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CN1627524A - 光电变换装置及其制造方法和摄像系统 - Google Patents

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CN1627524A CNA2004101007057A CN200410100705A CN1627524A CN 1627524 A CN1627524 A CN 1627524A CN A2004101007057 A CNA2004101007057 A CN A2004101007057A CN 200410100705 A CN200410100705 A CN 200410100705A CN 1627524 A CN1627524 A CN 1627524A
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Abstract

本发明提供光电变换装置及其制造方法和摄像系统。作为本发明特征的构成是具有第一导电型的半导体基板和光电变换元件的光电变换装置，所述光电变换元件备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域，多个上述第二导电型的杂质区域至少包含第1杂质区域、比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域、和比该第2杂质区域更配置在基板表面侧的第3杂质区域，上述第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1、上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2和上述第3杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C3满足下列关系：C2＜C3＜C1。

Description

光电变换装置及其制造方法和摄像系统
技术领域
本发明涉及光电变换装置及其制造方法和摄像系统，特别是涉及CMOS面积传感器及其制造方法和摄像系统。
背景技术
以往，作为将图像信号变换成电信号的固体摄像元件，CCD是众所周知的。该CCD具有光二极管阵列，将脉冲电压加到在各光二极管中积累的电荷上作为电信号进行读取。另外近年来，将把光二极管和包含MOS晶体管的周边电路进行1块芯片化的CMOS面积传感器用作固体摄像元件。CMOS面积传感器与CCD比较，具有消耗功率小，驱动功率低等的优点，预想今后对它的需要将会扩大。
作为光电变换装置的代表例，我们用图9说明CMOS面积传感器。图9表示CMOS面积传感器的光二极管单元301和传送MOS晶体管单元302的剖面模式图。303是N型硅基板，304是P型阱，307是传送MOS晶体管的栅极，308是光二极管的N型电荷积累区域，309是用于形成埋入光二极管构造的表面P型区域，305是用于元件分离的场氧化膜，310是形成浮置扩散区域，保持作为传送MOS晶体管的漏极区域的功能的N型高浓度区域。311是使栅极和第一配线层绝缘的硅氧化膜，312是接触插头，313是第一配线层，314是使第一配线层和第二配线层绝缘的层间绝缘膜，315是第二配线层，316是使第二配线层和第三配线层绝缘的层间绝缘膜，317是第三配线层，318是钝化膜。在钝化膜318的上层形成未图示的滤色器层和进一步用于提高灵敏度的微透镜。从表面入射的光通过由第三配线层317规定的孔单元，入射到光二极管。该光在光二极管的N型电荷积累区域308或P型阱304内被吸收，生成电子/孔穴对。其中电子积累在N型电荷积累区域308中。
作为CMOS面积晶体管的已有技术，例如，在美国专利第6,483,129号中所记载的，具有如图10(美国专利第6,483,129号的图6)所示的载流子分布的构造。可以认为该构造在基板内的深的区域中具有浓度高的杂质扩散区域6A，具有提高将由于阱内吸收的光而产生的电荷取出到表面侧的效率，提高灵敏度的效果。
已有的光电变换装置，特别是，在CMOS面积传感器中，因为光二极管的阱层是通过在注入离子后进行热扩散形成的，所以如图11表示，一般地基板深度方向的浓度分布徐徐降低。结果，成为在基板深度方向不持有势垒的构造，在P型阱内吸收的光的一部分由于在基板方向上损失了而对作为光电变换信号没有贡献。特别是出现了随着像素尺寸减小，不能得到所要灵敏度那样的课题。另外，也存在着当控制灵敏度、饱和电荷数、从光二极管到浮置扩散区域的传送等的诸特性时，因为可以操纵的制造条件的参数少，所以不能满足这些性能的课题。
另一方面，可以认为上述专利文献的图10所示的构造在基板内的深的区域中持有浓度高的杂质扩散区域，具有提高灵敏度的效果，但是也存在着当控制要同时满足的饱和电荷数和从光二极管到浮置扩散区域的传送等的诸特性时，因为可以操纵的制造条件的参数少，所以不能满足这些性能的课题。另外，在上述美国专利第6,483,129号中记载的那种单纯的回射光栅阱构造中，在基板中产生的暗电流漏入光二极管内，使传感器的性能恶化。即，至今没有解决同时满足提高灵敏度和提高饱和电荷数、传送效率的技术课题。
