CN102468317B - 固态图像传感器、其制造方法和成像系统 - Google Patents

固态图像传感器、其制造方法和成像系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及固态图像传感器、其制造方法和成像系统。该固态图像传感器包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域。像素区域包含像素。每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管。周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的信号的电路。放大MOS晶体管的源极区域的电阻比放大MOS晶体管的漏极区域的电阻低。

Description

固态图像传感器、其制造方法和成像系统
技术领域
本发明一般涉及固态图像传感器、其制造方法和成像系统。
背景技术
作为固态图像传感器，存在包含像素区域和周边电路区域的MOS固态图像传感器。像素区域包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管。周边电路区域包含像素区域和驱动像素或处理输出到列信号线的信号的电路。在MOS固态图像传感器中产生的噪声的原因之一是在MOS晶体管中产生的热载流子。所述热载流子是当向MOS晶体管的栅极施加电压时施加到由漏极区域和沟道边缘形成的p-n结的强电场而产生的。在处理小信号的器件中，像MOS固态图像传感器那样，由热载流子产生的噪声可能是特别有问题的。
在例如日本专利公开No.2008-41726中公开的噪声减少方法使得像素区域中的MOS晶体管的源极和漏极区域的杂质浓度比周边电路区域中的杂质浓度低。还描述了在周边电路区域中形成具有LDD(轻掺杂漏极：LightlyDopedDrain)结构的周边MOS晶体管。该方法允许源极区域和漏极区域在适于像素区域和周边电路区域中的每一个的条件下形成。更具体而言，由于在周边MOS晶体管的栅极下面形成的沟道和漏极区域中场强度降低，因此，热载流子的影响可减小。另外，由于像素区域中的MOS晶体管不具有LDD结构，因此，在像素区域中的栅极电极的侧壁上形成侧壁隔体的蚀刻步骤不是必要的。这使得能够减少诸如由蚀刻损伤导致的暗电流的噪声的影响。像素区域中的MOS晶体管的漏极区域包含低浓度的杂质，尽管它不具有LDD结构。出于这种原因，即使在像素区域的MOS晶体管中，也可减少热载流子的影响。
近来的固态图像传感器被要求在保持或提高诸如敏感度和动态范围的光电转换特性的同时使像素小型化并增加像素的数量。为了满足这些要求，在抑制光电转换元件面积减小的同时使像素区域中的光电转换元件以外的区域小型化是有效的。
但是，使用于读取基于布置于像素区域中的光电转换元件的信号电荷的信号的MOS晶体管小型化会使MOS晶体管的驱动能力劣化。特别是当像素区域中的MOS晶体管的源极和漏极区域的杂质浓度降低以减少热载流子的影响时，如在日本专利公开No.2008-41726中描述的那样，MOS晶体管的源极电阻增加。出于这种原因，MOS晶体管的驱动能力低，从而导致高速读取操作中的缺点。
发明内容
本发明提供有利于减少噪声并提高像素区域中的放大MOS晶体管的驱动能力的技术。
本发明的第一方面提供一种固态图像传感器，该固态图像传感器包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，其中，放大MOS晶体管的源极区域的电阻比放大MOS晶体管的漏极区域的电阻低。
本发明的第二方面提供一种固态图像传感器，该固态图像传感器包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，其中，放大MOS晶体管的源极区域的杂质浓度比放大MOS晶体管的漏极区域的杂质浓度高。
本发明的第三方面提供一种固态图像传感器，该固态图像传感器包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，其中，放大MOS晶体管的源极区域和沟道区域之间的界面比放大MOS晶体管的漏极区域和沟道区域之间的界面宽。
本发明的第四方面提供一种固态图像传感器的制造方法，该固态图像传感器包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，所述制造方法包括：栅极电极形成步骤，形成放大MOS晶体管的栅极电极；第一注入步骤，通过使用栅极电极作为掩模，向半导体基板的要形成放大MOS晶体管的源极的源极形成区域和半导体基板的要形成放大MOS晶体管的漏极的漏极形成区域注入杂质；和第二注入步骤，从源极形成区域和漏极形成区域向源极形成区域选择性注入杂质。
本发明的第五方面提供一种成像系统，该成像系统包括：以上的固态图像传感器；被配置为在固态图像传感器上形成光的图像的光学系统；和被配置为处理来自固态图像传感器的输出信号的信号处理电路。
参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的固态图像传感器的示意性平面图。
图2A和图2B分别是根据本发明的实施例的固态图像传感器的放大MOS晶体管的平面图和截面图。
图3A和图3B分别是根据本发明的实施例的固态图像传感器的放大MOS晶体管的平面图和截面图。
图4是根据本发明的实施例的固态图像传感器的像素的电路图。
图5是根据第一实施例的固态图像传感器的示意性截面图。
