JP2007526643A - 極めて小さな寸法の読出し用ダイオードを備えた集積回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体基板上に蒸着された導電性ゲートを含む集積回路に関し、ダイオードが２つの電極間に形成される。
極めて小さな寸法のダイオードを達成するために、以下の手順が採用される。すなわち、電極（ＥＬｎ、ＧＲＳＴ）を形成し、該電極を熱酸化し、該電極間の基板の表面を露出し、次に、
ａ）該ダイオードの１つの極（４２）を形成するためにドープ多結晶シリコンを蒸着する工程であって、基板は他方の極を形成する、工程と、
ｂ）所望のシリコンパターン（１４）の境界を定め、該電極間に残された空間を覆い、そしてこの空間の外側に存在する領域を覆う工程と、
ｃ）絶縁層（１８）を蒸着し、該電極間に存在する空間の外側の多結晶シリコン上の該絶縁層内に局部的に開口をエッチングし、そしてオフセットコンタクト領域を形成するために金属層を蒸着し、そして該金属層をエッチングする工程と、が採用される。
考えられる主な応用はＣＣＤ型読出しレジスタの読出し用ダイオードである。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体基板上に蒸着した導電性ゲートと、この基板に形成されたダイオードの両方を含む集積回路に関する。

考えられる主な応用は、基板上に並置されかつ基板から絶縁されたゲートに印加される可変電位の影響を受けて、半導体基板内の電荷移動により作動する電荷の読出しレジスタである。このようなレジスタは、ＣＣＤ（電荷結合素子）技術において製造されるマトリクスイメージセンサ内に存在する。それらは、特には、読出し回路に電荷を送るために、感光素子マトリクスに格納された電荷を一列ずつ取り出すために使用され、この読出し回路はこの電荷を、列の各点で光発生された電荷レベルを表す電圧または電流に変換する。

並置されたゲートまたは電極から成る読出しレジスタは通常、その末端が基板上に形成されたダイオードとなる。このダイオードは電荷量を電圧レベルに変換することができる。読出し用ダイオードはそのキャパシタンスを最小化するためにできるだけ小さくなければならない。これは、ダイオードのキャパシタンスが大き過ぎると、超高速度でのレジスタの動作を妨げるからである。

このため、読出しレジスタの構成は通常、図１に表されるようなものになっている。すなわち、最初はレジスタに沿って規則的かつ全く同様に蒸着されたレジスタのゲートまたは電極ＥＬ１、ＥＬ２等は、末端が小さな読出し用ダイオードＤＬに向かって電荷を集中する漏斗形状になる。

しかしながら、ダイオードを製造するために使用される技術は、ダイオードに与え得るサイズに下限を設ける。これは、ダイオードが、レジスタの最後の電極ＥＬｎともう１つの電極すなわちシリコンゲートＧＲＳＴとの間に挟まれるからである。電極ＧＲＳＴすなわちリセットゲートは、ダイオードとドレインＤＲを形成するドープシリコン領域との間の障壁を形成し、この障壁は、新たな電荷の読出しの前に、一定のレベルで定期的にダイオードの電位を再設定するために使用される。一方、ダイオードは、少なくとも１つの電気的接続により読出し回路（図示せず）の残りの部分に接続されなければならず、従ってダイオード上のこの接続のコンタクト端子は、回路の動作に実際に必要な空間より大きなダイオードを使用することを要する無視できない空間を占める。

これらに鑑み、本発明は、基板上に蒸着された２つのシリコン電極間に小さな寸法のダイオードを製造する方法を提供する。本方法は、
ａ）基板上に、間隙により分離された２つの電極を形成する工程と、
ｂ）電極の厚さの一部を高さと幅方向に熱酸化する工程であって、該酸化された電極間に空間を残し、そして基板をこの空間における酸化から保護する、工程と、
ｃ）この空間における基板の表面を露出させる工程と、
ｄ）ダイオードの１つの極を形成するために、基板に接触して上記空間に入るドープ多結晶シリコン層を蒸着する工程であって、基板は他の極を形成する、工程と、
ｅ）所望のパターンを残しながら多結晶シリコンを部分的に除去する工程であって、このパターンは、少なくとも電極間に残された空間を覆い、この空間の外側に存在する領域を覆う、工程と、
ｆ）絶縁層を蒸着し、電極間に存在する空間の外側の多結晶シリコン上の該絶縁層内に局部的に開口をエッチングし、そしてオフセットコンタクト領域を形成するために、多結晶シリコンに接触してオフセットコンタクト領域内に入る金属層を蒸着し、そして所望の相互接続パターンに従って金属層をエッチングする工程と、を含む。