本发明就是为了解决上述课题而完成的，本发明的目的是提供以提高以光二极管的灵敏度为首的诸特性的CMOS面积传感器为代表的光电变换装置及其制造方法。
发明内容
作为本发明特征的构成是在具有第一导电型的半导体基板、和备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域的光电变换元件的光电变换装置中，多个上述杂质区域至少包含第1杂质区域、比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域、和比该第2杂质区域更配置在基板表面侧的第3杂质区域，上述第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1、上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2、和上述第3杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C3满足下列关系。
C2＜C3＜C1
又如果根据本发明的别的实施方式，则在具有第一导电型的半导体基板、和备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域的光电变换元件的光电变换装置中，连续地配设多个上述第二导电型的杂质区域，直到与上述光电变换元件邻接的元件分离区域下部。
又如果根据本发明的别的实施方式，则在具有第一导电型的半导体基板、和备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域的光电变换元件的光电变换装置中，在多个上述杂质区域中，至少，与上述第一导电型的杂质区域接近的第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1在3×1015cm-3＜C1＜2×1017cm-3的范围内。
本发明的其它特点和优点将从结合附图进行的下列描述中清楚地看到，其中在全部附图中相同的参照标号表示相同或相似的部件。
附图说明
图1是第1实施方式的CMOS面积传感器的剖面图。
图2是光二极管单元阱内的电位图。
图3是表示第1实施方式的杂质浓度分布的图。
图4是表示扩散层4A的浓度和扩散层4B、4C的比与灵敏度的关系的特性图。
图5是表示扩散层4D的浓度峰值位置与饱和电子数的关系的特性图。
图6是用于说明第1实施方式的杂质浓度分布的图。
图7是表示各扩散层的峰值和谷底之比与饱和电子数的关系的图。
图8是第2实施方式的光电变换装置的剖面图。
图9是已有的CMOS面积传感器的剖面图。
图10是已有P型阱浓度分布的模式图。
图11是已有P型阱浓度分布的模式图。
图12是第3实施方式的光电变换装置的剖面图。
图13是表示第3实施方式的光电变换装置的光二极管单元的杂质分布的图。
图14是用于说明第4实施方式的剖面图。
图15是模式地表示根据第4实施方式的浓度分布的图。
图16是用于说明第5实施方式的剖面图。
图17是用于说明第6实施方式的上面图。
图18是用于说明第6实施方式的剖面图。
图19是表示将本发明的光电变换装置应用于静象摄像机时的方框图。
这些附图与本专利申请书相结合并构成本专利申请书的一部分，说明本发明的实施方式，并与描述一起，用于阐明本发明的原理。
具体实施方式
本发明是用多个具有杂质浓度峰值的杂质区域构成形成光电变换元件的光二极管的第一导电型的杂质区域，使第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1、比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2和比该第2杂质区域更配置在基板表面侧，接近(连接)形成光二极管的第2导电型的杂质区域所形成的第3杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C3具有C2＜C3＜C1的关系的发明。
如果根据这种构成，则在基板侧因为不损失经过光电变换的载流子，另外能够减少来自基板的噪声电荷的进入，所以可以提高灵敏度，进而，可以提高饱和电荷数和传送效率。
另外，用多个具有杂质浓度峰值的杂质区域构成形成光电变换元件的光二极管的第一导电型的杂质区域，将接近(连接)该多个杂质区域中形成光二极管的第2导电型的杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C设置为3×1015cm-3＜C1＜2×1017cm-3，则可以达到提高饱和电荷数和传送效率的目的。