图6A～6F是表示根据第一实施例的固态图像传感器的制造处理的过程的截面图。
图7是根据第三实施例的固态图像传感器的示意性截面图。
图8是用于解释本发明的实施例的固态图像传感器的示意性截面图。
图9A～9C分别是根据第四实施例的固态图像传感器的放大MOS晶体管的平面图和截面图。
图10是用于解释使用固态图像传感器的成像系统的框图。
具体实施方式
以下，参照附图以示例方式描述本发明的示例性实施例。注意，本发明不限于这些实施例，并且，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行组合或变化和修改。在实施例中，将例示特定的MOS晶体管。但是，各实施例的结构可被应用于在各区域中布置的每个MOS晶体管。
第一实施例
图1是表示固态图像传感器的布置的平面图。附图标记111表示像素区域。当将固态图像传感器形成为线性传感器时，在像素区域中一维排列多个像素。当固态图像传感器被形成为图像传感器时，多个像素被二维排列，即，以形成多个行和多个列。像素是包含一个光电转换元件和用于将来自光电转换元件的信号输出到列信号线的元件的元件集合体的最小单位。元件集合体可包含的部件的例子是传送单元、放大单元和复位单元。传送单元包含将电荷从光电转换元件传送到浮置扩散单元的传送MOS晶体管。放大单元包含输出通过浮置扩散单元转换成电压的信号的放大MOS晶体管。复位单元包含将浮置扩散单元的电压复位到复位电压的复位MOS晶体管。相邻的像素可共享放大单元和复位单元。在这种情况下，像素也被定义为用于读取一个光电转换元件的信号的元件集合体的最小单位。
信号处理电路112包含放大从像素区域111读取的信号的电路。除了放大电路以外，信号处理电路112可包含例如通过CDS(相关双采样：CorrelatedDoubleSampling)处理减少在像素中产生的噪声的电路。信号处理电路112可包含被配置为简单地将从多个列并行读取的信号转换成串行信号的电路。
垂直移位寄存器113被配置为驱动在像素区域111中布置的像素。水平移位寄存器114被配置为驱动信号处理电路112。为了在固态图像传感器中执行A/D转换，可以在其中包含A/D转换电路。信号处理电路112、垂直移位寄存器113和水平移位寄存器114被布置在周边电路区域中。
图4表示在像素区域111中排列的一个像素的例子。像素包含光电转换元件1、传送MOS晶体管(传送单元)2、复位MOS晶体管(复位单元)4和放大MOS晶体管(放大单元)5。可通过供给到复位MOS晶体管4的漏极的电压选择像素。通过垂直移位寄存器完成该选择。从例如光电二极管形成的光电转换元件1将入射光转换成电荷并且存储它们。传送MOS晶体管2将存储于光电转换元件1中的电荷传送到用作放大MOS晶体管的输入部分的浮置扩散(浮置扩散区域：FD)3。放大MOS晶体管5、恒定电流源6、电源7和列信号线8可构成源极跟随器电路。放大MOS晶体管5可通过源极跟随器操作将浮置扩散3的电势输出到列信号线8。通过这种源极跟随器操作放大和输出电荷。在该例子中，通过复位MOS晶体管4的漏极电压选择要被读取访问的目标像素。但是，选择MOS晶体管可被提供以执行选择。在列信号线8和放大MOS晶体管5的源极之间的电路中布置选择MOS晶体管。作为替代方案，在电源7和放大MOS晶体管5的漏极之间的电路中布置选择MOS晶体管。
为了理解本发明，将解释使得像素区域中的MOS晶体管的源极区域和漏极区域的杂质浓度比周边电路区域中的杂质浓度低并且周边MOS晶体管具有LDD结构的固态图像传感器。
图8是固态图像传感器的示意性截面图。固态图像传感器包含像素区域101和周边电路区域102。像素区域101包含被配置为从光电转换元件读取信号的放大MOS晶体管909。周边电路区域102包含构成例如信号处理电路112、垂直移位寄存器113和水平移位寄存器114中的一个的MOS晶体管910。
MOS晶体管910的源极区域和漏极区域采用LDD结构。在LDD结构中，在比半导体区域916更接近沟道的中间区域中形成杂质浓度不至于高到损害MOS晶体管的驱动能力的半导体区域911。另外，LDD结构包含杂质浓度比半导体区域911的杂质浓度低并且比中间区域更接近沟道的半导体区域914。半导体区域914在各侧壁隔体913下面形成，并且用作对抗热载流子的电场减少层。并且，在用于接触插头915的各接触孔下面形成表现低电阻和欧姆特性的半导体区域916。半导体区域916的杂质浓度比半导体区域911的杂质浓度高。布置于像素区域中的MOS晶体管909的源极区域和漏极区域具有单个漏极结构。布置于像素区域101中的MOS晶体管909的源极区域和漏极区域中的每一个具有比MOS晶体管910的半导体区域911的杂质浓度低的杂质浓度，并且用作电场减少层以不产生热载流子。
出于例如小型化的目的必须减小电场的像素区域需要包含广泛形成的电场减少层。考虑在栅极侧壁上形成侧壁隔体时的蚀刻损伤，像素区域不采用LDD结构是有利的。另一方面，如果电场减少层宽或者杂质浓度太低，那么晶体管的寄生电阻(串联电阻)增加，从而大大损伤晶体管的驱动能力。出于这种原因，驱动能力特别重要的放大MOS晶体管的源极区域的电阻可被抑制为低。
在本发明的实施例中，为了同时使固态图像传感器小型化并提高放大MOS晶体管的驱动能力，放大MOS晶体管的源极区域和漏极区域具有不同的结构。更具体而言，使得布置于像素区域中的放大MOS晶体管的源极区域的电阻比漏极区域的电阻低。可通过使得放大MOS晶体管的源极的杂质浓度高于放大MOS晶体管的漏极的杂质浓度，实现这一点。
