TW200527602A - Method for producing solid-state imaging device - Google Patents

Description

200527602 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使用放大型M0S感測器之固態攝 像裝置之製造方法。 【先前技術】 使用放大型M0S感測器之固態攝像裝置，係使用電 晶體將各個像素以光二極體所檢測之訊號放大，屬高感度 裝置。又，此固態攝像裝置，可⑥CMOS邏輯製程加上形 成光一極體之製程來製造，具有縮短開發期間、低成本、 低消耗電力之特徵。 將習知例t M0S型固態攝像裝置的電路構成表示於 圖3。在此固態攝像裝置，各單位單元之像f 6(具有光二 極體1、傳送光二極體1訊號之傳送電晶體2、重置訊號 電何之重置電晶體3、將傳送來之訊號電荷放大之放大電 晶體4、及選擇訊號讀取線的垂直選擇電晶體 2雒排列來構成像素區域7。8表示往像素部電源之)連=個 於此像素區域7之周邊電路區域，設置垂直選擇機構9、 負載電晶體群10、含開關電晶體之行訊號累積機構1卜 及供應列選擇訊號之水平選擇機構〗2。 、"〜土且避释電晶 控制線U係連結於各像素6之垂直選擇電晶體5之閉極 決定訊號讀取行。重置電晶體控制線14係連結於重 晶體3之閘極。傳送電晶體控制線15係連接於傳送電: 200527602 體2之閑極。垂直選擇電晶體5之源極係連結於垂直訊號 線1 6。垂直訊號線16之一端連接於負載電晶體群13，另 -端連結於含有讀A i行訊號之開關電晶體的行訊號累積 機構U。累積於行訊號累積機構u之訊號，按照水w 擇機構12供應之選擇脈衝依序地輸出。 、 若施加將垂直選擇電晶體控制線13切換為高位準之行 選擇脈衝，則僅有此行之垂直選擇電晶體5接通，由此行 之放大電晶體4與負載電晶體群1〇構成源輸出電路。垂 直選擇電晶體控制、線13在高位準期間，藉由將重置電晶 體控制線Μ切換為高位準’放大電晶體4之閘極區：： 連結之浮接擴散層的電位會重置。進一步，垂直選擇電晶 體控制線U在高位準期間’藉由將傳送電晶體控制線二 切換為高位準，累積於光二極體丨之訊號電荷會傳送至浮 妾擴政層itb #，連接於洋接擴散層之放大電晶體（的閉 ^電I ’成為浮接擴散層之電位，與此電屡大概相等之電 ，出現在垂直訊號、線16，訊號傳送至包含開關電晶體之 讯琥累積機構11。接著，藉由從水平選擇機構12依序產 f之列選擇訊號’行訊號累積機構η之訊號當作"于之 輸出訊號來輸出。 曰本專 影像感 2001-A區域 就構成如上之M0S型攝像裝置之一例而言， 利，開2〇〇1_345439號公報，已揭示微細之CM〇s 3、1 °。之製造方法。圖4，表示揭示於日本專利特開 =39號公報之則型固態攝像裝置的截面圖。 丁像素區域，B區域表示周邊電路區域。 200527602 P型矽基板20上，透過閘極絕緣膜（氧化矽膜）22，形 成閘極23a、23b、23c。在此，A區域之閘極23a為讀取 閘極；閘極23b為重置或位址閘極。21表示STI(Shallow Tie 11 ch Isolation)構造之元件分離部（以下，稱為sti)。 構造使用於〇·25μπι技術以下之微細圖案。 於Α區域中，矽基板20之表面形成有Ν型汲極區域 24a、光二極體之Ν型訊號累積區域25。於β區域中，石夕 基板20内形成有Ν井26、Ρ井27 ;此ν井％、ρ井27 内，分別形成Ρ型LDD(Lightly D〇ped Drain)區域2仆，Ν 型LDD區域24c。 在這種MOS型固態攝像裝置中，於光二極體之訊號 累積區域25所累積之訊號電荷，藉由施加正電壓於讀取 閘極23a，讀取至ν型汲極區域24a。其結果，汲極區域2物 之電位會改變。汲極區域24a，電氣性地連接於放大電晶 體之閘極23b ’所放大之電氣訊號輸出於訊號線。在此， 使用汲極區4 24a電氣性重置用之重置電晶體與重置閑極 線23b、放大電晶體、及放大電晶體定位用之位址電晶體 與位址閘極線23b。 上述習知之固態攝像裝置有如下之問題。 (l)MOS㈣恶攝像裝置’由於使cm〇s邏輯势程 加上光二極體形成製程之製造方法，@固態攝像裝置^特 性的其中—個，即影像缺陷（特別是以白色亮點為代表）之 抑制未積極地實施。 由於以CMOS邏輯 (2)M〇S型固態攝像裝置之製程 200527602 製程為基礎，故以N型及P型電晶體之基本性能成為良好 的方式進行調整。因此，熱處理等之製造方法的微更 口 月匕^致電晶體性能之劣化。 微細之CMOS邏輯製程，其元件分離是以STI來進行， 閘極為P-MOS及N-MOS之雙閘極；熱處理採用RTA(Ra^d

