CN1866530A - 固态成像器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
在(a)沿用于隔离像素单元的沟槽表面形成的缺陷控制层和(a)光电二极管之间的边界的部分中形成反型层。缺陷控制层为P型，光电二极管和反型层为N型。这里，反型层中的杂质浓度是光电二极管中杂质浓度的至少两倍。
Description
相关申请的交叉引用
本申请以在日本提交的申请No.2005-146488为基础，其内容在此引用以供参考。
技术领域
本发明涉及一种固态成像器件及其制造方法，具体地涉及一种用于小型化构成固态成像器件的像素单元的技术。
背景技术
近些年来，对固态成像器件的高像素化的需求日益增长。为了满足对高像素化的这些需求，已经提出了对构成固态成像器件的像素单元进行小型化。结果，当考虑工艺精确性时借助硅隔离的局部氧化(LOCOS)难于将像素单元分开(参见未审专利公开No.11-74499)。
为了解决该问题，作为一个实例，提出了浅沟槽隔离(STI)的使用。浅沟槽隔离在微制造技术中具有优越性，并因此，期望能够适用于将小型化的像素单元分开。
但是，浅沟槽隔离由于在制造方法中出现的工艺损坏和在沟槽中注入的氧化硅膜的应力会导致晶体缺陷。当由于晶体缺陷产生的电子进入光电二极管时，会产生诸如暗电流和白划痕的图像缺陷。
为了克服这一问题，已经建立了在光电二极管与沟槽连接的一侧上形成与光电二极管相反导电类型的杂质区域(下文简称为“杂质区”)的方法。借助这种布置，防止不需要的电子进入光电二极管成为可能。
但是，形成杂质区导致饱和特性和灵敏度特性的减小。这一问题在尺寸为2.2μm见方或更小的像素单元中较为常见。因此，尚未实现包括2.2μm见方像素单元的固态成像器件。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种包括被小型化的像素而没有减小饱和特性和灵敏度特性的固态成像器件，以及一种制造该固态成像器件的方法。
为了实现该目的，本发明的固态成像器件包括：半导体衬底、和第一导电类型的阱，该阱形成在半导体衬底中并由沟槽分为多个像素单元，以将像素单元彼此隔离，该沟槽在平面图中形成网格图案，并且每个像素单元具有电荷积聚区、表面区、高浓度区和边界区，其中电荷积聚区为第二导电类型，表面区为第一导电类型并位于像素单元表面和电荷积聚区之间且接触电荷积聚区，高浓度区为第一导电类型，并通过添加第一导电类型的杂质而成为高浓度且沿沟槽表面定位，边界区为第二导电类型，接触高浓度区、表面区、和电荷积聚区，并将高浓度区与电荷积聚区分开，边界区中的杂质浓度高于电荷积聚区中的杂质浓度。
借助这种结构，通过提供边界区，因为形成高浓度区(缺陷控制层)而尺寸有所减小的电荷积聚区(光电二极管)得到恢复。因此，有可能解决由于光电二极管的尺寸减小而导致的饱和特性和灵敏度特性的问题，并有可能小型化固态成像器件的像素单元。
在这种情况下，优选边界区中杂质浓度的最大值是电荷积聚区中杂质浓度的最大值的至少两倍。
本发明提供一种固态成像器件的制造方法，包括：在硅衬底上形成第一导电类型的阱的第一工艺，在该阱中形成沟槽的第二工艺，在该沟槽的内表面上形成氧化硅膜的第三工艺，沿沟槽表面形成第一导电类型的高浓度区的第四工艺，形成第二导电类型的电荷积聚区使得该电荷积聚区与高浓度区相邻的第五工艺，以及形成第二导电类型的边界区使得边界区将高浓度区与电荷积聚区彼此隔离的第六工艺。
借助该方法，在提供高浓度区(缺陷控制层)后，形成包括一部分高浓度区的与光电二极管相同导电类型的边界区。因此，有可能解决由于光电二极管的尺寸减小而导致的饱和特性和灵敏度特性的问题，并有可能小型化固态成像器件的像素单元。