将参照图2A和图2B描述放大MOS晶体管的源极区域和漏极区域之间的杂质浓度的关系。图2A是布置于像素区域中的放大MOS晶体管的平面图。图2B是沿图2A中的线A-A′切取的截面图。放大MOS晶体管包含栅极电极2001、源极区域2002、漏极区域2003和接触插头连接区域(第一区域)2004。分别与源极区域2002和漏极区域2003对应地布置接触插头连接区域2004。有时仅对于源极区域2002和漏极区域2003中的一个布置接触插头连接区域2004。与源极区域和漏极区域对应的接触插头连接区域2004可具有几乎相同的杂质浓度。源极区域2002包含布置于沟道区域2007和连接区域2004之间的半导体区域(第二区域)2005。漏极区域2003包含布置于沟道区域2007和连接区域2004之间的半导体区域(第三区域)2006。半导体区域2005的杂质浓度比半导体区域2006的杂质浓度高。使得源极区域的杂质浓度比漏极区域的杂质浓度高允许提高布置于像素区域中的放大MOS晶体管的驱动能力。这也使得能够减少布置于像素区域中的MOS晶体管的热载流子。在像素区域中，由于不采用LDD结构，因此，侧壁隔体形成步骤不是必要的。作为结果，可以防止由形成LDD结构的蚀刻步骤导致的损伤。
图5是根据本实施例的固态图像传感器的像素区域101和周边电路区域102的示意性截面图。图5的像素区域101表示光电转换元件1、传送MOS晶体管2和放大MOS晶体管5的截面结构。周边电路区域102表示构成信号处理电路112、垂直移位寄存器113和水平移位寄存器114中的一个的MOS晶体管。在半导体基板38上形成图5所示的固态图像传感器。在半导体基板38中形成n型或p型阱39。在阱39中形成光电转换元件1和作为预期的MOS晶体管的半导体区域。
在图5的像素区域101中，当要存储于光电转换元件1中的电荷是电子时，构成光电转换元件1的第一导电类型的半导体区域33是n型。传送MOS晶体管2包含栅极电极31、用作源极的半导体区域33和用作漏极的半导体区域3。半导体区域33共同用作传送MOS晶体管2的源极区域和形成光电转换元件1的半导体区域。半导体区域3共同用作复位MOS晶体管(未示出)的源极和构成浮置扩散(FD)3的半导体区域3。放大MOS晶体管5包含栅极电极32、用作漏极的半导体区域34a和用作源极的半导体区域34b。半导体区域34a可被赋予用于像素选择的基准电压。硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a被依次层叠于半导体基板的表面上。硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a形成绝缘膜。由硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a形成的绝缘膜覆盖除像素区域101中的接触底部以外的整个区域。硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a还可形成减少光电转换元件的表面的反射的抗反射膜。不需要总是通过组合硅氮化物膜和硅氧化物膜来形成绝缘膜。诸如接触插头41a的电导体与半导体区域接触。用作浮置扩散的半导体区域3经由电极(未示出)与放大MOS晶体管的栅极电极连接。半导体区域34a也经由电极与放大基准电压线(未示出)连接。
在图5的周边电路区域102中，用作具有LDD结构的MOS晶体管的源极区域或漏极区域的半导体区域43的杂质浓度比用作电场减少层的半导体区域44的杂质浓度高。在栅极电极42的各侧面上形成构成侧壁隔体的硅氮化物膜36b和硅氧化物膜37b。
当在同一步骤中形成在像素区域101中的硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a以及周边电路区域102中的用作侧壁隔体的硅氮化物膜36b和硅氧化物膜37b时，可以将制造成本抑制为低。
当通过离子注入在周边电路区域102中形成具有高杂质浓度的半导体区域43时，像素区域中的硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a可被用作掩模。由于不必独立地制备掩模，因此，可将制造成本抑制为低。
在像素区域101中，放大MOS晶体管5具有单个漏极结构。由杂质浓度比源极区域34b的杂质浓度低的半导体区域形成漏极区域34a。与在漏极区域中包含具有高杂质浓度的半导体区域的LDD结构相比，这使得能够抑制由热载流子导致的晶体管特性的劣化。
如上所述，当由杂质浓度比放大MOS晶体管的漏极区域34a的杂质浓度高的半导体区域形成像素区域101中的放大MOS晶体管的源极区域34b时，可使得源极区域34b的电阻比漏极区域34a的电阻低。与漏极区域侧相比没有施加高电场的源极区域不需要考虑热载流子的影响。单个漏极结构与包含在栅极侧壁上形成的侧壁隔体的LDD结构相比更适于小型化，并且还可减少诸如在侧壁隔体形成时由蚀刻损伤产生的暗电流的噪声。
在布置于像素区域101中的MOS晶体管的半导体区域3、34a和34b中，与各接触插头41a的底部接触的接触区域需要确保使得能够实现金属互连的电连接的杂质浓度。通过经过接触孔开口部分注入杂质来确保杂质浓度。