下面，我们用附图详细说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1是说明本发明的实施方式的剖面模式图，表示形成CMOS面积传感器的光电变换元件的光二极管单元1和传送MOS晶体管单元2。3是N型硅基板，4是包含多个P型杂质区域的P型阱，在本实施例中，具有4A～4D的杂质区域。另外，在杂质区域4A～4D的各区域间夹着N型杂质区域4E～4G。7是传送MOS晶体管的栅极，8是形成光二极管的N型杂质区域(电荷积累区域)，9是用于埋入光二极管构造的表面P型区域(表面电荷再耦合区域)，5是用于元件分离的场氧化膜，10是作为传送来自电荷积累区域8的电荷的浮置扩散区域而发挥功能的N型杂质区域，由4A～4D的P型杂质区域构成用于形成光二极管的P型杂质区域，由8个N型杂质区域构成用于形成光二极管的N型杂质区域。11是作为用于使栅极和第一配线层绝缘的层间绝缘膜而发挥功能的硅氧化膜，12是接触插头，13是第一配线层，14是使第一配线层和第二配线层绝缘的层间绝缘膜，15是第二配线层，16是使第二配线层和第三配线层绝缘的层间绝缘膜，17是第三配线层，18是钝化膜。进而，在钝化膜18的上层形成未图示的滤色器层和用于提高灵敏度的微透镜。在本实施方式中形成3层配线层，但是根据传感器的规格，只要能确保光学特性，使配线层为1层或2层也与本发明的主旨没有矛盾。另外，为了进一步提高受光率，与其设置1层滤色层不如在受光单元侧设置透镜(层内透镜)。
如图3所示，杂质区域4A，它的杂质浓度峰值的浓度在从1×1016cm-3到1×1018cm-3的范围内，峰值所在位置的深度在从基板表面的2.0μm到4.0μm的范围内。杂质区域4B，它的杂质浓度峰值的浓度在从1×1015cm-3到5×1016cm-3的范围内，峰值所在位置的深度在从表面的1.2μm到2.5μm的范围内。杂质区域4C，它的杂质浓度峰值的浓度在从1×1015cm-3到5×1016cm-3的范围内，峰值所在位置的深度在从基板表面的0.8μm到1.5μm的范围内。杂质区域4D，它的杂质浓度峰值的浓度在从2×1015cm-3到2×1017cm-3的范围内，峰值所自在位置的深度在从表面的0.5μm到1.0μm的范围内。关于这些范围将在后面进行论述。
另外，本实施形态说明了CMOS面积传感器，但是即便应用于CCD也得到同样的效果。这时，将浮置扩散区域10置换成VCCD。
这里我们说明杂质区域4A～4D的功能。在位于浅的部分(基板表面侧)的杂质区域4B～4D中，形成将光载流子导入像素内的光二极管的连接部分，在比其深的部分的杂质区域4A中，形成决定光谱灵敏度的电位峰值。这里使最深部分的杂质区域4A的浓度比杂质区域4B的浓度大，优选为大于等于3倍的浓度，最好优选为大于等于5倍的浓度，在两者之间形成势垒，因为由入射光产生的载流子在基板方向没有损失，能够高效率地导入光二极管，所以可以提高灵敏度。在电子热扩散方面，是否成为势垒，大致可以用下列公式表现出来。
Vb＝(kT/q)·ln(N1/N2)＜kT/q
这里，Vb是势垒，k是玻耳兹曼常数，T是温度，q是电子电荷，N1是势垒的峰值浓度，N2是势垒前的浓度。在不等式表示的区域内，通过热激励电荷能够越过势垒。即，当N1/N2＜e时(大致小于等于3时)能够越过势垒。
所以，当N1/N2超过3时，存在势垒，并且，当N1/N2超过5时，大致可以忽略越过势垒的载流子。
另外，通过控制杂质区域4D、4C的浓度和深度，也能够控制在N型电荷积累区域8中能够保持的饱和电荷数。关于浓度，当论述4A～4D的浓度关系时，通过使第1杂质区域(4A)的杂质浓度峰值的浓度C1、比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域(4B、4C)的杂质浓度峰值的浓度C2、和比该第2杂质区域更配置在基板表面侧，接近(连接)形成光二极管的第2导电型的杂质区域所形成的第3杂质区域(4D)的杂质浓度峰值的浓度C3具有下列关系C2＜C3＜C1，减少电荷到基板的损失，能够使提高灵敏度和提高传送效率两者同时成立。
要提高灵敏度希望形成更深的阱，这是为了增大能够吸收光的杂质区域的容积，为了实现它要增加离子注入的次数，这从缩短工期的观点来看是要避免的。因此，与阱相反的区域4E～4G由于内部电位而完全耗尽化，为了使工作上不成为问题并保留区域4E～4G，通过设定各杂质区域4A～4D的离子注入的能量，可以使离子注入次数为最低限度地形成多个杂质区域。
在本实施方式中，由多个杂质区域构成的P型阱4是用于高效率地将电荷运送到电荷积累区域的4B～4D和最深部阱层的4层构成，但是在本实施方式中，因为应该与成为4B～4D的杂质区域所需的灵敏度相应地设定阱深度，所以不特别地设定它的数量。又，如果至少形成一层的连接阱，则可以得到提高灵敏度的效果。即，多个杂质区域包含第1杂质区域(4A)、和比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域(4B、4C、4D中的至少一个)，与该第2杂质区域比较，希望第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度高。
即便不存在被夹在多个P型杂质区域中的N型杂质区域4E～4G，也没有问题。另外，将P型杂质区域上下分离进行设置时，2个P型杂质区域不相接，结果，即便在P型杂质区域之间存在N型杂质区域也没有问题。但是，这时，需要使被2个P型杂质区域夹着的N型杂质区域耗尽化。