Thermal Anneal)。一般，RTA 是以超過 9〇〇。〇且在 J 1〇〇t；c 以下之高溫範圍來進行。又，可定義成以熱處理時間 秒之所謂的短脈衝退火為首之2分鐘以下的時間所進行之 熱處理。 可是在此種之構成，會因為溫度急劇變化而容易殘留 應力，於製造微細之固態攝像裝置的情形，抑制影像缺陷 有困難。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種可充份抑制於微細構造之 MOS型固態攝像裝置中之影像缺陷產生的製造方法。 本發明之固態攝像裝置之製造方法，係於半導體基板 上’形成像素單元（包含將入射光進行光電轉換並累積之複 數個光一極體興讀取該光二極體之訊號電荷的讀取機構）以 2雉狀排列之感光區域，並以M〇s電晶體來形成將該感光 區域之複數個像素單元朝行方向驅動之垂直驅動電路與朝 列方向·驅動之水平驅動電路，及將輸出訊號放大之放大電 路又具備·以 STI(Shall〇w Trench Isolation)來形成該 光二極體及複數個M〇s電晶體之各元件間之元件分離區 200527602 域的製程，及形成厚度10麵以下之該M0S電晶體之閉極 乳化膜的製程；該M0S電晶體之閘極形成製程以後之全 部的熱處理製程皆在不超過9〇〇r之溫度範圍内施行。 【實施方式】 按舨上述構成之本發明之固態攝像裝置之製造方法， 可緩和加諸於光二極體之各種應力及抑制結晶缺陷之產 生。藉此，可充份抑制於微細構造< M0S型固態攝像裝 置中之影像缺陷的產生，提昇元件之性能。 在本發明之固態攝像裝置之製造方法中，可至少於光 一極體形成植入、源/汲極植入、及基板接點植入後進行一 次該熱處理製程。該熱處理製程’可使用加熱爐來進行。 較佳為在85(TC以上90代以下且在6〇分鐘内施行該使用 加熱爐之熱處理製程。 又，3 MOS電晶體之問極形成製程以後的熱處理製 程，可包含以不超過90(rc溫度進行15分鐘以上之退火製 程。在該情形’較佳為僅以N型電晶體來構成該複數之咖 電晶體。 以下’使用圖式具體地說明本發明之實施形態。又， 在以下所參照之圖式中’ A區域表示固態攝像裝置之畫素 區域，B區域表示周邊電路區域。 (實施形態1) 貫施形‘％ 1之製造方法，較佳為：使用〇 25帅以下 之微細CMOS邏輯技術，於元件分離使用STI，閘極氧化 200527602 矽膜以10nm以下來製作。本實施形態，其特徵在於，於 活性化退火不使用RTA。關於本實施形態之固態攝像裝置 之製造方法，參照圖1A〜1F之製程的截面圖來說明。 首先如圖1A所示，使用已知之技術，於p型之石夕基 板20内形成STI構造之元件分離區域21。接著，於石夕基 板20形成A區域之光二極體的訊號累積區域25。接著， 於B區域之P-MOS電晶體形成區域中形成N井26, n_m〇s 電晶體形成區域中形成P井27。就代表性之摻雜物而言， N井是使用磷，P井是使用硼。接著，於矽基板2〇上，形 成氧化石夕膜當作閘極絕緣膜22。接著，形成由多晶石夕 (Wsi/DPS)所構成之讀取閘極23a、重置或位址閘極23b、 及MOS場效電晶體之閘極23c。 接著’使用光微影術與離子植入法，於A區域之讀取 閘極23a的鄰接部形成N型汲極區域2扑，於B區域之n_ M〇S電晶體之源/汲極區域形成N型D〇ped