導電層（好ましくは金属）に限って言えば、コンタクト領域はダイオードを構成する領域に対してオフセットを与えられ、そして好ましくは、アルミニウムは、ダイオード上にはない位置から多結晶シリコン層に接触して入る。

以下の手順が、部分的に多結晶シリコンを除去する工程ｅ）に対して好ましくは採用される。この手順では、一様な窒化シリコン層が多結晶シリコン上に蒸着され、該窒化シリコン層は、確保されるように意図された多結晶シリコン領域上に該層を残すパターンに従ってエッチングされ、続いて該シリコンは、窒化物で覆われていなかった領域のみを含むシリコンパターンが得られるまで、窒化物で覆われていないところはどこでも全厚さに渡って酸化される。一変形態様として、上記酸化を進める前に、多結晶シリコンが窒化物で保護されないところはどこにおいても該多結晶シリコンをできるだけ除去するために、該窒化物層の蒸着と、多結晶シリコンを酸化する次の工程との間に、多結晶シリコンを化学的に侵食してもよいことに留意されたい。

窒化シリコンを使用する場合、工程ｆ）における絶縁層の局部的な開口はまた、導電層を蒸着する前に、コンタクト領域内の多結晶シリコンを露出させるために窒化シリコンを開口することを含む。

この方法により、約１．５μｍ×１．５μｍの寸法のダイオードを形成することは通常可能であるが、一方、基板に接触して入るためにダイオードの真上の絶縁層にコンタクト領域を開口することと、この領域の上にアルミニウムを蒸着することとにある、より従来的な方法は、コンタクト領域を開口する際に与える必要があるマージンを考えると４μｍ×４μｍより小さくすることはできないであろう。

応用として、本発明は、レジスタの最後の電極とリセット電極間におけるレジスタの端に読出し用ダイオードを備えたＣＣＤレジスタを含む集積回路であって、該読出し用ダイオードは、一方の側で電極によりそして他方の側で厚い酸化シリコン領域により境界を定められたドープ領域から成り、該ドープ領域は、厚い酸化物上を部分的に延在するパターンに従って境界を定められた多結晶シリコン層で完全に覆われ、該シリコン層は、厚い酸化物上に開口を含むがドープ領域上には開口を含まない絶縁層で覆われ、そして該絶縁層自身は、該開口を介して多結晶シリコンに接触して入る導電層で覆われていることを特徴とした集積回路を提供する。

本発明の他の特徴と利点は、添付図面を参照して示される以下の詳細な説明を読むことで明らかになる。

図２（平面図）、図３と図４（ＡＡとＢそれぞれに沿った断面図）において、読出し用ダイオードＤＬは、Ｐ型基板３０に拡散されたＮ＋型ドープ領域によって画定される。上記ドープ領域はダイオードの１つの極を構成し、基板はもう１つの極を構成する。

図２と図３の横方向（図２と図３の左側と右側）において、上記領域は、該領域を形づくる２つのゲートまたは電極ＥＬｎ、ＧＲＳＴの端部により、実際上、境界を定められる。上記電極は図２と図３ではハッチングされる。図２のページの垂直方向（図２の上部と下部、図４の左側と右側）において、Ｎ＋型拡散領域は、厚い酸化物領域１０（従来のＬＯＣＯＳ熱酸化物）で境界を定められる。図２の破線１０’は、ダイオードを形づくる厚い酸化物領域１０の端部を表す。ダイオードＤＬに対応する領域は厚い酸化物を含まない。

ゲートＥＬｎとＧＲＳＴは多結晶シリコンでできており、それらは図２と図３では点で表される酸化シリコンの絶縁層１２で覆われている。

Ｎ＋型でドープされ適切なパターンに従ってエッチングされた導電性多結晶シリコン層１４は、基板がゲートＥＬｎとＧＲＳＴと酸化シリコン１０により保護されないところはどこでも、すべてのダイオードＤＬ下の基板領域３０に接触して入る。図４に見られるように、このシリコン層は厚い酸化物１０上に盛り上がる。多結晶シリコンパターンは、図２の線１４’により境界を定められる。このパターンにより、ダイオードのＮ＋極とアルミニウムの導電層との間の電気的接触を形成することができ、この接触はオフセットを与える（すなわち、ダイオード上に存在せず厚い酸化物１０上に存在する）。