在这种情况下，可接受的是，在第二工艺中，通过蚀刻形成沟槽；在第三工艺中，通过热氧化形成氧化硅膜；在第四工艺中，通过注入第一导电类型的杂质的离子形成高浓度区；在第五工艺中，通过注入第二导电类型的杂质的离子形成电荷积聚区；在第六工艺中，通过注入第二导电类型的杂质的离子形成边界区。
在这种情况下，优选地，在第六工艺中，边界区中杂质浓度的最大值是电荷积聚区中杂质浓度最大值的至少两倍。
附图说明
借助以下描述并结合说明本发明特定实施例的附图，本发明的这些和其他目的、优点和特征将显而易见。
附图中：
图1是示出本发明的固态成像器件的总体结构的电路图；
图2是示出本发明的固态成像器件的成像区结构的截面图；
图3A-3C是在制造方法中本发明的固态成像器件的截面图；
图4A-4C是在图3C所示工艺之后的制造方法中本发明的固态成像器件的截面图；
图5A-5C是在图4C所示工艺之后的制造方法中本发明的固态成像器件的截面图；
图6A-6C是在图5C所示工艺之后的制造方法中本发明的固态成像器件的截面图；
图7A-7B是在图6C所示工艺之后的制造方法中本发明的固态成像器件的截面图；
图8是示出在包括沟槽的固态成像器件1中的杂质分布的截面图；
图9是示出常规固态成像器件中的杂质分布的截面图；
图10是示出了图8和图9中所示的A-A线上的掺杂量的分布的曲线；
图11是示出在图8和图9中所示的A-A线上砷的浓度分布的曲线。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的固态成像器件和该器件的制造方法。
[1]固态成像器件的总体结构
下面将描述本实施例的固态成像器件的总体结构。图1是本发明的固态成像器件的总体结构的电路图。
如图1所示，固态成像器件包括像素单元101、垂直移位寄存器102、水平移位寄存器103、水平开关104和放大器105，这些部件通过读脉冲线106、垂直选择线107、垂直信号线108和水平信号线109彼此连接。这里，每个像素单元101具有垂直选择开关110、读开关111和光电转换元件112，单元大小为2.2μm见方。像素单元101布置为矩阵并构成成像区。
在像素单元101的矩阵中，每一行中的像素单元101共享垂直选择线107，并通过垂直选择开关110的控制电极各自连接到垂直选择线107。垂直移位寄存器102通过垂直选择线107将垂直扫描脉冲输入到垂直选择开关110的控制电极。
同样在像素单元101的矩阵中，每一列中的像素单元101共享垂直信号线108，并通过读开关元件111的主电极之一各自连接到垂直信号线108。读开关111的其他主电极连接到光电转换元件112。
此外，在像素单元101的矩阵中，每一列中的像素单元101共享读脉冲线106，并通过垂直选择开关110的主电极之一各自连接到读脉冲线106。垂直选择开关110的其他主电极连接到读开关111的控制电极。
水平开关104的主电极之一连接到垂直信号线108，而其他主电极连接到水平信号线109。水平开关104的控制电极从水平信号电路103输入水平扫描脉冲。
放大器105放大并输出水平信号线的信号电荷。
这里，当垂直扫描脉冲从垂直移位寄存器102输入而读脉冲从水平移位寄存器103输入时，垂直选择开关110将作为输入脉冲产物的脉冲输入给读开关111的控制电极以使作为光电转换元件112的光电转换结果产生的信号电荷输出到垂直信号线108。
在水平移位寄存器103将水平扫描脉冲输入到水平开关104并同样将水平读脉冲输入到读脉冲线106后，输出到垂直信号线108的信号电荷被发送到水平信号线109，并由放大器105大和输出。
这里应注意，像素单元101的结构并不限于上述结构，像素单元101可具有其他结构。
[2]固态成像器件1的成像区域的结构
