隔离区域25的图。

接着，如图9所示，在半导体基板31表面上隔着栅极绝缘层42(例如，二氧化硅膜)形成读出栅极电极23。在被元件隔离区域25包围着的光电二极管区域的中心区域上以环状形状(在本实施例中，是以圆环状形状)形成读出栅极电极23。读出栅极电极23由p型或n型多晶硅形成。

接着，如图10所示，利用读出栅极电极23作为掩模，通过自对准法将p型杂质51离子注入到基板的被圆环状读出栅极电极23包围的表面这部分中，从而形成p型离子注入区域36A。p型杂质51的离子注入能够通过例如硼(B)注入来实现。在该离子注入之前，需要形成光致抗蚀剂掩模52，该光致抗蚀剂掩模52覆盖着基板的位于读出栅极电极23外部的表面，并且还覆盖着读出栅极电极23的外侧圆环状部分。

接着，如图11所示，通过热处理使p型离子注入区域36A扩散，从而形成从读出栅极电极23向下延伸的p型半导体阱区域36。该热处理使得在p型半导体阱区域36的下方形成了浓度比基板浓度低的n型区域37。

接着，如图12所示，利用读出栅极电极23作为掩模，通过自对准法将n型杂质53离子注入到p型半导体阱区域36的被圆环状读出栅极电极23包围的表面这部分中，从而形成n型浮动扩散部24。换句话说，本实施例的浮动扩散部24形成在光电二极管区域的光学中心处。同时，在n型基板的位于读出栅极电极23外部的表面部分中形成n型电荷存储区域38。n型杂质53的离子注入能够通过例如砷(As)注入来实现。在该离子注入之前，需要形成光致抗蚀剂掩模54，该光致抗蚀剂掩模54覆盖着由p型半导体区域形成的元件隔离区域25。在读出栅极电极23的下方形成沟道区域41。

接着，如图13所示，在读出栅极电极23的侧边形成侧壁43。侧壁43可由绝缘层44和n型多晶硅45形成。

接着，如图14所示，利用读出栅极电极23和侧壁43作为掩模，通过自对准法将p型杂质55离子注入到n型基板的表面中，从而形成p型半导体区域34。结果，由均被元件隔离区域25包围着的n型区域33和p型半导体区域34形成了光电二极管22。p型杂质55的离子注入能够通过例如硼(B)注入来实现。在该离子注入之前，需要形成光致抗蚀剂掩模56，并且让该光致抗蚀剂掩模的一部分覆盖着浮动扩散部24及读出栅极电极23的内侧圆环状部分，而该光致抗蚀剂掩模的另一部分覆盖着元件隔离区域25的表面的外侧圆环状部分。

接着，如图15所示，在基板的表面上形成多层布线层59，该多层布线层59具有相互之间被层间绝缘层57隔开的多个布线。另外，由例如硅制成的支撑基板60与多层布线层59的顶部粘合。

随后，对基板31的背侧进行研磨，从而减小n型半导体基板31的厚度。通过减小基板31的厚度，使得由p型半导体区域构成的元件隔离区域25到达基板31的背侧，从而完全地罩住减薄后的基板的这一侧。基板的这个背侧(即，与基板的形成有读出栅极电极23的那个表面相反的侧)将会被用来形成光入射面。

接着，如图16所示，在基板的背侧上形成p型半导体区域35。进一步地，如图17所示，隔着绝缘层61在基板的背侧上形成片上滤色器62和片上微透镜63，结果就能够得到固体摄像器件21。另外，虽然在像素部的外部形成了由CMOS晶体管等构成的周边电路部，但周边电路部的形成步骤与通常使用的步骤类似，因而省略了对那些步骤的说明。

本实施例的固体摄像器件制造方法使得浮动扩散部和与之关联的部件能够通过自对准法予以形成。更具体地，利用自对准法，能够高精度地形成浮动扩散部24、p型半导体阱区域36和光电二极管22的p型半导体区域。因此，利用本实施例的固体摄像器件制造方法，必定无疑地能够制造出具有如下优点的固体摄像器件：能够容易地读出信号电荷、减少了残留图像的产生、以及增大了饱和信号电荷量Qs。

本发明的第二实施例

图18和图19示出了本发明另一实施例的固体摄像器件，即，第二实施例的MOS固体摄像器件。图18是示出了包括光电二极管、浮动扩散部和读出晶体管的像素的示意性平面结构(布局)的图。图19是该像素的沿图18中的线XIX-XIX得到的示意性结构的截面图。本实施例是本发明适用的背照射型固体摄像器件的示例。