多結晶シリコンパターン１４は、好ましくは窒化シリコン層１６で覆われる。多結晶シリコンパターン１４と窒化物層１６から成る集合体は、絶縁不活性化層１８で覆われ、この絶縁不活性化層１８はまた本構造体の他の部分を覆う。これら２つの層１６、１８は、アルミニウム層との所望のコンタクト位置（すなわち、ダイオードＤＬを構成する領域の上ではなく厚い酸化物１０の上の位置）において局部的に開口される。このようにして画定されたコンタクト開口は、図２の線２０’により境界を定められる。金属層２２は、好ましくはアルミニウム層であり、絶縁層１８上に蒸着され所望の相互接続パターンに従ってエッチングされ、そして厚い酸化物１０上の酸化物層１８と窒化物層１６において形成された開口を介して多結晶シリコン１４に接触して入る。上記窒化シリコン層は、多結晶シリコン層と導電層２２との間の電気的な接触を可能にするために窒化シリコン層が開口される際の領域は別として、窒化シリコン上に蒸着される多結晶シリコン層と同じパターン（線１４’）により境界を定められることに留意されたい。

ゲートＧＲＳＴの反対側に従来設けられるドレインＤＲ（図１参照）は、図２〜図４には表されていない。以下に説明するように、このドレインは読出し用ダイオードＤＬと同様にして作られる。

図５以降の図面は本発明による様々な製造工程を表す。

この製造工程は、作業のために必要なドーピングプロフィールのバリエーション（特には、図示しないバルク転送のためのＮ型薄膜表面層）を恐らく有するＰ型シリコン基板３０で始まり、そして多結晶シリコンゲートは、ＣＣＤレジスタの電極構成を可能にするように形成される。これは、通常は以下の工程の通りである従来の方法により行われる。すなわち、
− 基板表面を酸化し、一様な薄膜酸化物層３２を形成する工程と、
− 一様な薄膜窒化シリコン層３４を蒸着する工程と、
− 所望の厚い酸化物絶縁領域１０に対応するパターンに従って窒化物をエッチングする工程と、
− 領域１０を形成するために、窒化物がもはや存在しないところはどこでもＬＯＣＯＳ型の厚い熱酸化を行う工程と、
− 第１の一様な多結晶シリコン層３６を蒸着する工程と、
− 電極ＧＲＳＴだけでなく電極ＥＬｎも含む偶数列ｎ、ｎ−２、ｎ−４、ｎ−６等の相互に一定間隔で配置された第１の系列の電極を画定するために、この層３６をエッチングし、奇数列ｎ−１、ｎ−３、ｎ−５の電極を連続的に偶数列の電極間に置く工程と、
− 層３６のシリコンがその側面と表面において絶縁酸化シリコン１２により覆われるように層３６を熱酸化する工程と、
− 第１の層において形成された電極間（例えば、第１の系列では列ｎの電極ＥＬｎとそれに先行する列ｎ−２の電極間）の空間を特に埋める第２の多結晶シリコン層３８を一様に蒸着する工程と、
− 奇数列の、第２の系列の電極を画定するために第２の層３８をエッチングし、並置された２つの系列の電極は、電極に可変電位を印加することにより基板内の電荷移動を可能にするレジスタを形成し、第２の層３８の多結晶シリコンは、ドレインＤＲを形成するために確保された空間においてだけでなくゲートＥＬｎとＧＲＳＴ間の空間（すなわち、読出し用ダイオードＤＬのために確保された空間）において完全に除去される、工程と、により行われる。

図５は、この製造段階での集積回路を表す。

次に、本発明に特有な以下の工程について説明する。

本集合体の上面は熱酸化法により表面酸化される。第２の層の多結晶シリコン３８は、多結晶シリコン層３６が酸化物層１２で覆われたのと同様にして表面の横方向に絶縁酸化物層で覆われる。上記酸化工程中、上記層の厚さ１２は増す。これら２つの酸化工程中に形成された酸化物層は同じ性質であると考え、多結晶シリコンを酸化するこの第２の工程の終了時にすべての電極を覆う酸化物層を、図６の単一参照符号１２により表した。