图2是阱内的电位图。将载流子作为电子进行表示。即便多个P型杂质区域的各区域不相接也没有问题。但是这时通过使处于其间的N型杂质区域4E～4G耗尽化，能够求得大致平坦的电位分布。当不是平坦时，由于势垒使在深的阱层附近产生的电子向电子积累区域移动的效率恶化，结果使灵敏度降低。
图3是表示形成光二极管的P型阱的杂质分布。在本实施方式中，P型杂质区域4A～4D分别持有杂质浓度峰值，杂质区域4A～4D对光二极管特性的影响是不同的。
杂质区域4A，因为以提高灵敏度为目的需要使电位具有峰值，所以在杂质浓度中需要存在峰值。
杂质区域4B，为了形成如图2所示的势垒，需要使它的杂质浓度峰值的杂质浓度比杂质区域4A低，需要设定杂质浓度峰值以使杂质区域4A持有最大电位峰值。
需要杂质区域4C对后述的杂质区域4D的杂质浓度分布没有影响，并且维持4A和4B的关系。
处在基板表面附近的杂质区域4D可以与二极管的电荷积累区域相接，对可以积累在电荷积累区域中的饱和电子数和从电荷积累区域到浮置扩散区域的传送特性能够独立地控制。
各杂质区域的浓度峰值的位置不限于此，特别是4D也可以以覆盖下面(在基板深度方向的深处)的形式形成N型杂质区域8。
下面，我们说明4A和比它更位于基板表面侧的4B、4C的峰值浓度关系。图4表示杂质区域4A的杂质峰值浓度和杂质区域4B、4C的杂质峰值浓度的关系。这里，设杂质区域4B和杂质区域4C的峰值浓度相等。根据这些条件决定上述杂质浓度和峰值深度的范围。
如果(4A的浓度)/(4B的浓度)比1大，则认为作为有意差的灵敏度有提高，如果大于等于2则具有进一步提高灵敏度的效果，进而如果大于等于5则认为充分地提高了灵敏度。
下面，我们说明接近杂质区域8的4D的峰值位置。图5表示杂质区域4D的杂质浓度峰值的深度与饱和电子数的关系。从图5可知杂质区域4D的扩散层的深度存在最佳区域。具体地说，如果是0.5～1.0μm则与图11的构成相比较灵敏度提高了。
图6是表示由多个杂质区域构成的P型阱的杂质浓度分布，图7表示该浓度分布与饱和电子数和灵敏度的关系。当通过对持有杂质浓度峰值的杂质区域进行高温热处理，形成平坦的杂质浓度分布(各扩散层的P/V接近1)时，饱和电子数和灵敏度中任何一个的特性都恶化。这是因为通过高温热处理，配置在基板的深位置的杂质区域的杂质浓度峰值和比它浅的杂质区域的杂质浓度之比变小和浅的杂质区域的杂质浓度分布的峰值位置变得不确定的缘故。
从上述可见，通过在包含具有杂质浓度峰值的多个杂质区域的阱中形成光二极管，可以制造同时满足提高灵敏度和提高饱和电荷数的光电变换装置。
下面，我们根据图1的剖面图说明制造步骤。
用通常的LOCOS分离法或切口(recess)LOCOS法等在由硅构成的基板3上形成场氧化膜5。而且，在场氧化膜5的下面形成沟道停止层6后，利用高能离子注入装置，在本实施方式中从深的区域顺次注入4次P型杂质(硼等)，此后进行深入扩散那样的高温热处理形成由多个杂质区域构成的P型阱4。此后的热处理最高约为950℃。因为该P型阱4不进行热扩散，所以容易控制各个区域的浓度。因为通过使作为上层部分的杂质区域4B～4D为低浓度，能够降低该处的电位，所以容易提高灵敏度和与杂质区域4A形成电位差。而且，在形成多晶硅电极7后，通过离子注入，形成成为光二极管的N型电荷积累区域的杂质区域8、成为P型表面层的杂质区域9和成为浮置扩散区域的N型杂质区域10。
因为接触孔步骤以后的制造方法与已有的CMOS面积传感器相同，所以省略对它们的说明。
如上所述，通过由多个具有杂质浓度峰值的杂质区域构成形成光电变换元件的光二极管的第一导电型的杂质区域，使第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1、比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2、和比该第2杂质区域更配置在基板表面侧，接近(连接)形成光二极管的第2导电型的杂质区域所形成的第3杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C3具有C2＜C3＜C1的关系，能够使吸收的光载流子在基板方向没有损失高效率地导入光二极管，可以提高灵敏度，进而，可以提高从电荷积累区域到浮置扩散区域(读取区域)的传送效率。
(第2实施方式)
图8表示本实施方式的剖面模式图。与第1实施方式不同的地方是在元件分离场氧化膜205下并且到邻接像素单元为止连续形成由多个P型杂质区域构成的阱204这一点，在场氧化膜下不存在用于元素分离的沟道停止区域。这样，通过包含多个杂质区域的P型阱204中的杂质区域204D备有与邻接像素间的元素分离功能，能够与形成阱的杂质区域同时进行元素分离所需的离子注入，能够减少步骤和掩膜个数。如果降低处于比杂质区域204D深的位置上的204C、204B的浓度，使杂质区域204A的浓度比它们大，设定优选大于等于2倍、最好优选大于等于5倍的浓度，则能够一面维持元件分离特性，一面与第1实施方式同样地提高灵敏度。
(第3实施方式)
图12表示本实施方式的模式剖面图，图13是模式地表示光二极管单元的杂质分布的图。在本实施方式中，形成使作为电荷积累区域发挥功能的电荷积累区域埋入接近该电荷积累区域的4D的一部分中的方式。通过这样地形成，可以将耗尽层的扩展适当地限制在4D内。