Dram)區域24c。接著，於P-M〇s電晶體之源/汲極區域形 成P型LDD區域24b。 接著，如圖1B所示，使用常壓CVD(Chemicai Vap沉

Deposition)法等，全面性地形成例如具有之膜厚的 氮化矽fe 28。進一步，於氮化矽膜28上使用減壓cVD法 等形成具有85nm之膜厚的氧化矽膜29。其後，以光微影 法方、光一極體之區域上方的氧化矽膜Μ上，選擇性地形 成光阻膜3 0。 接著，將光阻膜30當作光罩，使用RIE(Reactive I〇n ίο 200527602 ΓΓΓ^，對於氮化石夕膜28與氧化”29進行乾式 银刻。其結果，如圖lc所示，於閉極23a、23b、23c之 侧面形成閉極側壁絕緣膜（側壁絕緣膜）32，同時，於光二 極體之訊號累積區域25上，形切化物阻撞層31。並後了 去除光阻膜30。在此，若多晶石夕因乾式餘刻而表面暴露於 外，則不僅成為w(鶴）之污染源，更會引起表面異常氧化， 故需注意不可暴露於外。 接著，如圖1D所示，使用光微影術與離子植入法， 於訊號累積區域25之表面形成P +型之表面屏蔽區域33。 ί結果，形成/+NP型之嵌入式光二極體。在此，表面屏 敝區域33，藉由屏齡亦—技触主 符田井敝先—極體表面之Si/Si〇2界面，可達 到防止訊號累積區域25之空乏層擴散至si/si〇2界面的功 能。因此’藉由表面屏蔽區域33’可抑制si/Si〇2界面位 準所致漏電流的產生。另—方面，在B區域中，於元件區 域形成源/汲極區域34a、^ „ 匕A Ma、34b。在此，N-M〇s區域之源/沒 極區域34a的形成是進行N+型之離子植入，厂則區域 之源/汲極區域34b的形成是進行p +型之離子植入。 接著，進行植入於源/汲極區域3钧、3仆之離子的活 ,1± u火在此，一般之CMOS邏輯製程是使用RTA，可 疋，RTA是以短時間進行急劇之溫度上昇，在本實施形態 中，基於以下之理由而不採用。主要理由有三點：容易引 起結晶缺陷；肖STI及間極之光二極體的應力無法緩和； 及因為P+型之表面屏蔽區域33為非常高濃度之植入層， 支夬fe亦大里產生，若以不充份之退火，則上述缺陷會大 200527602 幅成長產生二次缺陷。因此，在本實施形態中，例如使用 加熱爐退火進行活化性退火，來取代rta。按照Μ爐退 火，設定溫度例如為850t，時間例如為45分鐘，則可實 施充分之熱處理。又’ f"+型之表面屏蔽區域33之活二