在第二实施例的固体摄像器件65中，在环状读出栅极电极23的一部分的下方形成有连接区域66，以便将p型半导体阱区域36与光电二极管22的p型半导体区域34连接起来，从而能够固定该p型半导体阱区域的电位。该连接区域66可通过倾斜的离子注入法由p型半导体区域形成。因为其他结构与第一实施例中的那些结构相同，因而对图18和图19中的与图2和图3中相同的部分用相同的附图标记表示，并省略对关于这些部分的说明。

在第二实施例的固体摄像器件65中，通过p型连接区域66使光电二极管22的p型半导体区域34与包围着浮动扩散部24的p型半导体阱区域36电连接。由于p型半导体区域34被赋予了接地电位，因此通过p型半导体区域34及p型连接区域66将p型半导体阱区域36固定为接地电位。

因此，即使向读出栅极电极23施加的电压从负偏压变成正的读出电压，也能将浮动扩散部24下方的p型半导体区域36的电位固定为接地电位且保持稳定。

第二实施例的固体摄像器件具有与关于第一实施例的固体摄像器件所述的优点相同的优点，即：能够缩短读出距离、能够容易地读出信号电荷、能够减少残留图像的产生、并且能够增大饱和信号电荷量Qs。

此外，在图5之前说明的像素结构中，p型半导体阱区域36的电位是固定的。在图5所示的情况下，读出栅极电极23具有欠缺部分23A，并且在欠缺部分23A处填充有光电二极管22的p型半导体区域34的延伸部分。该p型半导体区域34的延伸部分实质上连接至p型半导体阱区域36。因此，通过该p型半导体区域34向p型半导体阱区域36施加接地电位，从而将p型半导体阱区域36的电位固定为接地电位。

本发明的第三实施例

图20示出了本发明另一实施例的固体摄像器件，即，第三实施例的MOS固体摄像器件。图20示出了本发明第三实施例的像素部的布局的主要部分。本实施例是本发明适用的背照射型固体摄像器件的示例。

第三实施例的固体摄像器件87的像素部包括以二维阵列方式布置的多个共用单元，这里，如图20所示，每个共用单元88都包括以4行×2列的二维阵列布置的八个像素，这八个像素分别包括光电二极管(PD)22(221～228)。各光电二极管22均具有与第一实施例相似的结构。更具体地，各光电二极管22在其区域中都具有环状形状的读出栅极电极23和设置为被读出栅极电极23包围着的浮动扩散部24。

该共用单元包括第一组件部67和第二组件部68以及设置在这两个组件部之间的一个放大晶体管Tr3，其中，第一组件部67包括四个光电二极管(PD)221～224，第二组件部68包括四个光电二极管(PD)225～228，且这两个组件部每一者的光电二极管都以2×2阵列的方式予以布置。此外，如图20所示，在第一组件部67上方设有一个复位晶体管Tr2。放大晶体管Tr3包括放大栅极电极81、n型源极区域82和n型漏极区域83，并具有水平长的结构。复位晶体管Tr2包括复位栅极电极84、n型源极区域86和n型漏极区域85，并具有沿水平方向较长的结构。此处，如图20所示，复位晶体管Tr2被形成为横跨到右侧相邻的共用单元88。另外，图20中描绘的漏极区域85是左侧相邻的共用单元88的复位晶体管的一部分。

复位晶体管Tr2和放大晶体管Tr3被共用单元88的八个像素共用。换句话说，一个共用单元88包括八个光电二极管和十个像素晶体管。这十个像素晶体管可分解成八个读出晶体管Tr11～Tr18、一个复位晶体管Tr2和一个放大晶体管Tr3。

由p型半导体区域构成的元件隔离区域25使各个光电二极管221～228、放大晶体管Tr3和复位晶体管Tr2彼此隔开。由于各个光电二极管221～228的截面图所示的其他结构与图2和图3所示的那些结构相同，因此不再赘述。

多个共用单元88以二维阵列的方式布置着，并且在彼此横向相邻地排列着的两个共用单元88之间以如下方式形成有一个复位晶体管：这两个共用单元共用栅极电极84，并且其中一个共用单元提供了源极区域86而另一个共用单元提供了漏极区域85。该复位晶体管Tr2和放大晶体管Tr3都用于位于一个共用单元88中的八个像素。

图21是包括八个像素和十个晶体管的共用单元88的等效电路。第一组件部67和第二组件部68的八个光电二极管22(221～228)分别与相应的读出晶体管Tr11～Tr18的源极相连。读出晶体管Tr11～Tr18的漏极，即浮动扩散部(FD)24(由FD1～FD8表示，并且是彼此独立的)与该八个像素所共用的放大晶体管Tr3的栅极相连。此外，浮动扩散部FD1～FD8与该八个像素所共用的复位晶体管Tr2的源极相连。放大晶体管Tr3的源极与垂直信号线70连接，放大晶体管Tr3的漏极与电源线69连接。复位晶体管Tr2的漏极与电源线71连接，复位晶体管Tr2的栅极与被施加有复位脉冲的复位连接线72连接。读出晶体管Tr11～Tr18的栅极分别与被施加有彼此独立的读出脉冲的读出连接线731～738连接。