又，在图12中，4H所示的P型杂质区域通过在传送MOS晶体管的栅极下的沟道单元中，形成使作为沟道掺杂层形成的区域和4D的P型杂质区域连续，作为P型杂质区域而被形成。4H是为了传送MOS晶体管正常工作所需的区域，重要的是不存在N型杂质区域。具体地，用图13的杂质分布进行说明。分别地，4A′与P型杂质区域4A对应，4B′与P型杂质区域4B对应，4C′与P型杂质区域4C对应，4D′是P型杂质区域4D对应，8′与N型杂质区域8对应，9′与P型杂质区域9对应，4H′与P型杂质区域4H对应。通过调整沟道掺杂区域4H′和P型杂质区域4D的形成条件，在传送MOS晶体管下面，实现不形成N型杂质区域的构造。如果根据这种构造，则可以与上述实施方式同样地提高灵敏度，进而也可以提高传送MOS晶体管的传送效率。
(第4实施方式)
在本实施方式中，我们特别论述关于接近电荷积累区域的杂质区域的杂质浓度峰值的浓度。通过降低接近电荷积累区域的杂质区域的杂质浓度，在光二极管的构造上，在灵敏度以外的特性中产生不利点。存在着因为在光二极管的电荷积累区域直接下面的阱的浓度降低，所以当充分耗尽化地重置电荷积累单元时，特别当完全耗尽化时，耗尽化电压增高那样的问题。对这一点进行更详细地说明。
作为用于除去光二极管的重置噪声的方法，重置时和读取电荷时使光二极管内完全耗尽化的重置操作对减少噪声特别具有效果，实际上已经实用化。为了实现它，需要使用于使光二极管充分地(最好是完全地)耗尽化的电压比重置电压低，另外，当传送栅极的接通(ON)时在电压控制范围内，需要充分地进行电荷传送。从该电荷传送容易的观点来看，也需要进行使光二极管的耗尽化电压尽可能低的设计。另一方面，为了确保充分的动态范围，即充分的光二极管的饱和电荷数，希望光二极管的电荷积累区域的浓度高。因此，尽管具有降低电荷积累区域的浓度能够降低耗尽化电压的效果，但是从确保充分的动态范围的观点出发是不能令人满意的。
所以，希望具有同时满足容易传送电荷和确保动态范围两者的要求的固体摄像元件。
所以在本实施方式中，光二极管是通过至少包含在第一导电型的半导体基板上形成的第二导电型阱、第一导电型的杂质区域(电荷积累区域)形成的，并且上述阱包含多个具有杂质浓度峰值的杂质区域，将接近上述电荷积累区域的杂质区域的杂质浓度峰值的浓度设定在3×1015～2×1017cm-3的范围内。
这样，通过将接近电荷积累区域的杂质区域的杂质浓度峰值(第11杂质浓度峰值)的浓度设定得比已有技术的高，可以抑制向阱侧延伸的耗尽层的扩展，结果可以一面降低二极管的耗尽化电压的，一面维持饱和电荷。
具体地说，在上述美国专利第6,483,129号中记载的载流子分布中，在接近电荷积累区域的阱的表面附近，积累区域下的区域具有约1×1015cm-3的浓度，这时，耗尽层在阱侧延伸约1μm。根据本发明者的实测，这时，对饱和电荷没有贡献无用地需要的耗尽层电压大致为1V。对此，在本实施方式中，通过规定积累区域下的杂质区域的浓度，可以大幅度地降低耗尽层电压。这里配置规定杂质浓度的杂质区域的位置是接近电荷积累区域，配置在形成耗尽层的位置上的区域。
进一步，优选将在该杂质区域下侧(基板深度方向)所形成的中间区域109的杂质浓度峰值(第3杂质浓度峰值)的浓度大于等于接近电荷积累区域的杂质浓度峰值的浓度的1/4，并且小于等于配置在深度位置的杂质区域110的峰值浓度(第2杂质浓度峰值的浓度)的1/3。如果根据这种构成，则可以取入已有技术中在基板侧损失的载流子作为信号电荷，可以提高量子化效率，这更加令人满意。
另外，作为像素构造，可以适当地应用于在像素内，具有放大光电变换的电荷的放大元件的构造。
图14是用于说明本实施方式的剖面图。101是N型硅基板(半导体基板)，在N型硅基板101上形成包含具有杂质浓度峰值的杂质区域的P型阱108～110，在基板表面上形成元件分离区域102、传送晶体管的栅极103、成为浮置扩散区域的N型杂质区域104、成为光二极管的电荷积累区域的N型杂质区域105、光二极管的表面P型杂质区域106、和用于提供传送MOS晶体管的沟道的P型杂质区域111。在遮光层107上具有孔单元用于遮住射到二极管以外区域的光。此外，在该图中省略了遮光层以外的配线层。在图14中，表示根据不同的目的将形成阱的P型杂质区域分成3个区域。在图14中，在表面近旁，配置接近光二极管的电荷积累区域105下面的具有第1杂质浓度峰值的P型杂质区域108。杂质区域108具有抑制在与光二极管的积累区域(N型杂质区域)105之间的接合中的耗尽层的宽度的作用。通过这个效果，可以使光二极管的耗尽化电压下降，不使对杂质区域104进行重置的电位上升地对光二极管进行重置，可以提高传送效率，更令人满意的是可以进行完全传送。
另外，能够减小在光二极管的重置和传送中所需的传送栅极电压，即减小给予传送晶体管的栅极103的接通(ON)时的电压，可以不会导致电源电压的上升地确保动态范围。