像素区域101中的硅氮化物膜36a可被用作当用于在由BPSG(硼磷硅玻璃：BoronPhosphorusSiliconGlass)等制成的层间绝缘膜中形成接触孔的各向异性干蚀刻时的蚀刻阻止体。在各向异性干蚀刻之后，在具有选择性的蚀刻条件下对于硅氮化物膜36a和硅氧化物膜37a执行各向异性蚀刻，由此完成接触孔。根据该方法，即使当蚀刻层间绝缘膜时由于不对准在元件隔离区域上形成接触孔，接触插头41a也不与元件隔离区域或侧面的阱39接触。出于这种原因，阱39和半导体区域3、34a和34b之间的泄漏电流可被抑制。因此，能够缩短接触插头和元件隔离区域之间的距离并因此使元件小型化。
作为硅氮化物膜36a和36b，可以使用包含大量的氢分子的膜。在这种情况下，在硅氮化物膜形成之后，以350℃或更高的温度执行退火，以使氢扩散到半导体基板中，由此获得悬空键的终端化(termination)效果。可通过等离子CVD形成这样的硅氮化物膜。
以下将参照图6A～6F描述固态图像传感器的制造方法。首先，如图6A所示，在由硅等制成的半导体基板38中形成第一导电类型(n型)的阱(未示出)和第二导电类型(p型)的阱39。然后，通过STI(浅沟道隔离：ShallowTrenchIsolation)或选择氧化方法形成元件隔离区域41。注意，在图6A～6F中，为了便于描述，相邻地示出像素区域101和周边电路区域102。
如图6B所示，在半导体基板38的阱39中通过多晶硅形成像素区域中的MOS晶体管的栅极电极31和32以及周边电路区域中的MOS晶体管的栅极电极42。在栅极电极形成步骤之后，n型杂质被引入以形成构成光电转换元件的光电二极管的n型半导体区域(存储区域)33。然后，p型杂质被引入以在n型半导体区域33的表面中形成p型半导体区域35，使得光电二极管具有埋入结构。然后，通过使用栅极电极31、32和42作为掩模进行离子注入(第一注入步骤)，引入n型杂质。在栅极电极的侧面的源极形成区域(预期的源极区域的部分)和漏极形成区域(预期的漏极区域的部分)中，形成作为与栅极电极自对准的预期的源极区域和漏极区域的半导体区域3、34a、34b和44。
如图6C所示，在像素区域和周边电路区域上形成具有露出放大MOS晶体管的源极区域的开口的抗蚀剂50。然后，通过使用栅极电极32作为掩模选择性地执行离子注入(第二注入步骤)，n型杂质被引入放大MOS晶体管的源极区域34b。这允许使得放大MOS晶体管5的源极区域34b的杂质浓度比漏极区域34a的杂质浓度高。
在除元件隔离区域和栅极电极以外的半导体基板的表面层上形成薄硅氧化物膜30b。可通过留下在为了形成多晶硅栅极电极而进行各向异性干蚀刻时形成的半导体基板的表面层上的栅极氧化物膜，形成薄多晶硅硅氧化物膜。作为替代方案，可通过在沉积硅氮化物膜36之前通过热氧化形成薄多晶硅膜。否则，可通过沉积硅氧化物膜形成薄多晶硅膜。然后，如图6D所示，在半导体基板的表面上形成硅氮化物膜36，并且，在硅氮化物膜上形成硅氧化物膜37。硅氮化物膜36和硅氧化物膜37用作覆盖像素区域101和周边电路区域102的绝缘膜。
在像素区域上形成抗蚀剂51，并且，执行后蚀刻(etchback)，以留下周边电路区域102中的栅极电极42的侧面上的硅氮化物膜36和硅氧化物膜37的一部分。由此，如图6E所示，在周边电路区域102中的栅极电极42的各侧壁上形成包含硅氮化物膜36b和硅氧化物膜37b的侧壁隔体。通过使用周边电路区域102中的栅极电极42和侧壁隔体作为掩模引入n型杂质(第三注入步骤)。与侧壁隔体的侧面自对准的源极区域和漏极区域可由此变为杂质浓度比半导体区域44的杂质浓度高的半导体区域43。此时，在像素区域101中，残留于整个表面上的硅氮化物膜36和硅氧化物膜37可被用作掩模。在这种情况下，由于不必独立地形成掩模，因此，可以抑制制造成本。由此获得图6E所示的结构。
然后，如图6F所示，BPSG等的层间绝缘膜40被形成为完全覆盖像素区域101和周边电路区域102。通过各向异性干蚀刻在层间绝缘膜40中形成用于接触插头41a和41b的接触孔。此时，使用像素区域中的硅氮化物膜36a作为蚀刻阻止体，由此形成接触孔，对于所述接触孔，与像素区域101中的接触底部接触的接触区域与半导体基板自对准。用于接触插头41a和41b的接触孔填充有电导体，由此形成接触插头。由此获得图6F所示的结构。可以在硅氧化物膜形成之后的步骤之一中执行350℃或更高温度的退火。
以上描述了使用在p型杂质半导体基板上形成的n沟道MOS晶体管的例子。当通过CMOS工艺形成固态图像传感器时，可以通过改变导电类型以与上述方式相同的方式形成p沟道MOS晶体管。载流子迁移率在p沟道MOS晶体管中比在n沟道MOS晶体管中低。因此，如本实施例那样，提高放大MOS晶体管的驱动能力是重要的。
在上述实施例中，布置于像素区域中的放大MOS晶体管具有单漏极结构，在该单漏极结构中，由杂质浓度比漏极区域的杂质浓度高的半导体形成源极区域。布置于周边电路区域中的MOS晶体管具有LDD结构。可以在布置于周边电路区域中的MOS晶体管的LDD结构的低杂质浓度区域的同一步骤中形成布置于像素区域中的放大MOS晶体管的漏极区域的低杂质浓度区域。通过该工艺形成的固态图像传感器可同时抑制由热载流子导致的像素区域中的放大MOS晶体管的特性劣化并且实现放大MOS晶体管的高驱动能力。
当使用抗反射膜作为蚀刻阻止体时，像素部分中的接触孔仅以自对准的方式与半导体基板的表面接触。这允许抑制阱与MOS晶体管的源极和漏极之间的泄漏电流。
绝缘膜在像素区域中被用作抗反射膜和用于接触的蚀刻阻止体，并且在周边电路区域中被用作MOS晶体管的侧壁隔体。这使得能够将制造成本抑制为低。
当绝缘膜由包含大量氢分子的硅氮化物膜形成时，可以有效地减少晶体管的界面或光电二极管上的硅和硅氧化物膜之间的界面上的陷阱。