この酸化作業の終了時、窒化物層３４は、電極により保護されない場所はどこにおいても（すなわち、読出し用ダイオードとリセットドレインのために確保された領域ＤＬとＤＲにおいて）除去される。窒化物を除去することにより露出される極めて薄い酸化シリコン層３２も除去される。これらの最後の２つの工程は、層３２よりはるかに厚い層１２には実質的に影響を与えない。

図６はこの工程の終了時の本集積回路を表す。

次に、第３の一様な多結晶シリコン層４０が蒸着され、この多結晶シリコン層４０は、ドレインＤＲ用に確保された空間だけでなく特には電極ＥＬｎとＧＲＳＴ間の空間を埋め、そして露出した基板３０に接触してこれらの空間に直接に入る。この層４０は、後で、図２〜図４の多結晶シリコン相互接続パターン１４を形成する。

蒸着（ヒ素存在下での蒸着）中かまたは蒸着後に、シリコン層４０はＮ型不純物により高濃度にドープされ、多結晶シリコンが露出基板（領域ＤＬとＤＲ）に接触しているところはどこでもＮ型不純物が基板中に拡散するように、十分に高温で長時間の熱処理が行なわれる。こうして、読出し用ダイオードＤＬの第１の極を構成するＮ＋型拡散領域４２が基板内に形成され、そして基板は第２の極を構成する。ドレインＤＲを構成するＮ＋型拡散領域４４もまた同時に形成される。この熱処理は、説明を簡単にするためにこの時点で行われると仮定したが、後続の製造工程中（特には、酸化工程中）に分散されてもよいことに留意されたい。

図７はこの段階での本回路を表す。

次に、層４０の多結晶シリコン領域の境界を定めることを目的とした連続的な工程が、この層との所望の相互接続パターンを形成するために行なわれる。読出し用ダイオードに関しさらに具体的に言うと、相互接続パターンは、図２の線１４’により境界を定められたパターン、すなわち上記読出し用ダイオード以外の場所でアルミニウムコンタクトにオフセットを与える（後で確立される）ことを可能にするパターンである。集積回路のさらに残り部分上の他のパターンのみならずドレイン領域ＤＲを接続するために、別のパターンを確立することができる。

シリコンの単純なエッチングは厄介な欠陥の危険性をもたらすが（これは、表面の起伏が目立つと、エッチングにより短絡を引き起こすシリコン残留物の急な起伏遷移を残し得るためである）、上記多結晶シリコンを、フォトエッチングされたマスク用レジストを介した層４０の化学的侵食によりにエッチングしてよい。以下のように異なる方法で進めることが好ましい。
ａ）窒化シリコン層４６は一様な層４０上に蒸着され、この層は、所望の相互接続領域のみを残すパターンに従ってエッチングされる。図８はこの段階での本回路を表す。一方で読出し用ダイオード４２の領域を覆い、他方で厚い酸化物１０上に延在する窒化物領域４６が確保されたことが理解できる。
ｂ）次に、第３の層の多結晶シリコン４０の深い熱酸化処理が行なわれる。この酸化は、窒化物４６により保護されないところはどこでもシリコンのバルク内で生じる。多結晶シリコンは、保護されないところはどこでも完全に酸化シリコン４８に変質される。これにより、窒化物で覆われた多結晶シリコン相互接続４０のパターンと、このパターンの外側においてレジスタのすべての電極を保護する酸化シリコン層４８とを有する図９の構造に至る。

窒化物を蒸着しエッチングした後、窒化物層４６をエッチングするために使用されたものと同じマスクを介して化学的侵食により多結晶シリコン層４０をエッチングし、次に工程ｂのみ（すなわち、このシリコンのエッチングの後に残リ得る残留物の熱酸化）を行うこともまた可能である場合があることに留意されたい。

このようにして、層４０の相互接続パターンを画定し、図２〜図４に関して画定された相互接続パターン１４に至った後、次に、平坦化層としても使用できる絶縁保護層１８（特には、酸化物またはポリイミド層）が蒸着される。局部的な開口５０は、この層及びその下にある窒化物層４６において多結晶シリコン相互接続パターン４０との接触が望まれる位置で形成される。読出し用ダイオードのＮ＋領域４２との電気的接触を確立するために使用される開口５０は、図１０に見られるように厚い酸化物１０上に存在し、その輪郭は、図２の輪郭’２０に対応する。