另外，例如能够通过注入硼离子形成具有比杂质区域108配置在更深位置上的第2杂质浓度峰值的杂质区域110，当以2MeV的加速能量进行注入时，能够在离开硅表面大致3μm的深度上形成。关于在比形成杂质区域110的杂质浓度峰值的地方更深的地方产生的光载流子在硅基板中发生损失，但是关于比杂质区域110浅的部分中产生的光载流子能够汇集在光二极管侧。109是配置在中间的杂质区域，为了使在杂质区域110附近产生的光载流子扩散到表面侧，以比杂质区域110低的浓度形成。
图15是光二极管单元的垂直方向的浓度分布的说明图。206是表示光二极管的表面P型杂质区域的浓度分布，与图14的106对应。206可以通过注入硼或氟化硼形成。205是光二极管的积累区域的浓度分布，与图14的105对应。205可以通过注入磷或砷形成。208是接近积累区域205的P型杂质区域的浓度分布，与图14的108对应。209、209′是中间区域的浓度分布，与图14的109对应。在图15中，中间区域持有2段峰值而被形成。这样，按照所希望的构造通过多段的离子注入来形成的情形也是有效的。209、209′可以通过加速能量不同的2次注入硼或氟化硼来形成。210表示比208、209位于更深的地方的杂质区域的浓度分布，与图14的110对应。另外我们省略了关于111的说明。
这里，下面详细论述用于同时提高灵敏度和提高饱和电荷数的方法。
在电子热扩散方面，是否形成势垒，大致可以用下列公式表现出来。
Vb＝(kT/q)·ln(N1/N2)＜kT/q
这里，Vb是势垒，k是玻耳兹曼常数，T是温度，q是电子电荷，N1是势垒的峰值浓度，N2是势垒前的浓度。在不等式表示的区域内，通过热激励电荷能够越过势垒。即，当N1/N2＜e时(大致小于等于3时)能够越过势垒。因此在本实施方式中优选210形成的电位发挥势垒的功能，另外，接近积累区域205的阱区域208形成的电位具有不形成势垒的构成。具体地如上所述，(1)杂质区域210的杂质浓度峰值的浓度大于等于中间区域209、209′的峰值浓度的3倍。(2)接近积累区域205的杂质区域208的峰值浓度小于等于中间区域209、209′的峰值浓度的4倍。
关于(2)取小于等于4倍的理由是因为接近积累区域205的阱区域208具有作为Net(纯)浓度相互抵消的关系，所以当只着眼于阱(硼)浓度时即便是4倍左右的浓度，实效的Net(纯)浓度实际上也降低的缘故。进一步，当表示满足这种条件的浓度关系的具体例时，因为接近积累区域205的杂质区域208的峰值浓度如上所述设为3×1015～2×1017cm-3，所以中间区域209、209′的峰值浓度为1×1015～5×1016cm-3，杂质区域210的峰值浓度为3×1015～1×1018cm-3是有效的。
下面，详细论述用于抑制光二极管的耗尽化电压的方法。作为本实施方式的理想的设计，使耗尽层的扩展留在接近的杂质区域108内是重要的。在耗尽层中，当考虑到将正的固定电荷作为起点的电力线将负的固定电荷作为终点时，积累区域105的固定电荷的总数等于表面P型杂质区域106中的耗尽层内的固定电荷数与接近的P型杂质区域108中的耗尽层内的固定电荷数之和。
当我们考虑到表面P型杂质区域106的峰值浓度比108高时，过半数的固定电荷数能够由表面P型杂质区域106担当，接近的杂质浓度108的峰值浓度在积累区域105的1/2以下也可以成为一个解决方法。如果根据本发明者的实验、研讨，则在积累区域105的峰值浓度为3×1016cm-3＜积累区域205的峰值浓度＜8×1017cm-3，接近的杂质区域208的峰值浓度为3×1015cm-3＜杂质区域208的峰值浓度＜积累区域205的峰值浓度的情况下，能够得到本实施方式的效果。较合适的是，如果大于等于积累区域205的1/4则效果高。更令人满意的是，令积累区域205的峰值浓度为5×1016cm-3＜积累区域205的峰值浓度＜2×1017cm-3，并且接近的杂质区域208的峰值浓度为1×1016cm-3＜杂质区域208的峰值浓度＜积累区域205的峰值浓度，上限为积累区域的浓度。
另外，关于各浓度峰值的深度具有下列关系是更有效的。当令积累区域的浓度峰值的深度为V1、接近的杂质区域208的浓度峰值为V2时，通过V1＜V2＜2×V1的关系能够更有效地得到本实施方式的效果。
(第5实施方式)
图16是本实施方式的说明图。301～311分别与图14的101～111对应。在本实施方式中，不在像素的整个面上形成接近光二极管的积累区域305的杂质区域308，而只在积累区域305的下面部分中形成。
这种构造具有下列优点。
(1)[构造上的优点]因为能够读取从邻接的像素溢出的电荷，吸入区域304，所以具有防止模糊现象、污点、混色的效果。308的浓度设计能够减少对像素内和像素区域外(图中未画出)的晶体管的特性的影响，增加设计自由度。具有因读取区域的接合电容量小、增益增加引起SN比增加等等的优点。
(2)[处理上的优点]可以用与积累区域305相同或与表面P型杂质区域306相同的光刻胶形成接近的P型杂质区域308。原理上也可以用同一的光刻胶形成P型杂质区域310，但对于深的离子注入也需要形成厚的能够确保阻止性能的光刻胶，难以与细微的图案对应。另外，在也可以用Epitaxial(外延)法形成杂质区域310那样的情形中，在用与积累区域305相同或与表面P型杂质区域306相同的光刻胶形成接近积累区域305的P型杂质区域308的过程中，也能够不增加步骤，得到本实施方式的效果。