下面将描述固态成像器件1的由像素单元101构成的成像区域的总体结构。图2是示出固态成像器件1的成像区域的结构的截面图。如图2所示，固态成像器件1包括其中形成光电二极管208和沟槽203的硅衬底201。硅衬底201包括其中形成P型阱的N型半导体衬底。这里，在图2中只示出P型阱部分而省略了N型部分。
光电二极管208是N型半导体层，并在光电二极管208的表面上提供屏蔽层214。光电二极管208是所谓的可注入光电二极管并构成光电转换元件112。借助这种结构，光电二极管阻挡了硅衬底201表面上的缺陷，并有可能防止出现由硅衬底201表面上的缺陷造成的漏电流。在平面图上该光电二极管208的大小为1.7μm乘1.1μm。
在沟槽203的内表面上形成氧化物膜204。沟槽203隔离像素单元。沟槽203的宽度为0.35μm且深度为0.33μm。在平面图上沟槽形成为网格图案。如后面将要描述的，通过干法蚀刻形成沟槽203，而这导致硅衬底201将被等离子体损坏。同样，当形成氧化物膜204时，在氧化物膜204和硅衬底201之间产生应力。
结果，在沟槽203周围出现晶格缺陷，并且电子由这些由于热扰动的晶格缺陷而产生并进入光电二极管208。这引起出现错误信号，并使图像质量降低。对于这一问题，缺陷控制层205是密集P型半导体层，并通过将上述电子与空穴组合，其防止电子进入光电二极管208。
如上所述，缺陷控制层205是密集P型半导体层，并且如果P型载流子由于固态成像器件的制造方法中热扩散进入光电二极管208，则光电二极管208尺寸减小。这减少了可被存储在光电二极管208中的电荷的数量并降低了图像质量。反型层209是密集N型半导体层并在制造工艺中防止P型载流子扩散进入光电二极管208。该反型层209包括通过反型高浓度P型区域而产生的高浓度N型区域，该高浓度P型区域是在形成缺陷控制层205时产生的。
读控制层207、210和211、栅氧化物膜212、栅电极213和漏层215构成读开关111。布线217读取存储在光电二极管208中的电荷。层间绝缘膜216是对可见辐射具有高透明度的绝缘部件。遮蔽区域218遮挡其下不接收光的光电二极管208以便光只进入所希望的光电二极管208。保护膜219同样对可见辐射具有高透明度，并保护遮蔽膜218和层间绝缘膜216等。
[3]固态成像器件1的制造方法
下面将描述固态成像器件1的制造方法。图3A-7B是在制造工艺中固态成像器件1的截面图。
如图3A所示，首先，用热氧化在硅衬底201上形成氧化硅膜(下文简称为“氧化物膜”)202。接着，通过低压化学气相淀积(LPCVD)在氧化物膜202上形成氮化硅膜(换句话说，SiN膜，并在下文简称为“氮化物膜”)301。氧化物膜202为10nm厚，而氮化物膜301为150nm厚。
低压化学气相淀积(LPCVD)是这样一种技术，其中包括构成将被形成的薄膜的元素的一种或多种化合物气体和单一成分气体提供在晶片上，该晶片已被加热并处于约0.1-10乇的减压下，以化学反应生长该薄膜。
然后，如下在氮化物膜301上形成抗蚀剂302。抗蚀剂试剂涂敷在氮化物膜301上。在抗蚀剂试剂被热处理(预烘焙)后，用光刻设备诸如步进器进行曝光，并用有机溶剂显影，再次热处理(后烘焙)并完成抗蚀剂302。
然后，通过借助蚀刻工艺，通过挖空氮化物膜301、氧化物膜202和硅衬底201未被抗蚀剂302覆盖的部分从而形成沟槽203(图3B)。在这种情况下，蚀刻工艺可采用干法蚀刻或湿法蚀刻。
去除抗蚀剂302后，通过借助热处理热氧化沟槽203的内壁形成氧化物膜204(图3C)。氧化物膜204的膜厚为15nm。