在第一组件部或第二组件部的四个像素中使用的滤色器的布置可以是包括三原色滤色器(红色、绿色和蓝色滤色器)的拜耳阵列。作为其他布置，也可以采用各种类型的阵列，例如：包括四个滤色器(红色、绿色、蓝色和白色滤色器)的阵列；包括互补滤色器的阵列；以及包括互补滤色器与各原色滤色器的组合的阵列。

在第三实施例的固体摄像器件87中，在构成一个共用单元88内的像素的每个光电二极管22(221～228)的区域中都形成有一个浮动扩散部24和一个读出栅极电极23。因此，在一个共用单元88中，如上所述，能够容易地读出要从每个像素的光电二极管22传输至相应的浮动扩散部24的信号电荷，而不会遗留任何部分的未被读出的信号电荷。同时，由于能够将光电二极管22的电荷存储区域的电位设成更深，并且本实施例是背照射型固体摄像器件的示例，因而能够增大饱和信号电荷量Qs。

因为一个共用单元88包括八个像素和十个晶体管，每个像素所对应的晶体管数量变小，因而各个光电二极管221～228的光接收面的面积以相应的程度变大。因此，即使将共用单元88小型化，各像素的灵敏度也不会明显劣化，结果就能够得到具有高灵敏度、高质量和高分辨率的固体摄像器件。

在这个第三实施例中，在假设一个共用单元包括八个像素(该八个像素具有以4×2阵列布置的光电二极管)的情况下进行了说明。然而，不必说的是，该共用单元也可具有不是以特别阵列布置而成的多个像素。例如，能够采用如下的共用单元作为一个共用单元：具有十二个像素(它们具有以6×2阵列布置的光电二极管)的共用单元、具有十六个像素(它们具有以8×2阵列布置的光电二极管)的共用单元、或8n个像素(它们具有以4n×2阵列布置的光电二极管，且n是正整数)的共用单元。

构成本实施例的像素的阵列布局不限于上述示例，而是可以采用各种类型的阵列，例如：两像素共用部件结构的阵列、多像素共用部件结构的阵列、像素的正方形阵列、以及像素的倾斜阵列等。

本发明的第四实施例

本发明另一实施例的固体摄像器件，即第四实施例的MOS固体摄像器件是前照射型固体摄像器件的示例。尽管在附图中没有示出，但在第四实施例的固体摄像器件中，基本上如前所述，以二维阵列的方式布置有多个像素，每个像素在光电二极管22区域中均具有浮动扩散部24以及包围着浮动扩散部24的读出栅极电极23。就每个像素而言，在基板的已经形成有具有读出栅极电极23的读出晶体管和其他像素晶体管的那个表面上形成有具有多个布线的多层布线层。这些布线形成在除了光电二极管的包括浮动扩散部24的那个区域以外的其他区域中。另外，在该多层布线层上隔着平坦化膜依次构建有片上滤色器和片上微透镜。

在第四实施例的前照射型固体摄像器件中，由于浮动扩散部24设置成被光电二极管22包围着，因而缩短了从光电二极管22的外围边缘到浮动扩散部24的读出距离。因此，能够将存储在光电二极管中的信号电荷容易地读出并传输到浮动扩散部，并且减少了残留图像的产生。另外，由于以环状形状形成读出栅极电极23，因此能将栅极宽度W设为较大，并且能更容易地读出信号电荷。因为能够容易地读出信号电荷，所以能够将用于存储光电二极管的电荷的势阱设为更深，并且饱和信号电荷量Qs可以更大。

在本发明上述各实施例的固体摄像器件中，虽然假设信号电荷由电子构成，但信号电荷也可由空穴构成。在此情况下，各半导体区域需要由相反导电类型的材料来形成。

本发明的第五实施例

本发明各实施例的固体摄像器件能适用于很多电子装置。例如，本发明各实施例的固体摄像器件能适用于例如以下的电子装置：装配有固体摄像器件的数码照相机、装配有固体摄像器件的数码摄像机、装配有固体摄像器件的单镜头反光式照相机、装配有照相机的移动装置、以及装配有固体摄像器件的其他装置。