(第6实施方式)
图17是根据本实施方式的像素构造的上面图。401表示有源区域，402表示传送栅极，403表示光二极管区域，404表示读取区域。另外，与晶体管的沟道宽度平行的方向的长度是Dy1和Dy2，它们表示光二极管区域的宽度。因为一般地耗尽化电压在宽度宽的部分增高，所以如图15所示当在接近传送栅极402侧中采用宽度窄的布局时，产生完全传送变得困难那样的问题。即，存在着在重置或传送时，Dy1部分比Dy2部分先完全耗尽化，在Dy2部分中残留电荷，产生重置噪声那样的问题。该问题是由于来自耗尽层的横方向(Dy1、Dy2的长度方向)的扩展的影响，耗尽化电压与尺寸有关产生的。当说到具体的构造时，在设计阱表面附近的浓度低，使耗尽层向深度方向广阔地扩展的情形中成为特别显著的问题。在本实施方式中抑制耗尽层在深度方向的扩展的结果，可以减轻对布局的制约，即便进行图17所示的布局，也不会产生重置噪声。其理由用图18来说明。图18是表示沿图17的Dy1和Dy2的剖面的模式图。405表示在光二极管和阱中扩展的耗尽层区域，在图中表示出它的深度Dz。406表示就在完全耗尽化前最后残存的中性区域。407表示在深度方向扩展的耗尽层的样子，408表示在横方向(Dy1、Dy2的长度方向)扩展的耗尽层的样子。如该图所示，由在深度方向扩展的耗尽层的效果引起完全耗尽化的情形，没有与布局有关的依赖关系，在Dy1、Dy2中都形成相同的耗尽化电压，可以进行光二极管的完全重置和完全传送。在Dy1比该图窄的情形和耗尽层的深度方向的扩展407大的构造的情形中，因为在Dy1的地方由耗尽层的横方向扩展408的影响引起完全耗尽化，所以耗尽化电压与Dy1宽度的关系很小。鉴于以上的问题，在本实施方式中，为了使Dy1部分和Dy2部分的耗尽化电压等同，采用下列的构造。
在Dy2＞Dy1的布局的像素中，抑制耗尽层在深度方向伸展的宽度，设定阱浓度以使Dy1＞Dz。
在本实施方式的构造中，能够在光二极管的平面布局上，在无论哪个地方都使耗尽化电压相同，可以进行高速工作，又可以抑制由重置噪声引起的画质恶化。
另外各本实施方式可以进行多个2维状配置作为面积传感器(固体摄像装置)使用。另外，使在各实施例中说明的读取区域与绝缘栅极型晶体管的栅极连接，能够用于通过电荷电压变换读取那样的放大型固体摄像装置(Active Pixel Sensor(有源像素传感器)中。
另外在全部实施方式中，我们将载流子作为电子进行了述说，但是在载流子为空穴的情形中，可以使各杂质区域的导电型成为相反的导电型。
(在摄像系统的应用)
图18是表示将本发明的光电变换装置应用于摄像机时的方框图的例子的图。在摄影透镜1002前是快门1001，控制曝光。由光圈1003控制需要的光量，使其成像在固体摄像装置1004上。由信号处理电路1005处理从固体摄像装置1004输出的信号，由A/D变换器1006将模拟信号变换到数字信号。进一步由信号处理单元1007对输出的数字信号进行计算处理。将经过处理的数字信号存储在存储器1010中，通过外部I/F1013发送给外部设备。除了用定时发生单元1008对固体摄像装置1004、摄像信号处理电路1005、A/D变换器1006、信号处理单元1007进行控制外，由整体控制单元/计算单元1009对整个系统进行控制。为了将图像记录在记录介质1012中，通过由整体控制单元/计算单元控制的记录介质控制I/F单元1011，记录输出数字信号。

Claims (24)

1.一种具有第一导电型的半导体基板和光电变换元件的光电变换装置，所述光电变换元件备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域，其特征在于：
上述多个第二导电型的杂质区域至少包含第1杂质区域、比该第1杂质区域更配置在基板表面侧的第2杂质区域和比该第2杂质区域更配置在基板表面侧的第3杂质区域，上述第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1、上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2和上述第3杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C3满足下列关系：
C2＜C3＜C1。
2.根据权利要求1所述的光电变换装置，其特征在于：
上述光电变换元件还备有：
与上述第一导电型的杂质区域的基板表面侧连接所形成的第二导电型的第4杂质区域。
3.根据权利要求1所述的光电变换装置，其特征在于：
其中，3×C2≤C1。
4.根据权利要求3所述的光电变换装置，其特征在于：
其中，5×C2≤C1。
5.根据权利要求1所述的光电变换装置，其特征在于：
将第一导电型的杂质区域配置在上述第1、第2、第3杂质区域间的至少1个中，该第一导电型的杂质区域由内部电位进行耗尽化。
6.根据权利要求1所述的光电变换装置，其特征在于：
其中，1×1016cm-3＜C1＜1×1018cm-3，1×1015cm-3＜C2＜5×1016cm-3，2×1015cm-3＜C3＜2×1017cm-3。