第二实施例
在本实施例中，将描述放大MOS晶体管5的源极的电阻比漏极的电阻低的例子。图3A是布置于像素区域中的放大MOS晶体管5的平面图。图3B是沿图3A中的线A-A′切取的截面图。
放大MOS晶体管5包含栅极电极2001、源极区域2002、漏极区域2003、接触插头连接区域2004(第一区域)和沟道区域2007。分别与源极区域2002和漏极区域2003对应地布置接触插头连接区域2004。有时仅对于源极区域2002和漏极区域2003中的一个布置接触插头连接区域2004。放大MOS晶体管5的源极区域还包含布置于沟道区域2007和第一区域之间的半导体区域2005(第二区域)。放大MOS晶体管5的漏极区域包含布置于沟道区域2007和第一区域之间的半导体区域2006(第三区域)。半导体区域2005(第二区域)和沟道区域2007之间的接触长度比半导体区域2006(第三区域)和沟道区域2007之间的接触长度长。换句话说，放大MOS晶体管的沟道宽度在源极边缘处比在漏极边缘处大。沟道区域的边界由元件隔离部分限定。元件隔离部分的例子是场氧化物膜隔离、STI、p-n结隔离和EDI隔离。虽然没有示出，但是，沟道区域可由栅极电极限定。在这种情况下，通过使得栅极电极的栅极宽度在源极边缘比在漏极边缘处更宽，来形成沟道。
源极侧的接触插头和半导体区域之间的接触面积可比漏极侧的接触插头和半导体区域之间的接触面积大。出于这种目的，第一区域的与源极区域对应的面积可比第二区域的与漏极区域对应的面积大。
该结构使得能够减小布置于像素区域中的放大MOS晶体管的源极区域的电阻。由此，可以提高放大MOS晶体管的驱动能力。
根据放大MOS晶体管的漏极侧的沟道宽度比源极侧的沟道宽度小的结构，如图3A和图3B所示，栅极电极和漏极区域之间的电容可减小。这允许减小与栅极电极电连接的浮置扩散部分的电容。因此，能够增加从读取电荷向电压的转换的增益。如果浮置扩散部分的电荷到电压转换增益高，那么可使得后段的噪声更少。保持源极侧的大的沟道宽度允许增加Gm。出于这种原因，即使栅极面积相同，也可使得诸如RTS噪声的低频噪声更少。
第三实施例
在本实施例中，将解释与电导体直接接触的漏极区域的接触面积。一般地，MOS晶体管的源极和漏极与诸如与互连层的布线图案电连接的接触插头的电导体之间的接触需要表现低的电阻和欧姆特性。对于对由金属杂质导致的点缺陷敏感的固态图像传感器而言，有时有意地禁止硅化物形成处理的应用。由此，如何形成漏极区域和电导体之间的欧姆接触对于固态图像传感器是重要的。
如果如上述的实施例那样布置于像素区域中的MOS晶体管的漏极区域具有电场减少结构，那么需要形成表现低电阻和欧姆特性的接触的方法。以下将描述满足该需要的固态图像传感器的结构和制造方法。图7是根据本实施例的固态图像传感器的截面图。与第一和第二实施例相同的附图标记表示具有相同功能的部件，并且，将省略其详细描述。附图标记101表示用作布置于像素区域中的浮置扩散的半导体区域3，即，电导体与传送MOS晶体管(在本实施例中为n型)的漏极区域之间的连接部分；104表示电导体与布置于周边电路区域中的n型MOS晶体管的源极或漏极区域之间的接触部分；并且105表示电导体与布置于周边电路区域中的p型MOS晶体管的源极或漏极区域之间的连接部分。
如附图标记101所示，半导体区域3包含具有高杂质浓度并且与电导体(接触插头)41a直接接触的n型半导体区域45。在接触部分104和105中，源极区域和漏极区域也分别包含具有高杂质浓度的n型半导体区域45和p型半导体区域46。应用本实施例的结构允许在所有接触插头41a、41b和41c中获得低电阻和优异的欧姆特性。
以下将描述根据本实施例的固态图像传感器的制造方法。
通过直到图6E与在第一实施例中描述的过程相同的处理形成固态图像传感器。具有低杂质浓度的半导体区域的杂质浓度可被设为约1×1017/cm3≤d1≤5×1018/cm3。然后，由各向异性干蚀刻形成与要连接到电导体的源极区域和漏极区域对应的接触孔。然后，由磷(P)表示的n型杂质通过使用光掩模被引入与用作布置于像素区域中的浮置扩散的半导体区域3对应的接触底部和与布置于周边电路区域102中的半导体区域43对应的接触底部。为了对于与像素区域中的半导体区域3的接触获得低的电阻和欧姆特性，可以设定剂量，使得与接触插头直接接触的半导体区域的杂质浓度d2满足5×1018/cm3≤d2≤5×1019/cm3。注意，考虑成本降低，n型杂质可在不使用光掩模的情况下被引入整个区域。
然后，由硼(B)表示的p型杂质通过使用光掩模被引入电导体与布置于周边电路区域中的p型MOS晶体管的源极或漏极区域之间的接触部分105，由此形成具有高杂质浓度的n型半导体区域。此时，n型杂质可能已通过上述的向整个表面的n型杂质离子的注入被引入p型半导体区域。在这种情况下，掩模图案形成为覆盖电导体的整个接触部分104、布置于周边电路区域中的n型MOS晶体管的源极区域和漏极区域。p型杂质离子注入条件需要被设定，使得杂质浓度超过由将离子注入整个表面而引入的n型杂质的浓度。例如，此时的剂量可被设为约1.0×1015/cm2，使得与接触插头直接接触的区域的杂质浓度d3满足5×1018/cm3≤d3≤5×1019/cm3。
本实施例的制造方法适用于上述的第一和第二实施例。该方法也适用于布置于像素区域中的各种类型的MOS晶体管。
第四实施例
作为本实施例的特征，包含于像素中的放大MOS晶体管的源极区域的杂质浓度比漏极区域的杂质浓度高。