化退火’使用RTA時是在屏蔽區域33形成後來進行，若 以加熱爐退火，則可一次處理完成。 A 接著，就後述之矽化金屬的前製程而言，是進行前非 晶質化離子植入。此前非晶質化之離子植入，<列如以加速 電壓20KeV，劑量3.0E14/cm2之條件，使用As離子來進 仃。其後，以濺鍍法等，全面性地形成例如具有4如^膜 f之T】膜，當作石夕化金屬膜（未圖示）。又，石夕化金屬不限 定於Ti，亦可使用例如c〇、Ni、w等之高熔點金屬。 接著，在氮氣環境中，以溫度例如為675π，時間例 如為 30 秒之條件，進行 RTP(Rapid Thermal pr〇cessing)。 藉此，如圖1E所示，在矽基板2〇之元件區域與矽化金屬 膜直接相接之區域，矽基板2〇中之矽與矽化金屬膜中之Ti 反應，金屬會矽化形成矽化鈦（丁以〇膜35。其後，使用 H2S〇4、HCl + H2〇2溶液將未反應之矽化金屬膜剝離去除； 進一步，以溫度例如為85(rc，時間例如為10秒之條件， 進行RTP熱處理。如上進行，可於矽化物阻擋層3丨未披 覆之區域，形成石夕化鈦（Ti Si)膜35。 接著’如圖1 F所示，全面性地形成層間絕緣膜3 $後， 此層間絕緣膜 36 以 CMP(ChemicaI Mechanical Polish)技術 進行平坦化。於其上方，選擇性地形成A1配線37(用來達 12 200527602 到A區域内之訊號線或連接配線、b區域内之連接配線之 功能）。關於形成後續之多層配線的製程，省略說明。 按照此製造方法，可緩和加諸於光二極體之各種應力 及抑制結晶缺陷之產生。藉此，於使用0·25μιη以下之微 細CMOS邏輯技術所製作的M0S型固態攝像裝置中，可 消除如白色亮點、暗點之攝像特性不良。 (實施形態2) 實施形態2之固態攝像裝置之製造方法，其特徵在於·· 全部之電晶體由η通道電晶體所構成之固態攝像裝置（例如 參照曰本專利特開2002-270808號公報）的製程中，應用實 知开> 怨1之製程。以下，參照圖2Α〜2F之製程截面圖說 明本實施形態，惟，與實施形態1相同之製程，簡略其說 明’僅對不同之製程詳細地說明。 首先，如圖2 Α所示，使用已知之技術，於ρ型之石夕 基板20内，選擇性地形成STI構造之元件分離區域。 接著，於矽基板20形成A區域之光二極體的訊號累積區 域25。接著，於B區域之N_M〇s電晶體形成區域中形成 P井27。接著，於矽基板2〇上，形成氧化矽膜當作閘極 絕緣膜22。接著，形成由多晶矽（Wsi/Dps)所構成之讀取 閘極23a、重置或位址閘極23b、及M〇s場效電晶體之閘 極 2 3 c 〇 接著，使用光微影術與離子植入法，於與A區域之接 取閘極2 3 a鄰接之區域的石夕基板2 〇表面，形成n型汲極 區域24a ;於B區域之N_M0S電晶體的源/汲極區域形成 13 200527602 N 型 LDD(Lightly Doped Drain)區域 24c。 接著，如圖2B所示，使用常麼⑽咖觸】