7.一种具有第一导电型的半导体基板和光电变换元件的光电变换装置，所述光电变换元件备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域，其特征在于：
连续地配设上述多个第二导电型的杂质区域，直到与上述光电变换元件邻接的元件分离区域下部。
8.根据权利要求7所述的光电变换装置，其特征在于：
上述光电变换元件还具有：与该电荷积累区域的基板表面侧连接所形成的第二导电型的杂质区域。
9.一种具有第一导电型的半导体基板和光电变换元件的光电变换装置的制造方法，所述光电变换元件备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域，其特征在于包括：
在对上述第一导电型的半导体基板进行多次离子注入后，在各个经过离子注入的区域能够维持具有杂质浓度峰值的分布的温度下进行热扩散处理，形成多个上述杂质区域的步骤。
10.根据权利要求9所述的光电变换装置的制造方法，其特征在于还包括：
与该第一导电型的杂质区域的基板表面侧连接、形成第二导电型的杂质区域的步骤。
11.根据权利要求9所述的光电变换装置的制造方法，其特征在于：
上述热扩散处理的处理温度小于等于950℃。
12.一种摄像系统，其特征在于包括：
权利要求1所述的光电变换装置；
使光成像在该光电变换装置中的光学系统；
处理来自该光电变换装置的输出信号的信号处理电路。
13.一种摄像系统，其特征在于包括：
权利要求7所述的光电变换装置；
使光成像在该光电变换装置上的光学系统；
处理来自该光电变换装置的输出信号的信号处理电路。
14.一种具有第一导电型的半导体基板和光电变换元件的光电变换装置，所述光电变换元件备有设置在包含多个导电型与第一导电型相反的第二导电型的杂质区域的阱内的第一导电型的杂质区域，其特征在于：
在多个上述杂质区域中，至少，与上述第一导电型的杂质区域接近的第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1在3×1015＜C1＜2×1017cm-3的范围内。
15.根据权利要求14所述的光电变换装置，其特征在于包括：
与上述第一导电型的杂质区域的基板表面侧连接所形成的第二导电型的杂质区域。
16.根据权利要求14所述的光电变换装置，其特征在于：
具有上述杂质浓度峰值的多个杂质区域包含与上述第1杂质浓度区域比较在基板内更深位置上所形成的第2杂质区域、和与上述第2杂质浓度区域比较在基板内更深位置上所形成的第3杂质区域。
17.根据权利要求16所述的光电变换装置，其特征在于：
上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2和上述第3杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C3满足3×C2＜C3的关系。
18.根据权利要求16所述的光电变换装置，其特征在于：
上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C2满足C2＜C1＜4×C2的关系。
19.根据权利要求14所述的光电变换装置，其特征在于：
上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C4在3×1016＜C4＜8×1017cm-3的范围内，上述第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度满足3×1015cm-3＜C1＜C4的关系。
20.根据权利要求19所述的光电变换装置，其特征在于：
上述第1杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C1和上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的浓度C4满足C4/4＜C1＜C4的关系。
21.根据权利要求14所述的光电变换装置，其特征在于：
将上述第1杂质区域配置在上述第2杂质区域下面，但是不配置在配置在象素内的晶体管和读取区域的至少一部分的下面。
22.根据权利要求14所述的光电变换装置，其特征在于：
上述第2杂质区域的杂质浓度峰值的深度(V1)和上述第1杂质区域的杂质浓度峰值的深度(V2)具有V1＜V2＜2×V1的关系。
23.根据权利要求14所述的光电变换装置，其特征在于：
在象素内还具有传送用晶体管，
上述光二极管的宽度的，与上述传送用晶体管的沟道宽度大致平行的方向上的长度至少具有2个值，Dy1、Dy2，上述Dy1部分比Dy2部分更接近上述传送用晶体管的栅极，当令上述光二极管重置时的耗尽层的深度方向的宽度为Dz时，满足Dy2＞Dy1＞Dz的关系。
24.一种摄像系统，其特征在于包括：
权利要求14所述的光电变换装置；
使光成像在该光电变换装置中的光学系统；
处理来自该光电变换装置的输出信号的信号处理电路。
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