最後に（図１１）、導電層２２（好ましくはアルミニウム）が蒸着され、そしてこの層は所望の相互接続パターンに従ってエッチングされる。層２２は開口５０を埋め、多結晶シリコンに接触して入ることにより、間接的に読出し用ダイオードＤＬのＮ＋領域に接触して入る。

ダイオードＤＬの寸法はわずかに１．５μｍ×１．５μｍとなる。この寸法は、アルミニウムコンタクトがダイオード上に来た場合は不可能であり、その最小寸法はその代りに４．５μｍ×４．５μｍとなるだろう。

ＣＣＤ読出しレジスタの概略構成を表す。 形成された読出し用ダイオードの平面図とその詳細を表す。 線Ａ−Ａと線Ｂ−Ｂに沿った断面における読出し用ダイオードをそれぞれ表す。 線Ａ−Ａと線Ｂ−Ｂに沿った断面における読出し用ダイオードをそれぞれ表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。 ダイオードの様々な製造工程を表し、各図では、左側部分は、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した基板、すなわちダイオードを形づくる２つの電極を切断する線を表し、一方、右側部分は図２の線Ｂ−Ｂに沿って切断した基板、すなわち電極を切断せずに該電極の間を通過する線を表す。

Claims (5)

1. 基板（３０）上に蒸着された２つのシリコン電極（ＥＬｎ、ＧＲＳＴ）間に小さな寸法のダイオード（ＤＬ）を製造する方法であって、
   ａ）前記基板上に、間隙により分離された前記２つの電極を形成する工程と、
   ｂ）前記電極の厚さの一部を高さと幅方向に熱酸化する工程であって、前記酸化された電極間に空間を残し、そして前記基板を前記空間における酸化から保護する、工程と、
   ｃ）前記空間における前記基板の表面を露出させる工程と、
   ｄ）前記ダイオードの１つの極（４２）を形成するために、前記基板に接触して前記空間に入るドープ多結晶シリコン層（４０）を蒸着する工程であって、前記基板は他の極を形成する、工程と、
   ｅ）所望のパターンを残しながら前記多結晶シリコンを部分的に除去する工程であって、前記パターンは、少なくとも前記電極間に残された前記空間を覆い、前記空間の外側に存在する領域を覆う、工程と、
   ｆ）絶縁層（１８）を蒸着し、前記電極間に存在する前記空間の外側の前記多結晶シリコン上の前記絶縁層内に局部的に開口（５０）をエッチングし、そしてオフセットコンタクト領域を形成するために、前記多結晶シリコンに接触して前記オフセットコンタクト領域内に入る金属層（２２）を蒸着し、そして所望の相互接続パターンに従って前記金属層をエッチングする工程と、を含む方法。
2. 部分的に前記多結晶シリコンを除去する工程ｅ）に対し、一様な窒化シリコン層（４６）が蒸着され、前記窒化シリコン層は、確保されるように意図された前記多結晶シリコン領域上に前記層を残すパターンに従ってエッチングされ、続いて、前記シリコンは、窒化物で覆われていなかった領域のみを含むシリコンパターンが得られるまで、窒化物で覆われていないところはどこでも全厚さに渡って酸化されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記多結晶シリコンが前記窒化物で保護されないところはどこにでもできるだけ前記多結晶シリコンを除去するために、前記窒化物層の前記蒸着と、前記多結晶シリコンを酸化する次の工程との間に、前記多結晶シリコンを化学的に侵食することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. レジスタの最後の電極とリセット電極間における前記レジスタの端に読出し用ダイオードを備えたＣＣＤレジスタを含む集積回路であって、
   前記読出し用ダイオードは、一方の側で前記電極により、他方の側で厚い酸化シリコン領域（１０）により境界を定められたドープ領域（４２）から成り、前記ドープ領域は、前記厚い酸化物上を部分的に延在するパターンに従って境界を定められた多結晶シリコン層（１４、４０）で完全に覆われ、前記シリコン層は、前記厚い酸化物上に開口（５０）を含むが前記ドープ領域上には開口を含まない絶縁層（１８）で覆われ、前記絶縁層自身は、前記開口（５０）を介して前記多結晶シリコンに接触して入る導電層で覆われていることを特徴とする集積回路。
5. 前記多結晶シリコン層は窒化シリコンで覆われ、前記窒化シリコン自身は前記絶縁層（５０）より覆われ、前記窒化物層はまた、前記絶縁層の前記開口の位置で開口していることを特徴とする請求項４に記載の集積回路。

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