Depos⑴on)法等，全面性地形成例如具有3〇nm之膜厚的 氮化矽膜28。進一步’於氮化矽膜28上使用減壓cvd法 等形成具有85麵之膜厚的氧切膜29。其後，以光微影 法於光二極體之區域上方的氧化石夕膜29 i，形成光阻膜 30 〇 、 接著，將光阻膜30當作光罩，使用 此㈣）技術，料氮切膜28與氧切膜29進行乾式 钱刻。藉此，如圖2C所示，於閘極23a、23b、23c之側 面形成閘極側壁絕緣膜（側壁絕緣膜）32，同時，於光二極 體之訊號累積區域25上’形成矽化物阻擋層31。1後， 切光阻膜30。在此，若多晶石夕因乾式㈣而表面暴露於 夕’則不僅成為W⑷之污染源，更會引起表面異常氧化， 故需注意不可暴露於外。 ^接著、如圖2D所示，使用光微影術與離子植入法， 糸A區域之光二極體的訊號累積區域25表面，形成 之表面屏敝區i或33。其結果’形成p+Np型之嵌 在此’表面屏蔽區域33’藉由屏蔽光二極體：面： 至面二❹]防止訊號累積區域25之空乏層擴散 2 "面的功能。因此，藉由表面屏蔽區域u， :p制Sl/Sl〇2界面位準所致漏電流的產生。另一方面°

&域中’為於N_M〇s區域形成源/汲極區域34 B Ν +型之離子植入。 係進行 14 200527602 接著’進行植入於源/汲極區域之離子的活性化退火。 與實施形態1相同，對於活性化退火不使用RTA，而是使 用例如加熱爐退火。按照加熱爐退火，設定溫度例如為85〇 °C，時間例如為45分鐘，則可實施充分之熱處理。 又’如貫施形態 w dC；

體之情形，若進行加熱爐退火，則會從p_M〇s電晶體之間 極產生B之滲出，P-M0S電晶體之臨界值電壓會大幅變動。 ί隹，僅以N-MOS電晶體來構成固態攝像裝置之情形，可 消除此種不佳狀況。又，即使於N-M〇s電晶體，藉由施 以上述加熱爐退火，雖然臨界值電壓、飽和電流及次起每 斜率特性等之電晶體特性會有若干變動，但可藉由進行臨 界值調整用離子植入及源/汲極植入來調整，即可對應。 接著，就後述之矽化金屬的前製程而言，是進行前非 晶質化離子植入。此前非晶質化之離子植人，例如以加速 電壓20KeV，劑量3·〇ε14/〇πι2之條件，制As離子來進

:H以㈣法等’全面性地形成例如具冑40_膜 丁1膜（未圖示），來當作石夕化金屬膜。又，石夕化金屬不 限疋於：1 ’亦可使用例如Co、Ni、W等之高熔點金屬。 •著在氮氣環境中，以溫度例如為675°C，時間例 1口為30秒之條件，進行㈣。藉此，如圖2E所示，在石夕 :板20 <元件區域與吩化金屬膜直接相接之區域，石夕其 板20中之矽與 土 砂化鈦孟屬膜中的Tl反應，金屬會石夕化形成 將 1 1 % 35 ° 其後，使用 h2so4、HCI+H2〇2 溶液， 、 w之矽化金屬膜剝離去除，進-步，以溫度例如為 15 200527602 8 5 0 °C，時間例如為10秒之條件，進行rtp熱處理。如上 進行，於矽化物阻擋層31未彼覆之區域，可形成矽化鈦（丁iSi) 膜35 〇 接著’如圖2F所示’全面性地形成層間絕緣膜36後， 此層間絕緣膜 36 以 CMP(Cliemical Mechanical Polish)技術 進行平坦化；於其上方，選擇性地形成Ai配線37(用來達 到A區域内之讯號線、連接配線、b區域内之連接配線之 功能）。關於形成後續之多層配線製程，省略說明。

如上述，按照本發明之實施形態，可抑制習知問題$ P-M0S及N-M0S電晶體兩者之電晶體特性，特別是臨^ 值電壓的劣化，並可選擇最適當之退火方法，來緩絮 於光二極體之各種應力及抑制結晶缺陷之產生。藉此，方 使用0.25/xm以下之微細CMOS邏輯技術所製作的M〇s卷 固恶攝像裝置中，可消除白色亮點、暗點之攝像特性不良c