另外，本发明各实施例的像素能够用在电子装置中。本发明各实施例的像素也能够用在具有摄像功能的电子装置中。

图22是作为应用了本发明实施例的电子装置示例的照相机的框图。本实施例的照相机91包括光学系统(光学透镜)92、固体摄像器件93和信号处理电路94。上述各实施例的任何固体摄像器件都能够被用作该固体摄像器件93。光学系统92把来自被拍摄物的图像光(入射光)聚集成固体摄像器件93的摄像面上的图像。这使得信号电荷会在一定期间内被累积到作为固体摄像器件93的光电转换部的光电二极管中。信号处理电路94对从固体摄像器件93输出的信号进行各种类型的信号处理，并输出经过处理的信号。另外，也可能的情况是，本实施例的照相机91是其中将光学系统92、固体摄像器件93和信号处理电路94全部都模块化成一体化结构的模块式照相机。

利用本发明的实施例，不仅可以构造出图22所示的照相机，还可以构造出以手机为代表的装配有模块式照相机的移动装置。另外，图22所示的结构能够作为模块(其中将光学系统92、固体摄像器件93和信号处理电路94全部模块化成一体化结构)亦即所谓的摄像功能模块而予以实现。本发明的实施例使得能够配置出装配有这种摄像功能模块的电子装置。

因为本实施例的电子装置装配有上述固体摄像器件，所以能够容易地读出存储在固体摄像器件的光电二极管中的信号电荷，能够减少残留图像的发生，并能增大饱和信号电荷量Qs。因此，通过该装置拍摄的图像质量极好，且该装置的灵敏度优良，结果就能够提供高质量的电子装置。

本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。

Claims (22)

1.一种固体摄像器件，其包括至少一个像素，所述像素进一步包括：

光电二极管；

在所述光电二极管的区域中的浮动扩散部；以及

读出栅极电极，当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散部。

2.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，当从平面图看时，所述读出栅极电极有效地包围着所述浮动扩散区。

3.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，当从平面图看时，所述读出栅极电极完全地包围着所述浮动扩散区。

4.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，当从平面图看时，所述读出栅极电极具有环形。

5.如权利要求4所述的固体摄像器件，其中，所述环形在宽度上始终是一致的。

6.如权利要求4所述的固体摄像器件，其中，所述环形缺少了一部分。

7.如权利要求3所述的固体摄像器件，还包括：

第一导电型半导体阱区域，它位于所述光电二极管的中心区域的表面下方；

另一个第一导电型半导体区域，它位于所述光电二极管的表面下方；以及

连接区域，它在所述读出栅极电极的一部分的下方，用于连接所述第一导电型半导体阱区域与所述另一个第一导电型半导体区域。

8.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，当从平面图看时，所述读出栅极电极具有四边形形状。

9.如权利要求8所述的固体摄像器件，其中，当从平面图看时，所述读出栅极电极具有矩形形状。

10.如权利要求8所述的固体摄像器件，其中，当从平面图看时，所述四边形形状的各角都具有倒圆的棱边。

11.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述读出栅极电极位于所述光电二极管的中心区域内。

12.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述浮动扩散部位于所述光电二极管的光学中心处。

13.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，在所述光电二极管的表面下方有被所述光电二极管包围着的半导体阱区域。

14.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述固体摄像器件是背照射型器件，在该背照射型器件中，入射光从所述光电二极管的背对着所述读出栅极电极的表面进入。

15.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述光电二极管是第一导电型半导体，并且在所述光电二极管的中心区域下方有被该第一导电型半导体区域包围着的第二导电型半导体阱区域。

16.如权利要求13所述的固体摄像器件，其中，所述浮动扩散区被p型的所述半导体阱区域包围着。

17.如权利要求1所述的固体摄像器件，还包括：

在所述光电二极管的每一侧处的隔离区域；以及

在该两侧的所述隔离区域中的一者或两者内的附加晶体管。

18.如权利要求1所述的固体摄像器件，其包括具有多个共用单元的像素部，各所述共用单元均包括：

具有多个像素的第一组件部；

具有多个像素的第二组件部；以及

设置在所述第一组件部与所述第二组件部之间的放大晶体管。

19.一种用于制造像素的方法，其包括如下步骤：

形成光电二极管；

在所述光电二极管内形成浮动扩散区；以及

在所述浮动扩散区周围形成读出栅极电极，且当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散区。

20.如权利要求19所述的用于制造像素的方法，其中，所述光电二极管是n型半导体，并且所述用于制造像素的方法还包括如下步骤：

利用所述读出栅极电极作为掩模，通过自对准法将p型杂质离子注入到所述n型半导体光电二极管的被所述读出栅极电极包围着的表面这部分中。

21.一种电子装置，其包括像素，所述像素进一步包括：

光电二极管；

在所述光电二极管的区域中的浮动扩散部；以及

读出栅极电极，当从平面图看时，所述读出栅极电极至少部分地包围着所述浮动扩散部。

22.如权利要求21所述的电子装置，其中所述电子装置具有摄像功能。

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