然后，用30keV加速能量并以25度倾角轮流从四个方向注入硼(B)离子形成缺陷控制层205，其中从每个方向注入8.0×1012离子/cm2的硼(图4A)。这里，倾角表示被注入的离子和主表面的法向之间的角。同样，轮流从四个方向注入离子表明了当从顶部看时离子从相互分开90度的四个方向向硅衬底201的主表面注入。借助这种设置，沟槽203的内表面整体由缺陷控制层205覆盖而没有所谓的遮蔽部分。
然后，通过在硅衬底201的整个表面上淀积氧化硅形成注入层206。除注入层206之外的氧化硅被去除并用化学机械抛光(CMP)平整该表面(图4B)。此外，去除氮化物膜301(图4C)。
通过用10keV的加速能量注入1.0×1012离子/cm2的硼形成读控制层207(图5A)。
在氧化物膜202和注入层206上形成抗蚀剂501后，通过用600keV的加速能量注入2.0×1012离子/cm2的砷(As)形成光电二极管208(图5B)。
在去除抗蚀剂501后，在氧化物膜202和注入层206上形成抗蚀剂502，通过用600keV的加速能量注入2.0×1012离子/cm2的砷形成反型层209(图5C)。
然后，在去除抗蚀剂502后，形成抗蚀剂601。首先，通过用300keV的加速能量注入4.0×1011离子/cm2的硼形成读控制层210。然后，通过用100keV的加速能量注入8.0×1011离子/cm2的硼形成读控制层211(图6A)。
在去除抗蚀剂601后，通过用蚀刻工艺去除氧化物膜202暴露读控制层207。栅氧化物膜212和随后的栅电极213形成在读控制层207上(图6B)。
然后，形成抗蚀剂602，并通过用6keV的加速能量注入1.0×1014离子/cm2的硼形成屏蔽层214(图6C)。
去除抗蚀剂602并形成抗蚀剂701。然后，通过用50keV的加速能量注入4.0×1013离子/cm2的磷(P)，并进一步通过用30keV的加速能量注入2.0×1012离子/cm2的硼形成形成漏层215(图7A)。
在去除抗蚀剂701后，在布线工艺中形成层间绝缘膜216、布线217、遮蔽膜218和保护膜219。(图7B)。
[4]杂质轮廓
下面将解释固态成像器件1的杂质轮廓。图8是示出包括沟槽203的固态成像器件1中杂质分布的截面图。如图8所示，光电二极管208是N型区域，光电二极管208和围绕光电二极管208的P型区域之间的边界是PN结。图9是示出在不具有反型层209的常规固态成像器件中的杂质分布的截面图。如从图8和图9的比较中可以看到的，图8中固态成像器件1的N型区域朝向沟槽203延伸。
下面将解释图8和图9中所示的A-A线上的杂质浓度分布。图10是示出A-A线上的掺杂量的分布的曲线。在图10中，垂直轴示出与N型区域或P型区域无关的掺杂量，水平轴示出A-A线上的位置。曲线1001示出固态成像器件1的掺杂量的分布，而曲线1002示出常规固态成像器件的掺杂量的分布。
如图10所示，在固态成像器件1中，在靠近N型区域的沟槽203的部分中掺杂量高。该部分是反型层209。另一方面，在常规固态成像器件中掺杂量保持恒定，除了在靠近N型区域和P型区域之间边界的部分掺杂量变低。
同样，在图8中固态成像器件1的和图9中的常规固态成像器件的P型区域几乎彼此重叠，而在图10中示出P型区域的部分中，曲线1001和1002的值几乎相同。因此，固态成像器件1和常规固态成像器件的缺陷控制层的浓度轮廓几乎相同。这意味着固态成像器件1具有与常规固态成像器件相同的能力以防止由于晶格缺陷产生的电子进入光电二极管。
如上所述，通过注入砷的离子形成反型层209。因此，固态成像器件是否具有反型层209由A-A线上砷的浓度分布指示。
图11是示出A-A线上砷的浓度分布的曲线。在图11中，垂直轴示出砷的浓度，而水平轴示出A-A线上的位置。曲线1101示出固态成像器件1的砷的浓度分布，而曲线1102示出常规固态成像器件的砷的浓度分布。