图1是表示根据本实施例的固态图像传感器的布置的平面图。附图标记111表示像素区域。在像素区域111中排列多个像素。像素区域111的结构和像素的结构与第一实施例的固态图像传感器的结构相同，并且，其详细的描述在这里将被省略。但是，在本实施例中，放大MOS晶体管的结构可与第一实施例的固态图像传感器的结构不同。
信号处理电路112包含放大从像素区域111读取的信号的电路。垂直移位寄存器113被配置为驱动布置在像素区域111中的像素。水平移位寄存器114被配置为驱动信号处理电路112。信号处理电路112、垂直移位寄存器113和水平移位寄存器114被布置于周边电路区域中。这些电路与第一实施例的固态图像传感器的电路相同，并且，其详细描述将被省略。
图4表示排列于像素区域111中的一个像素的例子。本实施例的固态图像传感器的像素电路与第一实施例相同，并且，其详细的描述在这里将被省略。
在本实施例中，像素区域中的MOS晶体管的漏极区域的杂质浓度比周边区域的杂质浓度低，并且，周边电路区域中的MOS晶体管具有LDD结构。
图8是根据本实施例的固态图像传感器的示意性截面图。固态图像传感器包含像素区域101和周边电路区域102。像素区域101包含被配置为从光电转换元件读取信号的放大MOS晶体管909。周边电路区域102包含构成例如信号处理电路112、垂直移位寄存器113和水平移位寄存器114之一的MOS晶体管910。
周边电路区域中的MOS晶体管910的源极区域和漏极区域采用LDD结构。LDD结构包含杂质浓度不至于高到损害MOS晶体管的驱动能力的半导体区域911和杂质浓度比半导体区域911的杂质浓度低的半导体区域914。半导体区域914在各侧壁隔体913下面形成，并且用作对抗热载流子的电场减少层。并且，在用于接触插头915的各接触孔下面形成表现低电阻和欧姆特性的半导体区域916。半导体区域916的杂质浓度比半导体区域911的杂质浓度高。布置于像素区域中的放大MOS晶体管909的漏极区域具有单个漏极结构。布置于像素区域101中的放大MOS晶体管909的漏极区域具有比布置于周边区域中的MOS晶体管910的半导体区域911的杂质浓度低的杂质浓度，并且用作电场减少层以不产生热载流子。注意，在本实施例中，布置于像素区域101中的放大MOS晶体管909的源极区域可具有任意结构。例如，放大MOS晶体管909的源极区域可具有LDD结构。放大MOS晶体管909的源极区域的杂质浓度可几乎等于或高于布置于周边电路区域102中的MOS晶体管910的源极区域或漏极区域的杂质浓度。
出于例如小型化的目的必须减小电场的像素区域需要包含广泛形成的电场减少层。考虑在栅极侧壁上形成侧壁隔体时的蚀刻损伤，像素区域不采用LDD结构是有利的。另一方面，如果电场减少层宽或者杂质浓度太低，那么晶体管的寄生电阻(串联电阻)增加，从而大大损伤晶体管的驱动能力。出于这种原因，驱动能力特别重要的放大MOS晶体管的源极区域的电阻可被抑制为低。
图8的像素区域101表示光电转换元件1、传送MOS晶体管2和放大MOS晶体管909的截面结构。周边电路区域102表示构成信号处理电路112、垂直移位寄存器113和水平移位寄存器114之一的MOS晶体管910。在半导体基板上形成图8所示的固态图像传感器。在半导体基板中形成n型或p型阱。在阱中形成光电转换区域1和作为预期的MOS晶体管的半导体区域。
在图8的像素区域101中，当要存储于光电转换元件1中的电荷是电子时，构成光电转换元件1的第一导电类型的半导体区域903是n型。传送MOS晶体管2包含栅极电极901、用作源极的半导体区域903和用作漏极的半导体区域914。半导体区域903共同用作传送MOS晶体管2的源极区域和形成光电转换元件1的半导体区域。传送MOS晶体管的半导体区域914共同用作复位MOS晶体管(未示出)的源极和构成浮置扩散(FD)部分的半导体区域。放大MOS晶体管909包含栅极电极902、用作漏极的半导体区域914和用作源极的半导体区域914。用作放大MOS晶体管909的漏极的半导体区域914可被赋予电源电压。在光电转换元件1的表面上依次层叠硅氮化物膜和硅氧化物膜。硅氮化物膜和硅氧化物膜形成绝缘膜。由硅氮化物膜和硅氧化物膜形成的绝缘膜可覆盖除像素区域101中的接触底部以外的整个区域。硅氮化物膜和硅氧化物膜还可形成减少光电转换元件的表面的反射的抗反射膜。不需要总是通过组合硅氮化物膜和硅氧化物膜来形成绝缘膜。诸如接触插头915的电导体与半导体区域接触。用作传送MOS晶体管2的漏极和浮置扩散的半导体区域914经由电极(未示出)与放大MOS晶体管的栅极电极连接。用作放大MOS晶体管909的漏极的半导体区域914还经由电极与电源电压线(未示出)连接。
在图8的周边电路区域102中，用作具有LDD结构的MOS晶体管910的源极区域或漏极区域的半导体区域911的杂质浓度比用作电场减少层的半导体区域914的杂质浓度高。在栅极电极912的各侧面上形成构成侧壁隔体的硅氮化物膜和硅氧化物膜。
当在同一步骤中形成像素区域101中的硅氮化物膜和硅氧化物膜以及用作周边电路区域102中的侧壁隔体的硅氮化物膜和硅氧化物膜时，可以将制造成本抑制为低。
布置于像素区域101中的MOS晶体管的半导体区域914和布置于周边电路区域102中的MOS晶体管的半导体区域911与接触插头915的底部接触。各接触部分需要确保使得能够实现金属互连的电连接的杂质浓度。通过经过接触孔开口部分注入杂质来确保杂质浓度。