又，在上述實施形態中，於閘極雖使用多晶句 (Wsi/DPS) ’但亦可使用摻雜過之多晶矽（Dps)及植、 多晶矽。又，雖金屬矽化係選擇矽化鈦，但 M J 疋 Co、Ni、 W之矽化物。使用任一種金屬皆可獲得相同之特性。 【圖式簡單說明】 圖1A〜1F ， 之製程的截面圖 圖2A〜2F， 之製程的截面圖 係表示本發明實施形態1中 T固怨攝像裝置 ) 係表示本發明實施形態2中 r固恕攝像裝置 16 200527602 圖3，係表示使用放大型MOS感測器之固態攝像裝置 之構成的示意電路圖。 圖4，係表示習知例之固態攝像裝置的截面圖。 【主要元件符號說明】 1 :光二極體 2 :傳送電晶體 3 :重置電晶體 4 :放大電晶體 5 :垂直選擇電晶體 6 :像素 7 :像素區域 8 ·往像素部電源之連接部 9 :垂直選擇機構 10:負載電晶體群 11 :行訊號累積機構 1 2 :水平選擇機構 1 3 :垂直選擇電晶體控制線 14 :重置電晶體控制線 1 5 :傳送電晶體控制線 1 6 :垂直訊號線 20 :矽基板 2 1 :元件分離部 22 :閘極絕緣膜 17 200527602 23a :讀取閘極 23b :重置或位址閘極 23c :閘極 24a : N型汲極區域 24b ·· P型LDD區域 24c : N型LDD區域 25 : N型訊號累積區域 26 : N 井 27 : P 井 28 :氮化矽膜 29 :氧化矽膜 30 :光阻膜 3 1 :矽化物阻擋層 32 :閘極側壁絕緣膜 33 :表面屏蔽區域 34a、34b :源/汲極區域 35 :矽化鈦膜 36 :層間絕緣膜 37 : A1酉己各复 18

Claims (1)

1. 200527602 十、申請專利範圍： 1.一種固態攝像裝置之製造方法，係於半導體基板上， 形成像素單元（±包含將入射光進行光電轉換並累積之複數個 尤一桠體、與讀取該光二極體之訊號電荷的讀取機構)以2 維狀排列所成之感光區域，並以刪電晶體來形成將今 感光區域之複數個像素單元朝行方向驅動之垂直驅動電路 舆朝列方向驅動之水i|L酿番^ φ β , 屻< A十IE動電路、及將輸出訊號放大之放 大電路；其特徵在於， 具備：以 STI(Shallow Trench Isolati〇n)來形成該光二 1體及複㈣刪電晶體之各元件間之元件分離區域的 製程’及形成厚度l〇nm以下之該M0S電晶體之閘極氧化 膜的製程； 該MOS電晶體之閘極形成製程以後之全部的熱處理 製程皆在不超過900°c之溫度範圍内施行。 2·如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置之製造方 法，其中，該熱處理製程至少於光二極體形成植入、源/汲 極植入、及基板接點植入後進行一次。 3 ·如申請專利範圍第1或2項之固態攝像裝置之製造 方法，其中，該熱處理製程係使用加熱爐來進行。 4·如申請專利範圍第1或2項之固態攝像裝置之製造 方法，其中，使用該加熱爐之熱處理製程係以850°C〜900 C且在6 0分鐘以内施行。 5 ·如申請專利範圍第3項之固態攝像裝置之製造方 法’其中’使用該加熱爐之熱處理製程係以8 5 〇。〇〜9 0 0 °C 19 200527602 且在60分鐘以内施行 6. 如申請專利範圍第1或2項之固態攝像裝置之製造 方法，其中，該MOS電晶體之閘極形成製程以後之熱處 理製程，包含以不超過900°C之溫度進行15分鐘以上之退 火製程。 7. 如申請專利範圍第6項之固態攝像裝置之製造方 法，其中，該複數之MOS電晶體，僅以N型電晶體來構 成0 十一、圖式= 如次頁

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