如图11中所示，在N型区域靠近P型区域和N型区域之间的边界的部分中，固态成像器件1中砷的浓度高于常规固态成像器件，这意味着存在反型层。
[5]修改实例
虽然基于上述优选实施例对本发明进行了说明，但本发明不应限于上述实施例。例如，下面的修改也是可能的。
(1)在上述实施例中，使用在N型半导体衬底中形成P型阱的硅衬底201，光电二极管208是N型区域而缺陷控制层205是P型区域。但是，本发明不应受此限制，将构成固态成像器件的每一部分的导电类型反转也是可接受的。即使固态成像器件具有这种结构，与上述实施例相同，有可能防止光电二极管在形成缺陷控制层时尺寸被减小。
(2)在上述实施例中，通过在已形成光电二极管208的部分中注入砷离子形成反型层209以便反型层209重叠在光电二极管208上。但是，本发明不受此限制，并且下面的修改是可能的。
有可能形成反型层209以便只有一部分反型层209重叠在光电二极管208上，而不在将形成反型层209的整个区域中形成光电二极管208。即使固态成像器件具有这种结构，只要获得相同的杂质轮廓，固态成像器件具有与上述实施例中所描述的固态成像器件相同的效果。
(3)在上述实施例中，像素单元的尺寸是2.2μm见方。但本发明不受此限制，像素单元的尺寸可以变化。特别是，当像素单元小于2.2μm见方时，诸如1.5m见方，如前所述饱和特性和灵敏度特性可被减少，并在这种情况下，本发明是有效的。
同样，光电二极管和沟槽的尺寸分别是一个实例，光电二极管和沟槽可具有其他尺寸。
(4)在上述实施例中，仅提供了对通过注入砷形成反型层209的情况的解释。但本发明不受此限制，并有可能通过注入其他材料的离子形成反型层209。
虽然参考附图并借助实例对本发明进行了充分说明，但应注意对本领域技术人员来说各种变化和修改是显而易见的。因此，除非这种变化和修改偏离了本发明的范围，它们都应被解释为包括在本发明的范围中。
Claims (5)
1.一种固态成像器件，包括：
半导体衬底；和
第一导电类型的阱，该阱形成在半导体衬底中并由沟槽分为多个像素单元，以将像素单元彼此隔离，该沟槽在平面图中形成网格图案，并且每个像素单元具有电荷积聚区、表面区、高浓度区和边界区，其中
电荷积聚区为第二导电类型，
表面区为第一导电类型，位于像素单元表面和电荷积聚区之间，且接触电荷积聚区，
高浓度区为第一导电类型，通过添加第一导电类型的杂质而成为高浓度，且沿沟槽表面定位，并且
边界区为第二导电类型，接触高浓度区、表面区和电荷积聚区，并将高浓度区与电荷积聚区分开，边界区中的杂质浓度高于电荷积聚区中的杂质浓度。
2.权利要求1的固态成像器件，其中边界区中杂质浓度的最大值是电荷积聚区中杂质浓度的最大值的至少两倍。
3.一种固态成像器件的制造方法，包括：
在硅衬底上形成第一导电类型的阱的第一工艺；
在该阱中形成沟槽的第二工艺；
在该沟槽的内表面上形成氧化硅膜的第三工艺；
沿沟槽表面形成第一导电类型的高浓度区的第四工艺；
形成第二导电类型的电荷积聚区使得电荷积聚区与高浓度区相邻的第五工艺；以及
形成第二导电类型的边界区使得边界区将高浓度区与电荷积聚区彼此隔离的第六工艺。
4.权利要求3的制造方法，其中
在第二工艺中，通过蚀刻形成沟槽；
在第三工艺中，通过热氧化形成氧化硅膜；
在第四工艺中，通过注入第一导电类型的杂质的离子形成高浓度区；
在第五工艺中，通过注入第二导电类型的杂质的离子形成电荷积聚区；以及
在第六工艺中，通过注入第二导电类型的杂质的离子形成边界区。
5.权利要求3的制造方法，其中
在第六工艺中，边界区中杂质浓度的最大值是电荷积聚区中杂质浓度最大值的至少两倍。
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