像素区域101中的硅氮化物膜可被用作蚀刻阻止体。例如，硅氮化物膜可被用作在用于在由BPSG(硼磷硅玻璃：BoronPhosphorusSiliconGlass)等制成的层间绝缘膜中形成接触孔的各向异性干蚀刻时的蚀刻阻止体。在各向异性干蚀刻之后，在具有选择性的蚀刻条件下对于硅氮化物膜和硅氧化物膜执行各向异性蚀刻，由此完成接触孔。根据该方法，即使在蚀刻层间绝缘膜时由于不对准在元件隔离区域上形成接触孔，接触插头915也不与元件隔离区域或侧面的阱接触。出于这种原因，阱和半导体区域之间的泄漏电流可被抑制。因此，能够缩短接触插头和元件隔离区域之间的距离并因此使元件小型化。
作为硅氮化物膜，可以使用包含大量氢分子的膜。在这种情况下，在硅氮化物膜形成之后，以350℃或更高的温度执行退火，以使氢扩散到半导体基板中，由此获得悬空键的终端化效果。可通过等离子CVD形成这样的硅氮化物膜。
在本发明的实施例中，为了同时使固态图像传感器小型化并提高放大MOS晶体管的驱动能力，放大MOS晶体管的源极区域和漏极区域具有不同的结构。更具体而言，放大MOS晶体管的源极区域的杂质浓度比放大MOS晶体管的漏极区域的杂质浓度高。这允许布置于像素区域中的放大MOS晶体管的源极区域的电阻比漏极区域的电阻低并由此提高放大MOS晶体管的驱动能力。
将参照图9A～9C详细描述杂质浓度分布。图9A是布置于像素区域中的放大MOS晶体管的平面图。图9B是沿图9A中的线B-B′切取的截面图。图9C是沿图9A中的线B-B′切取的实施例的变更例的截面图。
放大MOS晶体管包含栅极电极3001、源极区域3002和漏极区域3003。放大MOS晶体管还包含源极侧的接触插头连接区域3004和漏极侧的接触插头连接区域3005。可以仅布置插头连接区域3004和3005中的一个，或者两者可均不被布置。如果源极区域3002或漏极区域3003也用作另一晶体管的源极区域或漏极区域，那么不需要总是布置接触插头。
源极区域3002包含布置于栅极电极3001和接触插头连接区域3004之间的区域3006。漏极区域3003包含布置于栅极电极3001和接触插头连接区域3005之间的区域3007。
本实施例的特征是两个区域3006和3007之间的杂质浓度的关系。在图9B的截面上，整个区域3006的杂质浓度比区域3007的最高杂质浓度部分的杂质浓度高。剩余部分可具有任意的杂质浓度关系。例如，漏极侧的插头连接区域3005的杂质浓度可比区域3006的杂质浓度高。特别地，为了减少接触插头3005a和漏极区域3003之间的接触电阻，插头连接区域3005具有高杂质浓度是有利的。在源极区域3002中，区域3006以外的部分可具有与区域3006的杂质浓度几乎相等或不同的杂质浓度。另外，在漏极区域3003之外，区域3007以外的部分可具有与区域3007几乎相同或不同的杂质浓度。
由此使得整个区域3006的杂质浓度比区域3007的最高杂质浓度部分的杂质浓度高允许提高放大MOS晶体管的驱动能力并且减少热载流子。
图9C是本实施例的变更例的截面图。参照图9C，布置于栅极电极3001和源极区域3002的接触插头连接区域3004之间的区域3006包含具有不同杂质浓度的区域3006a和3006b。另外，布置于栅极电极3001和漏极区域3003的接触插头连接区域3005之间的区域3007包含具有不同的杂质浓度的区域3007a和3007b。在图9C中，与图9B相同的附图标记表示具有相同结构的部分。
区域3006a的杂质浓度比区域3006b的杂质浓度高。区域3006b被布置于区域3006a和栅极电极3001之间。区域3007a的杂质浓度比区域3007b的杂质浓度高。区域3007b被布置在区域3007a和栅极电极3001之间。区域3006a的杂质浓度比区域3007a的杂质浓度高。另一方面，区域3006b和3007b具有几乎相同的杂质浓度。即，只有布置于源极侧的栅极电极3001和接触插头连接区域3004之间的区域3006的一部分可具有比区域3007的杂质浓度高的杂质浓度。
由此使得区域3006的至少部分区域的杂质浓度比区域3007的最高杂质浓度部分的杂质浓度高允许提高放大MOS晶体管的驱动能力并减少热载流子。
如上所述，放大MOS晶体管的源极区域的杂质浓度比放大MOS晶体管的漏极区域的杂质浓度高。这允许使得布置于像素区域中的放大MOS晶体管的源极区域的电阻比漏极区域的电阻低，并由此提高放大MOS晶体管的驱动能力。
第五实施例
图10是表示根据本发明的固态图像传感器对于成像系统的应用例子的框图。
光学系统包括拍摄镜头1002、快门1001和光圈1003，并且在固态图像传感器1004上形成对象的图像。
从固态图像传感器1004输出的信号被感测信号处理电路1005处理。A/D转换器1006将模拟信号转换成数字信号。输出数字信号进一步经受信号处理单元1007的运算处理。处理的数字信号被存储于存储器单元1010中或者经由外部I/F单元1013被发送到外部装置。固态图像传感器1004、感测信号处理电路1005、A/D转换器1006和信号处理单元1007由定时产生器1008控制。整个系统由总体控制/运算单元1009控制。为了在记录介质1012上记录图像，经由通过总体控制/运算单元控制的记录介质控制I/F单元1011来记录输出的数字信号。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.一种固态图像传感器，包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，
其中，放大MOS晶体管的源极区域的电阻比放大MOS晶体管的漏极区域的电阻低，
其中，在与半导体基板的表面平行的平面中放大MOS晶体管的源极区域和沟道区域之间的第一界面比在所述平面中放大MOS晶体管的漏极区域和沟道区域之间的第二界面宽，
其中，多个第一接触插头与放大MOS晶体管的源极区域连接，一个或多个第二接触插头与放大MOS晶体管的漏极区域连接，
其中，所述多个第一接触插头布置成与第一界面平行并且在第一界面的宽度内的单个行，
其中，所述一个或多个第二接触插头布置成与第二界面平行并且在第二界面的宽度内的单个行，
其中，第一接触插头的数量比第二接触插头的数量多，以及
其中，每个接触插头与源极或漏极区域之间的接触面积相同。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中，放大MOS晶体管的源极区域的杂质浓度比放大MOS晶体管的漏极区域的杂质浓度高。
3.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中，在周边电路区域中布置构成所述电路的一部分的周边MOS晶体管，
其中，周边MOS晶体管的源极区域和漏极区域中的每一个包含与接触插头接触的接触区域、比接触区域更接近沟道的中间区域和比中间区域更接近沟道的区域，
其中，中间区域的杂质浓度高于所述比中间区域更接近沟道的区域的杂质浓度，并且，
其中，放大MOS晶体管的源极区域和漏极区域的杂质浓度比中间区域的杂质浓度低。
4.根据权利要求1所述的固态图像传感器，还包括：在周边电路区域中布置构成所述电路的一部分的周边MOS晶体管，
其中，周边MOS晶体管的源极区域和漏极区域中的每一个包含与接触插头接触的接触区域、比接触区域更接近沟道的中间区域和比中间区域更接近沟道的区域，
其中，中间区域的杂质浓度高于所述比中间区域更接近沟道的区域的杂质浓度，并且，
其中，放大MOS晶体管的漏极区域的杂质浓度比中间区域的杂质浓度低。
5.一种固态图像传感器，包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，
其中，在与半导体基板的表面平行的平面中放大MOS晶体管的源极区域和沟道区域之间的第一界面比在所述平面中放大MOS晶体管的漏极区域和沟道区域之间的第二界面宽，
其中，多个第一接触插头与放大MOS晶体管的源极区域连接，一个或多个第二接触插头与放大MOS晶体管的漏极区域连接，
其中，所述多个第一接触插头布置成与第一界面平行并且在第一界面的宽度内的单个行，
其中，所述一个或多个第二接触插头布置成与第二界面平行并且在第二界面的宽度内的单个行，
其中，第一接触插头的数量比第二接触插头的数量多，以及
其中，每个接触插头与源极或漏极区域之间的接触面积相同。
6.一种制造固态图像传感器的方法，该固态图像传感器包括布置于半导体基板上的像素区域和周边电路区域，像素区域包含像素，每个像素包含光电转换元件和向列信号线输出与光电转换元件的电荷对应的信号的放大MOS晶体管，周边电路区域包含驱动像素或处理输出到列信号线的所述信号的电路，
所述制造方法包括：
栅极电极形成步骤，形成放大MOS晶体管的栅极电极；
第一注入步骤，通过使用栅极电极作为掩模，向半导体基板的要形成放大MOS晶体管的源极的源极形成区域和半导体基板的要形成放大MOS晶体管的漏极的漏极形成区域注入杂质；
第二注入步骤，向源极形成区域和漏极形成区域之中的源极形成区域选择性注入杂质；
形成步骤，形成与所述源极连接的多个第一接触插头和与所述漏极连接的一个或多个第二接触插头，以及
其中，在与半导体基板的表面平行的平面中放大MOS晶体管的源极区域和沟道区域之间的第一界面比在所述平面中放大MOS晶体管的漏极区域和沟道区域之间的第二界面宽，
其中，所述多个第一接触插头布置成与第一界面平行并且在第一界面的宽度内的单个行，
其中，所述一个或多个第二接触插头布置成与第二界面平行并且在第二界面的宽度内的单个行，
其中，第一接触插头的数量比第二接触插头的数量多，以及
其中，每个接触插头与源极或漏极区域之间的接触面积相同。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中，在栅极电极形成步骤中形成包含于周边电路区域中的周边MOS晶体管的栅极电极，
其中，在第一注入步骤中，杂质被注入到半导体基板的要形成周边MOS晶体管的源极的源极形成区域和半导体基板的要形成周边MOS晶体管的漏极的漏极形成区域，周边MOS晶体管的栅极电极被用作掩模，并且，
在形成第一接触插头和第二接触插头的形成步骤之前，该方法还包括：
在第二注入步骤之后在像素区域和周边电路区域中形成绝缘膜的步骤；
去除步骤，去除在周边电路区域中形成的绝缘膜中的与周边MOS晶体管的源极和漏极对应的一部分，以在周边MOS晶体管的栅极电极的侧壁上留下绝缘膜的一部分；和
第三注入步骤，去除步骤之后通过使用绝缘膜作为掩模向半导体基板注入杂质。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，在形成第一接触插头和第二接触插头的形成步骤中，包括以下步骤：
在像素区域和周边电路区域中形成绝缘膜；
在绝缘膜的与源极区域对应的区域和绝缘膜的与漏极区域对应的区域中形成接触孔；和
通过接触孔向半导体基板注入杂质。
9.一种成像系统，包括：
在权利要求1～5中的任一项中限定的固态图像传感器；
被配置为在所述固态图像传感器上形成光的图像的光学系统；和
被配置为处理来自固态图像传感器的输出信号的信号处理电路。
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